计算机组成原理(绪论、第一章-new)

1、主讲人：宋宜斌主讲人：宋宜斌计算机组成与体系结构计算机组成与体系结构计算机组成原理前前 言言“计算机组成与体系结构计算机组成与体系结构”是计算机科学与技术、软是计算机科学与技术、软件工程专业的核心专业基础课程之一。件工程专业的核心专业基础课程之一。从课程地位来说，它在先导课和后续课之间起着承上从课程地位来说，它在先导课和后续课之间起着承上启下的作用。启下的作用。本课程以单处理机作为主要对象，研究和学习计算机本课程以单处理机作为主要对象，研究和学习计算机系统的组成与体系结构原理。课程内容具有知识面广、系统的组成与体系结构原理。课程内容具有知识面广、内容多、概念强、更新快等特点。内容多、概念强、更

2、新快等特点。 本课程选用白中英教授主编的本课程选用白中英教授主编的计算机组成原计算机组成原理理（第四版）作为主授教材。（第四版）作为主授教材。参考书：参考书：1、计算机组成原理计算机组成原理，唐朔飞主编，高教出版，唐朔飞主编，高教出版社，社，2000年年12月月2、Computer Organization and Architecture William Stallings主编，高教出版社，主编，高教出版社，2001年年8月月3、计算机组成与体系结构计算机组成与体系结构，王诚主编，清华，王诚主编，清华大学出版社，大学出版社，2004年年1月月课程教学要求本课程教学要求本课程教学要求：（1 1

3、）掌握基本概念、学会分析方法掌握基本概念、学会分析方法 ；（2 2）注重系统性学习特点，建立计算机整机概念；）注重系统性学习特点，建立计算机整机概念；（3 3）掌握合理的知识结构，为进一步深入学习本专业）掌握合理的知识结构，为进一步深入学习本专业的后续课程打下良好的基础；的后续课程打下良好的基础；（4 4）理论教学与实践教学结合，注重能力的培养和对）理论教学与实践教学结合，注重能力的培养和对计算机总体结构知识的把握；计算机总体结构知识的把握；（5 5）尽可能地反映新技术、新动向，以适应计算机技）尽可能地反映新技术、新动向，以适应计算机技术发展和变化快的需要。术发展和变化快的需要。课程教学方法本

4、课程教学方法本课程教学方法： 多媒体多媒体+CAI +CAI 网络教学平台网络教学平台 “ “实验实验+ +课程设计课程设计”相结合的实践环节相结合的实践环节 力求形成力求形成“理论、抽象、实现理论、抽象、实现”三个过程三个过程相统一的教学体系。相统一的教学体系。（欢迎同学访问校园网上本课程的欢迎同学访问校园网上本课程的网上教学网上教学内容内容）课程内容简介课程主要内容课程主要内容： （1 1）计算机系统概述）计算机系统概述 （2 2）运算方法与运算器）运算方法与运算器 （3 3）内部存储器）内部存储器 （4 4）指令系统）指令系统 （5 5）中央处理器）中央处理器 （6 6）总线系统）总线系

5、统 （7 7）外围设备）外围设备 （8 8）输入）输入/ /输出（输出（I/OI/O）系统）系统 （9 9）操作系统支持）操作系统支持课程课程重点章节重点章节内容内容： （1 1）计算机系统概述）计算机系统概述 （2 2）运算方法与运算器）运算方法与运算器 （3 3）存储系统）存储系统 （4 4）指令系统）指令系统 （5 5）中央处理器）中央处理器 （6 6）总线系统）总线系统 （7 7）外围设备）外围设备 （8 8）输入）输入/ /输出（输出（I/OI/O）系统）系统 （9 9）操作系统支持操作系统支持课程课程重点章节重点章节内容内容： （1 1）计算机系统概述）计算机系统概述（2 2）运算

6、方法与运算器运算方法与运算器 （3 3）存储系统）存储系统 （4 4）指令系统）指令系统 （5 5）中央处理器）中央处理器 （6 6）总线系统）总线系统 （7 7）外围设备）外围设备 （8 8）输入）输入/ /输出（输出（I/OI/O）系统）系统 （9 9）操作系统支持操作系统支持课程课程重点章节重点章节内容内容： （1 1）计算机系统概述）计算机系统概述（2 2）运算方法与运算器运算方法与运算器（3 3）存储系统存储系统 （4 4）指令系统）指令系统 （5 5）中央处理器）中央处理器 （6 6）总线系统）总线系统 （7 7）外围设备）外围设备 （8 8）输入）输入/ /输出（输出（I/OI/

7、O）系统）系统 （9 9）操作系统支持操作系统支持课程课程重点章节重点章节内容内容： （1 1）计算机系统概述）计算机系统概述（2 2）运算方法与运算器运算方法与运算器（3 3）存储系统存储系统（4 4）指令系统指令系统 （5 5）中央处理器）中央处理器 （6 6）总线系统）总线系统 （7 7）外围设备）外围设备 （8 8）输入）输入/ /输出（输出（I/OI/O）系统）系统 （9 9）操作系统支持操作系统支持课程课程重点章节重点章节内容内容： （1 1）计算机系统概述）计算机系统概述（2 2）运算方法与运算器运算方法与运算器（3 3）存储系统存储系统（4 4）指令系统指令系统（5 5）中央处

8、理器中央处理器 （6 6）总线系统）总线系统 （7 7）外围设备）外围设备 （8 8）输入）输入/ /输出（输出（I/OI/O）系统）系统 （9 9）操作系统支持操作系统支持课程课程重点章节重点章节内容内容： （1 1）计算机系统概述）计算机系统概述（2 2）运算方法与运算器运算方法与运算器（3 3）存储系统存储系统（4 4）指令系统指令系统（5 5）中央处理器中央处理器 （6 6）总线系统）总线系统 （7 7）外围设备）外围设备（8 8）输入输入/ /输出（输出（I/OI/O）系统）系统 （9 9）操作系统支持操作系统支持课程课程重点章节重点章节内容内容： （1 1）计算机系统概述）计算机系

9、统概述（2 2）运算方法与运算器运算方法与运算器（3 3）存储系统存储系统（4 4）指令系统指令系统（5 5）中央处理器中央处理器 （6 6）总线系统）总线系统 （7 7）外围设备）外围设备（8 8）输入输入/ /输出（输出（I/OI/O）系统）系统（9 9）操作系统支持操作系统支持（部分概念部分概念）学时安排课程学时安排课程学时安排： 本课程学时安排：本课程学时安排： 堂内授课学时：堂内授课学时：64学时学时 实验：实验： 8学时（计划进行学时（计划进行4个实验）个实验）另外：另外： 本学期末进行本学期末进行课程设计课程设计。课程实验环境课程实验环境(电工电子中心四楼电工电子中心四楼)（计算

10、机组成原理实验室）（计算机组成原理实验室）（计算机组成原理实验系统）（计算机组成原理实验系统）（计算机组成原理仿真实验装置）（计算机组成原理仿真实验装置）第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论 概述计算机的系统层次结构概述计算机的系统层次结构 计算机硬件的基本组成计算机硬件的基本组成(五大部件五大部件) 计算机软件的分类计算机软件的分类 计算机的基本工作过程计算机的基本工作过程简介计算机的发展历程简介计算机的发展历程了解计算机性能评价指标和相关参数了解计算机性能评价指标和相关参数 吞吐量、响应时间吞吐量、响应时间; CPU时钟周期、主频、时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间执行时间; M

11、IPS、MFLOPS等。等。 本章主要内容本章主要内容：1.1 计算机的分类与应用计算机的分类与应用1 1 计算机的分类计算机的分类2 2 计算机的应用计算机的应用计算机的分类与应用计算机的分类与应用1 计算机的分类计算机的分类 计算机从总体上来说分为两大类计算机从总体上来说分为两大类: 模拟计算机模拟计算机和和数字计算机数字计算机。主要特点主要特点：模拟计算机：模拟计算机： 模拟运算器件、连续变量（如：电压、电流等）、模拟运算器件、连续变量（如：电压、电流等）、运算过程连续。运算过程连续。 数字计算机：数字计算机： 逻辑电子器件、开关变量（离散的数字量）、数逻辑电子器件、开关变量（离散的数字

12、量）、数字式按位运算（离散式运算）。字式按位运算（离散式运算）。 计算机的分类计算机的分类计算机分类表表1.1 数字计算机与模拟计算计的主要区别数字计算机与模拟计算计的主要区别 （P1）比较内容比较内容数字计算机数字计算机模拟计算机模拟计算机数据表示方式数据表示方式数字数字0和和1电压、电流等电压、电流等计算方式计算方式数字量计算数字量计算模拟量的组合计算模拟量的组合计算控制方式控制方式程序控制程序控制模拟信号组合控制模拟信号组合控制精度、抗干扰性精度、抗干扰性高、好高、好低、差低、差数据存储量数据存储量大大小、几乎无小、几乎无逻辑判断能力逻辑判断能力强强无无（本课程将以（本课程将以数字计算机

13、数字计算机为主要对象，讨论计算机为主要对象，讨论计算机的组成原理与体系结构）的组成原理与体系结构）计算机分类 数字计算机根据规模、速度、价格及性能等指标，数字计算机根据规模、速度、价格及性能等指标，又可分为又可分为专用计算机专用计算机和和通用计算机通用计算机。 专用机专用机：以快速、经济和高集成度为主要指标的特殊计算以快速、经济和高集成度为主要指标的特殊计算机，它是针对某一任务设计的计算机，但是它的适应性较差。机，它是针对某一任务设计的计算机，但是它的适应性较差。通用机通用机：适应性较高，但是牺牲了效率、速度和经济性。适应性较高，但是牺牲了效率、速度和经济性。 通用计算机根据性能、价格、体积等

14、又分六类，见图所示（书通用计算机根据性能、价格、体积等又分六类，见图所示（书P1 图图1.1）。）。 计算机分类 计算机发展突飞猛进，随着超大规模集成电计算机发展突飞猛进，随着超大规模集成电路的迅速发展路的迅速发展, ,今天的小型机可能是明天的微型机今天的小型机可能是明天的微型机, ,而今天的微型机可能是明天的单片机。而今天的微型机可能是明天的单片机。 2 2 计算机的应用计算机的应用计算机之所以迅速发展计算机之所以迅速发展, ,其生命力在于它的广泛其生命力在于它的广泛应用并协助人类取得了辉煌的成就。计算机的应用应用并协助人类取得了辉煌的成就。计算机的应用范围几乎涉及人类社会的所有领域。主要应

15、用领域范围几乎涉及人类社会的所有领域。主要应用领域包括：包括： 科学计算科学计算 自动控制和测量自动控制和测量 信息处理信息处理 教育和卫生教育和卫生 家用电器家用电器 人工智能人工智能 （具体内容请自阅书（具体内容请自阅书P26） 计算机的应用计算机的应用计算机的应用计算机的应用重要的是重要的是： 计算机深刻地影响了人类社会的发展，促进计算机深刻地影响了人类社会的发展，促进了人类社会的进步。从这个意义上来说，计算机了人类社会的进步。从这个意义上来说，计算机是是2020世纪人类最杰出的科技成就之一。世纪人类最杰出的科技成就之一。 （那么，计算机的基本组成结构如何呢？）（那么，计算机的基本组成结

16、构如何呢？）冯冯. .诺依曼思想诺依曼思想: (: (当前计算机的主流体系结构当前计算机的主流体系结构）“计算机计算机”应当具有如下基本功能应当具有如下基本功能: 计算功能、存储记忆功能、输入输出功能、判计算功能、存储记忆功能、输入输出功能、判断功能、自我控制与协调功能。断功能、自我控制与协调功能。一般包括两个层面：一般包括两个层面：硬件硬件+ +软件软件经典计算机结构经典计算机结构 1.2 计算机的硬件结构计算机的硬件结构以以冯冯.诺依曼型计算机诺依曼型计算机为分析对象：为分析对象：计算机的硬件计算机的硬件1 计算机的硬件系统基本组成计算机的硬件系统基本组成运运 算算 器器控控 制制 器器主

17、存储器主存储器输入设备输入设备输出设备输出设备总线总线 和和 输入输出接口输入输出接口高速缓存高速缓存虚拟存储器虚拟存储器(磁盘设备磁盘设备)（第二章第二章）（第五章第五章）（第三章第三章）（第六章第六章）（ 第七、八章第七、八章）CPU计算机的硬件计算机的硬件第四章：指令系统第四章：指令系统存储器存储器（第九章第九章） 教材（书教材（书P6-9）以算盘计算为例，引出）以算盘计算为例，引出冯冯. .诺诺依依曼式曼式计算机的一般组成结构为：计算机的一般组成结构为： 运算器运算器+ +存储器存储器+ +控制器控制器+ +输入输入/ /输出设备输出设备。（CAI演示演示）计算机的硬件计算机的硬件可见

18、可见: 当前计算机的主流体系结构是以当前计算机的主流体系结构是以冯冯.诺依曼思诺依曼思想想为架构核心，这也是本课程学习与讨论的路径。为架构核心，这也是本课程学习与讨论的路径。各硬件部分的主要功能与特点各硬件部分的主要功能与特点： 1. 1. 运算器运算器运算器又称算术逻辑运算单元运算器又称算术逻辑运算单元（ALU），能进行算，能进行算术运算术运算, ,还可进行逻辑运算。还可进行逻辑运算。 ( (运算器基本结构见运算器基本结构见CAI演演示）示） 采用二进制模式采用二进制模式： 二进制数的运算规律非常简单二进制数的运算规律非常简单, ,在在电子线路中比较容易实现（如：双稳态触发器）。电子线路中比

19、较容易实现（如：双稳态触发器）。 二进制数的位数越多二进制数的位数越多, ,计算的精度就越高。当然计算的精度就越高。当然, ,所所需的电子器件也越多。需的电子器件也越多。 目前计算机的运算器长度一般是目前计算机的运算器长度一般是8 8位、位、1616位、位、3232位位或或6464位。位。（具体内容将在第二章中详细讨论。具体内容将在第二章中详细讨论。）2. 2. 存储器存储器存储器的功能存储器的功能: 存储存储数据和数据和数码化后数码化后的程序的程序。存储器包括如下存储器包括如下名词概念名词概念：存储单元存储单元: : 在存储器中，保存一个在存储器中，保存一个n位二进制数的位二进制数的n个触发

20、器个触发器, ,组成一个存储单元。组成一个存储单元。存储容量存储容量: : 存储器所有存储单元的总数。通常用单位存储器所有存储单元的总数。通常用单位“KB、MB、GB”等表示等表示, ,如：如：128KB、64MB、20GB等。存储容量越大等。存储容量越大, ,表示计算机记忆储存的信息表示计算机记忆储存的信息的能力就越大。的能力就越大。地址地址: 存储器中各个存储单元的编号存储器中各个存储单元的编号, ,称为地址称为地址。 （CAI演示演示）计算机的硬件计算机的硬件二进制数二进制数内存储器内存储器（主存）：（主存）：存放直接为存放直接为CPU提供数据与提供数据与程序服务的存储器。目前主要采用半

21、导体型存储芯程序服务的存储器。目前主要采用半导体型存储芯片。其特点为：工作速度较快，但是其存储容量比片。其特点为：工作速度较快，但是其存储容量比外存小。外存小。外存储器外存储器( (辅存）辅存）: : 存储容量很大的辅助存储器，存储容量很大的辅助存储器，如：磁盘存储器、光盘存储器等，其主要特点是存如：磁盘存储器、光盘存储器等，其主要特点是存储容量大，价格便宜，但是工作速度较慢。储容量大，价格便宜，但是工作速度较慢。 （内内存储器的具体内容将在第三章中详细讨论存储器的具体内容将在第三章中详细讨论）3. 3. 控制器控制器基本任务基本任务： 按照计算程序所排的指令序列按照计算程序所排的指令序列,

22、,依次从存储器取依次从存储器取出指令，送到控制器中；再对指令译码产生命令出指令，送到控制器中；再对指令译码产生命令, ,控控制执行指令的任务，制执行指令的任务，依次周而复始。，依次周而复始。 计算机的硬件计算机的硬件控制器是计算机中控制各部件有条不紊地进行工控制器是计算机中控制各部件有条不紊地进行工作的器件。其任务是对从内存中逐条取出的指令加以作的器件。其任务是对从内存中逐条取出的指令加以分析，然后依次向有关部件发出相关操作命令，以实分析，然后依次向有关部件发出相关操作命令，以实现各指令的功能。现各指令的功能。 名词与基本概念 若干名词与基本概念若干名词与基本概念 （1 1） 计算程序计算程序

23、计算机求解任何问题，都是化成一步一步简单的计算机求解任何问题，都是化成一步一步简单的加、减、乘、除等算术或逻辑基本操作来做。每一加、减、乘、除等算术或逻辑基本操作来做。每一步基本操作就用一条步基本操作就用一条指令指令来控制实现。而解算某一来控制实现。而解算某一问题的一串指令序列问题的一串指令序列, ,叫做该问题的叫做该问题的计算程序计算程序, ,简称简称为为程序程序。 见书见书P8-9给出的一个简单运算程序例子给出的一个简单运算程序例子: : cbxay（2 2） 指令的形式指令的形式 每条指令必须明确告诉控制器每条指令必须明确告诉控制器, ,从何处取出操作从何处取出操作数数, ,并进行何种操

24、作；操作结果送到何处；等等。并进行何种操作；操作结果送到何处；等等。指令基本格式指令基本格式： 操作码操作码地址码地址码。操作码功能操作码功能： 表示指令所要进行的操作，如加、减、表示指令所要进行的操作，如加、减、乘、除、移位、取数、存数、乘、除、移位、取数、存数、等等等等; 地址码功能地址码功能： 表示参加运算的数据应从哪个单元取表示参加运算的数据应从哪个单元取,运算的结果应存到哪个单元，运算的结果应存到哪个单元，等等。等等。 注意到注意到：存储器中保存的数据或指令（程序），都是：存储器中保存的数据或指令（程序），都是二进制形式的数码。二进制形式的数码。（CAI演示演示）名词与基本概念（3）

25、冯冯. .诺伊曼型计算机诺伊曼型计算机的工作特征的工作特征 冯冯. .诺伊曼诺伊曼型计算机型计算机：计算机总是根据事先编制好：计算机总是根据事先编制好并放在存储器中的计算程序（即：并放在存储器中的计算程序（即：存储程序存储程序），依次），依次执行该程序指令，进而完成所对应的任务。执行该程序指令，进而完成所对应的任务。 所以说：所以说：“存储程序控制存储程序控制”-冯冯. .诺伊曼型计算机诺伊曼型计算机的的主要特点。主要特点。(4) (4) 指令字和数据字指令字和数据字计算机中的计算机中的“字字”：指一串由：指一串由0和和1（二进制）数字（二进制）数字组成的代码组成的代码,一位一位(bit)代码

26、是数字计算机的最小信息单代码是数字计算机的最小信息单位。位。 通常，通常，CPU向存储器送入或从存储器取出信息时，向存储器送入或从存储器取出信息时，用字节用字节 (B)或字或字 (W)等基本信息单位来计算。等基本信息单位来计算。 字节字节：一个一个“字节字节”由由8位二进制代码组成位二进制代码组成 字长字长：一个一个“字字”一般由一个或多个字节组成。通一般由一个或多个字节组成。通常常把组成一个字的二进制位数叫做把组成一个字的二进制位数叫做字长字长。计算机字既可以代表指令计算机字既可以代表指令, ,也可以代表数据。也可以代表数据。 代表数据的称为代表数据的称为数据字数据字；表示指令的称为；表示指

27、令的称为指令字指令字。 名词与基本概念 问题问题 ： 所有所有指令指令和和数据数据都是二进制数码形式放在内存中。都是二进制数码形式放在内存中。那么，计算机如何来加以区分呢？那么，计算机如何来加以区分呢？ 计算机对指令和数据的区分计算机对指令和数据的区分 ： 一般来讲：一般来讲： 1 1、时间上时间上：在：在取指周期取指周期中，中，CPU从内存读出的信息从内存读出的信息一定是一定是指令指令；而；而执行周期执行周期中从内存读出或写入的信息中从内存读出或写入的信息一定是一定是数据数据。 2 2、空间上空间上：指令指令一定流向控制器；而一定流向控制器；而数据数据则是在内则是在内存（或寄存器）与运算器之

28、间流动。存（或寄存器）与运算器之间流动。 指令周期分为：取指周期指令周期分为：取指周期+执行周期执行周期11. 冯诺依曼计算机中指令和数据均以二进制形式存冯诺依曼计算机中指令和数据均以二进制形式存放在存储器中，放在存储器中，CPU区分它们的依据是区分它们的依据是_ A. 指令操作码的译码结果指令操作码的译码结果 B. 指令和数据的寻址方式指令和数据的寻址方式 C. 指令周期的不同阶段指令周期的不同阶段 D. 指令和数据所在的存储单元指令和数据所在的存储单元例例: 2009年考研题年考研题:答案：答案：C 考点：冯诺依曼思想的基本概念考点：冯诺依曼思想的基本概念 指令流与数据流指令流与数据流 ：

29、 当一个取指周期内同时取出多条指令时，即内当一个取指周期内同时取出多条指令时，即内存向控制器送出存向控制器送出“指令流指令流”； 当在一个执行周期内同时处理多个数据时，则当在一个执行周期内同时处理多个数据时，则形成所谓的形成所谓的“数据流数据流”。 这种概念常出现在流水线结构或分布式处理计这种概念常出现在流水线结构或分布式处理计算机的分析与讨论中。算机的分析与讨论中。适配器与输入设备4. 4. 输入输出（输入输出（I/OI/O）设备与适配器）设备与适配器输入设备输入设备：把人们所熟悉的某种形式的信息变换：把人们所熟悉的某种形式的信息变换为机器所能接收和识别的二进制信息形式。为机器所能接收和识别

30、的二进制信息形式。 输出设备输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其它：把计算机处理的结果变换为人或其它机器所能接收和识别的信息形式。机器所能接收和识别的信息形式。 I/O 设备设备：通常又统称为通常又统称为外围设备外围设备。 由于种类繁多且速度各异，因而，由于种类繁多且速度各异，因而，I/O设备一般设备一般不能直接地同高速工作的主机相连接，而需要通过不能直接地同高速工作的主机相连接，而需要通过适配器适配器（接口）（接口）部件与主机相连接。部件与主机相连接。 总线的概念总线的概念： 计算机系统中还必须有计算机系统中还必须有总线总线。系统总线构成。系统总线构成计算机系统的信息链接，是多个系统部件

31、之间进计算机系统的信息链接，是多个系统部件之间进行数据传送行数据传送的的公共通路公共通路。 借助于系统总线借助于系统总线, ,计算机在各系统部件之间计算机在各系统部件之间可以实现地址、数据和控制信息的传送操作。可以实现地址、数据和控制信息的传送操作。 1.3 计算机系统结构的发展历程计算机系统结构的发展历程 现代的计算机模型是现代的计算机模型是1932年由英国的数学家年由英国的数学家图灵（图灵（Turing)提提出来的。图灵提出的是一个数学模型，它具有如图所示的结构：出来的。图灵提出的是一个数学模型，它具有如图所示的结构：0 0101020203030404050506060707080809

32、090第一季度第一季度 第二季度第二季度 第三季度第三季度 第四季度第四季度东部东部西部西部北部北部确定型图灵机确定型图灵机 (1932) （有穷状态集）（有穷状态集）（有穷符号集）（有穷符号集）转移函数转移函数F：F： Q，PQ，P 0，1计算机系统结构计算机系统结构计算机的产生和发展计算机的产生和发展:1946年年 美国美国 ENIAC十进制运算十进制运算18 0001 500150301 500多个电子管多个电子管多个继电器多个继电器千瓦千瓦吨吨平方英尺平方英尺5 000次加法秒次加法秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程用手工搬动开关和拔插电缆来编程世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算

33、机 ENIAC(1946)(1955年退役年退役)硬件技术对计算机更新换代的影响硬件技术对计算机更新换代的影响 1亿以上亿以上 超大规模超大规模 集成电路集成电路 1978 五五 1000万万 大规模大规模 集成电路集成电路 19721977 100万万 中小规模中小规模 集成电路集成电路 19651971 20万万 晶体管晶体管 19581964 4万万 电子管电子管 19461957 速度速度 /（次（次/秒）秒） 硬件技术硬件技术 时间时间 代代三三四四二二一一 可见：可见：20世纪世纪50年代出现了晶体管，年代出现了晶体管，60年代和年代和70年年代以后，微电子技术的发展使得整个情况发

34、生了根本代以后，微电子技术的发展使得整个情况发生了根本的变化。的变化。 20世纪世纪70年代以后，微电子芯片的集成度每年代以后，微电子芯片的集成度每18个月就个月就翻一番，这就是著名的翻一番，这就是著名的莫尔定律莫尔定律。计算机系统结构 比如比如1971年年Intel的的4004微处理器刚刚出现时，在一微处理器刚刚出现时，在一个芯片中集成了个芯片中集成了2300个晶体管，到发展到个晶体管，到发展到90年代的奔腾年代的奔腾6（Pentium-6）一个芯片里就含有）一个芯片里就含有600万个晶体管。万个晶体管。 在短短的在短短的20几年里，晶体管数提高了将近几年里，晶体管数提高了将近3千倍。千倍。

35、 现代微电子芯片，一个芯片里则已含有现代微电子芯片，一个芯片里则已含有10001000万个晶体管以上。万个晶体管以上。0 0101020203030404050506060707080809090第一季度第一季度第二季度第二季度第三季度第三季度第四季度第四季度东部东部西部西部北部北部 计算机系统结构 从计算机的存储器发展来看，从计算机的存储器发展来看，存储器的容量提高存储器的容量提高的速度更快。的速度更快。计算机系统结构 19711971年的内存储器才是年的内存储器才是1Kb1Kb（信息单位信息单位），到了），到了19941994年就变成了年就变成了64Mb64Mb，提高了六万倍。，提高了六万

36、倍。 到到90年代末，集成度年代末，集成度109，也就是进入所谓，也就是进入所谓“ “G”（G；千兆）芯片年代，它的密度差不多达到人脑中；千兆）芯片年代，它的密度差不多达到人脑中神经元密度水平。神经元密度水平。（人脑是由（人脑是由1010-1011个神经细胞组成的（个神经细胞组成的（100亿个）亿个） 但是须指出的但是须指出的：CMOS元件的开关速度比人脑神经元元件的开关速度比人脑神经元的传输速度要快的传输速度要快108。当其密度可以同人脑神经元相当时，。当其密度可以同人脑神经元相当时，可以想象计算机的功能将是何等的强大。所以过去一台可以想象计算机的功能将是何等的强大。所以过去一台大型计算机，

37、现在就可以变成台式机、掌上机，象笔记大型计算机，现在就可以变成台式机、掌上机，象笔记本一样大。另外，利用嵌入式技术，本一样大。另外，利用嵌入式技术，可以实现非常小的可以实现非常小的嵌入式计算机芯片嵌入式计算机芯片。计算机的运算速度也是突飞猛进地发展计算机的运算速度也是突飞猛进地发展 中国超级计算机发展年谱中国超级计算机发展年谱中国超级计算机发展年谱中国超级计算机发展年谱型号型号(峰值峰值) 面世时间面世时间 每秒运算速度每秒运算速度银河银河 1983年年 1亿次亿次曙光一号曙光一号 1992年年 6.4亿次亿次银河银河 1994年年 10亿次亿次银河银河 1997年年 130亿次亿次神威神威

38、1999年年 3840亿次亿次深腾深腾1800 2002年年 1万亿次万亿次曙光曙光4000A 2004年年11万亿次万亿次神威神威3000A 2007年年18万亿次万亿次深腾深腾7000 2008年年 106.5万亿次万亿次曙光曙光5000A 2008年年230万亿次万亿次天河天河-I2009年年 1000万亿次万亿次 新排名：全球第三新排名：全球第三 然而，经过近然而，经过近7070年的快速发展，目前的主流计算机仍年的快速发展，目前的主流计算机仍然采用然采用“冯冯. . 诺依曼诺依曼”结构和图灵式数学模型结构和图灵式数学模型“存储存储程序程序”结构。即：结构。即： 按地址读出存储程序和数据

39、，并依次加以执行或计算。按地址读出存储程序和数据，并依次加以执行或计算。 0 0101020203030404050506060707080809090第一季度第一季度第三季度第三季度东部东部西部西部北部北部 任务须任务须首先编首先编制成程制成程序和数序和数据存入据存入计算机计算机计算机系统结构处理器依次处处理器依次处理指令，最终理指令，最终完成任务。完成任务。 原因在于原因在于：计算机本身的性能得到飞速发展。这种性计算机本身的性能得到飞速发展。这种性能上的变化可以概括为：能上的变化可以概括为： 从从4K4K到到4G4G的变化的变化， 即：即：运算速度运算速度: 1K 1G bits/sec

40、存储密度存储密度： 1K 1G bits/inch 传输速度传输速度: 1K 1G bits/sec 计算机数量：计算机数量：0.1K 0.1G 台台 （数百台数百台数亿台数亿台） 人们预计到人们预计到21世纪，计算机的性能将实现世纪，计算机的性能将实现从从4G到到4个个“T”的变化的变化（1T=1,000G），），“T”的中文译为的中文译为“太太”。 计算机系统结构 从从20世纪世纪40年代到现在，主流计算机的结构原理年代到现在，主流计算机的结构原理并没有发生大的变化，那么计算机的应用为什么会发并没有发生大的变化，那么计算机的应用为什么会发生如此大的变化呢？生如此大的变化呢？系统结构的发展计

41、算机的系统结构的计算机的系统结构的发展趋势发展趋势： 将进入以通信为中心将进入以通信为中心的多网共享体系结构。的多网共享体系结构。 计算机智能化将进计算机智能化将进一步发展，进入知识一步发展，进入知识推理、自学习阶段。推理、自学习阶段。 非非诺伊曼型诺伊曼型结构的结构的计算机研究日趋成熟，计算机研究日趋成熟，如：生物计算机、神如：生物计算机、神经元计算机经元计算机、量子计量子计算机等。算机等。系统结构的发展计算机的系统结构的计算机的系统结构的发展趋势发展趋势： 不仅用多处理机技不仅用多处理机技术来实现并行计算术来实现并行计算机，而且会出现计机，而且会出现计算机的动态结构算机的动态结构（如：近期

42、（如：近期IntelIntel公公司多内核计算机技司多内核计算机技术等）。术等）。 多媒体技术将有重大突破和发展多媒体技术将有重大突破和发展。 1.4 1.4 计算机的软件结构计算机的软件结构包括：包括： 软件的组成和分类软件的组成和分类 软件的发展历程软件的发展历程 计算机的软件结构计算机的软件结构1.4.1 软件的组成和分类软件的组成和分类 软件软件：计算机中的各种程序，统称为这台计算机的软计算机中的各种程序，统称为这台计算机的软件或软件系统。件或软件系统。软件类别软件类别： 系统程序系统程序和和应用程序应用程序。 软件的组成和分类软件的组成和分类系统程序系统程序：用来简化程序设计用来简化

43、程序设计, ,简化使用方法简化使用方法, ,提高计提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途的软件。的软件。应用程序应用程序：用户利用计算机来解决某些问题所编用户利用计算机来解决某些问题所编制的程序，随着计算机的广泛应用，这类程序的制的程序，随着计算机的广泛应用，这类程序的种类越来越多。种类越来越多。 1.4.2 软件的发展历程软件的发展历程 以系统程序为例，简要说明软件的发展演变过程。以系统程序为例，简要说明软件的发展演变过程。1. 1. 机器语言机器语言程序程序 直接用直接用机器语言机器语言编写的程序编写的程序(早期手编早期手编)，这种程

44、序运，这种程序运行速度最快。行速度最快。 2. 汇编程序汇编程序 用一些约定的文字、符号和数字按规定的格式来表用一些约定的文字、符号和数字按规定的格式来表示各种不同的指令，然后再用这些特殊符号表示的指示各种不同的指令，然后再用这些特殊符号表示的指令来编写程序，这就是所谓的令来编写程序，这就是所谓的汇编语言汇编语言。（。（需要熟悉需要熟悉机器语言格式机器语言格式）软件的发展和演变软件的发展和演变二进制代码语言二进制代码语言3. 源程序源程序为了进一步实现程序自动化和便于程序交流，使为了进一步实现程序自动化和便于程序交流，使不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机，不熟悉具体计算机的人也能很方便

45、地使用计算机，人们又创造了各种接近于数学语言的人们又创造了各种接近于数学语言的算法语言算法语言。 算法语言算法语言是指按实际需要规定好的一套基本符是指按实际需要规定好的一套基本符号以及由这套基本符号构成程序的规则。比较接近号以及由这套基本符号构成程序的规则。比较接近数学语言，直观通用，与具体机器无关，只要稍加数学语言，直观通用，与具体机器无关，只要稍加学习就能掌握，便于推广使用计算机。学习就能掌握，便于推广使用计算机。 源程序 用算法语言编写的程序称为用算法语言编写的程序称为源程序源程序，注意到：这，注意到：这种源程序是不能由机器直接识别和执行的，必须把种源程序是不能由机器直接识别和执行的，必

46、须把源程序翻译为机器语言。源程序翻译为机器语言。 通常采用通常采用编译系统法编译系统法或或解释系统法解释系统法来完成转换。来完成转换。编译系统法编译系统法： 计算机配置一套用机器语言写的计算机配置一套用机器语言写的编译编译程序程序，它把源程序翻译成目的程序，然后由机器去，它把源程序翻译成目的程序，然后由机器去执行。但由于目的程序一般不能独立运行，还需要执行。但由于目的程序一般不能独立运行，还需要一种叫做一种叫做运行系统运行系统的辅助软件来帮助。通常，把的辅助软件来帮助。通常，把“编译程序编译程序+运行系统运行系统”称为称为编译系统编译系统。解释系统法解释系统法：源程序通过所谓的源程序通过所谓的

47、解释系统解释系统进行解释进行解释执行，特点是对源程序的语句直接边解释、边执行执行，特点是对源程序的语句直接边解释、边执行语句，进而逐步得出计算结果。它不是先编出目的语句，进而逐步得出计算结果。它不是先编出目的程序后再执行。程序后再执行。操作系统操作系统操作系统 ( (见教材见教材P13)P13) 操作系统实质上是一种操作系统实质上是一种计算机计算机资源管理软件资源管理软件，专，专用来管理计算机资源和自动调度用户的作业程序用来管理计算机资源和自动调度用户的作业程序, ,解决解决人人- -机之间的不协调机之间的不协调, ,充分发挥计算机资源的效率充分发挥计算机资源的效率, ,甚至甚至可使多个用户可

48、使多个用户或多个任务或多个任务能有效地共用一套计算机系能有效地共用一套计算机系统统，进而大大提高计算机的工作效率。（，进而大大提高计算机的工作效率。（管家管家） 无操作系统的机器通常被称作无操作系统的机器通常被称作“裸机裸机”。 操作系统目前大致分为操作系统目前大致分为批处理操作系统批处理操作系统、分时分时操作系统操作系统、网络操作系统网络操作系统、实时操作系统实时操作系统 等多种。等多种。 数据库管理系统数据库管理系统数据库管理系统 随着计算机在信息处理、情报检索及各种管理系随着计算机在信息处理、情报检索及各种管理系统中应用的发展，要求大量处理某些数据，建立和统中应用的发展，要求大量处理某些

49、数据，建立和检索大量的表格。检索大量的表格。 所谓所谓数据库数据库就是实现有组织地、动态地存储或就是实现有组织地、动态地存储或查询大量相关数据，方便多用户访问的计算机软、查询大量相关数据，方便多用户访问的计算机软、硬件资源组成的系统。硬件资源组成的系统。 数据库和数据库管理软件一起，组成了数据库和数据库管理软件一起，组成了数据库数据库管理系统管理系统。 随着计算机技术的快速发展，软件设计技术也随着计算机技术的快速发展，软件设计技术也在不断丰富和完善。在不断丰富和完善。1.5 1.5 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构现代计算机系统结构组成的基本模

50、式现代计算机系统结构组成的基本模式 程序设计程序设计 应用软件应用软件硬硬 件结构件结构操作系统操作系统 计算问题计算问题算法与数算法与数据结构据结构 高级语言高级语言 性能评价性能评价 联联 接接 ( ( 编编 译译, ,加加 载载 ) )1.5.1 1.5.1 多级组成的计算机系统多级组成的计算机系统 现代计算机系统是一个由硬件现代计算机系统是一个由硬件/固件和软固件和软件组成的复杂的多层次结构系统，其层次结构件组成的复杂的多层次结构系统，其层次结构示意图，见书示意图，见书P14图图1.7及及CAI演示演示 。 各级结构的基本特点各级结构的基本特点 （书（书P14P14）多级组成的计算机系

51、统多级组成的计算机系统典型计算机系统的层次结构典型计算机系统的层次结构 ： 应应 用用 语语 言言 级级高高 级级 语语 言言 级级汇汇 编编 语语 言言 级级操操 作作 系系 统统 级级传传 统统 机机 器器 级级微程序机器级微程序机器级硬件逻辑电路硬件逻辑电路 应用软件应用软件 系统软件系统软件 翻译翻译( (编译程序编译程序) ) 翻译翻译( (编译程序编译程序) ) 软硬件界面软硬件界面 物理机物理机(硬件硬件) 解释解释翻译翻译( (汇编程序汇编程序) )虚拟机虚拟机(软件软件)硬件硬件固件固件翻译翻译( (应用程序包应用程序包) )1.5.2 软件与硬件的逻辑等价性软件与硬件的逻辑

52、等价性 软件的特点软件的特点 易于实现各种逻辑和复杂运算功能，易于实现各种逻辑和复杂运算功能，但是常受到速度指标和软件容量的制约；但是常受到速度指标和软件容量的制约；硬件的特点硬件的特点 可以高速实现逻辑和运算功能，但是可以高速实现逻辑和运算功能，但是难以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的难以实现复杂功能或计算，受到控制复杂性指标的制约。制约。软件与硬件的逻辑等价性软件与硬件的逻辑等价性 各类容量大、价格低、体积小、可以改写的各类容量大、价格低、体积小、可以改写的只读存只读存储器储器提供了软件固化的良好手段。现在已经可以把许提供了软件固化的良好手段。现在已经可以把许多复杂的、常用的程序制

53、作成所谓多复杂的、常用的程序制作成所谓固件固件。就它的功能。就它的功能来说，是软件；但从形态来说，又是硬件。来说，是软件；但从形态来说，又是硬件。即：软件与硬件的界限已日趋模糊即：软件与硬件的界限已日趋模糊 逻辑等价性逻辑等价性 因此，本来通过软件手段来实现的某种功能，现因此，本来通过软件手段来实现的某种功能，现在可以通过硬件（固件）来直接解释执行。在可以通过硬件（固件）来直接解释执行。 进一步的发展，就是设计所谓进一步的发展，就是设计所谓面向高级语言的面向高级语言的计算机计算机。这样的计算机，可以通过硬件直接解释执。这样的计算机，可以通过硬件直接解释执行高级语言的语句，而不需要先经过编译程序

54、的处行高级语言的语句，而不需要先经过编译程序的处理。传统的软件部分，今后完全有可能理。传统的软件部分，今后完全有可能“固化固化”甚甚至至“硬化硬化”，这将大大提高计算机的处理速度。，这将大大提高计算机的处理速度。 1.5.3 三个常用术语的物理概念三个常用术语的物理概念 计算机体系结构计算机体系结构(Computer architecture）： 定义为：机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性，包含概念性结构和功能特性两个方面。这些属性是机器语言程序设计者（或者编译程序生成系统）为使其所设计（或生成）的程序能在机器上正确运行，所需遵循的计算机属性。 对通用寄存器型机器来说，这些属性主要包

55、括：数据表示、寻址规则、寄存器定义、指令集、终端系统、存储系统、信息保护、I/O结构等。 (概念结构与功能属性概念结构与功能属性)计算机组织计算机组织(Computer organization）（也称计算机组成）： 计算机体系结构的逻辑实现，包括物理机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。它着眼于物理机器级内各事件的排序方式与控制方式，各部件的功能以及各部件的联系。 (逻辑结构与控制属性逻辑结构与控制属性)计算机实现计算机实现(Computer implementation）： 指的是计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连

56、接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等具体实现方法。(物理结构属性物理结构属性)相互之间的关系： （1）具有相同体系结构(如指令系统相同)的计算机，因为速度要求不同等因素，例如对指令流的处理，在时间上可以按顺序方式进行，也可以按重叠方式进行，以提高处理速度。即：可以采用不同的计算机组成计算机组成。 （2）一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现方法。例如，主存器件可以采用SRAM芯片，也可以采用DRAM芯片。可以采用大规模集成电路单个芯片，也可以采用中小规模集成电路进行构建。显然，这取决于性能/价格比的要求与器件技术的现状。 可见：可见：结构、组成、实现结构、组成、实现三者之间有着紧密的关

57、系。三者之间有着紧密的关系。 1.5.4 1.5.4 计算机体系结构的基本类型计算机体系结构的基本类型 从计算机体系结构的并行性能出发，按照指令流和数据流的不同组织方式，通常把计算机系统的结构分为以下四类： (1) 单指令流单数据流SISD (2) 单指令流多数据流SIMD (3) 多指令流单数据流MISD (4) 多指令流多数据流MIMD 其中：SISD是传统的单处理计算机。SIMD以向量处理机为代表。MISD找不到实际计算机 (不使用）。MIMD的代表是多处理机和机群系统。 (见教材P16)1.5.5 计算机的性能指标计算机的性能指标 （教材P5）吞吐量吞吐量表征一台计算机在设定的时间间隔内能够处理的信息量 。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度量，用时间单位来度量，例如微秒