计算机组成原理1-概述.ppt

1、欢迎大家学习计算机组成原理,计算机学院 沈磊 ,教学大纲,目的和要求 该课程是计算机科学与技术专业的一门专业基础课。它的内容主要介绍计算机各个功能部件的组织结构、功能以及它们之间互连组成的计算机系统。使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。 教学内容 概论、数据表示、运算方法和运算器、指令系统、控制器、存储系统、输入输出系统、外部设备、计算机系统。,第一章 概论,本章要点： 1) 冯诺伊曼体系的基本特征 2) 总线结构的概念及特点 3) 计算机系统的层次结构 4) 计算机的性能指标,教学目的：本章的目的在于帮助读者建立一个关于计算机系统框架的整体概念，并初步了解有关计算机系统的基

2、本常识和基本概念。,什么是电子计算机？,计算机是一种能够执行程序，进行复杂计算的工具。 数字电子计算机是一种能存储程序并能自动地、高速地对各种数字化信息进行运算处理的电子设备。 自动的含义是指程序执行时，不再需要人的干预，程序能连续发出各种命令，控制计算机完成预定的操作任务。,1.1 计算机的发展与应用 计算工具的发展概况,手工时代 机械时代 电子时代,-500 纪元 1621 1641 1830 1936 1940 1946 1951 1959 1964 1971 1979 1994,十 算 算 计 帕 巴 米通 阿电 ENIAC UNIVAC IBM IBM INTEL IBM 新 指 算

3、 斯 贝 斯用 塔子 7000 360 4004 4300 一 计 尺 卡 奇 工计 那计 代 数 筹 盘 计 分 业算 索算 计 算 析 机 夫机 算 机 机 方 机 案,电 子 管 时 代 晶体管时代 集成电路时代 大规模集成电路时代,1、电子计算机的产生,理论基础：1854年，英国科学家George Boole发表布尔代数，把逻辑理论建立在“0”、“1”两种值和“与”、“或”、“非”三种运算上。 物质基础：1919年，W.H .Ecclers和F .W .Jordan用两只三极电子管接成了E-J双稳态触发器，提供了用电子元件表示二进制数的物质基础。 现实需要：二战因弹道计算需要高速、准确

4、的计算工具。,2、第一代计算机 电子管时代（46-59）,ENIAC （Electronic Numerical Integrator and Computer)二战因弹道计算需要高速、准确的计算 将电子管和继电器存储器用绝缘导线互连在一起，有单个CPU组成，CPU用程序计数器和累加器完成定点运算，采用机器语言或汇编语言，用CPU程序控制I/O。 代表性的有宾夕法尼亚大学莫尔学院1950年的ENIAC、IBM于1953年IBM701计算机。,特征：使用电子管为计算机的基本器件 体积大、耗电多、速度慢、可靠性低 速度为每秒几千到几万次 应用与军事和国防 贡献：确立了模拟量可变换成数字量进行计算

5、确立了计算机的基本结构 确立了程序设计的基本方法 使用阴极射线管（CRT）作显示器 代表：ENIAC （Electronic Numerical Integrator and Computer),介绍：重达30吨 占地170平方米 内装18000个电子管 计算速度5000次/秒 不足：存储容量小 20个字长10位 非自动 采用线路连接来编程 Von Neumann 在此基础上提出了 现代计算机的模型,第一台计算机 ENIAC,3、第二代计算机 晶体管时代（59-64）,BELL实验室的John bardeen, Walter Brattain发明晶体管。 采用分立式晶体管和铁氧体的磁芯，用印刷

6、电路将它们互连。采用变址寄存器、浮点运算、多路存储器和I/O处理机。采用高级语言、子程序库、批处理监控程序。代表性系统是IBM7030。,特征：使用晶体管为计算机的基本器件 体积缩小、耗电减少、重量减轻、可靠性提高 速度为每秒几万到几十万次 开始应用于数据处理 贡献：在图形处理领域开始应用 鼠标器问世 有了操作系统和高级语言 出现通用机和专用机 代表：CDC 6600 7600 IBM 7090,4、第三代计算机 集成电路时代 1965-1974,仙童公司和德州仪器把整个电路做在一片半导体上。 采用小规模或中小规模的集成电路和多层印刷电路。微程序控制。采用了流水线、高速缓存和先行处理机。软件采

7、用多道程序设计和分时操作系统。代表性的有IBM/360-370系列、Digital Equipment公司的 PDP-8系列。,特征：使用中、小规模集成电路为计算机的基本器件 体积、功耗显著缩小、可靠性大大提高 速度为每秒几百万次 贡献：分成巨型机、大型机、中型机、小型机 多种完善的操作系统和高级语言 出现系列机 （解决硬件更新和软件相对稳定的 矛盾，大受欢迎） 代表：IBM 360,5、第四代计算机 大规模集成电路时代 1974-1991,开始生产包含CPU的IC，Intel和Motorola的8080和6800 采用大规模和超大规模的集成电路和半导体存储器。出现了共享存储器、分布存储器或或

8、向量硬件选择的不同结构的并行计算机。使用了并行处理的多处理操作系统、专用语言和编译器，产生了用于并行处理和分布处理的软件工具和环境。代表性的有VAX9000、CrayX-MP、IBM/3090VF。,特征：使用大规模集/超大规模成电路（LSI/VLSI） 进一步缩小体积和功耗 速度为每秒109-1012次 贡献：微型计算机出现 并行处理、分布式处理 计算机网络发展 软件工程产生 RISC精简指令技术：简化指令格式和 寻址方式,是把大型机的流水线技术应用的单机。 代表：INTEL 80X86 PENTIUM,6、第五代计算机 甚大规模集成电路时代1991-200？,标志： 单片机集成电路100万

9、晶体管以上 超标量技术的应用（把大型机的多指令发出和无序执行应用到单机） 流水线技术,6、第六代计算机 极大规模集成电路时代200？-20？,单片机集成电路超过1亿晶体管以上。 单个处理机芯片有图形处理，视频处理，通信部件。 IC不再制约系统结构的发展而是相反。是系统结构发展的契机,7、新一代计算机,生物计算机（DNA） 光学计算机 超导计算机 纳米计算机 量子计算机,计算机的应用,1、科学技术方面 导弹和卫星发射、天气预报、基因密码研究等 2、数据处理方面 财会系统、银行管理、情报检索、订票系统 3、实时控制 过程控制 4、计算机辅助设计CAD 包括CAD、CAM、CAT、CAI等 5、企业

10、管理、信息系统、多媒体、人工智能等其它,1.2 计算机的组成-硬件和软件,1 .2 . 1 计算机硬件的组成，把控制器和运算器合为处理机processor 成为趋势。,Von Neumann计算机硬件的组成,冯诺依曼体系结构Von Neumann ：,1) 采用二进制形式表示数据和指令 数据和指令在代码的外形上并无区别都是由0和1组成的代码序列，只是各自约定的含义不同而已。 采用二进制、使信息数字化容易实现，可以用二值逻辑工具进行处理。 程序信息本身也可以作为被处理的对象，进行加工处理，例如对照程序进行编译，就是将源程序当作被加工处理的对象。,信息的数字化表示,1、模拟信号 2、数字信号 3、

11、数字信号的优点：抗干扰；物理上容易实现，可存储。 4、举例,信息的数字化表示,1. 在计算机中用数字代码表示各种信息,二进制代码,例1 用数字代码表示数据,5,- 5,表示为 0 101,表示为 1 101,例2 用数字代码表示字符,A,B,表示为 1000001,表示为 1000010,例3 用数字代码表示命令、状态,启动,停止,正在工作,工作结束,表示为 00,表示为 01,表示为 10,表示为 11,2. 在物理机制上用数字信号,数字型电信号,例1 用电平信号表示数字代码,高电平,1,低电平,高电平,0,1,例2 用脉冲信号表示数字代码,有脉冲,无脉冲,有脉冲,1,0,1,表示数字代码,

12、实现并行操作,实现串行操作,冯诺依曼体系结构：,(2) 采用存储程序方式 这是诺依曼思想的核心内容。如前所述，它意味着事先编制程序，事先将程序(包含指令和数据)存入主存储器中，计算机在运行程序时就能自动地、连续地从存储器中依次取出指令且执行。 这是计算机能高速自动运行的基础。计算机的工作体现为执行程序，计算机功能的扩展在很大程度上体现为所存储程序的扩展。 计算机的许多具体工作方式也是由此派生的。,诺依曼机的这种工作方式，可称为控制流(指令流)驱动方式。即按照指令的执行序列，依次读取指令；根据指令所含的控制信息，调用数据进行处理。因此在执行程序的过程中，始终以控制信息流为驱动工作的因素，而数据信

13、息流则是被动地被调用处理。,为了控制指令序列的执行顺序，我们设置一个程序(指令)计数器PC(Program Counter)，让它存放当前指令所在的存储单元的地址。如果程序现在是顺序执行的，每取出一条指令后PC内容加l，指示下一条指令该从何处取得。 如果程序将转移到某处，就将转移后的地址送入PC，以便按新地址读取后继指令。所以，PC就像一个指针，一直指示着程序的执行进程，也就是指示控制流的形成。,虽然程序与数据都采用二进制代码，仍可按照PC的内容作为地址读取指令，再按照指令给出的操作数地址去读取数据。由于多数情况下程序是顺序执行的，所以大多数指令需要依次地紧挨着存放，除了个别即将使用的数据可以

14、紧挨着指令存放外、一般将指令和数据分别存放在该程序区户的不同区域。,指令的执行过程,冯诺依曼体系结构：,3) 由运算器、存储器、控制器、输入装置和输出装置等五大部件组成计算机系统，并规定了这五部分的基本功能。,1主要功能部件,1. 存储器 （1）功能: 存储信息。 （2）组成（主存储器）：,存储体,地址寄存器,译码器,读/写线路,数据寄存器,控制线路,2. 运算器 （1）功能：加工信息。 （2）组成：,移位器,ALU,选择器,通用寄存器组,选择器,3. 输入/输出设备 功能：转换信息。,主机,接口,入/出设备,输入：原始信息,代码，送入主机,输出：处理结果,人所能接受的形式，输出,（代码）,4

15、. 控制器 （1）功能：产生控制命令(微命令)，控制全机操作。 （2）组成：,微命令发生器,指令信息,状态信息,时序信号,微命令序列,逻辑条件,时间条件,微命令产生方式（指令执行控制方式）：,组合逻辑控制方式：,微程序控制方式：,由组合逻辑电 路产生微命令,由微指令产生微命令,非诺依曼化,传统的诺依曼机从本质上讲是采取串行顺序处理的工作机制，即使有关数据巳经准备好，也必须逐条执行指令序列；而提高计算机性能的根本方向之一是并行处理：因此，近年来人们在谋求突破传统诺依曼体制的束缚，这种努力被称为非诺依曼化。,在诺依曼体制范畴内，对传统诺依曼机进行改造，如采用多个处理部件形成流水处理，依靠时间上的重

16、叠提高处理效率；又如组成阵列机结构，形成单指令流多数据流，提高处理速度。这些方向已比较成熟，成为标准结构。 用多个诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。这方面的研究目前比较活跃。 从根本上改变诺依曼机的控制流驱动方式。例如，采用数据流驱动工作方式的数据流计算机，只要数据已经准备好，有关的指令就可并行地执行。这是真正非诺依曼化的计算机，它为并行处理开辟了新的前景，但由于控制的复杂性，仍处于实验探索之中.,1 .2 . 2 计算机软件的组成,软件组成,系统软件,应用软件,操作系统或管理程序,故障诊断或检测程序,高级语言的编译语言或解释程序,汇编语言,系统调试程序,数据库管理程序,使用者根据需要采

17、用各种语言,各种应用程序，包括各类应用软件包,计算机软件的组成,层次结构模型,硬件级,机器指令级,操作系统级,高级语言级,应用语言机器级,汇编语言机器级,操作系统机器级,传统机器级,高级语言机器级,微程序机器级,3 级,4 级,5 级,1 级,2 级,0 级,虚拟机器级（软件）,硬件,固件,系统分析求解问题,虚拟机（通过软件扩充的物理机）目的：摆脱真实机器的束缚。 比较：Java虚拟机,实际机器（机器语言物理机）,专用语言虚拟机,高级语言虚拟机,汇编语言虚拟机,程序,硬件系统结构 1. 以总线为基础的系统结构 总线：能为多个部件分时共享的一组信息传送线路。,总 线,总 线,内总线 功能 局部总

18、线 系统总线 外总线,地址总线 信息 数据总线 控制总线,时序 同步总线 异步总线,并行总线 格式 串行总线,方向 单向总线 双向总线,（1）小型机系统结构 a）以CPU为中心的双总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,I/O 总线,M 总线,外设单独编址,b）单总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,系 统 总 线,寄存器和主存统一编址,c）以M为中心的双总线结构,CPU,M,接口,接口,I/O,I/O,系 统 总 线,M 总线,（ 2）微型机系统结构,CPU,RAM,ROM,公共接口,总线控制逻辑,M扩展板,I/O接口板,局部总线,系统总线,多级总线结构,( 3 ).

19、采用通道或IOP（IO处理器）的大型系统结构 （a）带通道的系统,I/O控制器,主机,I/O,通道,通道(概念)：专门用来管理I/O操作的控制部件。,( 3 ). 采用通道或IOP（IO处理器）的大型系统结构,（b）带IOP的系统,CPU,M,接口,I/O,IOP,LM,接口,I/O,系统总线,I/O总线,一般来说，硬件只完成基本的功能，复杂的功能通过软件来实现(降低成本)。 从逻辑上来讲，有许多功能可由硬件直接实现，也可在基本硬件基础上依靠辅助软件来实现，对用户来说，在功能上是等价的，称为硬、软件在功能上的逻辑等价。,1.2.3 硬、软件界面及其逻辑上的等价性,硬、软件之间的界面：指令系统。

20、 如何理解： 硬件的基本任务是识别与执行指令代码。因此指令系统所规定的功能可由硬件实现。 人们编制的程序最终转换成机器指令才能由硬件执行。因此指令系统是编制程序的基础。,硬件软化：硬件技术跟不上，价格昂贵。 软件硬化：硬件技术的发展。 固件化：软件固化，软件固化到硬件芯片中。,1.3 计算机的性能指标,1. 基本字长(概念）：即参与运算的二进制数的基本位数。(计算机允许双倍字长、多倍字长，以兼顾硬件代价与计算精度) 2. 主存容量：越大，则可运行比较复杂的程序，使软件支撑环境更完善。 3. 外存容量：指计算机系统中联机运行的辅助存储器容量。 主辅存存储系统构成了虚拟存储器。,4. 运算速度： 1) 以最短指令执行时间为标准。 2) 根据不同类型指令使用的频率乘上不同系数，再求平均值，即为平均运算速度。 3) 单位时间(每秒)平均执行的指令条数（ips）。 主频反映了运算速度的快慢。 5. 外围设备的配置及其性能。 6. 系统软件配置情况。 核心性能指标：基本字长、主存容量、运算速度,当前全球速度最快的超级计算机为IBM制造的蓝色基因(BlueGene/L)，该系统安装在美国加州大学的Lawrence Livermore国家实验室，峰值运算速度高达183.5万亿次/秒 （截止到200