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1、NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS Computer Organization and Architecture 计算机组成与体系结构计算机组成与体系结构 NetworkNetwork CompilerCompiler DataData OSOS CACA 2015年5月 2015年5月 安建峰 安建峰 嵌入式系统集成教育部工程研究中心 嵌入式系统集成教育部工程研究中心 西北工业大学计算机学院西北工业大学计算机学院411411室 室 CACA NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS 参考教材 参考教材 NWNW CC CC CA CA DD DD O
2、S OS 计算机与处理器 计算机与处理器 有处理器的电子设备有处理器的电子设备，均可以叫做计算机均可以叫做计算机。 每一个成功的男人背后都有一个成功的女人每一个成功的男人背后都有一个成功的女人！ 每一个成功的电子产品里面至少有一个成功的处理器每一个成功的电子产品里面至少有一个成功的处理器！ 3 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS 计算机抽象层次关系 计算机抽象层次关系 I/O systemProcessorCompilerOperating System (Windows xx)Application (browser,game)Digital DesignCircuit
3、 Design无法显示图像。您的计算机可能因内存不足而无法打开图像，或图像已遭损坏。请重新启动计算机，然后再次打开该文件。如果仍然显示红色 x ，则可能需要删除此图像，然后重新插入该图像。Instruction Set ArchitectureDatapath & Control transistorsMemoryHardwareSoftwareAssembler计算机系统的“基石计算机系统的“基石” 计算机软件的“立足点计算机软件的“立足点” 计算机学生的“专长区计算机学生的“专长区” 是否提供“乘法指令”是否提供“乘法指令”：ISA 如何实现乘法指令（用专门乘如何实现乘法指令（用专门乘 法
4、器还是用一个加法器法器还是用一个加法器+移位器移位器 实现）实现）：Organization 如何布线如何布线、用什么材料等用什么材料等： Implementation Computer Organization and Architecture NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS 目录目录 6. 编写高效代码编写高效代码时间就是生命时间就是生命 5. Cache处理器的“肚量处理器的“肚量” 4. 微架构微架构处理器的内心世界处理器的内心世界 3. 指令集体系结构指令集体系结构处理器的外表处理器的外表 2. 初识处理器初识处理器掀起你的盖头来掀起你的盖头来 1. 漫游计
5、算机硬件世界漫游计算机硬件世界 7. “芯“芯”路历程路历程明明白白我的“芯明明白白我的“芯” 5 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS 计算机与处理器 计算机与处理器 有处理器的电子设备有处理器的电子设备，均可以叫做计算机均可以叫做计算机。 每一个成功的男人背后都有一个成功的女人每一个成功的男人背后都有一个成功的女人！ 每一个成功的电子产品里面至少有一个成功的处理器每一个成功的电子产品里面至少有一个成功的处理器！ 6 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS 计算机之叔计算机之叔(父父) 查尔斯巴贝奇 阿兰图灵 冯诺依曼 7 NWNW CC CC CA C
6、A DD DD OS OS 计算机的基本原理 计算机的基本原理 冯诺依曼结构 冯诺依曼结构 CPU (Central Processing Unit) 输入设备 输出设备 主存 8 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS 冯冯诺依曼原理 诺依曼原理 “存储程序存储程序”的思想是的思想是： 1. 二进制形式表示数据和指令二进制形式表示数据和指令。 2. 数据和指令放在存储器中数据和指令放在存储器中；CPU则依次从存储器取出程则依次从存储器取出程序中的每一条指令序中的每一条指令，并依次执行并依次执行，直到完成全部指令直到完成全部指令。 3. 由由CPU、存储器存储器、输入设备和输
7、出设备四个部分组成计输入设备和输出设备四个部分组成计算机系统算机系统。 9 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS n 30T30T, ,5000次/S5000次/S， 10 The first general-purpose computer - ENIAC NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS 目前最强大的计算机系统 目前最强大的计算机系统 n 峰值峰值：5 5. .49亿亿次49亿亿次。 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS 华人与计算机 华人与计算机 朱传榘朱传榘，他参与了他参与了ENIACENIAC设计设计，获得了获得了198
8、11981年计算机先驱奖年计算机先驱奖。 王安王安，他发明了“磁芯存储器他发明了“磁芯存储器”等多项技术等多项技术，19881988年年，被选入被选入 美国发明家名人堂美国发明家名人堂。王安创办了王安电脑公司王安创办了王安电脑公司，曾经红极一时曾经红极一时。 朱传榘 王安 12 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS 从军用到民用从军用到民用 飞入寻常百姓家 飞入寻常百姓家 大型机 小型机 PC机 军用军用 科研科研 家用家用 13 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS 各式各样的终端 各式各样的终端 14 NWNW CC CC CA CA DD DD O
9、S OS 集成电路集成电路 硅谷八叛将硅谷八叛将(Traitorous Eight) 硅谷八叛将从肖克利半导体实验室出走硅谷八叛将从肖克利半导体实验室出走，创建了仙童半导体创建了仙童半导体， IntelIntel、AMDAMD、美国国家半导体美国国家半导体、LSI LogicLSI Logic、VLSI VLSI 、Altera Altera 和和 XilinxXilinx等等业界众多巨擘的创始人都来自仙童半导体等等业界众多巨擘的创始人都来自仙童半导体。 15 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS 计算机的来世 计算机的来世 在在终结者终结者中中，计算机计算机(Comput
10、er) = (Computer) = 机器人机器人(Robot) (Robot) 16 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS 计算机结构图 计算机结构图 17 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS 计算机系统组成 计算机系统组成 微处理器微处理器 存储器 I/O接口 总线 硬件系统 软件系统 计算机 计算机 系 系 统统 计算机 计算机 ( (主机主机) ) 外 设 ALU 寄存器 控制器 键盘、鼠标 显示器 U盘、硬盘、光驱 打印机、扫描仪 系统软件 应用软件 18 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS 主板主板 CP U 内存内存
11、（ROM，RAM，CACHE） 总线总线（PCI，PCIE，ISA，AGP） 外存外存（硬盘硬盘，软盘软盘，CD-ROM） UPS电源电源 显示卡 显示卡 扩展槽扩展槽 微 机 的 硬 件 系 统微 机 的 硬 件 系 统主 机主 机组装一台计算机组装一台计算机 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS CPU 内存 内存 硬盘 硬盘 显卡 显卡 CPU 20 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS 目录目录 6. 编写高效代码编写高效代码时间就是生命时间就是生命 5. Cache处理器的“肚量处理器的“肚量” 4. 微架构微架构处理器的内心世界处理器的内心世
12、界 3. 指令集体系结构指令集体系结构处理器的外表处理器的外表 2. 初识处理器初识处理器掀起你的盖头来掀起你的盖头来 1. 漫游计算机世界漫游计算机世界 7. “芯“芯”路历程路历程明明白白我的“芯明明白白我的“芯” 21 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS CPUCPU组成如下组成如下： p 运算器运算器负责对数据进行算术逻辑运算的部件 负责对数据进行算术逻辑运算的部件 p 控制器控制器负责分析和控制执行指令的部件 负责分析和控制执行指令的部件 p 寄存器寄存器临时高速存储单元 临时高速存储单元 CPU（中央处理器） 22 NWNW CC CC CA CA DD DD
13、 OS OS CPU Organization 23 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS p CPUCPU中央处理器（中央处理器（Central Processing UnitCentral Processing Unit），它是计算机的大脑它是计算机的大脑，计计算机的运算算机的运算、控制都是由它来处理的控制都是由它来处理的。 p CPUCPU的性能决定了整个计算机的性能的性能决定了整个计算机的性能，是衡量性能的一个重要指标是衡量性能的一个重要指标。它的发展非常迅速它的发展非常迅速，个人电脑从个人电脑从 8088(XT)8088(XT)发展到现在的发展到现在的Pentiu
14、m IVPentium IV时代时代，只经过了只经过了2020年的时间年的时间。 p CPUCPU的运行速度的运行速度，以以MIPS(MIPS(百万个指令每秒百万个指令每秒) )为单位为单位，80888088是是0.750.75，而而速度很快的高能奔腾超过了速度很快的高能奔腾超过了10001000。 p 主频主频，表示表示CPUCPU运算速度运算速度。 CPU（中央处理器） 24 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS Intel 386 芯片 25 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS 国产CPU 国产CPU n 龙芯。龙芯。 n 飞腾。飞腾。 n 申威
15、。申威。 n 华为华为 海思海思 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS Intel 386 版图 27 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS 存储器存储器 大肚能容大肚能容，容天下难容之事 容天下难容之事 28 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS n 内存包含有很多存储单元内存包含有很多存储单元，为区分不同的内存单为区分不同的内存单 元元，对计算机中的每个内存单元进行编号对计算机中的每个内存单元进行编号，内存内存 单元的编号称为地址单元的编号称为地址。 1 0 1 1 0 1 1 0 38F04H 内存单 内存单 元地址 元地址 内存单 内存单 元内容元内容 . . . . . . Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 0 1 0 1 1 0 0 0 内存逻辑结构 内存逻辑结构 29 NWNW CC CC CA CA DD DD OS OS 存储系统
