計(jì)算機(jī)組成原理武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院《計(jì)算機(jī)組成原理》

PrinciplesofComputerOrganization課程代碼：1301026

課程類別：必修

課程學(xué)分：4

課程學(xué)時(shí)：80(其中：實(shí)驗(yàn)18學(xué)時(shí))

授課對(duì)象：計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)本科生

軟件工程專業(yè)本科生

網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)本科生教學(xué)內(nèi)容

研究討論計(jì)算機(jī)單處理機(jī)系統(tǒng)的完整硬件系統(tǒng)的基本組成原理與內(nèi)部運(yùn)行機(jī)制

單處理機(jī)系統(tǒng)：非多機(jī)系統(tǒng)基本：不一定是最高性能、最合理的組成,

而是最基礎(chǔ)的必要的組成部分

完整：計(jì)算機(jī)整機(jī)、全部的硬件功能部件輸入設(shè)備輸出設(shè)備

總線外存設(shè)備主存儲(chǔ)器高速緩存控制器運(yùn)算器第3、7章第7章第4、5章第2章第6章輸入輸出接口第8章計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)組成教學(xué)過(guò)程與成績(jī)比例

除課堂教學(xué)外，實(shí)驗(yàn)室配有相應(yīng)的計(jì)算機(jī)組成原理實(shí)驗(yàn)箱，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可使學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，一方面增強(qiáng)對(duì)相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和創(chuàng)新意識(shí)。實(shí)驗(yàn)共18學(xué)時(shí)，單獨(dú)作為一門課程，獨(dú)立給定成績(jī)；不計(jì)入理論課的總成績(jī)之中。理論課成績(jī)由平時(shí)成績(jī)和期末考試成績(jī)構(gòu)成。平時(shí)成績(jī)包括期中考試、平時(shí)考勤、平時(shí)作業(yè)等，按30%的比例算入總成績(jī)之中。期末考試成績(jī)占總成績(jī)的70%。學(xué)習(xí)指南本課程的重點(diǎn)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)各基本部件的原理及實(shí)現(xiàn)本課程的難點(diǎn)：各部件互連構(gòu)成整機(jī)系統(tǒng)，即整機(jī)概念的建立本課程的深廣度：主要討論計(jì)算機(jī)組成中具有共性的問(wèn)題，要處理好抽象概念與具體實(shí)例的關(guān)系第一章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論本章內(nèi)容1.1計(jì)算機(jī)的分類1.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史1.3計(jì)算機(jī)的硬件1.4計(jì)算機(jī)的軟件1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)1.1計(jì)算機(jī)的分類按信號(hào)量分模擬機(jī)數(shù)字機(jī)專用通用超級(jí)計(jì)算機(jī)大型機(jī)服務(wù)器PC機(jī)單片機(jī)多核機(jī)2.數(shù)字機(jī)與模擬機(jī)的主要區(qū)別模擬機(jī)：用連續(xù)量表示數(shù)據(jù)，計(jì)算過(guò)程也是連續(xù)的數(shù)字機(jī)：用離散的數(shù)字量表示數(shù)據(jù)，按位不連續(xù)地跳動(dòng)計(jì)算1.如何分類？分類的依據(jù)及結(jié)果，按用途分，按規(guī)模分超級(jí)計(jì)算機(jī)多核機(jī)大型機(jī)服務(wù)器PC機(jī)單片機(jī)體積功耗性能數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量指令系統(tǒng)價(jià)格低高簡(jiǎn)易性高低1.2計(jì)算機(jī)的發(fā)展簡(jiǎn)史1.2.1計(jì)算機(jī)的五代變化第五代類型時(shí)期主要器件

重要特征第一代1946|1957電子管機(jī)器語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言速度低，體積大，價(jià)格昂貴可靠性差，用于科學(xué)計(jì)算第二代1958|1964晶體管算法語(yǔ)言，操作系統(tǒng)體積縮小，可靠性提高從科學(xué)計(jì)算擴(kuò)大到數(shù)據(jù)處理第三代1965|1971中、小規(guī)模集成電路體積小，可靠性大大提高，軟件技術(shù)和外設(shè)發(fā)展迅速應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大第四代1972|1990大及超大規(guī)模集成電路體積進(jìn)一步縮小，可靠性進(jìn)一步提高，成本進(jìn)一步降低1991|巨大規(guī)模集成電路由一片巨大規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)的單片計(jì)算機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)運(yùn)算速度每秒幾千~幾萬(wàn)次每秒幾萬(wàn)~幾十萬(wàn)次每秒幾十萬(wàn)~幾百萬(wàn)次每秒1000萬(wàn)~1億次每秒10億次摩爾定律1.2.2半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的發(fā)展

50~60年代，由微小的鐵磁體環(huán)(磁芯)構(gòu)成

1970年，仙童半導(dǎo)體公司生產(chǎn)了第1片半導(dǎo)體存儲(chǔ)器

1974年，每位半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的價(jià)格低于磁芯存儲(chǔ)器此后半導(dǎo)體存儲(chǔ)器經(jīng)歷了11代：?jiǎn)蝹€(gè)芯片容量1KB、4KB、16KB、64KB、256KB、1MB、4MB、16MB、64MB、256MB和現(xiàn)在的1GB其中：1B=8bit；1K=210；1M=220；1G=2301.2.3微處理器的發(fā)展20世紀(jì)70年代：

4004800880808086808820世紀(jì)80年代：

80286386TMDX386TMSX 486TMDX20世紀(jì)90年代：

486TMSXPentiumPentiumPro PentiumII最近的處理器：

PentiumIIIPentium4Itanium Itanium2吞吐量：計(jì)算機(jī)在某一時(shí)間間隔內(nèi)能處理的信息量響應(yīng)時(shí)間：從輸入有效到系統(tǒng)產(chǎn)生響應(yīng)之間的時(shí)間利用率：給定時(shí)間間隔內(nèi)系統(tǒng)被實(shí)際使用的時(shí)間所占比率處理機(jī)字長(zhǎng)：處理機(jī)運(yùn)算器一次能完成二進(jìn)制運(yùn)算的位數(shù)總線寬度：運(yùn)算器與存儲(chǔ)器間互連的內(nèi)部總線二進(jìn)制位數(shù)存儲(chǔ)器容量：存儲(chǔ)器中所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)目存儲(chǔ)器帶寬：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)從存儲(chǔ)器讀出的二進(jìn)制數(shù)信息量主頻/時(shí)鐘周期：主時(shí)鐘的頻率為CPU的主頻；主頻的倒數(shù)為CPU時(shí)鐘周期1.2.4計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)CPU執(zhí)行時(shí)間：CPU執(zhí)行一段程序所占CPU時(shí)間 CPU執(zhí)行時(shí)間=CPU時(shí)鐘周期數(shù)CPU時(shí)鐘周期CPI：每條指令周期數(shù)——執(zhí)行一條指令所需平均時(shí)鐘周期數(shù) CPI=執(zhí)行某段程序所需時(shí)鐘周期數(shù)÷程序包含指令條數(shù)MIPS：每秒百萬(wàn)指令數(shù)——單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行的指令數(shù) MIPS=指令數(shù)÷(程序執(zhí)行時(shí)間106)FLOPS：每秒執(zhí)行浮點(diǎn)操作的次數(shù) MFLOPS=程序中浮點(diǎn)操作次數(shù)÷程序執(zhí)行時(shí)間1.2.4計(jì)算機(jī)的性能指標(biāo)(續(xù))例1：對(duì)于給定程序，IN——執(zhí)行程序中的指令總數(shù) tCPU——執(zhí)行該程序所需CPU時(shí)間 NC——CPU時(shí)鐘周期數(shù)各性能參數(shù)關(guān)系舉例Ii/IN——i指令在程序中所占比例Ii——i指令在程序中執(zhí)行的次數(shù)CPIi——i指令所需平均時(shí)鐘周期數(shù)n——指令種類例2：用50MHz處理機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序，它包含的混合指令數(shù)和相應(yīng)所需平均時(shí)鐘周期數(shù)如表所示，求CPI、MIPS和tCPU各性能參數(shù)關(guān)系舉例指令類型指令數(shù)目平均時(shí)鐘周期數(shù)整數(shù)運(yùn)算450001數(shù)據(jù)傳送320002浮點(diǎn)運(yùn)算150002控制傳送800021.3計(jì)算機(jī)的硬件1.3.1硬件組成要素--用算盤計(jì)算y=ax+b-c的步驟行數(shù)解題步驟和數(shù)據(jù)說(shuō)明1取數(shù)(9)→算盤(9)表示第9行的數(shù)a,下同2乘法(12)→算盤完成a*x,結(jié)果在算盤上3加法(10)→算盤完成ax+b,結(jié)果在算盤上4減法(11)→算盤完成ax+b-c,結(jié)果在算盤上5存數(shù)y→13算盤上的y值記到第13行6輸出把算盤上的y值寫(xiě)出給人看7停止運(yùn)算完畢,暫停89a數(shù)據(jù)10b數(shù)據(jù)11c數(shù)據(jù)12x數(shù)據(jù)13y數(shù)據(jù)算盤計(jì)算中用到了：1)算盤:對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加、減、乘、除等算術(shù)運(yùn)算2)紙:存儲(chǔ)解題的原始信息——包括解題步驟和原始數(shù)據(jù)

3)筆:把原始數(shù)據(jù)和解題步驟記錄到紙上，并把運(yùn)算結(jié)果寫(xiě)出

4)人本身(主要是腦和手):控制解題過(guò)程計(jì)算機(jī)與算盤類似的相應(yīng)部件1)運(yùn)算器:相當(dāng)于算盤功能的部件2)存儲(chǔ)器:相當(dāng)于紙那樣具有“記憶”功能的部件3)輸入設(shè)備輸出設(shè)備:相當(dāng)于筆，把原始解題信息送到計(jì)算機(jī)或把運(yùn)算結(jié)果顯示出來(lái)的設(shè)備4)控制器:相當(dāng)于人的大腦,能夠自動(dòng)控制整個(gè)計(jì)算過(guò)程運(yùn)算器控制器存儲(chǔ)器適配器輸入設(shè)備輸出設(shè)備系統(tǒng)總線1.3.2運(yùn)算器

功能：進(jìn)行算術(shù)、邏輯運(yùn)算 由電子線路構(gòu)成的算盤

數(shù)制：二進(jìn)制采用二進(jìn)制的原因有三點(diǎn):字長(zhǎng)(即位數(shù)):通常有8、16、32、64位運(yùn)算規(guī)律簡(jiǎn)單

比較容易實(shí)現(xiàn)節(jié)省元件狀態(tài)數(shù)ALU電路寄存器B累加器A1.3.3存儲(chǔ)器–

有內(nèi)存(半導(dǎo)體存儲(chǔ)器)與外存(磁盤、光盤等)之分

功能：保存或“記憶”解題的原始數(shù)據(jù)和解題步驟

存儲(chǔ)介質(zhì)：內(nèi)存為半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，由觸發(fā)器構(gòu)成，一個(gè)觸發(fā)器存放1bit存儲(chǔ)單元:保存一個(gè)數(shù)據(jù)的多個(gè)觸發(fā)器,稱為一個(gè)存儲(chǔ)單元

8個(gè)bit構(gòu)成一個(gè)字節(jié)(Byte)(1~n)個(gè)字節(jié)構(gòu)成一個(gè)字(Word)，n取決于計(jì)算機(jī)的字長(zhǎng)

存儲(chǔ)單元的標(biāo)識(shí)：?jiǎn)卧刂?，每個(gè)存儲(chǔ)單元的編號(hào)

存儲(chǔ)容量:存儲(chǔ)器所有存儲(chǔ)單元的總數(shù)。常用單位有KB，MB，GB，TB等存儲(chǔ)內(nèi)容：程序、數(shù)據(jù)，均用二進(jìn)制代碼表示1.3.4控制器--

發(fā)號(hào)施令的部件，控制計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件有條不紊地進(jìn)行工作具體任務(wù)：從內(nèi)存中取出解題步驟加以分析，然后執(zhí)行某種操作1.程序——為解決某一實(shí)際問(wèn)題而設(shè)計(jì)的指令序列每一個(gè)基本操作叫做一條指令，如加、減、乘、除等；解算某一問(wèn)題的一串指令序列，叫做該問(wèn)題的計(jì)算程序，簡(jiǎn)稱為程序操作碼地址碼指令的構(gòu)成：操作的性質(zhì)和操作的地址即操作碼和地址碼操作碼:指出指令所進(jìn)行的操作地址碼:表示運(yùn)算數(shù)據(jù)的來(lái)源及運(yùn)算結(jié)果的去向2.指令的形式存儲(chǔ)程序與程序控制存儲(chǔ)程序：把構(gòu)成程序的指令序列以代碼的形式存放到存儲(chǔ)器中程序控制：當(dāng)計(jì)算機(jī)啟動(dòng)后，控制器依據(jù)存儲(chǔ)的程序控制全機(jī)協(xié)調(diào)地完成預(yù)定的信息處理任務(wù)馮.諾依曼型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想：存儲(chǔ)程序并按地址順序執(zhí)行馮.諾依曼結(jié)構(gòu)：指令和數(shù)據(jù)放在同一個(gè)存儲(chǔ)器哈佛結(jié)構(gòu)：指令和數(shù)據(jù)分別放在兩個(gè)存儲(chǔ)器3.控制器的基本任務(wù)逐條從內(nèi)存中取出指令—取指周期然后執(zhí)行指令—執(zhí)行周期中央處理器CPU、中央處理機(jī)4.指令流和數(shù)據(jù)流

數(shù)據(jù)字：要處理的一個(gè)數(shù)據(jù)

指令字：要執(zhí)行的一條指令計(jì)算機(jī)對(duì)內(nèi)存中指令和數(shù)據(jù)信息的區(qū)分取指周期中從內(nèi)存讀出的信息是指令流,流向控制器；執(zhí)行周期中從內(nèi)存讀出(或向內(nèi)存寫(xiě)入)的信息流是數(shù)據(jù)流,由內(nèi)存流向運(yùn)算器(或從運(yùn)算器流入內(nèi)存)——指令流是單向的，數(shù)據(jù)流是雙向的1.3.5適配器與輸入輸出設(shè)備輸入設(shè)備：把人們熟悉的某種信息形式變換為機(jī)器內(nèi)部能接收和識(shí)別的二進(jìn)制信息形式輸出設(shè)備：把計(jì)算機(jī)處理的結(jié)果變換為人或其他機(jī)器所能接收和識(shí)別的信息形式計(jì)算機(jī)的輸入/輸出設(shè)備通常稱為外圍設(shè)備(3)適配器

輸入輸出設(shè)備通過(guò)適配器部件與主機(jī)相連接

適配器保證外圍設(shè)備用計(jì)算機(jī)所要求的形式發(fā)送或接收信息系統(tǒng)總線——多個(gè)系統(tǒng)部件間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路傳送地址、數(shù)據(jù)和控制信息現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)構(gòu)成：運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、適配器、輸入/輸出設(shè)備，通過(guò)總線互連1.4計(jì)算機(jī)的軟件1.4.1軟件的組成和與分類

計(jì)算機(jī)軟件一般分為兩大類：系統(tǒng)程序應(yīng)用程序

系統(tǒng)程序用來(lái)簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)和使用方法,提高計(jì)算機(jī)的使用效率，發(fā)揮和擴(kuò)大計(jì)算機(jī)的功能及用途包括四類——各種服務(wù)性程序、語(yǔ)言程序、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)

應(yīng)用程序是用戶利用計(jì)算機(jī)解決某些問(wèn)題所編制的程序1.目的程序

直接用機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)程序——手編程序機(jī)器語(yǔ)言是計(jì)算機(jī)唯一可直接識(shí)別和執(zhí)行的語(yǔ)言優(yōu)點(diǎn)：計(jì)算機(jī)可“識(shí)別”并能執(zhí)行缺點(diǎn)：編程繁瑣；耗費(fèi)人力和時(shí)間多；易出錯(cuò)；出錯(cuò)后難查找2.匯編程序機(jī)器指令符號(hào)化

匯編語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言源程序、匯編程序

缺點(diǎn)：和數(shù)學(xué)語(yǔ)言差異很大；依賴具體的機(jī)器3.算法語(yǔ)言

接近自然語(yǔ)言和數(shù)學(xué)公式的語(yǔ)言；與具體機(jī)器無(wú)關(guān)

編譯系統(tǒng)(編譯程序和運(yùn)行系統(tǒng))或解釋程序1.4.2軟件的發(fā)展演變4.操作系統(tǒng)(OS)作用：管理計(jì)算機(jī)資源，為用戶提供使用計(jì)算機(jī)的操作接口分類：批處理操作系統(tǒng)、分時(shí)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等多種5.數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)(DBMS)——數(shù)據(jù)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)管理軟件構(gòu)成數(shù)據(jù)庫(kù)——實(shí)現(xiàn)有組織地、動(dòng)態(tài)地存儲(chǔ)大量相關(guān)數(shù)據(jù)，方便多用戶訪問(wèn)的計(jì)算機(jī)軟、硬件資源組成的系統(tǒng)1.5.1多級(jí)組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)1.微程序設(shè)計(jì)級(jí)或邏輯電路級(jí)實(shí)在的硬件級(jí)，由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微命令2.一般機(jī)器級(jí)(機(jī)器語(yǔ)言級(jí))由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng)，也是硬件級(jí)3.操作系統(tǒng)級(jí)(混