计算机组成原理第一章计算机概论的知识

计算机组成原理

E-mail:1计算机组成原理计算机组成原理课程介绍

课程地位：是计算机专业本科生的核心专业基础课程。教学目的：使学生既能从全局或宏观的角度掌握计算机硬件系统的整体结构和工作原理，又能从局部或微观的角度理解计算机各个部件的工作过程和交互方式。2计算机组成原理课程介绍与其它课程的先后关系其先导课程有：数字逻辑、汇编语言。课程特点：教学内容多、学习难度大。3主要参考书教材：计算机组成原理白中英科学出版社(第四版)参考教材：1．计算机组成原理唐朔飞高等教育出版社2．计算机组成与设计王诚清华大学出版社3．现代计算机组成原理潘松科学出版社4.计算机组成与设计—硬件/软件接口DavidA.PattersonJohnL.Hennessy机械工业出版社(第三版)4第１章计算机系统概论1.1计算机系统简介1.4计算机的发展及应用1.3计算机硬件的主要技术指标1.2计算机的基本组成51.1计算机系统简介由具有各类特殊功能的信息（程序）组成1.计算机系统计算机系统计算机的实体，如主机、外设等一、计算机的软硬件概念硬件软件6按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统系统软件应用软件语言处理程序操作系统服务性程序数据库管理系统网络软件软件1.17计算机高级语言程序目标程序结果翻译运行1.12.计算机的解题过程8二、计算机系统的层次结构高级语言虚拟机器M3汇编语言虚拟机器M2操作系统虚拟机器机器语言实际机器M1微指令系统微程序机器M01.19用编译程序翻译成汇编语言程序用汇编程序翻译成机器语言程序用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令软件硬件1.1虚拟机器M4虚拟机器M3虚拟机器M2实际机器M1微程序机器M010程序员所见到的计算机系统的属性概念性的结构与功能特性计算机体系结构计算机组成实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令如何实现乘法指令（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）（具体指令的实现）1.1三、计算机体系结构和计算机组成111.2计算机的基本组成1.计算机由五大部件组成3.指令和数据用二进制表示4.指令由操作码和地址码组成6.以运算器为中心2.指令和数据以同等地位存于存储器，

可按地址寻访5.存储程序一、冯·诺依曼计算机的特点5.存储程序12算术运算逻辑运算存放数据和程序将信息转换成机器能识别的形式将结果转换成人们熟悉的形式指挥程序运行1.2冯·诺依曼计算机硬件框图存储器输入设备运算器控制器输出设备131.2冯·诺依曼计算机硬件框图存储器输入设备运算器控制器输出设备14二、计算机硬件框图1.21.以存储器为中心的计算机硬件框图程序存储器输出设备输入设备运算器控制器数据结果计算15ALU主存辅存CPU主机I/O设备硬件CU2.现代计算机硬件框图存储器输入设备运算器输出设备控制器1.2ALUCPU主机I/O设备CU主存161.上机前的准备建立数学模型-+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin…编制解题程序确定计算方法程序——运算的全部步骤0,1,2,)()(21nynxynx=+=√…指令——每一个步骤1.2三、计算机的工作步骤17取x至运算器中乘以x在运算器中乘以a在运算器中存ax2

在存储器中取b至运算器中乘以x在运算器中加ax2

在运算器中加c在运算器中=(ax

+

b)x

+

c

取x至运算器中乘以a在运算器中加b在运算器中乘以x在运算器中加c在运算器中计算ax2+bx+c1.2编程举例18000001

0000001000打印

停机取数α[α]ACC存数β[ACC]

β加γ[ACC]+[γ]ACC乘δ[ACC]×[δ]ACC指令格式举例1.2操作码地址码

[

]打印机19指令和数据存于主存单元的地址指令注释操作码地址码00000010000001000取数x至ACC10001000000001001乘a得ax

,存于ACC中20000110000001010加b得ax+b

,存于ACC中30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中40000110000001011加c得ax2+bx+c

,存于ACC50000100000001100将ax2+bx+c

,存于主存单元60001010000001100打印7000110停机8

x原始数据x9

a原始数据a10b原始数据b11c原始数据c12存放结果1.2计算ax2+bx+c程序清单20存储体大楼存储单元存放一串二进制代码存储字存储单元中二进制代码的组合存储字长存储单元中二进制代码的位数每个存储单元赋予一个地址号按地址寻访–存储单元–存储元件（0/1）–

房间–

床位（无人/

有人）(1)存储器的基本组成1.2MDR主存储器存储体MAR2.计算机的解题过程21MARMDR存储单元个数

16存储字长

8

设MAR

=

4

位

MDR

=

8

位1.2存储器地址寄存器反映存储单元的个数存储器数据寄存器反映存储字长(1)存储器的基本组成MDR主存储器存储体MAR22ACCMQX(2)运算器的基本组成及操作过程1.2运算器MQACCALUX被加数被减数被除数乘数商加数减数被乘数除数加法减法乘法除法和差余数乘积高位乘积低位23运算器MQACCALUXACC被加数ACC初态①加法操作过程1.2[ACC]+[X]ALU[M]XXACCACC指令加M241.2②减法操作过程运算器MQACCALUX指令减MACC被减数ACC初态[M]XX[ACC]-[X]ALUACCACC25运算器MQACCALUXACCACC被乘数初态1.2MQ[M]MQ指令乘M③乘法操作过程X[ACC]XALU[X]×[MQ]00ACCACC∥MQACCMQ26运算器MQACCALUXACC被除数ACC初态1.2[ACC]÷[X]ALUMQACCMQ余数在ACC中指令除M[M]

XX④除法操作过程27取指令分析指令执行指令PCIRCUPCIRCU取指执行PC存放当前欲执行指令的地址，

具有计数功能（PC）+

1PCIR存放当前欲执行的指令访存访存完成一条指令1.2(3)控制器的基本组成2812356789以取数指令为例4(4)主机完成一条指令的过程1.2CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR…运算器MQACCALUXI/O设备2912356798以存数指令为例41.2(4)主机完成一条指令的过程CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR…运算器MQACCALUXI/O设备30(5)ax2+bx+c程序的运行过程将程序通过输入设备送至计算机程序首地址打印结果分析指令取指令…停机启动程序运行,(PC

)+

1PC执行指令

1.2MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC31语言翻译的简单过程用一个完整的例子来描述从程序员编写的程序到机器执行的指令整个转换过程。下面是C语言中的赋值语句：A[300]=h+A[300]；被编译成如下的MIPS汇编指令代码：lw$t0，1200($t1)add$t0，$s2，$t0sw$t0，1200($t1)32语言翻译的简单过程将上面的三条MIPS汇编指令汇编成三条机器语言指令如下：oprsrtrdAddress/shamtfunctlw35981200add01888032sw43981200331.3计算机硬件的主要技术指标1.机器字长2.运算速度CPU

一次能处理数据的位数与

CPU

中的

寄存器位数

有关主频:又称为CPU时钟周期,CPU的工作节拍受主时钟控制,主时钟不断产生固定频率的时钟。响应时间：是指计算机完成一个任务所花费的全部时间，包括存储访问时间、磁盘访问时间和I/O访问时间等。它是计算机执行单个任务时的性能。342.运算速度吞吐量：是指计算机系统在单位时间内完成的总工作量。它表征了计算机系统执行多个任务时的性能表现。CPU执行时间：是指CPU计算所花费的时间，不包括I/O访问时的等待时间等。CPU执行时间=CPU时钟周期数×CPU时钟周期CPI：表示执行每条指令所需要的平均时钟周期数。CPI=一个程序的CPU时钟周期数÷程序指令数量352.运算速度MIPS：是指CPU每秒可以执行的百万条机器指令数。MIPS=指令数÷（程序执行的时间*106）MFLOPS：是指CPU每秒可以执行的百万条浮点操作次数。MFLOPS=程序中的浮点操作次数÷（程序执行的时间*106）36221

=

256

KB213

=

1

KB如3.存储容量主存容量辅存容量存储单元个数

×

存储字长字节数字节数80GB如MARMDR容量10

816

32存放二进制信息的总位数1.31K=210

1B=23b1GB=230b1

K

×

8位64

K

×

32位371.4计算机的发展及应用1.4.3计算机的展望1.4.2计算机的应用1.4.1计算机的发展史38计算机的分类1.总体分为电子模拟计算机和电子数字计算机。2.电子数字计算机又可以分为通用计算机和专用计算机。3。通用计算机又可以分为：巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机。391.4.1计算机的发展史一、计算机的产生和发展1946年美国ENIAC1955年退役十进制运算180001500150301500多个电子管多个继电器千瓦吨平方英尺5000次加法／秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程40世界上第一台电子计算机ENIAC(1946)1.4.141硬件技术对计算机更新换代的影响1亿超大规模集成电路

1978－现在五1000万大规模集成电路

1972－1977100万中小规模集成电路

1965－1971

20万晶体管

1958－1964

4万电子管

1946－1957速度

（次/秒）硬件技术时间代三四二一1.4.142第一台vonNeumann系统结构的计算机1.4.143IBMSystem／360

44

1.

IBM:BlueGene/L-eServerBlueGene

Solution212992个CPU最大平均速度478200GFLOPS最快的五台超级计算机（截止到2007.11）452.IBM:JUGENE-BlueGene/PSolution

65536个CPU最大平均速度167300GFLOPS

最快的五台超级计算机（截止到2007.11）463.SGI:SGIAltixICE820014336个CPU最大平均速度

126900GFLOPS

最快的五台超级计算机（截止到2007.11）474.HP:EKA-ClusterPlatform3000BL460c 14240个CPU最大平均速度117900GFLOPS最快的五台超级计算机（截止到2007.11）48最快的五台超级计算机（截止到2007.11）5.HP:ClusterPlatform3000BL460c 13728个CPU最大平均速度102800GFLOPS49最权威的超级计算机排名的参考网址

50二、微型计算机的出现和发展微处理器芯片存储器芯片1971年8位16位32位64位4位（4004）1970年256位1K位16K位64K位256K位1M位16M位64M位4K位4M位51Moore定律Intel公司的缔造者之一GordonMoore提出微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番52Intel公司的典型微处理器产品80808位1974年808616位1979年2.9万个晶体管8028616位1982年13.4万个晶体管8038632位1985年27.5万个晶体管8048632位1989年120.0万个晶体管Pentium64位（准）1993年310.0万个晶体管PentiumPro64位（准）1995年550.0万个晶体管PentiumⅡ64位（准）1997年750.0万个晶体管PentiumⅢ64位（准）1999年950.0万个晶体管PentiumⅣ64位2000年4200.0万个晶体管

2007年芯片上可集成3

亿

5

千万

个晶体管预计

2010年芯片上可集成8

亿

个晶体管53Intel产品系列介绍（1）8080：世界上第一个通用微处理器。8位机。8086：16位机，采用了指令高速缓存。80286：可以寻址16MB的存储空间，不再受1MB存储空间的限制。80386：32位机，它是Intel产品中第一个支持多任务的处理器。80486：采用了更为复杂、功能更为强大的高速缓存技术和指令流水线技术。它内置浮点协处理器。54Intel产品系列介绍（2）Pentium:开始采用超标量（Superscalar）技术。允许更多的指令并行执行。PentiumPro:极富有进取性的采用了转移预测、数据流分析、推测执行等技术。PentiumⅡ：采用了专门用于处理视频、音频和图形数据的IntelMMX技术。PentiumⅢ：采用了新的浮点指令、支持三维图形软件。PentiumⅣ：使用64位组织结构的新一代。55三、软件技术的兴起和发展机器语言面向机器汇编语言面向机器高级语言面向问题FORTRAN科学计算和工程计算PASCAL结构化程序设计C＋＋面向对象Java适应网络环境1.各种语言2.1562.系统软件语言处理程序

汇编程序编译程序解释程序操作系统

DOSUNIXWindows

服务性程序

装配调试诊断排错数据库管理系统

数据库和数据库管理软件网络软件2.1573.软件发展的特点⑴开发周期长⑵制作成本昂贵⑶检测软件产品质量的特殊性软件是程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档2.1581.4.2计算机的应用一、科学计算和数据处理二、工业控制和实时控制三、网络技术1.电子商务2.网络教育3.敏捷制造59四、虚拟现实五、办公自动化和管理信息系统六、CAD/CAM/CIMS七、多媒体技术八、人工智能2.2601.4.3计算机的展望一、计算机具有类似人脑的一些超级

智能功能要求计算机的速度达1015/秒(千万亿次)二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制芯片集成度受物理极限的制约按几何级数递增的制作成本芯片的功耗、散热、线延迟61三、？替代传统的硅芯片1.光计算机2.DNA生物计算机3.量子计算机利用光子取代电子进行运算和存储通过控制DNA分子间的生化反应利用原子所具有的量子特性2.362中国计算机发展史1958年，中科院计算所研制成功我国第一台小型电子管通用计算机103机,标志着我国第一台电子计算机的诞生。1965年，中科院计算所研制成功第一台大型晶体管计算机109乙，之后推出109丙机，该机为两弹试验中发挥了重要作用；1974年，清华大学等单位联合设计、研制成功采用集成电路的DJS-130小型计算机，运算速度达每秒100万次；63中国计算机发展史1983年，国防科技大学研制成功运算速度每秒上亿次的银河-I巨型机，这是我国高速计算机研制的一个重要里程碑；1985年，电子工业部计算机管理局研制成功与IBMPC机兼容的长城0520CH微机。1992年，国防科技大学研究出银河-II通用并行巨型机，峰值速度达每秒4亿次浮点运算(相当于每秒10亿次基本运算操作)，为共享主存储器的四处理机向量机，总体上达到80年代中后期国际先进水平。它主要用于中期天气预报；64中国计算机发展史1993年，国家智能计算机研究开发中心（后成立北京市曙光计算机公司）研制成功曙光一号全对称共享存储多处理机，这是国内首次以基于超大规模集成电路的通用微处理器