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计算机组成原理计算机组成原理教材：胡乃平 曲英杰 周艳平 主编 计算机组成与结构 青岛科技大学自编课本 教师：胡乃平hunaiping@163.com 信息科学技术学院计算机软件教研室 ftp://211.87.147.172(A0公共区) 用户名：public 密码：public计算机构成原理其他参考教材：白中英 计算机组成原理 科学出版社 唐朔飞 计算机组成原理 高等教育出版社先修课程：数字逻辑电路 后续课程：计算机平台结构课程性质 ：专业必修课学时分配 ：课堂64学时，实验16学时课程历史沿革：计算机组成原理?1987年，中国计算机学会教育专业委员会推出我 国计算机硕士专业 “87教程”，对8门重点课程 （其中含计算机构成原理）提出了基本规定； ?2002年，中国计算机学会教育专业委员会、全国 高等学校计算机教育研究会推出《中国计算机科学 与科技学科教程2002》，提出软件课程包括“数字 逻辑与数字平台”、“计算机构成”、“计算机体 系结构”三大知识模块; ?2006年，教育部高等学校计算机科学与技术教学 指导委员会推出“高等学校计算机科学与技术专业 发展战略报告暨专业规范”，仍然将“数字逻辑与 数字平台”、“计算机构成”、“计算机体系构架” 列为主干课程。

计算机组成原理 第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 计算机平台概述 数据的表示跟运算 存储器层次结构 指令系统 中央处理器 总线 输入输出平台计算机组成原理 第8章 流水线处理科技 第9章并行计算机体系构架计算机构成原理第1章 计算机系统概论1.1 计算机的演进历程 1.2 计算机平台的层次结构 1.3 计算机的性能指标 1.4 计算机的分类和应用计算机构成原理1.1 计算机的演进历程根据生产计算机所使用的元器件的不同，电子 计算机的演进依次经历了电子管时代、晶体管时代、 中小规模集成电路时代、大规模和超大体量集成电 路时代、甚大规模跟极大规模集成电路时代等几个 不同的发展阶段。 ? 第一代，电子管计算机时代（1946～1959） 电子管是封装在玻璃后盖内的一种电真空器件， 如 图 1.1 所 示 。 世 界 上 第 一 台 电 子 数 字 计 算 机 ENIAC （ Electronic Numerical Integrator And calculator），1946年由美国宾夕法尼亚大学研制， 字长12位，运算速率5000次/秒，使用18800个电子 管、1500个继电器，功耗150kw，占地170m2，重达 30吨，造价100万美元，如图1.2所示。

计算机组成原理图1.1 电子管计算机组成原理图1.2 第一台电子数字计算机ENIAC计算机组成原理?第二代，晶体管计算机时代（1959～1964） 晶体管，通常指的是晶体三极管，是用半导体 材料制作起来、封装在一个金属壳内的带有三个管 脚的小器件，1958年进入批量生产阶段。用它可以 设计出实现反相功能的反相器线路，在此基础上， 再推动出计算机使用的全部组合逻辑线路，和触发 器、寄存器、计数器等诸多时序逻辑线路。用分立 的晶体管线路实现的计算机称为晶体管计算机。第 二代计算机的重量跟价格都增加了，使用的人也多 起来了，计算机工业快速演进，主要用于商业、大 学教学和政府机关。计算机构成原理?第三代，中小规模集成电路计算机时代（1964～1970）集成电路（Integrated Circuit，简称IC）是做在晶 片上的一个完整的电子电路，这个晶片比手手指还小， 却包括了几千个晶体管元件。计算机的数据传输、运 算、传输或者控制用途基本上都是由带有逻辑功能的 各类门电路组成实现的，而门电路又是由晶体管、电 阻、电容等构成，因此集成电路制造技术的演进可以 实现将成百上千个门电路全部制作在一块极小的衬底 上计算机原理教案下载，这种科技的应用并且计算机的密度大大缩小，并 且增加了性能，提高了计算机的可靠性。

第三代计算 机的代表是IBM公司花了50亿美元开发的IBM 360系列。计算机组成原理?第四代，大规模、超大体量集成电路计算机时代 （1970 ～至今）这个时代的计算机使用的器件一直是集成电路， 不过，这种集成电路已经大大改善，它包括着几十 万到上百万个晶体管，人们称之为大规模集成电路 （LargeScale lntegrated Circuit，简称LSI）和超大规模 集成电路（Very Large Scale lntegrated Circuit，简称 VLSI）。1975年，美国1BM公司推出了个人计算机 PC（PersonaI Computer），从此，人们对计算机不 再陌生，计算机起初深入到人类生活的各个方面。表1.1计算机演进历程中各个阶段的特征年代 电子器件第一代 1946-1959电子管 延迟线 磁芯、磁鼓磁 带、纸带第二代 1959-1964晶体管 磁芯、磁鼓 磁带、磁盘第三代 1964-1970集成电路 半导体存储器 磁芯、磁鼓 磁带、磁盘第四代 1970-现在大规模、超大 规模集成电 路 半导体存储器 磁带、磁盘 光盘 实时/分时处理 网络操作系 统 各行各业 几百万至 千亿次/秒 ILLIAC-Ⅳ VAX 11 IBM PC存储器处理方法机器语言 汇编语言科学计算 5000至 3万次/秒 ENIAC EDVAC IBM705监控程序 高级语言科学计算 数据处理 过程控制 几十万至 百万次/秒 UNIVACⅡ IBM7094 CDC6600实时处理 操作系统科学计算 系统设计等 科技项目领域 百万到 几百万次/秒 IBM360 PDP 11 NOVA1200应用领域 运行速率 典型型号计算机组成原理1.2 计算机平台的层次结构为了表述计算机平台的构架，首先应知道地区 分计算机结构跟计算机组织两个概念。

? 计算机结构:对涉及机器语言以及汇编语言的程序设 计人员所看到的计算机平台的属性，更多的状况下 是指计算机的外特性。这些属性直接制约到程序的 逻辑执行，主要包含指令集、表示各类数据类别的 比特数、I/O模式或者存储访问技术等。? 计算机构成:计算机各组件的详细构成及其两者之间 的联接关系，实现机器指令级的各类用途跟特征。 从这一点上，计算机构成是计算机构架的逻辑实现。计算机构成原理?计算机平台一般包含 编译程序将其翻 译成高级语言 硬件和工具两大部分， 计算机的层次结构又 编译程序将其翻 译成汇编语言 是分配软硬件功能的 一种模式表述，也是 汇编程序将其翻 译成机器语言 分析计算机平台的较 好办法。 用机器语言解 释操作系统 ?目前计算机平台层次 结构分为六层，如图 用微程序解释 机器指令 1.3所示。由软件直接执行 微指令应用语言机器第六级高级语言机器第五级汇编语言机器 第四级操作系统语言机器传统机器 （机器语言机器）第二级微程序机器 （微指令系统）第一级图1.3 计算机平台的层次结构计算机构成原理1.2 计算机系统的层次结构1.2.1计算机软件的基本组成 计算机平台的软件部分从外形上看主要有主机、 键盘、鼠标和显示器等构成；从逻辑功能上看，可 以分为控制器、运算器、存储器、输入仪器、输出 设备五个部分，一般地又把运算器和控制器合称为 中央处理器(Central Processing Unit,CPU)。

计算机组成原理1.2.2计算机硬件的分类 ? 计算机硬件：计算机平台中的程序跟文档。程序是对 计算任务的处理对象跟处理规则的表述；文档是为了 便于了解程序所需的阐明性资料。计算机的硬件按照 面向对象的不同可以分为两类：系统软件和应用工具。 ? 系统软件：用于推动平台用途、管理系统的硬件，为 了方便他们使用计算机而设计。系统软件管理整个计 算机系统，合理分配系统资源，确保计算机正确高效 地运行。常用的系统软件有：操作系统、编译器、解 释器、汇编器等。 ? 应用工具：面向客户的，针对某些特定应用而研发的 软件。这类工具一般是推动客户的某类需求。例如安 装在操作系统下的各种应用工具，用于企业的各种资 源管理工具。计算机组成原理? 1.2.3 计算机的工作过程 计算机的工作过程就是将编制好的程序经过输 入设备放置至主存储器中，并将程序保存的首地址 传送至控制器中。 ? 取指阶段：首先，将指令从存储器读至指令寄存器。 ? 分析阶段：接着，它预测这条指令，指出指令应完 成的操作，并指明操作数的地址。 ? 执行阶段：最后，根据指令预测的结果完成某些操 作。 计算机的工作过程就是取指令、分析指令、执 行指令，如此周而复始的过程。

计算机组成原理1.3 计算机的功耗指标? 机器字长：机器字长是指CPU一次可处理二进制数 据的位数，实际上指该计算机中的运算器的位数。 如某机器字长32位，表示该机器中，每次可完成两 个32位二进制数的运算。通常，机器字长越长，计 算机的运算能力越强，其运算效率也越高。 ? 运算速度：计算机的运算速率与这些原因有关，常 用的性能指标如下： （1）CPU的主频（f）：CPU内部的工作频率，表示在 CPU内数字脉冲信号震荡的速率，与CPU实际的运 算能力并没有直接关系，但与CPU实际的运算速率 存在一定的关系。因此，主频仅是CPU功耗表现的 一个方面，而不能代表CPU的整体性能。f?1 T计算机构成原理? 外部工作温度：简称外频。它是由主板为CPU提供的基准时 钟频率，它表示的是平台总线的工作频率；而 ? 倍频：CPU超频与内存相差的倍数。 主频=外频×倍频 （2）时钟周期（T）：CPU内部时钟频率的倒数。是CPU执行 操作的最小时间元素。每个动作大约还要一个时钟周期。 以PC系列微处理器为例，最初的8086和8088执行一条指令平 均必须12个时钟周期 ，CPU的内存与CPU时钟周期互为倒 数，即 1f ? T（3）CPU执行时间：CPU执行某段程序所需的时间，通常用 tCPU表示。

可以用下式来表示： CPU执行时间 ＝ CPU时钟周期数 × CPU时钟周期长计算机组成原理（4）CPI（Cycles Per Instruction）：执行一条指令所 需的时钟周期数。计算推导如下：CPI? 执行某段程序所需的 CPU时钟周期数 该程序包括的指令条数（5）MIPS（Million Instructions Per Second）：每秒 执行多少百万条指令。定义为：MIPS? 指令条数 执行时间?106（6）MFLOPS（Million Floating-point Opereation Per Second）：每秒执行多少百万次浮点运算。定义为：MFLOPS? 浮点操作数量 执行时间?106计算机构成原理1.3.3 吞吐量和响应时间 （1）计算机范畴下的吞吐量分为两种： ? 网络范畴下的吞吐量：在没有帧丢失的状况下，设备可 够接受的最大速度。它的大小主要是由防火墙内网卡， 及程序算法的效率决定的； ? 系统结构下的吞吐量：在单位时间内CPU从内存设备中 读取、处理、存储信息的量，单位是字节/秒（B/S）， 影响因素主要有储存设施的存取速率和CPU的功耗，如 主频、CPI等。

（2）响应时间 在操作系统中，指用户发出请求或指令至系统作出 反应（响应）的时间。计算机组成原理例1. 用一台40MHz处理机执行标准检测程序，它包 含的混合指令数和相应所需的平均时钟周期数如下 表所示：指令类型 整数运算 数据传送 浮点运算 控制传送 指令数 45000 32000 15000 8000 平均时钟周期数 1 2 2 2求：有效CPI、MIPS速率、程序执行时间tCPU。计算机构成原理解： n CPI=? ?CPIi ? Ii / I N ? i ?1 =(45000×1+32000×2+15000×2+8000×2)/ （45000+32000+15000+8000） =1.55(周期/指令) MIPS= f/(CPI×106) =(40×106)/(1.55×106)=25.81(百万条指令/秒) T=1/f=1/(40×106)(秒) tCPU=(45000×1+32000×2+15000×2+8000×2)/(40× 106)=3.875×103(秒)计算机组成原理1.4 计算机分类和应用领域1.4.1 计算机分类 1. 按计算机信息的表示方式跟对信息的处理方法分类 （1）数字计算机 该类计算机输入、处理、输出跟储存的数据都是 数字量，这些数据在时间上是离散的。