计算机系统组成与结构PPT第1章 - 概述

1、计算机组成与结构1-1计算机组成与结构 主讲人：朱 芳 计算机组成与结构1-2计算机组成与结构计算机组成与结构l 课课 程程 简简 介介l 计算机组成与结构是计算机科学与工程计算机组成与结构是计算机科学与工程系所有专业的一门核心课程，它在先导课系所有专业的一门核心课程，它在先导课和后续课之间起着承上启下的和继往开来和后续课之间起着承上启下的和继往开来的作用。计算机组成与结构教学具有知识的作用。计算机组成与结构教学具有知识面广、内容多、难度大、更新快的特点。面广、内容多、难度大、更新快的特点。l 本课程讲述计算机组成与结构方面的本课程讲述计算机组成与结构方面的知识，包括：计算机系统概论、数据的表

2、知识，包括：计算机系统概论、数据的表示、运算器与运算方法、存储系统、指令示、运算器与运算方法、存储系统、指令系统、中央处理机组织、总线及总线互连系统、中央处理机组织、总线及总线互连结构、输入输出设备及组织等内容。结构、输入输出设备及组织等内容。计算机组成与结构1-3计算机组成与结构l第一章 概述l第二章 数据的表示l第三章 运算器与运算方法l第四章 存储系统l第五章 指令系统l第六章 中央处理机组织l第七章 总线及总线互连结构l第八章 输入/输出设备l第九章 输入/输出组织计算机组成与结构1-4第一章 概 述本章学习导读：（1）什么是电子计算机？（2）它由哪几部分组成？（3）其特点又是什么？（

3、4）在它的发展历程中经历了哪几代？计算机组成与结构1-5第一章 概述1.1 计算机的定义和特性1.2 计算机的发展历程1.3 计算机的组成与结构1.4 计算机的分类与应用1.5 计算机的工作过程1.6 计算机性能指标计算机组成与结构1-61.1计算机的定义和特性1.1.1什么是计算机 计算机是一种能对各种数字化信息进行自动高速运算的通用处理装置。 信息 运算 处理计算机组成与结构1-71.1 计算机的功能和构成内部特性高速高集成度器件数字化编码信息逻辑判断和处理存储程序工作方式 外部特性高速性准确性通用性智能性1.1.2计算机的特性 计算机具有高速、通用、准确和智能的特点计算机组成与结构1-8

4、1.1 计算机的功能和构成 功能数据处理数据存储数据传送控制 内部结构中央处理器(运算器)存储器组织输入/输出模块中央处理器(控制器)系统互连n计算机硬件的功能和结构中央处理器（CPU）是最复杂的功能部件。近年来采用多个处理器的计算机系统越来越多，但本课程重点在于单处理器系统的组织和结构。计算机组成与结构1-91.2 计算机的发展史计算机的发展史一、计算机的产生和发展一、计算机的产生和发展1946年年 美国美国 ENIAC1955年退役年退役十进制运算十进制运算18 0001 500150301 500多个电子管多个电子管多个继电器多个继电器千瓦千瓦吨吨平方英尺平方英尺5 000次加法秒次加法

5、秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程用手工搬动开关和拔插电缆来编程计算机组成与结构1-1012 计算机的发展1.2.1 电子计算机的诞生第一台电子计算机ENIAC（Electronic Numerical Integrator and Computer）于1946年在美国诞生。每秒5000次加法运算；每秒50次乘法运算；平方和立方计算；Sin和Cos函数数值运算；其它更复杂的计算。计算机组成与结构1-11世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)计算机组成与结构1-12图1.2 第一台电子数字计算机ENIAC计算机组成与结构1-13 1.2.2 第一代计算机 （20世纪4

6、0年代中到50年代末）第一代计算机为电子管计算机，其逻辑元件采用电子管，存储器件为声延迟线或磁鼓，典型逻辑结构为定点运算。计算机“软件”一词尚未出现，编制程序所用工具为低级语言。计算机组成与结构1-1414 第一代第一代电子管（ 19461946年年19571957年）年）采用手动编程采用手动编程单单CPU，定点运算，程序控制，定点运算，程序控制I/O体积大，成本高，可靠性低体积大，成本高，可靠性低图1.3 电子管计算机计算机组成与结构1-15 图1.4 电子管计算机组成与结构1-161.2.3 第二代计算机（50年代中后期到60年代中）第二代计算机为晶体管计算机。这一代计算机除了逻辑元件采用

7、晶体管以外，其内存储器由磁芯构成，磁鼓与磁带成为外存储器。计算机典型逻辑结构实现了浮点运算，并提出了变址、中断、I/O处理等新概念。计算机软件也得到了发展，出现了多种高级语言及其编译程序。计算机组成与结构1-171.2.4 第三代计算机（60年代中到70年代中）第三代计算机为集成电路计算机，其逻辑元件与存储器均由集成电路实现，这是微电子与计算机技术相结合的一大突破。微程序控制、高速缓存、虚拟存储器、流水线等先进计算机技术开始使用。另一大特点是大型/巨型机与小型机同时发展。计算机组成与结构1-181.2.5 第四代计算机（70年代中期开始）大规模（LSI）和超大规模（VLSI）集成电路及微处理器

8、为这一代计算机的典型特征。并行处理技术的研究与应用以及众多巨型机的产生也成为这一时期计算机发展的特点。四代机时期的一个重要特点是计算机网络的发展与广泛应用。计算机组成与结构1-19硬件技术对计算机更新换代的影响硬件技术对计算机更新换代的影响 100 000 000 超大规模超大规模 集成电路集成电路 1978现在现在五五 10 000 000 大规模大规模 集成电路集成电路 19721977 1 000 000 中小规模中小规模 集成电路集成电路 19651971 200 000 晶体管晶体管 19581964 40 000 电子管电子管 19461957 速度速度 /（次（次/秒）秒） 硬件

9、技术硬件技术 时间时间 代代三三四四二二一一计算机组成与结构1-2020第一个系列计算机：IBM 360微程序控制器微程序控制器计算机组成与结构1-21IBM System360 计算机组成与结构1-22最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2009.06）1. .IBM Roadrunner（ 走鹊走鹊 ）129 600 个计算核心个计算核心 最大平均速度最大平均速度 1 105 000 GFLOPS计算机组成与结构1-232. . Cray XT5 Jaguar（美洲虎）（美洲虎）150 152 个计算核心个计算核心 最大平均速度最大平均速度 1 059 000 GFL

10、OPS最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2009.06）计算机组成与结构1-243. . IBM JUGENE-Blue Gene/P 最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2009.06）294 912 个个计算核心计算核心 最大平均速度最大平均速度 825 500 GFLOPS计算机组成与结构1-25最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2009.06）4. SGI Pleiades系统系统51 200 个计算核心个计算核心 最大平均速度最大平均速度 487 005 GFLOPS 计算机组成与结构1-26最快的五台超级计算机最

11、快的五台超级计算机（截止到（截止到 2009.06）5. . IBM BlueGene/L系统系统212 992 个计算核心个计算核心 最大平均速度最大平均速度 478 200 GFLOPS计算机组成与结构1-27最权威的超级计算机排名的参考网址最权威的超级计算机排名的参考网址 计算机组成与结构1-28表1.1计算机发展历程中各个阶段的特点 年代第一代1946-1959第二代1959-1964第三代1964-1970第四代1970-现在电子器件电子管晶体管集成电路大规模、超大规模集成电路存储器延迟线磁芯、磁鼓磁带、纸带磁芯、磁鼓磁带、磁盘半导体存储器磁芯

12、、磁鼓磁带、磁盘半导体存储器磁带、磁盘光盘处理方式机器语言汇编语言监控程序高级语言实时处理操作系统实时/分时处理网络操作系统应用领域科学计算科学计算数据处理过程控制科学计算系统设计等 科技工程领域各行各业运行速度5000至3万次/秒几十万至百万次/秒百万至几百万次/秒几百万至千亿次/秒典型机型ENIACEDVACIBM705UNIVACIBM7094CDC6600IBM360PDP 11NOVA1200ILLIAC-VAX 11IBM PC计算机组成与结构1-29摩尔定律（Intel公司创始人之一摩尔1965年提出）： “由于硅技术的发展，每18个月，集成电路的集成度将翻一番，速度将提高一倍，

13、而其价格将降低一半。”重要意义： 不断改进技术，提高质量，降低成本； 为计算机硬件发展与使用的普及创造了条件； 促进了软件业的发展。面临的难题： 传统工艺难以适应； “门”越来越窄而难以关闭； 搀质的使用接近极限； 传统材料难以适应。格登摩尔照片计算机组成与结构1-301.2计算机的发展历程l 新一代计算机 日本的第五代计算机 80年代初，日本政府制定了一项10年研究计划第五代计算机系统研究计划（1982-1992年）。该计划以研究开发创新的并行推理实现技术为目的，并以逻辑程序设计语言为推理机的核心语言。 学术界和工业界已不再沿用“第x代计算机”的说法。 新一代计算机主要着眼于机器的智能化；采

14、用速度更快的新元器件，如神经元、生物芯片、分子电子器件、超导计算机、量子计算机等等；结构上试图突破冯诺依曼结构。 新器件和非冯诺依曼结构已成为新一代计算机的公认标志。计算机组成与结构1-311.3计算机的组成与结构 为了描述计算机系统的结构，首先要清楚地区分计算机结构和计算机组织两个概念。l 计算机结构:主要研究计算机系统软件和硬件的功能分配以及如何最佳、最合理地实现分配给硬件的功能。对涉及机器语言或者汇编语言的程序设计人员所见到的计算机系统的属性，更多的情况下是指计算机的外特性。这些属性直接影响到程序的逻辑执行，主要包括指令集、表示各种数据类型的比特数、I/O机制以及内存访问技术等。 例如，

15、乘法指令是由硬件还是软件实现？即：指令系统中是否包含乘法指令？计算机组成与结构1-321.3计算机的组成与结构l 计算机组成:也称计算机组织。指计算机主要部件的类型、数量、组成方式、控制方式和信息流动方式及其相互连接构成的系统。是那些对程序员透明的硬件细节。计算机各部件的具体组成以及它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。从这一点上，计算机组成是计算机结构的逻辑实现。 它主要研究数据和指令的组织，基本运算的算法，数据的存取、传送和加工处理，数据流和指令流的控制方式等 。例如,如何实现乘法指令？计算机组成与结构1-331.3.1计算机系统的层次结构l计算机系统=硬件系统+软件系统软件

16、系统交界面硬件系统计算机组成与结构1-34本书讨论的范围涉及第0、1、2共3层，主要内容如下：1. 高速的算术、逻辑运算方法及ALU逻辑设计；2. 高速的指令执行过程及指令部件的设计与实现， 是采用组合逻辑技术、或微程序设计技术，还是 PLA技术；是复杂指令集计算机（CISC），还是 精简指令集计算机（RISC）；3. 提高存储器容量与速度的方法，以及如何解决 “CPU-Cache-MM-外存”之间的匹配问题；4. 高效率的输入/输出方法、组织，以及它们之间的 互联技术；5. 计算机五大部件（运算器、控制器、存储器、输入 和输出）之间的相互作用、高效接口（总线）；计算机组成与结构1-351.3

17、.2计算机硬件l计算机系统的硬件部分从外观上看主要有主机、键盘、鼠标和显示器等组成；从逻辑功能上看，可以分为控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备五个部分，一般地又把运算器和控制器合称为中央处理器(Central Processing Unit,CPU)。计算机组成与结构1-36ALUALU主存主存辅存辅存CPUCPU主机主机I/OI/O硬件硬件CUCU现代计算机硬件框图现代计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器输出设备输出设备控制器控制器ALUALUCPU主机主机I/OI/OCUCU主主存存计算机组成与结构1-371.3.2 计算机硬件计算机硬件是指构成计算机的元器件、部

18、件、设备、以及它们的设计与实现技术。冯诺依曼计算机的主要特点：1）计算机由运算器、存储器、控制器和输入/输出五个 部件组成。2）存储器以二进制形式存储指令和数据；3）存储程序工作方式；4）五部件以运算器为中心进行组织；计算机组成与结构1-38计算机组成与结构1-391.3.2计算机硬件冯冯.诺依曼体系结构诺依曼体系结构John von Neumann冯冯 诺依曼诺依曼 先生先生 计算机采取事先编制程序、存储程序、自动运计算机采取事先编制程序、存储程序、自动运行程序的工作方式，称为行程序的工作方式，称为存储程序存储程序方式。方式。按存储程按存储程序方式工作的计算机统称为冯序方式工作的计算机统称为

19、冯诺依曼体制计算机。诺依曼体制计算机。1946年年6月由冯月由冯诺依曼等人首次提出。诺依曼等人首次提出。 计算机组成与结构1-40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与结构1-41各部分硬件的作用运运算器算器控制器控制器存存储储器器输输入入设备设备输输出出设备设备用来接收用户输入的数据和程序，并将它们转用来接收用户输入的数据和程序，并将它们转换为二进制编码存放到内存中换为二进制编码存放到内存中.它的功能是算术运算和逻辑运算它的功能是算术运算和逻辑运算.它的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊的工作它的作用是控制整个计算机的各个部件有条不紊的工作.存储

20、器分为内存储器和外存储器两种，内存用于存放要执行的存储器分为内存储器和外存储器两种，内存用于存放要执行的程序和数据程序和数据.用于将存放在内存中由计算机处理的结果转变为人们所用于将存放在内存中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的形式能接受的形式.计算机组成与结构1-421.3.3计算机软件 是计算机系统中各种程序及其文档的总称。软件的作用：软件的作用：软件是计算机系统的灵魂，没有配软件是计算机系统的灵魂，没有配备任何软件的备任何软件的“裸机裸机”无法使用，没有配备足无法使用，没有配备足够的软件，计算机的应用范围也将受到很大的够的软件，计算机的应用范围也将受到很大的影响影响 。l 1.软件在计

21、算机系统中起着指挥和管理的作用l 2.软件是计算机用户和硬件的接口界面l 3.软件是计算机体系结构设计的主要依据计算机组成与结构1-431.3.3计算机软件软件的分类 系统软件（含各种支撑软件）：用于实现系统功能、管理系统的软件，为了便于人们使用计算机而设计。系统软件管理整个计算机系统，合理分配系统资源，确保计算机正确高效地运行。常用的系统软件有：操作系统、编译器、解释器、汇编器、高级语言的编译解释程序、各种实用程序等。 应用软件：为各类用户使用计算机而开发的各种应用程序。如：办公自动化软件，计算机辅助设计和辅助制造（CAD/CAM），各种计算机图形、图像应用软件，计算机实时控制软件，事务处理

22、、信息处理软件，科学计算程序，多媒体软件等。计算机组成与结构1-441. 系统软件系统软件语言处理程序语言处理程序 汇编程序汇编程序 编译程序编译程序 解释程序解释程序操作系统操作系统 DOS UNIX Windows 服务性程序服务性程序 装配装配 调试调试 诊断诊断 排错排错数据库管理系统数据库管理系统 数据库和数据库管理软件数据库和数据库管理软件网络软件网络软件计算机组成与结构1-452.应用软件文字处理软件文字处理软件 WPS、Word表格处理软件表格处理软件 Excel 管理软件管理软件 MIS较流行软件：较流行软件：FIX、InTouchLookout辅助设计辅助设计软件软件 Au

23、toCAD实时控制软实时控制软件件 FIX 计算机组成与结构1-461.4计算机的分类与应用l1.4.1计算机的分类l1.4 .2计算机的应用l1.4.3 计算机的发展方向计算机组成与结构1-4714 计算机的分类与应用1.4.1 计算机的分类按计算机所处理对象的表示形式不同可以分成模拟计算机与数字计算机两类。计算机按其用途来分可以分成专用机和通用机两类。其中，通用计算机按其规模、性能和价格来分，又可分为巨型机、大型机、小型机、工作站、微型机等多种类型。1.4.2 计算机应用计算机信息处理技术包括了对各种信息媒体的获取、表示、加工与表现方法和技术，大致有以下几个方面内容：计算机组成与结构1-4

24、81语言与文字的处理。2计算机图形学与数字图象处理。3多媒体技术。4计算机辅助技术。5计算机信息系统。6计算机控制。计算机应用技术的发展方向为集成化、网络化、智能化1.4.2 计算机应用计算机组成与结构1-491.4.3 计算机的发展趋势 计算机的处理速度不断提高 人们预言，2020年之前，计算机的计算能力还将按照“摩尔定律”（每1.5年提高一倍）继续不断提高。 计算机体积不断缩小 近十多年来，半导体集成电路的集成度，大约每3年提高4倍，这种趋势仍将保持下去, 继续朝着超微型化方向发展。 计算机的价格将持续下降 计算机的信息处理功能走向多媒体化 计算机与通信相结合，进入“网络计算时代” 计算机

25、组成与结构1-501.4 .3计算机的发展方向l当前计算机的发展方向 巨型化、微型化、网络化、智能化、多媒体化计算机组成与结构1-511.5 计算机的工作过程 计算机的工作过程就是将编制好的程序经过输入设备存放到主存储器中，并将程序存放的首地址传送到控制器中。l取指阶段：首先，将指令从存储器读到指令寄存器。l分析阶段：接着，它分析这条指令，指出指令要完成的操作，并指明操作数的地址。l执行阶段：最后，根据指令分析的结果完成某种操作。 计算机的工作过程就是取指令、分析指令、执行指令，如此周而复始的过程。 计算机组成与结构1-52输入设备输出设备运算器控制器CPU控制流数据流存储器内存储器外存储器信

26、息信息 在计算机内的处理过程在计算机内的处理过程计算机组成与结构1-531.6 计算机性能指标l机器字长：机器字长是指CPU一次能处理二进制数据的位数，实际上指该计算机中的运算器的位数。如某机器字长32位，表示该机器中，每次能完成两个32位二进制数的运算。通常，机器字长越长，计算机的运算能力越强，其运算精度也越高。通常计算机有通常计算机有8/16/32/64位字长位字长l运算速度：计算机的运算速度与很多因素有关，常用的性能指标如下：（1）CPU的主频（f）：CPU内部的工作频率，表示在CPU内数字脉冲信号震荡的速度，与CPU实际的运算能力并没有直接关系，但与CPU实际的运算速度存在一定的关系。

27、因此，主频仅是CPU性能表现的一个方面，而不能代表CPU的整体性能。计算机组成与结构1-54l外部工作频率：简称外频。它是由主板为CPU提供的基准时钟频率，它表示的是系统总线的工作频率；l倍频：CPU外频与主频相差的倍数。主频=外频倍频 (单位是兆赫兹（单位是兆赫兹（MHz）)（2）时钟周期（T）：CPU内部时钟频率的倒数。是CPU执行操作的最小时间元素。每个动作至少需要一个时钟周期。以PC系列微处理器为例，最初的8086和8088执行一条指令平均需要12个时钟周期 ，CPU的主频与CPU时钟周期互为倒数，即 （3）CPU执行时间：CPU执行某段程序所需的时间，通常用tCPU表示。可以用下式来

28、表示： CPU执行时间 CPU时钟周期数 CPU时钟周期长 l T1f T1f 计算机组成与结构1-55（4）CPI（Cycles Per Instruction）：执行一条指令所需的时钟周期数。计算公式如下：（5）MIPS（Million Instructions Per Second）：每秒执行多少百万条指令。定义为： （6）MFLOPS（Million Floating-point Opereation Per Second）：每秒执行多少百万次浮点运算。定义为：该程序包含的指令条数时钟周期数CPU执行某段程序所需的CPI 610MIPS执行时间指令条数610MFLOPS执行时间浮点操作次数计算机组成与结构1-56221 = = 256 KB213 = = 1 KB如如存储容量存储容量主存容量主存容量辅存