《計算機組成原理》 課件 第1章 計算機系統(tǒng)概論

第1章計算機系統(tǒng)概論1.1 引言1.2 計算機系統(tǒng)的硬件組成1.3計算機的軟件系統(tǒng)1.4

計算機的性能指標1.5

計算機的發(fā)展簡史1.6 計算機的分類與應(yīng)用計算機系統(tǒng)＝硬件/固件＋軟件硬件：計算機系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)軟件：計算機系統(tǒng)的靈魂對于計算機的某一具體功能來說，既可以用硬件實現(xiàn)，也可以用軟件實現(xiàn)。硬件和軟件在邏輯功能上是等效的實現(xiàn)成本和速度有比較大的差別1.1引言1.1引言計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：軟件和硬件的交界面確定哪些功能由硬件實現(xiàn)，哪些功能由軟件實現(xiàn)，即確定硬件和軟件的功能分配。現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由5個部件構(gòu)成運算器：實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的加工，包括算術(shù)運算和邏輯運算。存儲器：存儲數(shù)據(jù)和程序?？刂破鳎河嬎銠C的指揮控制中心，控制計算機各部件有序協(xié)調(diào)地工作。輸入設(shè)備和輸出設(shè)備：實現(xiàn)外部世界與計算機之間的數(shù)據(jù)交換。1.2計算機系統(tǒng)的硬件組成1.2計算機系統(tǒng)的硬件組成計算機系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)（5個部件）3個部件兩個子系統(tǒng)CPU＝運算器＋控制器存儲器＝內(nèi)存（主存）＋外存（輔存）主機＝CPU＋主存儲器I/O設(shè)備＝輸入設(shè)備＋輸出設(shè)備早期的計算機采用的結(jié)構(gòu)以運算器為中心

馮·諾依曼結(jié)構(gòu)匈牙利數(shù)學(xué)家馮·諾依曼1946年提出1.2計算機系統(tǒng)的硬件組成現(xiàn)代計算機在結(jié)構(gòu)上已經(jīng)有了很大的變化，但都可以看成是馮·諾依曼結(jié)構(gòu)的改進，而且仍然是采用馮·諾依曼當(dāng)時提出的存儲程序原理。存儲程序原理

在計算機解題之前，要事先編制好程序，并與所需要的數(shù)據(jù)一起預(yù)先存入主存當(dāng)中。當(dāng)程序開始執(zhí)行后，由控制器按照該程序自動地、連續(xù)地從存儲器中取出指令并執(zhí)行，直到獲得所要求的結(jié)果為止。模型機硬件組織示意圖（一臺假想的簡化了的計算機）1.2計算機系統(tǒng)的硬件組成運算部件計算機的執(zhí)行部件，用于對數(shù)據(jù)的加工處理，完成算術(shù)運算和邏輯運算。算術(shù)運算：包括加、減、乘、除以及它們的復(fù)合運算。邏輯運算：包括與、或、非、異或、比較、移位等。核心：算術(shù)邏輯部件ALU

（ArithmeticandLogicalUnit）一組寄存器：用于暫存運算數(shù)據(jù)和中間結(jié)果（通用寄存器組GPR）1.2計算機系統(tǒng)的硬件組成內(nèi)存計算機的存儲部件，存儲程序和數(shù)據(jù)。由兩部分構(gòu)成內(nèi)部存儲器（內(nèi)存）：一般用半導(dǎo)體技術(shù)實現(xiàn)。外部存儲器（外存）：采用磁記錄方式實現(xiàn)。內(nèi)存按地址訪問的一維線性空間。由大量的存儲單元組成，每個存儲單元有一個唯一的編號。（這個編號稱為該存儲單元的地址）用地址可以唯一地訪問到一個存儲單元。1.2計算機系統(tǒng)的硬件組成每個存儲單元可以存放多個二進制位，其位數(shù)一般與計算機的字長相同，一般是字節(jié)的整數(shù)倍。對存儲器可以進行的操作“讀”和“寫”存儲器所能存儲的信息總量稱為存儲器的存儲容量。存儲單元…地址（n位）01232n-1控制器計算機的管理機構(gòu)和指揮中心，它協(xié)調(diào)計算機的各個部件自動地工作。具體來說，就是按照程序中事先設(shè)計好的解題步驟，控制計算機各個部件有條不紊地工作。由6部分構(gòu)成指令寄存器IR：存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。程序計數(shù)器PC：存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令的地址。指令譯碼器：對指令進行譯碼。區(qū)分當(dāng)前指令是什么指令，以便形成相應(yīng)的控制信號。1.2計算機系統(tǒng)的硬件組成時鐘脈沖CP：協(xié)調(diào)計算機各部件進行操作的同步信號，其工作頻率稱為計算機的主頻。時序信號發(fā)生器：按時間順序周而復(fù)始地發(fā)出節(jié)拍信號。微操作控制部件微操作：硬件電路中不可再細分的簡單操作。微操作在一個節(jié)拍內(nèi)完成根據(jù)指令的譯碼結(jié)果，結(jié)合CP以及時序信號發(fā)生器產(chǎn)生的節(jié)拍信號，產(chǎn)生該指令執(zhí)行過程中各節(jié)拍所需要的微操作控制信號，并將它們發(fā)送給包括控制器本身在內(nèi)的各個部件，使之協(xié)調(diào)、分步驟地進行操作，實現(xiàn)指令的執(zhí)行。1.2計算機系統(tǒng)的硬件組成輸入/輸出設(shè)備計算機與外界聯(lián)系的重要橋梁，是計算機系統(tǒng)中的一個不可或缺的組成部分。輸入設(shè)備作用：將程序和數(shù)據(jù)以計算機所能識別的形式輸入到計算機內(nèi)。常見的輸入設(shè)備：鍵盤，鼠標，掃描儀，攝像機等。輸出設(shè)備作用：將計算機處理的結(jié)果以人們所能接受或其它系統(tǒng)所要求的形式輸出到外部世界。常見的輸出設(shè)備：顯示器，打印機等。計算機軟件一般可分為兩大類系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件常用的一些軟件1.3計算機的軟件系統(tǒng)1.3計算機的軟件系統(tǒng)1.3計算機的軟件系統(tǒng)一組保證計算機系統(tǒng)高效、正確地運行的基礎(chǔ)軟件。操作系統(tǒng)負責(zé)管理系統(tǒng)資源，為應(yīng)用程序提供運行環(huán)境，為用戶提供操作界面。主要功能存儲管理，處理機的進程/線程調(diào)度，設(shè)備管理，文件管理，網(wǎng)絡(luò)通信管理，命令處理等。語言處理程序?qū)⒂萌魏纹渌Z言編制的程序變換為機器語言程序，然后由計算機硬件去執(zhí)行和處理。1.3.1系統(tǒng)軟件1.3計算機的軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)用于實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的描述、管理和維護等。分布式軟件系統(tǒng)用于建立分布式計算環(huán)境，管理分布式計算資源，控制分布程序的運行，提供分布式程序開發(fā)與設(shè)計工具等。包括：分布式操作系統(tǒng)、分布式編譯系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、分布式軟件包等。1.3計算機的軟件系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件系統(tǒng)用于支持網(wǎng)絡(luò)活動和數(shù)據(jù)通信的系統(tǒng)軟件。包括網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、通信軟件、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議軟件、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)等。服務(wù)程序為用戶使用和維護計算機提供服務(wù)。如裝入程序、編輯程序、調(diào)試程序、診斷程序等。1.3計算機的軟件系統(tǒng)應(yīng)用軟件：指計算機系統(tǒng)的用戶為解決某個應(yīng)用領(lǐng)域中的各類問題而編制的程序。應(yīng)用程序是多種多樣、極其豐富的。如各種科學(xué)計算類程序、工程設(shè)計類程序、數(shù)據(jù)統(tǒng)計與處理程序、情報檢索程序、企業(yè)管理程序、生產(chǎn)過程控制程序等。一些具有通用性的應(yīng)用軟件如文字處理軟件、表格處理軟件、圖形處理軟件等。1.3.2應(yīng)用軟件

介紹一些與硬件相關(guān)的性能指標。主頻衡量計算機工作速度的主要指標之一CPU的工作節(jié)拍是由時鐘來控制的，時鐘不斷產(chǎn)生固定頻率的時鐘脈沖，這個時鐘的頻率就是CPU的主頻。通常用一秒鐘內(nèi)發(fā)出的電子脈沖數(shù)來表示常用單位是兆赫茲（MHz）。1.4計算機的性能指標1.4.1基本性能指標1.4計算機的性能指標運算速度以每秒執(zhí)行多少條指令或完成多少次浮點運算來表示。單位：MIPS（百萬條指令/秒）

MFLOPS（百萬次浮點運算/秒）它們分別反映了計算機的定點運算能力和浮點運算能力。1.4計算機的性能指標運算速度可以用以下3個方法來計算混合比率計算法對于每一條指令，計算其執(zhí)行時間，并從應(yīng)用程序中統(tǒng)計該指令出現(xiàn)的頻度。然后計算所有指令的加權(quán)平均值，便可得指令的平均執(zhí)行時間。該時間的倒數(shù)就是平均執(zhí)行速度。計算各種指令的執(zhí)行速度根據(jù)處理器的主頻，求出其基本節(jié)拍周期時間，然后根據(jù)處理器的結(jié)構(gòu)模型和指令操作流程，可推算出執(zhí)行各種指令的基本拍數(shù)和每秒執(zhí)行指令的條數(shù)。1.4計算機的性能指標執(zhí)行基準程序的運算速度通過執(zhí)行同一組基準程序，來測試和比較計算機的性能?；鶞蕼y試程序套件由各種不同的真實應(yīng)用程序構(gòu)成的目前最成功和最常見的測試程序套件是SPEC系列由美國的標準性能測試公司（StandardPerformanceEvaluationCorporation）創(chuàng)建的設(shè)計出了適合于各種類型應(yīng)用的基準測試程序套件，且先后推出了多個版本。如：SPEC89、SPEC92、SPEC95、SPEC2000和SPECCPU2006等。SPECCPU2006有29個程序，其中整數(shù)程序12個

（CINT2006），浮點程序17個（CFP2006）。1.4計算機的性能指標基本字長直接參與運算的數(shù)據(jù)字的二進制位數(shù)。它決定了寄存器、ALU、數(shù)據(jù)總線等的位數(shù)，直接影響著硬件的造價。

字長標志著運算精度，位數(shù)越多，精度越高。在保持相同精度的情況下，十進制位數(shù)與二進制位數(shù)的關(guān)系。假設(shè)：十進制數(shù)的位數(shù)：i位二進制數(shù)的位數(shù)：j位令：10i=2j兩邊取對數(shù)（以10為底），得：

i=j×log102j=i/log102≈3.3×i1.4計算機的性能指標主存容量主存容量：主存所能存儲的信息的總量。計算機的處理能力在很大程度上取決于主存容量的大小。主存容量＝字節(jié)數(shù)或字數(shù)×字長512MB

可存儲512M（1M=1024K）個字節(jié)128M×32位KB——千字節(jié)1KB=210B=1024BMB——兆字節(jié)（百萬）1MB=220B=1024KBGB——吉字節(jié)（10億）1GB=230B=1024MBTB——太字節(jié)（萬億）1TB=240B=1024GB1.4計算機的性能指標主存存取周期：對主存連續(xù)兩次訪問所允許的最小時間間隔。所配置的外部設(shè)備及其性能指標第一臺通用電子計算機誕生于1946年ElectronicNumericalIntegratorAndComputer（電子數(shù)字積分計算機），簡稱ENIAC

。美國賓夕法尼亞大學(xué)研究長30.48米，寬1米，占地面積170平方米，總重量約30噸。制造它共用了約18000個真空管，1500個電子繼電器，70000個電阻，18000個電容。計算速度只有每秒5000次加法運算1.5計算機的發(fā)展簡史1.5計算機的發(fā)展簡史第一臺存儲程序電子計算機EDVAC

（ElectronicDiscreteVariableAutomaticComputer）

1950年由馮·諾依曼和莫爾學(xué)院合作研制

4代計算機的特征

每一代主要是以不同的器件技術(shù)為特征系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和軟件技術(shù)也各具特色近幾十年中，國外電子計算機發(fā)展的重大事件分代器件技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)軟件技術(shù)典型機器第一代（1946-1955）電子管，繼電器，延遲線存儲程序計算機、程序控制I/O，定點運算機器語言，匯編語言ENIAC，ISA，IBM701第二代（1955-1965）晶體管磁芯存儲器浮點數(shù)據(jù)表示、尋址技術(shù)、中斷、I/O處理機高級語言和編譯、批處理，監(jiān)控系統(tǒng)UnivacLARC，CDC1604，IBM7030第三代（1965-1980）小規(guī)模和中規(guī)模集成電路，前期以磁芯存儲器為主，后期以半導(dǎo)體存儲器為主，微程序流水線，Cache，先行處理，系列機多道程序，分時操作系統(tǒng)，并行處理IBM360/370系列，CDC6600/7600系列，DECPDP-8系列第四代（1980-）大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，半導(dǎo)體存儲器，高性能微處理器，高密度電路向量處理，指令集并行，多處理機，多核，機群，大規(guī)模并行處理并行處理，分布處理，大規(guī)模、可擴展并行Cray-1，IBM3090，DECVAX9000，SGICrayT3E，SunE10000，IBMSP2，IntelParagon年份大事19381943194619471948195019521954195619601961196219641964KonradZuse建成了第一臺二進制的機電式通用計算機Z-1AlanTuring等建成了一臺真空管計算機J.W.Mauchley教授等研制成功ENIAC，這是第一臺電子數(shù)字計算機由IBM公司和哈佛大學(xué)共同研制成自動機電式哈佛MarkⅠ計算機曼徹斯特MarkⅠ成為第一臺存儲程序的數(shù)字計算機馮·諾依曼和莫爾學(xué)院合作研制成功EDVAC，這是世界上第一臺存儲程序電子計算機IBM制成第一臺軍用的存儲程序電子計算機IBM701Univac1103A成為第一臺商業(yè)計算機，采用磁芯存儲器采用晶體管的Univac商用計算機開發(fā)成功DEC公司11月研制成PDP-1，第一臺具有顯示器和鍵盤的商用計算機IBM公司研制成7030，號稱超級計算機英國研制成Atlas計算機，首次采用虛擬存儲器和流水操作IBM宣布System/360CDC6600研制成功，第一臺商用超級計算機年份大事19651968197119721975197619771980198119821982198519891991DEC推出PDP-8，采用晶體管線路SeymourCray設(shè)計成功CDC7600超級計算機，40MFLOPSIntel推出第一個微處理器芯片4004DEC推出PDP-11第一臺微型機Altair8800研制成功Cray-1研制成功，第一臺向量結(jié)構(gòu)超級計算機Tony和Commodore推出商品微型機Apollo公司研制成第一臺工程工作站IBM推出PC機CrayX-MP推出，將兩臺Cray-1連接在一起日本啟動“第五代”計算機項目Cray-2和ConnectionMachine研制成功，性能均達每秒十億次運算Cray-3研制成功，采用砷化鎵芯片CrayY-MPC90研制成功，采用16個處理機1.5計算機的發(fā)展簡史微處理器的發(fā)展Intel是研制和生產(chǎn)微處理器的最大廠商Intel微處理器的發(fā)展演化1971年，第一個微處理器芯片Intel4004

（4位微處理器主頻為108KHz）1972年，Intel發(fā)布8008

（一個8位微處理器）1974年，Intel發(fā)布8080（第一個通用8位微處理器主頻為2MHz）1978年，Intel發(fā)布8086

（通用16位微處理器）1.5計算機的發(fā)展簡史1985年，Intel推出了32位微處理器80386。初期推出的80386DX處理器集成了大約27.5萬個電晶

體，主頻為12.5MHz。逐步提高到20MHz、25MHz、33MHz直至最后的40MHz。1995年，Intel推出了64位微處理器PentiumPro。主頻有：133/66MHz(工程樣品)，150/60MHz、166/66MHz、180/60MHz、200/66MHz。

型號發(fā)布時間主頻總線寬度晶體管數(shù)可尋址存儲器40041971108kHz4位2300640B80081972108kHz8位350016KB808019742MHz8位600064KB808619785MHz，8MHz，10MHz16位290001MB808819795MHz，8MHz8位290001MB8028619826~12.5MHz16位13400016MB386TMDX198516~33MHz32位2750004GB386TMSX198816~33MHz16位27500016MB486TMDX198925~50MHz32位12000004GB486TMSX199116~33MHz32位1.185百萬4MBPentium199360~166MHz32位3.1百萬4GBPentiumPro1995150~220MHz64位5.5百萬64GBPentiumⅡ1997200~300MHz64位7.5百萬64GBPentiumⅢ1999450~600MHz64位9.6百萬64GBPentium420001.3~1.8GHz64位42百萬64GBItanium200173