计算机组成原理课件

1、教材：胡乃平，曲英杰，周燕萍，青岛科技大学计算机组成与结构主编，自编教材，计算机组成原理，教师：胡乃平，信息科学与技术学院计算机硬件教研室，72(A0 (A0公共区)，用户名：公共密码：公共，必修课：数字逻辑电路，课程性质：专业必修课，课时分配：64课时，16个实验小时。 其他参考资料：白仲瑛计算机组成原理科学出版社唐硕飞计算机组成原理高等教育出版社后续课程：计算机系统结构课程历史沿革：1987年，中国计算机联合会教育专业委员会推出了面向我国计算机本科专业的“87教程”，对8门重点课程(包括计算机组成原理)提出了基本要求； 2002年，中国计算机联合会教育专业

2、委员会和全国高校计算机教育研究协会推出了2002年中国计算机科学与技术课程，提出硬件课程包括三个知识模块：“数字逻辑与数字系统”、“计算机组成”和“计算机体系结构”；2006年，教育部高等学校计算机科学与技术教学指导委员会发布了高等学校计算机科学与技术专业发展战略报告及专业标准，仍将数字逻辑与数字系统、计算机组成和计算机体系结构列为主干课程。内容，第1章计算机系统概述第2章数据表示和操作第3章内存层次第4章指令系统第5章中央处理器第6章总线第7章输入和输出系统，内容，第8章流水线处理技术第9章并行计算机体系结构第1章计算机系统介绍， 1.1计算机的发展历史1.2计算机系统的层次结构1.3计算机

3、的性能指标1.4计算机的分类和应用1.1计算机的发展历史根据制造计算机所使用的不同元件，电子计算机的发展依次经历了几个不同的发展阶段，如电子管时代、晶体管时代、中小规模集成电路时代、大规模和超大规模集成电路时代、超大规模和超大规模集成电路时代。 第一代，电子管计算机时代(1946-1959)，是一种封装在玻璃外壳中的电真空装置，如图1.1所示。Eniac(电子数字积分器和计算器)是世界上第一台电子数字计算机，由宾夕法尼亚大学于1946年开发。它的字长为12位，运行速度为每秒5000次，有18800个电子管和1500个继电器，功耗为150千瓦，面积为170平方米，重量为30吨，成本为100万美元

4、，如图1.2所示。电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管电子管它可以用来设计反相电路实现反相功能，进而实现计算机使用的所有组合逻辑电路和各种时序逻辑电路，如触发器、寄存器和计数器。用分立晶体管电路实现的计算机称为晶体管计算机。第二代计算机的尺寸和价格已经下降，使用它

5、们的人数已经增加。计算机行业发展迅速，主要用于商业、大学教学和政府机构。在第三代中，在中小型集成电路(1964-1970)的计算机时代，集成电路(IC)是在比手指甲小但包含数千个晶体管元件的芯片上制成的完整电子电路。计算机的数据存储、运算、传输和控制功能基本上是由各种具有逻辑功能的门电路实现的，门电路由晶体管、电阻和电容组成。因此，随着集成电路制造技术的发展，可以在非常小的硅芯片上制造数百个栅极电路。这项技术的应用大大缩小了计算机的体积，降低了功耗，提高了计算机的可靠性。代表o第四代、大规模和超大规模集成电路计算机时代(1970年至今)这个时代的计算机使用的元件仍然是集成电路，但这种集成电路已

6、经有了很大的改进，它包含了几十万到几百万个晶体管，人们称之为大规模集成电路(LSI)和超大规模集成电路(VLSI)。1975年，美国的1BM公司推出了个人计算机(PC)。从那时起，人们对计算机不再陌生，计算机已经开始渗透到人类生活的各个方面。表1.1计算机发展各阶段的特点1.2计算机系统的层次结构为了描述计算机系统的结构，我们必须首先明确区分计算机结构和计算机组织两个概念。计算机结构：指的是参与机器语言或汇编语言的程序员所看到的计算机系统的属性，并且更经常地指的是计算机的外部特征。这些属性直接影响程序的逻辑执行，包括指令集、代表各种数据类型的位数、输入输出机制和内存访问技术。计算机构成了：计算

7、机的特定组件以及它们之间的连接关系，实现了机器指令级的各种功能和特性。从这一点来看，计算机组成是计算机结构的逻辑实现。图1.3计算机系统的层次结构计算机系统通常包括两部分：硬件和软件。计算机的层次结构不仅是分配软件和硬件功能的模式描述，也是分析计算机系统的较好方法。目前，计算机系统的层次结构分为六层，如图1.3所示。1.2计算机系统的层次结构1.2.1计算机硬件的基本组成计算机系统的硬件部分从外观上主要由主机、键盘、鼠标和显示器组成；就逻辑功能而言，它可以分为五个部分：控制器、运算单元、存储器、输入设备和输出设备。通常，算术单元和控制器统称为中央处理器。1.2.2计算机软件的分类计算机软件：计

8、算机系统中的程序和文件。程序是对计算任务的处理对象和处理规则的描述。文档是为了便于理解程序所需的解释性信息。根据面向对象的不同，计算机软件可以分为两类：系统软件和应用软件。系统软件：用于实现系统功能和管理系统的软件，旨在方便人们使用计算机。系统软件管理整个计算机系统，合理分配系统资源，保证计算机的正确高效运行。常用的系统软件包括：操作系统、编译器、解释器、汇编器等。应用软件：为特定应用开发的面向用户的软件。这种软件通常满足用户的某些要求。例如，安装在操作系统下的各种应用软件和企业中使用的各种资源管理软件。1.2.3计算机的工作过程计算机的工作过程是通过输入设备将程序存储到主存储器中，并将程序的

9、第一个地址传送给控制器。提取阶段：首先，从内存中读取指令到指令寄存器。分析阶段：接下来，它分析指令，指示指令要完成的操作，并指示操作数的地址。执行阶段：最后，根据指令分析的结果，完成一些操作。计算机的工作过程是获取指令、分析指令、执行指令等的过程。1.3计算机机器字长的性能指标：机器字长是指中央处理器一次可以处理二进制数据的位数，实际上是指计算机中算术单元的位数。如果一个机器字有32位长，这意味着每次可以计算两个32位二进制数。一般来说，机器字长越长，计算机的运算能力越强，运算精度越高。运行速度：计算机的运行速度与许多因素有关，常用的性能指标如下：(1)中央处理器的主频(f):中央处理器的内部

10、工作频率，表示中央处理器中数字脉冲信号振荡的速度，与中央处理器的实际运行能力没有直接关系，但与中央处理器的实际运行速度有一定的关系。因此，主频率只是中央处理器性能的一个方面，不能代表中央处理器的整体性能。外部工作频率：简称外部频率。它是主板为中央处理器提供的参考时钟频率，代表系统总线的工作频率；倍频：中央处理器外部频率和主频率之差的倍数。主频率=外部倍频(2)时钟周期(t):中央处理器内部时钟频率的倒数。是中央处理器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，原来的8086和8088平均需要12个时钟周期来执行一条指令，CPU的主频和CPU的时钟周期是互逆的，

11、即(3)CPU执行时间：CPU执行某个程序所需的时间，通常用tCPU表示。它可以用下面的公式表示：中央处理器执行时间中央处理器时钟周期数中央处理器时钟周期数是长的，(4)每个指令的周期数：执行一条指令所需的时钟周期数。公式如下：(5) MIPS(每秒百万条指令):每秒执行多少百万条指令。定义为：(6) m次浮点运算(每秒百万次浮点运算):每秒执行数百万次浮点运算。定义为：1.3.3吞吐量和响应时间(1)计算机类别下的吞吐量可分为两种类型：网络类别下的吞吐量：设备在不丢失帧的情况下可以接受的最大速度。它的大小主要由防火墙中的网卡和程序算法的效率决定；系统结构下的吞吐量：单位时间内中央处理器从存储

12、设备中读取、处理和存储的信息量，单位为字节/秒。主要影响因素是存储设备的访问速度和中央处理器的性能，如主频和消费物价指数。(2)响应时间在操作系统中，指从用户请求或指令到系统响应的时间。例1。40兆赫兹的处理器用于执行标准测试程序。下表显示了混合指令的数量和相应的所需平均时钟周期：计算有效CPI、MIPS速率和程序执行时间tCPU。解决方案：CPI=(450001 320002 150002 80002)/(45000 32000 15000 8000)=1.55(周期/指令)MIPS=f/(CPI 106)=(40106)/(1.55106)Tcpu=(450001 320002 15000

13、2 80002)/(401002)根据计算机信息的表示形式和信息的处理方式分类(1)数字计算机这种计算机的数据输入、处理、输出和存储都是模拟计算机这种计算机输入、处理、输出和存储的数据都是模拟的，这些数据在时间上是连续的。由于受元器件质量的影响，模拟计算机计算精度低，适用范围窄，目前很少生产。根据计算机的用途(1)通用计算机通用计算机是为解决各种问题而设计的计算机，具有很强的通用性。它具有一定的计算速度、一定的存储容量，配有通用的外部设备，并配有各种系统软件和应用软件。大多数通用数字电子计算机都属于这一类。(2)专用计算机专用计算机是为解决特定问题或一类问题而设计的计算机。它的硬件和软件配置取

14、决于解决特定问题的需要，但它不是详尽无遗的。该专用机功能单一，配有解决具体问题的固定程序，能高速可靠地解决具体问题。计算机根据其规模、速度和功能进行分类(1)超级计算机，也称为超级计算机，是指运行速度超过每秒1亿次的高性能计算机。它们是目前功能最强大、速度最快、软硬件最齐全、价格最昂贵的计算机，主要用于解决气象、空间、能源等尖端科学研究中的复杂计算。它们安装在国家高级研究机构中，可以同时被数百个用户使用。(2)主机还具有高计算速度和大存储容量，允许相当多的用户同时使用。当然，它们在数量上不如超级计算机，在结构上比超级计算机更简单，也更便宜，所以它们被更广泛地使用。(3)小型机在规模和运行速度上

15、比大中型计算机差，但它仍能支持十几个用户同时使用。小型机具有体积小、价格低、性价比高等优点。适用于中小型企事业单位进行工业控制、数据采集、分析计算、企业管理和科学计算等。它也可用作大中型机器的辅助设备。(4)微型计算机是一种用途最广、产量最大的计算机。它体积小、功耗低、成本低、灵活性大，其性能价格比明显优于其他类型的计算机，因此得到了广泛的应用。根据计算机体系结构(1)单指令流和单数据流(SISD)结构，SISD指的是传统的顺序执行处理器，它由单个控制器、单个执行单元和单个存储器组成。控制器一次只解码一条指令，执行组件一次只处理一个数据。(2) SIMD结构SIMD是指由单个控制器、多个执行单

16、元和多个存储模块组成的计算机系统结构。控制单元一次仅解码一条指令，并将相同的控制命令发送给多个执行单元，使得多个执行单元执行相同的操作，并且每个执行单元处理来自不同存储器模块的数据。(3)多指令流和单数据流(MISD)结构MISD是指多个控制器和多个执行单元同时对单个数据执行不同的指令，这一点意义不大，也不常用。(4)多指令流和多数据流(MISD)结构MIMD是指由多个控制器、多个执行部件和多个存储模块组成的多处理器系统。基于MIMD的计算机系统是大多数高性能并行计算机系统和计算机集群系统的结构模型，也称为并行处理器系统。该计算机中的每个处理器都在自己程序的控制下运行，并独立地对自己的数据进行协同操作，形成多个指令流和多个数据流。1.4.2计算机应用领域1科学计算(或称数值计算)科学计算是指利用计算机完成科学研究和工程技术中提出的数学问题的计算。在现代科学技术工作中，科学计算问题计算量大，复杂性高。利用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算能力，可以实现各种不能人工解决的科学计算问题。2数据处理(或信息处理)数据处理是指收集、储存、分类、分类、统计、处理、利用和传播各种数据