計算機組成原理第一章計算機概論的知識

計算機組成原理

E-mail:1計算機組成原理計算機組成原理課程介紹

課程地位：是計算機專業(yè)本科生的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程。教學(xué)目的：使學(xué)生既能從全局或宏觀的角度掌握計算機硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和工作原理，又能從局部或微觀的角度理解計算機各個部件的工作過程和交互方式。2計算機組成原理課程介紹與其它課程的先后關(guān)系其先導(dǎo)課程有：數(shù)字邏輯、匯編語言。課程特點：教學(xué)內(nèi)容多、學(xué)習(xí)難度大。3主要參考書教材：計算機組成原理白中英科學(xué)出版社(第四版)參考教材：1．計算機組成原理唐朔飛高等教育出版社2．計算機組成與設(shè)計王誠清華大學(xué)出版社3．現(xiàn)代計算機組成原理潘松科學(xué)出版社4.計算機組成與設(shè)計—硬件/軟件接口DavidA.PattersonJohnL.Hennessy機械工業(yè)出版社(第三版)4第１章計算機系統(tǒng)概論1.1計算機系統(tǒng)簡介1.4計算機的發(fā)展及應(yīng)用1.3計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.2計算機的基本組成51.1計算機系統(tǒng)簡介由具有各類特殊功能的信息（程序）組成1.計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機的實體，如主機、外設(shè)等一、計算機的軟硬件概念硬件軟件6按任務(wù)需要編制成的各種程序用來管理整個計算機系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件語言處理程序操作系統(tǒng)服務(wù)性程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件軟件1.17計算機高級語言程序目標(biāo)程序結(jié)果翻譯運行1.12.計算機的解題過程8二、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級語言虛擬機器M3匯編語言虛擬機器M2操作系統(tǒng)虛擬機器機器語言實際機器M1微指令系統(tǒng)微程序機器M01.19用編譯程序翻譯成匯編語言程序用匯編程序翻譯成機器語言程序用機器語言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機器指令由硬件直接執(zhí)行微指令軟件硬件1.1虛擬機器M4虛擬機器M3虛擬機器M2實際機器M1微程序機器M010程序員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性計算機體系結(jié)構(gòu)計算機組成實現(xiàn)計算機體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性有無乘法指令如何實現(xiàn)乘法指令（指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、I/O機理）（具體指令的實現(xiàn)）1.1三、計算機體系結(jié)構(gòu)和計算機組成111.2計算機的基本組成1.計算機由五大部件組成3.指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示4.指令由操作碼和地址碼組成6.以運算器為中心2.指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲器，

可按地址尋訪5.存儲程序一、馮·諾依曼計算機的特點5.存儲程序12算術(shù)運算邏輯運算存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機器能識別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式指揮程序運行1.2馮·諾依曼計算機硬件框圖存儲器輸入設(shè)備運算器控制器輸出設(shè)備131.2馮·諾依曼計算機硬件框圖存儲器輸入設(shè)備運算器控制器輸出設(shè)備14二、計算機硬件框圖1.21.以存儲器為中心的計算機硬件框圖程序存儲器輸出設(shè)備輸入設(shè)備運算器控制器數(shù)據(jù)結(jié)果計算15ALU主存輔存CPU主機I/O設(shè)備硬件CU2.現(xiàn)代計算機硬件框圖存儲器輸入設(shè)備運算器輸出設(shè)備控制器1.2ALUCPU主機I/O設(shè)備CU主存161.上機前的準(zhǔn)備建立數(shù)學(xué)模型-+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin…編制解題程序確定計算方法程序——運算的全部步驟0,1,2,)()(21nynxynx=+=√…指令——每一個步驟1.2三、計算機的工作步驟17取x至運算器中乘以x在運算器中乘以a在運算器中存ax2

在存儲器中取b至運算器中乘以x在運算器中加ax2

在運算器中加c在運算器中=(ax

+

b)x

+

c

取x至運算器中乘以a在運算器中加b在運算器中乘以x在運算器中加c在運算器中計算ax2+bx+c1.2編程舉例18000001

0000001000打印

停機取數(shù)α[α]ACC存數(shù)β[ACC]

β加γ[ACC]+[γ]ACC乘δ[ACC]×[δ]ACC指令格式舉例1.2操作碼地址碼

[

]打印機19指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址指令注釋操作碼地址碼00000010000001000取數(shù)x至ACC10001000000001001乘a得ax

,存于ACC中20000110000001010加b得ax+b

,存于ACC中30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中40000110000001011加c得ax2+bx+c

,存于ACC50000100000001100將ax2+bx+c

,存于主存單元60001010000001100打印7000110停機8

x原始數(shù)據(jù)x9

a原始數(shù)據(jù)a10b原始數(shù)據(jù)b11c原始數(shù)據(jù)c12存放結(jié)果1.2計算ax2+bx+c程序清單20存儲體大樓存儲單元存放一串二進(jìn)制代碼存儲字存儲單元中二進(jìn)制代碼的組合存儲字長存儲單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)每個存儲單元賦予一個地址號按地址尋訪–存儲單元–存儲元件（0/1）–

房間–

床位（無人/

有人）(1)存儲器的基本組成1.2MDR主存儲器存儲體MAR2.計算機的解題過程21MARMDR存儲單元個數(shù)

16存儲字長

8

設(shè)MAR

=

4

位

MDR

=

8

位1.2存儲器地址寄存器反映存儲單元的個數(shù)存儲器數(shù)據(jù)寄存器反映存儲字長(1)存儲器的基本組成MDR主存儲器存儲體MAR22ACCMQX(2)運算器的基本組成及操作過程1.2運算器MQACCALUX被加數(shù)被減數(shù)被除數(shù)乘數(shù)商加數(shù)減數(shù)被乘數(shù)除數(shù)加法減法乘法除法和差余數(shù)乘積高位乘積低位23運算器MQACCALUXACC被加數(shù)ACC初態(tài)①加法操作過程1.2[ACC]+[X]ALU[M]XXACCACC指令加M241.2②減法操作過程運算器MQACCALUX指令減MACC被減數(shù)ACC初態(tài)[M]XX[ACC]-[X]ALUACCACC25運算器MQACCALUXACCACC被乘數(shù)初態(tài)1.2MQ[M]MQ指令乘M③乘法操作過程X[ACC]XALU[X]×[MQ]00ACCACC∥MQACCMQ26運算器MQACCALUXACC被除數(shù)ACC初態(tài)1.2[ACC]÷[X]ALUMQACCMQ余數(shù)在ACC中指令除M[M]

XX④除法操作過程27取指令分析指令執(zhí)行指令PCIRCUPCIRCU取指執(zhí)行PC存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址，

具有計數(shù)功能（PC）+

1PCIR存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令訪存訪存完成一條指令1.2(3)控制器的基本組成2812356789以取數(shù)指令為例4(4)主機完成一條指令的過程1.2CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR…運算器MQACCALUXI/O設(shè)備2912356798以存數(shù)指令為例41.2(4)主機完成一條指令的過程CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR…運算器MQACCALUXI/O設(shè)備30(5)ax2+bx+c程序的運行過程將程序通過輸入設(shè)備送至計算機程序首地址打印結(jié)果分析指令取指令…停機啟動程序運行,(PC

)+

1PC執(zhí)行指令

1.2MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC31語言翻譯的簡單過程用一個完整的例子來描述從程序員編寫的程序到機器執(zhí)行的指令整個轉(zhuǎn)換過程。下面是C語言中的賦值語句：A[300]=h+A[300]；被編譯成如下的MIPS匯編指令代碼：lw$t0，1200($t1)add$t0，$s2，$t0sw$t0，1200($t1)32語言翻譯的簡單過程將上面的三條MIPS匯編指令匯編成三條機器語言指令如下：oprsrtrdAddress/shamtfunctlw35981200add01888032sw43981200331.3計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.機器字長2.運算速度CPU

一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)與

CPU

中的

寄存器位數(shù)

有關(guān)主頻:又稱為CPU時鐘周期,CPU的工作節(jié)拍受主時鐘控制,主時鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時鐘。響應(yīng)時間：是指計算機完成一個任務(wù)所花費的全部時間，包括存儲訪問時間、磁盤訪問時間和I/O訪問時間等。它是計算機執(zhí)行單個任務(wù)時的性能。342.運算速度吞吐量：是指計算機系統(tǒng)在單位時間內(nèi)完成的總工作量。它表征了計算機系統(tǒng)執(zhí)行多個任務(wù)時的性能表現(xiàn)。CPU執(zhí)行時間：是指CPU計算所花費的時間，不包括I/O訪問時的等待時間等。CPU執(zhí)行時間=CPU時鐘周期數(shù)×CPU時鐘周期CPI：表示執(zhí)行每條指令所需要的平均時鐘周期數(shù)。CPI=一個程序的CPU時鐘周期數(shù)÷程序指令數(shù)量352.運算速度MIPS：是指CPU每秒可以執(zhí)行的百萬條機器指令數(shù)。MIPS=指令數(shù)÷（程序執(zhí)行的時間*106）MFLOPS：是指CPU每秒可以執(zhí)行的百萬條浮點操作次數(shù)。MFLOPS=程序中的浮點操作次數(shù)÷（程序執(zhí)行的時間*106）36221

=

256

KB213

=

1

KB如3.存儲容量主存容量輔存容量存儲單元個數(shù)

×

存儲字長字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)80GB如MARMDR容量10

816

32存放二進(jìn)制信息的總位數(shù)1.31K=210

1B=23b1GB=230b1

K

×

8位64

K

×

32位371.4計算機的發(fā)展及應(yīng)用1.4.3計算機的展望1.4.2計算機的應(yīng)用1.4.1計算機的發(fā)展史38計算機的分類1.總體分為電子模擬計算機和電子數(shù)字計算機。2.電子數(shù)字計算機又可以分為通用計算機和專用計算機。3。通用計算機又可以分為：巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機和單片機。391.4.1計算機的發(fā)展史一、計算機的產(chǎn)生和發(fā)展1946年美國ENIAC1955年退役十進(jìn)制運算180001500150301500多個電子管多個繼電器千瓦噸平方英尺5000次加法／秒用手工搬動開關(guān)和拔插電纜來編程40世界上第一臺電子計算機ENIAC(1946)1.4.141硬件技術(shù)對計算機更新?lián)Q代的影響1億超大規(guī)模集成電路

1978－現(xiàn)在五1000萬大規(guī)模集成電路

1972－1977100萬中小規(guī)模集成電路

1965－1971

20萬晶體管

1958－1964

4萬電子管

1946－1957速度

（次/秒）硬件技術(shù)時間代三四二一1.4.142第一臺vonNeumann系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機1.4.143IBMSystem／360

44

1.

IBM:BlueGene/L-eServerBlueGene

Solution212992個CPU最大平均速度478200GFLOPS最快的五臺超級計算機（截止到2007.11）452.IBM:JUGENE-BlueGene/PSolution

65536個CPU最大平均速度167300GFLOPS

最快的五臺超級計算機（截止到2007.11）463.SGI:SGIAltixICE820014336個CPU最大平均速度

126900GFLOPS

最快的五臺超級計算機（截止到2007.11）474.HP:EKA-ClusterPlatform3000BL460c 14240個CPU最大平均速度117900GFLOPS最快的五臺超級計算機（截止到2007.11）48最快的五臺超級計算機（截止到2007.11）5.HP:ClusterPlatform3000BL460c 13728個CPU最大平均速度102800GFLOPS49最權(quán)威的超級計算機排名的參考網(wǎng)址

50二、微型計算機的出現(xiàn)和發(fā)展微處理器芯片存儲器芯片1971年8位16位32位64位4位（4004）1970年256位1K位16K位64K位256K位1M位16M位64M位4K位4M位51Moore定律Intel公司的締造者之一GordonMoore提出微芯片上集成的晶體管數(shù)目每三年翻兩番52Intel公司的典型微處理器產(chǎn)品80808位1974年808616位1979年2.9萬個晶體管8028616位1982年13.4萬個晶體管8038632位1985年27.5萬個晶體管8048632位1989年120.0萬個晶體管Pentium64位（準(zhǔn)）1993年310.0萬個晶體管PentiumPro64位（準(zhǔn)）1995年550.0萬個晶體管PentiumⅡ64位（準(zhǔn)）1997年750.0萬個晶體管PentiumⅢ64位（準(zhǔn)）1999年950.0萬個晶體管PentiumⅣ64位2000年4200.0萬個晶體管

2007年芯片上可集成3

億

5

千萬

個晶體管預(yù)計

2010年芯片上可集成8

億

個晶體管53Intel產(chǎn)品系列介紹（1）8080：世界上第一個通用微處理器。8位機。8086：16位機，采用了指令高速緩存。80286：可以尋址16MB的存儲空間，不再受1MB存儲空間的限制。80386：32位機，它是Intel產(chǎn)品中第一個支持多任務(wù)的處理器。80486：采用了更為復(fù)雜、功能更為強大的高速緩存技術(shù)和指令流水線技術(shù)。它內(nèi)置浮點協(xié)處理器。54Intel產(chǎn)品系列介紹（2）Pentium:開始采用超標(biāo)量（Superscalar）技術(shù)。允許更多的指令并行執(zhí)行。PentiumPro:極富有進(jìn)取性的采用了轉(zhuǎn)移預(yù)測、數(shù)據(jù)流分析、推測執(zhí)行等技術(shù)。PentiumⅡ：采用了專門用于處理視頻、音頻和圖形數(shù)據(jù)的IntelMMX技術(shù)。PentiumⅢ：采用了新的浮點指令、支持三維圖形軟件。PentiumⅣ：使用64位組織結(jié)構(gòu)的新一代。55三、軟件技術(shù)的興起和發(fā)展機器語言面向機器匯編語言面向機器高級語言面向問題FORTRAN科學(xué)計算和工程計算PASCAL結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計C＋＋面向?qū)ο驤ava適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境1.各種語言2.1562.系統(tǒng)軟件語言處理程序

匯編程序編譯程序解釋程序操作系統(tǒng)

DOSUNIXWindows

服務(wù)性程序

裝配調(diào)試診斷排錯數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件網(wǎng)絡(luò)軟件2.1573.軟件發(fā)展的特點⑴開發(fā)周期長⑵制作成本昂貴⑶檢測軟件產(chǎn)品質(zhì)量的特殊性軟件是程序以及開發(fā)、使用和維護程序所需要的所有文檔2.1581.4.2計算機的應(yīng)用一、科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理二、工業(yè)控制和實時控制三、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)1.電子商務(wù)2.網(wǎng)絡(luò)教育3.敏捷制造59四、虛擬現(xiàn)實五、辦公自動化和管理信息系統(tǒng)六、CAD/CAM/CIMS七、多媒體技術(shù)八、人工智能2.2601.4.3計算機的展望一、計算機具有類似人腦的一些超級

智能功能要求計算機的速度達(dá)1015/秒(千萬億次)二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制芯片集成度受物理極限的制約按幾何級數(shù)遞增的制作成本芯片的功耗、散熱、線延遲61三、？替代傳統(tǒng)的硅芯片1.光計算機2.DNA生物計算機3.量子計算機利用光子取代電子進(jìn)行運算和存儲通過控制DNA分子間的生化反應(yīng)利用原子所具有的量子特性2.362中國計算機發(fā)展史1958年，中科院計算所研制成功我國第一臺小型電子管通用計算機103機,標(biāo)志著我國第一臺電子計算機的誕生。1965年，中科院計算所研制成功第一臺大型晶體管計算機109乙，之后推出109丙機，該機為兩彈試驗中發(fā)揮了重要作用；1974年，清華大學(xué)等單位聯(lián)合設(shè)計、研制成功采用集成電路的DJS-130小型計算機，運算速度達(dá)每秒100萬次；63中國計算機發(fā)展史1983年，國防科技大學(xué)研制成功運算速度每秒上億次的銀河-I巨型機，這是我國高速計算機研制的一個重要里程碑；1985年，電子工業(yè)部計算機管理局研制成功與IBMPC機兼容的長城0520CH微機。1992年，國防科技大學(xué)研究出銀河-II通用并行巨型機，峰值速度達(dá)每秒4億次浮點運算(相當(dāng)于每秒10億次基本運算操作)，為共享主存儲器的四處理機向量機，總體上達(dá)到80年代中后期國際先進(jìn)水平。它主要用于中期天氣預(yù)報；64中國計算機發(fā)展史1993年，國家智能計算機研究開發(fā)中心（后成立北京市曙光計算機公司）研制成功曙光一號全對稱共享存儲多處理機，這是國內(nèi)首次以基于超大規(guī)模集成電路的通用微處理器