计算机组成与结构计算机系统概论

计算机组成与结构计算机组成与结构目前一页\总数四十九页\编于十一点计算机组成与结构2016.02目前二页\总数四十九页\编于十一点教材白中英，计算机组成原理·第5版，科学出版社，2012参考书王爱英,计算机组成与结构·第5版,清华大学出版社，2013郑纬民,汤志忠，计算机系统结构·第2版,清华大学出版社，1998张晨曦等，计算机体系结构·第2版，高教出版社，2003目前三页\总数四十九页\编于十一点第一章计算机系统概论第二章运算方法和运算器第三章多层次的存储器第四章指令系统第五章中央处理器第六章总线系统第七章外存与I/O设备(自学)第八章输入输出系统第九章并行组织与结构目录目前四页\总数四十九页\编于十一点第1章计算机系统概论目前五页\总数四十九页\编于十一点目录1.0预备知识1.1计算机的分类1.2计算机的发展简史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2023/5/226目前六页\总数四十九页\编于十一点学习要求了解计算机的发展历程；清楚计算机的系统层次结构、计算机硬件的基本组成(五大部件的构成)、计算机软件的分类，以及计算机的基本工作过程；了解计算机性能评价指标和相关参数；吞吐量、响应时间、CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间；MIPS、MFLOPS等。要求初步掌握计算机系统的基本概念及基本结构，为进一步深入学习打下基础。2023/5/227目前七页\总数四十九页\编于十一点1.0预备知识问题1：一台计算机一般有哪几部分组成？显示器、键盘、鼠标、音箱、主机箱等；主机箱中有：主板、CPU、硬盘、内存、显卡、声卡等；问题2：如何对以上设备分类？输入输出设备中央处理设备存储设备接口转换卡部件连接线问题3：有了以上设备，计算机是否能发挥其功效？一个完整的计算机系统应包括硬件系统和软件系统两部分。显示器，键盘，鼠标，音箱CPU（集处理和控制于一身）硬盘、内存显卡、声卡总线2023/5/228目前八页\总数四十九页\编于十一点2023/5/229目前九页\总数四十九页\编于十一点2023/5/2210目前十页\总数四十九页\编于十一点2023/5/2211目前十一页\总数四十九页\编于十一点2023/5/2212目前十二页\总数四十九页\编于十一点2023/5/2213目前十三页\总数四十九页\编于十一点DDR内存条SDRAM内存条2023/5/2214目前十四页\总数四十九页\编于十一点80G硬盘2023/5/2215目前十五页\总数四十九页\编于十一点硬盘数据线2023/5/2216目前十六页\总数四十九页\编于十一点DVD光驱2023/5/2217目前十七页\总数四十九页\编于十一点机内电源插头2023/5/2218目前十八页\总数四十九页\编于十一点1.1计算机的分类数字计算机模拟计算机专用计算机通用计算机处理数字量信息按位运算，不连续地跳动计算处理模拟量信息数值连续、运算过程连续是针对某一任务设计的最有效、最经济和最快速的计算机，但适应性很差。适应性很大，但牺牲了效率、速度和经济性。单片机微型机服务器大型机超级计算机低高体积功能数据存储量指令系统价格低高简易性分类双核机如P2图1.12023/5/2219目前十九页\总数四十九页\编于十一点1.2计算机的发展简史超大规模集成电路中小规模集成电路晶体管电子管1972~1990年1946~1957年，第一代计算机1965~1971年1958~1964年第二代计算机巨大规模集成电路1991年~至今摩尔定律1.2.1计算机的五代变化2023/5/2220目前二十页\总数四十九页\编于十一点第一代计算机第一代计算机(1945年－1958年)采用电子管。代表机型：ENIAC1941年美国宾夕法尼亚大学开始研制；主要是为了解决美陆军提出的弹道计算问题；花费40万美元；1955年10月2日最后切断电源。2023/5/2221目前二十一页\总数四十九页\编于十一点ENIAC2023/5/2222目前二十二页\总数四十九页\编于十一点第二代计算机(1958－1964)晶体管2023/5/2223目前二十三页\总数四十九页\编于十一点2023/5/2224目前二十四页\总数四十九页\编于十一点摩尔定律1964年，英特尔公司创始人戈登.摩尔（GordonMoore）在一篇很短的论文里断言：每18个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被集成电路40多年的发展历史准确无误地验证着。摩尔定律有另外一种表述方法，即每过10年计算机系统性能将会增加100倍，通讯带宽也会提高100倍，而花费的资金不会增加。2023/5/2225目前二十五页\总数四十九页\编于十一点1.2.2半导体存储器的发展20世纪50~60年代，磁芯存储器价格昂贵，体积大，破坏性读出1970年，半导体存储器价格更加昂贵，体积小，非破坏性读写1974年之后，半导体存储器价格不断降低，体积不断减少，读写速度更快。有关存储器的介绍详见第3章2023/5/2226目前二十六页\总数四十九页\编于十一点1.2.3微处理器的发展20世纪70年代的处理器4004800880808086808820世纪80年代的处理器80286386TMDX386TMSX486TMDX20世纪90年代的处理器486TMSXPentiumPentiumProPentiumIIPentiumⅢ21世纪00年代后的处理器Pentium4PentiumD

CoreCore

2IntelCorei至强（Xeon）ItaniumItanium2Itanium32023/5/2227目前二十七页\总数四十九页\编于十一点2023/5/2228目前二十八页\总数四十九页\编于十一点2023/5/2229目前二十九页\总数四十九页\编于十一点2023/5/2230目前三十页\总数四十九页\编于十一点Core

I7Itanium

22023/5/2231目前三十一页\总数四十九页\编于十一点1.2.4计算机的性能指标（1/3）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。响应时间从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来表示。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，用百分比表示。处理机字长（机器字长）处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数，如32、64位；机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性。2023/5/2232目前三十二页\总数四十九页\编于十一点1.2.4计算机的性能指标（2/3）总线宽度一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。存储器容量存储器中所有存储单元的总数目。存储器带宽单位时间内从存储器读出的二进制信息量，一般用字节数/秒表示。主频/时钟周期CPU主时钟的频率——主频；其倒数为CPU的时钟周期(T周期)。2023/5/2233目前三十三页\总数四十九页\编于十一点1.2.4计算机的性能指标（3/3）CPU的运算速度CPU执行时间：CPU执行一般程序所占用的CPU时间；CPI：执行一条指令所需的平均时钟周期数；MIPS：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数；MFLOPS：每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。其他的性能指标存储器的读写速度、IO的数据传送率、带宽的均衡性……2023/5/2234目前三十四页\总数四十九页\编于十一点1.3计算机的硬件1.3.1硬件的组成要素使用算盘计算y=ax+b-c1取数（9）→算盘（9）表示第9行的数a，下同2乘法（12）→算盘完成a●x,结果在算盘上3加法（10）→算盘完成ax＋b,结果在算盘上4减法（11）→算盘完成y＝ax＋b－c,结果在算盘上5存数y→13算盘上的y值记到第13行6输出把算盘上的y值写出给人看7停止运算完毕，暂停8

10b数据11c数据12x数据13y数据9a数据纸----------存储器算盘----------运算器笔----------输入/输出设备人----------控制器2023/5/2235目前三十五页\总数四十九页\编于十一点冯·诺依曼机的特点由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五个部分组成；存储器以二进制形式存储指令和数据；指令由操作码和地址码组成；存储程序并按地址顺序执行；冯·诺依曼机的核心设计思想，机器自动化工作的关键；以运算器为中心。2023/5/2236目前三十六页\总数四十九页\编于十一点冯·诺依曼机与现代微机冯·诺依曼机结构输入设备存储器输出设备运算器控制器输入设备控制器输出设备存储器运算器现代微机结构2023/5/2237目前三十七页\总数四十九页\编于十一点现代计算机的特点将运算器、控制器和片内的高速缓存，统称为CPU；而将CPU、主存储器、输入/输出接口和系统总线统称为主机；其余的设备均为外设。主机内仅包含主存储器，辅助存储器属于I/O设备；以存储器为中心。减轻CPU的数据传送负担，提高系统的整体性能；2023/5/2238目前三十八页\总数四十九页\编于十一点1.3.2运算器功能：

处理所有的算术及逻辑运算。通常称为ALU(算术逻辑单元)特点：采用二进制数据进行运算；运算器一次可以处理的数据

位数称为机器字长；机器字长一般为8、16、32、

64位，机器字长直接决定着运算的精度和能力；运算器主要由ALU和各类通用寄存器构成。2023/5/2239目前三十九页\总数四十九页\编于十一点1.3.3存储器（1/2）功能：保存所有的程序和数据。特点：二进制形式保存程序和数据；存储器是按存储单元组织的，读写存储单元必须给出单元地址；相关的概念存储元：用于保存一位0/1二进制数据的物理器件；存储单元：能够保存一个字数据的器件，由若干个存储元构成；单元地址：能区分每一个存储单元的编号，一般从0开始编号；存储容量：一个存储器所能保存的二进制信息的总量。存储器结构示意图2023/5/2240目前四十页\总数四十九页\编于十一点1.3.3存储器（2/2）存储器的分类：外存（辅助存储器）磁盘存储器、光盘存储器；CPU不可直接访问；内存（主存储器）半导体存储器；CPU直接访问，存放当前系统运行所需的所有的程序和数据。两个与主存相关的寄存器MAR(存储器地址寄存器)：接收由CPU送来的地址信息；MDR(存储器数据寄存器)：作为外界与存储器之间的数据通路。存储器地址寄存器MAR主存储器存储器数据寄存器MDR2023/5/2241目前四十一页\总数四十九页\编于十一点1.3.4控制器（1/2）功能：

根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，协调计算机的各个部件的工作。主要任务：解释并执行指令；控制指令的执行顺序；负责指令执行过程中，操作数的寻址；根据指令的执行，协调相关部件的工作，如运算类指令执行时对标志寄存器的影响设置。指令的形式操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等；地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。2023/5/2242目前四十二页\总数四十九页\编于十一点1.3.4控制器（2/2）控制器工作的周期取指周期：取指令的一段时间执行周期：执行指令的一段时间指令按顺序执行的控制部件：指令计数器每取出一条指令，指令计数器就加1；遇到转移类指令，控制器根据所执行指令设置指令计数器的值；相关概念数据字：该字代表要处理的数据；指令字：该字为一条指令；指令流：取指周期中，从内存读出的信息流；数据流：执行周期中，从内存读出的信息流。1条指令的字节数2023/5/2243目前四十三页\总数四十九页\编于十一点1.3.5适配器与输入输出设备输入设备将人们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的设备。输出设备把计算机的处理结果变成人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式的设备。适配器保证外围设备用计算机系统特性要求的形式发送或接收信息。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。2023/5/2244目前四十四页\总数四十九页\编于十一点

1.4计算机的软件系统程序用来简化程序设计，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:服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等；语言类程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等；操作系统；数据库管理系统；应用程序用户利用计算机来解决某些实际问题所编制的程序；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、科学计算程序等等。2023/5/2245目前四十五页\总数四十九页\编于十一点1.5计算机系统的层次结构从不同角度