计算机组成原理第1章 计算机系统概论 任国林版课件.ppt

1 计算机组成原理 东南大学计算机学院任国林Email renguolin 2 第1章计算机系统概论 3 1 1计算机系统简介 一 计算机系统的软硬件 电子计算机 数据存储 数据传送 数据处理 过程控制 计算机系统的组成 具有特定功能的信息 程序 如系统程序 应用程序 表示应用需求 是采用按位及跳动式计算 能够根据逻辑判断结果控制计算过程的电子式机器 计算机的功能 计算机的物理实体 如主机 外设等 4 功能的实现方式 计算机系统功能的实现方式 解题过程 计算机系统组成的特性 软件功能靠硬件实现 硬件性能靠软件反映 硬件具备数据的存储 传送及处理和过程控制功能 软件表示应用的数据处理及过程控制需求 程序 指令序列 硬件用不同指令表示不同功能 执行软件实现应用的数据处理及过程控制功能 5 二 计算机系统的层次结构 机器语言级机器M1 汇编语言级机器M3 用汇编程序翻译成机器语言程序 高级语言级机器M4 用编译程序翻译成汇编语言程序或机器语言程序 操作系统级机器M2 用机器语言解释操作系统命令 微程序级机器M0 用微程序解释机器指令 6 三 计算机结构与组成 计算机系统结构 机器语言程序员所看到的计算机属性概念性结构和功能特性 计算机组成 实现计算机系统结构时所体现的计算机属性 计算机实现 实现计算机组成时所体现的计算机属性 7 相互关系 计算机系统结构 确定软硬件功能分配及其界面特性 计算机组成 逻辑实现系统结构的内容 计算机实现 物理实现计算机组成的内容 8 1 2计算机系统基本组成 一 冯 诺依曼模型计算机 结构与组成 由运算器 存储器 控制器 输入及输出设备组成 以运算器为中心 数据表示与运算 指令及数据均用二进制方式表示 运算亦采用二进制方式 9 指令组成 由操作码及地址码组成 例 若加法运算的操作码用010表示 第01000号与第10000号两个存储单元内容相加的操作可表示为 表示操作的性质 表示操作数在存储器中的位置 存储程序原理 程序存储方式 指令及数据预先存放 以等同地位 在存储器中 存储器结构 由定长单元构成的一维空间 存储器按地址访问 10 存储程序原理 程序控制机制 按程序逻辑顺序 自动地 逐条地取出指令并执行 下条指令地址由当前指令产生 11 二 计算机硬件的基本组成 1 计算机硬件的结构现代计算机均在冯 诺依曼模型基础上进行改进 采用以存储器为中心的结构 使数据传送与数据处理并行 有利于提高系统性能 直接存储器访问 DMA 技术 缓冲技术 12 由多种存储器构成存储系统 解决速度 容量 价格间的矛盾 有利于提高性能 价格 包含辅存 如DISK等 13 采用总线互连形式 实现部件操作标准化 有利于提高系统的可扩展性 14 2 计算机部件的基本组成 1 存储器 功能 存储程序和数据 通过读 写操作接收 提供信息 术语 存储元件 存储元 可存储一个二进制位的元件 存储单元 可同时存储一串二进制位的元件 存储字 存储单元内存储的二进制编码 存储阵列 所有存储单元的集合存储单元地址 每个存储单元被赋予的惟一编号存储容量 存储阵列可存储的二进制位数 组成 15 完成操作的过程 读操作 接收地址及命令 内部操作 输出数据 地址译码器 I O电路 写操作 接收地址及命令 接收数据 内部操作 16 2 运算器 功能 实现算术运算及逻辑运算 并暂存运算结果 组成 AC Y AC的运算过程 0 AC 为被加数 AC TEMP 1 加数 Y TEMP 2 AC TEMP 3 ALU结果 AC 约定 X 表示寄存器X中内容 Y 表示存储单元Y中内容 17 3 控制器 功能 指挥及控制各部件协调地工作 以实现程序执行过程 程序执行过程 循环的指令执行过程 取指令及执行指令 下条指令地址由当前指令产生 按程序逻辑顺序 指令译码器ID 功能部件 1 地址形成部件 18 控制器功能的实现方法 循环产生指令执行过程不同时段的时标信号 在不同时段产生当前指令执行所需的部件控制信号 组成 19 4 输入 输出设备 功能 实现外部 内部信息的输入 输出及格式转换 种类 键盘 鼠标 显示器 打印机 磁盘等 连接 通过I O接口 又称适配器或控制器 与总线连接 I O接口实现信息传送时的缓冲 中转等功能 20 三 计算机软件的基本组成 1 计算机软件分类软件分为系统软件及应用软件两大类 语言处理程序数据库管理系统服务性程序网络管理程序操作系统 科学计算信息管理自动控制人工智能虚拟现实 21 2 操作系统 OperatingSystem OS OS是管理所有的硬件资源及软件环境的软件 进程的调度与控制 调度 在适当时候 按照一定算法确定即将运行的进程 如优先级 轮转 先来先服务 如时间片已满 有I O请求 进程结束控制 调度完成时 控制上行 下行进程的环境切换 22 四 计算机系统的工作过程 1 机器语言程序的形成 假设的计算机指令系统 y x b的机器语言程序 有编程和编译两个步骤 指令与数据等同存储 23 2 计算机硬件的工作过程 思考 MAR MDR对写MEM操作的影响 与REGa REGd等无关 0 REGa MAR 1 MAR ABus Read CBus 2 WaitMFC 结束时DBus MDR 3 MDR REGd REGa REGd被占用 总线 MAR MDR对访存操作过程的影响 以读MEM为例 1 REGa ABus Read CBus 2 WaitMFC 结束时DBus REGd 24 1 指令执行过程有取指令 分析指令 执行指令3个步骤 取数指令的执行过程 以AC X 为例 MDR MAR PC 1 IR ID PC MAR X MDR AC 加法指令的执行过程 以AC AC Y 为例 MAR MDR Y AC 25 2 程序执行过程 程序执行的实现方法 控制器指挥与控制 取指 PC MM IR PC 1 PC 分析 IR ID CU 执行 实现指令约定操作 指令转移时重写PC 循环 若无中断执行的要求 转 例 y x b的机器语言程序执行过程 0000000100100AC x 0000101100101AC AC b 0001001000100 y AC 00011101 停机 程序执行的初始条件 a 程序及数据已存放在主存储器MM中 b PC内容已经为即将执行的程序首条指令地址 26 27 28 3 程序的执行管理 1 程序的执行请求方式 方式2 支持多种请求方式 由OS进行程序的执行管理 方式1 从主存固定位置开始执行 应用 常用于计算机刚启动时的程序执行 如BIOS程序 要求 主存由RAM及ROM组成 执行请求方式 用户交互式请求 BOOT程序请求 OS的定时任务请求 执行请求管理 OS通过作业管理机构进行作业的登录 调度等管理 29 2 程序的执行准备 即作业登录 3 程序的执行管理 即进程管理 进程调度 在适当时候 按照一定算法选择即将运行的进程 进程控制 导入所选PCB的硬件相关内容 如程序首址 到CPU中 加载程序 硬件资源管理所需为进程申请主存 将程序文件内容拷贝到主存 并将相关信息 如程序首指令地址等 填到PCB中 创建进程 软件环境管理所需建立进程控制块PCB 含程序文件名 进程ID 进程状态等 PCB 进程执行 CPU自动按PC值取指令并执行 为进程的指令 30 1 3计算机系统的性能指标 一 计算机系统的性能指标 系统性能 指在计算机硬件上运行的计算机软件的性能 1 硬件性能参数 机器字长 指CPU一次能处理的二进制位数 指ALU一次能处理的n位CPU 指机器字长为n个二进制位的CPU 例如 Core2CPU为64位CPU 对系统性能的影响 机器字长越长 数据处理性能越好 应用数据长度 机器字长时 需分次运算 对其它硬件的影响 直接影响ALU REG长度 间接影响存储字长 数据总线位数 31 机器主频 指CPU内部主时钟脉冲的频率 常用f表示 主频单位 1GHz 1 103MHz 1 106KHz 1 109Hz 存储容量 指存储器可存储二进制信息的总位数 主存容量 容量S 存储单元个数 存储字长 辅存容量 容量S 存储块个数 存储块长度 最大主存容量 CPU能够访问的主存最大容量 它决定了CPU的地址和数据引脚数量数据线位数 通常 机器字长或存储字长 地址线位数 log2 最大主存容量 数据线位数 时钟周期 CPU内部基本操作的时长 常用TC表示 f与TC关系 倒数关系 即f 1 TC 容量单位 1GB 1 210MB 1 220KB 1 230B 8 230bit 思考 为何不用存储字长或机器字长为单位 32 响应时间 指一个任务从任务输入到结果输出的总时间 即T响应 TCPU TI O等待 TCPU T运算 TMEM TI O 2 系统性能指标时间是唯一标准 主要有响应时间和吞吐量两个指标 特点 反映了单任务计算机系统的软硬件总体性能 CPU时间 TCPU IN CPI TC n为指令系统的指令种类数 CPIi为第i种指令所需时钟周期数 IN为程序执行的总指令数 程序包含的指令数 但有关联 Ii为第i种指令的执行次数 CPI为每条指令平均所需时钟周期数 TC为时钟周期 是机器主频的倒数 TCPU与程序算法 编译程序 指令系统 CPIi及TC均相关 33 例1 某计算机主频为2GHz 指令系统只有 类指令及 类指令 指令长度分别为1B及2B 指令执行时间分别为5个及8个时钟周期 程序A的大小为2MB 其中30 空间为 类指令 程序A执行时 所有指令中共有20 的指令需重复执行30次 在这些重复执行的指令中 有40 为 类指令 求完成程序A的CPU时间 解 程序A包含的 类指令数 2MB 30 1B 0 6 220条 类指令数 2MB 70 2B 0 7 220条 重复执行的指令数 0 6 220 0 7 220 20 0 26 220条 执行的 类指令数 0 6 220 0 26 220 60 29次 类指令数 0 7 220 0 26 220 40 29次 TCPU 5 124 220 5 TC 3 716 220 8 TC 25 62 29 728 220 TC 55 348 220 2 109 29ms 34 特点 反映了多任务计算机系统的软硬件总体性能 MIPS 每秒百万次指令 缺点 不能反映指令系统功能强弱 可用相对MIPS法 表示 因工作量无统一定义 通常用MIPS及MFLOPS代替 吞吐量 又称吞吐率 指单位时间内能处理的工作量 即吞吐量 n个任务的总工作量 n个任务的总时间 MFLOPS 每秒百万次浮点运算 缺点 只反映了浮点操作能力 不能反映系统整体性能 其他 RAS 可靠性 可用性 可维护 兼容性等 35 二 性能设计 1 冯 诺依曼模型计算机的性能瓶颈 CPU MEM瓶颈 CPU与MEM的速度差距越来越大CPU速度 4 5倍 3年 得益于VLSI技术 器件技术 MEM速度 1 2倍 3年 受限于容量 速度 成本的矛盾 解决方案 需从结构与技术方面解决两者速度匹配问题 指令串行执行瓶颈 指令逐条执行导致性能受限解决方案1 快速串行处理 性能受器件技术的限制 改进效果不佳 解决方案2 并行处理 性能受串行程序指令间相关的限制 需从结构与技术方面解决指令间相关问题 36 2 性能平衡设计重点解决CPU MEM瓶颈 减少访存延迟 或提高访存效率 增设Cache 减少访存延迟 减少访问主存频率 增加总线数据宽度 提高访存效率 以减少访存次数 采用多级总线 主存连接在最快速总线上 减少访存延迟 3 CPU性能设计重点解决指令串行执行瓶颈 提高并行性 或减少并行性能的损失 开发并行技术 操作级流水 操作级并行 指令级并行 流水线 SSE 超标量流水 采用数据流技术 按序执行 乱序执行 程序顺序 指令就绪顺序 使用转移预测技术 按预测方向先执行 猜错时再回头执行 37 1 4计算机系统发展历程 一 计算机硬件的发展历史 1 计算机的产生与发展 发展趋势 向大型机 微型机两个方向发展 研究重点 器件技术 并行化结构 38 2 微型计算机的产生与发展 微处理器发展趋势 提高复杂度 增加功能 开发指令级 线程级 内核级并行性 集成存储器 发展嵌入式处理器 39 二 计算机软件的发展历史 1 计算机语言的发展机器语言 汇编语言 高级语言 应用语言 高级语言例 FORTRAN PASCAL C C Java 2 系统软件的发展 语言处理程序 汇编程序 编译程序 解释程序 操作系统 DOS UNIX Windows 多道程序 分时 实时 网络 分布式 面向对象 服务性程序 装配 调试 诊断 排错 数据库 数据库 网状 层次 关系型 数据库管理软件 网络 协议 NetNIOS TCP IP等 及实现库 40 三 计算机系统分类 1 按规模及功能分类超级计算机 科学计算等 大型计算机 多用户使用等 小型计算机 办公应用等 工作站 图形处理及分布式计算等 微型计算机 应用广泛 单片机 嵌入式系统 工业控制等 41 2 按信息处理特征分类 Flynn分类法有SISD SIMD MISD MIMD四种 SISD计算机是本课程的讨论重点 第1章作业 P22的4 6 7 9 42 一 课程目标 1 结构与原理掌握建立计算机系统的整机概念 掌握计算机各部件的组成原理与技术 了解计算机系统组成与结构的新技术 2 分析与计算能力掌握对组成与结构进行性能分析的方法 通过量化计算 加深对组成原理的理解与掌握 3 应用与设计能力通过实验 培养逻辑设计及理论指导实践的能