計算機組成原理計算機系統(tǒng)概論

計算機組成原理武漢科技大學計算機科學與技術學院《計算機組成原理》

PrinciplesofComputerOrganization課程代碼：1301026

課程類別：必修

課程學分：4

課程學時：80(其中：實驗18學時)

授課對象：計算機科學與技術專業(yè)本科生

軟件工程專業(yè)本科生

網(wǎng)絡工程專業(yè)本科生教學內容

研究討論計算機單處理機系統(tǒng)的完整硬件系統(tǒng)的基本組成原理與內部運行機制

單處理機系統(tǒng)：非多機系統(tǒng)基本：不一定是最高性能、最合理的組成,

而是最基礎的必要的組成部分

完整：計算機整機、全部的硬件功能部件輸入設備輸出設備

總線外存設備主存儲器高速緩存控制器運算器第3、7章第7章第4、5章第2章第6章輸入輸出接口第8章計算機硬件系統(tǒng)組成教學過程與成績比例

除課堂教學外，實驗室配有相應的計算機組成原理實驗箱，通過實驗可使學生理論聯(lián)系實際，一方面增強對相應知識點的理解和掌握，同時培養(yǎng)學生的動手能力和創(chuàng)新意識。實驗共18學時，單獨作為一門課程，獨立給定成績；不計入理論課的總成績之中。理論課成績由平時成績和期末考試成績構成。平時成績包括期中考試、平時考勤、平時作業(yè)等，按30%的比例算入總成績之中。期末考試成績占總成績的70%。學習指南本課程的重點：計算機系統(tǒng)各基本部件的原理及實現(xiàn)本課程的難點：各部件互連構成整機系統(tǒng)，即整機概念的建立本課程的深廣度：主要討論計算機組成中具有共性的問題，要處理好抽象概念與具體實例的關系第一章計算機系統(tǒng)概論本章內容1.1計算機的分類1.2計算機的發(fā)展簡史1.3計算機的硬件1.4計算機的軟件1.5計算機系統(tǒng)的層次結構1.1計算機的分類按信號量分模擬機數(shù)字機專用通用超級計算機大型機服務器PC機單片機多核機2.數(shù)字機與模擬機的主要區(qū)別模擬機：用連續(xù)量表示數(shù)據(jù)，計算過程也是連續(xù)的數(shù)字機：用離散的數(shù)字量表示數(shù)據(jù)，按位不連續(xù)地跳動計算1.如何分類？分類的依據(jù)及結果，按用途分，按規(guī)模分超級計算機多核機大型機服務器PC機單片機體積功耗性能數(shù)據(jù)存儲量指令系統(tǒng)價格低高簡易性高低1.2計算機的發(fā)展簡史1.2.1計算機的五代變化第五代類型時期主要器件

重要特征第一代1946|1957電子管機器語言，匯編語言速度低，體積大，價格昂貴可靠性差，用于科學計算第二代1958|1964晶體管算法語言，操作系統(tǒng)體積縮小，可靠性提高從科學計算擴大到數(shù)據(jù)處理第三代1965|1971中、小規(guī)模集成電路體積小，可靠性大大提高，軟件技術和外設發(fā)展迅速應用領域不斷擴大第四代1972|1990大及超大規(guī)模集成電路體積進一步縮小，可靠性進一步提高，成本進一步降低1991|巨大規(guī)模集成電路由一片巨大規(guī)模集成電路實現(xiàn)的單片計算機開始出現(xiàn)運算速度每秒幾千~幾萬次每秒幾萬~幾十萬次每秒幾十萬~幾百萬次每秒1000萬~1億次每秒10億次摩爾定律1.2.2半導體存儲器的發(fā)展

50~60年代，由微小的鐵磁體環(huán)(磁芯)構成

1970年，仙童半導體公司生產(chǎn)了第1片半導體存儲器

1974年，每位半導體存儲器的價格低于磁芯存儲器此后半導體存儲器經(jīng)歷了11代：單個芯片容量1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB和現(xiàn)在的1GB其中：1B=8bit；1K=210；1M=220；1G=2301.2.3微處理器的發(fā)展20世紀70年代：

4004800880808086808820世紀80年代：

80286386TMDX386TMSX 486TMDX20世紀90年代：

486TMSXPentiumPentiumPro PentiumII最近的處理器：

PentiumIIIPentium4Itanium Itanium2吞吐量：計算機在某一時間間隔內能處理的信息量響應時間：從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應之間的時間利用率：給定時間間隔內系統(tǒng)被實際使用的時間所占比率處理機字長：處理機運算器一次能完成二進制運算的位數(shù)總線寬度：運算器與存儲器間互連的內部總線二進制位數(shù)存儲器容量：存儲器中所有存儲單元的總數(shù)目存儲器帶寬：單位時間內從存儲器讀出的二進制數(shù)信息量主頻/時鐘周期：主時鐘的頻率為CPU的主頻；主頻的倒數(shù)為CPU時鐘周期1.2.4計算機的性能指標CPU執(zhí)行時間：CPU執(zhí)行一段程序所占CPU時間 CPU執(zhí)行時間=CPU時鐘周期數(shù)CPU時鐘周期CPI：每條指令周期數(shù)——執(zhí)行一條指令所需平均時鐘周期數(shù) CPI=執(zhí)行某段程序所需時鐘周期數(shù)÷程序包含指令條數(shù)MIPS：每秒百萬指令數(shù)——單位時間內執(zhí)行的指令數(shù) MIPS=指令數(shù)÷(程序執(zhí)行時間106)FLOPS：每秒執(zhí)行浮點操作的次數(shù) MFLOPS=程序中浮點操作次數(shù)÷程序執(zhí)行時間1.2.4計算機的性能指標(續(xù))例1：對于給定程序，IN——執(zhí)行程序中的指令總數(shù) tCPU——執(zhí)行該程序所需CPU時間 NC——CPU時鐘周期數(shù)各性能參數(shù)關系舉例Ii/IN——i指令在程序中所占比例Ii——i指令在程序中執(zhí)行的次數(shù)CPIi——i指令所需平均時鐘周期數(shù)n——指令種類例2：用50MHz處理機執(zhí)行標準測試程序，它包含的混合指令數(shù)和相應所需平均時鐘周期數(shù)如表所示，求CPI、MIPS和tCPU各性能參數(shù)關系舉例指令類型指令數(shù)目平均時鐘周期數(shù)整數(shù)運算450001數(shù)據(jù)傳送320002浮點運算150002控制傳送800021.3計算機的硬件1.3.1硬件組成要素--用算盤計算y=ax+b-c的步驟行數(shù)解題步驟和數(shù)據(jù)說明1取數(shù)(9)→算盤(9)表示第9行的數(shù)a,下同2乘法(12)→算盤完成a*x,結果在算盤上3加法(10)→算盤完成ax+b,結果在算盤上4減法(11)→算盤完成ax+b-c,結果在算盤上5存數(shù)y→13算盤上的y值記到第13行6輸出把算盤上的y值寫出給人看7停止運算完畢,暫停89a數(shù)據(jù)10b數(shù)據(jù)11c數(shù)據(jù)12x數(shù)據(jù)13y數(shù)據(jù)算盤計算中用到了：1)算盤:對數(shù)據(jù)進行加、減、乘、除等算術運算2)紙:存儲解題的原始信息——包括解題步驟和原始數(shù)據(jù)

3)筆:把原始數(shù)據(jù)和解題步驟記錄到紙上，并把運算結果寫出

4)人本身(主要是腦和手):控制解題過程計算機與算盤類似的相應部件1)運算器:相當于算盤功能的部件2)存儲器:相當于紙那樣具有“記憶”功能的部件3)輸入設備輸出設備:相當于筆，把原始解題信息送到計算機或把運算結果顯示出來的設備4)控制器:相當于人的大腦,能夠自動控制整個計算過程運算器控制器存儲器適配器輸入設備輸出設備系統(tǒng)總線1.3.2運算器

功能：進行算術、邏輯運算 由電子線路構成的算盤

數(shù)制：二進制采用二進制的原因有三點:字長(即位數(shù)):通常有8、16、32、64位運算規(guī)律簡單

比較容易實現(xiàn)節(jié)省元件狀態(tài)數(shù)ALU電路寄存器B累加器A1.3.3存儲器–

有內存(半導體存儲器)與外存(磁盤、光盤等)之分

功能：保存或“記憶”解題的原始數(shù)據(jù)和解題步驟

存儲介質：內存為半導體存儲器，由觸發(fā)器構成，一個觸發(fā)器存放1bit存儲單元:保存一個數(shù)據(jù)的多個觸發(fā)器,稱為一個存儲單元

8個bit構成一個字節(jié)(Byte)(1~n)個字節(jié)構成一個字(Word)，n取決于計算機的字長

存儲單元的標識：單元地址，每個存儲單元的編號

存儲容量:存儲器所有存儲單元的總數(shù)。常用單位有KB，MB，GB，TB等存儲內容：程序、數(shù)據(jù)，均用二進制代碼表示1.3.4控制器--

發(fā)號施令的部件，控制計算機的各個部件有條不紊地進行工作具體任務：從內存中取出解題步驟加以分析，然后執(zhí)行某種操作1.程序——為解決某一實際問題而設計的指令序列每一個基本操作叫做一條指令，如加、減、乘、除等；解算某一問題的一串指令序列，叫做該問題的計算程序，簡稱為程序操作碼地址碼指令的構成：操作的性質和操作的地址即操作碼和地址碼操作碼:指出指令所進行的操作地址碼:表示運算數(shù)據(jù)的來源及運算結果的去向2.指令的形式存儲程序與程序控制存儲程序：把構成程序的指令序列以代碼的形式存放到存儲器中程序控制：當計算機啟動后，控制器依據(jù)存儲的程序控制全機協(xié)調地完成預定的信息處理任務馮.諾依曼型計算機的設計思想：存儲程序并按地址順序執(zhí)行馮.諾依曼結構：指令和數(shù)據(jù)放在同一個存儲器哈佛結構：指令和數(shù)據(jù)分別放在兩個存儲器3.控制器的基本任務逐條從內存中取出指令—取指周期然后執(zhí)行指令—執(zhí)行周期中央處理器CPU、中央處理機4.指令流和數(shù)據(jù)流

數(shù)據(jù)字：要處理的一個數(shù)據(jù)

指令字：要執(zhí)行的一條指令計算機對內存中指令和數(shù)據(jù)信息的區(qū)分取指周期中從內存讀出的信息是指令流,流向控制器；執(zhí)行周期中從內存讀出(或向內存寫入)的信息流是數(shù)據(jù)流,由內存流向運算器(或從運算器流入內存)——指令流是單向的，數(shù)據(jù)流是雙向的1.3.5適配器與輸入輸出設備輸入設備：把人們熟悉的某種信息形式變換為機器內部能接收和識別的二進制信息形式輸出設備：把計算機處理的結果變換為人或其他機器所能接收和識別的信息形式計算機的輸入/輸出設備通常稱為外圍設備(3)適配器

輸入輸出設備通過適配器部件與主機相連接

適配器保證外圍設備用計算機所要求的形式發(fā)送或接收信息系統(tǒng)總線——多個系統(tǒng)部件間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息現(xiàn)代電子計算機構成：運算器、控制器、存儲器、適配器、輸入/輸出設備，通過總線互連1.4計算機的軟件1.4.1軟件的組成和與分類

計算機軟件一般分為兩大類：系統(tǒng)程序應用程序

系統(tǒng)程序用來簡化程序設計和使用方法,提高計算機的使用效率，發(fā)揮和擴大計算機的功能及用途包括四類——各種服務性程序、語言程序、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

應用程序是用戶利用計算機解決某些問題所編制的程序1.目的程序

直接用機器語言編寫程序——手編程序機器語言是計算機唯一可直接識別和執(zhí)行的語言優(yōu)點：計算機可“識別”并能執(zhí)行缺點：編程繁瑣；耗費人力和時間多；易出錯；出錯后難查找2.匯編程序機器指令符號化

匯編語言、匯編語言源程序、匯編程序

缺點：和數(shù)學語言差異很大；依賴具體的機器3.算法語言

接近自然語言和數(shù)學公式的語言；與具體機器無關

編譯系統(tǒng)(編譯程序和運行系統(tǒng))或解釋程序1.4.2軟件的發(fā)展演變4.操作系統(tǒng)(OS)作用：管理計算機資源，為用戶提供使用計算機的操作接口分類：批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)等多種5.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)——數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件構成數(shù)據(jù)庫——實現(xiàn)有組織地、動態(tài)地存儲大量相關數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問的計算機軟、硬件資源組成的系統(tǒng)1.5.1多級組成的計算機系統(tǒng)1.微程序設計級或邏輯電路級實在的硬件級，由機器硬件直接執(zhí)行微命令2.一般機器級(機器語言級)由微程序解釋機器指令系統(tǒng)，也是硬件級3.操作系統(tǒng)級(混