计算机组成原理第1章-计算机系统概论的课件

第1章计算机系统概论1§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、应用程序计算机系统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、外设等计算机硬件—计算机软件—2功能的实现方式—*计算机系统功能的实现方式：解题过程—解题结果③③运行*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①硬件具备数据的存储、传送及处理和过程控制功能②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)③执行软件实现应用的数据处理及过程控制功能用户输入设备输出设备处理设备存储设备目标程序(机器语言)源程序(高级语言)①②①编辑②编译3二、计算机系统的层次结构直接执行机器指令机器语言级机器M1用机器语言编程汇编语言级机器M3用汇编语言编程用汇编程序翻译成机器语言程序高级语言级机器M4用高级语言编程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使用操作系统命令用机器语言解释操作系统命令微程序级机器M0使用微指令系统用微程序解释机器指令直接执行微指令虚拟机器实际机器4三、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←┘数字电路级机器指令系统、数据表示、寻址方式,存储系统，I/O系统、信息保护等机器语言级机器M1微程序级机器M0硬件软件汇编语言级机器M3高级语言级机器M4操作系统级机器M2软硬件交界面*计算机组成：实现计算机系统结构时所体现的计算机属性指令功能逻辑实现、部件组成、控制机构、排队及缓冲技术等器件技术、组装技术等*计算机实现：实现计算机组成时所体现的计算机属性5*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举例系统结构计算机组成计算机实现乘法功能是否有乘法指令乘法器还是加法+移位器件、电路主存系统最大容量、编址方式速度保证、单体/多体MEM总线带宽信号线数、时钟、传输方式6§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；输入设备存储器运算器控制器输出设备注：数据信息指令信息控制信息状态信息*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7*指令组成：

由操作码及地址码组成；010

01000

10000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；操作码

地址码1地址码28*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。循环的指令执行过程物理顺序(指令地址)指令内容程序逻辑顺序A+0intnCount=0；⑴A+1intnSum=0；⑵A+2LP:nSum+=nCount；⑶⑹⑼A+3nCount++；⑷⑺⑽A+4if(nCount<4)gotoLP；⑸⑻⑾A+5COUT>>nSum；⑿取指令过程执行指令过程指令地址+“1”指令发生转移时下条指令地址由当前指令产生9二、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存储器输出设备输入设备结果程序数据控制器运算器直接存储器访问(DMA)技术缓冲器缓冲器缓冲技术810*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/价格主存(内存)辅存(外存)计算机硬件运算器控制器存储器输入设备输出设备CPU主机I/O设备(外设)I/O设备主存储器MM控制单元CUCPU算术逻辑单元ALU主机包含辅存(如DISK等)11*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CPU主存I/O接口1…MEM总线I/O设备1I/O接口nI/O设备n总线桥I/O接口I/O设备…I/O接口I/O设备I/O总线非标准格式标准格式按地址访问min{所连I/O设备速度}122、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/提供信息地址……存储阵列I/O电路地址译码器……数据命令*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………………01n-10

1

…

w-1…01…n-1……存储字长W存储字*组成：13*完成操作的过程：读操作—①接收地址及命令，内部操作；②输出数据…I/O电路地址译码器…………①0…01①Read地址译码器I/O电路②1#的存储字写操作—①接收地址及命令；②接收数据，内部操作14(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：寄存器组(堆)Func存储器ALU寄存器型运算器ACFunc存储器ALU累加器型运算器TEMP*(AC)+[Y]→AC的运算过程：(0)(AC)为被加数AC存储器ALUTEMPACFuncTEMP(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15(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：

①循环的指令执行过程(取指令及执行指令)；②下条指令地址由当前指令产生(按程序逻辑顺序)指令地址寄存器PC存储器指令内容寄存器IR指令译码器ID功能部件+“1”地址形成部件取指令取指阶段分析指令执行指令执行阶段指令产生转移时1016*控制器功能的实现方法：①循环产生指令执行过程不同时段的时标信号；②在不同时段产生当前指令执行所需的部件控制信号

*组成：指令寄存器IR…程序计数器PC指令译码器ID控制信号形成部件时序部件控制器…①②②17(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、中转等功能主存…系统总线主存控制器CPU用户交互接口键盘、鼠标等磁盘适配器磁盘通信接口串口等总线接口BIU18三、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实际机器软硬件交界面系统软件应用软件虚拟机器应用语言环境高级语言环境汇编语言环境操作系统环境应用语言程序高级语言程序汇编语言程序操作系统命令串192、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。*主要功能：

文件管理、作业管理、进程管理、存储管理、设备管理程序辅存进程调度与控制

程序执行请求进程面向软件的硬件管理*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CPU时间OS进程进程1进程2进程320四、计算机系统的工作过程指令类型指令格式操作码OP地址码ADDR取数001*****存数010*****加法011*****停机100无效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在MM中地址程序中指令注释OPADDR000100100AC←[x]101100101AC←(AC)＋[b]201000110[y]←(AC)3101*****停机4x原始数据x5b原始数据b6y结果数据y指令类型指令(操作)功能取数AC←[ADDR]存数ADDR←(AC)加法AC←(AC)＋[ADDR]停机程序执行结束212、计算机硬件的工作过程

思考：MAR/MDR对写MEM操作的影响？CPUI/O设备AddrDataCmd…控制信号形成部件时序部件ID+“1”I/O接口ACALUIRPC……存储阵列I/O电路地址译码器…系统总线…MARMDR主存储器与REGa、REGd等无关(0)REGa→MAR(1)MAR→ABus、Read→CBus(2)WaitMFC、结束时DBus→MDR(3)MDR→REGd1618REGa、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→REGd22(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主存储器MARMDR运算器ALUAC…控制信号形成时序部件PCIRID控制器+“1”……MARPC+“1”IRIDPCMARXMDRAC*加法指令的执行过程：以AC←(AC)+[Y]为例主存储器MARMDR运算器ALUAC…控制信号形成时序部件PCIRID控制器+“1”……PCIRIDMARMDRYALUAC1723(2)程序执行过程

*程序执行的实现方法：--控制器指挥与控制①取指—(PC)→[MM]→IR，(PC)+“1”→PC；

②分析—(IR)→ID→CU；

③执行—实现指令约定操作(指令转移时重写PC)；

④循环—若无中断执行的要求，转①17例—y=x+b的机器语言程序执行过程:

00000

00100100AC←[x]

00001

01100101AC←(AC)+[b]

00010

01000100[y]←(AC)

00011

101*****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2424⑴⑵⑶

；MAR＝PC＝00000，取指开始；PC←00001（下条地址）；IR＝00100100，取指完成；CU得知当前为取数指令PC→MAR、MAR→ABus、Read→CBusWaitMFC，(PC)＋1→PC MDR→IR ID对OP(IR)译码⑺⑻⑼

；MAR＝PC＝00001，取指开始；PC←00010（下条地址）；IR＝01100101，取指完成；CU得知当前为加法指令PC→MAR、MAR→ABus、Read→CBusWaitMFC，(PC)＋1→PC MDR→IR ID对OP(IR)译码⑷⑸⑹；MAR＝00100，执行开始

；AC＝MDR＝x，执行完成AD(IR)→MAR、MAR→ABus、Read→CbusWaitMFCMDR→AC⑽⑾⑿；MAR＝00101，执行开始

；AC＝x＋b，执行完成AD(IR)→MAR、MAR→ABus、Read→CBusWaitMFC(MDR)＋(AC)→AC25机器自动停机；执行停机指令完成212517⒀⒁⒂

；MAR＝PC＝00010，取指开始；PC←00011（下条地址）；IR＝01000110，取指完成；CU得知当前为存数指令PC→MAR、MAR→ABus、Read→CBusWaitMFC，(PC)＋1→PC MDR→IR ID对OP(IR)译码⒅⒆⒇

；MAR＝PC＝00011，取指开始；PC←00100（下条地址）；IR＝100*****，取指完成；CU得知当前为停机指令PC→MAR、MAR→ABus、Read→CBusWaitMFC，(PC)＋1→PC MDR→IR ID对OP(IR)译码；MAR＝00110，执行开始；MDR＝AC＝x＋b，执行完成AD(IR)→MAR、MAR→ABus、Write→CbusAC→MDR、MDR→DBus、WaitMFC⒃⒄263、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2127(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①创建PCB②拷贝程序②填充PCBCPUMEMDISK③导入硬件相关内容④按(PC)取并执行指令*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)2128§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29*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？30*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/O2、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优化：CPU转去执行其它程序→多任务计算机系统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31例1—某计算机主频为2GHz，指令系统只有Ⅰ类指令及Ⅱ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Ⅰ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Ⅱ类指令。求完成程序A的CPU时间。解：程序A包含的Ⅰ类指令数=(2MB×30%)/1B=0.6×220条，Ⅱ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Ⅰ类指令数=0.6×220+0.26×220×60%×29次，Ⅱ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)≈29ms3132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3233二、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342、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111335§1.4计算机系统发展历程一、计算机硬件的发展历史第一代第二代第三代第四代第五代年代1946~19571958~19641965~19711972~19901991~元器件电子管晶体管