2020微机原理及接口技术-CHppt课件

1、第第1章章 概述概述机械式计算机的发展机械式计算机的发展岩石上的刻痕、算盘、机械计岩石上的刻痕、算盘、机械计算器、通用图灵机算器、通用图灵机电子技术和半导体技术的诞生电子技术和半导体技术的诞生电子管电子管(vacuum tube)时代时代晶体管晶体管(transistor)时代时代第一个晶体管的诞生第一个晶体管的诞生第一代电子管计算机第一代电子管计算机ENIAC集成电路的诞生集成电路的诞生 第一块第一块IC诞生之后，诞生之后，基尔比在基尔比在IRE(美国无美国无线电工程师线电工程师学会学会)的一次的一次会议上宣布会议上宣布了了“固体电固体电路路”(Solid circuit)的出的出现，这就是

2、现，这就是以后的以后的“集集成电路的成电路的代名词代名词 。ENIAC (1946)掌上电脑掌上电脑笔记本电脑笔记本电脑PC机机1972年8位CPU8008，后升级为8080。 1971年4位微处理器 1993年32位微处理器 2019年双核微处理器 1978年16位微处理器 1982年16位微处理器 1985年32位微处理器 ?1946年第一台数字电子计算机 2019年四核微处理器 Gordon Moore：Intel的创始人之一的创始人之一摩尔定律：摩尔定律：集成电路芯片上所集成的电路的数目，集成电路芯片上所集成的电路的数目，每隔每隔18个月就翻一番，而性能提高一倍。个月就翻一番，而性能提

3、高一倍。英特尔英特尔(Intel)名誉董事长名誉董事长戈登戈登摩尔摩尔Gordon Moore） Gordon Moore 1965的预言已经的预言已经40多年了，多年了，这条这条IT第一定律还能走第一定律还能走多远？多远？英特尔英特尔CEO克雷格克雷格贝瑞特贝瑞特计算机发展的主要阶段计算机发展的主要阶段一一第零代第零代1642164219451945年机械计算器和继电器计算器年机械计算器和继电器计算器二二第一代第一代1946194619551955年电子管计算机年电子管计算机三三 以电子管为逻辑部件，以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储手以电子管为逻辑部件，以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储手段。

4、软件采用机器语言，后期采用汇编语言。段。软件采用机器语言，后期采用汇编语言。四四第二代第二代1955195519651965年晶体管计算机年晶体管计算机五五 以晶体管为逻辑部件，内存用磁芯，外存用磁盘。软件广泛采以晶体管为逻辑部件，内存用磁芯，外存用磁盘。软件广泛采用高级语言，并出现了早期的操作系统。用高级语言，并出现了早期的操作系统。六六第三代第三代1965196519801980年集成电路计算机年集成电路计算机七七 以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，外存以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半导体，外存用磁盘。软件广泛使用用磁盘。软件广泛使用OSOS，产生了分时、实时等

5、操作系统和计算机网络，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络八八第四代第四代19801980年至今个人计算机年至今个人计算机九九 以以LSILSI、VLSIVLSI为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在软件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。器。在软件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。网络操作系统、数据库管理系统得到广泛应用。微处理器和微型计算机网络操作系统、数据库管理系统得到广泛应用。微处理器和微型计算机也在这一阶段诞生并获得飞速发展。也在这一阶段诞生并获得飞速发展。一一第五代第五代 无所不在的计算机无

6、所不在的计算机一一一一 生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、超导计算生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、超导计算机、机、计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构（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（a图自下而上反映了系统逐级生成的过程，自上下而反映了系统求解图自下而上反映了系统逐级生成的过程，自上下而反映了系统求解问题的过程；问题的过程；软硬件的逻辑等价性可以表现为：硬件软化如软硬件的逻辑等价性可以表现为：硬件软化如RISC思想）、软件硬化思想）、软件硬化如如CISC思想）、固件化如微程序）思想）、固件化如微程序）

7、；（b图中的虚拟机：与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器图中的虚拟机：与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器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）体系结

8、构体系结构(Architecture)(Architecture)：程序员关心的计算机概念结构：程序员关心的计算机概念结构与功能特性。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；计算机组织计算机组织(Organization)(Organization)：从硬件角度关注物理机器的：从硬件角度关注物理机器的逻辑实现，是计算机体系结构的逻辑实现，包括机器内部逻辑实现，是计算机体系结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。如：乘法指令由专用乘法器设计乘法逻辑还是用加法如：乘法指令由专用乘法器设计乘法逻辑还是

9、用加法器加法逻辑实现乘法；（如器加法逻辑实现乘法；（如3 32 2）计算机实现：计算机体系结构的物理实现，即底层的器件计算机实现：计算机体系结构的物理实现，即底层的器件技术和微组装技术技术和微组装技术 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；计算机体系结构、组成及实现计算机体系结构、组成及实现 相关概念说明相关概念说明 “计算机体系结构” （computer architecture一词的含义有多种说法,并无统一的定义。它是 Amdahl （阿姆达尔等人在 1964 年提出的。他们把体系结构定义为由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构

10、和功能特性。这实际上是计算机系统的外特性。 按照计算机层次结构，不同程序设计者所看到的计算机有不同的属性。使用高级语言的程序员所看到的计算机属性主要是软件子系统和固件子系统的属性，包括程序语言以及操作系统、数据库管理系统、网络软件等用户界面。相关概念说明相关概念说明 这些属性如：机器的数据表示，即机器硬件能直接识别和处理的数据类型。寄存器组，包括各种寄存器的定义、数量和使用方式等。指令系统，包括机器提供的各种指令集及寻址方式等。数据通路，机器不同部件进行数据传输的通路。中断系统，包括中断的类型和中断的处理方法等。存储系统，主存容量，程序员可用的最大存储空间和存储保护等。输入输出，输入输出的连接

11、方式、输入输出的传输控制方式等。 这些属性是计算机系统中由硬件或固件完成的功能，机器语言程序员在了解了这些属性后才能设计出正确的计算机系统。相关概念说明相关概念说明 透明(transparency)：在计算机技术中，一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，称为透明性现象。通常，在一个计算机系统中，低层机器级的概念性结构和功能特性，对高级语言程序员来说是透明的。由此看出，在层次结构各个级上都有相应的系统结构。 要求要求 牢固掌握计算机体系结构、计算机组牢固掌握计算机体系结构、计算机组织结构、计算机实现三者之间的关系！织结构、计算机实现三者之间的关系！计算机体系结构角度的多层结构计算

12、机体系结构角度的多层结构从概念从概念性结构性结构和功能和功能特性上特性上进行层进行层次结构次结构分析分析 计算机组织角度的多层结构计算机组织角度的多层结构 系统设计层系统设计层 逻辑设计层逻辑设计层 指令系统层指令系统层从逻从逻辑实辑实现上现上进行进行层次层次结构结构分析分析计算机组织的描述模型计算机组织的描述模型 用用PMS描述逻辑结构：描述逻辑结构： P处理器、处理器、M存储器、存储器、S开关开关 用用RTL(Register Transfer Level)描述描述逻辑结构：逻辑结构： 系统设计的一个特定级别，用系统设计的一个特定级别，用RTL语语言描述控制过程寄存器一级的描述）言描述控制

13、过程寄存器一级的描述） 一个中央处理器一个中央处理器(CPU)的的RTL模型模型 指令执行过程-RTL模型 计算机体系结构的演进：并行处理技术计算机体系结构的演进：并行处理技术一一冯冯诺伊曼结构诺伊曼结构P5P5、P28P28）二二 串行性：指令执行串行、存储器读写串行串行性：指令执行串行、存储器读写串行三三哈佛结构哈佛结构P7P7）四四 引入并行性：数据存储器与程序存储器可并行读取引入并行性：数据存储器与程序存储器可并行读取五五流水线结构流水线结构P14P14） 并行处理技术实现多个处理器或处理器模块的并行性，其基本并行处理技术实现多个处理器或处理器模块的并行性，其基本思想包括时间重叠思想包

14、括时间重叠time interleaving）、资源重复）、资源重复resource replicaiton和资源共享和资源共享resource sharing）。）。冯冯诺依曼结构诺依曼结构 2022-2-102022-2-102424输输入入设设备备控制器控制器输输出出设设备备 CPU 存储器存储器运算器运算器ALU冯诺依曼计算机的结构与工作原理：冯诺依曼计算机的结构与工作原理：“存储程序存储程序” + “程序控制程序控制”工作原理：工作原理： 先将程序存入存储器中，再由控先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行制器自动读取并执行输输出出设设备备主要特点主要特点 1、计算机硬件由运算

15、器、控制器、存储器、计算机硬件由运算器、控制器、存储器、 输入设备和输出设备五大基本部件输入设备和输出设备五大基本部件 组成。组成。2、计算机内部的指令和数据均采用二进制表示。、计算机内部的指令和数据均采用二进制表示。3、基本工作原理：程序存储和程序控制原理。、基本工作原理：程序存储和程序控制原理。 程序指令被预先放置在存储器中，计算机工作时控制程序指令被预先放置在存储器中，计算机工作时控制器自动从存储器中依次取出程序指令并执行。器自动从存储器中依次取出程序指令并执行。基于冯氏结构产品基于冯氏结构产品 缺点：速度上的瓶颈缺点：速度上的瓶颈等等等等哈佛结构哈佛结构 哈佛结构哈佛结构 冯氏结构冯氏

16、结构 关键区别：关键区别： 程序空间和数据空间是否分开注意：不是物理存储器是程序空间和数据空间是否分开注意：不是物理存储器是否分开）否分开） 指令的顺序执行和流水线执行指令的顺序执行和流水线执行 2022-2-102022-2-102828存储器结构存储器结构 存储器是计算机的核心部件之一。如何以存储器是计算机的核心部件之一。如何以合理的价格搭建出容量和速度都满足要求的存合理的价格搭建出容量和速度都满足要求的存储系统，始终是计算机体系结构设计中的关键储系统，始终是计算机体系结构设计中的关键问题之一。问题之一。 现代计算机系统通常把不同容量、不同速现代计算机系统通常把不同容量、不同速度的存储设备

17、按一定的体系结构组织起来，以度的存储设备按一定的体系结构组织起来，以解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾。解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾。存储器分层结构存储器分层结构设计目标设计目标整个存储系统速度接近整个存储系统速度接近M1M1而价格和容而价格和容量接近量接近MnMn二二. . 操作策略操作策略映像规则：用于确定一个新的块页映像规则：用于确定一个新的块页被调入本级存储器时应放在什么位被调入本级存储器时应放在什么位置上。置上。查找规则：用于确定需要的块页查找规则：用于确定需要的块页是否存在本级存储器中以及如何查找是否存在本级存储器中以及如何查找。替换规则：用于确定本级存储器不命替换规

18、则：用于确定本级存储器不命中且已满时应替换哪一块页）。中且已满时应替换哪一块页）。写规则：用于确定写数据时应进行的写规则：用于确定写数据时应进行的操作。操作。不同的不同的CPU设计策略：设计策略：CISC与与RISC一一.CISCComplex Instruction Set Computer， 复杂指令集计算机）复杂指令集计算机） 不断增强原有指令的功能以及设置更为复杂的新指令不断增强原有指令的功能以及设置更为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取代原先由程序段完成的功能，从而实现软件功能的硬化。二二.RISCReduced Instruction Set Comp

19、uter， 精简指令集计算机）精简指令集计算机） 通过减少指令种类和简化指令功能来降低硬件设计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复杂度，从而提高指令的执行速度CISC：如：如Intel CPU、RISC如如ARM处理器处理器CISC的缺陷的缺陷美国加州大学美国加州大学BerkeleyBerkeley分校的研究结果表明：分校的研究结果表明： 许多复杂指令很少被使用，许多复杂指令很少被使用，“2-8“2-8原则原则”控制器硬件复杂指令多，且具有不定长格式控制器硬件复杂指令多，且具有不定长格式和复杂的数据类型），占用了大量芯片面积，和复杂的数据类型），占用了大

20、量芯片面积，且容易出错，且容易出错，VLSIVLSI设计困难。设计困难。指令操作繁杂，执行速度慢。指令操作繁杂，执行速度慢。指令规整性不好，不利用优化编译。指令规整性不好，不利用优化编译。RISC的设计思想及特点的设计思想及特点 RISC RISC机的设计应当遵循以下五个原则。机的设计应当遵循以下五个原则。 指令条数应当少，格式简单，易于译码；指令条数应当少，格式简单，易于译码； 提供足够的寄存器，只允许提供足够的寄存器，只允许loadload和和storestore指令访问指令访问内存；内存； 指令由硬件直接执行，在单个周期内完成；指令由硬件直接执行，在单个周期内完成； 充分利用流水线；充分

21、利用流水线； 强调优化编译器的作用；强调优化编译器的作用； CISC PK RISKCISC： 优点：指令越多功能越强，强调代码效率，容易和高级语优点：指令越多功能越强，强调代码效率，容易和高级语言接轨。可直接实现处理器和存储器之间的数据转移。言接轨。可直接实现处理器和存储器之间的数据转移。 缺点：指令集以及芯片的设计比上一代产品更复杂，不同缺点：指令集以及芯片的设计比上一代产品更复杂，不同的指令，需要不同的时钟周期来完成，执行较慢的指令，的指令，需要不同的时钟周期来完成，执行较慢的指令，将影响整台机器的执行效率。将影响整台机器的执行效率。RISC： 优点：指令少容易记忆，尽量将操作码和操作数

22、用优点：指令少容易记忆，尽量将操作码和操作数用1个个16位位数或数或32位数表示，指令整齐。位数表示，指令整齐。CPU时钟频率可以做得很高时钟频率可以做得很高，指令执行速度快。，指令执行速度快。 缺点：同样功能的程序，产生的代码量比较大，必须合理缺点：同样功能的程序，产生的代码量比较大，必须合理地选择编译器。地选择编译器。计算机系统的性能测定 计算机系统的性能由硬件性能和程序特性决计算机系统的性能由硬件性能和程序特性决定，通常可利用标准测试程序来测定性能。定，通常可利用标准测试程序来测定性能。用用MIPS (Million Instructions Per Second,MIPS (Milli

23、on Instructions Per Second,每每秒百万条指令秒百万条指令) )或或MFLOPS(MFLOPS(每秒百万次浮点操每秒百万次浮点操作作) )的数值来衡量计算机系统的硬件速度。的数值来衡量计算机系统的硬件速度。用用 CPU CPU执行时间执行时间T T来量化硬软件结合系统的有效来量化硬软件结合系统的有效速度。速度。MIPS = f(MHz)/CPI MIPS = f(MHz)/CPI T(s) = (IC T(s) = (IC CPI)/f(Hz) CPI)/f(Hz) f f时钟频率）：时钟频率）： CPU CPU在单位时间内发出的脉冲在单位时间内发出的脉冲数数ICIC指

24、令数目）：运行程序的指令总数指令数目）：运行程序的指令总数CPICPICycles Per InstructionCycles Per Instruction）：指令执行的）：指令执行的平均周期数，可从运行大量测试程序或实际平均周期数，可从运行大量测试程序或实际程序产生的统计数据中计算出来程序产生的统计数据中计算出来计算机系统性能量度值计算假设一台计算机的时钟频率是假设一台计算机的时钟频率是100 MHz(100 MHz(每秒百万周期每秒百万周期) )，具有，具有4 4种种类型的指令，它们的使用率和类型的指令，它们的使用率和CPICPI分别如下表所示。求该计算机分别如下表所示。求该计算机的的MIPSMIPS值以及运行一个具有值以及运行一个具有107107条指令的程序所需的条指令的程序所需的CPUCPU时间。时间。76CPI0.420.340.082.50.2230.81.20.20.062.86M IPS100 / 2.86351