计算机组成原理白中英主编课件

计算机组成原理白中英主编课件第一页，共七十八页，编辑于2023年，星期五本讲主要内容课程简介计算机系统概论第二页，共七十八页，编辑于2023年，星期五考纲考查目标1.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。2.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。3.能够综合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。第三页，共七十八页，编辑于2023年，星期五目录

第一章计算机系统概论第二章运算方法和运算器第三章存储系统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围设备第八章输入输出系统第四页，共七十八页，编辑于2023年，星期五

第一章计算机系统概论

本章摘要：

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第五页，共七十八页，编辑于2023年，星期五考纲要求1、计算机发展历程。2、计算机系统层次结构（1）计算机硬件的基本组成（2）计算机软件的分类（3）计算机的工作过程3、计算机的性能指标吞吐量、响应时间；CPU时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间；MIPS、MFLOPS第六页，共七十八页，编辑于2023年，星期五1.1计算机系统的分类主存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第七页，共七十八页，编辑于2023年，星期五计算机系统的基本组成系统软件应用软件计算机软件计算机系统

计算机硬件操作系统语言处理程序诊断程序各种标准程序库...MIS(管理信息系统)ERP(企业资源计划系统)OFFICEOUTLOOK…第八页，共七十八页，编辑于2023年，星期五概述计算机分类：

机械计算机电子模拟计算机：数值由连续的量来表示。

电子数字计算机：计算机中的数值由不连续的数字来表示。专用机：经济，有效，快速，适应性差通用机：适应性强巨型机大型机中型机小型机微型机单片机低简易性高

高体积，功耗，性能，价格低第九页，共七十八页，编辑于2023年，星期五第十页，共七十八页，编辑于2023年，星期五第十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期五计算机的发展1642BlaisePascal加法器CharlesBabbage1822差分机1833分析机MARKIENIAC计算机发展史第十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期五一、计算机的产生和发展1955年10月2日退役用手工搬动开关和拔插电缆来编程主要用于计算弹道和氢弹的研制

1946年2月14日ENIAC17468个电子管6万个电阻器

1万个电容器6千个开关重达30吨占地160平方米耗电174千瓦时耗资48万美元。这台计算机每秒只能运行5千次加法运算和500次乘法运算，电路的焊接点多达50万个。第十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期五世界上第一台电子计算机ENIAC(1946)第十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期五世界上第一台电子计算机ENIAC(1946)第十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期五世界上第一台电子计算机ENIAC(1946)第十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期五第一台vonNeumann系统结构的计算机第十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期五第一代电子管计算机（50年代中期到60年代后期）特点：逻辑元件——真空管数据表示——定点数主存——磁鼓或磁芯辅存——磁带软件——机器语言、汇编语言应用——科学计算第十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期五IBM650

IBM650小型机于1954年12月推出，是第一代计算机中销量最广的计算机。第十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期五第二代晶体管计算机（50年代中期——60年代后期）特点：逻辑元件——晶体管主存——铁淦氧磁芯辅存——磁盘、磁带运算方式——浮点运算软件——高级语言、操作系统（FORTRAN、ALGOL等）应用——科学计算、数据处理、过程控制第二十页，共七十八页，编辑于2023年，星期五CDC66003百万指令/秒

CDC6600大型机于1963年8月由控制数据公司(CDC)推出，当时很受各原子能机构、航空宇航、气象研究等机构的认可。CDC6600是真正意义上的超级计算机，共安装了35万个晶体管，运算速度为1Mflops。至1969年，CDC6600以及改进型CDC7600巨型机共售出150余台。“巨型机之父”西蒙·克雷第二十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期五第三代集成电路计算机时代（60年代中期——70年代前期）特点:1、中小规模集成电路（IC）代替分立元件。

2、半导体存储器代替了磁芯作为主存。外存仍用磁盘。

3、出现了微程序设计技术，软件技术进一步成熟；出现操作系统并日臻完善，出现多道程序、并行处理技术、多处理机、虚拟存储系统等。

4、出现了系列化计算机。

5、应用：科学计算、数据处理、过程控制。

第二十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期五IBMSystem／360

IBM360系统是最早采用集成电路的通用计算机，也是影响最大的第三代计算机。于1964年由IBM推出，平均运算速度从每秒几千次到一百万次，它的主要特点是通用化、系列化和标准化。第二十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期五第四代大规模集成电路时代（70年代初——现在）特点：主存——普遍采用半导体存储器辅存——磁盘、光盘、磁带软件——出现数据库系统、分步操作系统硬件——出现微处理器和微型计算机第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机：单片机第二十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期五1.2.2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、1GB直至更高。其中1K=210,1M=220,1G=230第二十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期五4004CPU图片1971年，当时还处在发展阶段的INTEL公司推出了世界上第一台微处理器4004。这不但是第一个用于计算器的4位微处理器，也是第一款个人有能力买得起的电脑处理器！第二十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期五8086CPU

1978年，Intel公司首次生产出16位的微处理器，并命名为i8086。与其前一代8位微处理器8080/8085相比，8086有如下几点进步：

（1）8086有16位数据总线，处理器与外部传送数据时，一次可传送16位二进制数，而8080/8085一次只能传送8位。

（2）8086的寻址空间从8080/8085的64K字节提高到1M字节。

（3）8086采用了流水线技术，而8080/8085是非流水线结构。在一个具有流水线结构处理器的系统中，可以实现处理器的内部操作与存储器或I/O接口之间的数据传送操作重叠进行，从而提高了处理器的性能。第二十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期五80286CPU80386CPU80486CPUPENTIUMCPU第二十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期五PentiumMMX:

第二十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期五PentiumⅡ

第三十页，共七十八页，编辑于2023年，星期五PentiumIII:第三十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期五PentiumIII-Coppermine:第三十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期五Pentium4第三十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期五第三十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期五第三十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期五

Althon64X2第三十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期五PentiumD第三十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期五IntelCore2Duo第三十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期五Inteli7酷睿至尊版980X第三十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期五AMD羿龙IIX61090T第四十页，共七十八页，编辑于2023年，星期五微型计算机的特点体积小、功耗低可靠性高、使用环境要求低系统外部芯片配套，系统设计灵活性能优良、价格低廉第四十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期五摩尔定律（1965年戈登·摩尔原Intel董事长）晶体管表面积（即刻在集成电路面上的面积）每12个月就会缩小大约50%。

1975年更正为18个月，随后更正为24个月，后又更正为18个月。第四十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期五第36届全球超级计算机五百强排行榜(2010.11)第四十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期五第四十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期五天河一号A第四十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期五CrayJaguar第四十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期五第四十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期五TOP500.org组织公布的第36届全球超级计算机五百强排行榜，10月底才亮相的中国的“天河一号A”毫无悬念地摘得头名，这也是中国历史上第一次在这项排行上占据头把交椅。

改进前的“天河一号”曾经连续位列第五和第七，全新升级后的天河一号A则基于NUDTYHCluster集群，硬件上配备了IntelXeonX56702.93GHz六核心处理器(32nmWestmere-EP)、我国自主研发的飞腾FT-1000八核心处理器、NVIDIA

TeslaM2050高性能计算卡、224TB内存、专有互连架构、Linux操作系统，总计186368个核心，Linpack最大性能2.566PFlops(每秒千万亿次浮点运算)、峰值性能4.701PFlops，系统效率54.6％。

天河一号A坐落在位于天津的国家超级计算中心，建成后已经立即全面运转，主要用来执行大规模科学计算，而且还是一套开放式访问系统。

第四十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期五天河一号A简单资料第四十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期五日本夺回全球500强超级计算机排名第一位置(2011.6)6月21日消息，据国外媒体报道，一台日本计算机取得了500强超级计算机排行榜排名第一的位置，结束了中国超级计算机保持6个月的排名第一位置。日本K计算机每秒浮点运算次数为百万的四次方，比接下来的五个超级计算机合在一起的性能还要强大。K计算机的性能是使用68,544个SPARC64VIIIfx处理器衡量的，每个处理器配置8个内核，一共有548,352个内核，几乎是其它世界500强超级计算机处理器内核数量的一倍。这台超级计算机仍在建造之中。据这台超级计算机的制造商富士通称，当它在2012年11月开始服务的时候，这台超级计算机将配置8万多个SPARC64VIIIfx处理器。第五十页，共七十八页，编辑于2023年，星期五日本超级计算机上升到排名第一的位置意味着去年11月取得排名第一位的中国天河-1A超级计算机现在排名第二位。天河-1A每秒可进行2.57千万亿次浮点运算。不过，中国继续增加在这个排行榜中的超级计算机的数量。现在，中国的世界500强超级计算机已经从42台增加到62台。这个排名第一的变化还意味着日本为美国能源部生产的超级计算机Jaguar的排名下降到第三位。第五十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期五第五十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期五一些性能指标计算机的吞吐量：

计算机系统的吞吐量是指流入,处理和流出系统的信息的速率。它取决于信息能够多快地输入内存,CPU能够多快地取指令,数据能够多快地从内存取出或存入,以及所得结果能够多快地从内存送给一台外围设备。这些步骤中的每一步都关系到主存,因此,系统吞吐量主要取决于主存的存取周期。由于上述原因,采用双端口存储器可以增加主存的有效速度.

响应时间：响应时间是指完成一个任务的全部时间，包括磁盘访问时间、存储器访问时间、I/O访问时间等。在多道程序时，CPU在一个程序处于I/O等待时会转去执行另外一个程序，这样就会减少等待时间。第五十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期五利用率表示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。当前处理机的字长有8位、16位、32位、64位。字长越长，表示计算的精度越高。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。存储器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。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。

第五十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期五主频/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（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。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、纳秒。

CPU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时钟周期长第五十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期五第五十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期五第五十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期五第五十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期五冯·诺依曼体系结构 计算机组成原理讨论的基础就是冯·诺依曼的计算机，其基本设计思想就是存储程序和程序控制，具有以下特点： （1）由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。（2）采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中，指令和数据一样可以送到运算器运算，即由指令组成的程序是可以修改的。（3）数据以二进制数码表示。（4）指令由操作码和地址码组成。（5）指令在存储器中按顺序存放，由指令计数器（PC）指明要执行的指令所在单元地址，一般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件改变。（6）机器以运算器为中心，I/O设备与存储器间数据传送都通过运算器。第五十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期五计算机硬件系统的基本构成第六十页，共七十八页，编辑于2023年，星期五1.3.2运算器算术运算和逻辑运算在计算机中参与运算的数是二进制的运算器的长度一般是8、16、32或64位第六十一页，共七十八页，编辑于2023年，星期五1.3.3存储器存储数据和程序（指令）容量（存储单元、存储单元地址、容量单位）分类内存（ROM、RAM）、外存存储器单位：1KB＝210B1MB＝220B1GB＝230B1TB＝240B第六十二页，共七十八页，编辑于2023年，星期五1.3.4控制器指令和程序:指令的形式（操作和地址码、存储程序的概念、指令中程序和数据的存放、指令系统）指令和数据存储第六十三页，共七十八页，编辑于2023年，星期五控制器的基本任务控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周期控制器完全可以区分开哪些是指令字，哪些是数据字。一般来讲，取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；而在执行器周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。第六十四页，共七十八页，编辑于2023年，星期五1.3.5适配器与I/O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适配器：它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。第六十五页，共七十八页，编辑于2023年，星期五计算机硬件系统的一种构成形式存储器运算器控制器适配器输入设备输出设备系统总线第六十六页，共七十八页，编辑于2023年，星期五计算机各部件间需要大量而高速地交换信息，才能实现总体功能。例如：

·CPU从存储器读取指令、数据，经过运算以后又将结果存入存储器；

·CPU与I/O设备交换数据；

·CPU从接口中读取设备的状态信息，以了解设备工作的现状；

·CPU向接口输出命令启动和控制设备工作；

等等。通过系统总线所包含的三个子总线（数据总线、地址总线和控制总线）可有效地提供高速、可靠的信息传输通道。

第六十七页，共七十八页，编辑于2023年，星期五通常，在计算机中采用总线方式连接各大部件，框图如下：第六十八页，共七十八页，编辑于2023年，星期五1.4计算机的软件1.4.1软件的组成与分类计算机软件相对计算机硬件来说是看不见，是计算机系统中不可少的无形部件。主要有两大类：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。它包括以下四类：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。第六十九页，共七十八页，编辑于2023年，星期五1.4.2软件的发展演变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/解释程序系统软件的发展操作系统分布式系统软件第七十页，共七十八页，编辑于2023年，星期五1.5计算机系统的层次结构1.5.1多级组成的计算机系统

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。它通常由五个以上不同的级组