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计算机组成原理课件-PPT文档资料_图文

计算机组成原理

计算机组成原理
教材:胡乃平 曲英杰 周艳平 主编 计算机组成与结构 青岛科技大学自编教材 教师:胡乃平hunaiping163 信息科学技术学院计算机硬件教研室 ftp://211.87.147.172(A0公共区) 用户名:public 密码:public

计算机组成原理

其他参考教材:

白中英 计算机组成原理 科学出版社 唐朔飞 计算机组成原理 高等教育出版社
先修课程:数字逻辑电路 后续课程:计算机系统结构

课程性质 :专业必修课
学时分配 :课堂64学时,实验16学时

课程历史沿革:

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?1987 年,中国计算机学会教育专业委员会推出我 国计算机本科专业 “ 87 教程”,对 8 门重点课程 (其中含计算机组成原理)提出了基本要求; ?2019 年,中国计算机学会教育专业委员会、全国 高等学校计算机教育研究会推出《中国计算机科学 与技术学科教程 2019》,提出硬件课程包含“数字 逻辑与数字系统”、“计算机组成”、“计算机体 系结构”三大知识模块; ?2019 年,教育部高等学校计算机科学与技术教学 指导委员会推出“高等学校计算机科学与技术专业 发展战略报告暨专业规范”,仍然将“数字逻辑与 数字系统”、“计算机组成”、“计算机体系结构” 列为主干课程。

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目 录
第 1章 第 2章 第 3章 第 4章 第 5章 第 6章 第 7章 计算机系统概述 数据的表示和运算 存储器层次结构 指令系统 中央处理器 总线 输入输出系统

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目 录
第8章 流水线处理技术 第9章并行计算机体系结构

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第1章 计算机系统概论

1.1 计算机的发展历程 1.2 计算机系统的层次结构 1.3 计算机的性能指标 1.4 计算机的分类和应用

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1.1 计算机的发展历程
根据制造计算机所使用的元器件的不同,电子 计算机的发展依次经历了电子管时代、晶体管时代、 中小规模集成电路时代、大规模和超大规模集成电 路时代、甚大规模和极大规模集成电路时代等几个 不同的发展阶段。 ? 第一代,电子管计算机时代(1946~1959) 电子管是封装在玻璃外壳内的一种电真空器件, 如 图 1.1 所 示 。 世 界 上 第 一 台 电 子 数 字 计 算 机 ENIAC ( Electronic Numerical Integrator And calculator ), 1946 年由美国宾夕法尼亚大学研制, 字长 12 位,运算速度 5000 次 / 秒,使用 18800个电子 管、1500个继电器,功耗150kw,占地170m2,重达 30吨,造价100万美元,如图1.2所示。

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图1.1 电子管

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图1.2 第一台电子数字计算机ENIAC

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?第二代,晶体管计算机时代(1959~1964) 晶体管,通常指的是晶体三极管,是用半导体 材料制作出来、封装在一个金属壳内的带有三个管 脚的小器件,1958年进入批量生产阶段。用它可以 设计出实现反相功能的反相器线路,在此基础上, 再实现出计算机使用的全部组合逻辑线路,和触发 器、寄存器、计数器等各种时序逻辑线路。用分立 的晶体管线路实现的计算机称为晶体管计算机。第 二代计算机的体积和价格都下降了,使用的人也多 起来了,计算机工业迅速发展,主要用于商业、大 学教学和政府机关。

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?第三代,中小规模集成电路计算机时代(1964~1970)

集成电路(Integrated Circuit,简称IC)是做在晶 片上的一个完整的电子电路,这个晶片比手指甲还小, 却包含了几千个晶体管元件。计算机的数据存储、运 算、传输以及控制功能基本上都是由具有逻辑功能的 各类门电路组成实现的,而门电路又是由晶体管、电 阻、电容等组成,因此集成电路制造技术的发展可以 实现将成百上千个门电路全部制作在一块极小的硅片 上,这种技术的应用使得计算机的体积大大缩小,并 且降低了功耗,提高了计算机的可靠性。第三代计算 机的代表是IBM公司花了50亿美元开发的IBM 360系列。

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?第四代,大规模、超大规模集成电路计算机时代 (1970 ~至今)
这个时代的计算机使用的元件依然是集成电路, 不过,这种集成电路已经大大改善,它包含着几十 万到上百万个晶体管,人们称之为大规模集成电路 (LargeScale lntegrated Circuit,简称LSI)和超大规模 集成电路(Very Large Scale lntegrated Circuit,简称 VLSI )。 1975 年,美国 1BM 公司推出了个人计算机 PC ( PersonaI Computer ),从此,人们对计算机不 再陌生,计算机开始深入到人类生活的各个方面。

表1.1计算机发展历程中各个阶段的特点
年代 电子器件

第一代 1946-1959
电子管 延迟线 磁芯、磁鼓磁 带、纸带

第二代 1959-1964
晶体管 磁芯、磁鼓 磁带、磁盘

第三代 1964-1970
集成电路 半导体存储器 磁芯、磁鼓 磁带、磁盘

第四代 1970-现在
大规模、超大 规模集成电 路 半导体存储器 磁带、磁盘 光盘 实时/分时处理 网络操作系 统 各行各业 几百万至 千亿次/秒 ILLIAC-Ⅳ VAX 11 IBM PC

存储器

处理方式

机器语言 汇编语言
科学计算 5000至 3万次/秒 ENIAC EDVAC IBM705

监控程序 高级语言
科学计算 数据处理 过程控制 几十万至 百万次/秒 UNIVACⅡ IBM7094 CDC6600

实时处理 操作系统
科学计算 系统设计等 科技工程领域 百万至 几百万次/秒 IBM360 PDP 11 NOVA1200

应用领域 运行速度 典型机型

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1.2 计算机系统的层次结构

为了描述计算机系统的结构,首先要清楚地区 分计算机结构和计算机组织两个概念。 ? 计算机结构:对涉及机器语言或者汇编语言的程序设 计人员所见到的计算机系统的属性,更多的情况下 是指计算机的外特性。这些属性直接影响到程序的 逻辑执行,主要包括指令集、表示各种数据类型的 比特数、I/O机制以及内存访问技术等。

? 计算机组成:计算机各部件的具体组成以及它们之间 的连接关系,实现机器指令级的各种功能和特性。 从这一点上,计算机组成是计算机结构的逻辑实现。

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?计算机系统通常包括 编译程序将其翻 译成高级语言 硬件和软件两大部分, 计算机的层次结构既 编译程序将其翻 译成汇编语言 是分配软硬件功能的 一种模式描述,也是 汇编程序将其翻 译成机器语言 分析计算机系统的较 好方法。 用机器语言解 释操作系统 ?目前计算机系统层次 结构分为六层,如图 用微程序解释 机器指令 1.3所示。
由硬件直接执行 微指令

应用语言机器

第六级

高级语言机器

第五级

汇编语言机器 第四级

操作系统语言机器

传统机器 (机器语言机器)

第二级

微程序机器 (微指令系统)

第一级

图1.3 计算机系统的层次结构

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1.2 计算机系统的层次结构
1.2.1计算机硬件的基本组成 计算机系统的硬件部分从外观上看主要有主机、 键盘、鼠标和显示器等组成;从逻辑功能上看,可 以分为控制器、运算器、存储器、输入设备、输出 设备五个部分,一般地又把运算器和控制器合称为 中央处理器(Central Processing Unit,CPU)。

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1.2.2计算机软件的分类 ? 计算机软件:计算机系统中的程序和文档。程序是对 计算任务的处理对象和处理规则的描述;文档是为了 便于了解程序所需的阐明性资料。计算机的软件按照 面向对象的不同可以分为两类:系统软件和应用软件。 ? 系统软件:用于实现系统功能、管理系统的软件,为 了便于人们使用计算机而设计。系统软件管理整个计 算机系统,合理分配系统资源,确保计算机正确高效 地运行。常用的系统软件有:操作系统、编译器、解 释器、汇编器等。 ? 应用软件:面向用户的,针对某种特定应用而开发的 软件。这类软件通常是实现用户的某类需求。例如安 装在操作系统下的各类应用软件,用于企业的各类资 源管理软件。

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? 1.2.3 计算机的工作过程 计算机的工作过程就是将编制好的程序经过输 入设备存放到主存储器中,并将程序存放的首地址 传送到控制器中。 ? 取指阶段 :首先,将指令从存储器读到指令寄存器。 ? 分析阶段 :接着,它分析这条指令,指出指令要完 成的操作,并指明操作数的地址。 ? 执行阶段 :最后,根据指令分析的结果完成某种操 作。 计算机的工作过程就是取指令、分析指令、执 行指令,如此周而复始的过程。

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1.3 计算机的性能指标
? 机器字长 :机器字长是指 CPU 一次能处理二进制数 据的位数,实际上指该计算机中的运算器的位数。 如某机器字长 32位,表示该机器中,每次能完成两 个 32 位二进制数的运算。通常,机器字长越长,计 算机的运算能力越强,其运算精度也越高。 ? 运算速度 :计算机的运算速度与很多因素有关,常 用的性能指标如下: (1)CPU的主频(f):CPU内部的工作频率,表示在 CPU 内数字脉冲信号震荡的速度,与 CPU 实际的运 算能力并没有直接关系,但与 CPU 实际的运算速度 存在一定的关系。因此,主频仅是 CPU 性能表现的 一个方面,而不能代表CPU的整体性能。

f ?

1 T

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? 外部工作频率:简称外频。它是由主板为CPU提供的基准时 钟频率,它表示的是系统总线的工作频率;而 ? 倍频:CPU外频与主频相差的倍数。 主频=外频×倍频 (2)时钟周期(T):CPU内部时钟频率的倒数。是CPU执行 操作的最小时间元素。每个动作至少需要一个时钟周期。 以PC系列微处理器为例,最初的8086和8088执行一条指令平 均需要12 个时钟周期 , CPU 的主频与 CPU 时钟周期互为倒 数,即 1
f ? T

( 3 ) CPU 执行时间 : CPU 执行某段程序所需的时间,通常用 tCPU表示。可以用下式来表示: CPU执行时间 = CPU时钟周期数 × CPU时钟周期长

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(4)CPI(Cycles Per Instruction):执行一条指令所 需的时钟周期数。计算公式如下:
CPI ? 执行某段程序所需的 CPU 时钟周期数 该程序包含的指令条数

(5)MIPS(Million Instructions Per Second):每秒 执行多少百万条指令。定义为:
MIPS ? 指令条数
6 执行时间 ?10

(6)MFLOPS(Million Floating-point Opereation Per Second):每秒执行多少百万次浮点运算。定义为:
浮点操作次数 MFLOP ? S 6 执行时间 ?10

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1.3.3 吞吐量和响应时间 (1)计算机范畴下的吞吐量分为两种: ? 网络范畴下的吞吐量:在没有帧丢失的情况下,设备能 够接受的最大速度。它的大小主要是由防火墙内网卡, 及程序算法的效率决定的; ? 系统结构下的吞吐量 :在单位时间内CPU从存储设备中 读取、处理、存储信息的量,单位是字节/秒(B/S), 影响因素主要有存储设备的存取速度和 CPU的性能,如 主频、CPI等。 (2)响应时间 在操作系统中,指用户发出请求或指令到系统做出 反应(响应)的时间。

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例1. 用一台40MHz处理机执行标准测试程序,它包 含的混合指令数和相应所需的平均时钟周期数如下 表所示:
指令类型 整数运算 数据传送 浮点运算 控制传送 指令数 45000 32000 15000 8000 平均时钟周期数 1 2 2 2

求:有效CPI、MIPS速率、程序执行时间tCPU。

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解: n ?CPIi ?Ii/ IN ? CPI=? i? 1 =(45000×1+32000×2+15000×2+8000×2)/ (45000+32000+15000+8000) =1.55(周期/指令) MIPS= f/(CPI×106) =(40×106)/(1.55×106)=25.81(百万条指令/秒) T=1/f=1/(40×106)(秒) tCPU=(45000×1+32000×2+15000×2+8000×2)/(40× 106)=3.875×103(秒)

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1.4 计算机分类和应用领域

1.4.1 计算机分类 1. 按计算机信息的表示形式和对信息的处理方式分类 (1)数字计算机 该类计算机输入、处理、输出和存储的数据都是 数字量,这些数据在时间上是离散的。 (2)模拟计算机 该类计算机输入、处理、输出和存储的数据都 是模拟量,这些数据在时间上是连续的。模拟计算 机由于受元器件质量影响,其计算精度较低,应用 范围较窄,目前已很少生产。

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2.按照计算机的用途分类 (1)通用计算机

通用计算机是为能解决各种问题,具有较强的 通用性而设计的计算机。它具有一定的运算速度, 有一定的存储容量,带有通用的外部设备,配备各 种系统软件、应用软件。一般的数字式电子计算机 多属此类。 (2)专用计算机 专用计算机是为解决某个或某类特定问题而设 计的计算机。它的硬件和软件的配置依据解决特定 问题的需要而定,并不求全。专用机功能单一,配 有解决特定问题的固定程序,能高速、可靠地解决 特定问题。

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3.计算机按其规模、速度和功能分类

(1)巨型机 巨型机又称超级计算机,是指运算速度超过每 秒1亿次的高性能计算机,它是目前功能最强、速 度最快、软硬件配套齐备、价格最贵的计算机, 主要用于解决诸如气象、太空、能源、医药等尖 端科学研究和战略武器研制中的复杂计算。它们 安装在国家高级研究机关中,可供几百个用户同 时使用。 (2)大型机 这种计算机也有很高的运算速度和很大的存 储量并允许相当多的用户同时使用。当然在量级 上都不及巨型计算机,结构上也较巨型机简单些, 价格相对巨型机要便宜,因此使用的的范围较巨 型机普遍。

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(3)小型机 其规模和运算速度比大中型机要差,但仍能 支持十几个用户同时使用。小型机具有体积小、 价格低、性价比高等优点,适合中小企业、事业 单位用于工业控制、数据采集、分析计算、企业 管理以及科学计算等,也可做巨型机或大中型机 的辅助机。 (4)微型机 微型机是当今使用最普及、产量最大的一类 计算机,它的体积小、功耗低、成本少、灵活性 大,性能价格比明显地优于其他类型计算机,因 而得到了广泛应用。

4.按照计算机的体系结构分类 (1)单指令流单数据流(SISD)结构 SISD是指传统的顺序执行的处理器,它由单 一控制器、单一执行部件和单一存储器组成。控 制器每次只对一条指令译码,执行部件每次只对 单一数据进行处理。

(2)单指令流多数据流(SIMD)结构
SIMD 是指单一控制器、多个执行部件和多 个存储模块组成的计算机系统结构,控制部件每 次只对一条指令进行译码,并向多个执行部件发 出相同的控制命令,使多个执行部件执行相同的 操作,而每个执行部件加工的对象是从不同存储 模块中取出来的数据。

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(3)多指令流单数据流(MISD)结构

MISD 是指多个控制器、多个执行部件对单一 数据同时执行不同的指令,这种方式的意义不大, 不常使用。 (4)多指令流多数据流(MISD)结构
MIMD是指多个处理器系统,由多个控制器、 多个执行部件和多个存储模块组成。MIMD结构的 计算机系统是大多数高性能并行计算机系统和计算 机集群系统的结构模型,又称为并行处理器系统。 这种计算机中的每个处理器在各自程序的控制下运 行,对各自的数据独立进行协作运算,形成多个指 令流和多个数据流。

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1.4.2 计算机应用领域 1.科学计算(或数值计算) 科学计算是指利用计算机来完成科学研究和工 程技术中提出的数学问题的计算。在现代科学技术 工作中,科学计算问题的计算量大,复杂性高。利 用计算机的高速计算、大存储容量和连续运算的能 力,可以实现人工无法解决的各种科学计算问题。 2.数据处理(或信息处理) 数据处理是指对各种数据进行收集、存储、整 理、分类、统计、加工、利用、传播等一系列活动 的统称。据统计,80%以上的计算机主要用于数据 处理,这类工作量大面宽,决定了计算机应用的主 导方向。

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3. 辅助技术 (1)计算机辅助设计(Computer Aided Design, CAD) 计算机辅助设计是利用计算机系统辅助设计人员 进行工程或产品设计,以实现最佳设计效果的一种技 术。 (2)计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing, CAM) 计算机辅助制造是利用计算机系统进行生产设备 的管理、控制和操作的过程。 将 CAD 和CAM 技术集成,实现设计生产自动化, 这种技术被称为计算机集成制造系统(CIMS)。 (3)计算机辅助教学(Computer Aided Instruction,CAI) 计算机辅助教学是利用计算机系统使用课件来进 行教学。

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4.过程控制(或实时控制) 过程控制是利用计算机及时采集检测数据,按 最优值迅速地对控制对象进行自动调节或自动控制。 5.人工智能 人工智能(Artificial Intelligence)是研究、开发用 于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术 及应用系统的一门新的技术科学。 6.虚拟现实 虚拟现实是利用计算机产生的一种模拟环境, 通过多种传感设备,使用户“投入”到该环境中,达 到用户与环境直接进行交互的目的。


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