第一章計算機系統(tǒng)概論

《計算機組成原理》第一章計算機系統(tǒng)概論

本章主要內(nèi)容計算機分類、應(yīng)用計算機硬件系統(tǒng)硬件組成及發(fā)展簡史計算機軟件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.概念計算機（Computer）是一種以電子器件為基礎(chǔ)的，不需人的直接干預(yù)，能夠?qū)Ω鞣N數(shù)字化信息，進行算術(shù)和邏輯運算的快速工具。

（1）

以電子器件為物質(zhì)基礎(chǔ)：電子數(shù)字計算機（DigitalComputer）（2）

不需要人的直接干預(yù)：自動化（存儲程序為基礎(chǔ)）（3）

數(shù)字化信息：二進制（計算機能夠具有邏輯判斷和處理能力的基礎(chǔ)）（4）

算邏運算：基本運算操作是算術(shù)和邏輯運算（5）

快速工具：（A）

電子器件（B）

存儲程序2、

層次：

（1）內(nèi)部特征：（A）

高速高集成度開關(guān)元件（B）

數(shù)字化信息編碼（C）

邏輯判斷和處理能力（D）

存儲程序（2）外部特征：（A）

快速性（由（1）中（A）（D）決定）（B）準確性（由（1）中（B）（D）決定）（C）邏輯性（由（1）中（A）（C）（D）決定）（D）

通用性（由（1）中（A）（B）（C）（D）決定）

3、特征：1.1.1計算機的分類

計算機從總體上來說分為兩大類:

模擬計算機和數(shù)字計算機。各自主要特點：模擬計算機由模擬運算器件構(gòu)成，其變量由連續(xù)量（如：電壓、電流等）來表示，運算過程也是連續(xù)的數(shù)字計算機則是由邏輯電子器件構(gòu)成，其變量為開關(guān)量（離散的數(shù)字量），采用數(shù)字式按位運算，運算模式是離散式的數(shù)字計算機與模擬計算計的主要區(qū)別通用計算機類別巨型機、大型機、中型機、小型機、微型機和單片機，它們的結(jié)構(gòu)規(guī)模和性能指標依次遞減隨著超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展,今天的小型機可能是明天的微型機,而今天的微型機可能是明天的單片機

1.1.2計算機的應(yīng)用計算機之所以迅速發(fā)展,其生命力在于它的廣泛應(yīng)用并協(xié)助人類取得了輝煌的成就。計算機的應(yīng)用范圍幾乎涉及人類社會的所有領(lǐng)域。本書歸納成六個主要方面來敘述：科學(xué)計算自動控制和測量信息處理教育和衛(wèi)生家用電器人工智能計算機分類、應(yīng)用計算機硬件系統(tǒng)硬件組成及發(fā)展簡史計算機軟件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1.2.1計算機的硬件系統(tǒng)組成運算器控制器主存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備總線和輸入輸出接口高速緩存虛擬存儲器(磁盤設(shè)備)（第二章）（第五章）（第三章）（第六章）（第七、八章）中央處理單元CPU1.運算器算術(shù)運算邏輯運算采用二進制數(shù)（容易實現(xiàn)）位數(shù)越多，計算精度越高計算機的運算器長度：8位、16位、32位或64位2.存儲器功能：保存或“記憶”數(shù)據(jù)和運算過程存儲的是0或1表示的二進制代碼主存采用半導(dǎo)體器件來作為存儲器一個半導(dǎo)體觸發(fā)器記憶一個二進制位存儲單元：在存儲器中保存一個n位二進制數(shù)的n個觸發(fā)器，組成一個存儲單元存儲器地址：存儲器是由許多存儲單元組成，每個存儲單元的編號，稱為地址存儲容量：存儲器所有存儲單元的總數(shù)。通常用單位“KB、MB、GB”等表示內(nèi)存儲器（主存）和外存儲器(輔存）表示參加運算的數(shù)據(jù)從存儲器的哪個單元取運算的結(jié)果應(yīng)存到哪個單元3.控制器控制計算機的各個部件有條不紊地進行工作指令有兩部分：操作的性質(zhì)和操作的地址指出指令所進行的操作加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等

電子計算機的設(shè)計思想存儲程序，程序控制“存儲程序”，是把指令以代碼的形式事先輸入到計算機的主存儲器中，即用記憶數(shù)據(jù)的同一裝置存儲執(zhí)行運算的命令，這些指令按一定的規(guī)則組成程序“程序控制”，是當計算機啟動后，程序就會控制計算機按規(guī)定的順序逐條執(zhí)行指令，自動完成預(yù)定的信息處理任務(wù)馮·諾依曼型計算機的設(shè)計思想存儲程序并按地址順序執(zhí)行馮·諾依曼計算機的基本思想采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令。指令由操作碼和地址碼組成；將程序和數(shù)據(jù)存放在存儲器中，使計算機在工作時從存儲器取出指令加以執(zhí)行，自動完成計算任務(wù)。這就是“存儲程序”和“程序控制”（簡稱存儲程序控制）的概念；指令的執(zhí)行是順序的，即一般按照指令在存儲器中存放的順序執(zhí)行，程序分支由轉(zhuǎn)移指令實現(xiàn)。計算機由存儲器、運算器、控制器、輸入和輸出設(shè)備五大基本部件組成，規(guī)定了5部分的基本功能VonNeumann控制器的基本任務(wù)

按照計算程序所排的指令序列，先從存儲器取出一條指令放到控制器中，對該指令的操作碼由譯碼器進行分析判別，然后根據(jù)指令性質(zhì)，執(zhí)行這條指令，進行相應(yīng)的操作。接著從存儲器取出第二條指令，再執(zhí)行第二條指令，依次類推取指令的一段時間叫做取指周期執(zhí)行指令的一段時間叫做執(zhí)行周期執(zhí)行完成指令的時間，稱為指令周期指令字和數(shù)據(jù)字，指令流和數(shù)據(jù)流

某字為一條指令，則稱為指令字某字代表要處理的數(shù)據(jù)，稱為數(shù)據(jù)字在取指周期中從內(nèi)存讀出的信息是指令流，它流向控制器而執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運算器時間上：在取指周期中，CPU從內(nèi)存讀出的信息一定是指令；而執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出或?qū)懭氲男畔⒁欢ㄊ菙?shù)據(jù)?？臻g上：指令一定流向控制器；而數(shù)據(jù)則是在內(nèi)存（或寄存器）與運算器之間流動4.適配器與輸入輸出設(shè)備輸入設(shè)備把人們所熟悉的某種形式的信息變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式輸出設(shè)備把計算機處理的結(jié)果變換為人或其它機器所能接收和識別的信息形式I/O設(shè)備通常統(tǒng)稱為外圍設(shè)備適配器(I/O接口)相當與一個轉(zhuǎn)換器,它可以保證外圍設(shè)備用計算機所要求的形式發(fā)送或接受信息系統(tǒng)總線構(gòu)成計算機系統(tǒng)的信息鏈接,是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路

1.2.2數(shù)字計算機的發(fā)展史世界上第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator）誕生于1946年2月15日，是美國賓夕法尼亞大學(xué)摩爾理工學(xué)院的摩切利和埃卡特發(fā)明的。計算機的發(fā)展大致經(jīng)歷了五代的變化：1946年開始，第一代電子管計算機1958年開始，第二代晶體管計算機1965年開始，第三代中小規(guī)模集成電路計算機1971年開始，第四代大規(guī)模集成電路計算機1986年開始，第五代巨大規(guī)模集成電路計算機計算機的發(fā)展史第一臺電子計算機（ENIAC）5000次加法/秒體重28噸占地170M218,800只電子管1500個繼電器耗電150KW計算機發(fā)展史ENIACVacuumtubeinENIACInputPannel(42)CableProgramingDebug(線路檢查)ENIAC&VonNeumannTop500(2006)—IBMBlueGene計算機發(fā)展史Top500(2006.06)計算機發(fā)展史34TOP500（2011.6）前十Architecture35TOP500（2011.6）前十Architecture36未來的超級計算機計算機1018flops，艾級（百億億）2018年左右挑戰(zhàn)：(1)能耗(2)內(nèi)存(3)并發(fā)和局部性(4)可靠性(5)器件(6)算法(7)語言(8)軟件(9)應(yīng)用2020TechniqueWall：IC工藝摩爾定律并行語言多線程OS內(nèi)存容量與計算性能的比為0.1~0.5，需要：100~500PB內(nèi)存，約100萬個DRAM芯片帶寬提高100倍單節(jié)點MTBF10萬小時(11.4年）：300個節(jié)點MTBF：333小時10萬節(jié)點MTBF：1小時3738典型系統(tǒng)120640核，約300機柜摩爾定律早在1964年，英特爾公司創(chuàng)始人戈登.摩爾（GordonMoore）在一篇很短的論文里斷言：每18個月，集成電路的性能將提高一倍，而其價格將降低一半。這就是著名的摩爾定律。作為迄今為止半導(dǎo)體發(fā)展史上意義最深遠的定律，摩爾定律被集成電路近40年的發(fā)展歷史準確無誤地驗證著微型計算機系統(tǒng)Moore’sLaw新摩爾定理由于國際互聯(lián)網(wǎng)及電子商務(wù)的超高速的發(fā)展，從現(xiàn)在起，每18個月,新增的存儲量等于有史以來存儲量之和!

———1998年圖靈獎獲得者JimGray什么是微型計算機微型計算機（Microcomputer）采用微處理器為核心構(gòu)造的計算機微處理器（Microprocessor）一塊大規(guī)模集成電路芯片微型機的運算和控制核心中央處理單元（CPU：CentralProcessingUnit）相對來說，微機性能、價格、體積較小工作學(xué)習(xí)中使用的個人微機生產(chǎn)生活中運用的各種智能化電子設(shè)備微處理器的基本性能指標字長微處理器每個時間單位處理的二進制數(shù)據(jù)位數(shù)例如一次進行運算、傳輸?shù)奈粩?shù)時鐘頻率微處理器的處理速度反映微處理器的基本時間單位集成度表明微處理器的生產(chǎn)工藝水平常用芯片上集成的晶體管數(shù)量來表達通用微處理器4位微處理器1971年，Intel4004，第一個微處理器8位微處理器M6800、Z80和Intel8080/8085Apple公司蘋果機16位微處理器Intel8086/808816位個人計算機（PC：PersonalComputer）32位微處理器80386，80486，Pentium～Pentium432位PC機，APPLE公司的Macintosh機64位微處理器專用微處理器單片機（微控制器，嵌入式控制器，MCU）Intel的MCS-48，MCS-51，MCS-96/98系列愛特梅爾（Atml）公司的AT89系列（與MCS-51兼容），AT91系列（基于ARM內(nèi)核）MicrochipTechnology公司的PIC系列數(shù)字信號處理器（DSP）專注于數(shù)字信號的高速處理美國德州儀器TI公司TMS320各代產(chǎn)品主要應(yīng)用于通信、消費類電子產(chǎn)品和計算機主要應(yīng)用形式：嵌入式系統(tǒng)IP級結(jié)構(gòu)，芯片級結(jié)構(gòu)，模塊級結(jié)構(gòu)808616位結(jié)構(gòu)的微處理器：數(shù)據(jù)總線為16位主存容量1MB：地址總線為20位時鐘頻率5MHz（IBMPC使用4.77MHz）準16位微處理器8088：外部數(shù)據(jù)總線為8位IBMPC和PC/XT機使用Intel8088CPU處理器總線（Bus）微處理器的對外引腳（Pin）數(shù)據(jù)、地址和控制三組信號電源和地線處理器總線數(shù)據(jù)總線（DB：DataBus）處理器與存儲器或外設(shè)交換信息的通道個數(shù)（條數(shù)）是一次能夠傳送數(shù)據(jù)的二進制位數(shù)地址總線（AB：AddressBus）指定存儲器或外設(shè)的具體單元個數(shù)反映訪問的主存儲器容量或外設(shè)范圍控制總線（CB：ControlBus）控制處理器數(shù)據(jù)傳送等操作一個信號兩種狀態(tài)（高或低）兩種編碼（1或0）N：2N地址就是號碼8028616位數(shù)據(jù)總線，24位地址總線（16MB主存）實方式（RealMode）與8086工作方式一樣保護方式（ProtectedMode）提供存儲管理、保護機制和多任務(wù)管理的硬件支持IBMPC/AT機使用Intel80286CPU1KB＝210B＝1024B1MB＝220B＝1024KB1GB＝230B＝1024MB20：22024：22432：2328038632位結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)總線32位，地址總線32位，可尋址4GB主存虛擬8086方式（Virtual8086Mode）保護方式下的8086工作方式系統(tǒng)管理方式（SystemManagementMode）低功耗節(jié)能狀態(tài)英特爾32位結(jié)構(gòu)：IA-32（IntelArchitecture-32）IA-32微處理器：80386，80486，Pentium系列8048680486＝80386＋80387＋8KBCache浮點處理單元FPU8086/8088：8087，80286：80287，80386：80387高速緩沖存儲器Cache微處理器與主存之間速度很快但容量較小的存儲器用于提高整個存儲器系統(tǒng)的存取速度復(fù)雜指令集計算機CISC融合精簡指令集計算機RISC的技術(shù)特點，例如：指令流水線指令執(zhí)行劃分成多個步驟在多個部件中獨立地進行多條指令可以在不同的執(zhí)行階段同時進行Pentium俗稱的80586微處理器，奔騰微處理器32位結(jié)構(gòu)，連接主存的外部數(shù)據(jù)總線卻是64位超標量（Superscalar）技術(shù)具有可以并行工作的2條整數(shù)處理流水線，可以達到每個時鐘周期執(zhí)行2條指令雙路高速緩沖結(jié)構(gòu)8KB代碼高速緩沖存儲器8KB數(shù)據(jù)高速緩沖存儲器PentiumPro原稱P6，中文名稱為“高能奔騰”兩個芯片組成CPU＋一級（L1）Cache（8KB代碼和8KB數(shù)據(jù)）二級（L2）Cache（256KB或512KB）擴展的超標量技術(shù)12級指令流水線能同時執(zhí)行3條指令動態(tài)執(zhí)行技術(shù)分支預(yù)測、數(shù)據(jù)流分析和推測執(zhí)行PentiumII多媒體擴展指令（MMX指令）MMX（MutliMediaeXtension）整數(shù)運算多媒體指令對圖像、音頻、視頻和通信方面的程序進行優(yōu)化提升微機對多媒體的處理能力PentiumMMX（多能奔騰）：MMX指令應(yīng)用于Pentium處理器PentiumII：MMX指令應(yīng)用于PentiumProPentiumIII數(shù)據(jù)流SIMD擴展指令（SSE指令）SSE（StreamingSIMDExtensions）浮點單精度多媒體運算指令提高浮點3D數(shù)據(jù)的處理能力。SSE指令類似于AMD公司發(fā)布的3DNow!指令PentiumIII：SSE指令應(yīng)用于PentiumII單指令多數(shù)據(jù)SIMDSingleInstructionMultipleData表示一條指令具有同時處理多組數(shù)據(jù)的能力Pentium4NetBurst的微結(jié)構(gòu)（Microarchitecture）指令級并行ILP（Instruction-LevelParallel）進一步發(fā)掘指令之間可以同時執(zhí)行的能力超線程HT（HyperThreading）線程級并行TLP（Thread-LevelParallel）發(fā)掘程序中的并行性一個物理處理器形成兩個邏輯處理器SSE2指令增強浮點雙精度多媒體運算能力SSE3指令增強和完善MMX，SSE和SSE2指令I(lǐng)ntel80x86微處理器Celeron（賽揚）微處理器面向低端（低價位）PC機Xeon（至強）微處理器面向高端服務(wù)器、工作站AMD微處理器AMD公司生產(chǎn)的IA-32微處理器兼容芯片Intel公司最主要的競爭對手雙核微處理器單芯片多處理器SMP技術(shù)Intel的PentiumD：單芯片雙Pentium4核心64位微處理器AMD的K8核心：兼容IA-32的64位微處理器Intel的EM64T（擴展64位技術(shù)）：IA-32的64位擴展微型計算機結(jié)構(gòu)1.微處理器2.存儲器3.I/O接口和I/O設(shè)備4.系統(tǒng)總線控制總線CB數(shù)據(jù)總線DB地址總線AB微處理器I/O設(shè)備I/O接口存儲器系統(tǒng)總線BUS微處理器微機的核心、控制中心，中央處理器CPU大規(guī)模集成電路VLSI芯片，集成控制器運算器（整數(shù)運算器）寄存器（高速存儲單元）高性能微處理器內(nèi)部還有浮點處理單元甚至多媒體數(shù)據(jù)運算單元存儲管理單元、代碼保護機制Cache……存儲器存儲器（Memory）是存放程序和數(shù)據(jù)的部件高性能微機的存儲系統(tǒng)微處理器內(nèi)部的寄存器（Register）高速緩沖存儲器（Cache）主板上的主存儲器以外設(shè)形式出現(xiàn)的輔助存儲器主存儲器（主存、內(nèi)存）半導(dǎo)體存儲器芯片組成RAM部分斷電后信息丟失相對造價高、速度快、但容量小輔助存儲器（簡稱輔存或外存）磁盤、光盤存儲器等構(gòu)成相對造價低、容量大、信息可長期保存，但速度慢RAM和ROMI/O接口和I/O設(shè)備I/O設(shè)備（Peripheral）：用戶與微機交互輸入（Input）設(shè)備，如標準輸入設(shè)備：鍵盤輸出（Output）設(shè)備，如標準輸出設(shè)備：顯示器I/O接口（Interface）：外設(shè)和主機間的橋梁完成信號變換、數(shù)據(jù)緩沖、聯(lián)絡(luò)控制等工作較簡單的I/O接口電路與主板一體較復(fù)雜的I/O接口電路制成獨立的電路板（接口卡Card）系統(tǒng)總線總線（Bus）：傳遞信息的一組公用導(dǎo)線、信息通道系統(tǒng)總線（SystemBus）：微機系統(tǒng)中信息交換的主要公共通道地址總線：單向輸出主存單元或I/O端口的地址信息數(shù)據(jù)總線：讀（Read）操作數(shù)據(jù)輸入微處理器；寫（Write）操作數(shù)據(jù)輸出到外界（主存或外設(shè)）控制總線：有些控制信號或狀態(tài)信號輸出；有些請求或聯(lián)絡(luò)信號輸入微機系統(tǒng)采用總線結(jié)構(gòu)，總線連接使得微機組合靈活、擴展方便計算機分類、應(yīng)用計算機硬件系統(tǒng)硬件組成及發(fā)展簡史計算機軟件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)計算機是由運算器、存儲器、控制器、適配器、總線和輸入/輸出設(shè)備組成的。都是由元件構(gòu)成的有形物體，因而稱為硬件或硬設(shè)備。硬件是計算機系統(tǒng)中實際物理裝置的總稱計算程序，因為它是無形的東西，稱為軟件或軟設(shè)備。軟件是指在硬件上運行的程序和相關(guān)的數(shù)據(jù)及文檔硬件是軟件的工作基礎(chǔ)，軟件是硬件功能的擴充和完善。兩者相互依存，相互促進。軟件與硬件的結(jié)合，構(gòu)成完整的計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)＝硬件系統(tǒng)＋軟件系統(tǒng)計算機軟件＝程序＋數(shù)據(jù)＋文檔軟件分類操作系統(tǒng) 語言處理程序服務(wù)性程序應(yīng)用軟件辦公軟件包數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)瀏覽器實時控制軟件診斷、排錯程序反病毒程序備份程序文件壓縮程序卸載程序圖形圖像處理軟件其它應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件目的程序早期計算機中，人們直接用機器語言編寫程序，計算機完全可以“識別”并能執(zhí)行，所以又叫做目的程序用機器語言編寫程序很繁瑣，又耗費大量的人力和時間，容易出錯，出錯后尋找錯誤也相當費事，大大限制了計算機的使用匯編程序為了編寫程序方便翻譯和提高機器的使用效率，人們發(fā)明了匯編語言借助于匯編程序，計算機本身自動地把符號語言表示的程序（稱為匯編源程序）翻譯成用機器語言表示的目的程序用約定的文字、符號和數(shù)字（助記符）按規(guī)定的格式來表示各種不同的指令高級語言為了進一步實現(xiàn)程序自動化和便于程序交流，使不熟悉具體計算機的人也能很方便地使用計算機，人們又創(chuàng)造了各種接近于數(shù)學(xué)語言的算法語言（高級程序設(shè)計語言）算法語言是指按實際需要規(guī)定好的一套基本符號以及由這套基本符號構(gòu)成程序的規(guī)則。比較接近數(shù)學(xué)語言，直觀通用，與具體機器無關(guān)，只要稍加學(xué)習(xí)就能掌握，便于推廣使用計算機編譯程序用程序設(shè)計語言編寫的程序稱為源程序，這種源程序不能由機器直接識別和執(zhí)行，必須給計算機配備一個即懂算法語言又懂機器語言的“翻譯”，才能把源程序翻譯為機器語言通常采用下面兩種方法：編譯系統(tǒng)：

用編譯程序?qū)⒃闯绦蚓幾g成機器語言形式的目的程序，然后在目標系統(tǒng)運行解釋系統(tǒng)：逐個解釋并立即執(zhí)行源程序的語句，它不是編出目的程序后再執(zhí)行，而是直接逐一解釋語句并得出計算結(jié)果計算機分類、應(yīng)用計算機硬件系統(tǒng)硬件組成及發(fā)展簡史計算機軟件系統(tǒng)計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)計算機的層次結(jié)構(gòu)用戶級高級語言級匯編語言級系統(tǒng)軟件級機器級控制級數(shù)字邏輯級

應(yīng)用軟件

系統(tǒng)軟件

軟硬件界面物理機虛擬機硬件固件硬件直接執(zhí)行Level0(門電路、電子線路)Level1(微程序或硬布線)Level2(指令集結(jié)構(gòu)ISA)Level3(操作系統(tǒng)、庫代碼)Level4(匯編語言代碼)Level5(C++，Java，等)Level6(可執(zhí)行程序)軟件與硬件的邏輯等價性隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展和軟件硬化的趨勢，計算機系統(tǒng)軟