计算机组成原理.ppt

计算机组成原理,教材：计算机组成原理.白中英.科学出版社.参考书：(1)计算机组成与结构.王爱英.清华大学出版社.(2)计算机组成原理.唐朔飞.高等教育出版社.,课程主要内容,信息,计算机输入输出信息的表达方式信息的输入输出方式信息的处理方式信息的存储方式信息的控制方式信息的传送方式,第一章计算机系统概论,1.1计算机的分类计算机的分类（1）根据设计原理分为：模拟计算机，数字计算机。,（2）根据应用场合（数字计算机）分为：专用计算机，通用计算机。（3）根据规模（通用计算机）分为：巨型机，大型机，中型机，小型机，微型机，单片机。,计算机系统的分类M.J.Flynn分类法（1966）。该方法根据指令流和数据流将计算机系统分为4类：（1）单指令流单数据流计算机系统（SISD）通常指传统的顺序处理计算机系统，如PDP-11、IBM360/370等。（2）单指令流多数据流计算机系统（SIMD）通常指并行处理机系统，如ILLIAC-V、CM-2CRAY-1、MPP等。（3）多指令流单数据流计算机系统（MISD）（4）多指令流多数据流计算机系统（MIMD）通常指多处理机系统，如IBM3080、CRAY-2、CM*等。,1.2计算机硬件技术的发展（1）器件方面电子管，晶体管，SSI、MSI，LSI、VLSI(105)，ULSI(106)，ELSI(108)。Moore定律：微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番。（2）速度方面先行控制技术，覆盖技术，流水线技术，中断技术，并行处理技术，RISC技术，通用寄存器结构，堆栈技术，Cache技术，多核技术等。（3）功能方面多功能部件，通道处理机，阵列处理机，多处理机，分布式系统，计算机网络等。,（4）可靠性、灵活性方面故障诊断技术，故障容错技术，微程序技术等。（5）容量方面虚拟存储器，多级存储层次等。（6）其它即插即用技术，热拔插技术，低耗电源技术，即时唤醒技术等。计算机的性能指标（1）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）。（2）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。,（3）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。（4）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。（5）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：K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位（1个字节）。（6）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。（7）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。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。,（8）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（9）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）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）P(程序时间)=I(指令数)*CPI(时钟周期数)*T(周期时间),例1：用一台40MHz处理机执行标准测试程序，该程序包含的混合指令数和相应所需的时钟周期数如下，求每条指令的平均周期数CPI、程序的执行时间P和机器的运算速度V。指令类型：整数运算数据传送浮点运算控制转移指令数：4500032000150008000时钟周期数：1222CPI=(45000*1+32000*2+15000*2+8000*2)/100000=1.55P=I*C*T=100000*1.55*(1/40)=3.875msV=I/P=100000/(3.875*10-3)=25.8MIPS,计算机的应用（1）科学计算和信息处理研制巨型机与超级并行处理系统；体现计算机科学研究水平(硬件理论与技术，软件理论与技术)。研制微型机系统：价格低、普及迅速。两条途经：（a）维持价格不变，充分利用器件技术等的进展去不断提高机器的性能。（b）维持性能不变，充分利用器件技术等的进展去不断降低机器的价格。,（2）网络技术的应用实现信息通信、资源共享、分布式处理等。电子商务：消费者、销售者和结算部门之间利用Internet完成商品采购和支付收款的过程。远程教育：学生受教可以不受时间、空间和地域的限制，而通过网络自由地学习。（3）多媒体技术一种对声、文、图等各种媒体信息的综合处理和交互控制技术。（4）虚拟现实利用计算机生成的一种模拟环境，通过多种传感设备使用户“投入”到该环境中，实现用户与环境直接进行交互的目的。虚拟学校，虚拟课堂，虚拟实验室，虚拟图书馆。,（5）人工智能专门研究如何使用计算机来模拟人的智能的技术。智能模拟，模式识别，专家系统，自学习、自适应等。复杂的智能系统：一是能学习，二是会成长。计算机的展望高性能计算机：数据流计算机，超并行计算机，神经（网络）计算机，3维高速超导计算机，光计算机，生物计算机，量子计算机等。高性能指标：3T（1T计算能力，1T主存容量，1TI/O带宽），1T=1012（1万亿）,1G=109（10亿）。高性能计算：深度计算，广度计算，移动计算，网格计算、普适计算、云计算等。,高性能计算机发展简介美国（2011.6TOP500（3）：JAGUAR（美洲豹）XT5：Cray公司建造、田纳西大学和国家计算科学研究院共同拥有。它曾在2010年6月的TOP500排行榜中排名第一。“JAGUAR”是一台民用计算机，采用AMDMagny-Cours核心六核Opteron处理器（224162个），其最大计算能力为1.75petaflop/s。,日本（2011.6TOP500（1）：KComputer（京）：首个跨越亿亿次运算的超级计算机，是日本RIKEN高级计算科学研究院(AICS)与富士通的联合项目。现在的(KComputer)配备了88128颗富士通SPARC64VIIIfx2.0GHz八核心处理器，核心总量705024个，最大计算性能10.51Petaflop/s，峰值性能11.28038Petaflop/s。,中国（2011.6TOP500（2）：天河一号：位于中国天津国家超级计算机中心的“天河一号系统”在最新的排行榜中位列第二。计算能力达到2.57petaflop/s。去年，天河一号还曾在TOP500排行榜中排名榜首。天河一号采用了CPU+GPU的混合架构。配有14336颗IntelXeonX56702.93GHz六核心处理器、7168块NVIDIATeslaM2050高性能计算卡，以及2048颗我国自主研发的飞腾FT-1000八核心处理器，总计20多万颗处理器核心。,AlanTuring,JohnVonNeumann,1.3计算机的硬件,计算机的硬件组成VonNeumann提出：“存储程序”的概念。,控制器,存储器,运算器,输入设备,输出设备,1.计算机由五大部件组成,3.指令和数据用二进制表示,4.指令由操作码和地址码组成,6.以运算器为中心,5.存储程序,冯诺依曼计算机的特点,5.存储程序,主要部件简介（1）运算器完成二进制编码的算术或逻辑运算的部件。（2）存储器存放数据和指令的部件。又分内存和外存。（3）控制器控制整个计算机自动地、连续地和协调地完成指令处理的部件。（4）输入设备把数字、文字、声音、图形、图像等信息转换成计算机能识别的二进制代码地设备。（5）输出设备把计算机处理的结果转换成外界能识别的数字、文字、声音、图形、图像等信息的设备。,一些常用的名词术语CPU：控制器，运算器。主机：CPU，内（主）存储器。存储单元：在存储器中保存一个数的16个触发器。称为一个存储单元。地址：存储器是由许多存储单元组成。每个存储单元的编号。称为地址。存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用单位“KB、MB”表示。操作码：指出指令所进行的操作。地址码：表示参加运算的数据应从存储器的哪个单元取，运算的结果应存到哪个单元。,取指周期：通常把取指令的一段时间叫做取指周期。执行周期：把执行指令的一段时间叫做执行周期。字长：通常把组成一个字的二进制位数叫做字长。数据字：如果某字代表要处理的数据，则称为数据字。指令字：如果某字为一条指令，则称为指令字。指令流：在取指周期中从内存读出的信息是指令流，它流向控制器。数据流：而执行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。,计算机的工作过程,工程（实际）问题启动机器方法（算法）取指令操作序列（程序流程）控制器分析命令描述序列向各相应部件发出控制信号输入内存控制操作，输出结果,取x至运算器中,乘以x在运算器中,乘以a在运算器中,存ax2在存储器中,取b至运算器中,乘以x在运算器中,加ax2在运算器中,加c在运算器中,=(ax+b)x+c,取x至运算器中,乘以a在运算器中,加b在运算器中,乘以x在运算器中,加c在运算器中,计算ax2+bx+c,编程举例,计算ax2+bx+c程序清单,以取数（LDAMEM）指令为例,主机完成一条指令的过程,以存数（STAMEM）指令为例,主机完成一条指令的过程,ax2+bx+c程序的运行过程,将程序通过输入设备送至计算机,程序首地址,打印结果,分析指令,取指令,停机,启动程序运行,执行指令,MAR,M,MDR,IR,PC,CU,OP(IR),Ad(IR),MAR,M,MDR,ACC,PC,1.4计算机的软件软件的定义软件：各种程序、数据和文档的总称。IEEE将软件定义为“计算机程序和相关的文档”。一般来说，软件是信息的载体并且提供了对信息的处理能力，例如对信息的收集、归纳、计算、传播等。因而从本质上讲，软件可以被理解为一种逻辑上的信息处理设备，该设备具有用户所需求的信息处理能力。一个好的软件应该能够为用户提供有价值的信息输出，从而为用户带来效益。,软件的分类（1）系统软件（程序），支撑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：（a）各种服务性程序。如诊断程序、排错程序。（b）语言程序。如汇编程序、编译程序、解释程序等。（c）操作系统。（d）数据库管理系统。（2）应用软件（程序）是用户利用计算机来解决某些问题所编制的程序。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、科学计算程序等等。随着计算机的广泛应用。这类程序的种类越来越多。,软、硬件关系软件和硬件是相辅相成的（硬件=基础，软件=灵魂）。（1）软件在用户和硬件之间起着桥梁作用。（2）软件和硬件在逻辑功能上是等效的。（3）软件和硬件的性能价格比是不等效的。（4）软件和硬件的交界面是动态、不断变化着的。,软件技术的发展（1）语言方面机器语言，汇编语言，高级语言。（2）程序设计方面结构化程序设计：PASCAL、COBOL、C等。面向对象程序设计：Smalltalk、C+等。可视化程序设计：VB、VC等。网络程序设计：Java、Delphi等。并行程序设计：ParallelC、Occam等。,1.5计算机系统的层次结构,虚拟机器M5（高级语言机器）,虚拟机器M4（汇编语言机器）,虚拟机器M3（操作系统机器）,传统机器M2（机器语言机器）,微程序机器M1（微指令系统）,由硬件直接执行微指令,用微程序解释机器指令,用机器语言解释操作系统,用汇编语言翻译成机器语言程序,用编译程序翻译成