计算机组成原理课件

1、第第1章章 计算机系统概论计算机系统概论1.1 计算机的发展历程计算机的发展历程1.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.3 计算机的性能指标计算机的性能指标1.4 计算机的分类和应用计算机的分类和应用1.1 计算机的发展历程计算机的发展历程 根据制造计算机所使用的元器件的不同，电子根据制造计算机所使用的元器件的不同，电子计算机的发展依次经历了电子管时代、晶体管时代、计算机的发展依次经历了电子管时代、晶体管时代、中小规模集成电路时代、大规模和超大规模集成电中小规模集成电路时代、大规模和超大规模集成电路时代、甚大规模和极大规模集成电路时代等几个路时代、甚大规模和极大规模集成电路时代等几

2、个不同的发展阶段。不同的发展阶段。 第一代，电子管计算机时代（第一代，电子管计算机时代（1946194619591959） 电子管是封装在玻璃外壳内的一种电真空器件，电子管是封装在玻璃外壳内的一种电真空器件，如图如图1.11.1所示。世界上第一台电子数字计算机所示。世界上第一台电子数字计算机ENIACENIAC（Electronic Numerical Integrator And Electronic Numerical Integrator And calculatorcalculator），），19461946年由美国宾夕法尼亚大学研制，年由美国宾夕法尼亚大学研制，字长字长1212位，运

3、算速度位，运算速度50005000次次/ /秒，使用秒，使用1880018800个电子个电子管、管、15001500个继电器，功耗个继电器，功耗150kw150kw，占地，占地170m2170m2，重达，重达3030吨，造价吨，造价100100万美元，如图万美元，如图1.21.2所示。所示。 图1.1 电子管图1.2 第一台电子数字计算机ENIAC第二代，晶体管计算机时代（第二代，晶体管计算机时代（1959195919641964） 晶体管，通常指的是晶体三极管，是用半导体晶体管，通常指的是晶体三极管，是用半导体材料制作出来、封装在一个金属壳内的带有三个管材料制作出来、封装在一个金属壳内的带有

4、三个管脚的小器件，脚的小器件，19581958年进入批量生产阶段。用它可以年进入批量生产阶段。用它可以设计出实现反相功能的反相器线路，在此基础上，设计出实现反相功能的反相器线路，在此基础上，再实现出计算机使用的全部组合逻辑线路，和触发再实现出计算机使用的全部组合逻辑线路，和触发器、寄存器、计数器等各种时序逻辑线路。用分立器、寄存器、计数器等各种时序逻辑线路。用分立的晶体管线路实现的计算机称为晶体管计算机。第的晶体管线路实现的计算机称为晶体管计算机。第二代计算机的体积和价格都下降了，使用的人也多二代计算机的体积和价格都下降了，使用的人也多起来了，计算机工业迅速发展，主要用于商业、大起来了，计算机

5、工业迅速发展，主要用于商业、大学教学和政府机关。学教学和政府机关。第三代，中小规模集成电路计算机时代（第三代，中小规模集成电路计算机时代（1964196419701970） 集成电路（集成电路（Integrated CircuitIntegrated Circuit，简称，简称ICIC）是做在晶）是做在晶片上的一个完整的电子电路，这个晶片比手指甲还小，片上的一个完整的电子电路，这个晶片比手指甲还小，却包含了几千个晶体管元件。计算机的数据存储、运却包含了几千个晶体管元件。计算机的数据存储、运算、传输以及控制功能基本上都是由具有逻辑功能的算、传输以及控制功能基本上都是由具有逻辑功能的各类门电路组成

6、实现的，而门电路又是由晶体管、电各类门电路组成实现的，而门电路又是由晶体管、电阻、电容等组成，因此集成电路制造技术的发展可以阻、电容等组成，因此集成电路制造技术的发展可以实现将成百上千个门电路全部制作在一块极小的硅片实现将成百上千个门电路全部制作在一块极小的硅片上，这种技术的应用使得计算机的体积大大缩小，并上，这种技术的应用使得计算机的体积大大缩小，并且降低了功耗，提高了计算机的可靠性。第三代计算且降低了功耗，提高了计算机的可靠性。第三代计算机的代表是机的代表是IBMIBM公司花了公司花了5050亿美元开发的亿美元开发的IBM 360IBM 360系列。系列。第四代，大规模、超大规模集成电路计

7、算机时代第四代，大规模、超大规模集成电路计算机时代（1970 1970 至今）至今） 这个时代的计算机使用的元件依然是集成电路，这个时代的计算机使用的元件依然是集成电路，不过，这种集成电路已经大大改善，它包含着几十不过，这种集成电路已经大大改善，它包含着几十万到上百万个晶体管，人们称之为大规模集成电路万到上百万个晶体管，人们称之为大规模集成电路（LargeScale lntegrated CircuitLargeScale lntegrated Circuit，简称，简称LSILSI）和超大规模）和超大规模集成电路（集成电路（Very Large Scale lntegrated Circui

8、tVery Large Scale lntegrated Circuit，简称，简称VLSIVLSI）。）。19751975年，美国年，美国1BM1BM公司推出了个人计算机公司推出了个人计算机PCPC（PersonaI ComputerPersonaI Computer），从此，人们对计算机不），从此，人们对计算机不再陌生，计算机开始深入到人类生活的各个方面。再陌生，计算机开始深入到人类生活的各个方面。表表1.1计算机发展历程中各个阶段的特点计算机发展历程中各个阶段的特点 年代年代第一代第一代1946-1959第二代第二代1959-1964第三代第三代1964-1970第四代第四代1970-现

9、在现在电子器件电子器件电子管电子管晶体管晶体管集成电路集成电路大规模、超大大规模、超大规模集成电规模集成电路路存储器存储器延迟线延迟线磁芯、磁鼓磁磁芯、磁鼓磁带、纸带带、纸带磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓磁带、磁盘磁带、磁盘半导体存储器半导体存储器磁芯、磁鼓磁芯、磁鼓磁带、磁盘磁带、磁盘半导体存储器半导体存储器磁带、磁盘磁带、磁盘光盘光盘处理方式处理方式机器语言机器语言汇编语言汇编语言监控程序监控程序高级语言高级语言实时处理实时处理操作系统操作系统实时实时/分时处理分时处理网络操作系网络操作系统统应用领域应用领域科学计算科学计算科学计算科学计算数据处理数据处理过程控制过程控制科学计算科学计算系统设计等系

10、统设计等 科技工程领域科技工程领域各行各业各行各业运行速度运行速度5000至至3万次万次/秒秒几十万至几十万至百万次百万次/秒秒百万至百万至几百万次几百万次/秒秒几百万至几百万至千亿次千亿次/秒秒典型机型典型机型ENIACEDVACIBM705UNIVACIBM7094CDC6600IBM360PDP 11NOVA1200ILLIAC-VAX 11IBM PC1.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 为了描述计算机系统的结构，首先要清楚地区为了描述计算机系统的结构，首先要清楚地区分计算机结构和计算机组织两个概念。分计算机结构和计算机组织两个概念。 计算机结构计算机结构: :对涉及机器语

11、言或者汇编语言的程序设对涉及机器语言或者汇编语言的程序设计人员所见到的计算机系统的属性，更多的情况下计人员所见到的计算机系统的属性，更多的情况下是指计算机的外特性。这些属性直接影响到程序的是指计算机的外特性。这些属性直接影响到程序的逻辑执行，主要包括指令集、表示各种数据类型的逻辑执行，主要包括指令集、表示各种数据类型的比特数、比特数、I/OI/O机制以及内存访问技术等。机制以及内存访问技术等。 计算机组成计算机组成: :计算机各部件的具体组成以及它们之间计算机各部件的具体组成以及它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。从这一点上，计算机组

12、成是计算机结构的逻辑实现。从这一点上，计算机组成是计算机结构的逻辑实现。图1.3 计算机系统的层次结构计算机系统通常包括计算机系统通常包括硬件和软件两大部分，硬件和软件两大部分，计算机的层次结构既计算机的层次结构既是分配软硬件功能的是分配软硬件功能的一种模式描述，也是一种模式描述，也是分析计算机系统的较分析计算机系统的较好方法。好方法。目前计算机系统层次目前计算机系统层次结构分为六层，如图结构分为六层，如图1.3所示。所示。1.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.2.1计算机硬件的基本组成计算机硬件的基本组成 计算机系统的硬件部分从外观上看主要有主机、计算机系统的硬件部分从外观上看

13、主要有主机、键盘、鼠标和显示器等组成；从逻辑功能上看，可键盘、鼠标和显示器等组成；从逻辑功能上看，可以分为控制器、运算器、存储器、输入设备、输出以分为控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五个部分，一般地又把运算器和控制器合称为设备五个部分，一般地又把运算器和控制器合称为中央处理器中央处理器(Central Processing Unit,CPU)(Central Processing Unit,CPU)。 1.2.2计算机软件的分类计算机软件的分类 计算机软件计算机软件：计算机系统中的程序和文档。程序是：计算机系统中的程序和文档。程序是对计算任务的处理对象和处理规则的描述；文档是对计算任

14、务的处理对象和处理规则的描述；文档是为了便于了解程序所需的阐明性资料。计算机的软为了便于了解程序所需的阐明性资料。计算机的软件按照面向对象的不同可以分为两类：系统软件和件按照面向对象的不同可以分为两类：系统软件和应用软件。应用软件。 系统软件系统软件：用于实现系统功能、管理系统的软件，：用于实现系统功能、管理系统的软件，为了便于人们使用计算机而设计。系统软件管理整为了便于人们使用计算机而设计。系统软件管理整个计算机系统，合理分配系统资源，确保计算机正个计算机系统，合理分配系统资源，确保计算机正确高效地运行。常用的系统软件有：操作系统、编确高效地运行。常用的系统软件有：操作系统、编译器、解释器、

15、汇编器等。译器、解释器、汇编器等。 应用软件：应用软件：面向用户的，针对某种特定应用而开发面向用户的，针对某种特定应用而开发的软件。这类软件通常是实现用户的某类需求。例的软件。这类软件通常是实现用户的某类需求。例如安装在操作系统下的各类应用软件，用于企业的如安装在操作系统下的各类应用软件，用于企业的各类资源管理软件。各类资源管理软件。 1.2.3 1.2.3 计算机的工作过程计算机的工作过程 计算机的工作过程就是将编制好的程序经过输计算机的工作过程就是将编制好的程序经过输入设备存放到主存储器中，并将程序存放的首地址入设备存放到主存储器中，并将程序存放的首地址传送到控制器中。传送到控制器中。 取

16、指阶段取指阶段：首先，将指令从存储器读到指令寄存器。：首先，将指令从存储器读到指令寄存器。 分析阶段分析阶段：接着，它分析这条指令，指出指令要完：接着，它分析这条指令，指出指令要完成的操作，并指明操作数的地址。成的操作，并指明操作数的地址。 执行阶段执行阶段：最后，根据指令分析的结果完成某种操：最后，根据指令分析的结果完成某种操作。作。 计算机的工作过程就是取指令、分析指令、执计算机的工作过程就是取指令、分析指令、执行指令，如此周而复始的过程。行指令，如此周而复始的过程。 1.3 计算机的性能指标计算机的性能指标 机器字长机器字长：机器字长是指：机器字长是指CPUCPU一次能处理二进制数一次能

17、处理二进制数据的位数，实际上指该计算机中的运算器的位数。据的位数，实际上指该计算机中的运算器的位数。如某机器字长如某机器字长3232位，表示该机器中，每次能完成两位，表示该机器中，每次能完成两个个3232位二进制数的运算。通常，机器字长越长，计位二进制数的运算。通常，机器字长越长，计算机的运算能力越强，其运算精度也越高。算机的运算能力越强，其运算精度也越高。 运算速度运算速度：计算机的运算速度与很多因素有关，常：计算机的运算速度与很多因素有关，常用的性能指标如下：用的性能指标如下：（1 1）CPUCPU的主频的主频（f f）：）：CPUCPU内部的工作频率，表示在内部的工作频率，表示在CPUC

18、PU内数字脉冲信号震荡的速度，与内数字脉冲信号震荡的速度，与CPUCPU实际的运实际的运算能力并没有直接关系，但与算能力并没有直接关系，但与CPUCPU实际的运算速度实际的运算速度存在一定的关系。因此，主频仅是存在一定的关系。因此，主频仅是CPUCPU性能表现的性能表现的一个方面，而不能代表一个方面，而不能代表CPUCPU的整体性能。的整体性能。 外部工作频率外部工作频率：简称外频。它是由主板为：简称外频。它是由主板为CPUCPU提供的基准提供的基准时钟频率，它表示的是系统总线的工作频率；而时钟频率，它表示的是系统总线的工作频率；而 倍频：倍频：CPUCPU外频与主频相差的倍数。外频与主频相差

19、的倍数。主频主频= =外频外频倍频倍频 （2 2）时钟周期（时钟周期（T T）：CPUCPU内部时钟频率的倒数。是内部时钟频率的倒数。是CPUCPU执行执行操作的最小时间元素。每个动作至少需要一个时钟周期。操作的最小时间元素。每个动作至少需要一个时钟周期。以以PCPC系列微处理器为例，最初的系列微处理器为例，最初的80868086和和80888088执行一条指令执行一条指令平均需要平均需要1212个时钟周期个时钟周期 ，CPUCPU的主频与的主频与CPUCPU时钟周期互为时钟周期互为倒数，即倒数，即 （3 3）CPUCPU执行时间执行时间：CPUCPU执行某段程序所需的时间，通常用执行某段程序

20、所需的时间，通常用t tCPUCPU表示。可以用下式来表示：表示。可以用下式来表示： CPUCPU执行时间执行时间 CPUCPU时钟周期数时钟周期数 CPU CPU时钟周期长时钟周期长 T1f T1f （4 4）CPICPI（Cycles Per InstructionCycles Per Instruction）：执行一条指令所）：执行一条指令所需的时钟周期数。计算公式如下：需的时钟周期数。计算公式如下：（5 5）MIPSMIPS（Million Instructions Per SecondMillion Instructions Per Second）：每秒）：每秒执行多少百万条指令。定

21、义为：执行多少百万条指令。定义为： （6 6）MFLOPSMFLOPS（Million Floating-point Opereation Per Million Floating-point Opereation Per SecondSecond）：每秒执行多少百万次浮点运算。定义为：）：每秒执行多少百万次浮点运算。定义为：该程序包含的指令条数时钟周期数CPU执行某段程序所需的CPI 610MIPS执行时间指令条数610MFLOPS执行时间浮点操作次数1.3.3 吞吐量和响应时间吞吐量和响应时间（1 1）计算机范畴下的吞吐量分为两种：）计算机范畴下的吞吐量分为两种： 网络范畴下的吞吐量网络范

22、畴下的吞吐量：在没有帧丢失的情况下，设备能：在没有帧丢失的情况下，设备能够接受的最大速度。它的大小主要是由防火墙内网卡，够接受的最大速度。它的大小主要是由防火墙内网卡，及程序算法的效率决定的；及程序算法的效率决定的； 系统结构下的吞吐量系统结构下的吞吐量：在单位时间内：在单位时间内CPUCPU从存储设备中从存储设备中读取、处理、存储信息的量，单位是字节读取、处理、存储信息的量，单位是字节/ /秒（秒（B/SB/S），），影响因素主要有存储设备的存取速度和影响因素主要有存储设备的存取速度和CPUCPU的性能，如的性能，如主频、主频、CPICPI等。等。（2 2）响应时间）响应时间 在操作系统中，

23、指用户发出请求或指令到系统做出在操作系统中，指用户发出请求或指令到系统做出反应（响应）的时间。反应（响应）的时间。例例1. 用一台用一台40MHz处理机执行标准测试程序，它包处理机执行标准测试程序，它包含的混合指令数和相应所需的平均时钟周期数如下含的混合指令数和相应所需的平均时钟周期数如下表所示：表所示：求：有效求：有效CPI、MIPS速率、程序执行时间速率、程序执行时间tCPU。 指令类型指令类型指令数指令数平均时钟周期数平均时钟周期数整数运算整数运算45000450001 1数据传送数据传送32000320002 2浮点运算浮点运2控制传送控制传送80008000

24、2 2解：解：CPI= =(450001+320002+150002+80002)/（45000+32000+15000+8000） =1.55(周期周期/指令指令)MIPS= f/(CPI106) =(40106)/(1.55106)=25.81(百万条指令百万条指令/秒秒)T=1/f=1/(40106)(秒秒)tCPU=(450001+320002+150002+80002)/(40106)=3.875103(秒秒)niNIIiCPIi1/1.4 计算机分类和应用领域计算机分类和应用领域1.4.1 1.4.1 计算机分类计算机分类1. 1. 按计算机信息的表示形式和对信息的处理方式分类按计

25、算机信息的表示形式和对信息的处理方式分类（1 1）数字计算机）数字计算机 该类计算机输入、处理、输出和存储的数据都该类计算机输入、处理、输出和存储的数据都是数字量，这些数据在时间上是离散的。是数字量，这些数据在时间上是离散的。（2 2）模拟计算机）模拟计算机 该类计算机输入、处理、输出和存储的数据都该类计算机输入、处理、输出和存储的数据都是模拟量，这些数据在时间上是连续的。模拟计算是模拟量，这些数据在时间上是连续的。模拟计算机由于受元器件质量影响，其计算精度较低，应用机由于受元器件质量影响，其计算精度较低，应用范围较窄，目前已很少生产。范围较窄，目前已很少生产。2按照计算机的用途分类按照计算机

26、的用途分类（1 1）通用计算机）通用计算机 通用计算机是为能解决各种问题，具有较强的通用计算机是为能解决各种问题，具有较强的通用性而设计的计算机。它具有一定的运算速度，通用性而设计的计算机。它具有一定的运算速度，有一定的存储容量，带有通用的外部设备，配备各有一定的存储容量，带有通用的外部设备，配备各种系统软件、应用软件。一般的数字式电子计算机种系统软件、应用软件。一般的数字式电子计算机多属此类。多属此类。（2 2）专用计算机）专用计算机 专用计算机是为解决某个或某类特定问题而设专用计算机是为解决某个或某类特定问题而设计的计算机。它的硬件和软件的配置依据解决特定计的计算机。它的硬件和软件的配置依

27、据解决特定问题的需要而定，并不求全。专用机功能单一，配问题的需要而定，并不求全。专用机功能单一，配有解决特定问题的固定程序，能高速、可靠地解决有解决特定问题的固定程序，能高速、可靠地解决特定问题。特定问题。 3计算机按其规模、速度和功能分类计算机按其规模、速度和功能分类（1 1）巨型机）巨型机 巨型机又称超级计算机，是指运算速度超过每巨型机又称超级计算机，是指运算速度超过每秒秒1 1亿次的高性能计算机，它是目前功能最强、速亿次的高性能计算机，它是目前功能最强、速度最快、软硬件配套齐备、价格最贵的计算机，度最快、软硬件配套齐备、价格最贵的计算机，主要用于解决诸如气象、太空、能源、医药等尖主要用于

28、解决诸如气象、太空、能源、医药等尖端科学研究和战略武器研制中的复杂计算。它们端科学研究和战略武器研制中的复杂计算。它们安装在国家高级研究机关中，可供几百个用户同安装在国家高级研究机关中，可供几百个用户同时使用。时使用。（2 2）大型机）大型机 这种计算机也有很高的运算速度和很大的存这种计算机也有很高的运算速度和很大的存储量并允许相当多的用户同时使用。当然在量级储量并允许相当多的用户同时使用。当然在量级上都不及巨型计算机，结构上也较巨型机简单些，上都不及巨型计算机，结构上也较巨型机简单些，价格相对巨型机要便宜，因此使用的的范围较巨价格相对巨型机要便宜，因此使用的的范围较巨型机普遍。型机普遍。（3

29、 3）小型机）小型机 其规模和运算速度比大中型机要差，但仍能其规模和运算速度比大中型机要差，但仍能支持十几个用户同时使用。小型机具有体积小、支持十几个用户同时使用。小型机具有体积小、价格低、性价比高等优点，适合中小企业、事业价格低、性价比高等优点，适合中小企业、事业单位用于工业控制、数据采集、分析计算、企业单位用于工业控制、数据采集、分析计算、企业管理以及科学计算等，也可做巨型机或大中型机管理以及科学计算等，也可做巨型机或大中型机的辅助机。的辅助机。（4 4）微型机）微型机 微型机是当今使用最普及、产量最大的一类微型机是当今使用最普及、产量最大的一类计算机，它的体积小、功耗低、成本少、灵活性计

30、算机，它的体积小、功耗低、成本少、灵活性大，性能价格比明显地优于其他类型计算机，因大，性能价格比明显地优于其他类型计算机，因而得到了广泛应用。而得到了广泛应用。4按照计算机的体系结构分类按照计算机的体系结构分类（1 1）单指令流单数据流（）单指令流单数据流（SISDSISD）结构）结构 SISD SISD是指传统的顺序执行的处理器，它由单是指传统的顺序执行的处理器，它由单一控制器、单一执行部件和单一存储器组成。控一控制器、单一执行部件和单一存储器组成。控制器每次只对一条指令译码，执行部件每次只对制器每次只对一条指令译码，执行部件每次只对单一数据进行处理。单一数据进行处理。（2 2）单指令流多数

31、据流（）单指令流多数据流（SIMDSIMD）结构）结构 SIMD SIMD是指单一控制器、多个执行部件和多是指单一控制器、多个执行部件和多个存储模块组成的计算机系统结构，控制部件每个存储模块组成的计算机系统结构，控制部件每次只对一条指令进行译码，并向多个执行部件发次只对一条指令进行译码，并向多个执行部件发出相同的控制命令，使多个执行部件执行相同的出相同的控制命令，使多个执行部件执行相同的操作，而每个执行部件加工的对象是从不同存储操作，而每个执行部件加工的对象是从不同存储模块中取出来的数据。模块中取出来的数据。（3 3）多指令流单数据流（）多指令流单数据流（MISDMISD）结构）结构 MISD

32、 MISD是指多个控制器、多个执行部件对单一是指多个控制器、多个执行部件对单一数据同时执行不同的指令，这种方式的意义不大，数据同时执行不同的指令，这种方式的意义不大，不常使用。不常使用。（4 4）多指令流多数据流（）多指令流多数据流（MISDMISD）结构）结构 MIMD MIMD是指多个处理器系统，由多个控制器、是指多个处理器系统，由多个控制器、多个执行部件和多个存储模块组成。多个执行部件和多个存储模块组成。MIMDMIMD结构的结构的计算机系统是大多数高性能并行计算机系统和计算计算机系统是大多数高性能并行计算机系统和计算机集群系统的结构模型，又称为并行处理器系统。机集群系统的结构模型，又称

33、为并行处理器系统。这种计算机中的每个处理器在各自程序的控制下运这种计算机中的每个处理器在各自程序的控制下运行，对各自的数据独立进行协作运算，形成多个指行，对各自的数据独立进行协作运算，形成多个指令流和多个数据流。令流和多个数据流。1.4.2 计算机应用领域计算机应用领域1 1科学计算科学计算( (或数值计算或数值计算) ) 科学计算是指利用计算机来完成科学研究和工科学计算是指利用计算机来完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。在现代科学技术程技术中提出的数学问题的计算。在现代科学技术工作中，科学计算问题的计算量大，复杂性高。利工作中，科学计算问题的计算量大，复杂性高。利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能力，可以实现人工无法解决的各种科学计算问题。力，可以实现人工无法解决的各种科学计算问题。2 2数据处理数据处理( (或信息处理或信息处理) ) 数据处理是指对各种数据进行收集、存储、整数据处理是指对各种数