计算机组成与系统结构

计算机组成与系统结构

主讲教师:朱浩瑾

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/deng-qn/Comp_Organization

Email:zhu-hj@cs.

CourseOrganization:

■68lectureswithin-classdiscussion

■Sec1:ComputerOrganizationand

Design

■Sec2:ComputerArchitecture

教材

-胡越明

■《计算机组成与设计》

.科学出版社

.2006年6月第一版.......

32兀

/bookdetails.php?searchingbookid=16151

教材

.胡越明

-《计算机系统结构》

计算机系统结构

.北京航空航天大学出版社

-2007年6月第一版

/bookshop/bookinfo.asp?bookcode=TP77040%20%20&booktype=main

参考书籍一

JohnL.HennessyandDavidA.

COMPUTERPatterson,

ORGANIZATION

ANDDESIGN''Computerorganizationanddesign,

THEHARDWARE/SOFTWAREINTERFACEthehardware/softwareinterface

MorganKaufmann,FourthEdition,

2005

DAVIDAPATTERSON

JOHNLHENNESSY

参考书籍二

JohnL.HennessyandDavidA.

Patterson,

COMPUIEBABCHIHCIOHEComputerarchitecture:a

quantitativeapproach

MorganKaufmann,Fourth

Edition,2006

GradeInformation

■Midterm〜30%

.Final〜50%

■Classattendance〜10%

■Courseproject(TBD)〜10%

TheEvolutionofComputerHardware

Whenwasthefirsttransistorinvented?

TheEvolutionofComputerHardware

■Whenwasthefirsttransistorinvented?

Modern-dayelectronicsbeganwiththeinventionin1947

ofthetransferresistor-thebi-polartransistor-by

Bardeenet.alatBellLaboratories

TheEvolutionofComputerHardware

■WhenwasthefirstIC(integratedcircuit)

invented?

TheEvolutionofComputerHardware

■WhenwasthefirstIC(integratedcircuit)

invented?

In1958theICwas“bom”whenJackKilbyatTexas

Instrumentssuccessfullyinterconnected,byhand,

severaltransistors,resistorsandcapacitorsonasingle

substrate

ImpactsofAdvancingTechnology

■Processor

♦logiccapacity:increasesabout30%peryear

♦performance:2xevery1.5to2years

■Memory

♦DRAMcapacity:4xevery3years,about60%peryear

♦speed:1.5xevery10years

♦costperbit:decreasesabout25%peryear

.Disk

♦capacity:increasesabout60%peryear

♦speed:

♦costperbit:

EmbeddedComputersinYouCar

voice

RecognitionAudio

InternetSystems

Access

Digital

TelematicsRadioMobil。

Phones

Rear-seat-

Entertainment\______Nightvision&

LaneWarning

Multimedia

Systems/Adaptivecruise

control&

HeadupCollisionwarning

DisplayTirePressure

GamesMonitoring

Consoles

Park/Reverse

Assist।味史W^configurable

cluslersInstrumentClusters

WhyComputerOrganization&Architecture?

■Thiscourseisallabouthowcomputerswork

■Butwhatdowemeanbyacomputer?

♦Differenttypes:embedded,laptop,desktop,server

♦Differentuses:automobiles,graphics,finance,genomics,...

♦Differentmanufacturers:Intel,AMD,Lenovo,HP,Apple,IBM,

Sony,Sun...

♦Differentunderlyingtechnologiesanddifferentcosts!

■Bestwaytolearn:

♦Focusonaspecificinstanceandlearnhowitworks

♦Whilelearninggeneralprinciplesandhistoricalperspectives

WhyLearnThisStuff?

♦Youwanttocallyourselfa"computerscientist/engineer^^

■YouwanttobuildHW/SWpeopleuse(soyouneedtodeliver

performanceatlowcost)

■Youneedtomakeapurchasingdecisionoroffer“expert”

advice

Yes,Iknow,requiredclass...

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

♦几个二进制位可构成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。，将。变成1。

■表示为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

律：A+O=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

.例证明(A+B)(A+C)=A+BC

证：(A+B)(A+C)=AA+AB+AC+BC分配律

=A+AB+AC+BC重叠律

-=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AB+AC+BC

解：AB+AC+BC

=AB+(A+B)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L3写出下列真值表的逻辑表达式

输入输出

ABcf

0000

0011

0101

0110

1001

1010

1100

1111

f=ABC+ABC+ABC+ABC

习题：1.81.9

LL2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

JR

输出

输入一

0V

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

OVcc

GND

基本的门电路符号

门电路逻辑符号

A___

与门___AB

B---

A___：

或门〉____A+B

B.

非门A-L^A

A___

与非门O----AB

B---

或非门A__：

---A+B

B.

A__2

异或门)A©B

B.

-二生_.

—^白A__

电路B__---A或者B

CMOsn电路的例子

GND

三态门

-高阻状态

-输出控制功能

输入输出

(a)(b)(c)(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__[>------r-r-0-------

BQ

CO__

DO-H>

SO〜S3

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

特征表

R表示时序电路的下一个状态与现有

状态与输入信号的逻辑函数关系

-例

S

当前输入SR当前状态Q”下一状态Q向

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

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

-1.半加器的逻辑表达式：

S=A©B

C=AB

输入信号输出信号

ABSC

0000

0110

1010

1101

全加器

Ci-------

进位输入ci,进位输出co。

----S

：厂逻辑表达式：

一匚一CoS=®Ci+AB@+A百@+ABCi=A㊉B㊉Ci

Co=ABCi+ABCi+ABCi+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

OrCAD

4位加法器

•»Cany_lnSUM■------

Ci

XDX2'

YO：EZ^-»y.

Carry_Out-

FULLADD.sch

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

R1||10001110

(a)符号表示(b)表示各个位

]50.]58.70

R3(H)R3(L)

DQ(c)表示位序(d)表示高低字段

CLK--->

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

.RI—R2

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)

A2AlAOEND7D6D5D4D3D2D1DO

000100000001

D7

001100000010

A1L)o

3-8

An--------010100000100

AU译

nd011100001000

码100100010000

器

02101100100000

ENDI110101000000

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〃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=S]S0I。+StS0Ij+SiSgI2+S]S0I3

S]So

-功能表

SO1|丫|

►

RZI。

AY□zII

12

QZ13

习题

.1.10

.1.11

.1.12

.1.15

1-1.3数字系统基础

i.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

♦双列直插封装（DIP）

♦引脚格栅阵列（PGA）

-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（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、PAL、FPGA、CPLD

PLA

由与门利或门逻辑电路组合而成的阵列

O0O1O//i

PAL

-或阵列固定

与阵列可编程

目

CPLD

IOIO

模GAL模块GAL模块模

块块

>

>

IO>IO

>

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

A

B

B

F

t]L+tpdt2t2+tpd

门电路的扇出数与扇入数

■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

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

-L2.1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

-L2.2计算机软件

♦1.软件的分类

♦2.操作系统

-123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

,数据线路

＞控制信号

MajorComponentsofaComputer

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

♦L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

♦ADDRI,R2

-高级语言

♦A=A+B

-应用语言

2.程序设计语言的编译

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

ThanksYou!

L3计算机系统结构概论

一、概念

卜♦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

外特性设计

木目系

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

digitalDigitalAlpha(VI,V3)DEC21064,21164,21264

HPPA-RISC(Vl.l,V2.0)HP3000(930,950),

HEWLETT

PACKARDHP9000(800,850)

PA7100,PA8000

SunSparc(V8,V9)TISuperSPARCTMS390Z50

(inSunSPARCstation20)

MIPS32,MIPS64MIPS2000,3000,4000,8000,

10000(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

并行性

■并行性(parallelism)

♦同时性(simultaneous)

♦并发性(concurrence)

-并行机型

♦标量机(scalar)

♦向量机(vector)

♦阵歹”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

ZCPLXli

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

MPS指标

MIPS=----------=-------------------------=-------—

7£X106/NXCPIXKX1()6CPIx106

&时钟速率

MIPSr=—XMIPS时

局限性：标量机，指令的差异

.MFLOPS指标

IFN

MFLOPS二

TEXIO6

.TPS指标

♦每秒处理的事务数

阿姆达尔定律

Performanceimprovementfromfasterhardwaretechnology

islimitedtothefractionoftimethefastertechnologycanbe

used.

To1

Sp=—

Te

1—1十一

Ye

T

10

Te

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:

一设计算机执行程序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仔11111

Am——ZRi-'Z7-(T+7+…+.)

nLin1112In

ni=\/=1

几何平均

_211

G〃,二j(0R)二1_nj

=,(n五)二R；XH，X...XR；

G，〃(X)/

=Crrn(7)

G〃?(y)y

调和平均

nn

Hm二」一二

〃1fT1+T2+...+T〃

LTi

YR1=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)=1,Am(B)=1.25,Am(C)=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)=2.125

苣

M

4

+

・

・

I

^

x

+

一

J

:？

W