2025年計算機組成原理第1章

1計算機組成原理2目標1—掌握計算機組成與原理*建立計算機系統(tǒng)的整機概念*掌握計算機的組成與工作原理*了解計算機組成與結(jié)構(gòu)的新技術(shù)目標2—訓練分析與計算能力*掌握組成與結(jié)構(gòu)的性能分析方法*通過量化計算，加深對組成與原理的理解目標3—培養(yǎng)應(yīng)用與設(shè)計能力*通過實驗，培養(yǎng)簡單應(yīng)用及邏輯設(shè)計能力課程目標3教學要求先修課程—數(shù)字電路基礎(chǔ)、C/C++程序設(shè)計教學方式—理論教學＋實驗教學(64學時)(16學時)參考教材—任國林.計算機組成原理.電子工業(yè)出版社,2010考核方式—平時＋實驗＋期末(10%)(10%)(80%)4第1章計算機系統(tǒng)概論5§1.1計算機系統(tǒng)簡介一、計算機的功能*計算機的概念：←指電子計算機

采用電子數(shù)字方式計算，可根據(jù)邏輯結(jié)果控制計算過程

數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲，過程控制*計算機系統(tǒng)的組成：

計算機硬件—具備特定功能的部件

計算機軟件—表示功能需求的信息(程序)*計算機的功能：*計算機的目標：--比爾·蓋茨

通信工具、創(chuàng)造工具、用戶可定制工具按位及跳動式電腦的由來算術(shù)+邏輯運算6二、計算機的軟硬件*使用計算機的解題過程：解題結(jié)果③③運行用戶輸入設(shè)備輸出設(shè)備處理設(shè)備存儲設(shè)備目標程序(機器語言)源程序(高級語言)①②①編輯②編譯

*計算機功能的實現(xiàn)方式：

硬件—具備數(shù)據(jù)傳送/處理/存儲、過程控制功能

軟件—表示用戶對數(shù)據(jù)處理(含過程控制)的功能需求└→程序(指令序列)

執(zhí)行軟件—實現(xiàn)用戶對數(shù)據(jù)處理(含過程控制)的功能需求*計算機性能的特性：

軟件功能靠硬件實現(xiàn)，硬件性能靠軟件反映7三、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)直接執(zhí)行機器指令機器語言級機器M1用機器語言編程匯編語言級機器M3用匯編語言編程用匯編程序翻譯成機器語言程序高級語言級機器M4用高級語言編程用編譯程序翻譯成匯編語言程序或機器語言程序操作系統(tǒng)級機器M2使用OS命令操作用機器語言解釋操作系統(tǒng)命令

微程序級機器M0用微指令系統(tǒng)實現(xiàn)用微程序解釋機器指令直接執(zhí)行微指令虛擬機器實際機器*層次結(jié)構(gòu)的概念：不同層次程序員所看到的計算機結(jié)構(gòu)*層次結(jié)構(gòu)的發(fā)展：層次增多，軟/硬交界面上移機器語言級機器M1

微程序級機器M0硬件軟件匯編語言級機器M3高級語言級機器M4操作系統(tǒng)級機器M2軟硬件交界面8四、計算機結(jié)構(gòu)與組成*計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(Architecture)：

機器語言程序員所看到的計算機屬性(概念性結(jié)構(gòu)和功能特性)數(shù)字電路級機器*計算機組成(Organization)：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)

(計算機硬件設(shè)計人員所看到的計算機屬性

)指令功能邏輯實現(xiàn)、部件組成、控制機構(gòu)、排隊及緩沖技術(shù)等器件技術(shù)、組裝技術(shù)等*計算機實現(xiàn)(implementation)：計算機組成的物理實現(xiàn)ISA(InstructionSetArchitecture)指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示、尋址方式,存儲系統(tǒng)，I/O系統(tǒng)、信息保護等*相互關(guān)系：硬件功能確定-邏輯實現(xiàn)-物理實現(xiàn)9§1.2計算機系統(tǒng)基本組成一、馮·諾依曼模型計算機*結(jié)構(gòu)與組成：

由運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備及輸出設(shè)備組成*數(shù)據(jù)表示與運算：

指令及數(shù)據(jù)均用二進制方式表示，運算亦采用二進制方式

特征—以運算器為中心→運算與I/O串行(性能差)輸入設(shè)備存儲器運算器控制器輸出設(shè)備注：數(shù)據(jù)信息指令信息控制信息狀態(tài)信息10*存儲器結(jié)構(gòu)：（指令與數(shù)據(jù)以等同地位存放）

由定長單元構(gòu)成的一維空間，按地址訪問*指令組成：

由操作碼及地址碼組成表示操作的性質(zhì)表示操作數(shù)在MEM中的位置操作碼

地址碼1地址碼2

例：若ADD運算的操作碼用010表示，01000#與10000#兩個存儲單元內(nèi)容相加的指令可表示為：010010001000001…2n-1……單元長度w存儲字地址空間n11*存儲程序工作方式：

程序存儲—指令及數(shù)據(jù)預(yù)先存放在存儲器中

程序控制—按程序邏輯順序，自動、逐條取出并執(zhí)行指令存儲單元地址順序表示：指令地址順序類型：順序/轉(zhuǎn)移為什么？為什么？取出指令執(zhí)行指令實現(xiàn)指令執(zhí)行過程循環(huán)地指令地址當前下條循環(huán)處理(循環(huán)變量)＋“1”轉(zhuǎn)移發(fā)生時順序執(zhí)行時地址形成下條指令地址由當前指令產(chǎn)生指令地址指令內(nèi)容(存儲器中)A+0

int

nCnt=0；A+1intnSum=0；A+2LP:nSum+=nCnt；A+3

nCnt++；A+4if(nCnt<3)

gotoLP；A+5COUT>>nSum；邏輯順序⑴⑵⑶⑹⑼⑷⑺⑽⑸⑻⑾⑿12二、計算機硬件的基本組成9技術(shù)⑵：DMA技術(shù)(直接存儲器訪問)1、計算機硬件的結(jié)構(gòu)現(xiàn)代計算機幾乎均在馮·諾依曼模型基礎(chǔ)上進行改進*采用以存儲器為中心的結(jié)構(gòu)：可使數(shù)據(jù)傳送與數(shù)據(jù)處理并行，有利于提高系統(tǒng)性能存儲器輸出設(shè)備輸入設(shè)備結(jié)果程序/數(shù)據(jù)控制器運算器技術(shù)⑴：緩沖技術(shù)緩沖器緩沖器13*采用多種存儲器構(gòu)成的層次結(jié)構(gòu)：解決速度-容量-價格間的矛盾，有利于提高性能/價格主存(內(nèi)存)輔存(外存)計算機硬件運算器控制器存儲器輸入設(shè)備輸出設(shè)備CPU主機I/O設(shè)備(外設(shè))I/O設(shè)備(包括輔存)主存儲器MM控制單元CUCPU算術(shù)邏輯單元ALU主機14*采用總線方式的互連結(jié)構(gòu)：實現(xiàn)部件操作標準化，有利于提高系統(tǒng)的可擴展性CPU主存I/O接口1…系統(tǒng)總線I/O設(shè)備1I/O接口nI/O設(shè)備n非標準格式標準格式(按地址訪問)(IN/OUT操作)min{所連I/O接口(設(shè)備)速度}(按地址訪問)(讀/寫操作)

總線組成—地址線(ABus)、數(shù)據(jù)線(DBus)、命令線(CBus)152、計算機部件的基本組成(1)存儲器*功能：存儲信息(指令和數(shù)據(jù))，支持按地址訪問*組成：*術(shù)語：存儲元、存儲單元、存儲陣列，存儲單元地址、存儲單元長度(存儲字長)，地址……存儲陣列I/O電路地址譯碼器……數(shù)據(jù)命令wn01…2n-1……存儲字長w存儲字抽象

存儲器容量＝2n×w

位(bit)………………012n-1w-1

…

1

0…一維排列示例16*訪問操作的實現(xiàn)過程：讀操作—①接收地址及命令，內(nèi)部操作②輸出數(shù)據(jù)…I/O電路地址譯碼器…………①0…01①Read地址譯碼器I/O電路②1#的存儲字

寫操作—①接收地址及命令②接收數(shù)據(jù)，內(nèi)部操作17(2)運算器*功能：實現(xiàn)算術(shù)及邏輯運算、暫存運算結(jié)果*組成：△約定：(X)表示寄存器X中內(nèi)容，[Y]表示存儲單元Y中內(nèi)容OPMEMALU累加器型運算器AC常用寄存器實現(xiàn)OPALU寄存器型運算器寄存器組(文件)MEMALU寄存器組(文件)ABF*(R0)+(R1)→R2的實現(xiàn)過程：(1)(R0)→ALU_A、保持(2)(R1)→ALU_B、保持(3)ALU_A+ALU_B、保持(4)ALU_F→R2AddALU18(3)控制器*功能：控制各部件協(xié)調(diào)地工作，以實現(xiàn)程序執(zhí)行過程

*程序執(zhí)行過程的實現(xiàn)方案：

理論方案—指令執(zhí)行過程與循環(huán)處理串行

(循環(huán)變量放在指令地址寄存器PC中)11取指令分析指令執(zhí)行指令循環(huán)處理指令地址寄存器PC存儲器指令內(nèi)容寄存器IR指令譯碼器ID功能部件+“1”地址形成部件轉(zhuǎn)移產(chǎn)生時19

實際方案—指令執(zhí)行過程與循環(huán)處理重疊取指令分析指令執(zhí)行指令PC＋“1”計算及重置PC

注：順序型指令—執(zhí)行階段不再使用PC，可提前＋“1”

轉(zhuǎn)移型指令—執(zhí)行階段無數(shù)據(jù)操作，可實現(xiàn)計算及重置PC取指時均進行轉(zhuǎn)移發(fā)生時進行指令地址寄存器PC存儲器指令內(nèi)容寄存器IR指令譯碼器ID功能部件+“1”地址形成部件轉(zhuǎn)移產(chǎn)生時20*組成：時序部件、控制信號形成部件等*程序執(zhí)行過程的控制需求：①具有多個時標信號(周期性)，以區(qū)分不同時段②適時產(chǎn)生當前指令功能對應(yīng)的部件控制信號指令寄存器IR…程序計數(shù)器PC指令譯碼器ID控制信號形成部件時序部件控制器…取指時標信號例分析執(zhí)行t指令周期指令周期讀MEM控制信號例寫IR部件OP

ADD

SUB21(4)輸入/輸出設(shè)備*功能：實現(xiàn)信息的I/O及格式轉(zhuǎn)換*種類：鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、磁盤等*連接：通過I/O接口(又稱適配器或控制器)與總線連接，

I/O接口實現(xiàn)信息的緩沖、中轉(zhuǎn)等功能主存…系統(tǒng)總線主存控制器CPU用戶交互接口鍵盤、鼠標等顯示適配器顯示器硬盤控制器硬盤總線接口BIU*總線基本組成：

地址線(ABus)、數(shù)據(jù)線(DBus)、控制/狀態(tài)線(CBus)按地址訪問(IN/OUT操作)22三、計算機軟件的基本組成1、計算機軟件分類軟件分為系統(tǒng)軟件及應(yīng)用軟件兩大類語言處理程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)服務(wù)性程序網(wǎng)絡(luò)管理程序操作系統(tǒng)科學計算信息管理自動控制人工智能虛擬現(xiàn)實實際機器軟硬件交界面系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件虛擬機器應(yīng)用語言環(huán)境高級語言環(huán)境匯編語言環(huán)境操作系統(tǒng)環(huán)境應(yīng)用語言程序高級語言程序匯編語言程序操作系統(tǒng)命令串232、操作系統(tǒng)(OperatingSystem，OS)*主要功能：

(管理所有軟硬件資源)

文件管理、作業(yè)管理、進程管理、存儲管理、設(shè)備管理輔存←→程序硬件管理(面向軟件)

程序執(zhí)行請求―→進程進程調(diào)度與控制*進程的調(diào)度與切換：調(diào)度—在特定時刻、按照一定算法選擇即將運行的進程切換—實現(xiàn)上行/下行進程軟硬件環(huán)境的保存/恢復CPU時間OS進程進程1進程2進程3OS進程1進程2進程3進程1OSOSOSOS時間片滿、I/O請求等發(fā)生優(yōu)先級、輪轉(zhuǎn)等算法24172016四、計算機系統(tǒng)的工作過程1、計算機硬件基本組成PC→MARMAR→ABus、Read→CBus、MEM[MAR]→MDRMDR→IR時間CPUAddrDataCmd…控制信號形成部件時序部件ID+“1”ACALUIRPC…MARMDR數(shù)據(jù)通路(如總線結(jié)構(gòu))系統(tǒng)總線(ABus、DBus、CBus)I/O設(shè)備(含磁盤)I/O接口……存儲陣列I/O電路地址譯碼器…主存儲器*MAR/MDR的作用：訪存操作與內(nèi)部操作可并行(提高性能)不影響數(shù)據(jù)通路及相關(guān)部件的使用[例如(PC)+“1”→PC]25指令類型指令格式操作碼OP地址碼ADDR取數(shù)001maddr存數(shù)010maddr加法011maddr停機100空閑2、機器語言程序的形成*模型計算機的指令系統(tǒng)：示例*y=x+b的機器語言程序形成：可用高級語言或機器語言編程MEM地址指令或數(shù)據(jù)注釋000100100

AC←x(00100單元)101100101AC←(AC)＋b(00101單元)201000110y←(AC)3100*****

停機4x

原始數(shù)據(jù)x(馮氏模型要求)5b

原始數(shù)據(jù)b6y

結(jié)果數(shù)據(jù)y指令(操作)功能AC←[maddr]，取maddr單元內(nèi)容到AC中maddr←(AC)，AC內(nèi)容存到maddr單元中AC←(AC)＋[maddr]，相加程序執(zhí)行結(jié)束261824(1)指令執(zhí)行過程*取數(shù)指令執(zhí)行過程的操作序列：以AC←[X]為例3、計算機硬件的工作過程PC→MAR→MEM(R)→MDR→IROP(IR)→IDAD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→AC過程*加法指令執(zhí)行過程的操作序列：以AC←(AC)+[Y]為例X主存MARMDRACALU…控制信號形成時序部件PCIRIDCU+“1”……主存MARMDRACALU…控制信號形成時序部件PCIRIDCU+“1”……YPC→MAR→MEM(R)→MDR→IROP(IR)→IDAD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→ALU(+)→ACAC→ALU2718(2)程序執(zhí)行過程

*程序執(zhí)行過程的操作序列：─控制器實現(xiàn)①取指—(PC)→MEM→IR，(PC)＋“1”→PC

②分析—(IR)→ID→CU

③執(zhí)行—指令約定操作(轉(zhuǎn)移發(fā)生時重寫PC)，轉(zhuǎn)①*程序執(zhí)行的初始條件：

①程序及數(shù)據(jù)--已存放在主存(MEM)中

②PC內(nèi)容—已設(shè)置為程序首條指令地址功能部件地址形成部件功能部件PC主存儲器MEMID+“1”IR轉(zhuǎn)移型順序型下條指令地址當前指令地址當前指令內(nèi)容轉(zhuǎn)移發(fā)生時28

例—說明y=x+b的機器語言程序執(zhí)行過程:設(shè)(PC)=000002500100100011001010100011010000000AC←[x]AC←(AC)+[b][y]←(AC)停機00000000010001000011指令地址指令內(nèi)容指令功能

程序執(zhí)行過程：循環(huán)的指令執(zhí)行過程←各REG值不斷變化AD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→ACPC→MAR→MEM(R)→MDR→IROP(IR)→ID

+1→PCOP(IR)→IDAD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→ALU(+)→ACAC→ALUPC→MAR→MEM(R)→MDR→IR

+1→PCOP(IR)→IDAD(IR)→MAR→MEM(W)AC→MDR→MEMPC→MAR→MEM(R)→MDR→IR

+1→PCOP(IR)→ID→(STOP)PC→MAR→MEM(R)→MDR→IR

+1→PCMEMMARMDRACALUPCIRID+“1”…29§1.3計算機系統(tǒng)的性能指標一、性能指標*系統(tǒng)性能：指在計算機硬件上運行的計算機軟件的性能1、硬件性能參數(shù)*機器字長：指CPU一次能處理(數(shù)據(jù))的二進制位數(shù)字長單位—二進制位(bit)n位CPU—指機器字長為n個二進制位的CPU(Intel8086是16位CPU，Core2Duo是64位CPU)對硬件的影響—決定了ALU、數(shù)據(jù)REG、數(shù)據(jù)通路的長度特指ALU(歷史原因)30*機器主頻：指CPU內(nèi)部主時鐘的脈沖頻率，常用f

表示頻率單位—1GHz=1×103MHz=1×106KHz=1×109Hz*主存容量：常指CPU可訪問的主存空間大小容量單位—1GB=1×210MB=1×220KB=1×230B=8×230bit

主時鐘周期—CPU主時鐘脈沖長度，常用TC表示(TC

=1/f

)

常簡稱為“時鐘周期”非標準叫法容量種類—CPU可尋址空間(最大主存容量)、主存容量主存單元個數(shù)bw-1…b0………CPU可尋址空間主存單元長度0…00…0

0…01…10…10…0

1…11…1主存地址位數(shù)An-1

…A0……

……

…312、系統(tǒng)性能指標

特點—反映了單任務(wù)計算機系統(tǒng)的軟硬件總體性能CPU時間—TCPU＝IN×CPI×TC＝

IN

—程序執(zhí)行的指令數(shù)(≠程序代碼的指令數(shù))，CPI(CyclesPerInstruction)—指令執(zhí)行所需的TC個數(shù)(平均值),TC—CPU主時鐘周期(=1/f)；n

—指令系統(tǒng)的指令種類數(shù)，CPIi—第i

種指令的CPI，

Ii—程序中第i

種指令的執(zhí)行次數(shù)TCPU與程序算法、編譯程序、指令系統(tǒng)、計算機組成均相關(guān)*響應(yīng)時間：指一個任務(wù)從任務(wù)輸入到結(jié)果輸出的總時間

即T響應(yīng)＝TCPU＋TI/O等待，TI/O等待＝T輔存→MEM

系統(tǒng)優(yōu)化—TI/O等待期間CPU執(zhí)行其它程序

→多任務(wù)系統(tǒng)浪費性能、不易測評表示方法—CPU時間(TCPU)32

例1—某計算機主頻為2GHz，指令系統(tǒng)有2類(Ⅰ類及Ⅱ類)指令，指令長度均為2B(Byte)，指令執(zhí)行時間分別為5個和8個主時鐘周期。程序A執(zhí)行時，Ⅰ類指令執(zhí)行了3*105條，Ⅱ類指令執(zhí)行了7*105條。求程序A執(zhí)行的CPU時間。

解：TCPU＝(3*105×5＋7*105×8)÷(2×109)＝3.55ms30

例2—計算機同例1。程序B大小為2MB，其中30%為Ⅰ類指令；程序A執(zhí)行時，有10%的Ⅰ類指令和20%的Ⅱ類指令各執(zhí)行了30次，其余指令均只執(zhí)行了1次。求程序B執(zhí)行所需的主時鐘周期數(shù)。

解：指令數(shù)—Ⅰ類＝0.3*220條，Ⅱ類＝0.7*220條；

執(zhí)行指令數(shù)—Ⅰ類＝0.3*220×(10%×30＋90%)＝1.17*220條，Ⅱ類＝0.7*220×(20%×30＋80%)＝4.76*220條；

主時鐘周期數(shù)＝(1.17*220×5＋4.76*220×8)＝43.93×220個33

例3—計算機M1主頻為2GHz，程序A在M1上運行時間為10s。計算機M2與M1具有相同的ISA(InstructionSetArchitecture)，M2主頻高于M1、平均CPI大于M1。若程序A在M2上運行所需時鐘周期數(shù)為在M1上的1.5倍，欲使程序A在M2上運行時間為6s，則M2的主頻至少為多少？

解：設(shè)程序A在M1、M2上運行所需時鐘周期數(shù)各為N1、N2則TCPUM1＝N1×TC，N1＝TCPU÷TC＝10s×2GHz＝20G個則N2＝1.5×N1＝1.5×20G＝30G個

由題意TCPUM2＝N2×TC’

≤6s則f

’＝1/TC’＝N2÷TCPUM2≥30G/6s＝5GHz

分析—∵f

’/f＝5/2＝2.5，TCPUM1/TCPUM2＝10/6＝1.67∴主頻只是影響系統(tǒng)性能的因素之一3134

特點—反映了多任務(wù)計算機系統(tǒng)的軟硬件總體性能△MIPS(每秒百萬次指令)

缺點：不能反映指令功能強弱(可用相對MIPS法)

表示—常用MIPS及MFLOPS代替(∵工作量定義未能統(tǒng)一)*吞吐量(吞吐率)：指單位時間內(nèi)能處理的工作量即TP＝n個任務(wù)總工作量÷n個任務(wù)總時間

△MFLOPS(每秒百萬次浮點運算)

缺點：不能反映系統(tǒng)整體性能(只反映浮點操作能力)*其他指標：RAS(可靠性/可用性/可維護)，兼容性等31通常T總

≠

∑TCPUi35二、性能設(shè)計1、馮·諾依曼計算機的性能瓶頸*CPU-MEM訪問瓶頸：訪問頻率高、用邏輯地址訪問其它因素—MEM速度與CPU差距較大(受限于S-V-C需求矛盾)

解決方案—需從結(jié)構(gòu)與技術(shù)方面解決速度匹配問題*指令串行執(zhí)行瓶頸：無法并行化，導致性能受限解決方案1—快速串行處理，受限于器件技術(shù)，需從器件技術(shù)方面提高性能←效果有限解決方案2—并行處理，受限于指令間的相關(guān)性，需從結(jié)構(gòu)與技術(shù)方面解決問題←主流方向362、性能平衡設(shè)計─解決CPU-MEM訪問瓶頸目標—減少訪存延遲，提高訪存效率*增設(shè)Cache：提高訪存速度，減少訪問主存次數(shù)*改進總線：增加總線寬度，采用多級總線*優(yōu)化地址變換：在CPU中進行變換，變換/訪問并行3、CPU性能設(shè)計─解決指令串行執(zhí)行瓶頸目標—提高并行性，減少串行損失*開發(fā)并行技術(shù)：操作級流水→操作級并行→指令級并行*采用數(shù)據(jù)流技術(shù)：按序執(zhí)行→亂序執(zhí)行*使用分支預(yù)測技術(shù)：按預(yù)測方向執(zhí)行，猜錯時再回頭執(zhí)行1214

作業(yè)：P22—4、6、7、937§1.4計算機系統(tǒng)發(fā)展歷程一、計算機的發(fā)展歷史第一代第二代第三代第四代第五代年代1946~19571958~19641965~19711972~19901991~元器件電子管晶體管SSI、MSILSI、VLSIULSI主存磁心半導體輔存紙帶、磁帶磁盤光盤字長4/88/16/3232/64速度(次/s)40,000200,0001,000,00010,000,000100,000,0001、計算機的產(chǎn)生與發(fā)展*發(fā)展趨勢：向大型機、微型機兩個方向發(fā)展*研究重點：器件技術(shù)、并行化結(jié)構(gòu)382、微型計算機的產(chǎn)生與發(fā)展微處理器字長主頻MEM地址其他年代80808實模式19748086164.77MHz20位19788088164.77MHz20位197980286166MHz24位保護模式1982803863212.5MHz32位虛擬8086模式、虛擬存儲器、Cache1985804863225MHz32位RISC、流水線1989