計算機組成原理課件

第1章計算機系統(tǒng)概論1.1計算機的發(fā)展歷程1.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構1.3計算機的性能指標1.4計算機的分類和應用1.1計算機的發(fā)展歷程

根據(jù)制造計算機所使用的元器件的不同，電子計算機的發(fā)展依次經(jīng)歷了電子管時代、晶體管時代、中小規(guī)模集成電路時代、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代、甚大規(guī)模和極大規(guī)模集成電路時代等幾個不同的發(fā)展階段。第一代，電子管計算機時代（1946～1959）電子管是封裝在玻璃外殼內(nèi)的一種電真空器件，如圖1.1所示。世界上第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndcalculator），1946年由美國賓夕法尼亞大學研制，字長12位，運算速度5000次/秒，使用18800個電子管、1500個繼電器，功耗150kw，占地170m2，重達30噸，造價100萬美元，如圖1.2所示。

圖1.1電子管圖1.2第一臺電子數(shù)字計算機ENIAC第二代，晶體管計算機時代（1959～1964）晶體管，通常指的是晶體三極管，是用半導體材料制作出來、封裝在一個金屬殼內(nèi)的帶有三個管腳的小器件，1958年進入批量生產(chǎn)階段。用它可以設計出實現(xiàn)反相功能的反相器線路，在此基礎上，再實現(xiàn)出計算機使用的全部組合邏輯線路，和觸發(fā)器、寄存器、計數(shù)器等各種時序邏輯線路。用分立的晶體管線路實現(xiàn)的計算機稱為晶體管計算機。第二代計算機的體積和價格都下降了，使用的人也多起來了，計算機工業(yè)迅速發(fā)展，主要用于商業(yè)、大學教學和政府機關。第三代，中小規(guī)模集成電路計算機時代（1964～1970）集成電路（IntegratedCircuit，簡稱IC）是做在晶片上的一個完整的電子電路，這個晶片比手指甲還小，卻包含了幾千個晶體管元件。計算機的數(shù)據(jù)存儲、運算、傳輸以及控制功能基本上都是由具有邏輯功能的各類門電路組成實現(xiàn)的，而門電路又是由晶體管、電阻、電容等組成，因此集成電路制造技術的發(fā)展可以實現(xiàn)將成百上千個門電路全部制作在一塊極小的硅片上，這種技術的應用使得計算機的體積大大縮小，并且降低了功耗，提高了計算機的可靠性。第三代計算機的代表是IBM公司花了50億美元開發(fā)的IBM360系列。第四代，大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機時代（1970～至今）這個時代的計算機使用的元件依然是集成電路，不過，這種集成電路已經(jīng)大大改善，它包含著幾十萬到上百萬個晶體管，人們稱之為大規(guī)模集成電路（LargeScalelntegratedCircuit，簡稱LSI）和超大規(guī)模集成電路（VeryLargeScalelntegratedCircuit，簡稱VLSI）。1975年，美國1BM公司推出了個人計算機PC（PersonaIComputer），從此，人們對計算機不再陌生，計算機開始深入到人類生活的各個方面。表1.1計算機發(fā)展歷程中各個階段的特點年代第一代1946-1959第二代1959-1964第三代1964-1970第四代1970-現(xiàn)在電子器件電子管晶體管集成電路大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路存儲器延遲線磁芯、磁鼓磁帶、紙帶磁芯、磁鼓磁帶、磁盤半導體存儲器磁芯、磁鼓磁帶、磁盤半導體存儲器磁帶、磁盤光盤處理方式機器語言匯編語言監(jiān)控程序高級語言實時處理操作系統(tǒng)實時/分時處理網(wǎng)絡操作系統(tǒng)應用領域科學計算科學計算數(shù)據(jù)處理過程控制科學計算系統(tǒng)設計等科技工程領域各行各業(yè)運行速度5000至3萬次/秒幾十萬至百萬次/秒百萬至幾百萬次/秒幾百萬至千億次/秒典型機型ENIACEDVACIBM705UNIVACⅡIBM7094CDC6600IBM360PDP11NOVA1200ILLIAC-ⅣVAX11IBMPC1.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構為了描述計算機系統(tǒng)的結(jié)構，首先要清楚地區(qū)分計算機結(jié)構和計算機組織兩個概念。計算機結(jié)構:對涉及機器語言或者匯編語言的程序設計人員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性，更多的情況下是指計算機的外特性。這些屬性直接影響到程序的邏輯執(zhí)行，主要包括指令集、表示各種數(shù)據(jù)類型的比特數(shù)、I/O機制以及內(nèi)存訪問技術等。計算機組成:計算機各部件的具體組成以及它們之間的連接關系，實現(xiàn)機器指令級的各種功能和特性。從這一點上，計算機組成是計算機結(jié)構的邏輯實現(xiàn)。圖1.3計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構計算機系統(tǒng)通常包括硬件和軟件兩大部分，計算機的層次結(jié)構既是分配軟硬件功能的一種模式描述，也是分析計算機系統(tǒng)的較好方法。目前計算機系統(tǒng)層次結(jié)構分為六層，如圖1.3所示。1.2計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構1.2.1計算機硬件的基本組成計算機系統(tǒng)的硬件部分從外觀上看主要有主機、鍵盤、鼠標和顯示器等組成；從邏輯功能上看，可以分為控制器、運算器、存儲器、輸入設備、輸出設備五個部分，一般地又把運算器和控制器合稱為中央處理器(CentralProcessingUnit,CPU)。

1.2.2計算機軟件的分類計算機軟件：計算機系統(tǒng)中的程序和文檔。程序是對計算任務的處理對象和處理規(guī)則的描述；文檔是為了便于了解程序所需的闡明性資料。計算機的軟件按照面向?qū)ο蟮牟煌梢苑譃閮深悾合到y(tǒng)軟件和應用軟件。系統(tǒng)軟件：用于實現(xiàn)系統(tǒng)功能、管理系統(tǒng)的軟件，為了便于人們使用計算機而設計。系統(tǒng)軟件管理整個計算機系統(tǒng)，合理分配系統(tǒng)資源，確保計算機正確高效地運行。常用的系統(tǒng)軟件有：操作系統(tǒng)、編譯器、解釋器、匯編器等。應用軟件：面向用戶的，針對某種特定應用而開發(fā)的軟件。這類軟件通常是實現(xiàn)用戶的某類需求。例如安裝在操作系統(tǒng)下的各類應用軟件，用于企業(yè)的各類資源管理軟件。1.2.3計算機的工作過程計算機的工作過程就是將編制好的程序經(jīng)過輸入設備存放到主存儲器中，并將程序存放的首地址傳送到控制器中。取指階段：首先，將指令從存儲器讀到指令寄存器。分析階段：接著，它分析這條指令，指出指令要完成的操作，并指明操作數(shù)的地址。執(zhí)行階段：最后，根據(jù)指令分析的結(jié)果完成某種操作。計算機的工作過程就是取指令、分析指令、執(zhí)行指令，如此周而復始的過程。

1.3計算機的性能指標機器字長：機器字長是指CPU一次能處理二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，實際上指該計算機中的運算器的位數(shù)。如某機器字長32位，表示該機器中，每次能完成兩個32位二進制數(shù)的運算。通常，機器字長越長，計算機的運算能力越強，其運算精度也越高。運算速度：計算機的運算速度與很多因素有關，常用的性能指標如下：（1）CPU的主頻（f）：CPU內(nèi)部的工作頻率，表示在CPU內(nèi)數(shù)字脈沖信號震蕩的速度，與CPU實際的運算能力并沒有直接關系，但與CPU實際的運算速度存在一定的關系。因此，主頻僅是CPU性能表現(xiàn)的一個方面，而不能代表CPU的整體性能。外部工作頻率：簡稱外頻。它是由主板為CPU提供的基準時鐘頻率，它表示的是系統(tǒng)總線的工作頻率；而倍頻：CPU外頻與主頻相差的倍數(shù)。 主頻=外頻×倍頻 （2）時鐘周期（T）：CPU內(nèi)部時鐘頻率的倒數(shù)。是CPU執(zhí)行操作的最小時間元素。每個動作至少需要一個時鐘周期。以PC系列微處理器為例，最初的8086和8088執(zhí)行一條指令平均需要12個時鐘周期，CPU的主頻與CPU時鐘周期互為倒數(shù)，即

（3）CPU執(zhí)行時間：CPU執(zhí)行某段程序所需的時間，通常用tCPU表示?？梢杂孟率絹肀硎荆?/p>

CPU執(zhí)行時間＝CPU時鐘周期數(shù)×CPU時鐘周期長

（4）CPI（CyclesPerInstruction）：執(zhí)行一條指令所需的時鐘周期數(shù)。計算公式如下：（5）MIPS（MillionInstructionsPerSecond）：每秒執(zhí)行多少百萬條指令。定義為：（6）MFLOPS（MillionFloating-pointOpereationPerSecond）：每秒執(zhí)行多少百萬次浮點運算。定義為：1.3.3吞吐量和響應時間（1）計算機范疇下的吞吐量分為兩種：網(wǎng)絡范疇下的吞吐量：在沒有幀丟失的情況下，設備能夠接受的最大速度。它的大小主要是由防火墻內(nèi)網(wǎng)卡，及程序算法的效率決定的；系統(tǒng)結(jié)構下的吞吐量：在單位時間內(nèi)CPU從存儲設備中讀取、處理、存儲信息的量，單位是字節(jié)/秒（B/S），影響因素主要有存儲設備的存取速度和CPU的性能，如主頻、CPI等。（2）響應時間

在操作系統(tǒng)中，指用戶發(fā)出請求或指令到系統(tǒng)做出反應（響應）的時間。例1.用一臺40MHz處理機執(zhí)行標準測試程序，它包含的混合指令數(shù)和相應所需的平均時鐘周期數(shù)如下表所示：求：有效CPI、MIPS速率、程序執(zhí)行時間tCPU。指令類型指令數(shù)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80002解：CPI==(45000×1+32000×2+15000×2+8000×2)/（45000+32000+15000+8000）=1.55(周期/指令)MIPS=f/(CPI×106)=(40×106)/(1.55×106)=25.81(百萬條指令/秒)T=1/f=1/(40×106)(秒)tCPU=(45000×1+32000×2+15000×2+8000×2)/(40×106)=3.875×103(秒)1.4計算機分類和應用領域1.4.1計算機分類1.按計算機信息的表示形式和對信息的處理方式分類（1）數(shù)字計算機該類計算機輸入、處理、輸出和存儲的數(shù)據(jù)都是數(shù)字量，這些數(shù)據(jù)在時間上是離散的。（2）模擬計算機該類計算機輸入、處理、輸出和存儲的數(shù)據(jù)都是模擬量，這些數(shù)據(jù)在時間上是連續(xù)的。模擬計算機由于受元器件質(zhì)量影響，其計算精度較低，應用范圍較窄，目前已很少生產(chǎn)。2．按照計算機的用途分類（1）通用計算機通用計算機是為能解決各種問題，具有較強的通用性而設計的計算機。它具有一定的運算速度，有一定的存儲容量，帶有通用的外部設備，配備各種系統(tǒng)軟件、應用軟件。一般的數(shù)字式電子計算機多屬此類。（2）專用計算機專用計算機是為解決某個或某類特定問題而設計的計算機。它的硬件和軟件的配置依據(jù)解決特定問題的需要而定，并不求全。專用機功能單一，配有解決特定問題的固定程序，能高速、可靠地解決特定問題。

3．計算機按其規(guī)模、速度和功能分類（1）巨型機巨型機又稱超級計算機，是指運算速度超過每秒1億次的高性能計算機，它是目前功能最強、速度最快、軟硬件配套齊備、價格最貴的計算機，主要用于解決諸如氣象、太空、能源、醫(yī)藥等尖端科學研究和戰(zhàn)略武器研制中的復雜計算。它們安裝在國家高級研究機關中，可供幾百個用戶同時使用。（2）大型機這種計算機也有很高的運算速度和很大的存儲量并允許相當多的用戶同時使用。當然在量級上都不及巨型計算機，結(jié)構上也較巨型機簡單些，價格相對巨型機要便宜，因此使用的的范圍較巨型機普遍。（3）小型機其規(guī)模和運算速度比大中型機要差，但仍能支持十幾個用戶同時使用。小型機具有體積小、價格低、性價比高等優(yōu)點，適合中小企業(yè)、事業(yè)單位用于工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、分析計算、企業(yè)管理以及科學計算等，也可做巨型機或大中型機的輔助機。（4）微型機微型機是當今使用最普及、產(chǎn)量最大的一類計算機，它的體積小、功耗低、成本少、靈活性大，性能價格比明顯地優(yōu)于其他類型計算機，因而得到了廣泛應用。4．按照計算機的體系結(jié)構分類（1）單指令流單數(shù)據(jù)流（SISD）結(jié)構SISD是指傳統(tǒng)的順序執(zhí)行的處理器，它由單一控制器、單一執(zhí)行部件和單一存儲器組成?？刂破髅看沃粚σ粭l指令譯碼，執(zhí)行部件每次只對單一數(shù)據(jù)進行處理。（2）單指令流多數(shù)據(jù)流（SIMD）結(jié)構SIMD是指單一控制器、多個執(zhí)行部件和多個存儲模塊組成的計算機系統(tǒng)結(jié)構，控制部件每次只對一條指令進行譯碼，并向多個執(zhí)行部件發(fā)出相同的控制命令，使多個執(zhí)行部件執(zhí)行相同的操作，而每個執(zhí)行部件加工的對象是從不同存儲模塊中取出來的數(shù)據(jù)。（3）多指令流單數(shù)據(jù)流（MISD）結(jié)構MISD是指多個控制器、多個執(zhí)行部件對單一數(shù)據(jù)同時執(zhí)行不同的指令，這種方式的意義不大，不常使用。（4）多指令流多數(shù)據(jù)流（MISD）結(jié)構MIMD是指多個處理器系統(tǒng)，由多個控制器、多個執(zhí)行部件和多個存儲模塊組成。MIMD結(jié)構的計算機系統(tǒng)是大多數(shù)高性能并行計算機系統(tǒng)和計算機集群系統(tǒng)的結(jié)構模型，又稱為并行處理器系統(tǒng)。這種計算機中的每個處理器在各自程序的控制下運行，對各自的數(shù)據(jù)獨立進行協(xié)作運算，形成多個指令流和多個數(shù)據(jù)流。1.4.2計算機應用領域1．科學計算(或數(shù)值計算)科學計算是指利用計算機來完成科學研究和工程技術中提出的數(shù)學問題的計算。在現(xiàn)代科學技術工作中，科學計算問題的計算量大，復雜性高。利用計算機的高速計算、大存儲容量和連續(xù)運算的能力，可以實現(xiàn)人工無法解決的各種科學計算問題。2．數(shù)據(jù)處理(或信息處理)數(shù)據(jù)處理是指對各種數(shù)