计算机组成原理

1、计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构1授课：李授课：李凌凌燕燕学时：学时：48邮箱：邮箱：2022年年3月月3日日计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构2本课程考查目标本课程考查目标n本课程对计算机专业来说是非常重要的本课程对计算机专业来说是非常重要的专业基础课专业基础课。n理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组理解单处理器计算机系统中各部件的内部工作原理、组成结构以及相互连接方式，具有完整的计算机系统的整成结构以及相互连接方式，具有完整的计算机系统的整机概念。机概念。n理解计算机系统层次化结构概念，熟悉硬件与软件之间理解计算机系统层次化

2、结构概念，熟悉硬件与软件之间的界面，掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方的界面，掌握指令集体系结构的基本知识和基本实现方法。法。n能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计能够运用计算机组成的基本原理和基本方法，对有关计算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析，并算机硬件系统中的理论和实际问题进行计算、分析，并能对一些基本部件进行简单设计。能对一些基本部件进行简单设计。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构3内容说明内容说明1、计算机系统概论、计算机系统概论 2、数据的表示和运算、数据的表示和运算 3、存储器层次结构、存储器层次结构 4、指令系统、指令系统

3、5、中央处理器（、中央处理器（CPU）6、总线、总线 7、输入输出系统、输入输出系统书上第七章和第八章的内容书上第七章和第八章的内容 考试考试与成绩与成绩计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构4第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论1.1 计算机的分类计算机的分类1.2 计算机发展简史计算机发展简史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 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构51.1 计算机的分类计算机的分类一、一、电子计算机电子计算机 电子模拟计算机电子模拟计算机：“模拟模

4、拟”就是相似的就是相似的意思，模拟计算机意思，模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。 电子数字计算机电子数字计算机：在：在算盘的基础上发展起来的，是用数目算盘的基础上发展起来的，是用数目字来表示数量的字来表示数量的大小，主要大小，主要特点是按位运算，并且不连续地跳动特点是按位运算，并且不连续地跳动计算计算。比较内容比较内容数字计算机数字计算机模拟计算机模拟计算机数据表示方式数据表示方式数字数字0/1电压电压计算方式计算方式数字计数数字计数电压组合和测量值电压组合和测量值控制方式控制方式程序控制程序控制盘上连线盘上连线精度精度高

5、高低低数据存储量数据存储量大大小小逻辑判断能力逻辑判断能力强强无无计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构6二、数字计算机二、数字计算机 根据根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分，可以划分为两类来划分，可以划分为两类： 专用计算机专用计算机：最有效、最经济和最快速的计算机，：最有效、最经济和最快速的计算机，但是适但是适应性应性很差很差。 通用计算机通用计算机：适应性很大，：适应性很大，但牺牲但牺牲了效率、速度和经济性了效率、速度和经济性。三、三、通用计算机通用计算机 根据根据体积、简易性、功率损耗、性能指标、

6、数据存储容量、体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和机器价格等可以分为指令系统规模和机器价格等可以分为：超级计算机、大型机、服超级计算机、大型机、服务器、务器、PC机、机、单片机、多单片机、多核核机机六类。六类。 超级计算机超级计算机：用于科学计算，运算速度在每秒万亿次以上；：用于科学计算，运算速度在每秒万亿次以上； 大型机大型机：大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统：大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一调度主机资源，一调度主机资源，代表产品有代表产品有IBM360，4300等等；计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构7超级计算机超级

7、计算机（2008.6） IBM公司，服务于美国能源部，包含公司，服务于美国能源部，包含122400个个core，最大平均，最大平均速度速度1026000 GFLOPS。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构8 服务器服务器：可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用，可以满足部门性的需求，供小型企事业单位使用，典型产品有典型产品有IBM-AS/400，DEC-VAX系列系列； PC机机：即微型计算机，：即微型计算机，个人个人或家庭或家庭使用；使用； 单片机单片机：只用一片集成电路做成的计算机；：只用一片集成电路做成的计算机； 多核机多核机：多于一个处理器的计算机芯片。：多

8、于一个处理器的计算机芯片。多核机多核机单片单片机机PC机机计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构91.2 计算机发展简史计算机发展简史一、计算机的五代一、计算机的五代变化变化 第一代（第一代（19461957年）：电子管计算机年）：电子管计算机 第二代（第二代（19581964年）：晶体管计算机年）：晶体管计算机 第三代（第三代（19651971年）：中年）：中小规模集成电路小规模集成电路计算机计算机 第四代（第四代（19721990年）：大规模年）：大规模和和超大规模集成电路超大规模集成电路 第五代（第五代（1991年年至今至今）：巨）：巨大规模集成电路大规模集成电路计

9、算机计算机 未来计算机：未来计算机：？ 系统系统结构有革命性的结构有革命性的变化变化：类似于：类似于人脑的神经网络，计算机人脑的神经网络，计算机智能化将进一步发展，计算机进入知识处理阶段；材料上使用常智能化将进一步发展，计算机进入知识处理阶段；材料上使用常温超导材料和光器件；通过控制温超导材料和光器件；通过控制DNA分子间的生化反应构造分子间的生化反应构造DNA生物计算机生物计算机等等计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构10二、半导体存储器的发展二、半导体存储器的发展 20世纪世纪5060年代，所有计算机存储器都是由微小的铁年代，所有计算机存储器都是由微小的铁磁磁体体环

10、（磁芯）做成；环（磁芯）做成； 1970年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体年，仙童半导体公司生产出了第一个较大容量半导体存存储器；储器； 从从1970年起，半导体存储器经历了年起，半导体存储器经历了11代：单个芯片代：单个芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB和和1GB。每一代比前一代存储密度提高。每一代比前一代存储密度提高4倍，而每位价格倍，而每位价格和存取时间都在下降。和存取时间都在下降。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构11三、微处理器的发展三、微处理器的发展 1971年年Intel公司开发

11、出公司开发出Intel 4004，这，这是第一个将是第一个将CPU的所有元件都放的所有元件都放入同一块芯片内的入同一块芯片内的产品产品微处理器微处理器诞生诞生了。了。 1972年年开发出开发出Intel 8008，这是第一个，这是第一个8位微处理器位微处理器，比，比4004复杂复杂一倍。一倍。 1974年年开发出开发出Intel 8080，这，这是第一个通用微处理器是第一个通用微处理器，是为通用微机而是为通用微机而设计的设计的中央处理器，而中央处理器，而4004和和8008是为特殊用途而设计是为特殊用途而设计的。的。 20世纪世纪70年代末年代末才开发出强大才开发出强大的通用的通用16位微处理

12、器位微处理器，Intel 8086便是便是其其中之一。中之一。 1981年，贝尔实验室和年，贝尔实验室和HP公司开发出了公司开发出了32位单片位单片微处理器。微处理器。 1981年年，IBM公司公司将将Intel 8088芯片用于其研制的芯片用于其研制的PC机机（Intel的的转折转折点点）。）。 1982年，年，Intel推出推出了了Intel 80286微处理器；微处理器；1985年，推出年，推出了了32位微处理位微处理器器Intel 80386；1989年年，推出，推出Intel 80486芯片；芯片；1993年年，Intel 586 CPU问世。问世。 1996年底年底，Intel推出

13、了推出了Pentium MMX；1998年年，Pentium II 、至强微处、至强微处理器理器Xeon、赛扬、赛扬Celeron ；1999年春年春，Pentium III；2000年年，Pentium 4。 2002年年，Intel超超线程技术（线程技术（Hyper-Threading），逻辑上），逻辑上多处理器；多处理器； 现在现在的的64位处理器和多核位处理器和多核处理器。处理器。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构指令集变化指令集变化 提高电脑在多媒体、提高电脑在多媒体、3D图形方面的应用能力图形方面的应用能力 MMX多媒体指令增强技术，共多媒体指令增强技术，

14、共57条条 SSE第二套多媒体专用指令集第二套多媒体专用指令集3D NOW!3D加速指令集加速指令集 怎么利用这些指令怎么利用这些指令用专业编译器用专业编译器12计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构13 在在90年代是处理器性能的唯一标尺年代是处理器性能的唯一标尺 长久以来在摩尔定律指引下保持高速发展长久以来在摩尔定律指引下保持高速发展CPU速度每速度每18个月提高一倍个月提高一倍而价格下降为原来的二分之一而价格下降为原来的二分之一 处理器的频率进入了处理器的频率进入了“G”时代时代频率对于处理器综合性能的影响力开始减弱。频率对于处理器综合性能的影响力开始减弱。同样可以

15、拥有其标称值同样可以拥有其标称值(PR)性能性能AMD低频产品低频产品Intel迅驰平台低频移动处理器迅驰平台低频移动处理器 现有工艺下单核频率难于提升现有工艺下单核频率难于提升性能没有质的飞跃性能没有质的飞跃功耗散热、成品率、成本控制困难功耗散热、成品率、成本控制困难 3GHz成为了成为了AMD无法逾越的一道坎无法逾越的一道坎Intel发布发布3.8GHz的产品的产品宣布停止宣布停止4GHz的产品计划的产品计划AMD频率超过频率超过2GHz以后无法大幅度提升以后无法大幅度提升处处理理器器的的频频率率提提高高遭遭遇遇瓶瓶颈颈计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构1480核

16、处理器核处理器 2007-02-11 核心面积核心面积275平方毫米平方毫米 主频主频3.16GHz 电压电压0.95V 数据带宽数据带宽1.62Tb/s 浮点运算能力浮点运算能力1.01TFlops相当于相当于1万颗万颗10年前的年前的Pentium Pro 功耗不过功耗不过62W比比core 2 duo还低还低是四核心是四核心Xeon X5355 2.66GHz的大约一半，浮点运算能力估计为的大约一半，浮点运算能力估计为50-60GFlops(每秒十亿次每秒十亿次)计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构15古代及近代计算技术古代及近代计算技术公元前公元前500年，中国

17、出现算盘年，中国出现算盘 1642年，年，Blaise Pascal发明发明自动进位的加法机器，齿轮自动进位的加法机器，齿轮驱动拨盘，在窗口显示结果。驱动拨盘，在窗口显示结果。 1822年，年，Charles Babbage，差分机（差分机（Differential Engie）。）。 1833年，分析机（年，分析机（Analytical Engine），通用机器。），通用机器。 16世纪，阿世纪，阿拉伯数学家阿拉伯数学家阿科瓦里茨米科瓦里茨米（Alkhowarizmi）提出算法概念，提出算法概念，并出版以算法并出版以算法为题的书籍为题的书籍。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机

18、组成与结构16现代计算机的里程碑现代计算机的里程碑计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构17计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构18Turing机机 1937年，年，Alan Turing提出一种提出一种“通用通用”计算机的概念，它可以计算机的概念，它可以执行任何一个描述好的程序（算执行任何一个描述好的程序（算法），实现需要的功能，形成了法），实现需要的功能，形成了“可计算性可计算性”概念的基础。概念的基础。 存储程序存储程序的思想，使计算机从的思想，使计算机从专用走向通用。正是这一创新，专用走向通用。正是这一创新，开创了计算机的新时代，开创了计算

19、机的新时代， Turing机机是现代计算机的鼻祖。是现代计算机的鼻祖。Turing机的特点：机的特点： 并不是保存所有问题的结果；并不是保存所有问题的结果；问题的求解由程序或过程给出，问题的求解由程序或过程给出，程序和过程可以通过语言描述；程序和过程可以通过语言描述；计算机执行程序的时间是有限的。计算机执行程序的时间是有限的。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构19第一台电子计算机第一台电子计算机ENIAC第一台电子计算机第一台电子计算机（通用可编程序）（通用可编程序）18800电子管电子管30吨吨150平方米平方米150kw5000次十进制加法次十进制加法/秒秒用手工

20、扳动开关和插拔电缆来编程用手工扳动开关和插拔电缆来编程 1946年美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机年美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机ENIAC （Electronic Numerical Integrator And Computer），这台机），这台机器于器于1955年退役。年退役。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构20世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机 ENIAC（1946）计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构21计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构22计算机组成原理计算机组成原理计算机组成

21、与结构计算机组成与结构23为了改进程序的输入方式：为了改进程序的输入方式： 美国美国数学家数学家冯冯诺依曼诺依曼，提出，提出二进制二进制表示方式表示方式和和存储存储程序控程序控制制计算计算机构想。提出并描述一个计算机模型机构想。提出并描述一个计算机模型EDVAC： Electronic Discrete Variable Automatic Computer ENIAC的特点：的特点：十进制表示十进制表示 程序用插线开关实现程序用插线开关实现第一台第一台von Neumann 系统结构的计算机系统结构的计算机计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构24 1953年，年，Wi

22、lkes提出了提出了微程序控制微程序控制的基本思想和特点的基本思想和特点。 微程序微程序有许多有许多优点优点：如：如易于改变设计；通过易于改变设计；通过仿真其它仿真其它指令系指令系统，可以保证软件兼容；微程序设计可以减少实现复杂指令的统，可以保证软件兼容；微程序设计可以减少实现复杂指令的成本等等成本等等。 但是但是，由于在很长的一段时间内，用于实现控制存储器的技，由于在很长的一段时间内，用于实现控制存储器的技术和主存的是相同的，而且机器的指令系统也比较简单，因而术和主存的是相同的，而且机器的指令系统也比较简单，因而微程序设计的优势并不明显微程序设计的优势并不明显。 当当控制存储器采用半导体存储

23、器工艺，主存储器采用磁芯技控制存储器采用半导体存储器工艺，主存储器采用磁芯技术时，这两种工艺的速度相差十倍，从而为微程序的广泛使用术时，这两种工艺的速度相差十倍，从而为微程序的广泛使用提供了基础提供了基础。 IBM360系列的许多机器都采用了微程序技术系列的许多机器都采用了微程序技术。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构25 1965年，年，Wilkes在他的一篇论文中提出了在他的一篇论文中提出了直接映象直接映象Cache的思想的思想。 IBM360/85机是第一台使用机是第一台使用Cache的商品计算机。从此，的商品计算机。从此，Cache作为一种可作为一种可以有效解

24、决计算机处理和存储之间速度差异的技术，在后来的机器中扮演着以有效解决计算机处理和存储之间速度差异的技术，在后来的机器中扮演着十分重要的角色十分重要的角色。 八十年代初，有科学家分析八十年代初，有科学家分析了高级语言机器结构所遇到的一些了高级语言机器结构所遇到的一些困难，困难，在此在此基础上提出了基础上提出了简单的机器结构更有可能获得高性能简单的机器结构更有可能获得高性能的的观点，即观点，即RISC（Reduced Instruction Set Computer）的思想）的思想。 加加州大学州大学Berkeley分校的分校的David Patterson开始设计具有开始设计具有RISC思想的机

25、器思想的机器。 八十年代八十年代中期，中期，RISC思想和技术开始普遍被工业界思想和技术开始普遍被工业界接受，接受，RISC技术本身技术本身也得到了迅速完善和发展也得到了迅速完善和发展。1986年，出现了一些年，出现了一些商品化的商品化的RISC芯片芯片，如整数，如整数处理器处理器MIPS2000。 八十年代末，开始注重八十年代末，开始注重流水线技术，以产生时间并行效益的同时，也力图流水线技术，以产生时间并行效益的同时，也力图进一步开发出指令间空间并行的效益进一步开发出指令间空间并行的效益。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构26四、计算机的性能指标四、计算机的性能指标

26、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信息量，：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，单位是字节单位是字节/秒（秒（B/s）。响应时间响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量，例如微秒（时间单位来度量，例如微秒（10-6s）、纳秒（）、纳秒（10-9s）。）。利用率利用率：在：在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，一般用百分比表示率，一般用百分比表示。处理机字长处理机字长：指处理机运算器中一次能够完成二进制数运算的位：指处理机运算器

27、中一次能够完成二进制数运算的位数，决定了寄存器和数据总线的位数。当前处理机的字长有数，决定了寄存器和数据总线的位数。当前处理机的字长有8位、位、16位、位、32位、位、64位。位。 字长越长字长越长，包含，包含的信息量越多，精度越高，硬件成的信息量越多，精度越高，硬件成本也越高本也越高。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构27总线宽度总线宽度：一般指：一般指CPU中运算器与存储器之间进行互连的内部中运算器与存储器之间进行互连的内部总线二进制位数。总线二进制位数。存储容量存储容量：存储器中所有存储单元的总数目，通常用存储器中所有存储单元的总数目，通常用KB、MB、GB、T

28、B来表示。其中来表示。其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位位（1个字节）。个字节）。 存储器容量越大，记忆的二进制数越多。存储器容量越大，记忆的二进制数越多。有内存容有内存容量和辅存容量两种指标。存储容量越大，能存储的信息就越多。量和辅存容量两种指标。存储容量越大，能存储的信息就越多。 1KB=1024B，1MB=1024KB， 1GB=1024MB，1TB=1024GB存储器带宽存储器带宽：存储器的速度指标，单位时间内从存储器读出的：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，一般用字节数二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。秒表示。计算机组成原理计算机

29、组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构28CPU执行时间执行时间：表示：表示CPU执行一段程序所占用的执行一段程序所占用的CPU时间，可时间，可用下式计算：用下式计算： CPU执行时间执行时间 CPU时钟周期数时钟周期数 CPU时钟周期长（时钟周期长（T）主频主频/时钟周期时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产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，生固定频率的时钟，主时钟的频率（主时钟的频率（f）叫）叫CPU的主频的主频。度量单。度量单位是位是MHz、GHz。 例如例如Pentium系列机为系列机为60MHz266MHz，而，而Pentium 4升至升至3.6G

30、Hz。主频的倒数称为主频的倒数称为CPU时钟周期时钟周期（T），即），即T=1/f，度量单位，度量单位是微秒是微秒 s 、纳秒、纳秒ns。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构29CPI：每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。：每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数。CPI =该该段段程程序序中中的的指指令令总总数数时时钟钟周周期期数数执执行行某某段段程程序序所所需需的的 CPUMIPS：每秒百万条指令数每秒百万条指令数，表示单位时间内执行的指令数目。表示单位时间内执行的指令数目。MIPS =666101010CPIfCPI时钟频率程序执行时间指

31、令条数MFLOPS：每秒百万每秒百万次浮点操作次数，用来衡量机器浮点操作次浮点操作次数，用来衡量机器浮点操作的性能。的性能。MFLOPS =610 程程序序执执行行时时间间程程序序中中的的浮浮点点操操作作次次数数 MIPS是单位时间内的执行指令数，所以是单位时间内的执行指令数，所以MIPS值越高说明值越高说明机器速度机器速度越快越快。 MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作的操作的性能，而性能，而不能体现机器的整体性能不能体现机器的整体性能。TFLOPS表示表示每秒万亿次浮点操作次数，该每秒万亿次浮点操作次数，该技术技术指标一般在指

32、标一般在超级计算机中使用。超级计算机中使用。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构例例1. 用一用一台台50MHz处理机执行标准测试程序，其包含的混合指处理机执行标准测试程序，其包含的混合指令数和相应所需的平均时钟周期数如下表所示：令数和相应所需的平均时钟周期数如下表所示：求有效求有效CPI、MIPS速率、处理机程序执行时间速率、处理机程序执行时间tCPU。30指令类型指令类型指令数目指令数目平均时钟周期数平均时钟周期数整数运算整数运算450001数据传送数据传送320002浮点运算浮点运算150002控制传送控制传送800028000150003200045000280

33、00215000232000145000CPI=1.55周期周期/指令指令66610551105010.CPIfMIPS= 32.26（百万条指令（百万条指令/s）6105028000215000232000145000tCPU=3.1ms计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构31例例2. 下列选项中，描述浮点数操作速度指标的是（下列选项中，描述浮点数操作速度指标的是（ ）。）。 A. MIPS B. CPI C. IPC D. MFLOPS例例3. CPU的的CPI与下列哪个因素无关？（与下列哪个因素无关？（ ） A. 时钟频率时钟频率 B. 系统结构系统结构 C. 指

34、令集指令集 D. 计算机组织计算机组织 CPI是执行一条指令所需的时钟周期数，是执行一条指令所需的时钟周期数，系统结构、指令集、系统结构、指令集、计算机组织都会影响计算机组织都会影响CPI，而时钟频率不会，而时钟频率不会，但可以加快指令的，但可以加快指令的执行速度。如执行一条指令需要执行速度。如执行一条指令需要10个时钟周期，则一台主频为个时钟周期，则一台主频为1GHz的的CPU，执行这条指令比一台主频为，执行这条指令比一台主频为100MHz的的CPU快。快。例例4. 基准程序基准程序A在某计算机行的运行时间为在某计算机行的运行时间为100s，其中，其中90s为为CPU时间，其余为时间，其余为

35、I/O时间。若时间。若CPU速度提高速度提高50%，I/O速度不速度不变，则运行基准程序变，则运行基准程序A所耗费的时间是？所耗费的时间是？ T=90/1.5+10=60+10=70s计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构32例例5. 微机微机A和和B是采用是采用了不同主频的了不同主频的CPU芯片，片内逻辑电路完全相同。芯片，片内逻辑电路完全相同。 1）若）若A机的机的CPU主频为主频为8MHz，B机为机为12MHz，则，则A机的机的CPU时钟周期为时钟周期为多少？多少？ TA=1/8MHz=0.125 s 2）如）如A机的平均指令执行速度为机的平均指令执行速度为0.4M

36、IPS，则，则A机的平均指令周期为机的平均指令周期为多少？多少？ A机的平均机的平均指令周期指令周期 = 1/0.4MIPS=2.5 s 3）B机的平均指令执行速度为多少？机的平均指令执行速度为多少？ A机平均每条指令的时钟周期数机平均每条指令的时钟周期数=2.5 s/0.125 s=20，而，而A机和机和B机的片机的片内逻辑电路完全相同，所以内逻辑电路完全相同，所以B机平均每条指令的时钟周期数也是机平均每条指令的时钟周期数也是20。 TB=1/12MHz=1/12 s， 则则B机的平均指令周期机的平均指令周期= 201/12 s=5/3 s， B机的平均指令执行速度机的平均指令执行速度=3/

37、5MIPS=0.6MIPS计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构331.3 计算机的硬件计算机的硬件一一、硬件组成要素、硬件组成要素 计算计算y=ax+b-c：行数行数解题步骤和数据解题步骤和数据说明说明1 取数取数 （9） 运算器运算器 （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） 运算器运算器完成完成ax，保存中间结果，保存中间结果3 加法加法 （10） 运算器运算器完成完成ax+b，保存中间结果，保存中间结果4 减法减法 （11） 运算器运算器完成完成ax+b-c的计算，保存结果的计算，保存结果5 存数存数 y （13）结果记录到第结果记录

38、到第13行行6 输出输出把结果显示在屏幕上给程序员看把结果显示在屏幕上给程序员看7 停止停止89a数据数据10b数据数据11c数据数据12x数据数据13y数据数据计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构34二、冯二、冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机 用二进制表示用二进制表示 存储程序存储程序 按地址自动执行按地址自动执行 五大部件：五大部件： 包括控制器、包括控制器、 运算器、运算器、 存储器、存储器、 输入设备、输入设备、 输出设备输出设备 以运算器为中心以运算器为中心输入设备输入设备输出设备输出设备系统总线（系统总线（BUS）存储器存储器运算器运算器控制器控制器适配器适配

39、器计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构35 输出设备输出设备 输入设备输入设备 运算器运算器 控制器控制器 存储器存储器计算结果计算结果程序和数据程序和数据控制流控制流CS数据流数据流DS地址信号地址信号冯冯诺依曼型计算机诺依曼型计算机计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构36三、运算器三、运算器 进行进行算术运算和算术运算和逻辑运算，通常逻辑运算，通常称为称为ALU（算数逻辑运算（算数逻辑运算部件部件）；）； 在在计算机中参与运算的数是二进制的；计算机中参与运算的数是二进制的； 在在运算中，当数的位数越多时，计算的精度就越高；运算中，当数的位数越

40、多时，计算的精度就越高； 理论上理论上讲，数的位数可以任意多；讲，数的位数可以任意多； 但是但是位数越多，所需的电子器件也越多；位数越多，所需的电子器件也越多； 因此因此计算机的运算器长度一般计算机的运算器长度一般是是8位、位、16位、位、32位、位、64位位。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构37四、存储器四、存储器 运算运算过程中，需要保存大量的过程中，需要保存大量的0、1代码或者数据的器件，目前采用半导体代码或者数据的器件，目前采用半导体器件器件一个一个半导体触发器半导体触发器有有0和和1两个稳定状态，可以记忆一个二进制代码。两个稳定状态，可以记忆一个二进制代码

41、。 通常通常，在存储器中把保存一个数的若干个触发器称为一个，在存储器中把保存一个数的若干个触发器称为一个存储单元存储单元，存储存储器是由许多存储单元组成的器是由许多存储单元组成的。 每个每个存储单元都有编号存储单元都有编号，称为，称为地址地址。 向向存储器中存数或者从存储器中取数，都要按给定的地址来寻找所选的存存储器中存数或者从存储器中取数，都要按给定的地址来寻找所选的存储单元。储单元。 存储器存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量，通常用单位所有存储单元的总数称为存储器的存储容量，通常用单位KB，MB，GB，TB等来表示，如等来表示，如64KB，128MB。存储容量越大，表示计算机记忆

42、储。存储容量越大，表示计算机记忆储存的信息就越多。存的信息就越多。 半导体存储器半导体存储器的存储容量毕竟有限，因此计算机中又配备了存储容量更大的存储容量毕竟有限，因此计算机中又配备了存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器，称为的磁盘存储器和光盘存储器，称为外存储器外存储器，简称，简称辅存辅存。 相对而言相对而言，半导体存储器称为，半导体存储器称为内存储器内存储器，简称，简称内存（主存）内存（主存）。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构38五、控制器五、控制器 1. 指令的形式指令的形式 指令指令由两部分组成：由两部分组成：操作的性质操作的性质（操作码）和（操作码）和操作

43、数的地操作数的地址址 （地址码）（地址码）存储程序并按地址顺序执行存储程序并按地址顺序执行，这就是，这就是冯冯诺依曼诺依曼型计算机的体系型计算机的体系结构。结构。 计算机计算机的所有指令构成该计算机的的所有指令构成该计算机的指令系统指令系统，指令系统不，指令系统不仅是硬件设计的依据，而且是软件设计的基础，是衡量计算机仅是硬件设计的依据，而且是软件设计的基础，是衡量计算机性能的一个重要指标。性能的一个重要指标。 2. 控制器的基本任务控制器的基本任务 按照按照计算程序所排的指令序列计算程序所排的指令序列，先从存储器，先从存储器取出一条指令取出一条指令放到控制器中放到控制器中，对，对该指令的操作码

44、由译码器进行分析判别该指令的操作码由译码器进行分析判别，然，然后根据指令性质，后根据指令性质，执行这条指令执行这条指令，进行相应的操作。接着从存，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行这第二条指令。依次类推储器取出第二条指令，再执行这第二条指令。依次类推。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构393. 指令流和数据流指令流和数据流 运算器和控制器合在一起称为运算器和控制器合在一起称为中央处理器中央处理器，简称，简称CPU。 取取指周期指周期：取指令的一段时间：取指令的一段时间 执行周期执行周期：执行指令的一段时间：执行指令的一段时间 控制器控制器反复交替处在取

45、指周期和执行周期之中，反复交替处在取指周期和执行周期之中，每取出一条每取出一条指令，控制器中的指令计数器指令，控制器中的指令计数器+1，为取下一条指令做好准备，为取下一条指令做好准备，这就是这就是指令为什么在存储器中顺序指令为什么在存储器中顺序存放的原因。存放的原因。 指令指令和数据统统放在内存中，从形式上看，它们都是二进制和数据统统放在内存中，从形式上看，它们都是二进制数码，但是控制器可以区分开哪些是指令，哪些是数据。数码，但是控制器可以区分开哪些是指令，哪些是数据。 取取指周期中从内存读出的信息流是指周期中从内存读出的信息流是指令流指令流，流向控制器流向控制器；而；而在执行器周期中从内存读

46、出的信息流是在执行器周期中从内存读出的信息流是数据流数据流，由内存流向运由内存流向运算器算器。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构40六、适配器与输入输出设备六、适配器与输入输出设备 输入设备输入设备：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别：把人们所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。的二进制信息形式。 输出设备输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别：把计算机处理的结果变换为人或其他机器设备所能接收和识别的信息形式的信息形式 。 计算机计算机的输入的输入/输出设备通常称为输出设备通常称为外围设备外围设

47、备。 适配器适配器：使得被连接的：使得被连接的外围设备通过系统总线与主机进行联系外围设备通过系统总线与主机进行联系，以便使主，以便使主机和外围设备并行协调地工作机和外围设备并行协调地工作 。 系统系统总线总线：构成计算机系统的骨架，是：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多个系统部件之间进行数据传送的公共通路公共通路。 总之总之，现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输，现代电子计算机是由运算器、存储器、控制器、适配器、总线和输入入/输出设备组成的。这也是人们常说的计算机硬件输出设备组成的。这也是人们常说的计算机硬件。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与

48、结构计算机组成与结构41主存，主存，I/O接口接口运算器运算器控制器控制器内部寄存器组内部寄存器组CPU，系统总线系统总线主机主机辅存辅存I/O设备设备外设外设计算机硬件计算机硬件 计算机系统计算机系统计算机软件计算机软件计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构421.4 计算机的软件计算机的软件系统软件系统软件应用软件应用软件计算机软件计算机软件 计算机系统计算机系统计算机硬件计算机硬件 1. 系统软件系统软件：用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，：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发挥和扩大计算机的功能及用途

49、用途，包括包括以下四类：以下四类： 各种各种服务性程序服务性程序，如诊断程序、排错程序、练习程序等，如诊断程序、排错程序、练习程序等 语言语言程序程序，如汇编程序、编译程序、解释程序等，如汇编程序、编译程序、解释程序等 操作系统操作系统 数据库管理系统数据库管理系统 2. 应用软件应用软件：用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序，如工程设计：用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序，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、科学计算程序计算程序等。等。一、软件的组成与分类一、软件的组成与分类计算机

50、组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构43二、软件二、软件的发展演变的发展演变 1. 编程语言编程语言的发展的发展 手手编程序编程序：机器语言程序，手工编译二进制码：机器语言程序，手工编译二进制码 汇编程序汇编程序：符号语言程序，汇编程序汇编：符号语言程序，汇编程序汇编 高级高级程序程序：算法语言：算法语言/高级语言，机器编译程序高级语言，机器编译程序/解释程序解释程序 2. 系统软件系统软件的发展的发展 操作系统操作系统：随着硬件和软件的不断发展而逐渐形成的一套：随着硬件和软件的不断发展而逐渐形成的一套软件系统，用来管理计算机资源和自动调度用户的作业程序，软件系统，用来管理计

51、算机资源和自动调度用户的作业程序，而使多个用户能有效的共用一套计算机系统。而使多个用户能有效的共用一套计算机系统。 分布式系统软件分布式系统软件计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构44lw $15, 0($2)lw $16, 4($2)sw$16, 0($)sw$15, 4($2)temp = vk;vk = vk+1;vk+1 = temp;0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 1000 1010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1100 0110 1010 1111 0101高级语言程序高级语言程

52、序汇编语言程序汇编语言程序机器语言程序机器语言程序控制信号描述控制信号描述编译器编译器汇编器汇编器机器解释机器解释同一程序可以在不同复杂度级别进行表示同一程序可以在不同复杂度级别进行表示计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构451.5 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构 计算机计算机不能简单地认为是一种电子设备，而是一个十分复杂不能简单地认为是一种电子设备，而是一个十分复杂的硬、软件结合而成的的硬、软件结合而成的整体整体，通常通常由五个以上不同的级组成，由五个以上不同的级组成，每一级都能进行每一级都能进行程序设计。程序设计。 第第一级是一级是微程序设计级微程序设计级

53、。 这这是一是一个实在个实在的硬件级的硬件级，由机，由机器器硬件直接执行微指令。如果硬件直接执行微指令。如果某某一一个应用程序直接用微指令来个应用程序直接用微指令来编编写写，那么可在这一级上运行，那么可在这一级上运行应用应用程序程序。 第二第二级是一般机器级，也级是一般机器级，也称为称为机器语言机器语言级级，由，由微程序解释微程序解释机器机器指令系统指令系统。这一级也是硬件级。这一级也是硬件级。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构46 第三第三级是级是操作系统级操作系统级，由，由操作系统程序实现。这些操作系统操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，广义指

54、令是操作系统定义和解释由机器指令和广义指令组成，广义指令是操作系统定义和解释的软件指令，所以这一级也称为混合级。的软件指令，所以这一级也称为混合级。 第四第四级是级是汇编语言级汇编语言级，给程序人员，给程序人员提供一种符号形式语言，提供一种符号形式语言，以减少程序以减少程序编写的复杂性。这编写的复杂性。这一级由汇编程序一级由汇编程序支持和执行支持和执行。如。如果应用程序采用汇编语言编写时，果应用程序采用汇编语言编写时，则机器必须要有这一级的功能；则机器必须要有这一级的功能；如果应用程序不采用汇编语言编如果应用程序不采用汇编语言编写，则这一级可以不要。写，则这一级可以不要。 第五第五级是级是高级

55、语言级高级语言级，是面向，是面向用户用户的，为方便用户编写的，为方便用户编写应用程应用程序序而设置的。这一级由各种而设置的。这一级由各种高级高级语言语言编译程序支持和执行编译程序支持和执行。计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构47计算机系统结构、组成及其实现计算机系统结构、组成及其实现 计算机系统结构主要研究计算机系统结构主要研究软硬件功能分配软硬件功能分配和对软硬和对软硬件件界面的确定界面的确定 指令系统体系结构（指令系统体系结构（ISA）硬件硬件软件软件计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构48 外特性外特性: 指令系统、数据表示、寻址方式、寄

56、存器集指令系统、数据表示、寻址方式、寄存器集 性能成本评价性能成本评价: 运算速度、存储容量、运算速度、存储容量、I/O带宽带宽系统结构的研究范围系统结构的研究范围新型系统结构设计新型系统结构设计: 并行性、数据流、推理机、神经网并行性、数据流、推理机、神经网界面设计界面设计: 确定硬件功能确定硬件功能计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构49 确定数据通路的宽度确定数据通路的宽度 确定各种操作对功能部件的共享程度确定各种操作对功能部件的共享程度 确定专用的功能部件确定专用的功能部件 确定功能部件的并行度确定功能部件的并行度 设计缓冲和排队策略设计缓冲和排队策略 设计控制机构设计控制机构 确定采用何种可靠性技术确定采用何种可靠性技术 组成和实现组成和实现计算机系统的计算机系统的组成组成是指计算机系统结构的是指计算机系统结构的逻辑逻辑实现实现，主要包括：，主要包括：计算机组成原理计算机组成原理计算机组成与结构计算机组成与结构50 处理机、主存储器等部件的物理结构处理机、主存储器等部