计算机组成与结构

1、计算机组成与结构本课程学习内容计算机组成、结构、操作及性能的基本概念 计算机系统结构 计算机组成 计算机实现本课程学习目标 掌握计算机各部件的基本组成及整机 的结构原理； 掌握计算机软硬件工作原理； 学会分析的方法，能对计算机工作原 理进行分析，并得出结论； 掌握设计的基本方法，能根据要求进 行一般设计； 研究提高计算机性能的方法。参考书目 David A.Patterson,John L.Hennessy:Computer Organization and Design The Hardware/ Software Interface,Third Edition 唐朔飞：计算机组成原理，高等

2、教育出版 William Stallings著，张昆藏等译：计算机组织与体系结构 性能设计，清华大学出版社 白中英主编: 计算机组成原理，科学出版社1 计算机概念和技术1 计算机概念和技术1.1 概述1.2 计算机系统的层次结构1.3 计算机的基本结构1.4 冯.诺依曼计算机结构特点1 计算机概念和技术1.1 概述1.1 概述一、计算应用的类型及特征应用不同，使用的核心硬件技术有所不同，典型的有三类应用 P3图1-1、P4图1-2 桌面电脑以个人电脑为代表，台式计算是最大的计算机市场之一，计算技术的很多革新由此推出一、计算应用的类型及特征 服务器制造服务器的基本技术同台式机，但需要： 扩展性好

3、 计算能力强 输入输出方便快捷 高可靠性低端服务器：文件存储、小型商务应用、 简单的Web服务等高端服务器（超级计算机）：天气预报、石油勘察、蛋白质结构判定等一、计算应用的类型及特征 超级计算机功能极其强大，最高速度达上千万亿次国产典型产品有：天河一号、星云Cray-1、-2、-3 银河I、II、III曙光4000A、5000全球高性能计算机500强排行榜： 以实测速度为基准，每年两次公布中国高性能计算机100强排行榜： .cn 2011年11月全球500强排名： 美国：263台 中国：74台（总数第二） 排名前十的超级计算机： 1. 日本 “京 ” 运行速度：10.51千万亿次/秒 2. 中

4、国 “天河一号” 2.57 3. 美国 “美洲豹” 1.759 4. 中国 “星云” 1.271 5. 日本 “燕子2.0” 1.192 6. 美国 “Cielo” 1.11 7. 美国 “昴星团” 1.088 8. 美国 “Hopper” 1.054 9. 法国 “Tera-100” 1.0510. 美国“走鹃” 1.042 超级计算机天河一号国际TOP500组织2011年11月在网站上公布了最新全球超级计算机500强排行榜，中国“天河一号” 雄踞第二。 峰值速度4700万亿次，持续速度2570万亿次每秒浮 点运算。运算1小时相当于13亿人同时计算340年， 相当于1台双核高档桌面电脑运算6

5、20年以上。 存储容量为1千万亿字节，相当于存储100万字的书 籍10亿册。 由140个机柜组成，占地面积达700多平方米。 满负荷运行的总功耗为4.04兆瓦，即每小时耗电 4040度。在国际绿色超级计算机排名中名列第四。 超级计算机 操作系统软件采用自主研制的“麒麟”，用户可定制 “私密”空间，安全性很高，是国内唯一通过中国 公安部B2级（最高安全等级）认证的操作系统。 主要采用美国公司生产的处理器（已着手国产化研 制，部分已实施）。但内部的互联技术自主研发， 具备最先进水平。互联技术主要涉及处理器之间的 信息流动，对于超级计算机的整体性能起到关键作 用。 超级计算机 主要特色： 1.结构设

6、计上采用通用CPU和GPU结合的构架。保证在有 限场地、有限资金、有限电源容量的情况下实现高效 计算。中国最先在世界上成功运用了这条技术路线。 2.自主研制的互联通信整套软硬件可以把几万颗微处理 器高效地联系在一起，求解一个问题。如果没有高效 互联，CPU、GPU数量越多，实用性能反而会越低。 “天河”的互联通信系统最核心的是两片芯片，一是路 由器，实现数据交换。传统上是一个大开关，现在单 片上用许多小的交换开关，以实现更强大的数据交换 能力。二是网络接口，有效、合理地分配了通信接口 的软硬件功能，保证了数据能快速进出计算部件，使 多个计算部件协调工作，来求解一个问题。一、计算应用的类型及特征

7、 嵌入式计算机嵌入式计算系统被设计用来完成单一的或一组相关的应用，通常被集成在硬件中，作为一个整体系统使用特点：功耗、成本低，可靠性高，体积 小，实现最低限度的性能要求广泛用于家用电器和各种智能仪表中 1.1 概述二、计算机发展历程 历史 第一代：1946年开始，电子管计算机 第二代：1958年开始，晶体管计算机 IBM公司成为主要计算机制造商 第三代：1965年开始，中小规模集成电路计算机 微程序、并行性、流水线技术、OS、 Cache、虚拟存储技术 IBM: 360主机； 数字设备公司：PDP系列小型机 第四代：1971年开始，大规模和超大规模集成电路 计算机 PC、笔记本电脑、工作站、网

8、络 CPU发展Intel产品系列 Pentium：引入了超标量（Superscalar）技术，允 许更多指令并行执行 Pentium Pro：引入了包括寄存器重命名、转移预测、 数据流分析、推测执行等技术 Pentium ：融入了专门用于有效处理视频、音频和 图形数据的Intel MMX技术 Pentium ：融入了新的浮点指令，以支持三维图形 软件 Pentium ：使用64位组织结构的新一代Intel处理 器第一个采用超标量结构的微处理器IBM公司的“美国”是RS/6000系列微处理器的前身二、计算机发展历程 技术发展 改进性：基本保留冯.诺依曼计算机结构模 式，但进行不断改进以提高计算

9、机系统的性能 革命性：采用冯.诺依曼型计算机完全不同 的计算模型和系统结构 数据流计算机 推理机 神经网络计算机系统 发展 并行性研究 超标量流水线计算机 向量流水计算机 阵列机 多处理机系统 等等继续关注指令级并行（ILP）所带来的高性能表现之外，还对线程级并行（TLP）和数据级并行（DLP）给予同样的关注 发展 并行性分类方法 Flynn教授1966年提出： 按指令流和数据流的多倍性概念进行 分类 SISD（单指令流单数据流） 传统的单CPU计算机属SISD结构 特点：每次仅对一个指令序列进行 译码，每条指令只对一个操 作部件分配数据 并行性分类方法 SIMD（单指令流多数据流） 阵列机、

10、流水式向量机属SIMD结构一个运算控制器和多个运算单元一个处理器顺序对许多数据元素进行操作 MIMD（多指令流多数据流） 多处理机系统属MIMD结构 特点：各处理机在各自程序控制下，独 立地对数据进行协作运算 MISD（多指令流单数据流） 现有的程序结构无法影射到MISD结构1.1 概述三、程序性能制约因素：20世纪60-70年代：内存容量目前： 存储器的层次化特性 处理器的并行性特性取决因素：算法程序设计语言、编译器和体系结构处理器和存储器系统I/O系统（硬件和操作系统）三、程序性能通过相关章节学习 P5表掌握： 软硬件的工作原理及性能影响 软硬件接口 提高性能的方法 在现代计算机设计中所采

11、用的技术1 计算机概念和技术1.1 概述1.2 计算机系统的层次结构1.2 计算机系统的层次结构计算机系统是一个由硬件、软件组成的多级层次结构 应用程序功能相当复杂，而计算机硬件只能执行极其简 单的低级指令 所以从一个复杂的应用到简单的指令，其间需要多层软 件，逐级将高层操作解释或翻译成底层的计算机指令 P6图1-3 阶于应用软件和硬件之间的是系统软件 核心系统软件：操作系统、编译器 操作系统： 处理基本输入输出操作 分配存储空间及内存 为多个程序同时使用计算机提供支持 编译器：将用高级语言编写的程序翻译成硬件能够执行 的指令操作系统： 用户程序和OS共享处理器例1)系统仅有一个处理器、一个磁

12、盘和一台打印机。 设：应用程序已编译完成并存放在磁盘中。 将文件传送到内存中，传送结束，程序开 始执行； 程序执行时需到磁盘中读取数据文件； 对数据进行运算，打印结果。 由OS负责磁盘和打印机操作，其执行控制权转 换示意图如下：用户程序和OS共享处理器 OS将应用程序从磁盘装载到内存，传送结束将控制权交给应用程序OS将数据文件从磁盘装载到内存，传送结束将控制权交给应用程序OS打印结果，打印结束将控制权交给应用程序多任务方式（多道程序）： 磁盘和处理机在t4和t5段中大部分时间空闲， 可安排装载下一个程序； 同样，可在t0至t1段安排打印前一程序的结果 1.2 计算机系统的层次结构 微程序级 硬

13、件级 执行一系列微指令，解释执行机器指令 物理机器级 硬件级 执行机器指令，完成相应的功能 操作系统级 虚拟机 为系统的操作和程序设计提供平台 汇编语言级 虚拟机 为程序员提供一种符号形式语言 高级语言级 虚拟机 提供与计算机结构无关的程序设计语言重要的抽象是硬件与底层软件之间的接口，称为指令集系统结构，或简称系统结构，包含了编写能够正确运行的机器语言程序的所有必需信息，包括：指令、寄存器、存储器访问、I/O等这些基本的指令集和操作系统提供给应用程序程序员的接口合称为应用程序二进制接口（ABI） 1.2 计算机系统的层次结构 每一级上都能进行程序设计，且得到下面各级的 支持； 第1级第3级所用

14、语言基本为二进制语言，机器 执行和解释容易； 第4级、第5级采用符号语言，有利于不了解硬件 的人使用计算机； 级数越低越靠近硬件，级数越高使用计算机越方 便； 从语言功能层次进行划分，引入虚拟机概念，有 助于了解计算机和设计计算机。 1.2 计算机系统的层次结构 从高级语言到机器语言： 用二进制语言和机器直接交流 符号语言手工翻译二进制指令 符号语言汇编器二进制指令 例：汇编语言： Add A,B 汇编器翻译：1000 1100 1010 0000 计算机执行（A）+（B） A从高级语言到机器语言： 高级程序设计语言编译器二进制指令 例：高级程序设计语言： A+B 编译器编译：Add A,B

15、汇编器翻译：1000 1100 1010 0000 计算机执行（A）+（B） A P7图1-4 某些编译器可直接生成二进制机器语言1 计算机概念和技术1.1 概述1.2 计算机系统的层次结构1.3 计算机的基本结构1.3 计算机的基本结构一、计算机基本功能 数据处理 数据存储 数据传送 控制一、计算机基本功能 数据来源： 数据来自直接与计算机连接的设备 输入/输出 数据来自远方设备 数据通信 控制器根据指令管理计算机的资源，并 协调各功能部件的操作一、计算机基本功能一、计算机基本功能 一、计算机基本功能一、计算机基本功能一、计算机基本功能1.3 计算机的基本结构二、计算机的硬件结构 计算机主要

16、结构部件： P8图1-5、P9图1-6 中央处理单元：控制计算机的操作并完成数 （CPU） 据处理； 主存储器： 存储数据； I/O部件: 在计算机及其外部环境之间 传输数据； 系统互联： 为CPU、主存储器和I/O之间 提供某些通信机制。二、计算机的硬件结构 CPU结构二、计算机的硬件结构 CPU结构： 控制器： 控制CPU以及整台计算机 的操作； 算术逻辑单元：完成数据处理功能； (ALU) 寄存器: 为CPU提供内部存储功能； CPU内部互联： 提供控制器、ALU和寄存 器之间的某种通信机制。计算机基本部件互联框图 总线连接方式二、计算机的硬件结构运算器 功能： 数据加工部件，完成二进制

17、算术运算及逻辑运算 运算器的组成部件： ALU算术逻辑运算单元 通用寄存器暂存数据 专用寄存器 程序计数器（PC） 状态条件寄存器（PSW） 多个，统一 编址1.运算器 运算器的位数越多，计算的精度就越 高，但是所费的电子器件也越多，成 本相应就高，目前计算机的运算长度 一般为8位、16位、32位或64位。二、计算机的硬件结构2. 存储器 功能： 存储以二进制形式表示的数据和程序 程序计算机操作的依据 数据操作的对象 选择合适的记忆介质 具有两个稳定的状态 两个状态可快速转换 存储介质： 半导体器件 磁性记录介质 光存储介质2. 存储器 存储器设计目标： 速度快、容量大、成本低 为解决容量与成

18、本的矛盾： 将存储器分为内存和外存储器内存储器：由半导体存储器构成 特点：速度快、但成本高 存放正在运行和处理的程序和 数据外存储器：由磁盘、磁带、光盘、基于 flash的可移动存储卡等构成 特点：容量大、成本低、可脱 机保存信息 存放暂时不用的程序和数据 外存通过接口、总线连接内存 存储器设计目标： 速度快、容量大、成本低 为解决速度与成本的矛盾： 将内存储器分为主存和Cache Cache：即高速缓冲存储器，由速度更快的 半导体存储芯片构成，以便与CPU速 度匹配。因为价格较高，所以容量 较小，作为主存的一个副本存放CPU 最近经常访问的一些信息。 将存储器根据容量、速度、成本要求分为若干

19、 层次，构成存储器系统。 层次化结构： Cache、主存、外存 存储器层次化结构： 2. 存储器 主存储器结构主存储器一般由半导体器件构成存储元：存储信息最基本的单元，记忆一位二进制数码 （0或1）（bit）存储单元：存取信息最基本的单元，由若干存储元组成， 一个存储单元可存储一个字(Word)或一个字 节(Byte,简称B)。 微机中一个存储单元通常存放一个字节的二 进制信息 1 Byte = 8 bit 一个存储单元也可以是16位、32位、64位等2. 存储器 存储容量： 微机中，存储器容量常以字节为单位计量，因此 存储器中所有存储单元的总数称为存储器的存储 容量。 常用单位有：KB(Ki

20、lo Byte)、MB(Mega Byte)、 GB(Giga Byte)、TB(Tera Byte)。 换算关系如下：1024 B= 1KB1024 KB = 1MB1024 MB = 1GB1024 GB = 1TB2. 存储器 存储器编址： 存储器中每个存储单元都有一个编号，称为地址。向存储器中写数或者从存储器中读数，都是按给定的地址来寻找所选的存储单元。 读操作：数据从存储单元中读出 写操作：数据写入存储单元中 存储周期读/写周期2. 存储器 存储器种类： RAM随机访问存储器 SRAM DRAM ROM只读存储器 顺序访问存储器 半顺序访问存储器随机读写二、计算机的硬件结构3. 控制

21、器 功能：是高效的中枢系统，通过指令译码产生各操作控制信号，控制和协调各部件有条不紊地工作。 指令控制按序执行指令； 操作控制根据指令译码产生各操作控制 信号，控制各部件工作； 时间控制对各类操作实施时间上的约束， 使各部件有序工作。3. 控制器 指令字将解题的程序（指令序列）存放到存储器中称为存储程序控制器依据存储器的程序来控制全机协调地完成计算任务叫做程序控制一台计算机中所有指令的集合称为指令系统，一台计算机的指令系统通常包含几十种甚至上百种基本指令指令系统不仅是硬件设计的依据，而且是软件设计的基础数据字和指令字 取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器 执行周期中从内存读出的信

22、息流是数据流，它流向运算器3. 控制器 基本任务按照计算程序所排的指令序列，先从存储器中取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令性质，向计算机各部件发出相应的控制信号，有序地控制各部件完成规定的操作，接着从存储器中取出下一条指令，再执行，依次类推 取指周期：取指令的一段时间 执行周期：执行指令的一段时间指令周期二、计算机的硬件结构4. 适配器和输入输出设备 功能： 输入设备把人们熟悉的某种形式变换为 机器内部所能接收和识别的二 进制信息形式； 输出设备把计算机处理的结果变换为人 或其它机器设备所能接收和识 别的信息形式。 外设种类繁多，性能各一，需通过适配器

23、与 主机相连。二、计算机的硬件结构 外围设备的基本分类 输入设备键盘、光笔、鼠标器、语音 输入器、扫描仪、触摸屏、 图像输入设备等； 输出设备显示设备、打印机、音箱、 绘图仪等； 外存设备磁盘、磁带、光盘、优盘等 数据通信设备 过程控制设备 二、计算机的硬件结构5. 系统总线（BUS） 功能： 系统总线是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之 间进行数据传送的公共通路。借助系统总线，计算机在 各系统部件之间实现传送地址、数据和控制信息的操作 数据总线 地址总线 控制总线 不同的总线连接方式将导致不同的功能特征 和实现成本 不同速度的设备连于一条总线需借助缓存 计算机的基本结构华硕P4S533-MX主板内存条插槽CPU风扇支架PCI扩展槽IDE硬盘接口各种外设接口，包括：键盘、鼠标、显示器、USB、声卡、网卡、并行口等CPU插槽P11图1-8,9,101 计算机概念和技术1.1 概述1.2 计算机系统的层次结构1.3 计算机的基