第二章计算机组成原理-课件

第二章计算机组成原理ppt课件阿伦.图灵(AlanTuring)英国数学家、哲学家、密码破译家

30年代初，发表了一篇著名的论文《论数字计算在决断难题中的应用》，他提出了一种十分简单，但运算能力极强的理想计算装置，用它来计算所有能想象得到的可计算函数。图灵的思想奠定了现代计算机科学的理论基础。图灵机——自动机理论ACM（美国计算机学会）图灵奖1945年VonNeuuman、H.H.Goldstin、A.W.Burks发表了一篇论文《电子计算机装置逻辑结构初探》提出了两个主要论点:

*使用二进制*存储程序和程序控制奠定了当代计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备等组成的结构体系冯·诺依曼教授（JohnVonNeumman）和他设计的“存储程序式”计算机EDVAC(埃德瓦克)2.1.3计算机的发展阶段以计算机使用的基本电子元件作为划分依据，计算机的发展经历了四个阶段。基本电子元件的演变：集成电路（IC）电子管晶体管中小规模集成电路芯片大规模超大规模集成电路芯片计算机的发展阶段过去很长时间人们都按照计算机主机所使用的元器件，为计算机划代。代

别年

代主要元器件配置的软件主要应用第1代20世纪40年代中期～50年代末期CPU：电子管内存：磁鼓

使用机器语言和汇编语言编写程序科学计算和工程计算第2代50年代中后期～60年代中期CPU：晶体管内存：磁芯

使用FORTRAN等高级程序设计语言开始广泛应用于数据处理领域第3代60年代中期～70年代初期CPU：SSI，MSI内存：SSI，MSI半导体存储器

操作系统，数据库管理系统等开始使用在科学计算、数据处理、工业控制等领域得到广泛应用第4代20世纪70年代中期以来CPU：LSI、VLSI内存：LSI、VLSI的半导体存储器

软件工程、分布式计算、网络软件等开始广泛使用深入到各行各业，家庭和个人开始使用计算机2.2计算机的组成与分类主要内容：计算机的逻辑结构 各组成部分的基本功能 计算机分类 计算机主要性能指标2.2.1计算机硬件的组成冯·诺依曼型计算机的5个组成部分运算器控制器存储器输入输出中央处理器俗称:CPU主机计算机硬件I/O设备其基本原理是存储程序控制，或说是存储程序，程序控制。

CPU与主存储器连同总线构成主机

外存储器与输入输出设备称外围设备计算机硬件中央处理器(CPU)内存储器外存储器输入设备输出设备通过系统总线互相连接主机CPU主存储器总线外围设备（外设）外存储器输入设备输出设备中央处理器外存储器内存储器输出设备系统总线输入设备适配器适配器适配器I/O端口I/O端口外存储器接口控制器运算器存储器计算机的逻辑结构中央处理器(CPU)

(CPU：CentralProcessingUnit)包含运算器和控制器。承担系统软件和应用软件运行任务的处理，是任何一台计算机必不可少的核心组成部件。（一台计算机中有多个处理器， 它们各有其不同的任务）中央处理器(CPU)处理器能高速地进行算术运算和逻辑运算，负责对输入信息进行各种处理微处理器简称μP或MP，通常指使用单片大规模集成电路制成的、具有运算和控制功能的处理器中央处理器(CPU)并行处理和多处理器系统 使用多个CPU（2，4，8或更多）实现超高速计算的技术称为“并行处理”，采用这种技术的计算机系统称为“多处理器系统”。存储器外存储器(简称外存或辅存)存取速度慢、容量相对大，价格相对低不直接与CPU相连接（CPU不能直接访问，其中存储的程序及相关的数据必须先送入内存，才能被CPU使用）非易失性，用于长期存放各类信息存储介质：磁盘、光盘、磁带等输入设备输入（input） 输入：把信息(原始数据或程序)转换为计算机能识别的形式而送入计算机内存的过程（名词）向计算机输入的内容输入设备 用来向计算机输入信息的设备 输入到计算机中的信息都被转换成二进制“0”和“1”两个符号来表示

输入设备分类

按照输入信息的类型划分

数字和文字输入设备(键盘、写字板等)

位置和命令输入设备(鼠标器、触摸屏等)

图形图像输入设备（扫描仪，数码相机等）

声音输入设备（话筒，MIDI演奏器等）

视频输入设备（摄像机）

温度、压力输入设备(温度、压力传感器)输出设备输出（output） 输出：把信息送出计算机的过程 （名词）指计算机所产生的结果。计算机的输出可以是文本、语音、音乐、图像、动画等多种形式输出设备完成信息输出的设备，即把计算机内存储器中用“0”和“1”表示并存储的信息转换成人可直接识别的信息形式的设备输出设备类别输出文字和图像的设备：

显示器打印机绘图仪输出声音的设备：音箱系统总线

系统总线是用来在CPU、内存、外存和各种输入输出设备之间传输信息并协调它们工作的一个控制部件(含传输线与控制电路)。有些计算机把连接CPU和内存的总线称为系统总线，把连接内存和I/O设备(包括外存)的总线称为I/O总线。总线通常由总线控制器、总线发送器、总线接收器和互联导线组成。系统总线上有3类信号：

数据信号、地址信号、控制信号因此有数据线、地址线、控制线

I/O端口（I/Oport）

计算机系统中的I/O设备通过I/O端口与各自的控制器（即，适配器）连接，然后由控制器与总线相连。常用的I/O端口有并行口、串行口、视频口、USB口等，它们的外形、结构和信号交换规程各不相同。2.2.2计算机的分类

按内部逻辑结构分为单处理机、多处理机(并行机)按字长分为16位机、32位机或64位计算机等按计算机的性能、用途和价格分为巨型计算机（Supercomputer）大型计算机（Mainframe）小型计算机（Minicomputer）个人计算机（PersonalComputer）另外还有：单片机4.个人计算机（PersonalComputer，也称个人电脑、PC机或微机）

最早的代表机型：1977年：AppleMacintosh(Apple公司产品，使用Motorola公司生产的微处理器）1981年：IBM-PC(IBM公司产品，使用Intel公司生产的8086微处理器）计算机的分类台式机笔记本电脑掌上计算机计算机的分类个人计算机类别台式机：一般在办公室或家庭中使用。便携机：用于移动计算。笔记本（膝上机）：体积小、重量轻，便于外出携带，性能与台式机相当，但价格高出一倍左右。手持式计算机（掌上机）：包括商务通、快译通之类产品，它们与PC机不一定兼容，有些只有一些专用功能，缺乏通用性。计算机的分类工作站（一种特殊的个人计算机，称为工程工作站Workstation)具有高速运算能力和强大的图形处理功能，通常运行UNIX操作系统，特别适合于工程与产品设计使用。SGI，SUN，HP，IBM等公司都有此类产品。工作站计算机的分类服务器/客户机 在这种系统中，巨型机、大型机和小型机均可作为系统的服务器，个人计算机和工作站则用作客户机。 客户机直接面向用户，通过联网与服务器共同合作完成信息处理的任务。 鉴于服务器/客户机系统的盛行，一些计算机厂家专门设计生产了称为“服务器”的一类计算机产品，它们的存储容量大，网络通信功能强、可靠性好、运行专门的网络操作系统。计算机的分类5.微控制器（单片机）是一种把处理器、存储器、输入／输出接口电路等都集成在单块芯片上的大规模集成电路芯片。2.2.3计算机主要性能指标1.运算速度

用于说明具有并行处理能力的巨型机的运算速度的度量单位：

次／秒：每秒执行加法运算的次数世界第一台计算机ENIAC的运算速度5000次/秒目前计算机的速度银河Ⅲ：130亿次／秒(国产机）曙光3000：3800亿次／秒(国产机，国内最快)EarthSimulator(地球仿真超级计算机)：350000亿次/秒浮点运算(NEC公司，世界最快)计算机主要性能指标用于说明CPU运算速度的度量单位：（1）MIPS：百万条定点指令／秒（MillionInstructionsPerSecond）。例如,P4微处理器运算速度已超过100MIPS（2）MFLOPS：百万条浮点指令／秒（MillionFLOatinginstructionsPerSecond）（3）TFLOPS：万亿条浮点指令／秒（TrillionFLOatinginstructionsPerSecond)例如，EarthSimulator运算最高速度达到35.8TFLOPS计算机主要性能指标2.字长中央处理器中运算器和寄存器的宽度，即数据在运算器中做运算或存储时的二进制位数。字长决定了计算的精度。字长通常是2的整数次幂。微处理器字长演变： Intel4004:4位(1971年,世界第一个微处理器) Intel8008,8080:

8位 Intel8086:16位 Intel80386,80486,pentium：32位计算机主要性能指标3.存储容量 内存容量，硬盘容量 度量单位：B，KB，MB，GB，TB 1B（字节,Byte）=8位二进制数(字位，bit)（个人计算机主存的地址编码单位）1KB=1024B=210B1MB=1024KB=220B1GB=1024MB=230B1TB=1024GB=240B 例如：内存256MB，硬盘40GB计算机主要性能指标Intel公司微处理器主要技术参数比较

处理器主要参数8086802868038680486PentiumPentiumProPentiumⅡPentiumⅢPentium4推出时间19781982198519891993～19961995～19971997～199819992000主频(MHz)4.776～2016～3333～10060～200150～200233～333450～14001500～3060晶体管数目2.9万13.4万27.5万120万310万550万750万950万4200万制造工艺(微米)>21.51.5～1.01.0～0.80.8～0.350.6～0.350.35～0.250.25～0.130.18～0.13封装形式与引脚DIP,40PGA,68PGA,132PGA,168PGA,273双SPGA,387PinSEC,242FC-PGA,370FC-PGA2,4782.3.1CPU的结构

CPU内部的组成

运算器（执行单元）对数据进行各种算术运算和逻辑运算(称ALU)

控制器

取指令，解释指令的含义（指令译码）产生控制其它部件的操作控制信号，记录内部状态

寄存器

临时存放参加运算的数据和得到的中间结果为提高Pentium处理器处理速度采取的措施运算器由多个处理整数的算术逻辑部件（ALU）和1个处理实数的浮点运算器组成。处理器中包含了几十个数据寄存器，用来临时存放中间结果。增加了指令快存（cache）和数据快存（cache）两个高速存储器可以使用指令预取部件提前向主存或快存去取出一些准备要执行的指令。处理器内部主要部件的功能

整数ALU（ALU:算术逻辑单元) 完成整数运算

浮点运算器 完成实数运算

指令预取部件 提前向主存或快存去取出准备要执行的指令

指令译码部件 分析指令需要执行什么操作，然后产生控制信号去控制运算器或其它部件具体执行这些操作处理器内部主要部件的功能地址转换部件 用来形成指令所处理的数据存放在内存中的存储单元的地址码指令Cache

指令高速缓冲存储器总线接口部件 提供了与其他芯片的接口数据Cache

数据高速缓冲存储器寄存器组 临时保存被执行的指令、参加运算的数据和运算结果数据微指令序列存储器ROM

一种使用二进制编码表示的命令（所有机器指令的全体构成计算机的“机器语言”），它用来规定计算机执行什么操作以及操作对象所在的位置。用机器指令编写的程序中的每一条指令都可以直接被控制器译码产生执行指令所需的控制信号。操作码操作数机器指令格式:2.3.2指令与指令系统

机器指令（简称指令）操作码表示计算机应执行何种操作的一个二进制代码操作数表示该指令所操作（处理）的数据（直接数）或数据所在存储单元的地址，通常每一种不同类型的CPU都有它自己独特的一组指令，称指令系统。

一个CPU所能执行的全部指令称为该CPU的指令系统或指令组。指令系统中有数以百计的不同的指令。主要有以下几类指令：

数据传送指令移位指令

算术运算指令位（位串）操作指令

逻辑运算指令…

控制转移指令

输入/输出指令指令系统（instructionset）指令系统兼容

由于每种类型的CPU都有自己的指令系统，因此，某一类计算机的可执行程序代码未必能在其它计算机上运行，这个问题称之为计算机的“兼容性”问题。 同一公司的ＣＰＵ产品通常“向下兼容”——新型号的处理器在旧型号处理器指令系统基础上进行扩充。2.3.3指令的执行过程

一条指令的执行流程指令预取指令译码取操作数并执行指令回送结果CPU速度与主频的关系CPU主频(MHz） CPU的内部频率。它决定着CPU内部数据传输和指令执行的每一步的时间。显然，CPU的工作频率越高，它的处理速度就越快。

CPU速度=主频

IPC(每个时钟周期可执行的指令条数)注意： 主频为2G的CPU速度≠主频为1G的CPU速度的2倍Intel的2G主频CPU的速度≠AMD的2G主频CPU的速度CPU总线频率(MHz）CPU和外界交换数据的工作频率，是CPU的外部频率。主频=外频*倍频CPU速度与Cache容量的关系Cache容量

Cache也称为高速缓冲存储器，简称快存。Cache存储器的有无和容量大小是影响CPU性能的另一个重要因素。通常，Cache容量越大，访问Cache的命中率就越高，CPU的速度就越快。CPU速度与寄存器