2025年计算机组成原理第1章

1计算机组成原理2目标1—掌握计算机组成与原理*建立计算机系统的整机概念*掌握计算机的组成与工作原理*了解计算机组成与结构的新技术目标2—训练分析与计算能力*掌握组成与结构的性能分析方法*通过量化计算，加深对组成与原理的理解目标3—培养应用与设计能力*通过实验，培养简单应用及逻辑设计能力课程目标3教学要求先修课程—数字电路基础、C/C++程序设计教学方式—理论教学＋实验教学(64学时)(16学时)参考教材—任国林.计算机组成原理.电子工业出版社,2010考核方式—平时＋实验＋期末(10%)(10%)(80%)4第1章计算机系统概论5§1.1计算机系统简介一、计算机的功能*计算机的概念：←指电子计算机

采用电子数字方式计算，可根据逻辑结果控制计算过程

数据传送、数据处理、数据存储，过程控制*计算机系统的组成：

计算机硬件—具备特定功能的部件

计算机软件—表示功能需求的信息(程序)*计算机的功能：*计算机的目标：--比尔·盖茨

通信工具、创造工具、用户可定制工具按位及跳动式电脑的由来算术+逻辑运算6二、计算机的软硬件*使用计算机的解题过程：解题结果③③运行用户输入设备输出设备处理设备存储设备目标程序(机器语言)源程序(高级语言)①②①编辑②编译

*计算机功能的实现方式：

硬件—具备数据传送/处理/存储、过程控制功能

软件—表示用户对数据处理(含过程控制)的功能需求└→程序(指令序列)

执行软件—实现用户对数据处理(含过程控制)的功能需求*计算机性能的特性：

软件功能靠硬件实现，硬件性能靠软件反映7三、计算机系统的层次结构直接执行机器指令机器语言级机器M1用机器语言编程汇编语言级机器M3用汇编语言编程用汇编程序翻译成机器语言程序高级语言级机器M4用高级语言编程用编译程序翻译成汇编语言程序或机器语言程序操作系统级机器M2使用OS命令操作用机器语言解释操作系统命令

微程序级机器M0用微指令系统实现用微程序解释机器指令直接执行微指令虚拟机器实际机器*层次结构的概念：不同层次程序员所看到的计算机结构*层次结构的发展：层次增多，软/硬交界面上移机器语言级机器M1

微程序级机器M0硬件软件汇编语言级机器M3高级语言级机器M4操作系统级机器M2软硬件交界面8四、计算机结构与组成*计算机系统结构(Architecture)：

机器语言程序员所看到的计算机属性(概念性结构和功能特性)数字电路级机器*计算机组成(Organization)：计算机系统结构的逻辑实现

(计算机硬件设计人员所看到的计算机属性

)指令功能逻辑实现、部件组成、控制机构、排队及缓冲技术等器件技术、组装技术等*计算机实现(implementation)：计算机组成的物理实现ISA(InstructionSetArchitecture)指令系统、数据表示、寻址方式,存储系统，I/O系统、信息保护等*相互关系：硬件功能确定-逻辑实现-物理实现9§1.2计算机系统基本组成一、冯·诺依曼模型计算机*结构与组成：

由运算器、存储器、控制器、输入设备及输出设备组成*数据表示与运算：

指令及数据均用二进制方式表示，运算亦采用二进制方式

特征—以运算器为中心→运算与I/O串行(性能差)输入设备存储器运算器控制器输出设备注：数据信息指令信息控制信息状态信息10*存储器结构：（指令与数据以等同地位存放）

由定长单元构成的一维空间，按地址访问*指令组成：

由操作码及地址码组成表示操作的性质表示操作数在MEM中的位置操作码

地址码1地址码2

例：若ADD运算的操作码用010表示，01000#与10000#两个存储单元内容相加的指令可表示为：010010001000001…2n-1……单元长度w存储字地址空间n11*存储程序工作方式：

程序存储—指令及数据预先存放在存储器中

程序控制—按程序逻辑顺序，自动、逐条取出并执行指令存储单元地址顺序表示：指令地址顺序类型：顺序/转移为什么？为什么？取出指令执行指令实现指令执行过程循环地指令地址当前下条循环处理(循环变量)＋“1”转移发生时顺序执行时地址形成下条指令地址由当前指令产生指令地址指令内容(存储器中)A+0

int

nCnt=0；A+1intnSum=0；A+2LP:nSum+=nCnt；A+3

nCnt++；A+4if(nCnt<3)

gotoLP；A+5COUT>>nSum；逻辑顺序⑴⑵⑶⑹⑼⑷⑺⑽⑸⑻⑾⑿12二、计算机硬件的基本组成9技术⑵：DMA技术(直接存储器访问)1、计算机硬件的结构现代计算机几乎均在冯·诺依曼模型基础上进行改进*采用以存储器为中心的结构：可使数据传送与数据处理并行，有利于提高系统性能存储器输出设备输入设备结果程序/数据控制器运算器技术⑴：缓冲技术缓冲器缓冲器13*采用多种存储器构成的层次结构：解决速度-容量-价格间的矛盾，有利于提高性能/价格主存(内存)辅存(外存)计算机硬件运算器控制器存储器输入设备输出设备CPU主机I/O设备(外设)I/O设备(包括辅存)主存储器MM控制单元CUCPU算术逻辑单元ALU主机14*采用总线方式的互连结构：实现部件操作标准化，有利于提高系统的可扩展性CPU主存I/O接口1…系统总线I/O设备1I/O接口nI/O设备n非标准格式标准格式(按地址访问)(IN/OUT操作)min{所连I/O接口(设备)速度}(按地址访问)(读/写操作)

总线组成—地址线(ABus)、数据线(DBus)、命令线(CBus)152、计算机部件的基本组成(1)存储器*功能：存储信息(指令和数据)，支持按地址访问*组成：*术语：存储元、存储单元、存储阵列，存储单元地址、存储单元长度(存储字长)，地址……存储阵列I/O电路地址译码器……数据命令wn01…2n-1……存储字长w存储字抽象

存储器容量＝2n×w

位(bit)………………012n-1w-1

…

1

0…一维排列示例16*访问操作的实现过程：读操作—①接收地址及命令，内部操作②输出数据…I/O电路地址译码器…………①0…01①Read地址译码器I/O电路②1#的存储字

写操作—①接收地址及命令②接收数据，内部操作17(2)运算器*功能：实现算术及逻辑运算、暂存运算结果*组成：△约定：(X)表示寄存器X中内容，[Y]表示存储单元Y中内容OPMEMALU累加器型运算器AC常用寄存器实现OPALU寄存器型运算器寄存器组(文件)MEMALU寄存器组(文件)ABF*(R0)+(R1)→R2的实现过程：(1)(R0)→ALU_A、保持(2)(R1)→ALU_B、保持(3)ALU_A+ALU_B、保持(4)ALU_F→R2AddALU18(3)控制器*功能：控制各部件协调地工作，以实现程序执行过程

*程序执行过程的实现方案：

理论方案—指令执行过程与循环处理串行

(循环变量放在指令地址寄存器PC中)11取指令分析指令执行指令循环处理指令地址寄存器PC存储器指令内容寄存器IR指令译码器ID功能部件+“1”地址形成部件转移产生时19

实际方案—指令执行过程与循环处理重叠取指令分析指令执行指令PC＋“1”计算及重置PC

注：顺序型指令—执行阶段不再使用PC，可提前＋“1”

转移型指令—执行阶段无数据操作，可实现计算及重置PC取指时均进行转移发生时进行指令地址寄存器PC存储器指令内容寄存器IR指令译码器ID功能部件+“1”地址形成部件转移产生时20*组成：时序部件、控制信号形成部件等*程序执行过程的控制需求：①具有多个时标信号(周期性)，以区分不同时段②适时产生当前指令功能对应的部件控制信号指令寄存器IR…程序计数器PC指令译码器ID控制信号形成部件时序部件控制器…取指时标信号例分析执行t指令周期指令周期读MEM控制信号例写IR部件OP

ADD

SUB21(4)输入/输出设备*功能：实现信息的I/O及格式转换*种类：键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘等*连接：通过I/O接口(又称适配器或控制器)与总线连接，

I/O接口实现信息的缓冲、中转等功能主存…系统总线主存控制器CPU用户交互接口键盘、鼠标等显示适配器显示器硬盘控制器硬盘总线接口BIU*总线基本组成：

地址线(ABus)、数据线(DBus)、控制/状态线(CBus)按地址访问(IN/OUT操作)22三、计算机软件的基本组成1、计算机软件分类软件分为系统软件及应用软件两大类语言处理程序数据库管理系统服务性程序网络管理程序操作系统科学计算信息管理自动控制人工智能虚拟现实实际机器软硬件交界面系统软件应用软件虚拟机器应用语言环境高级语言环境汇编语言环境操作系统环境应用语言程序高级语言程序汇编语言程序操作系统命令串232、操作系统(OperatingSystem，OS)*主要功能：

(管理所有软硬件资源)

文件管理、作业管理、进程管理、存储管理、设备管理辅存←→程序硬件管理(面向软件)

程序执行请求―→进程进程调度与控制*进程的调度与切换：调度—在特定时刻、按照一定算法选择即将运行的进程切换—实现上行/下行进程软硬件环境的保存/恢复CPU时间OS进程进程1进程2进程3OS进程1进程2进程3进程1OSOSOSOS时间片满、I/O请求等发生优先级、轮转等算法24172016四、计算机系统的工作过程1、计算机硬件基本组成PC→MARMAR→ABus、Read→CBus、MEM[MAR]→MDRMDR→IR时间CPUAddrDataCmd…控制信号形成部件时序部件ID+“1”ACALUIRPC…MARMDR数据通路(如总线结构)系统总线(ABus、DBus、CBus)I/O设备(含磁盘)I/O接口……存储阵列I/O电路地址译码器…主存储器*MAR/MDR的作用：访存操作与内部操作可并行(提高性能)不影响数据通路及相关部件的使用[例如(PC)+“1”→PC]25指令类型指令格式操作码OP地址码ADDR取数001maddr存数010maddr加法011maddr停机100空闲2、机器语言程序的形成*模型计算机的指令系统：示例*y=x+b的机器语言程序形成：可用高级语言或机器语言编程MEM地址指令或数据注释000100100

AC←x(00100单元)101100101AC←(AC)＋b(00101单元)201000110y←(AC)3100*****

停机4x

原始数据x(冯氏模型要求)5b

原始数据b6y

结果数据y指令(操作)功能AC←[maddr]，取maddr单元内容到AC中maddr←(AC)，AC内容存到maddr单元中AC←(AC)＋[maddr]，相加程序执行结束261824(1)指令执行过程*取数指令执行过程的操作序列：以AC←[X]为例3、计算机硬件的工作过程PC→MAR→MEM(R)→MDR→IROP(IR)→IDAD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→AC过程*加法指令执行过程的操作序列：以AC←(AC)+[Y]为例X主存MARMDRACALU…控制信号形成时序部件PCIRIDCU+“1”……主存MARMDRACALU…控制信号形成时序部件PCIRIDCU+“1”……YPC→MAR→MEM(R)→MDR→IROP(IR)→IDAD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→ALU(+)→ACAC→ALU2718(2)程序执行过程

*程序执行过程的操作序列：─控制器实现①取指—(PC)→MEM→IR，(PC)＋“1”→PC

②分析—(IR)→ID→CU

③执行—指令约定操作(转移发生时重写PC)，转①*程序执行的初始条件：

①程序及数据--已存放在主存(MEM)中

②PC内容—已设置为程序首条指令地址功能部件地址形成部件功能部件PC主存储器MEMID+“1”IR转移型顺序型下条指令地址当前指令地址当前指令内容转移发生时28

例—说明y=x+b的机器语言程序执行过程:设(PC)=000002500100100011001010100011010000000AC←[x]AC←(AC)+[b][y]←(AC)停机00000000010001000011指令地址指令内容指令功能

程序执行过程：循环的指令执行过程←各REG值不断变化AD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→ACPC→MAR→MEM(R)→MDR→IROP(IR)→ID

+1→PCOP(IR)→IDAD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→ALU(+)→ACAC→ALUPC→MAR→MEM(R)→MDR→IR

+1→PCOP(IR)→IDAD(IR)→MAR→MEM(W)AC→MDR→MEMPC→MAR→MEM(R)→MDR→IR

+1→PCOP(IR)→ID→(STOP)PC→MAR→MEM(R)→MDR→IR

+1→PCMEMMARMDRACALUPCIRID+“1”…29§1.3计算机系统的性能指标一、性能指标*系统性能：指在计算机硬件上运行的计算机软件的性能1、硬件性能参数*机器字长：指CPU一次能处理(数据)的二进制位数字长单位—二进制位(bit)n位CPU—指机器字长为n个二进制位的CPU(Intel8086是16位CPU，Core2Duo是64位CPU)对硬件的影响—决定了ALU、数据REG、数据通路的长度特指ALU(历史原因)30*机器主频：指CPU内部主时钟的脉冲频率，常用f

表示频率单位—1GHz=1×103MHz=1×106KHz=1×109Hz*主存容量：常指CPU可访问的主存空间大小容量单位—1GB=1×210MB=1×220KB=1×230B=8×230bit

主时钟周期—CPU主时钟脉冲长度，常用TC表示(TC

=1/f

)

常简称为“时钟周期”非标准叫法容量种类—CPU可寻址空间(最大主存容量)、主存容量主存单元个数bw-1…b0………CPU可寻址空间主存单元长度0…00…0

0…01…10…10…0

1…11…1主存地址位数An-1

…A0……

……

…312、系统性能指标

特点—反映了单任务计算机系统的软硬件总体性能CPU时间—TCPU＝IN×CPI×TC＝

IN

—程序执行的指令数(≠程序代码的指令数)，CPI(CyclesPerInstruction)—指令执行所需的TC个数(平均值),TC—CPU主时钟周期(=1/f)；n

—指令系统的指令种类数，CPIi—第i

种指令的CPI，

Ii—程序中第i

种指令的执行次数TCPU与程序算法、编译程序、指令系统、计算机组成均相关*响应时间：指一个任务从任务输入到结果输出的总时间

即T响应＝TCPU＋TI/O等待，TI/O等待＝T辅存→MEM

系统优化—TI/O等待期间CPU执行其它程序

→多任务系统浪费性能、不易测评表示方法—CPU时间(TCPU)32

例1—某计算机主频为2GHz，指令系统有2类(Ⅰ类及Ⅱ类)指令，指令长度均为2B(Byte)，指令执行时间分别为5个和8个主时钟周期。程序A执行时，Ⅰ类指令执行了3*105条，Ⅱ类指令执行了7*105条。求程序A执行的CPU时间。

解：TCPU＝(3*105×5＋7*105×8)÷(2×109)＝3.55ms30

例2—计算机同例1。程序B大小为2MB，其中30%为Ⅰ类指令；程序A执行时，有10%的Ⅰ类指令和20%的Ⅱ类指令各执行了30次，其余指令均只执行了1次。求程序B执行所需的主时钟周期数。

解：指令数—Ⅰ类＝0.3*220条，Ⅱ类＝0.7*220条；

执行指令数—Ⅰ类＝0.3*220×(10%×30＋90%)＝1.17*220条，Ⅱ类＝0.7*220×(20%×30＋80%)＝4.76*220条；

主时钟周期数＝(1.17*220×5＋4.76*220×8)＝43.93×220个33

例3—计算机M1主频为2GHz，程序A在M1上运行时间为10s。计算机M2与M1具有相同的ISA(InstructionSetArchitecture)，M2主频高于M1、平均CPI大于M1。若程序A在M2上运行所需时钟周期数为在M1上的1.5倍，欲使程序A在M2上运行时间为6s，则M2的主频至少为多少？

解：设程序A在M1、M2上运行所需时钟周期数各为N1、N2则TCPUM1＝N1×TC，N1＝TCPU÷TC＝10s×2GHz＝20G个则N2＝1.5×N1＝1.5×20G＝30G个

由题意TCPUM2＝N2×TC’

≤6s则f

’＝1/TC’＝N2÷TCPUM2≥30G/6s＝5GHz

分析—∵f

’/f＝5/2＝2.5，TCPUM1/TCPUM2＝10/6＝1.67∴主频只是影响系统性能的因素之一3134

特点—反映了多任务计算机系统的软硬件总体性能△MIPS(每秒百万次指令)

缺点：不能反映指令功能强弱(可用相对MIPS法)

表示—常用MIPS及MFLOPS代替(∵工作量定义未能统一)*吞吐量(吞吐率)：指单位时间内能处理的工作量即TP＝n个任务总工作量÷n个任务总时间

△MFLOPS(每秒百万次浮点运算)

缺点：不能反映系统整体性能(只反映浮点操作能力)*其他指标：RAS(可靠性/可用性/可维护)，兼容性等31通常T总

≠

∑TCPUi35二、性能设计1、冯·诺依曼计算机的性能瓶颈*CPU-MEM访问瓶颈：访问频率高、用逻辑地址访问其它因素—MEM速度与CPU差距较大(受限于S-V-C需求矛盾)

解决方案—需从结构与技术方面解决速度匹配问题*指令串行执行瓶颈：无法并行化，导致性能受限解决方案1—快速串行处理，受限于器件技术，需从器件技术方面提高性能←效果有限解决方案2—并行处理，受限于指令间的相关性，需从结构与技术方面解决问题←主流方向362、性能平衡设计─解决CPU-MEM访问瓶颈目标—减少访存延迟，提高访存效率*增设Cache：提高访存速度，减少访问主存次数*改进总线：增加总线宽度，采用多级总线*优化地址变换：在CPU中进行变换，变换/访问并行3、CPU性能设计─解决指令串行执行瓶颈目标—提高并行性，减少串行损失*开发并行技术：操作级流水→操作级并行→指令级并行*采用数据流技术：按序执行→乱序执行*使用分支预测技术：按预测方向执行，猜错时再回头执行1214

作业：P22—4、6、7、937§1.4计算机系统发展历程一、计算机的发展历史第一代第二代第三代第四代第五代年代1946~19571958~19641965~19711972~19901991~元器件电子管晶体管SSI、MSILSI、VLSIULSI主存磁心半导体辅存纸带、磁带磁盘光盘字长4/88/16/3232/64速度(次/s)40,000200,0001,000,00010,000,000100,000,0001、计算机的产生与发展*发展趋势：向大型机、微型机两个方向发展*研究重点：器件技术、并行化结构382、微型计算机的产生与发展微处理器字长主频MEM地址其他年代80808实模式19748086164.77MHz20位19788088164.77MHz20位197980286166MHz24位保护模式1982803863212.5MHz32位虚拟8086模式、虚拟存储器、Cache1985804863225MHz32位RISC、流水线1989