1、計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構1授課：李授課：李凌凌燕燕學時：學時：48郵箱：郵箱：2022年年4月月30日日計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構2本課程考查目標本課程考查目標n本課程對計算機專業來說是非常重要的本課程對計算機專業來說是非常重要的專業基礎課專業基礎課。n理解單處理器計算機系統中各部件的內部工作原理、組理解單處理器計算機系統中各部件的內部工作原理、組成結構以及相互連接方式，具有完整的計算機系統的整成結構以及相互連接方式，具有完整的計算機系統的整機概念。機概念。n理解計算機系統層次化結構概念，熟悉硬件與軟件之間理解計算機系統層次

2、化結構概念，熟悉硬件與軟件之間的界面，掌握指令集體系結構的基本知識和基本實現方的界面，掌握指令集體系結構的基本知識和基本實現方法。法。n能夠運用計算機組成的基本原理和基本方法，對有關計能夠運用計算機組成的基本原理和基本方法，對有關計算機硬件系統中的理論和實際問題進行計算、分析，并算機硬件系統中的理論和實際問題進行計算、分析，并能對一些基本部件進行簡單設計。能對一些基本部件進行簡單設計。計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構3內容說明內容說明1、計算機系統概論、計算機系統概論 2、數據的表示和運算、數據的表示和運算 3、存儲器層次結構、存儲器層次結構 4、指令系統、指令系統

3、 5、中央處理器（、中央處理器（CPU）6、總線、總線 7、輸入輸出系統、輸入輸出系統書上第七章和第八章的內容書上第七章和第八章的內容 考試考試與成績與成績計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構4第一章第一章 計算機系統概論計算機系統概論1.1 計算機的分類計算機的分類1.2 計算機發展簡史計算機發展簡史1.3 計算機的硬件計算機的硬件1.4 計算機的軟件計算機的軟件1.5 計算機系統的層次結構計算機系統的層次結構計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構51.1 計算機的分類計算機的分類一、一、電子計算機電子計算機 電子模擬計算機電子模擬計算機：“模擬

4、模擬”就是相似的就是相似的意思，模擬計算機意思，模擬計算機的特點是數值由連續量來表示，運算過程也是連續的。的特點是數值由連續量來表示，運算過程也是連續的。 電子數字計算機電子數字計算機：在：在算盤的基礎上發展起來的，是用數目算盤的基礎上發展起來的，是用數目字來表示數量的字來表示數量的大小，主要大小，主要特點是按位運算，并且不連續地跳動特點是按位運算，并且不連續地跳動計算計算。比較內容比較內容數字計算機數字計算機模擬計算機模擬計算機數據表示方式數據表示方式數字數字0/1電壓電壓計算方式計算方式數字計數數字計數電壓組合和測量值電壓組合和測量值控制方式控制方式程序控制程序控制盤上連線盤上連線精度精度

5、高高低低數據存儲量數據存儲量大大小小邏輯判斷能力邏輯判斷能力強強無無計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構6二、數字計算機二、數字計算機 根據根據計算機的效率、速度、價格、運行的經濟性和適應性計算機的效率、速度、價格、運行的經濟性和適應性來劃分，可以劃分為兩類來劃分，可以劃分為兩類： 專用計算機專用計算機：最有效、最經濟和最快速的計算機，：最有效、最經濟和最快速的計算機，但是適但是適應性應性很差很差。 通用計算機通用計算機：適應性很大，：適應性很大，但犧牲但犧牲了效率、速度和經濟性了效率、速度和經濟性。三、三、通用計算機通用計算機 根據根據體積、簡易性、功率損耗、性能指標

6、、數據存儲容量、體積、簡易性、功率損耗、性能指標、數據存儲容量、指令系統規模和機器價格等可以分為指令系統規模和機器價格等可以分為：超級計算機、大型機、服超級計算機、大型機、服務器、務器、PC機、機、單片機、多單片機、多核核機機六類。六類。 超級計算機超級計算機：用于科學計算，運算速度在每秒萬億次以上；：用于科學計算，運算速度在每秒萬億次以上； 大型機大型機：大中型企事業單位作為計算中心的主機使用，統：大中型企事業單位作為計算中心的主機使用，統一調度主機資源，一調度主機資源，代表產品有代表產品有IBM360，4300等等；計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構7超級計算機超

7、級計算機（2008.6） IBM公司，服務于美國能源部，包含公司，服務于美國能源部，包含122400個個core，最大平均，最大平均速度速度1026000 GFLOPS。計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構8 服務器服務器：可以滿足部門性的需求，供小型企事業單位使用，可以滿足部門性的需求，供小型企事業單位使用，典型產品有典型產品有IBM-AS/400，DEC-VAX系列系列； PC機機：即微型計算機，：即微型計算機，個人個人或家庭或家庭使用；使用； 單片機單片機：只用一片集成電路做成的計算機；：只用一片集成電路做成的計算機； 多核機多核機：多于一個處理器的計算機芯片。：

8、多于一個處理器的計算機芯片。多核機多核機單片單片機機PC機機計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構91.2 計算機發展簡史計算機發展簡史一、計算機的五代一、計算機的五代變化變化 第一代（第一代（19461957年）：電子管計算機年）：電子管計算機 第二代（第二代（19581964年）：晶體管計算機年）：晶體管計算機 第三代（第三代（19651971年）：中年）：中小規模集成電路小規模集成電路計算機計算機 第四代（第四代（19721990年）：大規模年）：大規模和和超大規模集成電路超大規模集成電路 第五代（第五代（1991年年至今至今）：巨）：巨大規模集成電路大規模集成電路

9、計算機計算機 未來計算機：未來計算機：？ 系統系統結構有革命性的結構有革命性的變化變化：類似于：類似于人腦的神經網絡，計算機人腦的神經網絡，計算機智能化將進一步發展，計算機進入知識處理階段；材料上使用常智能化將進一步發展，計算機進入知識處理階段；材料上使用常溫超導材料和光器件；通過控制溫超導材料和光器件；通過控制DNA分子間的生化反應構造分子間的生化反應構造DNA生物計算機生物計算機等等計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構10二、半導體存儲器的發展二、半導體存儲器的發展 20世紀世紀5060年代，所有計算機存儲器都是由微小的鐵年代，所有計算機存儲器都是由微小的鐵磁磁體體

10、環（磁芯）做成；環（磁芯）做成； 1970年，仙童半導體公司生產出了第一個較大容量半導體年，仙童半導體公司生產出了第一個較大容量半導體存存儲器；儲器； 從從1970年起，半導體存儲器經歷了年起，半導體存儲器經歷了11代：單個芯片代：單個芯片1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB和和1GB。每一代比前一代存儲密度提高。每一代比前一代存儲密度提高4倍，而每位價格倍，而每位價格和存取時間都在下降。和存取時間都在下降。計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構11三、微處理器的發展三、微處理器的發展 1971年年Intel公司開

11、發出公司開發出Intel 4004，這，這是第一個將是第一個將CPU的所有元件都放的所有元件都放入同一塊芯片內的入同一塊芯片內的產品產品微處理器微處理器誕生誕生了。了。 1972年年開發出開發出Intel 8008，這是第一個，這是第一個8位微處理器位微處理器，比，比4004復雜復雜一倍。一倍。 1974年年開發出開發出Intel 8080，這，這是第一個通用微處理器是第一個通用微處理器，是為通用微機而是為通用微機而設計的設計的中央處理器，而中央處理器，而4004和和8008是為特殊用途而設計是為特殊用途而設計的。的。 20世紀世紀70年代末年代末才開發出強大才開發出強大的通用的通用16位微處

12、理器位微處理器，Intel 8086便是便是其其中之一。中之一。 1981年，貝爾實驗室和年，貝爾實驗室和HP公司開發出了公司開發出了32位單片位單片微處理器。微處理器。 1981年年，IBM公司公司將將Intel 8088芯片用于其研制的芯片用于其研制的PC機機（Intel的的轉折轉折點點）。）。 1982年，年，Intel推出推出了了Intel 80286微處理器；微處理器；1985年，推出年，推出了了32位微處理位微處理器器Intel 80386；1989年年，推出，推出Intel 80486芯片；芯片；1993年年，Intel 586 CPU問世。問世。 1996年底年底，Intel推

13、出了推出了Pentium MMX；1998年年，Pentium II 、至強微處、至強微處理器理器Xeon、賽揚、賽揚Celeron ；1999年春年春，Pentium III；2000年年，Pentium 4。 2002年年，Intel超超線程技術（線程技術（Hyper-Threading），邏輯上），邏輯上多處理器；多處理器； 現在現在的的64位處理器和多核位處理器和多核處理器。處理器。計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構指令集變化指令集變化 提高電腦在多媒體、提高電腦在多媒體、3D圖形方面的應用能力圖形方面的應用能力 MMX多媒體指令增強技術，共多媒體指令增強技術

14、，共57條條 SSE第二套多媒體專用指令集第二套多媒體專用指令集3D NOW!3D加速指令集加速指令集 怎么利用這些指令怎么利用這些指令用專業編譯器用專業編譯器12計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構13 在在90年代是處理器性能的唯一標尺年代是處理器性能的唯一標尺 長久以來在摩爾定律指引下保持高速發展長久以來在摩爾定律指引下保持高速發展CPU速度每速度每18個月提高一倍個月提高一倍而價格下降為原來的二分之一而價格下降為原來的二分之一 處理器的頻率進入了處理器的頻率進入了“G”時代時代頻率對于處理器綜合性能的影響力開始減弱。頻率對于處理器綜合性能的影響力開始減弱。同樣可

15、以擁有其標稱值同樣可以擁有其標稱值(PR)性能性能AMD低頻產品低頻產品Intel迅馳平臺低頻移動處理器迅馳平臺低頻移動處理器 現有工藝下單核頻率難于提升現有工藝下單核頻率難于提升性能沒有質的飛躍性能沒有質的飛躍功耗散熱、成品率、成本控制困難功耗散熱、成品率、成本控制困難 3GHz成為了成為了AMD無法逾越的一道坎無法逾越的一道坎Intel發布發布3.8GHz的產品的產品宣布停止宣布停止4GHz的產品計劃的產品計劃AMD頻率超過頻率超過2GHz以后無法大幅度提升以后無法大幅度提升處處理理器器的的頻頻率率提提高高遭遭遇遇瓶瓶頸頸計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構1480

16、核處理器核處理器 2007-02-11 核心面積核心面積275平方毫米平方毫米 主頻主頻3.16GHz 電壓電壓0.95V 數據帶寬數據帶寬1.62Tb/s 浮點運算能力浮點運算能力1.01TFlops相當于相當于1萬顆萬顆10年前的年前的Pentium Pro 功耗不過功耗不過62W比比core 2 duo還低還低是四核心是四核心Xeon X5355 2.66GHz的大約一半，浮點運算能力估計為的大約一半，浮點運算能力估計為50-60GFlops(每秒十億次每秒十億次)計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構15古代及近代計算技術古代及近代計算技術公元前公元前500年，中

17、國出現算盤年，中國出現算盤 1642年，年，Blaise Pascal發明發明自動進位的加法機器，齒輪自動進位的加法機器，齒輪驅動撥盤，在窗口顯示結果。驅動撥盤，在窗口顯示結果。 1822年，年，Charles Babbage，差分機（差分機（Differential Engie）。）。 1833年，分析機（年，分析機（Analytical Engine），通用機器。），通用機器。 16世紀，阿世紀，阿拉伯數學家阿拉伯數學家阿科瓦里茨米科瓦里茨米（Alkhowarizmi）提出算法概念，提出算法概念，并出版以算法并出版以算法為題的書籍為題的書籍。計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算

18、機組成與結構16現代計算機的里程碑現代計算機的里程碑計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構17計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構18Turing機機 1937年，年，Alan Turing提出一種提出一種“通用通用”計算機的概念，它可以計算機的概念，它可以執行任何一個描述好的程序（算執行任何一個描述好的程序（算法），實現需要的功能，形成了法），實現需要的功能，形成了“可計算性可計算性”概念的基礎。概念的基礎。 存儲程序存儲程序的思想，使計算機從的思想，使計算機從專用走向通用。正是這一創新，專用走向通用。正是這一創新，開創了計算機的新時代，開創了計

19、算機的新時代， Turing機機是現代計算機的鼻祖。是現代計算機的鼻祖。Turing機的特點：機的特點： 并不是保存所有問題的結果；并不是保存所有問題的結果；問題的求解由程序或過程給出，問題的求解由程序或過程給出，程序和過程可以通過語言描述；程序和過程可以通過語言描述；計算機執行程序的時間是有限的。計算機執行程序的時間是有限的。計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構19第一臺電子計算機第一臺電子計算機ENIAC第一臺電子計算機第一臺電子計算機（通用可編程序）（通用可編程序）18800電子管電子管30噸噸150平方米平方米150kw5000次十進制加法次十進制加法/秒秒用手

20、工扳動開關和插拔電纜來編程用手工扳動開關和插拔電纜來編程 1946年美國賓西法尼亞大學研制成功電子數字計算機年美國賓西法尼亞大學研制成功電子數字計算機ENIAC （Electronic Numerical Integrator And Computer），這臺機），這臺機器于器于1955年退役。年退役。計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構20世界上第一臺電子計算機世界上第一臺電子計算機 ENIAC（1946）計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構21計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構22計算機組成原理計算機組成原理計算機組

21、成與結構計算機組成與結構23為了改進程序的輸入方式：為了改進程序的輸入方式： 美國美國數學家數學家馮馮諾依曼諾依曼，提出，提出二進制二進制表示方式表示方式和和存儲存儲程序控程序控制制計算計算機構想。提出并描述一個計算機模型機構想。提出并描述一個計算機模型EDVAC： Electronic Discrete Variable Automatic Computer ENIAC的特點：的特點：十進制表示十進制表示 程序用插線開關實現程序用插線開關實現第一臺第一臺von Neumann 系統結構的計算機系統結構的計算機計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構24 1953年，年，W

22、ilkes提出了提出了微程序控制微程序控制的基本思想和特點的基本思想和特點。 微程序微程序有許多有許多優點優點：如：如易于改變設計；通過易于改變設計；通過仿真其它仿真其它指令系指令系統，可以保證軟件兼容；微程序設計可以減少實現復雜指令的統，可以保證軟件兼容；微程序設計可以減少實現復雜指令的成本等等成本等等。 但是但是，由于在很長的一段時間內，用于實現控制存儲器的技，由于在很長的一段時間內，用于實現控制存儲器的技術和主存的是相同的，而且機器的指令系統也比較簡單，因而術和主存的是相同的，而且機器的指令系統也比較簡單，因而微程序設計的優勢并不明顯微程序設計的優勢并不明顯。 當當控制存儲器采用半導體存

23、儲器工藝，主存儲器采用磁芯技控制存儲器采用半導體存儲器工藝，主存儲器采用磁芯技術時，這兩種工藝的速度相差十倍，從而為微程序的廣泛使用術時，這兩種工藝的速度相差十倍，從而為微程序的廣泛使用提供了基礎提供了基礎。 IBM360系列的許多機器都采用了微程序技術系列的許多機器都采用了微程序技術。計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構25 1965年，年，Wilkes在他的一篇論文中提出了在他的一篇論文中提出了直接映象直接映象Cache的思想的思想。 IBM360/85機是第一臺使用機是第一臺使用Cache的商品計算機。從此，的商品計算機。從此，Cache作為一種可作為一種可以有效

24、解決計算機處理和存儲之間速度差異的技術，在后來的機器中扮演著以有效解決計算機處理和存儲之間速度差異的技術，在后來的機器中扮演著十分重要的角色十分重要的角色。 八十年代初，有科學家分析八十年代初，有科學家分析了高級語言機器結構所遇到的一些了高級語言機器結構所遇到的一些困難，困難，在此在此基礎上提出了基礎上提出了簡單的機器結構更有可能獲得高性能簡單的機器結構更有可能獲得高性能的的觀點，即觀點，即RISC（Reduced Instruction Set Computer）的思想）的思想。 加加州大學州大學Berkeley分校的分校的David Patterson開始設計具有開始設計具有RISC思想的

25、機器思想的機器。 八十年代八十年代中期，中期，RISC思想和技術開始普遍被工業界思想和技術開始普遍被工業界接受，接受，RISC技術本身技術本身也得到了迅速完善和發展也得到了迅速完善和發展。1986年，出現了一些年，出現了一些商品化的商品化的RISC芯片芯片，如整數，如整數處理器處理器MIPS2000。 八十年代末，開始注重八十年代末，開始注重流水線技術，以產生時間并行效益的同時，也力圖流水線技術，以產生時間并行效益的同時，也力圖進一步開發出指令間空間并行的效益進一步開發出指令間空間并行的效益。計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構26四、計算機的性能指標四、計算機的性能指

26、標吞吐量吞吐量：表征一臺計算機在某一時間間隔內能夠處理的信息量，：表征一臺計算機在某一時間間隔內能夠處理的信息量，單位是字節單位是字節/秒（秒（B/s）。響應時間響應時間：表征從輸入有效到系統產生響應之間的時間度量，用：表征從輸入有效到系統產生響應之間的時間度量，用時間單位來度量，例如微秒（時間單位來度量，例如微秒（10-6s）、納秒（）、納秒（10-9s）。）。利用率利用率：在：在給定的時間間隔內，系統被實際使用的時間所占的比給定的時間間隔內，系統被實際使用的時間所占的比率，一般用百分比表示率，一般用百分比表示。處理機字長處理機字長：指處理機運算器中一次能夠完成二進制數運算的位：指處理機運算

27、器中一次能夠完成二進制數運算的位數，決定了寄存器和數據總線的位數。當前處理機的字長有數，決定了寄存器和數據總線的位數。當前處理機的字長有8位、位、16位、位、32位、位、64位。位。 字長越字長越長長，包含，包含的信息量越多，精度越高，硬件成的信息量越多，精度越高，硬件成本也越高本也越高。計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構27總線寬度總線寬度：一般指：一般指CPU中運算器與存儲器之間進行互連的內部中運算器與存儲器之間進行互連的內部總線二進制位數。總線二進制位數。存儲容量存儲容量：存儲器中所有存儲單元的總數目，通常用存儲器中所有存儲單元的總數目，通常用KB、MB、GB、

28、TB來表示。其中來表示。其中K=210，M=220，G=230，T=240，B=8位位（1個字節）。個字節）。 存儲器容量越大，記憶的二進制數越多。存儲器容量越大，記憶的二進制數越多。有內存容有內存容量和輔存容量兩種指標。存儲容量越大，能存儲的信息就越多。量和輔存容量兩種指標。存儲容量越大，能存儲的信息就越多。 1KB=1024B，1MB=1024KB， 1GB=1024MB，1TB=1024GB存儲器帶寬存儲器帶寬：存儲器的速度指標，單位時間內從存儲器讀出的：存儲器的速度指標，單位時間內從存儲器讀出的二進制數信息量，一般用字節數二進制數信息量，一般用字節數/秒表示。秒表示。計算機組成原理計算

29、機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構28CPU執行時間執行時間：表示：表示CPU執行一段程序所占用的執行一段程序所占用的CPU時間，可時間，可用下式計算：用下式計算： CPU執行時間執行時間 CPU時鐘周期數時鐘周期數 CPU時鐘周期長（時鐘周期長（T）主頻主頻/時鐘周期時鐘周期：CPU的工作節拍受主時鐘控制，主時鐘不斷產的工作節拍受主時鐘控制，主時鐘不斷產生固定頻率的時鐘，生固定頻率的時鐘，主時鐘的頻率（主時鐘的頻率（f）叫）叫CPU的主頻的主頻。度量單。度量單位是位是MHz、GHz。 例如例如Pentium系列機為系列機為60MHz266MHz，而，而Pentium 4升至升至3.6

30、GHz。主頻的倒數稱為主頻的倒數稱為CPU時鐘周期時鐘周期（T），即），即T=1/f，度量單位，度量單位是微秒是微秒 s 、納秒、納秒ns。計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構29CPI：每條指令周期數，即執行一條指令所需的平均時鐘周期數。：每條指令周期數，即執行一條指令所需的平均時鐘周期數。CPI =該該段段程程序序中中的的指指令令總總數數時時鐘鐘周周期期數數執執行行某某段段程程序序所所需需的的 CPUMIPS：每秒百萬條指令數每秒百萬條指令數，表示單位時間內執行的指令數目。表示單位時間內執行的指令數目。MIPS =666101010CPIfCPI時鐘頻率程序執行時間

31、指令條數MFLOPS：每秒百萬每秒百萬次浮點操作次數，用來衡量機器浮點操作次浮點操作次數，用來衡量機器浮點操作的性能。的性能。MFLOPS =610 程程序序執執行行時時間間程程序序中中的的浮浮點點操操作作次次數數 MIPS是單位時間內的執行指令數，所以是單位時間內的執行指令數，所以MIPS值越高說明值越高說明機器速度機器速度越快越快。 MFLOPS是基于操作而非指令的，只能用來衡量機器浮點是基于操作而非指令的，只能用來衡量機器浮點操作的操作的性能，而性能，而不能體現機器的整體性能不能體現機器的整體性能。TFLOPS表示表示每秒萬億次浮點操作次數，該每秒萬億次浮點操作次數，該技術技術指標一般在

32、指標一般在超級計算機中使用。超級計算機中使用。計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構例例1. 用一用一臺臺50MHz處理機執行標準測試程序，其包含的混合指處理機執行標準測試程序，其包含的混合指令數和相應所需的平均時鐘周期數如下表所示：令數和相應所需的平均時鐘周期數如下表所示：求有效求有效CPI、MIPS速率、處理機程序執行時間速率、處理機程序執行時間tCPU。30指令類型指令類型指令數目指令數目平均時鐘周期數平均時鐘周期數整數運算整數運算450001數據傳送數據傳送320002浮點運算浮點運算150002控制傳送控制傳送80002800015000320004500028

33、000215000232000145000CPI=1.55周期周期/指令指令66610551105010.CPIfMIPS= 32.26（百萬條指令（百萬條指令/s）6105028000215000232000145000tCPU=3.1ms計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構31例例2. 下列選項中，描述浮點數操作速度指標的是（下列選項中，描述浮點數操作速度指標的是（ ）。）。 A. MIPS B. CPI C. IPC D. MFLOPS例例3. CPU的的CPI與下列哪個因素無關？（與下列哪個因素無關？（ ） A. 時鐘頻率時鐘頻率 B. 系統結構系統結構 C.

34、指令集指令集 D. 計算機組織計算機組織 CPI是執行一條指令所需的時鐘周期數，是執行一條指令所需的時鐘周期數，系統結構、指令集、系統結構、指令集、計算機組織都會影響計算機組織都會影響CPI，而時鐘頻率不會，而時鐘頻率不會，但可以加快指令的，但可以加快指令的執行速度。如執行一條指令需要執行速度。如執行一條指令需要10個時鐘周期，則一臺主頻為個時鐘周期，則一臺主頻為1GHz的的CPU，執行這條指令比一臺主頻為，執行這條指令比一臺主頻為100MHz的的CPU快。快。例例4. 基準程序基準程序A在某計算機行的運行時間為在某計算機行的運行時間為100s，其中，其中90s為為CPU時間，其余為時間，其余

35、為I/O時間。若時間。若CPU速度提高速度提高50%，I/O速度不速度不變，則運行基準程序變，則運行基準程序A所耗費的時間是？所耗費的時間是？ T=90/1.5+10=60+10=70s計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構32例例5. 微機微機A和和B是采用是采用了不同主頻的了不同主頻的CPU芯片，片內邏輯電路完全相同。芯片，片內邏輯電路完全相同。 1）若）若A機的機的CPU主頻為主頻為8MHz，B機為機為12MHz，則，則A機的機的CPU時鐘周期為時鐘周期為多少？多少？ TA=1/8MHz=0.125 s 2）如）如A機的平均指令執行速度為機的平均指令執行速度為0.4

36、MIPS，則，則A機的平均指令周期為機的平均指令周期為多少？多少？ A機的平均機的平均指令周期指令周期 = 1/0.4MIPS=2.5 s 3）B機的平均指令執行速度為多少？機的平均指令執行速度為多少？ A機平均每條指令的時鐘周期數機平均每條指令的時鐘周期數=2.5 s/0.125 s=20，而，而A機和機和B機的片機的片內邏輯電路完全相同，所以內邏輯電路完全相同，所以B機平均每條指令的時鐘周期數也是機平均每條指令的時鐘周期數也是20。 TB=1/12MHz=1/12 s， 則則B機的平均指令周期機的平均指令周期= 201/12 s=5/3 s， B機的平均指令執行速度機的平均指令執行速度=3

37、/5MIPS=0.6MIPS計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構331.3 計算機的硬件計算機的硬件一一、硬件組成要素、硬件組成要素 計算計算y=ax+b-c：行數行數解題步驟和數據解題步驟和數據說明說明1 取數取數 （9） 運算器運算器 （9）表示第）表示第9行的數行的數a，下同，下同2 乘法乘法 （12） 運算器運算器完成完成ax，保存中間結果，保存中間結果3 加法加法 （10） 運算器運算器完成完成ax+b，保存中間結果，保存中間結果4 減法減法 （11） 運算器運算器完成完成ax+b-c的計算，保存結果的計算，保存結果5 存數存數 y （13）結果記錄到第結果記

38、錄到第13行行6 輸出輸出把結果顯示在屏幕上給程序員看把結果顯示在屏幕上給程序員看7 停止停止89a數據數據10b數據數據11c數據數據12x數據數據13y數據數據計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構34二、馮二、馮諾依曼型計算機諾依曼型計算機 用二進制表示用二進制表示 存儲程序存儲程序 按地址自動執行按地址自動執行 五大部件：五大部件： 包括控制器、包括控制器、 運算器、運算器、 存儲器、存儲器、 輸入設備、輸入設備、 輸出設備輸出設備 以運算器為中心以運算器為中心輸入設備輸入設備輸出設備輸出設備系統總線（系統總線（BUS）存儲器存儲器運算器運算器控制器控制器適配器適

39、配器計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構35 輸出設備輸出設備 輸入設備輸入設備 運算器運算器 控制器控制器 存儲器存儲器計算結果計算結果程序和數據程序和數據控制流控制流CS數據流數據流DS地址信號地址信號馮馮諾依曼型計算機諾依曼型計算機計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構36三、運算器三、運算器 進行進行算術運算和算術運算和邏輯運算，通常邏輯運算，通常稱為稱為ALU（算數邏輯運算（算數邏輯運算部件部件）；）； 在在計算機中參與運算的數是二進制的；計算機中參與運算的數是二進制的； 在在運算中，當數的位數越多時，計算的精度就越高；運算中，當數的位數

40、越多時，計算的精度就越高； 理論上理論上講，數的位數可以任意多；講，數的位數可以任意多； 但是但是位數越多，所需的電子器件也越多；位數越多，所需的電子器件也越多； 因此因此計算機的運算器長度一般計算機的運算器長度一般是是8位、位、16位、位、32位、位、64位位。計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構37四、存儲器四、存儲器 運算運算過程中，需要保存大量的過程中，需要保存大量的0、1代碼或者數據的器件，目前采用半導體代碼或者數據的器件，目前采用半導體器件器件一個一個半導體觸發器半導體觸發器有有0和和1兩個穩定狀態，可以記憶一個二進制代碼。兩個穩定狀態，可以記憶一個二進制代

41、碼。 通常通常，在存儲器中把保存一個數的若干個觸發器稱為一個，在存儲器中把保存一個數的若干個觸發器稱為一個存儲單元存儲單元，存儲存儲器是由許多存儲單元組成的器是由許多存儲單元組成的。 每個每個存儲單元都有編號存儲單元都有編號，稱為，稱為地址地址。 向向存儲器中存數或者從存儲器中取數，都要按給定的地址來尋找所選的存存儲器中存數或者從存儲器中取數，都要按給定的地址來尋找所選的存儲單元。儲單元。 存儲器存儲器所有存儲單元的總數稱為存儲器的存儲容量，通常用單位所有存儲單元的總數稱為存儲器的存儲容量，通常用單位KB，MB，GB，TB等來表示，如等來表示，如64KB，128MB。存儲容量越大，表示計算機記

42、憶儲。存儲容量越大，表示計算機記憶儲存的信息就越多。存的信息就越多。 半導體存儲器半導體存儲器的存儲容量畢竟有限，因此計算機中又配備了存儲容量更大的存儲容量畢竟有限，因此計算機中又配備了存儲容量更大的磁盤存儲器和光盤存儲器，稱為的磁盤存儲器和光盤存儲器，稱為外存儲器外存儲器，簡稱，簡稱輔存輔存。 相對而言相對而言，半導體存儲器稱為，半導體存儲器稱為內存儲器內存儲器，簡稱，簡稱內存（主存）內存（主存）。計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構38五、控制器五、控制器 1. 指令的形式指令的形式 指令指令由兩部分組成：由兩部分組成：操作的性質操作的性質（操作碼）和（操作碼）和操

43、作數的地操作數的地址址 （地址碼）（地址碼）存儲程序并按地址順序執行存儲程序并按地址順序執行，這就是，這就是馮馮諾依曼諾依曼型計算機的體系型計算機的體系結構。結構。 計算機計算機的所有指令構成該計算機的的所有指令構成該計算機的指令系統指令系統，指令系統不，指令系統不僅是硬件設計的依據，而且是軟件設計的基礎，是衡量計算機僅是硬件設計的依據，而且是軟件設計的基礎，是衡量計算機性能的一個重要指標。性能的一個重要指標。 2. 控制器的基本任務控制器的基本任務 按照按照計算程序所排的指令序列計算程序所排的指令序列，先從存儲器，先從存儲器取出一條指令取出一條指令放到控制器中放到控制器中，對，對該指令的操作

44、碼由譯碼器進行分析判別該指令的操作碼由譯碼器進行分析判別，然，然后根據指令性質，后根據指令性質，執行這條指令執行這條指令，進行相應的操作。接著從存，進行相應的操作。接著從存儲器取出第二條指令，再執行這第二條指令。依次類推儲器取出第二條指令，再執行這第二條指令。依次類推。計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構393. 指令流和數據流指令流和數據流 運算器和控制器合在一起稱為運算器和控制器合在一起稱為中央處理器中央處理器，簡稱，簡稱CPU。 取取指周期指周期：取指令的一段時間：取指令的一段時間 執行周期執行周期：執行指令的一段時間：執行指令的一段時間 控制器控制器反復交替處在

45、取指周期和執行周期之中，反復交替處在取指周期和執行周期之中，每取出一條每取出一條指令，控制器中的指令計數器指令，控制器中的指令計數器+1，為取下一條指令做好準備，為取下一條指令做好準備，這就是這就是指令為什么在存儲器中順序指令為什么在存儲器中順序存放的原因。存放的原因。 指令指令和數據統統放在內存中，從形式上看，它們都是二進制和數據統統放在內存中，從形式上看，它們都是二進制數碼，但是控制器可以區分開哪些是指令，哪些是數據。數碼，但是控制器可以區分開哪些是指令，哪些是數據。 取取指周期中從內存讀出的信息流是指周期中從內存讀出的信息流是指令流指令流，流向控制器流向控制器；而；而在執行器周期中從內存

46、讀出的信息流是在執行器周期中從內存讀出的信息流是數據流數據流，由內存流向運由內存流向運算器算器。計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構40六、適配器與輸入輸出設備六、適配器與輸入輸出設備 輸入設備輸入設備：把人們所熟悉的某種信息形式變換為機器內部所能接收和識別：把人們所熟悉的某種信息形式變換為機器內部所能接收和識別的二進制信息形式。的二進制信息形式。 輸出設備輸出設備：把計算機處理的結果變換為人或其他機器設備所能接收和識別：把計算機處理的結果變換為人或其他機器設備所能接收和識別的信息形式的信息形式 。 計算機計算機的輸入的輸入/輸出設備通常稱為輸出設備通常稱為外圍設備外圍

47、設備。 適配器適配器：使得被連接的：使得被連接的外圍設備通過系統總線與主機進行聯系外圍設備通過系統總線與主機進行聯系，以便使主，以便使主機和外圍設備并行協調地工作機和外圍設備并行協調地工作 。 系統系統總線總線：構成計算機系統的骨架，是：構成計算機系統的骨架，是多個系統部件之間進行數據傳送的多個系統部件之間進行數據傳送的公共通路公共通路。 總之總之，現代電子計算機是由運算器、存儲器、控制器、適配器、總線和輸，現代電子計算機是由運算器、存儲器、控制器、適配器、總線和輸入入/輸出設備組成的。這也是人們常說的計算機硬件輸出設備組成的。這也是人們常說的計算機硬件。計算機組成原理計算機組成原理計算機組成

48、與結構計算機組成與結構41主存，主存，I/O接口接口運算器運算器控制器控制器內部寄存器組內部寄存器組CPU，系統總線系統總線主機主機輔存輔存I/O設備設備外設外設計算機硬件計算機硬件 計算機系統計算機系統計算機軟件計算機軟件計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構421.4 計算機的軟件計算機的軟件系統軟件系統軟件應用軟件應用軟件計算機軟件計算機軟件 計算機系統計算機系統計算機硬件計算機硬件 1. 系統軟件系統軟件：用來簡化程序設計，簡化使用方法，提高計算機的使用效率，：用來簡化程序設計，簡化使用方法，提高計算機的使用效率，發揮和擴大計算機的功能及發揮和擴大計算機的功能及用

49、途用途，包括包括以下四類：以下四類： 各種各種服務性程序服務性程序，如診斷程序、排錯程序、練習程序等，如診斷程序、排錯程序、練習程序等 語言語言程序程序，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等，如匯編程序、編譯程序、解釋程序等 操作系統操作系統 數據庫管理系統數據庫管理系統 2. 應用軟件應用軟件：用戶利用計算機來解決某些問題而編制的程序，如工程設計：用戶利用計算機來解決某些問題而編制的程序，如工程設計程序、數據處理程序、自動控制程序、企業管理程序、情報檢索程序、科學程序、數據處理程序、自動控制程序、企業管理程序、情報檢索程序、科學計算程序計算程序等。等。一、軟件的組成與分類一、軟件的組成與分類計算

50、機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構43二、軟件二、軟件的發展演變的發展演變 1. 編程語言編程語言的發展的發展 手手編程序編程序：機器語言程序，手工編譯二進制碼：機器語言程序，手工編譯二進制碼 匯編程序匯編程序：符號語言程序，匯編程序匯編：符號語言程序，匯編程序匯編 高級高級程序程序：算法語言：算法語言/高級語言，機器編譯程序高級語言，機器編譯程序/解釋程序解釋程序 2. 系統軟件系統軟件的發展的發展 操作系統操作系統：隨著硬件和軟件的不斷發展而逐漸形成的一套：隨著硬件和軟件的不斷發展而逐漸形成的一套軟件系統，用來管理計算機資源和自動調度用戶的作業程序，軟件系統，用來管理

51、計算機資源和自動調度用戶的作業程序，而使多個用戶能有效的共用一套計算機系統。而使多個用戶能有效的共用一套計算機系統。 分布式系統軟件分布式系統軟件計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構44lw $15, 0($2)lw $16, 4($2)sw$16, 0($)sw$15, 4($2)temp = vk;vk = vk+1;vk+1 = temp;0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 1000 1010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1100 0110 1010 1111 0101高級語言程序高級語言

52、程序匯編語言程序匯編語言程序機器語言程序機器語言程序控制信號描述控制信號描述編譯器編譯器匯編器匯編器機器解釋機器解釋同一程序可以在不同復雜度級別進行表示同一程序可以在不同復雜度級別進行表示計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構451.5 計算機系統的層次結構計算機系統的層次結構 計算機計算機不能簡單地認為是一種電子設備，而是一個十分復雜不能簡單地認為是一種電子設備，而是一個十分復雜的硬、軟件結合而成的的硬、軟件結合而成的整體整體，通常通常由五個以上不同的級組成，由五個以上不同的級組成，每一級都能進行每一級都能進行程序設計。程序設計。 第第一級是一級是微程序設計級微程序設計

53、級。 這這是一是一個實在個實在的硬件級的硬件級，由機，由機器器硬件直接執行微指令。如果硬件直接執行微指令。如果某某一一個應用程序直接用微指令來個應用程序直接用微指令來編編寫寫，那么可在這一級上運行，那么可在這一級上運行應用應用程序程序。 第二第二級是一般機器級，也級是一般機器級，也稱為稱為機器語言機器語言級級，由，由微程序解釋微程序解釋機器機器指令系統指令系統。這一級也是硬件級。這一級也是硬件級。計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構46 第三第三級是級是操作系統級操作系統級，由，由操作系統程序實現。這些操作系統操作系統程序實現。這些操作系統由機器指令和廣義指令組成，廣義

54、指令是操作系統定義和解釋由機器指令和廣義指令組成，廣義指令是操作系統定義和解釋的軟件指令，所以這一級也稱為混合級。的軟件指令，所以這一級也稱為混合級。 第四第四級是級是匯編語言級匯編語言級，給程序人員，給程序人員提供一種符號形式語言，提供一種符號形式語言，以減少程序以減少程序編寫的復雜性。這編寫的復雜性。這一級由匯編程序一級由匯編程序支持和執行支持和執行。如。如果應用程序采用匯編語言編寫時，果應用程序采用匯編語言編寫時，則機器必須要有這一級的功能；則機器必須要有這一級的功能；如果應用程序不采用匯編語言編如果應用程序不采用匯編語言編寫，則這一級可以不要。寫，則這一級可以不要。 第五第五級是級是高

55、級語言級高級語言級，是面向，是面向用戶用戶的，為方便用戶編寫的，為方便用戶編寫應用程應用程序序而設置的。這一級由各種而設置的。這一級由各種高級高級語言語言編譯程序支持和執行編譯程序支持和執行。計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構47計算機系統結構、組成及其實現計算機系統結構、組成及其實現 計算機系統結構主要研究計算機系統結構主要研究軟硬件功能分配軟硬件功能分配和對軟硬和對軟硬件件界面的確定界面的確定 指令系統體系結構（指令系統體系結構（ISA）硬件硬件軟件軟件計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構48 外特性外特性: 指令系統、數據表示、尋址方式、

56、寄存器集指令系統、數據表示、尋址方式、寄存器集 性能成本評價性能成本評價: 運算速度、存儲容量、運算速度、存儲容量、I/O帶寬帶寬系統結構的研究范圍系統結構的研究范圍新型系統結構設計新型系統結構設計: 并行性、數據流、推理機、神經網并行性、數據流、推理機、神經網界面設計界面設計: 確定硬件功能確定硬件功能計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構49 確定數據通路的寬度確定數據通路的寬度 確定各種操作對功能部件的共享程度確定各種操作對功能部件的共享程度 確定專用的功能部件確定專用的功能部件 確定功能部件的并行度確定功能部件的并行度 設計緩沖和排隊策略設計緩沖和排隊策略 設計控制機構設計控制機構 確定采用何種可靠性技術確定采用何種可靠性技術 組成和實現組成和實現計算機系統的計算機系統的組成組成是指計算機系統結構的是指計算機系統結構的邏輯邏輯實現實現，主要包括：，主要包括：計算機組成原理計算機組成原理計算機組成與結構計算機組成與結構50 處理機、主存儲器等部件的物理結構處理機、主存儲器等部