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计算机组成原理,主讲 罗胜耘,第一章 计算机系统概论第二章 运算方法和运算器第三章 存储系统第四章 指令系统第五章 中央处理器第六章 总线系统第七章 外围设备第八章 输入输出系统,目 录,前言,1.本课程的作用 计算机组成原理是计算机应用和软件专业必修的专业基础课程，也是其他专业学习计算机基础知识的必选课程。从课程地位来说，它在先导课(汇编语言程序设计、数字逻辑、数据结构)和后续课(操作系统、编译方法、接口技术等)之间起着承上启下的作用。2.本课程的目的与任务 从传授基础知识和培养能力的目标出发，使学生掌握宽厚的硬件基础知识，理论联系实际，注重智力开发和能力培养，锻炼学生的硬件分析、设计和调试能力。从而适应在各类计算机上从事开发和应用的需要。,第一章 计算机系统概论,1.1计算机的分类和应用1.2计算机的硬件1.3计算机的软件1.4计算机系统的层次结构,计算机发展简介：20世纪40年代，无线电技术和无线电工业的发展为电子计算机的研制准备了物质基础，1943年1946年，美国宾夕法尼亚大学研制的ENIAC(Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分器和计算机)是世界上第一台电子计算机。当时，第二次世界大战正在进行，为了完成新武器在弹道问题中许多复杂的计算，在美国陆军部的资助下开展了这项研究工作，ENIAC计算机于1945年年底完成，1946年2月正式交付使用。,1.1计算机的应用和分类,因为ENIAC计算机是最早问世的一台电子数字计算机，所以人们认为它是现代计算机的始祖。ENIAC计算机共用18 000多个电子管，1500个继电器，重达30吨，占地170平方米，耗电150 kW，每秒钟能进行5000次加法计算，领导研制的是宾夕法尼亚大学的莫克利()和埃克特()。该计算机存在两个主要缺点，一是存储容量太小，只能存20个字长为10位的十进制数；二是用线路连接的方法来编排程序，因此每次解题都要依靠人工改接连线，准备时间大大超过实际计算时间。,在研制ENIAC计算机的同时，冯诺依曼(Von Neumann)与莫尔小组合作研制了EDVAC计算机，该计算机采用了存储程序方案，其后开发的计算机都采用这种方式，称为冯诺依曼计算机。冯诺依曼计算机具有如下基本特点：(1)计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。(2)采用存储程序的方式，程序和数据放在同一个存储器中，指令和数据一样可以送到运算器中运算，即由指令组成的程序是可以修改的。,(3)数据以二进制码表示。(4)指令由操作码和地址码组成。(5)指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器(即程序计数器PC)指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增，也可按运算结果或外界条件而改变。(6)机器以运算器为中心，输入/输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器。冯诺依曼计算机开辟了“存储程序自动控制”现代计算机的先河，目前的计算机基本是基于冯诺依曼计算机的模型和原理研制的。,1812年差分机,查尔斯.巴贝奇 1834年设计的分析机,由许多轮子组成的保存数据的存储库；运算装置；能对操作顺序进行控制，并选择所需处理的数据以及输出结果的装置。,近代计算机,1946年2月由宾州大学研制成功的ENIAC电子计算机时代的到来,重达30吨占地250m2启动工耗150000瓦18000个电子管保存80个字节,电子数字积分计算机,Electronic Numerical Integrator And Calculator,电子计算机的问世,计算机的分类模拟计算机和数字计算机数字计算机又分为通用机专用机（DSP、IOP、工控机）集成芯片的发展2002最快的计算机 2006最快的计算机 我国超级计算机的现状,通用计算机：,摩尔定理,摩尔先生于 40 年前提出了摩尔定律。最早刊登摩尔定律的杂志是 1965 年 4 月 19 日 出版的电子学，该期杂志发表了摩尔的一篇文章。摩尔在文中预测，半导体芯片上集成的晶体管和电阻数量将每年翻一番。1975年他又提出修正说，芯片上 集成的晶体管数量将每两年翻一番。当时摩尔还是仙童公司的电子工程师，而后于1968年共同创办英特尔，任副总裁，从此将intel的革命带入整个信息产 业。,计算机所用的基本器件已经从初期的电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模集成电路，发展到现在的超大规模集成电路，其生产工艺从上世纪70年代的10微米发展到现在的0.09微米的水平，只用了不到30年的时间。其所能达到的集成度可以在一个芯片上集成上亿个晶体管。例如，在处理器方面，英特尔公司的第一个CPU的集成度为2000多个晶体管，而在1999年，英特尔公司推出的Pentium III处理器的集成度就达到2400万个晶体管，到了2000年，采用Willamette核心，使用0.18微米生产工艺的Pentium 4处理器的集成度就达到3400万个晶体管；,集成度：,而其后推出的采用Northwood核心，使用0.13微米生产工艺的Pentium 4 2.53GHz处理器其集成度达到5500万个晶体管。同期，AMD公司的Athlon XP 2600+处理器的集成度也达到3760万个晶体管。其即将推出的代号为Hammer的新一代微处理器集成度将达到1亿个晶体管。,计算机所用的基本器件不仅由分立器件发展到集成电路，其速度也有显著的提高。器件的发展是推动系统结构和组成前进的关键因素和主要动力。随着生产工艺以及材料工艺的进展，单个器件的尺寸可以越来越小，单个晶体管的尺寸已经从微米级缩小到纳米级，响应速度可以达到100GHz的量级，例如，IBM使用硅锗材料制造的晶体管，速度达到350GHz，为CPU的主频达到10G的水平提供了技术保障。器件技术的快速发展，使单个器件或集成电路的性能越来越高，而价格则越来越低；同时，也为各种新的系统结构和组成实现提供了硬件支持，并使计算机的应用得到快速普及。,速度：,器件技术的发展还促进了算法、语言和软件的发展。随着CPU性价比的迅速改善，加速了大规模高性能并行处理机和通信网络的发展。由数百甚至上万个微处理器组成的MPP系统促使人们不断研究新的并行算法、并行语言及相关应用软件和操作系统，以使系统的规模和处理速度能随结点处理器数的增加而显著提高。也就促成了超级计算机的产生。,2002最快的计算机,在2002年全球高性能计算机500强的排行榜上，位居榜首的是日本NEC研制，安置在横滨地球模拟研究发展中心的Earth Simulator（地球模拟器），它由日本政府资助，其实测运算速度可达到每秒35.86TFLOPS，理论峰值运算性能可达40太拉FLOPS，由5120个处理器构成。地球模拟器是一台处理能力惊人的超级计算机。其性能可与10万20万台个人电脑相匹敌。,排名第一的是美国能源部劳伦斯利物莫国家实验室(LLNL)的“蓝色基因/L”系统(BlueGene/L)，峰值计算能力367.0TFlops，平 均280.6TFlops；新科亚军是美国Sandia国家实验室的“红色风暴”(Red Storm)，由超级计算机制造商Cray采用13277颗2.4GHz双核心Opteron处理器打造而成，峰值计算能力127.4TFlops，虽然 只有蓝色基因的34.7，但却是史上第二台超越100TFlops的超级计算机；IBM的一套新蓝色基因系统“BGW”夺得季军，峰值计算能力也超过了 100TFlops大关，达到114.7TFlops。由我国联想公司研制的由512个xeon处理器组成的深腾1800的运算速度达到1.027TFLOPS，排名第43，目前服务于中国海洋大学。,2006年的计算机排行榜,“蓝色基因/L”超级计算机系统,我国超级计算机的现状,1995年实际运算速度超过每秒10亿次浮点运算的曙光1000推出时，我国比国外同类计算机推出时间落后8年。从曙光2000I到曙光4000L，我们 推出每秒100亿次到万亿次计算机时，比国外同类计算机推出时间晚67年。每秒10万亿次的曙光4000A与国外同类计算机的推出时间已缩短到4年左 右。如果我们组织得力，2010年能推出通用性较强的千万亿次曙光超级计算机，与国外推出通用千万亿次超级计算机的时间就很接近了，最多一两年的差距。,2006年年底，曙光公司和计算所合作一举中标863计划重大项目百万亿次曙光5000A研制，这是曙光超级计算机从跟踪转向跨越发展的重大机遇。从曙光5000开 始，曙光公司将告别只能用国外的CPU生产高性能计算机的历史，我们将开始采用国产的龙芯多核CPU芯片研制和生产超级计算机及各种高端计算机，使曙光超 级计算机和服务器的性能价格比、性能功耗比大大高于国外产品。2007年 5月以来，中国科技大学与中科院计算技术研究所密切合作，采用代表国内当前高性能通用处理器设计最高水平的64位“龙芯2F”芯片，研制国产万亿次高性能计算机。,1.1.2 计算机应用,科学计算自动控制测量和测试信息处理：商务处理、管理应用。教育和卫生家用电器人工智能,1.2 计算机的硬件,一般的计算机结构框图（存储器为中心）,总线相连的计算机模块,1运算器 运算器是对数据信息进行加工处理的部件，它主要由算术逻辑运算单元(ALU)组成，在控制器的指挥下可以完成各种算术运算、逻辑运算和其他操作。特点：a、算术运算和逻辑运算 b、在计算机中参与运算的数是二进制的 c、运算器的长度一般是8、16、32或64位,2.存储器,存储器存储数据和程序）容量（存储单元、存储单元地址、容量单位）分类内存（ROM、RAM）、外存存储器单位：,210 byte1K210 K1M210 M1G210 G1T,计算机存储体系示意图,计算机存储体系示意图,内存条,3、控制器,控制器指令和程序（计算机工作原理）指令的形式（操作和地址码、存储程序的概念、指令中程序和数据的存放、指令系统）控制器的基本任务：按照一定的顺序一条接着一条取指令、指令译码、执行指令。取指周期和执行周期指令流和数据流,手工模仿计算机工作（1）,手工模仿计算机工作（2）,加法001减法010乘法011除法100取数101存数110打印111停机000,4适配器与输入/输出设备 输入/输出(I/O)设备又称外设，通过I/O接口与CPU相连，它是计算机与外部世界联系的桥梁。(1)输入设备用于把数字、字符、图形、图像和声音等转换成计算机能识别和接受的信息表示方式，如电信号、二进制编码等，然后把它们放入存储器中。典型的输入设备有键盘、鼠标、扫描仪、光学字符识别设备(OCR)、模/数(A/D)转换装置以及其他声像输入设备等。,(2)输出设备把计算机处理信息的结果转换成人们习惯接受的形式(如字符、曲线、图像、表格和声音等)送出，或变换成与其他设备相匹配的信号形式输出。常见的输出设备有显示器、打印机、绘图仪和数/模(D/A)转换装置等。计算机硬件的五大部件是通过总线连接起来的，所谓总线是一组公共信号线，它能分时地发送和接收各部件的信息。,1.2.2 计算机系统结构的过去和未来,1.3 计算机的软件,1.4 计算机系统的层次结构,现代计算机是通过执行指令来解决问题的，它由软件和硬件两大部分组成。描述一个任务如何实现的指令序列称为程序，所有程序在执行前都必须转换成计算机能识别以及直接执行的机器指令。这些机器指令与机器硬件直接对应，并能被其直接识别和执行，然而使用机器语言编程既不方便，也无法适应解题需要和计算机应用范围的扩大。,这个问题可从两方面去解决，前提是都需要设计一个比机器指令更方便使用或编程的指令集合，由它构成新的语言，例如汇编语言。汇编语言是一种符号语言，给程序员编程提供了方便，尽管每个语句仍基本上与机器指令对应，却并不能被机器直接识别和执行；用汇编语言开发的程序需要某种转换才能在实际机器上执行。一种方式是翻译(translation)，在执行汇编语言源程序之前生成一个等价的机器语言指令序列来替换它，生成的程序全部由机器指令组成，计算机执行等效的机器语言源程序来代替原来的汇编语言源程序。,即把源程序先转换成目标程序，而后再在机器上执行目标程序以获得结果。另一种方式是解释(interpretation)，用机器指令写一个程序，将汇编语言源程序作为输入数据，按顺序检查它的每条指令，然后直接执行等效的机器指令序列来解决问题。,虚拟机器和实际机器层次结构举例,汇编语言源程序可以在机器上运行并获得结果，是因为有汇编程序的支持。在汇编语言程序设计者看来，就好像有了一台用汇编语言作为机器语言的机器。这里的机器是指能存储和执行程序的算法和数据结构的集合体。我们把以软件为主实现的机器，称之为虚拟机器，而把由硬件和固件实现的机器称为实际机器。显然，虚拟机器的实现是构筑在实际机器之上的。上图给出了虚拟机器与实际机器之间构成的一个简单的层次结构。,语言与虚拟机之间存在着重要的对应关系，每种机器都有由它能执行的指令组成的机器语言。同时，语言也定义了机器，即机器要能执行这种语言所写的程序。有n层不同的语言，就对应有n层不同的虚拟机。在图1.2中我们给出了典型的现代计算机的多级层次结构。例如，汇编语言(L3)是面向机器的一种符号语言，其语法、语义结构仍然和二进制机器语言的基本相同，但与解题所需的差别较大，于是进一步出现了面向题目和过程的高级语言(L4)；,在高级语言的基础上还出现了面向应用的应用语言(L5)，因此我们可以得到多个层次的虚拟机器；而对于实际机器级若采用微程序(L0)控制，它又可分解成传统机器级M1和微程序级M0；虽然目前很多机器上的操作系统(L2)已不再用汇编语言编写，而是用面向系统软件的高级语言，如C语言，但从实质上看，操作系统是传统机器的引伸，它要提供传统机器所没有但为汇编语言和高级语言的使用和实现所需的某些基本操作和数据结构，如文件管理、进程管理、中断管理、作业控制、存储管理和输入输出等等，它们在许多机器上是经机器语言程序解释实现的。因此，操作系统级放在传统机器级之上，汇编语言级之下。,1.4.2 软件与硬件的逻辑等价性,随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统的软、硬件界限已经变得模糊了。因为任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。对于某一机器功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格、速度、可靠性、存储容量、变更周期等因素。,现在我们已经可以把许多复杂的、常用的程序制作成所谓的固件。就它的功能来说，是软件，但从形态来说，又是硬件。其次，目前在一片硅单晶芯片上制作复杂的逻辑电路已经实际可行了，现在可以通过硬件来直接解释执行。进一步发展，就是设计所谓面向高级语言的计算机。这样的计算机，可以通过硬件直接解释执行高级语言的语句而不需要先经过编译程序的处理。因此传统的软件部分，今后完全有可能“固化”或“硬化”，这就是所谓的算法硬件化。,未来新型计算机,1光计算机：利用光作为信息的传输媒体。,2生物计算机（分子计算机）：生物计算机在20世纪80年代中期开始研制，其最大的特点是采用了生物芯片。,3量子计算机：是指利用处于多现实态下的原子进行运算的计算机，这种多现实态是量子力学的标志。,