片上計算機系統(tǒng)01-概論

計算機組成原理

第一章計算機系統(tǒng)概論姓名：楊慧晶單位：軟件學(xué)院Email：yhj833@大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨課程概論教學(xué)目的、任務(wù)：掌握計算機系統(tǒng)各部件的組成，最終達到從系統(tǒng)的角度、整機的角度完整、準(zhǔn)確的理解和掌握計算機系統(tǒng)的理論、組成原理，為學(xué)習(xí)其它專業(yè)基礎(chǔ)課和專業(yè)課打下一個良好的基礎(chǔ)。教學(xué)內(nèi)容：本課程的教學(xué)分理論和實驗教學(xué)兩部分。理論教學(xué)注重基本問題的解決方法、基本系統(tǒng)的分析方法、設(shè)計方法，從而掌握基本的計算機理論與概念。實驗教學(xué)注重培養(yǎng)動手能力、分析和解決問題的能力，從而提高學(xué)生的系統(tǒng)設(shè)計方面的能力。大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨課程概論基本要求：掌握數(shù)字化信息編碼及運算方法，運算器的邏輯構(gòu)成與設(shè)計；熟悉半導(dǎo)體存儲器、磁表面存儲器基本原理，掌握存儲體系構(gòu)成；掌握尋址和指令系統(tǒng)；熟悉中央處理器組成、時序控制方法，掌握控制器設(shè)計技術(shù)；熟悉系統(tǒng)總線和I/O系統(tǒng)。大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨什么是計算機？

一種快速高效地完成信息處理的數(shù)字化電子設(shè)備。它能按照編寫的程序?qū)υ驾斎霐?shù)據(jù)進行加工處理、存儲或傳送，以便獲得所期望的輸出信息，從而利用這些信息來提高社會生產(chǎn)效率，改善生活質(zhì)量。大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨計算工具的發(fā)展歷史早期計算工具的發(fā)展

籌算法－珠算－計算尺近代計算機器的發(fā)展

計算器－計算機器－差分機與分析機現(xiàn)代計算機的發(fā)展

采用了先進的電子技術(shù)，基于大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的計算機器系統(tǒng)（CPU出現(xiàn)）大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨計算機結(jié)構(gòu)和組成概念指計算機硬件的具體實現(xiàn)系統(tǒng)程序員所能見到的計算機硬件特性計算機結(jié)構(gòu)計算機組成大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨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)與功能特性計算機體系結(jié)構(gòu)計算機組成實現(xiàn)計算機體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性有無乘法指令如何實現(xiàn)乘法指令（指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、I/O機理）（具體指令的實現(xiàn)）計算機體系結(jié)構(gòu)和計算機組成大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨計算機的軟硬件概念由具有各類特殊功能的信息（程序）組成計算機系統(tǒng)計算機的實體，如主機、外設(shè)等硬件軟件大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨計算機的軟件主要用來管理整個計算機系統(tǒng)，監(jiān)視服務(wù)，使系統(tǒng)資源得到合理調(diào)度，確保高效運行。系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件軟件它是用戶根據(jù)任務(wù)需要所編制的各種程序。標(biāo)準(zhǔn)程序庫、語言處理程序、操作系統(tǒng)、服務(wù)性程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)軟件科學(xué)計算程序，數(shù)據(jù)處理程序，過程控制程序，事務(wù)管理程序大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨計算機語言經(jīng)歷了由機器語言→匯編語言→高級語言的發(fā)展過程。機器語言是和計算機的硬件設(shè)計同時產(chǎn)生的，是一組由二進制代碼（0和1）組成的指令和數(shù)據(jù)。由于機器語言煩瑣、單調(diào)，難于看懂，給使用和記憶都帶來很多困難。所以，人們對它進行了改進，賦予每條指令一個名稱，這種指令碼的名稱叫“助記符”。采用這種助記符的語言就是匯編語言。匯編語言雖然比機器語言便于記憶和書寫，但還是有許多不足：如功能有限，編程工作繁重而費時，依賴處理器，這些都限制了匯編語言的應(yīng)用范圍。因此，又導(dǎo)致了高級語言的誕生。大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨常用于科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理的高級語言有：C，BASIC，F(xiàn)ORTRAN，ALGOL，PASCAL，COBOL，Ada等。常用于人工智能的語言有LISP和PROLOG等。后期發(fā)展出來的面向?qū)ο笳Z言C++,JAVA,.NET等。計算機只能執(zhí)行機器語言，因此，匯編語言和高級語言都要先經(jīng)過編譯，將其翻譯成機器語言，然后計算機才能執(zhí)行。大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨計算機的解題過程計算機高級語言程序目標(biāo)程序結(jié)果翻譯運行大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級語言虛擬機器M3匯編語言虛擬機器M2操作系統(tǒng)虛擬機器機器語言實際機器M1微指令系統(tǒng)微程序機器M0大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨用編譯程序翻譯成匯編語言程序用匯編程序翻譯成機器語言程序用機器語言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機器指令由硬件直接執(zhí)行微指令軟件硬件虛擬機器M4虛擬機器M3虛擬機器M2實際機器M1微程序機器M0大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨不同計算機系統(tǒng)之間的多層次結(jié)構(gòu)的劃分與實現(xiàn)方法是有差別的，一般來說，相鄰級語言的語法結(jié)構(gòu)的差別不要太大，這樣才便于編譯或解釋，但最后總是要翻譯成能在機器上執(zhí)行的機器語言程序。大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨算術(shù)運算邏輯運算存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機器能識別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式指揮程序運行存儲器輸入設(shè)備運算器控制器輸出設(shè)備計算機的硬件大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨運算器是對信息或數(shù)據(jù)進行處理和運算的部件，經(jīng)常進行的是算術(shù)運算和邏輯運算，所以在其內(nèi)部有一個算術(shù)及邏輯運算部件（ALU）。算術(shù)運算是按照算術(shù)規(guī)則進行的運算，如加、減、乘、除、求絕對值、求負(fù)值等。邏輯運算是指非算術(shù)性質(zhì)的運算，如比較大小、移位、邏輯乘、邏輯加等。在計算機中，一些復(fù)雜的運算往往被分解成一系列算術(shù)運算和邏輯運算?？刂破髦饕脕韺崿F(xiàn)計算機本身運行過程的自動化，即實現(xiàn)程序的自動執(zhí)行。由于電路集成度的提高，現(xiàn)在已把運算器和控制器集成在一個芯片中，稱為中央處理器又叫CPU大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨存儲器用來存放程序和數(shù)據(jù)，是計算機各種信息的存儲和交流中心。存儲器又分為主存儲器和輔助存儲器，當(dāng)前在計算機上運行的程序和數(shù)據(jù)是存放在主存儲器中的。輸入設(shè)備用來輸入原始數(shù)據(jù)和處理這些數(shù)據(jù)的程序（輸入數(shù)據(jù)和程序）。輸入的信息有數(shù)字符、字母和控制符，這些字符通常用ASCII碼表示，它用7位二進制碼來表示一個字符，因此有27即128個，最高一位（第8位）可用于奇偶校驗或作其他用處，如果第8位也用作字符編碼，則有28即256個，第128~255稱為擴展ASCII碼。在計算機中，一般把8位二進制碼稱為一個字節(jié)。最常用的輸入設(shè)備是鍵盤。輸出設(shè)備用來輸出計算機的處理結(jié)果，可以是數(shù)字、字母、表格、圖形等。最常用的輸出設(shè)備是顯示器和打印機。大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨在計算機中，各部件間來往的信號可分為三種類型：即地址、數(shù)據(jù)和控制信號，通常這些信號是通過總線傳送的。因此計算機中的總線有地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線三類。大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨馮·諾依曼計算機硬件框圖存儲器輸入設(shè)備運算器控制器輸出設(shè)備大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨計算機的基本組成1.計算機由五大部件組成3.指令和數(shù)據(jù)用二進制表示4.指令由操作碼和地址碼組成7.以運算器為中心2.指令序列構(gòu)成的程序存放在存儲器中，計算機的運行受程序控制

一、馮·諾依曼計算機的特點5.數(shù)據(jù)和程序存儲在同一個存儲器中6.

指令和數(shù)據(jù)都可以送到運算器中參與運算大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨計算機硬件框圖1.以存儲器為中心的計算機硬件框圖程序存儲器輸出設(shè)備輸入設(shè)備運算器控制器數(shù)據(jù)結(jié)果計算大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨2.現(xiàn)代計算機硬件框圖ALUCPU主機I/O設(shè)備CU主存ALU主存輔存CPU主機I/O設(shè)備硬件CU存儲器輸入設(shè)備運算器輸出設(shè)備控制器計算機硬件框圖大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨第一代電子管計算機1946－1957第二代晶體管計算機1958－1964第三代中、小規(guī)模集成電路計算機1965－1971中小規(guī)模集成電路1972－1977大規(guī)模集成電路未來代光子計算機——利用光子取代電子進行運算和存儲DNA生物計算機——通過控制DNA分子間的生化反應(yīng)量子計算機——利用原子所具有的量子特性神經(jīng)計算機——用人意識腦電波直接控制第四代大、超大規(guī)模集成電路計算機1978－現(xiàn)在超大規(guī)模集成電路計算機的發(fā)展史大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨1946[美]歷史上第一臺電子計算機——ENIAC（NumericalIntegratorAndCalculatorComputer）ENIAC:18000電子管1500繼電器占地1萬平米重30余噸耗150千瓦Pentium:幾百萬晶體管25平方厘米小于15瓦大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨（1）1971——4004——全球第一塊微處理器

4位帶寬工作頻率為108kHz

集成了2300多個晶體管尋址空間只有640B

主要用來處理算術(shù)運算微處理器的發(fā)展史大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨（2）1974——8080——新一代8位微處理器

8位時鐘頻率為2MHz

集成了6000個晶體管

8080是一個劃時代的產(chǎn)品大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨（3）1978——8086——第一代16位的微處理機

16bit10MHz29000個晶體管

1MB尋址空間1979——8088——簡化版本，減低成本

4MHz主頻

8位數(shù)據(jù)線16位地址線的的準(zhǔn)16位CPU

引入實模式的工作方式8088CPU大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨過渡產(chǎn)品，未推向市場大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨（4）1982——80286——第二代微處理機

16位的CPU

主頻達到了20MHz

集成13萬多個晶體管尋址16MB

虛擬地址空間達到1GB

兩種CPU工作方式：實模式、保護模式大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨（5）1985——80386——第三代微處理機全32位，數(shù)據(jù)總線和地址總線均為32位時鐘頻率達到33MHz

集成27.5萬個晶體管具有4GB的物理尋址能力

64TB虛擬存儲空間（有分段存儲管理、分頁存儲管理單元）虛擬8086工作方式協(xié)處理器80387，主要用于浮點運算大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨（6）1989——80486——第四代微處理機

32位的全新CPU100MHz，時鐘倍頻技術(shù)出現(xiàn)集成120萬個晶體管，突破100萬只集成有Cache（高速緩沖存儲器）8KB

采用了RISC（精簡指令系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨（7）1993——Pentium——第五代微處理機（ClassicPentium經(jīng)典奔騰）

32位地址線64位數(shù)據(jù)線的高性能處理機芯片內(nèi)部集成進310萬個晶體管

66MHz～100MHz，后者比33MHz80486DX快68倍

16KBCache

兩條超標(biāo)量流水線（U流水線、V流水線）大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨(8)1995——PentiumPro——高能奔騰

64bit數(shù)據(jù)總線，36bit地址總線時鐘頻率為133MHz

集成550萬個晶體管二級Cache（8KB指令+8KB數(shù)據(jù)+256KB二級）

64GB尋址“動態(tài)執(zhí)行”技術(shù)大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨（9）1997——PentiumⅡ——奔騰二代

64位主頻分233MHz、266MHz、300MHz和333MHz等含750萬晶體管“多媒體擴展指令集”（MMX）技術(shù)

slot1結(jié)構(gòu)

1998——celeron——塞揚芯片，與PentumⅡ同系列的不同檔次的低端產(chǎn)品大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨（10）1999——PentiumⅢ——奔騰三代

64位

32KB+512KB/1MB/2MB，二級片內(nèi)Cache

總計含2810萬晶體管

MMX+SSE（流式擴展指令）技術(shù)

可以構(gòu)成多處理器系統(tǒng)大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨（11）2000——PentiumⅣ——奔騰四代

64位

400MHz系統(tǒng)總線，1.7GHz主頻集成4200萬晶體管

超流水線技術(shù)，144條SSE2指令，分支預(yù)測技術(shù)，超深度無序指令執(zhí)行技術(shù)

NetBurst微結(jié)構(gòu)大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨（12）2001——Itanium——安騰

全新64位體系結(jié)構(gòu)

44位地址線支持16TB物理存儲器尋址

128位數(shù)據(jù)總線支持全新64位指令系統(tǒng)集成3億晶體管

3級Cache

采用顯性并行指令計算（EPIC）設(shè)計在萬億字節(jié)數(shù)據(jù)處理,應(yīng)用領(lǐng)域包括高速安全在線購物大型數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)挖掘、電子商務(wù)處理、計算機輔助機械工程及高性能科學(xué)復(fù)雜計算處理大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨時間第一代1971-1972第二代1973-1977第三代1978-1984第四代1985-1991

1992-今CPU4位低檔8位中高檔8位16位32位32、64位產(chǎn)品400480088080/

8085MC6800

Z80

8086/8088，MC68000Z8000

80286

8038680486MC68030/68040PentiumPentiumI-IvAMDK5/K6技術(shù)豐富指令系統(tǒng)多級中斷多尋址機制外設(shè)種類多虛擬存儲技術(shù)協(xié)處理器cache

MMX技術(shù)SSE技術(shù)系統(tǒng)機器語言匯編語言高級語言簡單操作系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)多任務(wù)多用戶操作系統(tǒng)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)用途家電簡單控制數(shù)據(jù)處理自動控制數(shù)據(jù)處理事務(wù)管理工業(yè)控制辦公自動化科學(xué)計算多媒體應(yīng)用教育、科研計算、娛樂通訊、信息微型計算機的發(fā)展以處理器的發(fā)展為主導(dǎo)！大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨計算機的分類按照總線寬度分為：

4位機、8位機、16位機、32位機、64位機按照處理器分為：

286、386、486、Pentium

PentiumⅡ、PentiumⅢ、PentiumⅣ按照外形分為：

單片機、個人機（PC）、筆記本電腦、掌上電腦按照組裝生產(chǎn)分為：

品牌機（如IBM機和蘋果機）、兼容機按照用途分為：

多媒體計算機、工控機、服務(wù)器、終端、商業(yè)機按照規(guī)模分為：

巨型機、大型機、中型機、微型機大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨1.上機前的準(zhǔn)備建立數(shù)學(xué)模型-+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin…編制解題程序確定計算方法程序——運算的全部步驟0,1,2,)()(21nynxynx=+=√…指令——每一個步驟計算機的工作步驟大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨取x至運算器中乘以x在運算器中乘以a在運算器中存ax2

在存儲器中取b至運算器中乘以x在運算器中加ax2

在運算器中加c在運算器中=(ax

+

b)x

+

c

取x至運算器中乘以a在運算器中加b在運算器中乘以x在運算器中加c在運算器中計算ax2+bx+c編程舉例大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨000001

0000001000打?。?00101）停機（000110）取數(shù)（000001）α[α]ACC存數(shù)（000010）β[ACC]

β加（000011）γ[ACC]+[γ]ACC乘（000100）δ[ACC]×[δ]ACC指令格式舉例操作碼地址碼

[

]打印機大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址指令注釋操作碼地址碼00000010000001000取數(shù)x至ACC10001000000001001乘a得ax

,存于ACC中20000110000001010加b得ax+b

,存于ACC中30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中40000110000001011加c得ax2+bx+c

,存于ACC50000100000001100將ax2+bx+c

,存于主存單元60001010000001100打印7000110停機8

x原始數(shù)據(jù)x9

a原始數(shù)據(jù)a10b原始數(shù)據(jù)b11c原始數(shù)據(jù)c12存放結(jié)果計算ax2+bx+c程序清單大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨存儲體大樓存儲單元

存放一串二進制代碼存儲字

存儲單元中二進制代碼的組合存儲字長

存儲單元中二進制代碼的位數(shù)每個存儲單元賦予一個地址號按地址尋訪–存儲單元–存儲元件（0/1）–

房間–

床位（無人/

有人）(1)存儲器的基本組成MDR主存儲器存儲體MAR2.計算機的解題過程大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨MARMDR存儲單元個數(shù)

16存儲字長

8

設(shè)MAR

=

4

位

MDR

=

8

位存儲器地址寄存器反映存儲單元的個數(shù)存儲器數(shù)據(jù)寄存器反映存儲字長MDR主存儲器存儲體MAR大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨ACCMQX(2)運算器的基本組成及操作過程運算器MQACCALUX被加數(shù)被減數(shù)被除數(shù)乘數(shù)商加數(shù)減數(shù)被乘數(shù)除數(shù)加法減法乘法除法和差余數(shù)乘積高位乘積低位大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨運算器MQACCALUXACC被加數(shù)ACC初態(tài)①加法操作過程[ACC]+[X]ALU[M]XXACCACC指令加M大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨②減法操作過程運算器MQACCALUX指令減MACC被減數(shù)ACC初態(tài)[M]XX[ACC]-[X]ALUACCACC大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨運算器MQACCALUXACCACC被乘數(shù)初態(tài)MQ[M]MQ指令乘M③乘法操作過程X[ACC]XALU[X]×[MQ]00ACCACC∥MQACCMQ大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨運算器MQACCALUXACC被除數(shù)ACC初態(tài)[ACC]÷[X]ALUMQACCMQ余數(shù)在ACC中指令除M[M]

XX④除法操作過程大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨取指令分析指令執(zhí)行指令PCIRCUPCIRCU取指執(zhí)行PC存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址，

具有計數(shù)功能（PC）+

1PCIR存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令訪存訪存完成一條指令(3)控制器的基本組成大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨12356789以取數(shù)指令為例4(4)主機完成一條指令的過程CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR…運算器MQACCALUXI/O設(shè)備大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨12356798以存數(shù)指令為例4CU控制單元主存儲器MDRMAR存儲體CPUPC控制器IR…運算器MQACCALUXI/O設(shè)備大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨(5)ax2+bx+c程序的運行過程將程序通過輸入設(shè)備送至計算機程序首地址打印結(jié)果分析指令取指令…停機啟動程序運行,(PC

)+

1PC執(zhí)行指令

MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.機器字長CPU

一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)與

CPU

中的

寄存器位數(shù)

有關(guān)字長越長，數(shù)的表示范圍也越大，精度也越高。機器的字長也會影響機器的運算速度。倘若CPU字長較短，又要運算位數(shù)較多的數(shù)據(jù)，那么需要經(jīng)過兩次或多次的運算才能完成，這樣勢必影響整機的運行速度。機器字長對硬件的造價也有較大的影響。它將直接影響加法器(或ALU)、數(shù)據(jù)總線以及存儲字長的位數(shù)。所以機器字長的確定不能單從精度和數(shù)的表示范圍來考慮。大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨221

=

256

KB213

=

1

KB如2.存儲容量主存容量輔存容量存儲單元個數(shù)

×

存儲字長字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)80GB如MARMDR容量10

816

32存放二進制信息的總位數(shù)1K=210

1B=23b1GB=230b1

K

×

8位64

K

×

32位大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo)3.運算速度=ni

=1fi

tiTM∑吉普森法普通法一次加法或乘法所需的時間每秒執(zhí)行百萬條指令MIPS執(zhí)行一條指令所需時鐘周期數(shù)CPI每秒浮點運算次數(shù)FLOPS（主頻、主存速度，操作類型）大連理工大學(xué)軟件學(xué)院賴曉晨數(shù)據(jù)單位

計算機能表示的最小最基本的數(shù)據(jù)單元

計算機內(nèi)部表示數(shù)據(jù)是采用二進制，所以:“比特位”就是“二進制的位”，有兩種狀態(tài)“0”和“1”相鄰的8位二進制數(shù)稱為一個字節(jié)

1Byte=8bit如：110