第1章-計算機系統(tǒng)概論

計算機組織與體系結(jié)構(gòu)任課教師：王莉PhonesQ:1029001951E-mail:wl@課程的性質(zhì)、內(nèi)容及任務(wù)教材學(xué)時分配參考書目測評課程性質(zhì)：

《計算機組織與體系結(jié)構(gòu)》是計算機專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課程。主要內(nèi)容：

計算機系統(tǒng)概論；運算方法和運算器；內(nèi)存儲器；指令系統(tǒng)；中央處理機；總線系統(tǒng)；外圍設(shè)備；輸入輸出系統(tǒng)；操作系統(tǒng)支持；并行體系結(jié)構(gòu)主要任務(wù)：

通過本課程的學(xué)習(xí)，使得同學(xué)們初步了解和掌握計算機單處理機系統(tǒng)的主要組成和工作原理，著重于計算機硬件和體系結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)扎實的計算機硬件動手能力，為后繼計算機課程的深入學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。一、課程的性質(zhì)、內(nèi)容及任務(wù)《計算機組織與體系結(jié)構(gòu)》（第4版·

立體化教材）

主編：白中英清華大學(xué)出版社二、教材(textbook)共44+12=56學(xué)時其中：理論課：44學(xué)時

實驗課：12學(xué)時三、學(xué)時分配(timeallocation)四、參考書目(referencebooks)《計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》

馬禮人民郵電出版社《計算機體系結(jié)構(gòu)》張晨曦高教出版社《計算機組成與結(jié)構(gòu)》王愛英清華大學(xué)出版社《計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》鄭緯民清華大學(xué)出版社《計算機組成與體系結(jié)構(gòu)》王誠清華大學(xué)出版社《計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》(第二版)胡越民電子工業(yè)出版社五、測評滿分：100分

1.筆試80%2.實驗+平時20%第一章計算機系統(tǒng)概論1.計算機的分類2.計算機的發(fā)展簡史3.計算機的硬件4.計算機的軟件5.計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.1計算機的分類1.1.1計算機的分類(Categorize)計算機(電子)電子模擬計算機電子數(shù)字計算機專用計算機通用計算機巨型機(Super)大型機(Mainframe)中型機(medium)小型機(small)微型機(micro)單片機(single)(analog)(digital)(generic)(special)雙核機單片機微型機服務(wù)器大型機超級計算機體積功耗性能存儲量指令系統(tǒng)價格低高高低簡易性六種通用計算機的區(qū)別當(dāng)今高性能計算機：曙光4０００Ａ（排名第十）

NO.1天河二號（2013.6公布TOP500）天河二號是由中國國防科技大學(xué)開發(fā)的超級計算機，今年以持續(xù)計算速度每秒3.39億億次的優(yōu)越性能位居榜首。它的出世標志著中國自2010年11月天河一號成為500強榜單第一位的超級計算機之后，第一次返回到世界超算第一位。NO.2泰坦泰坦是一臺安裝在美國能源部（DOE）的橡樹嶺國家實驗室CrayXK7系統(tǒng)的超級計算機，原世界排名第1位，現(xiàn)世界排名第2位。NO.3紅杉紅杉是安裝在美國能源部勞倫斯?利弗莫爾國家實驗室的一臺IBM藍色基因/Q系統(tǒng)超級計算機，今年名次也下滑一位，現(xiàn)在位于榜單第三位。NO.4K計算機富士通的“K計算機”安裝在日本神戶的理化學(xué)研究所高級計算科學(xué)研究院（AICS），現(xiàn)在以持續(xù)計算速度每秒1.05億億次的記錄,位列第四。NO.5米拉米拉是第二個藍色基因/Q系統(tǒng)的超級計算機，現(xiàn)在安裝在阿爾貢國家實驗室，名列第五位。持續(xù)計算速度每秒8.59千萬億次。單片機從使用器件角度，計算機的發(fā)展大致經(jīng)歷了五代：一、第一代：電子管計算機

時間跨度：1946~1957器件特性：電子管運算速度：幾千至幾萬次/秒缺點：體積大、成本高、不可靠

ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer）

電子數(shù)字積分計算機1.2計算機的發(fā)展簡史1.2.1計算機的五代變化二、第二代：晶體管計算機

時間跨度：1958~1964器件特性：晶體管，磁芯存儲器運算速度：幾萬次~幾十萬次/秒三、第三代：中小規(guī)模集成電路計算機

時間跨度：1965~1971產(chǎn)品特性：集成電路，操作系統(tǒng)運算速度：幾十萬次~幾百萬次/秒四、第四代：大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計算機

時間跨度：1972~1990產(chǎn)品特性：大規(guī)模集成電路，半導(dǎo)體存儲器，微型計算機出現(xiàn)運算速度：幾百萬次~幾千萬次/秒五、第五代：巨大規(guī)模集成電路計算機

時間跨度：1991至今產(chǎn)品特性：VLSI、ULSI，半導(dǎo)體存儲器，微機發(fā)展迅速運算速度：幾億次~幾百億次/秒1.2.1計算機的五代變化代別年代使用的元器件使用的軟件類型主要應(yīng)用領(lǐng)域第1代20世紀40年代中期～50年代末期CPU：電子管內(nèi)存：磁鼓使用機器語言和匯編語言編寫程序科學(xué)和工程計算第2代20世紀50年代中、后期～60年代中期CPU：晶體管內(nèi)存：磁芯使用FORTRAN等高級程序設(shè)計語言開始廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域第3代20世紀60年代中期～70年代初期CPU：SSI，MSI內(nèi)存：SSI，MSI的半導(dǎo)體存儲器操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等開始使用在科學(xué)計算、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用代別年代使用的元器件使用的軟件類型主要應(yīng)用領(lǐng)域第4代20世紀70年代中期～90年代CPU：LSI、VLSI內(nèi)存：LSI、VLSI的半導(dǎo)體存儲器軟件開發(fā)工具和平臺、分布式計算家庭和個人開始使用計算機第5代20世紀90年代初期至今CPU：ULSI網(wǎng)絡(luò)軟件、嵌入式操作系統(tǒng)深入社會生活的各個領(lǐng)域1.2.2半導(dǎo)體存儲器的發(fā)展20世紀50～60年代，所有計算機存儲器都是由微小的鐵磁體環(huán)構(gòu)成；

1970年，仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)出了第一個較大容量半導(dǎo)體存儲器；從1970年起，半導(dǎo)體存儲器經(jīng)歷了11代：單個芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB、1GB。（其中1K=210,1M=220,1G=230）1971年Intel4004，這是第一個將CPU的所有元件都放入同一塊芯片內(nèi)的產(chǎn)品；1972年Intel8008，這是第一個8位微處理器，比4004復(fù)雜一倍；1974年Intel8080，這是第一個通用微處理器，而4004和8008是為特殊用途而設(shè)計的。8080是為通用微機而設(shè)計的中央處理器；20世紀70年代末出現(xiàn)強大的通用16位微處理器，8086便是其中之一；1981年貝爾實驗室和HP公司開發(fā)出了32位單片微處理器；Intel于1985年推出了32位微處理器Intel80386；

到現(xiàn)在的64位處理器和多核處理器。1.2.3微處理器的發(fā)展一臺計算機性能的高低好壞，因素是多方面的，如它的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、硬件組成、外設(shè)配置、軟件種類等。性能指標通常分為絕對和相對兩類。絕對指標：MIPS相對指標：流水線加速比性價比、機器字長、運算速度、機器容量、指令系統(tǒng)、計算速度、工藝形式等等。1.2.4計算機的性能指標1.3計算機的硬件(Hardware)算式：y=ax+b-c工具：算盤、橫格紙和筆步驟：1.3.1硬件組成要素例如：計算機的解題過程和算盤解題相似，可以從算盤的解題過程推演計算機的硬件組成。行數(shù)解體步驟和數(shù)據(jù)說明01020304050607080910111213a數(shù)據(jù)b數(shù)據(jù)c數(shù)據(jù)x數(shù)據(jù)取數(shù)(09)->算盤a取數(shù)(12)->算盤ax取數(shù)(10)->算盤ax+b取數(shù)(11)->算盤ax+b-c存數(shù)y->13把算盤上y值記到第13行輸出把算盤上的y值寫出給人看y數(shù)據(jù)停止運算完畢，暫停原始數(shù)據(jù)和解題步驟存儲

紙(Paper)------存儲器(Memory)運算工具

算盤(Abacus)----運算器(ArithmeticandLogicUnit)解題步驟和原始數(shù)據(jù)的輸入、計算結(jié)果的輸出

筆(pen)------輸入/輸出設(shè)備(Input/Output)整個計算過程的調(diào)度控制

人腦(brain)------控制器(ControlUnit)主機：CPU+內(nèi)存功能(function)：算術(shù)和邏輯運算1.運算器(ALU)寄存器B累加器A運算單元電路運算器結(jié)構(gòu)示意圖數(shù)制：二進制運算器的長度一般是8位、16位、32位、64位和128位采用二進制的原因：(1)容易實現(xiàn)(2)運算規(guī)律簡單(3)抗干擾能力強，可靠性高(4)為實現(xiàn)邏輯運算和邏輯判斷提供了便利功能(function)：存放程序(指令)和數(shù)據(jù)實現(xiàn)(realization)：用半導(dǎo)體器件來實現(xiàn)。分類(classify)：內(nèi)存儲器和外存儲器存儲容量(capacity)：計算機中存儲單元的總數(shù)；單位bit、

Byte、KB、MB、GB、TB、PB存儲單元0123m存儲器結(jié)構(gòu)示意圖存儲器外存儲器內(nèi)存儲器磁盤磁帶磁鼓光盤ROMRAMROMPROMEPROMEEPROMSRAMDRAMSDRAMEDRAM2.存儲器(Memory)任務(wù)(Task)：從內(nèi)存中取出解題步驟加以分析，然后執(zhí)行某種操作。3.控制器(ControlUnit)(1)

計算程序：解決某一問題的一串指令序列稱為該問題的計算程序。注意：計算程序是在運行前事先把指令和數(shù)據(jù)順序存放到存儲器中?？刂破骺刂朴嬎銠C按照指令順序執(zhí)行解決問題。

控制器的結(jié)構(gòu)注意：指令的操作碼和地址碼都是用二進制代碼表示的。（2）

指令形式：一條指令必須明確指示出從哪個單元中取數(shù)，并進行何種性質(zhì)的操作；即指令由操作碼和地址碼組成，分別指出操作的性質(zhì)和操作數(shù)的地址。操作碼地址碼指令操作碼加法001減法010乘法011除法100取數(shù)101存數(shù)110打印111停機00010110010111100001101001010111101101111xxxx000xxxxabcxy指令的操作碼定義指令和數(shù)據(jù)在存儲器中用二進制碼存儲12345678910111213按照程序所排的指令序列，先從存儲器中取出一條指令放到控制器中，對該指令的操作碼由譯碼器進行分析判別，然后根據(jù)指令的性質(zhì)，執(zhí)行該指令，進行相應(yīng)的操作；接著取出第二條指令，再執(zhí)行第二條指令，依此類推。（3）控制器的基本任務(wù)（FoundationalTask）術(shù)語：取指周期&執(zhí)行周期&中央處理器&主機

1.位(Bit):計算機的最小信息單位2.字節(jié)(Byte)：1Byte=8bits3.字(Word)：由一個以上的字節(jié)組成4.字長：組成一個字的二進制位數(shù)5.指令字：字的內(nèi)容是一條指令6.數(shù)據(jù)字：代表要處理的數(shù)據(jù)7.指令流：取指周期從內(nèi)存中讀出的信息流是指令流，它流向控制器。8.數(shù)據(jù)流：在執(zhí)行周期中從內(nèi)存中讀出的信息流是數(shù)據(jù)流，它由內(nèi)存流向運算器。（4）指令流(InstructionStream)和數(shù)據(jù)流(DataStream)CPU的結(jié)構(gòu)4.適配器(adapter)和輸入輸出設(shè)備(I/O)輸入(Input)設(shè)備：鍵盤、鼠標、掃描儀、麥克風(fēng)等輸出(Output)設(shè)備：顯示器、打印機、繪圖儀輸入/輸出設(shè)備：硬盤、軟盤、磁帶、磁鼓等(1)輸入輸出設(shè)備：(2)適配器：作用：相當(dāng)于一個轉(zhuǎn)換器、保證外圍設(shè)備用計算機系統(tǒng)特性所要求的形式接發(fā)信息。常見有：網(wǎng)絡(luò)適配器、顯卡適配器等5.總線(Bus)是構(gòu)成計算機系統(tǒng)的骨架，是多個系統(tǒng)部件之間進行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。馮.諾依曼結(jié)構(gòu)計算機（1）存儲程序控制：要求計算機完成的功能，需要事先編制成相應(yīng)的程序，并輸入到存儲器中，在控制器的控制下，有條不紊地工作。（2）程序和數(shù)據(jù)都用二進制表示。（3）程序由指令序列構(gòu)成，任何一條指令序列都包含操作碼和地址碼。（4）全機以CPU為中心，輸入的信息在CPU控制下才能寫入主存儲器，輸出的信息也只有在CPU控制下才能從主存儲器中取出送至相應(yīng)的輸出設(shè)備。

I/0輸入設(shè)備輸出設(shè)備運算器控制器存儲器CPUBasicFunctionalUnitsofaComputer計算機的基本組成小結(jié)（Summary）1946年VonNeumann提出存儲程序計算機模型。1.4計算機的軟件1.4.1軟件的組成與分類計算機軟件系統(tǒng)程序各種服務(wù)性程序：診斷、排錯等語言程序：匯編、編譯、解釋等操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)應(yīng)用程序工程設(shè)計程序數(shù)據(jù)處理程序自動控制程序企業(yè)管理程序情報檢索程序科學(xué)計算程序硬件系統(tǒng)程序應(yīng)用程序用戶計算機軟件層次結(jié)構(gòu)示意圖機器語言：使用1和0編制。計算機直接可以識別和執(zhí)行。缺點：要熟悉指令系統(tǒng)、繁雜、容易出錯、不易調(diào)試、只有專家使用。匯編語言：對機器指令采用助記符的表示，能夠用符號語言編寫。簡單直觀、便于記憶。不能為計算機識別，使用匯編程序，把符號語言編寫的程序翻譯為機器代碼。高級語言：按照實際需求規(guī)定一套基本符號以及由基本符號構(gòu)成程序的規(guī)則。更加接近自然語言，直觀通用、與具體機器無關(guān)。編譯程序：把整個源程序翻譯為機器代碼或匯編代碼的程序，它和運行系統(tǒng)一起組成編譯系統(tǒng)。解釋程序：對源程序逐行解釋并立即執(zhí)行的程序。操作系統(tǒng)：管理整個系統(tǒng)的軟硬件資源，提高資源使用率，方便用戶對計算機的使用。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)存儲、處理、傳輸、查詢、共享管理程序。1.4.２軟件的發(fā)展演變1.5計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.5.1多級組成的計算機系統(tǒng)根據(jù)計算機系統(tǒng)的發(fā)展及計算機使用人員的不同層次，將計算機系統(tǒng)進行層次劃分，在每個層次上都可以進行程序設(shè)計計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)示意圖編譯程序高級語言級5級微程序一般機器級2級匯編程序匯編語言級4級操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)級3級微程序設(shè)計級1級微程序直接由硬件執(zhí)行計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)人應(yīng)用語言級為人民服務(wù)級高級語言級讀書、學(xué)習(xí)級匯編語言級語言、思維級操作系統(tǒng)級生理功能級傳統(tǒng)機器級人體器官級微程序機器級細胞組織級電子線路級分子級一般來說，1級以下由硬件實現(xiàn)，二級以上由軟件實現(xiàn)。VLSI、ULSI的發(fā)展使得軟、硬件界限不明顯。原理上任何操作可由軟件完成，也可由硬件完成。對某一機器功能而言，采用硬件實現(xiàn)還是軟件實現(xiàn)，主要取決于價格、速度、可靠性、存儲容量、變更周期等因素。固件(Firmware)：程序固化了的ROM；形態(tài)是硬件，實現(xiàn)軟件的功能。進一步發(fā)展，設(shè)計面向高級語言的計算機，不經(jīng)過編譯，硬件直接執(zhí)行高級語言的語句。1.5.2軟硬件的邏輯等價性1.5.3計算機體系結(jié)構(gòu)、計算機組織和

計算機實現(xiàn)1．計算機體系結(jié)構(gòu)計算機體系結(jié)構(gòu)主要研究計算機系統(tǒng)的設(shè)計。定義：計算機體系結(jié)構(gòu)就是計算機的機器語言程序員或編譯程序編寫者所看到的外特性。所謂外特性，就是計算機的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。經(jīng)典計算機體系結(jié)構(gòu)概念的實質(zhì)：

計算機系統(tǒng)中軟硬件界面的確定，其界面之上的是軟件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。2．計算機組織計算機組織是指計算機體系結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)。

包括機器級計算機各組成部件內(nèi)部的邏輯實現(xiàn)，部件間的連接等邏輯設(shè)計。

3．計算機實現(xiàn)計算機實現(xiàn)是指計算機組成的物理實現(xiàn)。包括處理機、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件集成度、速度、信號傳輸，器件、模塊、插件、底板的劃分與連接，裝配技術(shù)及信號連接、電源、冷卻方法等。體系結(jié)構(gòu)與組成、實現(xiàn)之間的關(guān)系為：

體系結(jié)構(gòu)是組成的抽象，組成是實現(xiàn)的抽象一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成。一種組成可以有多種物理實現(xiàn)。

廣義的計算機體系結(jié)構(gòu)概念包括體系結(jié)構(gòu)的外部特性和內(nèi)部特性：

計算機體系結(jié)構(gòu)外部特性---計算機體系結(jié)構(gòu)的經(jīng)

典定義計算機體系結(jié)構(gòu)內(nèi)部特性---計算機組成與實現(xiàn)中

一些比較抽象的內(nèi)容1.5.4

計算機體系結(jié)構(gòu)的分類按照指令流和數(shù)據(jù)流的多寡，F(xiàn)lynn將計算機體系結(jié)構(gòu)分成4種類型。（1）單指令流單數(shù)