计算机组成原理计算机系统概论.

计算机组成原理武汉科技大学计算机科学与技术学院《计算机组成原理》PrinciplesofComputerOrganization课程代码：1301026课程类别：必修课程学分：4课程学时：80(其中：实验18学时)授课对象：计算机科学与技术专业本科生软件工程专业本科生网络工程专业本科生教学内容研究讨论计算机单处理机系统的完整硬件系统的基本组成原理与内部运行机制单处理机系统：非多机系统基本：不一定是最高性能、最合理的组成,而是最基础的必要的组成部分完整：计算机整机、全部的硬件功能部件输入设备输出设备总线外存设备主存储器高速缓存控制器运算器第3、7章第7章第4、5章第2章第6章输入输出接口第8章计算机硬件系统组成教学过程与成绩比例除课堂教学外，实验室配有相应的计算机组成原理实验箱，通过实验可使学生理论联系实际，一方面增强对相应知识点的理解和掌握，同时培养学生的动手能力和创新意识。实验共18学时，单独作为一门课程，独立给定成绩；不计入理论课的总成绩之中。理论课成绩由平时成绩和期末考试成绩构成。平时成绩包括期中考试、平时考勤、平时作业等，按30%的比例算入总成绩之中。期末考试成绩占总成绩的70%。学习指南本课程的重点：计算机系统各基本部件的原理及实现本课程的难点：各部件互连构成整机系统，即整机概念的建立本课程的深广度：主要讨论计算机组成中具有共性的问题，要处理好抽象概念与具体实例的关系第一章计算机系统概论本章内容1.1计算机的分类1.2计算机的发展简史1.3计算机的硬件1.4计算机的软件1.5计算机系统的层次结构1.1计算机的分类按信号量分模拟机数字机专用通用超级计算机大型机服务器PC机单片机多核机2.数字机与模拟机的主要区别模拟机：用连续量表示数据，计算过程也是连续的数字机：用离散的数字量表示数据，按位不连续地跳动计算1.如何分类？分类的依据及结果，按用途分，按规模分1.2计算机的发展简史1.2.1计算机的五代变化第五代类型时期主要器件重要特征第一代1946|1957电子管机器语言，汇编语言速度低，体积大，价格昂贵可靠性差，用于科学计算第二代1958|1964晶体管算法语言，操作系统体积缩小，可靠性提高从科学计算扩大到数据处理第三代1965|1971中、小规模集成电路体积小，可靠性大大提高，软件技术和外设发展迅速应用领域不断扩大第四代1972|1990大及超大规模集成电路体积进一步缩小，可靠性进一步提高，成本进一步降低1991|巨大规模集成电路由一片巨大规模集成电路实现的单片计算机开始出现运算速度每秒几千~几万次每秒几万~几十万次每秒几十万~几百万次每秒1000万~1亿次每秒10亿次摩尔定律1.2.2半导体存储器的发展50~60年代，由微小的铁磁体环(磁芯)构成1970年，仙童半导体公司生产了第1片半导体存储器1974年，每位半导体存储器的价格低于磁芯存储器此后半导体存储器经历了11代：单个芯片容量1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB和现在的1GB其中：1B=8bit；1K=210；1M=220；1G=2301.2.3微处理器的发展20世纪70年代：4004800880808086808820世纪80年代：80286386TMDX386TMSX486TMDX20世纪90年代：486TMSXPentiumPentiumProPentiumII最近的处理器：PentiumIIIPentium4ItaniumItanium2吞吐量：计算机在某一时间间隔内能处理的信息量响应时间：从输入有效到系统产生响应之间的时间利用率：给定时间间隔内系统被实际使用的时间所占比率处理机字长：处理机运算器一次能完成二进制运算的位数总线宽度：运算器与存储器间互连的内部总线二进制位数存储器容量：存储器中所有存储单元的总数目存储器带宽：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量主频/时钟周期：主时钟的频率为CPU的主频；主频的倒数为CPU时钟周期1.2.4计算机的性能指标CPU执行时间：CPU执行一段程序所占CPU时间CPU执行时间=CPU时钟周期数CPU时钟周期CPI：每条指令周期数——执行一条指令所需平均时钟周期数CPI=执行某段程序所需时钟周期数÷程序包含指令条数MIPS：每秒百万指令数——单位时间内执行的指令数MIPS=指令数÷(程序执行时间106)FLOPS：每秒执行浮点操作的次数MFLOPS=程序中浮点操作次数÷程序执行时间1.2.4计算机的性能指标(续)例1：对于给定程序，IN——执行程序中的指令总数tCPU——执行该程序所需CPU时间NC——CPU时钟周期数各性能参数关系举例TICPITCPIIfNTNtniiiNCCCPU1/niNiiNCIICPIINCPI1661010CPIftIMIPSCPUNniiiCICPIN1Ii/IN——i指令在程序中所占比例Ii——i指令在程序中执行的次数CPIi——i指令所需平均时钟周期数n——指令种类例2：用50MHz处理机执行标准测试程序，它包含的混合指令数和相应所需平均时钟周期数如表所示，求CPI、MIPS和tCPU各性能参数关系举例sfNtCCPU461031105028000215000232000145000/指令周期/55.18000150003200045000280002150002320001450001niNiiNCIICPIINCPI秒百万条指令/26.321055.1105010666CPIfMIPS指令类型指令数目平均时钟周期数整数运算450001数据传送320002浮点运算150002控制传送800021.3计算机的硬件1.3.1硬件组成要素--用算盘计算y=ax+b-c的步骤行数解题步骤和数据说明1取数(9)→算盘(9)表示第9行的数a,下同2乘法(12)→算盘完成a*x,结果在算盘上3加法(10)→算盘完成ax+b,结果在算盘上4减法(11)→算盘完成ax+b-c,结果在算盘上5存数y→13算盘上的y值记到第13行6输出把算盘上的y值写出给人看7停止运算完毕,暂停89a数据10b数据11c数据12x数据13y数据算盘计算中用到了：1)算盘:对数据进行加、减、乘、除等算术运算2)纸:存储解题的原始信息——包括解题步骤和原始数据3)笔:把原始数据和解题步骤记录到纸上，并把运算结果写出4)人本身(主要是脑和手):控制解题过程计算机与算盘类似的相应部件1)运算器:相当于算盘功能的部件2)存储器:相当于纸那样具有“记忆”功能的部件3)输入设备输出设备:相当于笔，把原始解题信息送到计算机或把运算结果显示出来的设备4)控制器:相当于人的大脑,能够自动控制整个计算过程运算器控制器存储器适配器输入设备输出设备系统总线1.3.2运算器功能：进行算术、逻辑运算由电子线路构成的算盘数制：二进制采用二进制的原因有三点:字长(即位数):通常有8、16、32、64位运算规律简单比较容易实现节省元件状态数ALU电路寄存器B累加器A1.3.3存储器–有内存(半导体存储器)与外存(磁盘、光盘等)之分功能：保存或“记忆”解题的原始数据和解题步骤存储介质：内存为半导体存储器，由触发器构成，一个触发器存放1bit存储单元:保存一个数据的多个触发器,称为一个存储单元8个bit构成一个字节(Byte)(1~n)个字节构成一个字(Word)，n取决于计算机的字长存储单元的标识：单元地址，每个存储单元的编号存储容量:存储器所有存储单元的总数。常用单位有KB，MB，GB，TB等存储内容：程序、数据，均用二进制代码表示1.3.4控制器--发号施令的部件，控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作具体任务：从内存中取出解题步骤加以分析，然后执行某种操作1.程序——为解决某一实际问题而设计的指令序列每一个基本操作叫做一条指令，如加、减、乘、除等；解算某一问题的一串指令序列，叫做该问题的计算程序，简称为程序操作码地址码指令的构成：操作的性质和操作的地址即操作码和地址码操作码:指出指令所进行的操作地址码:表示运算数据的来源及运算结果的去向2.指令的形式存储程序与程序控制存储程序：把构成程序的指令序列以代码的形式存放到存储器中程序控制：当计算机启动后，控制器依据存储的程序控制全机协调地完成预定的信息处理任务冯.诺依曼型计算机的设计思想：存储程序并按地址顺序执行冯.诺依曼结构：指令和数据放在同一个存储器哈佛结构：指令和数据分别放在两个存储器3.控制器的基本任务逐条从内存中取出指令—取指周期然后执行指令—执行周期中央处理器CPU、中央处理机4.指令流和数据流数据字：要处理的一个数据指令字：要执行的一条指令计算机对内存中指令和数据信息的区分取指周期中从内存读出的信息是指令流,流向控制器；执行周期中从内存读出(或向内存写入)的信息流是数据流,由内存流向运算器(或从运算器流入内存)——指令流是单向的，数据流是双向的1.3.5适配器与输入输出设备(1)输入设备：把人们熟悉的某种信息形式变换为机器内部能接收和识别的二进制信息形式(2)输出设备：把计算机处理的结果变换为人或其他机器所能接收和识别的信息形式计算机的输入/输出设备通常称为外围设备(3)适配器输入输出设备通过适配器部件与主机相连接适配器保证外围设备用计算机所要求的形式发送或接收信息系统总线——多个系统部件间进行数据传送的公共通路传送地址、数据和控制信息现代电子计算机构成：运算器、控制器、存储器、适配器、输入/输出设备，通过总线互连1.4计算机的软件1.4.1软件的组成和与分类计算机软件一般分为两大类：系统程序应用程序系统程序用来简化程序设计和使用方法,提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能及用途包括四类——各种服务性程序、语言程序、操作系统、数据库管理系统应用程序是用户利用计算机解决某些问题所编制的程序1.目的程序直接用机器语言编写程序——手编程序机器语言是计算机唯一可直接识别和执行的语言优点：计算机可“识别”并能执行缺点：编程繁琐；耗费人力和时间多；易出错；出错后难查找2.汇编程序机器指令符号化汇编语言、汇编语言源程序、汇编程序缺点：和数学语言差异很大；依赖具体的机器3.算法语言接近自然语言和数学公式的语言；与具体机器无关编译系统(编译程序和运行系统)或解释程序1.4.2软件的发展演变4.操作系统(OS)作用：管理计算机资源，为用户提供使用计算机的操作接口分类：批处理操作系统、分时操作系统、网络操作系统、实时操作系统等多种5.数据库管理系统(DBMS)——数据库和数据库管理软件构成数据库——实现有组织地、动态地存储大量相关数据，方便多用户访问的计算机软、硬件资源组成的系统1.5.1多级组成的计算机系统1.微程序设计级或逻辑电路级实在的硬件级，由机器硬件直接执行微命令2.一般机器级(机器语言级)由微程序解释机器指令系统，也是硬件级3.操作系统级(混合级)由操作系统程序实现——机器指令和广义指令广义指令——操作系统定义和解释的软件指令4.汇编语言级由汇编程序支持和执行5.高级语言级由各种高级语言编译程序支持和执行1.5计算机系统的层次结构高级语言级汇编语言级操作系统级一般机器级微程序设计级（逻辑电路级）1.5.2软件与硬件的逻辑等价性计算机系统的软、硬件界限模糊影响硬件方案和软件方案选择的因素——器件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等硬件始终放在最低级目前一些计算机把一般机器级实现的操作，改为直接由硬件完成硬件软化：原来由硬件实现的操作改由软件实现——可增强系统的功能和适应性软件硬化：原来由软件实现的操作改由硬件实现——可显著降低时间上的开销固件是指存储在能永久保存信息的器件(如ROM)中的程序，是具有软件功能的硬件固件的性能指标介于硬件与软件之间——执行速度快于软件，灵活性优于硬件计算机功能的固件化