1、计算机组成原理,第一章 计算机系统概论,计算机是20世纪40年代人类伟大的创造。50多年来，计算机技术、计算机应用和计算机产业在世界范围内蓬勃发展，规模空前。它的诞生和发展对人类社会作用巨大，影响深远。 什么是计算机?计算机由哪几部分组成?它们又是如何工作的?介绍这些基本原理和结构是本课程的目的。,1.1 计算机的分类 1.2 计算机发展简史 1.3 计算机的硬件 1.4 计算机的软件 1.5 计算机系统的层次结构,1.1 计算机的分类,电子计算机从总体上来说分为模拟计算机和数字计算机两大类。 模拟计算机： 用电流、电压等连续变化的物理量直接进行运算的计算机。 电子数字计算机：它是在算盘的基础
2、上发展起来的，是用数目字来表示数量的大小。,数字计算机分类,数字计算机根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分，可以划分为两类： 专用计算机：专为解决某一特定问题而设计制造的电子计算机。一般拥有固定的存储程序。如控制轧钢过程的轧钢控制计算机，计算导弹弹道的专用计算机等。解决特定问题的速度快、可靠性高，且结构简单、价格便宜，但是它的适应性很差。 通用计算机：通用计算机适应性很大，但是牺牲了效率、速度和经济性。,通用计算机分类,通用计算机根据体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等可以分为： 超级计算机 大型机 服务器 工作站 微型机 单片机,1.2
3、 计算机发展简史,1.2.1 计算机的五代变化 1.2.2 半导体存储器的发展 1.2.3 微处理器的发展 1.2.4 计算机的性能指标,1.2.1 计算机的五代变化,第一代为19461957年，电子管计算机：数据处理 第二代为19581964年，晶体管计算机：工业控制 第三代为19651971年，中小规模集成电路计算机：小型计算机 第四代为19721990年，大规模和超大规模集成电路计算机：微型计算机 第五代为1991年开始，巨大规模集成电路计算机,单片计算机开始出现。,第五代计算机,第五代计算机是一种更接近人的人工智能计算机。 它能理解人的语言，文字和图形，人无需编写程序，靠讲话就能对计算
4、机下达命令，驱使它工作。 它能将一种知识信息与有关的知识信息连贯起来，作为对某一知识领域具有渊博知识的专家系统，成为人们从事某方面工作的得力助手和参谋。 第五代计算机还是能“思考“的计算机，能帮助人进行推理、判断，具有逻辑思维能力。,第六代：生物计算机,半导体硅晶片的电路密集，散热问题难以彻底解决，影响了计算机性能的进一步发挥与突破。 研究人员发现，脱氧核糖核酸（DNA）的双螺旋结构能容纳巨量信息，其存储量相当于半导体芯片的数百万倍。一个蛋白质分子就是存储体，而且阻抗低、能耗小、发热量极低。 基于此，利用蛋白质分子制造出基因芯片，研制生物计算机（也称分子计算机、基因计算机），已成为当今计算机技
5、术的最前沿。 生物计算机比硅晶片计算机在速度、性能上有质的飞跃，被视为极具发展潜力的“第六代计算机”。,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（磁芯）做成 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等。 其中1K=210,1M=220,1G=230,1.2.3 微处理器的发展,1971年Intel公司开发出Intel 4004。这是第一个将CPU的所有元件都放入同一块芯片内
6、的产品，于是，微处理器诞生了。 微处理器演变中的另一个主要进步是1972年出现的Intel 8008，这是第一个8位微处理器，它比4004复杂一倍。 1974年出现了Intel 8080。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年代末才出现强大的通用16位微处理器，8086便是其中之一。 这一发展趋势中的另一阶段是在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。,1.2.4 计算机的性能指标,吞吐量
7、：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，单位是字节/秒（B/S）。 响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量，例如微秒（10-6S）、纳秒（10-9S）。 利用率：表示在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，一般用百分比表示。 处理机字长：指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位数。 当前处理机的字长有8位、16位、32位、64位。 字长越长，表示计算的精度越高。,总线宽度：一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。 存储器容量：存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。 其中1K=210，1M
8、=220，1G=230，1T=240，B=8位（1个字节）。 存储器容量越大，记忆的二进制数越多。 存储器带宽：存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。,主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。度量单位是MHz（兆赫兹）、GHz（吉赫兹）。例如Pentium系列机为60MHz266MHz，而Pentium 4升至3.6GHz。 主频的倒数称为CPU时钟周期（T），即T=1/f，度量单位是微秒、纳秒。,CPU执行时间：表示CPU执行一段程序所占用的CPU时间，可用下式计算： CPU执行时
9、间 CPU时钟周期数 CPU时钟周期长 CPI：表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。用下式计算：CPI 执行某段程序所需的CPU时钟周期数/该程序包含的指令条数,MIPS：表示每秒百万条指令数，用下式计算： MIPS 指令条数/（程序执行时间 106） 时钟频率/（CPI 106） 程序执行时间Te为： Te 指令条数/（MIPS 106）,MFLOPS：表示每秒百万次浮点操作次数，用下式计算： MFLOPS 程序中的浮点操作次数/ （程序执行时间 106 ） MIPS是单位时间内的执行指令数，所以MIPS值越高说明机器速度越快。 MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用来
10、衡量机器浮点操作的性能，而不能体现机器的整体性能。 TFLOPS表示每秒万亿次浮点操作次数，该技术指标一般在超级计算机中使用。,1.3 计算机的硬件,1.3.1 硬件组成要素 1.3.2 运算器 1.3.3 存储器 1.3.4 控制器 1.3.5 适配器与输入/输出设备,1.3.1 硬件组成要素,通过一个例子我们来了解数字计算机的主要组成和工作原理。 假设给一个算盘、一张带有横格的纸和一支笔，要求我们计算y=ax+b-c这样一个题目。 解题步骤和数据记录在横格纸上，请看过程，如表1.3所示。,表1.3,基本组成,控制器：人的大脑的操作控制功能 运算器：人的大脑的计算功能 存储器：人的大脑记忆功
11、能 输入设备：交互接口，笔 输出设备：交互接口，纸,冯诺依曼型计算机,存储程序并按地址顺序执行，这就是冯诺依曼型计算机的设计思想，也是机器自动化工作的关键。,世界公认的第一台电子数字计算机是1945年底制成、1946年予以公布的，名字是ENIAC即“电子数字积分机与计算机”的缩写。ENIAC有750条指令，没有程序存储器，靠人工设置开关和插入与拔出导线插头的方式来编制程序。程序的输入时间很长，调试修改极为困难。,作为ENIAC的设计顾问,出生于匈牙利的数学家冯诺依曼(Von Neumann19031957),在其后设计的一台新的计算机EDVAC(“电子离散变量自动计算机”的缩写)中提出了一种“
12、存储程序与程序控制”的思想，奠定了计算机系统结构设计的基础，后人就将其当时提出的机器结构称之为“冯诺依曼型机器结构”。冯诺依曼型机器结构的出现，对计算机的发展产生了深远的影响。迄今为止，绝大多数计算机的基本结构都基于冯诺依曼型机器结构。,存储程序思想的本质：计算机本身对存储器中存放的程序和数据二者是不加区分的，亦即指令和数据均以二进制代码形式存储。 计算机只认识代码，而不管它是指令还是数据。至于存储器中哪些是指令，哪些是数据，是由程序设计人约定或指定的。 这样一来，通过执行程序来修改存储单元的内容，就能修改构成程序本身的指令。也就是说，程序能够修改它的自身，或者说允许程序员编制自我修改的程序。
13、 存储程序思想的好处是： 使得程序便于编制和修改缺点： 现代计算机病毒的技术根源。,程序控制：控制器依据存储的程序来控制全机协调地完成计算任务叫做程序控制。,一般认为冯诺依曼机具有如下基本特点：(1)计算机由运算器、控制器、存储器和输入设备和输出设备五部分组成。(2)采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中，指令和数据一样可以送到运算器运算，即由指令组成的程序是可以修改的。(3)数据以二进制码表示。(4)指令由操作码和地址码组成。(5)指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器(即程序计数器PC)指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增，但可按运算结果或外界条件而改变。(6)机器
14、以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。,冯诺依曼对这种结构的概括,(一)由于这台设备主要是一台计算机，因此它必须能够执行使用最频繁的基本算术运算。它们是加、减、乘、除；+、-、/。所以它应该为这些运算配备专门的器件。但必须看到，虽然这些原则可能是合理的，但是需要仔细研究实现它们的特殊方式。无论如何这一设备的中央运算部分必须存在，它组成了第1个特定的部分：CA。,(二)设备中控制操作时序的逻辑控制部分能够由中央控制单元最有效地实现。如果设备有伸缩性，也就是说，它能够应用于几乎所有方面，那么必须区分对于给定的指令和所给出的特殊问题，以及保证这些指令，无论它是什么，都能被执行
15、的通用控制单元。指令必须以某种形式存储。中央控制(central control)仅指通用控制单元的功能。中央控制和实现它的器件组成了第2个特定部分：CC。,(三)任何执行长而复杂的操作(特别是计算)序列的机器必须有大量的存储器控制复杂问题的程序由许多指令组成，特别是当代码根据情况而定时（这存在于大多数情况中），这些指令必须被记忆。所有的存储器组成了设备的第3个特定的部分：M。,设备必须具有与特定媒体维持输入和输出的能力。这种媒体被称为设备的外部记忆媒体：R,（四）设备必须有从R到特定的C和M传送信息的器件。这些器件形成了它的输入，因此，第四部分是：I。将会看到最好所有 来自R的信息都通过I传
16、送到M,绝不要直接来自C. . （五）设备必须有从它的特定部分C和M传送信息到R的器件。这些器件形成了它的输出，因此，第五部分是：O。最好所有来自M的信息都通过O传送到R,绝不要直接从C. .,哈佛体系结构哈佛机为数据和程序提供了各自独立的存储器。程序计数器只指向程序存储器而不指向数据存储器。,数据存储器,程序存储器,CPUPC,地址,数据,地址,数据,1.3.2 运算器,算术运算和逻辑运算 在计算机中参与运算的数是二进制的 在运算中，当数的位数越多时，计算的精度就越高； 理论上讲，数的位数可以任意多； 但是位数越多，所需的电子器件也越多； 因此计算机的运算器长度一般是8位、16位、32位、6
17、4位。,1.3.3 存储器,运算过程中，需要保存大量的0，1代码或者数据的器件，目前采用半导体器件。 一个半导体触发器由于有0和1两个状态，可以记忆一个二进制代码，称为基本存储单元。 一个数假定用16位二进制代码来表示，那么就需要有16个触发器来保存这些代码。 通常，在存储器中把保存一个数的16个触发器称为一个存储单元。存储器是由许多存储单元组成的。 每个存储单元都有编号，称为地址。 向存储器中存数或者从存储器中取数，都要按给定的地址来寻找所选的存储单元,存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量，通常用单位KB，MB，GB，TB等来表示，如64KB，128MB。存储容量越大，表示计算机记忆
18、储存的信息就越多。 半导体存储器的存储容量毕竟有限，因此计算机中又配备了存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器，称为外存储器。 相对而言，半导体存储器称为内存储器，简称内存。,1.3.4 控制器,首先明确指令和程序的概念: 指令：计算机要完成的每一个基本操作称为一条指令。 程序：为解算某一问题的一串指令序列，叫做该问题的计算程序，简称程序。 指令的形式：操作码和地址码 操作码：指示指令要进行的操作。 地址码：指示该指令运算对象（称为操作数）在存储器中存放的位置。,表1.5 指令的操作码定义,控制器的基本任务：就是按照计算程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译
19、码器进行分析判别，然后根据指令性质，执行这条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行这第二条指令。依次类推。 通常把取指令的一段时间叫做取指周期。 如图1.6所示。每取出一条指令，控制器中的指令计数器就加1，从而为取下一条指令做好准备，这也就是指令为什么在存储器中顺序存放的原因。,指令流和数据流：指令和数据统统放在内存中，从形式上看，它们都是二进制数码。 控制器完全可以区分开哪些是指令字，哪些是数据字。 一般来讲，取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；而在执行器周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。,1.3.5适配器与I/O设备,输入设备：把人们所
20、熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式 输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式 适配器：它使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系，以便使主机和外围设备并行协调地工作 系统总线：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。 总之，现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的。,冯诺依曼型机器结构的演变现代计算机的结构与冯诺依曼型机器结构比较，主要的演变有以下几方面：(1)现代大多数机器将运算器和控制器集成在一块芯片上，称为微处理器(MPU)，并常用它作为中央处理部件(CPU)。
21、甚至将部分存储器和输入输出接口与运算器、控制器集成在一个芯片上,称为单片微处理器。,(2)现代机器以CPU为中心或以内存为中心，而不再是以运算器为中心。 (3)现代机器采用总线结构。总线的作用是将各个部件互连起来，并实现各部件之间正确地传输数据。,单总线包括数据总线、地址总线和控制总线，每一总线又包含若干根传输线单总线以CPU为中心，即由CPU来控制总线、如指定哪个部件可以占用总线，何时占用总线，占用时间多长，何时交还总线等。在CPU与各部件之间，还通过总线进行状态信息和命令信息的交换。,(4)在微观结构上，亦有很大的发展例如 先行控制实现指令重叠执行； 流水线提高程序执行的速度； 交叉存储提
22、高存储器的数据传输率和CPU效率； 虚拟存储解决大程序、小主存的矛盾； 高速缓存解决CPU速度快而主存慢的矛盾； 并行处理提高系统的处理速度和资源的利用率； RISC结构精简指令系统，单周期执行单条或多条 指令以提高系统性能。,1.4 计算机的软件,1.4.1 软件的组成与分类 1.4.2 软件的发展演变,1.4.1 软件的组成与分类,计算机软件相对计算机硬件来说是看不见，是计算机系统中不可少的无形部件。主要有两大类： 系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途。它包括以下四类： 各种服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等 语言程序，如汇
23、编程序、编译程序、解释程序等 操作系统 数据库管理系统 应用软件：用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序，如工程设计程序、数据处理程序、自动控制程序、企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等。,1.4.2 软件的发展演变,编程语言的发展 手编程序：机器语言程序，手工编译二进制码 汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编 高级程序：算法语言/高级语言，机器编译程序/解释程序 l系统软件的发展 操作系统 分布式系统软件,1.5 计算机系统的层次结构,1.5.1 多级计算机系统 1.5.2 软件与硬件的逻辑等价性 1.5.3 三个常用术语的物理概念,1.5.1 多级计算机系统,现代计算机系统是硬件和
24、软件组成的十分复杂的系统。 为了对这个系统进行描述、分析、设计和使用，人们从不同的角度提出了观察计算机的观点和方法。 其中常用的一种方法，就是从机器语言的角度出发，把计算机系统按功能划分成多级层次结构。 它通常由五个以上不同的级组成，每一级都能进行程序设计，如图所示。,五级计算机层次系统：,第一级是微程序设计级。这是一个实在的硬件级，它由机器硬件直接执行微指令。,第二级是一般机器级，也称为机器语言级，它由微程序解释机器指令系统。这一级也是硬件级。,第三级是操作系统级，它由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，广义指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。,第
25、四级是汇编语言级，它给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持和执行。,第五级是高级语言级，它是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置的。这一级由各种高级语言编译程序支持和执行。,1.5.2 软件与硬件的逻辑等价性,随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势,计算机系统软、硬件界限已经变得模糊了。因为任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。 对于某一功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等因素。,当研制一台计算机的时候，设计者必须明确分配每一级的任务，确定哪些情
26、况使用硬件，哪些情况使用软件，而硬件始终放在最低级。 比如原来通过编制程序实现的操作，如整数乘除法指令、浮点运算指令、处理字符串指令等等，改为直接由硬件完成。,总之，随着大规模集成电路和计算机体系结构的发展，实体硬件机的功能范围不断在扩大。换句话说，第一级和第二级的边界范围，要向第三级乃至更高级扩展。这是因为容量大、价格低、体积小、可以改写的只读存储器提供了软件固化的良好物质手段。 现在已经可以把许多复杂的、常用的程序制作成所谓固件。就它的功能来说，是软件；但从形态来说，又是硬件。其次，目前在一片硅单晶芯片上制作复杂的逻辑电路已经是实际可行的，这就为扩大指令的功能提供了物质基础，因此本来通过软
27、件手段来实现的某种功能，现在可以通过硬件来直接解释执行。,进一步的发展，就是设计所谓面向高级语言的计算机。这样的计算机，可以通过硬件直接解释执行高级语言的语句而不需要先经过编译程序的处理。因此传统的软件部分，今后完全有可能“固化”甚至“硬化”。,1.5.3 三个常用术语的物理概念,为了描述计算机系统，就要清楚地区分计算机结构(computer architecture)和计算机组织(computer。organization)这两个概念。虽然很难精确地给这两个术语下定义，但对它们所涉及的领域则存在着共识。,计算机体系结构(computer architecture)这个专门术语已被广泛使用，它
28、定义为机器语言程序员所看到的传统机器级所具有的属性，包含概念性结构和功能特性两个方面。,它主要研究： 指令系统的确定，确定计算机加工的数据类型、指令的功能和种类等。 寻址方式、寄存器定义 数据的表示：多少位二进制表示数和字符等。 中断机制：如何完成中断操作，响应中断请求，返回等。 输入输出的连接方式：如独立编址还是统一编址等。 此外还包括： 计算机系统软件和硬件的功能分配以及最佳、最合理地实现分配给硬件功能特性。 计算机系统设计、性能测评、成本和可靠性的分析与评价等,计算机组织（computer organization）也译成计算机组成，指的是计算机体系结构的逻辑实现，包括物理机器级内的数据
29、流和控制流的组成以及逻辑设计等。它着眼于物理机器级内各事件的排序方式与控制方式，各部件的功能以及各部件的联系。,比如如下几个方面： 研究数据和指令的组织，基本运算的算法，数据的存取、传送和加工处理，数据流和指令流的控制方式等。 计算机硬件系统的具体实现，包括由哪些部件组成、它们的工作原理、逻辑实现、设计方法，以及将它们连接成整机的方法。 从控制与处理的角度，CPU是核心部件，包括它的构成，以及指令的实现即控制信号如何发出等。,例： 计算机是否有乘法指令是结构设计的问题（程序员可见） 。而这条指令是由特定的乘法单元实现还是通过重复使用系统的加法单元实现则是一个组织的问题（程序员不可见） 。决定使用哪种组织是基于对预期的乘法单元的使用频度、两种方案的相对速度、一个特定乘法单元的成本、物理尺寸等因素的考虑。,再用一个比喻帮助理解，比如动物，它的“结构”是指它的概念性结构和功能特性： 如鸡有胃，胃可以消化食物。 而 “组织”或“组成”研究的问题 鸡的胃是什么形状的、鸡的胃由什么组成的。,计算机实现(Computer implementation）:指的是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，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。 它着眼于器件技术和微组装技术，其中器件技术在实现技术中占主导作用。,
