计算机系统组成原理计算机基础

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1、第1章 计算机系统组成基础,计算机组成与汇编语言,1.1 计算机的发展及其分类,1.2 计算机系统的基本组成,1.3 计算机的性能指标分析,第 1 章 计 算 机 系 统 组 成 基 础,本章要点,计算机的分类 计算机的硬件系统 计算机的软件系统 计算机系统的多级层次结构 计算机的主要性能指标,1.1 计算机的发展及其分类,1.1.1 计算机的发展,1.1.3 计算机的分类,1.1.2 PC计算机的发展,1.1 计算机的发展及其分类,1.1.1 计算机的发展,简单回顾 自1946年第一台电子计算机诞生以来，计算机技术在60余年的时间里得到了突飞猛进的发展。 从使用元器件的角度来划分计算机的发展

2、阶段，认为计算机经历了四个发展阶段：电子管时代、晶体管时代、中小规模集成电路时代、大规模和超大规模集成电路时代。,1.1 计算机的发展及其分类,1.1.1 计算机的发展,电子管时代（1946-1954） 采用电子管为基本逻辑电路元件，磁鼓作为主存储器，采用磁带存储器作为外存储器，使用机器语言，采用的是“定点运算制” 。这一代计算机所采用的二进制、存储程序、程序控制的方法，形成了计算机的基本体系，为现代计算机技术的发展提供了理论基础。,ENIAC电子管计算机,1.1 计算机的发展及其分类,1.1.1 计算机的发展,半导体晶体管时代（1955-1964） 采用晶体管为基本逻辑电路元件，采用磁芯存储

3、器作为主存储器，采用磁鼓和磁带作为外存储器，创立了一系列高级程序设计语言，并且提出了多道程序设计、并行处理和可变的微程序设计思想，增加了浮点运算，计算机的应用也从单一的计算发展到了数据、事务管理和过程控制 。,TRADIC全晶体管计算机,1.1 计算机的发展及其分类,1.1.1 计算机的发展,中小规模集成电路时代（1955-1964） 采用中、小规模集成电路为主要逻辑部件，采用半导体存储器作为主存储器，标准化了计算机程序设计语言，并提出了计算机结构化程序设计思想，计算机的体积更小，运算速度更快、运算精度更高、存储容量更大以及可靠性更高。此外，在产品的系列化、计算机系统之间的通信方面都得到了较大

4、发展，计算机的应用领域和普及程度有了迅速的发展。,IBM360集成电路计算机,1.1 计算机的发展及其分类,1.1.1 计算机的发展,大规模和超大规模集成电路时代（1965-1970） 采用大规模和超大规模集成电路VLSI为计算机的逻辑部件，采用半导体存储器为主存储器，并提供虚拟存储能力，计算机外围设备多样化、系列化；实现了软件固化技术，出现了面向对象的计算机程序设计编程思想，并广泛采用了数据库技术、计算机网络技术。,IBM 370系列机 （LSI或VLSI）,1.1 计算机的发展及其分类,1.1.1 计算机的发展,促使计算机高速发展的主要因素是什么呢？ 发展分代上的偏见：器件？ 例：850M

5、Hz的超级计算机IBM蓝色基因/P 计算机发展到今天，计算机系统结构的创新是其主要因素。,1.1 计算机的发展及其分类,1.1.1 计算机的发展,计算机的高速发展不仅在于器件技术的进步，更离不开计算机系统结构的创新。 在大规模集成电路出现之前，器件和对冯.诺依曼系统结构的改进使计算机性能大约以每年25%的速度提高。 20世纪70年代，VLSI技术和微处理器的出现加速计算机的发展，其性能约以35%的速度提高，并逐步转向以微处理器为基础来组成计算机系统。,在软件上，人们已极少使用汇编语言编程计算机，从而降低了目标代码兼容性的要求； 通用、跨平台操作系统如Unix和Linux的出现和发展，使得新的计

6、算机系统结构的成本和风险进一步降低。这促使了20世纪80年代RISC（精简指令系统计算机）的出现和迅速发展，又使指令级并行（从采用流水线到多指令发射）和Cache（高速缓存）技术的使用普遍得以推广。 Intel及时跟上发展的脚步，在其处理器内部将x86（或IA32）指令翻译成类RISC指令，并大量采用许多RISC新技术。而红极一时的VAX系统结构则惨遭淘汰，被RISC系统结构所取代。,1.1 计算机的发展及其分类,1986年之后的16年，计算机系统性能的提高更以50%的速度持续增长。进入新世纪以来，基于微处理器的计算机占据了统治地位，工作站和PC成为计算机产品的主流。基于微处理器的服务器取代了

7、基于逻辑电路或门阵列的小型机，由多个微处理器构成的多处理器系统已经取代了大型机。甚至以复杂计算为主的高端的超级计算机也由多个高性能微处理器构成。,1.1 计算机的发展及其分类,然而，自2002年开始，处理器性能的增长降到了每年约20%的水平。其原因大致有3个： 器件集成度的提高带来器件内部热耗的迅速增大； 半导体器件集成度提高的余地不多； 系统结构上没有多少可以有效发掘的指令级并行，存储器迟延很难设法降低。,1.1 计算机的发展及其分类,2004年，Intel取消了其高性能单一处理器的研究计划，转而加入IBM和Sun阵营，宣称将通过发展多核处理器来进一步提高计算机性能。这标志着一个历史性的转折

8、，处理器的性能不再只依赖于指令级并行，而应更关注线程级并行和数据级并行。一般来说，指令级并行属于隐式并行，它主要利用编译器和硬件技术，可以不需要程序员的干预。而线程级并行和数据级并行是显式并行，要求程序员编写并行代码来改善系统性能。 计算机系统结构的改进将是计算机系统性能提高的主要原动力。,1.1 计算机的发展及其分类,科学技术日新月异飞速发展，促进计算机的体系结构不断发展完善，各种新器件的不断出现，使得计算机在存储容量、运算速度和可靠性等各方面都得到了很大的提高。尤其是在器件集成度提高受到热耗制约的情况下，人们正试图用光电子元件、超导电子元件、生物电子元件等来代替传统的电子元件，制造出在某种

9、程度上具有模仿人的学习、记忆、联想和推理等功能的新一代的计算机系统。计算机系统正朝着功能巨型化、体积功耗微型化、应用网络化和智能化等方向更深入发展。,1.1 计算机的发展及其分类,超级计算机“星云”,天河一号超级计算机,1.1.2 PC计算机的发展,微处理器（Microprocessor，简称P）集成了计算机的主要部件控制器和运算器。微处理器的出现为微型计算机的诞生奠定了基础，为计算机技术的发展和普及开辟了崭新的途径，是计算机科学技术发展史上的一个新的里程碑。,1971年，诞生了最早的微处理器Intel 4004，字长4位。 基本特点： 采用 PMOS 工艺，集成度低（4000个晶体管/片）。

10、 系统结构和指令系统简单，指令数目较少（20 多条指令），基本指令周期为2050s。 主要采用机器语言或简单的汇编语言。 用于家电和简单的控制场合。,1. 早期微处理器的发展,1974年至1977年是8位中高档微机的兴旺时期，其典型产品是苹果公司的Apple IIe（采用6502微处理器） 基本特点： 采用NMOS工艺。 指令系统比较完善，具有典型的计算机体系结构和中断、DMA等控制功能。 采用汇编语言、BASIC、FORTRAN等高级语言和相应的解释程序和编译程序，在后期还出现了操作系统，如CM/P就是当时流行的操作系统。,1978年，16位的Intel 8086处理器诞生。标志着x86架构

11、辉煌发达，影响深远的开始。,所谓X86架构，是指以8086的X86指令集为基础而成长壮大的系列机结构。,2. PC计算机的分代发展,1. 16位PC机时代（1980-1985） 2. 32位PC机时代（1985-1993）,3. 准64位PC机时代（1993-2003） 4. 64位PC机与多核PC机时代（2003-）,PC计算机的分代发展,1. 16位PC机时代（1980-1985）,1978年 IBM PC机 1980年 IBM XT机 intel8086 、8087 16位数据总线和20位地址总线，寻址范围为1MB。主频4.77-8MHz。CISC，只有133条指令 1982年 IBM

12、PC AT机或286机 intel80286、80287 24位地址总线,寻址范围为16MB。主频16-20MHz。扩展到143条指令,2. 32位PC机时代（1985-1993）,1985年 intel80386 、80387 32位地址总线，寻址能力高达4GB，指令集扩展到154条指令 ,后期的PC 386机还引入了Cache系统, 25MHz 1989年 intel80486 新增6条指令, 开始使用RISC，指令流水线技术主频25-100MHz。后期的80486DX片内L1 Cache达到了16KB,采用了时钟倍频技术 1990年，Windows 3.0出现,3. 准64位PC机时代（

13、1993-2003）,Pentium I 1993年 Pentium 60/66/75， 1994年 Pentium 90/95/100， 1995年 Pentium 120/133/ 150 ； 1996年 Pentium Pro 166/180/200 1997年 Pentium MMX 166/200/233,3. 准64位PC机时代（1993-2003）,Pentium I *新增6条指令, 57条MMX多媒体增强指令 *U和V的两条流水线，每条指令流水线分为5段， 后期达到3路超标量和12级超流水线结构 *动态分支预测 *L1 Cache分为16KB指令Cache和16KB数据Cac

14、he，4路写缓存和返回堆栈技术，一个256KB的L2 Cache *系统总线位宽为64位,3. 准64位PC机时代（1993-2003）,1997年 Pentium II *主频由300、350、400升至450MHz *8个64位的MMX寄存器； *L2 Cache达到512K *系统总线位宽为64位 *用于服务器和高端工作站的Xeon（至强）系列处理器,3. 准64位PC机时代（1993-2003）,1999年 Pentium III *主频450/500/733/1200MHz *可寻址内存64G， 内含32k L1 Cache，512Kb/256Kb L2 Cache，双重总线结构，1

15、00M-133M系统总线技术； 128位SSE流式SIMD扩展多媒体指令集,增加了70条多媒体新指令，,3. 准64位PC机时代（1993-2003）,2000年 Pentium 4 *主频1.7/2.2/2.8GHz *NetBurst微架构,3. 准64位PC机时代（1993-2003）,NetBurst微架构： P4的基石 地址线36位（64GB寻址）和40位（1024 GB寻址）； 超深度流水线处理技术（20级31级）； 高级动态执行，包括执行追踪缓存和增强分支预测； 采用先进的指令踪迹Cache； 大容量的片内2级Cache（256KB2MB）； 快速执行引擎，核心是双泵式ALU结构

16、； 采用SIMD指令单元作FPU，提高了多媒体和浮点处理能力；,高速的4倍频处理器前端总线QDR FSB，FSB频率达到400800MHz；SSE2新增144条128位多媒体指令， SSE3又比SSE2新增13条指令； CPU的核心电压由1.75V/1.5V/1.25V逐步降至1V NetBurst微架构使P4的整体性能达到了微机单核处理器的一代顶峰。,3. 准64位PC机时代（1993-2003）,1995年 Windows 95 全新的32位操作系统 Windows 9x/Me/2000/NT/XP等，成为PC机的主流操作系统。,4. 64位PC机与双核PC机时代（2003-）,新一代处理器向着两个方向综合发展， 一是进军64位， 二是开发多核芯片。,4. 64位PC机与双核PC机时代（2003-）,英特尔与惠普合作设计了64位指令集EPIC (Explicitly Parallel Instruction Computing，显性并行指令计算)，并先后于2001年、2002年发布了Itanium(安腾)处理器和Itanium 2处理器。 Itan