計算機(jī)組成原理

1、計算機(jī)組成原理,先修課程：數(shù)字邏輯電路,課程性質(zhì) ：專業(yè)必修課,學(xué)時分配 ：課堂64學(xué)時，實驗16學(xué)時,其他參考教材： 白中英 計算機(jī)組成原理 科學(xué)出版社 唐朔飛 計算機(jī)組成原理 高等教育出版社,后續(xù)課程：計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),課程歷史沿革： 1987年，中國計算機(jī)學(xué)會教育專業(yè)委員會推出我國計算機(jī)本科專業(yè)“87教程”，對8門重點(diǎn)課程（其中含計算機(jī)組成原理）提出了基本要求； 2002年，中國計算機(jī)學(xué)會教育專業(yè)委員會、全國高等學(xué)校計算機(jī)教育研究會推出中國計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科教程2002，提出硬件課程包含“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”、“計算機(jī)組成”、“計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”三大知識模塊; 2006年，教育部高等學(xué)校計

2、算機(jī)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會推出“高等學(xué)校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略報告暨專業(yè)規(guī)范”，仍然將“數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)”、“計算機(jī)組成”、“計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)”列為主干課程,目 錄,第1章 計算機(jī)系統(tǒng)概述 第2章 數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算 第3章 存儲器層次結(jié)構(gòu) 第4章 指令系統(tǒng) 第5章 中央處理器 第6章 總線 第7章 輸入輸出系統(tǒng),目 錄,第8章 流水線處理技術(shù) 第9章并行計算機(jī)體系結(jié)構(gòu),第1章 計算機(jī)系統(tǒng)概論,1.1 計算機(jī)的發(fā)展歷程 1.2 計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 1.3 計算機(jī)的性能指標(biāo) 1.4 計算機(jī)的分類和應(yīng)用,1.1 計算機(jī)的發(fā)展歷程 根據(jù)制造計算機(jī)所使用的元器件的不同，電子計算機(jī)的發(fā)展依次經(jīng)歷

3、了電子管時代、晶體管時代、中小規(guī)模集成電路時代、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代、甚大規(guī)模和極大規(guī)模集成電路時代等幾個不同的發(fā)展階段。 第一代，電子管計算機(jī)時代（19461959） 電子管是封裝在玻璃外殼內(nèi)的一種電真空器件，如圖1.1所示。世界上第一臺電子數(shù)字計算機(jī)ENIAC（Electronic Numerical Integrator And calculator），1946年由美國賓夕法尼亞大學(xué)研制，字長12位，運(yùn)算速度5000次/秒，使用18800個電子管、1500個繼電器，功耗150kw，占地170m2，重達(dá)30噸，造價100萬美元，如圖1.2所示,圖1.1 電子管,圖1.2 第一臺電子

4、數(shù)字計算機(jī)ENIAC,第二代，晶體管計算機(jī)時代（19591964） 晶體管，通常指的是晶體三極管，是用半導(dǎo)體材料制作出來、封裝在一個金屬殼內(nèi)的帶有三個管腳的小器件，1958年進(jìn)入批量生產(chǎn)階段。用它可以設(shè)計出實現(xiàn)反相功能的反相器線路，在此基礎(chǔ)上，再實現(xiàn)出計算機(jī)使用的全部組合邏輯線路，和觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器等各種時序邏輯線路。用分立的晶體管線路實現(xiàn)的計算機(jī)稱為晶體管計算機(jī)。第二代計算機(jī)的體積和價格都下降了，使用的人也多起來了，計算機(jī)工業(yè)迅速發(fā)展，主要用于商業(yè)、大學(xué)教學(xué)和政府機(jī)關(guān),第三代，中小規(guī)模集成電路計算機(jī)時代（19641970） 集成電路（Integrated Circuit，簡稱IC）是做

5、在晶片上的一個完整的電子電路，這個晶片比手指甲還小，卻包含了幾千個晶體管元件。計算機(jī)的數(shù)據(jù)存儲、運(yùn)算、傳輸以及控制功能基本上都是由具有邏輯功能的各類門電路組成實現(xiàn)的，而門電路又是由晶體管、電阻、電容等組成，因此集成電路制造技術(shù)的發(fā)展可以實現(xiàn)將成百上千個門電路全部制作在一塊極小的硅片上，這種技術(shù)的應(yīng)用使得計算機(jī)的體積大大縮小，并且降低了功耗，提高了計算機(jī)的可靠性。第三代計算機(jī)的代表是IBM公司花了50億美元開發(fā)的IBM 360系列,第四代，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機(jī)時代（1970 至今） 這個時代的計算機(jī)使用的元件依然是集成電路，不過，這種集成電路已經(jīng)大大改善，它包含著幾十萬到上百萬個晶體管

6、，人們稱之為大規(guī)模集成電路（LargeScale lntegrated Circuit，簡稱LSI）和超大規(guī)模集成電路（Very Large Scale lntegrated Circuit，簡稱VLSI）。1975年，美國1BM公司推出了個人計算機(jī)PC（PersonaI Computer），從此，人們對計算機(jī)不再陌生，計算機(jī)開始深入到人類生活的各個方面,表1.1計算機(jī)發(fā)展歷程中各個階段的特點(diǎn),1.2 計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 為了描述計算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，首先要清楚地區(qū)分計算機(jī)結(jié)構(gòu)和計算機(jī)組織兩個概念。 計算機(jī)結(jié)構(gòu):對涉及機(jī)器語言或者匯編語言的程序設(shè)計人員所見到的計算機(jī)系統(tǒng)的屬性，更多的情況下是指計

7、算機(jī)的外特性。這些屬性直接影響到程序的邏輯執(zhí)行，主要包括指令集、表示各種數(shù)據(jù)類型的比特數(shù)、I/O機(jī)制以及內(nèi)存訪問技術(shù)等。 計算機(jī)組成:計算機(jī)各部件的具體組成以及它們之間的連接關(guān)系，實現(xiàn)機(jī)器指令級的各種功能和特性。從這一點(diǎn)上，計算機(jī)組成是計算機(jī)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn),圖1.3 計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),計算機(jī)系統(tǒng)通常包括硬件和軟件兩大部分，計算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)既是分配軟硬件功能的一種模式描述，也是分析計算機(jī)系統(tǒng)的較好方法。 目前計算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)分為六層，如圖1.3所示,1.2 計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 1.2.1計算機(jī)硬件的基本組成 計算機(jī)系統(tǒng)的硬件部分從外觀上看主要有主機(jī)、鍵盤、鼠標(biāo)和顯示器等組成；從邏輯功能上

8、看，可以分為控制器、運(yùn)算器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五個部分，一般地又把運(yùn)算器和控制器合稱為中央處理器(Central Processing Unit,CPU,1.2.2計算機(jī)軟件的分類 計算機(jī)軟件：計算機(jī)系統(tǒng)中的程序和文檔。程序是對計算任務(wù)的處理對象和處理規(guī)則的描述；文檔是為了便于了解程序所需的闡明性資料。計算機(jī)的軟件按照面向?qū)ο蟮牟煌梢苑譃閮深悾合到y(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。 系統(tǒng)軟件：用于實現(xiàn)系統(tǒng)功能、管理系統(tǒng)的軟件，為了便于人們使用計算機(jī)而設(shè)計。系統(tǒng)軟件管理整個計算機(jī)系統(tǒng)，合理分配系統(tǒng)資源，確保計算機(jī)正確高效地運(yùn)行。常用的系統(tǒng)軟件有：操作系統(tǒng)、編譯器、解釋器、匯編器等。 應(yīng)用軟件：面向用戶的

9、，針對某種特定應(yīng)用而開發(fā)的軟件。這類軟件通常是實現(xiàn)用戶的某類需求。例如安裝在操作系統(tǒng)下的各類應(yīng)用軟件，用于企業(yè)的各類資源管理軟件,1.2.3 計算機(jī)的工作過程 計算機(jī)的工作過程就是將編制好的程序經(jīng)過輸入設(shè)備存放到主存儲器中，并將程序存放的首地址傳送到控制器中。 取指階段：首先，將指令從存儲器讀到指令寄存器。 分析階段：接著，它分析這條指令，指出指令要完成的操作，并指明操作數(shù)的地址。 執(zhí)行階段：最后，根據(jù)指令分析的結(jié)果完成某種操作。 計算機(jī)的工作過程就是取指令、分析指令、執(zhí)行指令，如此周而復(fù)始的過程,1.3 計算機(jī)的性能指標(biāo) 機(jī)器字長：機(jī)器字長是指CPU一次能處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，實際上指該計算

10、機(jī)中的運(yùn)算器的位數(shù)。如某機(jī)器字長32位，表示該機(jī)器中，每次能完成兩個32位二進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算。通常，機(jī)器字長越長，計算機(jī)的運(yùn)算能力越強(qiáng)，其運(yùn)算精度也越高。 運(yùn)算速度：計算機(jī)的運(yùn)算速度與很多因素有關(guān)，常用的性能指標(biāo)如下： （1）CPU的主頻（f）：CPU內(nèi)部的工作頻率，表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號震蕩的速度，與CPU實際的運(yùn)算能力并沒有直接關(guān)系，但與CPU實際的運(yùn)算速度存在一定的關(guān)系。因此，主頻僅是CPU性能表現(xiàn)的一個方面，而不能代表CPU的整體性能,外部工作頻率：簡稱外頻。它是由主板為CPU提供的基準(zhǔn)時鐘頻率，它表示的是系統(tǒng)總線的工作頻率；而 倍頻：CPU外頻與主頻相差的倍數(shù)。 主頻=外頻倍頻 （2

11、）時鐘周期（T）：CPU內(nèi)部時鐘頻率的倒數(shù)。是CPU執(zhí)行操作的最小時間元素。每個動作至少需要一個時鐘周期。以PC系列微處理器為例，最初的8086和8088執(zhí)行一條指令平均需要12個時鐘周期 ，CPU的主頻與CPU時鐘周期互為倒數(shù)，即 （3）CPU執(zhí)行時間：CPU執(zhí)行某段程序所需的時間，通常用tCPU表示?？梢杂孟率絹肀硎荆?CPU執(zhí)行時間 CPU時鐘周期數(shù) CPU時鐘周期長,4）CPI（Cycles Per Instruction）：執(zhí)行一條指令所需的時鐘周期數(shù)。計算公式如下： （5）MIPS（Million Instructions Per Second）：每秒執(zhí)行多少百萬條指令。定義為：

12、（6）MFLOPS（Million Floating-point Opereation Per Second）：每秒執(zhí)行多少百萬次浮點(diǎn)運(yùn)算。定義為,1.3.3 吞吐量和響應(yīng)時間 （1）計算機(jī)范疇下的吞吐量分為兩種： 網(wǎng)絡(luò)范疇下的吞吐量：在沒有幀丟失的情況下，設(shè)備能夠接受的最大速度。它的大小主要是由防火墻內(nèi)網(wǎng)卡，及程序算法的效率決定的； 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下的吞吐量：在單位時間內(nèi)CPU從存儲設(shè)備中讀取、處理、存儲信息的量，單位是字節(jié)/秒（B/S），影響因素主要有存儲設(shè)備的存取速度和CPU的性能，如主頻、CPI等。 （2）響應(yīng)時間 在操作系統(tǒng)中，指用戶發(fā)出請求或指令到系統(tǒng)做出反應(yīng)（響應(yīng)）的時間,例1. 用一

13、臺40MHz處理機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測試程序，它包含的混合指令數(shù)和相應(yīng)所需的平均時鐘周期數(shù)如下表所示： 求：有效CPI、MIPS速率、程序執(zhí)行時間tCPU,解： CPI= =(450001+320002+150002+80002)/（45000+32000+15000+8000） =1.55(周期/指令) MIPS= f/(CPI106) =(40106)/(1.55106)=25.81(百萬條指令/秒) T=1/f=1/(40106)(秒) tCPU=(450001+320002+150002+80002)/(40106)=3.875103(秒,1.4 計算機(jī)分類和應(yīng)用領(lǐng)域 1.4.1 計算機(jī)分類 1

14、. 按計算機(jī)信息的表示形式和對信息的處理方式分類 （1）數(shù)字計算機(jī) 該類計算機(jī)輸入、處理、輸出和存儲的數(shù)據(jù)都是數(shù)字量，這些數(shù)據(jù)在時間上是離散的。 （2）模擬計算機(jī) 該類計算機(jī)輸入、處理、輸出和存儲的數(shù)據(jù)都是模擬量，這些數(shù)據(jù)在時間上是連續(xù)的。模擬計算機(jī)由于受元器件質(zhì)量影響，其計算精度較低，應(yīng)用范圍較窄，目前已很少生產(chǎn),2按照計算機(jī)的用途分類 （1）通用計算機(jī) 通用計算機(jī)是為能解決各種問題，具有較強(qiáng)的通用性而設(shè)計的計算機(jī)。它具有一定的運(yùn)算速度，有一定的存儲容量，帶有通用的外部設(shè)備，配備各種系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件。一般的數(shù)字式電子計算機(jī)多屬此類。 （2）專用計算機(jī) 專用計算機(jī)是為解決某個或某類特定問題而

15、設(shè)計的計算機(jī)。它的硬件和軟件的配置依據(jù)解決特定問題的需要而定，并不求全。專用機(jī)功能單一，配有解決特定問題的固定程序，能高速、可靠地解決特定問題,3計算機(jī)按其規(guī)模、速度和功能分類 （1）巨型機(jī) 巨型機(jī)又稱超級計算機(jī)，是指運(yùn)算速度超過每秒1億次的高性能計算機(jī)，它是目前功能最強(qiáng)、速度最快、軟硬件配套齊備、價格最貴的計算機(jī)，主要用于解決諸如氣象、太空、能源、醫(yī)藥等尖端科學(xué)研究和戰(zhàn)略武器研制中的復(fù)雜計算。它們安裝在國家高級研究機(jī)關(guān)中，可供幾百個用戶同時使用。 （2）大型機(jī) 這種計算機(jī)也有很高的運(yùn)算速度和很大的存儲量并允許相當(dāng)多的用戶同時使用。當(dāng)然在量級上都不及巨型計算機(jī)，結(jié)構(gòu)上也較巨型機(jī)簡單些，價格相對

16、巨型機(jī)要便宜，因此使用的的范圍較巨型機(jī)普遍,3）小型機(jī) 其規(guī)模和運(yùn)算速度比大中型機(jī)要差，但仍能支持十幾個用戶同時使用。小型機(jī)具有體積小、價格低、性價比高等優(yōu)點(diǎn)，適合中小企業(yè)、事業(yè)單位用于工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、分析計算、企業(yè)管理以及科學(xué)計算等，也可做巨型機(jī)或大中型機(jī)的輔助機(jī)。 （4）微型機(jī) 微型機(jī)是當(dāng)今使用最普及、產(chǎn)量最大的一類計算機(jī)，它的體積小、功耗低、成本少、靈活性大，性能價格比明顯地優(yōu)于其他類型計算機(jī)，因而得到了廣泛應(yīng)用,4按照計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)分類 （1）單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）結(jié)構(gòu) SISD是指傳統(tǒng)的順序執(zhí)行的處理器，它由單一控制器、單一執(zhí)行部件和單一存儲器組成?？刂破髅看沃粚σ粭l指令

17、譯碼，執(zhí)行部件每次只對單一數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 （2）單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）結(jié)構(gòu) SIMD是指單一控制器、多個執(zhí)行部件和多個存儲模塊組成的計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制部件每次只對一條指令進(jìn)行譯碼，并向多個執(zhí)行部件發(fā)出相同的控制命令，使多個執(zhí)行部件執(zhí)行相同的操作，而每個執(zhí)行部件加工的對象是從不同存儲模塊中取出來的數(shù)據(jù),3）多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）結(jié)構(gòu) MISD是指多個控制器、多個執(zhí)行部件對單一數(shù)據(jù)同時執(zhí)行不同的指令，這種方式的意義不大，不常使用。 （4）多指令流多數(shù)據(jù)流（MISD）結(jié)構(gòu) MIMD是指多個處理器系統(tǒng)，由多個控制器、多個執(zhí)行部件和多個存儲模塊組成。MIMD結(jié)構(gòu)的計算機(jī)系統(tǒng)是大多數(shù)高性能并

18、行計算機(jī)系統(tǒng)和計算機(jī)集群系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，又稱為并行處理器系統(tǒng)。這種計算機(jī)中的每個處理器在各自程序的控制下運(yùn)行，對各自的數(shù)據(jù)獨(dú)立進(jìn)行協(xié)作運(yùn)算，形成多個指令流和多個數(shù)據(jù)流,1.4.2 計算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域 1科學(xué)計算(或數(shù)值計算) 科學(xué)計算是指利用計算機(jī)來完成科學(xué)研究和工程技術(shù)中提出的數(shù)學(xué)問題的計算。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)工作中，科學(xué)計算問題的計算量大，復(fù)雜性高。利用計算機(jī)的高速計算、大存儲容量和連續(xù)運(yùn)算的能力，可以實現(xiàn)人工無法解決的各種科學(xué)計算問題。 2數(shù)據(jù)處理(或信息處理) 數(shù)據(jù)處理是指對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲、整理、分類、統(tǒng)計、加工、利用、傳播等一系列活動的統(tǒng)稱。據(jù)統(tǒng)計，80以上的計算機(jī)主要用于數(shù)據(jù)處理，這類工作量大面寬，決定了計算機(jī)應(yīng)用的主導(dǎo)方向,3. 輔助技術(shù) (1)計算機(jī)輔助設(shè)計(Computer Aided Design, CAD) 計算機(jī)輔助設(shè)計是利用計算機(jī)系統(tǒng)輔助設(shè)計人員進(jìn)行工程或產(chǎn)品設(shè)計，以實現(xiàn)最佳設(shè)計效果的一種技術(shù)。 (2)計算機(jī)輔助制造(Computer Aided Manufacturing, CAM) 計算機(jī)輔助制造是利用計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備的管理、控制和操作的過程。 將CAD和CAM技術(shù)集成，實現(xiàn)設(shè)計生產(chǎn)自動