计算机科学导论-计算思维程序实践 课件 L06 冯·诺依曼计算机

第6讲冯.诺伊曼计算机

-机器程序及其执行学习目标本章目标：掌握冯.诺依曼计算机的相关概念理解机器指令、机器程序，以及机器程序在存储器中的存储理解机器执行机构理解机器执行程序的过程本章内容：理解冯

诺依曼计算机的贯通性思维，即关于机器指令、机器级算法和机器程序及其存储和执行的相关联思维。第六章冯.诺依曼计算机——机器程序及其执行一、机器级算法与机器程序二、存储器及机器程序与数据的存储三、CPU-运算器和控制器：机器程序执行机构四、一台完整的计算机五、计算机架构六、国内典型的微处理器计算机器的基本功能第一讲机器级算法与机器程序计算机器按计算规则(程序)对输入（数据）进行变换，得到输出（数据）。输入计算规则(程序&指令)输入/输出都是0和1的形式表达输出计算规则也是0和1的形式表达数据数据程序计算机器的核心运算器中央处理单元CPU控制器存储器(主存或内存)程序数据程序与数据的保存程序执行与数据计算微处理器(芯片)可能包含多个CPU（即多核，m个控制器n个运算器）第一讲机器级算法与机器程序计算机如何计算一个运算式?8

32+23+6第一讲机器级算法与机器程序计算方法：Step1:取出数3至运算器中Step2:乘以数8在运算器中Step3:加上数2在运算器中Step4:乘以数3在运算器中Step5:加上数6在运算器中计算方法：Step1：取出数3至运算器中Step2：乘以数3在运算器中Step3：乘以数8在运算器中Step4：存结果

在存储器中Step5：取出数2至运算器中Step6：乘以数3在运算器中Step7：加上在运算器中Step8：加上数6在运算器中算法---机器可执行的求解问题的规则及步骤。机器级算法问：怎么看待算法节省的步数?---算法需要“优化”第一讲机器级算法与机器程序【机器指令】是CPU可以直接分析并执行的指令，一般由0和1的编码表示。机器指令指令

操作码+地址码；0000010000000111操作码地址码(如取数，加法等操作)(操作中的数据的来源)000100

0000000100000010

0000000100000011

0000001010000100

0000001010机器语言—机器能够执行的所有指令的集合。第一讲机器级算法与机器程序机器程序：将机器级算法用机器指令进行表达假设数字3、8、2、6分别存储在8号、9号、10号和11号存储单元机器级算法机器语言与机器指令机器程序00000100000010000001000000001001000011000000101000010000000010000000110000001011000010000000110000010100000011000001100000000000第一讲机器级算法与机器程序计算机器是按计算规则对输入数据进行变换得到输出数据的机器。机器级算法是指一组有先后次序的计算步骤。机器指令是一种编码。（操作码和地址码）机器程序是用机器可以直接执行的指令所编写的程序。通过机器指令将机器级算法转换为机器程序。小结第六章冯.诺依曼计算机——机器程序是如何被执行的一、机器级算法与机器程序二、存储器及机器程序与数据的存储三、CPU-运算器和控制器：机器程序执行机构四、一台完整的计算机五、计算机架构六、国内典型的微处理器什么是存储器？【存储器】:能够按地址读或写每一个存储单元的部件。【存储单元】：一个存储单位可以保存一个m位的数据，通常记为Dm-1…D0。【地址】：是一个n位的0/1编码，每一个编码指向一个存储单元，通常记为An-1…A0。第二讲存储器及机器程序与数据的存储存储器的性能指标——存储容量存储单元(的内容)(存储单元的)地址地址空间存储字长存储容量地址编码n位：An-1…A0地址空间：

00000000…0000000000000000…00000001……11111111…11111111存储字长m位：存储位的位数，Dm-1…D0

每个存储单元都是m位存储容量：存储器所能存储的二进制代码的总位数

=2n

mBit(位)=2n

m/8Byte（字节)存储容量的单位：210为换算单位2n个存储单元DB、NB、BB、YB、ZB、EB、PB、TB、GB、MB、KB、Byte第二讲存储器及机器程序与数据的存储第二讲存储器及机器程序与数据的存储存储器的性能指标——存储速度存取时间：读出时间和写入时间存储器周期：存储器进行连续读写操作所需的最短间隔时间存储器带宽：存储器连续访问时，提供的最大的数据传输率启动存取存取完毕下次存取存取时间附加时间存储器周期计算8

32+2

3+6的程序机器程序存储器存储单元000001000000100000010000000010010000110000001010000100000000100000001100000010110000100000001100000101000000110000011000000000000000000000000011000000000000100000000000000000100000000000000110

地址（编号）000000000000000000000000000000010000000000000010000000000000001100000000000001000000000000000101000000000000011000000000000001110000000000001000000000000000100100000000000010100000000000001011000000000000110000000100000010000001000000001001000011000000101000010000000010000000110000001011000010000000110000010100000011000001100000000000程序数据将机器程序和数据装载进存储器中?第二讲存储器及机器程序与数据的存储程序与数据以同等地位存于存储器中你能读懂这段程序吗？第二讲存储器及机器程序与数据的存储换一种写法——你能读懂吗?第二讲存储器及机器程序与数据的存储改改机器程序，体验机器程序计算8

32+2

3+6的程序计算5

42+3

4+7的程序计算ax2+bx+c的程序?

机器程序存储器存储单元00000100000010000001000000001001000011000000101000010000000010000000110000001011000010000000110000010100000011000001100000000000地址（编号）000000000000000000000000000000010000000000000010000000000000001100000000000001000000000000000101000000000000011000000000000001110000000000001000000000000000100100000000000010100000000000001011000000000000110000000100000010000001000000001001000011000000101000010000000010000000110000001011000010000000110000010100000011000001100000000000程序数据00000000000001000000000000000101000000000000001100000000000001110000000000000011000000000000100000000000000000100000000000000110第二讲存储器及机器程序与数据的存储读一读程序，能发现什么吗？程序指令系统第二讲存储器及机器程序与数据的存储0001110000001010取出8号存储单元的数至运算器中（数0000010000001000，十进制为1032）加上9号存储单元的数（数0000110000001001，十进制为3081）得到3081+1032，即4113在运算器中加上10号存储单元的数（数0000110000001010，十进制为3082）得到4113+3082，即7195在运算器中将结果存入10号存储单元中。（7195的二进制0001110000001010，存入0000000000001010（10号）存储单元）跳转到10号单元的指令继续执行（10号单元存储的是什么）存储单元中的内容可能是指令，也可能是数据，还可能既是数据又是指令存储器中的程序是可能被修改的，即初始时是执行预期的程序，而再执行可能就不是当用跳转指令改变程序执行次序时，要注意其指向的是否是指令？可能会出现错误小结存储器：一种能读出、写入、保存0和1数据的部件。存储单元、存储字长。存储器的性能指标：存储容量和存储速度机器程序在存储器中的存储第六章冯.诺依曼计算机——机器程序是如何被执行的一、机器级算法与机器程序二、存储器及机器程序与数据的存储三、CPU-运算器和控制器：机器程序执行机构四、一台完整的计算机五、计算机架构六、国内典型的微处理器(数据)寄存器算术逻辑部件R0=R1

R0(赋值,R0既是一个操作数，又保存运算结果)。其中为算术、逻辑及移位运算符(数据)寄存器0000000000001000000000000000100100000000000000000000000000000000算术、逻辑及移位运算R0R1运算器第三讲CPU-运算器和控制器：机器程序执行机构运算器为什么要如此设计呢？减少寄存器的数目，缩短指令长度时钟与节拍发生器信号控制PCIR算术、逻辑及移位运算R0R1(数据)寄存器程序计数器PC指令寄存器信号控制器——发出控制信号时钟与信号发生器——控制操作次序注：PC：程序计数器---存储下一条要执行指令的地址IR：指令寄存器---存储当前指令内容运算器控制器控制器第三讲CPU-运算器和控制器：机器程序执行机构PC自动加1，保证程序按顺序执行。小结运算器是对数据实现算术、逻辑和移位运算的部件。算术逻辑部件，数据寄存器；R0=R1

R0控制器是可以读取指令、解释指令并调用各个部件执行指令的部件。PC、IR、信号控制部件、时钟与节拍发生器第六章冯.诺依曼计算机——机器程序是如何被执行的一、机器级算法与机器程序二、存储器及机器程序与数据的存储三、CPU-运算器和控制器：机器程序执行机构四、一台完整的计算机五、计算机架构六、国内典型的微处理器运算器寄存器算术逻辑部件控制器程序计数器PC指令寄存器信号控制器时钟与节拍发生器存储器存储单元地址存储单元内容计算机各部件内部的简单构成关系第四讲一台完整的计算机第四讲一台完整的计算机总线：各部件通过一组线路，以适当的接口电路，与外围设备连接，这组共用的连接线路被称为总线。片内总线：芯片内部的总线。系统总线：CPU、内存、输入输出设备之间的信息传输线。局部总线：连接某一子系统或部分部件的总线。通信总线（外部总线）：计算机之间或计算机与其他机器之间传送信息的总线总线的分类第四讲一台完整的计算机典型指令的执行需要哪些信号？“读取指令”的信号分解：（a）将PC中的地址发送给存储器。（b）给存储器发送一个开始工作的控制信号。（c）存储器按地址读取相应存储单元的内容。（d）给拟接收改内容的指令寄存器IR发送接收的控制信号(a)(b)(c)(d)第四讲一台完整的计算机典型指令的执行需要哪些信号？“取数指令”的信号分解：（a）给IR发送一个控制信号，将指令中的地址码发送给存储器。（b）给存储器发送一个开始工作的控制信号。（c）存储器按地址读取相应存储单元的内容。（d）给拟接收改内容的数据寄存器发送接收的控制信号(a)(b)(c)(d)0000010000001001典型指令的执行需要哪些信号？“加法指令”的信号分解：

(a)(b)(c)(d)0000110000001001(e)(f)第四讲一台完整的计算机不同的指令，由一组不同的电信号构成。最小的时间区隔单位--时钟周期。不同的时钟周期状态称为节拍。多个节拍构成一个机器周期，一条指令占用一个或多个机器周期。同一指令的电信号在时钟与节拍的控制下按次序产生传输。指令执行问：机器的“主频”指的是什么?时钟周期、节拍与机器周期第四讲一台完整的计算机时钟与节拍发生器信号控制0000000000000000

PCIR

算术、逻辑及移位运算

地址内容R0R1(数据)寄存器程序&指令数据运算器控制器存储器初始状态第四讲一台完整的计算机——以一条指令模拟执行过程时钟与节拍发生器信号控制寄存器00000000000000000000010000001000--(随机的数值)--(随机的数值)--(随机的数值)--(随机的数值)算术、逻辑及移位运算00000100000010000000000000000000地址内容

R0R1PCIR运算器控制器存储器第1条指令：取指令（2个节拍）第四讲一台完整的计算机——以一条指令模拟执行过程0000010000001000时钟与节拍发生器信号控制寄存器00000000000000010000010000001000--(随机的数值)0000000000000011--(随机的数值)--(随机的数值)算术、逻辑及移位运算00000000000000110000000000001000地址内容

控制R0R0R1000001PCIR--(随机的数值)0000000000000000运算器控制器存储器第1条指令：执行指令（2个节拍）第四讲一台完整的计算机——以一条指令模拟执行过程时钟与节拍发生器信号控制寄存器00000000000000010000010000001000--(随机的数值)0000000000000011--(随机的数值)--(随机的数值)算术、逻辑及移位运算00000000000000110000000000001000地址内容R0R1PCIR运算器控制器存储器第1条指令执行结束状态第四讲一台完整的计算机——以一条指令模拟执行过程时钟与节拍发生器信号控制寄存器00000000000000010001000000001001--(随机的数值)0000000000000011--(随机的数值)--(随机的数值)算术、逻辑及移位运算00010000000010010000000000000001地址内容

R0R1PCIR0000010000001000运算器控制器存储器0000000000000011第2条指令：取指令（2个节拍）第四讲一台完整的计算机——以一条指令模拟执行过程时钟与节拍发生器信号控制寄存器0000000000000010000100000000100100000000000010000000000000000011--(随机的数值)--(随机的数值)R0算术、逻辑及移位运算R100000000000010000000000000001001地址内容

控制R1

000100PCIR--(随机的数值)0000000000000001运算器控制器存储器0000010000001001第2条指令：执行指令（4个节拍）第四讲一台完整的计算机——以一条指令模拟执行过程时钟与节拍发生器信号控制寄存器0000000000000010000100000000100100000000000010000000000000011000--(随机的数值)--(随机的数值)R0算术、逻辑及移位运算R100000000000010000000000000001001地址内容

000100PCIR0000000000000011运算器控制器存储器机器级程序的执行过程模拟(5)第2条指令的执行第2条指令：执行指令（4个节拍-续）第四讲一台完整的计算机——以一条指令模拟执行过程小结总线分为系统总线、片内总线和通信总线（外部总线），现代计算机还引入了局部总线。指令由一组电信号构成，指令执行是在时钟与节拍控制下传输和接收信号的过程。以一条指令模拟了机器执行过程。第六章冯.诺依曼计算机——机器程序是如何被执行的一、机器级算法与机器程序二、存储器及机器程序与数据的存储三、CPU-运算器和控制器：机器程序执行机构四、一台完整的计算机五、计算机架构六、国内典型的微处理器数据流控制流冯.诺依曼体系结构：由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备组成。以运算器为中心的冯.诺依曼体系结构第五讲计算机架构冯.诺依曼体系结构——缺点：

所有的操作都要经过运算器

当输入输出占用运算器时，运算器就不能计算，当运算器计算时，就不能输入输出以存储器为中心的现代通用计算机体系结构第五讲计算机架构第五讲计算机架构非冯.诺依曼体系结构第五讲计算机架构非冯.诺依曼体系结构——达芬奇架构计算单元：用于人工智能运算，例如矩阵计算；存储系统：由片上存储单元和相应的数据通路构成；控制单元：为整个计算过程提供指令控制。主要包括系统控制模块，标量指令处理队列，指令发射模块，矩阵运算队列，向量运算队列，存储转换队列和事件同步模块等。第五讲计算机架构微处理器架构RISC一种具有较少类型计算机指令的微处理器，其核心思想精简指令集。CISC一种指令系统比较丰富的微处理器。不仅包含了一些常用的指令，还有专用指令。Intelx86Intel研发的一种微处理器体系结构的泛称。在台式计算机上应用更广泛。ARM是一个32位精简指令集处理器架构，使用在许多嵌入式系统设计中。MIPS是一种流水式处理指令的微处理器架构，使用在许多电子产品、网络设备等。RISC-V基于RISC原理建立的开放指令集架构，具有完全开源、设计简单等优点。晶体管的数目还是继续按照摩尔定律在推进；单核微处理器：是指一个微处理器只有一个CPU。多核微处理器：是指在一个微处理器中封装有多个CPU，可以并行处理。片上系统（SoC）：是一个有专用目标的集成电路，它包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。第五讲计算机架构微处理器发展史小结冯.诺依曼体系结构，现代通用计算机体系结构，非冯诺依曼体系结构（达芬奇架构）；微处理器架构；单核、多核、片上系统。第六章冯.诺依曼计算机——机器程序是如何被执行的一、机器级算法与机器程序二、存储器及机器程序与数据的存储三、CPU-运算器和控制器：机器程序执行机构四、一台完整的计算机五、计算机架构六、国内典型的微处理器认识华为鲲鹏处理器7nm制程，数据中心ARM架构处理器鲲鹏916鲲鹏920支持多路互联的ARM架构处理器

CPU个数：32核，2.4GHz主频计算性能：SPECint性能匹配业界中端，功耗低至75W内存连接：支持4通道DDR4控制器外存连接：支持PCI-e3.0和SAS/SATA3.0网络连接：集成板载GE/10GE网络处理器连接：支持2路互联CPU个数：计算核数提升1倍，最多64核计算性能：SPECint性能提升超过2倍内存连接：内存通道数提升1倍，支持8通道DDR4控制器外存连接：支持PCI-e4.0和CCIX网络连接：集成板载100GE网络和加密、压缩加速引擎处理器连接：支持2路或4路互联ARM是一种CPU架构，采用RISC精简指令集（ReducedInstructionSetcomputer），是一种开放的快速发展中的CPU架构。有别于Intel、AMDCPU采用的CISC复杂指令集(ComplexInstructionSetComputer)，第六讲国内典型的微处理器华为鲲鹏处理器的构成Chip：是指将几块硅片封装后形成的芯片，如鲲鹏916、鲲鹏920。通常情况下Chip是一种SoC（Systemonchip）即芯片中除了CPU外，还集成了网卡、磁盘控制器和I/O控制器等。DIE：芯片的最小物理单元。鲲鹏920封装了3个DIE（也可以封装2个DIE，可选择），两个用来做计算，第三个用来做I/O。Cluster：若干个核(core)的集合。鲲鹏920把4个core集合成为一个cluster，而一个DIE上有8个cluster。Core：真正的计算单元，CPU或称为“核”。ClusterCoreDIECPUDieCPUDieI/O

DieChip第六讲国内典型的微处理器ringLLCLLCLLCLLCLLCLLCLLCLLCSLLCARMCoreL1IL2L1DARMCoreL1IL2L1DARMCoreL1IL2L1DARMCoreL1IL2L1DARMCoreL1IL2L1DARMCoreL1IL2L1DARMCoreL1IL2L1DARMCoreL1IL2L1DARMCoreL1IL2L1DARMCoreL1IL2L1DARMCoreL1IL2L1DARMCoreL1IL2L1DringLLCLLCLLCLLCCluster-1Cluster-2CPUDieTaiShanCore独享L1Cache和L2Cache，4个Core和1个L3Cachetag组成一个Cluster，6~8个Cluster组成一个CPUDie，合封后的两个CPUDie共享LLC(LastLevelCache)。华为鲲鹏处理器的多核与多级CacheCache：高速缓冲存储器，是位于CPU和主存储器之间规模较小但速度很高的一种存储器L1I:L1级指令Cache;L1D:L1级数据Cache;L2:L2级Cache;LLC:L3级Cache.第六讲国内典型的微处理器L2L2L2…L2L2L2L3L2L2L2…L2L2L2L3L3…L3L2L2L2…L2L2L2RemoteL3RemoteL3…HomeL3L2L3MainMemory（2）PrivateCache：有N个Private的L3，每个PrivateL3只缓存对应的L2的数据。即一个进程(程序)只能使用对应的部分L3的容量，无法使用全部L3的容量，L3和L3之间不通信（1）ShareCache：对所有的L2来说L3cache是共享的，一个进程(程序)可以使用整个L3的容量（3）PartitionedCache：与Private相同的是，一个进程(程序)只能使用对应的部分L3容量；与Private不同的是，L3细分为一个Home的L3和N个Remote的L3，Home的L3类似L4，所以L3和L3之间会通信，由Home的L3来维护多个PartitionedL3之间的一致性（4）Non-inclusiveL3：非包含性L3,即Memory和L2间直接数据访问华为鲲鹏处理器的多级Cache的不同使用方式第六讲国内典型的微处理器Kunpeng920SAS控制器桥片CPURoCE网卡Kunpeng920Kunpeng920HCCSHCCSHCCSHCCSKunpeng920Kunpeng920多合一SoCxPU高速互联注：HCCS(HuaweiCacheCoherenceSystem)华为自研片间互联协议高集成高能效单位功耗的SPE