组成原理第1章系统概论.ppt

1、第第 1 章章 计算机系统概述计算机系统概述主要内容：主要内容：计算机发展历程计算机发展历程 计算机系统层次结构计算机系统层次结构计算机硬件的基本组成计算机硬件的基本组成计算机软件的分类计算机软件的分类计算机的工作过程计算机的工作过程计算机性能指标计算机性能指标吞吐量、响应时间；吞吐量、响应时间；CPUCPU时钟周期、主频、时钟周期、主频、CPICPI、CPUCPU执行时间；执行时间；MIPSMIPS、MFLOPSMFLOPS。计算机里有什么？计算机里有什么？计算机基本组成计算机基本组成l构成计算机的基础构成计算机的基础理论大部分已经有理论大部分已经有60年了。年了。l目前，计算机的关目前，计

2、算机的关键部件也没有大的键部件也没有大的改变改变CPUData Path(运算器运算器)ControllerMemoryI/O现代计算机现代计算机l功能部件功能部件CPUData PathControllerMemoryI/O成功案例成功案例:Intel PentiumARM计算机运行机制计算机运行机制lDataPath:数据通路数据通路,完成完成算术逻辑运算，寄存器。算术逻辑运算，寄存器。lControl:CPU的组成部的组成部分，它根据当前指令来分，它根据当前指令来控制控制datapath，memory以及以及I/O运行，共同完成运行，共同完成程序功能。程序功能。lMemory:存放运行时

3、程存放运行时程序及其运算数据的场所。序及其运算数据的场所。lInput:信息进入计算机信息进入计算机的设备，如键盘鼠标等。的设备，如键盘鼠标等。lOutput:将处理结果展示将处理结果展示给用户的设备，如显示给用户的设备，如显示器、磁盘、打印机等器、磁盘、打印机等。ComputerMemoryInputOutputDatapathControlVon Neumann计算机计算机ProcessorVon Neumann MachineDataPathMemoryI/O1.1 1.1 计算机的发展历程计算机的发展历程1945年年,美籍数学家冯美籍数学家冯.诺依曼博士发表电诺依曼博士发表电子计算工具

4、逻辑设计论文，提出二进制表达子计算工具逻辑设计论文，提出二进制表达方式和存储程序控制计算机构想。方式和存储程序控制计算机构想。1946年年,美国宾西法尼亚大学研制成功电子数美国宾西法尼亚大学研制成功电子数字计算机字计算机 ENIAC。重约。重约30吨，耗电吨，耗电150kW，占地占地170平方米，用电子管平方米，用电子管18800个，每秒个，每秒5000次加法。次加法。1.1.1 1.1.1 计算机的产生计算机的产生图灵机图灵机1937年，年，Alan Turing提出提出一种一种“通用通用”计算机的概计算机的概念，它可以执行任何一个念，它可以执行任何一个描述好的程序描述好的程序/算法，实现算

5、法，实现需要的功能，形成了需要的功能，形成了“可可计算性计算性”概念的基础。概念的基础。存储程序的思想，使计算存储程序的思想，使计算机从专用走向通用。正是机从专用走向通用。正是这一创新，开创了计算机这一创新，开创了计算机的新时代。的新时代。50年代，年代，Turing提出了提出了“智能智能”计算机的概念。计算机的概念。Turing测试测试Turing机特点机特点通用计算机：并不是保存所有问题的结果。通用计算机：并不是保存所有问题的结果。存储程序计算机：问题的求解由程序或过程给存储程序计算机：问题的求解由程序或过程给出，程序和过程可以通过语言描述。出，程序和过程可以通过语言描述。有限速度：计算机

6、执行程序的时间是有限的。有限速度：计算机执行程序的时间是有限的。有限空间：计算机程序的存放空间和数据存放有限空间：计算机程序的存放空间和数据存放空间也是有限的。空间也是有限的。是现代计算机的鼻祖。是现代计算机的鼻祖。典型冯典型冯.诺依曼（诺依曼（Von Neumann）机结构机结构计算机的基本结构图计算机的基本结构图存储器输出输入运算器控制器数据线路数据线路控制信号控制信号现代计算机结构的鼻祖：五大功能部件现代计算机结构的鼻祖：五大功能部件将程序和数据统一表示：存储器有将程序和数据统一表示：存储器有4096个字，每个字个字，每个字40位。位。采用二进制数据：简化了存储器采用二进制数据：简化了存

7、储器只提供整数运算：任何有能力的数学家都能在头脑中记住只提供整数运算：任何有能力的数学家都能在头脑中记住小数点的位置。小数点的位置。冯冯.诺依曼机的基本特点诺依曼机的基本特点计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。输出设备五部分组成。采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中，由指令组成的程序可以修改。器中，由指令组成的程序可以修改。数据以二进制码表示数据以二进制码表示指令由操作码和地址码组成。指令由操作码和地址码组成。指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指令在存储器中按执行顺序

8、存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增。递增。机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器。机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器。1.1.2 1.1.2 电子计算机的发展简史电子计算机的发展简史第一代第一代 电子管时代电子管时代(1946-1958)：耗电高，体积耗电高，体积大，定点计算，机器语言，汇编语言大，定点计算，机器语言，汇编语言第二代第二代 晶体管时代晶体管时代(1958-1965)：变集中处理为：变集中处理为分级处理，浮点运算、高级语言分级处理，浮点运算、高级语言第三代第三代 中小规模集成电路时代中小规模集成电路时

9、代(1965-1970)：存：存储容量大，运算速度快，几十至几百万次储容量大，运算速度快，几十至几百万次/秒秒第四代第四代 大规模集成电路时代大规模集成电路时代(1971至今至今)：向大：向大型机和微型机两个方向发展型机和微型机两个方向发展现代计算机发展方向：巨型化，微型化，网络化，现代计算机发展方向：巨型化，微型化，网络化，智能化，多媒体化，多核。智能化，多媒体化，多核。摩尔定律摩尔定律第一台通用电子计算机第一台通用电子计算机ENIACElectronic Numerical Integrator and Calculator Mauchly and Eckert 设计设计 1946年年2月

10、月14日第一台通用电子计算机，设计用日第一台通用电子计算机，设计用于计算火炮的弹道于计算火炮的弹道重重30吨，占地吨，占地170平方米，平方米，18800个电子管，耗电个电子管，耗电 150KW运算速度：运算速度：5000次加法次加法/秒秒使用十进制数使用十进制数20个寄存器，每个存放个寄存器，每个存放10位的十进制数位的十进制数通过设置通过设置6000个开关和其它众多的插头和插座来个开关和其它众多的插头和插座来编程编程第一台小型计算机：第一台小型计算机：PDP-11957年由年由DEC公司生产公司生产第二代计算机（晶体管）第二代计算机（晶体管）18位字长，位字长，4K内存，机器周期为内存，机

11、器周期为5微秒微秒售价售价120000美元。售出美元。售出50台。台。开创了计算机产业！开创了计算机产业！第一个系列计算机：第一个系列计算机：IBM 360l第三代计算机第三代计算机l计算机应用：科学计算和计算机应用：科学计算和商务处理商务处理l如何在不同的硬件平台上如何在不同的硬件平台上运行相同的软件？运行相同的软件？l系列计算机：系列计算机：IBM 360l计算机系统结构：程序员计算机系统结构：程序员眼中的计算机。具有相同眼中的计算机。具有相同系统结构的计算机可以运系统结构的计算机可以运行相同的程序。行相同的程序。l微程序控制器微程序控制器应用的普及：应用的普及：IBM PC机机RISC计

12、算机计算机精简指令系统计算机指令系统尽量简单，复杂指令通过简单指令的组合来完成提高计算机的运行速度提高计算机性能提高计算机性能提高计算机性能的方向是采用提高计算机性能的方向是采用并行处理技术并行处理技术。近年来人。近年来人们在谋求突破传统诺依曼体制的束缚，这种努力被称为们在谋求突破传统诺依曼体制的束缚，这种努力被称为非诺依曼化。表现在非诺依曼化。表现在3 3个方面。个方面。对传统诺依曼机进行改造，如采用多个处理部件形成流对传统诺依曼机进行改造，如采用多个处理部件形成流水线处理，依靠时间上的重叠提高处理效率；又如组成水线处理，依靠时间上的重叠提高处理效率；又如组成阵列机结构，形成单指令流多数据流

13、，提高处理速度。阵列机结构，形成单指令流多数据流，提高处理速度。用多个诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。用多个诺依曼机组成多机系统，支持并行算法结构。从根本上改变诺依曼机的控制流驱动方式。例如采用数从根本上改变诺依曼机的控制流驱动方式。例如采用数据流驱动方式，只要数据已经准备好，有关的指令就可据流驱动方式，只要数据已经准备好，有关的指令就可并行执行。并行执行。1.1.3 1.1.3 计算机的分类计算机的分类巨型机巨型机又称为超级计算机，世界少数国家生产。又称为超级计算机，世界少数国家生产。20102010年年1111月，我月，我国国“天河一号天河一号”以峰值速度以峰值速度4700万亿次万

14、亿次/秒秒、持续速度持续速度2570万亿次万亿次/秒浮点运算的性能居秒浮点运算的性能居36届世界超级计届世界超级计算机算机TOP500第一。第一。2011年年6月，第月，第37届届TOP500排行榜，日本排行榜，日本“京京”以每秒以每秒8162万亿次的实测运算速度跻身榜首，万亿次的实测运算速度跻身榜首，“天河一号天河一号”排名排名第二第二。大中型机大中型机大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统大中型企事业单位作为计算中心的主机使用，统一调度主机资源，代表产品有一调度主机资源，代表产品有IBM390IBM390，43004300系列系列等。等。小型机小型机满足部门性的需求，供小型企事业单位使

15、用。典型满足部门性的需求，供小型企事业单位使用。典型产品有产品有DEC-PDPDEC-PDP系列，系列，DEC-VAXDEC-VAX系列等。系列等。工作站工作站用于特殊的专业领域，例如图像处理和辅助设计等。用于特殊的专业领域，例如图像处理和辅助设计等。典型产品有典型产品有HP-APOLLOHP-APOLLO，SUNSUN工作站等。工作站等。微型机微型机个人或家庭使用，个人或家庭使用，PCPC机机/个人计算机，价格低廉。个人计算机，价格低廉。1.2 1.2 计算机硬件组成计算机硬件组成l基本部件有中央处理器基本部件有中央处理器CPUCPU（运算器和控制器）、存（运算器和控制器）、存储器和输入设备

16、、输出设备。储器和输入设备、输出设备。l早期早期运算器运算器和和控制器控制器为为两部分，现在集成在一起。两部分，现在集成在一起。l l存储器存储器存储器存储器用来存放程序和数据，是计算机各种信息的存用来存放程序和数据，是计算机各种信息的存储和交流中心。存储器可与储和交流中心。存储器可与CPUCPU、输入输出设备交换、输入输出设备交换信息。信息。l l输入设备输入设备输入设备输入设备用来输入原始数据和处理这些数据的程序。用来输入原始数据和处理这些数据的程序。输入的信息有数字符、字母和控制符等。输入的信息有数字符、字母和控制符等。l l输出设备输出设备输出设备输出设备用来输出计算机的处理结果。可以是数字、用来输出计算机的处理结果。可以是数字、字母、表格、图形等。字母、表格、图形等。计算机硬件的组成框图计算机硬件的组成框图CPUCPU（包括运算器和控制器）（包括运算器和控制器）存储器存储器ROMROMRAMRAM输入输入/输出设备输出设备(I/O(I/O设备设备)总线总线DBDBDATA BUSDATA BUSABABADDRESS BUSADDRESS BUSCBCBCONTROL BUS