1、计算机组织与体系结构,任课教师：周世斌,E-mail: ,课程的性质、内容及任务 教材 学时分配 参考书目 测评,课程性质：计算机组织与体系结构是计算机专业的一门核心专业基础课程。主要内容：计算机系统概论；运算方法和运算器；内存储器；指令系统；中央处理机；总线系统；外围设备；输入输出系统；操作系统支持；并行体系结构。主要任务：通过本课程的学习，使得同学们初步了解和掌握计算机单处理机系统的主要组成和工作原理，着重于计算机硬件和体系结构，培养扎实的计算机硬件动手能力，为后继计算机课程的深入学习打下基础。,一、课程的性质、内容及任务,计算机组织与体系结构 （第4版 立体化教材）主编：白中英清华大学出
2、版社,二、教材(textbook),共44+12=56学时 其中：理论课：44学时实验课：12学时,三、学时分配(time allocation),四、参考书目 (reference books),计算机组成原理与系统结构 马 礼 人民邮电出版社 计算机体系结构 张晨曦 高教出版社 计算机组成与结构 王爱英 清华大学出版社 计算机系统结构 郑纬民 清华大学出版社 计算机组成与体系结构 王 诚 清华大学出版社 计算机组成与系统结构(第二版)胡越民 电子工业出版社 Computer organization Carl hamcher The Essentials of Computer Organ
3、ization and Architecture Linda Null等 机械工业出版社先修课程计算机基础、电工技术与电子技术,要求（requirement)：参考书尽量人手一册,五、测评,满分：100分1. 笔试 70%2. 实验 20%3. 平时 10%,第一章 计算机系统概论,1.计算机的分类 2.计算机的发展简史 3.计算机的硬件 4.计算机的软件 5.计算机系统的层次结构,1.1 计算机的分类,1.1.1 计算机的分类(Categorize),计算机(电子),电子模拟计算机,电子数字计算机,专用计算机,通用计算机,巨型机(Super),大型机(Mainframe),中型机(mediu
4、m),小型机(small),微型机(micro),单片机(single),(analog),(digital),(generic),(special),双核机,单片机,微型机,服务器,大型机,超级计算机,体积 功耗 性能 存储量 指令系统价格,低,高,高,低,简易性,六种通用计算机的区别,当今高性能计算机：,曙光 4 （排名第十）,单片机,从使用器件角度，计算机的发展大致经历了五代： 一、第一代：电子管计算机时间跨度：19461957器件特性：电子管运算速度：几千至几万次/秒缺点：体积大、成本高、不可靠ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Comp
5、uter）电子数字积分计算机,1.2 计算机的发展简史,1.2.1 计算机的五代变化,二、第二代：晶体管计算机时间跨度：19581964器件特性：晶体管，磁芯存储器运算速度：几万次几十万次/秒 三、第三代：中小规模集成电路计算机时间跨度：19651971产品特性：集成电路，操作系统运算速度：几十万次几百万次/秒 四、第四代：大规模、超大规模集成电路计算机时间跨度：19721990产品特性：大规模集成电路，半导体存储器，微型计算机出现运算速度：几百万次几千万次/秒 五、第五代：巨大规模集成电路计算机时间跨度：1991至今产品特性：VLSI、ULSI，半导体存储器，微机发展迅速运算速度：几亿次几百
6、亿次/秒,1.2.1 计算机的五代变化,1.2.2 半导体存储器的发展,20世纪5060年代，所有计算机存储器都是由微小的铁磁体环构成；1970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体存储器；从1970年起，半导体存储器经历了11代：单个芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、1GB。 （其中1K=210,1M=220,1G=230）,1971年Intel 4004，这是第一个将CPU的所有元件都放入同一块芯片内的产品； 1972年Intel 8008，这是第一个8位微处理器，比4004复杂一倍； 1974年Intel 8080
7、，这是第一个通用微处理器，而4004和8008是为特殊用途而设计的。8080是为通用微机而设计的中央处理器； 20世纪70年代末出现强大的通用16位微处理器，8086便是其中之一； 1981年贝尔实验室和HP公司开发出了32位单片微处理器； Intel于1985年推出了32位微处理器Intel 80386； 到现在的64位处理器和多核处理器。,1.2.3 微处理器的发展,一台计算机性能的高低好坏，因素是多方面的，如它的系统结构、硬件组成、外设配置、软件种类等。 性能指标通常分为绝对和相对两类。绝对指标：MIPS相对指标：加速比性能价格比、机器字长、运算速度、机器容量、 指令系统、计算速度、工艺
8、形式等等。,1.2.3 计算机的性能指标,1.3 计算机的硬件(Hardware),算式：y=ax+b-c 工具：算盘、横格纸和笔 步骤：,1.3.1 硬件组成要素,例如：,计算机的解题过程和算盘解题相似，可以从算盘的解题过程推演计算机的硬件组成。,a 数据,b 数据,c 数据,x 数据,取数 (09)-算盘 a,取数 (12)-算盘 ax,取数 (10)-算盘 ax+b,取数 (11)-算盘 ax+b-c,存数 y-13 把算盘上y值记到第13行,输出 把算盘上的y值写出给人看,y 数据,停止 运算完毕，暂停,原始数据和解题步骤存储纸(Paper)-存储器(Memory)运算工具算盘(Aba
9、cus)-运算器(Arithmetic and Logic Unit)解题步骤和原始数据的输入、计算结果的输出笔(pen)-输入/输出设备(Input/Output)整个计算过程的调度控制人脑(brain)-控制器(Control Unit),主机：CPU+内存,功能(function)：算术和逻辑运算,1. 运算器(ALU),数制：二进制 采用二进制的原因：(1) 容易实现(2) 运算规律简单(3) 抗干扰能力强，可靠性高(4) 为实现逻辑运算和逻辑判断提供了便利,运算器的长度一般是8位、16位、32位、64位和128位,功能(function)：存放程序(指令)和数据 实现(realiza
10、tion)：用半导体器件来实现。 分类(classify)：内存储器和外存储器 存储容量(capacity)：计算机中存储单元的总数；单位bit、byte、KB 、MB 、GB 、TB 、PB,2. 存储器(Memory),任务(Task)：从内存中取出解题步骤加以分析，然后执行某种操作。,3. 控制器(Control Unit),(1) 计算程序：解决某一问题的一串指令序列称为该问题的计算程序。,注意：计算程序是在运行前事先把指令和数据顺序存放到存储器中。控制器控制计算机按照指令顺序执行解决问题。,控制器的结构,注意：指令的操作码和地址码都是用二进制代码表示的。,（2） 指令形式 ：一条指令
11、必须明确指示出从哪个单元中取数，并进行何种性质的操作；即指令由操作码和地址码组成，分别指出操作的性质和操作数的地址。,指令的操作码定义,指令和数据在存储器中 用二进制码存储,按照程序所排的指令序列，先从存储器中取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令的性质，执行该指令，进行相应的操作；接着取出第二条指令，再执行第二条指令，依此类推。,（3）控制器的基本任务（Foundational Task）,术语：取指周期 & 执行周期 & 中央处理器 & 主机,1. 位(Bit):计算机的最小信息单位 2. 字节(Byte)：1Byte=8 bits 3. 字(Word
12、)：由一个以上的字节组成 4. 字长：组成一个字的二进制位数 5. 指令字：字的内容是一条指令 6. 数据字：代表要处理的数据 7. 指令流：取指周期从内存中读出的信息流是指令流，它流向控制器。 8. 数据流：在执行周期中从内存中读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。,（4）指令流(Instruction Stream)和数据流(Data Stream),CPU的结构,4. 适配器(adapter)和输入输出设备(I/O),输入(Input)设备：键盘、鼠标、扫描仪、麦克风等 输出(Output)设备：显示器、打印机、绘图仪 输入/输出设备：硬盘、软盘、磁带、磁鼓等,(1)输入输出设备：,
13、(2)适配器：,作用：相当于一个转换器、保证外围设备用计算机系统特性所要求的形式接发信息。 常见有：网络适配器、显卡适配器等,5. 总线(Bus),是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路。,冯.诺依曼结构计算机,（1）存储程序控制：要求计算机完成的功能，需要事先编制成相应的程序，并输入到存储器中，在控制器的控制下，有条不紊地工作。 （2）程序和数据都用二进制表示。 （3）程序由指令序列构成，任何一条指令序列都包含操作码和地址码。 （4）全机以CPU为中心，输入的信息在CPU控制下才能写入主存储器，输出的信息也只有在CPU控制下才能从主存储器中取出送至相应的输出设备。,
14、I/0,输入设备,输出设备,运算器,控制器,存储器,CPU,Basic Functional Units of a Computer,计算机的基本组成,小结（Summary）,1946年Von Neumann提出存储程序计算机模型。,1.4 计算机的软件,1.4.1 软件的组成与分类,各种服务性程序：诊断、排错等,语言程序：汇编、编译、解释等,操作系统,数据库管理系统,工程设计程序 数据处理程序 自动控制程序 企业管理程序 情报检索程序 科学计算程序,计算机软件层次结构示意图,机器语言：使用1和0编制。计算机直接可以识别和执行。缺点：要熟悉指令系统、繁杂、容易出错、不易调试、只有专家使用。 汇
15、编语言：对机器指令采用助记符的表示，能够用符号语言编写。简单直观、便于记忆。不能为计算机识别，使用汇编程序，把符号语言编写的程序翻译为机器代码。 高级语言：按照实际需求规定一套基本符号以及由基本符号构成程序的规则。更加接近自然语言，直观通用、与具体机器无关。 编译程序：把整个源程序翻译为机器代码或汇编代码的程序，它和运行系统一起组成编译系统。 解释程序：对源程序逐行解释并立即执行的程序。 操作系统：管理整个系统的软硬件资源，提高资源使用率，方便用户对计算机的使用。 数据库管理系统：数据存储、处理、传输、查询、共享管理程序。,1.4. 软件的发展演变,1.5 计算机系统的层次结构,1.5.1 多
16、级组成的计算机系统,根据计算机系统的发展及计算机使用人员的不同层次，将计算机系统进行层次划分，在每个层次上都可以进行程序设计,计算机系统的层次结构示意图,计算机系统层次结构,计算机系统 人 应用语言级 为人民服务级 高级语言级 读书、学习级 汇编语言级 语言、思维级 操作系统级 生理功能级 传统机器级 人体器官级 微程序机器级 细胞组织级 电子线路级 分子级,一般来说，1级以下由硬件实现，二级以上由软件实现。 VLSI、ULSI的发展使得软、硬件界限不明显。 原理上任何操作可由软件完成，也可由硬件完成。对某一机器功能而言，采用硬件实现还是软件实现，主要取决于价格、速度、可靠性、存储容量、变更周
17、期等因素。 固件(Firmware)：程序固化了的ROM；形态是硬件，实现软件的功能。 进一步发展，设计面向高级语言的计算机，不经过编译，硬件直接执行高级语言的语句。,1.5.2 软硬件的逻辑等价性,1.5.3 计算机体系结构、计算机组织和 计算机实现,1计算机体系结构计算机体系结构主要研究计算机系统的设计。 定义：计算机体系结构就是计算机的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性。所谓外特性，就是计算机的概念性结构和功能特性。,经典计算机体系结构概念的实质：计算机系统中软硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。,2计算机组织计算机组织是指计算机体系结构的逻
18、辑实现。包括机器计算机各组成部件内部的逻辑实现，部件间的连接等逻辑设计。,3计算机实现计算机实现是指计算机组成的物理实现。 包括处理机、主存等部件的物理结构，器件集成度、速度、信号传输，器件、模块、插件、底板的划分与连接，装配技术及信号连接、电源、冷却方法等。,体系结构与组成、实现之间的关系为：体系结构是组成的抽象，组成是实现的抽象一种体系结构可以有多种组成。一种组成可以有多种物理实现。广义的计算机体系结构概念包括体系结构的外部特性和内部特性：计算机体系结构外部特性-计算机体系结构的经 典定义计算机体系结构内部特性-计算机组成与实现中 一些比较抽象的内容,1.5.4 计算机体系结构的分类,按照
19、指令流和数据流的多寡，Flynn将计算机体系结构分成4种类型。 （1）单指令流单数据流（Single Instruction stream Single Data stream，SISD）计算机。 （2）单指令流多数据流（Single Instruction stream Multiple Data stream，SIMD）计算机。 （3）多指令流单数据流（Multiple Instruction stream Single Data stream，MISD）计算机。 （4）多指令流多数据流（Multiple Instruction stream Multiple Data stream，MIMD）计算机。,计算机系统Flynn分类法,SISD,SIMD,MISD,MIMD,Flynn计算机分类举例,考试重点,1. 有关计算机组成部件的基本概念； 2. 存储程序原理和计算机软硬件组成； 3. 计算机的性能、分类； 4. 计算机的层次结构和软硬件逻辑等价性。,
