第二章計(jì)算機(jī)組成原理-課件

第二章計(jì)算機(jī)組成原理ppt課件阿倫.圖靈(AlanTuring)英國(guó)數(shù)學(xué)家、哲學(xué)家、密碼破譯家

30年代初，發(fā)表了一篇著名的論文《論數(shù)字計(jì)算在決斷難題中的應(yīng)用》，他提出了一種十分簡(jiǎn)單，但運(yùn)算能力極強(qiáng)的理想計(jì)算裝置，用它來(lái)計(jì)算所有能想象得到的可計(jì)算函數(shù)。圖靈的思想奠定了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)的理論基礎(chǔ)。圖靈機(jī)——自動(dòng)機(jī)理論ACM（美國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)）圖靈獎(jiǎng)1945年VonNeuuman、H.H.Goldstin、A.W.Burks發(fā)表了一篇論文《電子計(jì)算機(jī)裝置邏輯結(jié)構(gòu)初探》提出了兩個(gè)主要論點(diǎn):

*使用二進(jìn)制*存儲(chǔ)程序和程序控制奠定了當(dāng)代計(jì)算機(jī)硬件由控制器、運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備等組成的結(jié)構(gòu)體系馮·諾依曼教授（JohnVonNeumman）和他設(shè)計(jì)的“存儲(chǔ)程序式”計(jì)算機(jī)EDVAC(埃德瓦克)2.1.3計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段以計(jì)算機(jī)使用的基本電子元件作為劃分依據(jù)，計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)階段。基本電子元件的演變：集成電路（IC）電子管晶體管中小規(guī)模集成電路芯片大規(guī)模超大規(guī)模集成電路芯片計(jì)算機(jī)的發(fā)展階段過(guò)去很長(zhǎng)時(shí)間人們都按照計(jì)算機(jī)主機(jī)所使用的元器件，為計(jì)算機(jī)劃代。代

別年

代主要元器件配置的軟件主要應(yīng)用第1代20世紀(jì)40年代中期～50年代末期CPU：電子管內(nèi)存：磁鼓

使用機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編寫程序科學(xué)計(jì)算和工程計(jì)算第2代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(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言開始廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域第3代60年代中期～70年代初期CPU：SSI，MSI內(nèi)存：SSI，MSI半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

操作系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)等開始使用在科學(xué)計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、工業(yè)控制等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用第4代20世紀(jì)70年代中期以來(lái)CPU：LSI、VLSI內(nèi)存：LSI、VLSI的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

軟件工程、分布式計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)軟件等開始廣泛使用深入到各行各業(yè)，家庭和個(gè)人開始使用計(jì)算機(jī)2.2計(jì)算機(jī)的組成與分類主要內(nèi)容：計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu) 各組成部分的基本功能 計(jì)算機(jī)分類 計(jì)算機(jī)主要性能指標(biāo)2.2.1計(jì)算機(jī)硬件的組成馮·諾依曼型計(jì)算機(jī)的5個(gè)組成部分運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器輸入輸出中央處理器俗稱:CPU主機(jī)計(jì)算機(jī)硬件I/O設(shè)備其基本原理是存儲(chǔ)程序控制，或說(shuō)是存儲(chǔ)程序，程序控制。

CPU與主存儲(chǔ)器連同總線構(gòu)成主機(jī)

外存儲(chǔ)器與輸入輸出設(shè)備稱外圍設(shè)備計(jì)算機(jī)硬件中央處理器(CPU)內(nèi)存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備通過(guò)系統(tǒng)總線互相連接主機(jī)CPU主存儲(chǔ)器總線外圍設(shè)備（外設(shè)）外存儲(chǔ)器輸入設(shè)備輸出設(shè)備中央處理器外存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器輸出設(shè)備系統(tǒng)總線輸入設(shè)備適配器適配器適配器I/O端口I/O端口外存儲(chǔ)器接口控制器運(yùn)算器存儲(chǔ)器計(jì)算機(jī)的邏輯結(jié)構(gòu)中央處理器(CPU)

(CPU：CentralProcessingUnit)包含運(yùn)算器和控制器。承擔(dān)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件運(yùn)行任務(wù)的處理，是任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)必不可少的核心組成部件。（一臺(tái)計(jì)算機(jī)中有多個(gè)處理器， 它們各有其不同的任務(wù)）中央處理器(CPU)處理器能高速地進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，負(fù)責(zé)對(duì)輸入信息進(jìn)行各種處理微處理器簡(jiǎn)稱μP或MP，通常指使用單片大規(guī)模集成電路制成的、具有運(yùn)算和控制功能的處理器中央處理器(CPU)并行處理和多處理器系統(tǒng) 使用多個(gè)CPU（2，4，8或更多）實(shí)現(xiàn)超高速計(jì)算的技術(shù)稱為“并行處理”，采用這種技術(shù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)稱為“多處理器系統(tǒng)”。存儲(chǔ)器外存儲(chǔ)器(簡(jiǎn)稱外存或輔存)存取速度慢、容量相對(duì)大，價(jià)格相對(duì)低不直接與CPU相連接（CPU不能直接訪問(wèn)，其中存儲(chǔ)的程序及相關(guān)的數(shù)據(jù)必須先送入內(nèi)存，才能被CPU使用）非易失性，用于長(zhǎng)期存放各類信息存儲(chǔ)介質(zhì)：磁盤、光盤、磁帶等輸入設(shè)備輸入（input） 輸入：把信息(原始數(shù)據(jù)或程序)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的形式而送入計(jì)算機(jī)內(nèi)存的過(guò)程（名詞）向計(jì)算機(jī)輸入的內(nèi)容輸入設(shè)備 用來(lái)向計(jì)算機(jī)輸入信息的設(shè)備 輸入到計(jì)算機(jī)中的信息都被轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制“0”和“1”兩個(gè)符號(hào)來(lái)表示

輸入設(shè)備分類

按照輸入信息的類型劃分

數(shù)字和文字輸入設(shè)備(鍵盤、寫字板等)

位置和命令輸入設(shè)備(鼠標(biāo)器、觸摸屏等)

圖形圖像輸入設(shè)備（掃描儀，數(shù)碼相機(jī)等）

聲音輸入設(shè)備（話筒，MIDI演奏器等）

視頻輸入設(shè)備（攝像機(jī)）

溫度、壓力輸入設(shè)備(溫度、壓力傳感器)輸出設(shè)備輸出（output） 輸出：把信息送出計(jì)算機(jī)的過(guò)程 （名詞）指計(jì)算機(jī)所產(chǎn)生的結(jié)果。計(jì)算機(jī)的輸出可以是文本、語(yǔ)音、音樂(lè)、圖像、動(dòng)畫等多種形式輸出設(shè)備完成信息輸出的設(shè)備，即把計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器中用“0”和“1”表示并存儲(chǔ)的信息轉(zhuǎn)換成人可直接識(shí)別的信息形式的設(shè)備輸出設(shè)備類別輸出文字和圖像的設(shè)備：

顯示器打印機(jī)繪圖儀輸出聲音的設(shè)備：音箱系統(tǒng)總線

系統(tǒng)總線是用來(lái)在CPU、內(nèi)存、外存和各種輸入輸出設(shè)備之間傳輸信息并協(xié)調(diào)它們工作的一個(gè)控制部件(含傳輸線與控制電路)。有些計(jì)算機(jī)把連接CPU和內(nèi)存的總線稱為系統(tǒng)總線，把連接內(nèi)存和I/O設(shè)備(包括外存)的總線稱為I/O總線?？偩€通常由總線控制器、總線發(fā)送器、總線接收器和互聯(lián)導(dǎo)線組成。系統(tǒng)總線上有3類信號(hào)：

數(shù)據(jù)信號(hào)、地址信號(hào)、控制信號(hào)因此有數(shù)據(jù)線、地址線、控制線

I/O端口（I/Oport）

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的I/O設(shè)備通過(guò)I/O端口與各自的控制器（即，適配器）連接，然后由控制器與總線相連。常用的I/O端口有并行口、串行口、視頻口、USB口等，它們的外形、結(jié)構(gòu)和信號(hào)交換規(guī)程各不相同。2.2.2計(jì)算機(jī)的分類

按內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)分為單處理機(jī)、多處理機(jī)(并行機(jī))按字長(zhǎng)分為16位機(jī)、32位機(jī)或64位計(jì)算機(jī)等按計(jì)算機(jī)的性能、用途和價(jià)格分為巨型計(jì)算機(jī)（Supercomputer）大型計(jì)算機(jī)（Mainframe）小型計(jì)算機(jī)（Minicomputer）個(gè)人計(jì)算機(jī)（PersonalComputer）另外還有：?jiǎn)纹瑱C(jī)4.個(gè)人計(jì)算機(jī)（PersonalComputer，也稱個(gè)人電腦、PC機(jī)或微機(jī)）

最早的代表機(jī)型：1977年：AppleMacintosh(Apple公司產(chǎn)品，使用Motorola公司生產(chǎn)的微處理器）1981年：IBM-PC(IBM公司產(chǎn)品，使用Intel公司生產(chǎn)的8086微處理器）計(jì)算機(jī)的分類臺(tái)式機(jī)筆記本電腦掌上計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)的分類個(gè)人計(jì)算機(jī)類別臺(tái)式機(jī)：一般在辦公室或家庭中使用。便攜機(jī)：用于移動(dòng)計(jì)算。筆記本（膝上機(jī)）：體積小、重量輕，便于外出攜帶，性能與臺(tái)式機(jī)相當(dāng)，但價(jià)格高出一倍左右。手持式計(jì)算機(jī)（掌上機(jī)）：包括商務(wù)通、快譯通之類產(chǎn)品，它們與PC機(jī)不一定兼容，有些只有一些專用功能，缺乏通用性。計(jì)算機(jī)的分類工作站（一種特殊的個(gè)人計(jì)算機(jī)，稱為工程工作站W(wǎng)orkstation)具有高速運(yùn)算能力和強(qiáng)大的圖形處理功能，通常運(yùn)行UNIX操作系統(tǒng)，特別適合于工程與產(chǎn)品設(shè)計(jì)使用。SGI，SUN，HP，IBM等公司都有此類產(chǎn)品。工作站計(jì)算機(jī)的分類服務(wù)器/客戶機(jī) 在這種系統(tǒng)中，巨型機(jī)、大型機(jī)和小型機(jī)均可作為系統(tǒng)的服務(wù)器，個(gè)人計(jì)算機(jī)和工作站則用作客戶機(jī)。 客戶機(jī)直接面向用戶，通過(guò)聯(lián)網(wǎng)與服務(wù)器共同合作完成信息處理的任務(wù)。 鑒于服務(wù)器/客戶機(jī)系統(tǒng)的盛行，一些計(jì)算機(jī)廠家專門設(shè)計(jì)生產(chǎn)了稱為“服務(wù)器”的一類計(jì)算機(jī)產(chǎn)品，它們的存儲(chǔ)容量大，網(wǎng)絡(luò)通信功能強(qiáng)、可靠性好、運(yùn)行專門的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)的分類5.微控制器（單片機(jī)）是一種把處理器、存儲(chǔ)器、輸入／輸出接口電路等都集成在單塊芯片上的大規(guī)模集成電路芯片。2.2.3計(jì)算機(jī)主要性能指標(biāo)1.運(yùn)算速度

用于說(shuō)明具有并行處理能力的巨型機(jī)的運(yùn)算速度的度量單位：

次／秒：每秒執(zhí)行加法運(yùn)算的次數(shù)世界第一臺(tái)計(jì)算機(jī)ENIAC的運(yùn)算速度5000次/秒目前計(jì)算機(jī)的速度銀河Ⅲ：130億次／秒(國(guó)產(chǎn)機(jī)）曙光3000：3800億次／秒(國(guó)產(chǎn)機(jī)，國(guó)內(nèi)最快)EarthSimulator(地球仿真超級(jí)計(jì)算機(jī))：350000億次/秒浮點(diǎn)運(yùn)算(NEC公司，世界最快)計(jì)算機(jī)主要性能指標(biāo)用于說(shuō)明CPU運(yùn)算速度的度量單位：（1）MIPS：百萬(wàn)條定點(diǎn)指令／秒（MillionInstructionsPerSecond）。例如,P4微處理器運(yùn)算速度已超過(guò)100MIPS（2）MFLOPS：百萬(wàn)條浮點(diǎn)指令／秒（MillionFLOatinginstructionsPerSecond）（3）TFLOPS：萬(wàn)億條浮點(diǎn)指令／秒（TrillionFLOatinginstructionsPerSecond)例如，EarthSimulator運(yùn)算最高速度達(dá)到35.8TFLOPS計(jì)算機(jī)主要性能指標(biāo)2.字長(zhǎng)中央處理器中運(yùn)算器和寄存器的寬度，即數(shù)據(jù)在運(yùn)算器中做運(yùn)算或存儲(chǔ)時(shí)的二進(jìn)制位數(shù)。字長(zhǎng)決定了計(jì)算的精度。字長(zhǎng)通常是2的整數(shù)次冪。微處理器字長(zhǎng)演變： Intel4004:4位(1971年,世界第一個(gè)微處理器) Intel8008,8080:

8位 Intel8086:16位 Intel80386,80486,pentium：32位計(jì)算機(jī)主要性能指標(biāo)3.存儲(chǔ)容量 內(nèi)存容量，硬盤容量 度量單位：B，KB，MB，GB，TB 1B（字節(jié),Byte）=8位二進(jìn)制數(shù)(字位，bit)（個(gè)人計(jì)算機(jī)主存的地址編碼單位）1KB=1024B=210B1MB=1024KB=220B1GB=1024MB=230B1TB=1024GB=240B 例如：內(nèi)存256MB，硬盤40GB計(jì)算機(jī)主要性能指標(biāo)Intel公司微處理器主要技術(shù)參數(shù)比較

處理器主要參數(shù)8086802868038680486PentiumPentiumProPentiumⅡPentiumⅢPentium4推出時(shí)間19781982198519891993～19961995～19971997～199819992000主頻(MHz)4.776～2016～3333～10060～200150～200233～333450～14001500～3060晶體管數(shù)目2.9萬(wàn)13.4萬(wàn)27.5萬(wàn)120萬(wàn)310萬(wàn)550萬(wàn)750萬(wàn)950萬(wàn)4200萬(wàn)制造工藝(微米)>21.51.5～1.01.0～0.80.8～0.350.6～0.350.35～0.250.25～0.130.18～0.13封裝形式與引腳DIP,40PGA,68PGA,132PGA,168PGA,273雙SPGA,387PinSEC,242FC-PGA,370FC-PGA2,4782.3.1CPU的結(jié)構(gòu)

CPU內(nèi)部的組成

運(yùn)算器（執(zhí)行單元）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算(稱ALU)

控制器

取指令，解釋指令的含義（指令譯碼）產(chǎn)生控制其它部件的操作控制信號(hào)，記錄內(nèi)部狀態(tài)

寄存器

臨時(shí)存放參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)和得到的中間結(jié)果為提高Pentium處理器處理速度采取的措施運(yùn)算器由多個(gè)處理整數(shù)的算術(shù)邏輯部件（ALU）和1個(gè)處理實(shí)數(shù)的浮點(diǎn)運(yùn)算器組成。處理器中包含了幾十個(gè)數(shù)據(jù)寄存器，用來(lái)臨時(shí)存放中間結(jié)果。增加了指令快存（cache）和數(shù)據(jù)快存（cache）兩個(gè)高速存儲(chǔ)器可以使用指令預(yù)取部件提前向主存或快存去取出一些準(zhǔn)備要執(zhí)行的指令。處理器內(nèi)部主要部件的功能

整數(shù)ALU（ALU:算術(shù)邏輯單元) 完成整數(shù)運(yùn)算

浮點(diǎn)運(yùn)算器 完成實(shí)數(shù)運(yùn)算

指令預(yù)取部件 提前向主存或快存去取出準(zhǔn)備要執(zhí)行的指令

指令譯碼部件 分析指令需要執(zhí)行什么操作，然后產(chǎn)生控制信號(hào)去控制運(yùn)算器或其它部件具體執(zhí)行這些操作處理器內(nèi)部主要部件的功能地址轉(zhuǎn)換部件 用來(lái)形成指令所處理的數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中的存儲(chǔ)單元的地址碼指令Cache

指令高速緩沖存儲(chǔ)器總線接口部件 提供了與其他芯片的接口數(shù)據(jù)Cache

數(shù)據(jù)高速緩沖存儲(chǔ)器寄存器組 臨時(shí)保存被執(zhí)行的指令、參加運(yùn)算的數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果數(shù)據(jù)微指令序列存儲(chǔ)器ROM

一種使用二進(jìn)制編碼表示的命令（所有機(jī)器指令的全體構(gòu)成計(jì)算機(jī)的“機(jī)器語(yǔ)言”），它用來(lái)規(guī)定計(jì)算機(jī)執(zhí)行什么操作以及操作對(duì)象所在的位置。用機(jī)器指令編寫的程序中的每一條指令都可以直接被控制器譯碼產(chǎn)生執(zhí)行指令所需的控制信號(hào)。操作碼操作數(shù)機(jī)器指令格式:2.3.2指令與指令系統(tǒng)

機(jī)器指令（簡(jiǎn)稱指令）操作碼表示計(jì)算機(jī)應(yīng)執(zhí)行何種操作的一個(gè)二進(jìn)制代碼操作數(shù)表示該指令所操作（處理）的數(shù)據(jù)（直接數(shù)）或數(shù)據(jù)所在存儲(chǔ)單元的地址，通常每一種不同類型的CPU都有它自己獨(dú)特的一組指令，稱指令系統(tǒng)。

一個(gè)CPU所能執(zhí)行的全部指令稱為該CPU的指令系統(tǒng)或指令組。指令系統(tǒng)中有數(shù)以百計(jì)的不同的指令。主要有以下幾類指令：

數(shù)據(jù)傳送指令移位指令

算術(shù)運(yùn)算指令位（位串）操作指令

邏輯運(yùn)算指令…

控制轉(zhuǎn)移指令

輸入/輸出指令指令系統(tǒng)（instructionset）指令系統(tǒng)兼容

由于每種類型的CPU都有自己的指令系統(tǒng)，因此，某一類計(jì)算機(jī)的可執(zhí)行程序代碼未必能在其它計(jì)算機(jī)上運(yùn)行，這個(gè)問(wèn)題稱之為計(jì)算機(jī)的“兼容性”問(wèn)題。 同一公司的ＣＰＵ產(chǎn)品通?！跋蛳录嫒荨薄滦吞?hào)的處理器在舊型號(hào)處理器指令系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充。2.3.3指令的執(zhí)行過(guò)程

一條指令的執(zhí)行流程指令預(yù)取指令譯碼取操作數(shù)并執(zhí)行指令回送結(jié)果CPU速度與主頻的關(guān)系CPU主頻(MHz） CPU的內(nèi)部頻率。它決定著CPU內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸和指令執(zhí)行的每一步的時(shí)間。顯然，CPU的工作頻率越高，它的處理速度就越快。

CPU速度=主頻

IPC(每個(gè)時(shí)鐘周期可執(zhí)行的指令條數(shù))注意： 主頻為2G的CPU速度≠主頻為1G的CPU速度的2倍Intel的2G主頻CPU的速度≠AMD的2G主頻CPU的速度CPU總線頻率(MHz）CPU和外界交換數(shù)據(jù)的工作頻率，是CPU的外部頻率。主頻=外頻*倍頻CPU速度與Cache容量的關(guān)系Cache容量

Cache也稱為高速緩沖存儲(chǔ)器，簡(jiǎn)稱快存。Cache存儲(chǔ)器的有無(wú)和容量大小是影響CPU性能的另一個(gè)重要因素。通常，Cache容量越大，訪問(wèn)Cache的命中率就越高，CPU的速度就越快。CPU速度與寄存器