计算机组成与结构K08第1章概述.ppt

1 计算机组成与结构 本课程是计算机科学与技术专业各专业方向的一门主要专业基础课程 通过学习本课程 使学生掌握计算机各部件的基本组成原理 各部件互连构成整机系统的技术 计算机系统的概念性结构和功能特性 提高计算机性能的基本思路与方法 为学习后继课程及今后从事计算机应用系统分析 设计 开发与使用打下良好的基础 本课程在讲述计算机基本知识 各部件基本原理和基本结构的基础上 讲述提高性能的技术及方法 通过简单模型机的分析建立整机概念 并以典型部件 典型机为例加深基本原理和基本结构的理解 2 先修课程 计算机导论 数字逻辑 后续课程 微机原理与接口技术 理论课 60学时实验 12学时 课程设计 1周 1学分 70 15 15 3 主要参考书 计算机组成与结构 第4版 王爱英主编 清华大学出版社 计算机组成原理 第2版 蒋本珊编著 清华大学出版社 计算机组织与结构 性能设计 第7版 美 WilliamStallings著张昆藏等译 清华大学出版社 4 计算机组成 计算机组成是研究计算机系统的内特性 是从逻辑设计人员的角度来看的基本属性 就是将外特性加以 逻辑实现 的基本属性 计算机结构 程序设计者所见的计算机属性 着重于计算机的概念结构和功能特性 即计算机系统外特性 5 区分组成与结构 具有相同系统结构的计算机可以具有不同的组成 系统结构相同 软件兼容 但两者运行时间可能不同 同一个计算机结构可用不同的计算机组成来实现 一种机器的体系结构可能维持多年 但其组成随计算机技术不断变化 6 第1章概论 1 1计算机硬件1 2计算机软件1 3计算机系统的层次结构1 4计算机的基本工作原理1 5计算机的性能1 6计算机系统的分类 7 1 1计算机硬件 1 1 1电子计算机的硬件组成1 1 2计算机的硬件典型结构 8 1 1 1电子计算机的硬件组成 控制信号 信息流 1 硬件组成各部件间的联系2 基本部件的功能 9 1 存储器功能 存放程序与数据 程序是计算机操作的依据 数据是计算机操作的对象 三级存储系统高速缓存 主存 辅存 10 2 运算器一种执行部件 主要任务是完成信息的加工处理 关键部件 ALU 3 输入设备输入用户提供的原始信息 并且将其转换为计算机能识别的信息 4 输出设备将计算机的处理结果以能为人们所接受或能为其他计算机所接受的形式输出 11 5 控制器计算机的控制和指挥中心 负责对指令进行译码产生一系列控制信号指挥和协调计算机各部件工作 指令是指示计算机执行某种操作的命令 指令由操作码和地址码两部分组成 操作码指示操作的性质 地址码指示操作的对象 两种类型的控制器 硬布线控制器微程序控制器 12 1 1 2计算机的硬件典型结构 一种典型的计算机硬件系统结构是单总线结构 用系统总线将各部件连接起来 13 1 总线的特点 具有共享性和分时性 所谓共享性是指连接在总线上的部件都可通过总线传递信息 所谓分时性是指在某一时刻总线只允许一个部件送数据到总线上 即因分时而实现共享 2 部件通过三态门挂接在总线上 以方便的实施共享和分时 14 15 16 3 AB DB CB的作用 AB用于传送地址信息 地址线的根数决定了寻址存储器的范围 DB用来传送数据信息 数据线根数决定了一次能够传送数据的位数 CB用来传送控制信号 时序信号和状态信号 4 总线的方向问题 AB为双向线 CPU经AB向存储器或I O设备发送地址 I O设备接口控制器 如DMAC 可向存储器发送地址 控制数据的直接传送 17 1 2计算机软件 1 2 1软件的组成与分类1 2 2计算机语言 1 计算机信息处理的一般过程采用计算机语言编写程序 将程序与数据输入计算机 并由计算机将程序编译成机器语言程序 保存在计算机的存储器中 运行程序 输出结果 18 2 编制程序采用的语言机器语言 程序由一系列机器指令构成 机器指令由二进制代码表示 汇编语言 一种符号语言 用助记符来表示机器指令的操作码 并采用符号地址 助记符及符号以ASCII码表示 高级语言 接近自然语言 程序由语句构成 19 3 源程序用汇编语言或高级语言编写的程序称为源程序 如汇编语言源程序 C 语言源程序 Pascal语言源程序等 4 汇编程序 解释程序 编译程序源程序 汇编器 目标代码 执行源程序 解释器 执行源程序 编译器 目标代码 执行 20 数据和指令是以二进制代码形式存放在存储器中 计算机执行程序的过程就是按照给定次序执行一系列指令的过程 21 1 3计算机系统的层次结构 1 为什么采用层次结构的观点分析计算机根据不同的工作需要 选择某一层次分析计算机的组成 性能和工作原理 分层次逐级实现的策略 易于建造 调试 维护和扩充 自下而上 反映了计算机系统的逐级生成过程 自上而下 反映了应用计算机求解问题的过程 22 2 虚拟机的概念一台不提供任何软件支持的计算机是一台实际机器或称为机器语言机器 提供了软件支持的机器称为虚拟计算机 例如 汇编语言虚拟机器的层次结构 23 例如 高级语言虚拟机器的层次结构 虚拟机器M2 汇编语言或中间语言机器 实际机器M1 机器语言机器 虚拟机器M3 高级语言机器 虚拟机器M2 高级语言机器 实际机器M1 机器语言机器 24 3 硬布线计算机的多级层次结构 25 4 微程序计算机的多级层次结构 26 1 4计算机的基本工作原理 1 4 1存储程序工作原理1 4 2计算机的工作过程 27 1 4 1存储程序工作原理 存储程序工作原理是冯 诺依曼 JohnVonNeumann 在1945年领导设计EDVAC 电子离散变量计算机 的过程中提出的 符合存储程序概念的计算机系统统称为冯 诺依曼型计算机 28 冯 诺依曼机基本特点计算机有五大基本部件组成采用存储程序方式 指令流驱动方式 数据以二进制码表示指令由操作码和地址码组成由PC指明要执行指令所在的单元地址 PC值自动增 1 且可按某些条件改变 机器以运算器为中心突破 机器以存储器为中心 29 提高计算机性能的根本方向之一是并行处理 主要表现在以下两个方面 在诺依曼结构范畴内对传统诺依曼机进行改造 从根本上改变诺依曼机的控制流驱动方式 30 1 4 2计算机的工作过程 例如 要在某计算机上运算f a b 步骤如下 取a数 取b数 判断 如果b 0 则转 否则顺序执行 执行a b 结果送f 转 执行a b 结果送f 结束 31 2000H MOVAL 200AH MOVBL 200BH MOVBH BLSHLBL 1JC2007ADDAL BHJMP20082007H SUBAL BH2008H MOV 200CH ALHLT 32 PC 2000H 设数据b 0 程序的执行过程 取指令 执行指令 PC 例如 MOVAL 200AH 33 计算机的工作过程 执行程序的过程按照给定次序执行一系列指令的过程反复取指和执指的过程 34 1 5计算机的性能 1 5 1计算机的性能指标1 5 2计算机的性能评价 35 1 5 1计算机的性能指标 1 基本字长是指参与运算数的基本位数 它由加法器 寄存器 数据总线的位数决定 2 数据通路宽度是指数据总线一次所能并行传送的位数 3 主存容量一个主存储器所能存储的全部信息量 按字节编址 通常以字节数表示主存容量 按字编址 通常以字数 字长表示主存容量表示主存容量 36 4 运算速度平均运算速度实际执行时间TCPU IN CPI TCMIPS和MFLOPSMIPS 每秒百万次指令 对于给定的一个程序 MIPS可表示成 Tc 时钟周期 Rc 时钟频率 它是Tc的倒数 CPI 每条指令所需时钟周期IN 程序中总的指令数 C 37 MFLOPS 每秒百万次浮点运算MFLOPS IFN TE 106 5 时钟频率主频 CPU的内部工作频率系统时钟 系统的总线速度 38 1 5 2计算机的性能评价 评估性能的基准测试程序 1 采用实际应用程序 2 采用核心程序 3 综合基准测试程序 较流行的有Whetstone Dhrystone 系统性能评估协定SPEC 在选用基准测试程序时应尽量选用有典型代表的实际求解问题 而不要选用人为设计的基准测试程序 39 1 6计算机系统的分类 按Flynn分类法进行分类 按指令流和数据流的多倍性概念的方法 SISD单指令流单数据流一个单一的处理器驱动单一的指令流 来操作存于单一存储器中的数据 传统的单处理机属于SISD计算机 40 SIMD单指令流多数据流一个单一的机器指令控制几个处理部件同时执行 并