计算机组成与结构课程讲义-华东师范大学计算机科学技术系课件

2009,1,华东师范大学计算机科学技术系,计算机组成与结构课程讲义,华东师范大学计算机科学技术系,2009,2,华东师范大学计算机科学技术系,本课程学习内容,计算机组成、结构、操作及性能的基本概念 计算机系统结构 计算机组成 计算机实现,2009,3,华东师范大学计算机科学技术系,本课程学习目标, 掌握计算机各部件的基本组成及整机 的结构原理； 掌握计算机软硬件工作原理； 学会分析的方法，能对计算机工作原 理进行分析，并得出结论； 掌握设计的基本方法，能根据要求进 行一般设计； 研究提高计算机性能的方法。,2009,4,华东师范大学计算机科学技术系,参考书目, David A.Patterson,John L.Hennessy:Computer Organization and Design The Hardware/ Software Interface,Third Edition 唐朔飞：计算机组成原理，高等教育出版 ，2008年版。 William Stallings著，张昆藏等译：计算机组织与体系结构 性能设计（第7版），清华大学出版社， 2006年版。 白中英主编: 计算机组成原理（第三版.网络版） ，科学出版社，2005年版。 John L.Hennessy、David A.Patterson著，白跃彬译：计算机系统结构量化研究方法（第四版) ，电子工业出版社，2007年版。,2009,5,华东师范大学计算机科学技术系,1 计算机概念和技术,2009,6,华东师范大学计算机科学技术系,1 计算机概念和技术,1.1 概述 1.2 计算机系统的层次结构 1.3 计算机的基本结构 1.4 冯.诺依曼计算机结构特点,2009,7,华东师范大学计算机科学技术系,1 计算机概念和技术,1.1 概述,2009,8,华东师范大学计算机科学技术系,1.1 概述,一、计算应用的类型及特征 应用不同，使用的核心硬件技术有所不同，典型的有三类应用 P3图1-1、P4图1-2 桌面电脑 以个人电脑为代表，台式计算是最大的计算机市场之一，计算技术的很多革新由此推出,2009,9,华东师范大学计算机科学技术系,一、计算应用的类型及特征,服务器 制造服务器的基本技术同台式机，但需要： 扩展性好 计算能力强 输入输出方便快捷 高可靠性 低端服务器：文件存储、小型商务应用、 简单的Web服务等 高端服务器（超级计算机）： 天气预报、石油勘察、蛋白质结构判定等,2009,10,华东师范大学计算机科学技术系,一、计算应用的类型及特征, 超级计算机 功能极其强大，最高速度达上千万亿次 国产典型产品有： Cray-1、Cray-2、Cray-3、国产银河I、银 河II、银河III、曙光4000A、曙光5000等 全球高性能计算机500强排行榜： / 中国高性能计算机100强排行榜： ,共有28个国家和地区榜上有名 美国：257台 英国：53台 德国：46台 法国：34台 日本：22台 中国：12台,2009,11,华东师范大学计算机科学技术系,一、计算应用的类型及特征,全球最快的计算机“走娟” 2008年 IBM研发了世界上速度最快的超级计算机，其 运算性能可达每秒1026万亿次 造价1.33亿美元 由278部服务器机柜组成 采用6562个双核处理器和12240个多核处理器 一天完成的工作量，相当于全球60亿人口每 天24小时使用笔记本电脑耗时46年才能完成 的工作,2009,12,华东师范大学计算机科学技术系, 超级计算机,曙光5000超级计算机上海超级计算中心 每秒230万亿次运算能力 运算性能是曙光4000A的20倍，体积减小三分之一 中科院上海天文台： “天体磁流体动力学”和“宇宙大尺度结构”两个大型数值模拟项目，平均每天占用3000个“CPU小时” 相当于3000台高配置个人计算机同时不间断 工作一小时 单台计算机工作4个月 继续研发“高性能可信计算机”，曙光千万亿次计算机有望在2010年问世,2009,13,华东师范大学计算机科学技术系,一、计算应用的类型及特征,嵌入式计算机 嵌入式计算系统被设计用来完成单一的或一组相关的应用，通常被集成在硬件中，作为一个整体系统使用 特点：功耗、成本低，可靠性高，体积 小，实现最低限度的性能要求 广泛用于家用电器和各种智能仪表中,2009,14,华东师范大学计算机科学技术系,1.1 概述,二、计算机发展历程 P20图1-17 历史 第一代：1946年开始，电子管计算机 第二代：1958年开始，晶体管计算机 IBM公司成为主要计算机制造商 第三代：1965年开始，中小规模集成电路计算机 微程序、并行性、流水线技术、OS、Cache、 虚拟存储技术 IBM: 360主机； 数字设备公司：PDP系列小型机 第四代：1971年开始，大规模和超大规模集成电路 计算机 PC、笔记本电脑、工作站、网络,2009,15,华东师范大学计算机科学技术系, CPU发展Intel产品系列, Pentium：引入了超标量（Superscalar）技术，允 许更多指令并行执行 Pentium Pro：引入了包括寄存器重命名、转移预测、 数据流分析、推测执行等技术 Pentium ：融入了专门用于有效处理视频、音频和 图形数据的Intel MMX技术 Pentium ：融入了新的浮点指令，以支持三维图形 软件 Pentium ：使用64位组织结构的新一代Intel处理 器,第一个采用超标量结构的微处理器IBM公司的“美国” 是RS/6000系列微处理器的前身,2009,16,华东师范大学计算机科学技术系,二、计算机发展历程, 技术发展 改进性：基本保留冯.诺依曼计算机结构模 式，但进行不断改进以提高计算 机系统的性能 革命性：采用冯.诺依曼型计算机完全不同 的计算模型和系统结构 数据流计算机 推理机 神经网络计算机系统,2009,17,华东师范大学计算机科学技术系, 发展, 并行性研究 超标量流水线计算机 向量流水计算机 阵列机 多处理机系统 等等 继续关注指令级并行（ILP）所带来的高性能表现之外，还对线程级并行（TLP）和数据级并行（DLP）给予同样的关注,2009,18,华东师范大学计算机科学技术系, 发展, 并行性分类方法 Flynn教授1966年提出： 按指令流和数据流的多倍性概念进行 分类, SISD（单指令流单数据流） 传统的单CPU计算机属SISD结构 特点：每次仅对一个指令序列进行 译码，每条指令只对一个操 作部件分配数据,2009,19,华东师范大学计算机科学技术系, 并行性分类方法,SIMD（单指令流多数据流） 阵列机、流水式向量机属SIMD结构,一个运算控制器和多个运算单元,一个处理器顺序对许多数据元素进行操作, MIMD（多指令流多数据流） 多处理机系统属MIMD结构 特点：各处理机在各自程序控制下，独 立地对数据进行协作运算,MISD（多指令流单数据流） 现有的程序结构无法影射到MISD结构,2009,20,华东师范大学计算机科学技术系,1.1 概述,三、程序性能 制约因素： 20世纪60-70年代：内存容量 目前： 存储器的层次化特性 处理器的并行性特性 取决因素： 算法 程序设计语言、编译器和体系结构 处理器和存储器系统 I/O系统（硬件和操作系统）,2009,21,华东师范大学计算机科学技术系,三、程序性能,通过相关章节学习 P5表 掌握： 软硬件的工作原理及性能影响 软硬件接口 提高性能的方法 在现代计算机设计中所采用的技术,2009,22,华东师范大学计算机科学技术系,1 计算机概念和技术,1.1 概述 1.2 计算机系统的层次结构,2009,23,华东师范大学计算机科学技术系,1.2 计算机系统的层次结构,计算机系统是一个由硬件、软件组成的多级层次结构, 应用程序功能相当复杂，而计算机硬件只能执行极其简 单的低级指令 所以从一个复杂的应用到简单的指令，其间需要多层软 件，逐级将高层操作解释或翻译成底层的计算机指令 P6图1-3, 阶于应用软件和硬件之间的是系统软件 核心系统软件：操作系统、编译器 操作系统： 处理基本输入输出操作 分配存储空间及内存 为多个程序同时使用计算机提供支持 编译器：将用高级语言编写的程序翻译成硬件能够执行 的指令,2009,24,华东师范大学计算机科学技术系,操作系统：,用户程序和OS共享处理器 例1)系统仅有一个处理器、一个磁盘和一台打印机。 设：应用程序已编译完成并存放在磁盘中。 将文件传送到内存中，传送结束，程序开 始执行； 程序执行时需到磁盘中读取数据文件； 对数据进行运算，打印结果。 由OS负责磁盘和打印机操作，其执行控制权转 换示意图如下：,用户程序和OS共享处理器,OS将应用程序从磁盘装载到内存，传送结束将控制权交给应用程序,OS将数据文件从磁盘装载到内存，传送结束将控制权交给应用程序,OS打印结果，打印结束将控制权交给应用程序,多任务方式（多道程序）： 磁盘和处理机在t4和t5段中大部分时间空闲， 可安排装载下一个程序； 同样，可在t0至t1段安排打印前一程序的结果,2009,26,华东师范大学计算机科学技术系,1.2 计算机系统的层次结构,微程序级 硬件级 执行一系列微指令，解释执行机器指令 物理机器级 硬件级 执行机器指令，完成相应的功能 操作系统级 虚拟机 为系统的操作和程序设计提供平台 汇编语言级 虚拟机 为程序员提供一种符号形式语言 高级语言级 虚拟机 提供与计算机结构无关的程序设计语言,重要的抽象是硬件与底层软件之间的接口，称为指令集系统结构， 或简称系统结构，包含了编写能够正确运行的机器语言程序的所有 必需信息，包括：指令、寄存器、存储器访问、I/O等 这些基本的指令集和操作系统提供给应用程序程序员的接口合称为 应用程序二进制接口（ABI）,2009,27,华东师范大学计算机科学技术系,1.2 计算机系统的层次结构, 每一级上都能进行程序设计，且得到下面各级的 支持； 第1级第3级所用语言基本为二进制语言，机器 执行和解释容易； 第4级、第5级采用符号语言，有利于不了解硬件 的人使用计算机； 级数越低越靠近硬件，级数越高使用计算机越方 便； 从语言功能层次进行划分，引入虚拟机概念，有 助于了解计算机和设计计算机。,2009,28,华东师范大学计算机科学技术系,1.2 计算机系统的层次结构,从高级语言到机器语言： 用二进制语言和机器直接交流 符号语言手工翻译二进制指令 符号语言汇编器二进制指令 例：汇编语言： Add A,B 汇编器翻译：1000 1100 1010 0000 计算机执行（A）+（B） A,2009,29,华东师范大学计算机科学技术系,从高级语言到机器语言：, 高级程序设计语言编译器二进制指令 例：高级程序设计语言： A+B 编译器编译：Add A,B 汇编器翻译：1000 1100 1010 0000 计算机执行（A）+（B） A P7图1-4 某些编译器可直接生成二进制机器语言,2009,30,华东师范大学计算机科学技术系,1 计算机概念和技术,1.1 概述 1.2 计算机系统的层次结构 1.3 计算机的基本结构,2009,31,华东师范大学计算机科学技术系,1.3 计算机的基本结构,一、计算机基本功能 数据处理 数据存储 数据传送 控制,2009,32,华东师范大学计算机科学技术系,一、计算机基本功能,2009,33,华东师范大学计算机科学技术系, 数据来源： 数据来自直接与计算机连接的设备 输入/输出 数据来自远方设备 数据通信 控制器根据指令管理计算机的资源，并 协调各功能部件的操作,一、计算机基本功能,2009,34,华东师范大学计算机科学技术系,一、计算机基本功能,2009,35,华东师范大学计算机科学技术系,一、计算机基本功能,2009,36,华东师范大学计算机科学技术系,一、计算机基本功能,2009,37,华东师范大学计算机科学技术系,一、计算机基本功能,2009,38,华东师范大学计算机科学技术系,1.3 计算机的基本结构,二、计算机的硬件结构 计算机主要结构部件： P8图1-5、P9图1-6 中央处理单元：控制计算机的操作并完成数 （CPU） 据处理； 主存储器： 存储数据； I/O部件: 在计算机及其外部环境之间 传输数据； 系统互联： 为CPU、主存储器和I/O之间 提供某些通信机制。,2009,39,华东师范大学计算机科学技术系,二、计算机的硬件结构,2009,40,华东师范大学计算机科学技术系, CPU结构,2009,41,华东师范大学计算机科学技术系,二、计算机的硬件结构, CPU结构： 控制器： 控制CPU以及整台计算机 的操作； 算术逻辑单元：完成数据处理功能； (ALU) 寄存器: 为CPU提供内部存储功能； CPU内部互联： 提供控制器、ALU和寄存 器之间的某种通信机制。,2009,42,华东师范大学计算机科学技术系,计算机基本部件互联框图,2009,43,华东师范大学计算机科学技术系,总线连接方式,2009,44,华东师范大学计算机科学技术系,二、计算机的硬件结构,运算器 功能： 数据加工部件，完成二进制算术运算及逻辑运算 运算器的组成部件： ALU算术逻辑运算单元 通用寄存器暂存数据 专用寄存器 程序计数器（PC） 状态条件寄存器（PSW）,多个，统一 编址,2009,45,华东师范大学计算机科学技术系,1.运算器,运算器的位数越多，计算的精度就越 高，但是所费的电子器件也越多，成 本相应就高，目前计算机的运算长度 一般为8位、16位、32位或64位。,2009,46,华东师范大学计算机科学技术系,二、计算机的硬件结构,2. 存储器 功能： 存储以二进制形式表示的数据和程序 程序计算机操作的依据 数据操作的对象 选择合适的记忆介质 具有两个稳定的状态 两个状态可快速转换 存储介质： 半导体器件 磁性记录介质 光存储介质,2009,47,华东师范大学计算机科学技术系,2. 存储器, 存储器设计目标： 速度快、容量大、成本低 为解决容量与成本的矛盾： 将存储器分为内存和外存储器 内存储器：由半导体存储器构成 特点：速度快、但成本高 存放正在运行和处理的程序和 数据 外存储器：由磁盘、磁带、光盘、基于 flash的可移动存储卡等构成 特点：容量大、成本低、可脱 机保存信息 存放暂时不用的程序和数据 外存通过接口、总线连接内存,2009,48,华东师范大学计算机科学技术系, 存储器设计目标： 速度快、容量大、成本低, 为解决速度与成本的矛盾： 将内存储器分为主存和Cache Cache：即高速缓冲存储器，由速度更快的 半导体存储芯片构成，以便与CPU速 度匹配。因为价格较高，所以容量 较小，作为主存的一个副本存放CPU 最近经常访问的一些信息。 将存储器根据容量、速度、成本要求分为若干 层次，构成存储器系统。 层次化结构： Cache、主存、外存,2009,49,华东师范大学计算机科学技术系,存储器层次化结构：,2009,50,华东师范大学计算机科学技术系,2. 存储器, 主存储器结构 主存储器一般由半导体器件构成 存储元：存储信息最基本的单元，记忆一位二进制数码 （0或1）（bit） 存储单元：存取信息最基本的单元，由若干存储元组成， 一个存储单元可存储一个字(Word)或一个字 节(Byte,简称B)。 微机中一个存储单元通常存放一个字节的二 进制信息 1 Byte = 8 bit 一个存储单元也可以是16位、32位、64位等,2009,51,华东师范大学计算机科学技术系,2. 存储器, 存储容量： 微机中，存储器容量常以字节为单位计量，因此 存储器中所有存储单元的总数称为存储器的存储 容量。 常用单位有：KB(Kilo Byte)、MB(Mega Byte)、 GB(Giga Byte)、TB(Tera Byte)。 换算关系如下： 1024 B = 1KB 1024 KB = 1MB 1024 MB = 1GB 1024 GB = 1TB,2009,52,华东师范大学计算机科学技术系,2. 存储器, 存储器编址： 存储器中每个存储单元都有一个编号，称为地址。向存储器中写数或者从存储器中读数，都是按给定的地址来寻找所选的存储单元。 读操作：数据从存储单元中读出 写操作：数据写入存储单元中 存储周期读/写周期,2009,53,华东师范大学计算机科学技术系,2. 存储器, 存储器种类： RAM随机访问存储器 SRAM DRAM ROM只读存储器 顺序访问存储器 半顺序访问存储器,随机读写,2009,54,华东师范大学计算机科学技术系,二、计算机的硬件结构,3. 控制器 功能： 是高效的中枢系统，通过指令译码产生各操作控 制信号，控制和协调各部件有条不紊地工作。 指令控制按序执行指令； 操作控制根据指令译码产生各操作控制 信号，控制各部件工作； 时间控制对各类操作实施时间上的约束， 使各部件有序工作。,2009,55,华东师范大学计算机科学技术系,3. 控制器, 指令字 将解题的程序（指令序列）存放到存储器中称为存储程序 控制器依据存储器的程序来控制全机协调地完成计算任务叫做程序控制 一台计算机中所有指令的集合称为指令系统，一台计算机的指令系统通常包含几十种甚至上百种基本指令 指令系统不仅是硬件设计的依据，而且是软件设计的基础 数据字和指令字 取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器 执行周期中从内存读出的信息流是数据流，它流向运算器,2009,56,华东师范大学计算机科学技术系,3. 控制器, 基本任务 按照计算程序所排的指令序列，先从存储器中取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令性质，向计算机各部件发出相应的控制信号，有序地控制各部件完成规定的操作，接着从存储器中取出下一条指令，再执行，依次类推 取指周期：取指令的一段时间 执行周期：执行指令的一段时间,指令周期,2009,57,华东师范大学计算机科学技术系,二、计算机的硬件结构,4. 适配器和输入输出设备 功能： 输入设备把人们熟悉的某种形式变换为 机器内部所能接收和识别的二 进制信息形式； 输出设备把计算机处理的结果变换为人 或其它机器设备所能接收和识 别的信息形式。 外设种类繁多，性能各一，需通过适配器与 主机相连。,2009,58,华东师范大学计算机科学技术系,二、计算机的硬件结构, 外围设备的基本分类 输入设备键盘、光笔、鼠标器、语音 输入器、扫描仪、触摸屏、 图像输入设备等； 输出设备显示设备、打印机、音箱、 绘图仪等； 外存设备磁盘、磁带、光盘、优盘等 数据通信设备 过程控制设备,2009,59,华东师范大学计算机科学技术系,二、计算机的硬件结构,5. 系统总线（BUS） 功能： 系统总线是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。借助系统总线，计算机在 各系统部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作 数据总线 地址总线 控制总线 不同的总线连接方式将导致不同的功能特征 和实现成本 不同速度的设备连于一条总线需借助缓存,2009,60,华东师范大学计算机科学技术系,计算机的基本结构,2009,61,华东师范大学计算机科学技术系,华硕P4S533-MX主板,内存条插槽,CPU风扇支架,PCI 扩展槽,IDE硬盘接口,各种外设接口，包括：键盘、鼠标、显示器、USB、声卡、网卡、并行口等,CPU 插槽,P11图1-8,9,10,2009,62,华东师范大学计算机科学技术系,1 计算机概念和技术,1.1 概述 1.2 计算机系统的层次结构 1.3 计算机的基本结构 1.4 冯.诺依曼计算机