第二章計算機組成原理-課件

第二章計算機組成原理ppt課件阿倫.圖靈(AlanTuring)英國數(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)字計算在決斷難題中的應(yīng)用》，他提出了一種十分簡單，但運算能力極強的理想計算裝置，用它來計算所有能想象得到的可計算函數(shù)。圖靈的思想奠定了現(xiàn)代計算機科學(xué)的理論基礎(chǔ)。圖靈機——自動機理論ACM（美國計算機學(xué)會）圖靈獎1945年VonNeuuman、H.H.Goldstin、A.W.Burks發(fā)表了一篇論文《電子計算機裝置邏輯結(jié)構(gòu)初探》提出了兩個主要論點:

*使用二進制*存儲程序和程序控制奠定了當(dāng)代計算機硬件由控制器、運算器、存儲器、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)計的“存儲程序式”計算機EDVAC(埃德瓦克)2.1.3計算機的發(fā)展階段以計算機使用的基本電子元件作為劃分依據(jù)，計算機的發(fā)展經(jīng)歷了四個階段?；倦娮釉难葑儯杭呻娐罚↖C）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)模集成電路芯片計算機的發(fā)展階段過去很長時間人們都按照計算機主機所使用的元器件，為計算機劃代。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

使用機器語言和匯編語言編寫程序科學(xué)計算和工程計算第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60年代中期～70年代初期CPU：SSI，MSI內(nèi)存：SSI，MSI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)用第4代20世紀(jì)70年代中期以來CPU：LSI、VLSI內(nèi)存：LSI、VLSI的半導(dǎo)體存儲器

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

CPU與主存儲器連同總線構(gòu)成主機

外存儲器與輸入輸出設(shè)備稱外圍設(shè)備計算機硬件中央處理器(CPU)內(nèi)存儲器外存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備通過系統(tǒng)總線互相連接主機CPU主存儲器總線外圍設(shè)備（外設(shè)）外存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備中央處理器外存儲器內(nèi)存儲器輸出設(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端口外存儲器接口控制器運算器存儲器計算機的邏輯結(jié)構(gòu)中央處理器(CPU)

(CPU：CentralProcessingUnit)包含運算器和控制器。承擔(dān)系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件運行任務(wù)的處理，是任何一臺計算機必不可少的核心組成部件。（一臺計算機中有多個處理器， 它們各有其不同的任務(wù)）中央處理器(CPU)處理器能高速地進行算術(shù)運算和邏輯運算，負(fù)責(zé)對輸入信息進行各種處理微處理器簡稱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CPU（2，4，8或更多）實現(xiàn)超高速計算的技術(shù)稱為“并行處理”，采用這種技術(shù)的計算機系統(tǒng)稱為“多處理器系統(tǒng)”。存儲器外存儲器(簡稱外存或輔存)存取速度慢、容量相對大，價格相對低不直接與CPU相連接（CPU不能直接訪問，其中存儲的程序及相關(guān)的數(shù)據(jù)必須先送入內(nèi)存，才能被CPU使用）非易失性，用于長期存放各類信息存儲介質(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)換為計算機能識別的形式而送入計算機內(nèi)存的過程（名詞）向計算機輸入的內(nèi)容輸入設(shè)備 用來向計算機輸入信息的設(shè)備 輸入到計算機中的信息都被轉(zhuǎn)換成二進制“0”和“1”兩個符號來表示

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）

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：把信息送出計算機的過程 （名詞）指計算機所產(chǎn)生的結(jié)果。計算機的輸出可以是文本、語音、音樂、圖像、動畫等多種形式輸出設(shè)備完成信息輸出的設(shè)備，即把計算機內(nèi)存儲器中用“0”和“1”表示并存儲的信息轉(zhuǎn)換成人可直接識別的信息形式的設(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)它們工作的一個控制部件(含傳輸線與控制電路)。有些計算機把連接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：

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

I/O端口（I/Oport）

計算機系統(tǒng)中的I/O設(shè)備通過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)和信號交換規(guī)程各不相同。2.2.2計算機的分類

按內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)分為單處理機、多處理機(并行機)按字長分為16位機、32位機或64位計算機等按計算機的性能、用途和價格分為巨型計算機（Supercomputer）大型計算機（Mainframe）小型計算機（Minicomputer）個人計算機（PersonalComputer）另外還有：單片機4.個人計算機（PersonalComputer，也稱個人電腦、PC機或微機）

最早的代表機型：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）計算機的分類臺式機筆記本電腦掌上計算機計算機的分類個人計算機類別臺式機：一般在辦公室或家庭中使用。便攜機：用于移動計算。筆記本（膝上機）：體積小、重量輕，便于外出攜帶，性能與臺式機相當(dāng)，但價格高出一倍左右。手持式計算機（掌上機）：包括商務(wù)通、快譯通之類產(chǎn)品，它們與PC機不一定兼容，有些只有一些專用功能，缺乏通用性。計算機的分類工作站（一種特殊的個人計算機，稱為工程工作站W(wǎng)orkstation)具有高速運算能力和強大的圖形處理功能，通常運行UNIX操作系統(tǒng)，特別適合于工程與產(chǎn)品設(shè)計使用。SGI，SUN，HP，IBM等公司都有此類產(chǎn)品。工作站計算機的分類服務(wù)器/客戶機 在這種系統(tǒng)中，巨型機、大型機和小型機均可作為系統(tǒng)的服務(wù)器，個人計算機和工作站則用作客戶機。 客戶機直接面向用戶，通過聯(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/客戶機系統(tǒng)的盛行，一些計算機廠家專門設(shè)計生產(chǎn)了稱為“服務(wù)器”的一類計算機產(chǎn)品，它們的存儲容量大，網(wǎng)絡(luò)通信功能強、可靠性好、運行專門的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)。計算機的分類5.微控制器（單片機）是一種把處理器、存儲器、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計算機主要性能指標(biāo)1.運算速度

用于說明具有并行處理能力的巨型機的運算速度的度量單位：

次／秒：每秒執(zhí)行加法運算的次數(shù)世界第一臺計算機ENIAC的運算速度5000次/秒目前計算機的速度銀河Ⅲ：130億次／秒(國產(chǎn)機）曙光3000：3800億次／秒(國產(chǎn)機，國內(nèi)最快)EarthSimulator(地球仿真超級計算機)：350000億次/秒浮點運算(NEC公司，世界最快)計算機主要性能指標(biāo)用于說明CPU運算速度的度量單位：（1）MIPS：百萬條定點指令／秒（MillionInstructionsPerSecond）。例如,P4微處理器運算速度已超過100MIPS（2）MFLOPS：百萬條浮點指令／秒（MillionFLOatinginstructionsPerSecond）（3）TFLOPS：萬億條浮點指令／秒（TrillionFLOatinginstructionsPerSecond)例如，EarthSimulator運算最高速度達到35.8TFLOPS計算機主要性能指標(biāo)2.字長中央處理器中運算器和寄存器的寬度，即數(shù)據(jù)在運算器中做運算或存儲時的二進制位數(shù)。字長決定了計算的精度。字長通常是2的整數(shù)次冪。微處理器字長演變： Intel4004:4位(1971年,世界第一個微處理器) Intel8008,8080:

8位 Intel8086:16位 Intel80386,80486,pentium：32位計算機主要性能指標(biāo)3.存儲容量 內(nèi)存容量，硬盤容量 度量單位：B，KB，MB，GB，TB 1B（字節(jié),Byte）=8位二進制數(shù)(字位，bit)（個人計算機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計算機主要性能指標(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2.9萬13.4萬27.5萬120萬310萬550萬750萬950萬4200萬制造工藝(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

運算器（執(zhí)行單元）對數(shù)據(jù)進行各種算術(shù)運算和邏輯運算(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，記錄內(nèi)部狀態(tài)

寄存器

臨時存放參加運算的數(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算器由多個處理整數(shù)的算術(shù)邏輯部件（ALU）和1個處理實數(shù)的浮點運算器組成。處理器中包含了幾十個數(shù)據(jù)寄存器，用來臨時存放中間結(jié)果。增加了指令快存（cache）和數(shù)據(jù)快存（cache）兩個高速存儲器可以使用指令預(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)運算

浮點運算器 完成實數(shù)運算

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)生控制信號去控制運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 用來形成指令所處理的數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中的存儲單元的地址碼指令Cache

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

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

一種使用二進制編碼表示的命令（所有機器指令的全體構(gòu)成計算機的“機器語言”），它用來規(guī)定計算機執(zhí)行什么操作以及操作對象所在的位置。用機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。操作碼操作數(shù)機器指令格式:2.3.2指令與指令系統(tǒng)

機器指令（簡稱指令）操作碼表示計算機應(yīng)執(zhí)行何種操作的一個二進制代碼操作數(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)所在存儲單元的地址，通常每一種不同類型的CPU都有它自己獨特的一組指令，稱指令系統(tǒng)。

一個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)運算指令位（位串）操作指令

邏輯運算指令…

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，某一類計算機的可執(zhí)行程序代碼未必能在其它計算機上運行，這個問題稱之為計算機的“兼容性”問題。 同一公司的ＣＰＵ產(chǎn)品通?！跋蛳录嫒荨薄滦吞柕奶幚砥髟谂f型號處理器指令系統(tǒng)基礎(chǔ)上進行擴充。2.3.3指令的執(zhí)行過程

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(每個時鐘周期可執(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器，簡稱快存。Cache存儲器的有無和容量大小是影響CPU性能的另一個重要因素。通常，Cache容量越大，訪問Cache的命中率就越高，CPU的速度就越快。CPU速度與寄存器