計算機系統(tǒng)概論

第1章計算機系統(tǒng)概述

主要內(nèi)容：

（一）計算機發(fā)展歷程

（二）計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

1.計算機硬件的基本組成

2.計算機軟件的分類

3.計算機的工作過程

（三）計算機性能指標

吞吐量、響應時間；CPU時鐘周期、主頻、CPI、

CPU執(zhí)行時間；MIPS、MFLOPSo

意）大連理工大學

計算機組成原理

計算機里有什么?

計算機基本組成

?構(gòu)成計算機的基

礎(chǔ)理論大部分已

經(jīng)有50年了。

?目前，計算機的

關(guān)鍵部件也沒有

大的改變

>CPU

?DataPath

?Controller

>Memory

>1/0

卷）大連理工大學

KIJAXI■*、！?、mlitIIMMIMA計算機組成原理

現(xiàn)代計算機

UlO''.L'.ljI1Il.tj.nI'ItII'IIII?'

INSTRUCTIONN

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LOGICSUPPORT?Controller

SUPERSCALER>Memory

INTEGER

EXECUTION>1/0

UNITS

PIPELINED

DATA

FLOATING

CACHE

MPLOGIC

IntelPentium

IIBtIIMMO計算機組成原理

計算機運行機制

?Datapath:完成算術(shù)和邏

輯甌通常包括其中的

寄存器。

Control?Control:CPU的組成部

.三廠百根據(jù)程序指令來指

Input揮datapath,memory以

及I/O運行，共同完成建序

Memory功能。

Datapat?Memory:存放運行時程序

Output＞及其所需要的數(shù)據(jù)的場所。

?Input:信息進入計算機的

設(shè)備，如鍵盤、鼠標等。

?Output:將計算結(jié)構(gòu)展示

Computer版聲的設(shè)備，如顯示器、

磁盤、打印機、揚聲器等。

⑥大連理工大學

I、l、litHMMIMA計算機組成原理

計算機組成原理

Bus-BasedComputer

⑥大連理工大學

UJA\!、1、，*川、mlitIIMMIMA計算機組成原理

AnatomyofaModernPC

IVIemorybus

PCIbus

ISAbus

⑥大連理工大學

UJA\?snINMI^mlitIIMMIMA計算機組成原理

計算機剖析

計算機系統(tǒng)計算機結(jié)構(gòu)計算機處理器

邏輯設(shè)計

設(shè)備制造電路（VLSI）設(shè)計

磅大連拽工大學

計算機組成原理

計算機剖析（續(xù)）

計算機系統(tǒng)計算機結(jié)構(gòu)計算機處理器

li

while(event=getnext())

/*processevent?/

switch(event->type){

caseBUTTONUP:0x0c004841

win=event->W0x00000000

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if(twin)brea0x34040000

dobutton(winori$a0?$0r00x8c480009

break;Iw$t0/8($v0)0x00000000

caseBUTTONDOWN!Iw$t0,12($t0)0x8d09000c

beq$tO,0,0x4018340x10001934

)0x00000000

li$tl,40x24090004

?beq$t0,$tl,0x4018a0—_1ccprm?

高級語言匯編語言

機器語言

⑥大連理工大學

MJAXINBIMMI%litHMMO計算機組成原理

計算機組成原理

SystemProcessor

ArchitectureDesign

LogicDesign

x0c004841

0x00000000

ja.1_getnext0x34040000

ori,$>0v00x9c490009

Iw8($v0)0x00000000

Iw12($t0)0x6d08000c

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li40x24090004

boq0x.4O18a.O0x11090002

AssemblyMachine

LanguageInstructions

計算機組成原理

1.1計算機的發(fā)展歷程

1.1.1計算機的產(chǎn)生

A1642年，年僅19歲的法國科學家BlaisePascal(1623-1662)

制造出的第一臺能工作的計算機器。整臺機器是純機械設(shè)

備，使用手柄驅(qū)動，用齒輪傳動，能完成加法和減法。程序

設(shè)計語言Pascal就是以他的名字命名的。

A1945年，美籍數(shù)學家馮?諾依曼博士發(fā)表《電子計算工具邏

輯設(shè)計》論文，提出二進制表達方式和存儲程序控制計算機

構(gòu)想。

A1946年，美國賓西法尼亞大學研制成功電子數(shù)字計算機

ENIACo重約30噸，耗電150kW,占地170平米，用電子管

18800個，每秒5000次加法。

意)大連理工大學

計算機組成原理...:；2

?.一■

古代及近代計算技術(shù)

公元前500年，中國出現(xiàn)算盤

1642年,BlaisePascal發(fā)明

自動進位的加法機器，齒輪16世紀，Alkhowarizmi

驅(qū)動撥盤，在窗口顯示結(jié)果提出算法概念，并出版

以算法(Algorithm)

1822年,CharlesBabbage,為題的書籍

微分機(DifferentialEngie)

1833年，分析機(Analytical

Engine),通用機鎏

AdaAugustaLovelace,第一位

程序員

圖靈機

1937年，AlanTuring提出一種

“通用”計算機的概念，它可以

執(zhí)行任何一個描述好的程序（算

法），實現(xiàn)需要的功能，形成了

“可計算性”概念的基礎(chǔ)。

存儲程序的思想，使計算機從專

用走向通用。正是這一創(chuàng)新，開

創(chuàng)了計算機的新時代。

50年代，Turing提出了“智能”計

算機的概念。Turing測試

適）大連理工大學計算機組成原理

Turing機特點

A通用計算機：并不是保存所有問題的結(jié)果。

A存儲程序計算機：問題的求解由程序或過程給

出，程序和過程可以通過語言描述。

?有限速度：計算機執(zhí)行程序的時間是有限的。

A有限空間：計算機程序的存放空間和數(shù)據(jù)存放

空間也是有限的。

?是現(xiàn)代計算機的鼻祖。

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計算機組成原理

典型馮?諾依曼(VonNeumann)機結(jié)構(gòu)

存儲器1

輸入

-＞運算器■

「I」

-控制器.

■數(shù)據(jù)線路

*控制信號計算機的基本結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)代計算機結(jié)構(gòu)的鼻祖：五大功能部件

將程序和數(shù)據(jù)統(tǒng)一表示：存儲器有4096個字，每個字40位。

采用二進制數(shù)據(jù)：簡化了存儲器

只提供整數(shù)運算：任何有能力的數(shù)學家都能在頭腦中記住小數(shù)點的位置。

⑥大連理工大學

計算機組成原理

馮.諾依曼機的基本特點

?計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)

備五部分組成。

?采用存儲程序的方式，程序和數(shù)據(jù)放在同一存儲器中，

由指令組成的程序可以修改。

?數(shù)據(jù)以二進制碼表示

＞指令由操作碼和地址碼組成。

?指令在存儲器中按執(zhí)行順序存放，由指令計數(shù)器指明要

執(zhí)行的指令所在的單元地址，一般按順序遞增。

A機器以運算器為中心，數(shù)據(jù)傳送都經(jīng)過運算器。

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計算機組成原理

1.1.2電子計算機的發(fā)展簡史

?第一代電子管時代(1946-1958)：耗電高，體積大，定點

計算，機器語言，匯編語言

?第二代晶體管時代(1958-1965)：變集中處理為分級處

理，浮點運算、高級語言

?第三代中小規(guī)模集成電路時代U965-1970)：存儲容量

大，運算速度快，幾十至幾百萬次/秒

?第四代大規(guī)模集成電路時代(1971至今)：向大型機和微型

機兩個方向發(fā)展

A現(xiàn)代計算機發(fā)展方向：巨型化，微型化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化，

多媒體化，多核。摩爾定律

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計算機組成原理

ComputerGenerations

?Gen-O:Mechanicalcomputers(BCtoearly1940s)

?Gen-1:VacuumTubes(1943-1959)

?Gen-2:Transistors(1960-1968)

>JohnBardeen,WalterBrattain,andWilliamShockley

?Gen-3:IntegratedCircuits(1969-1977)

>JackKilby(1958)

?Gen-4:VLSI(1978-present)

?Gen-5:Optical?

Quantum?

生物？

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IsnlitHMMIMA計算機組成原理

現(xiàn)代計算機的里程碑

年代機器名稱制造者說明

1834AnalyticalEngineBabbage建造數(shù)字計算機的第一次嘗試

1936Z1Zuse第一臺使用繼電器的計算機器

1943COLOSSUS英國政府第一臺電子計算機

1944MarkIAiken第一臺美國通用計算機

1946ENIACIEckert/Mauchley現(xiàn)代計算機歷史從它開始

1949EDSACWilkes第一臺存儲程序的計算機

1951WhirlwindIM.LT.第一臺實時計算機

1952IASVonNeumann大多數(shù)現(xiàn)代計算機還用的設(shè)計

1960PDP-1DEC第一臺小型機（銷售50臺）

19611401IBM非常流行的小型商用機

19627094IBM60年代早期的主流科學計算用機

1963B5000Burroughs面向高級語言設(shè)計的第一臺計算機

1964360IBM系列機的第一個產(chǎn)品

19646600CDC第一臺用于科學計算的超級計算機

1965PDP-8DEC第一臺占領(lǐng)市場的小型機（銷售50,000臺）

1970PDP-11DEC70年代的主導小型機

19748080Intel第一臺在一個芯片上的8位計算機

1974CRAY-1Cray第一臺向量超級計算機

1978VAXDEC第一臺32位超級小型計算機

1981IBMPCIBM開創(chuàng)現(xiàn)代個人計算機新紀元

1985MIPSMIPS第一臺商用RISC機

1987SPARCSun第一臺基于SPARC的RISC工作站

1990RS6000IBM第一臺超標量體系結(jié)構(gòu)計算機

第一臺通用電子計算機ENIAC

ElectronicNumericalIntegratorandCalculator

MauchlyandEckert設(shè)計

1946年2月14日

第一臺通用電子計算機，設(shè)計用

于計算火炮的彈道

重30噸，占地170平方米，18800

個電子管，耗電150KW

運算速度：5000次加法/秒

使用十進制數(shù)

20個寄存器，每個存放10位的十進制數(shù)

通過設(shè)置6000個開關(guān)和其它眾多的插頭和插座來編程

第一臺小型計算機：PDP-1

A1957年由DEC公司生產(chǎn)

A第二代計算機（晶體管）

A18位字長，4K內(nèi)存，機器周期為5微秒

?售價120000美元。售出50臺。

?開創(chuàng)了計算機產(chǎn)業(yè)!

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計算機組成原理

第一個系列計算機：舊M360

?第三代計算機

?計算機應用：科學計算和

商務(wù)處理

?如何在不同的硬件平臺上

運行相同的軟件？

?系列計算機：IBM360

?計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：程序員

眼中的計算機。具有相同

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機可以運

行相同的程序。

?微程序控制器

適）大連理工大學

VIJAXINBIM%mlitIIMM4MA計算機組成原理

應用的普及：舊MPC機

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?，胴晶小⑦

⑨大連拽2大學

?>/l?*IJA\（、1、?M*m?》litIIXM4M.1

RISC計算機

▼孤涉‘

精簡指令系統(tǒng)計算機

指令系統(tǒng)盡量簡單，復雜指令通過簡單指令的組合來完成

提高計算機的運行速度

磅大連拽工大學

計算機組成原理

.

提高計算機性能

?提高計算機性能的方向是采用并行處理技術(shù)。近年來人

們在謀求突破傳統(tǒng)諾依曼體制的束縛，這種努力被稱為

非諾依曼化。表現(xiàn)在3個方面。

■對傳統(tǒng)諾依曼機進行改造，如采用多個處理部件形成流

水線處理，依靠時間上的重疊提高處理效率；又如組成

陣列機結(jié)構(gòu)，形成單指令流多數(shù)據(jù)流，提高處理速度。

?用多個諾依曼機組成多機系統(tǒng)，支持并行算法結(jié)構(gòu)。

?從根本上改變諾依曼機的控制流驅(qū)動方式。例如采用數(shù)

據(jù)流驅(qū)動方式，只要數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好，有關(guān)的指令就可

并行執(zhí)行。

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計算機組成原理

下一代計算機

?Babbage：更快、更高、更強

?Turing：智能計算機

?Bush：信息網(wǎng)格

>????????

卷）大連理工大學

VIJAXINBIM%mlitIIMM4MA計算機組成原理

■

1.1.3計算機的分類

?巨型機——世界幾家公司生產(chǎn)，如最快1.4萬億次，9千個CPU

組成Cray-1,Cray-2,Cray-3,國產(chǎn)銀河I,銀河II,銀河IH,

我國神威號速度達3480億次/秒。

?大型機——大中型企事業(yè)單位作為計算中心的主機使用，統(tǒng)一

調(diào)度主機資源，代表產(chǎn)品有IBM360,390,4300等。

＞小型機——它可以滿足部門性的需求，供小型企事業(yè)單位使用。

典型產(chǎn)品有DEC-PDP11（16位），DEC-VAX系列等。

＞工作站——用于特殊的專業(yè)領(lǐng)域，例如圖像處理和輔助設(shè)計等。

典型產(chǎn)品有HP-APOLLO,SUN工作站等。

＞微型機——個人或家庭使用，PC機/個人計算機，價格低廉。

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1.2計算機硬件組成

?基本部件有中央處理器CPU（運算器和控制器）、存

儲器和輸入設(shè)備、輸出設(shè)備。

?早期運算器和控制器為硬部分,現(xiàn)在集成在一起。

?存疑器用來存放程序和數(shù)據(jù)，是計算機各種信息的存

儲和交流中心。存儲器可與CPU、輸入輸出設(shè)備交換

信息。

?般人貨備用來輸入原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序。

輸入的信息有數(shù)字符、字母和控制符等。

?耨出發(fā)備用來輸出計算機的處理結(jié)果?？梢允菙?shù)字、

字母、表格、圖形等。

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計算機組成原理

計算機硬件的組成框圖

>CPU（包括運算器和控制器）

>存儲器

地址總線

>ROM

>RAM-

>輸入/輸出設(shè)備（I/O設(shè)備）運算器

和控制

>總線存儲器輸入/輸

?DB—DATABUS出設(shè)備

CPU

?AB—ADDRESSBUS

rsr

?CB—CONTROLBUSvI

I控制總線

⑥大連理工大學

計算機組成原理

1.3計算機軟件組成

A沒有配備任何軟件的“裸機”無法投入使用。

?沒有配備足夠的軟件，其功能就不能很好的發(fā)揮。

［操作系統(tǒng)或管理軟件

匯編程序

，系統(tǒng)軟件J高級語言的編譯或解釋程序

|故障診斷或檢驗程序

J系統(tǒng)調(diào)試程序

軟件組成X〔數(shù)據(jù)庫管理程序

f使用者根據(jù)需要采用各類語言

【應用軟件《編寫的各種應用程序，包括各

代類應用軟件包

磅大連拽工大學

計算機組成原理

計算機的語言簡介

自然語言：人類相互交流信息所用的語言。

高級語言：一種和自然語言接近并能為計算機接受

的語言，這種語言被稱為計算機的高級語言。

匯編語言：符號式程序設(shè)計語言，屬于低級語言。

機器語言：機器能執(zhí)行的語言，這種語言被稱為機器

語言（由二進制代碼表示的指令組成）。

適）大連理工大學計算機組成原理

1.4計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

1.計算機硬件的基本組成

?硬件分為5大部分：控制器、運算器、存儲器、輸入

設(shè)備和輸出設(shè)備。

＞早期運算器和控制器構(gòu)成計算機的CPU,現(xiàn)在一般還

加上CPU內(nèi)部的Cache共同構(gòu)成CPU，Cache是存儲器中

速度最快，容量最小的存儲器。

A對馮?諾依曼計算機體系結(jié)構(gòu)的特點要有深刻的理解:

使用二進制（為何用二進制？）

?存儲程序，并且按照地址順序執(zhí)行，是馮?諾依曼計

算機設(shè)計的關(guān)鍵思想。

意）大連理工大學

計算機組成原理

計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

2.計算機軟件的分類

＞計算機軟件按照面向?qū)ο蟮牟煌煞謨深悾?/p>

系統(tǒng)軟件和應用軟件。

?系統(tǒng)軟件：用于管理整個計算機系統(tǒng)，合理分配

系統(tǒng)資源，確保計算機正常高效地運行，這類軟

件面向系統(tǒng)。

?應用軟件：是面向用戶，根據(jù)用戶的特殊要求編

制的應用程序，這類軟件通常實現(xiàn)用戶的某類要

求。

意）大連理工大學

VIJAXINBIM%mlitIIMM4MA計算機組成原理

計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)

3.計算機的工作過程(參見唐朔飛教材(2版)P16)

>馮?諾依曼計算機特點基本上指出了計算機的工作過程。馮?諾依曼體

系結(jié)構(gòu)的基本思想是：存儲程序，并且按照地址順序自動執(zhí)行。首先將

指令和數(shù)據(jù)存儲到計算機中，計算機啟動后，就能夠按順序取出指令并

依次執(zhí)行，直到程序執(zhí)行完畢，得到計算結(jié)果為止。

>馮?諾依曼體系結(jié)構(gòu)計算機包含5個基本部件：運算器、控制器、存儲器、

輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。運算器進行數(shù)據(jù)運算和數(shù)據(jù)變換；控制器為計算

機的工作提供統(tǒng)一的時鐘，對程序的各基本操作進行時序劃分，產(chǎn)生相

應的控制信號，驅(qū)動計算機的各部件有序地完成程序規(guī)定的操作內(nèi)容；

存儲器用來存放程序、數(shù)據(jù)和運算結(jié)果；輸入輸出設(shè)備則完成相應的輸

入輸出轉(zhuǎn)換。

>一條指令操作包括：取指令、分析(譯碼)和執(zhí)行指令3個階段

?PC—MAR,MDR-R

?OP(IR)-CU,操作數(shù)地址碼一MAR,操作數(shù)fMDR,MDR->ACC

?(PC)+1-*PC

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VIJAXINBIM%mlitIIMM4MA計算機組成原理

4.計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

（D層次結(jié)構(gòu)。計算機系統(tǒng)是一個復雜的軟、硬件結(jié)合體，它包含硬件系統(tǒng)

和軟件系統(tǒng)兩部分。它通常由6個（或5個）不同的級組成，在每一級都能

夠進行程序設(shè)計。由邏輯部件級、微程序設(shè)計級、指令系統(tǒng)級、操作系統(tǒng)

級、匯編語言級和高級語言級組成，如圖所示：

高級語言級（應用程序）

匯編語言級（系統(tǒng)程序）｝軟件部分

操作系統(tǒng)級（操作系統(tǒng)）

傳統(tǒng)機器級（指令系統(tǒng)）硬、軟界面

微程序級（微程序控制器）

，硬件部分

邏輯部件級（硬件邏輯部件）

計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

站在不同層次上編程的程序員所看到的計算機屬性各不相同。

意）大連理工大學

計算機組成原理

■

計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

(2)軟件和硬件邏輯上的等價性

?計算機系統(tǒng)以硬件為基礎(chǔ)，通過軟件擴充其功能，并以執(zhí)

行程序方式體現(xiàn)其功能。硬件完成最基本的功能，而復雜

的功能則通過軟件實現(xiàn)。計算機是一個軟件和硬件結(jié)合的

整體系統(tǒng)。

■在機器中，許多功能既可由硬件實現(xiàn)，也可由軟件實現(xiàn)。

?功能分配與設(shè)計目標、技術(shù)條件有關(guān)。

,早期主要采用硬件軟化方式，即軟件完成較復雜的邏輯功能，以降

低硬件開銷。如依靠軟件實現(xiàn)乘、除、浮點運算等更高級一些的功

能。

,現(xiàn)在存在軟件硬化的趨勢，即硬件完成較復雜功能，以提高系統(tǒng)處

理速度。如浮點運算器等。

意)大連理工大學

計算機組成原理

（2）軟件和硬件邏輯上的等價性

■軟件固化：運行微程序?qū)崿F(xiàn)較復雜功能，以提高性價比。

?固件：把軟件刻入ROM,使軟件固化，這樣得到的一個實體就

是固件。

?指令系統(tǒng)：是硬件與軟件之間的界面。硬件的基本任務(wù)是識

別與執(zhí)行指令代碼。所編制的程序最終需要轉(zhuǎn)換成指令序列

代碼，進行執(zhí)行，而指令系統(tǒng)是編程的基礎(chǔ)。

（3）兼容性

?兼容性的設(shè)計思想實際上就是系列機的概念。在系列機

中，新機型要求支持老機型上開發(fā)的軟件；而且還有硬件

上的兼容要求。

■兼容要求軟件和硬件設(shè)備能夠直接在不同的機型上使用。

意）大連理工大學

計算機組成原理

1.5計算機性能指標

?基本字長：指計算機內(nèi)，表示一個操作數(shù)或一條指令所用的

基本二進制位數(shù)。

?是CPU一次能處理的數(shù)據(jù)寬度，與加法器、寄存器的位數(shù)和內(nèi)部

數(shù)據(jù)總線的寬度等有關(guān)。

-字長標志著精度，字長越長，運算精度越高。

?影響計算機的處理能力和運行性能。

?通常選字節(jié)的整數(shù)倍：2、4、8倍等。

＞主存容量：計算機主存儲器所能夠存儲的信息的全部總量，

稱為主存容量。以字節(jié)數(shù)來表示存儲容量的計算機稱為字節(jié)

編碼計算機；而以字為單位編址的計算機，存儲容量等于字

數(shù)乘以字長。

＞主頻：每臺計算機的內(nèi)部都有一個不斷地產(chǎn)生固定頻率時鐘

脈沖的裝置，稱為主時鐘。主時鐘的頻率通常是機器的主頻

率，主頻率是衡量一臺計算機速度的重要參數(shù)。

意）大連理工大學

VIJAXINBIM%mlitIIMM4MA計算機組成原理

計算機性能指標

＞運算速度：運算速度通常反映計算機運算的快慢。對運算速

度的衡量有以下幾種方法：

■根據(jù)不同類型指令在計算過程中出現(xiàn)的頻率乘上不同的系

數(shù)，求得統(tǒng)計平均值，這時所指的運算速度是平均運算速

度。

?直接給出每條指令的實際執(zhí)行時間。

?以MIPS和MFLOPS作為計量單位來衡量運算速度。MIPS表示

每秒百萬條指令，MFLOPS表示每秒百萬次浮點運算。

1.吞吐量、響應時間

(1)吞吐量：單位時間內(nèi)可執(zhí)行程序的個數(shù)。

(2)響應時間：從事件開始到事件結(jié)束的時間，也稱執(zhí)行

時間。

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VIJAXINBIM%mlitIIMM4MA計算機組成原理

計算機性能指標

2.主頻、CPU時鐘周期、CPI、CPU執(zhí)行時間

(1)主頻：CPU工作主時鐘的頻率，機器主頻f

或Rc

(2)CPU時鐘周期：機器主頻的倒數(shù)，Tc

(3)CPI：執(zhí)行一條指令所需要的平均時鐘周期

(4)CPU執(zhí)行時間：Tcpu=InXCPIXTc

In執(zhí)行程序中指令的總數(shù)，CPI執(zhí)行每條指令

所需的平均時鐘周期數(shù)，TC時鐘周期時間的

長度。

意)大連理工大學

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3.MIPS、MFLOPS

(1)MIPS(MillionInstructionsPerSecond)：CPU每秒鐘

平均執(zhí)行的整數(shù)指令條數(shù)(百萬條)

MIPS=In/(TX106)

LcrpUn

=In/(InXCPIXTcX106)

=Rc/(CPIX106)

In：執(zhí)行該程序的總指令數(shù)，TCPU：執(zhí)行該程序的總時間，

Tc：CPU時鐘周期，Rc：主頻Rc=l/Tc

MIPS只適合評價標量機，不適合評價向量機。標