电子科大微机原理 第2章

1、2020/9/8,第2章 计算机系统的结构组成与工作原理,第二章 计算机系统的结构组成与工作原理,2.1 计算机系统的基本结构与组成 层次模型 Hierarchy 结构Architecture、组成Organization与实现Realization 2.2 计算机系统的工作原理 冯诺依曼计算机架构 模型机：系统结构、指令集、工作流程 2.3 计算机体系结构的改革 改进：指令集(RISC/CISC)、分层存储器 、高速总线/接口 改变：多种并行技术：流水线、超标量、多机/核、多线程 2.4 计算机体系结构分类 2.5 计算机性能评测Performance 字长、存储容量、运算速度 2.6 习题

2、,2020/9/8,2,/ 50,Flynn,计算机系统的层次结构,（a）图自下而上反映了系统逐级生成的过程，自上而下反映了系统求解问题的过程； （b）图中的虚拟机：与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器 软硬件的逻辑等价性可以表现为：硬件软化（如RISC思想）、软件硬化（如CISC思想）、固件化（如微程序） ；,微体系结构层 （微程序或硬连逻辑）,操作系统层,语言处理层（解释、编译）,用户程序层（语言编程）,系统分析层（数学模型、算法）,硬核级,数字逻辑层（硬件）,指令系统层（机器语言指令）,应用语言虚拟机,高级语言虚拟机,汇编语言虚拟机,操作系统虚拟机,机器语言级,微程序级,寄存器级（硬件）

3、,硬件系统：异常处理机构、指令系统、CPU、存储器、I/O及通信子系统,系统软件：操作系统、编译器、数据库管理系统、Web浏览器、设备驱动、中断服务程序,应用软件,计算机发展过程中的重大技术演变,在指令层和执行程序的数字逻辑层两层基础上增加微程序控制层 增加操作系统层（大大降低了大多数程序员的编程难度） 虚拟机的出现（使得在一个操作系统下同时运行另一个操作系统成为现实） 后期出现的RISC思想（不使用微代码层）,计算机分层的作用,可以调整软、硬件比例达到特定目的 可以通过使用真正的物理机器代替各级虚拟机 也可以在一台物理机器上模拟或仿真另一台机器,计算机体系结构：是程序员所看到的计算机(机器语

4、言级)的属性，即概念性结构与功能特性。 计算机组成：从硬件角度关注物理机器的各部件的功能以及各部件的联系。对程序员是透明的。 计算机实现：指的是计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度；,系列机,2020/9/8,6/36,计算机体系结构、组成与实现,1. 计算机体系结构是人眼看不见的东西，而计算机组成是人眼可见的 2. 计算机组成是计算机的外部，是使用人员所关心的系统硬件指标参数；而计算机实现是计算机的内部，是制造人员关心的内容,计算机的体系结构,1946年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士Mauchley和电气工程师Eckert领导的小组研制成功世界

5、上第一台数字式电子计算机ENIAC 。 著名的美籍匈牙利数学家Von Neumann参加了为改进ENIAC而举行的一系列专家会议，研究了新型计算机的体系结构。 1949年，英国剑桥大学的威尔克斯等人在EDSAC 机上实现了冯诺依曼模式。直至今天冯诺依曼体系结构依然是绝大多数数字计算机的基础。,2020/9/8,7,/ 50,注意：同一体系结构的计算机，不管其组成和 实现如何变化，在代码级是完全兼容的,总线（接口）+CPU+存储器+In/Out设备,2020/9/8,8/26,8/30,计算机组成,同步数字系统的内部结构,2020/9/8,9/30,计算机实现,【例1】 确定是否有乘法指令属于。

6、 乘法指令是用专门的乘法器实现，还是经加法器用重复的相加和右移操作来实现，属于。 乘法器、加法器的物理实现，如器件的选定(器件集成度、类型、数量、价格)及所用微组装技术等，属于,计算机体系结构,计算机组成,计算机实现,计算机体系结构、组成及实现区分,【例2】 主存容量与编址方式(按位、按字节、按字访问等)的确定属于。 为达到所定性能价格比，主存速度应多快，在逻辑结构上需采用什么措施(如多体交叉存储等)属于。 主存系统的物理实现，如存储器器件的选定、逻辑电路的设计、微组装技术的选定属于。,计算机体系结构,计算机组成,计算机实现,可以看出，具有相同计算机系统结构(如指令系统相同)的计算机因为速度要

7、求不同等因素可以采用不同的计算机组成。 同样，一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现。例如，主存器件可以采用SRAM芯片，也可以采用DRAM芯片。可以采用大规模集成电路单个芯片，也可以采用中小规模集成电路进行构建。这取决于性能价格比的要求与器件技术的现状。,计算机系统结构、组成和实现三者的相互影响,硬件组成 五大部分 运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备 以运算器为中心(现在以存储器为中心) 信息表示：二进制 计算机内部的控制信息和数据信息均采用二进制表示，并存放在同一个存储器中。 工作原理：存储程序/指令(控制)驱动 编制好的程序(包括指令和数据) 预先经由输入设备输入并保存在辅助

8、存储器中；程序开始运行时，计算机在不需要人工干预的情况下由控制器自动、高速地依次从存储器中取出指令并加以执行。,2020/9/8,13/81,冯诺依曼体系结构,早期的计算机结构（无总线）,各组成部分之间通过芯片引脚直接连接,模型机体系结构,基于总线的冯诺依曼架构模型机 总线子系统：作为公共通道连接各子部件，用于实现各部件之间的数据、信息等的传输和交换 CPU子系统：集成了运算器、控制器和寄存器的超大规模集成电路芯片(VLSI) 存储器子系统：用来存放当前的运行程序和数据 输入输出子系统：用于完成计算机与外部的信息交换,2020/9/8,15,/ 50,模型机总线结构,按传输信息的不同，可将总线

9、分为地址总线AB 、控制总线CB和数据总线DB三类： 地址总线通常是单向的，由主设备(如CPU)发出，用于选择读写对象(如某个特定的存储单元或外部设备)； 数据总线用于数据交换，通常是双向的； 控制总线包括真正的控制信号线(如读/写信号)和一些状态信号线(如是否已将数据送上总线)，用于实现对设备的监视和控制。,MPU,RAM,ROM,I/O接口,外设,AB,DB,CB,2020/9/8,16,/ 50,模型机内存储器,存储器组织由许多字节单元组成，每个单元都有一个唯一的编号（存储单元地址），保存的信息称为存储单元内容。 访问(读或写)存储单元 ：存储单元地址经地址译码后产生相应的选通信号，同时

10、在控制信号的作用下读出存储单元内容到数据缓冲器，或将数据缓冲器中的内容写入选定的单元。,通用寄存器组 堆栈指针SP 程序计数器PC,微 操 作 控 制 电 路,控制总线CB,地址总线AB,数据总线DB,运算器,寄存器组,控制器,模型机CPU子系统,2020/9/8,18,/ 50,数据信息,状态信息,控制信息,数字量,模拟量,开关量,连续几位二进制形式表示的数或字符。如键盘输入的信息以及打印机、显示器输出的信息等,时间上连续变化的量，如温度、压力、流量等,只有两个状态的量，如阀门的合与断、电路的开与关等,CPU与I/O设备之间的接口信息,反映外设当前工作状态的信息,READY信号：输入设备是否

11、准备好 BUSY信号：输出设备是否忙 ,CPU向外部设备发送的控制命令信息,读写控制信号 时序控制信号 中断信号 片选信号 其它操作信号,数据、状态、控制信息都是通过CPU的数据总线传送，存在I/O接口的不同端口中：数据、状态、控制端口,模型机指令系统,指令是发送到CPU的命令，指示CPU执行一个特定的处理。CPU可以处理的全部指令集合称为指令集。指令集结构（ ISA ）是体系结构的主要内容之一。ISA功能设计实际就是确定软硬件的功能分配。 指令通常包含操作码和操作数两部分。操作码指明要完成操作的性质，如加、减、乘、除、数据传送、移位等；操作数指明参加上述规定操作的数据或数据所存放的地址。,例

12、： MOV R0，#2,二进制操作码助记符：与动作一一对应,操作码：由CPU设计人员定义，具有固定的写法和意义。 操作数：可由编程人员采用不同方式给出。,;注释,指令举例,模型机工作原理,计算机的工作本质上就是执行程序的过程。 指令执行的基本过程可以分为取指令(fetch)、分析指令(decode)和执行指令(execute)三个阶段。, 取指令 当程序已在存储器中时，首先根据程序入口地址取出一条程序，为此要发出指令地址及控制信号 分析指令 即指令译码，是指对当前取得的指令进行分析，指出它要求什么操作，并产生相应的操作控制命令。 执行指令 根据分析指令时产生的“操作命令”形成相应的操作控制信号

13、序列，通过运算器、存储器及输入/输出设备的执行，实现每条指令的功能，其中包括对运算结果的处理以及下条指令地址的形成。,PC值由操作系统初始化为程序的入口地址(c语言中是main函数第一行),计算机完成计算的过程分析,目的：计算0 x10和0 x20之和 编写汇编程序代码, 关键代码如下： MOV A，#0 x10 ; A = 0 x10, A为CPU内部的累加寄存器 ADD A，#0 x20 ; A = A + 0 x20 编译、链接后得到的可执行代码(二进制位串) 运行(把保存在硬盘上的可执行文件调入内存，并把程序指令在内存的开始位置赋值给CPU中的PC寄存器) 以后的计算工作就交给CPU（

14、指令驱动）,程序的执行过程,取指令、分析指令、执行指令,CB,AB,DB,地址译码,读控制,N,N表示CPU的数据总线宽度（以字节为单位），此处N=1,对冯诺依曼体系结构的改进,改进 指令集 (指令功能、指令格式、寻址方式 ) 存储器子系统 (4层结构 ) 高速总线成为计算机系统的核心 改变 1. 改变串行执行模式，发展并行技术； 2. 改变控制驱动方式，发展数据驱动、需求驱动、模式驱动等其它驱动方式；,3到6章重点,2020/9/8,25/81,不同的指令集设计策略：CISC与RISC,CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机） 不断增强指

15、令的功能以及设置更复杂的新指令取代原先由程序段完成的功能，从而实现软件功能的硬化。 RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机） 通过减少指令种类和简化指令功能来降低硬件设计复杂度，从而提高指令的执行速度。,2020-9-8,26/86,CISC：如Intel CPU、RISC如ARM处理器,2020/9/8,26,/ 50,2020/9/8,27,/ 50,CISC的特点及设计思想,美国加州大学Berkeley分校的研究结果表明： 许多复杂指令很少被使用，“2-8原则” 控制器硬件复杂（指令多， 且具有不定长格式和复杂的 数据类型），占用了大

16、量芯 片面积，且容易出错； 指令操作繁杂，速度慢； 指令规整性不好，不利用 采用流水线技术提高性能。,2020-9-8,27/68,宏代码到微代码的转换,1000: a1 = a + b 1001: a2 = c + d 1002: c = a1 * a2; . 2000: a1 = a * b; 2001: a2 = c * d; 2002: c = a1 * a2; .,CPU内微码存储器,宏指令(程序员编写),2020/9/8,29,/ 50,RISC的特点及设计思想,RISC机的设计应当遵循以下五个原则： 指令条数少，格式简单，易于译码，不提供复杂指令； 提供足够的寄存器，只允许loa

17、d 和store指令访问内存； 指令由硬件直接执行， 在单个周期内完成； 充分利用流水线； 依赖优化编译器的作用；,2020-9-8,29/68,CISC： 优点：指令越多功能越强，强调代码效率，容易和高级语言接轨。可直接实现处理器和存储器之间的数据转移。 缺点：指令集以及芯片的设计比上一代产品更复杂，不同的指令，需要不同的时钟周期来完成，执行较慢的指令，将影响整台机器的执行效率。 RISC： 优点：指令少容易记忆，尽量将操作码和操作数用1个16位数或32位数表示，指令整齐。CPU时钟频率可以做得很高，指令执行速度快。 缺点：同样功能的程序，产生的代码量比较大，必须合理地选择编译器。,现代计算

18、机：RISC+CISC,分层的存储子系统,如何以合理的价格搭建出容量和速度都满足要求的存储系统，始终是计算机体系结构设计中的关键问题之一。 现代计算机系统通常把不同的存储设备按一定的体系结构组织起来，以解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾。,设计目标：整个存储系统速度接近M1而价格和容量接近Mn,2020/9/8,31,/ 50,其他改善存储器带宽的方法,哈佛体系结构（ARM9系列）,2020/9/8,32,/ 50,2020/9/8,33,/ 50,现代高速总线,高速并行总线,高速总线串行化,多级总线结构,北桥,南桥,前端总线Front Side Bus,输入输出管理方式,2020/9/8,35,/ 50,上半部分是计算机组成范畴，下图是计算机体系结构范畴,计算机体系结构的演进：并行处理技术,并行处理技术实现多个处理器或处理器模块的并行性，其基本思想包括时间重叠（time interleaving）、资源重复（resource replicaiton）和资源共享（resource sharing）。,分级并行处理技术,指令级并行技术ISP 流水线、超标量、超长指令字 系统级并行技术SLP 多处理器（多机/多核）、多磁盘 线程级并行技术