《计算机导论》教学课件教案第2章 计算机结构

第2章计算机结构

第2章计算机结构

2.1中央处理器

2.2指令系统

2.3指令执行

2.4流水线技术

2.5存储系统

2.6外围设备

2.7输入输出方式

2.8多处理器

1958

2.1中央处理器

■主要功能:

-顺序控制

■操作控制

■时间同步

-数据处理

■主要部件:

■运算器

■控制器

-寄存器组

\----A-Zr-口口

、运舁前

R■算术运算：如加、减等算术操作

■逻辑运算：如与'或非等逻辑操作。

L指令取入寄存器；

2.控制器根据对指令的译码，

发出控制信号;

3.运算器执行，并将结果放入

累加器中；

.将结果存入内存中

控制器

运算器的工作流程

控制器

三j■功能：

-根据当前程序计数器寄存器的值，从RAM中相应

的地址取出指令，并将它们放到指令寄存器中；

然后对指令进行译码，并根据译码的结果发送信

号给数据总线(DataBus),从RAM中取出操作

数，并发出适当的控制信号，控制运算器进行数

据的处理。

■按设计和实现的途径可分为三类：

■硬连线控制器(HardwiredController)

■微程序控制器(MicroprogrammedController)

-门阵列控制器

r寄存器

■-用户可见的寄存器

■数据寄存器(DataRegister)

■地址寄存器(AddressRegister)

■控制和状态寄存器

■程序计数器(ProgramCounter,PC)

■指令寄存器(InstructionRegister)

■状态条件寄存器

D15D8D7DO

TolDITsillAJPC

图2.38。88标志寄存器位结构

、指令系统(1)

R-指令是指示计算机执行某种操作的命令。

从计算机组成的层次结构来说，计算机

的指令有三种：

■微指令：

■微程序级的命令，属于硬件部分

■宏指令：

■由若干条机器指令组成的软件指令，属于软件

■机器指令：

■介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令

指令系统(2)

R-CISC

■ComplexInstructionSetComputer,复杂

指令集计算机

■RISC

■ReducedInstructionSetComputer,精简

指令集计算机

指令系统(3)

■CISC

.采用微程序设计方法实现指令的控制器

■减轻编程的工作量，缩短程序代码

■由于大量的复杂指令、可变的指令长度、

多种的寻址方式，大大增加了解码的难度,

代码难以优化，执行效率低

指令系统(4)

、■RISC

■IBM370clsc系统占总指令数仅20%的简单指令在

程序调用中占了80%,而占指令数80%的复杂指

令却只有20%的机会用到

-RISC具有以下的特点：

-指令系统简化，由一些基本的、必要的指令构成；

-除LOAD/STORE指令外，所有指令只与寄存器打交道,

都在一个时钟周期内执行完毕；

・绝大部分采用硬联线控制，不用或少用微程序实现；

-使用较多的通用寄存器，没有专用寄存器；

-采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序。

、指令系统(5)

R-指令格式

■指令字就是表示一条指令的二进制代码，

通常简称指令；指令格式，则是指令字用

二进制代码表示的结构形式

■一条指令通常由操作码、地址码字段构成

■操作码字段指定指令的功能特性

■地址码字段指定操作数的地址

操作码字段地址码字段

r指令系统(6)

胃■操作码

■定长操作码,变长指令码

■变长操作码,定长指令码

■地址码

■零地址指令

■一地址指令

■二地址指令

■三地址指令

指令系统(7)

R.寻址方式

■指令寻址方式

■顺序寻址方式

■跳跃寻址方式

■数据寻址方式(即操作数寻址)

操作数寻址(1)

■隐含寻址

■立即寻址

MOVAX,1234H

存储器

■4^指令

立即寻址

操作数寻址(2)

内存

-直接寻址0PXD

操作数匚二＞操作数

■

■

■

■

直接寻址方式示意图

■间接寻址

内存

■

0PXD■

操作蔡地址

■

操作数匚二＞|操作数一

间接寻址方式示意图

、指令执行

R-指令周期

■取出并执行一条指令的时间

■机器周期

■也称为CPU周期，通常用内存中读取一个

指令字的最短时间来规定CPU周期

■时钟周期

非访存指令的指令周期（1）

＜一-k个CPU周期-►・一个CPU周期A

＞取指（pc+l）

口

|译码|[==＞执行中力下一条指令

＜一取指阶段—►♦一执行阶段-*

非访存指令（CLA）的指令周期

非访存指令的指令周期(2)

算术逻辑单元

CPU

ALU取指令控制

▲▲A

操作控制器y-时钟

累加器AC时序产生器«状态反馈

▲AA

指令

译码器

⑵

程序计31(6)f

数器PC3i

CLA指令寄

(1)存器(IR)

⑸I

缓冲寄

地址寄30CLA

存器AR存器DR

⑶1(4)

W存储器!

总线数据

地址内容总线

30CLA

31ADD30

32STAI41

33JMP31

34HLT

40000007

41000042

42存和数单元

取出CLA指令

非访存指令的指令周期(3)

（1）c（清AC）

CPU

・时钟

«状态反馈

指令寄

存器(IR)

地址存储器

总线数据

地址内容总线

30CLA

31ADD30

32STAI41

33JMP31

34HLT

40000007

41000042

42存和数单元

CLA指令执行阶段

直接访存指令的指令周期(1)

<--k个CPU周期-►+一个CPU周期-♦＜一一个CPU周期f

登:取指(pc+1):＞取出操作数

工

,送操作数地址

译码I执行0下一条指令

取指阶段f执行阶段

直接访问内存指令的指令周期

直接访存指令的指令周期(2)

直接访存指令的指令周期(3)

CPU(3A)

ALU取指令控制

▲▲▲

(3Q操作控制器Y-时钟_

时序产生器,状态反馈

累加器ACI000007M

AAA

指令

译码器

程序计

32

数器PC指令寄

ADD40

存器(IR)

▼

地址寄r缓冲寄

40|000007

存器AR_存器DR

⑴___________L(2)

地址存储器A

总线数据

地址内容总线

30CLA

31ADD40

32STAI41

33JMP31

34HLT

40000007

41000042

存和数单元

取操作数的地址并执行加法操作

间接访存指令的指令周期(2)

取操作数地址

间接访存指令的指令周期(3)

保存计算结果

程序控制指令的指令周期(1)

<-一个CPU周期-*-一个CPU周期A

取指(pc+1)

译码|匚，送转移地址I〉下一条指令

取指阶段一，—执行阶段f

程序控制指令的指令周期

程序控制指令的指令周期(2)

“时钟

♦状态反馈

指令寄

存器(IR)

JMP指令的执行阶段

流水线技术(1)

令

4L匕1

J口取指译码访存执行写回

匕

b令2

lH取指译码访存执行写同

令

b匕3

fH取指译码访存执行写回

令

匕4

取指译码访存执行写回

II令

匕5

H取指译码访存执行写回

指令级并行流水线的工作原理

■流水技术的特点:

-一条流水线由流水段组成，流水段的数目称为流水线的深度；

■每个流水段有专门的功能部件对指令进行某种加工；

-各流水段所需时间是一样的，这样才能同步符合流水节拍；

-流水线工作阶段可分为建立、满载和排空三个阶段；

-在理想情况下，当流水线充满后，每隔At时间即一个流水节拍

将会有一个结果流出流水线。

、流水线技术(2)

R-理想流水线性能分析

■流水线的加速比=非流水线指令的平均执

行时间/流水线指令的平均执行时间

■指令的平均执行时间=时钟周期X指令的

平均CPI

■CPI(CyclesperInstruction)是执行每条指

令所需的时钟周期

r流水线技术(3)

R-流水操作中的主要障碍

■资源竞争(StructuralHazard)

■又叫结构竞争，是由资源缺乏引起

■数据竞争(DataHazard)

■由指令间数据的相关而引起

■控制竞争(ControlHazard)

■主要是由转移指令引起的

存储系统(1)

三■存储器的层次结构

・局部性原理

(PrincipleofLocality)

■时间局部性

(SpatialLocality)

-空间局部性

(TemporalLocality)

存储系统(2)

■基本概念

■命中率(HitRate)

■失配率(MissRate)

■命中时间(HitTime)

■失配损失(MissPenalty)

■存储器设计目标

-降低平均访问时间，而不是单单提高命中率

-平均访问时间=命中时间+失配时间x失配率

■层次化存储体系必须解决的问题

-定位问题

-替换问题

-更新问题

'存储系统(3)

R-高速缓冲存储器(Cache)

■通常由两部分组成：块表和快速存储器

■两级Cache：内部Cache和外部Cache

■Cache中的地址映象和变换

■直接映象

-全关联映象

■组关联映象

、存储系统(4)

■■直接映象

主存

Caclie块0

（Directmapped）块。一块1

・・•

块1

二块2c-1

1块/—1块2c

C块2C+1

j=imod2•■•

块2-2。一1

・・♦

块（2T-1）X2C

块（2f）X2C+1

块2X2J

直接映象

存储系统（5）

■全关联映象(FullAssociative)

主存

全关联映象

存储系统(6)

U■组关联映象(SetAssociative)

「-若每组中有n行，则称之为n路组关联映象

■直接映象就是1路组关联，全关联映象就是M(=2C)路组

关联主存

、存储系统(7)

■.替换策略

算法思想优点缺点

没有利用上层存储器使用

随机算法用软的或硬的随机数产生器

简单、易于实现的"历史信息"，没有反映等

(RAND)产生上层中要被替换的页号

程序局部性，命中率低

不能正确反映程序局部性

先进先出选择最早装入上层的页作为实现方便，利用了主存历史原理，命中率不高，可能出

(FIFO)被替换的页的信息

现异常现象

近期最少比较正确反映程序局部性，

选择近期最少访问的页作为

使用法利用访存的历史信息，命中实现较复杂

被替换的页

(LRU)率较高

最优算法命中率最高，可作为衡量其不现实，因为不可能知道未

将未来近期不用的页换出去

(OPT)他替换算法的标准来的需求

存储系统(8)

-替换算法比较

45325

232

块号---

444222

--3

上33333

OPT55-55

Z]5

FF

--223333

222

上3--555555

LRU55

工V14d222

F_FFF

上

FIFO

替换算法比较(F代表发生失配)

存储系统(9)

■■更新策略

更新策略思想优点缺点

是指在CPU执行写操作时，信息只写入有利于省去许多需设修改位对是否

回写Cache中，仅当需要替换时，才将改写过的将中间结果写入有更改进行标记，增