第2章 计算机系统的结构组成与工作原理.ppt

2020 3 22 第2章计算机系统的结构组成与工作原理 第二章计算机系统的结构组成与工作原理 2 1计算机系统的基本结构与组成层次模型Hierarchy结构Architecture 组成Organization与实现Realization2 2计算机系统的工作原理冯 诺依曼计算机架构模型机 系统结构 指令集 工作流程2 3计算机体系结构的改革改进 指令集 RISC CISC 分层存储器 高速总线 接口改变 多种并行技术 流水线 超标量 多机 核 多线程2 4计算机体系结构分类2 5计算机性能评测Performance字长 存储容量 运算速度2 6习题 2020 3 22 2 50 计算机系统的层次结构 a 图自下而上反映了系统逐级生成的过程 自上而下反映了系统求解问题的过程 b 图中的虚拟机 与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器 微体系结构层 微程序 操作系统层 语言处理层 解释 编译 用户程序层 语言编程 系统分析层 数学模型 算法 硬核级 数字逻辑层 硬连逻辑 指令系统层 机器语言指令 应用语言虚拟机 高级语言虚拟机 汇编语言虚拟机 操作系统虚拟机 机器语言级 微程序级 寄存器级 硬件 硬件系统 异常处理机构 指令系统 CPU 存储器 I O及通信子系统 系统软件 操作系统 编译器 数据库管理系统 Web浏览器 设备驱动 中断服务程序 应用软件 计算机发展过程中的重大技术演变 在指令层和执行程序的数字逻辑层两层基础上增加微程序控制层 增加操作系统层 大大降低了程序员的编程难度 cache的出现 解决了高速度与低成本的矛盾 虚拟内存技术的出现解决了大容量与低成本的矛盾 后期出现RISC思想 不使用微代码层 软 硬件比例可调 计算机功能通过软件实现还是硬件实现 取决于所需的速度 灵活性 成本 可靠性 更新频率等因素 软件实现 灵活 硬件简单 成本低 但是速度慢 硬件实现 速度快 灵活性差 硬件复杂 成本高 2 软硬件的逻辑等价性可以表现为 1 硬件软化 如RISC思想 2 软件硬化 如CISC思想 3 固件化 如微程序 计算机体系结构 是程序员所看到的计算机 机器语言级 的属性 即概念性结构与功能特性 计算机组成 从硬件角度关注物理机器的各部件的功能以及各部件的联系 对程序员是透明的 计算机实现 指的是计算机组成的物理实现 包括处理器 主存等部件的物理结构 器件的集成度和速度 2020 3 22 6 36 计算机体系结构 组成与实现 1 计算机体系结构是人眼看不见的东西 而计算机组成是人眼可见的 2 计算机组成是计算机的外部 是使用人员所关心的系统硬件指标参数 而计算机实现是计算机的内部 是制造人员关心的内容 3 相同体系结构 同系列 的计算机具有相同的结构和不同的组成 计算机体系结构 1946年 美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士Mauchley和电气工程师Eckert领导的小组研制成功世界上第一台数字式电子计算机ENIAC 著名的美籍匈牙利数学家VonNeumann参加了为改进ENIAC而举行的一系列专家会议 研究了新型计算机的体系结构 1949年 英国剑桥大学的威尔克斯等人在EDSAC机上实现了冯 诺依曼模式 直至今天冯 诺依曼体系结构依然是绝大多数数字计算机的基础 2020 3 22 7 50 同一体系结构的计算机 不管其组成和实现如何变化 在代码级是完全兼容的 例如更换内存条的型号和容量不需要修改源代码 ENIAC和EDSAC的异同 ENIAC是第一台数字式电子计算机 采用十进制计数 编程通过接插线进行 EDSAC是第一台存储程序计算机 又称为冯 诺依曼计算机 是所有现代计算机的原型和范本 EDSAC采用二进制计数 存储程序 指令驱动 2020 3 22 9 26 9 30 计算机组成 1 总线结构 计算机组成 2 2020 3 22 11 30 计算机的实现 1 半导体技术 2 制造技术 3 封装技术 4 装配技术 5 电源技术 6 冷却技术 确定是否有乘法指令属于 乘法指令是用专门的乘法器实现 还是经加法器用重复的相加和右移操作来实现 属于 乘法器 加法器的物理实现 如器件的选定 器件集成度 类型 数量 价格 及所用微组装技术等 属于 计算机体系结构 计算机组成 计算机实现 计算机结构 组成及实现区分 主存容量与编址方式 按位 按字节 按字访问等 的确定属于 为达到所定性能价格比 主存速度应多快 在逻辑结构上需采用什么措施 如多体交叉存储等 属于 主存系统的物理实现 如存储器器件的选定 逻辑电路的设计 微组装技术的选定属于 计算机体系结构 计算机组成 计算机实现 1 具有相同计算机系统结构 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 2 一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现 例如 主存器件可以采用SRAM芯片 也可以采用RAM芯片 可以采用大规模集成电路单个芯片 也可以采用中小规模集成电路进行构建 取决于性能价格比的要求与器件技术的现状 计算机系统结构 组成和实现三者的相互影响 硬件组成五大部分运算器 控制器 存储器 仅内存 输入设备 输出设备以存储器为中心 P32 图2 2 信息表示 二进制计算机内部的控制信息和数据信息均采用二进制表示 并存放在同一个存储器中 工作原理 存储程序 指令 控制 驱动编译链接生成的可执行程序 包括指令和数据 保存在辅助存储器中 程序开始运行时 计算机在不需要人工干预的情况下由控制器自动 高速地依次从存储器中取出指令并加以执行 2020 3 22 15 81 冯 诺依曼体系结构 模型机体系结构 基于总线的冯 诺依曼架构模型机总线子系统 作为公共通道连接各子部件 用于实现各部件之间的数据 信息等的传输和交换 CPU子系统 集成了运算器 控制器和寄存器的超大规模集成电路芯片 VLSI 存储器子系统 用来存放当前运行的程序和数据 输入输出子系统 用于完成计算机与外部的信息交换 2020 3 22 16 50 早期计算机各组成部分之间通过芯片引脚直接连接 后来以总线为中心 各组成部分之间通过接口互连 总线结构的产生 模型机总线结构 按传输信息的不同可将总线分为地址总线AB 控制总线CB和数据总线DB三类 地址总线通常是单向的 由主设备 如CPU 发出 用于选择读写对象 如某个特定的存储单元或外部设备 数据总线用于数据交换 通常是双向的 控制总线包括真正的控制信号线 如读 写信号 和一些状态信号线 如是否已将数据送上总线 用于实现对设备的监视和控制 CPU RAM ROM I O接口 外设 AB DB CB 常用地址译码器 存储器用来存放当前的运行程序和数据 存储器组织由许多字节单元组成 每个单元都有一个唯一的编号 存储单元地址 其中保存的信息称为存储单元内容 访问 读或写 存储单元 存储单元地址经地址译码后产生相应的选通信号 同时在控制信号的作用下读出存储单元内容到数据缓冲器 或将数据缓冲器中的内容写入选定的单元 模型机内存储器 通用寄存器组堆栈指针SP程序计数器PC 微操作控制电路 控制总线CB 地址总线AB 数据总线DB 运算器 寄存器组 控制器 模型机CPU子系统 2020 3 22 21 50 输入 输出设备 数据信息 状态信息 控制信息 数字量 模拟量 开关量 连续几位二进制形式表示的数或字符 如键盘输入的信息以及打印机 显示器输出的信息等 时间上连续变化的量 如温度 压力 流量等 只有两个状态的量 如阀门的合与断 电路的开与关等 CPU与I O设备之间的接口信息 反映外设当前工作状态的信息 READY 输入设备是否准备好BUSY 输出设备是否忙 CPU向外部设备发送的控制命令信息 读写控制信号时序控制信号中断信号片选信号其它操作信号 模型机指令系统 指令是发送到CPU的命令 指示CPU执行一个特定的处理 CPU可以处理的全部指令集合称为指令集 指令集结构 ISA 是体系结构的主要内容之一 ISA功能设计实际就是确定软硬件的功能分配 指令通常包含操作码和操作数两部分 操作码指明要完成操作的性质 如加 减 乘 除 数据传送 移位等 操作数指明参加上述规定操作的数据或数据所存放的地址 例 MOVR0 2 二进制操作码助记符 与动作一一对应 操作码 由CPU设计人员定义 具有固定的写法和意义 操作数 可由编程人员采用不同方式给出 注释 模型机常用汇编指令 计算机执行可执行程序过程 编写应用程序源代码 使用输入设备 利用编译器和链接器 系统软件 生成可执行程序 应用程序源代码和可执行程序均保存在硬盘上 当用户执行可执行程序时 操作系统将硬盘上的可执行程序部分或全部加载到主存储器 内存 并将可执行程序的第一行语句在内存中的位置编号 地址 赋给CPU内部的PC寄存器 CPU 集成了运算器和控制器 根据当前的PC值 从内存取出可执行语句 指令 首先分析语句功能 然后执行 并自动增加PC的值 循环第3个步骤 当执行完可执行程序的最后一行语句后停止 可执行程序在执行过程中可能会把运行结果送输出设备 模型机工作原理 计算机的工作本质上就是执行程序的过程 指令执行的基本过程可以分为取指令 fetch 分析指令 decode 和执行指令 execute 三个阶段 取指令当程序已在存储器中时 首先根据程序入口地址取出一条程序 为此要发出指令地址及控制信号 分析指令即指令译码 是指对当前取得的指令进行分析 指出它要求什么操作 并产生相应的操作控制命令 执行指令根据分析指令时产生的 操作命令 形成相应的操作控制信号序列 通过运算器 存储器及输入 输出设备的执行 实现每条指令的功能 其中包括对运算结果的处理以及下条指令地址的形成 PC值由操作系统初始化为程序的入口地址 c语言中是main函数第一行 计算机完成计算的过程分析 目的 计算0 x10和0 x20之和编写汇编程序代码 关键代码如下 MOVA 0 x10 A 0 x10 A为CPU内部的累加寄存器ADDA 0 x20 A A 0 x20编译 链接后得到的可执行代码 二进制位串 运行 把保存在硬盘上的可执行文件调入内存 并把程序指令在内存的开始位置赋值给CPU中的PC寄存器 以后的计算工作就交给CPU 指令驱动 程序的执行过程 取指令 分析指令 执行指令 CB AB DB 地址译码 读控制 N N表示指令长度 以字节为单位 此处N 1 改进指令集 指令功能 指令格式 寻址方式 存储器子系统 4层结构 输入 输出子系统 高速总线 多种接口方式 改变1 改变串行执行模式 发展并行技术 2 改变控制驱动方式 发展数据驱动 需求驱动 模式驱动等其它驱动方式 2020 3 22 30 81 串行性是冯诺依曼计算机的本质特点 包括 指令执行的串行性和存储器读取的串行性 对冯诺依曼体系结构的改进 3 6章重点 不同的指令集设计策略 CISC与RISC CISC ComplexInstructionSetComputer 复杂指令集计算机 不断增强指令的功能以及设置更复杂的新指令取代原先由程序段完成的功能 从而实现软件功能的硬化 计算机的指令逐渐增多 逐渐复杂 RISC ReducedInstructionSetComputer 精简指令集计算机 通过减少指令种类和简化指令功能来降低硬件设计复杂度 从而提高指令的执行速度 2020 3 22 31 86 CISC 如IntelCPU RISC如ARM处理器 2020 3 22 31 50 CISC系统的发展过程 最初的指令系统比较简单 随着半导体技术和微电子技术的发展 芯片集成度越来越高 硬件成本降低 存储器访问速度慢 容量小 以及访问的串行性 使得程序的总指令条数尽量减少 指令功能越来越强 使得硬件的设计越来越困难 复杂指令直接由硬件实现越来越困难 为了减少对存储器的存取操作 减少软件开发难度 CPU设计人员将复杂指令通过微程序实现 再将微程序固化后交由硬件实现 宏代码到微代码的转换 1000 a1 a b1001 a2 c d1002 c a1 a2 2000 a1 a b 2001 a2 c d 2002 c a1 a2 CPU内微码存储器 宏指令 程序员编写 2020 3 22 34 50 CISC系统的缺点 美国加州大学Berkeley分校的研究结果表明 许多复杂指令很少被使用 2 8原则 控制器硬件复杂 指令多 且具有不定长格式和复杂的数据类型 占用了大量芯片面积 且容易出错 指令操作繁杂 速度慢 指令规整性不好 不利于采用流水线技术提高性能 2020 3 22 34 68 2020 3 22 35 50 RISC的特点及设计思想 RISC指令集的设计应当遵循以下五个原则 指令条数少 格式简单 易于译码 不提供复杂指令 提供足够的寄存器 只允许load和store指令访问内存 指令由硬件直接执行 在单个周期内完成 充分利用流水线 依赖优化编译器的作用 2020 3 22 35 68 由于CISC指令集日趋复杂 无法适应优化编译 同时存储器的成本不断降低 速度提高 为RISC系统提供了基础条件 CISC与RISC的数据流 2020 3 22 36 86 2020 3 22 36 50 CISC 优点 指令越多功能越强 强调代码效率 容易和高级语言接轨 可直接实现处理器和存储器之间的数据转移 缺点 指令集以及芯片的设计比上一代产品更复杂 不同的指令 需要不同的时钟周期来完成 执行较慢的指令 将影响整台机器的执行效率 RISC 优点 指令少容易记忆 尽量将操作码和操作数用1个16位数或32位数表示 指令整齐 CPU时钟频率可以做得很高 指令执行速度快 缺点 同样功能的程序 产生的代码量比较大 必须合理地选择编译器 现代计算机 RISC CISC CISC与RISC系统的比较 分层的存储子系统 改进2 P40 P41 P156 如何以合理的价格搭建出容量和速度都满足要求的存储系统 始终是计算机体系结构设计中的关键问题之一 现代计算机系统通常把不同的存储设备按一定的体系结构组织起来 以解决存储容量 存取速度和价格之间的矛盾 2020 3 22 38 50 设计目标 整个存储系统速度接近M1而价格和容量接近Mn 其他改善存储器带宽的方法 哈佛体系结构 ARM9系列 2020 3 22 39 50 2020 3 22 40 50 现代高速总线 改进3 高速并行总线 高速总线串行化 多级总线结构 北桥 南桥 前端总线FrontSideBus 输入输出管理方式 2020 3 22 42 50 上半部分是计算机组成范畴 下图是计算机体系结构范畴 计算机体系结构的演进 并行处理技术 并行处理技术实现多个处理器或处理器模块的并行性 其基本思想包括时间重叠 timeinterleaving 资源重复 resourcereplicaiton 和资源共享 resourcesharing 并行性是指计算机在同一时刻或同一时间间隔内进行多种运算或操作 它包括同时性和并发性 分级并行处理技术 指令级并行技术ISP流水线 超标量 超长指令字系统级并行技术SLP多处理器 多机 多核 多磁盘线程级并行技术TLP同时多线程SMT电路级并行技术CLP组相联cache 先行进位加法器 工业生产流水线 生产流水线是在一定的线路上连续输送货物的搬运机械 又称输送线或者输送机 早期计算机顺序串行执行程序 特点是控制简单 缺点是上一步骤未完成 下一操作便不能开始 效率较低 四级流水线CPU的操作 1 取指令级将待执行指令的地址发送到指令存储器 并等待此指令返回 2 指令译码级指令译码并从寄存器中取出所需的源操作数 3 指令执行级执行运算 并将其结果送至下一阶段 4 数据回写级将数据写回到寄存器或者数据存储器 或在决定分支跳转时写入地址寄存器给出下一个指令的地址 指令时空图 一个周期执行一个步骤 串行顺序执行 4级流水线执行 流水线满载 串行顺序执行 大部分硬件都处于空闲状态指令流水线 所有硬件都处于工作状态 计算机流水线技术 从硬件上看 通过分割逻辑 插入缓冲寄存器 流水线Reg 来构建流水线 2020 3 22 48 50 更细的流水线 取指 FI 指令译码 DI 计算操作数地址 CO 取操作数 FO 执行指令 EI 写操作数 WO 49 86 2020 3 22 49 50 流水线CPU的特点 优点 通过指令级并行来提高性能 缺点 增加了硬件成本 流水寄存器会引入延迟和时钟偏移 这些额外开销会使每条指令的执行时间有所增加 同时限制了流水线的深度 流水线中各段的操作存在关联 dependence 时可能会引起流水线中断 从而影响流水线的性能和效率 2020 3 22 50 86 2020 3 22 50 50 超标量CPU的体系结构 超标量技术 可在一个时钟周期内对多条指令进行并行处理 使CPI小于1 特点 处理器中有两个或两个以上的相同的功能部件 要求操作数之间必须没有相关性 整数指令 浮点指令 2020 3 22 2020 3 22 51 50 超标量结构机器的例子 两条输入流水线 三条执行流水线 每个时钟周期可从存储器中获取两条指令 用于执行不需要访问存储器的指令 可处理所有需要或不需要访问存储器的指令 可用于进行乘 除类较复杂的算术运算 决定应使用哪一条执行流水线 2020 3 22 52 50 2020 3 22 53 50 多机并行系统 大规模并行处理机 MPP 是一种价格昂贵的超级计算机 它由许多CPU通过高速专用互联网络连接 机群 cluster 由多台同构或异构的独立计算机通过高性能网络或局域网连在一起协同完成特定的并行计算任务 刀片 blade 通常指包含一个或多个CPU 内存以及网络接口的服务器主板 通常一个刀片柜共享其它外部I O和电源 而辅助存储器则由距离刀片柜较近的存储服务器提供 网格 Network 是一组由高速网络连接的不同的计算机系统 可以相互合作也可独立工作 网格计算机将接受中央服务器分配的任务 然后在不忙的时候 如晚上或周末 执行这些任务 2020 3 22 54 50 多核处理器 多线程技术 单片多处理器 ChipMulitProcessor CMP 问题 晶体管数量 芯片面积及芯片发热量多线程处理器 MultithreadedProcessor 细粒度多线程 Fine GrailMultithreading 在每个指令中切换线程 处理器必须能在每个时钟周期切换线程 其优点是可以隐藏停顿引起的吞吐量损失 缺点是单个线程处理速度变慢了 粗粒度多线程 Coarse GrailMultithreading 仅当遇到开销大的阻塞时才切换线程 其缺陷在于流水线启动开销引起吞吐量损失 特别是对于短的阻塞 2020 3 22 55 50 1966年M J Flynn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以下4类 1 单指令流单数据流 SISD 2 单指令流多数据流 SIMD 3 多指令流单数据流 MISD 4 多指令流多数据流 MIMD 计算机体系结构的分类 SISD计算机是典型的单处理器系统 特点 每次对一条指令进行译码 并仅对一个操作部件分配数据 CU 控制单元 PU 处理单元 MM 存储体CS 控制流 IS 指令流 DS 数据流 SISD计算机 SM SIMD计算机 特点 多个PU按一定方式互连 在同一个CU控制下 各自的数据完成同一条指令规定的操作 从CU看 指令顺序 串行 执行 从PU看 数据并行执行 SIMD计算机 MISD计算机 特点 MISD几条指令对同一个数据进行不同的处理 实际上不存在 MIMD计算机 MIMD多处理机系统 特点 能实现作业 任务 指令 数组各级全面并行的多机系统 Flynn分类及应用分类 对称多处理机 1 字长字长是指计算机一次能够处理 算术运算 逻辑运算 存储 复制等操作 的最大数据宽度 位数 字