计算机组成原理

1、1计算机组成原理计算机组成原理第一章概论第一章概论 定义定义：电子计算机是一种不需要人工直接干预，能够自：电子计算机是一种不需要人工直接干预，能够自动、高速、准确地对各种信息进行高速处理和存储的电子动、高速、准确地对各种信息进行高速处理和存储的电子装置。装置。 信息信息：可以是数值、文字、图形、声音、视频等多种不：可以是数值、文字、图形、声音、视频等多种不同的信息，其表现手段可以采用数字形式或模拟量形式。同的信息，其表现手段可以采用数字形式或模拟量形式。但现代计算机大多采用数字形式。但现代计算机大多采用数字形式。 运算运算：主要包括算术和逻辑运算。：主要包括算术和逻辑运算。 处理处理：除计算功

2、能外，还能进行搜索、识别、变换，甚：除计算功能外，还能进行搜索、识别、变换，甚至联想。至联想。21.1 计算机的发展历史计算机的发展历史 1946.2.15第一台计算机第一台计算机ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Calculator-电子数字积分器和计算器电子数字积分器和计算器)问世。共用了问世。共用了18000个电个电子管，子管，6000多个继电器，多个继电器，7000个左右的电阻，个左右的电阻，1000只左右的电容器只左右的电容器，耗电量，耗电量150KW，重达，重达30吨，占地面积吨，占地面积170m2，1955.10.2正式退役正式

3、退役。 1.1.1 更新换代的计算机硬件更新换代的计算机硬件 根据组成计算机的电子器件，把电子计算机分为四个发展阶段：根据组成计算机的电子器件，把电子计算机分为四个发展阶段： 第一代计算机第一代计算机 19461957 电子管电子管 第二代计算机第二代计算机 19581964 晶体管晶体管 第三代计算机第三代计算机 19651974 中小规模集成电路：中小规模集成电路：MSI、SSI 第四代计算机第四代计算机 19751990 超大规模集成电路超大规模集成电路 VLSI 第五代计算机第五代计算机 1991 超级规模集成电路超级规模集成电路 ULSI、ELSI、VHSI 3 计算机的发展遵循一个

4、定律计算机的发展遵循一个定律摩尔摩尔(Golden Moore)定律定律：“由于由于硅技术的不断改进，每硅技术的不断改进，每18 个月集成度将翻一翻，速度将提高一倍，个月集成度将翻一翻，速度将提高一倍，而其价格将降低一半。而其价格将降低一半。” 摩尔定律对计算机工业的发展具有重要意义：摩尔定律对计算机工业的发展具有重要意义： 定律预测半导体产品和技术每经过一年半时间会加倍，如果你定律预测半导体产品和技术每经过一年半时间会加倍，如果你的速度慢于这个定律的指标，将会有被淘汰的危险。的速度慢于这个定律的指标，将会有被淘汰的危险。 芯片价格的持续下降，一方面迫使公司必须采取正确的价格策芯片价格的持续下

5、降，一方面迫使公司必须采取正确的价格策略，一方面也为计算机的普及创造了条件。略，一方面也为计算机的普及创造了条件。 定律不仅适用于硬件，同时也驱动着软件工业和市场的发展。定律不仅适用于硬件，同时也驱动着软件工业和市场的发展。 以以IntelIntel产品为例，产品为例，见表见表1.11.1 摩尔定律面临的四大劫难：摩尔定律面临的四大劫难： 传统工业难以适应传统工业难以适应 “门门”越来越窄越来越窄 搀质的使用接近极限搀质的使用接近极限 传统材料难以适用传统材料难以适用 四代机时期以后的一个重要特点是计算机网络的发展与广泛应用四代机时期以后的一个重要特点是计算机网络的发展与广泛应用。大量的计算机

6、联入到不同规模的网中，然后可通过。大量的计算机联入到不同规模的网中，然后可通过Internet与世与世界各地计算机互联。界各地计算机互联。4Interl CPU性能比较性能比较51.1.2 日臻完善的计算机软件日臻完善的计算机软件 1汇编语言阶段汇编语言阶段(20世纪世纪50年代年代) 汇编语言程序是最早的软件设计抽象形式，代表了机器语言的第汇编语言程序是最早的软件设计抽象形式，代表了机器语言的第一层抽象。一层抽象。 2程序批处理阶段程序批处理阶段(20世纪世纪60年代年代) 3分时多用户阶段分时多用户阶段(20世纪世纪70年代年代) 4分布式管理阶段分布式管理阶段(20世纪世纪80年代年代)

7、 5软件重用阶段软件重用阶段(20世纪世纪90年代年代) 6Web服务阶段服务阶段(21世纪初期一现在世纪初期一现在) 61.2 计算机系统的硬件组成计算机系统的硬件组成1.2.1 计算机的功能部件计算机的功能部件 计算机的硬件系统计算机的硬件系统就是指组成一台计算机的各种物理装置，它是就是指组成一台计算机的各种物理装置，它是由各种实实在在的器件组成的，是计算机进行工作的物质基础。由各种实实在在的器件组成的，是计算机进行工作的物质基础。 计算机的硬件计算机的硬件(硬件系统硬件系统)通常由输入设备、输出设备、运算器、通常由输入设备、输出设备、运算器、存储器和控制器等五大部件组成，如图存储器和控制

8、器等五大部件组成，如图1-1所示。所示。 1输入设备输入设备 2输出设备输出设备3存储器存储器 如图如图1-2所示。所示。 I/O设备设备7 4运算器运算器(ALU) 如图如图1-3所示。所示。 5控制器控制器 图图1-3 运算器的简单框图运算器的简单框图81.2.2 冯冯诺依曼计算机诺依曼计算机 1945.6 J. .V.Neumunn发表了一篇著名的论文发表了一篇著名的论文Electronic Discrete Variable Computer(电子离散变量计算机电子离散变量计算机)，论文中给出，论文中给出了现代计算机的雏形，奠定了现代计算机的理论基础。因此，了现代计算机的雏形，奠定了现

9、代计算机的理论基础。因此，J. .V.Neumunn被称为被称为“电子计算机之父电子计算机之父”。 J. .V.Neumunn计算机的主要特点是计算机的主要特点是： 计算机采用五大部件计算机采用五大部件: : 运算器运算器 控制器控制器 存储器存储器 输入部件输入部件 输出部件输出部件 计算机内部采用二进制表示指令和数据计算机内部采用二进制表示指令和数据； 存储程序存储程序 即将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然即将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后启动后启动计算机不需要人工直接干预计算机不需要人工直接干预，能够自动、高速、准确地从存能够自动、高速、准确地从存储器中取出指令加以执

10、行。即储器中取出指令加以执行。即存储存储 程序程序并并按地址按地址顺序执行，是顺序执行，是V.Neumunn型计算机的工作原理。型计算机的工作原理。9 2早期的冯早期的冯诺依曼计算机诺依曼计算机图图l- -4 典型的冯典型的冯诺依曼计算机结构图诺依曼计算机结构图 3现代计算机组织结构现代计算机组织结构 几十年来，人们一直试图突破这一局限性，使计算机具有自学、几十年来，人们一直试图突破这一局限性，使计算机具有自学、推理、联想、思考等能力，即使计算机更智能化、更聪明。推理、联想、思考等能力，即使计算机更智能化、更聪明。现代计现代计算机组织结构逐步转变为以存储器为中心，如图算机组织结构逐步转变为以存

11、储器为中心，如图1- -5所示。但是现所示。但是现代计算机的基本结构仍然遵循冯代计算机的基本结构仍然遵循冯诺依曼思想。诺依曼思想。1011 1.3 计算机软件计算机软件 软件：软件：计算机系统中使用的计算机系统中使用的各种程序各种程序及其及其文挡文挡。 程序程序：计算任务的处理对象和规则的描述。：计算任务的处理对象和规则的描述。 文挡文挡：为了便于了解程序所需要的阐述性资料。：为了便于了解程序所需要的阐述性资料。 软件的作用软件的作用 软件的具体作用有三软件的具体作用有三： 在计算机系统中起着指挥和管理作用。在计算机系统中起着指挥和管理作用。 是用户和硬件的接口界面。是用户和硬件的接口界面。

12、是计算机体系结构的主要依据。是计算机体系结构的主要依据。 软件的发展过程软件的发展过程 其发展过程大致分为三个阶段其发展过程大致分为三个阶段： 从第一台计算机第一个程序出现到实用的高级程序设计语言出从第一台计算机第一个程序出现到实用的高级程序设计语言出现为第一个阶段现为第一个阶段(1945 1956)。 从实用的高级程序设计语言出现到软件工程出现为第二阶段从实用的高级程序设计语言出现到软件工程出现为第二阶段(1956 1968)。 从软件工程出现以后迄今为第三阶段从软件工程出现以后迄今为第三阶段(1968 )。12在计算机系统中，各种软件的有机组合构成了软件系统。基本的软在计算机系统中，各种软

13、件的有机组合构成了软件系统。基本的软件系统应包括系统软件与应用软件两大类。件系统应包括系统软件与应用软件两大类。1.3.1 系统软件系统软件 系统软件是一组保证计算机系统高效、正确运行的基础软件系统软件是一组保证计算机系统高效、正确运行的基础软件，包包括括OS和各类语言的编译程序等。和各类语言的编译程序等。通常作为系统资源提供给用户使通常作为系统资源提供给用户使用。主要有以下几类：用。主要有以下几类： 1. OS OS是软件系统的核心，是软件系统的核心，负责管理和控制计算机的硬件资源、软件负责管理和控制计算机的硬件资源、软件资源和程序的运行，包括并发控制、内存管理、处理机的进程线资源和程序的运

14、行，包括并发控制、内存管理、处理机的进程线程调度、程调度、I/O管理和磁盘调度、文件命名管理和磁盘调度、文件命名与管理等。与管理等。它是用户与计它是用户与计算机之间的接口，提供了软件的开发环境和运行环境。算机之间的接口，提供了软件的开发环境和运行环境。 2. 语言处理程序语言处理程序 完成翻译的程序就称为语言处理程序。通常有两种翻译方式完成翻译的程序就称为语言处理程序。通常有两种翻译方式： 一种称为解释，一种称为解释，通过解释程序对用程序设计语言编写的源程序边通过解释程序对用程序设计语言编写的源程序边解释边执行。解释边执行。 13 另一种称为编译另一种称为编译(Compiler)，编译程序将源

15、程序全部翻译为机器编译程序将源程序全部翻译为机器语言的目标程序后，再执行目标程序。这是一种更常语言的目标程序后，再执行目标程序。这是一种更常用的方式。用的方式。 3. DBMS 4. 分布式软件系统分布式软件系统 它包括分布式操作系统、分布式编译系统、分布式数据库系统、它包括分布式操作系统、分布式编译系统、分布式数据库系统、分布式算法及软件包等。分布式算法及软件包等。 5. 网络软件系统网络软件系统 它包括网络操作系统、通信软件、网络协议软件、网络应用系统它包括网络操作系统、通信软件、网络协议软件、网络应用系统等。等。 6. 各种服务程序各种服务程序1.3.2 应用软件应用软件 目前应用软件正

16、向标准化、集成化方向发展，许多通用的应用程目前应用软件正向标准化、集成化方向发展，许多通用的应用程序可以根据其功能组成不序可以根据其功能组成不同的应用软件包，供用户选择使用。同的应用软件包，供用户选择使用。141.4 计算机系统的组织结构计算机系统的组织结构1.4.1硬件与软件的关系硬件与软件的关系 所谓硬件、软件在逻辑功能上的等效是指任何由硬件实现的操作所谓硬件、软件在逻辑功能上的等效是指任何由硬件实现的操作，在原理上均可用软件模拟来实现；同样，任何由软件实现的操作，在原理上均可用软件模拟来实现；同样，任何由软件实现的操作，在原理上都可由硬件来实现。，在原理上都可由硬件来实现。因此在设计一个

17、计算机系统时，必因此在设计一个计算机系统时，必须根据设计要求、现有技术与器件条件，首先确定哪些功能直接由须根据设计要求、现有技术与器件条件，首先确定哪些功能直接由硬件实现，哪些功能通过软件实现，这就是硬件和软件的功能分配硬件实现，哪些功能通过软件实现，这就是硬件和软件的功能分配。 然后硬件和软件设计者各自根据分配的功能进行设计。然后硬件和软件设计者各自根据分配的功能进行设计。1.4.2 计算机系统的多级层次结构计算机系统的多级层次结构 计算机系统的多级层次结构，根据从各种角度所看到的机器之计算机系统的多级层次结构，根据从各种角度所看到的机器之间的有机联系，分清彼此之间的界面，明确各自的功能，以

18、便构成间的有机联系，分清彼此之间的界面，明确各自的功能，以便构成合理、高效的计算机系统。合理、高效的计算机系统。 关于计算机系统层次结构的分层方式，目前尚无统一的标准，这关于计算机系统层次结构的分层方式，目前尚无统一的标准，这里采用图里采用图1- -6所示的所示的层次结构。层次结构。 15应用软件应用软件系统软件系统软件硬件硬件固件固件16 在多级层次结构中，除了第在多级层次结构中，除了第1级和第级和第2级是实机器以外，上面几层级是实机器以外，上面几层均为虚机器，均为虚机器，所谓所谓虚机器是指用软件技术构成的机器。虚机器是指用软件技术构成的机器。1.4.3 计算机计算机硬件系统的组织硬件系统的

19、组织 计算机由五大基本部件组成，计算机由五大基本部件组成，那么把五大基本部件互连起来构成那么把五大基本部件互连起来构成计算机的硬件系统，就是计算机硬件系统的组织问题计算机的硬件系统，就是计算机硬件系统的组织问题。 总线是一组可为多个功能部件共享的公共信息传送线路总线是一组可为多个功能部件共享的公共信息传送线路。为保证。为保证总线上信息不至于冲突，总线上信息不至于冲突，共享总线的各个部件共享总线的各个部件总线发总线发送信息送信息，以保证总线上信息每时每刻都是以保证总线上信息每时每刻都是惟一的惟一的。但是总线上的各。但是总线上的各个部件可同时接收总线上的信息个部件可同时接收总线上的信息 CPU内部

20、总线内部总线 这是一级数据线，是用来连接这是一级数据线，是用来连接CPU内部各寄存器和算术逻辑部件内部各寄存器和算术逻辑部件的总线。的总线。在微型在微型计算机系统中，计算机系统中，CPU内部总线就是芯片内的总线内部总线就是芯片内的总线。 部件内总线部件内总线 在计算机中，通常按功能模块制作成插件，在插件上也常采用在计算机中，通常按功能模块制作成插件，在插件上也常采用总线结构连接有关芯片。这一级属芯片间的总线。总线结构连接有关芯片。这一级属芯片间的总线。 17 系统总线系统总线 这是连接系统内各大部件如这是连接系统内各大部件如CPU、主存、主存、I/O设备等的总线设备等的总线，它它是连接整机系统

21、的基是连接整机系统的基 础础。系统总线包括地址线、数据线、控制。系统总线包括地址线、数据线、控制/状状态信号线。态信号线。 外总线外总线 计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信总线计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信总线。 按照总线信息传送方向区分，总线又可分为按照总线信息传送方向区分，总线又可分为单向总线与双向总线单向总线与双向总线两种。两种。 连接总线的某些部件只能有选择地将信息传向另一些部件，称为连接总线的某些部件只能有选择地将信息传向另一些部件，称为。 连接总线的任何一个部件可以有选择地向总线上的任何一个部件连接总线的任何一个部件可以有选择地向总线上的任何一个部件发送

22、信息，也可以有选择地接收总线上任何一发送信息，也可以有选择地接收总线上任何一个部件发送来的信息个部件发送来的信息，这种双向传送信息的总线称为，这种双向传送信息的总线称为。 1819第第7章章43#2021221.5 计算机的特点和性能指标计算机的特点和性能指标 1.5.1 计算机的工作特点计算机的工作特点 计算机主要有如下一些特点：计算机主要有如下一些特点： 能自动连续地工作能自动连续地工作 由于计算机采用存储程序工作方式，一旦输人了编制好的程序，由于计算机采用存储程序工作方式，一旦输人了编制好的程序，启动计算机后，它就启动计算机后，它就能按程序自动地执行下去，直到完成预定的任能按程序自动地执

23、行下去，直到完成预定的任务为止。务为止。 运算速度快运算速度快 运算精度高运算精度高 具有很强的存储能力和逻辑判断能力具有很强的存储能力和逻辑判断能力 通用性强通用性强1.5.2 计算机的性能指标计算机的性能指标 基本字长基本字长 基本字长是指参与运算的数的基本位数。字长也是硬件组织的基基本字长是指参与运算的数的基本位数。字长也是硬件组织的基本单位本单位 。23 ，当，当i位十进制数位十进制数与与j位二进制数位二进制数比较时，存比较时，存在下列等式：在下列等式： 10i=2j 两边取对数得两边取对数得3 . 32ln10ln ij 主存容量主存容量 主存储器所能存储的最大信息量称为主存容量。主

24、存储器所能存储的最大信息量称为主存容量。计算机的处理能计算机的处理能力在很大程度上取决于主存容量的大小。力在很大程度上取决于主存容量的大小。 通常以字节数表示主存容量通常以字节数表示主存容量 。在以字为单位的计算机中常用字在以字为单位的计算机中常用字数乘以字长表示主存容量，如数乘以字长表示主存容量，如512K32位位。 24表表1- -1 存储容量计量单位存储容量计量单位 单位单位通常意义通常意义(通信用通信用)二进制表示二进制表示K(Kilo)103210=1 024 M(Mega)106220= 210K= 1 048 576 G(Giga)109230= 210M= 220K= 1 07

25、3 741 824T(Tera) 1012240= 210G= 220M= 230K=1 099 511 627 776P(Peta)1015250= 210T= 220G= 230M= 240K=1 125 899 906 842 624 运算速度运算速度 以加法指令的执行时间为标准来计算。以加法指令的执行时间为标准来计算。 根据不同指令在程序中出现的频度，乘上不同的系数，求得系根据不同指令在程序中出现的频度，乘上不同的系数，求得系统平均值，得到平均运算速度。统平均值，得到平均运算速度。 具体指明每条指具体指明每条指令的执行时间。令的执行时间。 25 目前计算机文献中常使用每秒平均执行的指令

26、条数目前计算机文献中常使用每秒平均执行的指令条数(IPS)作为运算作为运算速度单位，如速度单位，如MIPS(每秒钟百万条指令每秒钟百万条指令)或或MFLOPS(每秒钟百万条每秒钟百万条浮点运算浮点运算)。610 执行时间执行时间指令条数指令条数MIPS610 执行时间执行时间浮点运算次数浮点运算次数MFLOPS 一般一般MIPS用于描述标量运算性能指标，用于描述标量运算性能指标，MFLOPS描述向量运算描述向量运算性能指标性能指标。 有的计算机系统也用主时钟频率反映速度的快慢。有的计算机系统也用主时钟频率反映速度的快慢。 所配置的外部设备及其性能指标所配置的外部设备及其性能指标 系统软件的配置

27、系统软件的配置 包括操作系统、高级语言、应用软件等，表明了它当前的功能。包括操作系统、高级语言、应用软件等，表明了它当前的功能。 此外，还有可靠性、可用性、可维护性、安全性、兼容性等性能此外，还有可靠性、可用性、可维护性、安全性、兼容性等性能指标。指标。261.6 计算机的分类与应用计算机的分类与应用1.6.1计算机的分类计算机的分类 计算机有多种分类方法计算机有多种分类方法： 按处理信息的表示形式不同分按处理信息的表示形式不同分 模拟计算机模拟计算机 数字计算机数字计算机 按计算机字长分按计算机字长分 计算机字长反映了计算机处理信息并行位的能力，可分为计算机字长反映了计算机处理信息并行位的能

28、力，可分为8位机、位机、16位机、位机、32位机、位机、4848位机、位机、6464位机等。位机等。 按其用途分按其用途分 专用机专用机 通用机通用机 通用机按规模、性能和价格分通用机按规模、性能和价格分 巨型机巨型机(Super Computer)：根据体系结构和技术水平分又分四：根据体系结构和技术水平分又分四代代 27 SIMD 具有流水线结构的向量机具有流水线结构的向量机(VP) MIMD的共享的共享MM多处理机系统多处理机系统(MP) 大规模并行处理机系统大规模并行处理机系统MPP 此外，价格与超级小型机相当，但功能接近巨型机的一类高性能此外，价格与超级小型机相当，但功能接近巨型机的一

29、类高性能计算机计算机- -小巨型机小巨型机(Mini supercomputer)。 大型机大型机(Large scale Computer、Main-frame) 小型机小型机(Minicomputer) 1977年以来，在小型机基础上发展而成超级小型机年以来，在小型机基础上发展而成超级小型机(Super- -mini Computer) ，与原来小型机软件兼容，但性能又高于小型机。，与原来小型机软件兼容，但性能又高于小型机。 工作站工作站(Workstation) 个人机个人机(Personal Computer) 以微处理器为以微处理器为CPU而组成的计算机系统，到目前为止分为而组成的计

30、算机系统，到目前为止分为4个阶个阶段段： 1971年年 1977年以年以Intel8080、8085，Zilog公司的公司的z-80及及Motorola的的M6800为代表的为代表的8位位P，有较完整的指令系统和较强的，有较完整的指令系统和较强的功能，存储容量为功能，存储容量为64KB。已配有简单的。已配有简单的OS(如如CP/M)。28 1978年年 1981年，年， 以以16位或准位或准32位位P为基础，采用了为基础，采用了VM、存储保护等小型机或大型机上所用的技术，存储保护等小型机或大型机上所用的技术，1MB内存，开始使用较内存，开始使用较大容量的软盘和硬盘。大容量的软盘和硬盘。 20世

31、纪世纪80年代初至中期，年代初至中期，IBM公司推出了以公司推出了以80 x86 P 为为CPU的开放式的的开放式的IBM PC机，主要芯片有机，主要芯片有8086、80286和和80386，MS- -DOS成为主流成为主流OS，BUS实际成了国际工业生产的主要标准，微机实际成了国际工业生产的主要标准，微机得到了迅速的发展。得到了迅速的发展。 20世纪世纪80年代后期开始，年代后期开始，RISC技术出现使技术出现使P的体系结构发的体系结构发生了重大的变革，出现生了重大的变革，出现RISC与与CISC计算机相互学习、相互促进、计算机相互学习、相互促进、共同发展的新局面。典型的共同发展的新局面。典型的P有有Pe