计算机组成原理 东南大学计算机学院 任国林 Email: renguolin@seu.edu.cn.

Presentation on theme: "计算机组成原理 东南大学计算机学院 任国林 Email: renguolin@seu.edu.cn."— Presentation transcript:

1 计算机组成原理 东南大学计算机学院 任国林

2 课程目标 目标1—掌握组成与原理 *建立计算机系统的整机概念 *掌握计算机部件的组成与工作原理 *了解计算机系统的组成与结构新技术
目标2—训练分析与计算能力 *掌握组成与结构的性能分析方法 *通过量化计算，加深对组成原理的理解 目标3—培养应用与设计能力 *通过实验，培养综合应用及逻辑设计能力

3 第1章 计算机系统概论

4 §1.1 计算机系统简介 一、计算机系统的软硬件 *电子计算机： 电子方式计算、数字方式计算(按位及跳动式)，
根据逻辑判断结果控制计算过程 ←“电脑”的来由 *计算机的目标： --比尔·盖茨 通信工具、创造工具、用户可定制工具 *计算机的功能： 数据存储、数据传送、数据处理，过程控制 按位及跳动式计算←─数值用多位表示 模拟人类思维过程←─逻辑判断+连续处理功能 *计算机系统的组成： 计算机系统 计算机硬件— 计算机软件— 具备特定功能的物理部件 (存储、传送/处理、控制) 表示功能需求的信息(程序)

5 程序(指令序列，不同指令对应不同的硬件功能)
*计算机功能的实现方式： 解题过程— 目标程序 (机器语言) 源程序 (高级语言) ① ② ①编辑 ②编译 用 户 输入设备 输出设备 处理设备 存储设备 解题结果 ③ ③运行 功能的实现方式— ①硬件具备数据存储/传送/处理、过程控制功能 ②软件表示对数据处理及过程等功能的应用需求 ③执行软件实现对数据处理及过程控制等的应用需求 程序(指令序列，不同指令对应不同的硬件功能) *计算机系统组成的特性： 软件功能靠硬件实现，硬件性能靠软件反映

6 二、计算机系统的层次结构 *层次结构：不同层次的程序员所看到的计算机结构 *层次结构的发展：层次增多，软/硬交界面上移 高级语言级机器 M4
用高级语言编程 用编译程序翻译 成汇编语言程序 或机器语言程序 汇编语言级机器 M3 用汇编语言编程 用汇编程序翻译 成机器语言程序 虚拟机器 实际机器 操作系统级机器 M2 使用操作系统命令 用机器语言解释 操作系统命令 汇编语言级、高级语言级—方便程序员；OS级—提高好用性(用户)；uPrg级—提高性能 机器语言级机器 M1 用机器语言编程 直接执行机器指令 用微程序解释 机器指令 微程序级机器 M0 用微指令系统实现 直接执行微指令 *层次结构的发展：层次增多，软/硬交界面上移

7 三、计算机结构与组成 *计算机系统结构：机器语言程序员所看到的计算机属性 (概念性结构和功能特性)
机器语言级机器 M1 微程序级机器 M0 硬件 软件 汇编语言级机器 M3 高级语言级机器 M4 操作系统级机器 M2 软硬件交界面 ISA(Instruction Set Architecture) 指令系统、数据表示、寻址方式,存储系统，I/O系统、信息保护等 指令功能逻辑实现、部件组成、控制机构、排队及缓冲技术等 数字电路级机器 语句、指令概念的区别 器件技术、组装技术等 *计算机组成：实现计算机系统结构时所体现的计算机属性 (计算机硬件设计人员所看到的) *计算机实现：实现计算机组成时所体现的计算机属性

8 计算机系统结构—确定软硬件功能界面及其特性 计算机组成—逻辑实现系统结构的内容 计算机实现—物理实现计算机组成的内容
*相互关系： 计算机系统结构—确定软硬件功能界面及其特性 计算机组成—逻辑实现系统结构的内容 计算机实现—物理实现计算机组成的内容 举例 系统结构 计算机组成 计算机实现 乘法功能 是否有乘法指令 乘法器，或加法器＋移位器 器件、电路 主存系统 最大容量、编址方式 速度保证、单体/多体 MEM总线 带宽 信号线数、时钟、传输方式

9 §1.2 计算机系统基本组成 一、冯·诺依曼模型计算机 *结构与组成： 由运算器、存储器、控制器、输入设备及输出设备组成
注： 数据信息 指令信息 控制信息 状态信息 特征—以运算器为中心 →运算与I/O串行 部件功能：运算器—进行算术/逻辑运算；存储器—存储程序和数据；控制器—控制程序执行过程(各部件自动、协调地工作)； 输入设备—将外部信息形式→机器内部信息形式；输出设备—将机器内部信息形式→外部信息形式 *数据表示与运算： 指令及数据均用二进制方式表示，运算亦采用二进制方式

10 指令及数据预先存放(以等同地位)在存储器中
*存储程序原理之程序存储方式： 指令及数据预先存放(以等同地位)在存储器中 *存储器结构： 由定长单元构成的一维空间，按地址访问 便于自动执行 *指令组成： 由操作码及地址码组成 操作码 地址码1 地址码2 表示操作的性质 表示操作数在MEM中的位置 例：若ADD运算的操作码用010表示，01000#与10000#两个存储单元内容相加的指令可表示为：

11 *存储程序原理之程序控制机制： 按程序逻辑顺序、自动执行所有指令 (逐条取出并执行) 实现指令执行过程 循环地 指令地址
物理 顺序 指令内容 逻辑顺序 A+0 int nCnt=0； ⑴ A+1 int nSum=0； ⑵ A+2 LP: nSum+=nCnt； ⑶ ⑹ ⑼ A+3 nCnt++； ⑷ ⑺ ⑽ A+4 if (nCnt<4) goto LP； ⑸ ⑻ ⑾ A+5 COUT>>nSum； ⑿ 指令地址 当前 下条 循环处理(循环变量) 取出指令 执行指令 ＋“1” 转移发生时 顺序执行时 地址形成 指令地址 指令地址可反映 下条指令地址 由当前指令产生

12 二、计算机硬件的基本组成 1、计算机硬件的结构 现代计算机几乎均在冯·诺依曼模型基础上进行改进 *采用以存储器为中心的结构：
使数据传送与数据处理并行，有利于提高系统性能 存储器 输出设备 输入设备 结果 程序 及数据 控制器 运算器 技术⑴：缓冲技术 缓冲器 技术⑵：DMA技术 (直接存储器访问) 9

13 解决速度-容量-价格间的矛盾，有利于提高性能/价格
*采用多种存储器构成的层次结构： 解决速度-容量-价格间的矛盾，有利于提高性能/价格 计算机硬件 运算器 控制器 存储器 输入设备 输出设备 CPU 主机 I/O设备(外设) 主存(内存) 辅存(外存) I/O设备 (包括辅存) 主 存 储 器 MM 控制单元CU CPU 算术逻辑单元ALU 主机

14 实现部件操作标准化，有利于提高系统的可扩展性
*采用总线互连形式的结构： 实现部件操作标准化，有利于提高系统的可扩展性 CPU 主存 I/O接口1 … 系统总线 I/O设备1 I/O接口n I/O设备n 总线桥 I/O接口 I/O设备 … I/O总线 非标准格式 标准格式 min{所连I/O接口(设备)速度} (按地址访问) (IN/OUT操作)

15 *功能：存储信息(指令和数据)、访问(读/写)信息
2、计算机部件的基本组成 (1)存储器 *功能：存储信息(指令和数据)、访问(读/写)信息 *组成： 地址 …… 存储 阵列 I/O电路 地址译码器 数据 命令 w n … 1 2n-1 w-1 … 1 0 一维排列示例 1 … 2n-1 存储字长w 存储字 抽象 *术语：存储元、存储单元、存储阵列， 存储单元地址、存储单元长度(存储字长)， 存储元—可存储一个二进制位的元件， 存储单元—可同时存储一串二进制位的元件， 存储阵列—所有存储单元的集合； 存储单元地址—每个存储单元被赋予的惟一编号， 存储字—存储单元内存储的二进制编码（信息内容）， 存储字长—存储字所含二进制信息的位数； 存储容量—存储阵列可存储的二进制位数。 存储器容量＝2n×w 位(bit)

16 *完成访问操作的过程： 读操作—①接收地址及命令，内部操作 ②输出数据 写操作—①接收地址及命令 ②接收数据，内部操作 … I/O电路
地址译码器 地址译码器 ①0…01 ①Read I/O电路 ②1#的存储字 写操作—①接收地址及命令 ②接收数据，内部操作

17 *功能：实现算术及逻辑运算、暂存运算结果
(2)运算器 *功能：实现算术及逻辑运算、暂存运算结果 *组成： OP MEM ALU 累加器型运算器 AC OP ALU 寄存器型运算器 寄存器 组(堆) MEM *(AC)+[Y]→AC的实现过程： (0) 被加数(AC)→ALU ALU MEM AC 其他表示法：R[X],M[Y] 或(X),(Y) (1) 加数[Y]→ALU (2) (AC)＋[Y] (3) ALU结果→AC OP AC △约定：(X)表示寄存器X中内容，[Y]表示存储单元Y中内容

18 *功能：控制各部件协调地工作，以实现程序执行过程
(3)控制器 *功能：控制各部件协调地工作，以实现程序执行过程 *程序执行过程的需求： ①循环的指令执行过程(取指令及执行指令) ②当前指令产生下条指令地址(按程序逻辑顺序) 理论上的过程—指令执行过程＋循环 取指令 分析指令 执行指令 循环处理 指令地址寄存器PC 存储器 指令内容寄存器IR 指令译码 器ID 功能部件 +“1” 地址形成部件 转移产生时 11

19 实际的过程—指令执行过程与循环处理重叠 说明：顺序型指令—执行阶段不使用PC，可以提前＋“1”
取指令 分析指令 执行指令 PC＋“1” 计算及重置PC 取指时均进行 转移发生时进行 说明：顺序型指令—执行阶段不使用PC，可以提前＋“1” 转移型指令—执行阶段无操作，可以实现计算及重置PC 转移产生时 指令地址寄存器PC 存储器 指令内容寄存器IR 指令译码 器ID 功能部件 +“1” 地址形成部件

20 ①需有表示不同时段的时标信号(周期性信号) ②可根据需要使部件控制信号在不同时段有效
*程序执行过程的控制需求： ①需有表示不同时段的时标信号(周期性信号) ②可根据需要使部件控制信号在不同时段有效 取指阶段时标信号 分析阶段时标信号 执行阶段时标信号 t 指令周期 取指部件控制信号 有效 有效 分析部件控制信号 有效 有效 执行部件控制信号 有效 有效 *组成：时序部件、控制信号形成部件等 指令寄存器IR … 程序计数器PC 指令译码器ID 控制信号形成部件 时序部件 控制器

21 *功能：实现外部-内部信息的输入/输出及格式转换 *种类：键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘等
(4)输入/输出设备 *功能：实现外部-内部信息的输入/输出及格式转换 *种类：键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘等 *连接：通过I/O接口(又称适配器或控制器)与总线连接， I/O接口实现信息的缓冲、中转等功能 主存 … 系统总线 主存控制器 CPU 用户交互接口 键盘、鼠标等 显示适配器 显示器 通信接口 串口等 总线接口BIU 按地址访问 (IN/OUT操作) *总线基本组成： 地址线(ABus)、数据线(DBus)、控制/状态线(CBus)

22 三、计算机软件的基本组成 1、计算机软件分类 软件分为系统软件及应用软件两大类 实际机器 软硬件交界面 系统软件 应用软件 虚拟机器
语言处理程序 数据库管理系统 服务性程序 网络管理程序 操作系统 科学计算 信息管理 自动控制 人工智能 虚拟现实 应用语言环境 高级语言环境 汇编语言环境 操作系统环境 应用语言程序 高级语言程序 汇编语言程序 操作系统命令串

23 2、操作系统(Operating System，OS)
*主要功能： (管理所有硬件资源及软件环境) 文件管理、作业管理、进程管理、存储管理、设备管理 辅存←→程序 面向软件的硬件管理 程序执行请求―→进程 进程调度与控制 *进程的调度与控制： 调度—在适当时候、按照一定算法选择即将运行的进程 控制—控制上行进程/下行进程的环境切换 CPU时间 OS进程 进程1 进程2 进程3 OS 时间片满、I/O请求等发生 优先级、轮转等算法

24 系统总线(ABus、DBus、CBus) MAR→ABus、Read→CBus、MEM[MAR]→MDR
四、计算机系统的工作过程 1、计算机硬件基本组成 CPU Addr Data Cmd … 控制信号形成部件 时序部件 ID +“1” AC ALU IR PC MAR MDR 数据通路(如总线结构) 系统总线(ABus、DBus、CBus) I/O设备 I/O接口 …… 存储 阵列 I/O电路 地址译码器 主存储器 不影响数据通路及相关部件的使用 *MAR/MDR的作用：使访存操作与内部操作无关(并行) PC→MAR MAR→ABus、Read→CBus、MEM[MAR]→MDR MDR→IR 时间 17 20 16

25 *y=x+b的机器语言程序形成：分编程、编译
2、机器语言程序的形成 *模型计算机的指令系统： 指令 类型 指令格式 操作码OP 地址码ADDR 取数 001 maddr 存数 010 加法 011 停机 100 空闲 指令(操作)功能 AC←[maddr]，取存储单元ADR内容到AC中 maddr←(AC)，AC内容存到存储单元ADDR中 AC←(AC)＋[maddr] 程序执行结束 *y=x+b的机器语言程序形成：分编程、编译 MEM地址 程序中指令 注释 AC←x (00100单元) 1 AC←(AC)＋b (00101单元) 2 y←(AC) 3 100 ***** 停机 4 x 原始数据x (冯氏模型要求) 5 b 原始数据b 6 y 结果数据y

26 *取数指令的执行过程：以AC←[X]为例
3、计算机硬件的工作过程 (1)指令执行过程 *取数指令的执行过程：以AC←[X]为例 主存 MAR MDR AC ALU … 控制信号形成 时序部件 PC IR ID CU +“1” X PC→MAR→MEM(R)→MDR→IR OP(IR)→ID AD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→AC 过程 *加法指令的执行过程：以AC←(AC)+[Y]为例 主存 MAR MDR AC ALU … 控制信号形成 时序部件 PC IR ID CU +“1” Y PC→MAR→MEM(R)→MDR→IR OP(IR)→ID AD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→ALU(+)→AC AC→ALU 18 24

27 ①取指—(PC)→MEM→IR，(PC)＋“1”→PC ②分析—(IR)→ID→CU ③执行—指令约定操作(转移发生时重写PC)，转①
(2)程序执行过程 *程序执行的初始条件： ①程序及数据--已存放在主存MM中 ②PC内容—已设置为程序首条指令地址 *程序执行的操作过程： ─控制器实现 ①取指—(PC)→MEM→IR，(PC)＋“1”→PC ②分析—(IR)→ID→CU ③执行—指令约定操作(转移发生时重写PC)，转① PC 主存储器MEM ID +“1” IR 转移型 顺序型 下条指令地址 当前指令地址 当前指令内容 转移发生时 功能部件 功能部件 地址形成部件 18

28 例—说明y=x+b的机器语言程序执行过程: 设(PC)=00000
MEM MAR MDR AC ALU PC IR ID +“1” … AC←[x] AC←(AC)+[x] [y]←(AC) 停机 00000 00001 00010 00011 指令地址 指令内容 指令功能 程序执行过程：循环的指令执行过程 ←各REG值不断变化 PC→MAR→MEM(R)→MDR→IR OP(IR)→ID +1→PC AD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→AC OP(IR)→ID AD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→ALU(+)→AC AC→ALU PC→MAR→MEM(R)→MDR→IR +1→PC OP(IR)→ID AD(IR)→MAR→MEM(W) AC→MDR→MEM PC→MAR→MEM(R)→MDR→IR +1→PC OP(IR)→ID →(STOP) PC→MAR→MEM(R)→MDR→IR +1→PC 25

29 4、程序的执行管理 (1)程序的执行请求 *执行方式1：从主存固定位置开始执行(位置由硬件固定) 请求方式—计算机开始启动 ←执行自举程序 执行管理—无(立即执行) 硬件要求—主存: 由ROM及RAM组成 PC: 加电时内容为固定值(自举程序首指令地址) *执行方式2：从主存指定位置开始执行(位置由OS指定) 请求方式—用户交互、BOOT程序、OS定时任务 执行管理—OS的作业管理程序实现各作业的登录/撤离、调度与控制

30 *创建进程：创建进程控制块PCB(含程序文件名、进程ID等)
(2)程序的执行准备 ─作业控制之执行程序 进程是CPU调度及资源分配的基本单位 *创建进程：创建进程控制块PCB(含程序文件名、进程ID等) *加载程序：给进程分配主存，将程序拷贝到主存、填写PCB CPU MEM DISK ④按(PC)执行指令 ②拷贝程序 ②填写PCB ③上下文切换 PCB ①创建PCB (3)程序的执行管理 ─进程管理 *进程调度：在适当时候、按一定算法选择即将运行的进程 *上下文切换：保存当前进程、恢复所选进程的上下文， 控制权传递给所选进程 作业管理分作业登录、作业调度、作业控制、作业撤离等过程 进程是可并发执行的程序在一个数据集合上的运行过程 现代OS中，加载程序通常通过缺页异常实现 主要为与CPU相关的信息 *进程执行：CPU自动按PC内容取指令并执行 23

31 §1.3 计算机系统的性能指标 一、性能指标 *系统性能：指在计算机硬件上运行的计算机软件的性能 1、硬件性能参数
*机器字长：指CPU一次能处理的二进制数据位数 字长单位—二进制位(bit) n位CPU—指机器字长为n个二进制位的CPU (Intel 8086是16位CPU，Core 2 Duo是64位CPU) 特指ALU(历史原因) 对硬件的影响—决定了ALU、REG、数据通路的长度

32 *机器主频：指CPU内部主时钟脉冲频率，常用f 表示 频率单位—1GHz=1×103MHz=1×106KHz=1×109Hz
主时钟周期—CPU主时钟脉冲长度，常用TC表示(TC =1/f ) 常简称为“时钟周期” 非标准叫法 *主存容量：指CPU可访问的主存空间大小 容量单位—1GB=1×210MB=1×220KB=1×230B=8×230bit 容量种类—CPU最大寻址空间(最大主存容量)、主存容量 主存单元个数 bw … b0 … … … CPU最大寻址空间 主存单元长度 0…00…0 0…01…1 0…10…0 1…11…1 主存地址位数 An-1 … A0 … …

33 TCPU与程序算法、编译程序、指令系统、计算机组成均相关
2、系统性能指标 时间是唯一标准，主要有响应时间和吞吐量两个指标 *响应时间：指一个任务从任务输入到结果输出的总时间 即T响应＝TCPU＋TI/O等待，TCPU＝T运算＋TMEM 表示方法—CPU时间(TCPU) TI/O等待不易测评、浪费性能 CPU时间—TCPU＝IN ×CPI×TC＝ n —指令系统的指令种类数； TC—CPU主时钟周期(=1/f )，CPIi —第i 种指令的CPI； IN —程序执行的指令数(≠程序的指令数)， Ii —程序中第i 种指令执行次数，CPI—每条指令平均所需TC数 Cycles Per Instruction TCPU与程序算法、编译程序、指令系统、计算机组成均相关 特点—反映了单任务计算机系统的软硬件总体性能 系统优化—TI/O等待时，CPU执行其它程序―→多任务系统

34 解：TCPU＝(3*105 ×5＋7*105 ×8)÷(2×109)＝3.55ms
例1—某计算机主频为2GHz，指令系统有2类(Ⅰ类及Ⅱ类)指令，指令长度均为2B，指令执行时间分别为5个和8个时钟周期。程序A执行时，Ⅰ类指令执行了3*105条，Ⅱ类指令执行了7*105条。求程序A执行的CPU时间。 解：TCPU＝(3*105 ×5＋7*105 ×8)÷(2×109)＝3.55ms 例2—计算机同例1。程序A大小为2MB，其中30%为Ⅰ类指令；程序A执行时，有10%的Ⅰ类指令和20%的Ⅱ类指令各执行了30次，其余指令均只执行了1次。求程序A执行的CPU时间。 解：指令数—Ⅰ类＝0.3*220条，Ⅱ类＝0.7*220条； 执行指令数—Ⅰ类＝0.3*220×(10%×30＋90%)＝1.17*220条， Ⅱ类＝0.7*220×(20%×30＋80%)＝4.76*220条； TCPU＝(1.17*220×5＋4.76*220×8)×TC ＝43.93×220÷(2×109)≈23.03ms 32

35 解：设 程序A在M1、M2上运行所需时钟周期数各为N1、N2 则 TCPUM1＝N1×TC，N1＝TCPU÷TC＝10s×2GHz＝20G个
例3—计算机M1主频为2GHz，程序A在M1上运行时间为10s。计算机M2与M1具有相同的ISA(Instruction Set Architecture)，M2主频高于M1、平均CPI大于M1。若程序A在M2上运行所需时钟周期数为在M1上的1.5倍，欲使程序A在M2上运行时间为6s，则M2的主频至少为多少？ 解：设 程序A在M1、M2上运行所需时钟周期数各为N1、N2 则 TCPUM1＝N1×TC，N1＝TCPU÷TC＝10s×2GHz＝20G个 则 N2＝1.5×N1＝1.5×20G＝30G个 由题意 TCPUM2＝N2×TC’ ≤6s 则 f ’＝1/TC’＝ N2÷TCPUM2≥30G/6s＝5GHz 分析—∵f ’/f＝5/2＝2.5，TCPUM1/TCPUM2＝10/6＝1.67 ∴主频只是影响系统性能的因素之一 33

36 *吞吐量(吞吐率)：指单位时间内能处理的工作量 即TP＝n个任务总工作量÷n个任务总时间
表示—常用MIPS及MFLOPS代替 (∵工作量未达成统一定义) 通常T总 ≠ ∑TCPUi △MIPS(每秒百万次指令) 缺点：不能反映指令功能强弱(可用相对MIPS法) 　　 △MFLOPS(每秒百万次浮点运算) RAS—Reliablity, Availability, Servicebility 缺点：不能反映系统整体性能(只能反映浮点操作能力) 特点—反映了多任务计算机系统的软硬件总体性能 *其他指标：RAS(可靠性/可用性/可维护)，兼容性等 33

37 二、性能设计 1、冯·诺依曼模型计算机的性能瓶颈 *CPU-MEM瓶颈：CPU与MEM的速度差距越来越大
CPU速度—提高4～5倍/3年，得益于VLSI、器件技术 MEM速度—提高1～2倍/3年，受限于S-V-C需求矛盾 解决方案—需从结构与技术方面解决速度匹配问题 *指令串行执行瓶颈：无法并行化导致性能受限 解决方案1—快速串行处理，受限于器件技术， 需从器件技术方面提高性能 ←效果有限 解决方案2—并行处理，受限于指令间的相关性， 需从结构与技术方面解决问题 ←主流方向

38 *增设Cache：提高访存速度，减少访问主存次数 *增加总线宽度：减少访存次数 *采用多级总线：主存连接第一级(最快)总线
2、性能平衡设计 ─解决CPU-MEM瓶颈 目标—减少访存延迟，提高访存效率 *增设Cache：提高访存速度，减少访问主存次数 *增加总线宽度：减少访存次数 *采用多级总线：主存连接第一级(最快)总线 3、CPU性能设计 ─解决指令串行执行瓶颈 目标—提高并行性，减少串行损失 *开发并行技术：操作级流水→操作级并行→指令级并行 *采用数据流技术：按序执行→乱序执行 *使用分支预测技术：按预测方向执行，猜错时再回头执行 作 业：P22—4、6、7、9 12 14

39 §1.4 计算机系统发展历程 一、计算机的发展历史 1、计算机的产生与发展 *发展趋势：向大型机、微型机两个方向发展
第一代 第二代 第三代 第四代 第五代 年代 1946~1957 1958~1964 1965~1971 1972~1990 1991~ 元器件 电子管 晶体管 SSI、MSI LSI、VLSI ULSI 主存 磁心 半导体 辅存 纸带、磁带 磁盘 光盘 字长 4/8 8/16/32 32/64 速度(次/s) 40,000 200,000 1,000,000 10,000,000 100,000,000 *发展趋势：向大型机、微型机两个方向发展 *研究重点：器件技术、并行化结构

40 *发展趋势：增加功能，开发并行性(指令级→线程级→内核级)，集成主存，发展嵌入式处理器
2、微型计算机的产生与发展 微处理器 字长 主频 MEM地址 其他 年代 8080 8 实模式 1974 8086 16 4.77MHz 20b 1978 8088 1979 80286 6MHz 24b 保护模式 1982 80386 32 12.5MHz 32b 虚拟8086模式、虚拟存储器、Cache 1985 80486 25MHz RISC、流水线 1989 Pentium 66MHz 超标量流水、MMX 1993 Pentium Pro 133MHz 36b 超级流水、动态执行 1995 Pentium Ⅱ 200MHz DIB 1997 Pentium Ⅲ 450MHz SSE、非阻塞Cache 1999 Pentium 4 1.3GHz SSE2、Trace Cache 2000 Core 2 Duo 64 1.6GHz 双核 2006 *发展趋势：增加功能，开发并行性(指令级→线程级→内核级)，集成主存，发展嵌入式处理器

41 二、计算机系统分类 1、按规模及功能分类 超级计算机—科学计算等 大型计算机—多用户使用等 小型计算机—办公应用等
工作站—图形处理及分布式计算等 微型计算机—应用广泛 单片机/嵌入式系统—工业控制等

42 有SISD、SIMD、MISD、MIMD四种结构
2、按信息处理特征分类 ─Flynn分类法 有SISD、SIMD、MISD、MIMD四种结构 SIMD CU … DS1 IS PUn DSn PU1 MMm MM1 SISD CU MM IS PU DS MISD … DS IS1 ISn MMm MM1 PU1 PUn CU1 CUn MIMD … DS1 IS1 ISn DSn MMm MM1 PU1 PUn CU1 CUn ※SISD计算机—是本课程的讨论重点

43 附：课程内容组织 第1章—计算机系统概论 计算机的模型、硬件组成，计算机的工作过程、性能指标 第2章—数据的表示和运算
数据的编码及表示，定点及浮点运算方法，ALU结构与组成 第3章—存储系统 层次结构，RAM组成，主存、Cache、虚存的组成原理 计算机软件（指令串及数据） CU ALU 存储器 … 系统总线 I/O设备1 I/O接口1 I/O设备2 I/O接口2 I/O设备n I/O接口n 如何提高性能、性/价？

44 指令功能与指令格式，操作数存放及寻址方式，CISC/RISC
第4章—指令系统 指令功能与指令格式，操作数存放及寻址方式，CISC/RISC 第5章—中央处理器 CPU的功能与结构，工作流程、指令执行过程，数据通路， CU的结构及组成，微程序控制器技术，指令流水技术 计算机软件（指令串及数据） CU ALU 存储器 … 系统总线 I/O设备1 I/O接口1 I/O设备2 I/O接口2 I/O设备n I/O接口n 第6章—总线 概述，操作步骤，仲裁/定时方式，互连结构 第7章—I/O系统 组成，I/O设备，I/O接口，I/O方式(4种)