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1、1第第3 3章章 计算机系统组成与工作原理计算机系统组成与工作原理第一页，共五十七页。计算机的体系结构计算机的体系结构2 1946年年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士Mauchley和和电气工程师电气工程师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著名的美籍匈牙利数学家Von Neumann参加了为改进参加了为改进ENIAC而举行而举行的一系列专家会议，研究了新型计算机的体系结构。的一系列专家会议，研究了新型计算机的体系结构。 1949年年，英国剑
2、桥大学的威尔克斯等人在，英国剑桥大学的威尔克斯等人在EDSAC 机上实现了冯机上实现了冯诺诺依曼模式。依曼模式。 直至今天冯直至今天冯诺依曼体系结构依然是绝大多数数字计算机诺依曼体系结构依然是绝大多数数字计算机的基础。的基础。第二页，共五十七页。冯冯诺伊曼计算机系统结构框图诺伊曼计算机系统结构框图 3第三页，共五十七页。体系结构角度的多层结构硬件向上提供的接口：硬件向上提供的接口：指令系统指令系统异常事件异常事件端口定义端口定义4第四页，共五十七页。体系结构、组成与实现n体系结构体系结构Architecture 程序员关心的计算机概念结构与功能特性程序员关心的计算机概念结构与功能特性如：确定指
3、令集中是否有乘法指令；如：确定指令集中是否有乘法指令；n计算机组成计算机组成Organization从硬件角度关注物理机器的组织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计算机实现计算机实现Realization底层的器件技术、微组装技术、冷却技术等底层的器件技术、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如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术系列机系列机5第五页，共五十七页。计算机的组成（计算机的组成（1）6第六页，共五十七页。计算机的组成（计算机的组成（2）总线结构总线结构7第七页，共五十七页。计算
4、机的组成（3）同步数字系统同步数字系统8第八页，共五十七页。组织角度的多层结构9第九页，共五十七页。体系结构、组成与实现n体系结构体系结构Architecture 程序员关心的计算机概念结构与功能特性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；如：确定指令集中是否有乘法指令；n计算机组成计算机组成Organization从硬件角度关注物理机器的组织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计算机实现计算机实现Realization底层的器件技术、微组装技术、冷却技术等底层的器件技术、微组装技术、冷却技
5、术等如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术系列机系列机10第十页，共五十七页。计算机的实现 半导体技术半导体技术 制造技术制造技术 封装技术封装技术 装配技术装配技术 电源技术电源技术 冷却技术冷却技术 11第十一页，共五十七页。122.2.1 冯诺依曼体系架构n硬件组成硬件组成u五大部分五大部分u以存储器为中心以存储器为中心n信息表示：二进制信息表示：二进制u计算机内部的控制信息和数据信息均采用计算机内部的控制信息和数据信息均采用二进制二进制表示，表示，并存放在同一个存储器中并存放在同一个存储器中n工作原理：存储程序工作原理：存储程序/指令指令(控制
6、控制)驱动驱动u编制好的程序编制好的程序(包括指令和数据包括指令和数据)预先经由输入设备输预先经由输入设备输入并入并保存在存储器保存在存储器中中u计算机开始工作后，在不需要人工干预的情况下由控计算机开始工作后，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制器自动、高速地依次从存储器中取出指令并加以执取出指令并加以执行行第十二页，共五十七页。2.2.2 模型机系统结构基于基于总线总线的的冯冯诺依曼架构诺依曼架构模型机模型机n总线子系统总线子系统：作为作为公共通道连接各公共通道连接各子子部件，用于实现各部件部件，用于实现各部件之间的数据、信息等的传输和交换之间的数据、信息等的传输和交
7、换(第第4章章)n存储器子系统存储器子系统：存放当前的运行程序和数据存放当前的运行程序和数据(第第5章章)n输入输出子系统输入输出子系统:完成计算机与外部的信息交换完成计算机与外部的信息交换(第第6章章)nCPU子系统子系统：集成了集成了运算器、控制器和寄存器的超大规模运算器、控制器和寄存器的超大规模集成电路芯片集成电路芯片(VLSI)（第（第3章）章）13第十三页，共五十七页。1.模型机总线结构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按传输信息的不同，可将总线分为数据总线DB、地、地址总线址总线AB和控制总线和控制总线CB三类三类：地址总线通常是地址总线通常是单向单向的，由的，由
8、主设备主设备(如如CPU)发出，用于选择读写发出，用于选择读写对象对象(如某个特定的存储单元或外部设备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，通常是数据总线用于数据交换，通常是双向双向的；的；控制总线包括真正的控制总线包括真正的控制控制信号线信号线(如读如读/写信号写信号)和一些和一些状态状态信号线信号线(如是否已将数据送上总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。，用于实现对设备的监视和控制。MPURAMROMI/O接口接口外设外设ABDBCB14第十四页，共五十七页。2.模型机内存储器存储器存储器组织组织由许多由许多字节单元字节单元组成，每个单元都有一个唯一
9、的编号组成，每个单元都有一个唯一的编号（存储单元存储单元地址地址），保存的信息称为存储单元，保存的信息称为存储单元内容内容。访问访问(读或写读或写)存储单元存储单元 ：存储单元地址经地址译码后产生相应的选存储单元地址经地址译码后产生相应的选通信号，通信号，同时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，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。或将数据缓冲器中的内容写入选定的单元。15第十五页，共五十七页。16small endianness第十六页，共五十七页。17各种宽度信息的存储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
10、总线操作 (b)按整数边界存储 有浪费，但访问效率高有浪费，但访问效率高第十七页，共五十七页。183. 输入/输出子系统n计算机与直接相联的外围设备进行数据交换的过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程通常称为输入输入/输出输出(In/Out)，而与远方设备进行，而与远方设备进行数据交换的过程习惯上称为数据交换的过程习惯上称为数据通信数据通信(data communication)第十八页，共五十七页。算术逻辑单元算术逻辑单元ALU累加器累加器ACC累加锁存器累加锁存器暂存暂存器器标志寄存器标志寄存器FR通用寄存器组通用寄存器组堆栈指针堆栈指针SP程序计数器程序计数器PC微微
11、操操 作作 控控 制制 电电 路路指令译码器指令译码器ID指令寄存器指令寄存器IR 操作码操作码 , 地址码地址码脉冲分配器脉冲分配器时钟脉冲源时钟脉冲源控制总线控制总线CB地址总线地址总线AB数据总线数据总线DB内部总线内部总线地址缓冲器地址缓冲器数据缓冲器数据缓冲器运算器运算器寄存器组寄存器组控制器控制器4. 模型机CPU子系统19第十九页，共五十七页。模型机指令系统指令是发送到指令是发送到CPU的命令，指示的命令，指示CPU执行一个特定的处理，如从存储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。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可以处理的全部指令
12、集合称为称为指令集指令集(Instruction Set)。指令集结构指令集结构(ISA，Instruction Set Architecture) 是体系结构的主要内容之一，对是体系结构的主要内容之一，对CPU的基本组织的基本组织会产生非常大的影响。会产生非常大的影响。ISA功能设计实际就是功能设计实际就是确定软硬件的功能分确定软硬件的功能分配配。指令通常包含指令通常包含操作码和操作数操作码和操作数两部分。操作码指明要完成操作的性两部分。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
13、据所存放的地址。述规定操作的数据或数据所存放的地址。汇编语言源程序汇编语言源程序机器语言程序机器语言程序（目标代码）（目标代码）汇编（汇编程序）汇编（汇编程序）高级语言源程序高级语言源程序编译或解释（编译程序）编译或解释（编译程序）20第二十页，共五十七页。2.2.3 模型机常用汇编指令指指 令令 类类 型型操作码示例操作码示例操作数示例操作数示例说说 明明算算术类加法加法ADDRs1, Rs2, RdRs, Imm, Rd( (Rs1) )+( (Rs2) )Rd( (Rs) )+ImmRd运算运算类指令只能指令只能对寄存器中寄存器中的数据或立即数的数据或立即数进行直接操行直接操作作减法减法
14、SUBRs1, Rs2, RdRs, Imm, Rd( (Rs1) )- -( (Rs2) )Rd( (Rs) )- -ImmRd逻辑类位与位与ANDRs1, Rs2, RdRs, Imm, Rd( (Rs1) )( (Rs2) )Rd( (Rs) )ImmRd位或位或ORRs1, Rs2, RdRs, Imm, Rd( (Rs1) )( (Rs2) )Rd( (Rs) )ImmRd位非位非NOTRs, Rd！( (Rs) )Rd传送送类存存储器或器或I/O读LDRMEM, RdMEM ( (Rd) )将指定地址的存将指定地址的存储单元或元或I/O端口的端口的值读入寄存器入寄存器Rd存存储器或
15、器或I/O写写STRRs, MEM( (Rs) )MEM将寄存器将寄存器Rs的的值写入指定地址写入指定地址的存的存储单元或元或I/O端口端口寄存器寄存器访问MOVRs, RdImm, Rd( (Rs) )( (Rd) )跳跳转类无条件跳无条件跳转JMPLableLable( (PC) )条件跳条件跳转JX/JNXLableIf X为真真/假，假，则Lable ( (PC) )过程程调用用CALLSub-LableSub-Lable( (PC) )调用子程序用子程序过程返回程返回RET- -返回主程序返回主程序其他其他停机停机HLT- -21第二十一页，共五十七页。2.2.4 模型机工作原理计算
16、机的工作本质上就是计算机的工作本质上就是执行程序执行程序的过程。的过程。n顺序执行顺序执行指令执行的基本过程可以分为指令执行的基本过程可以分为取指令取指令(fetch)、分析指令、分析指令(decode)和和执行指令执行指令(execute)三个阶段。三个阶段。2非顺序执行非顺序执行1.转移（转移（jump）：执行条件）：执行条件/无条件转移指令，不返回无条件转移指令，不返回2.过程（过程（procedure）调用：主程序调用子程序后返回断点）调用：主程序调用子程序后返回断点3.中断（中断（interrupt）：外界突发事件处理完后返回断点）：外界突发事件处理完后返回断点4.异常（异常（ exception）：）： 程序本身产生的某些例外处理完后重新执行程序本身产生的某些例外处理完后重新执行5.陷阱陷阱(trap) ： 程序本身产生某些例外条件处理完后返回断点程序本身产生某些例外条件处理完后返回断点22第二十二页，共五十七页。程序的执行过程取指令、分析指令、执行指令取指令、分析指令、执行指令ABDBALU累加器累加器ACC暂存器暂存器标志寄存器标志寄存器FR寄存器组寄存器组 操作控制器
