(7)-计算机组成计算机组成与结构

计算机组成与结构2024/1/121课程概貌讲授内容基本部件的结构和组织方式基本运算的操作原理基本部件和单元的设计思想特色计算机组成的一般原理，不以具体机型为依托采用自顶向下的方式、层层细化教材唐朔飞.计算机组成原理（第2版）.高等教育出版社2024/1/122参考教材DavidA.Patterson.JohnL.Hennessy.ComputerOrganization&Design:AHardware/SoftwareInterface2024/1/123DavidHarris,SarahHarris.DigitalDesignandComputerArchitecture.MorganKaufmann,2007本课程在课程体系中的地位2024/1/124如何实现具体细节－－知其然1.分析＋评测－知其所以然2.并行计算机系统结构入门第１章计算机系统概论第３章系统总线第４章存储器第５章输入输出系统第６章计算机的运算方法第７章指令系统第８章CPU的结构和功能第２章计算机的发展及应用2024/1/125计算机组成原理之机器第１章计算机系统概论第３章系统总线第４章存储器第５章输入输出系统第２章计算机的发展及应用第１章计算机系统概论1.1计算机系统简介1.3计算机硬件的主要技术指标1.2计算机的基本组成2024/1/127第１章计算机系统概论问题1：现代计算机系统由哪两部分构成？1.1计算机系统简介现代计算机的多态性把感应器嵌入和装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管道等各种物体中，并且被普遍连接，形成所谓“物联网”，然后将“物联网”与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整合，形成智慧地球跑得最快的计算机（截止2014年11月）10RankSite国家System名称CoresRmax(TFlop/s)Rpeak(TFlop/s)1NationalSuperComputerCenterinGuangzhouChinaTianhe-2(MilkyWay-2)-TH-IVB-FEPCluster,IntelXeonE5-269212C2.200GHz,THExpress-2,IntelXeonPhi31S1P中国国防科技大学3,120,00033,862.754,902.42DOE/SC/OakRidgeNationalLaboratoryUnitedStatesTitan-CrayXK7,Opteron627416C2.2GHz,CrayGeminiinterconnect,NVIDIAK20x制造商：CrayInc.克雷公司所属：美国能源部OakRidge国家实验室560,64017,590.027,112.53DOE/NNSA/LLNLUnitedStatesSequoia-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.60GHz,Custom制造商：IBM所属：美国能源部、美国国家核安全管理局1,572,86417,173.220132.74RIKENAdvancedInstituteforComputationalScience(AICS)JapanKcomputer,SPARC64VIIIfx2.0GHz,Tofuinterconnect制造商：Fujitsu富士通所属：日本计算科学研究机构705,02410510.011280.45DOE/SC/ArgonneNationalLaboratoryUnitedStatesMira-BlueGene/Q,PowerBQC16C1.60GHz,Custom制造商：IBM所属：美国能源部/SC/Argonne国家实验室IB786,4328,586.610066.3Tianhe-2Site:NationalSuperComputerCenterinGuangzhouManufacturer:NUDTCores:3,120,000LinpackPerformance(Rmax)33,862.7TFlop/sTheoreticalPeak(Rpeak)54,902.4TFlop/sPower:17,808.00kWMemory:1,024,000GBInterconnect:THExpress-2OperatingSystem:KylinLinuxCompiler:iccMathLibrary:IntelMKL-11.0.0MPI:MPICH2withacustomizedGLEXchannelTitan-CrayXK72024/1/1212“泰坦”是一套拥有200个机柜、18688个计算节点的CrayXK7超算系统，每个节点有一颗推土机架构的AMDOpteron6200十六核心处理器、一块开普勒架构的NVIDIATeslaK20GPU加速计算卡，整体浮点性能超过20PFlops(每秒钟2亿亿次浮点计算)。系统的性能最高可以拓展超过50PFlops1.1计算机系统简介基本结构都具有共性特征2024/1/12131.1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2024/1/1214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1.12024/1/1215简单的一个层次结构软件硬件应用软件硬件系统软件二、计算机系统的层次结构系统复杂性管理的方法-1抽象抽象-对于一个过程或者一件制品的某些细节有目的的隐藏，以便把其他方面、细节或者结构表达得更加清楚-----百度百科抽象-指高级的模型，和低级的实体相对-----维基百科抽象-隐藏系统中不重要的细节。-----DavidHarris从物理构成的角度看二、计算机系统的层次结构1.12024/1/1218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M02024/1/1219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M0计算机组成与计算机体系结构从研究内容上来说有什么区别呢？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2024/1/12211.2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2024/1/1222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2024/1/1225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ALU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主存系统复杂性管理的方法-2（3’Y）层次化（Hierachy）：将被设计的系统划分为多个模块或子模块模块化（Modularity）：有明确定义（well-defined）的功能和接口规则性（regularity）：模块更容易被重用2.现代计算机硬件框图问题：一个现实中的问题，如何用计算机来解决？问题：是不是所有的问题都可以用计算的方法来解决假设我们面对的是一个可以有计算机解决的问题，如何用计算机来解决这个问题呢？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yn+10,1,2,)()(21nynxyn=+=…指令——

每一个步骤1.2三、计算机的工作步骤2024/1/1229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2024/1/1230000001

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

[

]打印机2024/1/1231操作码地址码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a10

b原始数据b11

c原始数据c12存放结果1.2计算ax2+bx+c

程序清单2024/1/1232指令和数据都是保存在存储器中的存储器的结构？如何进行访问？每次访问获得的数据的位数是多少呢？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2024/1/1234MARMDR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MAR2024/1/1235已经知道了存储器的基本组成运算器的结构是什么？运算器功能是什么？，如何工作的？加法？乘法？ACCMQX(2)运算器的基本组成及操作过程1.2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2024/1/1237运算器MQACCALUX①加法操作过程1.22024/1/1238运算器MQACCALUXACC

被加数ACC初态[ACC]+[X]ALU[M]

XXACCACC指令

加M1.2②减法操作过程2024/1/1239运算器MQACCALUX指令减MACC

被减数ACC初态[M]

XX[ACC]-[X]ALUACCACC1.2③乘法操作过程2024/1/1240运算器MQACCALUXACCACC

被乘数初态MQ[M]MQ指令乘MX[ACC]XALU[X]×[MQ]00ACCACC∥MQACCMQ1.2④除法操作过程2024/1/1241运算器MQACCALUXACC

被除数ACC初态[ACC]÷[X]ALUMQACCMQ余数在ACC中指令除M[M]

XX控制器的基本结构如何呢？控制器的功能？解释指令保证指令的按序执行1.2(3)控制器的基本组成2024/1/1243取指令分析指令执行指令PCIRCUPCIRCUPC

存放当前欲执行指令的地址，

具有计数功能（PC）+

1PC

IR

存放当前欲执行的指令完成一条指令运算器、控制器、存储器构成了什么一条指令在主机上的完成过程程序在主机上是如何执行的以取数指令为例(4)主机完成一条指令的过程1.2123567894CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR…运算器MQACCALUXI/O设备2024/1/1245以存数指令为例1.2(4)主机完成一条指令的过程123567984CU控制单元主存储器MDRMAR存储体CPUPC控制器IR…运算器MQACCALUXI/O设备2024/1/1246(5)ax2+bx+c

程序的运行过程1.22024/1/1247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…启动程序运行执行指令

MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC,(PC

)+

1PC如果打算买一台机器，如何进行合适的选择呢？买这台机器做什么你有多少钱机器的性能能否满足你的要求如何在购买前对计算机的性能进行评价处理速度快、内存容量大1.3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2.运算速度=ni

=1fi

tiTM

吉普森法主频每秒执行百万条指令MIPS每秒浮点运算次数FLOPS执行一条指令所需时钟周期数CPI核数，每个核支持的线程数221b=

256

KB213

b=

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2024/1/1250第２章计算机的发展及应用2.3计算机的展望2.2计算机的应用2.1计算机的发展史2024/1/1251第一台电子计算机是什么时候出现的？第一台电子计算机的基本指标？出现的驱动力是什么，发展的驱动力是什么？主要部件的发展情况？主要部件的发展规律是什么？主要代表机型？微型计算机的发展？软件的发展？2.1计算机的发展史2.1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2024/1/1253世界上第一台电子计算机ENIAC(1946)2.12024/1/1254现代计算机产生的驱动力需求、需求、还是需求技术发展电子技术的发展计算机体系结构技术的发展2024/1/1255硬件技术对计算机更新换代的影响100000000超大规模集成电路1978－现在五10000000大规模集成电路1972－19771000000中小规模集成电路1965－1971

200000晶体管1958－1964

40000电子管1946－1957

速度次/秒）硬件技术时间代三四二一2.12024/1/1256vonNeumann系统结构的计算机2.12024/1/1257IAS的逻辑结构IBMSystem／360

2.12024/1/1259二、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2.12024/1/1260Intel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2.1

目前芯片上可集成超过30亿

个晶体管2024/1/1261二、微型计算机的出现和发展2.1Moore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2.12024/1/1263三、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2.12024/1/12642.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DOS、UNIX、Windows

Linux、KylinLinux

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2.12024/1/12653.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2.12024/1/12662.2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2024/1/1267四、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2.22024/1/12682.3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要足够快二、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2024/1/1269三、？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2.32024/1/1270第３章系统总线2024/1/12713.1总线的基本概念3.2总线的分类3.3总线特性及性能指标3.4总线结构3.5总线控制3.1总线的基本概念一、为什么要用总线二、什么是总线三、总线上信息的传送总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质串行并行四、总线结构的计算机举例1.单总线结构框图3.12024/1/1273单总线（系统总线）CPU

主存I/O接口

I/O设备1

I/O设备2I/O接口…

I/O设备nI/O接口…2.面向CPU的双总线结构框图3.12024/1/1274

中央处理器

CPUI/O总线M总线主存

I/O接口

I/O设备1

I/O设备2……I/O接口I/O接口

I/O设备n3.以存储器为中心的双总线结构框图系统总线

主存CPUI/O接口

I/O设备1…

I/O设备nI/O接口…存储总线3.12024/1/12753.2总线的分类2024/1/12761.片内总线2.系统总线芯片内部的总线数据总线地址总线控制总线双向与机器字长、存储字长有关单向与存储地址、I/O地址有关有出有入计算机各部件之间的信息传输线存储器读、存储器写总线允许、中断确认中断请求、总线请求3.通信总线串行通信总线并行通信总线传输方式3.2用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信2024/1/12773.3总线特性及性能指标2024/1/1278CPU插板主存

插板I/O

插板一、总线物理实现BUS主板1.机械特性2.电气特性3.功能特性4.时间特性二、总线特性尺寸、形状、管脚数

及

排列顺序传输方向和有效的电平范围每根传输线的功能信号的时序

关系3.3地址数据控制2024/1/1279三、总线的性能指标1.总线宽度2.标准传输率3.时钟同步/异步4.总线复用5.信号线数6.总线控制方式7.其他指标数据线的根数每秒传输的最大字节数（MBps）同步、不同步地址线与数据线

复用地址线、数据线和控制线的总和负载能力突发、自动、仲裁、逻辑、计数3.32024/1/1280ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模块系统总线标准四、总线标准系统模块3.3标准界面2024/1/1281总线标准数据线总线时钟带宽ISA168MHz（独立）16MBpsEISA328MHz（独立）33MBpsVESA(VL-BUS)3232MHz（CPU）132MBpsPCI326433MHz（独立）66MHz（独立）132MBps528MBpsAGP3266.7MHz（独立）133MHz（独立）266MBps533MBpsRS-232串行通信总线标准数据终端设备（计算机）和数据通信设备（调制解调器）之间的标准接口USB串行接口总线标准普通无屏蔽双绞线带屏蔽双绞线最高1.5Mbps(USB1.0)12Mbps(USB1.0)480Mbps

(USB2.0)2024/1/12823.3四、总线标准3.4总线结构2024/1/1283一、单总线结构单总线（系统总线）CPU

主存I/O接口

I/O设备1

I/O设备2I/O接口…

I/O设备nI/O接口…1.双总线结构具有特殊功能的处理器，由通道对I/O统一管理通道I/O接口设备n

……I/O接口设备0

CPU主存主存总线I/O总线二、多总线结构3.42024/1/12842.三总线结构主存总线DMA总线I/O总线CPU

主存设备1设备n高速外设I/O接口I/O接口I/O接口……3.42024/1/12853.三总线结构的又一形式3.4局域网系统总线CPUCache局部总线扩展总线接口扩展总线Modem串行接口SCSI局部I/O控制器主存2024/1/12864.四总线结构多媒体Modem主存扩展总线接口局域网SCSICPU串行接口FAX系统总线局部总线高速总线扩展总线图形Cache/桥3.42024/1/12871.传统微型机总线结构三、总线结构举例3.4存储器SCSIⅡ控制器主存控制器ISA、EISA8MHz的16位数据通路标准总线控制器33MHz的32位数据通路系统总线多媒体高速局域网高性能图形CPU……Modem2024/1/12882.VL-BUS局部总线结构3.433MHz的32位数据通路系统总线ISA、EISA多媒体高速局域网高性能图形图文传真8MHz的16位数据通路标准总线控制器CPU主存控制器存储器局部总线控制器

SCSIⅡ控制器VLBUS……Modem2024/1/12893.PCI总线结构3.4CPU多媒体PCI桥高速局域网高性能图形图文传真PCI总线系统总线33MHz的32位数据通路8MHz的16位数据通路ISA、EISA标准总线控制器SCSIⅡ

控制器存储器Modem2024/1/12904.多层PCI总线结构PCI总线2存储器桥0桥4PCI设备桥5总线桥桥3桥1设备桥2第一级桥第二级桥第三级桥PCI总线4PCI总线5PCI总线3PCI总线1PCI总线0存储器总线

标准总线CPU3.42024/1/12913.5总线控制2024/1/1292一、总线判优控制总线判优控制分布式集中式主设备(模块)对总线有控制权从设备(模块)响应

从主设备发来的总线命令1.基本概念链式查询计数器定时查询独立请求方式2.链式查询方式总线控制部件I/O接口0…BSBRI/O接口1I/O接口n…BG数据线地址线BS

－总线忙BR－总线请求BG－总线同意3.5I/O接口12024/1/12930BS

－总线忙BR－总线请