計(jì)算機(jī)組成原理

E-mail:1計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理課程介紹

課程地位：是計(jì)算機(jī)專業(yè)本科生的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程。教學(xué)目的：使學(xué)生既能從全局或宏觀的角度掌握計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和工作原理，又能從局部或微觀的角度理解計(jì)算機(jī)各個(gè)部件的工作過(guò)程和交互方式。2計(jì)算機(jī)組成原理課程介紹與其它課程的先后關(guān)系其先導(dǎo)課程有：數(shù)字邏輯、匯編語(yǔ)言。課程特點(diǎn)：教學(xué)內(nèi)容多、學(xué)習(xí)難度大。3主要參考書教材：計(jì)算機(jī)組成原理白中英科學(xué)出版社(第四版)參考教材：1．計(jì)算機(jī)組成原理唐朔飛高等教育出版社2．計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)王誠(chéng)清華大學(xué)出版社3．現(xiàn)代計(jì)算機(jī)組成原理潘松科學(xué)出版社4.計(jì)算機(jī)組成與設(shè)計(jì)—硬件/軟件接口DavidA.PattersonJohnL.Hennessy機(jī)械工業(yè)出版社(第三版)4第１章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.4計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用1.3計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.2計(jì)算機(jī)的基本組成51.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介由具有各類特殊功能的信息（程序）組成1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的實(shí)體，如主機(jī)、外設(shè)等一、計(jì)算機(jī)的軟硬件概念硬件軟件6按任務(wù)需要編制成的各種程序用來(lái)管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件語(yǔ)言處理程序操作系統(tǒng)服務(wù)性程序數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件軟件1.17計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言程序目標(biāo)程序結(jié)果翻譯運(yùn)行1.12.計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程8二、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)器M3匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)器M2操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器機(jī)器語(yǔ)言實(shí)際機(jī)器M1微指令系統(tǒng)微程序機(jī)器M01.19用編譯程序翻譯成匯編語(yǔ)言程序用匯編程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序用機(jī)器語(yǔ)言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機(jī)器指令由硬件直接執(zhí)行微指令軟件硬件1.1虛擬機(jī)器M4虛擬機(jī)器M3虛擬機(jī)器M2實(shí)際機(jī)器M1微程序機(jī)器M010程序員所見(jiàn)到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性有無(wú)乘法指令如何實(shí)現(xiàn)乘法指令（指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、I/O機(jī)理）（具體指令的實(shí)現(xiàn)）1.1三、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成111.2計(jì)算機(jī)的基本組成1.計(jì)算機(jī)由五大部件組成3.指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示4.指令由操作碼和地址碼組成6.以運(yùn)算器為中心2.指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲(chǔ)器，

可按地址尋訪5.存儲(chǔ)程序一、馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)5.存儲(chǔ)程序12算術(shù)運(yùn)算邏輯運(yùn)算存放數(shù)據(jù)和程序?qū)⑿畔⑥D(zhuǎn)換成機(jī)器能識(shí)別的形式將結(jié)果轉(zhuǎn)換成人們熟悉的形式指揮程序運(yùn)行1.2馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備131.2馮·諾依曼計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器輸出設(shè)備14二、計(jì)算機(jī)硬件框圖1.21.以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)硬件框圖程序存儲(chǔ)器輸出設(shè)備輸入設(shè)備運(yùn)算器控制器數(shù)據(jù)結(jié)果計(jì)算15ALU主存輔存CPU主機(jī)I/O設(shè)備硬件CU2.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件框圖存儲(chǔ)器輸入設(shè)備運(yùn)算器輸出設(shè)備控制器1.2ALUCPU主機(jī)I/O設(shè)備CU主存161.上機(jī)前的準(zhǔn)備建立數(shù)學(xué)模型-+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin…編制解題程序確定計(jì)算方法程序——運(yùn)算的全部步驟0,1,2,)()(21nynxynx=+=√…指令——每一個(gè)步驟1.2三、計(jì)算機(jī)的工作步驟17取x至運(yùn)算器中乘以x在運(yùn)算器中乘以a在運(yùn)算器中存ax2

在存儲(chǔ)器中取b至運(yùn)算器中乘以x在運(yùn)算器中加ax2

在運(yùn)算器中加c在運(yùn)算器中=(ax

+

b)x

+

c

取x至運(yùn)算器中乘以a在運(yùn)算器中加b在運(yùn)算器中乘以x在運(yùn)算器中加c在運(yùn)算器中計(jì)算ax2+bx+c1.2編程舉例18000001

0000001000打印

停機(jī)取數(shù)α[α]ACC存數(shù)β[ACC]

β加γ[ACC]+[γ]ACC乘δ[ACC]×[δ]ACC指令格式舉例1.2操作碼地址碼

[

]打印機(jī)19指令和數(shù)據(jù)存于主存單元的地址指令注釋操作碼地址碼00000010000001000取數(shù)x至ACC10001000000001001乘a得ax

,存于ACC中20000110000001010加b得ax+b

,存于ACC中30001000000001000乘x得（ax+b)x,存于ACC中40000110000001011加c得ax2+bx+c

,存于ACC50000100000001100將ax2+bx+c

,存于主存單元60001010000001100打印7000110停機(jī)8

x原始數(shù)據(jù)x9

a原始數(shù)據(jù)a10b原始數(shù)據(jù)b11c原始數(shù)據(jù)c12存放結(jié)果1.2計(jì)算ax2+bx+c程序清單20存儲(chǔ)體大樓存儲(chǔ)單元存放一串二進(jìn)制代碼存儲(chǔ)字存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的組合存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)每個(gè)存儲(chǔ)單元賦予一個(gè)地址號(hào)按地址尋訪–存儲(chǔ)單元–存儲(chǔ)元件（0/1）–

房間–

床位（無(wú)人/

有人）(1)存儲(chǔ)器的基本組成1.2MDR主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MAR2.計(jì)算機(jī)的解題過(guò)程21MARMDR存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)

16存儲(chǔ)字長(zhǎng)

8

設(shè)MAR

=

4

位

MDR

=

8

位1.2存儲(chǔ)器地址寄存器反映存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器反映存儲(chǔ)字長(zhǎng)(1)存儲(chǔ)器的基本組成MDR主存儲(chǔ)器存儲(chǔ)體MAR22ACCMQX(2)運(yùn)算器的基本組成及操作過(guò)程1.2運(yùn)算器MQACCALUX被加數(shù)被減數(shù)被除數(shù)乘數(shù)商加數(shù)減數(shù)被乘數(shù)除數(shù)加法減法乘法除法和差余數(shù)乘積高位乘積低位23運(yùn)算器MQACCALUXACC被加數(shù)ACC初態(tài)①加法操作過(guò)程1.2[ACC]+[X]ALU[M]XXACCACC指令加M241.2②減法操作過(guò)程運(yùn)算器MQACCALUX指令減MACC被減數(shù)ACC初態(tài)[M]XX[ACC]-[X]ALUACCACC25運(yùn)算器MQACCALUXACCACC被乘數(shù)初態(tài)1.2MQ[M]MQ指令乘M③乘法操作過(guò)程X[ACC]XALU[X]×[MQ]00ACCACC∥MQACCMQ26運(yùn)算器MQACCALUXACC被除數(shù)ACC初態(tài)1.2[ACC]÷[X]ALUMQACCMQ余數(shù)在ACC中指令除M[M]

XX④除法操作過(guò)程27取指令分析指令執(zhí)行指令PCIRCUPCIRCU取指執(zhí)行PC存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址，

具有計(jì)數(shù)功能（PC）+

1PCIR存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令訪存訪存完成一條指令1.2(3)控制器的基本組成2812356789以取數(shù)指令為例4(4)主機(jī)完成一條指令的過(guò)程1.2CU控制單元主存儲(chǔ)器MDRMAR存儲(chǔ)體CPUPC控制器IR…運(yùn)算器MQACCALUXI/O設(shè)備2912356798以存數(shù)指令為例41.2(4)主機(jī)完成一條指令的過(guò)程CU控制單元主存儲(chǔ)器MDRMAR存儲(chǔ)體CPUPC控制器IR…運(yùn)算器MQACCALUXI/O設(shè)備30(5)ax2+bx+c程序的運(yùn)行過(guò)程將程序通過(guò)輸入設(shè)備送至計(jì)算機(jī)程序首地址打印結(jié)果分析指令取指令…停機(jī)啟動(dòng)程序運(yùn)行,(PC

)+

1PC執(zhí)行指令

1.2MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC31語(yǔ)言翻譯的簡(jiǎn)單過(guò)程用一個(gè)完整的例子來(lái)描述從程序員編寫的程序到機(jī)器執(zhí)行的指令整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程。下面是C語(yǔ)言中的賦值語(yǔ)句：A[300]=h+A[300]；被編譯成如下的MIPS匯編指令代碼：lw$t0，1200($t1)add$t0，$s2，$t0sw$t0，1200($t1)32語(yǔ)言翻譯的簡(jiǎn)單過(guò)程將上面的三條MIPS匯編指令匯編成三條機(jī)器語(yǔ)言指令如下：oprsrtrdAddress/shamtfunctlw35981200add01888032sw43981200331.3計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)1.機(jī)器字長(zhǎng)2.運(yùn)算速度CPU

一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)與

CPU

中的

寄存器位數(shù)

有關(guān)主頻:又稱為CPU時(shí)鐘周期,CPU的工作節(jié)拍受主時(shí)鐘控制,主時(shí)鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時(shí)鐘。響應(yīng)時(shí)間：是指計(jì)算機(jī)完成一個(gè)任務(wù)所花費(fèi)的全部時(shí)間，包括存儲(chǔ)訪問(wèn)時(shí)間、磁盤訪問(wèn)時(shí)間和I/O訪問(wèn)時(shí)間等。它是計(jì)算機(jī)執(zhí)行單個(gè)任務(wù)時(shí)的性能。342.運(yùn)算速度吞吐量：是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)完成的總工作量。它表征了計(jì)算機(jī)系統(tǒng)執(zhí)行多個(gè)任務(wù)時(shí)的性能表現(xiàn)。CPU執(zhí)行時(shí)間：是指CPU計(jì)算所花費(fèi)的時(shí)間，不包括I/O訪問(wèn)時(shí)的等待時(shí)間等。CPU執(zhí)行時(shí)間=CPU時(shí)鐘周期數(shù)×CPU時(shí)鐘周期CPI：表示執(zhí)行每條指令所需要的平均時(shí)鐘周期數(shù)。CPI=一個(gè)程序的CPU時(shí)鐘周期數(shù)÷程序指令數(shù)量352.運(yùn)算速度MIPS：是指CPU每秒可以執(zhí)行的百萬(wàn)條機(jī)器指令數(shù)。MIPS=指令數(shù)÷（程序執(zhí)行的時(shí)間*106）MFLOPS：是指CPU每秒可以執(zhí)行的百萬(wàn)條浮點(diǎn)操作次數(shù)。MFLOPS=程序中的浮點(diǎn)操作次數(shù)÷（程序執(zhí)行的時(shí)間*106）36221

=

256

KB213

=

1

KB如3.存儲(chǔ)容量主存容量輔存容量存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)

×

存儲(chǔ)字長(zhǎng)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)80GB如MARMDR容量10

816

32存放二進(jìn)制信息的總位數(shù)1.31K=210

1B=23b1GB=230b1

K

×

8位64

K

×

32位371.4計(jì)算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用1.4.3計(jì)算機(jī)的展望1.4.2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用1.4.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史38計(jì)算機(jī)的分類1.總體分為電子模擬計(jì)算機(jī)和電子數(shù)字計(jì)算機(jī)。2.電子數(shù)字計(jì)算機(jī)又可以分為通用計(jì)算機(jī)和專用計(jì)算機(jī)。3。通用計(jì)算機(jī)又可以分為：巨型機(jī)、大型機(jī)、中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)和單片機(jī)。391.4.1計(jì)算機(jī)的發(fā)展史一、計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展1946年美國(guó)ENIAC1955年退役十進(jìn)制運(yùn)算180001500150301500多個(gè)電子管多個(gè)繼電器千瓦噸平方英尺5000次加法／秒用手工搬動(dòng)開(kāi)關(guān)和拔插電纜來(lái)編程40世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC(1946)1.4.141硬件技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)更新?lián)Q代的影響1億超大規(guī)模集成電路

1978－現(xiàn)在五1000萬(wàn)大規(guī)模集成電路

1972－1977100萬(wàn)中小規(guī)模集成電路

1965－1971

20萬(wàn)晶體管

1958－1964

4萬(wàn)電子管

1946－1957速度

（次/秒）硬件技術(shù)時(shí)間代三四二一1.4.142第一臺(tái)vonNeumann系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)1.4.143IBMSystem／360

44

1.

IBM:BlueGene/L-eServerBlueGene

Solution212992個(gè)CPU最大平均速度478200GFLOPS最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到2007.11）452.IBM:JUGENE-BlueGene/PSolution

65536個(gè)CPU最大平均速度167300GFLOPS

最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到2007.11）463.SGI:SGIAltixICE820014336個(gè)CPU最大平均速度

126900GFLOPS

最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到2007.11）474.HP:EKA-ClusterPlatform3000BL460c 14240個(gè)CPU最大平均速度117900GFLOPS最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到2007.11）48最快的五臺(tái)超級(jí)計(jì)算機(jī)（截止到2007.11）5.HP:ClusterPlatform3000BL460c 13728個(gè)CPU最大平均速度102800GFLOPS49最權(quán)威的超級(jí)計(jì)算機(jī)排名的參考網(wǎng)址

50二、微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和發(fā)展微處理器芯片存儲(chǔ)器芯片1971年8位16位32位64位4位（4004）1970年256位1K位16K位64K位256K位1M位16M位64M位4K位4M位51Moore定律Intel公司的締造者之一GordonMoore提出微芯片上集成的晶體管數(shù)目每三年翻兩番52Intel公司的典型微處理器產(chǎn)品80808位1974年808616位1979年2.9萬(wàn)個(gè)晶體管8028616位1982年13.4萬(wàn)個(gè)晶體管8038632位1985年27.5萬(wàn)個(gè)晶體管8048632位1989年120.0萬(wàn)個(gè)晶體管Pentium64位（準(zhǔn)）1993年310.0萬(wàn)個(gè)晶體管PentiumPro64位（準(zhǔn)）1995年550.0萬(wàn)個(gè)晶體管PentiumⅡ64位（準(zhǔn)）1997年750.0萬(wàn)個(gè)晶體管PentiumⅢ64位（準(zhǔn)）1999年950.0萬(wàn)個(gè)晶體管PentiumⅣ64位2000年4200.0萬(wàn)個(gè)晶體管

2007年芯片上可集成3

億

5

千萬(wàn)

個(gè)晶體管預(yù)計(jì)

2010年芯片上可集成8

億

個(gè)晶體管53Intel產(chǎn)品系列介紹（1）8080：世界上第一個(gè)通用微處理器。8位機(jī)。8086：16位機(jī)，采用了指令高速緩存。80286：可以尋址16MB的存儲(chǔ)空間，不再受1MB存儲(chǔ)空間的限制。80386：32位機(jī)，它是Intel產(chǎn)品中第一個(gè)支持多任務(wù)的處理器。80486：采用了更為復(fù)雜、功能更為強(qiáng)大的高速緩存技術(shù)和指令流水線技術(shù)。它內(nèi)置浮點(diǎn)協(xié)處理器。54Intel產(chǎn)品系列介紹（2）Pentium:開(kāi)始采用超標(biāo)量（Superscalar）技術(shù)。允許更多的指令并行執(zhí)行。PentiumPro:極富有進(jìn)取性的采用了轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)流分析、推測(cè)執(zhí)行等技術(shù)。PentiumⅡ：采用了專門用于處理視頻、音頻和圖形數(shù)據(jù)的IntelMMX技術(shù)。PentiumⅢ：采用了新的浮點(diǎn)指令、支持三維圖形軟件。PentiumⅣ：使用64位組織結(jié)構(gòu)的新一代。55三、軟件技術(shù)的興起和發(fā)展機(jī)器語(yǔ)言面向機(jī)器匯編語(yǔ)言面向機(jī)器高級(jí)語(yǔ)言面向問(wèn)題FORTRAN科學(xué)計(jì)算和工程計(jì)算PASCAL結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)C＋＋面向?qū)ο驤ava適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境1.各種語(yǔ)言2.1562.系統(tǒng)軟件語(yǔ)言處理程序

匯編程序編譯程序解釋程序操作系統(tǒng)

DOSUNIXWindows

服務(wù)性程序

裝配調(diào)試診斷排錯(cuò)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件網(wǎng)絡(luò)軟件2.1573.軟件發(fā)展的特點(diǎn)⑴開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)⑵制作成本昂貴⑶檢測(cè)軟件產(chǎn)品質(zhì)量的特殊性軟件是程序以及開(kāi)發(fā)、使用和維護(hù)程序所需要的所有文檔2.1581.4.2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用一、科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理二、工業(yè)控制和實(shí)時(shí)控制三、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)1.電子商務(wù)2.網(wǎng)絡(luò)教育3.敏捷制造59四、虛擬現(xiàn)實(shí)五、辦公自動(dòng)化和管理信息系統(tǒng)六、CAD/CAM/CIMS七、多媒體技術(shù)八、人工智能2.2601.4.3計(jì)算機(jī)的展望一、計(jì)算機(jī)具有類似人腦的一些超級(jí)

智能功能要求計(jì)算機(jī)的速度達(dá)1015/秒(千萬(wàn)億次)二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制芯片集成度受物理極限的制約按幾何級(jí)數(shù)遞增的制作成本芯片的功耗、散熱、線延遲61三、？替代傳統(tǒng)的硅芯片1.光計(jì)算機(jī)2.DNA生物計(jì)算機(jī)3.量子計(jì)算機(jī)利用光子取代電子進(jìn)行運(yùn)算和存儲(chǔ)通過(guò)控制DNA分子間的生化反應(yīng)利用原子所具有的量子特性2.362中國(guó)計(jì)算機(jī)發(fā)展史1958年，中科院計(jì)算所研制成功我國(guó)第一臺(tái)小型電子管通用計(jì)算機(jī)103機(jī),標(biāo)志著我國(guó)第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)的誕生。1965年，中科院計(jì)算所研制成功第一臺(tái)大型晶體管計(jì)算機(jī)109乙，之后推出109丙機(jī)，該機(jī)為兩彈試驗(yàn)中發(fā)揮了重要作用；1974年，清華大學(xué)等單位聯(lián)合設(shè)計(jì)、研制成功采用集成電路的DJS-130小型計(jì)算機(jī)，運(yùn)算速度達(dá)每秒100萬(wàn)次；63中國(guó)計(jì)算機(jī)發(fā)展史1983年，國(guó)防科技大學(xué)研制成功運(yùn)算速度每秒上億次的銀河-I巨型機(jī)，這是我國(guó)高速計(jì)算機(jī)研制的一個(gè)重要里程碑；1985年，電子工業(yè)部計(jì)算機(jī)管理局研制成功與IBMPC機(jī)兼容的長(zhǎng)城0520CH微機(jī)。1992年，國(guó)防科技大學(xué)研究出銀河-II通用并行巨型機(jī)，峰值速度達(dá)每秒4億次浮點(diǎn)運(yùn)算(相當(dāng)于每秒10億次基本運(yùn)算操作)，為共享主存儲(chǔ)器的四處理機(jī)向量機(jī)，總體上達(dá)到80年代中后期國(guó)際先進(jìn)水平。它主要用于中期天氣預(yù)報(bào)；64中國(guó)計(jì)算機(jī)發(fā)展史1993年，國(guó)家智能計(jì)算機(jī)研究開(kāi)發(fā)中心（后成立北京市曙光計(jì)算機(jī)公司）研制成功曙光一號(hào)全對(duì)稱共享存儲(chǔ)多處理機(jī)，這是國(guó)內(nèi)首次以基于超大規(guī)模集成電路的通用微處理器