計算機組成原理.ppt

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1、計算機組成原理,主講教師：邵雄凱,計算機組成原理課程介紹,課程地位：是計算機類專業(yè)本科生的核心專業(yè)基礎(chǔ)課程。 教學(xué)目的：使學(xué)生既能從全局或宏觀的角度掌握計算機硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和工作原理，又能從局部或微觀的角度理解計算機各個部件的工作過程和交互方式。,計算機組成原理課程介紹,與其它課程的先后關(guān)系 其先導(dǎo)課程有：數(shù)字邏輯、匯編語言。 課程特點：教學(xué)內(nèi)容多,主要參考書,教材：計算機組成原理白中英 科學(xué)出版社 (第五版) 參考教材： 1計算機組成原理唐朔飛 高等教育出版社 2. 計算機組成原理 秦磊華 清華大學(xué)出版社 3. 計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 袁春風(fēng) 清華出版社 4. 現(xiàn)代計算機組成原理 潘松

2、科學(xué)出版社,第章 計算機系統(tǒng)概論,1.1 計算機系統(tǒng)簡介,1.4 計算機的發(fā)展及應(yīng)用,1.3 計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo),1.2 計算機的基本組成,,1.1 計算機系統(tǒng)簡介,由具有各類特殊功能 的信息（程序）組成,1. 計算機系統(tǒng),計算機系統(tǒng),計算機的實體， 如主機、外設(shè)等,一、 計算機的軟硬件概念,,,按任務(wù)需要編制成的各種程序,用來管理整個計算機系統(tǒng),,語言處理程序,操作系統(tǒng),服務(wù)性程序,數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)軟件,軟 件,1.1,,1.1,2. 計算機的解題過程,,,翻譯程序(Translator)有三類： 1.匯編程序(Assembler)：匯編語言源程序機器語言目標(biāo)程序。 2.編譯程序(

3、Complier)：高級語言源程序匯編/機器語言目標(biāo)程序 3.解釋程序(Interpreter )：將高級語言語句逐條翻譯成機器指令并立即執(zhí)行,不生成目標(biāo)文件。,2. 計算機的解題過程, , EXTop=1,ALUSelA=1,ALUSelB=11,ALUop=add, IorD=1,Read,MemtoReg=1,RegWr=1,......,temp = vk; vk = vk+1; vk+1 = temp;,lw $15, 0($2) lw $16, 4($2) sw $16, 0($2) sw $15, 4($2),1000 1100 0100 1111 0000 0000 0000

4、0000 1000 1100 0101 0000 0000 0000 0000 0100 1010 1100 0101 0000 0000 0000 0000 0000 1010 1100 0100 1111 0000 0000 0000 0100,,1.1,,二、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),程序員所見到的計算機系統(tǒng)的屬性 概念性的結(jié)構(gòu)與功能特性,實現(xiàn)計算機體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性,有無乘法指令,如何實現(xiàn)乘法指令,（指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)、I/O機理）,（具體指令的實現(xiàn)）,1.1,三、計算機體系結(jié)構(gòu)和計算機組成,,1.2 計算機的基本組成,1. 計算機由五大部件組成,3. 指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示,

5、4. 指令由操作碼和地址碼組成,6. 以運算器為中心,5. 存儲程序,一、馮諾依曼計算機的特點,5. 存儲程序,,算術(shù)運算 邏輯運算,存放數(shù)據(jù) 和程序,將信息轉(zhuǎn)換成機 器能識別的形式,將結(jié)果轉(zhuǎn)換成 人們熟悉的形式,指揮程序 運行,1.2,1.馮諾依曼計算機硬件框圖,,1.2,1.馮諾依曼計算機硬件框圖,,一個典型系統(tǒng)的硬件組成,PC：程序計數(shù)器；ALU：算術(shù)/邏輯單元；USB：通用串行總線,PC主板,CPU插座,,內(nèi)存條,,PCI總線插槽,,1.上機前的準(zhǔn)備,建立數(shù)學(xué)模型,編制解題程序,確定計算方法,程序 運算的 全部步驟,指令 每 一個步驟,1.2,二、計算機的工作步驟,,取x 至運算器中,

6、乘以x 在運算器中,乘以a 在運算器中,存ax2 在存儲器中,取b 至運算器中,乘以x 在運算器中,加ax2 在運算器中,加c 在運算器中,= (ax + b)x + c,取x 至運算器中,乘以a 在運算器中,加b 在運算器中,乘以x 在運算器中,加c 在運算器中,計算 ax2 + bx + c,1.2,編程舉例,,000001 0000001000,打印 ,停機,取數(shù) ,存數(shù) ,加 ,乘 ,指令格式舉例,1.2,,1.2,計算 ax2 + bx + c 程序清單,,存儲體,大樓,存儲單元 存放一串二進(jìn)制代碼,存儲字 存儲單元中二進(jìn)制代碼的組合,存儲字長 存儲單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)

7、,每個存儲單元賦予一個地址號,按地址尋訪, 存儲單元, 存儲元件,（0/1）, 教室, 座位,（無人/ 有人）,(1)存儲器的基本組成,1.2,2.計算機的解題過程,,,MAR,MDR,1.2,存儲器地址寄存器 反映存儲單元的個數(shù),存儲器數(shù)據(jù)寄存器 反映存儲字長,(1)存儲器的基本組成,,取指令,分析指令,執(zhí)行指令,PC,IR,CU,,取指,執(zhí)行,IR 存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令,訪存,訪存,,完成 一條 指令,1.2,(2)控制器的基本組成,,,,,,以取數(shù)指令為例,(3)主機完成一條指令的過程,1.2,,,,,,,,,以存數(shù)指令為例,1.2,,,,(3)主機完成一條指令的過程,,(4) ax2

8、+ bx + c 程序的運行過程,將程序通過輸入設(shè)備送至計算機,程序首地址,,打印結(jié)果,分析指令,取指令,,停機,啟動程序運行,執(zhí)行指令,1.2,,MAR,,M,,MDR,,IR,PC,,CU,OP(IR),Ad(IR),,MAR,,M,,MDR,,ACC,PC,,1.3 計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo),1.機器字長,一般指 一次參與運算數(shù)據(jù)的基本長度。用二進(jìn) 制數(shù)位的長度來表示。 一般與 計算機內(nèi)部 的 寄存器位數(shù)、數(shù)據(jù)總線、運算器、存儲器字長 有關(guān)。 早期的計算機字長一般為16位，現(xiàn)在字長為32位或64位。,,1.3 計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo),2.運算速度,時鐘周期:又稱為節(jié)拍周期或T周期,

9、是時鐘頻率的倒數(shù)。是處理器操作最基本的時間單位。例如，主頻為1GHz的CPU的時鐘周期為1ns。 CPI：表示執(zhí)行每條指令所需要的平均時鐘周期數(shù)。 CPI=一個程序的CPU時鐘周期數(shù)程序指令數(shù)量,,1.3 計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo),2.運算速度,CPI=一個程序的CPU時鐘周期數(shù)程序指令數(shù)量 設(shè)程序中每類指令的使用頻度為Pi,每類指令的CPI為CPIi,每類指令的條數(shù)為ICi,程序中的總指令條數(shù)為IC.則，程序的CPI可用下列公式計算：,,,,,2.運算速度,CPU執(zhí)行時間：是指CPU計算某個任務(wù)所花費的時間，不包括I/O訪問時的等待時間等。 CPU執(zhí)行時間=CPU時鐘周期總數(shù)時鐘周期

10、 =指令條數(shù)CPI 時鐘周期 從上面的公式可以看出CPU的性能與計算機體系的關(guān)系: 時鐘頻率反映了計算機的實現(xiàn)技術(shù)和生產(chǎn)工藝. CPI反映了計算機的實現(xiàn)技術(shù)和指令集結(jié)構(gòu). IC反映了計算機指令系統(tǒng)的設(shè)計和編譯技術(shù).,2.運算速度,響應(yīng)時間：是指計算機完成一個任務(wù)所花費的全部時間，包括存儲訪問時間、磁盤訪問時間和I/O訪問時間等。它是計算機執(zhí)行單個任務(wù)時的性能。 吞吐量：是指計算機系統(tǒng)在單位時間內(nèi)完成的總工作量。它表征了計算機系統(tǒng)執(zhí)行多個任務(wù)時的性能表現(xiàn)。,2.運算速度,MIPS ：是指CPU每秒可以執(zhí)行的百萬條機器指令數(shù)。 MIPS=指令數(shù)（程序執(zhí)行的時間*106） =時鐘頻率（CPI

11、*106） 以MIPS作為衡量計算機系統(tǒng)性能時要注意以下問題: 該指標(biāo)沒有考慮不同指令在功能和執(zhí)行速度上的差異.不能用于不同指令系統(tǒng)計算機之間性能的比較. 同一臺計算機，不同類型的指令系統(tǒng)的MIPS也不一樣。 某些情況下， MIPS值可能與計算機的實際性能成反比。,2.運算速度,MFLOPS ：是指CPU每秒可以執(zhí)行的百萬條浮點操作次數(shù)。 MFLOPS=程序中的浮點操作次數(shù)（程序執(zhí)行的時間*106） 以MFLOPS作為衡量計算機系統(tǒng)性能時要注意以下問題: MFLOPS僅能反映浮點數(shù)的運算速度. MFLOPS的計算結(jié)果與所使用的程序相關(guān)。,3.CPU性能舉例,例1.1 某程序的目標(biāo)代碼主要由4類

12、指令組成，他們在程序中所占比例和各自的CPI如表所示。 求該程序的CPI. 若該CPU的主頻為400MHz，求該機的MIPS.,3.CPU性能舉例,解：根據(jù) CPI=1*0.6+2*0.18+4*0.12+8*0.1 =2.24 根據(jù) MIPS= 時鐘頻率（CPI*106） MIPS=400*106 （2.24*106） =178.6,3.CPU性能舉例,例1.2 程序P在機器A上運行需10 s， 機器A的時鐘頻率為400MHz。 現(xiàn)在要設(shè)計一臺機器B，希望該程序在B上運行只需6 s. 機器B時鐘頻率的提高導(dǎo)致了其CPI的增加，使得程序P在機器B上時鐘周期數(shù)是在機器A上的1

13、.2倍。機器B的時鐘頻率達(dá)到A的多少倍才能使程序P在B上執(zhí)行速度是A上的10/6=1.67倍？,3.CPU性能舉例,解： CPU時間A = 時鐘周期數(shù)A / 時鐘頻率A 時鐘周期數(shù)A = 10 sec x 400MHz = 4000M個 時鐘頻率B = 時鐘周期數(shù)B / CPU時間B = 1.2 x 4000M / 6 sec = 800 MHz,機器B的頻率是A的兩倍， 但機器B的速度并不是A的兩倍！,3.CPU性能舉例,例1.3 假定某程序P編譯后生成的的目標(biāo)代碼由A、B、C、D四類指令組成，他們在程序中所占比例分別為43%、21%、12%和24%，已知

14、他們的CPI分別為1、2、2、2。現(xiàn)重新對程序P進(jìn)行編譯優(yōu)化，生成的新目標(biāo)代碼中A類指令條數(shù)減少了50%，其它類指令的條數(shù)沒有變化，請問： 編譯優(yōu)化前后的CPI各是多少？ 假定程序在主頻為50MHz的計算機上運行，則優(yōu)化前后的MIPS各是多少？ 編譯優(yōu)化前后，哪種代碼的執(zhí)行速度快？,3.CPU性能舉例,解： A類指令條數(shù)減少了50%后，各類指令所占比例如下： A類指令：21.5/（21.5+21+12+24）=27% B類指令：21/（21.5+21+12+24）=27% C類指令：12/（21.5+21+12+24）=15% D類指令：24/（21.5+21+12+24）=31% 優(yōu)化前后程

15、序的CPI分別計算如下： 優(yōu)化前： 43%*1+21%*2+12%*2+24%*2=1.57 優(yōu)化后： 27%*1+27%*2+15%*2+31%*2=1.73,3.CPU性能舉例,解： 優(yōu)化前后程序的MIPS分別計算如下： 優(yōu)化前： 50M/1.57=31.8 MIPS 優(yōu)化后： 50M/1.73=28.9 MIPS 從這個例子可以看出，用MIPS數(shù)來進(jìn)行性能估計是不可靠。,3.CPU性能舉例,解： 設(shè)優(yōu)化前的指令條數(shù)分別為43、21、12、24，總和為100，則優(yōu)化后的分別為21.5、21、12、24，總和為78.5. 優(yōu)化前CPU的執(zhí)行時間為： 指令條數(shù)*CPI*時鐘周期 10

16、0*1.57*T=157 T 優(yōu)化后CPU的執(zhí)行時間為： 78.5*1.73*T=135.8 T,221 = 256 KB,4.存儲容量,,主存容量,輔存容量,,存儲單元個數(shù) 存儲字長,字節(jié)數(shù),字節(jié)數(shù) 80 GB,如 MAR MDR 容量,10 8,16 32,存放二進(jìn)制信息的總位數(shù),1.3,1 K 8位,64 K 32位,,1.4 計算機的發(fā)展及應(yīng)用,1.4.3 計算機的展望,1.4.2 計算機的應(yīng)用,1.4.1 計算機的發(fā)展史,,計算機的分類,1.總體分為電子模擬計算機和電子數(shù)字計算機。 2.電子數(shù)字計算機又可以分為通用計算機和專用計算機。 3。通用計算機又可以分為：巨型機、大型機

17、、中型機、小型機、微型機和單片機。,1.4.1 計算機的發(fā)展史,一、計算機的產(chǎn)生和發(fā)展,1946年 美國 ENIAC,1955年退役,用手工搬動開關(guān)和拔插電纜來編程,,世界上第一臺電子計算機 ENIAC(1946),1.4.1,,硬件技術(shù)對計算機更新?lián)Q代的影響,,1.4.1,,二、微型計算機的出現(xiàn)和發(fā)展,微處理器芯片,存儲器芯片,1971年,1970年,,Moore 定律,Intel 公司的締造者之一 Gordon Moore 提出,,Intel 公司的典型微處理器產(chǎn)品,8080 8位 1974年 8086 16位 1979年 2.9 萬個晶體管 80286

18、 16位 1982年 13.4 萬個晶體管 80386 32位 1985年 27.5 萬個晶體管 80486 32位 1989年 120.0 萬個晶體管 Pentium 64位（準(zhǔn)） 1993年 310.0 萬個晶體管 Pentium Pro 64位（準(zhǔn)） 1995年 550.0 萬個晶體管 Pentium 64位（準(zhǔn)） 1997年 750.0 萬個晶體管 Pentium 64位（準(zhǔn)） 1999年 950.0 萬個晶體管 Pentium 64位 2000年 4 200.0 萬個晶體管,200

19、7 年 芯片上可集成 3 億 5 千萬 個晶體管,2010 年 芯片上可集成 8 億 個晶體管,,Intel產(chǎn)品系列介紹（1）,8080：世界上第一個通用微處理器。8位機。 8086：16位機，采用了指令高速緩存。 80286：可以尋址16MB的存儲空間，不再受1MB存儲空間的限制。 80386： 32位機，它是Intel產(chǎn)品中第一個支持多任務(wù)的處理器。 80486：采用了更為復(fù)雜、功能更為強大的高速緩存技術(shù)和指令流水線技術(shù)。它內(nèi)置浮點協(xié)處理器。,Intel產(chǎn)品系列介紹（2）,Pentium:開始采用超標(biāo)量（Superscalar）技術(shù)。允許更多的指令并行執(zhí)行。 Pent

20、ium Pro:極富有進(jìn)取性的采用了轉(zhuǎn)移預(yù)測、數(shù)據(jù)流分析、推測執(zhí)行等技術(shù)。 Pentium ：采用了專門用于處理視頻、音頻和圖形數(shù)據(jù)的Intel MMX技術(shù)。 Pentium ：采用了新的浮點指令、支持三維圖形軟件。 Pentium ：使用64位組織結(jié)構(gòu)的新一代。,三、軟件技術(shù)的興起和發(fā)展,機器語言 面向機器,匯編語言 面向機器,高級語言 面向問題,FORTRAN 科學(xué)計算和工程計算,PASCAL 結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計,C 面向?qū)ο?Java 適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,1. 各種語言,2.1,,2. 系統(tǒng)軟件,語言處理程序 匯編程序 編譯程序 解釋程序,操作系統(tǒng) DOS UNIX Windo

21、ws,服務(wù)性程序 裝配 調(diào)試 診斷 排錯,數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng) 數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理軟件,網(wǎng)絡(luò)軟件,2.1,,3. 軟件發(fā)展的特點, 開發(fā)周期長, 制作成本昂貴, 檢測軟件產(chǎn)品質(zhì)量的特殊性,2.1,,1.4.2 計算機的應(yīng)用,一、科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理,二、工業(yè)控制和實時控制,三、網(wǎng)絡(luò)技術(shù),1. 電子商務(wù),2. 網(wǎng)絡(luò)教育,3. 敏捷制造,,四、虛擬現(xiàn)實,五、辦公自動化和管理信息系統(tǒng),六、CAD/CAM/CIMS,七、多媒體技術(shù),八、人工智能,2.2,,1.4.3 計算機的展望,一、計算機具有類似人腦的一些超級 智能功能,要求計算機的速度達(dá)1015/秒(千萬億次),二、芯片集成度的提高受以下三方面的

22、限制,芯片集成度受物理極限的制約,按幾何級數(shù)遞增的制作成本,芯片的功耗、散熱、線延遲,,三、？替代傳統(tǒng)的硅芯片,1. 光計算機,2. DNA生物計算機,3. 量子計算機,利用光子取代電子進(jìn)行運算和存儲,通過控制DNA分子間的生化反應(yīng),利用原子所具有的量子特性,2.3,,中國計算機發(fā)展史,1958年，中科院計算所研制成功我國第一臺小型電子管通用計算機103機,標(biāo)志著我國第一臺電子計算機的誕生。 1965年，中科院計算所研制成功第一臺大型晶體管計算機109乙，之后推出109丙機，該機為兩彈試驗中發(fā)揮了重要作用； 1974年，清華大學(xué)等單位聯(lián)合設(shè)計、研制成功采用集成電路的DJS-130小型計算機，運

23、算速度達(dá)每秒100萬次；,中國計算機發(fā)展史,1983年，國防科技大學(xué)研制成功運算速度每秒上億次的銀河-I巨型機，這是我國高速計算機研制的一個重要里程碑； 1985年，電子工業(yè)部計算機管理局研制成功與IBM PC機兼容的長城0520CH微機。 1992年，國防科技大學(xué)研究出銀河-II通用并行巨型機，峰值速度達(dá)每秒4億次浮點運算(相當(dāng)于每秒10億次基本運算操作)，為共享主存儲器的四處理機向量機，總體上達(dá)到80年代中后期國際先進(jìn)水平。它主要用于中期天氣預(yù)報；,中國計算機發(fā)展史,1993年，國家智能計算機研究開發(fā)中心（后成立北京市曙光計算機公司）研制成功曙光一號全對稱共享存儲多處理機，這是國內(nèi)首次以基

24、于超大規(guī)模集成電路的通用微處理器芯片和標(biāo)準(zhǔn)UNIX操作系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)的并行計算機； 1995年，曙光公司又推出了國內(nèi)第一臺具有大規(guī)模并行處理機(MPP)結(jié)構(gòu)的并行機曙光1000(含36個處理機)，峰值速度每秒25億次浮點運算，實際運算速度上了每秒10億次浮點運算這一高性能臺階。曙光1000與美國Intel公司1990年推出的大規(guī)模并行機體系結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)技術(shù)相近，與國外的差距縮小到5年左右。,中國計算機發(fā)展史,1997年，國防科大研制成功銀河-III百億次并行巨型計算機系統(tǒng)，采用可擴展分布共享存儲并行處理體系結(jié)構(gòu)，由130多個處理結(jié)點組成，峰值性能為每秒130億次浮點運算，系統(tǒng)綜合技術(shù)達(dá)到90年代中

25、期國際先進(jìn)水平。 1997至1999年，曙光公司先后在市場上推出具有機群結(jié)構(gòu)(Cluster)的曙光1000A，曙光2000-I，曙光2000-II超級服務(wù)器，峰值計算速度已突破每秒1000億次浮點運算，機器規(guī)模已超過160個處理機，,中國計算機發(fā)展史,1999年，國家并行計算機工程技術(shù)研究中心研制的神威I計算機通過了國家級驗收，并在國家氣象中心投入運行。系統(tǒng)有384個運算處理單元，峰值運算速度達(dá)每秒3840億次。 2000年，曙光公司推出每秒3000億次浮點運算的曙光3000超級服務(wù)器。 2001年，中科院計算所研制成功我國第一款通用CPU“龍芯”芯片,中國計算機發(fā)展史,2002年，曙光公司

26、推出完全自主知識產(chǎn)權(quán)的“龍騰”服務(wù)器，龍騰服務(wù)器采用了“龍芯-1”CPU，采用了曙光公司和中科院計算所聯(lián)合研發(fā)的服務(wù)器專用主板，采用曙光LINUX操作系統(tǒng)，該服務(wù)器是國內(nèi)第一臺完全實現(xiàn)自有產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品，在國防、安全等部門將發(fā)揮重大作用。 2003年，百萬億次數(shù)據(jù)處理超級服務(wù)器曙光4000L通過國家驗收，再一次刷新國產(chǎn)超級服務(wù)器的歷史紀(jì)錄，使得國產(chǎn)高性能產(chǎn)業(yè)再上新臺階。,中國計算機發(fā)展史,2010年， “天河一號”為我國首臺千萬億次超級計算機。速度在世界排名第一，實測運算速度達(dá)到2507萬億次。排名第三的是中國曙光公司研制的“星云”高性能計算機，其實測運算速度達(dá)到每秒1270萬億次。 這個速度意味著，如果用“天河一號”計算一秒，則相當(dāng)于全國13億人連續(xù)計算88年。如果用“天河一號”計算一天，一臺當(dāng)前主流微機得算160年?！疤旌右惶枴钡拇鎯α?，則相當(dāng)于4個國家圖書館藏書量之和。,輸入設(shè)備,輸出設(shè)備,輸入輸出接口和總線,外存設(shè)備,主存儲器,高速緩存,控 制 器,運 算 器,第 三 章,第六、八章,第五章,第二章,,,,,,本課程講授的內(nèi)容如圖:,,,第 七 章,第四章 指令系統(tǒng),內(nèi)容的相互關(guān)系如圖：,,,謝 謝！,,