計(jì)算機(jī)組成原理[袁春風(fēng)]cha.pptVIP

1,第1章 概 述,南京大學(xué) 計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),2,主要內(nèi)容,計(jì)算機(jī)的基本功能和結(jié)構(gòu) 馮.諾依曼結(jié)構(gòu)的基本思想 計(jì)算機(jī)的發(fā)展歷史 計(jì)算機(jī)的分類(lèi) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成 計(jì)算機(jī)組織和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念 計(jì)算機(jī)的性能設(shè)計(jì),南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),3,1.1 計(jì)算機(jī)的功能和構(gòu)成,什么是計(jì)算機(jī)？ 計(jì)算機(jī)是一種不需要人的 直接干預(yù)，能夠?qū)Ω鞣N數(shù)字化信息進(jìn)行自動(dòng)快速運(yùn)算的通用處理裝置。 計(jì)算機(jī)具有高速、通用、準(zhǔn)確和智能的特點(diǎn)。,內(nèi)部特性 高速高集成度器件 數(shù)字化編碼信息 邏輯判斷和處理 存儲(chǔ)程序工作方式,外部特性 快速性 準(zhǔn)確性 通用性 智能性,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),4,1.1 計(jì)算機(jī)的功能和構(gòu)成,功能 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 數(shù)據(jù)傳送 控制,內(nèi)部結(jié)構(gòu) 中央處理器(運(yùn)算器) 存儲(chǔ)器組織 輸入/輸出模塊 中央處理器(控制器),系統(tǒng)互連,計(jì)算機(jī)硬件的功能和結(jié)構(gòu),中央處理器（CPU）是最復(fù)雜的功能部件。近年來(lái)采用多個(gè)處理器的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)越來(lái)越多，但本課程重點(diǎn)在于單處理器系統(tǒng)的組織和結(jié)構(gòu)。,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),5,1.2 計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史,第一代：真空管（電子管）194657年 46年誕生第1臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC 體積龐大，重30噸，有18000多個(gè)真空管組成，5000次加法/秒。 采用十進(jìn)制表示/運(yùn)算，其存儲(chǔ)器由20個(gè)累加器組成，每個(gè)累加器可存10位十進(jìn)制數(shù)，每一位數(shù)由10個(gè)真空管表示。 采用手動(dòng)編程，通過(guò)設(shè)置開(kāi)關(guān)和插拔電纜來(lái)實(shí)現(xiàn)。 馮諾依曼機(jī) 45年馮諾依曼（圖靈也同時(shí)）提出“存儲(chǔ)程序”思想，并于46年開(kāi)始設(shè)計(jì)“存儲(chǔ)程序”計(jì)算機(jī)，被稱(chēng)為IAS計(jì)算機(jī)。 “存儲(chǔ)程序”思想：將事先編好的程序和原始數(shù)據(jù)送入主存中，然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)工作。計(jì)算機(jī)應(yīng)能在不需操作人員干預(yù)下，自動(dòng)完成逐條取出指令和執(zhí)行指令的任務(wù)。 特點(diǎn)：?jiǎn)蜟PU，運(yùn)算器為PC和AC結(jié)構(gòu)，定點(diǎn)運(yùn)算，程序控制I/O,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),6,馮諾依曼生平簡(jiǎn)介,諾依曼 John von Neuman（19031957） 美籍匈牙利數(shù)學(xué)家。1903年12月28日生于布達(dá)佩斯。諾依曼先后入柏林大學(xué)和蘇黎世技術(shù)學(xué)院學(xué)習(xí)，1925年畢業(yè)，獲化學(xué)工程師稱(chēng)號(hào)，1926年獲布達(dá)佩斯大學(xué)數(shù)學(xué)博士學(xué)位。畢業(yè)后在德國(guó)漢堡大學(xué)任教。1930年移居美國(guó)，在普林斯頓大學(xué)和該校高級(jí)研究所工作。諾依曼1944年參加JW莫奇利和JP?？嗣擃I(lǐng)導(dǎo)的“埃尼阿克”（ENIAC）計(jì)算機(jī)研究工作，在計(jì)算機(jī)的理論和設(shè)計(jì)方面發(fā)揮了重要作用。,1945年年中，諾依曼發(fā)表了離散變量自動(dòng)電子計(jì)算機(jī)“埃德伐克”（EDVAC）計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方案，提出重大革新措施。1946年，他與J巴克斯等合作，提出更加完善的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)報(bào)告電子計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)計(jì)初探。它是以CE仙農(nóng)提倡的二進(jìn)制、程序內(nèi)存以及指令和數(shù)據(jù)統(tǒng)一存儲(chǔ)為基礎(chǔ)，對(duì)于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的發(fā)展具有重要的意義。,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),7,IAS計(jì)算機(jī),1946年馮諾依曼和他的同事在普林斯頓高級(jí)研究院開(kāi)始設(shè)計(jì)一種新的程序存儲(chǔ)計(jì)算機(jī)。它被稱(chēng)為IAS計(jì)算機(jī)。雖然直到1952年仍未完成，但它卻是后來(lái)通用計(jì)算機(jī)的原型。,主存 儲(chǔ)器,算術(shù)邏輯單元,程序控制器,輸入輸 出設(shè)備,IAS計(jì)算機(jī)的一般結(jié)構(gòu)，它包含4個(gè)部件:,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),8,馮諾依曼結(jié)構(gòu)的主要思想,計(jì)算機(jī)應(yīng)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五個(gè)基本部件組成。 各基本部件的功能是： 存儲(chǔ)器不僅能存放數(shù)據(jù)，而且也能存放指令，形式上兩者沒(méi)有區(qū)別，但計(jì)算機(jī)應(yīng)能區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)還是指令； 控制器應(yīng)能自動(dòng)執(zhí)行指令； 運(yùn)算器應(yīng)能進(jìn)行加/減/乘/除四種基本算術(shù)運(yùn)算，并且也能進(jìn)行一些邏輯運(yùn)算和附加運(yùn)算； 操作人員可以通過(guò)輸入設(shè)備、輸出設(shè)備和主機(jī)進(jìn)行通信。 內(nèi)部以二進(jìn)制表示指令和數(shù)據(jù)。每條指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼指出操作類(lèi)型，地址碼指出操作數(shù)的地址。由一串指令組成程序。 采用“存儲(chǔ)程序”工作方式。,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),9,1.2 計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史,第二代：晶體管 195864年 元器件：邏輯元件采用晶體管以外，其內(nèi)存儲(chǔ)器由磁芯構(gòu)成，磁鼓與磁帶成為外存儲(chǔ)器。 特點(diǎn)：變址，浮點(diǎn)運(yùn)算，多路存儲(chǔ)器，I/O處理機(jī)，中央交換結(jié)構(gòu)。 軟件：使用了高級(jí)語(yǔ)言，并提供了系統(tǒng)軟件。 代表機(jī)種：IBM 7094和DEC PDP-1,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),10,1.2 計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史,第三代：SSI/MSI 196571年 元器件：邏輯元件與主存儲(chǔ)器均由集成電路實(shí)現(xiàn) 。 特點(diǎn)：微程序控制，Cache，虛擬存儲(chǔ)器，流水線(xiàn)等。 代表機(jī)種： IBM 360和DEC PDP-8（大型/巨型機(jī)與小型機(jī)同時(shí)發(fā)展 ）,問(wèn)題：為什么可用集成電路實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)？,問(wèn)題：計(jì)算機(jī)的基本功能是什么？,問(wèn)題：這些基本功能如何實(shí)現(xiàn)？,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),11,IBM System/360系列計(jì)算機(jī),IBM公司于1964年研制成功 引入了“兼容機(jī)”（或稱(chēng)為“系列機(jī)”）概念 兼容機(jī)的特征 ： 相同的或相似的指令集 相同或相似的操作系統(tǒng) 更高的速度 更多的I/O端口數(shù) 更大的內(nèi)存容量 更高的價(jià)格,有些低端機(jī)指令集是高端機(jī)的一個(gè)子集，稱(chēng)為“向后兼容”。,問(wèn)題1：引入“兼容機(jī)”有什么好處？,問(wèn)題2：實(shí)現(xiàn)“系列機(jī)”的關(guān)鍵是什么？,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),12,1.2 計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史,以后幾代（標(biāo)準(zhǔn)、意見(jiàn)不一） （第四代：LSI/VLSI/ULSI 1972至今） 微處理器和半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的技術(shù)發(fā)展迅猛，微型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)。 使計(jì)算機(jī)以辦公設(shè)備和個(gè)人電腦的方式走向“最終用戶(hù)”。 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 70年Fairchild公司生產(chǎn)出第一個(gè)相對(duì)大容量半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 74年位價(jià)格低于磁芯的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器出現(xiàn)，并快速下跌 從70年起，存儲(chǔ)密度呈4倍提高（幾乎是每3年）。 微處理器 微處理器芯片密度不斷增加，使CPU中所有元件放在一塊芯片上成為可能。71年開(kāi)發(fā)出第一個(gè)微處理器芯片4004。 特點(diǎn)：共享存儲(chǔ)器，分布式存儲(chǔ)器及大規(guī)模并行處理系統(tǒng),南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),13,計(jì)算機(jī)的五個(gè)發(fā)展階段,摘自 COMPUTER ORGANIZATION AND ARCHITECTURE Design for PerformanceWilliam Stallings,代號(hào) 大致年份 技術(shù)標(biāo)志 代表速度(每秒執(zhí)行指令數(shù)) 1 19461957 真空管 40,000 2 19581964 晶體管 200,000 3 19651971 中小規(guī)模集成電路 1,000,000 4 19721977 大規(guī)模集成電路 10,000,000 5 1978 超大規(guī)模集成電路 100,000,000,除了元器件外，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是換代的一個(gè)重要標(biāo)志 1965-75期間，元器件延遲降為1/10，但指令時(shí)間卻降為1/100。這說(shuō)明了計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)改進(jìn)的重要性。,計(jì)算機(jī)時(shí)代劃分,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),14,非馮諾依曼計(jì)算機(jī)的發(fā)展,非馮諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī),迄今為止，非馮諾依曼結(jié)構(gòu)主要有3個(gè)發(fā)展方向。 1，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)； 2，按需求驅(qū)動(dòng)的歸約機(jī)； 3，智能計(jì)算機(jī)。,發(fā)展至今，大多數(shù)機(jī)器結(jié)構(gòu)并未突破馮諾依曼結(jié)構(gòu)。,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),15,1.2 計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史,我國(guó)計(jì)算機(jī)的發(fā)展 中國(guó)古代在計(jì)算機(jī)理論與計(jì)算工具方面曾作出過(guò)杰出貢獻(xiàn) 二進(jìn)制 / 十進(jìn)制計(jì)數(shù)系統(tǒng) / 籌算 / 珠算 1958年和1959年推出了103小型數(shù)字計(jì)算機(jī)和104大型通用數(shù)字計(jì)算機(jī)，它們屬于第一代電子管機(jī)。 1964年5月和10月分別由中科院計(jì)算所和華東計(jì)算技術(shù)研究所自行研制了大型電子管計(jì)算機(jī)119機(jī)和J-501機(jī)。 1965-1966年間分別推出了晶體管計(jì)算機(jī)109機(jī)、441B機(jī)、108機(jī)和X-2機(jī)，中國(guó)進(jìn)入了晶體管機(jī)時(shí)代。 中國(guó)集成電路計(jì)算機(jī)的研究始于1965年，直到1971年和1973年原四機(jī)部主持研制100系列機(jī)和200系列機(jī)，前者與小型機(jī)NOVA兼容，后者指標(biāo)與IBM360類(lèi)似，但不兼容。 1983年和1992年研制成巨型機(jī)系統(tǒng)銀河和，運(yùn)算速度都超過(guò)億次。 1995年5月，由中科院計(jì)算所國(guó)家智能計(jì)算機(jī)研究中心研制的“曙光1000”大規(guī)模并行處理機(jī)宣布誕生。 去年又成功研制出“曙光3000超級(jí)服務(wù)器 ”。,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),16,按處理對(duì)象的表示形式不同來(lái)分： 模擬計(jì)算機(jī) 對(duì)連續(xù)變化的模擬量進(jìn)行運(yùn)算 適用于連續(xù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)仿真 主要缺點(diǎn)是受元器件精度限制與運(yùn)算放大器零點(diǎn)漂移的影響，整機(jī)精度遠(yuǎn)低于數(shù)字計(jì)算機(jī) 數(shù)字計(jì)算機(jī) 對(duì)離散符號(hào)表示的數(shù)據(jù)或信息進(jìn)行處理 運(yùn)算部件由高速的電子元器件組成，速度快、精度高，應(yīng)用更廣泛。 一般意義上的計(jì)算機(jī)就是指數(shù)字計(jì)算機(jī),1.3 計(jì)算機(jī)分類(lèi),南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),17,按用途的不同來(lái)分： 專(zhuān)用計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī) 專(zhuān)用計(jì)算機(jī)是專(zhuān)門(mén)用于某種用途，它對(duì)于特定用途而言最經(jīng)濟(jì)、最快速、最有效，但適應(yīng)性差。 而通用機(jī)適應(yīng)性強(qiáng),1.3 計(jì)算機(jī)分類(lèi),南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),18,1.3 計(jì)算機(jī)分類(lèi),通用機(jī)按規(guī)模、性能和價(jià)格來(lái)分 巨型機(jī)(Supercomputer) ，也稱(chēng)超級(jí)計(jì)算機(jī)，采用大規(guī)模并行處理體系結(jié)構(gòu)，CPU由數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的處理器組成，有極強(qiáng)的運(yùn)算處理能力，大多使用在軍事、科研、氣象、石油勘探等領(lǐng)域。小巨型機(jī)(Mini Supercomputer)，結(jié)構(gòu)與巨型機(jī)相同，但體積小、成本低，甚至可以做成桌面機(jī)，放在用戶(hù)的辦公桌上。 大型機(jī)(Mainframe)，速度快、容量大、處理能力強(qiáng)、通信聯(lián)網(wǎng)功能完善、有豐富的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。目前多采用對(duì)稱(chēng)多處理器(SMP)結(jié)構(gòu)，有2、4、8甚至16或32個(gè)處理器，在信息系統(tǒng)中起核心作用，承擔(dān)主服務(wù)器（企業(yè)級(jí)服務(wù)器）的功能。 超級(jí)小型計(jì)算機(jī)(Super Minicomputer)，60年代出現(xiàn)的一種供部門(mén)使用的計(jì)算機(jī)，以DEC公司的VAX系列和IBM公司的AS/400為代表。 工作站(Workstation)，指SGI，SUN，DEC，HP，IBM等大公司推出的具有高速運(yùn)算能力和很強(qiáng)圖形處理功能的計(jì)算機(jī)。通常采用UNIX操作系統(tǒng)，特別適于工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)，具較好的網(wǎng)絡(luò)通信能力。 微型機(jī)(Personal Computer), 也稱(chēng)個(gè)人電腦(PC機(jī))或微機(jī)，價(jià)格便宜、性能不斷提高，適合辦公或家庭使用。,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),19,1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)=硬件系統(tǒng)+軟件系統(tǒng),軟件系統(tǒng),交界面,硬件系統(tǒng),南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),20,什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)? (Computer Architecture) “the atrributes of a computing system as seen by the programmer, i.e.the conceptual structure and functional behavior ,as distinct from the organization of the data flows and controls the logic design,and the pyhsical implementation” (Amdahl,Blaaw,and Brook 1964),計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)的概念,關(guān)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的概念有各種各樣的理解，很難有通用的定義。,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),21,計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)的概念,什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)? 譯文：由程序設(shè)計(jì)者看到的一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。區(qū)別于基本的數(shù)據(jù)流、控制流、邏輯設(shè)計(jì)和物理實(shí)現(xiàn)等。 這里的程序員是指機(jī)器語(yǔ)言或編譯程序員。因而是指硬件子系統(tǒng)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，通俗地講是由指令系統(tǒng)所規(guī)定的所有屬性。 主要研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)軟件和硬件的功能分配以及如何最佳、最合理地實(shí)現(xiàn)分配給硬件的功能。,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),22,計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)的概念,什么是計(jì)算機(jī)組織(Computer Organization)? 也稱(chēng)計(jì)算機(jī)組成。指計(jì)算機(jī)主要部件的類(lèi)型、數(shù)量、組成方式、控制方式和信息流動(dòng)方式及其相互連接構(gòu)成的系統(tǒng)。是那些對(duì)程序員透明的硬件細(xì)節(jié)。 它主要研究數(shù)據(jù)和指令的組織，基本運(yùn)算的算法，數(shù)據(jù)的存取、傳送和加工處理，數(shù)據(jù)流和指令流的控制方式等 。 什么是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)(Computer Implementation)? 指計(jì)算機(jī)功能的物理實(shí)現(xiàn)。包括片子、模塊、插件、底板的劃分與連結(jié)等。,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),23,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組織和實(shí)現(xiàn)三者關(guān)系,計(jì)算機(jī)組織是計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)；而計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的物理實(shí)現(xiàn)。 一種結(jié)構(gòu)可有多種組織實(shí)現(xiàn)；一種組織也可有多種物理實(shí)現(xiàn)。 舉例1：“乘法指令” 選定計(jì)算機(jī)具有乘法指令是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的問(wèn)題；而如何實(shí)現(xiàn)（用專(zhuān)門(mén)乘法器還是用加法器+移位）則是組織問(wèn)題。 舉例2：“系列機(jī)” 同一系列機(jī)器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，但組織方式隨當(dāng)時(shí)技術(shù)的改變以及價(jià)格要求而變化，取不同型號(hào)區(qū)分之。,隨著新技術(shù)、新器件的出現(xiàn)，三者之間的界限越來(lái)越模糊。,南京大學(xué)計(jì)算機(jī)系 多媒體技術(shù)研究所 袁春風(fēng),24,本課程主要研究?jī)?nèi)容,高