白中英計算機組成原理第1章計算機系統(tǒng)概論

第1章計算機系統(tǒng)概論目錄1.0預備知識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)的層次結構1/8/20252學習要求了解計算機的發(fā)展歷程；清楚計算機的系統(tǒng)層次結構、計算機硬件的基本組成(五大部件的構成)、計算機軟件的分類，以及計算機的基本工作過程；了解計算機性能評價指標和相關參數(shù)；吞吐量、響應時間、CPU時鐘周期、主頻、CPI、CPU執(zhí)行時間；MIPS、MFLOPS等。要求初步掌握計算機系統(tǒng)的基本概念及基本結構，為進一步深入學習打下基礎。1/8/20253一個程序的CPU時間可以用下面兩種方式來描述：

CPU時間=一個程序的CPU時鐘周期數(shù)×時鐘周期長度

或者：

除了執(zhí)行程序所需的時鐘周期數(shù)，我們還需要計算程序執(zhí)行的指令數(shù)（IC）。如果我們知道了一個程序執(zhí)行的指令數(shù)和執(zhí)行所需的時鐘周期數(shù)，我們就可以計算出執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù)（CPI）：

這一CPU性能指標不論是對不同的指令集或是對不同的實現(xiàn)都提供了直觀的看法。在后面，我們還要經(jīng)常使用它。

將上式中，時鐘周期數(shù)可定義為指令數(shù)×CPI，這使我們能夠在執(zhí)行時間公式中使用CPI：

CPU時間＝IC×CPI×時鐘周期的長度

1/8/20254

將第一個公式展開成度量單位后，可看出各項的組合方式：

正象上面公式顯示的那樣，CPU時間與三個因素有關：時鐘周期的長度、執(zhí)行每條指令所需的時鐘周期數(shù)和程序的指令數(shù)。此外，這三個因素對CPU時間的影響是相同的，這三個因素中的任何一個改進10％，CPU時間就會改進10％。

不幸的是，孤立地改變一個參數(shù)是很困難的，因為改變各因素的技術是相互關聯(lián)的：

(1)時鐘周期的長度是由硬件技術和計算機組成決定；

(2)CPI是由計算機組成和指令集的系統(tǒng)結構決定；

(3)指令數(shù)是由指令集的系統(tǒng)結構和編譯器決定；

幸運的是，許多很有潛力的會帶來計算機性能提高的技術主要影響CPU性能三個因素中的一個，而對另外兩個因素影響較小或是可預測的。

1/8/202551.0預備知識問題1：一臺計算機一般有哪幾部分組成？顯示器、鍵盤、鼠標、音箱、主機箱等；主機箱中有：主板、CPU、硬盤、內(nèi)存、顯卡、聲卡等；問題2：如何對以上設備分類？輸入輸出設備中央處理設備存儲設備接口轉換卡部件連接線問題3：有了以上設備，計算機是否能發(fā)揮其功效？一個完整的計算機系統(tǒng)應包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。顯示器，鍵盤，鼠標，音箱CPU（集處理和控制于一身）硬盤、內(nèi)存顯卡、聲卡總線1/8/202561/8/202571/8/202581/8/202591/8/2025101/8/202511DDR內(nèi)存條SDRAM內(nèi)存條1/8/20251280G硬盤1/8/202513硬盤數(shù)據(jù)線1/8/202514DVD光驅1/8/202515機內(nèi)電源插頭1/8/2025161.1計算機的分類數(shù)字計算機模擬計算機專用計算機通用計算機處理數(shù)字量信息按位運算，不連續(xù)地跳動計算處理模擬量信息數(shù)值連續(xù)、運算過程連續(xù)是針對某一任務設計的最有效、最經(jīng)濟和最快速的計算機，但適應性很差。適應性很大，但犧牲了效率、速度和經(jīng)濟性。單片機微型機服務器大型機超級計算機低高體積功能數(shù)據(jù)存儲量指令系統(tǒng)價格低高簡易性分類雙核機如P2圖1.11/8/2025171.2計算機的發(fā)展簡史超大規(guī)模集成電路中小規(guī)模集成電路晶體管電子管1972~1990年1946~1957年，第一代計算機1965~1971年1958~1964年第二代計算機巨大規(guī)模集成電路1991年~至今摩爾定律1.2.1計算機的五代變化1/8/202518第一代計算機第一代計算機(1946年－1957年)采用電子管。代表機型：ENIAC（電子數(shù)字積分計算機）1941年美國賓夕法尼亞大學開始研制；它于1946年2月15日在美國宣告誕生主要是為了解決美陸軍提出的彈道計算問題；ENIAC長30.48米，寬1米，占地面積約170平方米，30個操作臺，約相當于10間普通房間的大小，重達30噸，耗電量150千瓦，造價48萬美元。包含了17,468真空管7,200水晶二極管,1,500中轉,70,000電阻器,10,000電容器，1500繼電器，6000多個開關，每秒執(zhí)行5000次加法或400次乘法，是繼電器計算機的1000倍、手工計算的20萬倍。1955年10月2日最后切斷電源。1/8/202519ENIAC1/8/202520第二代計算機(1958－1964)晶體管1/8/2025211/8/202522摩爾定律1964年，英特爾公司創(chuàng)始人戈登.摩爾（GordonMoore）在一篇很短的論文里斷言：每18個月，集成電路的性能將提高一倍，而其價格將降低一半。這就是著名的摩爾定律。作為迄今為止半導體發(fā)展史上意義最深遠的定律，摩爾定律被集成電路40多年的發(fā)展歷史準確無誤地驗證著。摩爾定律有另外一種表述方法，即每過10年計算機系統(tǒng)性能將會增加100倍，通訊帶寬也會提高100倍，而花費的資金不會增加。1/8/2025231.2.2半導體存儲器的發(fā)展20世紀50~60年代，磁芯存儲器價格昂貴，體積大，破壞性讀出1970年，半導體存儲器價格更加昂貴，體積小，非破壞性讀寫1974年之后，半導體存儲器價格不斷降低，體積不斷減少，讀寫速度更快。有關存儲器的介紹詳見第3章1/8/2025241.2.3微處理器的發(fā)展20世紀70年代的處理器4004（4位）8008（8位）8080（8位通用）8086（16位）808820世紀80年代的處理器80286386TMDX386TMSX486TMDX20世紀90年代的處理器486TMSXPentiumPentiumProPentiumIIPentiumⅢ最近10年的處理器Pentium4ItaniumItanium2I系列1/8/2025251/8/2025261/8/2025271/8/202528雙核CPU三核CPU1/8/2025291.2.4計算機的性能指標（1/3）吞吐量表征一臺計算機在某一時間間隔內(nèi)能夠處理的信息量。響應時間從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應之間的時間度量，用時間單位來表示。利用率在給定的時間間隔內(nèi)，系統(tǒng)被實際使用的時間所占的比率，用百分比表示。處理機字長（機器字長）處理機運算器中一次能夠完成二進制運算的位數(shù)，如32、64位；機器字長與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線寬度具有一定的相關性（不一定完全一樣）。1/8/2025301.2.4計算機的性能指標（2/3）總線寬度一般指運算器與存儲器之間的數(shù)據(jù)總線寬度。注意課本上的表述錯誤！主存儲器容量主存儲器所能存儲二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)?；蛘哒f“主存儲器中所有存儲元的總數(shù)目?！?，而非“存儲單元”?。?位）主存儲器帶寬單位時間內(nèi)從主存儲器讀出的二進制信息量，一般用字節(jié)數(shù)/秒表示。主頻/時鐘周期CPU主時鐘的頻率——主頻；其倒數(shù)為CPU的時鐘周期(T周期)。1/8/2025311.2.4計算機的性能指標（3/3）CPU的運算速度CPU執(zhí)行時間：CPU執(zhí)行一般程序所占用的CPU時間；CPI：執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù)；MIPS：每秒百萬指令數(shù)，即單位時間內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù)；針對標量機（執(zhí)行一條指令，只得到一個運算結果）MFLOPS：每秒百萬次浮點操作數(shù)，衡量機器浮點操作的性能。針對向量機（執(zhí)行一條向量指令，通?？傻玫蕉鄠€運算結果）其他的性能指標主存儲器的讀寫速度、IO的數(shù)據(jù)傳送率、帶寬的均衡性……1/8/2025321.3計算機的硬件1.3.1硬件的組成要素用算盤模擬一下計算機y=ax+b-c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,結果在算盤上3加法（10）→算盤完成ax＋b,結果在算盤上4減法（11）→算盤完成y＝ax＋b－c,結果在算盤上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8

10b數(shù)據(jù)11c數(shù)據(jù)12x數(shù)據(jù)13y數(shù)據(jù)9a數(shù)據(jù)紙----------存儲器算盤----------運算器筆----------輸入/輸出設備人----------控制器1/8/202533馮·諾依曼機的特點由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五個部分組成；存儲器以二進制形式存儲指令和數(shù)據(jù)；指令由操作碼和地址碼組成；存儲程序并按地址順序執(zhí)行；馮·諾依曼機的核心設計思想，機器自動化工作的關鍵；以運算器為中心。1/8/202534馮·諾依曼機與現(xiàn)代微機馮·諾依曼機結構輸入設備存儲器輸出設備運算器控制器輸入設備控制器輸出設備存儲器運算器現(xiàn)代微機結構1/8/202535現(xiàn)代計算機的特點將運算器、控制器和片內(nèi)的高速緩存，統(tǒng)稱為CPU；而將CPU、主存儲器、輸入/輸出接口和系統(tǒng)總線統(tǒng)稱為主機；其余的設備均為外設。主機內(nèi)僅包含主存儲器，輔助存儲器屬于I/O設備；以存儲器為中心。減輕CPU的數(shù)據(jù)傳送負擔，提高系統(tǒng)的整體性能；1/8/2025361.3.2運算器功能：

處理所有的算術及邏輯運算。通常稱為ALU(算術邏輯單元)特點：采用二進制數(shù)據(jù)進行運算；運算器一次可以處理的數(shù)據(jù)

位數(shù)稱為機器字長；機器字長一般為8、16、32、

64位，機器字長直接決定著運算的精度和能力；運算器主要由ALU和各類通用寄存器構成。運算器結構示意圖演示1/8/2025371.3.3存儲器（1/2）功能：保存所有的程序和數(shù)據(jù)。特點：二進制形式保存程序和數(shù)據(jù)；存儲器是按存儲單元組織的，讀寫存儲單元必須給出單元地址；相關的概念存儲元：用于保存一位0/1二進制數(shù)據(jù)的物理器件；存儲單元：能夠保存一個字數(shù)據(jù)的器件，由若干個存儲元構成；單元地址：能區(qū)分每一個存儲單元的編號，一般從0開始編號；存儲容量：一個存儲器所能保存的二進制信息的總量。存儲器結構示意圖演示1/8/2025381.3.3存儲器（2/2）存儲器的分類：外存（輔助存儲器）磁盤存儲器、光盤存儲器；CPU不可直接訪問；內(nèi)存（主存儲器）半導體存儲器；CPU直接訪問，存放當前系統(tǒng)運行所需的所有的程序和數(shù)據(jù)。兩個與主存相關的寄存器MAR(存儲器地址寄存器)：接收由CPU送來的地址信息；MDR(存儲器數(shù)據(jù)寄存器)：作為外界與存儲器之間的數(shù)據(jù)通路。存儲器地址寄存器MAR主存儲器存儲器數(shù)據(jù)寄存器MDR1/8/2025391.3.4控制器功能：

根據(jù)所要執(zhí)行指令的功能，按順序發(fā)出各種控制命令，協(xié)調(diào)計算機的各個部件的工作。主要任務：解釋并執(zhí)行指令；控制指令的執(zhí)行順序；負責指令執(zhí)行過程中，操作數(shù)的尋址；根據(jù)指令的執(zhí)行，協(xié)調(diào)相關部件的工作，如運算類指令執(zhí)行時對標志寄存器的影響設置。指令的形式操作碼：指出指令所進行的操作，如加、減、數(shù)據(jù)傳送等；地址碼：指出進行以上操作的數(shù)據(jù)存放位置。1/8/2025409a數(shù)據(jù)a存放在9號單元指令地址指令數(shù)據(jù)地址數(shù)據(jù)計算機運算y＝ax＋b－c1取數(shù)存儲器9號地址的數(shù)a送運算器A9（9）→

A2乘法完成a*x,結果保留在運算器A12(A)×(12)→

A3加法完成ax＋b,結果保留在運算器A10(A)＋(10)

→

A4減法完成y＝ax＋b－c,結果保留在A11(A)－(11)→A5存數(shù)運算器A中的結果y送存儲器13號地址13A→136打印將A中的結果經(jīng)打印機打印出來A→Print7停止機器停止工作Stop8說明10b數(shù)據(jù)b存放在10號單元11c數(shù)據(jù)c存放在11號單元12x數(shù)據(jù)x存放在12號單元13y運算結果y存放在13號單元操作碼地址碼說明指令操作內(nèi)容9a數(shù)據(jù)a存放在9號單元1/8/202541設指令系統(tǒng)如下，試寫出該指令序列。指令操作碼說明加法001(A)+(M)-->A減法010(A)-(M)-->A乘法011(A)*(M)-->A除法100(A)/(M)-->A取數(shù)101(M)-->A存數(shù)110(A)-->M打印111(A)-->顯示器停機000PC-->PC0……實際存儲1取數(shù)92乘法123加法104減法115存數(shù)136打印7停止89a10b11c12x13y14……1510110010111100001101001010111101101111xxxx000xxxxa(二進制數(shù))bcxy如課本P9圖1.5表1.51/8/2025421.3.4控制器（續(xù)）控制器工作的周期取指周期：取指令的一段時間執(zhí)行周期：執(zhí)行指令的一段時間指令按順序執(zhí)行的控制部件：指令計數(shù)器每取出一條指令，指令計數(shù)器就加1；遇到轉移類指令，控制器根據(jù)所執(zhí)行指令設置指令計數(shù)器的值；相關概念數(shù)據(jù)字：該字代表要處理的數(shù)據(jù)；指令字：該字為一條指令；指令流：取指周期中，從內(nèi)存讀出的信息流；數(shù)據(jù)流：執(zhí)行周期中，從內(nèi)存讀出的信息流。1條指令的字節(jié)數(shù)1/8/2025431.3.5適配器與輸入輸出設備輸入設備將人們熟悉的某種信息形式變換為機器內(nèi)部所能接收和識別的二進制信息形式的設備。輸出設備把計算機的處理結果變成人或其他機器設備所能接收和識別的信息形式的設備。適配器保證外圍設備用計算機系統(tǒng)特性要求的形式發(fā)送或接收信息。系統(tǒng)總線構成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。1/8/202544使用計算機的工作過程（1）提出問題：計算y=ax+b-c（2）按照指令系統(tǒng)編制程序（3）將指令變?yōu)闄C器代碼，送入主存儲器（4）控制器控制執(zhí)行程序

PC:程序計數(shù)器，其位數(shù)與MAR相同。IR:指令寄存器，其位數(shù)與MDR相同。用簡化模型描述使用計算機工作過程1/8/202545程序計數(shù)器PC指令寄存器IR控制單元CUMARMMMDRALU暫存器X累加器ACC乘商寄存器MQ高4位低4位運算器存儲器控制字控制器1/8/202546PCIRCUMARM.MMDRALUXACCMQ高4位低4位控制字101011001010110012a請思考：計算機如何區(qū)分從主存中取出的數(shù)據(jù)是指令還是數(shù)據(jù)？運算器存儲器控制器1/8/202547（1）指令系統(tǒng)，設有6條指令匯編語言助記符

操作碼地址碼功能LMAn

0001n[M]→ACCSAMn

0010n[ACC]→MADDn

0011n[ACC]+[M]→ACCMULn

0100n[ACC]*[M]→ACCOUTn

0101n輸出[M]HLT

0110停機***地址n假設為4位的二進制數(shù)。舉例：假設簡化計算機模型的指令格式如下：操作碼地址碼4位4位1/8/202548序號指令注釋0LMAx;[M]ACC1MULx;[ACC]*[M]ACC2MULa;[ACC]*[M]ACC3SAMy;[ACC][M]4LMAx

5MULb6ADDy7ADDc8SAMy9HLT10Xdb?11Adb?12Bdb?13Cdb?14Ydb?000011010101001010201001011300101110400011010501001100600111110700111101

0010111090110000010x11a12b13c14y(2)試編制程序，計算y=ax2+bx+c匯編后內(nèi)存分配情況指令系統(tǒng)LMAn

0001nSAMn

0010

nADDn

0011

nMULn

0100

nOUTn

0101

nHLTn

0110

n1/8/202549簡化模型幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？幾位？程序計數(shù)器PC指令寄存器IR累加器A寄存器B算邏部件ALU乘商寄存器MQ存儲器地址寄存器MAR16X8RAMM.M控制單元存儲器數(shù)據(jù)寄存器MDR簡化模型演示1/8/202550

1.4計算機的