计算机组成原理考研.ppt

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1、本课程地位本课程地位 计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门重要的专业基础课。通计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门重要的专业基础课。通过对本课程的学习，使学生了解计算机的基本组成与工作原理，掌握计算机系过对本课程的学习，使学生了解计算机的基本组成与工作原理，掌握计算机系统的基本设计技术，培养学生分析和解决复杂数字系统实际问题的能力，同时统的基本设计技术，培养学生分析和解决复杂数字系统实际问题的能力，同时为学习本专业后续课程和进行与硬件有关的技术工作打下坚实的基础。为学习本专业后续课程和进行与硬件有关的技术工作打下坚实的基础。在计算机科学与技术专业所设置课程中的地位极为重要，由在计算

2、机科学与技术专业所设置课程中的地位极为重要，由ACMACM和和IEEE/CSIEEE/CS联合教程专题组联合教程专题组19901990年发表的年发表的Computing Curricula 1991、20012001年年3 3月发表月发表的的Computing Curricula 2001 和和20052005年年9 9月发表的月发表的Computing Curricula 2005中都将本课程列为计算机专业的主干课程。中都将本课程列为计算机专业的主干课程。6464学时，其中实验学时，其中实验8 8学时。学时。本课程主要是以一个简化了的但又是完备的单处理机系统为例讲解计算机本课程主要是以一个简

3、化了的但又是完备的单处理机系统为例讲解计算机的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、的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、输入输入/输出子系统（总线与接口等）与输入输出子系统（总线与接口等）与输入/输出系统设备，按照各自的功能、输出系统设备，按照各自的功能、组成、设计、实现、使用等知识进行组织。组成、设计、实现、使用等知识进行组织。计算机组成原理（第三版），白中英主编，科学出版社。ComputerOrganizationandArchitecture,DesigningforPerformance,FifthEdition计算机组织与结

4、构性能设计(第五版/影印版),WilliamStallings著，PrenticeHall/Pearson，高等教育出版社(国外优秀信息科学与技术系列教学用书)。教学内容教学内容课内课内学时学时实验实验学时学时一、计算机系统概论3学时二、计算机的逻辑部件 5学时三、运算方法和运算部件9学时4学时四、主存储器6学时6学时五、指令系统5学时六、中央处理器(CPU)10学时10学时七、存储系统6学时八、辅助存储器2学时4学时九、输入输出(I/O)设备2学时十、输入输出(I/O)系统3学时6学时4学时计算机硬件系统组成(章节分配)运运 算算 器器控控 制制 器器主存储器主存储器输入设备输入设备输出设备

5、输出设备 总总线线和和I/O接接口口高速缓存高速缓存虚拟存储器虚拟存储器(磁盘设备磁盘设备)第一部分第一部分(2,3章章)第二第二部分部分(5,6章章)第第三三部部分分(4,7,8章章)第四部分第四部分(9,10章章)第1章 计算机系统概论(目录部分)1.1 计算机的语言计算机的语言1.2 计算机的硬件计算机的硬件1.3 计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.4 电子计算机的发展简史电子计算机的发展简史1.5 计算机的应用计算机的应用1.6 计算机网络计算机网络1.7 习题与作业习题与作业第1章 计算机系统概论(计算机的语言)w计算机语言计算机语言分为低级语言低级语言(机器语言、汇编语言

6、)和高级语言高级语言两类。w也可分为机器语言机器语言、通用的编程语言通用的编程语言(汇编语言、高级语言)第1章 计算机系统概论(计算机的语言)计算机的语言计算机的语言 自然语言自然语言：人类相互交流信息所用的语言。高级语言高级语言：和自然语言接近并能为计算机接受的语言，这种语言被称为计算机的高级语言。BASIC,PASCAL,C,JAVA.机机器器语语言言：由二进制代码表示的指指令令组成，计算机能直接执行的语言，这种语言被称为机器语言.汇编语言汇编语言：符号式(助记符mnemonicsymbol）程序设计语言。MOVAX,BX第1章 计算机系统概论(计算机的语言)需要进一步说明的地方需要进一步

7、说明的地方：w w机器语言机器语言:计算机所能识别的语言只有机器语言，即由计算机所能识别的语言只有机器语言，即由0 0和和1 1构成的代码。但通常人们编程时，不采用机器语言，因为它构成的代码。但通常人们编程时，不采用机器语言，因为它非常难于记忆和识别。非常难于记忆和识别。w w汇编语言汇编语言:实质和机器语言是相同的，都是对硬件操作，只实质和机器语言是相同的，都是对硬件操作，只不过指令采用英文缩写的标识符，更容易识别和记忆。不过指令采用英文缩写的标识符，更容易识别和记忆。w w高级语言高级语言:指更接近于人们日常使用的书面语言、用来编制指更接近于人们日常使用的书面语言、用来编制程序的语言程序的

8、语言,高级语言主要是相对于汇编语言而言，它并不是高级语言主要是相对于汇编语言而言，它并不是特指某一种具体的语言，而是包括了很多编程语言，如目前特指某一种具体的语言，而是包括了很多编程语言，如目前流行的流行的VBVB、VCVC、DelphiDelphi等，这些语言的语法、命令格式都各等，这些语言的语法、命令格式都各不相同。不相同。(经过经过编译和和解释两种方式两种方式“翻译翻译”成目标代码成目标代码(机器语言机器语言),),才能被计算机识别才能被计算机识别)第1章 计算机系统概论(计算机的语言)1、指令指令是对计算机进行程序控制的最小单位。所有的指令的集合称为计算机的指令系统。2、指令格式指令格

9、式操作码 地址码机器执行什么操作执行对象（具体数、存放位置）3、工作原理工作原理 不断的取指令和执行指令，最后将计算的结果放入指令指定的存储器地址中。例如：ADD AX,BXBASIC语言语言语句：LETd=b*b-4*a*c机器语言机器语言：1.MULBB;b2送B2.MULAE;4a送入A3.MULAC;4ac送A4.SUBBA;b24ac送B5.MOVDB;b24ac从B送到DAaBbCcDdE4将指令存放在相邻的存储单元中将指令存放在相邻的存储单元中：nMULn+7n+7;b2送Bn+1MULn+6n+10;4a送入An+2MULn+6n+8;4ac送An+3SUBn+7n+6;b24

10、ac送Bn+4MOVn+9n+7;b24ac从B送到Dn+5HLT;停机指令n+6an+7bn+8cn+9dn+104计算机的硬件（Hardware）组成(计算机的计算机的硬件系统硬件系统硬件系统硬件系统是指构成计算机的所有物理部件的集合。通常这些部件是由电子磁性、光元器件、机械等物理部件组成)算盘算盘运算器运算器 纸纸存储器存储器 笔笔输入输入/输出设备输出设备 大脑大脑控制器控制器第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)运算运算 存储（记录）存储（记录）控制（协调）控制（协调）CPU(CPU(中央处理器中央处理器)第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)I/OI/O设备设备设备设备地址总线数据

11、总线控制总线CPUCPUI/OI/O设备设备设备设备组成计算机的基本部件有中央处理器中央处理器CPU（运算器运算器和控制器控制器）、存储器存储器和输入输入、输出设备输出设备。运算控制部件（CPU)存储器存储器输入/输出输入/输出地址总线AB数据总线DB控制总线CB 第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)图1.1 以总线连接的计算机框图第1章 计算机系统概论概论(计算机的硬件)p总线分类总线分类总线分类总线分类:单向总线单向总线双向总线双向总线传送方向传送方向数据总线数据总线控制总线控制总线信息种类信息种类地址总线地址总线单总线单总线三总线三总线总线数目总线数目双总线双总线内总线内总线外总线外总

12、线物理位置物理位置单向总线单向总线双向总线双向总线传送方式传送方式芯片级总线芯片级总线:接口总线接口总线:三个层次三个层次系统总线系统总线:一个功能部件内部的总线，一个功能部件内部的总线，CPU内内 单机系统各功能部件间的总线单机系统各功能部件间的总线 连接不同系统的总线连接不同系统的总线 第1章 计算机系统概论概论(计算机的硬件)p总线结构总线结构总线结构总线结构:1.面向面向面向面向CPUCPUCPUCPU的双总线结构的双总线结构的双总线结构的双总线结构优点：简单，对总线传输速率要求低优点：简单，对总线传输速率要求低 缺点：缺点：I/O设备与内存交换信息需经设备与内存交换信息需经CPU，C

13、PU效率低效率低第1章 计算机系统概论概论(计算机的硬件)p总线结构总线结构总线结构总线结构:2.单总线结构单总线结构单总线结构单总线结构优点：设备扩充、增删方便、灵活优点：设备扩充、增删方便、灵活缺点：分时使用总线缺点：分时使用总线第1章 计算机系统概论概论(计算机的硬件)p总线结构总线结构总线结构总线结构:3.面向存储器的双总线结构面向存储器的双总线结构面向存储器的双总线结构面向存储器的双总线结构优点：存取速度提高，减轻了系统总线负担优点：存取速度提高，减轻了系统总线负担缺点：硬件成本高，总线控制逻辑复杂缺点：硬件成本高，总线控制逻辑复杂 第1章 计算机系统概论概论(计算机的硬件)p总线结

14、构总线结构总线结构总线结构:4.PCPC机常用总线结构机常用总线结构机常用总线结构机常用总线结构 按相对于按相对于CPU或其它芯片的位置可分为或其它芯片的位置可分为 片内总线片内总线:在在CPU内部，寄存器之间和算术逻辑部件内部，寄存器之间和算术逻辑部件ALU与控制部件之间传输数据所用的总线。与控制部件之间传输数据所用的总线。片外总线片外总线:是是CPU与内存与内存RAM、ROM和输入和输入/输出设备输出设备接口之间进行通讯的通路。接口之间进行通讯的通路。按按总线的功能总线的功能可分为可分为 地址总线地址总线(ABus),数据总线数据总线(DBus),控制总线控制总线(CBus)按按总线的层次

15、结构总线的层次结构可分为可分为 CPU总线总线:包括地址线包括地址线(CAB)、数据线、数据线(CDB)和控制线和控制线(CCB)，它用来连接，它用来连接CPU和控制芯片。和控制芯片。存贮总线存贮总线:包括地址线包括地址线(MAB)、数据线、数据线(MDB)和控制线和控制线(MCB)，用来连接存储控制器和，用来连接存储控制器和DRAM。系统总线系统总线:也称为也称为I/O通道总线，包括地址线通道总线，包括地址线(SAB)、数据、数据线线(SDB)和控制线和控制线(SCB)，用来与扩充插槽上的各扩充板卡相，用来与扩充插槽上的各扩充板卡相连接。系统总线有多种标准，以适用于各种系统。连接。系统总线有

16、多种标准，以适用于各种系统。外部总线：外部总线：用来连接外设控制芯片，如主机板上的用来连接外设控制芯片，如主机板上的I/O控控制器和键盘控制器。包括地址线制器和键盘控制器。包括地址线(XAB)、数据线、数据线(XDB)和控制和控制线线(XCB)。第1章 计算机系统概论概论(计算机的硬件)p总线结构总线结构总线结构总线结构:4.PCPC机常用总线结构机常用总线结构机常用总线结构机常用总线结构注意注意注意注意:CPU总线、存储总线、外部总线总线、存储总线、外部总线在系统板上，不同的系统采在系统板上，不同的系统采用不同的芯片集。这些总线不完全相同，也不存在互换性问题。用不同的芯片集。这些总线不完全相

17、同，也不存在互换性问题。系统总线系统总线是与是与I/O扩充插槽相连的，扩充插槽相连的，I/O插槽中可插入各式各插槽中可插入各式各样的扩充板卡，作为各种外设的适配器与外设连接。系统总线样的扩充板卡，作为各种外设的适配器与外设连接。系统总线必须有统一的标准，以便按照这些标准设计各类适配卡。必须有统一的标准，以便按照这些标准设计各类适配卡。我们要讨论的总线就是系统总线，各种总线标准也主要是指我们要讨论的总线就是系统总线，各种总线标准也主要是指系统总线的标准系统总线的标准(PC机上的系统总线又可分为机上的系统总线又可分为ISA、EISA、VESA、PCI、AGP等多种标准等多种标准)。第1章 计算机系

18、统概论概论(计算机的硬件)p总线结构总线结构总线结构总线结构:4.PCPC机常用总线结构机常用总线结构机常用总线结构机常用总线结构按总线在微机系统中的位置可分为：按总线在微机系统中的位置可分为：机内总线机内总线:上面介绍的各类都是机内总线。上面介绍的各类都是机内总线。机外总线机外总线(Peripheral Bus 外设总线外设总线):指与外部设备接口指与外部设备接口的总线，实际上是一种外设的接口标准。的总线，实际上是一种外设的接口标准。说明说明说明说明:目前目前PC机上流行的接口标准：机上流行的接口标准：IDE、SCSI、USB和和IEEE1394，前两种主要是与硬盘、光驱等，前两种主要是与硬

19、盘、光驱等IDE设备接口，后设备接口，后面两种新型外部总线可以用来连接多种外部设备。面两种新型外部总线可以用来连接多种外部设备。第1章 计算机系统概论概论(计算机的硬件)p总线结构总线结构总线结构总线结构:4.PCPC机常用总线结构机常用总线结构机常用总线结构机常用总线结构(5)局部总线局部总线 在以在以Windows为代表的图形用户接口为代表的图形用户接口(GUI)进入进入PC机之机之后，要求有高速的图形描绘能力和后，要求有高速的图形描绘能力和I/O处理能力。处理能力。这不仅要求图形适配卡要改善其性能，也对总线的速度这不仅要求图形适配卡要改善其性能，也对总线的速度提出了挑战。实际上当时外设的

20、速度已有了很大的提高，如硬提出了挑战。实际上当时外设的速度已有了很大的提高，如硬磁盘与控制器之间的数据传输率已达磁盘与控制器之间的数据传输率已达10MB/s以上，图形控制以上，图形控制器和显示器之间的数据传输率也达到器和显示器之间的数据传输率也达到69MB/s。通常认为。通常认为I/O总总线的速度应为外设速度的线的速度应为外设速度的35倍。倍。因此原有的因此原有的ISA、EISA已远远不能适应要求，而成为整已远远不能适应要求，而成为整个系统的主要瓶颈。个系统的主要瓶颈。第1章 计算机系统概论概论(计算机的硬件)p总线结构总线结构总线结构总线结构:4.PCPC机常用总线结构机常用总线结构机常用总

21、线结构机常用总线结构(5)局部总线局部总线 局部总线是局部总线是PC体系结构的重大发展。它打破了数据体系结构的重大发展。它打破了数据I/O的瓶的瓶颈，使高性能颈，使高性能CPU的功能得以充分发挥。的功能得以充分发挥。从结构上看，所谓局部总线是在从结构上看，所谓局部总线是在ISA总线和总线和CPU总线之间增总线之间增加的一级总线或管理层。这样可将一些高速外设，如图形卡、加的一级总线或管理层。这样可将一些高速外设，如图形卡、硬盘控制器等从硬盘控制器等从ISA总线上卸下而通过局部总线直接挂接到总线上卸下而通过局部总线直接挂接到CPU总线上，使之与高速的总线上，使之与高速的CPU总线相匹配。总线相匹配

22、。局部总线可分为三种：局部总线可分为三种：专用局部总线专用局部总线:如如NEC、Dell、HP等等,为自己系统开发的专为自己系统开发的专用总线用总线,用于图形处理、网络传输等用于图形处理、网络传输等.它们是非标准的它们是非标准的,不能通不能通用，也不被广大兼容机采用。用，也不被广大兼容机采用。VL 总线总线(VESA Local Bus)PCI 总线总线 VL 总线和总线和PCI 总线都是通用总线，但总线都是通用总线，但VL 总线只是适用总线只是适用于于486的一种过渡标准，目前已经淘汰。的一种过渡标准，目前已经淘汰。586以上档次的微机普以上档次的微机普遍采用遍采用PCI 总线。总线。第1章

23、 计算机系统概论概论(计算机的硬件)p总线结构总线结构总线结构总线结构:4.PCPC机常用总线结构机常用总线结构机常用总线结构机常用总线结构CPU(CPU(微处理器微处理器微处理器微处理器)介绍介绍介绍介绍微处理器微处理器主流厂家大型机IBM、SUN微机IntelIntel、AMDAMD嵌入式ARM、MIPS中国芯：龙芯lMIPS公司公司:MicroprocessorwithoutinterlockedpipedstageslARM公司公司:AdvancedRISCMachine微处理器发展简史微处理器发展简史微处理器发展简史微处理器发展简史微处理器微处理器IBMIBMIntelIntelAM

24、D(Advanced Micro Devices)(AMD(Advanced Micro Devices)(超微超微超微超微)微处理器的发展微处理器的发展(机械时代机械时代)第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展微处理器的发展(进入机电时代进入机电时代)第

25、1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)”晶体管之父”的肖克利（W.Shockley）博士诺宜斯（N.Noyce）、摩尔（R.Moore）、布兰克（J.Blank）、克莱尔（E.Kliner）、赫尔尼（J.Hoerni）、拉斯特（J.Last）、罗伯茨（S.Boberts）和格里尼克（V.Grinich）八叛逆八叛逆八叛逆八叛逆仙童半导体

26、公司FairChild集成电路之父杰克基尔比微处理器的发展微处理器的发展-英特尔英特尔Intel(Integrated/Electronics)的元老的元老第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)摩尔摩尔诺宜斯诺宜斯 葛洛夫葛洛夫Intel微处理器发展历史微处理器发展历史4004第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n1971年11月Intel面世了微处理器4004。n这款芯片的架构为4bit。n4004 是英特尔推出的第一款微处理器。n这一突破性的发明最先应用于 Busicom 计算器，为无生命体和个人计算机的智能嵌入铺平了道路。n晶体管数量：2,300n速度：108KHznIntel的第一款

27、微处理器是给日本人做计算器用的Intel微处理器发展历史微处理器发展历史8008 第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n1972 年：8008 微处理器诞生n8008的性能是 4004 的两倍。1974 年，RadioElectronics发表的一篇文章指出一款名为 Mark-8 的设备采用了8008。nMark-8 是第一批家用计算机之一，而以今天的标准来看该产品很难进行构建、维护和操作。n晶体管数量：3,500n速度：200KHzIntel微处理器发展历史微处理器发展历史8080 第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n1974 年：8080 微处理器n8080 有幸成为了第一款个人计算

28、机 Altair 的大脑。nAltair 这个名称是源星际旅行电视节目中一个星际飞行计划（StarshipEnterprise）的目的地名称。计算机爱好者花费 395 美元即可购得 Altair 套件。数月内，Altair 的销售量达到数万台，造成了电脑销售历史上第一次缺货现象。n晶体管数量：6,000n速度：2MHzIntel微处理器发展历史微处理器发展历史808*第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n1978 年：8086-8088微处理器n英特尔成功将 8088 销售给 IBM全新的个人计算机部门，使得 8088 成为了 IBM 全新热销产品-IBMPC 的大脑。8088 的大获成功使

29、英特尔顺利跻身财富 500 强之列，财富杂志将该公司评为“七十大商业奇迹之一（BusinessTriumphsoftheSeventies）”。n晶体管数量：29,000n速度：5MHz,8MHz,10MHzIntel微处理器发展历史微处理器发展历史286第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n1982 年：286 微处理器n286 也称为80286，是英特尔第一款具有完全兼容性的处理器，即可以运行所有针对其前代处理器编写的软件。这一软件兼容性也成为了英特尔处理器家族一个恒久不变的特点。该产品发布后的 6 年内，全世界基于 286 处理器的个人计算机便达到了大约 1,500万台。n晶体管数量：

30、134,000n速度：6MHz、8MHz、10MHz、12.5MHzIntel微处理器发展历史微处理器发展历史386第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n1985 年：英特尔386 微处理器n英特尔386 微处理器采用 275,000个晶体管约是最初的 4004 处理器的 100 多倍。它是一个 32 位的“多任务”芯片即可以同时运行多个程序。n每秒可以处理500万条指令，并 且可以运行所有流行的操作系统包括Windows*n晶体管数量：275,000n速度：16MHz、20MHz、25MHz、33MHzIntel微处理器发展历史微处理器发展历史486第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n

31、1989 年：英特尔486DXCPU 微处理器n 下一代处理器英特尔486 处理器真正意味着您从命令形式的进入到了point-and-click的计算时代。n英特尔486 处理器首次采用内建的数学协处理器，将负载的数学运算功能从中央处理器中分离出来，从而显著加快了计算速度。n晶体管数量：120 万n速度：25MHz,33MHz,50MHzIntel微处理器发展历史奔腾微处理器发展历史奔腾第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n1993 年：英特尔奔腾处理器n英特尔 奔腾处理器支持计算机更轻松的集成“现实世界”数据，如语音、声音、手写 体和图片等。n晶体管数量：310 万n速度：60MHz、66

32、MHzIntel微处理器发展历史奔腾微处理器发展历史奔腾II第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n1997年：英特尔奔腾II 处理器n汇集 750万个晶体管的英特尔 奔腾 II 处理器采用了英特尔MMX 技术。该技术专门设计用于高效处理视频、音频和图形数据。它采用创新的单边接触（S.E.C.）卡盒推出，同时还集成了高速的高速缓存内存 芯片。n晶体管数量：750 万n速度：200MHz、233MHz、266MHz、300MHz微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)Intel微处理器发展历史奔腾微处理器发展历史奔腾III第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n1999

33、年：英特尔奔腾III处理器n英特尔 奔腾 III 处理器采用了 70条新指令互联网 SIMD 流指令扩展，显著增强了高级图像、3D、音频流、视频和语音识别应用的性能。n处理器采用 0.25 微米技术制造。n晶体管数量：950 万n速度：650MHz 至 1.2GHzIntel微处理器发展历史奔腾微处理器发展历史奔腾4第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n2000 年：英特尔 奔腾 4 处理器 n处理器首次采用4,200万个晶体管和 0.18 微米的电路线。n晶体管数量：4,200 万n速度：1.30、1.40、1.50、1.70、1.80n2001 年 8月:英特尔 奔腾 4 处理器达到 2

34、GHz 里程碑n2002 年 11月：含超线程（HT）技术的英特尔 奔腾 4处理器n英特尔在全新英特尔 奔腾 4 处理器 3.06GHz上推出其创新超线程（HT）技术。n1998年英特尔发布了PentiumIIXeon处理器。n第一代Xeon采用了同PentiumII一样的SECC封装，但是使用了Slot2接口。nXeon将处理器的二级缓存放在了处理器板上，、使用的是1MB甚至2MB的全速二级缓存（PentiumII的二级缓存是以处理器主频的二分之一工作的），而且采用的是Intel自行开发的静态缓存（其原理还是不大清楚）能够提升缓存的工作效率。n另外提升了SMP能力，配合450NX芯片组可以支

35、持最大8个处理器共同工作。n另外Intel还为工作站推出了450GX芯片组，支持双至强工作和2GBECC内存！Intel服务器级芯片服务器级芯片Xeon(至强至强)第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)Intel服务器级芯片服务器级芯片安腾安腾第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n2001年英特尔发布了ItaniumItanium处理器是英特尔第一款64位元的产品.在Itanium处理器中体现了一种全新的设计思想，完全是基于平行并发计算而设计（EPIC）.n2002年英特尔发布了Itanium2处理器Itanium2处理器是以Itanium架构为基础所建立与扩充的产品，通过模拟运行可以兼容3

36、2位运算.Itanium2具有6.4GB/sec的系统总线带宽、最高达到16MB的L3缓存。微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)2005：Intel Pentium D 处理器处理器(正式揭开了正式揭开了x86处理器多核心时代处理器多核心时代)Intel微处理器发展历史酷睿微处理器发展历史酷睿第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)2006年：年：Intel Core 2 Duo 处理器处理器(其E67002.6GHz型号比先前推出之最强的IntelPentiumD960(3.6GHz)处理器，在性能方面提升了40%，省电效率也增加40%，Core2Duo处理器内含

37、2.91亿颗晶体管。)n2006 年 7 月：英特尔公司发布了十款全新酷睿 2 双核处理器和酷睿 至尊处理器n全新处理器可实现高达 40%的性能提升n其能效比最出色的英特尔奔腾处理器高出 40%。n英特尔 酷睿 2 双核处理器包含 2.91 亿个晶体管。微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)2007年：年：45纳米处理器纳米处理器(英特尔Core2至尊四核四核处理器QX9650)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)配备配备80核微处理器的试制主板核微处理器的试制主板位于中央的方形封装中安装了80核微处理器。封装连接2根水管，利用水冷技术

38、冷却封装和芯片。通过连接底板部分的红、黑电源线供电。微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)2009年：年：32纳米处理器纳米处理器?微处理器的发展微处理器的发展第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)1、4位位微处理器微处理器(Intel 4004)2、8位位微处理器微处理器(Intel 8080)3、16位位微处理器微处理器(Intel 8086/8088,80286)4、32位位微处理器微处理器(Intel 80386/80486/Pentium)5、64位位微处理器微处理器(Intel Itanium 安腾处理安腾处理器器)微处理器的发展微处理器的发展第1章 计

39、算机系统概论(计算机的硬件)AMD微处理器发展历史微处理器发展历史K5 第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)nAMD处理器被人们广泛了解是从AMDK5开始的。nAMDK5内建430万晶体管，350nm工艺。nK5是AMD 公司第一块自行设计的处理器，时钟频率有90MHz、100MHz、120MHz 等几款。n由于推出的时间较晚，因此刚一推出就面临着被Intel 公司淘汰出局的悲惨命运命运。AMD微处理器发展历史微处理器发展历史K6-2 第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n在AMDK6时代最为有名的是AMDK6-2。nK6-2是相当成功的产品，主因归于低价电脑的盛行nAMDK6-2处理器采

40、用了0.25微米五层金属工艺制造，内含930万个晶体管。nAMDK6-2的最大特色是采用了3DNow!技术。采用3DNow!技术的K62，具有单指令多数据(SIMD)性能，即用一条指令便可同时处理多个数据，明显加快了CPU的3D处理速度。K62/300的性能直逼P300，而价格却相对便宜.AMD微处理器发展历史微处理器发展历史K6-2+第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n接着AMD推出了K6-2+和K6-3型处理器。这两款产品都可以看作K6-2的升级版，其中K6-3比K6-2+先推出。n这两款处理器与K6-2的区别在于二级缓存的不同。K6-2的二级缓存是建立在主板上的，并以外频速度来工作。

41、而K6-3效仿PIII处理器，把二级缓存放进了CPU内部。AMD微处理器发展历史微处理器发展历史K7第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n接着就到了AMDK7的时代。nDuron（毒龙）处理器是K7时代的低端处理器。Duron（毒龙）的L1和L2Cache均采用的是全速Cache，运行速度和处理器核心同速，性能和Thunderbird(雷鸟)一样强大。nAthlonXP（速龙）处理器是AMD的一款成功之作。Athlon XP（速龙）处理器与雷鸟相比较的改进在于支持SSE指令集并且一级缓存中的数据TLB（转换表缓冲区）由32增加到了40个记录，数据与指令的L1和L2TLB可以分别独立运行，而且

42、TLB记录能够推断来预先写入。n随后Thoroughbred取代了Palomino核心的AthlonXP处理器。在为了应对800MHz前端总线的P4时，AMD又推出了采用512KB二级缓存，333/400MHz前端总线的Barton核心的处理器.AMD微处理器发展历史微处理器发展历史K8第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)n自从K7架构取得无比辉煌的成功后，AMD就一直秘密进行着自己的下一代处理器K8的研发工作n2003年4月22日面向高端服务器市场代号Opteron的AthlonFX正式发布，紧接着在同年9月23日，代号ClawHammer的Athlon64处理器发布，Athlon64的出

43、现正式宣告PC走向64位运算。nAMD为K8增加了一套通用寄存器（General-purposeRegisters，简称“GPR”），使的K8的GPR数量达到16个.IBM Power系列系列第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)nPOWER 是 PowerOptimizationWithEnhancedRISC 的缩写，是 IBM的很多服务器、工作站和超级计算机的主要处理器。nPOWER 芯片起源于 801CPU，是第二代 RISC 处理器。nPOWER 芯片在 1990年被 RS 或 RISC System/6000UNIX 工作站（现在称为eServer 和 pSeries）采用nPOW

44、ER 的产品有 POWER1、POWER2、POWER3，POWER4，POWER5等。最新是POWER6.IBM Power系列系列第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)微处理器发展趋势微处理器发展趋势?现实的解决方案一：多核现实的解决方案一：多核(Mulitcore)n频率瓶颈由于晶体管数量倍增，会导致硅芯片所需要的电能、耗费功率大幅提升，甚至成几何级数的增加 n多核处理器可以解决功耗和性能比的问题目前常见2核、4核、8核、16核68核、80核、2xx核计算能力将2TFlopsn多核处理器设计包括核间通讯cache设计片内总线设计 总线-NOC（networkonchip）现实的解决方案一

45、：现实的解决方案一：挑战挑战p软件怎么利用多核尚未解决软件怎么利用多核尚未解决p操作系统操作系统n方案一:当作多处理器看待，不能发挥封装在一个核的优点n方案二:虚拟化，把多核虚拟为一核，牺牲性能n方案三:定制，重写操作系统与编译器，无产品p应用软件应用软件n计算型软件，容易并行n信息处理软件，串行的，怎么用多核p课程知识课程知识n更新快速现实的解决方案一：现实的解决方案一：疑惑疑惑n双核是两个单核焊接在一起么双核是两个单核焊接在一起么n四核是两个双核焊接在一起么四核是两个双核焊接在一起么n处理器中其他器件怎么连接处理器中其他器件怎么连接nIntel、AMD给出不同的答案给出不同的答案n真假四核

46、真假四核现实的解决方案二：现实的解决方案二：可重构处理器架构可重构处理器架构n系统架构不固定系统架构不固定微处理器可以针对不同的应用修改自己的体系结构达到性能最优、功耗更低的目的n不增加硬件开销不增加硬件开销n又称软微处理器又称软微处理器n在在MPSOCMPSOC中，经常有中，经常有FPGAFPGA等可重构器件等可重构器件现实的解决方案二：挑战现实的解决方案二：挑战n全新架构，无一定规格全新架构，无一定规格n硬件设计硬件设计重构成什么微处理器重构成什么微处理器专用微处理器核有：专用微处理器核有：XML、JAVA、压缩、加密、网络、压缩、加密、网络、多媒体多媒体n软件设计软件设计软件架构软件架构

47、如何运行软件如何运行软件有没有其他解决方案有没有其他解决方案?n产业界主导的技术，而非研究机构产业界主导的技术，而非研究机构最强的研究力量都在业界推出既是标准竞争使得对手越来越少封装与制造工艺封装与制造工艺 SOCKET、SlotnSocket插座插座安装CPUSocket4、Socket5、Socket7、Socket370(Pentium 时代的CPU插座从 Socket4Socket4 开始,它有 273个脚，工作电压为 5V。正是因为它的工作电压太高，所以它并没有怎么流行就被 Socket5 取代了。Socket4 只能支持 6066MHz 的 Pentium。)(Socket370S

48、ocket370从名字就可以看出 Socket370 插座有 370 个管脚。在Intel 找到了把处理器内核和L2 缓存很便宜的做在一起的方法之后，它的 CPU 插座从 Slot 回到了 Socket。Socket 370 是基于 Socket7 的，它不过只是在插座的四边每一边加了一排管脚。首先采用 Socket370 的是 PPGA 封装的 Celeron，接着是FC-PGA 封装的PentiumIII 和 CeleronII。同样也有 Socket370 到 Slot1 的转接卡。目前 Intel的主流 CPU 都是 Socket370 类型的。)nSlot1一个狭长的242引脚的插槽

49、Slot1、Slot2接口标准、SlotA接口标准运算器运算器是一个数据加工部件，主要完成二进制算术运算及逻辑运算电子计算机中采用二进制数的原因运算规律简单，在电子器件中比较容易实现运算器的位数越多，计算的精度就越高，但是所费的电子器件也越多，成本就高。目前计算机的运算长度一般为8位、16位、32位或64位。第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)控制器 控制器是计算机的决策部件，通过指令译码产生各操作控制信号，控制各部件有条不紊地工作设计目标：容量大、速度快、成本低；同时计算机还应具有响应外部突发事件的能力，控制器能在适当的时刻响应这些外部的请求，并作出处

50、理。n将解题的程序（指令序列）存放到存储器中称为存储程序存储程序存储程序存储程序n控制器依据存储器的程序来控制全机协调地完成计算任务叫做程序控制程序控制程序控制程序控制存储器 存储器的功能是保存或“记忆”解题的原始数据和解题步骤设计目标：容量大、速度快、成本低为解决容量与成本的矛盾：将存储器分为内存储器和外存储器。n内存储器：由半导体存储器（RAM、ROM）构成，特点：速度快、但成本高，存放正在运行和处理的程序和数据n外存储器：由磁盘、磁带、光盘、移动存储器等构成，特点：容量大、成本低，可脱机保存信息，存放暂时不用的程序和数据第1章 计算机系统概论(计算机的硬件)存储器n一组基本概念n主存储器