计算机器-图灵机 - DRIVEHQ

CPU的基本部件CPU

*计算机的基本模型有两个部件

内存

・存储需要处理的数据

.存储处理好的数据.I

♦存储程序内存

CPU

执行存储在内存中的程序，把需要

处理的数据变换成所期望的新格式

或内容（处理好的数据）

结构比内存复杂得多

2012年12月12日MachineStructure

CPU的基本部件

亲CPU究竟需要哪些部件？

CPU的工作：执行程序(program)

程序：一系列的指令(instruction)

•指令：对一个或多个数进行某个操作

让工作的第

②二0CPU

告诉它操作和操作

数的信息

CPU只认识二进制数

操作数操作

(operand)(operator)把指令编码成二进

制数

2012年12月12日MachineStructure3

1,

CPU的基本部件

*指令编码

编码操作

饼常用操作个数：20-30个

用4.5位二进制数即可编码

2012年12月12日MachineStructure4

CPU的基本部件

*指令编码

编码操作数

♦操作数存储在内存中

*内存用地址索引

分用地址编码操作数？.

32位平台，地址一般是32位.

•3操作数指令的话，地址要32*3二96位！

•现代内存相对于现代CPU的速度来说也太慢了

玲把操作数放到快而小的存储空间

玲指令中只编码一个地址

2012年12月12日MachineStructure

CPU的基本部件

*指令编码

编码操作数

标操作数放在哪里？

.比较小，可以用很短的地址编码

•非常快，和CPU的计算速度相当

•要快，就要小！

少寄存器(register)

2012年12月12日MachineStructure6

CPU的基本部件

*指令编码

寄存器(register)

♦CPU中存放操作数的空间

内存

♦小：一般不超过32个

••快：一般一个CPU周期可访问多次(2到10多次)

I编码操作数

♦编码寄存器的地址

•32个寄存器须用5位二进制编码，3个操作数需要

3*5二15位二进制数

2012年12月12日MachineStructure

CPU的基本部件

*指令编码

寄存器中的数从何而来？

数据总是存储在内存中的少数据必须从内存读

内存访问指令：只编码一个地址

•RISC类CPU甚至只编码半个地址，一个32位地址须

由两条指令装载到寄存器并拼接而成

CPU需要内存访问单元(memoryunit)

内存

2012年12月12日MachineStructure8

CPU的基本部件

警指令所指定的操作需要执行

CPU需要有执行部件

不同功能的执行部件有不同的名字

•ALU：算术逻辑单元（执行整数算术逻辑运算）

•FPU：浮点单元（执行浮点运算）

为何ALU/FPU要接到MU上？

CPU

ALU1.CISC类CPU允许指令使

烧用内存操作数

MU2,现代CPU为优化执行速

度而这么设计

2012年12月12日MachineStructure（

CPU的基本部件

*指令也必须从内存中读取

存储程序今取指部件(instructionfetch)

IF要读内存，连上MU?

9较老的CPU是这么设计的

少较新的CPU其MU被分裂

成多个部件以提高速度

2012年12月12日MachineStructure10

CPU的基本部件

弟指令从哪个内存单元取?

IP/PC

InstructionPointer,ProgramCounter

ALU

寄每次取到指令后，IP/PC自动加

FPU

存适当的值指向下一条指令

器

少分支指令怎么办?

2012年12月12日

11

MachineStructure

CPU的基本部件

槃控制器(ControlUnit)

控制指令执行过程,协调各部件工作

CPUALU

寄FPU

存

CPU核心逻辑,

器

最难设计的部分。

IF

CU

PC设计优劣直接影

响CPU的性能。

2012年12月12日MachineStructure12

指令执行过程

警第一步：取指

把IP/PC的值交给MU

CPU

MU读到指令给IF寄

IP/PC增加，指向下一存

器

条指令

▲

2012年12月12日MachineStructure13

指令执行过程

麋第三步：运算

执行指令所指定的运算

42

—r3

2012年12月12日MachineStructure

指令执行过程

・…V.

亲第四步：内存访问

如果是要读写内存的指令：读写内存

如果不是？玲暂停等待一周期，或跳过

Hadd;r1,；r2jr3

2012年12月12日MachineStructure16

指令执行过程

麋第五步：写回

把结果写回寄存器

2012年12月12日MachineStructure17

MlPS的指令执行

uS」

oA

-」SA

ooJ

l_

D,trs6sO

uuEI

l①U

sL(a

uUCD

-DL

」U

+4

..:・

警简化表示IlFtchlDcd|Exec|Mem|WB

1$

2012年12月12日MachineStructure18

程序的执行

款程序是多条指令的序列

MachineStructure19

加速程序执行的方法

♦流水线(pipeline)

一流水线是工业化生产的重要概念

・极大地提高了劳动生产率

•也可以提高CPU部件的“劳动生产率”

流水线为什么有效？

指令执行各步骤占用的部件不同

玲如果各步骤串行进行，则大部分部件在大部

分时间都空闲

少各步骤并行，让各部件都忙起来

2012年12月12日MachineStructure20

加速指令执行的方法

*指令执行各步骤部件占用情况

第一步：取指

*IP/PC,MU,IF

＞第二步：译码

•寄存器

赧第三步：运算

•ALU/FPU

第四步：内存访问

,MU

第五步：写回

•寄存器

2012年12月12日MachineStructure21

加速指令执行的方法

一条指令执行中占用资源情况

第一条指令开始译码的时候，取指的资源已经空闲

9此时已经可以开始取第二条指令了

ALU

FPU

CU

PC

2012年12月12日MachineStructure22

加速指令执行的方法

*指令流水线

加速指令执行的方法

警周期(cycle)

指令执行一步所需要的时间

要使用流水线技术，各不同步骤的执行时间必须

相同：都是一周期

在同一个周期，有多条指令在流水线中

每条指令在不同的执行步骤，占用不同的部件

2012年12月12日MachineStructure24

加速指令执行的方法

警流水线的性能

例：执行10条指令，每指令5步骤，每步骤

一周期

少不用流水线：5*10=50周期

个5级流水线:10+(5-1)=14周期

加速比：50/14=3.57

•流水线的理论最高加速比二级数

•指令数越多，加速比越高

・无限多条指令分加速比二级数

•一条指令?？f加速比为1f不能加速！

2012年12月12日MachineStructure25

加速指令执行的方法

桑流水线的性能

指令的延迟(latency)

事执行一条指令所需时间

*流水线不能减少单条指令的延迟

•流水线可以减少程序的延迟

指令的产出(throughput)

♦单位时间内系统处理的指令数

流水线可以增加指令的产出

2012年12月12日MachineStructure26

加速指令执行的方法

麋流水线问题

结构竞争：同一个周期使用相同的部件

•1.内存访问竞争

1$D$

1$

1$

2012年12月12日MachineStructure27

加速指令执行的方法

寄

*内存访问竞争存ALU

器FPU

在同一个周期，需要

同时读取数据和指令

少用两个不同的内存：

DSP、嵌入式CPU等

玲用两个高速缓存

(cache)：通用CPU

L2Cache

CPU控制核心

设计难点rwi

内存

2012年12月12日MachineStructure28

寄

存ALU

亲寄存器访问竞争器

FPU

给寄存器加高速缓存?

，不现实

Load/StoreIF

寄存器非常快PCcu

.单个周期可以完成一次读

和一次写

分前半个周期写，后半个周D-Cachel-Cache

期读

3为何写在前？

•写操作是在前面的指令L2Cache

执行的

♦寄存器很小MU

•可以做多个读端口内存

2012年12月12日MachineStructure30

机器语百与汇编语百

琳CPU只能识别二进制数

把指令编码成二进制数

编码操作、操作数和其它信息

•机器语言

2012年12月12日MachineStructure31

机器语言与汇编语言

警MIPS的机器语言例

32位

655556

opcodersrtrdshamtfunct

opcode：操作码funct：操作码第二部分

rs：SourceRegisterrt：TargetRegister

rd：DestinationRegistershamt：移位位数

2012年12月12日MachineStructure32

机器语百与汇编语百

♦MIPS的机器语言例

add$8,$9,$10

opcode二0（查表）

funct二32（查表）

（操作数1）|

rs二9

rt二10（操作数2）

rd二8（目的操作数）

shamt二0（非移位指令）

2012年12月12日MachineStructure33

机器语言与汇编语言

警MIPS的机器语言例

add$8,$9,$10

十进制表示：

二进制表示:

OOOOOO01001010100100000000100000

机器语言指令

MIPS还有其它格式的指令

2012年12月12日MachineStructure

机器语后与汇编语后

警机器语言适合CPU使用，但不适合程序员

人类对长串的数字不敏感

♦但对符号敏感

玲用符号表示指令的各种信息

♦北二编语言

2012年12月12日MachineStructure35

机器语后与汇编语后

亲汇编语言(assembly)

机器指令与汇编指令一一对应

9在机器语言需要让人看的时候，常常实际使用

汇编语言4

；使用与机器语言相同的概念

)♦操作，操作数，……

*允许使用名字来索引变量

♦比地址方便得多

2012年12月12日MachineStructure36

机器语言与汇编语言

橐MIPS的汇编语言

操作操作数（寄存器）

add$8,$9,$10

II

add$0~$31（32个寄存器）

sub

beq

2012年12月12日MachineStructure37

机器语后与汇编语后

亲汇编语言程序设计

f用汇编语言写程序

*可以有最高的效率（如果程序员合格）

比之机器语言前进了一大步

T,被称为第二代程序设计语言

*问题

♦机器指令相对简单

•程序员希望用较复杂的表达式I

♦与硬件相关

•移植到不同的CPU非常不方便

2012年12月12日MachineStructure38

程序语言

槃什么力是适合程序设计的语言?

接近人类的思维特性

♦看起来象人类语言

♦分学习较容易

机器无关

少同一个程序可以在不同硬件运行

少无需学习机器相关内容

.如果不关注最佳性能的话

程序语言

2012年12月12日MachineStructure39

程序语言

♦计算机如何执行程序语言程序？

解释(interpret)

*逐条读取程序语句并立即执行

橐各种script:.bat,.vbs,.js,.py,

由解释器处理(interpreter)

翻译(translate)

*把程序语言程序翻译成机器程序■

C/C++,FORTRAN,Pascal,..

♦由编译器处理(Compiler)I

•为何一1般不叫translator?

•不仅仅是翻译的工作

2012年12月12日MachineStructure40

程序语后

亲为何解释和编译都存在？

＜各有优缺点

解释

无需专门开发工具，易于扩充，灵活性大，升级

解释器就可以改善所有已有程序

♦执行效率低I

编译.JI

♦执行效率IRJ

开发较复杂，不便扩充，编译程序升级后所有现

有程序必须重新编译才能得到更新

2012年12月12日MachineStructure41

程序语言

槃程序语言设计原则

尽可能接近人的思维习惯

*为何不用自然语言？

玲目前的计算机软硬件平台还不能很好地理解自

然语言

少程序语言是机器思维与人类思维之间的折衷

机器思维人类思维

机器语言汇编语言程序语言自然语言

2012年12月12日MachineStructure42

程序语言

槃程序语言设计原则

越接近自然语言

更容易被程序员使用，更容易学习，程序设计效

率高

更远离计算机设计原理，更难以被计算机有效处

卜理，执行效率低

♦越接近机器语言

事更容易被计算机处理，执行效率高

更难使用，程序设计效率低

2012年12月12日MachineStructure43

程序语言

槃早期程序语言

强调执行效率

•一次设计，多次运行

运行时间远多于设计时间

•机器慢、少，任务多

•程序少，一般由专业人员设计

»FORTRAN

•很容易被翻译成高效率的机器程序

•不太容易使用

2012年12月12日MachineStructure44

程序语言

*现代程序语言

有侧重各方面因素的语言

现代计算机已经非常快，对很多任务已经可以不

考虑执行效率■

少程序语言可以考虑其它方面的因素

.设计效率，可移植性，……

■•各种面向对象程序语言，Java,...

♦现代软件技术可以兼顾多个因素

•较大范围内都适用的程序语言及其开发工具

•结合C++的-些开发工具

2012年12月12日MachineStructure45

程序语后

警程序语言对计算机设计思想的影响

程序语言出现后，迅速替代汇编语言成为程

序设计的主要语言

■令计算机必须针对程序语言优化？！

复杂指令集计算机(CISC:ComplexInstruction

SetComputer)

•复杂的指令：尽量向程序语言的语句靠拢，I

•完备的指令：尽量实现程序语言使用的所有语句

•正父指令集

少编译优化技术尚不完善，不能很好优化程序

少主要用硬件设计填补程序语言和硬件间的差异

2012年12月12日MachineStructure46

程序语言

*程序语言对计算机设计思想的影响

精简指令集(RISC:ReducedInstruction

SetComputer)

只实现少数必须的指令，利用编译优化技术生成

优化的程序、

•指令数量少，简单，可以编码成等长格式

•3可以实现得非常快

玲主要用编译器填补程序语言和硬件间的差异

2012年12月12日MachineStructure47

程序语言

♦RISCvs.CISC结果

RISC支持者开发了大量的优化指令执行速度

的技术

高速缓存，深度流水线，分支预测，寄存器重命

名，超标量，乱序执行……

RISC支持者开发了大量的编译优化技术

循环展开，软件流水，相关分析……

CISC支持者把这些技术都用上了

“伪CISC”：不再以指令集为目标

x86依靠“事实上的工业标准”获得了空前成功

2012年12月12日MachineStructure48

程序语言

麋现代计算机开发模式

馨软件和硬件结合考虑

同时设计硬件和编译器，并照顾操作系统的

需要

研Q究热点：指令级并行j|I

程序语言改变了整个计算机产业

।2012年12月12日Structure

程序语言

集程序语言类型

说明型（例：Prolog）

程序员描述程序的问题本身，而不是解决问题的

算法

I•对简单的问题：描述问题本身比算法更麻烦,

•对复杂的问题：现有硬件必须要用特定的算法才能解

决，通用解决算法难以胜任

说明型程序语言只在较窄的范围使用

2012年12月12日MachineStructure50

程序语言要素

♦语句(statement)

r构成程序的原子

声明语句(declarativestatement)

程序的规格说明：数据类型，参数，..

命令语句(imperativestatement)

橐程序的算法说明

注释(comment)

2012年12月12日MachineStructure52

程序语言要素

♦变量(variable)与数据类型(type)

变量：在程序执行过程中可以改变的量

・用于存储各类信息

事是对内存的抽象

用名索引，不必使用地址索引

暴有类型

•不同类型有不同的运算

•不兼容类型之间不能进行运算

•例：float*string

2012年12月12日MachineStructure53

程序语言要素

款基本数据类型(primitivedatatype)

编译器缺省支持的数据类型

intfloatchar...

某些语言还有string

奈数据结构(datastructure)

*由基本数据类型组成的有结构的数据类型

♦数组(array)

结构(structure)

2012年12月12日MachineStructure54

程序语言要素

♦数组(array)

.一系列相同类型的数据

定义

intRooms[10];

引用

Rooms[0101;

MyRoomRooms[5];

名

2012年12月12日MachineStructure55

程序语言要素

♦结构(structure)

馨由不同类型的数据组成的数据类型

一*又叫异构数组(heterogeneousarray)

structTZoomlnfo

intID;合理划分程序的所有

floatw,h;数据为恰当的结构会

极大简化程序设计

TZoomlnfoMyZoom;

MyZoom.lD=110;

2012年12月12日MachineStructure56

程序语言要素

♦字面量(literal)

在程序语言中，其值等于其文字串的本来含

义的量—

•与变量相对：表示变量的文字串是其名字，其值

和名字无关，在程序中还可以改变

例：整数650,字符串〃Smith"

常量(constant)

嫌给字面量的名字

constintRoomNo=517;

2012年12月12日MachineStructure57

程序语言要素

警运算

处理数据所需要的操作

四则运算+-*/

逻辑运算&&|!!■

关系运算==!=><>=<=

♦位运算&

计算机硬件特有的运算，但在很多算法中有很大

的用处，所以很多程序语言都有

2012年12月12日MachineStructure58

程序语言要素

亲运算

赋值运算=

一把一个表达式的值赋给某个变量

注意与相等关系的区别

・•=才是相等关系运算■

事与数学上使用的二有所不同

•某些语言使用不同的符号

•Pascal:=

•APLQ

2012年12月12日MachineStructure

程序语言要素

槃控缶I结构

程序有各种不同的执行顺序

顺序(sequence)

分支(branch)

循环(loop)

必须有不同的控制语句(controlstatement)

if(…)switch(...)for

case1:}

else

case2:

2012年12月12日MachineStructure60

程序语言要素

♦过程(procedure)与函数(function)

人类解决复杂问题的方法：分治(divide&

conquer)

分解成多个较小的问题，然后逐一解决，最后把

小问题的解拼接成大问题的解

少程序语言也必须有类似的功能

•过程与函数，

程序语言中非常重要的概念，极大地方便了程序

设计

2012年12月12日MachineStructure61

程序语言要素

程序过程/函数

警过程与函数

把程序总的任务分解成多个

/［、的部分，然后逐一解决每

个小问题，再把小问题的解

・拼接