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1、 1 第2章计算机系统组成与工作原理 6学时 2 第2章计算机系统组成与工作原理 2 1计算机系统的基本结构与组成 掌握 计算机系统的层次模型计算机系统的结构 组织与实现2 2计算机系统的工作原理 掌握 冯 诺依曼计算机架构模型机系统结构模型机指令集模型机工作流程 3 第2章计算机系统组成与工作原理 2 3微处理器体系结构的改进 理解 冯 诺依曼结构的改进并行技术的发展流水线结构超标量与超长指令字结构多机与多核结构2 4计算机体系结构分类 理解 2 5计算机性能评测 掌握 字长 存储容量 运算速度 4 2 1 1计算机系统的层次模型 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
2、解问题的过程 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 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 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 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
3、件 5 2 1 2计算机系统的结构 组成与实现 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 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 系列机 6 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上第一台数字式电子计算机ENIAC 著名的美籍匈牙利数学家VonNeumann参加了为改进ENI
4、AC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 7 冯 诺伊曼计算机系统结构框图 8 体系结构角度的多层结构 硬件向上提供的接口 指令系统异常事件端口定义 9 体系结构 组成与实现 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 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计算机实现Realization底层的器件技术 微组装技术 冷却技术等如
5、加法器底层的物理器件类型及微组装技术 系列机 10 计算机的组成 1 11 计算机的组成 2 总线结构 12 计算机的组成 3 同步数字系统 13 组织角度的多层结构 14 体系结构 组成与实现 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 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 系列机 15 计算机的实现 半导体技术制造技术封装技术装配技术电源技术冷却技术 16 2
6、2 1冯 诺依曼体系架构 硬件组成五大部分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 17 2 2 2模型机系统结构 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 第4章 存储器子系统 存放当前的运行程序和数据 第5章 输入输出子系统 完成计算机与外部的信息交换 第6章 CPU
7、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 第3章 18 1 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 19 2 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
8、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 20 smallendianness 21 各种宽度信息的存储 a 按任意相连存储紧凑 但访问需要2总线操作 b 按整数边界存储有浪费 但访问效率高 22 3 输入 输出子系统 计算机与直接相联的外围设备进行数据交换的过程通常称为输入 输出 In Out 而与远方设备进行数据交换的过程习惯上称为数据通信 datacommunication 23 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A
9、B 数据总线DB 运算器 寄存器组 控制器 4 模型机CPU子系统 24 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为指令集 InstructionSet 指令集结构 ISA InstructionSetArchitecture 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 25 2 2
10、 3模型机常用汇编指令 26 2 2 4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 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 非顺序执行转移 jump 执行条件 无条件转移指令 不返回过程 procedure 调用 主程序调用子程序后返回断点中断 interrupt 外界突发事件处理完后返回断点异常 exception 程序本身产生的某些例外处理完后重新执行陷阱 trap 程序本身产生某些例外条件处理完后返回断点 27 程序的执行过程 取指令 分析指令 执行指令 AB DB 地址译码 读控制 MOV5CH R1
11、ADDR1 2EH R2 1 28 2 3冯 诺依曼体系结构的演进 演进CPU指令集存储器子系统总线输入 输出子系统改变改变控制方式 发展数据 需求 模式等其它驱动方式 改变串行执行模式 发展并行技术 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 冯 诺依曼型计算机的本质特点也造成了其瓶颈 指令执行的串行性存储器读取的串行性 29 2 3 1不同的指令集设计策略 CISC与RISC CISC ComplexInstructionSetComputer 复杂指令集计算机 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 R
12、ISC ReducedInstructionSetComputer 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 现代计算机 RISC CISC 30 按处理器指令架构分类 复杂指令集计算机 ComplexInstructionSetComputer CISC 如X86控制器的设计实现复杂包含了复杂计算指令且运行时间长精简指令集计算机 ReducedInstructionSetComputer RISC 如IBM的PowerPC Sun的SPARC MIPS的MIPSRxxx系列高效的编译器才能使RISC优点充分体现指令数据少且每条指令都能在单时
13、钟周期完成超长指令集架构是英文 VeryLongInstructionWord VLIW IA 64 如INTEL的IA 64 AMD的X86 64简化处理器结构 删除复杂的控制器电路 每时钟周期可运行20条指令 而CISC通常只能运行1 3条指令 RISC能运行4条指令 31 CISC的设计思想及特点 每条指令执行单一功能 硬件复杂为编程方便 往往增加指令数目 指令编码长度增加 硬件译码更复杂为编程灵活 增加寻址方式 指令长度不一 译码复杂每条指令完成一个完整功能 因此单条指令涉及多个操作 如取指 参数 运算 存结果等为增加新功能 需增加新指令 因此指令系统越来越复杂 这也是CISC的由来如
14、MC68020机就有25种寻址模式 32 RISC的设计思想及特点 RISC的出现简化了指令系统 克服了CISC的缺点 使更多的芯片硅面积可以用于实现流水和高速缓存 有效地提高了计算机的性能 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 提供足够的寄存器 只允许load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 强调优化编译器的作用 33 CISC和RISC的区别 内核结构CISC 数据线和指令线分时复用 即冯 诺依曼结构 程序存储器和数据存储器合并编址RISC 数据线和指令线分离 即哈佛结构 取指令和取数据可同时进行处理器指令集CI
15、SC 不等长指令集 需要对不等长指令进行分割 执行时间长 采用微码RISC 等长精简指令集 执行速度快且性能稳定 可同时执行多条指令 可将一条指令分割成若干个进程或线程 交由多个处理器同时执行 并行处理方面RISC明显优于CISC软件CISC DOS WindowsRISC 成熟的操作系统少 Windows需要翻译过程 速度慢 34 RISC CISC看法的误区 RISC指令都是简单指令LDREQR0 R1 R2 LSR 16 指令的强大 一般的CISC处理器望尘莫及 RISC的 简单 是指指令集的执行时间 指令长度 指令格式整齐划一CISC的复杂指令速度慢 执行效率很低现代CISC处理器具有
16、非常长的流水线 PIII采用了25级的流水线 执行速度快 但老的CPU执行速度可能较慢但RISC不管是老的CPU 还是新的CPU 指令执行时间都是相同的 不需要在对指令执行作出优化RISC处理器比CISC处理器需要更多的寄存器这不是一个需求问题 而是一个实现问题 所以有的CISC寄存器与RISC相当 一般情况RISC需要比较多的寄存器RISC都有流水线ARM2没有采用流水线 35 CISC与RISC的数据流 36 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 37 存储子系统 主存 内存 DRAM 存储数据和临时调入的程序 FLASH 存储引导程序 固化程序 固件 占用寻址空间 临时性存储 解决速度问题编址方式 字节编址信息存放方式 大 小端 big smallendianness 系统辅存 外存 磁盘 光盘 文件 块存储 虚拟存储介质 较长时间存储 解决容量问题
