chap12概述计算机系统组成与工作原理.ppt

1 微处理器系统结构及嵌入式系统设计 电子工程学院陈客松第12章 2 概述 信息在计算机中的表示计算机结构与组成微机发展概况计算机系统展望 3 现代信息科学的六大组成部分 信息的生成 获取 存储 传输 处理及其应用是现代信息科学的六大组成部分 从计算机学科的角度分析 嵌入式系统在一定程度上代表了未来计算机发展的方向 计算机在信息的后五部分都起到关键作用 计算机的发展一直和数字电路设计的发展相辅相成 互相促进 4 信息在计算机中的表示 信息 数据 在计算机中的存在形式 电位的高低状态 H L 二进制逻辑的0 1记忆 表示数值 数制 表示符号 码制 信息在计算机中的表示形式 数值的运算 数值数据 符号的编码 非数值数据 5 信息在计算机中的表示 二进制的特点 计数特点简单 更加贴近生活 电子记忆方便 0 1 L H 低 高 对立 统一 饱和 截止 6 数的符号表示 拉丁文 汉文 意大利文 英文 1 2 3 4 5 6 7 8 9 一 二 三 四 五 六 七 八 九 one two three four five six 7 进制的认识 人类对数制认识非常深刻 应用广泛 每一个人每天都会用到不同的数制 例如 一天有24小时 即逢24进1 一小时有60分 即逢60进1 数量是确定的 而表示数量进制是可变的 例如 我们常说的 半斤八两 表示的数量相同 而 半斤 是十进制 八两 是十六进制 8 数的多项式表示法 N R KiRi Kn 1Rn 1 Kn 2Rn 2 K0R0 K mR m i m i n 1 R 进制的基数 例 二进制R 2 八进制R 8 十进制R 10 十六进制R 16 Ri 进制的位权 i愈大则位权愈大 Ki 位权的系数 Ki值在进制集合的符号中 n 整数部分的数位 m 小数部分的数位 9 数的多项式表示法 多项式表示例 572 10 5 102 7 101 2 100 110 2 1 22 1 21 0 20 6 10 12B 16 1 162 2 161 11 160 256 32 11 299 10 10 11 2 1 21 0 20 1 2 1 1 2 2 2 0 0 5 0 25 2 75 10 10 数制中的进制表示 二进制表示十进制表示八进制表示十六进制表示 符号0 1集合 尾符B 例 00010101B 符号0 9集合 尾符D或缺省 例 21D或21 符号0 9 A F集合 尾符H 例 1AH 符号0 7集合 尾符Q 例 27Q Binary Decimal Hexadecimal Octal 11 进制间的转换 常用类型常用方法 2 10 2 16 10 16 多项式法 2 10 16 10 N 10权位法 2 10 10 16定位法 2 16 2 8 12 进制间的转换 001010111101000100111111 001010111101000100111111 2BD13F 4位二进制数与1位十六进制数定位法 E7H 1110 0111 11100111B 13 进制间的转换 二进制 十进制间的权位法 01101101B 64 32 8 4 1 109 114 64 32 16 2 01110010B 14 进制间的转换 十六进制 十进制间的权位法 5BH 5 16 11 1 80 11 91 114 7 16 2 1 72H 15 无符号数与有符号数 无符号数 有符号数 计算机中所有二进制位均有值的作用 计算机中二进制数的高位表示值的符号 例 10001000B 136 例 10001000B 8 注 b7 0表示正数 b7 1表示负数 16 有符号数的表示 原码表示 反码表示 补码表示 8 00001000B 8 10001000B 8 00001000B 8 11110111B 8 00001000B 8 11111000B 注 正数的原 反 补相同负数的原 反 补不同 17 机器数与真值 计算机中所有符号 机器 数用补码表示 根据机器数求真值 根据真值得机器数 00001000 811111000 8 12 00001100 12 11110100 18 无符号数的表值范围 8位二进制无符数的表值范围二进制表示00000000B 11111111B十进制表示0 255十六进制表示00H FFH 19 有符号整型数的表值范围 8位二进制有符数的表值范围原码表示 127 127反码表示 127 127补码表示 128 127 20 二进制数的运算 算术运算法则逻辑运算法则 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 00 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 A 0 1 A A A为0或1 0 A A 1 A 10 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 1 0 21 二进制数的运算 两二进制数的补码运算 计算机中仅有加法器ALU 用补码可变减为加 X Y 补 X 补 Y 补 X Y 补 X 补 Y 补 X 补 补 X 原 22 补码运算例 设X 37 00100101 Y 51 00110011 求 X 补 Y 补 X 补 Y 补 X Y 补 X Y 补 X Y 补 解 X 补 00100101 X 补 11011011 Y 补 00110011 Y 补 11001101 X Y 补 X 补 Y 补 00100101 00110011 01011000 补 88 23 补码运算例 解 X 补 00100101 X 补 11011011 Y 补 00110011 Y 补 11001101 X Y 补 X 补 Y 补 00100101 11001101 11110010 补 10001110 原 14 24 补码运算例 解 X 补 00100101 X 补 11011011 Y 补 00110011 Y 补 11001101 X Y 补 X 补 Y 补 11011011 11001101 110101000 补 11011000 原 88 25 计算机中的数据类型 二进制位与二进制字节 常用数据类型的表示 老教材及IBMPC汇编 b 位 bit B 字节 Byte B 字节数据 Byte 8位 W 字数据 Word 16位 DW 双字数据 DoubleWord 32位 QW 四字数据 QuadWord 64位 常用数据类型的表示 新教材P32及ARM汇编 半字 16位 单字 32位 双字 64位 26 符号实型数的定点 浮点表示 定点表示 浮点表示 小数点的位置在数的表示中是固定的 小数点的位置在数的表示中是浮动的 注 处理小数点的表示方法 27 定点表示法 定点纯小数 定点纯整数 符号位纯小数 小数点固定位置 符号位纯整数 小数点固定位置 28 实型数的表示 十进制实型数表示 二进制实型数表示 542 689 0 542689 103 0 00689 0 689 10 2 1011 0110B 0 10110110 24B 0 000110B 0 110 2 3B 注 实型数可用纯小数和指数表示 29 实型数的表示 一般公式 N M 2 E 尾符 尾数 阶符 阶码 注 实型数的浮点表示由四部分组成 浮点表示 注 阶符 尾符由一位二进制数0或1组成 阶码 尾数由多位二进制数01序列组成 30 浮点表示法 1 1011 0110的浮点表示 设阶符 尾符各占1bit 阶码 尾数各占7bit 阶码 尾数用原码表示 1011 0110 0 10110110 2 4 阶符 0阶码 0000100 尾符 1尾数 1011011 16bit浮点表示为0000010011011011 31 浮点表示法 1 浮点表示的特点 要扩大浮点数的表值范围 增加阶码的位数 要提高浮点数的表值精度 增加尾数的位数 注 在实际应用中浮点表示的方法有所不同 32 浮点表示法 2 用指数和尾数来表示实数表示式 1 S2E b0 b1b2b3 bp 1 规格化的形式 其中 1 S是该数的符号位S 0表正数 S 1表负数E为指数及位数 b0 b1b2b3 bp 1 是P位尾数 表示隐含的小数点位置 SE1E2E3 b1b2b3 bp 1 符号 指数 尾数 注 b0 1 与小数点 一起被隐含 33 浮点数的三种机内类型 注 浮点数总长度越多精度越高 34 例 将十进制数 219 125用单精度浮点数表示 解 219 125D 11011011 001B 规格化形式 11011011 001 1 1011011001 27 符号位S 0 1位 指数E 7 127 134 10000110 8位 尾数P 10110110010000000000000 23位 单精度浮点表示 219 125 01000011010110110010000000000000 35 例 求单精度浮点数11001000010101100010000000000000的真值 解 分为三部分 11001000010101100010000000000000 求符号位S S 1为负数 求指数E 10010000 144 E 144 127 17 求尾数P 1 10101100010000000000000 真值 1 1010110001 217 110101100010000000 219264 36 计算机中常用码制 BCD码 BinaryCodedDecimal ASCII码 汉字编码 用4位二进制数表示1位十进制数 用7位二进制数表示常用符号 基本ASCII码 用8位二进制数表示特殊符号 扩展ASCII码 用16位二进制数表示1个汉字符号 注 符号编码具有数据压缩功能 37 BCD码 Binary CodedDecimal 38 输入ASCII字符表 7位码 H L NUL空SOH标题开始STX正文结束ETX本文结束EOT传输结束ENQ询问ACK承认BEL报警符BS退格HT横向列表LF换行VT垂直制表FF走纸控制CR回车SO移位输出SI移位输入 DLE数据链换码DC1设文字备控制1DC2设备控制2DC3设备控制3DC4设备控制4NAK否定SYN空转同步ETB信息组传送结束CAN作废EM纸尽SUB减ESC换码FS分隔符GS组分隔符RS记录分隔符US单元分隔符SP空格DEL作废 39 输入ASCII码的特点 常用符号的ASCII码 输入ASCII码的分类 0 9的ASCII码30H 39HA Z的ASCII码41H 5AHa z的ASCII码61H 7AH 符号ASCII码21H 7EH 共94个 控制ASCII码00H 20H 7FH 共34个 40 输出ASCII字符表 41 ASCII码表 基本ASCII码表 b7 0 扩展ASCII码表 b7 1 输入ASCII码表输出ASCII码表 别国符号的ASCII码表图形符号的ASCII码表 国际标准 扩展应用 42 汉字编码标准 GB2312 1980 仅定义近七千个汉字及符号的编码 定义了二万多个汉字及符号的编码 与国际标准相适应的汉字及符号的编码 台湾繁体汉字编码 微软简体汉字编码方案 GB13000 1993 GB18030 2000 BIG5 ISO2022 CN 43 汉字编码方案 区位码 共分94个区 每区94个 位 汉字 区码 20H 位码 20H 区码 20H 80H 位码 20H 80H 注 跳过ASCII控制符编码 注 保证b7位 1 国标码 机内码 44 汉字字模编码 16 16汉字字模及编码 注 区位码2字节字模码32字节 45 汉字编码 汉字区位码 国标码 机内码的转换 啊 区位码 1601 区码 16 10H 位码 01 01H 国标码 30H 21H 10H 20H 30H 01H 20H 21H 机内码 B0H A1H 10H A0H B0H 01H A0H A1H 46 图符编码的意义 1个点阵字模信息传送1个符号的编码信息传送 内含字库 内含字库 英文字符1字节 汉字符号2字节 英文字符8字节 汉字符号32字节 英 47 第1 2章计算机结构与组成 1 计算机发展机械式计算机 电子技术和半导体技术2 现代计算机系统组成与工作原理计算机层次结构Hiberarchy计算机体系结构ArchitectureCPU指令集 存储器存取方式 I O控制方式计算机组成原理OrganizationCPU控制单元和数据通路 存储器分层 体结构 总线及I O接口计算机性能评测Performance3 嵌入式系统概念 特点 组成 发展趋势 48 岩石上的刻痕 算盘 机械加法机 乘法机 最大公约数机 通用图灵机 49 电子管 vacuumtube 时代 晶体管 transistor 时代第一个晶体管的诞生 50 51 第一块IC诞生之后 基尔比在IRE 美国无线电工程师学会 的一次会议上宣布了 固体电路 Solidcircuit 的出现 这就是以后的 集成电路 的代名词 52 53 英特尔新一代45nm处理器代号为 Nehalem 54 P处理器M存储器C缓存Dsp核re可重构逻辑L专用逻辑S交换开关rni资源网络接口 SystemonchipNetonchip 55 系统级芯片 SOC 技术 56 IC技术 SSI MSI LSI VLSI ULSI GLSI晶圆尺寸 100mm 125mm 150mm 200mm 300mm 400mm 芯片特征尺寸 3 m 2 m 1 2 m 0 8 m 0 5 m 0 35 m 0 25 m 0 18 m 0 13 m 90nm 65nm 57 计算机发展的主要阶段 第零代 1642 1945年 机械计算器和继电器计算器第一代 1946 1955年 电子管计算机以电子管为逻辑部件 以阴极射线管 磁芯和磁鼓等为存储手段 软件采用机器语言 后期采用汇编语言 第二代 1955 1965年 晶体管计算机以晶体管为逻辑部件 内存用磁芯 外存用磁盘 软件广泛采用高级语言 并出现了早期的操作系统 第三代 1965 1980年 集成电路计算机以中小规模集成电路为主要部件 内存用磁芯 半导体 外存用磁盘 软件广泛使用操作系统 产生了分时 实时等操作系统和计算机网络 2020 3 24 58 第四代 1980年至今 个人计算机以LSI VLSI为主要部件 以半导体存储器和磁盘为内 外存储器 在软件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想 网络操作系统 数据库管理系统得到广泛应用 微处理器和微型计算机也在这一阶段诞生并获得飞速发展 第五代无所不在的计算机生物计算机 模糊计算机 光计算机 量子计算机 超导计算机 59 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 自上下而反映了系统求解问题的过程 软硬件的逻辑等价性可以表现为 硬件软化 如RISC思想 软件硬化 如CISC思想 固件化 如微程序 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 微程序或硬连逻辑 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 硬件 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 60 计算机体系结构 组成与实现 体系结构 程序员关心的计算机概念结构与功能特性如 确定指令集中是否有乘法指令 计算机组成 从硬件角度关注物理机器的组织如 乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现乘法 计算机实现 底层的器件技术和微组装技术如 加法器底层的物理器件类型及微组装技术 系列机 61 计算机体系结构角度的多层结构 2020 3 24 硬件向上提供的接口 指令系统异常事件端口定义 62 计算机组织角度的多层结构 2020 3 24 63 计算机体系结构 冯 诺依曼体系结构以存储器为中心 五大部分 二进制存储程序原理对冯 诺依曼体系结构的改进CPU指令集存储器子系统输入 输出子系统 64 计算机工作原理 冯 诺依曼 J VonNeumann 程序存储和程序控制原理 冯 诺依曼原理 1913年出生于匈牙利1957年逝世于美国 65 冯 诺依曼计算机基本结构 CPU运算器 控制器 寄存器 接口单元存储器内存储器 半导体器件 外存储器 磁光材料 I O设备输入设备 输出设备 并行及串行功能 66 计算机的系统结构 CPU MEM I O 数据总线DB 控制总线CB 地址总线AB 注 CPU在某一时刻仅能访问总线上的一个部件 67 三总线描述 地址总线AB AddressBus 由CPU输出的一组地址通信线 用于确定存储器单元地址或I O端口地址 CPU与存储器 I O接口间的数据通信线 用于CPU与存储器单元或I O端口间读写数据 CPU与存储器 I O接口间多种且独立的控制通信线 完成CPU与存储器 I O接口间的特定操作控制 数据总线DB DataBus 控制总线CB ControlBus 68 微型计算机系统总线 CPU芯片内部功能单元的信号连接总线 计算机系统主板各芯片间的信号连接总线 计算机系统主板与外设间的信号连接总线 计算机系统间的信号连接总线 片总线 内总线 外总线 片内总线 69 计算机的总线类型 单总线结构 注 存储器 I O共用总线 70 计算机的总线类型 双总线结构 注 存储器 I O各用总用 71 计算机的总线类型 双重总线结构 注 全局总线与局部总线 72 冯 诺依曼和哈佛体系结构 冯 诺依曼总线结构 哈佛总线结构 程序 数据共用总线 CPU取指或读写数据需分时操作 程序 数据各用总线 CPU取指或读写数据可同时操作 注 哈佛体系结构的典型应用 DSP芯片 73 冯 诺依曼体系结构 硬件组成五大部分运算器 存储器 控制器 输入设备 输出设备以存储器为中心 74 二 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 三 工作原理 存储程序 指令 控制 驱动编制好的程序 包括指令和数据 预先经由输入设备输入并保存在存储器中 计算机开始工作后 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 75 对冯 诺依曼体系结构的改进 改进CPU指令集指令功能 指令格式 寻址方式存储器子系统分层结构输入 输出子系统总线 接口 多种I O方式改变改变串行执行模式 发展并行技术 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 重点 76 计算机体系结构的演进 并行处理技术 冯 诺伊曼结构串行性 指令执行串行 存储器读写串行哈佛结构引入并行性 数据存储器与程序存储器可并行读取流水线结构多机 核 并行 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 77 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 78 多核处理器 FreescaleMSC8144 FreescaleMSC8156 78 32 79 79 计算机体系结构的分类 Flynn分类 根据指令流和数据流的多少进行分类单指令单数据SISD单指令多数据SIMD多指令单数据MISD多指令多数据MIMD CU控制部件PU处理部件MM存储单元CS为控制流DS为数据流IS为指令流 传统的顺序处理机 标量流水线处理机 超标量流水线处理机 阵列处理机 向量处理机 无实际机型对应 多处理机系统 80 计算机系统的性能测定 计算机系统的性能由硬件性能和程序特性决定 通常可利用标准测试程序来测定性能 1 用MIPS MillionInstructionsPerSecond 每秒百万条指令 或MFLOPS 每秒百万次浮点操作 的数值来衡量计算机系统的硬件速度 81 2 用CPU执行时间T来量化硬软件结合系统的