计算机组成原理第一章序论汇编

1、计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理主讲：主讲： 计算机组成计算机组成原理原理计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理第第1 1章章 概述概述计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理参考教材与书目参考教材与书目计算机组成与结构计算机组成与结构 第五版第五版 清华大学出版社清华大学出版社 王爱英王爱英计算机组成原理计算机组成原理 最新版最新版 高教出版社高教出版社 唐朔飞唐朔飞计算机组成原理计算机组成原理 最新版最新版 科学出版社科学出版社 白中英白中英Computer Organiz

2、ation and DesignD.A.Patterson,Joh.D.A.Patterson,Joh.L.Hennessy 机械出版机械出版考研统考情况，考研统考情况，4门课门课 1张卷张卷 150分分 组成原理组成原理 45 ，数据结构，数据结构45， 操作系统操作系统 35，网络技术，网络技术25计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理本章提要计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.1 1.1 计算机系统概念计算机系统概念1.1.1 1.1.1 计算机的产生与发展计算机的产生与发展 世界上第一台电子计算机诞生于世

3、界上第一台电子计算机诞生于19461946年，年，是由美国宾西法尼亚大学摩尔学院机电系莫是由美国宾西法尼亚大学摩尔学院机电系莫克利（克利（J.MauchlyJ.Mauchly）教授及其同事们共同研制）教授及其同事们共同研制成功的，称为电子数字积分器和计算机成功的，称为电子数字积分器和计算机（Electronic Numerical Integrator And Electronic Numerical Integrator And ComputerComputer，ENIACENIAC）。）。 占地占地170平米平米 计算速度计算速度 5000次加法次加法/秒秒 主要用于火炮发射弹道参数计算，

4、人工主要用于火炮发射弹道参数计算，人工20分钟分钟 机器机器30秒秒计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1 1机械计算时代（机械计算时代（1642164219451945年）机械年）机械式式2 2第一代电子计算机（第一代电子计算机（19461946年至年至2020世纪世纪5050年代末期）电子管年代末期）电子管3 3第二代计算机（第二代计算机（2020世纪世纪5050年代末期至年代末期至6060年代中期）晶体管年代中期）晶体管4 4第三代计算机（第三代计算机（2020世纪世纪6060年代中期至年代中期至7070年代初期）和年代初期）和5 5第三代以后的计

5、算机（第三代以后的计算机（2020世纪世纪7070年代年代初开始）和初开始）和计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.1.2 计算机的应用1 1科学计算科学计算2 2数据处理数据处理3 3实时控制实时控制4 4计算机辅助设计计算机辅助设计(CAD)/(CAD)/计算机辅助制造计算机辅助制造(CAM)/(CAM)/计算机集成制造系统计算机集成制造系统5 5信息管理及通讯信息管理及通讯6. 6. 其它其它计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.1.31.1.3计算机系统结构、计算机计算机系统结构、计算机组成和计算机实现

6、组成和计算机实现1计算机系统结构 计算机体系结构，其英文为计算机体系结构，其英文为 “Compuer ArchitectureCompuer Architecture” ”主要研究计算机系统的设计。主要研究计算机系统的设计。 计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理2计算机组成 计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现。 计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.2 1.2 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 用户用户 软件软件 硬件硬件 计算机系统由硬件和软件构成，如果以硬件为核心，计算机系统可以用图1-1表示。

7、计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理 微微处处理理器器核核心心 硬硬件件计计算算机机 操操作作系系统统 机机器器指指令令 汇汇编编语语言言 高高级级语语言言 应应用用程程序序 逻逻辑辑工工艺艺设设计计者者 结结构构与与接接口口设设计计者者系系统统操操作作员员 机机器器语语言言程程序序员员 汇汇编编语语言言程程序序员员 高高级级语语言言程程序序员员 用用户户 计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.3 1.3 计算机系统组成计算机系统组成 CPUCPU内部也由相对独立的五大部分组成，内部也由相对独立的五大部分组成，如

8、图如图1-31-3所示。所示。 控控制制器器 算算术术逻逻辑辑部部件件（ALU） 寄寄存存器器组组 主主存存储储器器 键键盘盘 显显示示器器 输输入入输输出出设设备备 中中央央处处理理器器(CPU) 总总线线 计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.4 1.4 计算机系统结构的分类计算机系统结构的分类1.4.11.4.1弗林分类法弗林分类法 按照指令流和数据流的多寡，按照指令流和数据流的多寡，FlynnFlynn将计算机体将计算机体系结构分成系结构分成4 4种类型。种类型。（1 1）单指令流单数据流（）单指令流单数据流（Single Instructio

9、n Single Instruction stream Single Data streamstream Single Data stream，SISDSISD）计算机。）计算机。（2 2）单指令流多数据流（）单指令流多数据流（Single Instruction Single Instruction stream Multiple Data streamstream Multiple Data stream，SIMDSIMD）计算机。）计算机。（3 3）多指令流单数据流（）多指令流单数据流（Multiple Instruction Multiple Instruction stream Si

10、ngle Data streamstream Single Data stream，MISDMISD）计算机。）计算机。（4 4）多指令流多数据流（）多指令流多数据流（Multiple Instruction Multiple Instruction stream Multiple Data streamstream Multiple Data stream，MIMDMIMD）计算机。）计算机。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理指令流指令流数据流数据流名称名称举例举例11SISD传统的冯诺伊曼计算机1多个SIMD超级向量计算机（银河）多个1MISD目前

11、还没有多个多个MIMD多处理器，多计算机集群（天河） 计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理微型计算机的概念微型计算机的概念相对于历史上的规模较大的计算机而言体积外观和数据处理能力都微小的计算机，标志性特点，CPU集成在一个芯片上。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.5 1.5 计算机系统结构的评价计算机系统结构的评价1.5.1 1.5.1 系统运行速度系统运行速度1MIPS 指计算机系统每秒钟能执行百万条指令的指计算机系统每秒钟能执行百万条指令的数量。数量。 MIPS=MIPS=指令条数指令条数/ /执行时间执

12、行时间 2MFLOPS MFLOPSMFLOPS是指每秒钟百万浮点运算次数。是指每秒钟百万浮点运算次数。 MFLOPS=MFLOPS=程序中的浮点运算次数程序中的浮点运算次数/ /运行时间运行时间计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理3标准程序测试法（1 1）基准测试程序）基准测试程序 System PerformanceSystem Performance Evaluation Corporation Evaluation Corporation（2 2）整数测试程序：）整数测试程序：DhrystoneDhrystone（3 3）浮点测试程序：）浮点测试

13、程序：LinpackLinpack（4 4）WhetstoneWhetstone基准测试程序基准测试程序（5 5）TPCTPC基准程序基准程序 Transaction Transaction Processing CouncilProcessing Council（事务处理委员会）（事务处理委员会）计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.5.2 CPU1.5.2 CPU性能性能 表征表征CPUCPU性能的主要标志：性能的主要标志：1 1，字长，字长2 2，主时钟频率，主时钟频率3 3，单位时间里执行的指令数单位时间里执行的指令数4，各类事件的管理能力，各

14、类事件的管理能力计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.5.4 1.5.4 系统的性能价格比系统的性能价格比 为了更好地降低系统的生产成本，系统设计者应为了更好地降低系统的生产成本，系统设计者应要有过日子的概念，花较少的钱，获得得较高的性能。要有过日子的概念，花较少的钱，获得得较高的性能。不能只图高性能不计成本。不能只图高性能不计成本。计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.6 1.6 计算机系统结构的发展计算机系统结构的发展1.6.1 1.6.1 冯冯诺依曼机诺依曼机 程序存储，指令自动顺序执行。程序存储，指令自

15、动顺序执行。 计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理11/21/202121d计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理1.6.3 1.6.3 系统结构中性能提高的系统结构中性能提高的发展发展性能提高的实现主要从两个方面考虑性能提高的实现主要从两个方面考虑: :（1 1）时间重叠时间重叠从时间上体现并行性，同一时间段内执行从时间上体现并行性，同一时间段内执行多个任务。（指令流水执行）多个任务。（指令流水执行）（2 2）资源共享资源共享从器件上体现并行性，几个任务同时共享从器件上体现并行性，几个任务同时共享同一器件。（早期的

16、机器同一器件。（早期的机器 运算器中只设计一个加法器，没有运算器中只设计一个加法器，没有减法器，减法通过加法来完成）减法器，减法通过加法来完成）计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理系统结构的几种不同模式系统结构的几种不同模式单机，单机，流水流水多机多机多核多核集群（天河）几千亿次加法集群（天河）几千亿次加法/ /秒秒 10101111 -10 -101212计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理11/21/202124微型处理器和微型处理器和PCPC机的发展历史机的发展历史基本上就是一部Intel公司的发展历史。In

17、tel公司是微处理器工业的龙头老大，它不仅开创了微处理器这一给计算机业注入了强大的生命力的产品，而且一直为全球的绝大多数微型计算机提供“芯脏”。 Intel公司是1968年7月18日哥登摩尔(Gordon Moore)和集成电路的发明者鲍勃诺伊斯(Bob Noyce)共同创立的。俩人曾是当时集成电路主要制造商Fairchild半导体公司创始人中的两位成员。Intel公司创立后不久，Fairchild公司的另一成员安迪格鲁夫(Andy Grove)也加入了创业者的行列。Intel公司开始只生产计算机存储芯片，这一新产品开始取代当时普遍使用的由小磁线圈组成的体积较大的同类产品。但真正成就Intel

18、事业的产品开发始于1969年。当时，一家名叫Busicom的日本公司要求Intel为它的一种新型计算器设计一种集2300只晶体管于单一硅片、具有通用性能的芯片。1971年，Intel公司推出了第一个商品化的微处理器，含有2300个晶体管的4004，时钟频率为 1 MHz，平均指令执行时间为20s。这是第一代4位微处理器的标志计计 算算 机机 网网 络络数字逻辑与计算机组成原理数字逻辑与计算机组成原理11/21/2021251972年，Intel发布第一个8位微处理器，含3300个晶体管主频为0.5MHz的8008以及主频为2MHz的8080。1974年Intel公司推出集成4900个晶体管的8080. 1978年Intel公司推出集成29000个晶体管的8086(16位)1984年微处理器发展到第四代32位微处理器。1985年Intel公司推出32位的集成450,000个晶体管80386。这一时期的微处理器主频为 12.5-40 MHz，平均指令执行时间为0.1s。Pentium Pentium II 91-95 超标量结构(两条以上流水线)Pentium III 是1999年1月11日Intel公司正式发布的品牌，它代替了研制阶段“Katmai”的称呼。这是一个786级的微处理器。正在研制的下一代CP