计算机组成原理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,教学大纲,目的和要求,该课程是计算机科学与技术专业的一门专业基础课。它的内容主要介绍计算机各个功能部件的组织结构、功能以及它们之间互连组成的计算机系统。使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。,教学内容,概论、数据表示、运算方法和运算器、指令系统、控制器、存储系统、输入输出系统、外部设备、计算机系统。,第一章 概论,教学目的：目的在于帮助读者建立一个关于计,算机系统框架的整体概念，并初步了解有关计算机系统的基本常识和基本概念。,本章要点：,1),冯,诺伊曼体系的基本特征,2),总线结构的概念及特点,3),计算机系统的层次结构,4),计算机的性能指标,什么是电子计算机？,计算机是一种能够执行程序，进行复杂计算的工具。,数字电子计算机是一种能存储程序并能自动地、高速地对各种数字化信息进行运算处理的电子设备。,自动的含义是指程序执行时，不再需要人的干预，程序能连续发出各种命令，控制计算机完成预定的操作任务。,1.1,计算机的发展与应用,计算工具的发展概况,手工时代 机械时代 电子时代,-500,纪元,1621 1641 1830 1936 1940 1946 1951 1959 1964 1971 1979 1994,十 算 算 计 帕 巴 米通 阿电,ENIAC,UNIVAC IBM IBM INTEL IBM,新,指 算 斯 贝 斯用 塔子,7000 360 4004 4300,一,计 尺 卡 奇 工计 那计 代,数 筹 盘 计 分 业算 索算 计,算 析 机 夫机 算,机 机 方 机,案,电 子 管 时 代 晶体管时代 集成电路时代 大规模集成电路时代,1,、电子计算机的产生,理论基础：,1854,年，英国科学家,George,Boole,发表,布尔代数,，把逻辑理论建立在,“,0,”,、,“,1,”,两种值和,“,与,”,、,“,或,”,、,“,非,”,三种运算上。,物质基础：,1919,年，,W.H .,Ecclers,和,F .W .Jordan,用两只三极电子管接成了,E-J,双稳态触发器，提供了用电子元件表示二进制数的物质基础。,现实需要：,二战因弹道计算需要高速、准确的计算工具。,2,、第一代计算机 电子管时代（,46-59,）,ENIAC,（,Electronic Numerical Integrator and Computer),二战因弹道计算需要高速、准确的计算,将电子管和继电器存储器用绝缘导线互连在一起，有单个,CPU,组成，,CPU,用程序计数器和累加器完成定点运算，采用机器语言或汇编语言，用,CPU,程序控制,I/O,。,代表性的有宾夕法尼亚大学莫尔学院,1950,年的,ENIAC,、,IBM,于,1953,年,IBM701,计算机。,特征：使用电子管为计算机的基本器件,体积大、耗电多、速度慢、可靠性低,速度为每秒几千到几万次,应用与军事和国防,贡献：确立了模拟量可变换成数字量进行计算,确立了计算机的基本结构,确立了程序设计的基本方法,使用阴极射线管（,CRT,）,作显示器,代表：,ENIAC,（,Electronic Numerical Integrator and Computer),介绍：重达,30,吨,占地,170,平方米,内装,18000,个电子管,计算速度,5000,次,/,秒,不足：,存储容量小 20个字长10位,非自动,采用线路连接来编程,Von Neumann,在此基础上提出了,现代计算机的模型,第一台计算机,ENIAC,3,、第二代计算机 晶体管时代（,59-64,）,BELL,实验室的,John,bardeen, Walter,Brattain,发明晶体管。,采用分立式晶体管和铁氧体的磁芯，用印刷电路将它们互连。采用变址寄存器、浮点运算、多路存储器和,I/O,处理机。采用高级语言、子程序库、批处理监控程序。代表性系统是,IBM7030,。,特征：使用晶体管为计算机的基本器件,体积缩小、耗电减少、重量减轻、可靠性提高,速度为每秒几万到几十万次,开始应用于数据处理,贡献：在图形处理领域开始应用,鼠标器问世,有了操作系统和高级语言,出现通用机和专用机,代表：,CDC 6600 7600 IBM 7090,4,、第三代计算机 集成电路时代 （,65-74,）,仙童公司和德州仪器把整个电路做在一片半导体上。,采用小规模或中小规模的集成电路和多层印刷电路。微程序控制。采用了流水线、高速缓存和先行处理机。软件采用多道程序设计和分时操作系统。,代表性的有,IBM/360-370,系列、,Digital Equipment,公司的,PDP-8,系列。,特征：使用中、小规模集成电路为计算机的基本器件,体积、功耗显著缩小、可靠性大大提高,速度为每秒几百万次,贡献：分成巨型机、大型机、中型机、小型机,多种完善的操作系统和高级语言,出现系列机 （解决硬件更新和软件相对稳定的,矛盾，大受欢迎）,代表：,IBM 360,5,、第四代计算机 大规模集成电路时代,1974-1991,开始生产包含,CPU,的,IC,，,Intel,和,Motorola,的,8080,和,6800,采用大规模和超大规模的集成电路和半导体存储器。出现了共享存储器、分布存储器或或向量硬件选择的不同结构的并行计算机。使用了并行处理的多处理操作系统、专用语言和编译器，产生了用于并行处理和分布处理的软件工具和环境。代表性的有,VAX9000,、,CrayX,-MP,、,IBM/3090VF,。,特征：使用大规模集,/,超大规模成电路（,LSI/VLSI,）,进一步缩小体积和功耗,速度为每秒,10,9,-10,12,次,贡献：微型计算机出现,并行处理、分布式处理,计算机网络发展,软件工程产生,RISC,精简指令技术：简化指令格式和 寻址方式,是把大型机的流水线技术应用的单机。,代表：,INTEL 80X86 PENTIUM,6,、第五代计算机 甚大规模集成电路时代,1991-200,？,标志：,单片机集成电路,100,万晶体管以上,超标量技术的应用（,把大型机的多指令发出和无序执行应用到单机,）,流水线技术,6,、第六代计算机 极大规模集成电路时代,200,？,-20,？,单片机集成电路超过,1,亿晶体管以上。,单个处理机芯片有图形处理，视频处理，通信部件。,IC,不再制约系统结构的发展而是相反。是系统结构发展的契机,7,、新一代计算机,生物计算机（,DNA,）,光学计算机,超导计算机,纳米计算机,量子计算机,计算机的应用,1,、科学技术方面,导弹和卫星发射、天气预报、基因密码研究等,2,、数据处理方面,财会系统、银行管理、情报检索、订票系统,3,、实时控制,过程控制,4,、计算机辅助设计,CAD,包括,CAD,、,CAM,、,CAT,、,CAI,等,5,、企业管理、信息系统、多媒体、人工智能等其它,1.2,计算机的组成,-,硬件和软件,1 .2 . 1,计算机硬件的组成，把控制器和运算器合为处理机,processor,成为趋势。,输入设备,输出设备,存储器,控制器,运算器,程序,数据,结果,地址,指令,结果,数据,Von Neumann,计算机硬件的组成,冯,诺依曼体系结构,Von Neumann,：,1),采用二进制形式表示数据和指令,数据和指令在代码的外形上并无区别都是由,0,和,1,组成的代码序列，只是各自约定的含义不同而已。,采用二进制、使信息数字化容易实现，可以用二值逻辑工具进行处理。,程序信息本身也可以作为被处理的对象，进行加工处理，例如对照程序进行编译，就是将源程序当作被加工处理的对象。,信息的数字化表示,1,、,模拟信号,2,、数字信号,3,、数字信号的优点：抗干扰；物理上容易实现，可存储。,4,、举例,信息的数字化表示,1. 在计算机中用数字代码表示各种信息,二进制代码,例1 用数字代码表示数据,5,- 5,表示为,0 101,表示为,1 101,例2 用数字代码表示字符,A,B,表示为,1000001,表示为,1000010,例3 用数字代码表示命令、状态,启动,停止,正在工作,工作结束,表示为,00,表示为,01,表示为,10,表示为,11,2. 在物理机制上用数字信号,数字型电信号,例1 用电平信号表示数,字代码,高电平,1,低电平,高电平,0,1,例2 用脉冲信号表示数,字代码,有脉冲,无脉冲,有脉冲,1,0,1,表示数字代码,实现并行操作,实现串行操作,冯,诺依曼体系结构：,(2),采用存储程序方式,这是诺依曼思想的核心内容。如前所述，它意味着事先编制程序，事先将程序,(,包含指令和数据,),存入主存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行。,这是计算机能高速自动运行的基础。计算机的工作体现为执行程序，计算机功能的扩展在很大程度上体现为所存储程序的扩展。,计算机的许多具体工作方式也是由此派生的。,诺依曼机的这种工作方式，可称为控制流,(,指令流,),驱动方式。即按照指令的执行序列，依次读取指令；根据指令所含的控制信息，调用数据进行处理。因此在执行程序的过程中，始终以控制信息流为驱动工作的因素，而数据信息流则是被动地被调用处理。,为了控制指令序列的执行顺序，我们设置一个程序,(,指令,),计数器,PC(Program,Counter),，让它存放当前指令所在的存储单元的地址。如果程序现在是顺序执行的，每取出一条指令后,PC,内容加,l,，指示下一条指令该从何处取得。,如果程序将转移到某处，就将转移后的地址送入,PC,，以便按新地址读取后继指令。所以，,PC,就像一个指针，一直指示着程序的执行进程，也就是指示控制流的形成。,虽然程序与数据都采用二进制代码，仍可按照,PC,的内容作为地址读取指令，再按照指令给出的操作数地址去读取数据。由于多数情况下程序是顺序执行的，所以大多数指令需要依次地紧挨着存放，除了个别即将使用的数据可以紧挨着指令存放外、一般将指令和数据分别存放在该程序区户的不同区域。,主存储器,CLA,ADD,r4,r5,r6,66,55,ALU,AC,IR,MDR,20,MAR,+1,PC,20,21,22,23,24,30,31,指令的执行过程,冯,诺依曼体系结构：,3),由运算器、存储器、控制器、输入装置和输出装置等五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。,输入设备,输出设备,存储器,控制器,运算器,程序,数据,结果,地址,指令,结果,数据,非诺依曼化,传统的诺依曼机从本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制，即使有关数据巳经准备好，也必须逐条执行指令序列；而提高计算机性能的根本方向之一是并行处理：因此，近年来人们在谋求突破传统诺依曼体制的束缚，这种努力被称为非诺依曼化。,在诺依曼体制范畴内，对传统诺依曼机进行改造，如采用多个处理部件形成流水处理，依靠时间上的重叠提高处理效率；又如组成阵列机结构，形成单指令流多数据流，提高处理速度。这些方向已比较成熟，成为标准结构。,用多个诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。这方面的研究目前比较活跃。,从根本上改变诺依曼机的控制流驱动方式。例如，采用数据流驱动工作方式的数据流计算机，只要数据已经准备好，有关的指令就可并行执行。这是真正非诺依曼化的计算机，它为并行处理开辟了新的前景，但由于控制的复杂性，仍处于实验探索之中,.,1 .2 . 2,计算机软件的组成,软件组成,系统软件,应用软件,操作系统或管理程序,故障诊断或检测程序,高级语言的编译语言或解释程序,汇编语言,系统调试程序,数据库管理程序,使用者根据需要采用各种语言,各种应用程序，包括各类应用软件包,计算机软件的组成,层次结构模型,用户程序,O.S,、,语言处理程序、软件资源,机器语言程序、汇编语言程序,CPU,、,M,、,I/O,、,系统结构,硬件级,机器指令级,操作系统级,高级语言级,应用语言机器级,汇编语言机器级,操作系统机器级,传统机器级,高级语言机器级,微程序机器级,3,级,4,级,5,级,1,级,2,级,0,级,虚拟机器级（软件）,硬件,固件,系统分析求解问题,虚拟机（通过软件扩充的物理机）目的：摆脱真实机器的束缚。 比较：,Java,虚拟机,实际机器（机器语言物理机）,专用语言虚拟机,高级语言虚拟机,汇编语言虚拟机,程序,硬件系统结构,1.,以总线为基础的系统结构,总线：能为多个部件分时共享的一组信息传送线路。,总 线,部件,部件,部件,总 线,内总线,功能 局部总线,系统总线,外总线,地址总线,信息 数据总线,控制总线,时序 同步总线,异步总线,并行总线,格式 串行总线,方向 单向总线,双向总线,（,1,）小型机系统结构,a,）以,CPU,为中心的双总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,I/O,总线,M,总线,外设单独编址,b,）单总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,系 统 总 线,寄存器和主存统一编址,c,）以,M,为中心的双总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,系 统 总 线,M,总线,（,2,）微型机系统结构,CPU,RAM,ROM,公共接口,总线控制逻辑,M,扩展板,I/O,接口板,局部总线,系统总线,多级总线结构,( 3 ).,采用通道或,IOP,（,IO,处理器）的大型系统结构,（,a,）带通道的系统,I/O,控制器,主机,I/O,通道,通道,(,概念,),：专门用来管理,I/O,操作的控制部件。,( 3 ).,采用通道或,IOP,（,IO,处理器）的大型系统结构,（,b,）带,IOP,的系统,CPU,M,接口,I/O,IOP,LM,接口,I/O,系统总线,I/O,总线,一般来说，硬件只完成基本的功能，复杂的功能通过软件来实现,(,降低成本,),。,从逻辑上来讲，有许多功能可由硬件直接实现，也可在基本硬件基础上依靠辅助软件来实现，对用户来说，在功能上是等价的，称为硬、软件在功能上的逻辑等价。,1.2.3,硬、软件界面及其逻辑上的等价性,硬、软件之间的界面：指令系统。,如何理解：, 硬件的基本任务是识别与执行指令代码。因此指令系统所规定的功能可由硬件实现。, 人们编制的程序最终转换成机器指令才能由硬件执行。因此指令系统是编制程序的基础。,硬件软化：硬件技术跟不上，价格昂贵。,软件硬化：硬件技术的发展。,固件化：软件固化，软件固化到硬件芯片中。,1.3,计算机的性能指标,1.,基本字长,(,概念）,：,即参与运算的二进制数的基本位数。,(,计算机允许双倍字长、多倍字长，以兼顾硬件代价与计算精度,),2.,主存容量：越大，则可运行比较复杂的程序，使软件支撑环境更完善。,3.,外存容量：指计算机系统中联机运行的辅助存储器容量。,主,辅存存储系统构成了虚拟存储器。,4.,运算速度：,1),以最短指令执行时间为标准。,2),根据不同类型指令使用的频率乘上不同系数，再求平均值，即为平均运算速度。,3),单位时间,(,每秒,),平均执行的指令条数（,MIPS,）,。,主频反映了运算速度的快慢。,5.,外围设备的配置及其性能。,6.,系统软件配置情况。,核心性能指标：基本字长、主存容量、运算速度,当前全球速度最快的超级计算机为,IBM,制造的蓝色基因,(,BlueGene,/L),，,该系统安装在美国加州大学的,Lawrence Livermore,国家实验室，峰值运算速度高达,183.5,万亿次,/,秒 （截止到,2005,年,3,月）,。,目前中国最快的超级计算机为上海超级计算机中心的“曙光,4000A”,，,制造商为曙光信息产业公司。曙光,4000A,的峰值运算速度为,8 TFLOPS,，,在全球超级计算机,500,强排行榜中名列第,31,位,(,截止到,2004,年底）。,软件学院高性能计算中心：,2004,年,6,月，浪潮天梭,10000,集群系统位列全球超级计算机,Top 500,第,365,位。,最快的五台超级计算机,（截止到,2003.06,）,1,.,日本,NEC,公司,:,Earth Simulator,5 120,个,CPU,最大平均速度,35.86,TF (10,12,),最快的五台超级计算机,（截止到,2003.06,）,2.,美国,HP,公司,:,ASCI,Q,4 096,个,CPU,最大平均速度,13.88,TF (10,12,),3,.,Linux,NetworX,: MCR Linux Cluster,最快的五台超级计算机,（截止到,2003.06,）,2 304,个,CPU,最大平均速度,7.634,TF (10,12,),4,.,美国,IBM,公司,:,ASCI White,8 192,个,CPU,最大平均速度,7.304,TF (10,12,),最快的五台超级计算机,（截止到,2003.06,）,最快的五台超级计算机,（截止到,2003.06,）,5,.,美国,IBM,公司,:,Seaborg,6 080,个,CPU,最大平均速度,7.304,TF (10,12,),SUN,UltraSPARC,III Cu 1200 64,位处理器,英特尔,Itanium,2,（,安腾）,64,位处理器,AMD,Athlon,64,、,Athlon,64 FX,、,移动,Athlon,64,处理器,作业：,P20: 19,