计算机组成原理第1章.ppt

哈尔滨工业大学 李东 教授1.1 计算机组成原理 Welcome to the world of Computer Organization 计算机组成原理 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.2 计算机组成原理 教学目的教学目的 人生的价值在于创造！创造源于思考。 Were here to put a dent in the universe. Otherwise why else even be here? 提升解决问题(Problem Solving)的能力 计算思维 学而时习之，不亦悦乎。Knowledge is power . 学无止境。 Stay foolish, Stay hungry. * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.3 计算机组成原理 计算思维(Computational Thinking) 指运用计算机科学的基础概念进行问题求 解、系统设计及人类行为理解等涵盖计算机科 学之广度的一系列思维活动。计算思维的核心 是抽象(Abstraction)和自动化(Automation)。 其中“抽象”是指用符号（例如数字）来表 示客观事物，“自动化”是指让计算机解决问题 而无需人的干预。 周以真教授，美国卡内基梅隆大学 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.4 计算机组成原理 成成 绩绩 评评 定定 百分制，其中： 1. 作业成绩： 5分。 2. 课堂表现： 5分。 3. 实验成绩：20分。 4. 期末考试：70分。 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.5 计算机组成原理 作作 业业 要要 求求 1.共布置作业5次。 2.作业要写在作业本上。画图用格尺。 3. 作业由课代表收齐后，上交助教老师。 4. 不及时交作业者，视为“旷交作业” 5. 旷交作业3次或更多，取消期末考试资格。 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.6 计算机组成原理 上上 课课 要要 求求 1. 遵守课堂纪律，按时上课。 2. 积极参与课堂讨论，提出或回答问题。 参与表现记为平时成绩，占总成绩的5%。 每提出或回答一个问题，加1分。最高5分。 3. 请假需出示由辅导员签字的假条。 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.7 计算机组成原理 教材及参考书教材及参考书 教 材：计算机组成原理，李 东、 等编著， 电子工业出版社，2012.7 参考书：计算机组织与结构性能设计（影印版） W. Stallings, 高等教育出版社 其他关于“计算机组成”的书籍 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.8 计算机组成原理 计算机组成原理计算机组成原理 第1章 绪 论 第2章 计算机中信息的表示与运算 第3章 处理器 第4章 总线技术 第5章 存储系统 第6章 控制器 第7章 8086/8088汇编语言程序设计 第8章 计算机外部设备 第9章 输入/输出接口 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.9 计算机组成原理 第第1 1章章 绪论绪论 1. 1 计算机的产生与发展 1. 2 冯诺依曼计算机模型 1. 3 计算机的组成结构 1. 4 计算机系统的分类 1. 5 计算机的性能评价 1. 6 微处理器与微型计算机 1. 7 中国计算机事业的发展历程 1. 8 计算机的特点及应用 1. 9 计算机的发展 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.10 计算机组成原理 1.11.1计算机的产生与发展计算机的产生与发展 n计算工具扩展并延伸了人脑的功能 n手动计算工具：算盘 n机械式计算工具：手摇台式计算机 1.1642年，法数学家Pascal 始创创 2.1673年，德数学家Leibnitz 改进进 3.1812年，英数学家Babbage 差分机 n机电电式计计算工具：1944年IBM公司 MARK I(电动电动 、齿轮齿轮 、继电继电 器构成) * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.11 计算机组成原理 n第一代计算机：电子管计算机 n第二代计算机：晶体管计算机 n第三代计算机：集成电路计算机 n第四代计算机：大规模集成电路计算机 现代电子计算机的发展现代电子计算机的发展 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.12 计算机组成原理 图灵（Turing） 冯诺依曼 （von Neuman） 两位杰出的计算机科学家两位杰出的计算机科学家 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.13 计算机组成原理 图灵奖（图灵奖（A.M. Turing AwardA.M. Turing Award） n由美国计算机协会（ACM）于1966年设立， 专门奖励那些对计算机事业做出重要贡献的个 人。其名称取自计算机科学的先驱、英国科学 家阿兰麦席森图灵。 n图灵奖对获奖条件要求极高，评奖程序极严， 一般每年只奖励一名计算机科学家，只有极少 数年度有两名合作者或在同一方向做出贡献的 科学家共享此奖。因此它是计算机界最负盛名 、最崇高的一个奖项，有“计算机界的诺贝尔 奖”之称。 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.14 计算机组成原理 图灵奖（图灵奖（A.M. Turing AwardA.M. Turing Award） n2012年3月16日，ACM将2011年度的图灵奖授 予加州大学洛杉矶分校的 Judea Pearl教授。以 奖励他在人工智能领域的基础性贡献，提出概 率和因果性推理演算法，彻底改变了人工智能 最初基于规则和逻辑的方向。 n2010年图灵奖授予了Leslie Valiant，以表彰他 对计算理论的变革性的贡献 n2009年图灵奖授予了Charles Thacker ，以表 彰他对第一台现代个人计算机Xerox PARC Alto的先驱性设计与实现。 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.15 计算机组成原理 现代电子计算机的发展现代电子计算机的发展 第一代计算机（1946-1958）电子管时代 n ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Calculator） n EDVAC（Electronic Discrete Variable Automatic Computer） n运算速度：每秒几千次。 n1954年第1个高级程序设计语言Fortran问世 n其设计者John Backus荣获1977年度图灵奖 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.16 计算机组成原理 世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946) * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.17 计算机组成原理 第二代计算机（1958-1965）晶体管时代 n计算机的应用从科学计算，扩展到：数据处理和 过程控制。 n计算机的运算速度达到：几万到几十万次每秒。 n高级程序设计语言Algol 60问世。 n设计者Peter Naur 荣获2005年度的“图灵奖”。 现代电子计算机的发展现代电子计算机的发展 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.18 计算机组成原理 第三代计算机（1965-1970）集成电路时代 n 集成电路(Integrated Circuits, IC)代替分立元件。 n计算机的运算速度最高可达：几千万次每秒 n操作系统( Operating System, OS )日益成熟。 n半导体存储器 开始替代 磁芯存储器。 nIBM System 360 系列机问世。DEC公司推出小型 计算机 PDP-8，一举成名。 现代电子计算机的发展现代电子计算机的发展 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.19 计算机组成原理 第三代计算机（1965-1970）的大事记 n超级计算机CDC6600、6700问世，它的设计者西 蒙克雷(Seymour Cray)被誉为超级计算机之父。 n伊凡苏泽兰(Ivan Sutherland)实现了“三维交互绘 图系统”，推动了图形用户界面GUI(Graphical User Interface)的发展，被誉为计算机图形学之父, 荣获2005年度的“图灵奖”。 现代电子计算机的发展现代电子计算机的发展 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.20 计算机组成原理 第四代计算机（1970- ）大规模集成电路时代 n现代计算机技术基本成熟，并行计算机得到广 泛的重视。 n基于向量并行处理技术的Cray-1是人类首次获 得每秒1亿次的运算速度。 n微处理器和微型计算机问世。 现代电子计算机的发展现代电子计算机的发展 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.21 计算机组成原理 第五代计算机 ？ 现代电子计算机的发展现代电子计算机的发展 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.22 计算机组成原理 第五代计算机第五代计算机 n1998年IBM公司研制的“深蓝(Deep Blue)”战胜 了国际象棋世界冠军卡斯帕罗夫。但是“深蓝” 的智能仍然是有限的，它的胜利主要得益于计 算机处理能力的提高。 n IBM公司研制“深蓝”的团队是由出生于中国台 湾省的许峰雄博士领导的，许博士也因此被誉 为“深蓝之父”。 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.23 计算机组成原理 第五代计算机第五代计算机 n2011年2月16日，IBM公司推出的人工智能计算 机“华生(Watson)”在美国著名的益智节目 “Jeopardy(危险边缘)！”中，战胜了两位前冠军 参赛者，以绝对优势赢得了历史上第一次人机 智力问答比赛的胜利，这标志着智能计算机达 到了一个新的水平。 n在长达4年的研发过程中，共有来至IBM美国研 究院、中国研究院、日本研究院、以色列研究 院的30位研究员参与了“华生”的研发。 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.24 计算机组成原理 第五代计算机第五代计算机 n在第五代计算机的研究中，中国也应该占有一 席之地，有志于计算机事业的中国青年，应该 积极投身到这一国际瞩目的研究领域中去。 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.25 计算机组成原理 第第1 1章章 绪论绪论 1. 1 计算机的产生与发展 1. 2 冯诺依曼计算机模型 1. 3 计算机的组成结构 1. 4 计算机系统的分类 1. 5 计算机的性能评价 1. 6 微处理器与微型计算机 1. 7 中国计算机事业的发展历程 1. 8 计算机的特点及应用 1. 9 计算机的发展 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.26 计算机组成原理 1.21.2 冯冯 诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型 * 问题 / 研究目标 / 需求分析 ：通用计算机 冯诺依曼的问题求解方案： 将计算机的用途和硬件完全分离。引入“程序”和 “存储储器”，采用“存储储程序”的控制方案 您的解决方案：？ 冯冯诺诺依曼计计算机的基本组组成： 运算器、存储储器、输输入单单元 、输输出单单元、控制器 哈尔滨工业大学 李东 教授1.27 计算机组成原理 1.21.2 冯冯 诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型 * 五个部件如何连接在一起，共同工作？ 冯诺依曼设计的计算机五个部件互连模型 哈尔滨工业大学 李东 教授1.28 计算机组成原理 1.21.2 冯冯 诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型 * 冯冯诺诺依曼计计算机的基本特征： 1.计算机由运算器、存储器、输入/输出单元和 控制器组成，并以运算器为中心连接在一起。 2.存储器由一组一维排列、线性编址的存储单元 组成，每个存储单元的位数是相等且固定的， 存储单元按地址访问。 3.“程序”是由一条一条的指令有序排列而成， 而指令由操作码和地址码两部分组成。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.29 计算机组成原理 1.21.2 冯冯 诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型 * 冯冯诺诺依曼计计算机的基本特征： 4.指令和数据均采用二进制数表示，并以二进制 数形式进行运算。 5.程序（指令）与数据是同等地不加区分地存储 在同一个存储器中 。 6.设置“程序计数器PC”来指示下一条将要执 行的指令的地址。每执行完一条指令，程序计 数器就自动加1，指向下一条指令的存储单元 。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.30 计算机组成原理 1.21.2 冯冯 诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型 * 冯诺依曼计算机模型 的改进： 以存储器为中心连接在一起 哈尔滨工业大学 李东 教授1.31 计算机组成原理 1.21.2 冯冯 诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型 * n事实上，对计算机的改进是没有限制的。 n甚至有人研究“非冯诺依曼计算机”，比如“数据 流”控制的计算机。 n大学，止于至善。 nPlato is dear to me, but dearer still is truth. （吾爱吾师，吾更爱真理） (Aristotle, Ancient Greek philosopher) 哈尔滨工业大学 李东 教授1.32 计算机组成原理 1.21.2 冯冯 诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型 * 抽象起来，“冯诺依曼计算机结构”就是“以一 个部件为中心，实现五个部件互联的星型结构”。这 样实现的“五个部件互联”是最简单的、连接链路是 最少的。由于外围的四个部件只能与中心部件进行 数据通信，而且有些数据通路还是单向的。进而冯 诺依曼计算机所需要的数据传送功能也是最少的、 最简单的。 “冯诺依曼计算机”可概括为：用最简单、最易 于实现的思想（二进制及其运算规则）来表示数据 并实现运算，用最简单的互连结构来组成一台计算 机。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.33 计算机组成原理 1.21.2 冯冯 诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型 * nSimple is beauty. 简单就是美。 nMake everything as simple as possible, but not simpler. 事物越简单越好，直到不能再简单。 (Albert Einstein) 哈尔滨工业大学 李东 教授1.34 计算机组成原理 第第1 1章章 绪论绪论 1. 1 计算机的产生与发展 1. 2 冯诺依曼计算机模型 1. 3 计算机的组成结构 1. 4 计算机系统的分类 1. 5 计算机的性能评价 1. 6 微处理器与微型计算机 1. 7 中国计算机事业的发展历程 1. 8 计算机的特点及应用 1. 9 计算机的发展 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.35 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 1.3.1计算机的基本组成 1. 概述 从组成的角度看，电子计算机由控制单元CU 、运算单元ALU、存储器、输入单元和输出单元 组成。在具体实现时，通常将CU和ALU集成在一 起，构成处理单元（Processing Unit，PU）。处 理单元也称处理器（Processor）。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.36 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * n一台计算机通常只拥有一个PU，而这个PU又是计 算机的核心部件，所以这样的处理单元又称为“中 央处理器(Central Processing Unit, CPU)”。 n事实上，一台计算机可以拥有多个PU，这样的计算 机叫做“并行计算机(Parallel Computer)”或“高性能 计算机(High Performance Computer)”。 n追求更高的计算性能，是科学研究的永恒主题。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.37 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 2.硬件 指构成计算机的物理实体。 例如处理器、存储器、输入输出控制器等芯 片及其集成这些芯片的印刷线路板主板 (Mainboard)。其中，主板上的存储器是可以被处 理器直接访问的，被称为“主存储器（Main Memory，简称主存）”。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.38 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 2.硬件 其它硬件还包括安装在一个机箱内部的机架 上的软盘驱动器、硬盘驱动器、光盘驱动器及联 系它们的线缆。 这个机箱及其中的硬件被统称为主机。 主机之外的硬件设备主要是各种输入/输出 设备(Input/Output Devices) 。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.39 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * n辅助存储器（Secondary Memory，简称辅存） 是计算机系统不可或缺的存储介质。 n在计算机关机或断电后，存储在主存中的信息将 消失。这样的存储器称为“易失性存储器 (Volatile Memory)”。所以需要长久保存的程序 和数据必须存储在“非易失的存储器(Non-volatile Memory)”辅存里。 n由于辅存位于机箱外部，又称“外存(External Memory)”。相应地，位于机箱内部的主存也称“ 内存(Internal Memory)”。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.40 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * n常见的辅存有：硬盘(Hard Disk, HD)、软盘 (Floppy Disk, FD)、光盘(Optical Disk Memory, ODM)、磁带等。辅存的容量比主存的容量要大 得多，每位的平均价格也要低得多，但是它的访 问速度却明显慢于主存。 n为了保证速度很快的处理器有较高的工作效率， 计算机的设计者规定处理器只与速度较快的主存 交换信息，而不直接访问辅存，辅存中的信息要 装入到主存后才能供处理器使用。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.41 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 3.处理单元PU的组成 算术逻辑单元ALU、控制单元CU以及一些暂 存单元寄存器(Register)。 ALU是计算机的运算装置，它能够完成“加、 减、乘、除”等算术运算和“与、或、非、异或”等 逻辑运算。一个基本的ALU由加法器、逻辑运算 器、移位器(Shifter)和求补器(Complementer)组 成。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.42 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 3.处理单元PU的组成 CU是PU的指挥机构，由程序计数器PC、存 放当前指令的指令寄存器IR、解释指令的指令译 码器ID、发出各种命令信号的控制信号发生器 CSG及相应的控制逻辑组成。CU依据指令译码器 产生的一系列操作命令/信号来指挥、协调PU乃 至计算机系统中各个部件的工作。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.43 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 寄存器分为数据寄存器、地址寄存器和标志寄存 器等。 最常用的数据寄存器是用于存放加法运算结果的 累加寄存器ACC，8086中的累加寄存器命名为AX。 地址寄存器有基址寄存器、变址寄存器等。 引入“标志”来表示/区分计算过程的各种状态是计 算思维的一个具体体现。 例如，用“零标志ZF (Zero Flag)”表示加法运算的 结果是否为零。若是，则置ZF为1，否则为0。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.44 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 其他的标志有进位标志CF(Carry Flag)、溢出 标志OF(Overflow Flag)、符号标志SF(Sign Flag)和 奇偶标志PF(Parity Flag)等，这些标志分别占据标志 寄存器FR中的不同位。 用SF表示运算的结果是否为负数。若是，则置 SF为1，否则为0。用PF表示结果是否为奇数。这样 ，后继的指令就可以根据ZF、SF、PF的值来选择不 同的操作。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.45 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * n访问主存是PU经常执行的操作。为了实现这个操作 ，PU内部设置了专门存放访存地址的寄存器MAR (Memory Access Register)、专门存放与主存交换数 据的寄存器MDR (Memory Data Register)。有的文 献称MDR为MBR(Memory Buffer Register)。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.46 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 主机 主 存 储储 器 处处理器 P CI R I DCSG CU 逻辑逻辑 运算 器 加法器 数据寄存器组组 ALU 控制流： 数据流： 地址流： 外设设 输输出设备设备 输输入设备设备 辅辅助存储储器 FR MBR MAR 移位器求补补器 哈尔滨工业大学 李东 教授1.47 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * n在用户看来，只要把主存地址送入MAR，启动读命 令，在一个访存周期内，目标数据就会从主存被读 入到MDR中；或者只要把主存地址送入MAR并把目 标数据送入MDR，启动写命令，在一个访存周期内 ，目标数据就会从MDR被写到主存中。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.48 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 4.软件 广义上，软件是“计算机程序、过程、规则及 与这些程序、过程、规则有关的文档，以及从属 于计算机系统运行的数据。” 狭义上，软件指发 挥电子计算机功能的各种程序及相应的数据。 按照性质和功能的不同，软件分为系统软件 、应用软件、支持软件、测试与维护软件等。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.49 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * n系统软件是指构成一个计算机系统所必需的基本 软件。例如：操作系统和数据库管理系统。在互联 网时代，某些网络基础软件（如网络浏览器、电子 邮件等）也可以算是系统软件。 n应用软件是由用户根据各自的应用需要而安装的 、解决专用领域特殊问题的软件，如AutoCAD。 n支持软件指用于帮助和支持软件开发的软件，如 高级语言编译器或IDE、文本编辑器等。 n测试与维护软件指用于软件故障诊断、错误隔离 、系统调试及检测系统可靠性的软件。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.50 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 5.固件(Firmware) 对于那些不再需要改动而且经常被调用的软件 ，为了使其有更快的执行速度，可以将其存储在 访问速度较快的只读存储器ROM芯片中。由于 ROM芯片具有非易失性(即掉电后信息不会丢失) ，所以相当于将软件“固化”在硬件中。 这种吸收软件、硬件各自优点，性能介于软 件和硬件之间(执行速度快于软件，灵活性优于硬 件)的，以硬件形式出现的软件称为“固件”。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.51 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 1.3.1 计算机的基本组成 1.3.2 计算机体系结构、计算机组成与计算机实现 1.计算机体系结构与系列机 “计算机体系结构” 是计算机科学与技术学科中 最重要的概念之一。但这一概念并不是同计算机或 计算机科学与技术学科一起与生俱来的，它是在第 一台电子计算机诞生近20年后，由G.M.Amdahl等 人于1964年在设计IBM System/360时提出的。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.52 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 1.3.2 计算机体系结构、计算机组成与计算机实现 1.计算机体系结构与系列机 提出“计算机体系结构”概念的背景及所要解 决的问题？ 计算机总是在不断发展、更新换代的，而用 户希望软件能够长期使用。这就引出 “软件可移植 性”问题，具体说来，就是软件不加改动或只需少 许改动，就可以运行在不同年代推出的不同档次 的机器（S/360）上。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.53 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 1.3.2 计算机体系结构、计算机组成与计算机实现 1.计算机体系结构与系列机 the attributes of a computer system as seen by the programmer, i.e. the conceptual structure and function behaviour, as distinct from the organization of the data flows and controls, the logic design, and the physical implementation. Amdahl, Blaaw and Brooks (1964) 哈尔滨工业大学 李东 教授1.54 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 1.3.2 计算机体系结构、计算机组成与计算机实现 1.计算机体系结构与系列机 计算机体系结构是指程序员所看到的机器的 属性，即机器的概念性结构和功能表现。 这里，程序员主要是指汇编程序员。 同一厂家生产的具有相同计算机体系结构的 计算机称为系列计算机（Family Computer）， 简称系列机。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.55 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 1.3.2 计算机体系结构、计算机组成与计算机实现 1.计算机体系结构与系列机 软件兼容：同一个程序可以不加修改地在具有相 同体系结构的各档机器上正确运行，唯一区别 仅仅在于运行时间长短不同。 则安达尔就是以软件兼容（统一机器语言）的方 式解决了程序的可移植性问题。 不同厂家生产的具有相同计算机体系结构的 计算机称为兼容计算机，简称兼容机。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.56 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 1.3.2 计算机体系结构、计算机组成与计算机实现 1.计算机体系结构与系列机 n计算机体系结构和系列机概念的提出是计算机 发展史上的一个重要的里程碑。“计算机体系 结构” 概念仍在计算机科学与技术领域中处 于重要的地位，按“系列机”的思想来设计计 算机仍是所有计算机厂商所必须遵循的原则。 n IBM S/360是计算机历史上的第一个系列机。 n DEC公司有：PDP-11，VAX-11系列。 n Intel公司有： 80x86系列微处理器。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.57 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 1.3.2 计算机体系结构、计算机组成与计算机实现 1.计算机体系结构与系列机 n同时，体系结构这一概念也影响了软件开发， 导致软件工程领域出现了一个新的概念软 件体系结构。欲了解这一概念及相关技术，请 学习“软件体系结构”课程或相关书籍。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.58 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 1.3.2 计算机体系结构、计算机组成与计算机实现 1.计算机体系结构与系列机 2.计算机组成与计算机实现 计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现。一 种计算机体系结构可以有多种不同的计算机组成。 计算机实现是计算机组成的物理实现。一种计 算机组成也可以有多种不同的计算机实现。 计算机实现是计算机体系结构和组成的基础。 先进的计算机实现技术，尤其是器件技术，一直是 推动计算机体系结构和组成发展的最活跃的因素。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.59 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 1.3.2 计算机体系结构、计算机组成与计算机实现 1.计算机体系结构与系列机 2.计算机组成与计算机实现 3.计算机体系结构、组成与实现的关系 硬件和软件在逻辑功能上是等价的。软件的功 能在原理上可以由硬件或固件来实现，硬件的功能 在原理上也可以由软件的模拟来实现，这就是计算 机软件/硬件的等价性原理 。 计算机体系结构的核心是指令集( Instruction Set )。指令集就是软、硬件功能划分的界面。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.60 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 1.3.2 计算机体系结构、计算机组成与计算机实现 1.计算机体系结构与系列机 2.计算机组成与计算机实现 3.计算机体系结构、组成与实现的关系 系列机具有相同的体系结构。但是系列机中不同 型号的机器所面对的目标用户不同，这些目标用户 对机器的性能、价格的要求不同，所以就需要采用 不同的计算机组成或实现技术来实现相同的体系结 构。另外，新推出的系列机也会采用新的组成或实 现技术来提高其性能或降低其成本。 。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.61 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 1.3.1 计算机的基本组成 1.3.2 计算机体系结构、计算机组成与计算机实现 1.3.3计算机系统的层次结构 为什么要分层？ 只有把一门艺术转变成一项工程，才能做到其 产品生产的“多快好省”。软件开发技术，从编制 程序发展到软件工程，也说明了相同的道理。 为了提高生产率，工程的一个最重要的思想就 是引入“分工与协作”。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.62 计算机组成原理 * 第5级：应用语言虚拟机 第4级：高级语言虚拟机 第3级：汇编语言虚拟机 第2级：操作系统虚拟机 第1级：机器语言机器 第0级：微程序机器 计算机系统的层次结构 哈尔滨工业大学 李东 教授1.63 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 1.3.1 计算机的基本组成 1.3.2 计算机体系结构、计算机组成与计算机实现 1.3.3计算机系统的层次结构 虚拟机：因为用户在使用计算机时，看到的就是 这些软件的界面，他并不了解也不必了解物理计 算机内部的结构及工作原理。这些软件的界面向 用户提供了他期望让计算机实现的全部功能。换 句话说，这些软件的界面就是计算机所具有功能 的具体体现。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.64 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 1.3.1 计算机的基本组成 1.3.2 计算机体系结构、计算机组成与计算机实现 1.3.3计算机系统的层次结构 虚拟机的实现有解释和翻译两种途径。 解释是指在执行某一层机器的源程序时，其中的指 令/语句是逐条地、实时替换成以下一层机器语言 编写的等效程序段，然后在下一层机器上运行。 翻译是指某一层机器的源程序，在运行之前，先一 次性地转换成以下一层机器语言编写的程序，然后 在下一层机器上运行。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.65 计算机组成原理 1.31.3 计算机的组成结构计算机的组成结构 * 1.3.1 计算机的基本组成 1.3.2 计算机体系结构、计算机组成与计算机实现 1.3.3计算机系统的层次结构 本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎 不存在。这称为透明性。 在计算机系统的层次结构中，底层机器的属性 ，对上一层机器的程序员，是透明的。 例如，计计算机组组成的属性，对对于高级级程序员员 是透明的。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.66 计算机组成原理 * （2010年硕硕士研究生入学统统一考试计试计 算机专业专业 基础综础综 合考 试试题试试题 ） 下列存储储器中，汇编语汇编语 言程序员员可见见的是（ ） A存储储器地址寄存器（MAR） B. 程序计计数器（PC） C存储储器数据寄存器（MDR） D. 指令寄存器（IR） 答：根据计计算机体系结结构与透明性的概念，PC对汇编语对汇编语 言 程序员员是可见见的，因为为程序员员需要依据PC的值计值计 算相对对 转转移的偏移量。而MAR、MDR和IR属于计计算机组组成的范 畴，对汇编语对汇编语 言程序员员是透明的，即不可见见的。故选择选择 B 。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.67 计算机组成原理 第第1 1章章 绪论绪论 1. 1 计算机的产生与发展 1. 2 冯诺依曼计算机模型 1. 3 计算机的组成结构 1. 4 计算机系统的分类 1. 5 计算机的性能评价 1. 6 微处理器与微型计算机 1. 7 中国计算机事业的发展历程 1. 8 计算机的特点及应用 1. 9 计算机的发展 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.68 计算机组成原理 1.41.4 计算机系统的分类计算机系统的分类 * 1.4.1综述 n根据数据表示原理，计算机分为模拟式和数字式。 n模拟式电子计算机所处理的电信号在时间上是连续的，称 为模拟电信号。模拟计算机的处理过程均由模拟电路来实 现，处理速度快，但是电路复杂，处理精度低，抗干扰能 力差，目前已很少使用。 n数字式电子计算机所处理的电信号在时间上是离散的，称 为数字量。例如用电平的“高/低” 来表示数值“1/0”，这样 就可以用一组触发器的输出电平来表示一个二进制数值。 增加组合位数就能增大数的表示范围和精度。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.69 计算机组成原理 1.41.4 计算机系统的分类计算机系统的分类 * 1.4.1综述 n依据性能的高低，计算机可分为超级计算机、大型 计算机、中型计算机、小型计算机、工作站和微型 计算机。 n按照结构集成的不同方式，微型计算机分为单片机 和单板机。 n按设计目的不同，计算机分为专用计算机和通用计 算机。 n根据计算机的用途不同，计算机分为个人计算机、 工业控制计算机（简称工控机）、军用计算机和嵌 入式计算机 哈尔滨工业大学 李东 教授1.70 计算机组成原理 1.41.4 计算机系统的分类计算机系统的分类 * 1.4.1综述 1.4.2 弗林分类法 按照指令流和数据流分别具有的多倍性，弗林 将计算机分为以下4类： 1.单指令流单数据流SISD 2.单指令流多数据流SIMD 3.多指令流单数据流MISD 4.多指令流多数据流MIMD 哈尔滨工业大学 李东 教授1.71 计算机组成原理 第第1 1章章 绪论绪论 1. 1 计算机的产生与发展 1. 2 冯诺依曼计算机模型 1. 3 计算机的组成结构 1. 4 计算机系统的分类 1. 5 计算机的性能评价 1. 6 微处理器与微型计算机 1. 7 中国计算机事业的发展历程 1. 8 计算机的特点及应用 1. 9 计算机的发展 * 哈尔滨工业大学 李东 教授1.72 计算机组成原理 1.51.5 计算机的性能评价计算机的性能评价 * 1. 基本字长 n指处理器中的算术逻辑单元所输入的操作数的二进制位 数，也是处理器内部数据寄存器所包含的二进制位数。 n一个字（Word）通常是由若干字节（Byte）组成的。 一个字节包含8个二进制位，所以字长是8的整数倍。早 期微型计算机的基本字长有8位、16位，目前主要是32 位、64位。 n基本字长决定了计算机中数据表示的范围与精度，所以 它是评价计算机性能最重要的指标。但是字长越大，处 理器的价格就越高。所以低端的数字设备或工业控制计 算机仍然大量使用字长为16位、甚至8位的微处理器。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.73 计算机组成原理 1.51.5 计算机的性能评价计算机的性能评价 * 2. 主存储器容量 n用主存储器的存储单元个数乘以存储单元宽度来表示， 如102416表示主存储器有1024个单元，每个单元的宽度 是16位。计算机系统主存储器的最大存储单元个数取决 于处理器地址总线的线数（宽度）。 n目前微型计算机都以字节作为最小编址单位,所以主存储 器容量的单位用B(字节)表示。在表示存储单元个数时， 为了简便起见，将1024(210)记为1K，1024K(220)记为1M ，1024M(230)记为1G，1024G(240)记为1T。微型计算机的 主存储器容量一般从几十MB到上百MB，超级计算机的 主存储器容量可达上百GB. 哈尔滨工业大学 李东 教授1.74 计算机组成原理 1.51.5 计算机的性能评价计算机的性能评价 * 3. 处理速度 n是用户最关心的性能指标。目前常用的指标有：百万条 指令每秒MIPS（Million Instructions Per Second）、百 万次浮点操作次数每秒MFLOPS（Million FLOating Point operation per Second）和每条指令的平均时钟周期 （Cycles Per Instruction，CPI）。 nMIPS源于Gibson提出的以指令的平均执行时间来评价处 理器性能。指令的平均执行时间就是不同指令执行时间 的某种加权平均。最常用的权就是指令的使用频率。 n指令平均执行时间的倒数就是每秒平均执行的指令条数 （以MIPS为单位）。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.75 计算机组成原理 1.51.5 计算机的性能评价计算机的性能评价 * 对用户来说，虽然MIPS比较直观，但存在如下缺陷： （1）MIPS只关注指令的条数，没有考虑指令功能的强弱。 用MIPS比较指令集不同的机器时，其结果不能反映真实 情况。 （2）由于不同程序包含的指令不同，不同指令的执行时间 不同，所以在同一台计算机上运行不同程序时，测得的 MIPS指标可能不同。 （3）大型计算机或向量计算机上常用的是较复杂的浮点指 令，所以如果单纯比较MIPS，这些大型计算机或向量计 算机的性能在表面上甚至比不上以定点数运算为主的小 型机或个人计算机 3. 处理速度 哈尔滨工业大学 李东 教授1.76 计算机组成原理 1.51.5 计算机的性能评价计算机的性能评价 * CPI = 一个程序的CPU时钟周期数/该程序的指令条数 CPI是一个衡量计算机组成设计优劣、计算机性能高 低的有效指标，当今微处理器的CPI普遍小于1。 以上指标都是针对计算机的综合性能而制定的。在用 户决定购买或使用哪种机器最适合他们的应用需求时，往 往是运行一些具有代表性的典型应用程序来做出判断，这 样的典型应用程序被为“基准程序(Benchmark)”。 3. 处理速度 哈尔滨工业大学 李东 教授1.77 计算机组成原理 1.51.5 计算机的性能评价计算机的性能评价 * 4. 主频 处理器的工作是在主时钟的控制下进行的，主时钟的频 率叫做处理器的主频。主频的倒数叫做时钟周期。 执行一个程序所需的处理器时间可用“该程序的指令条数 CPI时钟周期”来估算。 提高主频有助于缩短程序的执行时间。早期处理器的主频 在几兆赫(MHz)到几百兆赫之间，随着器件技术的迅速发展， 目前主流处理器的主频已经达到上千兆赫兹(GHz)。但处理器 性能的提高并不能与主频的提高一起线性增长。相反，主频的 提高却带来了功耗增加、产生热量高等一系列问题。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.78 计算机组成原理 1.51.5 计算机的性能评价计算机的性能评价 * 5. 存储器的存取周期 对存储器进行一次完整的读/写操作所需的全部时间， 也是连续对存储器进行存/取的最小时间间隔，称为存储器 的存取周期。半导体存储器的存取周期通常在十几到上百纳 秒(10-9秒，ns)之间，磁盘的存取周期一般在10毫秒(10-3秒， ms)以上。 6. 功耗 随着主频和片内晶体管数量的不断提高，处理器的功耗 也不断升高，现代处理器功耗的峰值已经超过100瓦。 在移动计算领域，功耗是压倒一切的性能指标。 “绿色计算”/“低功耗计算”成为研究与开发的热点。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.79 计算机组成原理 1.51.5 计算机的性能评价计算机的性能评价 * 7. 软件兼容性 软件兼容可分为向上（下）兼容和向前（后）兼容。 “向上（下）兼容”是指为某档机器编制的软件，不加修 改就可以正确运行在比它更高（低）档的机器上；“向前（后 ）兼容”是指为某个时期投入市场的某种型号机器编制的软件 ，不加修改就可以正确运行在比它早（晚）投入市场的相同 型号机器上。 系列机之间必须能够做到“向后兼容” ，力争做到“ 向上兼容”，对于“向下兼容”或“向前兼容”不做要求。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.80 计算机组成原理 1.51.5 计算机的性能评价计算机的性能评价 * 8. 系统软件配置 常见的系统软件有操作系统、数据库系统、文本编辑器 、高级语言程序开发环境、互联网浏览器等。不同的系统软 件性能不同，价格也差别很大。 9. 吞吐率与响应时间应时间 吞吐率是指计算机系统在单位时间内完成的任务数。 响应时间是指用户在输入命令或数据后到得到第一个 结果的时间间隔。 用户关心响应时间，系统管理员关心吞吐率。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.81 计算机组成原理 1.51.5 计算机的性能评价计算机的性能评价 * 10. 辅助存储器容量 辅辅存容量决定了计计算机系统统所能够够存储储的信息总总量 。辅辅助存储储器的组组成形式有：单单一的硬盘盘、硬盘阵盘阵 列、 磁带库带库 、光盘盘。单单一硬盘盘的容量可达几十GB、甚至上百 GB，而磁带库带库 的容量则则在几千TB以上。 11. RASIS特性 可靠性(Reliability)、可用性(Availability)、可服务务性/ 可维护维护 性(Serviceability)、完整性(Integrality)和安全性 (Security)统统称为为RASIS特性。可靠性用“平均无故障时间时间 (Mean Time To Failure，MTTF)”或“平均故障间间隔时间时间 (Mean Time Between Failure，MTBF)”来衡量，可服务务性 /可维护维护 性用“平均修复时间时间 (Mean Time To Repair， MTTR)”来衡量。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.82 计算机组成原理 1.51.5 计算机的性能评价计算机的性能评价 * 12. 可扩缩性(Scalability) 如果一个计算机系统能够在保持软件兼容性的同时， 不仅可以通过向上扩展（即增加资源）来提供更高的性能 和更强的功能，还能够通过向下收缩（即减少资源）来降 低价格，则称这个计算机系统具有可扩缩性。 13. 外设设的配置 为了拓展计算机系统的功能，需要为它配置相应的外 设。通常计算机系统要尽可能满足用户配备不同类型、不 同数量外设的需求。所以主机与外设的接口应该设计成可 扩缩的。 哈尔滨工业大学 李东 教授1.83 计算机组成原理 1.51.5 计算机的性能评价计算机的性能评价 * 2012年研究生入学统统一考试计试计 算机专业专业 基础综础综 合考试试试试 题题 假定基准程序A在某计计算机上的运行时间为时间为 100秒，其中 90秒为为CPU时间时间 ，其余为为I/O时间时间 。若CPU速度提高50% ，I/O速度不变变，则则运行程序A所耗费费的时间时间 是 。 A55秒B60秒 C65秒D70秒 答：执执行时间时间 =CPU时间时间 + I/O时间时间 =90/(1+50%)+10=90/1.5+10=60+1