计算机结构课件

计算机结构外存储器内存储器输出设备输入设备控制器内存储器注：数据信号

控制信号CPU2.1中央处理器主要功能：顺序控制操作控制时间同步

数据处理

主要部件:运算器控制器寄存器组运算器算术运算：如加、减等算术操作逻辑运算：如与、或非等逻辑操作。

控制器功能：根据当前程序计数器寄存器的值，从RAM中相应的地址取出指令，并将它们放到指令寄存器中；然后对指令进行译码，并根据译码的结果发送信号给数据总线（DataBus），从RAM中取出操作数，并发出适当的控制信号，控制运算器进行数据的处理。按设计和实现的途径可分为三类：硬连线控制器（HardwiredController）微程序控制器（MicroprogrammedController）门阵列控制器

寄存器用户可见的寄存器数据寄存器（DataRegister）地址寄存器（AddressRegister）控制和状态寄存器程序计数器（ProgramCounter，PC）指令寄存器（InstructionRegister）状态条件寄存器指令系统(1)指令是指示计算机执行某种操作的命令。从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有三种：微指令：微程序级的命令，属于硬件部分宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，属于软件机器指令：介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令指令系统(2)CISCComplexInstructionSetComputer，复杂指令集计算机RISCReducedInstructionSetComputer，精简指令集计算机指令系统(3)CISC采用微程序设计方法实现指令的控制器减轻编程的工作量，缩短程序代码

由于大量的复杂指令、可变的指令长度、多种的寻址方式，大大增加了解码的难度，代码难以优化，执行效率低

指令系统(4)RISCIBM370CISC系统占总指令数仅20%的简单指令在程序调用中占了80%，而占指令数80%的复杂指令却只有20%的机会用到RISC具有以下的特点：指令系统简化，由一些基本的、必要的指令构成；除LOAD/STORE指令外，所有指令只与寄存器打交道，都在一个时钟周期内执行完毕；绝大部分采用硬联线控制，不用或少用微程序实现；使用较多的通用寄存器，没有专用寄存器；采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序。指令系统(5)指令格式指令字就是表示一条指令的二进制代码，通常简称指令；指令格式，则是指令字用二进制代码表示的结构形式一条指令通常由操作码、地址码字段构成操作码字段指定指令的功能特性地址码字段指定操作数的地址指令系统(6)操作码定长操作码，变长指令码变长操作码，定长指令码

地址码零地址指令

一地址指令二地址指令三地址指令指令系统(7)寻址方式指令寻址方式顺序寻址方式跳跃寻址方式数据寻址方式（即操作数寻址）操作数寻址(1)隐含寻址立即寻址操作数寻址(2)直接寻址间接寻址操作数寻址(3)寄存器寻址方式相对寻址变址和基值寻址方式指令执行指令周期取出并执行一条指令的时间机器周期也称为CPU周期，通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期时钟周期非访存指令的指令周期(1)非访存指令的指令周期(2)非访存指令的指令周期(3)直接访存指令的指令周期(1)直接访存指令的指令周期(2)直接访存指令的指令周期(3)间接访存指令的指令周期(1)间接访存指令的指令周期(2)间接访存指令的指令周期(3)程序控制指令的指令周期(1)程序控制指令的指令周期(2)流水线技术(1)流水技术的特点：一条流水线由流水段组成，流水段的数目称为流水线的深度；每个流水段有专门的功能部件对指令进行某种加工；各流水段所需时间是一样的，这样才能同步符合流水节拍；流水线工作阶段可分为建立、满载和排空三个阶段；在理想情况下，当流水线充满后，每隔Δt时间即一个流水节拍将会有一个结果流出流水线。流水线技术(2)理想流水线性能分析流水线的加速比＝非流水线指令的平均执行时间/流水线指令的平均执行时间指令的平均执行时间＝时钟周期×指令的平均CPICPI（CyclesperInstruction）是执行每条指令所需的时钟周期流水线技术(3)流水操作中的主要障碍资源竞争（StructuralHazard）又叫结构竞争，是由资源缺乏引起数据竞争（DataHazard）由指令间数据的相关而引起控制竞争（ControlHazard）主要是由转移指令引起的存储系统(1)存储器的层次结构局部性原理（PrincipleofLocality）时间局部性（SpatialLocality）空间局部性（TemporalLocality）存储系统(2)基本概念命中率（HitRate）失配率（MissRate）命中时间（HitTime）失配损失（MissPenalty）存储器设计目标降低平均访问时间，而不是单单提高命中率平均访问时间＝命中时间＋失配时间×失配率层次化存储体系必须解决的问题定位问题替换问题更新问题存储系统(3)高速缓冲存储器（Cache）通常由两部分组成：块表和快速存储器两级Cache：内部Cache和外部CacheCache中的地址映象和变换直接映象全关联映象组关联映象存储系统(4)直接映象(Directmapped)j

＝

imod2C存储系统(5)全关联映象（FullAssociative）存储系统(6)组关联映象（SetAssociative）若每组中有n行，则称之为n路组关联映象直接映象就是1路组关联，全关联映象就是M(＝2C)路组关联存储系统(7)替换策略存储系统(8)替换算法比较存储系统(9)更新策略存储系统(10)主存储器的设计提高带宽，减少平均访问时间，是主存储器设计的主要问题增加存储器的数据宽度，即增加数据位数；采用存储器的多体交叉技术“高位交叉”编址“低位交叉”编址存储系统(11)虚拟存储器（VirtualMemory）虚拟存储器使存储系统既具有相当于辅存的容量又有接近于主存的访问速度设计虚拟存储系统需考虑的指标是主存空间利用率和主存的命中率虚拟存储器按存储映象算法有三种管理方式：段式管理页式管理段页式管理段式管理页式管理段页式管理外围设备外围设备是指计算机系统中除了CPU和主存之外的那些用来加强计算机功能的设备交互设备：用于计算机和用户的交互，例如触摸屏、打印机、视频显示终端等。视频显示终端包括显