計(jì)算機(jī)組成原理袁春風(fēng)

第1章概述1主要內(nèi)容計(jì)算機(jī)的基本功能和結(jié)構(gòu)馮.諾依曼結(jié)構(gòu)的基本思想計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史計(jì)算機(jī)的分類計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)組織和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念計(jì)算機(jī)的性能設(shè)計(jì)21.1計(jì)算機(jī)的功能和構(gòu)成什么是計(jì)算機(jī)？計(jì)算機(jī)是一種不需要人的直接干預(yù)，能夠?qū)Ω鞣N數(shù)字化信息進(jìn)行自動(dòng)快速運(yùn)算的通用處理裝置。計(jì)算機(jī)具有高速、通用、準(zhǔn)確和智能的特點(diǎn)。內(nèi)部特性高速高集成度器件數(shù)字化編碼信息邏輯判斷和處理存儲(chǔ)程序工作方式

外部特性快速性準(zhǔn)確性通用性智能性31.1計(jì)算機(jī)的功能和構(gòu)成功能數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)傳送控制

內(nèi)部結(jié)構(gòu)中央處理器(運(yùn)算器)存儲(chǔ)器組織輸入/輸出模塊中央處理器(控制器)系統(tǒng)互連計(jì)算機(jī)硬件的功能和結(jié)構(gòu)中央處理器（CPU）是最復(fù)雜的功能部件。近年來(lái)采用多個(gè)處理器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)越來(lái)越多，但本課程重點(diǎn)在于單處理器系統(tǒng)的組織和結(jié)構(gòu)。41.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史第一代：真空管（電子管）1946～57年46年誕生第1臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC體積龐大，重30噸，有18000多個(gè)真空管組成，5000次加法/秒。采用十進(jìn)制表示/運(yùn)算，其存儲(chǔ)器由20個(gè)累加器組成，每個(gè)累加器可存10位十進(jìn)制數(shù)，每一位數(shù)由10個(gè)真空管表示。采用手動(dòng)編程，通過(guò)設(shè)置開(kāi)關(guān)和插拔電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)。馮·諾依曼機(jī)45年馮·諾依曼（圖靈也同時(shí)）提出“存儲(chǔ)程序”思想，并于46年開(kāi)始設(shè)計(jì)“存儲(chǔ)程序”計(jì)算機(jī)，被稱為IAS計(jì)算機(jī)?！按鎯?chǔ)程序”思想：將事先編好的程序和原始數(shù)據(jù)送入主存中，然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)工作。計(jì)算機(jī)應(yīng)能在不需操作人員干預(yù)下，自動(dòng)完成逐條取出指令和執(zhí)行指令的任務(wù)。特點(diǎn)：?jiǎn)蜟PU，運(yùn)算器為PC和AC結(jié)構(gòu)，定點(diǎn)運(yùn)算，程序控制I/O5馮·諾依曼生平簡(jiǎn)介諾依曼JohnvonNeuman（1903~1957）美籍匈牙利數(shù)學(xué)家。1903年12月28日生于布達(dá)佩斯。諾依曼先后入柏林大學(xué)和蘇黎世技術(shù)學(xué)院學(xué)習(xí)，1925年畢業(yè)，獲化學(xué)工程師稱號(hào)，1926年獲布達(dá)佩斯大學(xué)數(shù)學(xué)博士學(xué)位。畢業(yè)后在德國(guó)漢堡大學(xué)任教。1930年移居美國(guó)，在普林斯頓大學(xué)和該校高級(jí)研究所工作。諾依曼1944年參加J·W莫奇利和J·P·?？嗣擃I(lǐng)導(dǎo)的“埃尼阿克”（ENIAC）計(jì)算機(jī)研究工作，在計(jì)算機(jī)的理論和設(shè)計(jì)方面發(fā)揮了重要作用。1945年年中，諾依曼發(fā)表了離散變量自動(dòng)電子計(jì)算機(jī)“埃德伐克”（EDVAC）計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方案，提出重大革新措施。1946年，他與J·巴克斯等合作，提出更加完善的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)報(bào)告《電子計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)計(jì)初探》。它是以C·E·仙農(nóng)提倡的二進(jìn)制、程序內(nèi)存以及指令和數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)為基礎(chǔ)，對(duì)于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展具有重要的意義。6IAS計(jì)算機(jī)1946年馮·諾依曼和他的同事在普林斯頓高級(jí)研究院開(kāi)始設(shè)計(jì)一種新的程序存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)。它被稱為IAS計(jì)算機(jī)。雖然直到1952年仍未完成，但它卻是后來(lái)通用計(jì)算機(jī)的原型。主存儲(chǔ)器算術(shù)邏輯單元程序控制器輸入輸出設(shè)備IAS計(jì)算機(jī)的一般結(jié)構(gòu)，它包含4個(gè)部件:7馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的主要思想計(jì)算機(jī)應(yīng)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個(gè)基本部件組成。各基本部件的功能是：存儲(chǔ)器不僅能存放數(shù)據(jù)，而且也能存放指令，形式上兩者沒(méi)有區(qū)別，但計(jì)算機(jī)應(yīng)能區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)還是指令；控制器應(yīng)能自動(dòng)執(zhí)行指令；運(yùn)算器應(yīng)能進(jìn)行加/減/乘/除四種基本算術(shù)運(yùn)算，并且也能進(jìn)行一些邏輯運(yùn)算和附加運(yùn)算；操作人員可以通過(guò)輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和主機(jī)進(jìn)行通信。內(nèi)部以二進(jìn)制表示指令和數(shù)據(jù)。每條指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼指出操作類型，地址碼指出操作數(shù)的地址。由一串指令組成程序。采用“存儲(chǔ)程序”工作方式。81.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史第二代：晶體管1958～64年元器件：邏輯元件采用晶體管以外，其內(nèi)存儲(chǔ)器由磁芯構(gòu)成，磁鼓與磁帶成為外存儲(chǔ)器。

特點(diǎn)：變址，浮點(diǎn)運(yùn)算，多路存儲(chǔ)器，I/O處理機(jī)，中央交換結(jié)構(gòu)。軟件：使用了高級(jí)語(yǔ)言，并提供了系統(tǒng)軟件。代表機(jī)種：IBM7094和DECPDP-191.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史第三代：SSI/MSI1965～71年元器件：邏輯元件與主存儲(chǔ)器均由集成電路實(shí)現(xiàn)。特點(diǎn)：微程序控制，Cache，虛擬存儲(chǔ)器，流水線等。代表機(jī)種：IBM360和DECPDP-8（大型/巨型機(jī)與小型機(jī)同時(shí)發(fā)展）問(wèn)題：為什么可用集成電路實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)？問(wèn)題：計(jì)算機(jī)的基本功能是什么？問(wèn)題：這些基本功能如何實(shí)現(xiàn)？10IBMSystem/360系列計(jì)算機(jī)IBM公司于1964年研制成功引入了“兼容機(jī)”（或稱為“系列機(jī)”）概念兼容機(jī)的特征：相同的或相似的指令集相同或相似的操作系統(tǒng)更高的速度更多的I/O端口數(shù)更大的內(nèi)存容量更高的價(jià)格有些低端機(jī)指令集是高端機(jī)的一個(gè)子集，稱為“向后兼容”。問(wèn)題1：引入“兼容機(jī)”有什么好處？問(wèn)題2：實(shí)現(xiàn)“系列機(jī)”的關(guān)鍵是什么？111.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史以后幾代（標(biāo)準(zhǔn)、意見(jiàn)不一）（第四代：LSI/VLSI/ULSI1972～至今）微處理器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的技術(shù)發(fā)展迅猛，微型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)。使計(jì)算機(jī)以辦公設(shè)備和個(gè)人電腦的方式走向“最終用戶”。半導(dǎo)體存儲(chǔ)器70年Fairchild公司生產(chǎn)出第一個(gè)相對(duì)大容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器74年位價(jià)格低于磁芯的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器出現(xiàn)，并快速下跌從70年起，存儲(chǔ)密度呈4倍提高（幾乎是每3年）。微處理器微處理器芯片密度不斷增加，使CPU中所有元件放在一塊芯片上成為可能。71年開(kāi)發(fā)出第一個(gè)微處理器芯片4004。特點(diǎn)：共享存儲(chǔ)器，分布式存儲(chǔ)器及大規(guī)模并行處理系統(tǒng)12計(jì)算機(jī)的五個(gè)發(fā)展階段摘自《COMPUTERORGANIZATIONANDARCHITECTUREDesignforPerformance》WilliamStallings代號(hào)大致年份技術(shù)標(biāo)志代表速度(每秒執(zhí)行指令數(shù))11946—1957真空管40,00021958—1964晶體管200,00031965—1971中小規(guī)模集成電路1,000,00041972—1977大規(guī)模集成電路10,000,00051978—超大規(guī)模集成電路100,000,000除了元器件外，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是換代的一個(gè)重要標(biāo)志1965-75期間，元器件延遲降為1/10，但指令時(shí)間卻降為1/100。這說(shuō)明了計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)的重要性。計(jì)算機(jī)時(shí)代劃分13非馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的發(fā)展非馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)迄今為止，非馮·諾依曼結(jié)構(gòu)主要有3個(gè)發(fā)展方向。1，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)；2，按需求驅(qū)動(dòng)的歸約機(jī)；3，智能計(jì)算機(jī)。發(fā)展至今，大多數(shù)機(jī)器結(jié)構(gòu)并未突破馮·諾依曼結(jié)構(gòu)。141.2計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史我國(guó)計(jì)算機(jī)的發(fā)展中國(guó)古代在計(jì)算機(jī)理論與計(jì)算工具方面曾作出過(guò)杰出貢獻(xiàn)

二進(jìn)制/十進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng)/籌算/珠算1958年和1959年推出了103小型數(shù)字計(jì)算機(jī)和104大型通用數(shù)字計(jì)算機(jī)，它們屬于第一代電子管機(jī)。1964年5月和10月分別由中科院計(jì)算所和華東計(jì)算技術(shù)研究所自行研制了大型電子管計(jì)算機(jī)119機(jī)和J-501機(jī)。1965-1966年間分別推出了晶體管計(jì)算機(jī)109機(jī)、441B機(jī)、108機(jī)和X-2機(jī)，中國(guó)進(jìn)入了晶體管機(jī)時(shí)代。中國(guó)集成電路計(jì)算機(jī)的研究始于1965年，直到1971年和1973年原四機(jī)部主持研制100系列機(jī)和200系列機(jī)，前者與小型機(jī)NOVA兼容，后者指標(biāo)與IBM360類似，但不兼容。1983年和1992年研制成巨型機(jī)系統(tǒng)銀河Ⅰ和Ⅱ，運(yùn)算速度都超過(guò)億次。

1995年5月，由中科院計(jì)算所國(guó)家智能計(jì)算機(jī)研究中心研制的“曙光1000”大規(guī)模并行處理機(jī)宣布誕生。

去年又成功研制出“曙光3000超級(jí)服務(wù)器”。15按處理對(duì)象的表示形式不同來(lái)分：模擬計(jì)算機(jī)對(duì)連續(xù)變化的模擬量進(jìn)行運(yùn)算適用于連續(xù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真主要缺點(diǎn)是受元器件精度限制與運(yùn)算放大器零點(diǎn)漂移的影響，整機(jī)精度遠(yuǎn)低于數(shù)字計(jì)算機(jī)數(shù)字計(jì)算機(jī)對(duì)離散符號(hào)表示的數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行處理運(yùn)算部件由高速的電子元器件組成，速度快、精度高，應(yīng)用更廣泛。一般意義上的計(jì)算機(jī)就是指數(shù)字計(jì)算機(jī)1.3計(jì)算機(jī)分類16按用途的不同來(lái)分：專用計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)專用計(jì)算機(jī)是專門用于某種用途，它對(duì)于特定用途而言最經(jīng)濟(jì)、最快速、最有效，但適應(yīng)性差。而通用機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)1.3計(jì)算機(jī)分類171.3計(jì)算機(jī)分類通用機(jī)按規(guī)模、性能和價(jià)格來(lái)分巨型機(jī)(Supercomputer)，也稱超級(jí)計(jì)算機(jī)，采用大規(guī)模并行處理體系結(jié)構(gòu)，CPU由數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的處理器組成，有極強(qiáng)的運(yùn)算處理能力，大多使用在軍事、科研、氣象、石油勘探等領(lǐng)域。小巨型機(jī)(MiniSupercomputer)，結(jié)構(gòu)與巨型機(jī)相同，但體積小、成本低，甚至可以做成桌面機(jī)，放在用戶的辦公桌上。大型機(jī)(Mainframe)，速度快、容量大、處理能力強(qiáng)、通信聯(lián)網(wǎng)功能完善、有豐富的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。目前多采用對(duì)稱多處理器(SMP)結(jié)構(gòu)，有2、4、8甚至16或32個(gè)處理器，在信息系統(tǒng)中起核心作用，承擔(dān)主服務(wù)器（企業(yè)級(jí)服務(wù)器）的功能。

超級(jí)小型計(jì)算機(jī)(SuperMinicomputer)，60年代出現(xiàn)的一種供部門使用的計(jì)算機(jī)，以DEC公司的VAX系列和IBM公司的AS/400為代表。工作站(Workstation)，指SGI，SUN，DEC，HP，IBM等大公司推出的具有高速運(yùn)算能力和很強(qiáng)圖形處理功能的計(jì)算機(jī)。通常采用UNIX操作系統(tǒng)，特別適于工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)，具較好的網(wǎng)絡(luò)通信能力。

微型機(jī)(PersonalComputer),也稱個(gè)人電腦(PC機(jī))或微機(jī)，價(jià)格便宜、性能不斷提高，適合辦公或家庭使用。181.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)=硬件系統(tǒng)+軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)交界面硬件系統(tǒng)19什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?(ComputerArchitecture)

“theatrributesofa[computing]systemasseenbytheprogrammer,i.e.theconceptualstructureandfunctionalbehavior,asdistinctfromtheorganizationofthedataflowsandcontrolsthelogicdesign,andthepyhsicalimplementation”(Amdahl,Blaaw,andBrook1964)

計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)的概念關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念有各種各樣的理解，很難有通用的定義。20計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)的概念什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)?

譯文：由程序設(shè)計(jì)者看到的一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。區(qū)別于基本的數(shù)據(jù)流、控制流、邏輯設(shè)計(jì)和物理實(shí)現(xiàn)等。

這里的程序員是指機(jī)器語(yǔ)言或編譯程序員。因而是指硬件子系統(tǒng)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，通俗地講是由指令系統(tǒng)所規(guī)定的所有屬性。

主要研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件和硬件的功能分配以及如何最佳、最合理地實(shí)現(xiàn)分配給硬件的功能。21計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)的概念什么是計(jì)算機(jī)組織(ComputerOrganization)?

也稱計(jì)算機(jī)組成。指計(jì)算機(jī)主要部件的類型、數(shù)量、組成方式、控制方式和信息流動(dòng)方式及其相互連接構(gòu)成的系統(tǒng)。是那些對(duì)程序員透明的硬件細(xì)節(jié)。它主要研究數(shù)據(jù)和指令的組織，基本運(yùn)算的算法，數(shù)據(jù)的存取、傳送和加工處理，數(shù)據(jù)流和指令流的控制方式等。什么是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)(ComputerImplementation)?

指計(jì)算機(jī)功能的物理實(shí)現(xiàn)。包括片子、模塊、插件、底板的劃分與連結(jié)等。22系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組織和實(shí)現(xiàn)三者關(guān)系計(jì)算機(jī)組織是計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)；而計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的物理實(shí)現(xiàn)。一種結(jié)構(gòu)可有多種組織實(shí)現(xiàn)；一種組織也可有多種物理實(shí)現(xiàn)。舉例1：“乘法指令”選定計(jì)算機(jī)具有乘法指令是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題；而如何實(shí)現(xiàn)（用專門乘法器還是用加法器+移位）則是組織問(wèn)題。舉例2：“系列機(jī)”同一系列機(jī)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，但組織方式隨當(dāng)時(shí)技術(shù)的改變以及價(jià)格要求而變化，取不同型號(hào)區(qū)分之。隨著新技術(shù)、新器件的出現(xiàn)，三者之間的界限越