计算机组成原理1~2章.

绪论1.1计算机的产生与发展1.2冯·诺依曼计算机模型1.3计算机的组成结构1.4计算机系统的分类1.5计算机的性能评价1.6微处理器与微型计算机1.7计算机的特点与应用及发展第一代计算机：电子管计算机第二代计算机：晶体管计算机第三代计算机：集成电路计算机第四代计算机：大规模集成电路计算机现代电子计算机的发展存储程序思想（冯·诺依曼思想）：将指令和数据以同一形式（二进制）存入计算机的同一存储装置（存储器）中，使得计算机在工作时能自动（不需人工干预）、高速地从存储器中取出指令加以执行，并自动转入到下一条指令执行。冯·诺依曼计算机的基本组成：运算器、存储器、输入单元、输出单元、控制器冯·诺依曼计算机的基本特征：组成存储器程序计算机由运算器、存储器、输入/输出单元和控制器组成，并以运算器为中心连接在一起。存储器由一组一维排列、线性编址的存储单元组成，每个存储单元的位数是相等且固定的，存储单元按地址访问。“程序”是由一条一条的指令有序排列而成，而指令由操作码和地址码两部分组成。冯·诺依曼计算机的基本特征：二进制相同PC指令和数据均采用二进制数表示，并以二进制数形式进行运算。程序（指令）与数据是同等地不加区分地存储在同一个存储器中。设置“程序计数器PC”来指示下一条将要执行的指令的地址。每执行完一条指令，程序计数器就自动加1，指向下一条指令的存储单元。1.3.1计算机系统的基本组成由具有各类特殊功能的信息（程序）组成计算机系统计算机的实体如主机、外设等硬件软件1.3计算机的组成结构一、概述从组成的角度看，电子计算机由控制单元CU、运算单元ALU、存储器、输入单元和输出单元组成。在具体实现时，通常将CU和ALU集成在一起，构成处理单元（ProcessingUnit，PU）。处理单元也称处理器（Processor）。一台计算机通常只拥有一个PU，而这个PU又是计算机的核心部件，所以这样的处理单元又称为“中央处理器(CentralProcessingUnit,CPU)”。事实上，一台计算机可以拥有多个PU，这样的计算机叫做“并行计算机(ParallelComputer)”或“高性能计算机(HighPerformanceComputer)”。三、处理单元PU的组成控制单元CU算术逻辑单元ALU寄存器CU是PU的指挥机构①程序计数器PC、②存放当前指令的指令寄存器IR、③解释指令的指令译码器ID、④发出各种命令信号的控制信号发生器CSG及相应的控制逻辑组成。计算机的运算装置一个基本的ALU由①加法器、②逻辑运算器、③移位器(Shifter)和④求补器(Complementer)组成。暂存单元寄存器分为数据寄存器、地址寄存器和标志寄存器等PU主机主存储器处理器PCIRIDCSGCU逻辑运算器加法器数据寄存器组ALU控制流：数据流：地址流：外设输出设备输入设备辅助存储器FRMDRMAR移位器求补器计算机硬件系统的基本组成广义上，软件是“计算机程序、过程、规则及与这些程序、过程、规则有关的文档，以及从属于计算机系统运行的数据。”狭义上，软件指发挥电子计算机功能的各种程序及相应的数据。四、软件按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统系统软件应用软件测试和维护软件用于软件故障诊断、错误隔离、系统调试及检测系统可靠性的软件。帮助和支持软件开发的软件支持软件软件五、固件(Firmware)对于那些不再需要改动而且经常被调用的软件，为了使其有更快的执行速度，可以将其存储在访问速度较快的只读存储器ROM芯片中。由于ROM芯片具有非易失性(即掉电后信息不会丢失)，所以相当于将软件“固化”在硬件中。这种吸收软件、硬件各自优点，性能介于软件和硬件之间(执行速度快于软件，灵活性优于硬件)的，以硬件形式出现的软件称为“固件”。定义：计算机体系结构是指程序员所看到的机器的属性，即机器的概念性结构和功能表现。软件兼容：同一个程序可以不加修改地在具有相同体系结构的各档机器上正确运行，唯一区别仅仅在于运行时间长短不同。同一厂家生产的具有相同体系结构的计算机称为系列计算机（FamilyComputer），简称系列机。不同厂家生产的具有相同计算机体系结构的计算机称为兼容计算机，简称兼容机。二、计算机组成与计算机实现计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现。一种计算机体系结构可以有多种不同的计算机组成。计算机实现是计算机组成的物理实现。一种计算机组成也可以有多种不同的计算机实现。计算机实现是计算机体系结构和组成的基础。先进的计算机实现技术，尤其是器件技术，一直是推动计算机体系结构和组成发展的最活跃的因素。三、计算机体系结构、组成与实现的关系硬件和软件在逻辑功能上是等价的。软件的功能在原理上可以由硬件或固件来实现，硬件的功能在原理上也可以由软件的模拟来实现，这就是计算机软件/硬件的等价性原理。计算机体系结构的核心是指令集(InstructionSet)。指令集就是软、硬件功能划分的界面。系列机具有相同的体系结构。但是系列机中不同型号的机器所面对的目标用户不同，这些目标用户对机器的性能、价格的要求不同，所以就需要采用不同的计算机组成或实现技术来实现相同的体系结构。另外，新推出的系列机也会采用新的组成或实现技术来提高其性能或降低其成本。1.3.3计算机系统的层次结构第5级：应用语言虚拟机第4级：高级语言虚拟机第3级：汇编语言虚拟机第2级：操作系统虚拟机第1级：机器语言机器第0级：微程序机器计算机系统的层次结构虚拟机：因为用户在使用计算机时，看到的就是这些软件的界面，他并不了解也不必了解物理计算机内部的结构及工作原理。这些软件的界面向用户提供了他期望让计算机实现的全部功能。换句话说，这些软件的界面就是计算机所具有功能的具体体现。虚拟机的实现有解释和翻译两种途径。解释是指在执行某一层机器的源程序时，其中的指令/语句是逐条地、实时替换成以下一层机器语言编写的等效程序段，然后在下一层机器上运行。翻译是指某一层机器的源程序，在运行之前，先一次性地转换成以下一层机器语言编写的程序，然后在下一层机器上运行。1.4计算机系统的分类一、综述根据数据表示原理模拟式数字式模拟式电子计算机所处理的电信号在时间上是连续的，称为模拟电信号。模拟计算机的处理过程均由模拟电路来实现，处理速度快，但是电路复杂，处理精度低，抗干扰能力差，目前已很少使用。数字式电子计算机所处理的电信号在时间上是离散的，称为数字量个人计算机工业控制计算机军用计算机按照结构集成方式单片机单板机按照设计目的通用机专用机按照用途分嵌入式计算机超级计算机大型计算机中型计算机按照性能分小型计算机工作站微型计算机世界最快的超级计算机（截止到2014.06）TOP500采用的处理器1.天河二号广州国家超级计算机中心2.泰坦（美国）美国橡树岭国家实验室3.红杉（美国）美国橡树岭国家实验室二、弗林分类法按照指令流和数据流分别具有的多倍性，弗林将计算机分为以下4类：单指令流单数据流SISD单指令流多数据流SIMD多指令流单数据流MISD多指令流多数据流MIMD多数据流(MD)一定是多个执行部件多指令流(MI)一定是多个控制部件单指令流(SI)一定是单个控制部件了解1.5计算机系统的性能评价1.基本字长定义：处理器中的算术逻辑单元所输入的操作数的二进制位数，也是处理器内部数据寄存器所包含的二进制位数。对结构的影响：基本字长=数据通路宽度=寄存器位数（ALU位数、存储单元长度）对性能的影响：字长越长，数据表示范围越大，精度越高，运算速度越快。字长越长，硬件需求量越多，造价越高一个字（Word）通常是由若干字节（Byte）组成的。一个字节包含8个二进制位，所以字长是8的整数倍。2.主存储器容量主存容量指主存中可存放的二进制代码的总数。容量的具体表示与主存的编址方式有关。主存编址方式：按字编址：存储容量=存储单元个数×存储字长单位：位（b）按字节编址：存储容量=存储字节数单位：字节（B）1K=210=10241M=220=1024K=1024Χ10241G=230=1024M=1024Χ1024K1T=240=1024G=1024Χ1024M1P=250=1024T=1024Χ1024G3.处理速度是用户最关心的性能指标。目前常用的指标有：百万条指令每秒MIPS（MillionInstructionsPerSecond）百万次浮点操作次数每秒MFLOPS（MillionFloatingPointoperationperSecond）每条指令的平均时钟周期（CyclesPerInstruction，CPI）以上指标都是针对计算机的综合性能而制定的。在用户决定购买或使用哪种机器最适合他们的应用需求时，往往是运行一些具有代表性的典型应用程序来做出判断，这样的典型应用程序被为“基准程序(Benchmark)”。4.主频处理器的工作是在主时钟的控制下进行的，主时钟的频率叫做处理器的主频。主频的倒数叫做时钟周期。执行一个程序所需的处理器时间可用“该程序的指令条数CPI时钟周期”来估算。提高主频有助于缩短程序的执行时间。早期处理器的主频在几兆赫(MHz)到几百兆赫之间，随着器件技术的迅速发展，目前主流处理器的主频已经达到上千兆赫兹(GHz)。但处理器性能的提高并不能与主频的提高一起线性增长。相反，主频的提高却带来了功耗增加、产生热量高等一系列问题。5.存储器的存取周期对存储器进行一次完整的读/写操作所需的全部时间，也是连续对存储器进行存/取的最小时间间隔，称为存储器的存取周期。半导体存储器的存取周期通常在十几到上百纳秒(10-9秒，ns)之间，磁盘的存取周期一般在10毫秒(10-3秒，ms)以上。6.功耗随着主频和片内晶体管数量的不断提高，处理器的功耗也不断升高，现代处理器功耗的峰值已经超过100瓦。在移动计算领域，功耗是压倒一切的性能指标。“绿色计算”/“低功耗计算”成为研究与开发的热点。7.软件兼容性软件兼容可分为向上（下）兼容和向前（后）兼容。“向上（下）兼容”是指为某档机器编制的软件，不加修改就可以正确运行在比它更高（低）档的机器上；“向前（后）兼容”是指为某个时期投入市场的某种型号机器编制的软件，不加修改就可以正确运行在比它早（晚）投入市场的相同型号机器上。系列机之间必须能够做到“向后兼容”，力争做到“向上兼容”，对于“向下兼容”或“向前兼容”不做要求。8.系统软件配置常见的系统软件有操作系统、数据库系统、文本编辑器、高级语言程序开发环境、互联网浏览器等。不同的系统软件性能不同，价格也差别很大。9.吞吐率与响应时间吞吐率是指计算机系统在单位时间内完成的任务数。响应时间是指用户在输入命令或数据后到得到第一个结果的时间间隔。用户关心响应时间，系统管理员关心吞吐率。10.辅助存储器容量辅存容量决定了计算机系统所能够存储的信息总量。辅助存储器的组成形式有：单一的硬盘、硬盘阵列、磁带库、光盘。单一硬盘的容量可达几十GB、甚至上百GB，而磁带库的容量则在几千TB以上。11.可扩缩性(Scalability)如果一个计算机系统能够在保持软件兼容性的同时，不仅可以通过向上扩展（即增加资源）来提供更高的性能和更强的功能，还能够通过向下收缩（即减少资源）来降低价格，则称这个计算机系统具有可扩缩性。12.RASIS特性①可靠性(Reliability)、②可用性(Availability)、③可服务性/可维护性(Serviceability)、④完整性(Integrality)和⑤安全性(Security)可靠性用“平均无故障时间(MeanTimeToFailure，MTTF)”或“平均故障间隔时间(MeanTimeBetweenFailure，MTBF)”来衡量，可服务性/可维护性用“平均修复时间(MeanTimeToRepair，MTTR)”来衡量。13.外设的配置注：另外，计算机性能的优劣与系统结构、硬件组成、外设配置、软件种类等有关，对于用户而言着重考虑性能价格比（相对指标）1.6微处理器与微型计算机微型计算机的发展是以微处理器的发展来表征的。1.微处理