計(jì)算機(jī)組成及結(jié)構(gòu)第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)2016.02教材白中英，計(jì)算機(jī)組成原理·第5版，科學(xué)出版社，2012參考書王愛英,計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)·第5版,清華大學(xué)出版社，2013鄭緯民,湯志忠，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)·第2版,清華大學(xué)出版社，1998張晨曦等，計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)·第2版，高教出版社，2003第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第二章運(yùn)算方法和運(yùn)算器第三章多層次的存儲(chǔ)器第四章指令系統(tǒng)第五章中央處理器第六章總線系統(tǒng)第七章外存與I/O設(shè)備(自學(xué))第八章輸入輸出系統(tǒng)第九章并行組織與結(jié)構(gòu)目錄第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論目錄1.0預(yù)備知識(shí)1.1計(jì)算機(jī)的分類1.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史1.3計(jì)算機(jī)的硬件1.4計(jì)算機(jī)的軟件1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)2025/1/186學(xué)習(xí)要求了解計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷程；清楚計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)硬件的基本組成(五大部件的構(gòu)成)、計(jì)算機(jī)軟件的分類，以及計(jì)算機(jī)的基本工作過程；了解計(jì)算機(jī)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)和相關(guān)參數(shù)；吞吐量、響應(yīng)時(shí)間、CPU時(shí)鐘周期、主頻、CPI、CPU執(zhí)行時(shí)間；MIPS、MFLOPS等。要求初步掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本概念及基本結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步深入學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。2025/1/1871.0預(yù)備知識(shí)問題1：一臺(tái)計(jì)算機(jī)一般有哪幾部分組成？顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、音箱、主機(jī)箱等；主機(jī)箱中有：主板、CPU、硬盤、內(nèi)存、顯卡、聲卡等；問題2：如何對(duì)以上設(shè)備分類？輸入輸出設(shè)備中央處理設(shè)備存儲(chǔ)設(shè)備接口轉(zhuǎn)換卡部件連接線問題3：有了以上設(shè)備，計(jì)算機(jī)是否能發(fā)揮其功效？一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。顯示器，鍵盤，鼠標(biāo)，音箱CPU（集處理和控制于一身）硬盤、內(nèi)存顯卡、聲卡總線2025/1/1882025/1/1892025/1/18102025/1/18112025/1/18122025/1/1813DDR內(nèi)存條SDRAM內(nèi)存條2025/1/181480G硬盤2025/1/1815硬盤數(shù)據(jù)線2025/1/1816DVD光驅(qū)2025/1/1817機(jī)內(nèi)電源插頭2025/1/18181.1計(jì)算機(jī)的分類數(shù)字計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算機(jī)專用計(jì)算機(jī)通用計(jì)算機(jī)處理數(shù)字量信息按位運(yùn)算，不連續(xù)地跳動(dòng)計(jì)算處理模擬量信息數(shù)值連續(xù)、運(yùn)算過程連續(xù)是針對(duì)某一任務(wù)設(shè)計(jì)的最有效、最經(jīng)濟(jì)和最快速的計(jì)算機(jī)，但適應(yīng)性很差。適應(yīng)性很大，但犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性。單片機(jī)微型機(jī)服務(wù)器大型機(jī)超級(jí)計(jì)算機(jī)低高體積功能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量指令系統(tǒng)價(jià)格低高簡(jiǎn)易性分類雙核機(jī)如P2圖1.12025/1/18191.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史超大規(guī)模集成電路中小規(guī)模集成電路晶體管電子管1972~1990年1946~1957年，第一代計(jì)算機(jī)1965~1971年1958~1964年第二代計(jì)算機(jī)巨大規(guī)模集成電路1991年~至今摩爾定律1.2.1計(jì)算機(jī)的五代變化2025/1/1820第一代計(jì)算機(jī)第一代計(jì)算機(jī)(1945年－1958年)采用電子管。代表機(jī)型：ENIAC1941年美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)開始研制；主要是為了解決美陸軍提出的彈道計(jì)算問題；花費(fèi)40萬美元；1955年10月2日最后切斷電源。2025/1/1821ENIAC2025/1/1822第二代計(jì)算機(jī)(1958－1964)晶體管2025/1/18232025/1/1824摩爾定律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(gè)月，集成電路的性能將提高一倍，而其價(jià)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(yuǎn)的定律，摩爾定律被集成電路40多年的發(fā)展歷史準(zhǔn)確無誤地驗(yàn)證著。摩爾定律有另外一種表述方法，即每過10年計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能將會(huì)增加100倍，通訊帶寬也會(huì)提高100倍，而花費(fèi)的資金不會(huì)增加。2025/1/18251.2.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展20世紀(jì)50~60年代，磁芯存儲(chǔ)器價(jià)格昂貴，體積大，破壞性讀出1970年，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器價(jià)格更加昂貴，體積小，非破壞性讀寫1974年之后，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器價(jià)格不斷降低，體積不斷減少，讀寫速度更快。有關(guān)存儲(chǔ)器的介紹詳見第3章2025/1/18261.2.3微處理器的發(fā)展20世紀(jì)70年代的處理器4004800880808086808820世紀(jì)80年代的處理器80286386TMDX386TMSX486TMDX20世紀(jì)90年代的處理器486TMSXPentiumPentiumProPentiumIIPentiumⅢ21世紀(jì)00年代后的處理器Pentium4PentiumD

Core

Core

2IntelCorei至強(qiáng)（Xeon）ItaniumItanium2Itanium32025/1/18272025/1/18282025/1/18292025/1/1830Core

I7Itanium

22025/1/18311.2.4計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)（1/3）吞吐量表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)在某一時(shí)間間隔內(nèi)能夠處理的信息量。響應(yīng)時(shí)間從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時(shí)間度量，用時(shí)間單位來表示。利用率在給定的時(shí)間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實(shí)際使用的時(shí)間所占的比率，用百分比表示。處理機(jī)字長(zhǎng)（機(jī)器字長(zhǎng)）處理機(jī)運(yùn)算器中一次能夠完成二進(jìn)制運(yùn)算的位數(shù)，如32、64位；機(jī)器字長(zhǎng)與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線寬度具有一定的相關(guān)性。2025/1/18321.2.4計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)（2/3）總線寬度一般指運(yùn)算器與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)總線寬度。存儲(chǔ)器容量存儲(chǔ)器中所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)目。存儲(chǔ)器帶寬單位時(shí)間內(nèi)從存儲(chǔ)器讀出的二進(jìn)制信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。主頻/時(shí)鐘周期CPU主時(shí)鐘的頻率——主頻；其倒數(shù)為CPU的時(shí)鐘周期(T周期)。2025/1/18331.2.4計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)（3/3）CPU的運(yùn)算速度CPU執(zhí)行時(shí)間：CPU執(zhí)行一般程序所占用的CPU時(shí)間；CPI：執(zhí)行一條指令所需的平均時(shí)鐘周期數(shù)；MIPS：每秒百萬指令數(shù)，即單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)；MFLOPS：每秒百萬次浮點(diǎn)操作數(shù)，衡量機(jī)器浮點(diǎn)操作的性能。其他的性能指標(biāo)存儲(chǔ)器的讀寫速度、IO的數(shù)據(jù)傳送率、帶寬的均衡性……2025/1/18341.3計(jì)算機(jī)的硬件1.3.1硬件的組成要素使用算盤計(jì)算y=ax+b-c1取數(shù)（9）→算盤（9）表示第9行的數(shù)a，下同2乘法（12）→算盤完成a●x,結(jié)果在算盤上3加法（10）→算盤完成ax＋b,結(jié)果在算盤上4減法（11）→算盤完成y＝ax＋b－c,結(jié)果在算盤上5存數(shù)y→13算盤上的y值記到第13行6輸出把算盤上的y值寫出給人看7停止運(yùn)算完畢，暫停8

10b數(shù)據(jù)11c數(shù)據(jù)12x數(shù)據(jù)13y數(shù)據(jù)9a數(shù)據(jù)紙----------存儲(chǔ)器算盤----------運(yùn)算器筆----------輸入/輸出設(shè)備人----------控制器2025/1/1835馮·諾依曼機(jī)的特點(diǎn)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個(gè)部分組成；存儲(chǔ)器以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)；指令由操作碼和地址碼組成；存儲(chǔ)程序并按地址順序執(zhí)行；馮·諾依曼機(jī)的核心設(shè)計(jì)思想，機(jī)器自動(dòng)化工作的關(guān)鍵；以運(yùn)算器為中心。2025/1/1836馮·諾依曼機(jī)與現(xiàn)代微機(jī)馮·諾依曼機(jī)結(jié)構(gòu)輸入設(shè)備存儲(chǔ)器輸出設(shè)備運(yùn)算器控制器輸入設(shè)備控制器輸出設(shè)備存儲(chǔ)器運(yùn)算器現(xiàn)代微機(jī)結(jié)構(gòu)2025/1/1837現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)將運(yùn)算器、控制器和片內(nèi)的高速緩存，統(tǒng)稱為CPU；而將CPU、主存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口和系統(tǒng)總線統(tǒng)稱為主機(jī)；其余的設(shè)備均為外設(shè)。主機(jī)內(nèi)僅包含主存儲(chǔ)器，輔助存儲(chǔ)器屬于I/O設(shè)備；以存儲(chǔ)器為中心。減輕CPU的數(shù)據(jù)傳送負(fù)擔(dān)，提高系統(tǒng)的整體性能；2025/1/18381.3.2運(yùn)算器功能：

處理所有的算術(shù)及邏輯運(yùn)算。通常稱為ALU(算術(shù)邏輯單元)特點(diǎn)：采用二進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算；運(yùn)算器一次可以處理的數(shù)據(jù)

位數(shù)稱為機(jī)器字長(zhǎng)；機(jī)器字長(zhǎng)一般為8、16、32、

64位，機(jī)器字長(zhǎng)直接決定著運(yùn)算的精度和能力；運(yùn)算器主要由ALU和各類通用寄存器構(gòu)成。2025/1/18391.3.3存儲(chǔ)器（1/2）功能：保存所有的程序和數(shù)據(jù)。特點(diǎn)：二進(jìn)制形式保存程序和數(shù)據(jù)；存儲(chǔ)器是按存儲(chǔ)單元組織的，讀寫存儲(chǔ)單元必須給出單元地址；相關(guān)的概念存儲(chǔ)元：用于保存一位0/1二進(jìn)制數(shù)據(jù)的物理器件；存儲(chǔ)單元：能夠保存一個(gè)字?jǐn)?shù)據(jù)的器件，由若干個(gè)存儲(chǔ)元構(gòu)成；單元地址：能區(qū)分每一個(gè)存儲(chǔ)單元的編號(hào)，一般從0開始編號(hào)；存儲(chǔ)容量：一個(gè)存儲(chǔ)器所能保存的二進(jìn)制信息的總量。存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)示意圖2025/1/18401.3.3存儲(chǔ)器（2/2）存儲(chǔ)器的分類：外存（輔助存儲(chǔ)器）磁盤存儲(chǔ)器、光盤存儲(chǔ)器；CPU不可直接訪問；內(nèi)存（主存儲(chǔ)器）半導(dǎo)體存儲(chǔ)器；CPU直接訪問，存放當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行所需的所有的程序和數(shù)據(jù)。兩個(gè)與主存相關(guān)的寄存器MAR(存儲(chǔ)器地址寄存器)：接收由CPU送來的地址信息；MDR(存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器)：作為外界與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)通路。存儲(chǔ)器地址寄存器MAR主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器MDR2025/1/18411.3.4控制器（1/2）功能：

根據(jù)所要執(zhí)行指令的功能，按順序發(fā)出各種控制命令，協(xié)調(diào)計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件的工作。主要任務(wù)：解釋并執(zhí)行指令；控制指令的執(zhí)行順序；負(fù)責(zé)指令執(zhí)行過程中，操作數(shù)的尋址；根據(jù)指令的執(zhí)行，協(xié)調(diào)相關(guān)部件的工作，如運(yùn)算類指令執(zhí)行時(shí)對(duì)標(biāo)志寄存器的影響設(shè)置。指令的形式操作碼：指出指令所進(jìn)行的操作，如加、減、數(shù)據(jù)傳送等；地址碼：指出進(jìn)行以上操作的數(shù)據(jù)存放位置。2025/1/18421.3.4控制器（2/2）控制器工作的周期取指周期：取指令的一段時(shí)間執(zhí)行周期：執(zhí)行指令的一段時(shí)間指令按順序執(zhí)行的控制部件：指令計(jì)數(shù)器每取出一條指令，指令計(jì)數(shù)器就加1；遇到轉(zhuǎn)移類指令，控制器根據(jù)所執(zhí)行指令設(shè)置指令計(jì)數(shù)器的值；相關(guān)概念數(shù)據(jù)字：該字代表要處理的數(shù)據(jù)；指令字：該字為一條指令；指令流：取指周期中，從內(nèi)存讀出的信息流；數(shù)據(jù)流：執(zhí)行周期中，從內(nèi)存讀出的信息流。1條指令的字節(jié)數(shù)2025/1/18431.3.5適配器與輸入輸出設(shè)備輸入設(shè)備將人們熟悉的某種信息形式變換為機(jī)器內(nèi)部所能接收和識(shí)別的二進(jìn)制信息形式的設(shè)備。輸出設(shè)備把計(jì)算機(jī)的處理結(jié)果變成人或其他機(jī)器設(shè)備所能接收和識(shí)別的信息形式的設(shè)備。適配器保證外圍設(shè)備用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特性要求的形式發(fā)送或接收信息。系統(tǒng)總線構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。2025/1/1844

1.4計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)程序用來簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化使用方法，提高計(jì)算機(jī)的使用效率，發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能及用途。包括:服務(wù)性程序，如診斷程序、排錯(cuò)程序、練習(xí)程序等；語(yǔ)言類程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等；操作系統(tǒng)；數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)；應(yīng)用程序用戶利用計(jì)算機(jī)來解決某些實(shí)際問題所編制的程序；工程設(shè)計(jì)程序、數(shù)據(jù)處理程序、自動(dòng)控制程序、企業(yè)管理程序、情報(bào)檢索程序、科學(xué)計(jì)算程序等等。2025/1/18451.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)從不同角度看到的計(jì)算機(jī)的構(gòu)成；微程序設(shè)計(jì)級(jí)