第一章 计算机系统概论.ppt

计算机组成原理 主讲教师 赵岚QQ 415521761 教材及主要参考书 教材 计算机组成原理 第四版 白中英主编科学出版社参考教材 1 计算机组成CarlHamacher等著机械工业出版社2 计算机组成与设计王诚主编清华大学出版社3 计算机组成原理俸远祯主编电子工业出版社 计算机组成原理 计算机组成或组织是指 实现其结构规范的操作单元及其相互连接 组织的属性包括那些对程序员透明的硬件细节 如控制信号 计算机和外设的接口以及存储器使用技术 举例说明 计算机中是否有乘法指令是结构设计问题 但这条指令是由特定的乘法单元实现 还是通过重复使用系统的加法单元来实现 则是一个组织问题 决定使用哪种组织需要考虑预期使用乘法单元的频度 考虑两种方案的相对速度 还要考虑乘法单元的成本和物理尺寸等因素 第一章计算机系统概论 简介计算机的分类计算机体系结构和组织计算机的硬件结构计算机软件计算机的层次结构计算机的功能计算机的技术指标计算机的发展历史 简介 Introduction 电子数字计算机是一种能够自动 快捷 准确地实现信息存放 数值计算 数据处理过程控制等多种功能的电子机器 其基本功能是进行数字化信息处理 世界上第一台计算机ENIAC ElectronicNumericalIntegratorAndCalculator 诞生于1946年2月15日 是美国宾夕法尼亚大学摩尔理工学院的摩切利和埃卡特发明的 计算机应用于科学计算 数据处理 工业控制 实时控制 人工智能 虚拟现实 远程教育 电子商务等多种领域 计算机的分类 1 总体分为电子模拟计算机和电子数字计算机 2 电子数字计算机又可以分为通用计算机和专用计算机 3 通用计算机又可以分为 巨型机 大型机 服务器 工作站 微型机 单片机 双核机 计算机体系结构和组织 经典计算机体系结构概念的实质是计算机系统中软硬件界面的确定 其界面之上的是软件的功能 界面之下的是硬件和固件的功能 指令集结构 指令集 instructionset 软件 硬件 COMPUTER I O MEMORY SystemBus CPU CPU Register ALU InternalCPUInterconnection ControlUnit 计算机体系结构和组织 计算机体系结构和组织 Processor MainMemory Cache Bridge SCSI Fax LAN Video Graphic FireWire Serial Moden ExpansionBusInterface Systembus High SpeedBus ExpansionBus LocalBus 计算机的硬件结构 存储程序控制 存储程序 是把指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中 即用记忆数据的同一装置存储执行运算的命令 这些指令按一定的规则组成程序 程序控制 是当计算机启动后 程序就会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令 自动完成预定的信息处理任务 计算机的硬件结构 1946年VonNeumann提出存储程序计算机模型 计算机的硬件结构 包括 运算器 控制器 存储器 高速缓存 主存储器 外存设备 设备等几个主要组成部分 这些设备和部件通过总线和接口连结在一起 构成一台完整的计算机 如下图所示 输入设备 输出设备 输入输出接口和总线 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 第三单元 第四单元 第二单元 第一单元 计算机的硬件结构 运算器 计算机的硬件结构 运算器 计算机的硬件结构 运算器部件是计算机中进行数据加工的部件 其主要功能包括 1 执行数值数据的算术加减乘除等运算 执行逻辑数据的与或非等逻辑运算 由一个被称为ALU的电路部件完成 2 暂时存放参加运算的数据和中间结果 由多个通用寄存器来承担 3 运算器通常也是数据传输的通路 控制器 运算器 计算机硬件系统 控制器 运算器 计算机的硬件结构 控制器是计算机中控制执行指令的部件 一 正确执行每条指令1 首先是取来一条指令 2 接着分析这条指令 3 再按指令格式和功能执行这条指令二 保证指令按规定序列自动连续地执行 三 对各种异常情况和请求及时响应和处理 说到底 控制器要向计算机各功能部件提供每一时刻协同运行所需要的控制信号 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 计算机的硬件结构 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 计算机的硬件结构 由高速缓冲存储器 主存储器 外存储器所组成的多级 层 存储器系统 是计算机中用于存储程序和数据的子系统 这三级存储器所用的存储介质的工作原理和特性各不相同 将作为三个部分分别讲解 输入设备 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 计算机的硬件结构 输入设备 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 计算机的硬件结构 输入设备是向计算机中送入程序和数据的有一定独立功能的设备 通过接口和总线与计算机主机连通 用于人 机交互联系 如计算机键盘和鼠标等 输入设备 输出设备 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 计算机的硬件结构 输入设备 输出设备 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 计算机的硬件结构 输出设备是计算机中用于送出计算机内部信息的设备 例如打印机 显示器等 输入设备 输出设备 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 计算机的硬件结构 这些部件和设备通过总线和接口连接在一起 构成计算机整机系统 协同运行 输入设备 输出设备 入出接口和总线 外存设备 主存储器 高速缓存 控制器 运算器 第三单元 第四单元 第二单元 第一单元 计算机的硬件结构 计算机软件 系统程序 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 服务性程序语言处理程序数据库管理程序操作系统 应用程序 是用户利用计算机为了解决某些问题而编制的程序 标准程序库数据库管理程序网络软件应用软件自动控制程序 计算机系统的层次结构 多级组成的计算机系统 第1层微程序设计层第2层一般机器层第3层操作系统层第4层汇编语言层第5层高级语言层 计算机的层次结构 第一层 硬件级 由机器硬件直接执行微指令 第二层 它由微程序解释机器指令系统 第三层 由操作系统程序实现 操作系统是由机器指令和广义的指令组成 第四层 汇编语言层 它由汇编程序支持和执行 第五层 面向用户的 由各种高级语言程序支持和执行 ApplicationPrograms Utilities OperationSystem ComputerHardware EndUser Programmer OperatingSystemDesigner 计算机系统的层次结构 计算机的功能 计算机的功能信息处理信息存储信息移动 I O 控制 计算机的工作特点 运算速度快 高速电子器件的使用 存储程序的设计思想 运算精度高 计算精度取决于运算中二进制数的位数 通用性广 程序越丰富 计算机的通用性越强 逻辑性 逻辑判断与逻辑运算 计算机的技术指标 基本字长 计算机能够直接处理的二进制的位数 它决定了寄存器 加法器 存储单元和数据总线的位数 它标志着计算精度 8位 16位 32位 64位 位 字节 字 主存容量 主存储器可以容纳的全部信息总量 K 1024M 1024KG 1024M运算速度 单位时间内执行指令的平均条数 MIPS 软 硬件配置 外部设备的配备和功能强大的操作系统和程序设计语言 可靠性 由平均无故障时间 MTBF 来衡量 性能价格比 性能和价格之比是衡量计算机的综合指标 准确性 数字化编码可以保证运算和控制的准确度 逻辑性 具有逻辑判断能力组合运算 外围设备配置 数量以及I O能力 计算机的技术指标 必须紧紧以性能 价格比为核心性能的衡量标准时间 基准程序 硬件测量工具价格的因素集成电路的工艺 产品的生产过程 销售过程性能价格设计的一些原则 计算机的发展 第一台电子计算机 ENIAC 5000次加法 秒体重28吨占地170M218800只电子管1500个继电器耗电150KW 计算机发展史 计算机的发展 Intel产品系列介绍 1 8080 世界上第一个通用微处理器 8位机 8086 16位机 采用了指令高速缓存 80286 可以寻址16MB的存储空间 不再受1MB存储空间的限制 80386 32位机 它是Intel产品中第一个支持多任务的处理器 80486 采用了更为复杂 功能更为强大的高速缓存技术和指令流水线技术 它内置浮点协处理器 Intel产品系列介绍 2 Pentium 开始采用超标量 Superscalar 技术 允许更多的指令并行执行 PentiumPro 极富有进取性的采用了转移预测 数据流分析 推测执行等技术 Pentium 采用了专门用于处理视频 音频和图形数据的IntelMMX技术 Pentium 采用了新的浮点指令 支持三维图形软件 Pentium 使用64位组织结构的新一代 计算机发展展望 从1946年世界上第一台计算机ENIAC诞生至今的50多年时间里 计算机的体系结构发生了巨大的变化 并行处理已经发展成为现代计算机的关键技术之一 目前的并行计算机系统主要有四类 第一类是多向量处理系统 第二类是基于共享存储的多处理机 SMP 系统 第三类是基于分布存储的大规模并行处理 MPP 系统 如IBMSP2 曙光1000等 第四类是基于RISC工作站或高档微机通过高速互连网络连接而构成的机群计算机系统 如清华同方探索集群计算机等 实现上述第一和第三类系统由于受研制费用高 售价高等因素的影响 其市场受到一定的限制 第二类系统由于共享结构的限制 系统的规模不可能很大 由于机群系统计算机具有投资风险小 可扩展性好 可继承现有软硬件资源和开发周期短 可编程性好等特点 目前已成为并行处理的热点和主流 据专家预测 未来的高性能计算机和超级服务器都将基于机群系统结构 非传统高性能计算技术的未来 计算机技术主要朝着两个方向发展 一是尽量提高性能 二是方便使用 即智能化 大众化 发展高性能计算也有两条途径 一条途径是基于现有的半导体集成电路技术 即微处理机技术 通过提高并行处理能力来实现 另一条途径是突破硅半导体器件的框框 发展非传统的新技术 其中包括超导计算 量子计算 生物计算与光计算等 美国科学家在研制Petaflops计算机之初 曾对上述各种新奇的技术做过仔细分析和评估 最后得出的结论是 在2010年以前 除了利用硅器件以外 只有超导计算机有可能造出1000万亿次计算机 从目前掌握的光学技术来预测 光技术不大可能为Petaflops量级的高性能计算机提供高速度 高密度 低延迟的逻辑电路 但光技术在存储 通信及一些专用领域有着电子技术无法比拟的优点 光计算要走向实用还需解决可靠性 容错 功耗 封装密度 光电连接等许多关键技术问题 量子计算与生物计算过去几年内的重大进展表现在计算模型和算法设计上 当然 要真正实现量子计算机还有遥远的距离 尽管今后几年内各种量子逻辑器件将问世 但量子计算机的难点在于如何连接这些器件 因为量子计算是一种可逆计算 必须在保证其计算过程不受周围环境干扰的条件下进行 这种特征对量子密码和传输有特殊意义 但大大增加了制造量子计算机的难度 生物计算虽然有很大进展 但从计算理论上看还未实现根本性的突破 因为目前采用的DNA计算模型基本上是采用以空间换时间的思路 充分利用分子数量多这一特点 以极大规模的并行来加速组合计算 目前 DNA计算只适合于组合判定问题 连加减乘除怎么实现还没有想出办法 生物计算机要成为一种通用计算机 必须先建立与图灵机类似的计算模型 以生物分子为基础的生物存储器也是一个重要的发展方向 电子计算仍有强大的生命力 至少在近半个世纪内 其它计算技术不大可能完全取代电子计算机 而只能在某些方面加强 补充电子技术 我们不应强调研制纯而又纯的超导 量子 光学和生物计算机 而应发挥各自的长处 在优势互补 系统集成上多下功夫 软件和硬件的逻辑等价 随着科学技术的发展软件逐步有硬化的趋势 软 硬件之间的界限变得越来越模糊 任何操作 任何指令都可以由软件实现 也可以由硬件来实现 设计时是采用硬件方案还是采用软件方案 取决于器件价格 速度 可靠性 存储容量 变更周期