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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 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：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=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“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。 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 CPU PC 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、64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。 指令操作码 加法001 减法010 乘法011 除法100 取数101 存数110 打印111 停机000 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)。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 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