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文档简介
计算机组成与系统结构
主讲教师:胡越明
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/huym/计算机组成与系统结构
Email:hu-ym@
教材
.胡越明
-《计算机组成与系统结构》
-电子工业出版社
-2002年6月第一)
/bookshop/bookinfo.asp?bookcode=TP77040%20%20&booktype=main
第一章数字系统与计算机概论
-1.1数字电路基础
-1.2计算机的基本组成
■1.3计算机系统结构概论
1.4计算机系统的历史与发展
1.1数字电路基础
・1.1.1逻辑代数的基本知识
・1.1.2常见的门电路
・1.1.3数字系统基础
第一章数字系统与计算机概论
-模拟量和数字量
♦数据字量的处理过程可以达到比模拟量处理更
高的精度
♦数字量特别适合于进行复杂的处理
♦数字量便于数据的存储和传输
.数字系统采用二进制代码
♦电路中只需要表示两种状态
1.1数字电路基础
二进制数
位bit
■二进制编码
♦〃个二进制位可构成2〃个代码
数字逻辑代数
1-1-1逻辑代数的基本知识
逻辑值的基本运算
♦逻辑加、逻辑乘和逻辑非
.逻辑代数的特点
♦字母表示变量
如A和B
♦有限域
-任何变量的取值只有0和1两种可能
,可用真值表表示
逻辑加运算
■逻辑或
♦用运算符号“+”表示
.运算规则
♦0+0=0
♦0+1=1
♦1+0=1
♦1+1-1
-真值表
ABA+B
000
011
101
111
逻辑乘运算
逻辑与
♦用运算符号表示
-运算规则:
♦0-0=0
♦0-1=0
♦1-0=0
♦1-1=1
-真值表:
ABAB
000
010
100
111
逻辑非运算
将1变成0,将。变成1。
表不为L=A
6=1
i=o
-真值表
AA
01
10
逻辑表达式
-用若干个逻辑变量和逻辑运算符组
成的数学式子
例子:L=AB+C
■真值表
运算法则
交换律:A+B=B+A
AB=BA
结合律:(A+B)+C=A+(B+C)
(AB)C=A(BC)
分配律:A(B+C)=AB+AC
A+(BC)=(A+B)(A+C)
吸收律:A+AB=A
A(A+B)=A
A+AB=A+B
A(A+B)=AB
运算法则
反演律:A+B=AB
AB=A+B
重叠律:AA=A
A+A=A
A=A
互补律:A+A=1
AA=O
0-1律:A+0=A
A+l=l
A-0=0
A1=A
逻辑代数的运算规则的证明
-根据逻辑代数的运算法则进行
-用列出真值表的方法进行证明
.例1/证明(A+B)(A+C尸A+BC
证:(A+B)(A+C户AA+AB+AC+BC分配律
B=A+AB+AC+BC重叠律
口=A(1+B)+AC+BC分配律
■=A+AC+BC0-1律
-=A(1+C)+BC分配律
=A+BC0-1律
例1-2化简逻辑表达式ABACBC
解:AB+AC+BC
=AB+(AHB)C
=AB+ABC
=AB+C
•一个逻辑函数的真值表是惟一的,但是它的逻
辑表达式可能有多种多样。
■逻辑表达式的化简:寻找一种简洁的等价的逻
辑表达式。
•最小项:在真值表中,变量的每一种组合。
■逻辑函数的一种表达式实际上就是那些输出为
1的最小项的和。
例1-3写出下列真值表的逻辑表达式
输入输出
ABC./■
0000
0011
0101
0110
1001
1010
1100
1111
-答:
f=ABC+ABC+ABC+ABC
习题:1.81.9
1.1.2常见的门电路
-基本的门电路
■寄存器
.译码器
.算术运算电路
.控制逻辑
1.基本门电路
■门电路
♦实现逻辑运算的数字电路
-输入端和输出端有两种状态
♦分别表示逻辑1和逻辑0。
・MOS场效应晶体管
|Vcc
」R
Q输出
输入一回£
hs
ov
MOS晶体管的构成
wafer
die
(a)单元结构(b)nMOS(c)pMOS
CMOS电路
互补型MOS
QVcc
GND
基本的门电路符号
口.
门电路逻辑符勺
A____■
与门____AB
B—L
A____
或门X——A+B
B*
A--------0°-
非门A
A____■
与非门
B—L---------AB
或非门A___
2A+B
B>
异或门BR>A㊉B
二』A____
或者
电路B____——AB
CMOS门电路的例子
GND
三态门
-高阻状态
-输出控制功能
输入输出
(b)(d)
三态门的用途
.直接连接到公共信号线路
♦总线
总线第0位数据
A0__1>—----------
BQ
CO__
DO
SO〜S3
出
般
噌、
册
反
叫
逻辑门电路的分类
-组合逻辑电路
♦不具备记忆功能
♦建立在简单逻辑门基础上
♦可以用真值表和逻辑表达式表示
-时序逻辑电路
♦具有记忆功能
♦电路的输出取决于输入状况和电路的状态
♦建立在触发器的基础上
寄存器
计数器
2.触发器
-一种具有记忆功能的电路
♦有两个稳定的电路状态
建立在R-S锁存器(latch)的基础上
铮征表
Q表示时序电路的下一个状态与现有
下<:状态与输入信号的逻辑函数关系
二-例
当前输入SR当前状态Q”下一状态Q〃+i
0000
0011
0100
0110
1001
1011
110不确定
111不确定
D锁存器
■在R-S锁存器的输入部分加上时钟和
输入控制的电路构成
D触发器
-有一个时钟输入信号
♦上升沿,下降沿,周期,频率
■在时钟信号的上升沿输入信号D送
入内部并改变输出Q
Q(T+1)=D(T)
同步时序电路
用一条时钟信号启动所有的触发器
触发器的输出信号电平就是电路的
状态
状态的变化通常用状态转换图表示
D=1
3.半加器和全加器
—L分为半加器和全加器两种
HA半加器有两个输入端和两个输出端
-L■半加器的逻辑表达式:
S=A㊉B
C=AB
输入信号输出信号
ABSC
0000
0110
1010
1101
全加器
Ci------------
A—|一进位输入Ci,进位输出Co。
外厂■逻辑表达式:
匚一c。s=AfCi+XB^i+A百@+ABCi=A«)B㊉Ci
Co=ABCi+ABCi+ABd+ABCi=AB+BCi+ACi
输入信号输出信号
ABCisCo
00000
00110
01010
01101
10010
10101
11001
11111
全加器与半加器
halfaddA
OrCAD
H/M.F/MDD.SCH
4tt加法器
Ci
加
YO
4,寄存器(Register)
-由多个D触发器构成
♦可以存放一个完整的二进制数据
■通常用一个名字表示
♦如RI、R2
■对寄存器内容的操作
♦移位、计数、清除、装入
10001110
(b)表示各个位
5870
R3(H)|R3(L)
(d)表示高低字段
移位寄存器
.串行输入串行输出
.串行输入并行输出
并行输入串行输出
寄存器的数据传输
并行输入并行输出
.RIfR2
R1R2
5.计数器
■由多个触发器构成
■异步计数器
♦除第一个触发器的计数信号来自外部,其余触
发器的计数信号来自上一个触发器的输出
■同步计数器
♦外部计数信号同时送到各触发器的时钟输入端
■时序逻辑电路
异步计数器的例子
当前状态下一状态
00000001
00010010
00100011
00110100
01000101
一般的时序逻辑电路
触发器与组合逻辑电路的结合
»
输
输
出
入»
»
»
>
»
>
>
»
6.编码器和译码器
编码的信息与译码的信息
2〃个输入信号的编码器有〃个输出信号
输入信号中只有一个是有效的电平
D7D6D5D4D3D2DIDOA2AlAO
D700000001000
D6
8-3A200000010001
D5编
D4A100000100010
码
D300001000011
器A0
D200010000100
D100100000101
DO
01000000110
10000000111
译码器
〃个输入信号的译码器有2〃个输出信号
♦每个输出信号对应于〃个输入信号的一种编码
♦输出信号中只有一个处于有效状态
♦通常还有一个输出许可信号(EN)
A2AlAOEND7D6D5D4D3D2DIDO
000100000001
AA2。---D7
001100000010
AA11------------------------Do
3-8010100000100
AAUA--------nc
译
------------VlA011100001000
码100100010000
器
-------D2101100100000
FN-------DI110101000000
DO111110000000
XXX000000000
7.数据选择器
根据选择信号从多个输入端中选择一个作
为输出
有几个选择信号的数据选择器从2〃个输入
数据线中选择一个作为输出
.逻辑表达式:
Y=.*Io+.S°L+露I2+&S0I3
SO1丫
10
I;
QZ
习题
.1.10
.1.11
.1.12
.1.15
1.1.3数字系统基础
-1.数字系统及其表示
♦层次化设计
基本的门电路
触发器、编码器、译码器、一位加法器
-寄存器、计数器
♦较高层次的功能单元表示成由下一
层次的功能单元表示的结构框图
2.数字集成电路的分类
封装方式一
♦双列直插封装(DIP).黑麟
♦引脚格栅阵列(PGA)暴删"
工作原理
♦双极型
每个晶体管由p型和n型两种半导体构成
速度较高
♦单极型1场效应)
每个晶体管由一种半导体材料构成
nMOS和CMOS
耗电较低
集成度高
集成电路实现计算机系统的方法
采用现成的集成电路
♦利用通用的集成电路
♦成本较低
♦性能低
■定制专用(FullCustom)集成电路
♦由开发者自己设计芯片版图(ASIC)
♦开发周期长
♦开发成本高
使用半定制(Semi-custom)芯片
♦在芯片厂商的半成品基础上设计定制
♦利用率低
半定制芯片的分类
门阵列GataArray)
♦排成二维阵列的标准单元
.一些互连通道
■标准单元(StandardCell)
♦标准单元版图库
1♦标准单元逻辑电路图库
可编程逻辑电路芯片(PLD)
♦功能单元或者连接线路可根据需要进行改变
PLA
由与门和或门逻辑电路组合而成的阵列
O00|…0,„
PAL
■或阵列固定
与阵列可编程
1(io
G
>
CPLD
M
IOMIO
模GAL模块GAL模块*模
块块
AAAAAAAAAAAAAA/N
VVVVVVVVVVVVVVV
互连线路
个个个AAAAA/NAAAAAA
VVWVVVVVVVVVVVV
IOIO
模GAL模块GAL模块模
块块
FPGA
3.数字系统中的信号延迟与干扰
.延迟时间
♦从输入信号的建立到输出信号的产生之间
的时间间隔
■延迟造成的影响
♦使得电路的运行速度受到限制
♦形成一个瞬间的不确定的输出信号
A
B
F
t[t]+tpdt2tz+tpd
门电路的扇出数与扇人数
■扇出数
♦一个门电路能够驱动的同类门电路
的最大数量
♦MOS电路的扇出数主要受到连接线
路中分布电容的影响
♦影响门电路的输出延迟
■扇入数
♦一个基本门电路的输入端的数量
数字系统的局限性
性能、稳定性、可靠性
-电信号的传播速度
♦电信号的实际传播速度小于光速
-电路的脉冲串扰
♦一根导线上电信号所产生的电场与另一根电线上
产生的电场
■传输线反射
♦当信号电平的变化时间短于信号在导线上的传播
时间时
♦电平信号从一端传播到另一端后由于受到阻碍而
反射回来
-外部信号的干扰
♦EMC
传输线反射的避免
■保持信号的传输线路上的阻抗一致性
♦终端电路
终端电阻
、22传输线
(a)串联终端
(b)并联终端
1.2数字计算机的基本组成
1.2.1计算机的硬件结构
♦1.运算器
♦2.存储器
♦3.控制器
♦4.输入输出设备
-1.2.2计算机软件
♦1.软件的分类
♦2.操作系统
・1.2.3计算机语言及其编译
♦1.计算机语言的类型
♦2.程序设计语言的编译
1.2.1计算机的硬件结构
A数据线路
>控制信号
3
基本概念
ALU
存储器(读、写、访
问)
容量(字、字节)
字长
指令
程序
CPU
主机
总线
输入输出设备
-输出设备
♦1.显示器
♦2.打印设备
♦3.绘图仪
-输入设备
♦键盘
♦鼠标器
■外存储设备
1.2.2计算机软件
-系统软件
操作系统
编译程序
解释程序
-应用软件
■虚拟机(virtualmachine)
♦计算机的逻辑视图
-软件与硬件的等效性
虚拟机
系统的不同视图
■应用级
♦JVM
■操作系统级
♦进程
-硬件级(指令级)
♦计算资源,网络资源,存储资源的映像
♦支持多操作系统(分时运行)
♦超级监管器hypervisor
2.操作系统
■存储管理
♦内存管理和外存管理
■命令处理
-进程管理
■设备管理
■网络通信管理
1.2.3计算机语言及其编译
.机器语言
♦000001010
■汇编语言
♦ADDR1,R2
-高级语言
♦A=A+B
・应用语言
2.程序设计语言的编译
可执行
文件
编译过程
-词法分析
♦Lexicalanalysis
语法分析
♦Semanticanalysis
生成中间代码
代码优化
生成目标代码
1.3计算机系统结构概论
一、概念
♦计算机实现Implementation
,器件选择,机械、封装、印板、
机箱、电源、冷却设计
♦计算机组成Organization
,逻辑设计
♦计算机系统结构Architecture
三外特性设计
相互关系
应用理序
I操作至统
编译—
系统指令系统
结构
组成
实现
系统结构的例子
系统结构产品
DigitalAlpha(VI,V3)DEC21064,21164,21264
HPPA-RISC(Vl.l,V2.0)HP3000(930,950),
HP9000(800,850)
PA7100,PA8000
SunSparc(V8,V9)TISuperSPARCTMS390Z50
(inSunSPARCstation20)
MIPS32,MIPS64MIPS2000,3000,4000,8000,
mips10000(inSGIworkstation)
IBMPowerPCPPC750,740,604,603,601,
Power4,Power5
intel.IntelIA-32,IA-641386,I486,P,PII,Pill,P4,
Itanium
AMD口AMDx86-64SledgeHammer
系统结构的研究范围
■外特性.新型系统结构设计
♦指令系统♦并行性
♦数据表示♦数据流
♦寻址方式♦推理机
♦寄存器集♦神经网
.界面设计・性能成本评价
♦确定硬件功能♦运算速度
♦存储容量
♦I/O带宽
井彳亍性
■并行性(parallelism)
♦同时,性(simultaneous)
♦并发,性(concurrence)
■并行机型
♦标量机(scalar)
♦向量机(vector)
♦阵列机(array)
♦多处理机(multiprocessor)
并行性
・操作级
♦流水
-指令级
♦指令调度
♦推测执行
.线程与处理器级
♦多线程
♦多核
♦多处理器
影响系统结构的因素
语言-操作系统
♦计算模型♦系统服务机制、
♦软硬件界面♦存储管理、
-编译♦进程同步和切换、
♦故障诊断
♦数据的存储结构(如堆栈)
♦指令集的特征-应用
♦控制结构(指令调度)♦数据及运算类型
■器件♦算法
♦计算模型(数据流,归约,模
♦软硬件的功能分配式匹配)
♦结构设计(cache)♦性价比(微机vs大型机,专用
♦开发手段机VS通用机
性能指标
♦响应时间
♦吞吐率
♦可扩展性
♦可编程性
♦可靠性
♦可用性
♦性价比
-峰值性能及持续性能
简单的分析方法
CPU时间的计算
Tcpu=InXCPIxTc
n
ZCPLXL
CPI;^---n--------
IA
i=l
其中:/是第i种指令的数量
CPL.是第i种指令的执行周期数
其他性能指标
■MIPS指标
IN凡
66
一/^xCPixrcxio-cpixio
凡:时钟速率
MIPSv=—xMIPS何
局限性:标量机,指令的差异
.MFLOPS指标
IFN
MFLOPS=
TEXIO6
-TPS指标
♦每秒处理的事务数
阿姆达尔定律
Performanceimprovementfromfasterhardwaretechnology
islimitedtothefractionoftimethefastertechnologycanbe
used.
1
S=—
PTe
l—%+一
re
fe/re
测试方法
.选择工作负载
♦指令混合
♦核心程序
♦合成程序
♦应用程序
.测试运行
-统计结果
问题:
,设计算机执行程序A的时间为1
秒,执行程序B的时间为2秒,程
序A和程序B的执行指令数均为
106条,问该计算机的平均性能。
统计结果
算术平均
1令1(11111
/〃?=一乙R=
〃z=ini-\1i
几何平均
n〃[11
Gm=彳(UR)=<h)=Kfx鹿X...XR;:
G〃(X)=为审
Gm(Y)
调和平均
nnn
Hm—
nin
EgT1+72+.・・+北
z=l八’Z=1
几何平均的特点:
不论取哪一台作参考机,均能保持比较结果的一
致性。
例:设有计算机A,B,C,运行程序1和2。以A机为参考机,结果如下:
程序A机B机C机
1120.5
210.52
Am(A>l,Am(B尸1.25,Am(C尸1.25
以B机为参考机,则结果如下:
程序A机B机C机
10.510.25
2214
Am(A>1.25,Am(B>l,Am(C尸2.125
_苴
_
M
_
4
_
+
_
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