1、计算机组成原理任课教师：石磊郑州大学信息工程学院计算机系Email:Tel:13676986863n教材n石磊，计算机组成原理石磊，计算机组成原理第第2 2版版,清华大学出版清华大学出版社，社，20062006n参考书n白中英，计算机组成原理白中英，计算机组成原理网络版，科学出版网络版，科学出版社，社，20022002n王爱英王爱英,计算机组成与结构计算机组成与结构第第3 3版版,清华大学出清华大学出版社，版社，20012001n钱晓捷，微型计算机原理及应用钱晓捷，微型计算机原理及应用,清华大学出清华大学出版社，版社，20062006第一章第一章 概述概述第二章第二章 计算机中的数据表示计算机
2、中的数据表示第三章第三章 运算方法和运算器运算方法和运算器第四章第四章 存储器及存储系统存储器及存储系统第五章第五章 指令系统指令系统 第六章第六章 中央处理器中央处理器 第七章第七章 系统总线系统总线第八章第八章 输入输出系统输入输出系统第九章第九章 计算机外部设备计算机外部设备 第十章第十章 计算机系统结构计算机系统结构目录 一、课程性质与任务（课程在专业教学计划中的地位与课程教学目标）一、课程性质与任务（课程在专业教学计划中的地位与课程教学目标）“计算机组成原理”属于专业基础课，必修课。面向应用、突出实践、偏向硬件和理论。计算机组成原理是计算机教学中的一门核心课程，是学习计算机课程所要必
3、修的主干课。通过教学，使学生对计算机的各主要部分（运算期、控制器、存储器、输入输出设备）的构成及工作原理有一个深刻的、系统的认识和理解，同时对计算机的发展趋势也有一个较为深入的了解。主要讲解简单、单台计算机的完整组成原理和内部运行机制，包括运算器部件、控制器部件、存储器子系统、输入/输出子系统与输入/输出系统设备，围绕各自的功能、组成、设计、实现、使用等知识进行介绍；此外，该课程的工程性、实践性、技术性比较强，还强调培养学生的动手动脑能力、开创与创新意识、实验技能，这些要求更多的是通过作业、教学实验等环节完成，要求学生有意识地主动加强这些方面的练习与锻炼。二、课程的基本要求（课程教学应使学生达
4、到的基本要求）二、课程的基本要求（课程教学应使学生达到的基本要求）计算机系统概述、计算机中的数据表示、运算方法和运算器、指令系统、随机逻辑和微程序控制原理、存储系统、输入输出系统、计算机外设简介，要求学生掌握计算机的组成和工作原理。通过学习，使学生了解计算机的组成原理及工作原理，以建立整机概念。本课程设有实验，以加深对课程内容的理解，培养学生的动手能力。三、课程与其他课程的联系与分工三、课程与其他课程的联系与分工 先修课：数字电路、模拟电路、汇编语言程序设计 后续课：计算机系统结构、微型计算机系统与设计，关系密切的还有操作系统等课程。四、课程总学时中各环节的学时分配（讲授、实验、上机、实践等）
5、四、课程总学时中各环节的学时分配（讲授、实验、上机、实践等）授课学时：72，实验学时：18教学大纲第一章第一章 概述概述第二章第二章 计算机中的数据表示计算机中的数据表示第三章第三章 运算方法和运算器运算方法和运算器第四章第四章 存储器及存储系统存储器及存储系统第五章第五章 指令系统指令系统 第六章第六章 中央处理器中央处理器 第七章第七章 系统总线系统总线第八章第八章 输入输出系统输入输出系统第九章第九章 计算机外部设备计算机外部设备 第十章第十章 计算机系统结构计算机系统结构目录系统结构基本概念第一章第一章 概述概述v计算机（Computer）是一种以电子器件为基础的，不需人的直接干预，能
6、够对各种数字化信息，进行算术和逻辑运算的快速工具。系统结构基本概念1.1 计算机的发展与应用计算机的发展与应用 计算机从总体上来说分为两大类:模拟计算机和数字计算机。各自主要特点各自主要特点：模拟计算机由模拟运算器件构成，其变量由连续量模拟计算机由模拟运算器件构成，其变量由连续量（如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的（如：电压、电流等）来表示，运算过程也是连续的数字计算机则是由逻辑电子器件构成，其变量为开数字计算机则是由逻辑电子器件构成，其变量为开关量（离散的数字量），采用数字式按位运算，运算关量（离散的数字量），采用数字式按位运算，运算模式是离散式的模式是离散式的系统结构基本概念数字
7、计算机与模拟计算计的主要区别比较内容数字计算机模拟计算机数据表示方式数字0和1电压、电流等计算方式数字计算电量组合和测量值控制方式程序控制模拟信号组合控制精度、抗干扰性高、好低、差数据存储量大小、几乎无逻辑判断能力强无系统结构基本概念1.1.1 计算机的发展简史 （1/5）1、第一代计算机、第一代计算机 （1）1946年第一台计算机年第一台计算机ENIAC50年代末年代末 （2）主要特征：电子管作为电子器件）主要特征：电子管作为电子器件 （3）软件处于初始阶段，使用机器语言与符号语言）软件处于初始阶段，使用机器语言与符号语言编制程序编制程序 （4）特点：体积大，运算速度低，存储容量小，）特点：
8、体积大，运算速度低，存储容量小，主要用于科学计算。主要用于科学计算。系统结构基本概念1.1.1 计算机的发展简史 （2/5）2、第二代计算机、第二代计算机 （1）50年代末年代末60年代初年代初 （2）主要特征：晶体管作为电子器件）主要特征：晶体管作为电子器件 （3）软件开始使用计算机高级语言）软件开始使用计算机高级语言 （4）特点：体积减小，重量轻、寿命长、耗电少）特点：体积减小，重量轻、寿命长、耗电少、运算速度快、存储容量比较大等优点。不仅运算速度快、存储容量比较大等优点。不仅 用于科学计算，还用于数据处理和事务处理，用于科学计算，还用于数据处理和事务处理，并逐渐用于工业控制并逐渐用于工业
9、控制。系统结构基本概念1.1.1 计算机的发展简史 （3/5）3、第三代计算机、第三代计算机 （1）60年代中期年代中期70年代初期年代初期 （2）主要特征：中、小规模集成电路作为电子器）主要特征：中、小规模集成电路作为电子器件件 （3）操作系统出现）操作系统出现 （4）特点：体积与功耗都得到进一步减小，可靠）特点：体积与功耗都得到进一步减小，可靠性和运算速度进一步提高。不仅用于科学计性和运算速度进一步提高。不仅用于科学计算，还用于文字处理、企业管理、自动控制算，还用于文字处理、企业管理、自动控制等领域等领域，出现了管理信息系统，可用于生产出现了管理信息系统，可用于生产管理、交通管理、情报检索
10、等领域管理、交通管理、情报检索等领域。系统结构基本概念1.1.1 计算机的发展简史 （4/5）4、第四代计算机、第四代计算机 （1）1971年到年到1990年。年。（2）主要特征：用大规模与超大规模集成电路）主要特征：用大规模与超大规模集成电路（LSI，VLSI）作为电子器件）作为电子器件 （3）特点：软件越来越丰富，并且功能强大）特点：软件越来越丰富，并且功能强大 （4）代表产品：）代表产品：IBM PC8088802868038680486Pentium系统结构基本概念1.1.1 计算机的发展简史 （5/5）5、第五代计算机、第五代计算机 （1）1990至今至今 （2）主要特征：用甚大规模
11、集成电路（）主要特征：用甚大规模集成电路（ULSI）作）作为电子器件为电子器件 （3）主要标志：一个是单片集成电路规模达）主要标志：一个是单片集成电路规模达100万晶体管以上；另一个是超标量技术的成熟和广万晶体管以上；另一个是超标量技术的成熟和广泛应用。泛应用。v未来的计算机未来的计算机以超大规模集成电路为基础，未来的计算机将以超大规模集成电路为基础，未来的计算机将向巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。向巨型化、微型化、网络化与智能化的方向发展。系统结构基本概念1.1.2 计算机的特点v计算机是由硬件和软件组成的复杂设备计算机是由硬件和软件组成的复杂设备v计算机以电子器件为物质基础计算机
12、以电子器件为物质基础v计算机由程序控制其操作过程计算机由程序控制其操作过程v计算机以离散的数字量形式进行工作计算机以离散的数字量形式进行工作v计算机的基本运算操作是算术和逻辑运算，运算计算机的基本运算操作是算术和逻辑运算，运算速度和计算精度极高速度和计算精度极高系统结构基本概念1.1.3 计算机的应用领域1、科学计算科学计算2、过程检测与控制、过程检测与控制 计算机检测系统：利用计算机对工业生产过程中的某些信计算机检测系统：利用计算机对工业生产过程中的某些信号自动进行检测，把检测到的数据存入计算机，再根据需号自动进行检测，把检测到的数据存入计算机，再根据需要对这些数据进行处理。要对这些数据进行
13、处理。3、信息管理、信息管理是指利用计算机来加工、管理与操作任何形式的数据资料，是指利用计算机来加工、管理与操作任何形式的数据资料，如企业管理、物资管理、报表统计、信息情报检索等如企业管理、物资管理、报表统计、信息情报检索等4、计算机辅助系统、计算机辅助系统 计算机用于辅助设计、辅助制造、辅助教学等方面，统计算机用于辅助设计、辅助制造、辅助教学等方面，统称为计算机辅助系统。称为计算机辅助系统。系统结构基本概念1.2 计算机系统的组成v计算机系统由计算机硬件和计算机软件组成。计算机系统由计算机硬件和计算机软件组成。计算机硬件（计算机硬件（Hardware）是指构成计算机的所有实）是指构成计算机的
14、所有实体部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、体部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成。机械等物理部件组成。计算机软件（计算机软件（Software）主要是一系列按照特定顺序）主要是一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合。组织的计算机数据和指令的集合。1983年，年，IEEE对对软件给出了一个较为全面的定义：软件是计算机程序、软件给出了一个较为全面的定义：软件是计算机程序、方法、规范及其相应的文档以及在计算机上运行是所方法、规范及其相应的文档以及在计算机上运行是所必须的数据。软件是相对于机器硬件而言的。必须的数据。软件是相对于机器硬件而言的。系统结构基本概
15、念1.2.1 计算机的硬件系统1、存储器：存储器是用来存放数据和程序的部件。存储器：存储器是用来存放数据和程序的部件。2、运算器：对信息进行运算处理的部件。主要功能是对二进、运算器：对信息进行运算处理的部件。主要功能是对二进制数码进行算术（加减乘除）和逻辑（与或非）运算。制数码进行算术（加减乘除）和逻辑（与或非）运算。3、控制器：整个计算机的控制核心。主要功能是读取指令、控制器：整个计算机的控制核心。主要功能是读取指令、翻译指令、并向计算机各部分发出控制信号，以便执行指令。翻译指令、并向计算机各部分发出控制信号，以便执行指令。4、输入设备：将数据和程序转换成计算机能够识别和接受的、输入设备：将
16、数据和程序转换成计算机能够识别和接受的信息，并顺序地把它们送入存储器中。输入设备有许多种，信息，并顺序地把它们送入存储器中。输入设备有许多种，例如键盘、鼠标、扫描仪、光电输入机等。例如键盘、鼠标、扫描仪、光电输入机等。5、输出设备、输出设备输出设备将计算机处理的结果以人们能接受的或其它机器输出设备将计算机处理的结果以人们能接受的或其它机器能接受的形式送出。输出设备有许多种类，例如显示器、打能接受的形式送出。输出设备有许多种类，例如显示器、打印机、绘图仪等。印机、绘图仪等。系统结构基本概念1.2.1 计算机的硬件系统存储器存储器数据流数据流控制流控制流运算器运算器外存储器外存储器输输出出设设备备
17、内存储器内存储器输输入入设设备备控制器控制器系统结构基本概念1.运算器v算术运算v逻辑运算v采用二进制数（容易实现）v位数越多，计算精度越高v计算机的运算器长度：8位、16位、32位或64位系统结构基本概念2.存储器v功能：保存或“记忆”数据和运算过程v存储的是0或1表示的二进制代码v主存采用半导体器件来作为存储器v一个半导体触发器记忆一个二进制位v存储单元：在存储器中保存一个n位二进制数的n个触发器，组成一个存储单元v存储器地址：存储器是由许多存储单元组成，每个存储单元的编号，称为地址v存储容量：存储器所有存储单元的总数。通常用单位“KB、MB、GB”等表示v内存储器（主存）和外存储器(辅存
18、）系统结构基本概念表示参加运算的数据表示参加运算的数据从存储器的哪个单元取从存储器的哪个单元取运算的结果应存到哪个单元运算的结果应存到哪个单元3.控制器v控制计算机的各个部件有条不紊地进行工作v指令有两部分：操作的性质和操作的地址操作码地址码指出指令所进行的操作指出指令所进行的操作加、减、乘、除、取数、存数等加、减、乘、除、取数、存数等 指令操作码加法减法乘法除法取数存数打印停机001010011100101110111000系统结构基本概念电子计算机的设计思想电子计算机的设计思想v存储程序，程序控制存储程序，程序控制v“存储程序存储程序”，是把，是把指令指令以代码的形式事先以代码的形式事先输
19、入到计算机的主存储器中，即用记忆数据输入到计算机的主存储器中，即用记忆数据的同的同 一装置存储执行运算的命令，这些指令一装置存储执行运算的命令，这些指令按一定的规则组成按一定的规则组成程序程序v“程序控制程序控制”，是当计算机启动后，程序就，是当计算机启动后，程序就会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，自动完成预定的信息处理任务自动完成预定的信息处理任务v冯冯诺依曼型计算机的设计思想诺依曼型计算机的设计思想存储程序并按地址顺序执行存储程序并按地址顺序执行系统结构基本概念v冯冯诺依曼计算机的基本思想诺依曼计算机的基本思想v采用二进制形式表示数据和指令。指令由
20、操作码采用二进制形式表示数据和指令。指令由操作码和地址码组成；和地址码组成；v将程序和数据存放在存储器中，使计算机在工作将程序和数据存放在存储器中，使计算机在工作时从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任时从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。这就是务。这就是“存储程序存储程序”和和“程序控制程序控制”（简称（简称存储程序控制）的概念；存储程序控制）的概念；v指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。v计算机由存储器、运算器、控制器、输入和输出计算机由存储器、运算
21、器、控制器、输入和输出设备五大基本部件组成，规定了设备五大基本部件组成，规定了5 5部分的基本功能部分的基本功能系统结构基本概念控制器的基本任务v 按照计算程序所排的指令序列，先从存储器取出一条指令放到控制器中，对该指令的操作码由译码器进行分析判别，然后根据指令性质，执行这条指令，进行相应的操作。接着从存储器取出第二条指令，再执行第二条指令，依次类推v取指令的一段时间叫做取指周期v执行指令的一段时间叫做执行周期v执行完成指令的时间，称为指令周期系统结构基本概念指令字和数据字，指令流和数据流 v某字为一条指令，则称为指令字v某字代表要处理的数据，称为数据字v在取指周期中从内存读出的信息是指令流，
22、它流向控制器v而执行周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器v时间上：在取指周期中，CPU从内存读出的信息一定是指令；而执行周期中从内存读出或写入的信息一定是数据。v空间上：指令一定流向控制器；而数据则是在内存（或寄存器）与运算器之间流动系统结构基本概念1.2.1 计算机的硬件系统总线（Bus）：是计算机中用于传送信息的公用通道，是为多个部件服务的一组信息传送连接线。总线的分类：（1）按传送信息的属性分：数据总线（DB）在各部件之间传送数据信息 地址总线（AB）传送各部件相互访问的地址信息 控制总线（CB）传送控制各部件操作的控制信息（2）按信息传送的方向分：单向总线双向总线（3）
23、按连接对象和完成的功能分：I/O BUS 用于外设与主机的信息交换。MEMORY BUS用于CPU与主存储器的信息交换系统结构基本概念1.2.1 计算机的硬件系统按总线连接方式，计算机组成结构分为三类1、单总线结构：把各功能部件连接在单总线上，所有部件间的信息交换都经由单总线进行。（1）Unified-Bus：一元化总线：PDP-11 （2）Single-Bus：单总线：IBM-PC2、双总线结构（1）两种总线：存储总线和I/O总线（2）三种形式：（A）以CPU为中心的双总线结构 （B）以存储器为中心的双总线结构 （C）采用通道或输入输出处理机处理输入输出3、多总线结构：在高速外设与主存储器之
24、间可以增设直接存储器访问方式的高速I/O总线（DMA总线）。系统结构基本概念 第一台电子计算机（第一台电子计算机（ENIACENIAC）5000次加法次加法/秒秒体重体重28吨吨占地占地170M218,800只电子管只电子管1500个继电器个继电器耗电耗电150KW计算机发展史计算机发展史系统结构基本概念Top500(2006)Top500(2006)IBM Blue GenIBM Blue Gene e计算机发展史计算机发展史系统结构基本概念Top500(2006.0Top500(2006.06 6)计算机发展史计算机发展史系统结构基本概念摩尔定律v早在早在19641964年，英特尔公司创始
25、人戈登年，英特尔公司创始人戈登.摩尔摩尔（Gordon MooreGordon Moore）在一篇很短的论文里断言：）在一篇很短的论文里断言：每每1818个月，集成电路的性能将提高一倍，而个月，集成电路的性能将提高一倍，而其价格将降低一半。这就是著名的其价格将降低一半。这就是著名的摩尔定律摩尔定律。作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的作为迄今为止半导体发展史上意义最深远的定律，摩尔定律被集成电路近定律，摩尔定律被集成电路近4040年的发展历年的发展历史准确无误地验证着史准确无误地验证着计算机组成原理计算机组成原理32什么是微型计算机l微型计算机（微型计算机（MicrocomputerMicr
26、ocomputer）采用微处理器为核心构造的计算机采用微处理器为核心构造的计算机l微处理器（微处理器（MicroprocessorMicroprocessor）一块大规模集成电路芯片一块大规模集成电路芯片微型机的运算和控制核心微型机的运算和控制核心中央处理单元（中央处理单元（CPUCPU：Central Processing UnitCentral Processing Unit）l相对来说，微机性能、价格、体积较小相对来说，微机性能、价格、体积较小工作学习中使用的个人微机工作学习中使用的个人微机生产生活中运用的各种智能化电子设备生产生活中运用的各种智能化电子设备计算机组成原理计算机组成原理3
27、3微处理器的基本性能指标l字长字长微处理器每个时间单位处理的二进制数据位数微处理器每个时间单位处理的二进制数据位数例如一次进行运算、传输的位数例如一次进行运算、传输的位数l时钟频率时钟频率微处理器的处理速度微处理器的处理速度反映微处理器的基本时间单位反映微处理器的基本时间单位l集成度集成度表明微处理器的生产工艺水平表明微处理器的生产工艺水平常用芯片上集成的晶体管数量来表达常用芯片上集成的晶体管数量来表达计算机组成原理计算机组成原理34通用微处理器l4 4位微处理器位微处理器19711971年，年，Intel 4004Intel 4004，第一个微处理器，第一个微处理器l8 8位微处理器位微处理
28、器M6800M6800、Z80Z80和和Intel 8080/8085Intel 8080/8085AppleApple公司苹果机公司苹果机l1616位微处理器位微处理器Intel 8086/8088 Intel 8086/8088 1616位个人计算机（位个人计算机（PCPC：Personal ComputerPersonal Computer）l3232位微处理器位微处理器8038680386，8048680486，PentiumPentiumPentium 4Pentium 43232位位PCPC机，机，APPLEAPPLE公司的公司的MacintoshMacintosh机机l6464位
29、微处理器位微处理器计算机组成原理计算机组成原理35专用微处理器 l单片机（微控制器，嵌入式控制器，单片机（微控制器，嵌入式控制器，MCUMCU）IntelIntel的的MCS-48MCS-48，MCS-51MCS-51，MCS-96/98MCS-96/98系列系列爱特梅尔（爱特梅尔（AtmlAtml）公司的）公司的AT89AT89系列（与系列（与MCS-51MCS-51兼兼容），容），AT91AT91系列（基于系列（基于ARMARM内核）内核）Microchip TechnologyMicrochip Technology公司的公司的PICPIC系列系列l数字信号处理器（数字信号处理器（DSP
30、DSP）专注于数字信号的高速处理专注于数字信号的高速处理美国德州仪器美国德州仪器TITI公司公司TMS320TMS320各代产品各代产品主要应用于通信、消费类电子产品和计算机主要应用于通信、消费类电子产品和计算机l主要应用形式：嵌入式系统主要应用形式：嵌入式系统IPIP级结构，芯片级结构，模块级结构级结构，芯片级结构，模块级结构计算机组成原理计算机组成原理368086l1616位结构的微处理器：数据总线为位结构的微处理器：数据总线为1616位位l主存容量主存容量1MB1MB：地址总线为：地址总线为2020位位l时钟频率时钟频率5MHz5MHz（IBM PCIBM PC使用使用4.77MHz4.
31、77MHz）l准准1616位微处理器位微处理器80888088：外部数据总线为：外部数据总线为8 8位位lIBM PCIBM PC和和PC/XTPC/XT机使用机使用Intel 8088 CPUIntel 8088 CPUl处理器总线（处理器总线（BusBus）微处理器的对外引脚（微处理器的对外引脚（PinPin）数据、地址和控制三组信号数据、地址和控制三组信号电源和地线电源和地线计算机组成原理计算机组成原理37处理器总线l数据总线（数据总线（DBDB：Data BusData Bus）处理器与存储器或外设交换信息的通道处理器与存储器或外设交换信息的通道个数（条数）是一次能够传送数据的二进制位
32、数个数（条数）是一次能够传送数据的二进制位数 l地址总线（地址总线（ABAB：Address BusAddress Bus）指定存储器或外设的具体单元指定存储器或外设的具体单元个数反映访问的主存储器容量或外设范围个数反映访问的主存储器容量或外设范围l控制总线（控制总线（CBCB：Control BusControl Bus）控制处理器数据传送等操作控制处理器数据传送等操作一个信号两种状态（高或低）两种编码（一个信号两种状态（高或低）两种编码（1或或0）N：2N计算机组成原理计算机组成原理3880286l1616位数据总线，位数据总线，2424位地址总线（位地址总线（16MB16MB主存）主存）
33、l实方式（实方式（Real ModeReal Mode）与与80868086工作方式一样工作方式一样l保护方式（保护方式（Protected ModeProtected Mode）提供存储管理、保护机制和多任务管理的硬件支提供存储管理、保护机制和多任务管理的硬件支持持lIBM PC/ATIBM PC/AT机使用机使用Intel 80286 CPUIntel 80286 CPU1KB210 B1024 B1MB220 B1024 KB1GB230 B1024 MB20：22024：22432：232计算机组成原理计算机组成原理3980386l3232位结构位结构数据总线数据总线3232位，地址总
34、线位，地址总线3232位，可寻址位，可寻址4GB4GB主存主存l虚拟虚拟80868086方式方式（Virtual 8086 ModeVirtual 8086 Mode）保护方式下的保护方式下的80868086工作方式工作方式l系统管理方式（系统管理方式（System Management ModeSystem Management Mode）低功耗节能状态低功耗节能状态英特尔英特尔32位结构：位结构：IA-32（Intel Architecture-32）IA-32微处理器：微处理器：80386，80486，Pentium系列系列计算机组成原理计算机组成原理4080486l8048680486
35、803868038680387803878KB Cache8KB Cachel浮点处理单元浮点处理单元FPUFPU8086/80888086/8088：80878087，8028680286：8028780287，8038680386：8038780387l高速缓冲存储器高速缓冲存储器CacheCache微处理器与主存之间速度很快但容量较小的存储微处理器与主存之间速度很快但容量较小的存储器器用于提高整个存储器系统的存取速度用于提高整个存储器系统的存取速度l复杂指令集计算机复杂指令集计算机CISCCISC融合融合精简指令集计算机精简指令集计算机RISCRISC的技术特点，例如：指令流水线的技术特
36、点，例如：指令流水线指令执行划分成多个步骤在多个部件中独立地进指令执行划分成多个步骤在多个部件中独立地进行行多条指令可以在不同的执行阶段同时进行多条指令可以在不同的执行阶段同时进行计算机组成原理计算机组成原理41Pentiuml俗称的俗称的8058680586微处理器，奔腾微处理器微处理器，奔腾微处理器l3232位结构，连接主存的外部数据总线却是位结构，连接主存的外部数据总线却是6464位位l超标量（超标量（SuperscalarSuperscalar）技术）技术具有可以并行工作的具有可以并行工作的2 2条整数处理流水线，可以达条整数处理流水线，可以达到每个时钟周期执行到每个时钟周期执行2 2
37、条指令条指令l双路高速缓冲结构双路高速缓冲结构8KB8KB代码高速缓冲存储器代码高速缓冲存储器8KB8KB数据高速缓冲存储器数据高速缓冲存储器计算机组成原理计算机组成原理42Pentium Prol原称原称P6P6，中文名称为，中文名称为“高能奔腾高能奔腾”l两个芯片组成两个芯片组成CPUCPU一级（一级（L1L1）CacheCache（8KB8KB代码和代码和8KB8KB数据）数据）二级（二级（L2L2）CacheCache（256KB256KB或或512KB512KB）l扩展的超标量技术扩展的超标量技术1212级指令流水线级指令流水线能同时执行能同时执行3 3条指令条指令l动态执行技术动态
38、执行技术分支预测、数据流分析和推测执行分支预测、数据流分析和推测执行计算机组成原理计算机组成原理43Pentium IIl多媒体扩展指令（多媒体扩展指令（MMXMMX指令）指令）MMXMMX（MutliMedia eXtensionMutliMedia eXtension）整数运算多媒体指令整数运算多媒体指令对图像、音频、视频和通信方面的程序进行优化对图像、音频、视频和通信方面的程序进行优化提升微机对多媒体的处理能力提升微机对多媒体的处理能力lPentium MMXPentium MMX（多能奔腾）：（多能奔腾）：MMXMMX指令应用于指令应用于PentiumPentium处理器处理器lPen
39、tium IIPentium II：MMXMMX指令应用于指令应用于Pentium ProPentium Pro计算机组成原理计算机组成原理44Pentium IIIl数据流数据流SIMDSIMD扩展指令（扩展指令（SSESSE指令）指令）SSESSE（Streaming SIMD ExtensionsStreaming SIMD Extensions）浮点单精度多媒体运算指令浮点单精度多媒体运算指令提高浮点提高浮点3D3D数据的处理能力。数据的处理能力。SSESSE指令类似于指令类似于AMDAMD公司发布的公司发布的3D Now!3D Now!指令指令lPentium IIIPentium
40、III：SSESSE指令应用于指令应用于Pentium II Pentium II l单指令多数据单指令多数据SIMDSIMDSingle Instruction Multiple DataSingle Instruction Multiple Data表示一条指令具有同时处理多组数据的能力表示一条指令具有同时处理多组数据的能力计算机组成原理计算机组成原理45Pentium 4lNetBurstNetBurst的微结构（的微结构（MicroarchitectureMicroarchitecture）指令级并行指令级并行ILPILP（Instruction-Level ParallelInstr
41、uction-Level Parallel）进一步发掘指令之间可以同时执行的能力进一步发掘指令之间可以同时执行的能力l超线程超线程HTHT（Hyper ThreadingHyper Threading）线程级并行线程级并行TLPTLP（Thread-Level ParallelThread-Level Parallel）发掘程序中的并行性发掘程序中的并行性一个物理处理器形成两个逻辑处理器一个物理处理器形成两个逻辑处理器lSSE2SSE2指令指令增强浮点双精度多媒体运算能力增强浮点双精度多媒体运算能力lSSE3SSE3指令指令增强和完善增强和完善MMXMMX，SSESSE和和SSE2SSE2指令
42、指令计算机组成原理计算机组成原理46Intel 80 x86微处理器lCeleronCeleron（赛扬）微处理器（赛扬）微处理器面向低端（低价位）面向低端（低价位）PCPC机机lXeonXeon（至强）微处理器（至强）微处理器面向高端服务器、工作站面向高端服务器、工作站lAMDAMD微处理器微处理器AMDAMD公司生产的公司生产的IA-32IA-32微处理器兼容芯片微处理器兼容芯片IntelIntel公司最主要的竞争对手公司最主要的竞争对手l双核微处理器双核微处理器单芯片多处理器单芯片多处理器SMPSMP技术技术IntelIntel的的Pentium DPentium D：单芯片双：单芯片双
43、Pentium 4Pentium 4核心核心l6464位微处理器位微处理器AMDAMD的的K8K8核心：兼容核心：兼容IA-32IA-32的的6464位微处理器位微处理器IntelIntel的的EM64TEM64T（扩展（扩展6464位技术）：位技术）：IA-32IA-32的的6464位扩展位扩展计算机组成原理计算机组成原理47微型计算机结构1.1.微处理器微处理器2.2.存储器存储器3.I/O3.I/O接口和接口和I/OI/O设备设备4.4.系统总线系统总线控制总线控制总线CB数据总线数据总线DB地址总线地址总线AB微微处处理理器器I/O设备设备I/O接口接口存储器存储器系统总线系统总线BU
44、S计算机组成原理计算机组成原理48微处理器l微机的核心、控制中心，中央处理器微机的核心、控制中心，中央处理器CPUCPUl大规模集成电路大规模集成电路VLSIVLSI芯片，集成芯片，集成控制器控制器运算器（整数运算器）运算器（整数运算器）寄存器（高速存储单元）寄存器（高速存储单元）l高性能微处理器内部还有高性能微处理器内部还有浮点处理单元甚至多媒体数据运算单元浮点处理单元甚至多媒体数据运算单元存储管理单元、代码保护机制存储管理单元、代码保护机制CacheCache计算机组成原理计算机组成原理49存储器l存储器（存储器（MemoryMemory）是存放程序和数据的部件）是存放程序和数据的部件l高
45、性能微机的存储系统高性能微机的存储系统微处理器内部的寄存器（微处理器内部的寄存器（RegisterRegister）高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（CacheCache）主板上的主存储器主板上的主存储器以外设形式出现的辅助存储器以外设形式出现的辅助存储器l主存储器（主存、内存）主存储器（主存、内存）半导体存储器芯片组成半导体存储器芯片组成RAMRAM部分断电后信息丢失部分断电后信息丢失相对造价高、速度快、但容量小相对造价高、速度快、但容量小l辅助存储器（简称辅存或外存）辅助存储器（简称辅存或外存）磁盘、光盘存储器等构成磁盘、光盘存储器等构成相对造价低、容量大、信息可长期保存，但速度慢相对造价低
46、、容量大、信息可长期保存，但速度慢RAM和和ROM计算机组成原理计算机组成原理50I/O接口和I/O设备lI/OI/O设备（设备（PeripheralPeripheral）：用户与微机交互）：用户与微机交互输入（输入（InputInput）设备，如标准输入设备：键盘）设备，如标准输入设备：键盘输出（输出（OutputOutput）设备，如标准输出设备：显示器）设备，如标准输出设备：显示器lI/OI/O接口（接口（InterfaceInterface）：外设和主机间的桥梁）：外设和主机间的桥梁完成信号变换、数据缓冲、联络控制等工作完成信号变换、数据缓冲、联络控制等工作较简单的较简单的I/OI/O
47、接口电路与主板一体接口电路与主板一体较复杂的较复杂的I/OI/O接口电路制成独立的电路板（接口卡接口电路制成独立的电路板（接口卡CardCard）计算机组成原理计算机组成原理51系统总线l总线（总线（BusBus）：传递信息的一组公用导线、信息通道）：传递信息的一组公用导线、信息通道l系统总线（系统总线（System BusSystem Bus）：微机系统中信息交换的主）：微机系统中信息交换的主要公共通道要公共通道l地址总线：单向输出主存单元或地址总线：单向输出主存单元或I/OI/O端口的地址信息端口的地址信息l数据总线：读（数据总线：读（ReadRead）操作数据输入微处理器；写）操作数据输
48、入微处理器；写（WriteWrite）操作数据输出到外界（主存或外设）操作数据输出到外界（主存或外设）l控制总线：有些控制信号或状态信号输出；有些请求控制总线：有些控制信号或状态信号输出；有些请求或联络信号输入或联络信号输入l微机系统采用总线结构，总线连接使得微机组合灵活、微机系统采用总线结构，总线连接使得微机组合灵活、扩展方便扩展方便计算机组成原理计算机组成原理52个人微机l8 8位时代：位时代：Apple-IIApple-II机，中华学习机机，中华学习机l1616位时代：位时代：IBM PCIBM PC系列机系列机19811981年，年，IBM PCIBM PC机：机：Intel 8088
49、Intel 8088，DOSDOS19821982年，年，IBM PC/XTIBM PC/XT（Expanded TechnologyExpanded Technology）19841984年，年，IBM PC/ATIBM PC/AT（Advanced TechnologyAdvanced Technology）IBM PC/XT/ATIBM PC/XT/AT机的兼容微机机的兼容微机l3232位时代：位时代：3232位位PCPC机机IA-32IA-32或其兼容微处理器或其兼容微处理器WindowsWindows或或LinuxLinuxl6464位时代：位时代：系统结构基本概念v计算机是由运算器
50、、存储器、控制器、适配器、总线和输入/输出设备组成的。都是由元件构成的有形物体，因而称为硬件或硬设备。硬件是计算机系统中实际物理装置的总称v计算程序，因为它是无形的东西，称为软件或软设备。软件是指在硬件上运行的程序和相关的数据及文档v硬件是软件的工作基础，软件是硬件功能的扩充和完善。两者相互依存，相互促进。软件与硬件的结合，构成完整的计算机系统计算机系统计算机系统硬件硬件系统系统软件软件系统系统系统结构基本概念v软件（软件（Software）：指能使计算机工作的程序和程序运行时所需要）：指能使计算机工作的程序和程序运行时所需要的数据，以及与这些程序和数据有关的文字说明和图表资料，其中的数据，以
