第2章 计算机系统的结构组成与工作原理.ppt
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1、2023/4/8第2章 计算机系统的结构组成与工作原理第二章第二章计算机计算机系统的系统的结构组结构组成与工成与工作原理作原理2.1 计算机系算机系统的基本的基本结构与构与组成成(掌握)(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 计算机系算机系统的工作原理的工作原理(掌握)(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2.3 微微处理器体系理器体系结构的改构的改进(理解)(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 计算机体系算机体系结构分构分类(理解)(理解)2.5 计算机性能算机性能评测(掌握)(掌握)
2、字长、存储容量、运算速度第二章第二章 计算机系统的结构组成与工作原理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计算机系统的基本结构与组成1.层次模型 Hierarchy2.结构Architecture、组成Organization与实现Realization2.2 计算机系统的工作原理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 计算机计算机体系结构的改体系结构的改革革1.改进:指令集(RISC/CISC)、分层存储器、高速总线/接口2.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计算机体系结构分
3、类2.5 计算机性能评测计算机性能评测Performance 字长、存储容量、运算速度2.6 习题2023/4/83/50Flynn(a)软硬件层次)软硬件层次 (b)语言层次)语言层次计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构1.(a)图自下而上反映了系统逐级)图自下而上反映了系统逐级生成生成的过程,自上而下反映了系统的过程,自上而下反映了系统求求解解问题的过程;问题的过程;2.(b)图中的)图中的虚拟机虚拟机:与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器:与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器3.软硬件的逻辑等价性软硬件的逻辑等价性可以表现为:硬件软化(如可以表现为:硬件软化(如RISC思想)、软件硬
4、思想)、软件硬化(如化(如CISC思想)、固件化(如微程序)思想)、固件化(如微程序);微体系结构层微体系结构层(微程序或硬连逻辑)(微程序或硬连逻辑)操作系统层操作系统层语言处理层(解释、编译)语言处理层(解释、编译)用户程序层(语言编程)用户程序层(语言编程)系统分析层(数学模型、算法)系统分析层(数学模型、算法)硬核硬核级级数字逻辑层(硬件)数字逻辑层(硬件)指令系统层(机器语言指令)指令系统层(机器语言指令)应用语言虚拟机应用语言虚拟机高级语言虚拟机高级语言虚拟机汇编语言虚拟机汇编语言虚拟机操作系统虚拟机操作系统虚拟机机器语言级机器语言级微程序级微程序级寄存器级(硬件)寄存器级(硬件)
5、硬件系统:异常处理机构、指令系统、硬件系统:异常处理机构、指令系统、CPU、存储器、存储器、I/O及通信子系统及通信子系统系统软件:操作系统、编译器、数据库管理系系统软件:操作系统、编译器、数据库管理系统、统、Web浏览器、设备驱动、中断服务程序浏览器、设备驱动、中断服务程序应用软件应用软件计算机发展过程中的重大技术演变计算机发展过程中的重大技术演变1.在指令在指令层和和执行程序的数字行程序的数字逻辑层两两层基基础上增加上增加微程序控制微程序控制层2.增加操作系增加操作系统层(大大降低了大多数程序(大大降低了大多数程序员的的编程程难度)度)3.虚虚拟机的出机的出现(使得在一个操作系(使得在一个
6、操作系统下同下同时运行另运行另一个操作系一个操作系统成成为现实)4.后期出后期出现的的RISC思想(不使用微代思想(不使用微代码层)计算机分层的作用计算机分层的作用1.可以可以调整整软、硬件比例达到特定目的、硬件比例达到特定目的2.可以通可以通过使用真正的物理机器代替各使用真正的物理机器代替各级虚虚拟机机3.也可以在一台物理机器上模也可以在一台物理机器上模拟或仿真另一台机器或仿真另一台机器1.计算机体系结构:是程序员所看到的计算机(机器语言级)的属性,即概念性结构与功能特性。2.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。3.计算机实现:指的是计算机组成
7、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;系列机系列机2023/4/82023/4/87/36计算机体系结构、组成与实现计算机体系结构、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计算机的体系结构 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和电气工程师和电气工程师Eckert领导的小组研制成功世界上第一领导的小组研制成功世界上第一台数字式电子计算机台
8、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而举行的一系列专家会议,研究了新型计算机的体系结构。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年年,英国剑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 机上实现机上实现了冯了冯诺依曼模式。直至今天冯诺依曼模式。直至今天冯诺依曼体系结构依然是绝大多诺依曼体系结构依然是绝大多数数字计算机的基础。数数字计算机的基础。2023/4/88/50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)总线(接口)+
9、CPU+存储器存储器+In/Out设备设备2023/4/82023/4/89/269/30计算机组成计算机组成同步数字系统的内部结构同步数字系统的内部结构2023/4/82023/4/810/30计算机实现计算机实现【例例1 1】确定是否有乘法指令属于。确定是否有乘法指令属于。乘法指令是用专门的乘法器实现,还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,如器件乘法器、加法器的物理实现,如器件的选定的选定(器件集成度、类型、数量、价格器件集成度、类型、数量、价格)及所用微组装技及所用微组装技术等
10、,属于术等,属于计算机体系结构计算机体系结构计算机组成计算机组成计算机实现计算机实现计算机体系结构、组成及实现区分计算机体系结构、组成及实现区分【例例2 2】主存容量与编址方式主存容量与编址方式(按位、按字节、按位、按字节、按字访问等按字访问等)的确定属于的确定属于。为达到所定性能价格比,主存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速度应多快,在逻辑结构上需采用什么措施(如多如多体交叉存储等体交叉存储等)属于属于。主存系统的物理实现,如存储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、微组装技术的选器器件的选定、逻辑电路的设计、微组装技术的选定属于定属于。计算
11、机体系结构计算机体系结构计算机组成计算机组成计算机实现计算机实现可以看出,可以看出,具有相同计算机系统结构具有相同计算机系统结构(如指令如指令系统相同系统相同)的计算机因为速度要求不同等因素可以的计算机因为速度要求不同等因素可以采用不同的计算机组成。采用不同的计算机组成。同样,同样,一种计算机组成可以采用多种不一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现同的计算机实现。例如,主存器件可以采用。例如,主存器件可以采用SRAMSRAM芯片,也可以采用芯片,也可以采用DRAMDRAM芯片。可以采用大规模集芯片。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成电路单个芯片,也可以采用中小规模
12、集成电路进行构建。进行构建。这取决于性能价格比的要求与器件技这取决于性能价格比的要求与器件技术的现状。术的现状。计算机系统结构、组成和实现三者的相互影响计算机系统结构、组成和实现三者的相互影响1硬件组成n五大部分 运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备n以运算器为中心(现在以存储器为中心)2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。3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。2
13、023/4/814/81冯冯诺依曼体系结构诺依曼体系结构早期的计算机结构(无总线)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模型机体系结构基于基于总线的的冯诺依曼架构依曼架构模型机模型机n总线子系子系统:作作为公共通道公共通道连接各接各子子部件,用于部件,用于实现各部件之各部件之间的的数据、信息等的数据、信息等的传输和交和交换nCPU子系子系统:集成了集成了运算器、控制器和寄存器的超大运算器、控制器和寄存器的超大规模集成模集成电路路芯片芯片(VLSI)n存存储器子系器子系统:用来存放当前的运行程序和数据用来存放当前的运行程序和数据n输入入输出子系出子系统:用于完
14、成用于完成计算机与外部的信息交算机与外部的信息交换2023/4/816/50模型机总线结构模型机总线结构按按传输信息的不同,可将信息的不同,可将总线分分为地址地址总线AB、控制、控制总线CB和数据和数据总线DB三三类:地址地址总线通常是通常是单向向的,由的,由主主设备(如如CPU)发出,用于出,用于选择读写写对象象(如某个特定的存如某个特定的存储单元或外部元或外部设备);数据数据总线用于数据交用于数据交换,通常是,通常是双向双向的;的;控制控制总线包括真正的包括真正的控制控制信号信号线(如如读/写信号写信号)和一些和一些状状态信信号号线(如是否已将数据送上如是否已将数据送上总线),用于,用于实
15、现对设备的的监视和和控制。控制。MPURAMROMI/O接口接口外设外设ABDBCB2023/4/817/50模型机内存储器模型机内存储器存存储器器组织由由许多多字字节单元元组成,每个成,每个单元都有一个唯一的元都有一个唯一的编号号(存存储单元元地址地址),保存的信息称,保存的信息称为存存储单元元内容内容。访问(读或写或写)存存储单元元:存存储单元地址元地址经地址地址译码后后产生相生相应的的选通信号,通信号,同同时在控制信号的作用下在控制信号的作用下读出存出存储单元内容到数据元内容到数据缓冲器,或将数据冲器,或将数据缓冲冲器中的内容写入器中的内容写入选定的定的单元。元。DBABCB算术逻辑单元
16、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 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模型机模型机CPU子系统子系统2023/4/819/50数据信息数据信息状态信息状态信息控制信息控制信息数字量数字量模拟量模拟量
17、开关量开关量连续几位二进制形式表示的数或字符。如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、显示器输出键盘输入的信息以及打印机、显示器输出的信息等的信息等时间上连续变化的量,如温度、压力、流时间上连续变化的量,如温度、压力、流量等量等只有两个状态的量,如阀门的合与断、电只有两个状态的量,如阀门的合与断、电路的开与关等路的开与关等CPUCPU与与I/OI/O设备设备之间的之间的接口信接口信息息反映外设当反映外设当前工作状态前工作状态的信息的信息READY信号:输入设备是否准信号:输入设备是否准备好备好BUSY信号:输出设备是否忙信号:输出设备是否忙CPU向外部向外部设备发送的设
18、备发送的控制命令信控制命令信息息读写控制信号读写控制信号时序控制信号时序控制信号中断信号中断信号片选信号片选信号其它操作信号其它操作信号数据、状态、控制信息都数据、状态、控制信息都是通过是通过CPUCPU的数据总线传的数据总线传送,存在送,存在I/OI/O接口的不同接口的不同端口中:数据、状态、控端口中:数据、状态、控制端口制端口模型机指令系统模型机指令系统 指令是指令是发送到送到CPU的命令,指示的命令,指示CPU执行一个特定的行一个特定的处理。理。CPU可以可以处理的全部指令集合称理的全部指令集合称为指令集指令集。指令集指令集结构(构(ISA)是体系)是体系结构的主要内容之一。构的主要内容
19、之一。ISA功能功能设计实际就是就是确定确定软硬件的功能分配硬件的功能分配。指令通常包含指令通常包含操作操作码和操作数和操作数两部分。操作两部分。操作码指明要完成操指明要完成操作的性作的性质,如加、减、乘、除、数据,如加、减、乘、除、数据传送、移位等;操作数送、移位等;操作数指明参加上述指明参加上述规定操作的数据或数据所存放的地址。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)例:例:MOV R0,#2二进制操作码助记二进制操作码
20、助记符:与动作一一对符:与动作一一对应应目目/源操作数:源操作数:l操作操作码:由由CPU设计人人员定定义,具有固定的写法和意,具有固定的写法和意义。l操作数:操作数:可由可由编程人程人员采用不同方式采用不同方式给出。出。;注释注释 指令举例指令举例ADD R0,R1,R2 ;R0 R1+R2 模型机工作原理模型机工作原理计算机的工作本算机的工作本质上就是上就是执行程序行程序的的过程。程。l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)和和执行指令行指令(execute)三个阶段。三个阶段。l非顺序执行非顺序执
21、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2023/4/823/812023/4/823/50计算机完成计算的过程分析计算机完成计算的过程分析1.目的:目的:计算算0 x10和和0 x20之和之和2.编写写汇编程序代程序代码,关关键代代码如下:如下:MOV A,#0 x10;A=0 x10,A为CPU内部的寄存器名内部的寄存器名
22、ADD A,#0 x20;A=A+0 x203.编译、链接后得到的可接后得到的可执行代行代码(二二进制位串制位串)4.运行运行(把保存在硬把保存在硬盘上的可上的可执行文件行文件调入内存,并把程序指令入内存,并把程序指令在内存的开始位置在内存的开始位置赋值给CPU中的中的PC寄存器寄存器)5.以后的以后的计算工作就交算工作就交给CPU(指令(指令驱动)B0H10H04H20H程序的执行过程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CBABDBALU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 操作控制器操作控制器OC指令译码器指令译码器ID指令寄
23、存器指令寄存器IR 操作码操作码,地址码地址码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程序计数程序计数器器PC地地址址译译码码读控制读控制B0H10H04H20H地址地址1001H1002H1003H内容内容1000H内存储器内存储器1CPU外外CPU内内汇编链接汇编链接后的可执后的可执行文件调行文件调入内存储入内存储器器,PC赋赋值值1000HMOV A,#0 x10ADD A,#0 x20汇编源代码l改进1.指令集 (指令功能、指令格式、寻址方式)2.存储器子系统 (4层结构)3.高速总线成为计算机系统的核心l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
24、展数据驱动、需求驱动、模式驱动等其它驱动方式;重点重点2023/4/826/81不同的指令集设计策略:不同的指令集设计策略:CISC与与RISCCISC(Complex Instruction Set Computer,复,复杂指令集指令集计算机)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,精简指令集指令集计算机)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。yyyy-M-27/86现代计算机:现代计算机:RISC+CISC2
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- 第2章 计算机系统的结构组成与工作原理 计算机系统 结构 组成 工作 原理
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