計算機組成原理__課件.ppt

1、計算機組成原理教學(xué)課件 王 誠 教授 清華大學(xué)計算機系 2009年10月,第 1 章 計算機系統(tǒng)概述,（為何要學(xué)習(xí)這門課程，怎么學(xué)，如何要求， 課程主要內(nèi)容簡介） 1.1 計算機系統(tǒng)的基本組成及其層次結(jié)構(gòu) 1.2 計算機硬件的個功能部件及其功能 1.3計算機系統(tǒng)主要的技術(shù)與性能指標 1.4 計算機的體系結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)概述 1.5 計算機發(fā)展進步、分類和拓展應(yīng)用進程,為什么要學(xué)習(xí)計算機組成原理這門課程,計算機組成原理是計算機專業(yè)本科生的一門統(tǒng)設(shè)必修的專業(yè)基礎(chǔ)課程。在我們系強調(diào)培養(yǎng)計算機應(yīng)用型人才，是把這門課程作為計算機系統(tǒng)平臺的內(nèi)容之一來安排的。 不是只有設(shè)計計算機硬件系統(tǒng)的人才要學(xué)這門課,計

2、算機專業(yè)的人員都應(yīng)該對其有所了解。選擇了計算機專業(yè)，終生要與計算機系統(tǒng)打交道、要使用好計算機就應(yīng)該學(xué)習(xí)這門課，否則就算不上一名合格的計算機專業(yè)人員。總不該把計算機硬件系統(tǒng)看作為電視機一樣的產(chǎn)品，開一下電源選選臺能看節(jié)目了就行了。 計算機中有許多知識是到處都會用到的，是學(xué)習(xí)后續(xù)多門課程 (系統(tǒng)結(jié)構(gòu)， 操作系統(tǒng)，編譯原理，高級語言程序設(shè)計, 計算機網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)庫) 的基礎(chǔ)，將來工作中如何想清楚、如何解決遇到的許多問題都會涉及到計算機的硬件問題。,1,課程有多難，能不能學(xué)好,說計算機組成原理課程不是太難學(xué)是不能令人信服的，說根本無法學(xué)好也缺乏足夠的理由和證據(jù)。 從計算機組成原理的內(nèi)容來講，實在沒有太多

3、難懂的原理，與生活中遇到的許多很平常的現(xiàn)象大有同工異曲之處，它不像數(shù)學(xué)，沒有多少理論推導(dǎo)，也沒有物理學(xué)中的高深理論，不用冥思苦想，接受它的規(guī)定和實現(xiàn)方案即可。如果說難，難就難在計算機中的問題是我們平時從未接觸到、更沒親眼看見過事物，尚未碰到先怕三分，把本來簡單的問題折騰復(fù)雜了；教師缺乏計算機系統(tǒng)設(shè)計的工程背景進一步加劇了這個矛盾。 學(xué)生應(yīng)該根據(jù)自己的實際水平和將來的工作要求，恰當?shù)卮_定對自己學(xué)習(xí)這門課程的要求。,2,課程教學(xué)定位和教學(xué)要求,計算機組成原理課程教學(xué)應(yīng)該建立在硬、軟件組成大體完整的系統(tǒng)平臺之上，無疑這是一門硬件內(nèi)容為主的課程，但需要兼顧一點基礎(chǔ)軟件的課程，認為課程內(nèi)容只限于純硬件(

4、裸機)是很過時的認識，至少需要了解匯編語言以及計算機系統(tǒng)操作使用方面的基礎(chǔ)知識，把學(xué)習(xí)和使用硬件結(jié)合起來。 教學(xué)過程中，要把學(xué)習(xí)原理知識和應(yīng)用原理解決實際問題結(jié)合起來，避免泛泛地講解書本內(nèi)容，解決問題可以首先從看別人怎么用已知原理設(shè)計實現(xiàn)實用系統(tǒng)，再考慮自己能做些什么實際工作才會使學(xué)習(xí)更有趣味，更有用。 學(xué)生可以對自己提出主要學(xué)懂基本原理并能通過考試為底線要求，和還有一定應(yīng)用能力的正常要求。,3,這里說的計算機系統(tǒng)（computer system），是指電子數(shù)字通用計算機系統(tǒng)，三個定語各自表明了計算機系統(tǒng)的一個方面的特性。 “電子”一詞表明使用電子線路（不同于機械、繼電器等）來實現(xiàn)計算機硬件的

5、關(guān)鍵邏輯功能； “數(shù)字”一詞表明使用的電子線路是數(shù)字式電路（不同于模擬電路），運算和處理的數(shù)據(jù)是二進制的離散數(shù)據(jù)（不同于連續(xù)的電壓或電流量）； “通用”一詞表明計算機本身功能多樣(并非專用于某種特定功能)，具有完成各種運算或數(shù)據(jù)處理能力。,1、計算機系統(tǒng)概述,4,計算機系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。 硬件指由中央處理器、存儲器以及外圍設(shè)備等組成的實際裝置，硬件的作用是完成每條指令規(guī)定的功能。 指令是計算機運行的最小的功能單位，指令是指示計算機硬件執(zhí)行某種運算、處理功能的命令。 軟件是為了使用計算機而編寫的各種系統(tǒng)的和用戶的程序，程序由一個序列的計算機指令組成。指令是用于設(shè)計程序的一種計算機語言

6、。 一臺計算機提供的全部指令構(gòu)成該計算機的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)的設(shè)計質(zhì)量關(guān)系到廠家和用戶的利益。 硬、軟件系統(tǒng)相互依存，分工互動，缺一不可，如同一個健全人的物質(zhì)性的肉體和精神性的智力與思維。,計算機系統(tǒng)概述,5,可以從 6 個層次分析和看待計算機系統(tǒng)的基本組成。 最低的層屬于硬件部分，硬件系統(tǒng)用于實現(xiàn)每條指令的功能，解決程序中指令間的銜接系。 上面的層屬于軟件部分，軟件由按一定規(guī)則組織起來的許多條指令組成，完成一定的數(shù)據(jù)運算或者事務(wù)處理功能。 指令系統(tǒng)處在硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)之間，是硬、軟件之間的接口部分，對兩部分都有重要影響。,計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),6,軟件是為了使用計算機而編寫的各種系統(tǒng)的和用

7、戶的程序，程序由一個序列的計算機指令組成。 在計算機系統(tǒng)的層結(jié)構(gòu)中給出的基本軟件包括操作系統(tǒng)和個級別的計算機語言。 操作系統(tǒng)主要完成對系統(tǒng)中的硬、軟件資源的管理與調(diào)度分配，并向程序設(shè)計人員和計算機的操作者提供各種服務(wù)。 個級別的語言是機器語言（二進制代碼語言）、匯編語言（符號語言）和高級語言（算法語言），使用它們設(shè)計程序的難易程度和工作效率差別很大。,計算機中的基本軟件系統(tǒng),7,以計算從1到10的累加和為例，看一看3個級別語言的程序例子，并簡單介紹該機器語言程序在計算機內(nèi)部的執(zhí)行過程。 BASIC程序 匯編語言程序 機器語言程序(16進制) 10 sum=0 2000: sub R15, R1

8、5 01FF 20 for i=1 to 10 sub R1, R1 0111 30 sum=sum+i mvrd R0, 0A 8800 000A 40 next i inc R1 0910 50 print sum add R15, R1 00F1 60 end cmp R1, R0 0310 jrnz 2004 47FC cala 0664 CE00 0064 ret 8F00,三個級別的程序設(shè)計語言語言,15,數(shù)據(jù)運算部件,計算機控制部件,數(shù)據(jù)存儲 部件,接口線路 數(shù)據(jù)輸入設(shè)備,接口線路 結(jié)果輸出設(shè)備,數(shù)據(jù)總線 地址總線 控制總線,計算機主機,計算機 外圍設(shè)備,計算機的 CPU,硬件系

9、統(tǒng)由 5 個功能部件組成，是課程的核心內(nèi)容,、計算機中的基本硬件系統(tǒng),8,硬件系統(tǒng)由5個功能部件組成。數(shù)據(jù)輸入設(shè)備分擔對程序和原始數(shù)據(jù)的輸入功能，數(shù)據(jù)存儲部件分擔對程序和數(shù)據(jù)的存儲功能，數(shù)據(jù)運算部件分擔對數(shù)據(jù)的運算處理功能，結(jié)果輸出設(shè)備分擔對運算處理結(jié)果的輸出功能?？刂破鞑考t是依照每條指令的運行功能的需要，向各個部件或設(shè)備提供它們協(xié)調(diào)運行所需要的控制信號，在整個硬件系統(tǒng)中起到指揮、協(xié)調(diào)和控制的作用。圖中間部位給出的是計算機的種類型的總線，可以看出，計算機的個功能部件正是通過這種類型的總線被有機地連接在一起，從而構(gòu)成一臺完整的、可以協(xié)調(diào)運行（執(zhí)行程序）的計算機硬件系統(tǒng)。,計算機中的基本硬件系統(tǒng)

10、,8,可以把計算機想象為一個加工處理數(shù)據(jù)的工廠，則數(shù)據(jù)運算部件就是數(shù)據(jù)加工車間，數(shù)據(jù)存儲部件就是存放原材料、半成品和產(chǎn)品的庫房，輸入設(shè)備相當于運入原材料的卡車，輸出設(shè)備相當于運出最終產(chǎn)品的卡車，控制部件則相當于承擔領(lǐng)導(dǎo)指揮功能的廠長和各個職能辦公室。在領(lǐng)導(dǎo)的正確指揮下，如果能夠源源不斷地取得原材料，工廠內(nèi)又有存放的場所，車間能夠?qū)@些原材料進行指定的加工處理，加工后的產(chǎn)品可以暢通地運出去銷售，則這個工廠（計算機）就納入正常運行的軌道。前面說的還只限于硬件，當然號必須有配套的軟件系統(tǒng)，例如工廠就需要有管理制度、運營策略等。,計算機中的基本硬件系統(tǒng),8,（1）計算機的字長 在計算機系統(tǒng)內(nèi)部，通常選

11、用多少個二進制位來表示一個數(shù)據(jù)或一條指令是一個關(guān)鍵技術(shù)指標，例如16、32或者64位，這個位數(shù)被稱為計算機的字長。例如在32位字長的計算機系統(tǒng)中，一個整數(shù)、一條指令通常都用32位二進制數(shù)表示，叫做一個字，運算器、存儲器、數(shù)據(jù)和地址總線等通常都被設(shè)計成32位。字長對計算機的處理能力和運行性能有明顯影響，字長較長有利于提高計算機的性能，但需要使用更多的硬件，計算機系統(tǒng)的價格也會高一些。,、計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標,7,（2）CPU的速度 衡量CPU速度，通常有兩種方式。 第一種方式是使用CPU主頻，即每一秒鐘提供給CPU的時鐘脈沖的個數(shù)，通常用赫茲（Hz）表示，例如500MHz。但對不同廠家

12、、不同系列的計算機系統(tǒng)，只用CPU主頻來說明其運行速度則未必準確。 第二種方式是使用CPU每一秒鐘能執(zhí)行的指令條數(shù)，單位是MIPS（million instructions per second），其計算公式可以通過如下方式推導(dǎo)出來，T=CPIT_ICI，這里的T是執(zhí)行一個程序占用的時間，CPI是執(zhí)行一條指令平均使用的CPU時鐘個數(shù)，T_IC是一個CPU時鐘的時間長度，是CPU主頻 f 的倒數(shù) 1/f，I 是這個程序的指令條數(shù)，3個數(shù)值的乘積就等于這個程序總的運行時間T。由此得到：I = T / (CPI1/f) = Tf/CPI.,計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標,7,CPU的速度(續(xù)) 當取

13、T=1s，并假定 f 為300MHz，CPI為 4，則計算出CPU系統(tǒng)的性能為300/4，即 75個MIPS，即每秒執(zhí)行75個百萬條整數(shù)運算指令。若有辦法使這臺計算機的CPI盡量靠近1，則其運行性能就可以提高近4倍，這正是精簡指令系統(tǒng)計算機（RISC）所追求的目標。 若進一步細化，可安如下辦法計算出一個程序中全部指令的平均 CPI ：按照指令的執(zhí)行步驟數(shù)對全部指令進行分類，同類指令的條數(shù)這類指令的CPI，再對各類指令的計算機結(jié)果求累加和，則累加和除以總指令條數(shù)就得到平均CPI，可以表示為 CPI平均=CPIjIj / I，這里的 j 是指令的種類編號（從0n）。 可以用 MFLOPS 表示對浮

14、點數(shù)指令的運算速度。,計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標,7,（3）存儲容量和讀寫速度 計算機中的存儲器通常包括內(nèi)存儲器和外存儲器兩大類。 內(nèi)存儲器又被稱為主存儲器，通常用半導(dǎo)體器件實現(xiàn)，讀寫速度快，價格較高，通常容量要小一些，例如幾百MB或幾到十幾GB，可供CPU通過指令直接訪問。 外存儲器又稱輔助存儲器、海量存儲器等，主要包括磁盤設(shè)備、光盤設(shè)備、磁帶設(shè)備等，讀寫速度要慢得多，價格較低，容量很大，例如幾十、幾百GB或幾十TB，外存儲器上的信息需要經(jīng)過操作系統(tǒng)成批量地（而不是以字為單位）與內(nèi)存儲器進行交換。 內(nèi)存儲器的讀寫周期通常為幾十ns到一二百ns，讀寫外存儲器中的幾百個字節(jié)數(shù)據(jù)的時間通常要幾

15、到十幾ms，而連續(xù)讀出輔存中的一大批數(shù)據(jù)所用時間平均到每個數(shù)據(jù)上可能要更短得多。 通常還關(guān)心單位時間內(nèi)能夠?qū)χ鞔鎯ζ髯x寫數(shù)據(jù)的總量，單位時間內(nèi)能對輔助存儲器交換設(shè)據(jù)的總量。 當前的計算機系統(tǒng)中都采取了許多增加存儲器容量和速度的技術(shù)措施。,計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標,7,（4）輸入輸出設(shè)備的入出速度 計算機的輸入輸出設(shè)備是計算機系統(tǒng)中比較復(fù)雜的部分，不同設(shè)備組成和運行原理各不相同，與計算機主機的連接與控制方式也多有差異，在電子線路之外還涉及到精密機械、光學(xué)、激光、電磁轉(zhuǎn)換等許多知識。 不同的輸入輸出設(shè)備的運行速度各不相同，例如針式打印機每秒只能打印幾個字符，而激光打印機則可以打印多行甚至幾頁

16、打印紙的信息，鍵盤輸入則主要取決于人員打字的速度。顯示器的屏幕大小、分辨率高低、顯示字符還是圖形的不同內(nèi)容、屏幕刷新頻率等都對系統(tǒng)性能有重要影響。 目前的輸入輸出設(shè)備包含的種類特別多，遠遠超出了傳統(tǒng)入出設(shè)備的概念，特別是隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，大量的電子設(shè)備已經(jīng)成為現(xiàn)代計算機的外圍設(shè)備。,計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)與性能指標,7,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,總線和入出接口,虛擬存儲器 外存設(shè)備,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,、本課程各章教學(xué)內(nèi)容簡介,第章,第、章,第、章,第章,第2章預(yù)備性知識，第9章補充性讀物，課上不講。,9,第3、4章 主要教學(xué)內(nèi)容,第3章 講解數(shù)據(jù)表示和運算方法，這是

17、設(shè)計實現(xiàn)計算機運算器部件的理論基礎(chǔ)。 計算機中都使用二進制的信息編碼。二進制編碼和碼制轉(zhuǎn)換是數(shù)據(jù)運算的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。 整數(shù)的原碼、補碼表示是為了簡化數(shù)據(jù)運算的方案，可以簡化用到的硬件線路，提高運算速度。 數(shù)據(jù)的檢錯糾錯編碼技術(shù)是提高硬件可靠性的有效措施。 第4章 講解計算機的運算器部件，有定點運算器和浮點運算器種類型，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)運算的執(zhí)行部件。 重點學(xué)習(xí)定點運算器，由完成算數(shù)與邏輯運算的電路 ALU 和暫存運算數(shù)據(jù)和中間結(jié)果的寄存器組 REGs 、保存結(jié)果特征狀態(tài)的Flag 寄存器這個主要部分組成。 一般了解浮點運算器的組成和浮點數(shù)的運算方法即可。,10,第、章 主要教學(xué)內(nèi)容,第章 講解指令系統(tǒng)和

18、匯編語言程序設(shè)計。 指令是計算機最小的功能單位，是計算機硬、軟件聯(lián)系的紐帶，很重要。 了解影響指令字長的有關(guān)因素。指令格式設(shè)計、尋址方式選用是核心內(nèi)容。 瀏覽典型指令系統(tǒng)的概貌是必要的，需要比較具體地了解 TEC-2008計算機的指令系統(tǒng)，這是完成簡單的匯編語言程序設(shè)計的必要條件。 第6章 講解計算機的控制器部件。 控制器的功能是指揮控制計算機硬件系統(tǒng)執(zhí)行程序，它要依據(jù)指令內(nèi)容、指令的執(zhí)行步驟向每一個部件提供它們運行需要的控制信號。計算機設(shè)計者的任務(wù)是把每條指令的功能細分為幾項操作,并將其劃分到幾個步驟、分配給相應(yīng)部件去完成。 控制器分為組合邏輯（更易學(xué)易懂）和微程序兩種類型。,11,第7章 主要教學(xué)內(nèi)容,第7章 講解計算機的存儲器系統(tǒng)。 當前計算機的存儲器系統(tǒng)由高速緩存、主存和虛存這樣級結(jié)構(gòu)的、統(tǒng)一管理調(diào)度的系統(tǒng)組成，追求的目標是盡可能快的讀寫速度(滿足CPU的運行需要)，盡可能大的存儲空間（放得下最大的程序和數(shù)據(jù)），盡可能低的硬件成本(計算機廠家和用戶都能接受)。 學(xué)習(xí)存儲器分類和可用器件的存儲原理、讀寫過程的基本知識；了解存儲器的性能指標； 學(xué)習(xí)主存的構(gòu)建技術(shù)，與CPU的連接方式和讀寫時序關(guān)系；學(xué)習(xí)高速緩存的構(gòu)建技術(shù)，運行原理；一般了解虛擬存儲器的實現(xiàn)方案和基本術(shù)語。 對磁盤、光盤的原理性組成和運行原理有基本了解，理解磁盤陣列技術(shù)的特點和對系統(tǒng)性能的影響。,12,