计算机组成与结构第1章_计算机系统概论

1、计算机组成与结构计算机组成与结构计算机组成与结构计算机组成与结构2016.02l教材教材白中英，计算机组成原理白中英，计算机组成原理第第5 5版，科学出版社，版，科学出版社，20122012l参考书参考书王爱英王爱英, ,计算机组成与结构计算机组成与结构第第5 5版版, , 清华大学出版社，清华大学出版社，20132013郑纬民郑纬民, ,汤志忠，计算机系统结构汤志忠，计算机系统结构第第2 2版版, , 清华大学出版社，清华大学出版社，19981998张晨曦等，计算机体系结构张晨曦等，计算机体系结构第第2 2版，高教出版社，版，高教出版社，20032003 第一章第一章 计算机系统概论计算机系

2、统概论 第二章第二章 运算方法和运算器运算方法和运算器 第三章第三章 多层次的存储器多层次的存储器 第四章第四章 指令系统指令系统 第五章第五章 中央处理器中央处理器 第六章第六章 总线系统总线系统 第七章第七章 外存与外存与I/OI/O设备设备 ( (自学自学) ) 第八章第八章 输入输出系统输入输出系统 第九章第九章 并行组织与结构并行组织与结构目录第第1章章 计算机系统概论计算机系统概论2021年12月13日星期一6目录目录1.0 预备知识预备知识1.1 计算机的分类计算机的分类1.2 计算机的发展简史计算机的发展简史1.3 计算机的硬件计算机的硬件1.4 计算机的软件计算机的软件1.5

3、 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构2021年12月13日星期一7学习要求学习要求l了解计算机的发展历程；了解计算机的发展历程；l清楚计算机的系统层次结构、计算机硬件的基本组成清楚计算机的系统层次结构、计算机硬件的基本组成(五大部五大部件的构成件的构成)、计算机软件的分类，以及计算机的基本工作过程；、计算机软件的分类，以及计算机的基本工作过程；l了解计算机性能评价指标和相关参数；了解计算机性能评价指标和相关参数；吞吐量、响应时间、吞吐量、响应时间、CPU时钟周期、主频、时钟周期、主频、CPI、CPU执行时间；执行时间；MIPS、MFLOPS等。等。 l要求要求初步掌握计算机系统的基本概念

4、及基本结构，为进一步深入学习初步掌握计算机系统的基本概念及基本结构，为进一步深入学习打下基础。打下基础。 2021年12月13日星期一81.0 预备知识预备知识l问题问题1：一台计算机一般有哪几部分组成？：一台计算机一般有哪几部分组成？显示器、键盘、鼠标、音箱、主机箱等；显示器、键盘、鼠标、音箱、主机箱等；主机箱中有：主机箱中有：主板主板、CPU、硬盘、内存、显卡、声卡等；、硬盘、内存、显卡、声卡等； l问题问题2：如何对以上设备分类？：如何对以上设备分类？输入输出设备输入输出设备中央处理设备中央处理设备存储设备存储设备接口转换卡接口转换卡部件连接线部件连接线l问题问题3：有了以上设备，计算机

5、是否能发挥其功效？：有了以上设备，计算机是否能发挥其功效？一个完整的计算机系统应包括一个完整的计算机系统应包括硬件系统硬件系统和和软件系统软件系统两部分。两部分。显示器，键盘，鼠标，音箱显示器，键盘，鼠标，音箱CPU（集处理和控制于一身）（集处理和控制于一身）硬盘、内存硬盘、内存显卡、声卡显卡、声卡总线总线2021年12月13日星期一92021年12月13日星期一102021年12月13日星期一112021年12月13日星期一122021年12月13日星期一132021年12月13日星期一14DDR内存条内存条SDRAM内存条内存条2021年12月13日星期一1580G硬盘硬盘2021年12月

6、13日星期一16硬盘数据线硬盘数据线2021年12月13日星期一17DVD光驱光驱2021年12月13日星期一18机内电源插头机内电源插头2021年12月13日星期一191.1 计算机的分类计算机的分类数字计算机数字计算机模拟计算机模拟计算机专用计算机专用计算机通用计算机通用计算机处理数字量信息处理数字量信息按位运算，按位运算，不连续地跳动计算不连续地跳动计算处理模拟量信息处理模拟量信息数值连续、运算过程连续数值连续、运算过程连续是针对某一任务设计的最有是针对某一任务设计的最有效、最经济和最快速的计算效、最经济和最快速的计算机，但适应性很差。机，但适应性很差。适应性很大，但适应性很大，但牺牲了

7、效率、速牺牲了效率、速度和经济性。度和经济性。单片机单片机微型机微型机服务器服务器大型机大型机超级计算机超级计算机低低高高体积体积功能功能数据存储量数据存储量指令系统指令系统价格价格低低高高简简易易性性分分类类双核机双核机如如P2 P2 图图1.11.12021年12月13日星期一201.2 计算机的发展简史计算机的发展简史超大规模集成电路超大规模集成电路中小规模中小规模集成电路集成电路晶体管晶体管电子管电子管19721990年年19461957年，年，第一代计算机第一代计算机19651971年年19581964年年第二代计算机第二代计算机巨大规模巨大规模集成电路集成电路1991年年至今至今摩

8、尔定律摩尔定律1.2.1 计算机的五代变化计算机的五代变化2021年12月13日星期一21第一代计算机第一代计算机l第一代计算机第一代计算机(1945年年1958年年)采用电子管。采用电子管。l代表机型：代表机型：ENIAC1941年美国宾夕法尼亚大学开始研制；年美国宾夕法尼亚大学开始研制；主要是为了解决美陆军提出的弹道计算主要是为了解决美陆军提出的弹道计算问题问题 ；花费花费40万美元；万美元；1955年年10月月2日最后切断电源。日最后切断电源。2021年12月13日星期一22ENIAC2021年12月13日星期一23第二代计算机第二代计算机(19581964)晶体管晶体管2021年12月

9、13日星期一242021年12月13日星期一25摩尔定律摩尔定律1964年，英特尔公司创始人戈登年，英特尔公司创始人戈登.摩尔（摩尔（Gordon Moore）在一）在一篇很短的论文里断言：篇很短的论文里断言：每每18个月，集成电路的性能将提高一倍，个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。而其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律。这就是著名的摩尔定律。作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被集成电路集成电路40多年的发展历史准确无误地验证着。多年的发展历史准确无误地验证着。摩尔定律有另外一种表述方法，即摩尔定律有另

10、外一种表述方法，即每过每过10年计算机系统性能将年计算机系统性能将会增加会增加100倍，通讯带宽也会提高倍，通讯带宽也会提高100倍，而花费的资金不会增倍，而花费的资金不会增加加。2021年12月13日星期一261.2.2 半导体存储器的发展半导体存储器的发展l20世纪世纪5060年代，磁芯存储器年代，磁芯存储器价格昂贵，体积大，破坏性读出价格昂贵，体积大，破坏性读出l1970年，半导体存储器年，半导体存储器价格更加昂贵，体积小，非破坏性读写价格更加昂贵，体积小，非破坏性读写l1974年之后，半导体存储器年之后，半导体存储器价格不断降低，体积不断减少，读写速度更快。价格不断降低，体积不断减少，

11、读写速度更快。l有关存储器的介绍详见第有关存储器的介绍详见第3章章2021年12月13日星期一271.2.3 微处理器的发展微处理器的发展l20世纪世纪70年代的处理器年代的处理器4004 8008 8080 8086 8088l20世纪世纪80年代的处理器年代的处理器80286 386TM DX 386TM SX 486TM DX l20世纪世纪90年代的处理器年代的处理器486TM SX Pentium Pentium Pro Pentium II Pentium l21世纪世纪00年代后的处理器年代后的处理器Pentium 4 Pentium D Core Core 2 Intel Co

12、re i至强（至强（Xeon） Itanium Itanium 2 Itanium 32021年12月13日星期一282021年12月13日星期一292021年12月13日星期一302021年12月13日星期一31CoreCore I7I7ItaniumItanium 2 22021年12月13日星期一321.2.4 计算机的性能指标（计算机的性能指标（1/3）l吞吐量吞吐量表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量信息量。l响应时间响应时间从从输入有效输入有效到系统到系统产生响应产生响应之间的时间度量，用时间单位来表示。之间的时间度量，用时间单位来

13、表示。l利用率利用率在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。比表示。l处理机字长（机器字长）处理机字长（机器字长）处理机运算器中处理机运算器中一次一次能够完成能够完成二进制运算的位数二进制运算的位数，如，如32、64位；位；机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性。机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性。2021年12月13日星期一331.2.4 计算机的性能指标（计算机的性能指标（2/3）l总线宽度总线宽度一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。l存储器容量存储器

14、容量存储器中所有存储单元的总数目。存储器中所有存储单元的总数目。l存储器带宽存储器带宽单位时间内从存储器读出的二进制信息量，一般用字节数单位时间内从存储器读出的二进制信息量，一般用字节数/秒表示。秒表示。l主频主频/时钟周期时钟周期CPU主时钟的频率主时钟的频率主频；其倒数为主频；其倒数为CPU的时钟周期的时钟周期(T周期周期)。2021年12月13日星期一341.2.4 计算机的性能指标（计算机的性能指标（3/3）lCPU的运算速度的运算速度CPU执行时间：执行时间：CPU执行一般程序所占用的执行一般程序所占用的CPU时间；时间；CPI：执行一条指令所需的平均时钟周期数；：执行一条指令所需的

15、平均时钟周期数；MIPS：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数；：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数；MFLOPS：每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。：每秒百万次浮点操作数，衡量机器浮点操作的性能。l其他的性能指标其他的性能指标存储器的读写速度、存储器的读写速度、IO的数据传送率、带宽的均衡性的数据传送率、带宽的均衡性2021年12月13日星期一351.3 计算机的硬件计算机的硬件1.3.1 硬件的组成要素硬件的组成要素使用算盘计算使用算盘计算y=ax+b-c1取数取数 （9）算盘算盘（9）表示第）表示第9行的数行的数a，下同，下同2乘法乘法 （12）算盘算盘完成完成 a

16、 x , 结果在算盘上结果在算盘上3加法加法 （10）算盘算盘完成完成 axb, 结果在算盘上结果在算盘上4减法减法 （11）算盘算盘完成完成 yaxbc, 结果在算盘上结果在算盘上5存数存数 y13算盘上的算盘上的y值记到第值记到第13行行6输出输出把算盘上的把算盘上的y值写出给人看值写出给人看7停止停止运算完毕，暂停运算完毕，暂停8 10 b数据数据11c数据数据12 x数据数据13 y数据数据9a数据数据纸纸 - 存储器存储器算盘算盘 - 运算器运算器笔笔 - 输入输入/输出设备输出设备人人 - 控制器控制器2021年12月13日星期一36冯冯诺依曼机的特点诺依曼机的特点l由运算器、存储

17、器、控制器、输入设备和输出设由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五个部分组成；备五个部分组成； l存储器以二进制形式存储指令和数据；存储器以二进制形式存储指令和数据；l指令由操作码和地址码组成；指令由操作码和地址码组成；l存储程序并按地址顺序执行；存储程序并按地址顺序执行；冯冯诺依曼机的核心设计思想，机器自动化工作诺依曼机的核心设计思想，机器自动化工作的关键；的关键；l以运算器为中心。以运算器为中心。2021年12月13日星期一37冯冯诺依曼机与现代微机诺依曼机与现代微机冯冯诺依曼机结构诺依曼机结构输入设备输入设备存储器存储器输出设备输出设备运算器运算器控制器控制器输入设备输入设备控制

18、器控制器输出设备输出设备存储器存储器运算器运算器现代微机结构现代微机结构2021年12月13日星期一38现代计算机的特点现代计算机的特点l将运算器、控制器和片内的高速缓存，统称为将运算器、控制器和片内的高速缓存，统称为CPU；而将；而将CPU、主存储器、输入、主存储器、输入/输出接口和输出接口和系统总线统称为系统总线统称为主机主机；其余的设备均为外设。；其余的设备均为外设。主机内仅包含主存储器，辅助存储器属于主机内仅包含主存储器，辅助存储器属于I/O设备；设备；l以存储器为中心。以存储器为中心。减轻减轻CPU的数据传送负担，提高系统的整体的数据传送负担，提高系统的整体性能；性能；2021年12

19、月13日星期一391.3.2 运算器运算器l功能：功能： 处理所有的算术及逻辑运算。处理所有的算术及逻辑运算。通常称为通常称为ALU(算术逻辑单元算术逻辑单元)l特点：特点：采用二进制数据进行运算；采用二进制数据进行运算；运算器一次可以处理的数据运算器一次可以处理的数据位数称为位数称为机器字长机器字长；机器字长一般为机器字长一般为8、16、32、64位，机器字长直接决定着运算的精度和能力；位，机器字长直接决定着运算的精度和能力；运算器主要由运算器主要由ALU和各类通用寄存器构成。和各类通用寄存器构成。2021年12月13日星期一401.3.3 存储器（存储器（1/2）l功能：保存所有的程序和数

20、据。功能：保存所有的程序和数据。l特点：特点：二进制形式保存程序和数据；二进制形式保存程序和数据；存储器是按存储单元组织的，读写存储单元必须给出单元地址；存储器是按存储单元组织的，读写存储单元必须给出单元地址；l相关的概念相关的概念存储元：用于保存一位存储元：用于保存一位0/1二进制数据的物理器件；二进制数据的物理器件；存储单元：能够保存一个字数据的器件，由若干个存储元构成；存储单元：能够保存一个字数据的器件，由若干个存储元构成；单元地址：能区分每一个存储单元的编号，一般从单元地址：能区分每一个存储单元的编号，一般从0开始编号；开始编号；存储容量：一个存储器所能保存的二进制信息的总量。存储容量

21、：一个存储器所能保存的二进制信息的总量。l存储器结构示意图存储器结构示意图2021年12月13日星期一411.3.3 存储器（存储器（2/2）l存储器的分类：存储器的分类：外存（辅助存储器）外存（辅助存储器）u磁盘存储器、光盘存储器；磁盘存储器、光盘存储器；uCPU不可直接访问；不可直接访问；内存（主存储器）内存（主存储器）u半导体存储器；半导体存储器；uCPU直接访问，存放当前系统运行所需的所有的程序和数据。直接访问，存放当前系统运行所需的所有的程序和数据。l两个与主存相关的寄存器两个与主存相关的寄存器MAR(存储器地址寄存器存储器地址寄存器)：接收由：接收由CPU送来的地址信息；送来的地址

22、信息；MDR(存储器数据寄存器存储器数据寄存器)：作为外界与存储器之间的数据通路。：作为外界与存储器之间的数据通路。存储器地址寄存器存储器地址寄存器MARMAR主存储器主存储器存储器数据寄存器存储器数据寄存器MDRMDR2021年12月13日星期一421.3.4 控制器（控制器（1/2）l功能：功能： 根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，协根据所要执行指令的功能，按顺序发出各种控制命令，协调计算机的各个部件的工作。调计算机的各个部件的工作。l主要任务：主要任务：解释并执行指令；解释并执行指令；控制指令的执行顺序；控制指令的执行顺序；负责指令执行过程中，操作数的寻址；负责指令执行过程

23、中，操作数的寻址；根据指令的执行，协调相关部件的工作，如运算类指令执行时对根据指令的执行，协调相关部件的工作，如运算类指令执行时对标志寄存器的影响设置。标志寄存器的影响设置。l指令的形式指令的形式操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等；操作码：指出指令所进行的操作，如加、减、数据传送等；地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。地址码：指出进行以上操作的数据存放位置。2021年12月13日星期一431.3.4 控制器（控制器（2/2）l控制器工作的周期控制器工作的周期取指周期：取指令的一段时间取指周期：取指令的一段时间执行周期：执行指令的一段时间执行周期：执行指令的一段时间l指令按顺

24、序执行的控制部件：指令按顺序执行的控制部件：指令计数器指令计数器每取出一条指令，指令计数器就加每取出一条指令，指令计数器就加1；遇到转移类指令，控制器根据所执行指令设置指令计数器的值；遇到转移类指令，控制器根据所执行指令设置指令计数器的值；l相关概念相关概念数据字：该字代表要处理的数据；数据字：该字代表要处理的数据；指令字：该字为一条指令；指令字：该字为一条指令；指令流：取指周期中，从内存读出的信息流；指令流：取指周期中，从内存读出的信息流；数据流：执行周期中，从内存读出的信息流。数据流：执行周期中，从内存读出的信息流。1 1条指令的字节数条指令的字节数2021年12月13日星期一441.3.

25、5 适配器与输入输出设备适配器与输入输出设备l输入设备输入设备将人们熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二将人们熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式的设备。进制信息形式的设备。l输出设备输出设备把计算机的处理结果变成人或其他机器设备所能接收和识别的信把计算机的处理结果变成人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式的设备。息形式的设备。l适配器适配器保证外围设备用计算机系统特性要求的形式发送或接收信息。保证外围设备用计算机系统特性要求的形式发送或接收信息。l系统总线系统总线构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公构成计算机系统的骨架，是多个系统

26、部件之间进行数据传送的公共通路。共通路。2021年12月13日星期一451.4 计算机的软件计算机的软件l系统程序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。包括挥和扩大计算机的功能及用途。包括:u服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等；服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等；u语言类程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等；语言类程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等；u操作系统；操作系统；u数据库管理系统；数据库管理系统；l应用程序应用程序用户利用计算机来解决某些实际问题所编制的程序；用户利用计算机来解决某些实际问题所编制的程序；u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。报检索程序、科学计算程序等等。2021年12月13日星期一461.5 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构l从不同角度看到的计算机的构成；从不同角度看到的计算机的构成；微程序设计级微程序设计级u硬件级，硬件信号作用于计算机；硬件级，硬件信号作用于计算机；一般机器级一般机器级u硬件级，使用微程序解释机器语言；硬件级，使用微程序解释机器语