計算機組成原理計算機系統(tǒng)概論

計算機組成原理武漢科技大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院《計算機組成原理》

PrinciplesofComputerOrganization課程代碼：1301026

課程類別：必修

課程學(xué)分：4

課程學(xué)時：80(其中：實驗18學(xué)時)

授課對象：計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生

軟件工程專業(yè)本科生

網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)本科生教學(xué)內(nèi)容

研究討論計算機單處理機系統(tǒng)的完整硬件系統(tǒng)的基本組成原理與內(nèi)部運行機制

單處理機系統(tǒng)：非多機系統(tǒng)基本：不一定是最高性能、最合理的組成,

而是最基礎(chǔ)的必要的組成部分

完整：計算機整機、全部的硬件功能部件輸入設(shè)備輸出設(shè)備

總線外存設(shè)備主存儲器高速緩存控制器運算器第3、7章第7章第4、5章第2章第6章輸入輸出接口第8章計算機硬件系統(tǒng)組成教學(xué)過程與成績比例

除課堂教學(xué)外，實驗室配有相應(yīng)的計算機組成原理實驗箱，通過實驗可使學(xué)生理論聯(lián)系實際，一方面增強對相應(yīng)知識點的理解和掌握，同時培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新意識。實驗共18學(xué)時，單獨作為一門課程，獨立給定成績；不計入理論課的總成績之中。理論課成績由平時成績和期末考試成績構(gòu)成。平時成績包括期中考試、平時考勤、平時作業(yè)等，按30%的比例算入總成績之中。期末考試成績占總成績的70%。學(xué)習(xí)指南本課程的重點：計算機系統(tǒng)各基本部件的原理及實現(xiàn)本課程的難點：各部件互連構(gòu)成整機系統(tǒng)，即整機概念的建立本課程的深廣度：主要討論計算機組成中具有共性的問題，要處理好抽象概念與具體實例的關(guān)系第一章計算機系統(tǒng)概論本章內(nèi)容1.1計算機的分類1.2計算機的發(fā)展簡史1.3計算機的硬件1.4計算機的軟件1.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.1計算機的分類按信號量分模擬機數(shù)字機專用通用超級計算機大型機服務(wù)器PC機單片機多核機2.數(shù)字機與模擬機的主要區(qū)別模擬機：用連續(xù)量表示數(shù)據(jù)，計算過程也是連續(xù)的數(shù)字機：用離散的數(shù)字量表示數(shù)據(jù)，按位不連續(xù)地跳動計算1.如何分類？分類的依據(jù)及結(jié)果，按用途分，按規(guī)模分超級計算機多核機大型機服務(wù)器PC機單片機體積功耗性能數(shù)據(jù)存儲量指令系統(tǒng)價格低高簡易性高低1.2計算機的發(fā)展簡史1.2.1計算機的五代變化第五代類型時期主要器件

重要特征第一代1946|1957電子管機器語言，匯編語言速度低，體積大，價格昂貴可靠性差，用于科學(xué)計算第二代1958|1964晶體管算法語言，操作系統(tǒng)體積縮小，可靠性提高從科學(xué)計算擴大到數(shù)據(jù)處理第三代1965|1971中、小規(guī)模集成電路體積小，可靠性大大提高，軟件技術(shù)和外設(shè)發(fā)展迅速應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大第四代1972|1990大及超大規(guī)模集成電路體積進一步縮小，可靠性進一步提高，成本進一步降低1991|巨大規(guī)模集成電路由一片巨大規(guī)模集成電路實現(xiàn)的單片計算機開始出現(xiàn)運算速度每秒幾千~幾萬次每秒幾萬~幾十萬次每秒幾十萬~幾百萬次每秒1000萬~1億次每秒10億次摩爾定律1.2.2半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展

50~60年代，由微小的鐵磁體環(huán)(磁芯)構(gòu)成

1970年，仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)了第1片半導(dǎo)體存儲器

1974年，每位半導(dǎo)體存儲器的價格低于磁芯存儲器此后半導(dǎo)體存儲器經(jīng)歷了11代：單個芯片容量1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB和現(xiàn)在的1GB其中：1B=8bit；1K=210；1M=220；1G=2301.2.3微處理器的發(fā)展20世紀(jì)70年代：

4004800880808086808820世紀(jì)80年代：

80286386TMDX386TMSX 486TMDX20世紀(jì)90年代：

486TMSXPentiumPentiumPro PentiumII最近的處理器：

PentiumIIIPentium4Itanium Itanium2吞吐量：計算機在某一時間間隔內(nèi)能處理的信息量響應(yīng)時間：從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時間利用率：給定時間間隔內(nèi)系統(tǒng)被實際使用的時間所占比率處理機字長：處理機運算器一次能完成二進制運算的位數(shù)總線寬度：運算器與存儲器間互連的內(nèi)部總線二進制位數(shù)存儲器容量：存儲器中所有存儲單元的總數(shù)目存儲器帶寬：單位時間內(nèi)從存儲器讀出的二進制數(shù)信息量主頻/時鐘周期：主時鐘的頻率為CPU的主頻；主頻的倒數(shù)為CPU時鐘周期1.2.4計算機的性能指標(biāo)CPU執(zhí)行時間：CPU執(zhí)行一段程序所占CPU時間 CPU執(zhí)行時間=CPU時鐘周期數(shù)CPU時鐘周期CPI：每條指令周期數(shù)——執(zhí)行一條指令所需平均時鐘周期數(shù) CPI=執(zhí)行某段程序所需時鐘周期數(shù)÷程序包含指令條數(shù)MIPS：每秒百萬指令數(shù)——單位時間內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù) MIPS=指令數(shù)÷(程序執(zhí)行時間106)FLOPS：每秒執(zhí)行浮點操作的次數(shù) MFLOPS=程序中浮點操作次數(shù)÷程序執(zhí)行時間1.2.4計算機的性能指標(biāo)(續(xù))例1：對于給定程序，IN——執(zhí)行程序中的指令總數(shù) tCPU——執(zhí)行該程序所需CPU時間 NC——CPU時鐘周期數(shù)各性能參數(shù)關(guān)系舉例Ii/IN——i指令在程序中所占比例Ii——i指令在程序中執(zhí)行的次數(shù)CPIi——i指令所需平均時鐘周期數(shù)n——指令種類例2：用50MHz處理機執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測試程序，它包含的混合指令數(shù)和相應(yīng)所需平均時鐘周期數(shù)如表所示，求CPI、MIPS和tCPU各性能參數(shù)關(guān)系舉例指令類型指令數(shù)目平均時鐘周期數(shù)整數(shù)運算450001數(shù)據(jù)傳送320002浮點運算150002控制傳送800021.3計算機的硬件1.3.1硬件組成要素--用算盤計算y=ax+b-c的步驟行數(shù)解題步驟和數(shù)據(jù)說明1取數(shù)(9)→算盤(9)表示第9行的數(shù)a,下同2乘法(12)→算盤完成a*x,結(jié)果在算盤上3加法(10)→算盤完成ax+b,結(jié)果在算盤上4減法(11)→算盤完成ax+b-c,結(jié)果在算盤上5存數(shù)y→13算盤上的y值記到第13行6輸出把算盤上的y值寫出給人看7停止運算完畢,暫停89a數(shù)據(jù)10b數(shù)據(jù)11c數(shù)據(jù)12x數(shù)據(jù)13y數(shù)據(jù)算盤計算中用到了：1)算盤:對數(shù)據(jù)進行加、減、乘、除等算術(shù)運算2)紙:存儲解題的原始信息——包括解題步驟和原始數(shù)據(jù)

3)筆:把原始數(shù)據(jù)和解題步驟記錄到紙上，并把運算結(jié)果寫出

4)人本身(主要是腦和手):控制解題過程計算機與算盤類似的相應(yīng)部件1)運算器:相當(dāng)于算盤功能的部件2)存儲器:相當(dāng)于紙那樣具有“記憶”功能的部件3)輸入設(shè)備輸出設(shè)備:相當(dāng)于筆，把原始解題信息送到計算機或把運算結(jié)果顯示出來的設(shè)備4)控制器:相當(dāng)于人的大腦,能夠自動控制整個計算過程運算器控制器存儲器適配器輸入設(shè)備輸出設(shè)備系統(tǒng)總線1.3.2運算器

功能：進行算術(shù)、邏輯運算 由電子線路構(gòu)成的算盤

數(shù)制：二進制采用二進制的原因有三點:字長(即位數(shù)):通常有8、16、32、64位運算規(guī)律簡單

比較容易實現(xiàn)節(jié)省元件狀態(tài)數(shù)ALU電路寄存器B累加器A1.3.3存儲器–

有內(nèi)存(半導(dǎo)體存儲器)與外存(磁盤、光盤等)之分

功能：保存或“記憶”解題的原始數(shù)據(jù)和解題步驟

存儲介質(zhì)：內(nèi)存為半導(dǎo)體存儲器，由觸發(fā)器構(gòu)成，一個觸發(fā)器存放1bit存儲單元:保存一個數(shù)據(jù)的多個觸發(fā)器,稱為一個存儲單元

8個bit構(gòu)成一個字節(jié)(Byte)(1~n)個字節(jié)構(gòu)成一個字(Word)，n取決于計算機的字長

存儲單元的標(biāo)識：單元地址，每個存儲單元的編號

存儲容量:存儲器所有存儲單元的總數(shù)。常用單位有KB，MB，GB，TB等存儲內(nèi)容：程序、數(shù)據(jù)，均用二進制代碼表示1.3.4控制器--

發(fā)號施令的部件，控制計算機的各個部件有條不紊地進行工作具體任務(wù)：從內(nèi)存中取出解題步驟加以分析，然后執(zhí)行某種操作1.程序——為解決某一實際問題而設(shè)計的指令序列每一個基本操作叫做一條指令，如加、減、乘、除等；解算某一問題的一串指令序列，叫做該問題的計算程序，簡稱為程序操作碼地址碼指令的構(gòu)成：操作的性質(zhì)和操作的地址即操作碼和地址碼操作碼:指出指令所進行的操作地址碼:表示運算數(shù)據(jù)的來源及運算結(jié)果的去向2.指令的形式存儲程序與程序控制存儲程序：把構(gòu)成程序的指令序列以代碼的形式存放到存儲器中程序控制：當(dāng)計算機啟動后，控制器依據(jù)存儲的程序控制全機協(xié)調(diào)地完成預(yù)定的信息處理任務(wù)馮.諾依曼型計算機的設(shè)計思想：存儲程序并按地址順序執(zhí)行馮.諾依曼結(jié)構(gòu)：指令和數(shù)據(jù)放在同一個存儲器哈佛結(jié)構(gòu)：指令和數(shù)據(jù)分別放在兩個存儲器3.控制器的基本任務(wù)逐條從內(nèi)存中取出指令—取指周期然后執(zhí)行指令—執(zhí)行周期中央處理器CPU、中央處理機4.指令流和數(shù)據(jù)流

數(shù)據(jù)字：要處理的一個數(shù)據(jù)

指令字：要執(zhí)行的一條指令計算機對內(nèi)存中指令和數(shù)據(jù)信息的區(qū)分取指周期中從內(nèi)存讀出的信息是指令流,流向控制器；執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出(或向內(nèi)存寫入)的信息流是數(shù)據(jù)流,由內(nèi)存流向運算器(或從運算器流入內(nèi)存)——指令流是單向的，數(shù)據(jù)流是雙向的1.3.5適配器與輸入輸出設(shè)備輸入設(shè)備：把人們熟悉的某種信息形式變換為機器內(nèi)部能接收和識別的二進制信息形式輸出設(shè)備：把計算機處理的結(jié)果變換為人或其他機器所能接收和識別的信息形式計算機的輸入/輸出設(shè)備通常稱為外圍設(shè)備(3)適配器

輸入輸出設(shè)備通過適配器部件與主機相連接

適配器保證外圍設(shè)備用計算機所要求的形式發(fā)送或接收信息系統(tǒng)總線——多個系統(tǒng)部件間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息現(xiàn)代電子計算機構(gòu)成：運算器、控制器、存儲器、適配器、輸入/輸出設(shè)備，通過總線互連1.4計算機的軟件1.4.1軟件的組成和與分類

計算機軟件一般分為兩大類：系統(tǒng)程序應(yīng)用程序

系統(tǒng)程序用來簡化程序設(shè)計和使用方法,提高計算機的使用效率，發(fā)揮和擴大計算機的功能及用途包括四類——各種服務(wù)性程序、語言程序、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

應(yīng)用程序是用戶利用計算機解決某些問題所編制的程序1.目的程序

直接用機器語言編寫程序——手編程序機器語言是計算機唯一可直接識別和執(zhí)行的語言優(yōu)點：計算機可“識別”并能執(zhí)行缺點：編程繁瑣；耗費人力和時間多；易出錯；出錯后難查找2.匯編程序機器指令符號化

匯編語言、匯編語言源程序、匯編程序

缺點：和數(shù)學(xué)語言差異很大；依賴具體的機器3.算法語言

接近自然語言和數(shù)學(xué)公式的語言；與具體機器無關(guān)

編譯系統(tǒng)(編譯程序和運行系統(tǒng))或解釋程序1.4.2軟件的發(fā)展演變4.操作系統(tǒng)(OS)作用：管理計算機資源，為用戶提供使用計算機的操作接口分類：批處理操作系統(tǒng)、分時操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、實時操作系統(tǒng)等多種5.數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)(DBMS)——數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件構(gòu)成數(shù)據(jù)庫——實現(xiàn)有組織地、動態(tài)地存儲大量相關(guān)數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問的計算機軟、硬件資源組成的系統(tǒng)1.5.1多級組成的計算機系統(tǒng)1.微程序設(shè)計級或邏輯電路級實在的硬件級，由機器硬件直接執(zhí)行微命令2.一般機器級(機器語言級)由微程序解釋機器指令系統(tǒng)，也是硬件級3.操作系統(tǒng)級(混