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本讲稿第一页，共三十一页计算机组成原理Principles of Computer Organization广义双语教学课程http:/211.64.192.109/skyclass25/青岛理工大学 校级精品课程http:/ 本课程是网络工程、软件工程专业的一门主要的技术基础课。通过本课程的学习，使学生掌握单台计算机硬件系统的组成单台计算机硬件系统的组成、各主要主要部件的结构部件的结构和工作原理工作原理，了解计算机运算器计算机运算器、控制器控制器、主存储器主存储器和输入输入输出系统输出系统的基本设计方法基本设计方法，为学习后继课程准备必要的硬件知识。先修课先修课：数字逻辑，汇编语言，计算机导论后继课：操作系统后继课：操作系统，计算机系统结构计算机系统结构，微计算机技术，接口技术，3本讲稿第三页，共三十一页参考书参考书徐爱萍.计算机组成原理习题与解析.清华大学出版社William Stallings.Computer Organization and Architecture:Designing for Performance，5th edition.Prentice-Hall,Inc.2000电子工业出版社http:/ “计算机组成原理”是计算机专业的最重要的专业基础课之一。具有难度大、知识点多的特点。在本门课程的教学中：l教学内容的顺序可能与教材不同l适当补充一些教材中没有的新内容l部分内容不在课堂上讲述，请同学们自学 为了学好本门课程，要求：1上课认真听讲，记笔记，不说话。2课后抓紧时间阅读教材的有关内容，认真做作业，不要抄袭。3每章讲完后及时归纳要点，抓住“三基”。（基本概念基本概念，基本原理基本原理，基本方法基本方法）4在学习中有问题，抓住课间时间问老师。同学之间互相交流。注意：各章内容相对独立，把问题留到后面将积累地越来越多。5注意积累英文的专业术语英文的专业术语，提高专业英语阅读能力。6认真做实验，必须预习实验。7“数字逻辑”的知识对本课程很重要，应抓紧复习。本讲稿第六页，共三十一页第一章第一章 计算机系统概论计算机系统概论Computer design is concerned with the hardware design of the computer.Once the computer specifications are formulated,it is the task of the designer to develop hardware for the system.Computer design is concerned with the determination of what hardware should be used and how the parts should be connected.Chapter 1 Introduction7本讲稿第七页，共三十一页The basic functions that a computer can perform are:Data processing,Data storage,Data movement,ControlWhat is a Computer?电子数字计算机 Electronic Digital Computer 机电计算机机电计算机电子模拟计算机电子模拟计算机机械计算机机械计算机Computers:lHave limited capabilities.lCan only do basic mathematics and logical comparisons.lMust be instructed with programs what to do.A computer is an electronic machine that accepts data(input),manipulates the data according to some rules(process),produce results(output)and stores the results for future use(storage).8本讲稿第八页，共三十一页Computer计算机硬件系统的基本组成纸人怎样做计算？计算工具算盘算盘笔和手题目结果9本讲稿第九页，共三十一页Computer计算机硬件系统的基本组成主机主存储器运算器控制器输入设备输出设备控制命令数据指令结果数据程序地址输入设备和输出设备统称为外部外部设备设备（Peripheral）或外围设备外围设备在计算机的工作过程中，有多种信息在流动：数据流，指令流，地址流，控制流。存储器处于机器的中心10本讲稿第十页，共三十一页冯冯诺伊曼计算机诺伊曼计算机冯诺伊曼（Von Neumann）冯诺伊曼计算机的主要特点：1.计算机硬件系统计算机硬件系统由运算器、控制器、主存储器、输入设备和输出设备五大部分组成五大部分组成。2.程序存储程序存储。3.采用二进制运算。二进制运算。4.一维线性结构的存储器组织一维线性结构的存储器组织。5.串行计算串行计算。存储程序计算机存储程序计算机The Von Neumann architecture is a design model for a stored-program digital computer that uses a processing unit and a single separate storage structure to hold both instructions and data.A stored-program digital computer is one that keeps its programmed instructions,as well as its data,in read-write,random-access memory.便于数据的表示，有两个稳定状态的器件容易找到运算规则简单11本讲稿第十一页，共三十一页 在冯诺伊曼计算机上解题，首先要建立数学模型，提出算法，编制解题程序。预先将程序和数据程序和数据顺序保存在存储器中。计算机自动从存储器中逐条取出指令执行。冯诺伊曼计算机主机MainMemoryALUControl UnitInputDevicesOutputDevicesControl SignalDataInstructionResultDataProgramAddress12本讲稿第十二页，共三十一页Von Neumann MachineIn most modern computers,throughput is much smaller than the rate at which the CPU can work.This seriously limits the effective processing speed when the CPU is required to perform minimal processing on large amounts of data.The separation between the CPU and memory leads to the Von Neumann bottleneck,the limited throughput(data transfer rate)between the CPU and memory compared to the amount of memory.Stored-program computers were an advancement over the program-controlled computers of the 1940s,such as the Colossus and the ENIAC,which were programmed by setting switches and inserting patch leads to route data and to control signals between various functional units.The CPU is continuously forced to wait for needed data to be transferred to or from memory.13本讲稿第十三页，共三十一页控制器+运算器中央处理器中央处理器 Central Processing Unit，简称CPUCPUA Central Processing Unit(CPU),or sometimes just called processor,is a description of a class of logic machines that can execute computer programs.The term itself and its initialism have been in use in the computer industry at least since the early 1960s.The form,design and implementation of CPUs have changed dramatically since the earliest examples,but their fundamental operation has remained much the same.中央处理器是计算机的核心部件14本讲稿第十四页，共三十一页 把CPU的大部分逻辑都集成在一个半导体集成电路芯片上，称为微处理微处理器器（Microprocessor，简称MPU）MicroprocessorPrevious generations of CPUs were implemented as discrete components and numerous small integrated circuits(ICs)on one or more circuit boards.Microprocessors,on the other hand,are CPUs manufactured on a very small number of ICs;usually just one.The overall smaller CPU size as a result of being implemented on a single die means faster switching time because of physical factors like decreased gate parasitic capacitance.This has allowed synchronous microprocessors to have clock rates ranging from tens of megahertz to several gigahertz.Additionally,as the ability to construct exceedingly small transistors on an IC has increased,the complexity and number of transistors in a single CPU has increased dramatically.15本讲稿第十五页，共三十一页Die of an Intel 80486DX2 microprocessor in its packaging(actual size:126.75 mm)本讲稿第十六页，共三十一页 单片计算机单片计算机（Single Chip Microcomputer，简称单片机）是把计算机的主机（除少数几个元件外）以及一些输入输出接口电路集成在一个半导体集成电路芯片上。单片机主机MainMemoryALUControl UnitInputDevicesOutputDevicesControl SignalDataInstructionResultDataProgramAddress17本讲稿第十七页，共三十一页 双核处理器在一个芯片上集成了2个独立的CPU。A multi-core CPU(or chip-level multiprocessor,CMP)combines two or more independent cores into a single package composed of a single integrated circuit(IC),called a die,or more dies packaged together.A dual-core processor contains two cores,and a quad-core processor contains four cores.A multi-core microprocessor implements multiprocessing in a single physical package.A processor with all cores on a single die is called a monolithic processor.Each core independently implements optimizations such as superscalar execution,pipelining,and multithreading.A system with n cores is effective when it is presented with n or more threads concurrently.Dual Core Processor18本讲稿第十八页，共三十一页计算机的发展计算机的发展冯诺伊曼计算机的发展经历了四个主要阶段，称为Generation划分“代代”的标志是计算机所采用的逻辑元件逻辑元件的进步。First generation，The vacuum tube age(真空管计算机)Second generation，The transistor age(晶体管计算机)Third generation，The integrated circuit age(集成电路计算机)小规模集成电路SSI，中规模集成电路MSIFourth generation，The microprocessor age (large-scale integrated circuit age)大规模集成电路计算机大规模集成电路Large Scale Integrated circuits/LSI，VLSI，ULSI19本讲稿第十九页，共三十一页计算机的发展冯诺伊曼计算机的发展经历了四个主要阶段，称为Generation划分“代”的标志是计算机所采用的逻辑逻辑元件的进步。未来的计算机：光学计算机，超导计算机，DNA计算机，量子计算机，非冯诺伊曼计算机Fifth generation(1991-)The age of connectivity 20本讲稿第二十页，共三十一页1957年，试制成功第一台国产电子计算机JS1机。1965年，自制第一台晶体管计算机109B。1971年，研制了一批集成电路计算机DJS150。1983年，研制成功“银河”巨型机。1亿次/秒1992年，研制成功“银河”巨型机。中国中国计算机的发展计算机的发展1995年，研制成功“曙光1000”服务器。25亿次/秒2008年，“曙光5000A”高性能计算机。230万亿次/秒2010年，“曙光星云”。1270万亿次/秒2011年11月，“天河号”。天河1A实测运算速度可达每秒2570万亿次21本讲稿第二十一页，共三十一页计算机的主要应用领域计算机的主要应用领域 Domain of Application科学计算 Scientific Computing数据处理 Data Processing计算机控制 Computer Control计算机辅助设计/制造 CAD/CAM人工智能 Artificial Intelligence娱乐 Entertainment嵌入式应用 Embedded Applications22本讲稿第二十二页，共三十一页计算机的分（型）类巨型机 Super computer大型机 Mainframe Computer小型机 Minicomputer微型机 Microcomputer台式机 Desktop便携机 Notebook Laptop掌上机 HandheldPalmPDA（Personal Digital Assistants）PC机 Personal Computer系列机：一个厂家生产的，具有相同的系统结构相同的系统结构，但性能、组成和实现不同的一系列型号不同的机器。工作站 Workstation服务器服务器 Server中型机？23本讲稿第二十三页，共三十一页 在表示二进制数的长度和二进制形式的代码长度时，经常用到的单位是：bit，Byte和Word。bit，Byte 和和 Wordbit指的是二进制数的位（或译作“比特比特”），缩写是b。Byte是计算机中表示数据长度的一个标准单位：字节字节（或译作“拜特”），缩写是B。1 Byte=8 bits。现代计算机的数据字的长度都是字节的整数倍。在计算学科中，字Word并没有标准的长度。例如，某16位计算机可以定义一个字的长度为16位，32位的字被称为双字。而某32位计算机可以定义一个字的长度为32位，16位的字被称为半字。24本讲稿第二十四页，共三十一页计算机的主要性能指标计算机的主要性能指标1.字长（Word Length）计算机计算机的字长字长又称为机器字长机器字长，指的是运算器能同时计算的二进制数的位数。计算机的字长与ALU的位数相同。CPU内的通用寄存器的位数与计算机的字长相同。字长32位的计算机被称为32位机。存储器存储器的字长字长指的是一个存储单元可以保存的二进制数的位数。存储器的字长与计算机的字长不一定相同。现代计算机的存储器字长都是字节长度的整数倍。指令字长指令字长指的是用二进制位数表示的一条指令的长度。计算机的指令可以是固定长度的，也可以是可变长度的。指令字长与机器字长不一定相同。现代计算机的指令字长多为字节长度的整数倍。25本讲稿第二十五页，共三十一页2.计算机的运算速度 计算机的速度可以有多种不同的表示方法。如，每秒钟执行的指令条数，每秒钟可以完成的加法运算的次数，计算机的主频等。MIPS是每秒钟执行的百万条指令数Million Instructions per Second 由于指令系统中的不同类型的指令的执行时间可能是不一样的，不能笼统地说“每秒钟执行多少条指令”。所以，有用“每秒钟执行多少条加法指令”来表示计算机的运算速度的。或者根据不同类型的指令在程序中出现的频度的加权平均得到“每秒钟平均执行多少条指令”。计算机的主频一般指CPU的时钟（frequency of system clock）频率。由于不同计算机的一个机器周期包含的时钟脉冲数往往是不同的，一个指令周期包含的机器周期数也是不同的，所以，不能简单地认为主频高的机器速度就一定快。MFLOPS是每秒钟执行的百万次浮点运算数Million Floating-point Operations per Second26本讲稿第二十六页，共三十一页计算机系统的组成计算机系统的组成计算机软件（Software）主要是一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合。l计计算机系统由计算机硬件和计算机软件组成。计算机硬件（Hardware）是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成。1983年，IEEE对软件给出了一个较为全面的定义：软件是计算机程序、方法、规范及其相应的文档以及在计算机上运行是所必须的数据。软件是相对于机器硬件而言的。27本讲稿第二十七页，共三十一页计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构实际机器M1机器语言程序可以直接在M1上运行虚拟机器M2由软件构成的机器计算机的指令系统28本讲稿第二十八页，共三十一页计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构传统机器M1(机器语言机器)硬件直接执行微指令虚拟机器M2(操作系统机器)微程序解释机器指令微程序机器M0(微指令系统)虚拟机器M3(汇编语言机器)虚拟机器M4(高级语言机器)计算机的指令系统计算机组成是计算机系统的计算机组成是计算机系统的逻辑结构逻辑结构29本讲稿第二十九页，共三十一页Homework1-1，5，6，11复习：数字逻辑（如果上学期没有掌握好）阅读教材的第1章、第2章Discuss the advantages and disadvantages of storing programs and data in the same memory.作业本的封面上作业本的封面上,写上自己的姓名、学号、班级写上自己的姓名、学号、班级下周开始，每星期一交作业。本周星期四交作业下周开始，每星期一交作业。本周星期四交作业思考 1-7，8 ；2-1，2，3，7下次课，学习第下次课，学习第6章章30本讲稿第三十页，共三十一页本章要点本章要点1、计算机硬件系统的基本组成2、冯诺伊曼计算机的主要特点3、计算机的主要性能指标Computer organization is concerned with the way the hardware components operate and the way they are connected together to form the computer system.The various components are assumed to be in place and the task is to investigate the organizational structure to verify that the computer parts operate as intended.31本讲稿第三十一页，共三十一页