礦大計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論

計(jì)算機(jī)組織與體系結(jié)構(gòu)任課教師：江海峰Phones:1358547991883591726（O）E-mail:

jhfeng@

fengfengxz@課程的性質(zhì)、內(nèi)容及任務(wù)教材學(xué)時(shí)分配參考書目測(cè)評(píng)課程性質(zhì)：

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

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論；運(yùn)算方法和運(yùn)算器；存儲(chǔ)系統(tǒng)；指令系統(tǒng)；中央處理器；總線系統(tǒng)；外圍設(shè)備；輸入輸出系統(tǒng)；并行組織。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(jì)算機(jī)單處理機(jī)系統(tǒng)的主要組成和工作原理，著重于計(jì)算機(jī)硬件和體系結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)扎實(shí)的計(jì)算機(jī)硬件動(dòng)手能力，為后繼計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)組成與體系結(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(shí)其中：理論課：44學(xué)時(shí)

實(shí)驗(yàn)課：12學(xué)時(shí)三、學(xué)時(shí)分配(timeallocation)四、參考書目(referencebooks)《計(jì)算機(jī)組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》

馬禮人民郵電出版社《計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)》張晨曦高教出版社《計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)》王愛英清華大學(xué)出版社《計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》鄭緯民清華大學(xué)出版社《計(jì)算機(jī)組成與體系結(jié)構(gòu)》王誠(chéng)清華大學(xué)出版社《計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)》(第二版)胡越民電子工業(yè)出版社《Computerorganization》CarlhamcherTheEssentialsofComputerOrganizationandArchitectureLindaNull等機(jī)械工業(yè)出版社

先修課程《計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》、《電工技術(shù)與電子技術(shù)》要求（requirement)：參考書盡量人手一冊(cè)五、測(cè)評(píng)滿分：100分

1.筆試70%2.實(shí)驗(yàn)20%3.

平時(shí)10%第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論1.計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用2.計(jì)算機(jī)的硬件3.計(jì)算機(jī)的軟件4.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.1計(jì)算機(jī)的分類和應(yīng)用1.1.1計(jì)算機(jī)的分類(Categorize)計(jì)算機(jī)(電子)電子模擬計(jì)算機(jī)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)專用計(jì)算機(jī)通用計(jì)算機(jī)巨型機(jī)(Super)大型機(jī)(Mainframe)中型機(jī)(medium)小型機(jī)(small)微型機(jī)(micro)單片機(jī)(single)(analog)(digital)(generic)(special)單片機(jī)微型機(jī)小型機(jī)中型機(jī)大型機(jī)巨型機(jī)體積功耗性能存儲(chǔ)量指令系統(tǒng)價(jià)格低高高低簡(jiǎn)易性六種通用計(jì)算機(jī)的區(qū)別當(dāng)今高性能計(jì)算機(jī)：曙光５０００Ａ

單片機(jī)科學(xué)計(jì)算自動(dòng)控制測(cè)量和測(cè)試信息處理（商務(wù)處理和管理應(yīng)用）教育和衛(wèi)生計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)/計(jì)算機(jī)輔助制造（CAD/CAM）家用電器人工智能1.1.2計(jì)算機(jī)的應(yīng)用(Application)1.2計(jì)算機(jī)的硬件(Hardware)算式：y=ax+b-c

工具：算盤、橫格紙和筆步驟：1.2.1數(shù)字計(jì)算機(jī)的硬件組成例如：計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(yùn)算完畢，暫停原始數(shù)據(jù)和解題步驟存儲(chǔ)

紙(Paper)------存儲(chǔ)器(Memory)運(yùn)算工具

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

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

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

byte、KB、MB、GB、TB、PB存儲(chǔ)單元0123m存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)示意圖存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器磁盤磁帶磁鼓光盤ROMRAMROMPROMEPROMEEPROMSRAMDRAMSDRAMEDRAM2.存儲(chǔ)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(jì)算程序：解決某一問題的一串指令序列稱為該問題的計(jì)算程序。注意：計(jì)算程序是在運(yùn)行前事先把指令和數(shù)據(jù)順序存放到存儲(chǔ)器中?？刂破骺刂朴?jì)算機(jī)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(jìn)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(gè)單元中取數(shù)，并進(jìn)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(jī)00010110010111100001101001010111101101111xxxx000xxxxabcxy指令的操作碼定義指令和數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中用二進(jìn)制碼存儲(chǔ)12345678910111213按照程序所排的指令序列，先從存儲(chǔ)器中取出一條指令放到控制器中，對(duì)該指令的操作碼由譯碼器進(jìn)行分析判別，然后根據(jù)指令的性質(zhì)，執(zhí)行該指令，進(jìn)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(yǔ)：取指周期&執(zhí)行周期&中央處理器&主機(jī)

1.位(Bit):計(jì)算機(jī)的最小信息單位2.字節(jié)(Byte)：1Byte=8bits3.字(Word)：由一個(gè)以上的字節(jié)組成4.字長(zhǎng)：組成一個(gè)字的二進(jìn)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(yùn)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(biāo)、掃描儀、麥克風(fēng)等輸出(Output)設(shè)備：顯示器、打印機(jī)、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(gè)轉(zhuǎn)換器、保證外圍設(shè)備用計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的骨架，是多個(gè)系統(tǒng)部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。馮.諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)（1）存儲(chǔ)程序控制：要求計(jì)算機(jī)完成的功能，需要事先編制成相應(yīng)的程序，并輸入到存儲(chǔ)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(jìn)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(jī)以CPU為中心，輸入的信息在CPU控制下才能寫入主存儲(chǔ)器，輸出的信息也只有在CPU控制下才能從主存儲(chǔ)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(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器CPUBasicFunctionalUnitsofaComputer計(jì)算機(jī)的基本組成小結(jié)（Summary）1946年VonNeumann提出存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)模型。1.2.2數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展史從使用器件角度，計(jì)算機(jī)的發(fā)展大致經(jīng)歷了五代：一、第一代：電子管計(jì)算機(jī)

時(shí)間跨度：1946~1957器件特性：電子管運(yùn)算速度：幾千至幾萬(wàn)次/秒缺點(diǎn)：體積大、成本高、不可靠

ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer）

電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)二、第二代：晶體管計(jì)算機(jī)

時(shí)間跨度：1958~1964器件特性：晶體管，磁芯存儲(chǔ)器運(yùn)算速度：幾萬(wàn)次~幾十萬(wàn)次/秒三、第三代：中小規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)

時(shí)間跨度：1965~1970產(chǎn)品特性：集成電路，操作系統(tǒng)運(yùn)算速度：幾十萬(wàn)次~幾百萬(wàn)次/秒四、第四代：大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)

時(shí)間跨度：1971~1985產(chǎn)品特性：大規(guī)模集成電路，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，微型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)運(yùn)算速度：幾百萬(wàn)次~幾千萬(wàn)次/秒五、第五代：巨大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)

時(shí)間跨度：1986~產(chǎn)品特性：VLSI、ULSI，半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，微機(jī)發(fā)展迅速運(yùn)算速度：幾億次~幾百億次/秒（1）網(wǎng)絡(luò)化和分布式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)（2）智能化（3）多處理機(jī)和模塊化計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（4）多媒體技術(shù)數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)：1.3計(jì)算機(jī)的軟件1.3.1軟件的組成

與分類計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)程序各種服務(wù)性程序：診斷、排錯(cuò)等語(yǔ)言程序：匯編、編譯、解釋等操作系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)應(yīng)用程序工程設(shè)計(jì)程序數(shù)據(jù)處理程序自動(dòng)控制程序企業(yè)管理程序情報(bào)檢索程序科學(xué)計(jì)算程序硬件系統(tǒng)程序應(yīng)用程序用戶計(jì)算機(jī)軟件層次結(jié)構(gòu)示意圖機(jī)器語(yǔ)言：使用1和0編制。計(jì)算機(jī)直接可以識(shí)別和執(zhí)行。缺點(diǎn)：要熟悉指令系統(tǒng)、繁雜、容易出錯(cuò)、不易調(diào)試、只有專家使用。匯編語(yǔ)言：對(duì)機(jī)器指令采用助記符的表示，能夠用符號(hào)語(yǔ)言編寫。簡(jiǎn)單直觀、便于記憶。不能為計(jì)算機(jī)識(shí)別，使用匯編程序，把符號(hào)語(yǔ)言編寫的程序翻譯為機(jī)器代碼。高級(jí)語(yǔ)言：按照實(shí)際需求規(guī)定一套基本符號(hào)以及由基本符號(hào)構(gòu)成程序的規(guī)則。更加接近自然語(yǔ)言，直觀通用、與具體機(jī)器無(wú)關(guān)。編譯程序：把整個(gè)源程序翻譯為機(jī)器代碼或匯編代碼的程序，它和運(yùn)行系統(tǒng)一起組成編譯系統(tǒng)。解釋程序：對(duì)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(gè)系統(tǒng)的軟硬件資源，提高資源使用率，方便用戶對(duì)計(jì)算機(jī)的使用。數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、處理、傳輸、查詢、共享管理程序。1.3.２軟件的發(fā)展演變1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的有關(guān)概念1.４.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)根據(jù)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展及計(jì)算機(jī)使用人員的不同層次，將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行層次劃分，在每個(gè)層次上都可以進(jìn)行程序設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)示意圖編譯程序高級(jí)語(yǔ)言級(jí)5級(jí)微程序一般機(jī)器級(jí)2級(jí)匯編程序匯編語(yǔ)言級(jí)4級(jí)操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)級(jí)3級(jí)微程序設(shè)計(jì)級(jí)1級(jí)微程序直接由硬件執(zhí)行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)人應(yīng)用語(yǔ)言級(jí)為人民服務(wù)級(jí)高級(jí)語(yǔ)言級(jí)讀書、學(xué)習(xí)級(jí)匯編語(yǔ)言級(jí)語(yǔ)言、思維級(jí)操作系統(tǒng)級(jí)生理功能級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)人體器官級(jí)微程序機(jī)器級(jí)細(xì)胞組織級(jí)電子線路級(jí)分子級(jí)一般來說，1級(jí)以下由硬件實(shí)現(xiàn)，二級(jí)以上由軟件實(shí)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(duì)某一機(jī)器功能而言，采用硬件實(shí)現(xiàn)還是軟件實(shí)現(xiàn)，主要取決于價(jià)格、速度、可靠性、存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)軟件的功能。進(jìn)一步發(fā)展，設(shè)計(jì)面向高級(jí)語(yǔ)言的計(jì)算機(jī)，不經(jīng)過編譯，硬件直接執(zhí)行高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)句。1.４.2軟硬件的邏輯等價(jià)性計(jì)算機(jī)的性能一臺(tái)計(jì)算機(jī)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(biāo)通常分為絕對(duì)和相對(duì)兩類。絕對(duì)指標(biāo)：MIPS

相對(duì)指標(biāo)：加速比性能價(jià)格比、機(jī)器字長(zhǎng)、運(yùn)算速度、機(jī)器容量、指令系統(tǒng)、計(jì)算速度、工藝形式等等。1.4.3計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組織和

計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)1．計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)主要研究計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。定義：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)就是計(jì)算機(jī)的機(jī)器語(yǔ)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(jì)算機(jī)的概念性結(jié)構(gòu)和功能特性。經(jīng)典計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)概念的實(shí)質(zhì)：

計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。

包括機(jī)器計(jì)算機(jī)各組成部件內(nèi)部的邏輯實(shí)現(xiàn)，部件間的連接等邏輯設(shè)計(jì)等。

3．計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是指計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。包括處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件集成度、速度、信號(hào)傳輸，器件、模塊、插件、底板的劃分與連接，裝配技術(shù)及信號(hào)連接、電源、冷卻方法等。體系結(jié)構(gòu)與組成、實(shí)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(shí)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(shí)現(xiàn)。

廣義的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)外部特性---計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的經(jīng)

典定義計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)內(nèi)部特性---計(jì)算機(jī)組成與實(shí)現(xiàn)中

一些比較抽象的內(nèi)容1.4.4

計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)分成4種類型。（1）單指令流單數(shù)據(jù)流（SingleInstructionstreamSingleDatastream，SISD）計(jì)算機(jī)。（2）單指令流多數(shù)據(jù)流（SingleInstructionstreamMultipleDatastre