计算机系统概论

第1章计算机系统概述

主要内容：

（一）计算机发展历程

（二）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

（三）计算机性能指标

吞吐量、响应时间；CPU时钟周期、主频、CPI、

CPU执行时间；MIPS、MFLOPSo

意）大连理工大学

计算机组成原理

计算机里有什么?

计算机基本组成

•构成计算机的基

础理论大部分已

经有50年了。

•目前，计算机的

关键部件也没有

大的改变

>CPU

•DataPath

•Controller

>Memory

>1/0

卷）大连理工大学

KIJAXI■*、！・、mlitIIMMIMA计算机组成原理

现代计算机

UlO''.L'.ljI1Il.tj.nI'ItII'IIII»'

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INTEGER

EXECUTION>1/0

UNITS

PIPELINED

DATA

FLOATING

CACHE

MPLOGIC

IntelPentium

IIBtIIMMO计算机组成原理

计算机运行机制

•Datapath:完成算术和逻

辑瓯通常包括其中的

寄存器。

Control•Control:CPU的组成部

.三厂百根据程序指令来指

Input挥datapath,memory以

及I/O运行，共同完成建序

Memory功能。

Datapat•Memory:存放运行时程序

Output＞及其所需要的数据的场所。

•Input:信息进入计算机的

设备，如键盘、鼠标等。

•Output:将计算结构展示

Computer版声的设备，如显示器、

磁盘、打印机、扬声器等。

⑥大连理工大学

I、l、litHMMIMA计算机组成原理

计算机组成原理

Bus-BasedComputer

⑥大连理工大学

UJA\!、1、，*川、mlitIIMMIMA计算机组成原理

AnatomyofaModernPC

IVIemorybus

PCIbus

ISAbus

⑥大连理工大学

UJA\•snINMI^mlitIIMMIMA计算机组成原理

计算机剖析

计算机系统计算机结构计算机处理器

逻辑设计

设备制造电路（VLSI）设计

磅大连拽工大学

计算机组成原理

计算机剖析（续）

计算机系统计算机结构计算机处理器

li

while(event=getnext())

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•beq$t0,$tl,0x4018a0—_1ccprm?

高级语言汇编语言

机器语言

⑥大连理工大学

MJAXINBIMMI%litHMMO计算机组成原理

计算机组成原理

SystemProcessor

ArchitectureDesign

LogicDesign

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AssemblyMachine

LanguageInstructions

计算机组成原理

1.1计算机的发展历程

1.1.1计算机的产生

A1642年，年仅19岁的法国科学家BlaisePascal(1623-1662)

制造出的第一台能工作的计算机器。整台机器是纯机械设

备，使用手柄驱动，用齿轮传动，能完成加法和减法。程序

设计语言Pascal就是以他的名字命名的。

A1945年，美籍数学家冯・诺依曼博士发表《电子计算工具逻

辑设计》论文，提出二进制表达方式和存储程序控制计算机

构想。

A1946年，美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机

ENIACo重约30吨，耗电150kW,占地170平米，用电子管

18800个，每秒5000次加法。

意)大连理工大学

计算机组成原理...:；2

•.一■

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16世纪，Alkhowarizmi

驱动拨盘，在窗口显示结果提出算法概念，并出版

以算法(Algorithm)

1822年,CharlesBabbage,为题的书籍

微分机(DifferentialEngie)

1833年，分析机(Analytical

Engine),通用机鎏

AdaAugustaLovelace,第一位

程序员

图灵机

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。

50年代，Turing提出了“智能”计

算机的概念。Turing测试

适）大连理工大学计算机组成原理

Turing机特点

A通用计算机：并不是保存所有问题的结果。

A存储程序计算机：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。

»有限速度：计算机执行程序的时间是有限的。

A有限空间：计算机程序的存放空间和数据存放

空间也是有限的。

»是现代计算机的鼻祖。

意）大连理工大学

计算机组成原理

典型冯•诺依曼(VonNeumann)机结构

存储器1

输入

-＞运算器■

「I」

-控制器.

■数据线路

*控制信号计算机的基本结构图

现代计算机结构的鼻祖：五大功能部件

将程序和数据统一表示：存储器有4096个字，每个字40位。

采用二进制数据：简化了存储器

只提供整数运算：任何有能力的数学家都能在头脑中记住小数点的位置。

⑥大连理工大学

计算机组成原理

冯.诺依曼机的基本特点

»计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设

备五部分组成。

»采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中，

由指令组成的程序可以修改。

»数据以二进制码表示

＞指令由操作码和地址码组成。

»指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要

执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增。

A机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器。

意）大连理工大学

计算机组成原理

1.1.2电子计算机的发展简史

»第一代电子管时代(1946-1958)：耗电高，体积大，定点

计算，机器语言，汇编语言

»第二代晶体管时代(1958-1965)：变集中处理为分级处

理，浮点运算、高级语言

»第三代中小规模集成电路时代U965-1970)：存储容量

大，运算速度快，几十至几百万次/秒

»第四代大规模集成电路时代(1971至今)：向大型机和微型

机两个方向发展

A现代计算机发展方向：巨型化，微型化，网络化，智能化，

多媒体化，多核。摩尔定律

意)大连理工大学

计算机组成原理

ComputerGenerations

•Gen-O:Mechanicalcomputers(BCtoearly1940s)

•Gen-1:VacuumTubes(1943-1959)

•Gen-2:Transistors(1960-1968)

>JohnBardeen,WalterBrattain,andWilliamShockley

•Gen-3:IntegratedCircuits(1969-1977)

>JackKilby(1958)

•Gen-4:VLSI(1978-present)

•Gen-5:Optical?

Quantum?

生物？

）大连拽工大学

IsnlitHMMIMA计算机组成原理

现代计算机的里程碑

年代机器名称制造者说明

1834AnalyticalEngineBabbage建造数字计算机的第一次尝试

1936Z1Zuse第一台使用继电器的计算机器

1943COLOSSUS英国政府第一台电子计算机

1944MarkIAiken第一台美国通用计算机

1946ENIACIEckert/Mauchley现代计算机历史从它开始

1949EDSACWilkes第一台存储程序的计算机

1951WhirlwindIM.LT.第一台实时计算机

1952IASVonNeumann大多数现代计算机还用的设计

1960PDP-1DEC第一台小型机（销售50台）

19611401IBM非常流行的小型商用机

19627094IBM60年代早期的主流科学计算用机

1963B5000Burroughs面向高级语言设计的第一台计算机

1964360IBM系列机的第一个产品

19646600CDC第一台用于科学计算的超级计算机

1965PDP-8DEC第一台占领市场的小型机（销售50,000台）

1970PDP-11DEC70年代的主导小型机

19748080Intel第一台在一个芯片上的8位计算机

1974CRAY-1Cray第一台向量超级计算机

1978VAXDEC第一台32位超级小型计算机

1981IBMPCIBM开创现代个人计算机新纪元

1985MIPSMIPS第一台商用RISC机

1987SPARCSun第一台基于SPARC的RISC工作站

1990RS6000IBM第一台超标量体系结构计算机

第一台通用电子计算机ENIAC

ElectronicNumericalIntegratorandCalculator

MauchlyandEckert设计

1946年2月14日

第一台通用电子计算机，设计用

于计算火炮的弹道

重30吨，占地170平方米，18800

个电子管，耗电150KW

运算速度：5000次加法/秒

使用十进制数

20个寄存器，每个存放10位的十进制数

通过设置6000个开关和其它众多的插头和插座来编程

第一台小型计算机：PDP-1

A1957年由DEC公司生产

A第二代计算机（晶体管）

A18位字长，4K内存，机器周期为5微秒

»售价120000美元。售出50台。

»开创了计算机产业!

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计算机组成原理

第一个系列计算机：旧M360

•第三代计算机

・计算机应用：科学计算和

商务处理

•如何在不同的硬件平台上

运行相同的软件？

•系列计算机：IBM360

・计算机系统结构：程序员

眼中的计算机。具有相同

系统结构的计算机可以运

行相同的程序。

•微程序控制器

适）大连理工大学

VIJAXINBIM%mlitIIMM4MA计算机组成原理

应用的普及：旧MPC机

&

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⑨大连拽2大学

»>/l»*IJA\（、1、•M*m・》litIIXM4M.1

RISC计算机

▼孤涉‘

精简指令系统计算机

指令系统尽量简单，复杂指令通过简单指令的组合来完成

提高计算机的运行速度

磅大连拽工大学

计算机组成原理

.

提高计算机性能

»提高计算机性能的方向是采用并行处理技术。近年来人

们在谋求突破传统诺依曼体制的束缚，这种努力被称为

非诺依曼化。表现在3个方面。

■对传统诺依曼机进行改造，如采用多个处理部件形成流

水线处理，依靠时间上的重叠提高处理效率；又如组成

阵列机结构，形成单指令流多数据流，提高处理速度。

•用多个诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。

•从根本上改变诺依曼机的控制流驱动方式。例如采用数

据流驱动方式，只要数据已经准备好，有关的指令就可

并行执行。

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计算机组成原理

下一代计算机

•Babbage：更快、更高、更强

•Turing：智能计算机

•Bush：信息网格

>????????

卷）大连理工大学

VIJAXINBIM%mlitIIMM4MA计算机组成原理

■

1.1.3计算机的分类

»巨型机——世界几家公司生产，如最快1.4万亿次，9千个CPU

组成Cray-1,Cray-2,Cray-3,国产银河I,银河II,银河IH,

我国神威号速度达3480亿次/秒。

»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IBM360,390,4300等。

＞小型机——它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DEC-PDP11（16位），DEC-VAX系列等。

＞工作站——用于特殊的专业领域，例如图像处理和辅助设计等。

典型产品有HP-APOLLO,SUN工作站等。

＞微型机——个人或家庭使用，PC机/个人计算机，价格低廉。

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VIJAXINBIM%mlitIIMM4MA计算机组成原理

1.2计算机硬件组成

•基本部件有中央处理器CPU（运算器和控制器）、存

储器和输入设备、输出设备。

•早期运算器和控制器为硬部分,现在集成在一起。

•存疑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。存储器可与CPU、输入输出设备交换

信息。

•般人货备用来输入原始数据和处理这些数据的程序。

输入的信息有数字符、字母和控制符等。

•耨出发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。

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计算机组成原理

计算机硬件的组成框图

>CPU（包括运算器和控制器）

>存储器

地址总线

>ROM

>RAM-

>输入/输出设备（I/O设备）运算器

和控制

>总线存储器输入/输

•DB—DATABUS出设备

CPU

•AB—ADDRESSBUS

rsr

•CB—CONTROLBUSvI

I控制总线

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计算机组成原理

1.3计算机软件组成

A没有配备任何软件的“裸机”无法投入使用。

»没有配备足够的软件，其功能就不能很好的发挥。

［操作系统或管理软件

汇编程序

，系统软件J高级语言的编译或解释程序

|故障诊断或检验程序

J系统调试程序

软件组成X〔数据库管理程序

f使用者根据需要采用各类语言

【应用软件《编写的各种应用程序，包括各

代类应用软件包

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计算机组成原理

计算机的语言简介

自然语言：人类相互交流信息所用的语言。

高级语言：一种和自然语言接近并能为计算机接受

的语言，这种语言被称为计算机的高级语言。

汇编语言：符号式程序设计语言，属于低级语言。

机器语言：机器能执行的语言，这种语言被称为机器

语言（由二进制代码表示的指令组成）。

适）大连理工大学计算机组成原理

1.4计算机系统层次结构

1.计算机硬件的基本组成

»硬件分为5大部分：控制器、运算器、存储器、输入

设备和输出设备。

＞早期运算器和控制器构成计算机的CPU,现在一般还

加上CPU内部的Cache共同构成CPU，Cache是存储器中

速度最快，容量最小的存储器。

A对冯•诺依曼计算机体系结构的特点要有深刻的理解:

使用二进制（为何用二进制？）

»存储程序，并且按照地址顺序执行，是冯•诺依曼计

算机设计的关键思想。

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计算机组成原理

计算机系统层次结构

2.计算机软件的分类

＞计算机软件按照面向对象的不同可分两类：

系统软件和应用软件。

•系统软件：用于管理整个计算机系统，合理分配

系统资源，确保计算机正常高效地运行，这类软

件面向系统。

・应用软件：是面向用户，根据用户的特殊要求编

制的应用程序，这类软件通常实现用户的某类要

求。

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VIJAXINBIM%mlitIIMM4MA计算机组成原理

计算机系统层次结构

3.计算机的工作过程(参见唐朔飞教材(2版)P16)

>冯•诺依曼计算机特点基本上指出了计算机的工作过程。冯•诺依曼体

系结构的基本思想是：存储程序，并且按照地址顺序自动执行。首先将

指令和数据存储到计算机中，计算机启动后，就能够按顺序取出指令并

依次执行，直到程序执行完毕，得到计算结果为止。

>冯•诺依曼体系结构计算机包含5个基本部件：运算器、控制器、存储器、

输入设备和输出设备。运算器进行数据运算和数据变换；控制器为计算

机的工作提供统一的时钟，对程序的各基本操作进行时序划分，产生相

应的控制信号，驱动计算机的各部件有序地完成程序规定的操作内容；

存储器用来存放程序、数据和运算结果；输入输出设备则完成相应的输

入输出转换。

>一条指令操作包括：取指令、分析(译码)和执行指令3个阶段

•PC—MAR,MDR-R

・OP(IR)-CU,操作数地址码一MAR,操作数fMDR,MDR->ACC

•(PC)+1-*PC

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VIJAXINBIM%mlitIIMM4MA计算机组成原理

4.计算机系统的层次结构

（D层次结构。计算机系统是一个复杂的软、硬件结合体，它包含硬件系统

和软件系统两部分。它通常由6个（或5个）不同的级组成，在每一级都能

够进行程序设计。由逻辑部件级、微程序设计级、指令系统级、操作系统

级、汇编语言级和高级语言级组成，如图所示：

高级语言级（应用程序）

汇编语言级（系统程序）｝软件部分

操作系统级（操作系统）

传统机器级（指令系统）硬、软界面

微程序级（微程序控制器）

，硬件部分

逻辑部件级（硬件逻辑部件）

计算机系统的层次结构

站在不同层次上编程的程序员所看到的计算机属性各不相同。

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计算机组成原理

■

计算机系统的层次结构

(2)软件和硬件逻辑上的等价性

・计算机系统以硬件为基础，通过软件扩充其功能，并以执

行程序方式体现其功能。硬件完成最基本的功能，而复杂

的功能则通过软件实现。计算机是一个软件和硬件结合的

整体系统。

■在机器中，许多功能既可由硬件实现，也可由软件实现。

•功能分配与设计目标、技术条件有关。

,早期主要采用硬件软化方式，即软件完成较复杂的逻辑功能，以降

低硬件开销。如依靠软件实现乘、除、浮点运算等更高级一些的功

能。

,现在存在软件硬化的趋势，即硬件完成较复杂功能，以提高系统处

理速度。如浮点运算器等。

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计算机组成原理

（2）软件和硬件逻辑上的等价性

■软件固化：运行微程序实现较复杂功能，以提高性价比。

•固件：把软件刻入ROM,使软件固化，这样得到的一个实体就

是固件。

•指令系统：是硬件与软件之间的界面。硬件的基本任务是识

别与执行指令代码。所编制的程序最终需要转换成指令序列

代码，进行执行，而指令系统是编程的基础。

（3）兼容性

•兼容性的设计思想实际上就是系列机的概念。在系列机

中，新机型要求支持老机型上开发的软件；而且还有硬件

上的兼容要求。

■兼容要求软件和硬件设备能够直接在不同的机型上使用。

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计算机组成原理

1.5计算机性能指标

»基本字长：指计算机内，表示一个操作数或一条指令所用的

基本二进制位数。

•是CPU一次能处理的数据宽度，与加法器、寄存器的位数和内部

数据总线的宽度等有关。

­字长标志着精度，字长越长，运算精度越高。

•影响计算机的处理能力和运行性能。

•通常选字节的整数倍：2、4、8倍等。

＞主存容量：计算机主存储器所能够存储的信息的全部总量，

称为主存容量。以字节数来表示存储容量的计算机称为字节

编码计算机；而以字为单位编址的计算机，存储容量等于字

数乘以字长。

＞主频：每台计算机的内部都有一个不断地产生固定频率时钟

脉冲的装置，称为主时钟。主时钟的频率通常是机器的主频

率，主频率是衡量一台计算机速度的重要参数。

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VIJAXINBIM%mlitIIMM4MA计算机组成原理

计算机性能指标

＞运算速度：运算速度通常反映计算机运算的快慢。对运算速

度的衡量有以下几种方法：

■根据不同类型指令在计算过程中出现的频率乘上不同的系

数，求得统计平均值，这时所指的运算速度是平均运算速

度。

•直接给出每条指令的实际执行时间。

•以MIPS和MFLOPS作为计量单位来衡量运算速度。MIPS表示

每秒百万条指令，MFLOPS表示每秒百万次浮点运算。

1.吞吐量、响应时间

(1)吞吐量：单位时间内可执行程序的个数。

(2)响应时间：从事件开始到事件结束的时间，也称执行

时间。

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VIJAXINBIM%mlitIIMM4MA计算机组成原理

计算机性能指标

2.主频、CPU时钟周期、CPI、CPU执行时间

(1)主频：CPU工作主时钟的频率，机器主频f

或Rc

(2)CPU时钟周期：机器主频的倒数，Tc

(3)CPI：执行一条指令所需要的平均时钟周期

(4)CPU执行时间：Tcpu=InXCPIXTc

In执行程序中指令的总数，CPI执行每条指令

所需的平均时钟周期数，TC时钟周期时间的

长度。

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计算机组成原理

计算机性能指标

3.MIPS、MFLOPS

(1)MIPS(MillionInstructionsPerSecond)：CPU每秒钟

平均执行的整数指令条数(百万条)

MIPS=In/(TX106)

LcrpUn

=In/(InXCPIXTcX106)

=Rc/(CPIX106)

In：执行该程序的总指令数，TCPU：执行该程序的总时间，

Tc：CPU时钟周期，Rc：主频Rc=l/Tc

MIPS只适合评价标量机，不适合评价向量机。标