计算机组成与系统结构

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锯贝
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1 第1章计算机系统概论 1.1 计算机的分类发展与应用电子数字计算机 Electronic Digital Computer 通常简称为计算机 Computer 是按照一系列指令来对数据进行处理的机器是一种能够接收信息存储信息并按照存储在其内部的程序对输入的信息进行加工处理得到人们所期望的结果并把处理结果输出的高度自动化的电子设备计算机的发明和发展是 20 世纪人类最伟大的科学技术成就之一也是现代科学技术发展水平的重要标志计算机拥有众多的物理形态早期的计算机足有一间房间大小而如今的计算机可以小到装入手表用手表电池驱动个人计算机 Personal Computer PC 和便携计算机 Portable Computer 又称膝上型计算机 Laptop Computer 已经成为信息时代的标志它们是大多数人所认为的计算机但是到目前为止使用最为广泛的计算机形态却是嵌入式计算机 Embedded Computer 嵌入式计算机较为小型简单通常用来控制其他设备可以出现在各种机器中从战斗机到工业机器人从数码相机到儿童玩具根据 Church Turing 理论任何一台具有最基本功能的计算机原则上都能够执行任何其他计算机可以执行的任务因此只要不考虑时间和存储容量性能和复杂度均相差甚远的各种计算机从个人数字助理 Personal Digital Assistant PDA 到超级计算机 Supercomputer 都能够执行相同的运算任务图 1-1 为美国 SGI 公司 Silicon Graphics, Inc. 为 NASA National Aeronautics and Space Administration 美国国家航空和宇宙航行局制造的 Columbia 超级计算机图 1-2 为在 GNUX GNU+Linux 操作系统下运行视频会议软件的手表计算机图 1-1 NASA Columbia 超级计算机 8

2 图 1-2 手表计算机计算机的分类 1 计算机分类根据计算机的效率速度价格运行的经济性和适应性来划分计算机可分为通用计算机和专用计算机两大类通用计算机功能齐全通用性强适应面广可完成各种各样的工作但是牺牲了效率速度和经济性专用计算机是专为某些特定问题而设计的功能单一的计算机一般说来其结构要比通用计算机来得简单具有可靠性高速度快成本低的优点是最有效最经济和最快速的计算机但是其适应性很差 2 通用计算机分类通用计算机又可分为超级计算机 Supercomputer 大型机 Mainframe 服务器 Server 工作站 Workstation 微型机 Microcomputer 和单片机 Single-Chip Computer 6 类它们的区别在于体积复杂度功耗性能指标数据存储容量指令系统规模和价格如图 1-3 所示低复杂度功耗性能指标单片机微型机体积小数据存储容量指令系统规模价格工作站服务器大型机超级计算机高大图 1-3 通用计算机的分类一般而言超级计算机主要用于科学计算其运算速度远远超过其他计算机数据存储容量很大结构复杂价格昂贵单片机是只用单片集成电路 Integrated Circuit IC 做成的计算机体积小结构简单性能指标较低价格便宜介于超级计算机和单片机之间的是大型机服务器工作站和微型机它们的结构规模和性能指标依次递减但是随着超大规模集成电路的迅速发展微型机工作站服务器彼此之间的界限也在发生变化今天的工作站有可能是明天的微型机而今天的微型机也可能是明天的单片机 9

3 1.1.2 计算机的发展概况最初 Computer 一词指的是从事数值运算的人他们往往借助于某种机械运算装置来完成数值运算工作随着时代的演变和技术的进步 Computer 一词现在专指计算机即电子数字计算机 1 第一台通用电子数字计算机一般认为世界上第一台通用电子数字计算机是 1946 年在美国宾夕法尼亚大学问世的 ENIAC Electronic Numerical Integrator And Computer 电子数字积分计算机如图 1-4 所示这台机器用了多个电子管占地 170 平方米总重量达 30 吨耗电 140 千瓦每秒能做 5000 次加减运算从今天的眼光来看这台计算机耗费巨大又不完善但它却是科学史上一次划时代的创新奠定了现代电子数字计算机的基础图 1-4 世界上第一台通用电子数字计算机 ENIAC 最初 ENIAC 的结构设计不够灵活每一次重新编程都必须重新连线 Rewiring 此后 ENIAC 的开发人员认识到这一缺陷提出了一种灵活合理得多的设计这就是著名的存储程序体系结构 StoredProgram Architecture 在存储程序体系结构中给计算机一个指令序列即程序计算机会存储它们并在未来的某个时间里从计算机存储器中读出依照程序给定的顺序执行它们现代计算机区别于其他机器的主要特征就在于这种可编程能力由于早在 ENIAC 完成之前数学家约翰冯诺伊曼 John von Neumann 就在其论文中提出了存储程序计算机的设计思想因此存储程序体系结构又称为冯诺伊曼体系结构 von Neumann Architecture 自从 20 世纪 40 年代第一台通用电子数字计算机出现以来尽管计算机技术已经发生了翻天覆地的变化但是大多数当代计算机仍然采用冯诺伊曼体系结构 2 数字计算机的发展史自从 ENIAC 计算机问世以来从使用器件的角度来说计算机的发展大致经历了 5 代的变化如表 1-1 所示表 1-1 数字计算机的发展史时间使用器件执行速度次/秒典型应用第 1 代 1946~1957 电子管几千至几万数据处理机第 2 代 1958~1964 晶体管几万至几十万工业控制机第 3 代 1965~1970 小规模/中规模集成电路几十万至几百万小型计算机第 4 代 1971~1985 大规模/超大规模集成电路几百万至几千万微型计算机第 5 代 1986~ 甚大规模集成电路几亿至上百亿单片计算机第一代计算机从 1946 年到 1957 年使用电子管 Vacuum Tube 作为电子器件使用机器语言与符号语言编制程序计算机运算速度只有每秒几千次至几万次体积庞大存储容量小成本很高可靠性较低主要用于科学计算在此期间形成了计算机的基本体系结构确定了程序设计的基本方法数 10

4 据处理机开始得到应用第二代计算机从 1958 年到 1964 年使用晶体管 Transistor 作为电子器件开始使用计算机高级语言计算机运算速度提高到每秒几万次至几十万次体积缩小存储容量扩大成本降低可靠性提高不仅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在此期间工业控制机开始得到应用第三代计算机从 1965 年到 1970 年使用小规模集成电路 Small-Scale Integration SSI 与中规模集成电路 Medium-Scale Integration MSI 作为电子器件而操作系统的出现使计算机的功能越来越强应用范围越来越广计算机运算速度进一步提高到每秒几十万次至几百万次体积进一步减小成本进一步下降可靠性进一步提高为计算机的小型化微型化提供了良好的条件在此期间计算机不仅用于科学计算还用于文字处理企业管理和自动控制等领域出现了管理信息系统 Management Information System MIS 形成了机种多样化生产系列化使用系统化的特点小型计算机开始出现第四代计算机从 1971 年到 1985 年使用大规模集成电路 Large-Scale Integration LSI 与超大规模集成电路 Very-Large-Scale Integration VLSI 作为电子器件计算机运算速度大大提高达到每秒几百万次至几千万次体积大大缩小成本大大降低可靠性大大提高在此期间计算机在办公自动化数据库管理图像识别语音识别和专家系统等众多领域大显身手由几片大规模集成电路组成的微型计算机开始出现并进入家庭第五代计算机从 1986 年开始采用甚大规模集成电路 Ultra-Large-Scale Integration ULSI 作为电子器件运算速度高达每秒几亿次至上百亿次由一片甚大规模集成电路实现的单片计算机开始出现 3 计算机体系结构的发展过程生产科研应用的飞速发展促使计算机的体系结构不断完善形成了当代计算机的体系结构形式计算机问世后的 60 多年来计算机体系结构的发展过程一直是在冯诺伊曼体系结构的基础上以提高速度扩大存储容量降低成本提高系统可靠性方便用户使用为目的不断采用新的器件研制新的软件的过程就体系结构本身来说主要是指令系统微程序设计流水线结构多级存储器体系结构输入/输出体系结构并行体系结构分布式体系结构多媒体体系结构操作系统和数据库管理系统的形成和发展计算机的应用计算机之所以得到迅速发展其主要原因在于它的广泛应用计算机的应用范围几乎涉及人类社会的所有领域从国民经济各部门到个人家庭生活从军事部门到民用部门从科学教育到文化艺术从生产领域到消费娱乐无一不是计算机应用的天下 1 科学计算科学研究和工程技术计算领域是计算机应用最早的领域也是应用较为广泛的领域包括数学化学原子能天文学地球物理学生物学等基础科学研究以及航天飞行飞机设计桥梁设计水力发电地质找矿天气预报等方面的大量计算利用计算机进行数值计算可以节省大量的时间人力和物力 2 自动控制自动控制是涉及面极广的一门学科应用于工业农业科学技术国防以至我们日常生活的方方面面有了体积小价廉可靠的微型机和单片机作为工具自动控制进入了以计算机为主要控制设备的新的发展阶段 3 测量测试计算机在测量和测试领域中所占的比例也相当大约占 20%左右在这个领域中计算机主要起两个作用第一对测量和测试设备本身进行控制第二采集数据并进行处理 4 信息处理信息是人类赖以生存和交际的媒介通过五官和皮肤人类可以看到文字图像听到唱歌说话闻到香臭气味尝到酸甜苦辣感到冷热变化这些都是信息人本身就是一个非常高级的信息处理系统计算机在发展初期仅仅用于数值计算此后计算机的应用范围逐渐发展到非数值计算领域可用来处理文字表格图像声音等各类信息因此确切地讲一台计算机实际上就是一台信息处理机 11

5 5 教育卫生创立学校应用书面语言发明印刷术被称为教育史上的三次革命目前计算机广泛应用于教育被誉为教育史上的第四次革命除了目前应用较为普遍的计算机辅助教学 Computer-Aided Instruction CAI 之外基于网络的现代远程教学 Distance Learning 或 e-learning 也是近几年迅速发展起来的一种典型的教育应用计算机的问世同样为人类健康长寿带来了福音一方面使用计算机的各种医疗设备应运而生 CT 图像处理设备心脑电图分析仪血液分析仪等先进的设备和仪器为及早发现疾病提供了强有力的手段另一方面利用计算机建成了集专家经验之大成的各种各样的专家系统如中医专家诊疗系统各种疾病的电子诊疗系统等等事实表明这些专家系统行之有效为诊治疾病发挥了很大作用 6 电子电器目前不仅各种类型的个人计算机早已进入家庭而且在微波炉洗衣机家用空调 DVD 播放机电子玩具游戏机等电子电器产品中也广泛应用了各种嵌入式计算机除了可单独使用的独立电器之外许多家用电器还可以通过各种有线或无线的网络连接如 Internet 红外线蓝牙等完成自身程序的自动更新远程控制等复杂任务 7 人工智能人工智能简而言之就是使计算机模仿人的高级思维活动像人类那样直接利用各种自然形式的信息如文字图像颜色自然景物声音语言等目前在文字识别图形识别景物分析语音识别语音合成以及语言理解等方面人工智能已经取得了不少的成就到目前为止人工智能研究中最突出的成就非机器人莫属世界上有大量的工业机器人在各种生产线上完成简单重复的工作或是代替人类在高温有毒辐射深水等恶劣环境下工作现在又出现了更为先进的智能机器人它会自己识别控制对象和工作环境自动作出判断和决策直接领会人的命令和意图避开障碍物适应环境变化灵活机动地完成指定的控制任务与信息处理任务图 1-6 为汽车生产中的工业机器人图 1-6 汽车生产中的工业机器人 1.2 计算机的基本组成一台完整的计算机由计算机硬件 Hardware 和计算机软件 Software 两部分组成其中硬件是基础是软件活动的舞台软件是灵魂使硬件最大限度地发挥作用两者缺一不可计算机硬件是由物理元器件构成的有形实体主要是数字逻辑电路 12

6 计算机软件则是由计算机程序构成的无形的东西需要存储在有形的硬件如主存储器硬盘等中可以实现更高层次的逻辑功能计算机硬件计算机硬件是组成计算机的所有电子器件和机电装置的总称是构成计算机的物质基础是计算机系统的核心目前大多数计算机都是根据冯诺伊曼体系结构的思想来设计的其主要特点是使用二进制数和存储程序其基本思想是事先设计好用于描述计算机工作过程的程序并与数据一样采用二进制形式存储在机器中计算机在工作时自动高速地从机器中按顺序逐条取出程序指令加以执行简而言之冯诺伊曼体系结构计算机的设计思想就是存储程序并按地址顺序执行在计算机存储器里把程序及其操作数据一同存储的思想是冯诺伊曼体系结构或称存储程序体系结构的关键所在在某些情况下计算机也可以把程序存储在与其操作数据分开的存储器中这被称为哈佛体系结构 Harvard Architecture 源自 Harvard Mark I 计算机现代的冯诺伊曼计算机在设计中展示出了某些哈佛体系结构的特性如高速缓存 Cache 冯诺伊曼体系结构的计算机具有共同的基本配置即具有 5 大部件控制器运算器存储器输入设备和输出设备这些部件用总线相互连接如图 1-7 所示存储器运算器总线 CPU 控制器适配器输入设备输出设备图 1-7 计算机的硬件组成其中控制器和运算器合称为中央处理器 Central Processing Unit CPU 早期的 CPU 由许多分立元件组成但是自从 20 世纪 70 年代中期以来 CPU 通常被制作在单片集成电路上称为微处理器 Microprocessor CPU 和存储器通常组装在一个机箱内合称为主机除去主机以外的硬件装置称为外围设备计算机系统工作时输入设备将程序与数据存入存储器运行时控制器从存储器中逐条取出指令将其解释成控制命令去控制各部件的动作数据在运算器中加工处理处理后的结果通过输出设备输出 1 控制器控制器是计算机的管理机构和指挥中心它按照预先确定的操作步骤协调控制计算机各部件有条不紊地自动工作控制器工作的实质就是解释程序它每次从存储器读取一条指令经过分析译码产生一系列操纵计算机其他部分工作的控制信号操作命令发向各个部件控制各部件动作使整个机器连续有条不紊地运行高级计算机中的控制器可以改变某些指令的顺序以改善性能对所有 CPU 而言一个共同的关键部件是程序计数器 Program Counter 它是一个特殊的寄存器记录着将要读取的下一条指令在存储器中的位置 2 运算器运算器是一个用于信息加工的部件用于对数据进行算术运算和逻辑运算 13

7 运算器通常由算术逻辑单元 Arithmetic Logic Unit ALU 和一系列寄存器组成其中 ALU 是具体完成算术与逻辑运算的单元是运算器的核心由加法器和其他逻辑运算单元组成寄存器用于存放参与运算的操作数累加器是一个特殊的寄存器除了存放操作数之外还用于存放中间结果和最后结果特定 ALU 所支持的算术运算可能仅局限于加法和减法也可能包括乘法除法甚至三角函数和平方根有些 ALU 只支持整数而其他 ALU 则可以使用浮点来表示有限精度的实数但是能够执行最简单运算的任何计算机都可以通过编程把复杂的运算分解成它可以执行的简单步骤所以任何计算机都可以通过编程来执行任何的算术运算如果其 ALU 不能从硬件上直接支持则该运算将用软件方式实现但需要花费较多的时间超标量 Superscalar 计算机包含多个 ALU 可以同时处理多条指令图形处理器和具有单指令流多数据流 SIMD 和多指令流多数据流 MIMD 特性的计算机通常提供可以执行矢量和矩阵算术运算的 ALU 3 存储器存储器的主要功能是存放程序和数据程序是计算机操作的依据数据是计算机操作的对象不管是程序还是数据在存储器中都是用二进制数的形式来表示的统称为信息向存储器存入或从存储器取出信息都称为访问存储器计算机存储器是由可以存放和读取数值的一系列单元所组成的每个存储单元都有一个编号称为地址向存储器中存数或者从存储器中取数都要按给定的地址来寻找所选择的存储单元存放在存储器中的信息可以表示任何东西文字数值甚至计算机指令都可以同样容易地存放到存储器中去由于计算机仅使用 0 和 1 两个二进制数字所以使用位 bit 简写成 b 作为数字计算机的最小信息单位包含 1 位二进制信息 0 或 1 当 CPU 向存储器送入或从存储器取出信息时不能存取单个的位而是使用字节字等较大的信息单位一个字节 Byte 简写成 B 由 8 位二进制信息组成而一个字 Word 则表示计算机一次所能处理的一组二进制数它由一个以上的字节所组成通常把组成一个字的二进制位数称为字长例如微型机的字长可以少至 8 位多至 32 位甚至达到 64 位存储器中所有存储单元的总数称为存储器的存储容量通常用单位 KB Kilobyte 千字节 MB Megabyte 兆字节 GB Gigabyte 千兆字节表示如 64KB 128MB 256GB 度量存储器容量的各级单位之间的关系为 1KB=1024B 1MB=1024KB 1GB=1024MB 存储容量越大计算机所能存储记忆的信息就越多存储器是计算机中存储信息的部件按照存储器在计算机中的作用可分为主存储器寄存器闪速存储器高速缓冲存储器辅助存储器等几种类型它们均可完成数据的存取工作但性能及其在计算机中的作用差别很大 4 输入输出设备计算机的输入输出 I/O 设备是计算机从外部世界接收信息并反馈结果的手段统称为 I/O 设备或外围设备 Peripheral 简称外设各种人机交互操作程序和数据的输入计算结果或中间结果的输出被控对象的检测和控制等都必须通过外围设备才能实现在一台典型的个人计算机上外围设备包括键盘和鼠标等输入设备以及显示器和打印机等输出设备 5 总线除了上述 5 大部件外计算机系统中还必须有总线 Bus 计算机系统通过总线将 CPU 主存储器及 I/O 设备连接起来总线是构成计算机系统的骨架是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路借助于总线连接计算机在各部件之间实现传送地址数据和控制信息的操作按照信号类型可将总线分为数据总线地址总线和控制总线其中数据总线主要传送数据是双向的既可以输入又可以输出地址总线传送地址信息是单向的决定数据或命令传送给谁而控制总线则传送各种控制信号计算机软件计算机软件是程序的有序集合而程序则是指令的有序集合 14

8 在大多数计算机中每一条指令都被分配了一个惟一的编号称为操作码以机器指令代码的形式存储因为计算机存储器能够存储数字所以它也能存储指令代码因此整个程序指令序列可以表示成一系列的数字从而可以像数字数据那样被计算机所处理 1 软件系统一台计算机中全部程序的集合统称为这台计算机的软件系统事实上利用计算机进行计算控制或做其他工作时需要有各种用途的程序因此凡是用于一台计算机的各种程序统称为这台计算机的程序或软件系统计算机软件按其功能可分为应用软件和系统软件两大类 1 应用软件应用软件是用户为解决某种应用问题而编制的程序如工程设计程序数据处理程序自动控制程序企业管理程序情报检索程序科学计算程序等等 2 系统软件系统软件用于实现计算机系统的管理调度监视和服务等功能其目的是方便用户提高计算机使用效率发挥和扩充计算机的功能及用途总之软件系统是在硬件系统的基础上为有效使用计算机而配置的 2 程序设计语言 1 机器语言在早期的计算机中人们直接用机器语言即机器指令代码来编写程序这种用机器语言书写的程序计算机完全可以识别并执行所以又叫做目的程序但是用机器语言编写程序是一件非常繁琐的工作需要耗费大量的人力和时间而且容易出错出错后寻找错误也相当费事这种情况大大限制了计算机的使用 2 汇编语言为了编写程序方便提高机器使用效率人们想出了一种办法用一些约定的文字符号和数字按规定的格式来表示各种不同的指令每条基本指令都被指定了一个表示其功能又便于记忆的短的名字称为指令助记符如 ADD SUB MULT JUMP 等然后再用这些指令助记符表示的指令来编写程序这就是所谓的汇编语言 Assembly Language 把用汇编语言编写的程序转换为计算机可以理解的用机器语言表示的目的程序通常由被称为汇编程序 Assembler 的计算机程序来完成通常被归为低级编程语言的机器语言及汇编语言对于特定类型的计算机而言是惟一的也就是说一台 ARM 体系结构的计算机如 PDA 无法理解一台 Intel Pentium 计算机的机器语言 3 算法语言为了进一步实现程序自动化便于程序交流使不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机人们又创造了各种接近于数学语言的算法语言所谓算法语言是指按实际需要规定好的一套基本符号以及由这套基本符号构成程序的规则算法语言比较接近数学语言它直观通用与具体机器无关只要稍加学习就能掌握便于推广和使用有影响的算法语言包括 BASIC FORTRAN C C++ JAVA 等大多数复杂的程序采用抽象的算法语言来编写能够更便利地表达计算机程序员的设计思想从而帮助减少程序错误用算法语言编写的程序称为源程序 Source 这种源程序是不能由机器直接识别和执行的必须给计算机配备一个即懂算法语言又懂机器语言的翻译才能把源程序转换为机器语言通常采用下面两种方法 ⑴给计算机配置一套编译程序 Compiler 把用算法语言编写的源程序翻译成目的程序然后在运行系统中执行目的程序得出计算结果编译程序和运行系统合称为编译系统由于算法语言比汇编语言更 15

9 为抽象因此有可能使用不同的编译器把相同的算法语言源程序翻译成许多不同类型计算机的机器语言目的程序 ⑵使源程序通过所谓的解释程序 Interpreter 进行解释执行即逐个解释并立即执行源程序的语句它不是编译出目的程序后再执行而是逐一解释语句并立即得出计算结果 3 操作系统操作系统是随着硬件和软件不断发展而逐渐形成的一套软件系统用来管理计算机资源如处理器存储器外围设备和各种编译应用程序自动调度用户的作业程序从而使得多个用户能有效地共用一套计算机系统操作系统的出现使计算机的使用效率成倍提高并且为用户提供了方便的使用手段和令人满意的服务质量根据不同使用环境的要求操作系统目前大致可分为批处理操作系统分时操作系统网络操作系统实时操作系统等多种 4 数据库计算机在信息处理情报检索及各种管理系统中的各类应用要求大量处理某些数据建立和检索大量的表格这些数据和表格可以按一定的规律组织起来形成数据库 Database DB 使得处理和检索数据更为方便迅速所谓数据库就是实现有组织动态地存储大量相关数据方便多用户访问的计算机软硬件资源所组成的系统数据库和数据库管理软件一起组成了数据库管理系统 Database Management System DBMS 数据库管理系统有各种类型目前许多计算机包括微型计算机都配有数据库管理系统计算机固件随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势要明确划分计算机系统软硬件的界限已经比较困难了因为任何操作既可以由软件来实现也可以由硬件来实现任何指令的执行都可以由硬件完成也可以由软件来完成因此计算机系统的软件与硬件可以互相转化它们之间可以互为补充对于某一功能采用硬件方案还是软件方案取决于器件价格速度可靠性存储容量变更周期等因素容量大价格低体积小可以改写的只读存储器为软件固化提供了良好的物质手段现在已经可以把许多复杂的常用的程序制作成所谓的固件 Firmware 就其功能而言是软件但从形态来说又是硬件目前在一片芯片上制作复杂的逻辑电路已经变得现实可行这就为扩大指令的功能提供了物质基础因此本来通过软件手段实现的某些功能现在可以通过硬件直接解释执行当研制一台计算机的时候设计者必须明确分配每一级的任务确定哪些情况使用硬件哪些情况使用软件而硬件始终放在最低级就目前而言一些计算机的特点就是把原来通过编制程序实现的操作如整数乘除法指令浮点运算指令处理字符串指令等等改为直接由硬件完成 1.3 计算机系统的概念计算机系统的层次结构现代计算机系统是硬件固件和软件组成的一个十分复杂的整体为了对这个系统进行描述分析设计和使用人们从不同的角度提出了观察计算机的观点和方法其中常用的一种方法就是从语言的角度出发把计算机系统按功能划分成 5 个层次级别每一级以一种不同的语言为特征每一级都能进行程序设计计算机系统的层次结构如图 1-10 所示 16

10 5级高级语言级编译程序 4级汇编语言级汇编程序 3级操作系统级操作系统 2级机器语言级微程序 1级微程序设计级微程序直接由硬件执行图 1-10 计算机系统的层次结构示意图第 1 级是微程序设计级属于硬件级由机器硬件直接执行微指令是计算机系统最底层的硬件系统这一级也可直接用组合逻辑和时序逻辑电路实现第 2 级是机器语言级也属于硬件级由微程序解释机器指令系统这一级控制硬件系统的操作第 3 级是操作系统级属于软硬件混合级由操作系统程序实现这一级统一管理和调度计算机系统中的软硬件资源支撑其他系统软件和应用软件使计算机能够自动运行发挥高效特性第 4 级是汇编语言级属于软件级由汇编程序支持和执行这一级给程序设计人员提供了汇编语言这种符号形式语言以减少程序编写的复杂性第 5 级是高级语言级也属于软件级由各种高级语言编译程序支持和执行这一级是面向用户的为方便用户编写应用程序而设置除第 1 级外其他各级都得到下面各级的支持同时也得到运行在下面各级上的程序的支持第 1 级到第 3 级编写程序所采用的语言基本上是二进制语言机器执行和解释比较容易第 4 5 两级编写程序所采用的语言是符号语言用英文字母和符号来表示程序因而便于大多数不了解硬件的人们使用计算机各层次之间关系紧密上层是下层功能的扩展下层是上层的基础这是计算机系统层次结构的一个特点计算机系统中 5 个层次级别的特点如表 1-2 所示第1级第2级第3级第4级第5级表 1-2 计算机系统中 5 个层次级别的特点微程序设计级由机器硬件直接执行微指令硬件级机器语言级由微程序解释机器指令系统操作系统级由操作系统程序实现混合级汇编语言级由汇编程序支持和执行软件级高级语言级由各种高级语言编译程序支持和执行二进制语言符号语言计算机系统的3个术语 1 计算机体系结构计算机体系结构 Computer Architecture 定义为机器语言程序员所看到的计算机系统的属性包括概念性结构和功能特性这些属性是机器语言程序员为使其设计的程序能在机器上正确运行所需遵循的计算机属性是计算机系统中由硬件或固件完成的功能对通用寄存器型机器来说这些属性主要包括数据表示寻址规则寄存器定义指令集终端系统存储系统信息保护 I/O 结构等计算机体系结构概念的实质是确定计算机系统中软硬件的界面界面之上是软件的功能界面之下是硬件和固件的功能 2 计算机组成 17

11 计算机组成 Computer Organization 指的是计算机体系结构的逻辑实现包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等它着眼于机器内各事件的排序方式与控制方式各部件的功能以及各部件的联系 3 计算机实现计算机实现 Computer Implementation 指的是计算机组成的物理实现包括处理机存储器等部件的物理结构器件的集成度和速度模块插件底板的划分与连接信号传输电源冷却及整机装配技术等它着眼于器件技术和微组装技术其中器件技术在实现技术中占主导作用上述三个术语具有不同的概念各自包含不同的内容但又有紧密的关系具有相同计算机体系结构如指令系统相同的计算机因为速度要求不同等因素可以采用不同的计算机组成例如取指令指令译码指令执行访存取数结果写回 5 个阶段可以在时间上按顺序方式进行也可以让它们在时间上按重叠方式进行即时间并行以提高执行速度同样一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现例如存储器件可以采用静态 RAM SRAM 芯片也可以采用动态 RAM DRAM 芯片可以采用单片大规模集成电路也可以采用中小规模集成电路进行构建显然这取决于性能价格比的要求与器件技术的现状计算机体系结构的分类研究计算机系统分类方法有助于人们认识计算机的体系结构和组成的特点理解系统的工作原理和性能 1966 年 Michael J. Flynn 从计算机体系结构的并行性能出发按照指令流和数据流的不同组织方式把计算机系统的结构分为 4 类如表 1-3 所示 Single Data 单数据 Multiple Data 多数据 1 SISD 体系结构表 1-3 Flynn 分类法 Single Instruction 单指令 SISD 单指令流单数据流 SIMD 单指令流多数据流 Multiple Instruction 多指令 MISD 多指令流单数据流 MIMD 多指令流多数据流 SISD 计算机是传统的顺序执行的计算机在同一时刻只能执行一条指令即只有一个控制流处理一个数据即只有一个数据流 SISD 计算机通常由一个处理器和一个存储器组成如图 1-11 所示通过执行单一的指令流对单一的数据流进行操作指令按顺序读取数据在每一时刻也只能读取一个 IS 指令流 CU 控制部件 CS 控制流 PU 处理部件 DS 数据流 SM 共享主存 MM 主存模块图 1-11 SISD 计算机其主要缺点在于单个处理器的处理能力有限同时这种结构也没有发挥数据处理中的并行性潜力在实时系统或高速系统中很少采用 SISD 结构 2 SIMD 体系结构 SIMD 计算机属于并行结构计算机一条指令可以同时对多个数据进行运算 SIMD 计算机由单一的指令部件控制按照同一指令流的要求为多个处理单元分配各不相同的数据并进行处理 SIMD 系统结构由一个控制器多个处理器多个存储模块和一个互连网络组成如图 1-12 所示 18

12 SM 共享主存处理部件数据流 DS1 PU1 控制部件 CU 控制流 CS MM1 DS2 PU2 MM2 DSn PUn MMm IS 指令流图 1-12 SIMD 计算机 SIMD 计算机以阵列处理机和向量处理机为代表 3 MISD 体系结构 MISD 计算机具有多个处理单元这些处理单元组成一个线性阵列分别执行不同的指令流而同一个数据流则顺次通过这个阵列中的各个处理单元如图 1-13 所示 DS 数据流控制部件 CU1 CU2 控制流 CS1 CS2 处理部件 PU1 SM 共享主存 PU2 MM1 CUn CSn MM2 MMm PUn DS ISn 指令流 IS2 IS1 图 1-13 MISD 计算机 MISD 系统结构只适用于某些特定的算法在目前常见的计算机系统中很少见 4 MIMD 体系结构 MIMD 计算机属于并行结构计算机多个处理单元根据不同的控制流程执行不同的操作处理不同的数据典型的 MIMD 系统由多台处理机多个存储模块和一个互连网络组成如图 1-14 所示每台处理机执行自己的指令操作数也是各取各的 19

13 控制部件 IS1 指令流 IS2 CU1 CU2 ISn CUn 控制流 CS1 CS2 CSn 处理部件 PU1 PU2 PUn SM 共享主存数据流 DS1 DS2 DSn MM1 MM2 MMm 图 1-14 MIMD 计算机 MIMD 计算机是能够实现指令数据作业任务等各级全面并行计算的多机处理系统在 MIMD 结构中每个处理器都可以单独编程因而这种结构的可编程能力是最强的但由于要用大量的硬件资源来解决可编程问题硬件的利用率不高 MIMD 计算机以多处理机和机群系统为代表 20

L1 computer system overview

L1 computer system overview Computer Architecture and Organization Department of Computer Science and Technology Nanjing University Fall 2013 Instructor: Shuai Wang Course Goal In depth understanding of modern computer architecture,