计算机组成原理

1计算机组成与结构授课：李凌燕学时：48邮箱：lily@2023年2月6日2本课程考查目标本课程对计算机专业来说是非常重要的专业基础课。理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互连接方式，具有完整的计算机系统的整机概念。理解计算机系统层次化结构概念，熟悉硬件与软件之间的界面，掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法。能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析，并能对一些基本部件进行简单设计。3内容说明1、计算机系统概论2、数据的表示和运算3、存储器层次结构4、指令系统5、中央处理器（CPU）6、总线7、输入输出系统——书上第七章和第八章的内容♦考试与成绩4第一章计算机系统概论1.1计算机的分类1.2计算机发展简史1.3计算机的硬件1.4计算机的软件1.5计算机系统的层次结构51.1计算机的分类一、电子计算机

电子模拟计算机：“模拟”就是相似的意思，模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。

电子数字计算机：在算盘的基础上发展起来的，是用数目字来表示数量的大小，主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。比较内容数字计算机模拟计算机数据表示方式数字0/1电压计算方式数字计数电压组合和测量值控制方式程序控制盘上连线精度高低数据存储量大小逻辑判断能力强无6二、数字计算机根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分，可以划分为两类：

专用计算机：最有效、最经济和最快速的计算机，但是适应性很差。通用计算机：适应性很大，但牺牲了效率、速度和经济性。三、通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等可以分为：超级计算机、大型机、服务器、PC机、单片机、多核机六类。

超级计算机：用于科学计算，运算速度在每秒万亿次以上；

大型机：大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一调度主机资源，代表产品有IBM360，4300等；7超级计算机（2008.6）IBM公司，服务于美国能源部，包含122400个core，最大平均速度1026000GFLOPS。8服务器：可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用，典型产品有IBM-AS/400，DEC-VAX系列；

PC机：即微型计算机，个人或家庭使用；

单片机：只用一片集成电路做成的计算机；

多核机：多于一个处理器的计算机芯片。多核机单片机PC机91.2计算机发展简史一、计算机的五代变化

▪第一代（1946—1957年）：电子管计算机

▪第二代（1958—1964年）：晶体管计算机

▪第三代（1965—1971年）：中小规模集成电路计算机

▪第四代（1972—1990年）：大规模和超大规模集成电路

▪第五代（1991年至今）：巨大规模集成电路计算机

未来计算机：？

系统结构有革命性的变化：类似于人脑的神经网络，计算机智能化将进一步发展，计算机进入知识处理阶段；材料上使用常温超导材料和光器件；通过控制DNA分子间的生化反应构造DNA生物计算机等……10二、半导体存储器的发展

▪

20世纪50～60年代，所有计算机存储器都是由微小的铁磁体

环（磁芯）做成；

▪1970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体存

储器；

▪从1970年起，半导体存储器经历了11代：单个芯片1KB、

4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB和1GB。每一代比前一代存储密度提高4倍，而每位价格和存取时间都在下降。11三、微处理器的发展

▪1971年Intel公司开发出Intel4004，这是第一个将CPU的所有元件都放入同一块芯片内的产品——微处理器诞生了。

▪1972年开发出Intel8008，这是第一个8位微处理器，比4004复杂一倍。

▪1974年开发出Intel8080，这是第一个通用微处理器，是为通用微机而设计的中央处理器，而4004和8008是为特殊用途而设计的。▪20世纪70年代末才开发出强大的通用16位微处理器，Intel8086便是其中之一。

▪1981年，贝尔实验室和HP公司开发出了32位单片微处理器。

▪1981年，IBM公司将Intel

8088芯片用于其研制的PC机（Intel的转折点）。▪1982年，Intel推出了Intel80286微处理器；1985年，推出了32位微处理器Intel80386；1989年，推出Intel80486芯片；1993年，Intel586CPU问世。

▪1996年底，Intel推出了PentiumMMX；1998年，PentiumII、至强微处理器Xeon、赛扬Celeron；1999年春，PentiumIII；2000年，Pentium4。

▪2002年，Intel超线程技术（Hyper-Threading），逻辑上多处理器；

▪现在的64位处理器和多核处理器。指令集变化提高电脑在多媒体、3D图形方面的应用能力MMX多媒体指令增强技术，共57条

SSE第二套多媒体专用指令集3DNOW!3D加速指令集

怎么利用这些指令用专业编译器1213在90年代是处理器性能的唯一标尺长久以来在摩尔定律指引下保持高速发展CPU速度每18个月提高一倍而价格下降为原来的二分之一处理器的频率进入了“G”时代频率对于处理器综合性能的影响力开始减弱。同样可以拥有其标称值(PR)性能AMD低频产品Intel迅驰平台低频移动处理器现有工艺下单核频率难于提升性能没有质的飞跃功耗散热、成品率、成本控制困难3GHz成为了AMD无法逾越的一道坎Intel发布3.8GHz的产品宣布停止4GHz的产品计划AMD频率超过2GHz以后无法大幅度提升处理器的频率提高遭遇瓶颈1480核处理器2007-02-11核心面积275平方毫米主频3.16GHz电压0.95V数据带宽1.62Tb/s浮点运算能力1.01TFlops相当于1万颗10年前的PentiumPro功耗不过62W比core2duo还低是四核心XeonX53552.66GHz的大约一半，浮点运算能力估计为50-60GFlops(每秒十亿次)15古代及近代计算技术公元前500年，中国出现算盘1642年，BlaisePascal发明自动进位的加法机器，齿轮驱动拨盘，在窗口显示结果。1822年，CharlesBabbage，差分机（DifferentialEngie）。1833年，分析机（AnalyticalEngine），通用机器。

16世纪，阿拉伯数学家阿科瓦里茨米（Alkhowarizmi）提出算法概念，并出版以算法为题的书籍。16现代计算机的里程碑1718Turing机1937年，AlanTuring提出一种“通用”计算机的概念，它可以执行任何一个描述好的程序（算法），实现需要的功能，形成了“可计算性”概念的基础。存储程序的思想，使计算机从专用走向通用。正是这一创新，开创了计算机的新时代，Turing机是现代计算机的鼻祖。Turing机的特点：并不是保存所有问题的结果；问题的求解由程序或过程给出，程序和过程可以通过语言描述；计算机执行程序的时间是有限的。19第一台电子计算机——ENIAC第一台电子计算机（通用可编程序）18800电子管30吨150平方米150kw5000次十进制加法/秒用手工扳动开关和插拔电缆来编程1946年美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机ENIAC

（ElectronicNumerical

IntegratorAndComputer），这台机器于1955年退役。20世界上第一台电子计算机ENIAC（1946）212223为了改进程序的输入方式：美国数学家冯·诺依曼，提出二进制表示方式和存储程序控制计算机构想。提出并描述一个计算机模型EDVAC：

ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer

ENIAC的特点：十进制表示程序用插线开关实现第一台vonNeumann系统结构的计算机241953年，Wilkes提出了微程序控制的基本思想和特点。

微程序有许多优点：如易于改变设计；通过仿真其它指令系统，可以保证软件兼容；微程序设计可以减少实现复杂指令的成本等等。

但是，由于在很长的一段时间内，用于实现控制存储器的技术和主存的是相同的，而且机器的指令系统也比较简单，因而微程序设计的优势并不明显。

当控制存储器采用半导体存储器工艺，主存储器采用磁芯技术时，这两种工艺的速度相差十倍，从而为微程序的广泛使用提供了基础。IBM360系列的许多机器都采用了微程序技术。251965年，Wilkes在他的一篇论文中提出了直接映象Cache的思想。

IBM360/85机是第一台使用Cache的商品计算机。从此，Cache作为一种可以有效解决计算机处理和存储之间速度差异的技术，在后来的机器中扮演着十分重要的角色。八十年代初，有科学家分析了高级语言机器结构所遇到的一些困难，在此基础上提出了简单的机器结构更有可能获得高性能的观点，即RISC（ReducedInstructionSetComputer）的思想。加州大学Berkeley分校的DavidPatterson开始设计具有RISC思想的机器。八十年代中期，RISC思想和技术开始普遍被工业界接受，RISC技术本身也得到了迅速完善和发展。1986年，出现了一些商品化的RISC芯片，如整数处理器MIPS2000。八十年代末，开始注重流水线技术，以产生时间并行效益的同时，也力图进一步开发出指令间空间并行的效益。26四、计算机的性能指标吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，单位是字节/秒（B/s）。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（10-6s）、纳秒（10-9s）。利用率：在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，一般用百分比表示。处理机字长：指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数，决定了寄存器和数据总线的位数。当前处理机的字长有8位、16位、32位、64位。字长越长，包含的信息量越多，精度越高，硬件成本也越高。27总线宽度：一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。存储容量：存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1个字节）。

存储器容量越大，记忆的二进制数越多。有内存容量和辅存容量两种指标。存储容量越大，能存储的信息就越多。

1KB=1024B，1MB=1024KB，

1GB=1024MB，1TB=1024GB存储器带宽：存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。28CPU执行时间：表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间，可用下式计算：

CPU执行时间＝CPU时钟周期数×CPU时钟周期长（T）主频/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，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是MHz、GHz。例如Pentium系列机为60MHz～266MHz，而Pentium4升至3.6GHz。

主频的倒数称为CPU时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是微秒s

、纳秒ns。29CPI：每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。CPI=MIPS：每秒百万条指令数，表示单位时间内执行的指令数目。MIPS=MFLOPS：每秒百万次浮点操作次数，用来衡量机器浮点操作的性能。MFLOPS=

MIPS是单位时间内的执行指令数，所以MIPS值越高说明机器速度越快。

MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能体现机器的整体性能。TFLOPS表示每秒万亿次浮点操作次数，该技术指标一般在超级计算机中使用。例1.用一台50MHz处理机执行标准测试程序，其包含的混合指令数和相应所需的平均时钟周期数如下表所示：求有效CPI、MIPS速率、处理机程序执行时间tCPU。30指令类型指令数目平均时钟周期数整数运算450001数据传送320002浮点运算150002控制传送80002CPI==1.55周期/指令MIPS==32.26（百万条指令/s）tCPU==3.1ms31例2.下列选项中，描述浮点数操作速度指标的是（）。A.MIPSB.CPIC.IPCD.MFLOPS例3.CPU的CPI与下列哪个因素无关？（）A.时钟频率B.系统结构C.指令集D.计算机组织

CPI是执行一条指令所需的时钟周期数，系统结构、指令集、计算机组织都会影响CPI，而时钟频率不会，但可以加快指令的执行速度。如执行一条指令需要10个时钟周期，则一台主频为1GHz的CPU，执行这条指令比一台主频为100MHz的CPU快。例4.基准程序A在某计算机行的运行时间为100s，其中90s为CPU时间，其余为I/O时间。若CPU速度提高50%，I/O速度不变，则运行基准程序A所耗费的时间是？

T=90/1.5+10=60+10=70s32例5.

微机A和B是采用了不同主频的CPU芯片，片内逻辑电路完全相同。

1）若A机的CPU主频为8MHz，B机为12MHz，则A机的CPU时钟周期为多少？

TA=1/8MHz=0.125s

2）如A机的平均指令执行速度为0.4MIPS，则A机的平均指令周期为多少？

A机的平均指令周期=1/0.4MIPS=2.5s

3）B机的平均指令执行速度为多少？

A机平均每条指令的时钟周期数=2.5s/0.125s=20，而A机和B机的片内逻辑电路完全相同，所以B机平均每条指令的时钟周期数也是20。

TB=1/12MHz=1/12s，

则B机的平均指令周期=

20×1/12s=5/3s，

B机的平均指令执行速度=3/5MIPS=0.6MIPS331.3计算机的硬件一、硬件组成要素

计算y=ax+b-c：行数解题步骤和数据说明1

取数（9）→运算器（9）表示第9行的数a，下同2

乘法（12）→运算器完成a×x，保存中间结果3

加法（10）→运算器完成a×x+b，保存中间结果4

减法（11）→运算器完成a×x+b-c的计算，保存结果5

存数y→（13）结果记录到第13行6

输出把结果显示在屏幕上给程序员看7

停止89a数据10b数据11c数据12x数据13y数据34二、冯·诺依曼型计算机

▪用二进制表示

▪存储程序

▪按地址自动执行

▪五大部件：

包括控制器、

运算器、

存储器、

输入设备、

输出设备

▪以运算器为中心输入设备输出设备系统总线（BUS）存储器运算器控制器适配器35

输出设备

输入设备

运算器

控制器

存储器计算结果程序和数据控制流CS数据流DS地址信号冯·诺依曼型计算机36三、运算器

▪进行算术运算和逻辑运算，通常称为ALU（算数逻辑运算部件）；

▪在计算机中参与运算的数是二进制的；

▪在运算中，当数的位数越多时，计算的精度就越高；

▪理论上讲，数的位数可以任意多；

▪但是位数越多，所需的电子器件也越多；

▪因此计算机的运算器长度一般是

8位、16位、32位、64位。37四、存储器运算过程中，需要保存大量的0、1代码或者数据的器件，目前采用半导体器件——一个半导体触发器有0和1两个稳定状态，可以记忆一个二进制代码。

通常，在存储器中把保存一个数的若干个触发器称为一个存储单元，存储器是由许多存储单元组成的。每个存储单元都有编号，称为地址。向存储器中存数或者从存储器中取数，都要按给定的地址来寻找所选的存储单元。存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量，通常用单位KB，MB，GB，TB等来表示，如64KB，128MB。存储容量越大，表示计算机记忆储存的信息就越多。半导体存储器的存储容量毕竟有限，因此计算机中又配备了存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器，称为外存储器，简称辅存。相对而言，半导体存储器称为内存储器，简称内存（主存）。38五、控制器1.指令的形式指令由两部分组成：操作的性质（操作码）和操作数的地址（地址码）存储程序并按地址顺序执行，这就是冯·诺依曼型计算机的体系结构。计算机的所有指令构成该计算机的指令系统，指令系统不仅是硬件设计的依据，而且是软件设计的基础，是衡量计算机性能的一个重要指标。2.控制器的基本任务

按照计算程序所排的指令序列，先从存储器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，执行这条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行这第二条指令。依次类推。393.指令流和数据流运算器和控制器合在一起称为中央处理器，简称CPU。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控制器反复交替处在取指周期和执行周期之中，每取出一条指令，控制器中的指令计数器+1，为取下一条指令做好准备，这就是指令为什么在存储器中顺序存放的原因。指令和数据统统放在内存中，从形式上看，它们都是二进制数码，但是控制器可以区分开哪些是指令，哪些是数据。取指周期中从内存读出的信息流是指令流，流向控制器；而在执行器周期中从内存读出的信息流是数据流，由内存流向运算器。40六、适配器与输入输出设备输入设备：把人们所熟悉的某种信息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他机器设备所能接收和识别的信息形式。计算机的输入/输出设备通常称为外围设备。适配器：使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作。系统总线：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。总之，现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的。这也是人们常说的计算机硬件。41主存，I/O接口运算器控制器内部寄存器组CPU，系统总线主机辅存I/O设备外设计算机硬件

计算机系统计算机软件421.4计算机的软件系统软件应用软件计算机软件

计算机系统计算机硬件1.系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途，包括以下四类：①各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等②语言程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等③操作系统④数据库管理系统

2.应用软件：用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序，如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等。一、软件的组成与分类43二、软件的发展演变1.编程语言的发展

手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码

汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编

高级程序：算法语言/高级语言，机器编译程序/解释程序2.系统软件的发展

操作系统：随着硬件和软件的不断发展而逐渐形成的一套软件系统，用来管理计算机资源和自动调度用户的作业程序，而使多个用户能有效的共用一套计算机系统。

分布式系统软件44lw$15,0($2)lw$16,4($2)sw$16,0($)sw$15,4($2)temp=v[k];v[k]=v[k+1];v[k+1]=temp;000010011100011010101111010110001010111101011000000010011100011011000110101011110101高级语言程序汇编语言程序机器语言程序控制信号描述编译器汇编器机器解释同一程序可以在不同复杂度级别进行表示451.5计算机系统的层次结构计算机不能简单地认为是一种电子设备，而是一个十分复杂的硬、软件结合而成的整体，通常由五个以上不同的级组成，每一级都能进行程序设计。第一级是微程序设计级。

这是一个实在的硬件级，由机

器硬件直接执行微指令。如果某

一个应用程序直接用微指令来编

写，那么可在这一级上运行应用

程序。第二级是一般机器级，也称为

机器语言级，由微程序解释机器

指令系统。这一级也是硬件级。46第三级是操作系统级，由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，广义指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。第四级是汇编语言级，给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。如果应用程序采用汇编语言编写时，

则机器必须要有这一级的功能；

如果应用程序不采用汇编语言编

写，则这一级可以不要。第五级是高级语言级，是面向

用户的，为方便用户编写应用程

序而设置的。这一级由各种高级

语言编译程序支持和执行。47计算机系统结构、组成及其实现

计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定

指令系统体系结构（ISA）硬件软件48

外特性:

——指令系统、数据表示、寻址方式、寄存器集

性能成本评价:——运算速度、存储容量、I/O带宽系统结构的研究范围新型系统结构设计:

——并行性、数据流、推理机、神经网界面设计:

——确定硬件功能49

确定数据通路的宽度

确定各种操作对功能部件的共享程度

确定专用的功能部件

确定功能部件的并行度

设计缓冲和排队策略

设计控制机构

确定采用何种可靠性