計算機組成原理1-概述.ppt

1、歡迎大家學(xué)習(xí)計算機組成原理,計算機學(xué)院 沈磊 ,教學(xué)大綱,目的和要求 該課程是計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課。它的內(nèi)容主要介紹計算機各個功能部件的組織結(jié)構(gòu)、功能以及它們之間互連組成的計算機系統(tǒng)。使學(xué)生了解計算機的組成原理及工作原理，以建立整機概念。 教學(xué)內(nèi)容 概論、數(shù)據(jù)表示、運算方法和運算器、指令系統(tǒng)、控制器、存儲系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、外部設(shè)備、計算機系統(tǒng)。,第一章 概論,本章要點： 1) 馮諾伊曼體系的基本特征 2) 總線結(jié)構(gòu)的概念及特點 3) 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 4) 計算機的性能指標(biāo),教學(xué)目的：本章的目的在于幫助讀者建立一個關(guān)于計算機系統(tǒng)框架的整體概念，并初步了解有關(guān)計算機系統(tǒng)的基

2、本常識和基本概念。,什么是電子計算機？,計算機是一種能夠執(zhí)行程序，進行復(fù)雜計算的工具。 數(shù)字電子計算機是一種能存儲程序并能自動地、高速地對各種數(shù)字化信息進行運算處理的電子設(shè)備。 自動的含義是指程序執(zhí)行時，不再需要人的干預(yù)，程序能連續(xù)發(fā)出各種命令，控制計算機完成預(yù)定的操作任務(wù)。,1.1 計算機的發(fā)展與應(yīng)用 計算工具的發(fā)展概況,手工時代 機械時代 電子時代,-500 紀元 1621 1641 1830 1936 1940 1946 1951 1959 1964 1971 1979 1994,十 算 算 計 帕 巴 米通 阿電 ENIAC UNIVAC IBM IBM INTEL IBM 新 指 算

3、 斯 貝 斯用 塔子 7000 360 4004 4300 一 計 尺 卡 奇 工計 那計 代 數(shù) 籌 盤 計 分 業(yè)算 索算 計 算 析 機 夫機 算 機 機 方 機 案,電 子 管 時 代 晶體管時代 集成電路時代 大規(guī)模集成電路時代,1、電子計算機的產(chǎn)生,理論基礎(chǔ)：1854年，英國科學(xué)家George Boole發(fā)表布爾代數(shù)，把邏輯理論建立在“0”、“1”兩種值和“與”、“或”、“非”三種運算上。 物質(zhì)基礎(chǔ)：1919年，W.H .Ecclers和F .W .Jordan用兩只三極電子管接成了E-J雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，提供了用電子元件表示二進制數(shù)的物質(zhì)基礎(chǔ)。 現(xiàn)實需要：二戰(zhàn)因彈道計算需要高速、準確

4、的計算工具。,2、第一代計算機 電子管時代（46-59）,ENIAC （Electronic Numerical Integrator and Computer)二戰(zhàn)因彈道計算需要高速、準確的計算 將電子管和繼電器存儲器用絕緣導(dǎo)線互連在一起，有單個CPU組成，CPU用程序計數(shù)器和累加器完成定點運算，采用機器語言或匯編語言，用CPU程序控制I/O。 代表性的有賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院1950年的ENIAC、IBM于1953年IBM701計算機。,特征：使用電子管為計算機的基本器件 體積大、耗電多、速度慢、可靠性低 速度為每秒幾千到幾萬次 應(yīng)用與軍事和國防 貢獻：確立了模擬量可變換成數(shù)字量進行計算

5、確立了計算機的基本結(jié)構(gòu) 確立了程序設(shè)計的基本方法 使用陰極射線管（CRT）作顯示器 代表：ENIAC （Electronic Numerical Integrator and Computer),介紹：重達30噸 占地170平方米 內(nèi)裝18000個電子管 計算速度5000次/秒 不足：存儲容量小 20個字長10位 非自動 采用線路連接來編程 Von Neumann 在此基礎(chǔ)上提出了 現(xiàn)代計算機的模型,第一臺計算機 ENIAC,3、第二代計算機 晶體管時代（59-64）,BELL實驗室的John bardeen, Walter Brattain發(fā)明晶體管。 采用分立式晶體管和鐵氧體的磁芯，用印刷

6、電路將它們互連。采用變址寄存器、浮點運算、多路存儲器和I/O處理機。采用高級語言、子程序庫、批處理監(jiān)控程序。代表性系統(tǒng)是IBM7030。,特征：使用晶體管為計算機的基本器件 體積縮小、耗電減少、重量減輕、可靠性提高 速度為每秒幾萬到幾十萬次 開始應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理 貢獻：在圖形處理領(lǐng)域開始應(yīng)用 鼠標(biāo)器問世 有了操作系統(tǒng)和高級語言 出現(xiàn)通用機和專用機 代表：CDC 6600 7600 IBM 7090,4、第三代計算機 集成電路時代 1965-1974,仙童公司和德州儀器把整個電路做在一片半導(dǎo)體上。 采用小規(guī)?；蛑行∫?guī)模的集成電路和多層印刷電路。微程序控制。采用了流水線、高速緩存和先行處理機。軟件采

7、用多道程序設(shè)計和分時操作系統(tǒng)。代表性的有IBM/360-370系列、Digital Equipment公司的 PDP-8系列。,特征：使用中、小規(guī)模集成電路為計算機的基本器件 體積、功耗顯著縮小、可靠性大大提高 速度為每秒幾百萬次 貢獻：分成巨型機、大型機、中型機、小型機 多種完善的操作系統(tǒng)和高級語言 出現(xiàn)系列機 （解決硬件更新和軟件相對穩(wěn)定的 矛盾，大受歡迎） 代表：IBM 360,5、第四代計算機 大規(guī)模集成電路時代 1974-1991,開始生產(chǎn)包含CPU的IC，Intel和Motorola的8080和6800 采用大規(guī)模和超大規(guī)模的集成電路和半導(dǎo)體存儲器。出現(xiàn)了共享存儲器、分布存儲器或或

8、向量硬件選擇的不同結(jié)構(gòu)的并行計算機。使用了并行處理的多處理操作系統(tǒng)、專用語言和編譯器，產(chǎn)生了用于并行處理和分布處理的軟件工具和環(huán)境。代表性的有VAX9000、CrayX-MP、IBM/3090VF。,特征：使用大規(guī)模集/超大規(guī)模成電路（LSI/VLSI） 進一步縮小體積和功耗 速度為每秒109-1012次 貢獻：微型計算機出現(xiàn) 并行處理、分布式處理 計算機網(wǎng)絡(luò)發(fā)展 軟件工程產(chǎn)生 RISC精簡指令技術(shù)：簡化指令格式和 尋址方式,是把大型機的流水線技術(shù)應(yīng)用的單機。 代表：INTEL 80X86 PENTIUM,6、第五代計算機 甚大規(guī)模集成電路時代1991-200？,標(biāo)志： 單片機集成電路100萬

9、晶體管以上 超標(biāo)量技術(shù)的應(yīng)用（把大型機的多指令發(fā)出和無序執(zhí)行應(yīng)用到單機） 流水線技術(shù),6、第六代計算機 極大規(guī)模集成電路時代200？-20？,單片機集成電路超過1億晶體管以上。 單個處理機芯片有圖形處理，視頻處理，通信部件。 IC不再制約系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展而是相反。是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)展的契機,7、新一代計算機,生物計算機（DNA） 光學(xué)計算機 超導(dǎo)計算機 納米計算機 量子計算機,計算機的應(yīng)用,1、科學(xué)技術(shù)方面 導(dǎo)彈和衛(wèi)星發(fā)射、天氣預(yù)報、基因密碼研究等 2、數(shù)據(jù)處理方面 財會系統(tǒng)、銀行管理、情報檢索、訂票系統(tǒng) 3、實時控制 過程控制 4、計算機輔助設(shè)計CAD 包括CAD、CAM、CAT、CAI等 5、企業(yè)

10、管理、信息系統(tǒng)、多媒體、人工智能等其它,1.2 計算機的組成-硬件和軟件,1 .2 . 1 計算機硬件的組成，把控制器和運算器合為處理機processor 成為趨勢。,Von Neumann計算機硬件的組成,馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)Von Neumann ：,1) 采用二進制形式表示數(shù)據(jù)和指令 數(shù)據(jù)和指令在代碼的外形上并無區(qū)別都是由0和1組成的代碼序列，只是各自約定的含義不同而已。 采用二進制、使信息數(shù)字化容易實現(xiàn)，可以用二值邏輯工具進行處理。 程序信息本身也可以作為被處理的對象，進行加工處理，例如對照程序進行編譯，就是將源程序當(dāng)作被加工處理的對象。,信息的數(shù)字化表示,1、模擬信號 2、數(shù)字信號 3、

11、數(shù)字信號的優(yōu)點：抗干擾；物理上容易實現(xiàn)，可存儲。 4、舉例,信息的數(shù)字化表示,1. 在計算機中用數(shù)字代碼表示各種信息,二進制代碼,例1 用數(shù)字代碼表示數(shù)據(jù),5,- 5,表示為 0 101,表示為 1 101,例2 用數(shù)字代碼表示字符,A,B,表示為 1000001,表示為 1000010,例3 用數(shù)字代碼表示命令、狀態(tài),啟動,停止,正在工作,工作結(jié)束,表示為 00,表示為 01,表示為 10,表示為 11,2. 在物理機制上用數(shù)字信號,數(shù)字型電信號,例1 用電平信號表示數(shù)字代碼,高電平,1,低電平,高電平,0,1,例2 用脈沖信號表示數(shù)字代碼,有脈沖,無脈沖,有脈沖,1,0,1,表示數(shù)字代碼,

12、實現(xiàn)并行操作,實現(xiàn)串行操作,馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)：,(2) 采用存儲程序方式 這是諾依曼思想的核心內(nèi)容。如前所述，它意味著事先編制程序，事先將程序(包含指令和數(shù)據(jù))存入主存儲器中，計算機在運行程序時就能自動地、連續(xù)地從存儲器中依次取出指令且執(zhí)行。 這是計算機能高速自動運行的基礎(chǔ)。計算機的工作體現(xiàn)為執(zhí)行程序，計算機功能的擴展在很大程度上體現(xiàn)為所存儲程序的擴展。 計算機的許多具體工作方式也是由此派生的。,諾依曼機的這種工作方式，可稱為控制流(指令流)驅(qū)動方式。即按照指令的執(zhí)行序列，依次讀取指令；根據(jù)指令所含的控制信息，調(diào)用數(shù)據(jù)進行處理。因此在執(zhí)行程序的過程中，始終以控制信息流為驅(qū)動工作的因素，而數(shù)據(jù)信

13、息流則是被動地被調(diào)用處理。,為了控制指令序列的執(zhí)行順序，我們設(shè)置一個程序(指令)計數(shù)器PC(Program Counter)，讓它存放當(dāng)前指令所在的存儲單元的地址。如果程序現(xiàn)在是順序執(zhí)行的，每取出一條指令后PC內(nèi)容加l，指示下一條指令該從何處取得。 如果程序?qū)⑥D(zhuǎn)移到某處，就將轉(zhuǎn)移后的地址送入PC，以便按新地址讀取后繼指令。所以，PC就像一個指針，一直指示著程序的執(zhí)行進程，也就是指示控制流的形成。,雖然程序與數(shù)據(jù)都采用二進制代碼，仍可按照PC的內(nèi)容作為地址讀取指令，再按照指令給出的操作數(shù)地址去讀取數(shù)據(jù)。由于多數(shù)情況下程序是順序執(zhí)行的，所以大多數(shù)指令需要依次地緊挨著存放，除了個別即將使用的數(shù)據(jù)可以

14、緊挨著指令存放外、一般將指令和數(shù)據(jù)分別存放在該程序區(qū)戶的不同區(qū)域。,指令的執(zhí)行過程,馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)：,3) 由運算器、存儲器、控制器、輸入裝置和輸出裝置等五大部件組成計算機系統(tǒng)，并規(guī)定了這五部分的基本功能。,1主要功能部件,1. 存儲器 （1）功能: 存儲信息。 （2）組成（主存儲器）：,存儲體,地址寄存器,譯碼器,讀/寫線路,數(shù)據(jù)寄存器,控制線路,2. 運算器 （1）功能：加工信息。 （2）組成：,移位器,ALU,選擇器,通用寄存器組,選擇器,3. 輸入/輸出設(shè)備 功能：轉(zhuǎn)換信息。,主機,接口,入/出設(shè)備,輸入：原始信息,代碼，送入主機,輸出：處理結(jié)果,人所能接受的形式，輸出,（代碼）,4

15、. 控制器 （1）功能：產(chǎn)生控制命令(微命令)，控制全機操作。 （2）組成：,微命令發(fā)生器,指令信息,狀態(tài)信息,時序信號,微命令序列,邏輯條件,時間條件,微命令產(chǎn)生方式（指令執(zhí)行控制方式）：,組合邏輯控制方式：,微程序控制方式：,由組合邏輯電 路產(chǎn)生微命令,由微指令產(chǎn)生微命令,非諾依曼化,傳統(tǒng)的諾依曼機從本質(zhì)上講是采取串行順序處理的工作機制，即使有關(guān)數(shù)據(jù)巳經(jīng)準備好，也必須逐條執(zhí)行指令序列；而提高計算機性能的根本方向之一是并行處理：因此，近年來人們在謀求突破傳統(tǒng)諾依曼體制的束縛，這種努力被稱為非諾依曼化。,在諾依曼體制范疇內(nèi)，對傳統(tǒng)諾依曼機進行改造，如采用多個處理部件形成流水處理，依靠時間上的重

16、疊提高處理效率；又如組成陣列機結(jié)構(gòu)，形成單指令流多數(shù)據(jù)流，提高處理速度。這些方向已比較成熟，成為標(biāo)準結(jié)構(gòu)。 用多個諾依曼機組成多機系統(tǒng)，支持并行算法結(jié)構(gòu)。這方面的研究目前比較活躍。 從根本上改變諾依曼機的控制流驅(qū)動方式。例如，采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動工作方式的數(shù)據(jù)流計算機，只要數(shù)據(jù)已經(jīng)準備好，有關(guān)的指令就可并行地執(zhí)行。這是真正非諾依曼化的計算機，它為并行處理開辟了新的前景，但由于控制的復(fù)雜性，仍處于實驗探索之中.,1 .2 . 2 計算機軟件的組成,軟件組成,系統(tǒng)軟件,應(yīng)用軟件,操作系統(tǒng)或管理程序,故障診斷或檢測程序,高級語言的編譯語言或解釋程序,匯編語言,系統(tǒng)調(diào)試程序,數(shù)據(jù)庫管理程序,使用者根據(jù)需要采

17、用各種語言,各種應(yīng)用程序，包括各類應(yīng)用軟件包,計算機軟件的組成,層次結(jié)構(gòu)模型,硬件級,機器指令級,操作系統(tǒng)級,高級語言級,應(yīng)用語言機器級,匯編語言機器級,操作系統(tǒng)機器級,傳統(tǒng)機器級,高級語言機器級,微程序機器級,3 級,4 級,5 級,1 級,2 級,0 級,虛擬機器級（軟件）,硬件,固件,系統(tǒng)分析求解問題,虛擬機（通過軟件擴充的物理機）目的：擺脫真實機器的束縛。 比較：Java虛擬機,實際機器（機器語言物理機）,專用語言虛擬機,高級語言虛擬機,匯編語言虛擬機,程序,硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1. 以總線為基礎(chǔ)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 總線：能為多個部件分時共享的一組信息傳送線路。,總 線,總 線,內(nèi)總線 功能 局部總

18、線 系統(tǒng)總線 外總線,地址總線 信息 數(shù)據(jù)總線 控制總線,時序 同步總線 異步總線,并行總線 格式 串行總線,方向 單向總線 雙向總線,（1）小型機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) a）以CPU為中心的雙總線結(jié)構(gòu),CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,I/O 總線,M 總線,外設(shè)單獨編址,b）單總線結(jié)構(gòu),CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,系 統(tǒng) 總 線,寄存器和主存統(tǒng)一編址,c）以M為中心的雙總線結(jié)構(gòu),CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,系 統(tǒng) 總 線,M 總線,（ 2）微型機系統(tǒng)結(jié)構(gòu),CPU,RAM,ROM,公共接口,總線控制邏輯,M擴展板,I/O接口板,局部總線,系統(tǒng)總線,多級總線結(jié)構(gòu),( 3 ).

19、采用通道或IOP（IO處理器）的大型系統(tǒng)結(jié)構(gòu) （a）帶通道的系統(tǒng),I/O控制器,主機,I/O,通道,通道(概念)：專門用來管理I/O操作的控制部件。,( 3 ). 采用通道或IOP（IO處理器）的大型系統(tǒng)結(jié)構(gòu),（b）帶IOP的系統(tǒng),CPU,M,接口,I/O,IOP,LM,接口,I/O,系統(tǒng)總線,I/O總線,一般來說，硬件只完成基本的功能，復(fù)雜的功能通過軟件來實現(xiàn)(降低成本)。 從邏輯上來講，有許多功能可由硬件直接實現(xiàn)，也可在基本硬件基礎(chǔ)上依靠輔助軟件來實現(xiàn)，對用戶來說，在功能上是等價的，稱為硬、軟件在功能上的邏輯等價。,1.2.3 硬、軟件界面及其邏輯上的等價性,硬、軟件之間的界面：指令系統(tǒng)。

20、 如何理解： 硬件的基本任務(wù)是識別與執(zhí)行指令代碼。因此指令系統(tǒng)所規(guī)定的功能可由硬件實現(xiàn)。 人們編制的程序最終轉(zhuǎn)換成機器指令才能由硬件執(zhí)行。因此指令系統(tǒng)是編制程序的基礎(chǔ)。,硬件軟化：硬件技術(shù)跟不上，價格昂貴。 軟件硬化：硬件技術(shù)的發(fā)展。 固件化：軟件固化，軟件固化到硬件芯片中。,1.3 計算機的性能指標(biāo),1. 基本字長(概念）：即參與運算的二進制數(shù)的基本位數(shù)。(計算機允許雙倍字長、多倍字長，以兼顧硬件代價與計算精度) 2. 主存容量：越大，則可運行比較復(fù)雜的程序，使軟件支撐環(huán)境更完善。 3. 外存容量：指計算機系統(tǒng)中聯(lián)機運行的輔助存儲器容量。 主輔存存儲系統(tǒng)構(gòu)成了虛擬存儲器。,4. 運算速度： 1) 以最短指令執(zhí)行時間為標(biāo)準。 2) 根據(jù)不同類型指令使用的頻率乘上不同系數(shù)，再求平均值，即為平均運算速度。 3) 單位時間(每秒)平均執(zhí)行的指令條數(shù)（ips）。 主頻反映了運算速度的快慢。 5. 外圍設(shè)備的配置及其性能。 6. 系統(tǒng)軟件配置情況。 核心性能指標(biāo)：基本字長、主存容量、運算速度,當(dāng)前全球速度最快的超級計算機為IBM制造的藍色基因(BlueGene/L)，該系統(tǒng)安裝在美國加州大學(xué)的Lawrence Livermore國家實驗室，峰值運算速度高達183.5萬億次/秒 （截止到200