第1章 计算机系统概论

1、主讲人：刘予飞主讲人：刘予飞 计算机组成与结构计算机组成与结构 清华大学清华大学 王爱英主编王爱英主编 参考书：参考书： 计算机组成原理（第计算机组成原理（第4 4版）白中英，版）白中英， 科学出版社科学出版社 计算机系统结构（第计算机系统结构（第5 5版）李学干，版）李学干， 西电出版社西电出版社 考核方式：考核方式： 平时成绩占平时成绩占30%,30%,期末卷面成绩占期末卷面成绩占70%70% 其中平时成绩主要由出勤、作业、实验、测验组成，其中平时成绩主要由出勤、作业、实验、测验组成， 实验考试一票否决制。实验考试一票否决制。 1.4 1.4 电子计算机的发展简史电子计算机的发展简史 1.

2、2.1 计算机的硬件组成计算机的硬件组成 移位器移位器 ALUALU 选择器 通用寄存器组通用寄存器组 选择器 1.运算器运算器 (1)(1)功能：加工信息功能：加工信息 (2)(2)组成组成 移位器移位器 ALUALU 选择器选择器 通用寄存器组通用寄存器组 ALU: ALU: 通过加法器实现运算操作通过加法器实现运算操作 （由全加器（由全加器 求和、由求和、由 进位链传递进位信号）。进位链传递进位信号）。 选择器：选择操作数；选择控制选择器：选择操作数；选择控制 条件，实现条件，实现 各种算法。各种算法。 通用寄通用寄 存器组：存器组： 提供操作数，存放运算结果。提供操作数，存放运算结果。

3、 移位器：直接或者移位送出运移位器：直接或者移位送出运 算结果。算结果。 2.控制器控制器 （1）功能：产生控制命令（微命令），控制全机操作。）功能：产生控制命令（微命令），控制全机操作。 （2）组成：）组成： 微命令发生器微命令发生器 指令信息指令信息 状态信息状态信息 时序信号时序信号 微命令序列微命令序列 逻辑条件逻辑条件时间条件时间条件 对于上页幻灯片的解释：对于上页幻灯片的解释： 基于控制器的功能，对于其组成来说，其核心部件就是微基于控制器的功能，对于其组成来说，其核心部件就是微 命令发生器，通过它产生相应微命令，送往计算机的各个命令发生器，通过它产生相应微命令，送往计算机的各个 操

4、作部件，来控制其进行相应操作。那么微命令发生器到操作部件，来控制其进行相应操作。那么微命令发生器到 底是什么时间，根据什么条件发出微命令，这就使得微命底是什么时间，根据什么条件发出微命令，这就使得微命 令发生器需要有相应的输入条件来决定产生微命令。那么令发生器需要有相应的输入条件来决定产生微命令。那么 它的输入条件包括指令信息（用来决定操作性质如加、减它的输入条件包括指令信息（用来决定操作性质如加、减 等）、状态信息（用来进行程序的转移）、时间信息（用等）、状态信息（用来进行程序的转移）、时间信息（用 来决定什么时间发相应的命令）。因此，将指令信息和状来决定什么时间发相应的命令）。因此，将指令

5、信息和状 态信息称为逻辑条件，时间信息称为时间条件。这样微命态信息称为逻辑条件，时间信息称为时间条件。这样微命 令发生器就知道在什么时间，根据什么条件发出微命令。令发生器就知道在什么时间，根据什么条件发出微命令。 微命令发生器就是产生微命令的，那么它到底微命令发生器就是产生微命令的，那么它到底如何产如何产 生微命令生微命令呢？呢？ 组合逻辑控制方式：组合逻辑控制方式： 微程序控制方式：微程序控制方式： 由组合逻辑电路产生微命令，由组合逻辑电路产生微命令， 相应的微命令发生器是由一些门电路组成的。相应的微命令发生器是由一些门电路组成的。 由微指令产生微命令，相应的微命令发生器由微指令产生微命令，

6、相应的微命令发生器 是用来存放微指令的专用存储逻辑，即专用是用来存放微指令的专用存储逻辑，即专用 存储器。存储器。 注：采用组合逻辑控制方式的控制器称为组合逻辑控制器；注：采用组合逻辑控制方式的控制器称为组合逻辑控制器； 而把微程序控制方式的控制器称为微程序控制器。而把微程序控制方式的控制器称为微程序控制器。 （3）讨论）讨论 两种控制器的组成原理与控制机制（如何产生两种控制器的组成原理与控制机制（如何产生 微命令）微命令） 存储体存储体 地址寄存器地址寄存器 译码器译码器 读读/ /写线路写线路 数据寄存器数据寄存器 控制线路控制线路 3.存储器（这里指主存储器）存储器（这里指主存储器） （

7、1）存放信息的实体组成）存放信息的实体组成 （2）存储器的寻址部分）存储器的寻址部分 对地址码译码，选择存储对地址码译码，选择存储 单元单元 （3）具体完成）具体完成 存储器的读存储器的读/写写 操作，数据寄存操作，数据寄存 器暂存读器暂存读/写数据写数据 （4）产生读）产生读/写时写时 序，控制读序，控制读/写操作写操作 对于存储器，在以后的内容主要讨论：对于存储器，在以后的内容主要讨论： 存储器的读存储器的读/写工作原理及存储器的逻辑设计写工作原理及存储器的逻辑设计 4.输入输入/输出设备输出设备 （1）功能：转换信息）功能：转换信息 输入：原始信息输入：原始信息代码，送入主机代码，送入主

8、机 输出：处理结果（代码）输出：处理结果（代码） 人所能接受的人所能接受的 形式，并输出形式，并输出 （2）讨论）讨论 显示器的工作原理和信息转换过程显示器的工作原理和信息转换过程 1.2.2 硬件系统结构硬件系统结构 1. 以总线为基础的系统结构以总线为基础的系统结构 总线：能为多个部件分时共享的总线：能为多个部件分时共享的 一组信息传送线路。一组信息传送线路。 总总 线线 部件部件 部件部件 部件部件 总总 线线 功能功能 内总线内总线 局部总线局部总线 系统总线系统总线 外总线外总线 信息信息 地址总线地址总线 数据总线数据总线 控制总线控制总线 时序时序 同步总线同步总线 异步总线异步

9、总线 格式格式 并行总线并行总线 串行总线串行总线 方向方向 单向总线单向总线 双向总线双向总线 总线分类：总线分类： （1）以）以CPU为中心的双总线结构为中心的双总线结构 CPUCPU M M 接口接口接口接口 I/OI/OI/OI/O I/OI/O 总线总线 M M 总线总线 缺点：占用缺点：占用cpu大量时间，工作效率低。大量时间，工作效率低。 （2）单总线结构）单总线结构 CPUCPUM M接口接口接口接口 I/OI/OI/OI/O 系系 统统 总总 线线 优点：优点：I/O与内存直接打交道。与内存直接打交道。 缺点：总线负载很重缺点：总线负载很重 （3）以）以M为中心的双总线结构为

10、中心的双总线结构 CPUCPUM M接口接口接口接口 I/OI/OI/OI/O 系系 统统 总总 线线 M M 总线总线 优点：减轻系统总线负载；灵活。优点：减轻系统总线负载；灵活。 虚拟机（通过软件扩充的物理机）目的：虚拟机（通过软件扩充的物理机）目的： 摆脱真实机器的束缚。摆脱真实机器的束缚。 实际机器（机器语言物理机）实际机器（机器语言物理机） 专用语言虚拟机专用语言虚拟机 高级语言虚拟机高级语言虚拟机 汇编语言虚拟机汇编语言虚拟机 程序程序 虚拟机器虚拟机器 M4 （高级语言机器）（高级语言机器） 高级语言程序经编译程序翻译高级语言程序经编译程序翻译 成汇编语言或中间语言程序成汇编语言

11、或中间语言程序 计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次结构 虚拟机器虚拟机器M3 （汇编语言或中（汇编语言或中 间机器语言机器）间机器语言机器） 本级语言程序经编译程序翻译成本级语言程序经编译程序翻译成 机器语言程序或操作系统语言机器语言程序或操作系统语言 虚拟机器虚拟机器M2 （操作系统语言机器）（操作系统语言机器） 一般用机器语言解释操作系统语言一般用机器语言解释操作系统语言 实际机器实际机器M1 （机器语言机器）（机器语言机器） 由硬件或微程序由硬件或微程序执行机器语言执行机器语言 * *注：微程序将在第注：微程序将在第6 6章中讲述章中讲述 1.4 1.4 计算机的现代发展史计算

12、机的现代发展史 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 信息的数字化表示信息的数字化表示 1. 在计算机中用数字代码表示各种信息在计算机中用数字代码表示各种信息 二进制代码二进制代码 例例1 用数字代码表示数据用数字代码表示数据 5 - 5 表示为表示为 0 101 表示为表示为 1 101 例例2 用数字代码表示字符用数字代码表示字符 A B 表示为表示为 01000001 表示为表示为 010000

13、10 例例3 用数字代码表示命令、状态用数字代码表示命令、状态 启动启动 停止停止 正在工作正在工作 工作结束工作结束 表示为表示为 00 表示为表示为 01 表示为表示为 10 表示为表示为 11 2. 在物理机制上用数字信号表示数字代码在物理机制上用数字信号表示数字代码 数字型电信号数字型电信号 例例1 用电平信号表示数字代码用电平信号表示数字代码 高电平高电平 1 低电平低电平 高电平高电平 0 1 例例2 用脉冲信号表示数字代码用脉冲信号表示数字代码 有脉冲有脉冲无脉冲无脉冲 有脉冲有脉冲 101 实现并行实现并行 操作操作 实现串行实现串行 操作操作 典型冯典型冯. .诺依曼计算机结

14、构诺依曼计算机结构 图 计算机的基本结构 存储器 输出输入 运算器 控制器 数据线路 控制信号 算术运算算术运算 逻辑运算逻辑运算 存放数据存放数据 和程序和程序将信息转换成机将信息转换成机 器能识别的形式器能识别的形式 将结果转换成将结果转换成 人们熟悉的形式人们熟悉的形式 指挥程序指挥程序 运行运行 冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图 存储器存储器 输入设备输入设备运算器运算器 控制器控制器 输出设备输出设备 IBM System360 世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机 1. .IBM: Seaborg 6 080个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 7.3

15、04 TF (1012) 2. .IBM: ASCI White 8 192个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 7.304 TF (1012) 世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机 3. .Linux NetworX : MCR Linux Cluster 2 304个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 7.634 TF (1012) 世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机 4. HP : ASCI Q 4 096个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 13.88 TF (1012) 世界上较快的五台超级计算机世界上较快的五台超级计算机 5. .NEC: Earth Simulator 5 120个个 CPU 最大平均速度最大平均速度 35.86 TF (1012) 国防科技技术大学研制 的“天河一号”，