計算機組成與結(jié)構(gòu)

1、計算機組成與結(jié)構(gòu)本課程學習內(nèi)容計算機組成、結(jié)構(gòu)、操作及性能的基本概念 計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 計算機組成 計算機實現(xiàn)本課程學習目標 掌握計算機各部件的基本組成及整機 的結(jié)構(gòu)原理； 掌握計算機軟硬件工作原理； 學會分析的方法，能對計算機工作原 理進行分析，并得出結(jié)論； 掌握設(shè)計的基本方法，能根據(jù)要求進 行一般設(shè)計； 研究提高計算機性能的方法。參考書目 David A.Patterson,John L.Hennessy:Computer Organization and Design The Hardware/ Software Interface,Third Edition 唐朔飛：計算機組成原理，高等

2、教育出版 William Stallings著，張昆藏等譯：計算機組織與體系結(jié)構(gòu) 性能設(shè)計，清華大學出版社 白中英主編: 計算機組成原理，科學出版社1 計算機概念和技術(shù)1 計算機概念和技術(shù)1.1 概述1.2 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.3 計算機的基本結(jié)構(gòu)1.4 馮.諾依曼計算機結(jié)構(gòu)特點1 計算機概念和技術(shù)1.1 概述1.1 概述一、計算應用的類型及特征應用不同，使用的核心硬件技術(shù)有所不同，典型的有三類應用 P3圖1-1、P4圖1-2 桌面電腦以個人電腦為代表，臺式計算是最大的計算機市場之一，計算技術(shù)的很多革新由此推出一、計算應用的類型及特征 服務器制造服務器的基本技術(shù)同臺式機，但需要： 擴展性好

3、 計算能力強 輸入輸出方便快捷 高可靠性低端服務器：文件存儲、小型商務應用、 簡單的Web服務等高端服務器（超級計算機）：天氣預報、石油勘察、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)判定等一、計算應用的類型及特征 超級計算機功能極其強大，最高速度達上千萬億次國產(chǎn)典型產(chǎn)品有：天河一號、星云Cray-1、-2、-3 銀河I、II、III曙光4000A、5000全球高性能計算機500強排行榜： 以實測速度為基準，每年兩次公布中國高性能計算機100強排行榜： .cn 2011年11月全球500強排名： 美國：263臺 中國：74臺（總數(shù)第二） 排名前十的超級計算機： 1. 日本 “京 ” 運行速度：10.51千萬億次/秒 2. 中

4、國 “天河一號” 2.57 3. 美國 “美洲豹” 1.759 4. 中國 “星云” 1.271 5. 日本 “燕子2.0” 1.192 6. 美國 “Cielo” 1.11 7. 美國 “昴星團” 1.088 8. 美國 “Hopper” 1.054 9. 法國 “Tera-100” 1.0510. 美國“走鵑” 1.042 超級計算機天河一號國際TOP500組織2011年11月在網(wǎng)站上公布了最新全球超級計算機500強排行榜，中國“天河一號” 雄踞第二。 峰值速度4700萬億次，持續(xù)速度2570萬億次每秒浮 點運算。運算1小時相當于13億人同時計算340年， 相當于1臺雙核高檔桌面電腦運算6

5、20年以上。 存儲容量為1千萬億字節(jié)，相當于存儲100萬字的書 籍10億冊。 由140個機柜組成，占地面積達700多平方米。 滿負荷運行的總功耗為4.04兆瓦，即每小時耗電 4040度。在國際綠色超級計算機排名中名列第四。 超級計算機 操作系統(tǒng)軟件采用自主研制的“麒麟”，用戶可定制 “私密”空間，安全性很高，是國內(nèi)唯一通過中國 公安部B2級（最高安全等級）認證的操作系統(tǒng)。 主要采用美國公司生產(chǎn)的處理器（已著手國產(chǎn)化研 制，部分已實施）。但內(nèi)部的互聯(lián)技術(shù)自主研發(fā)， 具備最先進水平?；ヂ?lián)技術(shù)主要涉及處理器之間的 信息流動，對于超級計算機的整體性能起到關(guān)鍵作 用。 超級計算機 主要特色： 1.結(jié)構(gòu)設(shè)

6、計上采用通用CPU和GPU結(jié)合的構(gòu)架。保證在有 限場地、有限資金、有限電源容量的情況下實現(xiàn)高效 計算。中國最先在世界上成功運用了這條技術(shù)路線。 2.自主研制的互聯(lián)通信整套軟硬件可以把幾萬顆微處理 器高效地聯(lián)系在一起，求解一個問題。如果沒有高效 互聯(lián)，CPU、GPU數(shù)量越多，實用性能反而會越低。 “天河”的互聯(lián)通信系統(tǒng)最核心的是兩片芯片，一是路 由器，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。傳統(tǒng)上是一個大開關(guān)，現(xiàn)在單 片上用許多小的交換開關(guān)，以實現(xiàn)更強大的數(shù)據(jù)交換 能力。二是網(wǎng)絡接口，有效、合理地分配了通信接口 的軟硬件功能，保證了數(shù)據(jù)能快速進出計算部件，使 多個計算部件協(xié)調(diào)工作，來求解一個問題。一、計算應用的類型及特征

7、 嵌入式計算機嵌入式計算系統(tǒng)被設(shè)計用來完成單一的或一組相關(guān)的應用，通常被集成在硬件中，作為一個整體系統(tǒng)使用特點：功耗、成本低，可靠性高，體積 小，實現(xiàn)最低限度的性能要求廣泛用于家用電器和各種智能儀表中 1.1 概述二、計算機發(fā)展歷程 歷史 第一代：1946年開始，電子管計算機 第二代：1958年開始，晶體管計算機 IBM公司成為主要計算機制造商 第三代：1965年開始，中小規(guī)模集成電路計算機 微程序、并行性、流水線技術(shù)、OS、 Cache、虛擬存儲技術(shù) IBM: 360主機； 數(shù)字設(shè)備公司：PDP系列小型機 第四代：1971年開始，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路 計算機 PC、筆記本電腦、工作站、網(wǎng)

8、絡 CPU發(fā)展Intel產(chǎn)品系列 Pentium：引入了超標量（Superscalar）技術(shù)，允 許更多指令并行執(zhí)行 Pentium Pro：引入了包括寄存器重命名、轉(zhuǎn)移預測、 數(shù)據(jù)流分析、推測執(zhí)行等技術(shù) Pentium ：融入了專門用于有效處理視頻、音頻和 圖形數(shù)據(jù)的Intel MMX技術(shù) Pentium ：融入了新的浮點指令，以支持三維圖形 軟件 Pentium ：使用64位組織結(jié)構(gòu)的新一代Intel處理 器第一個采用超標量結(jié)構(gòu)的微處理器IBM公司的“美國”是RS/6000系列微處理器的前身二、計算機發(fā)展歷程 技術(shù)發(fā)展 改進性：基本保留馮.諾依曼計算機結(jié)構(gòu)模 式，但進行不斷改進以提高計算

9、機系統(tǒng)的性能 革命性：采用馮.諾依曼型計算機完全不同 的計算模型和系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 數(shù)據(jù)流計算機 推理機 神經(jīng)網(wǎng)絡計算機系統(tǒng) 發(fā)展 并行性研究 超標量流水線計算機 向量流水計算機 陣列機 多處理機系統(tǒng) 等等繼續(xù)關(guān)注指令級并行（ILP）所帶來的高性能表現(xiàn)之外，還對線程級并行（TLP）和數(shù)據(jù)級并行（DLP）給予同樣的關(guān)注 發(fā)展 并行性分類方法 Flynn教授1966年提出： 按指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性概念進行 分類 SISD（單指令流單數(shù)據(jù)流） 傳統(tǒng)的單CPU計算機屬SISD結(jié)構(gòu) 特點：每次僅對一個指令序列進行 譯碼，每條指令只對一個操 作部件分配數(shù)據(jù) 并行性分類方法 SIMD（單指令流多數(shù)據(jù)流） 陣列機、

10、流水式向量機屬SIMD結(jié)構(gòu)一個運算控制器和多個運算單元一個處理器順序?qū)υS多數(shù)據(jù)元素進行操作 MIMD（多指令流多數(shù)據(jù)流） 多處理機系統(tǒng)屬MIMD結(jié)構(gòu) 特點：各處理機在各自程序控制下，獨 立地對數(shù)據(jù)進行協(xié)作運算 MISD（多指令流單數(shù)據(jù)流） 現(xiàn)有的程序結(jié)構(gòu)無法影射到MISD結(jié)構(gòu)1.1 概述三、程序性能制約因素：20世紀60-70年代：內(nèi)存容量目前： 存儲器的層次化特性 處理器的并行性特性取決因素：算法程序設(shè)計語言、編譯器和體系結(jié)構(gòu)處理器和存儲器系統(tǒng)I/O系統(tǒng)（硬件和操作系統(tǒng)）三、程序性能通過相關(guān)章節(jié)學習 P5表掌握： 軟硬件的工作原理及性能影響 軟硬件接口 提高性能的方法 在現(xiàn)代計算機設(shè)計中所采

11、用的技術(shù)1 計算機概念和技術(shù)1.1 概述1.2 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.2 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)是一個由硬件、軟件組成的多級層次結(jié)構(gòu) 應用程序功能相當復雜，而計算機硬件只能執(zhí)行極其簡 單的低級指令 所以從一個復雜的應用到簡單的指令，其間需要多層軟 件，逐級將高層操作解釋或翻譯成底層的計算機指令 P6圖1-3 階于應用軟件和硬件之間的是系統(tǒng)軟件 核心系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、編譯器 操作系統(tǒng)： 處理基本輸入輸出操作 分配存儲空間及內(nèi)存 為多個程序同時使用計算機提供支持 編譯器：將用高級語言編寫的程序翻譯成硬件能夠執(zhí)行 的指令操作系統(tǒng)： 用戶程序和OS共享處理器例1)系統(tǒng)僅有一個處理器、一個磁

12、盤和一臺打印機。 設(shè)：應用程序已編譯完成并存放在磁盤中。 將文件傳送到內(nèi)存中，傳送結(jié)束，程序開 始執(zhí)行； 程序執(zhí)行時需到磁盤中讀取數(shù)據(jù)文件； 對數(shù)據(jù)進行運算，打印結(jié)果。 由OS負責磁盤和打印機操作，其執(zhí)行控制權(quán)轉(zhuǎn) 換示意圖如下：用戶程序和OS共享處理器 OS將應用程序從磁盤裝載到內(nèi)存，傳送結(jié)束將控制權(quán)交給應用程序OS將數(shù)據(jù)文件從磁盤裝載到內(nèi)存，傳送結(jié)束將控制權(quán)交給應用程序OS打印結(jié)果，打印結(jié)束將控制權(quán)交給應用程序多任務方式（多道程序）： 磁盤和處理機在t4和t5段中大部分時間空閑， 可安排裝載下一個程序； 同樣，可在t0至t1段安排打印前一程序的結(jié)果 1.2 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 微程序級 硬

13、件級 執(zhí)行一系列微指令，解釋執(zhí)行機器指令 物理機器級 硬件級 執(zhí)行機器指令，完成相應的功能 操作系統(tǒng)級 虛擬機 為系統(tǒng)的操作和程序設(shè)計提供平臺 匯編語言級 虛擬機 為程序員提供一種符號形式語言 高級語言級 虛擬機 提供與計算機結(jié)構(gòu)無關(guān)的程序設(shè)計語言重要的抽象是硬件與底層軟件之間的接口，稱為指令集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，或簡稱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包含了編寫能夠正確運行的機器語言程序的所有必需信息，包括：指令、寄存器、存儲器訪問、I/O等這些基本的指令集和操作系統(tǒng)提供給應用程序程序員的接口合稱為應用程序二進制接口（ABI） 1.2 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 每一級上都能進行程序設(shè)計，且得到下面各級的 支持； 第1級第3級所用

14、語言基本為二進制語言，機器 執(zhí)行和解釋容易； 第4級、第5級采用符號語言，有利于不了解硬件 的人使用計算機； 級數(shù)越低越靠近硬件，級數(shù)越高使用計算機越方 便； 從語言功能層次進行劃分，引入虛擬機概念，有 助于了解計算機和設(shè)計計算機。 1.2 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 從高級語言到機器語言： 用二進制語言和機器直接交流 符號語言手工翻譯二進制指令 符號語言匯編器二進制指令 例：匯編語言： Add A,B 匯編器翻譯：1000 1100 1010 0000 計算機執(zhí)行（A）+（B） A從高級語言到機器語言： 高級程序設(shè)計語言編譯器二進制指令 例：高級程序設(shè)計語言： A+B 編譯器編譯：Add A,B

15、匯編器翻譯：1000 1100 1010 0000 計算機執(zhí)行（A）+（B） A P7圖1-4 某些編譯器可直接生成二進制機器語言1 計算機概念和技術(shù)1.1 概述1.2 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.3 計算機的基本結(jié)構(gòu)1.3 計算機的基本結(jié)構(gòu)一、計算機基本功能 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)存儲 數(shù)據(jù)傳送 控制一、計算機基本功能 數(shù)據(jù)來源： 數(shù)據(jù)來自直接與計算機連接的設(shè)備 輸入/輸出 數(shù)據(jù)來自遠方設(shè)備 數(shù)據(jù)通信 控制器根據(jù)指令管理計算機的資源，并 協(xié)調(diào)各功能部件的操作一、計算機基本功能一、計算機基本功能 一、計算機基本功能一、計算機基本功能一、計算機基本功能1.3 計算機的基本結(jié)構(gòu)二、計算機的硬件結(jié)構(gòu) 計算機主要

16、結(jié)構(gòu)部件： P8圖1-5、P9圖1-6 中央處理單元：控制計算機的操作并完成數(shù) （CPU） 據(jù)處理； 主存儲器： 存儲數(shù)據(jù)； I/O部件: 在計算機及其外部環(huán)境之間 傳輸數(shù)據(jù)； 系統(tǒng)互聯(lián)： 為CPU、主存儲器和I/O之間 提供某些通信機制。二、計算機的硬件結(jié)構(gòu) CPU結(jié)構(gòu)二、計算機的硬件結(jié)構(gòu) CPU結(jié)構(gòu)： 控制器： 控制CPU以及整臺計算機 的操作； 算術(shù)邏輯單元：完成數(shù)據(jù)處理功能； (ALU) 寄存器: 為CPU提供內(nèi)部存儲功能； CPU內(nèi)部互聯(lián)： 提供控制器、ALU和寄存 器之間的某種通信機制。計算機基本部件互聯(lián)框圖 總線連接方式二、計算機的硬件結(jié)構(gòu)運算器 功能： 數(shù)據(jù)加工部件，完成二進制

17、算術(shù)運算及邏輯運算 運算器的組成部件： ALU算術(shù)邏輯運算單元 通用寄存器暫存數(shù)據(jù) 專用寄存器 程序計數(shù)器（PC） 狀態(tài)條件寄存器（PSW） 多個，統(tǒng)一 編址1.運算器 運算器的位數(shù)越多，計算的精度就越 高，但是所費的電子器件也越多，成 本相應就高，目前計算機的運算長度 一般為8位、16位、32位或64位。二、計算機的硬件結(jié)構(gòu)2. 存儲器 功能： 存儲以二進制形式表示的數(shù)據(jù)和程序 程序計算機操作的依據(jù) 數(shù)據(jù)操作的對象 選擇合適的記憶介質(zhì) 具有兩個穩(wěn)定的狀態(tài) 兩個狀態(tài)可快速轉(zhuǎn)換 存儲介質(zhì)： 半導體器件 磁性記錄介質(zhì) 光存儲介質(zhì)2. 存儲器 存儲器設(shè)計目標： 速度快、容量大、成本低 為解決容量與成

18、本的矛盾： 將存儲器分為內(nèi)存和外存儲器內(nèi)存儲器：由半導體存儲器構(gòu)成 特點：速度快、但成本高 存放正在運行和處理的程序和 數(shù)據(jù)外存儲器：由磁盤、磁帶、光盤、基于 flash的可移動存儲卡等構(gòu)成 特點：容量大、成本低、可脫 機保存信息 存放暫時不用的程序和數(shù)據(jù) 外存通過接口、總線連接內(nèi)存 存儲器設(shè)計目標： 速度快、容量大、成本低 為解決速度與成本的矛盾： 將內(nèi)存儲器分為主存和Cache Cache：即高速緩沖存儲器，由速度更快的 半導體存儲芯片構(gòu)成，以便與CPU速 度匹配。因為價格較高，所以容量 較小，作為主存的一個副本存放CPU 最近經(jīng)常訪問的一些信息。 將存儲器根據(jù)容量、速度、成本要求分為若干

19、 層次，構(gòu)成存儲器系統(tǒng)。 層次化結(jié)構(gòu)： Cache、主存、外存 存儲器層次化結(jié)構(gòu)： 2. 存儲器 主存儲器結(jié)構(gòu)主存儲器一般由半導體器件構(gòu)成存儲元：存儲信息最基本的單元，記憶一位二進制數(shù)碼 （0或1）（bit）存儲單元：存取信息最基本的單元，由若干存儲元組成， 一個存儲單元可存儲一個字(Word)或一個字 節(jié)(Byte,簡稱B)。 微機中一個存儲單元通常存放一個字節(jié)的二 進制信息 1 Byte = 8 bit 一個存儲單元也可以是16位、32位、64位等2. 存儲器 存儲容量： 微機中，存儲器容量常以字節(jié)為單位計量，因此 存儲器中所有存儲單元的總數(shù)稱為存儲器的存儲 容量。 常用單位有：KB(Ki

20、lo Byte)、MB(Mega Byte)、 GB(Giga Byte)、TB(Tera Byte)。 換算關(guān)系如下：1024 B= 1KB1024 KB = 1MB1024 MB = 1GB1024 GB = 1TB2. 存儲器 存儲器編址： 存儲器中每個存儲單元都有一個編號，稱為地址。向存儲器中寫數(shù)或者從存儲器中讀數(shù)，都是按給定的地址來尋找所選的存儲單元。 讀操作：數(shù)據(jù)從存儲單元中讀出 寫操作：數(shù)據(jù)寫入存儲單元中 存儲周期讀/寫周期2. 存儲器 存儲器種類： RAM隨機訪問存儲器 SRAM DRAM ROM只讀存儲器 順序訪問存儲器 半順序訪問存儲器隨機讀寫二、計算機的硬件結(jié)構(gòu)3. 控制

21、器 功能：是高效的中樞系統(tǒng)，通過指令譯碼產(chǎn)生各操作控制信號，控制和協(xié)調(diào)各部件有條不紊地工作。 指令控制按序執(zhí)行指令； 操作控制根據(jù)指令譯碼產(chǎn)生各操作控制 信號，控制各部件工作； 時間控制對各類操作實施時間上的約束， 使各部件有序工作。3. 控制器 指令字將解題的程序（指令序列）存放到存儲器中稱為存儲程序控制器依據(jù)存儲器的程序來控制全機協(xié)調(diào)地完成計算任務叫做程序控制一臺計算機中所有指令的集合稱為指令系統(tǒng)，一臺計算機的指令系統(tǒng)通常包含幾十種甚至上百種基本指令指令系統(tǒng)不僅是硬件設(shè)計的依據(jù)，而且是軟件設(shè)計的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)字和指令字 取指周期中從內(nèi)存讀出的信息流是指令流，它流向控制器 執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出的信

22、息流是數(shù)據(jù)流，它流向運算器3. 控制器 基本任務按照計算程序所排的指令序列，先從存儲器中取出一條指令放到控制器中，對該指令的操作碼由譯碼器進行分析判別，然后根據(jù)指令性質(zhì)，向計算機各部件發(fā)出相應的控制信號，有序地控制各部件完成規(guī)定的操作，接著從存儲器中取出下一條指令，再執(zhí)行，依次類推 取指周期：取指令的一段時間 執(zhí)行周期：執(zhí)行指令的一段時間指令周期二、計算機的硬件結(jié)構(gòu)4. 適配器和輸入輸出設(shè)備 功能： 輸入設(shè)備把人們熟悉的某種形式變換為 機器內(nèi)部所能接收和識別的二 進制信息形式； 輸出設(shè)備把計算機處理的結(jié)果變換為人 或其它機器設(shè)備所能接收和識 別的信息形式。 外設(shè)種類繁多，性能各一，需通過適配器

23、與 主機相連。二、計算機的硬件結(jié)構(gòu) 外圍設(shè)備的基本分類 輸入設(shè)備鍵盤、光筆、鼠標器、語音 輸入器、掃描儀、觸摸屏、 圖像輸入設(shè)備等； 輸出設(shè)備顯示設(shè)備、打印機、音箱、 繪圖儀等； 外存設(shè)備磁盤、磁帶、光盤、優(yōu)盤等 數(shù)據(jù)通信設(shè)備 過程控制設(shè)備 二、計算機的硬件結(jié)構(gòu)5. 系統(tǒng)總線（BUS） 功能： 系統(tǒng)總線是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之 間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。借助系統(tǒng)總線，計算機在 各系統(tǒng)部件之間實現(xiàn)傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息的操作 數(shù)據(jù)總線 地址總線 控制總線 不同的總線連接方式將導致不同的功能特征 和實現(xiàn)成本 不同速度的設(shè)備連于一條總線需借助緩存 計算機的基本結(jié)構(gòu)華碩P4S533-MX主板內(nèi)存條插槽CPU風扇支架PCI擴展槽IDE硬盤接口各種外設(shè)接口，包括：鍵盤、鼠標、顯示器、USB、聲卡、網(wǎng)卡、并行口等CPU插槽P11圖1-8,9,101 計算機概念和技術(shù)1.1 概述1.2 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.3 計算機的基