计算机组织与结构(雷建军)1

计算机组织与结构使用教材：计算机组成原理，第二版，清华大学出版社(黄颖)主讲教师：雷建军Email:leijj@

HP信科1701)考试方式：考试（70%）+作业（20%）+出勤（10%）重庆邮电大学

第一章计算机系统概述

1.1计算机发展简史早期的计算工具1819年巴贝奇(剑桥)设计的差分机分析机

第一代计算机—电子管电子计算机（1945）

ENIAC（宾州）由18000个电子管和1500个继电器组成，重30吨，耗电140KW，占地170平方米，每秒钟能计算5000次加法。

第二代计算机—晶体管电子计算机（1954）主要器件逐步由电子管改为晶体管，因而缩小了体积，降低了功耗，提高了速度和可靠性，而且价格也不断下降。第三代计算机—集成电路计算机（1958）集成电路可分为：小规模集成电路（SmallScaleIntegration，SSI），中规模集成电路（MediumScaleIntegration，MSI），大规模集成电路（LargeScaleIntegration，LSI）超大规模集成电路（VeryLargeScaleIntegration，VLSI）。

摩尔定律（1965）:单个芯片中的晶体管数目每年能够翻一番（1970后18个月）。摩尔定律的影响:1)在芯片集成度快速增长的期间，单个芯片的成本几乎没有变化，这意味着计算机逻辑电路和存储器电路的成本显著下降。2)因为在集成度更高的芯片中逻辑和存储器单元的位置更靠近，电路长度更短，所以提高了工作速度。3)计算机体积更小，更容易放置在各种环境中。4)减少了电能消耗及对冷却的要求。5)集成电路内部的连接比芯片间的连接更可靠，由干芯片中的电路增加，芯片间的连接变得更少。系列机具有以下特性：1)相同的或相似的指令集：在多数情况下，系列中的所有成员都有完全相同的指令集。在一台机器上执行的指令同样也能在另一台机器上执行。某些情况下，系列中低端产品的指令集是高端产品的一个子集。这意味着程序可以向上而不能向下移植。2)相似或相同的操作系统：产品家族中的所有成员都有相同的基本操作系统。有些情况下，高端成员会增添一些新特性。3)更高的速度：成员机器从低端到高端，指令执行速度从低到高。4)更多的I/O端口数：成员机器从低端到高端，I/O端口数越来越多。5)更大的内存容量：成员机器从低端到高端，内存容量越来越大。6)成本增加：成员机器从低端到高端，成本越来越高。

第四代计算机—超大规模集成电路计算机1971第一台微机MCS-4（Intel4004）1981IBMPC机Intel8086MS-DOS开放的工业标准和总线结构

第五代计算机—普适计算机泛在的（ubiquitous）嵌入式（embedded）普适计算特殊性主要有：（1）硬件和软件经常是协同设计的；（2）普适计算的重要目标就是将物理世界和信息世界相互关联；（3）网络基础设施尤其是无线网络技术的发展为普适计算提供了物质基础；（4）设备尺寸小、功耗和成本低。1.2计算机的分类1、巨型机—尖端科学计算2、大型机—大型商业应用3、小型机—工业控制4、微型机—家庭应用5、工程工作站—专业应用6、嵌入式计算机（目前应用非常广泛）7、移动终端

平板电脑的主要硬件因素芯片电池内存存储屏幕摄像头外壳1.3计算机系统简介1.3.1计算机系统的层次结构机器语言程序由一系列的二进制代码串组成（操作吗和地址码）用符号代替机器指令的语言就称为汇编语言，也称为符号语言。汇编程序代码翻译成机器语言程序后，才能被机器接受并运行。

汇编语言机器语言汇编器低级语言高级语言汇编语言（机器语言）编译程序解释程序计算机系统的多层次结构1.3.2软件与硬件的等价性原理软件和硬件在逻辑上是等价的。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。（速度、可靠性、价格）固件(Firmware)：软件和硬件的结合从功能来说，是软件；从形态来说，又是硬件。

1.3.3计算机体系结构和计算机组成计算机体系结构指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性。通常是指用机器语言的程序员（也包括汇编语言程序设计者和汇编程序设计者）所看到的传统机器的属性。如：指令集、数据类型、存储器寻址技术和等。大都属于抽象的属性。

计算机组成指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。如：如何取指令、分析指令、如何运算、如何传送结果等。指令系统体现机器的属性，这些属于计算机结构的范畴。只要两台机器的指令系统相同时，就可以认为它们具有相同的体系结构。具备乘法指令和如何实现乘法指令。1.4计算机的基本组成1.4.1冯·诺伊曼计算机（普林斯顿结构）的特点1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入装置和输出装置五大部件组成；2）指令与数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址访问；3）指令和数据均用二进制码表示；4）指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数所在存储器中的位置；5）指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序；6）机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器的数据传送通过运算器。

1.4.2计算机的硬件框图

图中各部分的功能是：1）运算器是执行算术运算和逻辑运算的功能部件。2）控制器是按照人们预先确定的操作步骤，控制计算机各部件步调一致协同工作的功能部件。3）存储器是用来存储信息的功能部件。4）输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程序，并把它们转变为计算机能识别的形式存放到内存中。5）输出设备是用于将存放在内存中由计算机处理的结果转变为人们所接受的形式。

哈佛结构哈佛结构（Harvardarchitecture）是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。哈佛结构是一种并行体系结构，主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。1.5计算机性能的评价1.5.1性能评价的时间因素响应时间：完成某一任务所花费的全部时间（输入输出、存储器访问、操作系统开销、执行用户程序）CPU时间表示CPU工作的时间，不包括I/O等待的时间和运行其他程序的时间。CPU时间还可以细分为用户CPU时间和系统CPU时间，前者表示进程在用户态运行的时间，而后者则表明进程在内核态运行的时间。

UNIX90.7u12.9s2:3965%

1.5.2性能评价程序的选择（1）真实的程序真实的程序包括C编译器、文字处理软件（如Tex）、CAD软件（如Spice）。（2）核心测试程序从真实的程序中提取出一些小而关键的程序片段来评价程序的性能。核心测试程序最大的用途就是将机器中各项特性的性能分离出来，以解释运行真实程序时性能有差异的原因。

（3）小型基准测试程序通常只有10到100行代码，用户在测试前已经知道运行结果。像快速排序之类的程序，它们得到非常广泛的应用，因为它们都很小，容易输出结果，而且几乎能在所有的计算机上运行。（4）合成基准测试程序与核心测试程序的想法相似，合成基准测试程序取大量程序的指令和操作数出现频率的平均值。合成基准测试程序的结果不如核心程序，核心测试程序是从真实程序中抽取出来的，而合成基准测试程序是为了模拟其他程序的平均执行情况而人工拼凑出来的。1.6计算机系统设计的准则1、大概率事件优先原则大概率事件优先原则是计算机体系结构设计中最重要和最常用的原则。基本思想：对于大概率事件，赋予它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的最优结果。

2、Amdahl(阿姆达尔定律)定律部件改进后，系统的总执行时间等于不可改进部分的执行时间和可改进部分的执行时间，即

[例2]假定采用以下的改进方式，我们能把原机器的40％时间里的速度加速到10倍快，那么，改进性能后的总的加速比是多少？[解]可改进比例