计算机组织与结构章

1、计算机系统的组*计算机系统组成计算机硬件—1、计算机系统的组*计算机系统组成计算机硬件—计算机的物理实体如主机、外设计算机系计算机软件—具有特殊功能的程序(信息处理需求如系统程序、应用系统组成部分的作用源(高①编辑—执行编辑程②编译—执行编译程③运行—执行目标程①语言)程目标(机语言)程②③解题结*计算机系统组成特性①软件以硬件为依托(即软件功能靠硬件实现②系统性能为运行在硬件上的软件的性能4输入设输出设存储设处理设2、计算机系统的层次结(1)早期计算机系统的层次结2、计算机系统的层次结(1)早期计算机系统的层次结编辑、执行机器语言程序(应用机器语言级机器硬件直接执行(实现电子线路级机器实机(2)中期计算机系统的层次结编执编执高级语言级机器硬件直接执电子线路级机器高级语言级机器机器语言解硬件直接执电子线路级机器虚机虚机编执实机实机5(3)现代计算机系统的层次结编(3)现代计算机系统的层次结编执高级语言级机器操作系统级机器虚机操作系统翻译或解软硬件交界机器语言级机器硬件直接执电子线路级机器实机△本课程主要讨论传统级及微程序级机器的组成原理6二、计算机硬件的基本组1、冯·诺依曼模二、计算机硬件的基本组1、冯·诺依曼模型计算*结构与组成：由5大部件组成，以运算器为中心存储注数据信控制信反馈信运算控制*存储器：由定长存储单元构成的按地址访问的线性空间*存储程序原理：指令和数据以同等地位存放在存储器中*指令组成：指令由操作码及地址码组成的性质，地址码表示操作数在存储器中的位置；7*程序控制流思想①下条指令地址由当前指令产生(指令逐条执行②程序执行过程为循*程序控制流思想①下条指令地址由当前指令产生(指令逐条执行②程序执行过程为循环的指令执行过程(指令自动执行例—程序控制流由当前指令产生示例程序执行过程令下条指令地取执行若为转移指令、且转程序内A⑴当前指令⑵当前指令⑶⑹⑼⑿当前指令⑷⑺⑽⒀当前指令ifgoto⑸⑻⑾⒁条件=真条件=假，当前指令⒅2、计算机硬件的结现代计算机结构一般均在冯·诺依曼模2、计算机硬件的结现代计算机结构一般均在冯·诺依曼模型基础上进行改进*采用以存储器为中心的结构：有利于提高性控制运算存储数输入设输出设结*由多种存储器构成存储系统：有利于提高性能/价运算控制存储主主存(内存辅存(外存I/O设9主算术逻辑单元注：I/O设(如DISK等设控制单主算术逻辑单元注：I/O设(如DISK等设控制单元现代计算机组成框*采用总线互连形式：有利于减少复杂性及提高可扩展存储总主主系统总系统总或I/O接I/O接I/O接I/O接……I/O设I/O设I/O设I/O设3、计算机部件的基本组(1)存储*功能：存储程序和数据*组成：由存储体、地址锁存器、数据缓冲器等组成012…N-01…存储(存储阵列3、计算机部件的基本组(1)存储*功能：存储程序和数据*组成：由存储体、地址锁存器、数据缓冲器等组成012…N-01…存储(存储阵列……M-数据缓冲存储*接收操作的类型：读、写*接收操作的步骤：①地址+命令；②数据①地址①地址①命令②数据①命令②数据存储存储写操作过读操作过…………锁地存址*基本术语存储元件—又称存储元，可存储一个二进制位(0/1)的元件；存储单元—可同时存储一串二进制位的元件，存储字—存储单元存储的信息，是存储器对外交换信息的基本单位*基本术语存储元件—又称存储元，可存储一个二进制位(0/1)的元件；存储单元—可同时存储一串二进制位的元件，存储字—存储单元存储的信息，是存储器对外交换信息的基本单位存储器地址—访存时，所需存储单元在存储器中的编号(地址)；存储器容量—存储体可存储的二进制位数，用B/K/M/G/T表示。存储字长01 …x地址空间 存储 地址长度存储器容量……(2)运算*功能：实现算术运算及逻辑运算，并(2)运算*功能：实现算术运算及逻辑运算，并暂存运算结果*基本组成：由寄存器、ALU、相关组合逻辑电路等组成通用通用源积累加或者A通用通用注：①不同Func时，源REG、累加REG、积商REG存放的操作数不同②现代CPU内通常设置通用寄存器组，以提高执行速度*加减法运算过程设操作数1已在累加REG中，操作数2在主存储器MM地址为Y的存储单元中；则，运算过程为①源REG←[Y]②累加REG←(累加REG)±(源△课件通用约定：地址为X的寄存器的内容用(X)表示地址为Y的存储器的内容用[Y]表示(3)控制*功能：指挥及控制各部件协调地工作，以实现程序执行*指令(3)控制*功能：指挥及控制各部件协调地工作，以实现程序执行*指令执行过程：通常分为3个阶段操作地址码地址码指令格式例取指阶分析阶执行阶取指执行操写结取指阶段—①从主存MM中取一条指令到CPU中②形成下条指令地址(自动加主注：PC—指令未执行时，存放的是当前欲执行指令在MM中的地址指令执行结束前，存放的是下条指令地址IR—存放的是当前指令的具体内容 指令地址REGPC指令内容REG取操作指令译分析阶段—对IR中指令进行译码形成操作类型分析阶段—对IR中指令进行译码形成操作类型、操作数地址等信息IR:操作码译码译码译码…执行阶段—①按操作数地址取得操作数到REG中②按操作类型完成指令的操作(对REG操作③按目的操作数地址存放结果到相应部件*程序执行过程：循环进行指令执行过程(指令执行时按程序顺序改变PC值取指阶若为转移指执行阶分析阶*控制器实际功能①循环产生指令执行过程的阶段标识信号②在不同阶段，根据指令要求产生指令执行所需的控制信号。*基本组成：*控制器实际功能①循环产生指令执行过程的阶段标识信号②在不同阶段，根据指令要求产生指令执行所需的控制信号。*基本组成：由程序计数器(PC)、指令REG(IR)、译码器、序部件、控制信号形成部件等组成…控制时部注：时序部件—循环产生用于定时的时标控制信号形成部件—不同时刻产生指令要的不同信号码器取分执√√译码√运算√(4)输入/输出设*功能：实现外部-内部信息的(4)输入/输出设*功能：实现外部-内部信息的转换及输入/输出*种类：键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘等*速度：差距较大，与CPU速度不匹配主总线接口主存控制系统总用户交互接磁盘适配通信接…键盘、鼠标磁串口三、计算机软件的基本组1、计算机软件分分为系统软件及应用三、计算机软件的基本组1、计算机软件分分为系统软件及应用软件两大类软系统软应用语言环应用软应用语言程应用语言级机器虚机高级语言级机器高级语言环高级语言程汇编语言级机器汇编语言环汇编语言程操作系统级机器操作系统环操作系统命软硬交界 机器语言级机器语言处理程科学计实机微程序级机器电子线路级机器(2)操作系统基本功(2)操作系统基本功*主要功能(管理软件任务、硬件资源等环境文件管理—文件空间分配与回收、目录管理、读写保作业管理—接收并启动用户提交的任务(程序执行请求)进程管理—管理软件实体(进程)对硬件资源的占用*任务调度与控制调度—在适当时候，根据进程的优先级、时间等参数，使用一定算法进行进程调度；控制—当产生调度时，控制上行/下行进程的环境切换OS调CPU时四、计算机系统的工作过1、机器语言程序形有编程、翻译两个步骤。程序包含指令和数据*计算机指令系统假设*求y=ax+b的机器语言程序如下(指令与四、计算机系统的工作过1、机器语言程序形有编程、翻译两个步骤。程序包含指令和数据*计算机指令系统假设*求y=ax+b的机器语言程序如下(指令与数据等同存储4停5a原始数据6x原始数据7b原始数据8y结果数据程序指注0123指令类指令格操作功操作码地址码取存加乘停无通知OS程序已停止2、计算机的工作过假设计算机硬件结构如下图…号形存储设时部控制运算2、计算机的工作过假设计算机硬件结构如下图…号形存储设时部控制运算主存储*主存储器完成操作的过程：以读操作为主存储⑵地址译⑴锁存地存储…⑶数据读 ⑷输出数………(1)指令的执行过*取数指令的执行过程：以AC←[X]为⑤④…号形②①①①(1)指令的执行过*取数指令的执行过程：以AC←[X]为⑤④…号形②①①①时部②③运算控制④*加法指令的执行过程：以AC←(AC)+[Y]为⑥④…号形⑥⑦⑥时部运算控制④⑤(2)程序的执行(2)程序的执行过*程序执行初始条件*程序执行实现方法即—①取指—②分析—③执行—取数、执行、写结果(转移指令写④若无中断执行要求，转①*控制器的实现原理①循环产生指令执行过程的阶段标识信号指令过指令过取指阶段信分析阶段信执*控制器的实现原理①循环产生指令执行过程的阶段标识信号指令过指令过取指阶段信分析阶段信执行阶段信时②根据指令要求，在相应阶段产生所需部件控制信号指令1过指令2过PC控制信IR控制信ALU控制时①按PC取完成所取令的功3、程序3、程序执行的管(1)程序的执行请求方*从主存固定位置开始执行程序存放在主存中→主存由RAM及ROM组程序首指令地址在固定位置△常用于计算机硬件刚启动时的程序执行*由操作系统管理的程序执行执行请求方式—用户交互式请求执行请求管理—OS通过调度机构决定请求是否执行(2)程序的执行准*创建进程--软件环境管理所(2)程序的执行准*创建进程--软件环境管理所建立进程控制块PCB(包含程序文件名、所需硬件资源进程ID、进程状态等信息*加载程序--硬件资源管理所为进程申请主存，将程序文件内容拷贝到主存，并将关内容(如程序首指令地址等)填到PCB中②拷贝程序④按PC值取并执行指②填充③导入硬件相关内①创建*程序执行启动程序被允许执行时，将PCB中与CPU相关内容导入到中，OS让出CPU(管理程序暂停)；CPU按PC值取指令并执行计算机计算机系统性能指一、计算机系统性能指时间是唯一标准，主要有响应时间和吞吐率两个指标*响应时间：指一个任务从输入到结果输出的总时间T响应=TCPU+TMEM访问+TI/O访特点—响应时间反映了系统软硬件的总体性能*吞吐率：又称吞吐量，指单位时间内能处理任务的数量。=n÷n个任务总时间特点—吞吐率反映了系统软硬件的多任务处理能力*其他：RASIS(可靠/可用/可维护/完整/安全性)，兼容性等2、硬件性能2、硬件性能参*机器字长：指CPU一次能处理的二进制位数对性能的影响—机器字长越长，数据处理性能越好注：应用数据长度＞机器字长时，需分次运对硬件的影响—直接影响ALU、REG、存储字长如CPU为32位*主频：指CPU内时钟周期的频率，常用表示主频单位—时钟周期—CPU执行指令时的最小定长时间单位，常f与TC关系—倒数关系，即f=1/TC*存储器*存储器容量：包括主存容量和辅存容量2个方面存储器容量—存储器容量=存储单元数×存储字长容量单位—通常以字节(B)为基本单位*MEM总线工作频率总线带宽—单位时间内最多能传输的二进制数据位数，即总线带宽B=数据线位数×传输次数/秒，常用MBps表示；总线工作频率—是反映传输次数/秒的一个重要参数(数据线位数常等于机器字长，总线工作频率与MEM延迟有关3、系统性能与软硬件性能参数关T响应3、系统性能与软硬件性能参数关T响应=TCPU+TMEM访问+TI/O访(1)CPU性TCPU=T系统CPU+T用户即TCPU为OS程序及应用程序执行时间的总和ICPIi TnT iC其中，n为指令系统指令种类数为程序执行指令总次数(≠程序指令数Ii为第i种指令执行次数△TCPU与解题算法、编译程序、指令系统、CPI、TC均有关(2)MEM性(2)MEM性TMEM访问=访问次数*(T地址+T数据访问次数=每次数据量/MEM存储字长TMEM延迟=T地址+T数据，与MEM的结构、组成与器件有关△与CPU的每次访问数据量、MEM的(3)I/O性TIO访问=访问次数*(T地址+T数据访问次数=每次数据量/IO设备数据宽度TIO延迟=T地址+T数据，与IO设备的结构、组成及器件有关与CPU的每次访问数据量、IO设备的4、系统性能指标的替代标系统性能指标主要为响4、系统性能指标的替代标系统性能指标主要为响应时间，但表示不方便通常用其他标准(速度)替代响应时间，但不够准确(1)MIPS(每秒百万次指令--替代标准MIPS时钟频率 CPITC*缺点：不能反映指令系统功能强弱(可采用相对MIPS方法(2)MFLOPS(每秒百万次浮点运算--替代标准MFLOPS时钟频率程序执行时间*缺点：只能反映浮点操作能力，不能反映系统整体性能*MFLOPS与MIPS关系：1MFLOPS≈3MIPS二、性能设1、冯二、性能设1、冯·诺依曼模型计算机的性能瓶*CPU-MEM瓶颈△需从结构与技术方面解决CPU与MEM间速度匹配问题①更快的速②并行处→受器件技术的限→串行程序指令间相效果不△需从结构与技术方面解决指令间相关问题2、性能平衡设重点2、性能平衡设重点解决CPU-MEM性能瓶颈，减少访存延迟*增设Cache：减少CPU访问延迟，减少访问MEM频率*增加总线数据宽度：提高访问效率，以减少次数及延迟*采用多级总线：使传输速度=器件速度，非min{器件速度重点解决指令串行执行瓶颈，提高并行性*开发并行技术：操作级流水→操作级并行→指令级并行(流水线(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*转移预测技术：按猜测转移方向执行，猜错时回头执行三、计三、计算机的结构、组织与实1、计算机系统结*指机器语言程序员或编译程序编写者所看到的计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。功能特性—软硬件功能界面(硬件功能的使用方法中断机构、I/O系统机器工作状态定义和切换、信息保护*系统软硬件功能的分配及软硬件界面的确定；反映硬件系统的外部特性。2、计2、计算机组织(又称计算机组成*指计算机系统设计人员所看到的基本属性，即各组成部分的内部构造及相互关系。*包含内容：功能部件逻辑设计；控制机构组成方式；部件互连方式、数据通路、接口设计等。3、计算机实*定义：指计算机组成部件的物理实现*包含内容：CPU、主存的物理结构，芯片集成度、速度、工艺，电源、冷却、装配、外观设计等。4、三者关*相互关系4、三者关*相互关系计算机实现—物理实现计算机组成的内容*对性能的影响程度计算机系统结构>>计算机组成>>计算机实现举系统结计算机组计算机实乘法功是否有乘法指乘法器还是加法+移器件、电主存系最大容量、编址方速度保证、单体/多MEM总带信号线数、时钟、传输方计算机系统发展历一、计算机硬件的发展历1、计算机的产生与发*发展趋势：器件技计算机系统发展历一、计算机硬件的发展历1、计算机的产生与发*发展趋势：器件技术+结构设计+并行化第一第二第三第四第五年元器电子晶体SSI、VLSI、主磁半导辅磁带、纸磁光字速度2、微型计算机的产生与发*微处理器发展：增加功能、线程/进程级并行、MEM集成CPU中、嵌入式CPU等型年字主地址线数据线其8实模8保护模2、微型计算机的产生与发*微处理器发展：增加功能、线程/进程级并行、MEM集成CPU中、嵌入式CPU等型年字主地址线数据线其8实模8保护模RISC、流水超标量流水、Pentium超级流水、动态执PentiumPentiumSSE、非阻塞PentiumSSE2、总线技Core2双二、计二、计算机软件的发展历1、计算机语言的发*机器语言：面向机器*汇编语言：面向机器*高级语言：面向问题C/C++--适用于面向对象程序设计Java—适用于可移植软件设计2、2、系统软件的发*语言处理程序：汇编程序、编译程序、解释程序*操作系统：DOS、UNIX、(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)及实现库三、三、计算机系统分1、按规模及功能分单片机/嵌入式系统—工业控制等2、按信息处理特征分--Flynn分类有SISD、SIMD、MISD、MIMD四种△本课程重点讨论2、按信息处理特征分--Flynn分类有SISD、SIMD、MISD、MIMD四种△本课程重点讨论SISD计算机……附：课附：课程内容组织及要一、课程目1、结构与原理掌建立计算机系统的整机概念2、分析与计算能掌握对组成与结构进行性能分析的方法通过实验，培养逻辑设计及理论指导实践的能力二、课程内容组第一计算机系统概计算二、课程内容组第一计算机系统概计算机硬件组成，计算机工作过程，计算机性能指第二数据表示和运数制与编码、定点数/浮点数表示及运算，ALU逻辑设第三存储系层次化结构，MEM种类及RAM组成，Cache、虚存组成原第四指令系指令格式，寻址方式第五中央处理CPU功能与结构，指令执行过程，数据通路及结构，CU能及组成原理，CPU新技第六第七总线系I/O系组成及操作步骤，仲裁/定时方式，标I/O设备，I/O接口，I/O方三、课程学三、课程学习方1、学习方☆☆①建立整机概念，逐步将知识点融汇成知识面②从功能需求→逻辑实现，理解各部件的结构与组成☆③通过案例分析，深入掌握各部件的组成原理2、学习效☆①打印课件，以减少记笔记时间和增加听讲时间②上课听讲，以减少课后学习时间③独立完成作业，以复习所学内容及暴露问题☆☆④及时质疑，以避免多米诺效应第一章第一章复习思考1、概念掌握：实际/虚拟机器、机器/汇编/高级语言、计算机组成/结构，主机、CPU、主存、存储单元、存储字、PC、IR、ALU、CU、AC，机器字长、存储字长、指令字长、CPI、TC、CPU主频、MIPS、MFLOPS。