片上计算机系统01-概论

计算机组成原理

第一章计算机系统概论姓名：杨慧晶单位：软件学院Email：yhj833@大连理工大学软件学院赖晓晨课程概论教学目的、任务：掌握计算机系统各部件的组成，最终达到从系统的角度、整机的角度完整、准确的理解和掌握计算机系统的理论、组成原理，为学习其它专业基础课和专业课打下一个良好的基础。教学内容：本课程的教学分理论和实验教学两部分。理论教学注重基本问题的解决方法、基本系统的分析方法、设计方法，从而掌握基本的计算机理论与概念。实验教学注重培养动手能力、分析和解决问题的能力，从而提高学生的系统设计方面的能力。大连理工大学软件学院赖晓晨课程概论基本要求：掌握数字化信息编码及运算方法，运算器的逻辑构成与设计；熟悉半导体存储器、磁表面存储器基本原理，掌握存储体系构成；掌握寻址和指令系统；熟悉中央处理器组成、时序控制方法，掌握控制器设计技术；熟悉系统总线和I/O系统。大连理工大学软件学院赖晓晨什么是计算机？

一种快速高效地完成信息处理的数字化电子设备。它能按照编写的程序对原始输入数据进行加工处理、存储或传送，以便获得所期望的输出信息，从而利用这些信息来提高社会生产效率，改善生活质量。大连理工大学软件学院赖晓晨计算工具的发展历史早期计算工具的发展

筹算法－珠算－计算尺近代计算机器的发展

计算器－计算机器－差分机与分析机现代计算机的发展

采用了先进的电子技术，基于大规模和超大规模集成电路的计算机器系统（CPU出现）大连理工大学软件学院赖晓晨计算机结构和组成概念指计算机硬件的具体实现系统程序员所能见到的计算机硬件特性计算机结构计算机组成大连理工大学软件学院赖晓晨程序员所见到的计算机系统的属性即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）计算机体系结构和计算机组成大连理工大学软件学院赖晓晨计算机的软硬件概念由具有各类特殊功能的信息（程序）组成计算机系统计算机的实体，如主机、外设等硬件软件大连理工大学软件学院赖晓晨计算机的软件主要用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，确保高效运行。系统软件应用软件软件它是用户根据任务需要所编制的各种程序。标准程序库、语言处理程序、操作系统、服务性程序数据库管理系统、网络软件科学计算程序，数据处理程序，过程控制程序，事务管理程序大连理工大学软件学院赖晓晨计算机语言经历了由机器语言→汇编语言→高级语言的发展过程。机器语言是和计算机的硬件设计同时产生的，是一组由二进制代码（0和1）组成的指令和数据。由于机器语言烦琐、单调，难于看懂，给使用和记忆都带来很多困难。所以，人们对它进行了改进，赋予每条指令一个名称，这种指令码的名称叫“助记符”。采用这种助记符的语言就是汇编语言。汇编语言虽然比机器语言便于记忆和书写，但还是有许多不足：如功能有限，编程工作繁重而费时，依赖处理器，这些都限制了汇编语言的应用范围。因此，又导致了高级语言的诞生。大连理工大学软件学院赖晓晨常用于科学计算和数据处理的高级语言有：C，BASIC，FORTRAN，ALGOL，PASCAL，COBOL，Ada等。常用于人工智能的语言有LISP和PROLOG等。后期发展出来的面向对象语言C++,JAVA,.NET等。计算机只能执行机器语言，因此，汇编语言和高级语言都要先经过编译，将其翻译成机器语言，然后计算机才能执行。大连理工大学软件学院赖晓晨计算机的解题过程计算机高级语言程序目标程序结果翻译运行大连理工大学软件学院赖晓晨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M0大连理工大学软件学院赖晓晨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M0大连理工大学软件学院赖晓晨不同计算机系统之间的多层次结构的划分与实现方法是有差别的，一般来说，相邻级语言的语法结构的差别不要太大，这样才便于编译或解释，但最后总是要翻译成能在机器上执行的机器语言程序。大连理工大学软件学院赖晓晨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存储器输入设备运算器控制器输出设备计算机的硬件大连理工大学软件学院赖晓晨运算器是对信息或数据进行处理和运算的部件，经常进行的是算术运算和逻辑运算，所以在其内部有一个算术及逻辑运算部件（ALU）。算术运算是按照算术规则进行的运算，如加、减、乘、除、求绝对值、求负值等。逻辑运算是指非算术性质的运算，如比较大小、移位、逻辑乘、逻辑加等。在计算机中，一些复杂的运算往往被分解成一系列算术运算和逻辑运算。控制器主要用来实现计算机本身运行过程的自动化，即实现程序的自动执行。由于电路集成度的提高，现在已把运算器和控制器集成在一个芯片中，称为中央处理器又叫CPU大连理工大学软件学院赖晓晨存储器用来存放程序和数据，是计算机各种信息的存储和交流中心。存储器又分为主存储器和辅助存储器，当前在计算机上运行的程序和数据是存放在主存储器中的。输入设备用来输入原始数据和处理这些数据的程序（输入数据和程序）。输入的信息有数字符、字母和控制符，这些字符通常用ASCII码表示，它用7位二进制码来表示一个字符，因此有27即128个，最高一位（第8位）可用于奇偶校验或作其他用处，如果第8位也用作字符编码，则有28即256个，第128~255称为扩展ASCII码。在计算机中，一般把8位二进制码称为一个字节。最常用的输入设备是键盘。输出设备用来输出计算机的处理结果，可以是数字、字母、表格、图形等。最常用的输出设备是显示器和打印机。大连理工大学软件学院赖晓晨在计算机中，各部件间来往的信号可分为三种类型：即地址、数据和控制信号，通常这些信号是通过总线传送的。因此计算机中的总线有地址总线、数据总线和控制总线三类。大连理工大学软件学院赖晓晨冯·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大连理工大学软件学院赖晓晨计算机的基本组成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7.以运算器为中心2.指令序列构成的程序存放在存储器中，计算机的运行受程序控制

一、冯·诺依曼计算机的特点5.数据和程序存储在同一个存储器中6.

指令和数据都可以送到运算器中参与运算大连理工大学软件学院赖晓晨计算机硬件框图1.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大连理工大学软件学院赖晓晨2.现代计算机硬件框图ALUCPU主机I/O设备CU主存ALU主存辅存CPU主机I/O设备硬件CU存储器输入设备运算器输出设备控制器计算机硬件框图大连理工大学软件学院赖晓晨第一代电子管计算机1946－1957第二代晶体管计算机1958－1964第三代中、小规模集成电路计算机1965－1971中小规模集成电路1972－1977大规模集成电路未来代光子计算机——利用光子取代电子进行运算和存储DNA生物计算机——通过控制DNA分子间的生化反应量子计算机——利用原子所具有的量子特性神经计算机——用人意识脑电波直接控制第四代大、超大规模集成电路计算机1978－现在超大规模集成电路计算机的发展史大连理工大学软件学院赖晓晨1946[美]历史上第一台电子计算机——ENIAC（NumericalIntegratorAndCalculatorComputer）ENIAC:18000电子管1500继电器占地1万平米重30余吨耗150千瓦Pentium:几百万晶体管25平方厘米小于15瓦大连理工大学软件学院赖晓晨大连理工大学软件学院赖晓晨（1）1971——4004——全球第一块微处理器

4位带宽工作频率为108kHz

集成了2300多个晶体管寻址空间只有640B

主要用来处理算术运算微处理器的发展史大连理工大学软件学院赖晓晨（2）1974——8080——新一代8位微处理器

8位时钟频率为2MHz

集成了6000个晶体管

8080是一个划时代的产品大连理工大学软件学院赖晓晨（3）1978——8086——第一代16位的微处理机

16bit10MHz29000个晶体管

1MB寻址空间1979——8088——简化版本，减低成本

4MHz主频

8位数据线16位地址线的的准16位CPU

引入实模式的工作方式8088CPU大连理工大学软件学院赖晓晨过渡产品，未推向市场大连理工大学软件学院赖晓晨（4）1982——80286——第二代微处理机

16位的CPU

主频达到了20MHz

集成13万多个晶体管寻址16MB

虚拟地址空间达到1GB

两种CPU工作方式：实模式、保护模式大连理工大学软件学院赖晓晨（5）1985——80386——第三代微处理机全32位，数据总线和地址总线均为32位时钟频率达到33MHz

集成27.5万个晶体管具有4GB的物理寻址能力

64TB虚拟存储空间（有分段存储管理、分页存储管理单元）虚拟8086工作方式协处理器80387，主要用于浮点运算大连理工大学软件学院赖晓晨（6）1989——80486——第四代微处理机

32位的全新CPU100MHz，时钟倍频技术出现集成120万个晶体管，突破100万只集成有Cache（高速缓冲存储器）8KB

采用了RISC（精简指令系统）结构大连理工大学软件学院赖晓晨（7）1993——Pentium——第五代微处理机（ClassicPentium经典奔腾）

32位地址线64位数据线的高性能处理机芯片内部集成进310万个晶体管

66MHz～100MHz，后者比33MHz80486DX快68倍

16KBCache

两条超标量流水线（U流水线、V流水线）大连理工大学软件学院赖晓晨(8)1995——PentiumPro——高能奔腾

64bit数据总线，36bit地址总线时钟频率为133MHz

集成550万个晶体管二级Cache（8KB指令+8KB数据+256KB二级）

64GB寻址“动态执行”技术大连理工大学软件学院赖晓晨（9）1997——PentiumⅡ——奔腾二代

64位主频分233MHz、266MHz、300MHz和333MHz等含750万晶体管“多媒体扩展指令集”（MMX）技术

slot1结构

1998——celeron——塞扬芯片，与PentumⅡ同系列的不同档次的低端产品大连理工大学软件学院赖晓晨（10）1999——PentiumⅢ——奔腾三代

64位

32KB+512KB/1MB/2MB，二级片内Cache

总计含2810万晶体管

MMX+SSE（流式扩展指令）技术

可以构成多处理器系统大连理工大学软件学院赖晓晨（11）2000——PentiumⅣ——奔腾四代

64位

400MHz系统总线，1.7GHz主频集成4200万晶体管

超流水线技术，144条SSE2指令，分支预测技术，超深度无序指令执行技术

NetBurst微结构大连理工大学软件学院赖晓晨（12）2001——Itanium——安腾

全新64位体系结构

44位地址线支持16TB物理存储器寻址

128位数据总线支持全新64位指令系统集成3亿晶体管

3级Cache

采用显性并行指令计算（EPIC）设计在万亿字节数据处理,应用领域包括高速安全在线购物大型数据库、数据挖掘、电子商务处理、计算机辅助机械工程及高性能科学复杂计算处理大连理工大学软件学院赖晓晨时间第一代1971-1972第二代1973-1977第三代1978-1984第四代1985-1991

1992-今CPU4位低档8位中高档8位16位32位32、64位产品400480088080/

8085MC6800

Z80

8086/8088，MC68000Z8000

80286

8038680486MC68030/68040PentiumPentiumI-IvAMDK5/K6技术丰富指令系统多级中断多寻址机制外设种类多虚拟存储技术协处理器cache

MMX技术SSE技术系统机器语言汇编语言高级语言简单操作系统软件操作系统多任务多用户操作系统服务器、网络操作系统用途家电简单控制数据处理自动控制数据处理事务管理工业控制办公自动化科学计算多媒体应用教育、科研计算、娱乐通讯、信息微型计算机的发展以处理器的发展为主导！大连理工大学软件学院赖晓晨计算机的分类按照总线宽度分为：

4位机、8位机、16位机、32位机、64位机按照处理器分为：

286、386、486、Pentium

PentiumⅡ、PentiumⅢ、PentiumⅣ按照外形分为：

单片机、个人机（PC）、笔记本电脑、掌上电脑按照组装生产分为：

品牌机（如IBM机和苹果机）、兼容机按照用途分为：

多媒体计算机、工控机、服务器、终端、商业机按照规模分为：

巨型机、大型机、中型机、微型机大连理工大学软件学院赖晓晨1.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——每一个步骤计算机的工作步骤大连理工大学软件学院赖晓晨取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+c编程举例大连理工大学软件学院赖晓晨000001

0000001000打印（000101）停机（000110）取数（000001）α[α]ACC存数（000010）β[ACC]

β加（000011）γ[ACC]+[γ]ACC乘（000100）δ[ACC]×[δ]ACC指令格式举例操作码地址码

[

]打印机大连理工大学软件学院赖晓晨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存放结果计算ax2+bx+c程序清单大连理工大学软件学院赖晓晨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MDR主存储器存储体MAR2.计算机的解题过程大连理工大学软件学院赖晓晨MARMDR存储单元个数

16存储字长

8

设MAR

=

4

位

MDR

=

8

位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MDR主存储器存储体MAR大连理工大学软件学院赖晓晨ACCMQX(2)运算器的基本组成及操作过程运算器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大连理工大学软件学院赖晓晨运算器MQACCALUXACC被加数ACC初态①加法操作过程[ACC]+[X]ALU[M]XXACCACC指令加M大连理工大学软件学院赖晓晨②减法操作过程运算器MQACCALUX指令减MACC被减数ACC初态[M]XX[ACC]-[X]ALUACCACC大连理工大学软件学院赖晓晨运算器MQACCALUXACCACC被乘数初态MQ[M]MQ指令乘M③乘法操作过程X[ACC]XALU[X]×[MQ]00ACCACC∥MQACCMQ大连理工大学软件学院赖晓晨运算器MQACCALUXACC被除数ACC初态[ACC]÷[X]ALUMQACCMQ余数在ACC中指令除M[M]

XX④除法操作过程大连理工大学软件学院赖晓晨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(3)控制器的基本组成大连理工大学软件学院赖晓晨12356789以取数指令为例4(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设备大连理工大学软件学院赖晓晨12356798以存数指令为例4CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR…运算器MQACCALUXI/O设备大连理工大学软件学院赖晓晨(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

MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC大连理工大学软件学院赖晓晨计算机硬件的主要技术指标1.机器字长CPU

一次能处理数据的位数与

CPU

中的

寄存器位数

有关字长越长，数的表示范围也越大，精度也越高。机器的字长也会影响机器的运算速度。倘若CPU字长较短，又要运算位数较多的数据，那么需要经过两次或多次的运算才能完成，这样势必影响整机的运行速度。机器字长对硬件的造价也有较大的影响。它将直接影响加法器(或ALU)、数据总线以及存储字长的位数。所以机器字长的确定不能单从精度和数的表示范围来考虑。大连理工大学软件学院赖晓晨221

=

256

KB213

=

1

KB如2.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1K=210

1B=23b1GB=230b1

K

×

8位64

K

×

32位大连理工大学软件学院赖晓晨计算机硬件的主要技术指标3.运算速度=ni

=1fi

tiTM∑吉普森法普通法一次加法或乘法所需的时间每秒执行百万条指令MIPS执行一条指令所需时钟周期数CPI每秒浮点运算次数FLOPS（主频、主存速度，操作类型）大连理工大学软件学院赖晓晨数据单位

计算机能表示的最小最基本的数据单元

计算机内部表示数据是采用二进制，所以:“比特位”就是“二进制的位”，有两种状态“0”和“1”相邻的8位二进制数称为一个字节

1Byte=8bit如：110