计算机组成技术--第三章.ppt

第三章 计算机核心部件及其 工作原理,第一节 中央处理器（CPU）,冯诺伊曼计算机的特点,冯诺伊曼计算机的特点 计算机由运算器、存储器、控制器和输入/输出设备组成 指令和数据一起以同等地位存放于存储器内，并可按地址访问 指令和数据均用二进制代码表示 指令由操作码和地址码组成，操作码用于表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置,冯诺伊曼计算机的特点,指令在存储器内按顺序存放 机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器间的数据传送都通过运算器来完成。,典型的冯诺伊曼计算机结构框图,运算器,控制器,输入设备,存储器,输出设备,典型的冯诺伊曼计算机结构框图,冯诺伊曼计算机结构的演化,控制部件多样化 现代计算机系统采用了总线结构 总线：连接计算机各部件的一组公共信号线，它是计算机中传送信号代码的公共通道。 内部总线：把微处理机内部各个逻辑功能单元互相连接起来的线路 外部总线：把计算机各个功能部件互相连接起来的总线 数据总线、控制总线、地址总线,数据总线 实现CPU、存储器和输入输出设备三者之间的数据交换 双向总线 地址总线 用来输出指定的存储器或I/O设备地址的总线 单向总线 地址总线的数目决定了所能访问的存储单元的数目 控制总线,三态门缓冲器,输入,输出,启动/禁止,存储器成为计算机的中心,运算器,控制器,输入设备,存储器,输出设备,以存储器为中心的计算机结构框图,00010000,地 址 译 码 器,来自CPU的地址寄存器 00000010,控制,CPU发送读命令,将数据传送给CPU,存储器读操作,输入/输出系统的功能加强 采用了中断技术、DMA的方式的高速总线技术,指令系统,基本概念 指令：计算机执行某种操作的命令 指令系统：计算机各种操作的集合 指令系统是完备的 指令系统支持最高效率的执行 指令编码是合理的 指令系统须采取系列设计,指令字长和指令格式 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数 指令字长：指令中包含的二进制代码的位数。 单字长指令：指令字长和机器字长相等 双子长指令：指令子长度是机器子长的两倍 指令格式：由操作码和操作数组成,操作码,操作数/操作数地址,操作码：决定了操作的类型,操作数码 无操作数指令 由操作数指令,操作码,操作码,操作数1/操作数地址1,操作数n/操作数地址n,计算机的工作过程（简要介绍）,计算机的工作过程（简要介绍） 例：计算 ax2+bx+c 化简(ax+b)*x+c 运算步骤： 取x送指运算器中 乘以a，得ax，存于运算器中 加b，得ax+b，存于运算器中 乘以x，得(ax+b)x，存于运算器中 加c，得(ax+b)x+c，存于运算器中,计算机的工作过程（简要介绍）,设某机器的指令字长为16位，其中操作码占6位，地址码占10位，如下图所示,操作码,操作数,6位,10位,使用系统总线的CPU,ALU,CU,寄存器,中断系统,CPU,控制总线,数据总线,地址总线,使用系统总线的CPU,CPU的寄存器,CPU的寄存器 用户可见的寄存器 通用寄存器 数据寄存器 地址寄存器 条件代码寄存器,CPU的寄存器,控制和状态寄存器 MAR 存储器地址寄存器 MDR 存储器数据寄存器 PC 程序计数器 IR 指令寄存器,AX BX CX DX,通用寄存器,SP BP SI DI,指针和变址,CS DS SS ES,段,IP F,程序状态,8086微处理器寄存器的组织,细化的计算机组成框图,ACC,ALU,X,MQ,运算器,CU 控制单元,IR,PC,控制器,CPU,存储体,MDR,MAR,主存储器,I/O,CPU的功能（控制器的功能）,CPU的功能（控制器的功能） 取指令 分析指令 执行指令,CPU的控制单元,CPU的控制单元 指令周期的基本概念 CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周期,取指阶段,执行阶段,取指周期 （取指、分析）,执行周期 执行指令,指令周期,CPU的控制单元,指令周期的比较,取指周期,指令周期,无条件转移指令 JMP X,取指周期,指令周期,加法指令,执行周期,取指周期,指令周期,执行周期,乘法指令,CPU的控制单元,机器周期：完成一个基本的操作如读或写等所需要的时间 时钟周期（节拍、状态） 在一个机器周期里可以完成若干个微操作，每个微操作都需要一定的时间，可以用时钟信号来控制产生每一个微操作命令。这样一个机器周期内就包含了若干个时钟周期，又称节拍或状态。,CPU的控制单元,机器周期T,T1,T2,Tn,T1,T2,Tn,机 器 周 期 M1,机 器 周 期 M2,指 令 周 期 （包括1n个机器周期）,CPU的控制单元,微操作信号的产生电路设计方法 数字逻辑设计方法 微程序设计方法,流水线技术,如何提高整机的处理能力 提高器件的性能 改进系统的结构，开发系统的并行性,流水线技术,流水线结构 取指令，微处理器从高速缓存或内存中取一条指令 指令译码，分析指令 操作数地址生成，针对访存指令，要访问存储器中的操作数，需形成操作数的地址 取操作数，针对形成的存储器的地址，指令取操作数 执行指令，由ALU执行指令规定的操作,流水线技术,写回运算结果，最后运算结果存放至某一内存单元或某一通用寄存器 修改指令指针，指向下一条指令,流水线技术,取指令1,执行指令1,取指令2,执行指令2,指令的串行执行,CPU,总线,时间,取指1,执行1,写数1,取指2,执行2,取指3,忙,忙,忙,忙,总线的使用情况,流水线技术,取指令1,执行指令1,取指令2,执行指令2,取指令3,执行指令3,指令的二级流水,流水线技术,二级流水不能使执行效率加倍 指令的执行时间一般大于取指时间，因此，取指阶段可能要等待一段时间。 遇到转移指令，下一条指令是不可知的，因为必须要等到执行阶段结束之后，才能知道条件是否成立，从而决定下一条指令的地址，造成了时间上的浪费。,流水线技术,FI 取指令 DI 指令译码 CO 计算操作数地址 FO 取操作数 EI 执行指令 WO 写操作数,流水线技术,流水线种类 指令流水线结构,取 指 令,指 令 译 码,地 址 形 成,取 操 作 数,操 作 执 行,写 操 作 数,改指令指针,流水线技术,数据（运算）流水线,对 阶,锁存器,尾 数 相 加,锁存器,规 格 化,锁存器,流水线技术,影响流水线性能的因素 访存冲突 相关问题 控制相关 数据相关,流水线技术,流水线中的多发技术 超标量技术（Super Scalar） 每个时钟周期可同时并发多条指令，即以并行操作的方式将两条或两条以上的指令编译并执行 超流水线技术（Super pipe lining） 超长指令字技术（VLIW）,假设一条指令分为四个阶段： 取指（FI）、译码（ID）、执行（EI）、回写（WR）,流