计算机组成原理1
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计算机组成原理
第一章 计算机系统的概述
1.1 计算机的发展简史
早期的计算工具
问题：怎么通过齿轮完成计算？怎 么完成加法的进位？结果怎么保 存？…
第一代计算机—电子管电子计算机 ENIAC由18000个电子管和1500个继电器组 成，重30吨，耗电140KW，占地170平方米， 每秒钟能计算5 000次加法。
（3）小型基准测试程序—它们通常只有10到100行代码， 用户在测试前已经知道运行结果。像Eratosthenes的Sieve、 Puzzle、快速排序之类的程序，它们之所以得到如此广泛 的应用，就是因为它们都很小，容易输出结果，而且几乎 能在所有的计算机上运行。这些程序最适宜作为初学编程 时的课外练习。 （4）合成基准测试程序—与核心测试程序的想法相似， 合成基准测试程序取大量程 序的指令和操作数出现频 率的平均值。Whetstone和Dhrystone是最著名的合成基准 测试程序。不会有用户运行合成基准测试程序，因为它们 不会产生任何用户需要的结果。合成基准测试程序的结果 与真实情况的差距更远，因为核心测试程序是从真实程序 中抽取出来的，而合成基准测试程序是为了模拟其他程序 的平均执行情况而人工拼凑出来的，它甚至不如核心程序， 因为至少后者是真实程序的片段。
1.4.2 计算机的硬件框图
图中各部分的功能是： 1）运算器是执行算术运算和逻辑运算的功能部件。 2）控制器是按照人们预先确定的操作步骤，控制 计算机各部件步调一致协同工作的功能部件。 3）存储器是用来存储信息的功能部件。 4）输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程 序，并把它们转变为计算机能识别的形式存放到 内存中。 5）输出设备是用于将存放在内存中由计算机处理 的结果转变为人们所接受的形式。
第二代计算机—晶体管电子计算机 主要器件逐步由电子管改为晶体管，因而缩 小了体积，降低了功耗，提高了速度和可 靠性，而且价格也不断下降。后来又采用 了磁心存储器，使速度得到进一步提高。
第三代计算机—集成电路计算机 集成电路可分成小规模集成电路（Small Scale Integration，SSI），中规模集成电路 （Medium Scale Integration，MSI），大规模 集成电路（Large Scale Integration，LSI）和 超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）。
1.5 计算机性能的评价
1.5.1 性能评价的时间因素 CPU时间表示CPU工作的时间，不包括I/O 等待的时间和运行其他程序的时间。CPU时 间还可以细分为用户CPU时间和系统CPU时 间，前者表示进程在用户态运行的时间， 而后者则表明进程在内核态运行的时间。
1.5.2 性能评价程序的选择 （1）真实的程序—尽管购买机器的人并不知道他将花多 少时间运行这些程序，但他 可以确信有一些用户用这 些程序完成真实的工作。这些真实的程序包括C编译器、 文字处理软件（如Tex）、CAD软件（如Spice）。真实的 程序有输入、输出以及运行时用户可以控制等选项。 （2）核心测试程序—人们曾尝试从真实的程序中提取出 一些小而关键的程序片段 来评价程序的性能。 Livermore和Linpack是最著名的例子。与真实程序不同的是， 用户运行它们只是为了评测机器的性能。核心测试程序最 大的用途就是将机器中各项特性的性能分离出来，以解释 运行真实程序时性能有差异的原因。
摩尔定律:单个芯片中的晶体管数目每年能够翻一番。 摩尔定律的影响: 1) 在芯片集成度快速增长的期间，单个芯片的成本几乎没 有变化，这意味着计算机逻辑电路和存储器电路的成本显 著下降。 2) 因为在集成度更高的芯片中逻辑和存储器单元的位置更 靠近，电路长度更短，所以提高了工作速度。 3) 计算机变得更小，更容易放置在各种环境中。 4) 减少了电能消耗及对冷却的要求。 5) 集成电路内部的连接比芯片间的连接更可靠，由干芯片 中的电路增加，芯片间的连接变得更少。
1、大型机 2、巨型机 3、小型机 4、微型机 5、工程工作站 6、嵌入式计算机（目前应用非常广泛）
1.3 计算机系统简介
1.3.1 计算机系统的层次结构 用符号代替机器指令产生的语言就称为汇 编语言，也称为符号语言。将汇编程序代 码翻译成机器语言程序后，才能被机器接 受并运行。 来自
系列机具有以下特性： 1) 相同的或相似的指令集：多数情况下，系列中的所有成 员都其有完全相同的指令集。这样，能够在一台机器上执 行的指令同样也能在另一台机器上执行。某些情况下，系 列中低端产品的指令集是高端产品的一个子集。这意味着 程序可以向上而不能向下移植。 2) 相似或相同的操作系统：产品家族中的所有成员都有相 同的基本操作系统。有些情况下，高端成员会增添一些新 特性。 3) 更高的速度：成员机器从低端到高端，指令执行速度从 低到高。 4) 更多的I/O端口数：成员机器从低端到高端，I/O端口 数越来越多。 5) 更大的内存容量：成员机器从低端到高端，内存容量越 来越大。 6) 成本增加：成员机器从低端到高端，成本越来越高。
计算机组成是指如何实现计算机体系结构 所体现的属性，它包含了许多对程序员来 说是透明的硬件细节。指令系统体现机器 的属性，这些属于计算机结构的范畴。只 要两台机器的指令系统相同时，就可以认 为它们具有相同的体系结构。
1.4 计算机的基本组成
1.4.1 冯· 诺伊曼计算机的特点 1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入装置和输出 装置五大部件组成； 2）指令与数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址 访问； 3）指令和数据均用二进制码表示； 4）指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的 性质，地址码用来表示操作数所在存储器中的位置； 5）指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行 的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改 变执行顺序； 6）机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器的数据 传送通过运算器。
1.3.2 计算机体系结构和计算机组成
计算机体系结构是指那些能够被程序员所 见到的计算机系统的属性，即概念性的结 构与功能特性，通常是指用机器语言的程 序员（也包括汇编语言程序设计者和汇编 程序设计者）所看到的传统机器的属性， 包括指令集、数据类型、存储器寻址技术 和I/O处理机等，大都属于抽象的属性。
第四代计算机—超大规模集成电路计算机 设计方法和设计工具的重视 第五代计算机—普适计算机 信息空间和信息空间的入口的矛盾严重限制 了人们获取信息和处理信息的能力 个人数字助理（ Personal Digital Assistant ， PDA）是这一代计算机的典型代表
1.2 计算机的分类
第一章 计算机系统的概述
1.1 计算机的发展简史
早期的计算工具
问题：怎么通过齿轮完成计算？怎 么完成加法的进位？结果怎么保 存？…
第一代计算机—电子管电子计算机 ENIAC由18000个电子管和1500个继电器组 成，重30吨，耗电140KW，占地170平方米， 每秒钟能计算5 000次加法。
（3）小型基准测试程序—它们通常只有10到100行代码， 用户在测试前已经知道运行结果。像Eratosthenes的Sieve、 Puzzle、快速排序之类的程序，它们之所以得到如此广泛 的应用，就是因为它们都很小，容易输出结果，而且几乎 能在所有的计算机上运行。这些程序最适宜作为初学编程 时的课外练习。 （4）合成基准测试程序—与核心测试程序的想法相似， 合成基准测试程序取大量程 序的指令和操作数出现频 率的平均值。Whetstone和Dhrystone是最著名的合成基准 测试程序。不会有用户运行合成基准测试程序，因为它们 不会产生任何用户需要的结果。合成基准测试程序的结果 与真实情况的差距更远，因为核心测试程序是从真实程序 中抽取出来的，而合成基准测试程序是为了模拟其他程序 的平均执行情况而人工拼凑出来的，它甚至不如核心程序， 因为至少后者是真实程序的片段。
1.4.2 计算机的硬件框图
图中各部分的功能是： 1）运算器是执行算术运算和逻辑运算的功能部件。 2）控制器是按照人们预先确定的操作步骤，控制 计算机各部件步调一致协同工作的功能部件。 3）存储器是用来存储信息的功能部件。 4）输入设备是用来接受用户输入的原始数据和程 序，并把它们转变为计算机能识别的形式存放到 内存中。 5）输出设备是用于将存放在内存中由计算机处理 的结果转变为人们所接受的形式。
第二代计算机—晶体管电子计算机 主要器件逐步由电子管改为晶体管，因而缩 小了体积，降低了功耗，提高了速度和可 靠性，而且价格也不断下降。后来又采用 了磁心存储器，使速度得到进一步提高。
第三代计算机—集成电路计算机 集成电路可分成小规模集成电路（Small Scale Integration，SSI），中规模集成电路 （Medium Scale Integration，MSI），大规模 集成电路（Large Scale Integration，LSI）和 超大规模集成电路（Very Large Scale Integration，VLSI）。
1.5 计算机性能的评价
1.5.1 性能评价的时间因素 CPU时间表示CPU工作的时间，不包括I/O 等待的时间和运行其他程序的时间。CPU时 间还可以细分为用户CPU时间和系统CPU时 间，前者表示进程在用户态运行的时间， 而后者则表明进程在内核态运行的时间。
1.5.2 性能评价程序的选择 （1）真实的程序—尽管购买机器的人并不知道他将花多 少时间运行这些程序，但他 可以确信有一些用户用这 些程序完成真实的工作。这些真实的程序包括C编译器、 文字处理软件（如Tex）、CAD软件（如Spice）。真实的 程序有输入、输出以及运行时用户可以控制等选项。 （2）核心测试程序—人们曾尝试从真实的程序中提取出 一些小而关键的程序片段 来评价程序的性能。 Livermore和Linpack是最著名的例子。与真实程序不同的是， 用户运行它们只是为了评测机器的性能。核心测试程序最 大的用途就是将机器中各项特性的性能分离出来，以解释 运行真实程序时性能有差异的原因。
摩尔定律:单个芯片中的晶体管数目每年能够翻一番。 摩尔定律的影响: 1) 在芯片集成度快速增长的期间，单个芯片的成本几乎没 有变化，这意味着计算机逻辑电路和存储器电路的成本显 著下降。 2) 因为在集成度更高的芯片中逻辑和存储器单元的位置更 靠近，电路长度更短，所以提高了工作速度。 3) 计算机变得更小，更容易放置在各种环境中。 4) 减少了电能消耗及对冷却的要求。 5) 集成电路内部的连接比芯片间的连接更可靠，由干芯片 中的电路增加，芯片间的连接变得更少。
1、大型机 2、巨型机 3、小型机 4、微型机 5、工程工作站 6、嵌入式计算机（目前应用非常广泛）
1.3 计算机系统简介
1.3.1 计算机系统的层次结构 用符号代替机器指令产生的语言就称为汇 编语言，也称为符号语言。将汇编程序代 码翻译成机器语言程序后，才能被机器接 受并运行。 来自
系列机具有以下特性： 1) 相同的或相似的指令集：多数情况下，系列中的所有成 员都其有完全相同的指令集。这样，能够在一台机器上执 行的指令同样也能在另一台机器上执行。某些情况下，系 列中低端产品的指令集是高端产品的一个子集。这意味着 程序可以向上而不能向下移植。 2) 相似或相同的操作系统：产品家族中的所有成员都有相 同的基本操作系统。有些情况下，高端成员会增添一些新 特性。 3) 更高的速度：成员机器从低端到高端，指令执行速度从 低到高。 4) 更多的I/O端口数：成员机器从低端到高端，I/O端口 数越来越多。 5) 更大的内存容量：成员机器从低端到高端，内存容量越 来越大。 6) 成本增加：成员机器从低端到高端，成本越来越高。
计算机组成是指如何实现计算机体系结构 所体现的属性，它包含了许多对程序员来 说是透明的硬件细节。指令系统体现机器 的属性，这些属于计算机结构的范畴。只 要两台机器的指令系统相同时，就可以认 为它们具有相同的体系结构。
1.4 计算机的基本组成
1.4.1 冯· 诺伊曼计算机的特点 1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入装置和输出 装置五大部件组成； 2）指令与数据以同等地位存放于存储器内，并可按地址 访问； 3）指令和数据均用二进制码表示； 4）指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的 性质，地址码用来表示操作数所在存储器中的位置； 5）指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行 的，在特定条件下，可根据运算结果或根据设定的条件改 变执行顺序； 6）机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器的数据 传送通过运算器。
1.3.2 计算机体系结构和计算机组成
计算机体系结构是指那些能够被程序员所 见到的计算机系统的属性，即概念性的结 构与功能特性，通常是指用机器语言的程 序员（也包括汇编语言程序设计者和汇编 程序设计者）所看到的传统机器的属性， 包括指令集、数据类型、存储器寻址技术 和I/O处理机等，大都属于抽象的属性。
第四代计算机—超大规模集成电路计算机 设计方法和设计工具的重视 第五代计算机—普适计算机 信息空间和信息空间的入口的矛盾严重限制 了人们获取信息和处理信息的能力 个人数字助理（ Personal Digital Assistant ， PDA）是这一代计算机的典型代表
1.2 计算机的分类