计算机组成原理第一章计算机系统概论

概述概述l计算机组成原理：主要指计算机硬件的实现方法及工作原理l从三方面掌握本课程内容:l硬件结构:从物理上逻辑上掌握计算机各部件的构成和作用l实现方式:硬件连接方式和内部处理方式(如控制器和运算器的实现方式)l工作原理:计算机内部各部件工作过程本课程的重要地位本课程的重要地位l计算机组成原理是计算机相关专业的核心专业课程，对后续课程(计算机网络，单片机，嵌入式)的学习十分重要，也是考研专业课。l通过本课程的学习主要掌握:l单处理机系统的组成及工作原理，分析说明计算机由哪些功能部件组成，结构，功能，以及他们如何完成各自分配的任务。l学习难点：内容多，结果复杂，数字逻辑是基础l学习方法：分析结构，弄清原理，多做练习主要内容主要内容l计算机系统概述l运算方法和运算器(数据的表示，编码。包括数值，非数值数据，整数，小数，汉字，校验码。定点运算，浮点运算，逻辑运算）l存储器系统(存储器芯片的结构和功能，存储器的组成与连接，高速存储器，Cache)l指令系统(指令格式，寻址方式，典型指令)lCPU(组成和工作原理，控制器的实现)l总线系统(总线的作用，分类，控制和通信)l输入输出系统(控制方式)2024/5/174第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论1.1计算机的分类1.2计算机发展简史1.3计算机的硬件1.4计算机的软件1.5计算机系统的层次结构2024/5/1751.1计算机的分类计算机的分类一、电子计算机从总体上来说分为两大类。l电子模拟计算机。“模拟”就是相似的意思。模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。l电子数字计算机，它是在算盘的基础上发展起来的，是用数目字来表示数量的大小。数字计算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。2024/5/1761.1计算机的分类计算机的分类数字计算机模拟计算机数据表示方式数字0/1电压计算方式数字计数电压组合和测量值控制方式程序控制盘上连线精度高低数据存储量大小逻辑判断能力强无数字计算机与模拟计算机的主要区别数字计算机与模拟计算机的主要区别2024/5/1771.1计算机的分类计算机的分类二、数字计算机分类数字计算机根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分，可以划分为两类：l专用计算机：专用机是最有效、最经济和最快速的计算机，但是它的适应性很差。l通用计算机：通用计算机适应性很大，但是牺牲了效率、速度和经济性。2024/5/1781.1计算机的分类计算机的分类三、通用计算机分类通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等可以分为：l超级计算机l大型机l服务器lPC机l单片机l多核机演示第一台第一台von Neumann系统结构的系统结构的计算机计算机IBM/360 集成电路集成电路 计算机小型化计算机小型化超级计算机超级计算机lIBMRoaddrunner(走鹊)IBM为美国能源部所属的国家核能安全管理部（NationalNuclearSecurityAdministration，NNSA）建立的超级电脑l129600个计算核心，最大平均速度1105000GFLOPSCray XT5 Jaguar 美洲虎美洲虎l美国Cray公司建造的一台超级电脑,位于橡树岭国家实验室造价一亿美金,整个系统的内存容量达到300TB，硬盘空间高达10PBl1PB=1024TB1TB=1024GBl150152个计算核心，最大平均速度1059000GFLOPSIBM JUGENE-Blue Gene/P(尤金尤金)l德国尤利希超级计算机中心所研制,294912个计算核心，最大平均速度825500GFLOPSSGI Pleiades系统系统l美宇航局埃姆斯研究中心51200个计算核心，最大平均速度l487005GFLOPS天河天河2号号l在德国举行的2015年国际超级计算机大会上发布全球超级计算机500强最新榜单，中国“天河二号”以每秒33.86千万亿次的浮点运算速度第五次蝉联冠军,312万个计算核心,1.404PB内存，而外部存储器容量方面更是高达12.4PB.l天河二号逐步在生命科学、材料科学、大气科学、地球物理、宇宙、经济学，以及大型基因组组装、基因测序、污染治理等一系列事关国计民生的大科学、大工程中“大显身手”1.2 计算机发展简史计算机发展简史1.2.1计算机的五代变化1.2.2半导体存储器的发展1.2.3微处理器的发展1.2.4计算机的性能指标2024/5/17162024/5/17171.2计算机算机发展展简史史1.2.1计算机的五代变化l第一代为19461957年，电子管计算机：数据处理l第二代为19581964年，晶体管计算机：工业控制l第三代为19651971年，中小规模集成电路计算机：小型计算机l第四代为19721990年，大规模和超大规模集成电路计算机：微型计算机l第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机：单片机2024/5/17181.2计算机算机发展展简史史1.2.2半导体存储器的发展l20世纪5060年代，所有计算机存储器都是由微小的铁磁体环l1970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体存储器l从1970年起，半导体存储器经历了11代：单个芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、GB。l其中1K=210,1M=220,1G=230,1T=240,1P=2502024/5/17191.2计算机算机发展展简史史1.2.3微处理器的发展l1971年Intel公司开发出Intel4004。这是第一个将CPU的所有元件都放入同一块芯片内的产品，于是，微处理器诞生了。l微处理器演变中的另一个主要进步是1972年出现的Intel8008，这是第一个8位微处理器，它比4004复杂一倍。l1974年出现了Intel8080。这是第一个通用微处理器，而4004和8008是为特殊用途而设计的。8080是为通用微机而设计的中央处理器。l20世纪70年代末才出现强大的通用16位微处理器，8086便是其中之一。l这一发展趋势中的另一阶段是在1981年，贝尔实验室和HP公司开发出了32位单片微处理器。lIntel于1985年推出了32位微处理器Intel80386。l到现在的64位处理器和多核处理器Intel 公司的典型微处理器产品公司的典型微处理器产品l8080 8位位 1974年年 6000个晶体管个晶体管l8086 16位位 1979年年 2.9 万个晶体管万个晶体管l80286 16位位 1982年年 13.4 万个晶体管万个晶体管l80386 32位位 1985年年 27.5 万个晶体管万个晶体管l80486 32位位 1989年年 120.0 万个晶体管万个晶体管lPentium 64位（准）位（准）1993年年 310.0 万个晶体管万个晶体管lPentium Pro 64位（准）位（准）1995年年 550.0 万个晶体管万个晶体管lPentium 64位（准）位（准）1997年年 750.0 万个晶体管万个晶体管lPentium 64位（准）位（准）1999年年 950.0 万个晶体管万个晶体管lPentium 64位位 2000年年 4 200.0 万个晶体管万个晶体管l2007 年年 芯片上可集成芯片上可集成 3 亿亿 5 千万千万 个晶体管个晶体管l2012年年 芯片上可集成芯片上可集成 8 亿亿 个晶体管个晶体管1.2计算机算机发展展简史史1.2.4计算机的性能指标吞吐量表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，单位是字节/秒（B/S）。响应时间表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量，例如微秒（10-6S）、纳秒（10-9S）。利用率表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，一般用百分比表示。处理机字长指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。当前处理机的字长有8位、16位、32位、64位。字长越长，表示计算的精度越高。2024/5/17211.2计算机算机发展展简史史1.2.4计算机的性能指标总线宽度一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。2024/5/1722存储器容量存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示存储器容量越大，记忆的二进制数越多存储器带宽存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。主频/时钟周期CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。例如Pentium系列机为60MHz266MHz，而Pentium4升至3.6GHz。1.2计算机算机发展展简史史1.2.4计算机的性能指标主频的倒数称为时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒1指令周期=n机器周期=nm时钟周期(顺序环形脉冲发生器)CPU执行时间表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间，可用下式计算：CPU执行时间CPU时钟周期数CPU时钟周期长CPI表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。用下式计算：CPIMIPS表示每秒百万条指令数，用下式计算：MIPS2024/5/17231.2计算机算机发展展简史史1.2.4计算机的性能指标 程序执行时间Te为：TeMFLOPS表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算：MFLOPSMIPS是单位时间内的执行指令数，所以MIPS值越高说明机器速度越快。MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能体现机器的整体性能。GFLOPS(gigaFLOPS)等于每秒10亿(=109)次TFLOPS(teraFLOPS)等于每秒1万亿(=1012)PFLOPS(petaFLOPS)等于每秒1千万亿(=1015)该技术指标一般在超级计算机中使用。2024/5/17241.2计算机算机发展展简史史1.2.4计算机的性能指标例1.1：对于一个给定的程序，IN表示执行程序中的指令总数，tCPU表示执行该程序所需的CPU时间，T为时钟周期，f为时钟频率（T的倒数），NC为CPU时钟周期数。设CPI表示每条指令的平均时钟周期数，MIPS表示每秒钟执行的百万条指令数，请写出如下四种参数的表达式：(1)tCPU(2)CPI(3)MIPS(4)NC2024/5/17251.2计算机算机发展展简史史2024/5/17261.2.4计算机的性能指标1.3计算机的硬件计算机的硬件1.3.1硬件组成要素1.3.2运算器1.3.3存储器1.3.4控制器1.3.5适配器与I/O设备2024/5/17282024/5/17291.3计算机的硬件计算机的硬件1.3.1硬件组成要素通过一个例子我们来了解数字计算机的主要组成和工作原理。l假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，要求我们计算y=ax+b-c这样一个题目。l解题步骤和数据记录在横格纸上，请看过程。2024/5/1730一、手工模仿计算机工作一、手工模仿计算机工作指令格式指令格式l操作码地址码l假设8种指令需要二进制代码l加法001l减法010l乘法011l除法100l取数101l存数110l打印111l停机0003位指令和数据在存储器中用二进制指令和数据在存储器中用二进制代码存储代码存储l11011001l20111100l30011010l40101011l51101101l6111*(?)l7000*(?)l8l9al10bl11cl12xl13y编程举例编程举例l计算计算 ax2+bx+c l 取取x 至运算器中至运算器中l 乘以乘以x 在运算器中在运算器中l 乘以乘以a 运算器中运算器中 l 存存ax2 在存储器中在存储器中 l 取取b 至运算器中至运算器中 l 乘以乘以 x 在运算器中在运算器中l 加加ax2 在运算器中在运算器中l 加加c 在运算器中在运算器中=(ax+b)x+c l 取取x 至运算器中至运算器中l 乘以乘以a 在运算器中在运算器中l 加加b 在运算器中在运算器中l 乘以乘以x 在运算器中在运算器中l 加加c 在运算器在运算器中中 计算计算 ax2+bx+c 程序清单程序清单指令和数据存于指令和数据存于主存单元的地址主存单元的地址 指令指令 注释注释操作码操作码 地址码地址码 00000010000001000 取数取数x至至ACC 10001000000001001 乘乘a得得ax,存于存于ACC中中 20000110000001010 加加b得得ax+b ,存于存于ACC中中 30001000000001000 乘乘x得（得（ax+b)x,存于存于ACC中中 40000110000001011 加加c得得ax2+bx+c,存于存于ACC 50000100000001100 将将ax2+bx+c,存于主存单元存于主存单元 60001010000001100 打印打印 7000110停机停机 8 x原始数据原始数据x 9 a原始数据原始数据a 10 b原始数据原始数据b 11 c原始数据原始数据c 12存放结果存放结果2024/5/17351.3计算机的硬件计算机的硬件二、数字计算机基本组成l控制器：人的大脑的操作控制功能l运算器：人的大脑的计算功能l存储器：人的大脑记忆功能l输入设备：交互接口，笔l输出设备：交互接口，纸2024/5/17361.3计算机的硬件计算机的硬件三、冯诺依曼型计算机l存储程序l按地址自动执行l五大部件：包括控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备l以运算器为中心2024/5/17371.3计算机的硬件计算机的硬件冯诺依曼型计算机存储器输出输入运算器控制器数据信号控制信号地址信号1.3 计算机的硬件计算机的硬件计算机的组成结构2024/5/17382024/5/17391.3计算机的硬件计算机的硬件1.3.2运算器l算术运算和逻辑运算l在计算机中参与运算的数是二进制的l运算器的长度一般是8、16、32或64位2024/5/17401.3计算机的硬件计算机的硬件1.3.3存储器l存储数据和程序（指令）l容量（存储单元、存储单元地址、容量单位）l分类内存（ROM、RAM）、外存l存储器单位：l1KB210Bl1MB220Bl1GB230Bl1TB240B2024/5/17411.3计算机的硬件计算机的硬件1.3.4控制器l指令和程序:指令的形式（操作和地址码、存储程序的概念、指令中程序和数据的存放、指令系统）l指令和数据存储2024/5/17421.3计算机的硬件计算机的硬件七、控制器的基本任务l控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周期l控制器完全可以区分开哪些是指令字，哪些是数据字。一般来讲，取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；而在执行器周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。2024/5/17431.3计算机的硬件计算机的硬件1.3.5适配器与I/O设备l输入设备：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式l输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式l适配器：它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作l总线：构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。总之，现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的。这也是人们常说的计算机硬件。2024/5/17441.4计算机的软件计算机的软件1.4.1软件的组成与分类计算机软件相对计算机硬件来说是看不见，是计算机系统中不可少的无形部件。主要有两大类：l系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。它包括以下四类：各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等操作系统数据库管理系统l应用软件：用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序，如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等2024/5/17451.4计算机的软件计算机的软件1.4.2软件的发展演变l编程语言的发展手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编高级程序：算法语言/高级语言，机器编译程序/解释程序l系统软件的发展操作系统分布式系统软件2024/5/17461.5计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.5.1多级计算机系统计算机不能简单地认为是一种电子设备，而是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体。它通常由五个以上不同的级组成，每一级都能进行程序设计，如图所示。2024/5/17471.5计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构五级计算机层次系统l第一级是微程序设计级。这是一个实在的硬件级，它由机器硬件直接执行微指令。如果某一个应用程序直接用微指令来编写，那么可在这一级上运行应用程序。l第二级是一般机器级，也称为机器语言级，它由微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。l第三级是操作系统级，它由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，广义指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。l第四级是汇编语言级，它给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。如果应用程序采用汇编语言编写时，则机器必须要有这一级的功能；如果应用程序不采用汇编语言编写，则这一级可以不要。l第五级是高级语言级，它是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置的。这一级由各种高级语言编译程序支持和执行。2024/5/17481.5计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.5.2软件与硬件逻辑等价性l随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统的软、硬件界限已经变得模糊了。因为任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。l任何操作可以由软件来实现也可以有硬件来实现（设计计算机系统时，应考虑各个方面的因素：价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期）l实体硬件机功能的扩大l固件的概念（功能上是软件，形态上是硬件）返回2024/5/1749本章小结本章小结l计算机系统的基本概念l构成：硬件和软件l层次结构l计算机系统的基本工作原理l计算机的基本组成部分l五大部件l冯诺依曼型计算机特点l计算机发展特点返回