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计算机组成与系统结构 陈泽宇 副教授
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第1章 计算机系统概论 第2章 运算方法和运算器 第3章 存储系统 第4章 指令系统 第5章 中央处理器（CPU） 第6章 总线系统 第7章 输入输出（I/O）系统 第8章 并行计算机系统
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1.3 计算机系统的概念 1.3.1 计算机系统的层次结构 计算机系统的3个术语 计算机体系结构的分类
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1.3.1 计算机系统的层次结构 现代计算机系统是硬件、固件和软件组成的一个复杂整体 为了对计算机系统进行描述、分析、设计和使用，人们从语言的角度出发，把计算机系统按功能分成5个层次级别 每一级以一种不同的语言为特征 每一级都能进行程序设计
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第1级是微程序设计级，属于硬件级，由机器硬件直接执行微指令
第2级是机器语言级，属于硬件级，由微程序解释机器指令系统 第3级是操作系统级，属于（软硬件）混合级，由操作系统程序实现 第4级是汇编语言级，属于软件级，由汇编程序支持和执行 第5级是高级语言级，属于软件级，由各种高级语言编译程序支持和执行
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各层次之间关系紧密，上层是下层功能的扩展，下层是上层的基础
第1级 微程序设计级 由机器硬件直接执行微指令 硬件级 二进制语言 第2级 机器语言级 由微程序解释机器指令系统 第3级 操作系统级 由操作系统程序实现 混合级 第4级 汇编语言级 由汇编程序支持和执行 软件级 符号语言 第5级 高级语言级 由各种高级语言编译程序支持和 执行
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1.3.2 计算机系统的3个术语 1．计算机体系结构 2．计算机组成 3．计算机实现
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1．计算机体系结构 计算机体系结构（Computer Architecture）定义为机器语言程序员所看到的计算机系统的属性 是计算机系统中由硬件或固件完成的功能 主要包括：数据表示、寻址规则、寄存器定义、指令集、终端系统、存储系统、信息保护、I/O结构等 计算机体系结构概念的实质 确定计算机系统中软硬件的界面 界面之上是软件的功能，界面之下是硬件和固件的功能
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2．计算机组成 计算机组成（Computer Organization）指的是计算机体系结构的逻辑实现 包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等 着眼于机器内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件的联系
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3．计算机实现 计算机实现（Computer Implementation）指的是计算机组成的物理实现 包括处理机、存储器等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等 着眼于器件技术和微组装技术，其中器件技术在实现技术中占主导作用
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具有相同计算机体系结构（如指令系统相同）的计算机，可以采用不同的计算机组成
取指令、指令译码、指令执行、访存取数、结果写回5个阶段，可以在时间上顺序进行，也可以在时间上重叠进行（即时间并行），以提高执行速度 一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现 存储器件可以采用静态RAM芯片，也可以采用动态RAM芯片，可以采用单片大规模集成电路，也可以采用中小规模集成电路进行构建 取决于性能价格比的要求与器件技术的现状
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1966年，Michael J. Flynn从计算机体系结构的并行性能出发，按照指令流和数据流的不同组织方式，把计算机系统的结构分为4类：
1.3.3 计算机体系结构的分类 1966年，Michael J. Flynn从计算机体系结构的并行性能出发，按照指令流和数据流的不同组织方式，把计算机系统的结构分为4类： Single Instruction （单指令） Multiple Instruction （多指令） Single Data （单数据） SISD （单指令流单数据流） MISD （多指令流单数据流） Multiple Data （多数据） SIMD （单指令流多数据流） MIMD （多指令流多数据流）
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1．SISD体系结构 SISD计算机是传统的顺序执行的计算机（FLASH演示） 在同一时刻只能执行一条指令（即只有一个控制流）、处理一个数据（即只有一个数据流） 由一个处理器和一个存储器组成 主要缺点 单个处理器处理能力有限 没有发挥数据处理中的并行性潜力
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2．SIMD体系结构 SIMD计算机属于并行结构计算机（FLASH演示） 一条指令可同时对多个数据进行运算 单一指令部件，多个处理单元 由一个控制器、多个处理器、 多个存储模块和一个互连网络组成 以阵列处理机和向量处理机为代表
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3．MISD体系结构 MISD计算机（FLASH演示） 有多个处理单元，分 别执行不同的指令流 同一个数据流顺次通 过各个处理单元 只适用于某些特定算法，在常见计算机系统中很少见
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4．MIMD体系结构 MIMD计算机属于并行结构计算机（FLASH演示） 多个处理单元根据不同的控制流程执行不同的操作，处理不同的数据 由多台处理机、多个存储 模块和一个互连网络组成 每台处理机执行自己的指 令，操作数也是各取各的， 每个处理器都可单独编程 以多处理机和机群系统为代表
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本讲到此结束，谢谢！
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