北航计算机组成原理讲义

1、计算机结构计算机结构(Architecture)(Architecture)的概念演变的概念演变vWhat is Computer Architecture ?Computer Architecture = Instruction Set Architecture (ISA) + Machine OrganizationArchitectureArchitecturevISA: 指从编程者角度看到的计算机所具备的概念结指从编程者角度看到的计算机所具备的概念结构和逻辑功能。区别与计算机的物理实现和物理结构和逻辑功能。区别与计算机的物理实现和物理结构。构。可编程存储器的结构可编程存储器的结构指令系

2、统，指令格式，寻址方式指令系统，指令格式，寻址方式数据类型，编码数据类型，编码vOrganization：物理实现与物理结构物理实现与物理结构主要功能单元机器性能特征：主要功能单元机器性能特征：ALU，Regs，Shifter，Logical Units部件之间的内部连接部件之间的内部连接信息流（数据流和指令流）及其控制信息流（数据流和指令流）及其控制ISA的实现的实现寄存器传输层（寄存器传输层（RTL）的硬件描述的硬件描述计算机组成（计算机组成（1 1）v从从1946年开始，所有的计算机都包含如下几个部分年开始，所有的计算机都包含如下几个部分ControlDatapathUnitsMemor

3、yCPUInputOutput计算机组成（计算机组成（1 1）v运算器运算器完成最基本的算术逻辑运算完成最基本的算术逻辑运算ALU(Arithmetic and Logic Unit） Registers DataPath v控制器控制器提供各部件工作所需的控制信号，控制计算机其他部件协同工作提供各部件工作所需的控制信号，控制计算机其他部件协同工作指令部件指令部件（Instruction Register ，Instruction Decoder）指令顺序控制（指令顺序控制（Program Counter）时序逻辑部件时序逻辑部件（Clock，Timer ，Sequencing Logic）控

4、制信号生成部件（控制信号生成部件（Control Signal Generator or Control Memory） v运算器控制器运算器控制器CPU（Central Process Unit）计算机组成（计算机组成（2 2）v存储器存储器保存程序和数据保存程序和数据存储单元存储单元（bit, Byte, Word)地址的概念地址的概念（每一个字节单元一个唯一的地址）每一个字节单元一个唯一的地址） 存储器的工作方式：读、写存储器的工作方式：读、写 组成：存储体地址缓冲部件数据缓冲部件读写控制部件组成：存储体地址缓冲部件数据缓冲部件读写控制部件存储器的层次：存储器的层次：Cache RAM

5、Disk Tapev输入输出输入输出实现计算机内部与外界（其他系统或人类）的信息交换实现计算机内部与外界（其他系统或人类）的信息交换接口标准与接口部件接口标准与接口部件外部设备：输入设备、输出设备外部设备：输入设备、输出设备计算机内部各部件之间的连接：计算机结构计算机内部各部件之间的连接：计算机结构v总线结构总线结构总线：符合一定的标准的一组公共数据通道总线：符合一定的标准的一组公共数据通道构成：地址总线、数据总线、控制总线构成：地址总线、数据总线、控制总线单总线结构单总线结构多总线结构多总线结构v标准总线标准总线ISA-Industry Standard Architecture（工业标准结

6、构）工业标准结构） EISA-Extended ISA（扩展工业标准结构）扩展工业标准结构） PCI-Peripheral Connection Interface (周边元件扩充接口周边元件扩充接口) SCSI-Small Computer System Interface(小型计算机系统接口小型计算机系统接口)单总线结构单总线结构Examples Examples IAS IAS （直接连接）（直接连接）&19461946年，冯年，冯诺依曼与同事开始研制诺依曼与同事开始研制 IAS,IAS,虽直到虽直到19521952年仍未完成，但该机结构被公认为随后发展年仍未完成，但该机结构被公认为随后

7、发展起来的通用计算机的原型。起来的通用计算机的原型。Examples Examples PC PC （单总线结构）（单总线结构）&普通PC（PC/XT）的内部结构Examples Examples PC PC （多总线结构）（多总线结构）&普通PC（Pentium）的内部结构MainmemoryLANIDESCSIPentium CPU32/64 CPULocal BusLocal Bus toPCI Bus bridgePCI BusAdapterPCI to ISAbridgePCI SlotsISA BusISA SlotsISAadapterCacheExamples Examples

8、 SPARCstation20 SPARCstation20（多总线结构）（多总线结构）& Sun SPARCstation20（RISC）Floating-point UnitInteger UnitInstCacheRefMMUDataCacheStoreBufferBus InterfaceSuperSPARCL2 CacheMBus ModuleMBusL64852MBus controlM-S AdapterSBusDRAM ControllerSBusDMASCSIEthernetSTDIOserialkbdmouseaudioRTCFloppySBusCardsv机器指令：机器指

9、令：计算机硬件可以执行的表示一种基本操作的计算机硬件可以执行的表示一种基本操作的二进制代码。二进制代码。指令格式：操作码指令格式：操作码 操作数（操作数地址）操作数（操作数地址）操作码：指明指令的操作性质操作码：指明指令的操作性质操作数（地址）：指令操作数的位置（或操作数本身）操作数（地址）：指令操作数的位置（或操作数本身）计算机的工作原理计算机的工作原理v程序：在此特指一段机器指令序列程序：在此特指一段机器指令序列。完成一定的功能，采用某种算法，具备一定的流程；完成一定的功能，采用某种算法，具备一定的流程；计算机按照程序所规定的流程和指令顺序，一条一条地执行指令，达到计算机按照程序所规定的流

10、程和指令顺序，一条一条地执行指令，达到完成程序所规定的功能的目的。完成程序所规定的功能的目的。计算机采用程序计算器（计算机采用程序计算器（Program CounterProgram Counter）来决定指令执行的顺序。来决定指令执行的顺序。操作码操作数地址11010101 10000100 01010001 10100000Example Example Y=ax2+bx-c 假定a,b,c,x均为已知数，且存放在内存中，求y。地址结果y将存放在此值a值b值c值x内存00H02H04H06H08H0AH0CH0EH10H12H14H16H18H假定指令系统：16位指令系统OpcodeAdd

11、ress88操作码说明00HAC (AC)Mem(Add)01HAC Mem(Add)02HAC (AC) Mem(Add)指令ADDLDSUB03HAC (AC)Mem(Add)MUL04HMem(Add) (AC)STExample Example Y=ax2+bx-c 假定a,b,c,x均为已知数，且存放在内存中，求y。地址结果y将存放在此值a值b值c值x内存00H02H04H06H08H0AH0CH0EH10H12H14H16H18H操作码说明00HAC (AC)Mem(Add)01HAC Mem(Add)02HAC (AC) Mem(Add)指令ADDLDSUB03HAC (AC)M

12、em(Add)MUL04HMem(Add) (AC)ST 程序如下代码0112HAC a0318HAC ax0014HAC ax + b指令LD aMUL xADD b0318HAC ax2+bxMUL x0216HAC ax2 + bx - cSUB c0410HMem (AC)ST yExample Example 地址0112H0318H0014H0318H0216H0410H结果y值a值b值c值x内存00H02H04H06H08H0AH0CH0EH10H12H14H16H18H 程序如下代码0112HAC a0318HAC ax0014HAC ax + b指令LD aMUL xADD

13、b0318HAC ax2+bxMUL x0216HAC ax2 + bx - cSUB c0410HMem (AC)ST y00H开始PC02HPC04HPC06HPC08HPC0AHPC指令的执行过程：微操作指令的执行过程：微操作v 微操作：计算机可以完成的最基本的操作，一条机器指令的执行微操作：计算机可以完成的最基本的操作，一条机器指令的执行可以解释为一系列的微操作的执行可以解释为一系列的微操作的执行操作性质：对数据进行某种处理操作性质：对数据进行某种处理操作对象操作对象操作的时间与条件操作的时间与条件BAANDQQDDQQAB微操作ABALUANDBQDQACQDQAC + BACADD

14、 Ctrl微操作AC + B AC指令的执行过程指令的执行过程ALUABGRAC微操作信号发生器IDIRPCMBR存储器MAR微操作控制信号总线AC： 累加器ALU：算术逻辑运算单元A,B：缓冲器GR： 通用寄存器IR： 指令寄存器ID： 指令译码器PC： 程序计数器MAR：地址寄存器MBR：数据寄存器机器结构简化图指令的执行过程指令的执行过程ALUABGRAC微操作信号发生器IDIRPCMBR存储器MAR微操作控制信号总线AC： 累加器ALU：算术逻辑运算单元A,B：缓冲器GR： 通用寄存器IR： 指令寄存器ID： 指令译码器PC： 程序计数器MAR：地址寄存器MBR：数据寄存器Instru

15、ctionFetchInstructionDecodeOperandFetchExecuteResultStoreNextInstruction根据PC内容从存储器取指令送IR指令译码器译码（解释指令），形成微操作控制信号在控制信号的作用下取操作数送运算器运算器执行指令功能保存指令结果形成下条指令的地址并送PC计算机的时序控制方式计算机的时序控制方式v 指令微操作序列指令微操作序列 从微操作本身所执行的功能来看，不同的微操作执行时间应该不同。从微操作本身所执行的功能来看，不同的微操作执行时间应该不同。 对微操作的定时方式成为不同时序控制方式的主要差别对微操作的定时方式成为不同时序控制方式的主要

16、差别v 时序控制方式时序控制方式 异步控制方式：不同的微操作具有不同的定时异步控制方式：不同的微操作具有不同的定时定时精确，性能指标高定时精确，性能指标高结构复杂，时间与空间的矛盾结构复杂，时间与空间的矛盾 同步控制方式：所有的微操作安排同样的执行时间同步控制方式：所有的微操作安排同样的执行时间统一定时，结构简单统一定时，结构简单最复杂的微操作成为标准，存在时间浪费的现象，性能受到影响最复杂的微操作成为标准，存在时间浪费的现象，性能受到影响机器主频（主时钟周期）：微操作周期机器主频（主时钟周期）：微操作周期同步控制方式的时序系统同步控制方式的时序系统v 时序概念与时序信号时序概念与时序信号 指

17、令周期：指令执行的时间，包括取指令、分析指令、执行指令所需指令周期：指令执行的时间，包括取指令、分析指令、执行指令所需的时间。的时间。 机器周期：指令周期按功能分成几个不同的阶段，每个阶段所需的时机器周期：指令周期按功能分成几个不同的阶段，每个阶段所需的时间，称为一个机器周期。比如取指周期，取数周期等。间，称为一个机器周期。比如取指周期，取数周期等。 节拍周期：也是时钟周期，微操作执行的时间。节拍周期：也是时钟周期，微操作执行的时间。 时钟脉冲信号：计算机系统的基本定时信号，是其他时序信号的基准时钟脉冲信号：计算机系统的基本定时信号，是其他时序信号的基准 一个指令周期一个指令周期 N N 个机器周期个机器周期 一个机器周期一个机器周期 N N 个节拍周期个节拍周期主时钟发