計算機組織與結構使用教材：計算機組成原理，第二版，清華大學出版社(黃穎)主講教師：雷建軍Email:leijj@

HP信科1701)考試方式：考試（70%）+作業（20%）+出勤（10%）重慶郵電大學

第一章計算機系統概述

1.1計算機發展簡史早期的計算工具1819年巴貝奇(劍橋)設計的差分機分析機

第一代計算機—電子管電子計算機（1945）

ENIAC（賓州）由18000個電子管和1500個繼電器組成，重30噸，耗電140KW，占地170平方米，每秒鐘能計算5000次加法。

第二代計算機—晶體管電子計算機（1954）主要器件逐步由電子管改為晶體管，因而縮小了體積，降低了功耗，提高了速度和可靠性，而且價格也不斷下降。第三代計算機—集成電路計算機（1958）集成電路可分為：小規模集成電路（SmallScaleIntegration，SSI），中規模集成電路（MediumScaleIntegration，MSI），大規模集成電路（LargeScaleIntegration，LSI）超大規模集成電路（VeryLargeScaleIntegration，VLSI）。

摩爾定律（1965）:單個芯片中的晶體管數目每年能夠翻一番（1970后18個月）。摩爾定律的影響:1)在芯片集成度快速增長的期間，單個芯片的成本幾乎沒有變化，這意味著計算機邏輯電路和存儲器電路的成本顯著下降。2)因為在集成度更高的芯片中邏輯和存儲器單元的位置更靠近，電路長度更短，所以提高了工作速度。3)計算機體積更小，更容易放置在各種環境中。4)減少了電能消耗及對冷卻的要求。5)集成電路內部的連接比芯片間的連接更可靠，由干芯片中的電路增加，芯片間的連接變得更少。系列機具有以下特性：1)相同的或相似的指令集：在多數情況下，系列中的所有成員都有完全相同的指令集。在一臺機器上執行的指令同樣也能在另一臺機器上執行。某些情況下，系列中低端產品的指令集是高端產品的一個子集。這意味著程序可以向上而不能向下移植。2)相似或相同的操作系統：產品家族中的所有成員都有相同的基本操作系統。有些情況下，高端成員會增添一些新特性。3)更高的速度：成員機器從低端到高端，指令執行速度從低到高。4)更多的I/O端口數：成員機器從低端到高端，I/O端口數越來越多。5)更大的內存容量：成員機器從低端到高端，內存容量越來越大。6)成本增加：成員機器從低端到高端，成本越來越高。

第四代計算機—超大規模集成電路計算機1971第一臺微機MCS-4（Intel4004）1981IBMPC機Intel8086MS-DOS開放的工業標準和總線結構

第五代計算機—普適計算機泛在的（ubiquitous）嵌入式（embedded）普適計算特殊性主要有：（1）硬件和軟件經常是協同設計的；（2）普適計算的重要目標就是將物理世界和信息世界相互關聯；（3）網絡基礎設施尤其是無線網絡技術的發展為普適計算提供了物質基礎；（4）設備尺寸小、功耗和成本低。1.2計算機的分類1、巨型機—尖端科學計算2、大型機—大型商業應用3、小型機—工業控制4、微型機—家庭應用5、工程工作站—專業應用6、嵌入式計算機（目前應用非常廣泛）7、移動終端

平板電腦的主要硬件因素芯片電池內存存儲屏幕攝像頭外殼1.3計算機系統簡介1.3.1計算機系統的層次結構機器語言程序由一系列的二進制代碼串組成（操作嗎和地址碼）用符號代替機器指令的語言就稱為匯編語言，也稱為符號語言。匯編程序代碼翻譯成機器語言程序后，才能被機器接受并運行。

匯編語言機器語言匯編器低級語言高級語言匯編語言（機器語言）編譯程序解釋程序計算機系統的多層次結構1.3.2軟件與硬件的等價性原理軟件和硬件在邏輯上是等價的。任何操作可以由軟件來實現，也可以由硬件來實現；任何指令的執行可以由硬件完成，也可以由軟件來完成。（速度、可靠性、價格）固件(Firmware)：軟件和硬件的結合從功能來說，是軟件；從形態來說，又是硬件。

1.3.3計算機體系結構和計算機組成計算機體系結構指那些能夠被程序員所見到的計算機系統的屬性，即概念性的結構與功能特性。通常是指用機器語言的程序員（也包括匯編語言程序設計者和匯編程序設計者）所看到的傳統機器的屬性。如：指令集、數據類型、存儲器尋址技術和等。大都屬于抽象的屬性。

計算機組成指如何實現計算機體系結構所體現的屬性，它包含了許多對程序員來說是透明的硬件細節。如：如何取指令、分析指令、如何運算、如何傳送結果等。指令系統體現機器的屬性，這些屬于計算機結構的范疇。只要兩臺機器的指令系統相同時，就可以認為它們具有相同的體系結構。具備乘法指令和如何實現乘法指令。1.4計算機的基本組成1.4.1馮·諾伊曼計算機（普林斯頓結構）的特點1）計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入裝置和輸出裝置五大部件組成；2）指令與數據以同等地位存放于存儲器內，并可按地址訪問；3）指令和數據均用二進制碼表示；4）指令由操作碼和地址碼組成，操作碼用來表示操作的性質，地址碼用來表示操作數所在存儲器中的位置；5）指令在存儲器內按順序存放。通常，指令是順序執行的，在特定條件下，可根據運算結果或根據設定的條件改變執行順序；6）機器以運算器為中心，輸入輸出設備與存儲器的數據傳送通過運算器。

1.4.2計算機的硬件框圖

圖中各部分的功能是：1）運算器是執行算術運算和邏輯運算的功能部件。2）控制器是按照人們預先確定的操作步驟，控制計算機各部件步調一致協同工作的功能部件。3）存儲器是用來存儲信息的功能部件。4）輸入設備是用來接受用戶輸入的原始數據和程序，并把它們轉變為計算機能識別的形式存放到內存中。5）輸出設備是用于將存放在內存中由計算機處理的結果轉變為人們所接受的形式。

哈佛結構哈佛結構（Harvardarchitecture）是一種將程序指令存儲和數據存儲分開的存儲器結構。哈佛結構是一種并行體系結構，主要特點是將程序和數據存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數據存儲器是兩個獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址、獨立訪問。1.5計算機性能的評價1.5.1性能評價的時間因素響應時間：完成某一任務所花費的全部時間（輸入輸出、存儲器訪問、操作系統開銷、執行用戶程序）CPU時間表示CPU工作的時間，不包括I/O等待的時間和運行其他程序的時間。CPU時間還可以細分為用戶CPU時間和系統CPU時間，前者表示進程在用戶態運行的時間，而后者則表明進程在內核態運行的時間。

UNIX90.7u12.9s2:3965%

1.5.2性能評價程序的選擇（1）真實的程序真實的程序包括C編譯器、文字處理軟件（如Tex）、CAD軟件（如Spice）。（2）核心測試程序從真實的程序中提取出一些小而關鍵的程序片段來評價程序的性能。核心測試程序最大的用途就是將機器中各項特性的性能分離出來，以解釋運行真實程序時性能有差異的原因。

（3）小型基準測試程序通常只有10到100行代碼，用戶在測試前已經知道運行結果。像快速排序之類的程序，它們得到非常廣泛的應用，因為它們都很小，容易輸出結果，而且幾乎能在所有的計算機上運行。（4）合成基準測試程序與核心測試程序的想法相似，合成基準測試程序取大量程序的指令和操作數出現頻率的平均值。合成基準測試程序的結果不如核心程序，核心測試程序是從真實程序中抽取出來的，而合成基準測試程序是為了模擬其他程序的平均執行情況而人工拼湊出來的。1.6計算機系統設計的準則1、大概率事件優先原則大概率事件優先原則是計算機體系結構設計中最重要和最常用的原則。基本思想：對于大概率事件，賦予它優先的處理權和資源使用權，以獲得全局的最優結果。

2、Amdahl(阿姆達爾定律)定律部件改進后，系統的總執行時間等于不可改進部分的執行時間和可改進部分的執行時間，即

[例2]假定采用以下的改進方式，我們能把原機器的40％時間里的速度加速到10倍快，那么，改進性能后的總的加速比是多少？[解]可改進比例