计算机组成原理第一章概述

1、计算机组成原理计算机组成原理课程说明课程说明 一、课程性质一、课程性质 计算机专业核心必修课，在计计算机专业核心必修课，在计算机科学中处于承上启下的重要地算机科学中处于承上启下的重要地位，具有内容多、难度大的特点位，具有内容多、难度大的特点, , 被被设置为考研课程设置为考研课程(45(45分分) )。 二、二、 学习目的学习目的 本课程通过详细介绍计算机五大硬件本课程通过详细介绍计算机五大硬件的组成与工作原理，使学生全面系统地掌的组成与工作原理，使学生全面系统地掌握现代计算机的握现代计算机的组成方式、工作方式和控组成方式、工作方式和控制方式制方式，并进一步建立整机系统的概念。，并进一步建立整

2、机系统的概念。同时，还要培养学生具有一定的同时，还要培养学生具有一定的计算机硬计算机硬件系统的分析与设计能力件系统的分析与设计能力。三、课程主要内容三、课程主要内容 概述概述 运算方法和运算器运算方法和运算器 存储系统存储系统 指令系统指令系统 中央处理器中央处理器 总线总线 输入输出系统输入输出系统 四、前修课程与后续课程四、前修课程与后续课程 前修课前修课 模拟电子技术基础，数字电子技术，模拟电子技术基础，数字电子技术，汇编语言程序设计汇编语言程序设计 后续课后续课 计算机系统结构计算机系统结构，接口技术接口技术， 计算机计算机网络网络五、参考资料与习题册五、参考资料与习题册 王城王城.

3、.计算机组成与设计计算机组成与设计M.M.北京北京: :清华大清华大学出版社学出版社 王爱英王爱英. .计算机组成与结构计算机组成与结构M(M(第第4 4版版). ). 北京北京: :清华大学出版社清华大学出版社 唐朔飞唐朔飞. .计算机组成原理计算机组成原理M.(M.(第第2 2版版) )北北京：高等教育出版社京：高等教育出版社 蒋本珊蒋本珊. .计算机组成原理计算机组成原理M.M.北京：清华北京：清华大学出版社大学出版社 William Stallings.Computer Organization William Stallings.Computer Organization and A

4、rchitecture (7and Architecture (7thth Edition)Prentice Hall Edition)Prentice Hall Inc.USA.Inc.USA.John L.Hennessy,David John L.Hennessy,David A.Patterson.Computer Organization and A.Patterson.Computer Organization and Design:The Hardware/Software Interface Design:The Hardware/Software Interface (3(3

5、rdrd Edition) Morgan Kaufmann Publishers Edition) Morgan Kaufmann Publishers inc. USA.inc. USA.五、参考资料与习题册五、参考资料与习题册 徐爱萍编著徐爱萍编著. .计算机组成原理习题与解析计算机组成原理习题与解析. .北京：清华大学出版社北京：清华大学出版社 唐朔飞编著唐朔飞编著. .计算机组成原理计算机组成原理学习指导学习指导与习题解答与习题解答. .北京：高等教育出版社北京：高等教育出版社 蒋本珊编著蒋本珊编著. .计算机组成原理学习指导与计算机组成原理学习指导与习题解析习题解析. .北京：清华大

6、学出版社北京：清华大学出版社五、参考资料与习题册五、参考资料与习题册六、其它六、其它 授课时间授课时间 1-141-14周周( (周二周二1-21-2节、周四节、周四5-65-6节节) ) 实验实验 四次，十六学时四次，十六学时 课程设计课程设计 二周二周( (课程结束后课程结束后) ) 考试考试 闭卷，卷面成绩闭卷，卷面成绩(70(70分分)+)+实验成绩实验成绩(10(10分分)+)+平时成绩平时成绩(20(20分分) ) 本章主要内容本章主要内容 计算机发展概况计算机发展概况 计算机分类及应用计算机分类及应用 计算机硬件计算机硬件 计算机软件计算机软件 计算机系统的层次结构计算机系统的层

7、次结构1.1 1.1 计算机发展概况计算机发展概况一、计算工具的发展一、计算工具的发展 1 1、算盘、算盘(abacus):(abacus):公元前公元前500500年年, ,古巴古巴比伦比伦2 2、计算尺、计算尺1.1 1.1 计算机发展概况计算机发展概况一、计算工具的发展一、计算工具的发展 3 3、机械计算、机械计算器器:1642:1642年年, ,法国数法国数学家学家Blaise Blaise Pascal(1623-1662),Pascal(1623-1662),进行带进位的加法进行带进位的加法和减法和减法4 4、差分机、差分机(Difference Engine)(Differenc

8、e Engine)和分析机和分析机(Analytical (Analytical Engine):1823Engine):1823年年, ,英英国数学家国数学家Charles Charles Babbage(1791-1871),Babbage(1791-1871),提出程序控制的思提出程序控制的思想想1.1 1.1 计算机发展概况计算机发展概况一、计算工具的发展一、计算工具的发展5 5、第一台电子数字计算机、第一台电子数字计算机 (ENIAC-Electronic (ENIAC-Electronic Numerical Integrator And Computer) :Numerical

9、Integrator And Computer) :美国美国PennsyivaniaPennsyivania大学大学,1946,1946年年2 2月月,John Mauchly ,John Mauchly 和和J.Presper Eckert.J.Presper Eckert. 代别代别 第一代第一代 第二代第二代第三代第三代第四代第四代年代年代1946 1946 195719571958 19641958 19641965 19721965 1972 1973 1973 逻辑逻辑元件元件 电子管电子管( (真空管真空管Vacuum Vacuum tube)tube)晶体管晶体管(transi

10、stor)(transistor)19471947年由年由贝尔实验贝尔实验室研制室研制集成电路集成电路(IC)1958(IC)1958年由德州年由德州仪器公司仪器公司Jack KilbyJack Kilby研制研制, ,亦称亦称微芯片微芯片microchipmicrochip( (超超) )大规模集大规模集成电路成电路(V)LSI(V)LSI存储存储元件元件 磁鼓磁鼓 磁芯磁芯磁芯及集磁芯及集成电路成电路( (超超) )大规模集大规模集成电路成电路 第五代计算机系统第五代计算机系统(FGCS-Fifth Generation (FGCS-Fifth Generation Computer Sy

11、stem)Computer System)能识别自然语言的计算机能识别自然语言的计算机高速超导计算机高速超导计算机激光计算机激光计算机分子计算机分子计算机量子计算机量子计算机DNADNA计算机计算机神经元计算机神经元计算机生物计算机生物计算机未来趋势：未来趋势：芯片级节能技术、基础架构级节能技术、系统级节能技术芯片级节能技术、基础架构级节能技术、系统级节能技术三、摩尔定律三、摩尔定律(Moore(Moores Law) s Law) 19651965年，年，IntelIntel公司奠基人之一公司奠基人之一摩尔摩尔(Gordon Moore)(Gordon Moore)预言：当价格不变时，硅芯预

12、言：当价格不变时，硅芯片上晶体管数目将会每片上晶体管数目将会每1818个月翻一番，性能个月翻一番，性能也将提升一倍。例如：也将提升一倍。例如：19711971年的年的Intel 4004Intel 4004芯芯片有片有23002300个晶体管，现在片内可以集成几亿个晶体管，现在片内可以集成几亿个晶体管。个晶体管。 制约：物理和财务上的限制。制约：物理和财务上的限制。 RockRock定律定律(Intel (Intel 公司早期投资人公司早期投资人Arthur Arthur Rock)Rock)：制造半导体集成电路所需主要设备的：制造半导体集成电路所需主要设备的成本每成本每4 4年翻一番。年翻一

13、番。 四、冯诺依曼型计算机四、冯诺依曼型计算机 1 1、产生背景、产生背景 19461946年，年，ENIACENIAC的顾问，美籍匈牙利数学家冯的顾问，美籍匈牙利数学家冯. .诺依曼诺依曼(John Von Neumann)(John Von Neumann)等三人共同发表题为等三人共同发表题为“电子计算机装电子计算机装置逻辑结构初探置逻辑结构初探”的论文，提出一个完整的现代计算机雏形。的论文，提出一个完整的现代计算机雏形。 2 2、 冯冯. . 诺依曼体系结构诺依曼体系结构(Von Neumann (Von Neumann architecture)architecture) 前四代计算机

14、系统结构仍遵循冯前四代计算机系统结构仍遵循冯. .诺依曼提出的诺依曼提出的“存储程序存储程序”结构原理，其要点为结构原理，其要点为: : (1) (1)数据和指令用数据和指令用二进制代码二进制代码表示，且二者以同表示，且二者以同等地位存放于存储器内，并可按地址访问等地位存放于存储器内，并可按地址访问; ; (2) (2)机器机器以运算器为中心以运算器为中心，输入设备与存储器间，输入设备与存储器间的数据传送通过运算器完成；的数据传送通过运算器完成； (3) (3) 指令由操作码和地址码组成指令由操作码和地址码组成, ,操作码用来表示操作操作码用来表示操作的性质的性质, ,地址码用来表示操作数在存

15、储器中的位置地址码用来表示操作数在存储器中的位置; ; (4) (4) 采用采用“存储程序存储程序”工作方式工作方式 * *事先编制由指令组成的程序事先编制由指令组成的程序; ; * *指令在存储器中按顺寻存放指令在存储器中按顺寻存放. .通常通常, ,指令是顺序执行指令是顺序执行的的, ,在特定条件下在特定条件下, ,可根据运算结果或设定的条件改变执可根据运算结果或设定的条件改变执行顺序行顺序; ; * *计算机在运行时将自动地、连续地从存储器中依计算机在运行时将自动地、连续地从存储器中依次取出指令加以执行次取出指令加以执行. . (5) (5) 由运算器、存储器、控制器、输入设备及输出由运

16、算器、存储器、控制器、输入设备及输出设备等五大部件设备等五大部件, ,构成计算机硬件系统构成计算机硬件系统. . 五、非冯诺依曼模型五、非冯诺依曼模型 和许多和许多 研究领域都属于非冯诺依曼模型的范畴，研究领域都属于非冯诺依曼模型的范畴，包括神经网络、基因算法、量子计算并行计算机等。包括神经网络、基因算法、量子计算并行计算机等。 本章主要内容本章主要内容 计算机发展概况计算机发展概况 计算机分类及应用计算机分类及应用 计算机硬件计算机硬件 计算机软件计算机软件 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.2 1.2 计算机的分类及应用计算机的分类及应用 一、计算机的分类一、计算机的分类( (按

17、照计算机规模划分按照计算机规模划分) )1 1、超级计算机、超级计算机( (巨型机巨型机, Supercomputer), Supercomputer)：运算速度：运算速度很高很高( (可达每秒执行几亿条指令以上可达每秒执行几亿条指令以上), ),数据存储容量数据存储容量很大，结构复杂，价格昂贵，主要用于大型科学计很大，结构复杂，价格昂贵，主要用于大型科学计算算, , 它也是一个国家综合实力的象征它也是一个国家综合实力的象征被誉为大国被誉为大国重器之一。重器之一。 从从19921992年起，每年按照年起，每年按照LinpackLinpack的测试性能公的测试性能公布在世界范围内的前布在世界范围

18、内的前500500台高性能计算机排行。台高性能计算机排行。( (国国际际TOP500, ;TOP500, ;中国中国TOP TOP 100,http:/)100,http:/)。 1983年国防科大研制成功“银河”亿次巨型机2008年国家智能计算机研发中心研制的曙光5000A(浮点运算峰值计算速度为230万亿次/秒)落户上海超算中心2009年11月，国防科大研制成功“天河一号”超级计算机(浮点运算峰值计算速度为1206.19万亿次/秒)2013年6月，国防科大研制成功的“天河二号”超级计算机(浮点运算峰值计算速度为

19、33.86千万亿次/秒；2015年6月为5.49亿亿次/秒)2 2、大型机、大型机: :反映各个时期先进计算技术的大型通用反映各个时期先进计算技术的大型通用计算机，其中以计算机，其中以IBMIBM公司的大型机系列公司的大型机系列(360(360、370370、390390等等) )影响最大，通常用于大型企业的计影响最大，通常用于大型企业的计算平台、大型网站的服务器等；算平台、大型网站的服务器等；3 3、小型机、小型机: :规模小、结构简单、设计研制周期短，规模小、结构简单、设计研制周期短，以以DECDEC公司的公司的PDP-11PDP-11和和VAX11VAX11系列为代表，用于系列为代表，用

20、于控制领域、信号及图像处理以及在客户机控制领域、信号及图像处理以及在客户机/ /服务服务器结构中用作服务器等；器结构中用作服务器等；4 4、微型机、微型机: 1971: 1971年由年由4 4位微处理器位微处理器Intel 4004Intel 4004组成组成的的MCS-4MCS-4是世界上第一台微型机，是世界上第一台微型机，IntelIntel公司也是公司也是目前世界上最有影响力的微处理器生产厂家，产目前世界上最有影响力的微处理器生产厂家，产品品80 x8680 x86系列、系列、PentiumPentium系列。系列。 二、计算机的应用二、计算机的应用 1. 1.科学计算科学计算( ( S

21、cientific Calculating)Scientific Calculating) 2.2.实时控制实时控制( ( Real Time Control)Real Time Control) 3.3.数据处理数据处理( ( Data Processing)Data Processing) 4.4.教育和卫生教育和卫生(Education And Health)(Education And Health) 5.5.计算机辅助设计和辅助制造计算机辅助设计和辅助制造(CAD/CAM)(CAD/CAM) 6.6.办公自动化办公自动化( ( Office Automation)Office Aut

22、omation) 7.7.人工智能人工智能 (Artificial Intelligence(Artificial Intelligence ) ) 本章主要内容本章主要内容 计算机发展概况计算机发展概况 计算机分类及应用计算机分类及应用 计算机硬件计算机硬件 计算机软件计算机软件 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.3 1.3 计算机硬件计算机硬件(hardware)(hardware) 完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统完整的计算机系统包括硬件系统和软件系统. .其中其中计算机硬件指可触摸得到的物理设备实体计算机硬件指可触摸得到的物理设备实体. .一、一、 数字计算机的硬件组成

23、数字计算机的硬件组成主存储器主存储器运算器运算器控制器控制器适配器适配器CPUCPU输入设备输入设备输出设备输出设备系统总线系统总线主机主机图图1.1 1.1 数字计算机硬件组成数字计算机硬件组成辅助存储器辅助存储器外设外设二、计算机各功能部件的基本功能二、计算机各功能部件的基本功能 1. 1. 运算器运算器:(1) :(1) 完成二进制编码的算术运算完成二进制编码的算术运算和逻辑运算和逻辑运算;(2);(2)数据传送的通道数据传送的通道. .A L UA L U寄存器寄存器B B累加器累加器A A图图1.2 1.2 运算器基本结构运算器基本结构ALU:Arithmetic ALU:Arith

24、metic (and) Logic (and) Logic UnitUnit 2. 2. 存储器存储器: :是计算机系统中的记忆设备，存放是计算机系统中的记忆设备，存放数据或命令数据或命令. .包括内存储器包括内存储器( (由半导体存储器构由半导体存储器构成成, ,亦称为主存储器亦称为主存储器) )、外存储器、外存储器( (亦称辅助存储亦称辅助存储器器, ,包扩硬盘存储器、光盘存储器等包扩硬盘存储器、光盘存储器等) )、CacheCache、控制存储器、寄存器等。控制存储器、寄存器等。地地址址寄寄存存器器地地址址译译码码器器读读/ /写控制电路写控制电路读读/ /写命令写命令图图1.3 1.3

25、 主存储器结构图主存储器结构图存储单元存储单元数据总线数据总线地址总线地址总线按地址存取按地址存取4. 4. 适配器与输入输出设备适配器与输入输出设备 输入设备：将某种信息形式变换为机器输入设备：将某种信息形式变换为机器内部所接受和识别的二进制形式；内部所接受和识别的二进制形式； 输出设备：把计算机处理的结果变换为输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其它设备所能接收和识别的信息形式；人或其它设备所能接收和识别的信息形式； 适配器：输入适配器：输入/ /输出设备通过适配器与主输出设备通过适配器与主机相连，用于完成计算机和外设之间相互衔机相连，用于完成计算机和外设之间相互衔接、交换信息。接、交换

26、信息。3. 3. 控制器控制器: :用于控制整个计算机自动地、连用于控制整个计算机自动地、连续地和协调地完成一条条指令。续地和协调地完成一条条指令。图图1.41.4是一个比较完善的硬件系统图，目的是一个比较完善的硬件系统图，目的是了解硬件组成及相互关系。是了解硬件组成及相互关系。 输入输入 输出命令输出命令 命令命令控制器控制器主存主存输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器辅存辅存指令指令数据数据I/OI/O数据数据数据数据数据数据及指令及指令 图图1.4 1.4 计算机硬件组成框图计算机硬件组成框图三、计算机系统的性能指标三、计算机系统的性能指标 1. 1.运算速度运算速度: :计算机

27、的运算速度与许多因素有关计算机的运算速度与许多因素有关, , 如机器的主频、执行什么样的操作以及主存本如机器的主频、执行什么样的操作以及主存本身的速度等。身的速度等。 (1)(1)主频主频( (主时钟频率主时钟频率)/ )/时钟周期时钟周期:CPU:CPU的时钟频的时钟频率率, , 以以HzHz为单位记作为单位记作f; f; 时钟周期记作时钟周期记作T, CPUT, CPU内内数字脉冲信号震荡的速度数字脉冲信号震荡的速度, , 度量单位是度量单位是us(us(微秒微秒) )、ns(ns(纳秒纳秒), ), 有有: : f=1/T f=1/T 时钟频率越高意味着时钟周期越短时钟频率越高意味着时钟

28、周期越短, CPU, CPU能在短时间内完成一定任务能在短时间内完成一定任务, ,表明其速度快。表明其速度快。 (2)(2)每秒完成多少百万条指令每秒完成多少百万条指令MIPS(million MIPS(million instructions per second):instructions per second):对一个给定的程序，对一个给定的程序，MIPS MIPS 定义为定义为: : MIPS= MIPS=指令条数指令条数/( /(执行时间执行时间10106 6) )(3)(3)每秒完成多少百万次浮点运算每秒完成多少百万次浮点运算 MFLOPS(Million MFLOPS(Milli

29、on Floating-point Operations per Second):Floating-point Operations per Second):对一个给对一个给定的程序，定的程序， MFLOPS MFLOPS 定义为定义为: :MFLOPS=MFLOPS=浮点操作次数浮点操作次数/( /(执行时间执行时间10106 6) )(4)(4)每条指令执行所需时钟周期数每条指令执行所需时钟周期数CPI(Cycles per CPI(Cycles per Instruction) :Instruction) :CPI=CPI=执行某段程序所需的执行某段程序所需的CPUCPU时钟周期数时钟周

30、期数/ /该程序该程序包含的指令数包含的指令数(5)CPU(5)CPU执行时间执行时间: :表示执行一段程序所占的表示执行一段程序所占的CPUCPU时间时间, ,即即CPUCPU执行时间执行时间=CPU=CPU时钟周期数时钟周期数 CPU CPU时钟周期长时钟周期长 2. 2. 机器字长机器字长:CPU:CPU一次能处理的二进制数的位数一次能处理的二进制数的位数. .字长越字长越长长, ,数的表示范围越大数的表示范围越大, ,计算精度越高计算精度越高, ,同时影响寄存器、同时影响寄存器、运算部件和数据总线的位数运算部件和数据总线的位数. . 注意机器字长和计算精度与硬件成本的关系注意机器字长和

31、计算精度与硬件成本的关系. . 3. 3. 主存容量主存容量: :主存储器能存储的全部信息量主存储器能存储的全部信息量, ,常用字数或常用字数或字节数来表示字节数来表示. . 1KB=1024B 1KB=1024B ；1MB=1024KB1MB=1024KB；1GB=1024MB 1GB=1024MB 1TB=1024GB 1TB=1024GB；1PB=1024TB; 1PB=1024TB; 4. 4. 吞吐量吞吐量: :表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量的信息量. . 5. 5.响应时间响应时间: :表征从输入有效到系统产生响应之间的时间表征

32、从输入有效到系统产生响应之间的时间度量度量. . 本章主要内容本章主要内容 计算机发展概况计算机发展概况 计算机分类及应用计算机分类及应用 计算机硬件计算机硬件 计算机软件计算机软件 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 1.4 1.4 计算机软件计算机软件(Software)(Software) 软件指为运行、维护、管理、应用计算软件指为运行、维护、管理、应用计算机所编制的所有程序及文档的总和机所编制的所有程序及文档的总和. . 一、一、 软件的组成与分类软件的组成与分类 1 1、系统软件、系统软件: :为使计算机系统良好运行为使计算机系统良好运行而编制的基础软件而编制的基础软件, ,负

33、责系统调度管理负责系统调度管理, ,提供提供开发环境和运行环境开发环境和运行环境, ,主要包括主要包括: :操作系统、操作系统、编译与解释程序、服务性程序编译与解释程序、服务性程序( (如诊断程序、如诊断程序、安装程等安装程等) )、各种软件平台等。、各种软件平台等。 2 2、应用软件、应用软件: :用户自身开发的，直接面用户自身开发的，直接面向应用需要的程序。向应用需要的程序。二、软件与硬件的逻辑等价性二、软件与硬件的逻辑等价性 许多功能既可以由软件来实现许多功能既可以由软件来实现, ,也可以由硬件来实也可以由硬件来实现现, ,这两种实现在逻辑上是等价的这两种实现在逻辑上是等价的, ,设计中

34、应该从系统设计中应该从系统效率、速度、价格及资源状况等诸多因素加以权衡。效率、速度、价格及资源状况等诸多因素加以权衡。 硬件软化硬件软化: :由硬件实现的功能改由软件模拟实现由硬件实现的功能改由软件模拟实现; ;可可以增强系统适应性。以增强系统适应性。 软件硬化软件硬化: :由软件实现的功能改由硬件实现由软件实现的功能改由硬件实现, ,可以显可以显著降低软件在时间上的开销。著降低软件在时间上的开销。 固件固件(firmware):1967(firmware):1967年由美国人年由美国人A.OplerA.Opler首先提出首先提出, ,指存储在能永久保存信息的器件指存储在能永久保存信息的器件(

35、 (如如ROM)ROM)中的程序中的程序, ,是具有软件功能的硬件是具有软件功能的硬件, ,其执行速度快于软件其执行速度快于软件, ,灵活性灵活性优于硬件。优于硬件。 本章主要内容本章主要内容 计算机发展概况计算机发展概况 计算机分类及应用计算机分类及应用 计算机硬件计算机硬件 计算机软件计算机软件 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.5 1.5 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构高级语言级高级语言级(5(5级级) )汇编语言级汇编语言级(4(4级级) )操作系统级操作系统级(3(3级级) )机器语言级机器语言级( (指令系统指令系统)(2)(2级级) )微程序设计级微程序设计级

36、(1 (1级级) )翻译程序翻译程序汇编程序汇编程序操作系统操作系统微程序微程序 图图1.5 1.5 计算机系统的层次结构示意图计算机系统的层次结构示意图高级语言程序被翻译成汇编语言高级语言程序被翻译成汇编语言或中间语言程序或中间语言程序操作系统级操作系统级: :组织计算机系统的整个组织计算机系统的整个工作流程工作流程, ,有效管理计算机的软件及有效管理计算机的软件及硬件资源硬件资源机器语言级机器语言级: :由硬件或微程序执行由硬件或微程序执行 微程序设计级微程序设计级: :由硬件直接执行由硬件直接执行数字逻辑电路数字逻辑电路(0(0级级) )实实际际机机器器虚虚拟拟机机器器汇编语言程序经汇编程序翻译成汇编语言程序经汇编程序翻译成机器语言机器语言数字逻辑电路数字逻辑电路: :1.5 1.5 计算机系统的层次结构计算机