計算機組織與結(jié)構(gòu)(雷建軍)1

計算機組織與結(jié)構(gòu)使用教材：計算機組成原理，第二版，清華大學出版社(黃穎)主講教師：雷建軍Email:leijj@

HP信科1701)考試方式：考試（70%）+作業(yè)（20%）+出勤（10%）重慶郵電大學

第一章計算機系統(tǒng)概述

1.1計算機發(fā)展簡史早期的計算工具1819年巴貝奇(劍橋)設(shè)計的差分機分析機

第一代計算機—電子管電子計算機（1945）

ENIAC（賓州）由18000個電子管和1500個繼電器組成，重30噸，耗電140KW，占地170平方米，每秒鐘能計算5000次加法。

第二代計算機—晶體管電子計算機（1954）主要器件逐步由電子管改為晶體管，因而縮小了體積，降低了功耗，提高了速度和可靠性，而且價格也不斷下降。第三代計算機—集成電路計算機（1958）集成電路可分為：小規(guī)模集成電路（SmallScaleIntegration，SSI），中規(guī)模集成電路（MediumScaleIntegration，MSI），大規(guī)模集成電路（LargeScaleIntegration，LSI）超大規(guī)模集成電路（VeryLargeScaleIntegration，VLSI）。

摩爾定律（1965）:單個芯片中的晶體管數(shù)目每年能夠翻一番（1970后18個月）。摩爾定律的影響:1)在芯片集成度快速增長的期間，單個芯片的成本幾乎沒有變化，這意味著計算機邏輯電路和存儲器電路的成本顯著下降。2)因為在集成度更高的芯片中邏輯和存儲器單元的位置更靠近，電路長度更短，所以提高了工作速度。3)計算機體積更小，更容易放置在各種環(huán)境中。4)減少了電能消耗及對冷卻的要求。5)集成電路內(nèi)部的連接比芯片間的連接更可靠，由干芯片中的電路增加，芯片間的連接變得更少。系列機具有以下特性：1)相同的或相似的指令集：在多數(shù)情況下，系列中的所有成員都有完全相同的指令集。在一臺機器上執(zhí)行的指令同樣也能在另一臺機器上執(zhí)行。某些情況下，系列中低端產(chǎn)品的指令集是高端產(chǎn)品的一個子集。這意味著程序可以向上而不能向下移植。2)相似或相同的操作系統(tǒng)：產(chǎn)品家族中的所有成員都有相同的基本操作系統(tǒng)。有些情況下，高端成員會增添一些新特性。3)更高的速度：成員機器從低端到高端，指令執(zhí)行速度從低到高。4)更多的I/O端口數(shù)：成員機器從低端到高端，I/O端口數(shù)越來越多。5)更大的內(nèi)存容量：成員機器從低端到高端，內(nèi)存容量越來越大。6)成本增加：成員機器從低端到高端，成本越來越高。

第四代計算機—超大規(guī)模集成電路計算機1971第一臺微機MCS-4（Intel4004）1981IBMPC機Intel8086MS-DOS開放的工業(yè)標準和總線結(jié)構(gòu)

第五代計算機—普適計算機泛在的（ubiquitous）嵌入式（embedded）普適計算特殊性主要有：（1）硬件和軟件經(jīng)常是協(xié)同設(shè)計的；（2）普適計算的重要目標就是將物理世界和信息世界相互關(guān)聯(lián)；（3）網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施尤其是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為普適計算提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；（4）設(shè)備尺寸小、功耗和成本低。1.2計算機的分類1、巨型機—尖端科學計算2、大型機—大型商業(yè)應用3、小型機—工業(yè)控制4、微型機—家庭應用5、工程工作站—專業(yè)應用6、嵌入式計算機（目前應用非常廣泛）7、移動終端

平板電腦的主要硬件因素芯片電池內(nèi)存存儲屏幕攝像頭外殼1.3計算機系統(tǒng)簡介1.3.1計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)機器語言程序由一系列的二進制代碼串組成（操作嗎和地址碼）用符號代替機器指令的語言就稱為匯編語言，也稱為符號語言。匯編程序代碼翻譯成機器語言程序后，才能被機器接受并運行。

匯編語言機器語言匯編器低級語言高級語言匯編語言（機器語言）編譯程序解釋程序計算機系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)1.3.2軟件與硬件的等價性原理軟件和硬件在邏輯上是等價的。任何操作可以由軟件來實現(xiàn)，也可以由硬件來實現(xiàn)；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成。（速度、可靠性、價格）固件(Firmware)：軟件和硬件的結(jié)合從功能來說，是軟件；從形態(tài)來說，又是硬件。

1.3.3計算機體系結(jié)構(gòu)和計算機組成計算機體系結(jié)構(gòu)指那些能夠被程序員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性，即概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性。通常是指用機器語言的程序員（也包括匯編語言程序設(shè)計者和匯編程序設(shè)計者）所看到的傳統(tǒng)機器的屬性。如：指令集、數(shù)據(jù)類型、存儲器尋址技術(shù)和等。大都屬于抽象的屬性。

計算機組成指如何實現(xiàn)計算機體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性，它包含了許多對程序員來說是透明的硬件細節(jié)。如：如何取指令、分析指令、如何運算、如何傳送結(jié)果等。指令系統(tǒng)體現(xiàn)機器的屬性，這些屬于計算機結(jié)構(gòu)的范疇。只要兩臺機器的指令系統(tǒng)相同時，就可以認為它們具有相同的體系結(jié)構(gòu)。具備乘法指令和如何實現(xiàn)乘法指令。1.4計算機的基本組成1.4.1馮·諾伊曼計算機（普林斯頓結(jié)構(gòu)）的特點1）計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入裝置和輸出裝置五大部件組成；2）指令與數(shù)據(jù)以同等地位存放于存儲器內(nèi)，并可按地址訪問；3）指令和數(shù)據(jù)均用二進制碼表示；4）指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用來表示操作的性質(zhì)，地址碼用來表示操作數(shù)所在存儲器中的位置；5）指令在存儲器內(nèi)按順序存放。通常，指令是順序執(zhí)行的，在特定條件下，可根據(jù)運算結(jié)果或根據(jù)設(shè)定的條件改變執(zhí)行順序；6）機器以運算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲器的數(shù)據(jù)傳送通過運算器。

1.4.2計算機的硬件框圖

圖中各部分的功能是：1）運算器是執(zhí)行算術(shù)運算和邏輯運算的功能部件。2）控制器是按照人們預先確定的操作步驟，控制計算機各部件步調(diào)一致協(xié)同工作的功能部件。3）存儲器是用來存儲信息的功能部件。4）輸入設(shè)備是用來接受用戶輸入的原始數(shù)據(jù)和程序，并把它們轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C能識別的形式存放到內(nèi)存中。5）輸出設(shè)備是用于將存放在內(nèi)存中由計算機處理的結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兯邮艿男问健?/p>

哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)（Harvardarchitecture）是一種將程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開的存儲器結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)是一種并行體系結(jié)構(gòu)，主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問。1.5計算機性能的評價1.5.1性能評價的時間因素響應時間：完成某一任務所花費的全部時間（輸入輸出、存儲器訪問、操作系統(tǒng)開銷、執(zhí)行用戶程序）CPU時間表示CPU工作的時間，不包括I/O等待的時間和運行其他程序的時間。CPU時間還可以細分為用戶CPU時間和系統(tǒng)CPU時間，前者表示進程在用戶態(tài)運行的時間，而后者則表明進程在內(nèi)核態(tài)運行的時間。

UNIX90.7u12.9s2:3965%

1.5.2性能評價程序的選擇（1）真實的程序真實的程序包括C編譯器、文字處理軟件（如Tex）、CAD軟件（如Spice）。（2）核心測試程序從真實的程序中提取出一些小而關(guān)鍵的程序片段來評價程序的性能。核心測試程序最大的用途就是將機器中各項特性的性能分離出來，以解釋運行真實程序時性能有差異的原因。

（3）小型基準測試程序通常只有10到100行代碼，用戶在測試前已經(jīng)知道運行結(jié)果。像快速排序之類的程序，它們得到非常廣泛的應用，因為它們都很小，容易輸出結(jié)果，而且?guī)缀跄茉谒械挠嬎銠C上運行。（4）合成基準測試程序與核心測試程序的想法相似，合成基準測試程序取大量程序的指令和操作數(shù)出現(xiàn)頻率的平均值。合成基準測試程序的結(jié)果不如核心程序，核心測試程序是從真實程序中抽取出來的，而合成基準測試程序是為了模擬其他程序的平均執(zhí)行情況而人工拼湊出來的。1.6計算機系統(tǒng)設(shè)計的準則1、大概率事件優(yōu)先原則大概率事件優(yōu)先原則是計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中最重要和最常用的原則?；舅枷耄簩τ诖蟾怕适录?，賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果。

2、Amdahl(阿姆達爾定律)定律部件改進后，系統(tǒng)的總執(zhí)行時間等于不可改進部分的執(zhí)行時間和可改進部分的執(zhí)行時間，即

[例2]假定采用以下的改進方式，我們能把原機器的40％時間里的速度加速到10倍快，那么，改進性能后的總的加速比是多少？[解]可改進比例