微机原理chap2教材

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1、电子工程学电子工程学院院 祝崇今祝崇今 E-mail: E-mail: cjzhu cjzhu Cellphone:13194980693 Cellphone:13194980693 微处理器系统结构与嵌入式系统设计 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 1. 层次模型 Hiberarchy 2. 结构Architecture、组成Organization与实现Realization 2.2 计算机系统的工作原理 1. 冯诺依曼计算机架构 2. 模型机：系统结构、指令集、工作流程 2.3 微处理器体系结构的改革 1. 改进：指令集(RISC/CISC)、分

2、层存储器 、高速总线/接口 2. 改变：流水线、超标量、超长指令字、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 并行技术 * 2 / 50 Flynn 第二章 习题 1.作业：26、 14、15 思考：1、713 *1.3/32 * 3 / 50 电子工程学电子工程学院院 祝崇今祝崇今 E-mail: E-mail: cjzhu cjzhu Cellphone:13194980693 Cellphone:13194980693 第 二 章 结 束 （a）软硬件层次 （b）语言层次 计算机系统的层次结构 1.（a）图自下而

3、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； 2.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） ； 3.（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 1.微体系结构层 2.（微程序或硬连逻辑） 1.操作系统层 1.语言处理层（解释、编译） 1.用户程序层（语言编程） 1.系统分析层（数学模型、算法） 1.硬 核级 1.数字逻辑层（硬件） 1.指令系统层（机器语言指令） 1.应用语言虚拟机 1.高级语言虚拟机 1.汇编语言虚拟机 1.操作系统虚拟机 1.机器语言级 1.微程序级 1.寄存器级（硬件） 硬

4、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 体系结构、组成与实现 n 体系结构Architecture 程序员关心的计算机概念结构与功能特性 如：确定指令集中是否有乘法指令； n 计算机组成Organization 从硬件角度关注物理机器的组织 如：乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现 n 计算机实现Realization 底层的器件技术、微组装技术、冷却技术等 如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术 1.系列机 * 6 / 50 计算机的体系结构 1. 1946年，美国宾

5、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上第一 台数字式电子计算机ENIAC 。 2. 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。 3. 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。 * 7 / 50 计算机的组成（1） 计算机的组成（2） 1.总线结构 * 9 / 50 计算机的组成（3） 1.同步数字系 统 * 10 / 50 计算机的实现 1. 半导体 技术 2

6、. 制造技术 3. 封装技术 4. 装配技 术 5. 电源技术 6. 冷却技术 7. * 11 / 50 体系结构角度的多层结构 1.硬件向上提供的接 口： 指令系统 异常事件 端口定义 * 12 / 50 组织角度的多层结构 1.13/32 * * 13 / 50 冯诺依曼体系结构 硬件组成 n五大部分 运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备 n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 保存在存储器中； 计算机开始工作后，在不需要

7、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。 模型机体系结构 基于总线的冯诺依曼架构模型机 n 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 n 存储器子系统：用来存放当前的运行程序和数据 n 输入输出子系统：用于完成计算机与外部的信息交换 n 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) * 15 / 50 模型机总线结构 按传输信息的不同，可将总线分为数据总线DB、地址 总线AB和控制总线CB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

8、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。 1.MPU 1.RAM1.ROM1.I/O接口1.外设 1.A B 1.DB 1.C B * 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。 1.算术逻辑单元 ALU 1

9、.累加器ACC 1.累加锁存 器 1.暂 存器 1.标志寄存器 FR 1.通用寄存器 组 2.堆栈指针SP 3.程序计数器 PC 1.微 操 作 控 制 电 路 1.指令译码器 ID 1.指令寄存器 IR 2. 操作码 , 地址 码 1.脉冲分配 器 1.时钟脉冲 源 1.控制总线CB 1.地址总线AB 1.数据总线 DB 1.内部总线 1.地址缓冲器 1.数据缓冲 器 1.运算器 1.寄存器 组 1.控制器 模型机CPU子系统 * 18 / 50 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，如 从存储器取数据、对数据进行逻辑运算等。CPU可以处理 的全部指令集合称

10、为指令集(Instruction Set)。指令集结 构(ISA，Instruction Set Architecture) 是体系结构的 主要内容之一，对CPU的基本组织会产生非常大的影响。 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。 1.汇编语言源程 序 1.机器语言程 序 2.（目标代码 ） 1.汇编（汇编程序） 1.高级语言源程 序 1.编译或解释（编译程序） 模型机常用汇编指令 指 令 类 型操作码示例操作数示例说 明 算术类术

11、类 加法ADD Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd (Rs1)+(Rs2)Rd (Rs)+ImmRd 运算类类指令只能对对寄存器 中的数据或立即数进进行直接 操作 减法SUB Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd (Rs1)-(Rs2)Rd (Rs)-ImmRd 逻辑类逻辑类 位与AND Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd (Rs1)(Rs2)Rd (Rs)ImmRd 位或OR Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd (Rs1)(Rs2)Rd (Rs)ImmRd 位非NOTRs, Rd！(Rs)Rd 传传送类类 存储储器或I/O 读读 LDRM

12、EM, RdMEM (Rd) 将指定地址的存储单储单元或I/O 端口的值读值读入寄存器Rd 存储储器或I/O 写 STRRs, MEM(Rs)MEM 将寄存器Rs的值值写入指定地 址的存储单储单元或I/O端口 寄存器访问访问MOV Rs, Rd Imm, Rd (Rs)(Rd) 跳转类转类 无条件跳转转JMPLableLable(PC) 条件跳转转JX/JNXLable If X为为真/假，则则 Lable (PC) 过过程调调用CALLSub-LableSub-Lable(PC)调调用子程序 过过程返回RET-返回主程序 其他停机HLT- 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

13、。 顺序执行 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。 2非顺序执行 1. 转移（jump）：执行条件/无条件转移指令，不返回 2. 过程（procedure）调用：主程序调用子程序后返回断点 3. 中断（interrupt）：外界突发事件处理完后返回断点 4. 异常（ exception）： 程序本身产生的某些例外处理完后重新执行 5. 陷阱(trap) ： 程序本身产生某些例外条件处理完后返回断点 *1.21/81 * 21 / 50 程序的执行过程 1.取指令、分析指令、执行指令 1.A B 1.D B 1.ALU

14、1.累加器ACC 1.暂存器 1.标志寄存器FR 1.寄存器 组 1. 操作控制器OC 1.指令译码器ID 1.指令寄存器IR 2. 操作码, 地址码 1.内部总线 1.地址缓冲器1.数据缓冲器 1.程序计 数器PC 1.地 址 译 码 1.读控制 1.B0H 1.5CH 1.04H 1.2EH 1.地址 1.1001 H 1.1002 H 1.1003 H 1.内容 1.1000 H 1.内存储器 1.MOV 5CH, R1 2.ADD R1, 2EH, R2 1. 1 1.CPU 外 1.CPU 内 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1.

15、1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. 1. * 22 / 50 对冯诺依曼体系结构的改进 改进 1. CPU指令集 2. 存储器子系统 3. 输入/输出子系统 2改变 1. 改变串行执行模式，发展并行技术； 2. 改变控制方式，发展数据、需求、模式等其它驱动方式； 1.3-6章重 点 指令功能、指令格式、寻址方式 分层结构 高速总线+多种接口方式 1. 冯诺依曼型计算机的 本质特点也造成了其瓶颈 ： 指令执行的串行性 1. 存储器读取的串行 性 不同的指令集设计策略：CISC与RISC CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集

16、计算机） 不断增强指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。 1.*1.24/86 现代计算机：RISC+CISC * 24 / 50 * 25 / 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。 1.*1.25/68 * 26 / 50 RISC的特点及设计思想 RISC