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1、Project点评及课程总结,2,总体情况,实验分组 129人选课，共有44+5组 完成情况 绝大部分完成了基本要求，并有一定的扩展功能 中断、FLASH、VGA、旁路、分支预测等 其中，有一些组有特色鲜明的扩展 5组同学选择了用MIPS32指令运行教学操作系统或升级的监控程序 完全独立运行的教学计算机系统 双教学计算机通信 但是，总体来说，缺乏更有创意的作品 课程压力大 时间安排欠合理 希望能在计算机系统综合实验中看到你们展露才华,3,设置实验的思路,建立计算机系统概念 培养硬件设计调试能力 巩固基本概念和理解基本理论 硬软件相结合 层次计算机的概念 培养工程能力和综合能力 分析问题 解决问
2、题 表达 领导力和沟通,课程总结,计算机能做什么?,5,科学的力量取决于 大众对它的了解 培根,6,计算机的力量取决于 大众对它的应用 张钹,7,计算机的应用取决于 我们对它的掌握,8,学习目的,了解计算机的组成 五大组成部件 掌握计算机的运行原理 计算机为什么能执行高级语言程序 了解现代计算机中的一些核心技术 流水、Cache、虚拟存储 提高编程能力 培养设计计算机的技能 成为计算机科学家、计算机专家,9,学习目标,掌握单CPU计算机的完整硬件组成 基本工作原理 内部运行机制 建立完整计算机系统概念 了解计算机系统的新发展 达到能独立设计一台完整计算机的水平 硬件、软件齐全 功能基本完整 知
3、识和能力两方面都提高,10,信息时代,信息技术 (Information Technology) * 计算技术 (Computation) 计算机 * 通信技术 (Communication) 通信机 * 网络技术 计算机网络 = 计算 + 通信 (Network= Computation + Communication),11,计算机的诞生,1943 电子器件的应用（电子管） 1946 ENIAC 电子计算机 1949 EDSAC 存储程序计算机 1953 IBM 701（电子管） 1960 晶体管计算机 1965 IBM 360（集成电路） * 冯诺曼(von Neumann)结构 按地址
4、存储 数据和程序 的串行计算结构,处理器,存储器 程序 数据,0, 1,12,计算机（理论上）能干什么？,对 0，1 进行以下基本运算： +：1+1=0*，1+0=1（0+1=1），0+0=0 - ： 1-1=0，1-0=1，0-1=1*，0-0=0 ：1 1=1，1 0=0（0 1=0），0 0=0 ：1 1=1，1 0=1（0 1=1），0 0=0 -：-1=0，-0=1 如此简单的运算 能 解决复杂的问题？,13,图灵机（Turing Machine),确定型图灵机 (1932) * 有穷符号集 P * 有穷状态集 Q * 转移函数 F：Q 。P Q 。P 。 -1， +1 通用机(Un
5、iversal Machine)概念,有限状态 控制器,P,读写头,带,-4 -3 -2 -1 0 +1,Q,14,图灵可计算,“computable numbers” 图灵可计算 在有限机械步中可完成的计算 “computational complexity” 计算复杂性：指数（与问题规模的关系） 多项式,15,计算机能做什么?,文字处理、科学计算、通讯，社会生活的方方面面 只能执行指令系统中的指令，完成规定的功能 只能完成二进制算术加法运算和逻辑运算 只能完成逻辑运算,16,计算机为什么能完成这些工作,将任务分解成算逻运算的组合 程序设计和算法 好处：固化操作，能快速复制 缺点：并不是所有
6、任务都能分解成算逻运算的组合 自动快速执行算逻运算 比人脑运算要快 不足：受时间、空间限制 接收指令，并输出结果 存储程序 输入输出系统和设备,17,怎么完成,ALU 完成算术逻辑运算 存储器 存储程序和数据 输入设备 人机交互 输出设备 人机交互 总线 各部件之间连接和数据交换 控制器 自动、连续完成,18,什么是计算机？,Datapath: 根据指令要求和功能完成算术和逻辑运算。 Control: CPU的组成部分，它根据程序指令来指挥datapath， memory以及I/O运行，共同完成程序功能。 Memory: 存放运行时程序及其所需要的数据的场所。 Input: 信息进入计算机的设
7、备，如键盘、鼠标等。 Output: 将计算结果展示给用户的设备，如显示器、磁盘、打印机、喇叭等。,19,运算器,数据表示 数值数据表示 逻辑数据表示 字符数据表示 检错纠错码 算术运算 加法运算 减法运算 乘法运算 除法运算 浮点数运算 逻辑运算 逻辑与、或、非 电路实现,20,数据表示,二进制数据表示 数值数据和逻辑数据统一 字符和数值统一 指令和数据统一 最容易实现 补码数据表示 减法和加法统一 乘法和加法统一（加法、移位） 除法和加法统一（加、减和移位） 检错纠错码 奇偶校验 汉明校验,21,算术运算和逻辑运算,完成算术运算 加、减、乘、除 给出运算结果 给出结果状态 C、Z、V、S
8、浮点数据的算术运算 根据标志位进行逻辑判断 指令中的逻辑判断,22,电路实现,ALU 移位器 寄存器组 Q寄存器 多路选通电路 译码器,23,Datapath,Memory,I/O,24,运算器,算术逻辑运算 数据表示 原、反、补码 检错纠错码 浮点数据表示IEEE754 数据运算 补码加、减运算 原码一位乘除运算 浮点数算术运算 电路实现,25,控制器,自动执行指令 将指令系统的指令转换为完成指令功能对应的控制信号 分步骤执行指令 得到下一条指令的地址 连续执行指令 下地址 节拍 段间寄存器 提高指令执行速度 指令流水 多流水线设置 多核 并行计算机,26,不同层次的程序,High Leve
9、l Language Program (e.g., C),Assembly Language Program (e.g.,MIPS),Machine Language Program (MIPS),Control Signal Specification,Compiler,Assembler,Machine Interpretation,temp = vk; vk = vk+1; vk+1 = temp;,lw $to, 0($2) lw $t1, 4($2) sw $t1, 0($2) sw $t0, 4($2),0000 1001 1100 0110 1010 1111 0101 1000
10、 1010 1111 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1100 0110 1010 1111 0101 1000 0000 1001 0101 1000 0000 1001 1100 0110 1010 1111, ,计算机组成,27,指令系统和指令格式,指令和指令系统 指令是指挥计算机各部件完成规定功能的命令 计算机系统的全部指令的集合称为指令系统 操作码 指明指令需要完成的功能 对指令进行译码的输入 操作数地址 指明指令处理的对象 指令格式 如何在指令字中安排操作码和操作数地址,28,寻址方式,立即数寻址 常量 寄存器寻址 直接寻址 间接寻址 变址寻址 堆栈寻址
11、 基地址寻址 段表,29,程序计数器PC：存放指令地址，有自增或接收新值功能。 指令寄存器IR：存放指令内容：操作码与操作数地址。 主脉冲源与启停控制线路，按需要给出主脉冲信号。 指令执行步骤标记线路： 指明每条指令的执行步骤。 控制信号记忆或产生线路：给出计算机各功能部件部件协同运行所需要的控制信号。,运算器部件,主存储器部件,总线及输入/输出接口(输入/输出设备),控制器部件,各部件包括,也包括,设计中的难点，在于解决对运算器、控制器的控制,多周期控制器组成,30,控制 存储器,映射,IR,PC,输出 设备,输入 设备,主 存,运算器 部件,下地址,启停,地址寄存器,数据总线,地址总线,控
12、制总线,.,控制条件,微指令寄存器,主振,INTA,31,时序控制 信号 形成部件,译码,IR,PC,输出 设备,输入 设备,主 存,运算器 部件,时序,启停,地址寄存器,数据总线,地址总线,控制总线,.,控制条件,控制器信号,主振,硬布线方案的控制器,32,支持流水的CPU,33,微程序控制器,下地址字段 指出下一个微操作 微控存 给出全部控制信号 为什么能完成？ 指令系统是有限的，且指令的微操作也是有限的 存储器技术 有什么好处？ 扩展容易、实现简单、兼容性好 复杂的指令系统CISC,34,组合逻辑控制器,节拍发生器 标明当前微操作 完成微操作间的转换 控制信号生成逻辑 输入：节拍状态和指
13、令操作码 输出：该微操作的全部控制信号 为什么能完成？ 精简的指令系统、更强大的逻辑实现能力 有什么好处？ 速度快、适合流水线操作,35,指令流水的控制,段间寄存器 标明当前的流水段 保存上一流水步骤的结果及后续控制信号 控制信号生成逻辑 输入：指令操作码 输出：该指令的全部控制信号 为什么能完成？ 规整的指令系统、更强大的逻辑实现能力 精致的指令执行步骤划分 有什么好处？ 多条指令并行执行，性能高,36,多周期CPU的控制器设计,确定指令系统 操作码、操作数地址、寻址方式 划分指令流程 设计每个微操作的控制信号 设计节拍或下地址 设计时序、启停等其他电路,37,指令流水,指令流水的基本概念
14、指令流水中的冲突 结构冲突 数据冲突 控制冲突 指令流水冲突的解决方案 插入等待周期（气泡） 增加资源 旁路技术 分支预测 动态/静态 指令流水实现,38,存储器,处于计算机中心 层次存储器结构 高速缓冲存储器（Cache） 主存储器（DRAM） 虚拟存储器 半导体存储器 SRAM DRAM FLASH 磁表面存储器 光盘 每种存储介质的存储原理、特点,39,层次存储器系统,程序的局部性原理 时间局部性 空间局部性 层次间应满足的原则 包含性 一致性,40,Cache,硬件实现 参数 地址映射 直接映射 全相联 多路组相联 提高命中率 块大小、Cache容量、替换算法 写策略,41,虚拟存储器
15、,逻辑空间到物理空间 虚存的管理 段式管理、页式管理、段页式管理 段表 段起始地址、段长、控制位 页表 实页号、控制位 每一个虚页均在页表中有一个表项进行说明 快表（TLB）,42,成组传送,对主存储器的要求 Cache、DMA等 SDRAM PCI总线 经过等待时间后，按总线时钟传送数据,43,输入输出系统和设备,控制方式 CPU如何控制输入/输出？（输入/输出方式） 传输方式 使用传输通道、方式、速率等（总线、接口） 数据识别和转换 数/模转换、语音识别等，转换为字符、数据等计算机能识别的格式（设备）,44,控制方式,程序直接控制（轮询） CPU直接使用输入/输出指令来控制外部设备 程序中断 外部设备请求，CPU响应，CPU与外设并行工作 直接存储访问（DMA） 专用输入/输出控制器 独占总线/总线周期窃取 通道 字节多路通道 选择通道 数组多路通道 外围处理机,45,总线,多设备共享的信息通道 地址 数据 控制 多总线系统 总线仲裁 主设备和从设备 集中仲裁、分布仲裁 总线传输 同步 异步,46,接口,提供主机识别（指定、找到）使用的I/O设备的支持（为每个设备规定几个地址码或编号） 建立主机和设备之间的控制与通信机制 提供主机和设备之间信息交换过程中的数据缓冲机构 提供主机和设备之间信息交换过程中的其他特别需求支持,47,外部设备
