第一章 計算機組成原理計算機系統(tǒng)概論

本章主要內(nèi)容計算機發(fā)展歷程

計算機系統(tǒng)的層次結構計算機系統(tǒng)的組成

計算機的工作過程

計算機性能計算機的分類和應用

1.1計算機發(fā)展歷程第一臺電子計算機——ENIAC1946年美國賓西法尼亞大學研制成功電子數(shù)字計算機ENIAC(ElectronicNumericalIntegratorAndComputer)第一臺電子計算機（通用可編程序）18800電子管，30噸，占地150平方米，功耗150kw速度：5000次十進制加法/秒ENIAC的特點：十進制表示，程序用插線開關實現(xiàn)為了改進程序的輸入方式：美國數(shù)學家馮.諾依曼，提出二進制表達方式和存儲程序控制計算機構想。提出并描述一個計算機模型EDVAC（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer）EDVAC直到1952年才調(diào)試成功馮·諾依曼型計算機硬件組成

輸出設備輸入設備

存儲器控制器運算器控制流CS數(shù)據(jù)流DS計算結果程序和數(shù)據(jù)具備的功能：(1)輸入輸出功能

(2)記憶功能

(3)計算功能

(4)判斷功能

(5)自我控制功能

計算機發(fā)展的幾個過程1946年開始的第一代電子管計算機:

計算機運算速度一般為每秒幾千次至幾萬次,體積龐大,成本很高,可靠性較低,在此期間,形成了計算機的基本體系,確定了程序設計的基本方法,數(shù)據(jù)處理機開始得到應用。

1958年開始的第二代晶體管計算機:

運算速度提高到幾萬次至幾十萬次,可靠性提高,體積縮小,成本降低，工業(yè)控制機開始得到應用。1965年開始的第三代中小規(guī)模集成電路計算機:

可靠性進一步提高,體積進一步縮小,成本進一步下降,運算速度提高到幾十萬次至幾百萬次。在此期間,形成機種多樣化,生產(chǎn)系列化,使用系統(tǒng)化,小型計算機開始出現(xiàn)。1972年開始的第四代超大規(guī)模集成電路（VLSI）計算機:

可靠性更進一步提高,體積更進一步縮小,成本更進一步降低,速度提高到每秒幾百萬次至幾千萬次。有機片大規(guī)模集成電路組成的微型機開始出現(xiàn)。

1991年開始的第五代巨大規(guī)模集成電路(ULSI)計算機:

運算速度提高到每秒幾億次至上百億次。由一片巨大規(guī)模集成電路實現(xiàn)的單片機開始出現(xiàn)。

微處理器的發(fā)展以INTEL為例1971年，4004問世，主頻108KHz，晶體管2300個，10微米。1978年，8086問世，主頻4.77MHz，晶體管29000個，3微米。1982年，推出80286，內(nèi)含13.4萬個晶體管，PC產(chǎn)業(yè)真正開始騰飛。1985年，386問世，主頻16MHz起，晶體管275000個，1微米。1989年，486問世，主頻25MHz起，晶體管1200000個，1微米。1993年，Pentium問世，主頻60MHz起，晶體管310萬個，0.8微米。2000年，Pentium4問世，主頻1.3GHz起，晶體管4200萬個，0.18微米。2006年發(fā)布酷睿2，晶體管數(shù)量達到2.91億個，采用65nm制造工藝。超級計算機TOP500簡介2008年世界超級計算機排名（2008.11）RankSiteComputer/YearVendorCoresRmaxRpeak1DOE/NNSA/LANLRoadrunner/200812960011051456.7UnitedStatesIBM2OakRidgeNationalLaboratoryJaguar-CrayXT5QC2.3GHz/200815015210591381.4UnitedStatesCrayInc.3NASA/AmesResearchCenter/NASPleiades-XeonQC3.0/2.66GHz/200851200487.01608.83UnitedStatesSGI10上海超級計算中心曙光5000A“魔方”/200830720180.6233.47China曙光19中科院網(wǎng)絡信息中心

深騰7000

/200812216102.8145.97China聯(lián)想2009年世界超級計算機排名（2009.11）RankSiteComputer/YearVendorCoresRmaxRpeak1OakRidgeNationalLaboratoryCrayXT5-HEOpteronSixCore2.6GHz22416217592331UnitedStatesCrayInc.2DOE/NNSA/LANLRoadrunner-PowerXCell8i3.2Ghz12240010421376UnitedStatesIBM5國家超級計算天津中心天河一號

XeonE5540/E5450716805631207中國國防科技大學19上海超級計算中心曙光5000A“魔方”/200830720180.6233.47中國曙光43中科院網(wǎng)絡信息中心

深騰7000/200812216102.8145.97中國聯(lián)想2010年世界超級計算機排名（2010.11）RankSiteComputer/YearVendorCoresRmaxRpeakPower1NationalSupercomputingCenterinTianjinTianhe-1A-NUDTTHMPP,X56702.93Ghz6C,NVIDIAGPU,FT-10008C/2010186368256647014040ChinaNUDT2DOE/SC/OakRidgeNationalLaboratoryJaguar-CrayXT5-HEOpteron6-core2.6GHz/2009224162175923316951UnitedStatesCrayInc.3NationalSupercomputingCentreinShenzhen(NSCS)Nebulae-DawningTC3600Blade,IntelX5650,NVidiaTeslaC2050GPU/2010120640127129842580ChinaDawning4GSICCenter,TokyoInstituteofTechnologyTSUBAME2.0-HPProLiantSL390sG7Xeon6CX5670,NvidiaGPU,Linux/Windows/201073278119222881399JapanNEC/HP2011年世界超級計算機排名（2011.06）RankSiteComputer/YearVendorCoresRmaxRpeakPower1RIKENAdvancedInstituteforComputationalScience(AICS)Kcomputer,SPARC64VIIIfx2.0GHz,Tofuinterconnect/2011548352816287749898.6JapanFujitsu2國家超級計算中心（天津）天河一號A–THMPP,X56702.93Ghz6C,NVIDIAGPU,FT-10008C/2010186368256647014040China國防科學技術大學3DOE/SC/OakRidgeNationalLaboratoryJaguar-CrayXT5-HEOpteron6-core2.6GHz/2009224162175923316950.6UnitedStatesCrayInc.4國家超級計算中心/site/3131深圳NSCS)星云-DawningTC3600Blade,IntelX5650,NVidiaTeslaC2050GPU/2010120640127129842580China曙光/中科院2012年世界超級計算機排名（2012.06）TOP500國家分布（2011.6）TOP500國家分布（2012.6）系統(tǒng)供應商統(tǒng)計（2011.6）TOP500超級計算機選用處理器統(tǒng)計(2011.6)ProcessorFamilyCountShare%RmaxSum(GF)RpeakSum(GF)ProcessorSumPower459.00%627413179453081429248NEC10.20%1224001310721280Sparc20.40%82726008894912560384IntelIA-6451.00%26949831713250416IntelEM64T38076.00%31597252514097613975684AMDx86_646613.20%12351314163706131754992IntelCore10.20%428301111507920Totals500100%58930025.598517994977799242009、2012TOP500使用OS統(tǒng)計OperatingsystemFamilyCountShare%CountShare%20092012Linux44689.20%46292.40%Unix255.00%244.80%Mixed234.60%112.20%Windows51.00%20.40%BSDBased10.20%10.20%Totals500100%500100%中國超級計算機發(fā)展簡介１９８３年，“銀河”的億次計算機歷經(jīng)５年研制在國防科技大學誕生。

１９９２年，研制出銀河－Ⅱ通用并行巨型機，峰值速度達１０億次/秒。１９９７年，研制成功銀河－Ⅲ百億次并行巨型計算機系統(tǒng)，峰值性能為每秒１３０億次浮點運算。

１９９９年，國家并行計算機工程技術研究中心研制的神威Ｉ計算機，峰值運算速度達每秒３８４０億次，在國家氣象中心投入使用。

２００４年，由中科院計算所、曙光公司、上海超級計算中心三方共同研發(fā)制造的曙光４０００Ａ實現(xiàn)了每秒１０萬億次運算速度。

２００８年，“深騰７０００”是國內(nèi)第一個實際性能突破每秒百萬億次的異構機群系統(tǒng)，Ｌｉｎｐａｃｋ性能突破每秒１０６．５萬億次。

２００９年１０月２９日，中國首臺千萬億次超級計算機“天河一號”誕生。計算機的發(fā)展趨勢

1．巨型化

巨型化是指具有高速度、大容量、高吞吐量的計算機。

2．微型化

微型化是指采用巨大規(guī)模集成電路組成的體積小、價格低、功能強的計算機。這種計算機主要包括嵌入式計算機和微型計算機，嵌入式計算機已進入儀器、儀表、家用電器等小型儀器設備中，同時也作為工業(yè)控制過程的心臟，使儀器設備實現(xiàn)“智能化”。

3．網(wǎng)絡化計算機與互聯(lián)網(wǎng)絡組成高速信息通道，互聯(lián)網(wǎng)絡擴展了計算機概念。

4．智能化

智能化是指計算機模擬人類的智能活動，諸如感知、判斷、理解、學習、問題求解和圖像識別等。智能化的發(fā)展將使各種知識庫及人工智能技術得到進一步普及，人們將用自然語言和機器對話。計算機將從數(shù)值計算為主過渡到知識推理為主，從而使計算機進入知識處理階段。

5．多媒體化多媒體化是指計算機具有全數(shù)字式、全動態(tài)、全屏幕的播放、編輯和創(chuàng)作多媒體信息的功能，具備控制和傳輸多媒體電子郵件、電視會議等多種功能。1.2計算機系統(tǒng)層次結構計算機解題過程

現(xiàn)代計算機的解題過程通常是先由用戶用高級語言編寫程序（稱作為源程序），然后將它和數(shù)據(jù)一起送入計算機內(nèi)，再由計算機將其翻譯成機器能識別的機器語言程序（稱作為目標程序），機器自動運行該機器語言程序，并將結果輸出。

計算機用戶程序（源程序）結果計算機翻譯成機器語言程序運行目標程序計算機系統(tǒng)的層次結構虛擬機器實際機器微指令由硬件直接執(zhí)行用微程序解釋機器指令應用語言程序經(jīng)應用程序包翻譯成高級語言程序包高級語言程序經(jīng)編譯/解釋程序翻譯成匯編語言程序（或中間語言程序，或是機器語言語言）匯編語言程序經(jīng)匯編程序包翻譯成機器語言程序一般用機器語言程序解釋作業(yè)控制語句等層次結構劃分的好處

有利于理解軟件、硬件和固件在系統(tǒng)中的地位和作用。從系統(tǒng)層次的劃分中，可以看出，微程序機器級（M0）、傳統(tǒng)機器級（M1）、操作系統(tǒng)機器級（M2）不是為應用程序員解題設計的，而是為運行支持更高層次機器級程序所必須的編譯程序和解釋程序而設計的，以便能設計和實現(xiàn)新的虛擬機器級。有利于理解各種語言的實質(zhì)和實現(xiàn)途徑。計算機各層次的語言總是通過低一級的語言翻譯來實現(xiàn)的，這就說明相鄰機器級之間的語義差別不能太大。有利于推動計算機系統(tǒng)結構的發(fā)展。例如，可以重新分配軟、硬件的比例，為虛擬機器的各個層次提供更多更好的硬件支持，改變硬件及器件快速發(fā)展而軟件卻日益復雜、開銷過大的狀況?？梢杂糜布凸碳韺崿F(xiàn)高級語言和操作系統(tǒng)而形成高級語言機器和操作系統(tǒng)機器。有利于理解計算機系統(tǒng)結構的定義。把計算機按功能劃分成多個不同的層次結構，從各個層次的功能劃分和實現(xiàn)去了解計算機系統(tǒng)，有助于更深入的了解系統(tǒng)結構的定義。

計算機系統(tǒng)結構和計算機組成

計算機系統(tǒng)結構這個詞是Amdahl等人在1964年介紹IBM360時提出的。他們把系統(tǒng)結構定義為由程序設計者所看到的一個計算機系統(tǒng)的屬性，即概念性結構和功能特性。這實際上是計算機系統(tǒng)的外特性，按照計算機系統(tǒng)的層次結構，不同程序設計者所看到的計算機具有不同的屬性。計算機系統(tǒng)結構研究的主要內(nèi)容是計算機系統(tǒng)的多級層次結構中各級之間界面的定義及其上下的功能分配。通常所說的計算機系統(tǒng)結構，主要討論傳統(tǒng)機器級的系統(tǒng)結構，即從機器語言程序員的角度所看到的計算機系統(tǒng)結構。計算機組成又稱計算機設計，是指計算機系統(tǒng)結構的邏輯實現(xiàn)。研究的內(nèi)容主要包括機器內(nèi)部的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設計等。它著眼于機器內(nèi)各事件的排序方式與控制機構、各部件的功能以及各部件間的聯(lián)系。計算機組成的設計是按所希望達到的性能價格比，最佳、最合理的把各種設備和部件組成計算機，以實現(xiàn)所確定的計算機系統(tǒng)結構。1.3計算機系統(tǒng)的組成計算機的硬件系統(tǒng)

存儲器運算器控制器適配器輸入設備輸出設備系統(tǒng)總線計算機硬件組成1.運算器通常由算術邏輯運算單元（ALU，ArithmeticandLogicUnit）、通用寄存器和狀態(tài)字寄存器組成，是進行算術運算和邏輯運算的部件。計算機硬件組成

2.控制器控制器是全機的指揮中心，是發(fā)布命令的“決策機構”，完成協(xié)調(diào)和指揮整個計算機系統(tǒng)的操作?？刂破鞯闹饕δ苁钱a(chǎn)生計算機的全部操作控制信號，對取指令、分析指令和執(zhí)行指令的操作過程進行控制。控制器由程序計數(shù)器(PC)、指令寄存器(IR)、指令譯碼器、時序產(chǎn)生器和操作控制器組成。

PentiumCPUPentiumIVCPU計算機硬件組成

3.存儲器計算機為了完成存儲程序和存儲數(shù)據(jù)的功能，必須具備能存儲信息的存儲器。現(xiàn)代計算機以存儲器作為各種信息存儲和交流的中心，存儲器可與CPU、輸入/輸出設備交換信息，起到存儲、緩沖和傳遞信息的作用。

例：32M4bitSDRAM內(nèi)部結構計算機硬件組成

4.輸入設備輸入設備的作用是將原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序送入計算機。常見的輸入設備包括鍵盤、鼠標、掃描儀、數(shù)字照相機、攝像頭、數(shù)字化儀、話筒等。

5.輸出設備輸出設備的作用是將計算結果轉(zhuǎn)化為用戶或者設備所能識別或者接收的信息形式，如數(shù)字、字母、符號、文字、圖形、圖像、聲音等。常見的輸出設備包括顯示器、打印機、繪圖儀、揚聲器等。常見的磁盤、光盤、磁帶機等輔助存儲器也是重要的外部設備，它既可以作為輸入設備，也可以作為輸出設備，此外，它還有存儲信息的功能。它們與輸入/輸出設備一樣，也要通過接口電路或適配器與主機相連。

6.系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線是構成計算機系統(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CPU、存儲器、輸入設備、輸出設備之間實現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)、控制/狀態(tài)等信息的傳送操作。計算機系統(tǒng)的軟件組成系統(tǒng)軟件應用軟件計算機軟件計算機系統(tǒng)計算機硬件操作系統(tǒng)語言處理程序診斷程序各種標準程序庫。。。MISERPOFFICEOUTLOOK。。。計算機硬件與軟件的邏輯等價性

軟件和硬件在邏輯功能上是等效的，同一邏輯功能既可以用軟件也可以用硬件或固件實現(xiàn)。從原理上講，軟件實現(xiàn)的功能完全可以用硬件或固件完成，同樣，硬件實現(xiàn)的邏輯功能也可以由軟件的模擬來完成，只是性能、價格以及實現(xiàn)的難易程度不同而已。軟、硬件的功能分配比例可以在很寬的范圍內(nèi)變化，這種變化是動態(tài)的，軟硬功能分配的比例隨不同時期以及同一時期的不同機器的變化而變化。由于軟、硬件是緊密相關的，軟硬界面常常是模糊不清的，在計算機系統(tǒng)的功能實現(xiàn)上，有時候很難分清哪些功能是由硬件完成的，哪些功能是由軟件完成的。在滿足應用的前提下，軟硬功能分配比例的確定，主要是看能否充分利用硬件、器件技術的現(xiàn)狀和進展，使計算機系統(tǒng)達到較高的性能價格比。從目前軟硬件技術的發(fā)展速度及實現(xiàn)成本上看，隨著器件技術的高速發(fā)展，特別是半導體集成技術的高速發(fā)展，以前由軟件來實現(xiàn)的功能，越來越多的由硬件或固件來實現(xiàn)，總的來說，軟件硬化是目前計算機系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢。1.4計算機的工作過程使用計算機求解一個簡單的例子

【例】用計算機求解z=x+y，其中x和y為已知數(shù)。

解題步驟為：①將x的值從主存單元取出，存入某一個寄存器；②將y的值從主存單元取出，存入另一個寄存器；③將x和y的值相加，運算結果存入寄存器；④將結果從寄存器取出，存入主存單元z中。將上述解題步驟按照計算機的指令格式和指令系統(tǒng)編寫成對應的機器指令，就完成了程序的編寫。簡單計算機的組成框圖

計算z=x+y的機器語言程序操作碼（十六進制）地址碼（十六進制）功能描述1RXY(XY)→R，將主存地址XY單元中的數(shù)據(jù)取出，存入寄存器R中2RXY(R)→XY，將寄存器R中的數(shù)據(jù)存入主存地址XY的單元中3RST(S)+(T)→R，將寄存器S與T中的數(shù)據(jù)相加，結果存入寄存器R中4000停機，指令代碼為4000主存地址指令或數(shù)據(jù)注釋01110將數(shù)x從主存單元取出，存入寄存器R111211將數(shù)y從主存單元取出，存入寄存器R223012將寄存器R1與R2中的數(shù)據(jù)相加，結果存入寄存器R032012將寄存器R0中的數(shù)據(jù)存入主存單元z中44000停機………100002原始數(shù)據(jù)x110006原始數(shù)據(jù)y12存放結果z………計算機工作的具體過程①啟動機器后，操作控制器發(fā)出控制信號將程序計數(shù)器PC的內(nèi)容（這里設置的初值為0）送至地址寄存器AR，然后啟動對主存的讀操作，從主存的0地址中讀出一條指令，并將指令代碼“1110”（十六進制）送入指令寄存器IR，同時PC加1，形成下一條指令在主存中的地址。從而完成了第一條指令的取指操作過程。②通過指令譯碼器對指令寄存器IR中的操作碼“1”（十六進制）進行分析，識別出該指令的功能為取數(shù)指令，于是操作控制器發(fā)出操作控制信號，將指令寄存器IR中的地址碼部分“10”（十六進制）送入地址寄存器AR，然后啟動對主存的讀操作，從主存的10（十六進制）地址中讀出x的內(nèi)容0002送入通用寄存器R1。從而完成了第一條指令的分析過程和執(zhí)行過程。③重復①、②的操作過程，由于PC的值在每次取指操作完成時都進行了加1操作，因此計算機會自動地、順序地逐條取出指令、分析指令和執(zhí)行指令，直到執(zhí)行完停機指令后，機器便自動停機。1.5計算機性能計算機性能的衡量尺度

1.響應時間響應時間是指從用戶向計算機系統(tǒng)發(fā)送一個請求后，到系統(tǒng)對該請求做出響應并獲得它所需要的結果所花的等待時間。

2.吞吐率吞吐率是指系統(tǒng)響應用戶請求的速率。

3.可擴展性如果一個計算機系統(tǒng)能加以擴展以滿足不斷增長的對性能和功能的要求，或是能夠縮減資源以降低成本，則稱此計算機系統(tǒng)具有可擴展性。

4.可編程性、可靠性和可用性可編程性主要是指程序設計的方便性?？煽啃允侵敢粋€計算機系統(tǒng)能無故障運行的可靠程度（指無故障運行的工作時間）?？捎眯允侵敢粋€計算機系統(tǒng)可正常使用時間所占的百分比。

5.兼容性6.性能價格比反映計算機性能的參數(shù)

1.主頻通常所說的主頻指的是CPU時鐘頻率，單位通常為MHz（1M=106）、GHz（1G=109）。

2.機器字長機器字長是指運算器一次能運算的二進制數(shù)的最多位數(shù)，它與CPU內(nèi)通用寄存器的位數(shù)、CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)總線的寬度有關。

3.數(shù)據(jù)通路寬度數(shù)據(jù)通路寬度是指數(shù)據(jù)總線一次所能并行傳送的數(shù)據(jù)的位數(shù)。

4.運算速度通常采用單位時間內(nèi)執(zhí)行指令的平均條數(shù)來衡量，單位為MIPS，即每秒執(zhí)行百萬條指令。也可用平均一條指令執(zhí)行所花的時鐘周期數(shù)來衡量，單位為CPI。

5.存儲容量存儲容量是指一個存儲器中可以容納的存儲單元總數(shù)。存儲容量越大，所能存儲的信息就越多。

性能因子CPI

設CPU時鐘周期為，CPU時鐘周期的倒數(shù)則是CPU的時鐘頻率。一個程序在CPU上運行所需的時間可以用下述公式表示：

IN表示要執(zhí)行程序中的指令總數(shù)（這里指動態(tài)執(zhí)行指令數(shù)），CPI（ClockCyclesPerInstruction）表示執(zhí)行每條指令所需的平均時鐘周期數(shù)。由此公式可見，程序運行的時間取決于三個特征：CPU時鐘周期，每條指令所需的時鐘周期數(shù)以及程序中總的指令數(shù)。由CPI的含義可得到如下表達式：

性能因子CPI

在程序執(zhí)行過程中，要用到不同類型的指令，令Ii表示第i類指令在程序中的執(zhí)行次數(shù)，CPIi表示執(zhí)行一條第i類指令所需的時鐘周期數(shù)，n為程序中所有的指令種類數(shù)。則有：

因為IN是個常數(shù)，上式可以改寫為：計算機性能常用指標

MIPS(MillionInstructionsPerSecond，每秒百萬條指令)

這是一個用來描述計算機性能的尺度。對于一個給定的程序，MIPS定義為：

由上式可得程序的執(zhí)行時間TE的表達式為：

計算機性能常用指標

【例】已知PentiumⅡ450處理機在運行某一測試程序時所獲得的性能為0.5CPI，試計算PentiumⅡ450處理機在運行該程序時所獲得的MIPS速率?！窘狻浚河捎赑entiumⅡ450處理機=450MHz，因此，由公式可求出：即PentiumⅡ450處理機在運行該程序時所獲得