計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)(雷建軍)1

計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)使用教材：計(jì)算機(jī)組成原理，第二版，清華大學(xué)出版社(黃穎)主講教師：雷建軍Email:leijj@

HP信科1701)考試方式：考試（70%）+作業(yè)（20%）+出勤（10%）重慶郵電大學(xué)

第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

1.1計(jì)算機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史早期的計(jì)算工具1819年巴貝奇(劍橋)設(shè)計(jì)的差分機(jī)分析機(jī)

第一代計(jì)算機(jī)—電子管電子計(jì)算機(jī)（1945）

ENIAC（賓州）由18000個(gè)電子管和1500個(gè)繼電器組成，重30噸，耗電140KW，占地170平方米，每秒鐘能計(jì)算5000次加法。

第二代計(jì)算機(jī)—晶體管電子計(jì)算機(jī)（1954）主要器件逐步由電子管改為晶體管，因而縮小了體積，降低了功耗，提高了速度和可靠性，而且價(jià)格也不斷下降。第三代計(jì)算機(jī)—集成電路計(jì)算機(jī)（1958）集成電路可分為：小規(guī)模集成電路（SmallScaleIntegration，SSI），中規(guī)模集成電路（MediumScaleIntegration，MSI），大規(guī)模集成電路（LargeScaleIntegration，LSI）超大規(guī)模集成電路（VeryLargeScaleIntegration，VLSI）。

摩爾定律（1965）:單個(gè)芯片中的晶體管數(shù)目每年能夠翻一番（1970后18個(gè)月）。摩爾定律的影響:1)在芯片集成度快速增長(zhǎng)的期間，單個(gè)芯片的成本幾乎沒(méi)有變化，這意味著計(jì)算機(jī)邏輯電路和存儲(chǔ)器電路的成本顯著下降。2)因?yàn)樵诩啥雀叩男酒羞壿嫼痛鎯?chǔ)器單元的位置更靠近，電路長(zhǎng)度更短，所以提高了工作速度。3)計(jì)算機(jī)體積更小，更容易放置在各種環(huán)境中。4)減少了電能消耗及對(duì)冷卻的要求。5)集成電路內(nèi)部的連接比芯片間的連接更可靠，由干芯片中的電路增加，芯片間的連接變得更少。系列機(jī)具有以下特性：1)相同的或相似的指令集：在多數(shù)情況下，系列中的所有成員都有完全相同的指令集。在一臺(tái)機(jī)器上執(zhí)行的指令同樣也能在另一臺(tái)機(jī)器上執(zhí)行。某些情況下，系列中低端產(chǎn)品的指令集是高端產(chǎn)品的一個(gè)子集。這意味著程序可以向上而不能向下移植。2)相似或相同的操作系統(tǒng)：產(chǎn)品家族中的所有成員都有相同的基本操作系統(tǒng)。有些情況下，高端成員會(huì)增添一些新特性。3)更高的速度：成員機(jī)器從低端到高端，指令執(zhí)行速度從低到高。4)更多的I/O端口數(shù)：成員機(jī)器從低端到高端，I/O端口數(shù)越來(lái)越多。5)更大的內(nèi)存容量：成員機(jī)器從低端到高端，內(nèi)存容量越來(lái)越大。6)成本增加：成員機(jī)器從低端到高端，成本越來(lái)越高。

第四代計(jì)算機(jī)—超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)1971第一臺(tái)微機(jī)MCS-4（Intel4004）1981IBMPC機(jī)Intel8086MS-DOS開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和總線結(jié)構(gòu)

第五代計(jì)算機(jī)—普適計(jì)算機(jī)泛在的（ubiquitous）嵌入式（embedded）普適計(jì)算特殊性主要有：（1）硬件和軟件經(jīng)常是協(xié)同設(shè)計(jì)的；（2）普適計(jì)算的重要目標(biāo)就是將物理世界和信息世界相互關(guān)聯(lián)；（3）網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施尤其是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展為普適計(jì)算提供了物質(zhì)基礎(chǔ)；（4）設(shè)備尺寸小、功耗和成本低。1.2計(jì)算機(jī)的分類1、巨型機(jī)—尖端科學(xué)計(jì)算2、大型機(jī)—大型商業(yè)應(yīng)用3、小型機(jī)—工業(yè)控制4、微型機(jī)—家庭應(yīng)用5、工程工作站—專業(yè)應(yīng)用6、嵌入式計(jì)算機(jī)（目前應(yīng)用非常廣泛）7、移動(dòng)終端

平板電腦的主要硬件因素芯片電池內(nèi)存存儲(chǔ)屏幕攝像頭外殼1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介1.3.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)機(jī)器語(yǔ)言程序由一系列的二進(jìn)制代碼串組成（操作嗎和地址碼）用符號(hào)代替機(jī)器指令的語(yǔ)言就稱為匯編語(yǔ)言，也稱為符號(hào)語(yǔ)言。匯編程序代碼翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序后，才能被機(jī)器接受并運(yùn)行。

匯編語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言匯編器低級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言匯編語(yǔ)言（機(jī)器語(yǔ)言）編譯程序解釋程序計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多層次結(jié)構(gòu)1.3.2軟件與硬件的等價(jià)性原理軟件和硬件在邏輯上是等價(jià)的。任何操作可以由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)；任何指令的執(zhí)行可以由硬件完成，也可以由軟件來(lái)完成。（速度、可靠性、價(jià)格）固件(Firmware)：軟件和硬件的結(jié)合從功能來(lái)說(shuō)，是軟件；從形態(tài)來(lái)說(shuō)，又是硬件。

1.3.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)指那些能夠被程序員所見(jiàn)到的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的屬性，即概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性。通常是指用機(jī)器語(yǔ)言的程序員（也包括匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)者和匯編程序設(shè)計(jì)者）所看到的傳統(tǒng)機(jī)器的屬性。如：指令集、數(shù)據(jù)類型、存儲(chǔ)器尋址技術(shù)和等。大都屬于抽象的屬性。

計(jì)算機(jī)組成指如何實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性，它包含了許多對(duì)程序員來(lái)說(shuō)是透明的硬件細(xì)節(jié)。如：如何取指令、分析指令、如何運(yùn)算、如何傳送結(jié)果等。指令系統(tǒng)體現(xiàn)機(jī)器的屬性，這些屬于計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)的范疇。只要兩臺(tái)機(jī)器的指令系統(tǒng)相同時(shí)，就可以認(rèn)為它們具有相同的體系結(jié)構(gòu)。具備乘法指令和如何實(shí)現(xiàn)乘法指令。1.4計(jì)算機(jī)的基本組成1.4.1馮·諾伊曼計(jì)算機(jī)（普林斯頓結(jié)構(gòu)）的特點(diǎn)1）計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入裝置和輸出裝置五大部件組成；2）指令與數(shù)據(jù)以同等地位存放于存儲(chǔ)器內(nèi)，并可按地址訪問(wèn)；3）指令和數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制碼表示；4）指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用來(lái)表示操作的性質(zhì)，地址碼用來(lái)表示操作數(shù)所在存儲(chǔ)器中的位置；5）指令在存儲(chǔ)器內(nèi)按順序存放。通常，指令是順序執(zhí)行的，在特定條件下，可根據(jù)運(yùn)算結(jié)果或根據(jù)設(shè)定的條件改變執(zhí)行順序；6）機(jī)器以運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)傳送通過(guò)運(yùn)算器。

1.4.2計(jì)算機(jī)的硬件框圖

圖中各部分的功能是：1）運(yùn)算器是執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的功能部件。2）控制器是按照人們預(yù)先確定的操作步驟，控制計(jì)算機(jī)各部件步調(diào)一致協(xié)同工作的功能部件。3）存儲(chǔ)器是用來(lái)存儲(chǔ)信息的功能部件。4）輸入設(shè)備是用來(lái)接受用戶輸入的原始數(shù)據(jù)和程序，并把它們轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)能識(shí)別的形式存放到內(nèi)存中。5）輸出設(shè)備是用于將存放在內(nèi)存中由計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果轉(zhuǎn)變?yōu)槿藗兯邮艿男问健?/p>

哈佛結(jié)構(gòu)哈佛結(jié)構(gòu)（Harvardarchitecture）是一種將程序指令存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分開(kāi)的存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。哈佛結(jié)構(gòu)是一種并行體系結(jié)構(gòu)，主要特點(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址、獨(dú)立訪問(wèn)。1.5計(jì)算機(jī)性能的評(píng)價(jià)1.5.1性能評(píng)價(jià)的時(shí)間因素響應(yīng)時(shí)間：完成某一任務(wù)所花費(fèi)的全部時(shí)間（輸入輸出、存儲(chǔ)器訪問(wèn)、操作系統(tǒng)開(kāi)銷、執(zhí)行用戶程序）CPU時(shí)間表示CPU工作的時(shí)間，不包括I/O等待的時(shí)間和運(yùn)行其他程序的時(shí)間。CPU時(shí)間還可以細(xì)分為用戶CPU時(shí)間和系統(tǒng)CPU時(shí)間，前者表示進(jìn)程在用戶態(tài)運(yùn)行的時(shí)間，而后者則表明進(jìn)程在內(nèi)核態(tài)運(yùn)行的時(shí)間。

UNIX90.7u12.9s2:3965%

1.5.2性能評(píng)價(jià)程序的選擇（1）真實(shí)的程序真實(shí)的程序包括C編譯器、文字處理軟件（如Tex）、CAD軟件（如Spice）。（2）核心測(cè)試程序從真實(shí)的程序中提取出一些小而關(guān)鍵的程序片段來(lái)評(píng)價(jià)程序的性能。核心測(cè)試程序最大的用途就是將機(jī)器中各項(xiàng)特性的性能分離出來(lái)，以解釋運(yùn)行真實(shí)程序時(shí)性能有差異的原因。

（3）小型基準(zhǔn)測(cè)試程序通常只有10到100行代碼，用戶在測(cè)試前已經(jīng)知道運(yùn)行結(jié)果。像快速排序之類的程序，它們得到非常廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兌己苄?，容易輸出結(jié)果，而且?guī)缀跄茉谒械挠?jì)算機(jī)上運(yùn)行。（4）合成基準(zhǔn)測(cè)試程序與核心測(cè)試程序的想法相似，合成基準(zhǔn)測(cè)試程序取大量程序的指令和操作數(shù)出現(xiàn)頻率的平均值。合成基準(zhǔn)測(cè)試程序的結(jié)果不如核心程序，核心測(cè)試程序是從真實(shí)程序中抽取出來(lái)的，而合成基準(zhǔn)測(cè)試程序是為了模擬其他程序的平均執(zhí)行情況而人工拼湊出來(lái)的。1.6計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則1、大概率事件優(yōu)先原則大概率事件優(yōu)先原則是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要和最常用的原則。基本思想：對(duì)于大概率事件，賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果。

2、Amdahl(阿姆達(dá)爾定律)定律部件改進(jìn)后，系統(tǒng)的總執(zhí)行時(shí)間等于不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間和可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間，即

[例2]假定采用以下的改進(jìn)方式，我們能把原機(jī)器的40％時(shí)間里的速度加速到10倍快，那么，改進(jìn)性能后的總的加速比是多少？[解]可改進(jìn)比例