计算机组成原理[袁春风]cha.ppt

第1章 概 述 南京大学 计算机系 多媒体技术研究所 袁春风 1 主要内容 n计算机的基本功能和结构 n冯.诺依曼结构的基本思想 n计算机的发展历史 n计算机的分类 n计算机系统的组成 n计算机组织和系统结构的概念 n计算机的性能设计 2 1.1 计算机的功能和构成 n什么是计算机？ 计算机是一种不需要人的 直接干预，能够对各种数 字化信息进行自动快速运算的通用处理装置。 计算机具有高速、通用、准确和智能的特点。 内部特性 高速高集成度器件 数字化编码信息 逻辑判断和处理 存储程序工作方式 外部特性 快速性 准确性 通用性 智能性 3 1.1 计算机的功能和构成 功能 数据处理 数据存储 数据传送 控制 内部结构 中央处理器(运算器) 存储器组织 输入/输出模块 中央处理器(控制器) 系统互连 n计算机硬件的功能和结构 中央处理器（CPU）是最复杂的功能部件。近年来采用 多个处理器的计算机系统越来越多，但本课程重点在于 单处理器系统的组织和结构。 4 1.2 计算机发展简史 n第一代：真空管（电子管）194657年 46年诞生第1台电子计算机ENIAC 体积庞大，重30吨，有18000多个真空管组成，5000次加法/秒。 采用十进制表示/运算，其存储器由20个累加器组成，每个累加器 可存10位十进制数，每一位数由10个真空管表示。 采用手动编程，通过设置开关和插拔电缆来实现。 冯诺依曼机 45年冯诺依曼（图灵也同时）提出“存储程序”思想，并于 46年开始设计“存储程序”计算机，被称为IAS计算机。 “存储程序”思想：将事先编好的程序和原始数据送入主存中 ，然后启动计算机工作。计算机应能在不需操作人员干预 下，自动完成逐条取出指令和执行指令的任务。 特点：单CPU，运算器为PC和AC结构，定点运算，程序控制I/O 5 冯诺依曼生平简介 诺依曼 John von Neuman（19031957） 美籍匈牙利数学家。1903年12月28日生于布 达佩斯。诺依曼先后入柏林大学和苏黎世技 术学院学习，1925年毕业，获化学工程师称 号，1926年获布达佩斯大学数学博士学位。 毕业后在德国汉堡大学任教。1930年移居美 国，在普林斯顿大学和该校高级研究所工作 。诺依曼1944年参加JW莫奇利和JP埃克脱 领导的“埃尼阿克”（ENIAC）计算机研究工作 ，在计算机的理论和设计方面发挥了重要作 用。 1945年年中，诺依曼发表了离散变量自动电子计算机“埃德伐克”（ EDVAC）计算机设计方案，提出重大革新措施。1946年，他与J巴 克斯等合作，提出更加完善的计算机设计报告电子计算机逻辑设 计初探。它是以CE仙农提倡的二进制、程序内存以及指令和数 据统一存储为基础，对于现代计算机的发展具有重要的意义。 6 IAS计算机 1946年冯诺依曼和他的同事在普林斯顿高级研究院开始设 计一种新的程序存储计算机。它被称为IAS计算机。虽然 直到1952年仍未完成，但它却是后来通用计算机的原型。 主存 储器 算术逻辑单元 程序控制器 输入输 出设备 IAS计算机的一般结构，它包含4个部件: 7 冯诺依曼结构的主要思想 1.计算机应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设 备五个基本部件组成。 2.各基本部件的功能是： v 存储器不仅能存放数据，而且也能存放指令，形式上 两者没有区别，但计算机应能区分数据还是指令； v 控制器应能自动执行指令； v 运算器应能进行加/减/乘/除四种基本算术运算，并且也 能进行一些逻辑运算和附加运算； v 操作人员可以通过输入设备、输出设备和主机进行通 信。 3.内部以二进制表示指令和数据。每条指令由操作码和地址 码两部分组成。操作码指出操作类型，地址码指出操作数 的地址。由一串指令组成程序。 4.采用“存储程序”工作方式。 8 1.2 计算机发展简史 n第二代：晶体管 195864年 元器件：逻辑元件采用晶体管以外，其内存储器由 磁芯构成，磁鼓与磁带成为外存储器。 特点：变址，浮点运算，多路存储器，I/O处理机 ，中央交换结构。 软件：使用了高级语言，并提供了系统软件。 代表机种：IBM 7094和DEC PDP-1 9 1.2 计算机发展简史 n第三代：SSI/MSI 196571年 元器件：逻辑元件与主存储器均由集成电路实现 。 特点：微程序控制，Cache，虚拟存储器，流水线等 。 代表机种： IBM 360和DEC PDP-8（大型/巨型机与小 型机同时发展 ） 问题：为什么可 用集成电路实现 计算机？ 问题：计算机的 基本功能是什么 ？ 问题：这些基本功 能如何实现？ 10 IBM System/360系列计算机 nIBM公司于1964年研制成功 n引入了“兼容机”（或称为“系列机”）概念 兼容机的特征 ： 相同的或相似的指令集 相同或相似的操作系统 更高的速度 更多的I/O端口数 更大的内存容量 更高的价格 有些低端机指令集是高端机的 一个子集，称为“向后兼容”。 问题1：引入“兼容 机”有什么好处？ 问题2：实现“系列 机”的关键是什么 ？ 11 1.2 计算机发展简史 n以后几代（标准、意见不一） （第四代：LSI/VLSI/ULSI 1972至今） 微处理器和半导体存储器的技术发展迅猛，微型计算机出现。 使计算机以办公设备和个人电脑的方式走向“最终用户”。 半导体存储器 70年Fairchild公司生产出第一个相对大容量半导体存储器 74年位价格低于磁芯的半导体存储器出现，并快速下跌 从70年起，存储密度呈4倍提高（几乎是每3年）。 微处理器 微处理器芯片密度不断增加，使CPU中所有元件放在一块 芯片上成为可能。71年开发出第一个微处理器芯片4004。 特点：共享存储器，分布式存储器及大规模并行处理系统 12 计算机的五个发展阶段 摘自 COMPUTER ORGANIZATION AND ARCHITECTURE Design for PerformanceWilliam Stallings 代号 大致年份 技术标志 代表速度(每秒执行指令数) 1 19461957 真空管 40,000 2 19581964 晶体管 200,000 3 19651971 中小规模集成电路 1,000,000 4 19721977 大规模集成电路 10,000,000 5 1978 超大规模集成电路 100,000,000 除了元器件外，系统结构的特点是换代的一个重要标志 1965-75期间，元器件延迟降为1/10，但指令时间却降为1/100 。这说明了计算机结构改进的重要性。 计算机时代划分 13 非冯诺依曼计算机的发展 n非冯诺依曼结构的计算机 迄今为止，非冯诺依曼结构主要有3个发展方向。 1，数据驱动的数据流计算机； 2，按需求驱动的归约机； 3，智能计算机。 发展至今，大多数机器结构并未突破冯诺依曼结构。 14 1.2 计算机发展简史 n我国计算机的发展 中国古代在计算机理论与计算工具方面曾作出过杰出贡献 二进制 / 十进制计数系统 / 筹算 / 珠算 1958年和1959年推出了103小型数字计算机和104大型通用数 字计算机，它们属于第一代电子管机。 1964年5月和10月分别由中科院计算所和华东计算技术研究所 自行研制了大型电子管计算机119机和J-501机。 1965-1966年间分别推出了晶体管计算机109机、441B机、 108机和X-2机，中国进入了晶体管机时代。 中国集成电路计算机的研究始于1965年，直到1971年和1973 年原四机部主持研制100系列机和200系列机，前者与小型机 NOVA兼容，后者指标与IBM360类似，但不兼容。 1983年和1992年研制成巨型机系统银河和，运算速度都 超过亿次。 1995年5月，由中科院计算所国家智能计算机研究中心研制的 “曙光1000”大规模并行处理机宣布诞生。 去年又成功研制出“ 曙光3000超级服务器 ”。 15 n按处理对象的表示形式不同来分： 模拟计算机 v 对连续变化的模拟量进行运算 v 适用于连续系统的实时仿真 v 主要缺点是受元器件精度限制与运算放大器零点漂移的影响， 整机精度远低于数字计算机 - 数字计算机 v 对离散符号表示的数据或信息进行处理 v 运算部件由高速的电子元器件组成，速度快、精度高，应用更 广泛。 v 一般意义上的计算机就是指数字计算机 1.3 计算机分类 16 n按用途的不同来分： 专用计算机和通用计算机 专用计算机是专门用于某种用途，它对于特定用 途而言最经济、最快速、最有效，但适应性差。 而通用机适应性强 1.3 计算机分类 17 1.3 计算机分类 n通用机按规模、性能和价格来分 巨型机(Supercomputer) ，也称超级计算机，采用大规模并行处理体 系结构，CPU由数以千万计的处理器组成，有极强的运算处理能力， 大多使用在军事、科研、气象、石油勘探等领域。小巨型机(Mini Supercomputer)，结构与巨型机相同，但体积小、成本低，甚至可以 做成桌面机，放在用户的办公桌上。 大型机(Mainframe)，速度快、容量大、处理能力强、通信联网功能 完善、有丰富的系统软件和应用软件。目前多采用对称多处理器 (SMP)结构，有2、4、8甚至16或32个处理器，在信息系统中起核心 作用，承担主服务器（企业级服务器）的功能。 超级小型计算机(Super Minicomputer)，60年代出现的一种供部门使 用的计算机，以DEC公司的VAX系列和IBM公司的AS/400为代表。 工作站(Workstation)，指SGI，SUN，DEC，HP，IBM等大公司推出 的具有高速运算能力和很强图形处理功能的计算机。通常采用UNIX 操作系统，特别适于工程产品设计，具较好的网络通信能力。 微型机(Personal Computer), 也称个人电脑(PC机)或微机，价格便宜 、性能不断提高，适合办公或家庭使用。 18 1.4 计算机系统的组成 n计算机系统=硬件系统+软件系统 软件系统 交界面 硬件系统 19 n什么是计算机系统结构? (Computer Architecture) “the atrributes of a computing system as seen by the programmer, i.e.the conceptual structure and functional behavior ,as distinct from the organization of the data flows and controls the logic design,and the pyhsical implementation” (Amdahl,Blaaw,and Brook 1964) 计算机组织与结构的概念 关于计算机系统结构的概念有各种各样的理解，很难有通用的定义 。 20 计算机组织与结构的概念 n什么是计算机系统结构? 译文：由程序设计者看到的一个计算机系统的属性， 即概念性结构和功能特性。区别于基本的数据流、控 制流、逻辑设计和物理实现等。 这里的程序员是指机器语言或编译程序员。因而是指 硬件子系统的概念性结构和功能特性，通俗地讲是由 指令系统所规定的所有属性。 主要研究计算机系统软件和硬件的功能分配以及如何 最佳、最合理地实现分配给硬件的功能。 21 计算机组织与结构的概念 n什么是计算机组织(Computer Organization)? 也称计算机组成。指计算机主要部件的类型、数量、组 成方式、控制方式和信息流动方式及其相互连接构成的 系统。是那些对程序员透明的硬件细节。 它主要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 。 n什么是计算机实现(Computer Implementation)? 指计算机功能的物理实现。包括片子、模块、插件、底 板的划分与连结等。 22 系统结构、组织和实现三者关系 n计算机组织是计算机结构的逻辑实现；而计算机实现 是计算机结构的物理实现。 n一种结构可有多种组织实现；一种组织也可有多种物 理实现。 n举例1：“乘法指令” 选定计算机具有乘法指令是系统结构设计的问题；而如 何实现（用专门乘法器还是用加法器+移位）则是组织 问题。 n举例2：“系列机” 同一系列机器系统结构相同，但组织方式随当时技术 的改变以及价格要求而变化，取不同型号区分之。 随着新技术、新器件的出现，三者之间的界限越来越模糊 。 23 本课程主要研究内容 n高速的算术、逻辑运算方法及ALU逻辑设计； n高速的指令执行过程及指令部件的设计与实现， 是采用组合逻辑技术、或微程序设计技术，还是 PLA技术；是复杂指令集计算机（CISC），还 是精简指令集计算机（RISC）； n提高存储器容量与速度的方法，以及如何解决 “CPU-Cache-MM-外存”之间的匹配问题； n高效输入/输出组织方法； n计算机五大部件（运算器、控制器、存储器、输 入和输出）之间的互连结构系统总线； 24 1.6 计算机的发展趋势 计算机的处理速度不断提高 人们预言，2020年之前，计算机的计算能力还将按照“摩尔定 律”（每1.5年提高一倍）继续不断提