chapter 1-計算機組成原理概述

1、Confederal Confidential1計算機組成原理計算機組成原理Confederal Confidential2計算機專業(yè)的計算機專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)硬件類課程核心專業(yè)基礎(chǔ)硬件類課程，介紹計算機各主要組成，介紹計算機各主要組成部件部件( (運算器、控制器、存儲器、總線運算器、控制器、存儲器、總線) )的結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計的結(jié)構(gòu)、工作原理、設(shè)計方法以及組成整機的有關(guān)技術(shù)。方法以及組成整機的有關(guān)技術(shù)。課程簡介構(gòu)建軟構(gòu)建軟/ /硬件協(xié)同的系統(tǒng)觀硬件協(xié)同的系統(tǒng)觀! !為什么學(xué)習(xí)計算機組成原理？培養(yǎng)懂硬件的軟件工程師或懂軟件的硬件工程師！培養(yǎng)懂硬件的軟件工程師或懂軟件的硬件工程師！Confe

2、deral Confidential3 計算機計算機組成原理組成原理數(shù)字邏輯電路數(shù)字邏輯電路 匯編語言匯編語言 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 微機接口技術(shù)微機接口技術(shù)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)應(yīng)用應(yīng)用其它基礎(chǔ)課其它基礎(chǔ)課 基礎(chǔ)課基礎(chǔ)課 專業(yè)基礎(chǔ)課專業(yè)基礎(chǔ)課 專業(yè)課專業(yè)課編譯系統(tǒng)課程地位Confederal Confidential4第一章第一章 計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)概述 3學(xué)時學(xué)時 第二章第二章 數(shù)據(jù)信息的表示數(shù)據(jù)信息的表示 5學(xué)時學(xué)時 （習(xí)題課與測試）（習(xí)題課與測試）第三章第三章 運算方法與運算器運算方法與運算器 8學(xué)時學(xué)時（習(xí)題課與測試）（習(xí)題課與測試）第四章第四章 存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng) 12學(xué)時學(xué)

3、時 （習(xí)題課與測試）（習(xí)題課與測試）第五章第五章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 4學(xué)時學(xué)時 第六章第六章 中央處理器中央處理器 10學(xué)時學(xué)時第七章第七章 流水線流水線 技術(shù)技術(shù) 8學(xué)時學(xué)時第八章第八章 系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 4學(xué)時學(xué)時第九章第九章 輸入輸入/輸出系統(tǒng)輸出系統(tǒng) 6學(xué)時學(xué)時 （最后一次課總復(fù)習(xí)與測試）（最后一次課總復(fù)習(xí)與測試） 教學(xué)安排Confederal Confidential5作業(yè)、考勤、測試作業(yè)、考勤、測試: : 2 20%0%課程實驗課程實驗:20%:20% -要求按照實驗報告要求書寫要求按照實驗報告要求書寫課外實驗課外實驗/ /報告報告:10%-:10%-要求按照實驗報告要求書寫要求按

4、照實驗報告要求書寫期末考試期末考試:50%:50% 無故缺課無故缺課1/31/3或無故不交作業(yè)達到或無故不交作業(yè)達到1/3,1/3,不能參加課程的期末考試不能參加課程的期末考試; ; 發(fā)現(xiàn)抄襲作業(yè)者發(fā)現(xiàn)抄襲作業(yè)者, ,作業(yè)平時成績按作業(yè)平時成績按0 0分記分記; ;發(fā)現(xiàn)實驗報告抄襲者發(fā)現(xiàn)實驗報告抄襲者, ,實實驗成績按驗成績按0 0分記。分記。課程成績與組成Confederal Confidential6 系統(tǒng)觀系統(tǒng)觀 + + 構(gòu)造觀構(gòu)造觀 的學(xué)習(xí)視角和學(xué)習(xí)方法的學(xué)習(xí)視角和學(xué)習(xí)方法 勤動手：查閱相關(guān)資料并動手實驗勤動手：查閱相關(guān)資料并動手實驗 ( (做中學(xué)做中學(xué)) ) Logisim 或者 X

5、ilinx Vivado硬 多閱讀：閱讀學(xué)科前沿資料、閱讀經(jīng)典著作多閱讀：閱讀學(xué)科前沿資料、閱讀經(jīng)典著作( (研究性學(xué)習(xí)研究性學(xué)習(xí)) )本課程的學(xué)習(xí)過程中應(yīng)注意的問題方法Confederal Confidential7參考書參考書: :1(1(美美)RANDAL E.BRYANT)RANDAL E.BRYANT；DAVID ODAVID OHALLARON. HALLARON. 深入理解計算機系統(tǒng)深入理解計算機系統(tǒng)( (修訂版修訂版). (08). (08年度暢銷榜年度暢銷榜TOP50) .TOP50) .中國電力出版社中國電力出版社. .2(2(荷荷)ANDREW S.TANENBAUM.)

6、ANDREW S.TANENBAUM.計算機組成結(jié)構(gòu)化方法計算機組成結(jié)構(gòu)化方法( (英文影印英文影印版版)()(第第5 5版版).).人民郵電出版社人民郵電出版社. .33( (美美)DAVID A.PATTERSON)DAVID A.PATTERSON；JOHN L.HENNESSY.JOHN L.HENNESSY.計算機組成與設(shè)計計算機組成與設(shè)計硬件硬件/ /軟件接口軟件接口( (原書第原書第3 3版版).).機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社. .4Carl Hamacher Zvonko Vranesic Safwat Zaky4Carl Hamacher Zvonko Vranesic S

7、afwat Zaky著著. .計算機組成計算機組成. . 機械工業(yè)出版社機械工業(yè)出版社. .55唐朔飛唐朔飛. . 計算機組成原理計算機組成原理( (第第2 2版版).).高等教育出版社高等教育出版社. .66白中英、戴志濤、周鍥等白中英、戴志濤、周鍥等. .計算機組成原理計算機組成原理. .科學(xué)出版社科學(xué)出版社. .秦磊華秦磊華 吳非吳非 莫正坤莫正坤. . 計算機組成原理計算機組成原理. . 清華大學(xué)出版社清華大學(xué)出版社,2012,2012教材及參考書Confederal Confidential8http:/ Confidential9http:/inst.eecs.berkeley.e

8、du/cs61c/su08/ (UC Berkeley Machine Structure)/cs150/sp09/ (UC Berkeley Components and Design Techniques for Digital System)/cs152/sp09/ (美國UC Berkeley Computer Architecture and Engineering)/class/ee108b (美國Stanford Digita

9、l SystemII )/ece447/ ( Carnegie Mellon Introduction to Computer Architecture )/courses/electrical-engineering-and-computer-science/ Mit計算機科學(xué)與工程系計算機系列課程網(wǎng)站計算機科學(xué)與工程系計算機系列課程網(wǎng)站學(xué)習(xí)資源參考Confederal Confidential10課程實驗（原來）Confederal Confidential11課程實驗（現(xiàn)在）Confederal Confiden

10、tial12一、計算機系統(tǒng)概述一、計算機系統(tǒng)概述 （知識點）（知識點）1.1.計算機系統(tǒng)的組成及各部分的功能計算機系統(tǒng)的組成及各部分的功能 馮諾依曼計算機的思想馮諾依曼計算機的思想 五大組成部分及其功能五大組成部分及其功能2.2.計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 分層結(jié)構(gòu)及分層的優(yōu)點分層結(jié)構(gòu)及分層的優(yōu)點 每層的作用和特點每層的作用和特點 硬件與軟件的關(guān)系硬件與軟件的關(guān)系3.3.計算機的性能指標(biāo)和性能評價計算機的性能指標(biāo)和性能評價 非時間指標(biāo)非時間指標(biāo): :字長、主存容量字長、主存容量 時間相關(guān)的性能指標(biāo)：時間相關(guān)的性能指標(biāo)： 主頻、主頻、CPUCPU執(zhí)行時間、執(zhí)行時間、CPI CPI

11、、MIPSMIPS、MFLOPSMFLOPSConfederal Confidential13 基本思想：基本思想：存儲程序和程序控制存儲程序和程序控制 關(guān)注關(guān)注: : 原理與結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系原理與結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)關(guān)系1. 計算機系統(tǒng)的工作原理及各部分功能1)1)工作原理工作原理Confederal Confidential141. 計算機系統(tǒng)的工作原理及各部分功能Confederal Confidential152)2)運算器運算器 算術(shù)算術(shù)/ /邏輯運算、比較、轉(zhuǎn)移和測試等功能邏輯運算、比較、轉(zhuǎn)移和測試等功能 根據(jù)運算的結(jié)果設(shè)置條件狀態(tài)寄存器根據(jù)運算的結(jié)果設(shè)置條件狀態(tài)寄存器條件狀態(tài)寄存器條

12、件狀態(tài)寄存器1. 計算機系統(tǒng)的工作原理及各部分功能（溢出、結(jié)果為零、結(jié)果為負、（溢出、結(jié)果為零、結(jié)果為負、結(jié)果為正數(shù)等）結(jié)果為正數(shù)等）Confederal Confidential16 指揮協(xié)調(diào)計算機其他部件進行工作的重要部件?？刂破髦笓]協(xié)調(diào)計算機其他部件進行工作的重要部件?？刂破鞲鶕?jù)不同的指令，產(chǎn)生指令執(zhí)行過程中所需要的控制信號。根據(jù)不同的指令，產(chǎn)生指令執(zhí)行過程中所需要的控制信號。3)3)控制器控制器1. 計算機系統(tǒng)的工作原理及各部分功能Confederal Confidential17(1)(1)保存程序、數(shù)據(jù)和中間結(jié)果的場所保存程序、數(shù)據(jù)和中間結(jié)果的場所(2)(2)基于地址訪問基于地址訪

13、問(3)(3)常用的單位和之間的換算關(guān)系常用的單位和之間的換算關(guān)系位位bitbit字節(jié)字節(jié)-B-Byteyte 1Byte=8bit1Byte=8bit KB 1KB=1024B KB 1KB=1024B （需要（需要1010位地址線）位地址線） MB 1MB=1024KB MB 1MB=1024KB （需要（需要2020位地址線）位地址線） GB 1GB=1024MB GB 1GB=1024MB （需要（需要3030位地址線）位地址線） TB 1TB=1024GB TB 1TB=1024GB （需要（需要4040位地址線）位地址線） PB 1PB=1024TB PB 1PB=1024TB （

14、需要（需要5050位地址線）位地址線） EBEB 1 1E EB=1024B=1024P PB B （需要（需要6 60 0位地址線）位地址線）4)4)主存儲器主存儲器(Memory)(Memory)1. 計算機系統(tǒng)的工作原理及各部分功能Confederal Confidential18關(guān)于關(guān)于Prefixes for binary multiplesPrefixes for binary multiples的兩種體系：的兩種體系： International Electrotechnical Commission (IEC:國際電工委員會國際電工委員會)International Syste

15、m of Units (SI:國際單位制符號國際單位制符號)詳細內(nèi)容：詳細內(nèi)容：/cuu/Units/binary.htmlConfederal Confidential19(5)(5)輸入和輸出設(shè)備輸入和輸出設(shè)備1. 計算機系統(tǒng)的工作原理及各部分功能 提供人提供人-機接口機接口 常用的輸入設(shè)備：常用的輸入設(shè)備： 鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、磁帶機等鍵盤、鼠標(biāo)、掃描儀、磁帶機等 常用的輸出設(shè)備：常用的輸出設(shè)備： 顯示器、打印機、繪圖儀、磁帶機等顯示器、打印機、繪圖儀、磁帶機等Confederal Confidential20( (6 6) )系統(tǒng)互連系統(tǒng)互連

16、1. 計算機系統(tǒng)的工作原理及各部分功能 基于總線的基于總線的系統(tǒng)互連系統(tǒng)互連 基于專用通道結(jié)構(gòu)基于專用通道結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)互連的系統(tǒng)互連Confederal Confidential21 馮諾依曼計算機的基本體系結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu)馮諾依曼計算機的基本體系結(jié)構(gòu)和哈佛結(jié)構(gòu) 馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)計算機馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)計算機:Intel 80X86:Intel 80X86、 ARM7ARM7、 MIPSMIPS等。等。 哈佛結(jié)構(gòu)計算機：哈佛結(jié)構(gòu)計算機：Motorola MC68Motorola MC68、Zilog Z8Zilog Z8、ARM9ARM9、ARM10ARM10、ARM11ARM11等。等。 現(xiàn)代計算

17、機多是現(xiàn)代計算機多是CacheCache采用哈佛結(jié)構(gòu)，主存采用采用哈佛結(jié)構(gòu)，主存采用馮諾依曼結(jié)構(gòu)。馮諾依曼結(jié)構(gòu)。 未來的計算機體系結(jié)構(gòu)未來的計算機體系結(jié)構(gòu) 1. 計算機系統(tǒng)的工作原理及各部分功能Confederal Confidential221. 計算機系統(tǒng)的工作原理及各部分功能End of Moores lawVLSI technology predicted not to scale pass 2015 Transistor size will be measured in atoms and node charge will be measured in electrons! BTW,

18、 this doesnt mean VLSI is finished, just no more scalingmany previously-unimportant problems will start to creep in between now and then, e.g., complexity, wire delay, power and reliability Non-von Neumann architecturesparallel and distributed processingreconfigurable hardware computing Non-silicon

19、technologiesnanotechnologies: carbon nanotubes, molecular switchesbiological/cellular computers: DNA, proteins and enzymesquantum computers: magnetic resonance and quantum dots.Future of ComputersConfederal Confidential23不同的級面向不同的用戶，采用不同的程序設(shè)計方法和不同的設(shè)計工具不同的級面向不同的用戶，采用不同的程序設(shè)計方法和不同的設(shè)計工具, ,得到的目標(biāo)代碼性能也不同。得

20、到的目標(biāo)代碼性能也不同。2. 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 層次視角的計算機層次視角的計算機Confederal Confidential241)1)軟件和硬件的邏輯等價性軟件和硬件的邏輯等價性2)2)透明性透明性: : 本來存在的事物，從某個角度去看卻好象不存在。本來存在的事物，從某個角度去看卻好象不存在。3)3)計算機分層結(jié)構(gòu)中的透明性計算機分層結(jié)構(gòu)中的透明性: : 一般機器級的特性一般機器級的特性( (如通用寄存器的數(shù)量如通用寄存器的數(shù)量) )對高級語言程序設(shè)計者透明對高級語言程序設(shè)計者透明 微指令的格式對一般機器級程序設(shè)計者透明微指令的格式對一般機器級程序設(shè)計者透明2. 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

21、Confederal Confidential252. 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 還有哪些其它視角的計算機還有哪些其它視角的計算機? 安全視角安全視角 節(jié)能視角節(jié)能視角 其它用戶視角等其它用戶視角等 .Confederal Confidential261)1)非時間指標(biāo)非時間指標(biāo)(1)(1)機器字長機器字長: : 指參與運算的數(shù)據(jù)位數(shù)；指參與運算的數(shù)據(jù)位數(shù)； 由加法器、寄存器的位數(shù)決定；由加法器、寄存器的位數(shù)決定； 一般等于內(nèi)部寄存器的位數(shù)（字長）；一般等于內(nèi)部寄存器的位數(shù)（字長）； 字長越長，表示數(shù)據(jù)的范圍就越大，計算精確度越高；字長越長，表示數(shù)據(jù)的范圍就越大，計算精確度越高； 常見的計算機為常

22、見的計算機為3232位和位和6464位計算機。位計算機。3.計算機系統(tǒng)的性能評價Confederal Confidential27(2)(2)數(shù)據(jù)總線寬度數(shù)據(jù)總線寬度指數(shù)據(jù)總線一次能并行傳送的信息位數(shù)。指數(shù)據(jù)總線一次能并行傳送的信息位數(shù)。 一般指運算器與存儲器之間的數(shù)據(jù)總線位數(shù)。一般指運算器與存儲器之間的數(shù)據(jù)總線位數(shù)。 有些計算機內(nèi)部與外部數(shù)據(jù)總線寬度不一致：有些計算機內(nèi)部與外部數(shù)據(jù)總線寬度不一致： 80868086、8028680286、8038680386內(nèi)外數(shù)據(jù)總線等寬；內(nèi)外數(shù)據(jù)總線等寬； 80888088、80386SX 80386SX 外部總線寬度外部總線寬度8 8位內(nèi)部總線寬度位內(nèi)

23、部總線寬度1616位；位； PentiumPentium外總線外總線6464位，內(nèi)總線位，內(nèi)總線3232位（兩條位（兩條3232位流水線）位流水線）3.計算機系統(tǒng)的性能評價Confederal Confidential28(3)(3)主存儲器容量和帶寬主存儲器容量和帶寬 主存容量是指其包含的存儲單元總數(shù)量。主存容量是指其包含的存儲單元總數(shù)量。 主存可以主存可以字節(jié)字節(jié)編址（操作系統(tǒng)）、也可以編址（操作系統(tǒng)）、也可以字字編址。編址。 存儲帶寬存儲帶寬: :指單位時間內(nèi)從存儲器中讀出的二進制信息量，常用指單位時間內(nèi)從存儲器中讀出的二進制信息量，常用單位單位B/sB/s（字節(jié)（字節(jié)/ /秒）表示。（

24、對應(yīng)到存儲帶寬的指標(biāo)包括：數(shù)據(jù)秒）表示。（對應(yīng)到存儲帶寬的指標(biāo)包括：數(shù)據(jù)位和傳輸速率）位和傳輸速率）3.計算機系統(tǒng)的性能評價Confederal Confidential292)2)時間指標(biāo)時間指標(biāo)3.計算機系統(tǒng)的性能評價(1)(1)主頻主頻f/f/時鐘周期時鐘周期T Tf f與與T T互為倒數(shù)?；榈箶?shù)。 T T也稱為節(jié)拍周期，是處理操作最基本的時間單位。也稱為節(jié)拍周期，是處理操作最基本的時間單位。CPUCPU主頻越高，主頻越高，T T周期時間就越短（周期時間就越短（f=100MHzf=100MHz時，時，T=10nsT=10ns；f=1GHzf=1GHz時，時，T=1nsT=1ns）Con

25、federal Confidential30(2)CPI (Clock cycles Per Instruction)(2)CPI (Clock cycles Per Instruction) 執(zhí)行一條指令所需要的平均時鐘周期數(shù)執(zhí)行一條指令所需要的平均時鐘周期數(shù)( (即即T T周期的個數(shù)周期的個數(shù)) )CPI =CPI =程序中所有指令的時鐘周期數(shù)之和程序中所有指令的時鐘周期數(shù)之和/ /程序中指令總數(shù)程序中指令總數(shù) = = 程序中各類指令的程序中各類指令的CPICPI 程序中該類指令的比例程序中該類指令的比例3.計算機系統(tǒng)的性能評價Confederal Confidential31(3)MIP

26、S (Million Instructions Per Second(3)MIPS (Million Instructions Per Second) 表示每秒執(zhí)行的指令條數(shù)表示每秒執(zhí)行的指令條數(shù)( (以百萬為單位以百萬為單位) )MIPSMIPS106= =指令條數(shù)指令條數(shù)執(zhí)行時間執(zhí)行時間 CPU CPU時鐘周期之和時鐘周期之和= =指令條數(shù)指令條數(shù) 106/f/ffCPICPI= 1063.計算機系統(tǒng)的性能評價Confederal Confidential32(4)(4)MFLOPS(Million Floating-Point Operations Per Second)MFLOPS(M

27、illion Floating-Point Operations Per Second) 描述計算機每秒執(zhí)行描述計算機每秒執(zhí)行浮點操作次數(shù)浮點操作次數(shù)，而不是，而不是MIPSMIPS所衡量的單位所衡量的單位時間內(nèi)執(zhí)行的時間內(nèi)執(zhí)行的指令條數(shù)指令條數(shù)。 MFLOPS = MFLOPS = 程序中的浮點運算次數(shù)程序中的浮點運算次數(shù)/(/(執(zhí)行時間執(zhí)行時間 10106 6 ） 3.計算機系統(tǒng)的性能評價Confederal Confidential33(5)CPU(5)CPU執(zhí)行時間執(zhí)行時間 執(zhí)行一段程序所需要的時間執(zhí)行一段程序所需要的時間 ( (CPUCPU時間時間+I/O+I/O時間時間+ +存儲訪

28、問存儲訪問+ +各類排隊時延等各類排隊時延等) )。 CPUCPU時間時間= = 程序中所有指令的時鐘周期數(shù)之和程序中所有指令的時鐘周期數(shù)之和 時鐘周期時間時鐘周期時間 = =程序中所有指令的時鐘周期數(shù)之和程序中所有指令的時鐘周期數(shù)之和 / / 時鐘頻率時鐘頻率 ( (回顧匯編語言課程中延時子程序的設(shè)計原理回顧匯編語言課程中延時子程序的設(shè)計原理) )3.計算機系統(tǒng)的性能評價Confederal Confidential34MIPSMIPS 指令條數(shù)指令條數(shù) 106程序的執(zhí)行時間程序的執(zhí)行時間Te =Te =1()niIiICCPI=時鐘周期時間總指令數(shù) 考慮考慮CPICPI后的后的CPUCPU時間可表示為時間可表示為: : CPUCPU時間時間= = ICi表示程序中第表示程序中第i類指令的條數(shù)類指令的條數(shù) 考考MIPSMIPS后的后的CPUCPU時間可表示為時間可表示為: :3.計算機系統(tǒng)的性能評價Confederal Confidential35(6)(6)應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例例例1 1 若某計算機主頻為若某計算機主頻為1GHZ1GHZ，在其上運行目標(biāo)代碼，在其上運行