计算机组成与结构课件 第1章 计算机系统概述

第1章计算机系统概述主要内容：1.1计算机系统的基本组成1.2计算机系统结构、组成与实现1.3计算机系统结构设计1.4计算机系统结构的分类与发展1.1计算机系统的基本组成

1.1.1冯诺依曼结构的计算机组成五大功能部件+存储程序和自动控制2运算器控制器输入设备输出设备辅助存储器CPU控制数据地址/指令主机外设存储器主存储器1.1.2哈佛结构的计算机组成特点：程序存储器和数据存储器分离独立，可以并行处理优点：提高了存取效率和处理速度，能适应高性能计算的应用1.1.3微型计算机的硬件组成1.主板2.CPU3.主存4.总线5.输入/输出接口主机外设1.外存2.输入设备3.输出设备硬件主板CPUCPU通常包括：运算器：负责算术和逻辑运算；控制器：负责执行指令并发出控制命令；寄存器组：保存指令、操作数、地址、状态信息。主要性能指标有：主频与字长Intel8086CPU的内部结构AHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISI通用寄存器AXBXCXDX暂存器标志寄存器EU控制系统123456总线接口逻辑CSDSSSESIP内部暂存器外部总线ALU地址加法器ALU数据总线16位8位地址总线20位数据总线指令队列执行部件EU总线接口部件BIU控制器功能：负责指令的读取、分析和执行，产生与指令相关的操作信号（即微命令）并按顺序送往相应的部件，从而控制这些部件执行规定动作，包括收集各部件的状态信息。指令用二进制表示、并预先存放在存储器中，称为存储程序。指令的作用：告诉控制器做什么操作，数据从哪里来、结果送到哪里去。指令的构成：操作码说明执行什么操作，而地址码说明数据的来源和去向。操作码地址码微命令序列的产生方式两种：（1）由组合逻辑电路直接产生（组合逻辑控制方式）（2）通过执行该指令对应的微程序产生（微程序控制方式）微程序控制方式的基本思路：先把操作信号编码（构成微指令），再把微指令编制微程序并固化在控制存储器中，执行指令时找到并执行对应的微程序，即可直接向各部件送出微命令寄存器——通用寄存器组(1)特点：可以编程访问某个指定的寄存器(2)功能存放操作数和运算结果、用作地址指针、用基址寄存器、变址寄存器、计数器等注意，在不同计算机中分工并不完全相同(3)命名大型机：命名为R0、R1、R2、……微机：4个数据寄存器AX（AH、AL）、BX、CX、DX，4个指针寄存器SP、BP、SI、DI。例如，编程时AX做累加器、BX做基址寄存器、CX做计数寄存器）、DX做数据寄存器。寄存器——专用寄存器组指CPU指定用来完成某一种特殊功能的寄存器对程序员可见：如代码段寄存器CS、数据段寄存器DS、堆栈段寄存器SS等对程序员不可见：数据缓冲寄存器（MDR）、指令寄存器（IR）程序计数器（PC）、地址寄存器（MAR）状态字寄存器（PSW）寄存器之暂存器(1)特点：不可编程访问。(2)作用：暂时存放CPU处理过程中的临时信息，避免破坏通用寄存器的内容。例如，实现从内存的单元A传送数据到另一个单元B。从单元A读出的数据先送到CPU中的一个暂存器，然后再从暂存器送入单元B。寄存器之程序状态字寄存器PSW(1)作用：记录现行程序的运行状态和指示程序的工作方式。(2)程序状态字特征位：进位位C、溢出位V、零值位Z、符号位S、奇偶位P等。方式控制位：跟踪位T、中断允许位I、程序优先级字段、工作方式字段等。存储器主存Cache外存ROMRAM通常用来固化程序，如BIOS存放正在运行程序和相关数据如CMOS设置位于CPU与内存之间用来存放即将处理的指令段和数据块，其速度接近CPU工作包括磁带/磁鼓/磁盘、光盘、U盘用来永久性地保存数据、程序主存储器的组成存储体:存放信息的实体寻址系统:对地址码译码,选择存储单元读/写线路和数据寄存器:完成读/写操作，暂存读/写数据。控制线路:产生读/写时序,控制读/写操作16计算机执行程序的过程基本思路：将编制好的程序放在主存中，由控制器控制逐条取出指令执行。例如：计算a+b-c=?总线1.总线用来连接CPU、存储器和I/O接口，实现分时共享。2.分类：数据总线、地址总线、控制总线CPUM接口接口I/OI/O系统总线

M总线I/O接口（略）外设通常是机电结合的装置，通常遵循不同的标准进行设计和制造，因此在总线与外设之间通常存在着速度、时序和信息格式等方面的差异。为了将标准的总线与各具特色的外设连接起来，需要在系统总线与外设之间设置一些部件，使它们具有缓冲、转换、连接等功能。这些部件称为输入/输出接口。中断接口的组成1.1.4系统组成的层次结构讨论：计算机系统为何要分层？为了对计算机系统的有机组成建立整机概念，便于对系统进行分析、设计和开发，可以从硬、软件组成的角度将系统划分为若干层次。这样，在分析计算机的工作原理时，可以根据特定需要，从某一层去观察、分析计算机的组成、性能和工作机制。除此之外，按分层结构化设计策略实现的计算机系统，不仅易于制造和维护，也易于扩充。1.1.5计算机系统的性能指标（略）1．基本字长2．基本字长3.数据通路宽度与数据传输率4．存储容量5.软硬件配置6.可靠性231.2计算机系统结构、组成及实现计算机系统结构也称为计算机体系结构属性如下：字长数据表示寻址方式寄存器方式存储器结构中断结构IO结构计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现：包括机器内部的数据流和控制流组成及逻辑设计等。系统结构、组成、实现指令系统确定属于计算机系统结构指令的实现属于计算机组成实现指令功能的具体电路属于计算机实现相同结构的计算机不同的组成，导致速度不一致同一种计算机不同的计算机实现，例如：主存用DDR或者闪存，但价格不同。24不同的系统结构也可能采用不同的计算机组成技术例如：A=B+C；D=E+F面向寄存器的结构：MOVAX,BADDAX,CMOVA,AXMOVAX,EMOVAX,FMOVD,AX25面向存储的结构ADDB,C,AADDE,F,D1.2.2计算机的系统结构、组成与实现三者的相互影响（1）相同结构的计算机可以采用不同的组成。例如，相同的指令序列既可以顺序执行，也可以重叠执行；（2）同一种计算机组成可以有不同的计算机实现。例如，主存可用DDR，也可用Flash（3）不同的系统结构也可能采用不同的计算机组成。例如：“A=B+C;”可用以下两种方式：MOVAX,BADDAX,CvsADDB,C,AMOVA,AX（4）计算机组成反过来也会影响系统结构。例如，在指令系统中增加矩阵乘指令，用微程序解释实现，则系统速度比用指令序列（用户程序实现）要快得多。1.3计算机系统结构设计1.3.1设计思路1．“自上而下”2．“自下而上”3.“由中间开始”系统分析虚拟机器级高级语言虚拟机器级汇编（中间）语言虚拟机器级操作系统虚拟机器级传统机器级微程序机器级逻辑部件级自上而下设计S1：根据需求确定机器的基本特性S2：根据要求设计或选择面向应用的高级语言S3：设计能够编译该高级语言的中间语言S4：设计满足需求的操作系统S5：设计面向所用编译程序和操作系统的机器语言S6：设计面向机器语言的微指令及其微程序S7：设计面向微程序的物理硬件自上而下，应用计算机求解问题的过程（1）系统分析级完成需求分析，概要设计和详细设计，构造系统模型。（2）用户程序级根据详细设计，编写程序。（3）操作系统级应用程序只能在操作系统环境中运行。（4）传统机器级程序被翻译成机器指令序列。（5）硬件系统级完成逻辑部件级或电路级的设计，以构造计算机的硬件系统，以逐条指令方式自动执行程序。自下而上，计算机系统逐级生成过程（1）拟定指令系统：指令系统决定了计算机硬件的基本功能。（2）创建硬件系统硬件的核心是CPU和主存，各种硬件通过系统总线和接口连接起来，构成整机系统。必须根据指令系统来设计和实现硬件系统。不同的指令系统最终形成了不同的计算机系统。（3）配置操作系统（4）配置语言处理程序及各种软件资源（5）安装用户程序1.3.2软硬件取舍的基本原则1.高性能价格比2.可灵活扩展3.尽可能缩小的语义差距语义差距的大小实质上取决于软、硬件功能分配。系统结构的设计不仅考虑组成技术和器件技术的新成果、新发展，还从努力为编译系统、操作系统、高级语言的设计与实现提供更好、更多的支持。计算机系统结构、机器语言是用硬件和固件实现的，所有的语义差距最终依靠软件来填补。1.3.3影响计算机系统结构设计的主要因素1.软件的可移植性问题可移植性问题的主要手段：（1）统一高级语言（但很难）（2）采用系列机（向上/下兼容or向前/后兼容）（3）虚拟化，依靠模拟或仿真手段实现如，电脑安装Android的模拟器，即可运行安卓App。2.计算机应用始终推动着系统结构的发展（需求导向）3.器件的发展加速了系统结构的发展（供给侧改革）两种虚拟化技术比较应用软件汇编语言虚拟机器级操作系统虚拟机器级机器语言传统机器级微程序机器级高级语言虚拟机器级操作系统虚拟机器级传统机器级B虚拟机A宿主机应用软件汇编语言虚拟机器级操作系统虚拟机器级机器语言传统机器级微程序机器级高级语言虚拟机器级操作系统虚拟机器级传统机器级B目标机A宿主机用模拟实现软件移植vs用仿真实现软件移植

1.4计算机系统结构的分类及其发展1.4.1并行性的概念1.并行性的含义所谓并行性就是指计算机系统所拥有的可同时进行运算或操作的特性。无论数值计算、信息处理、知识处理、多媒体处理、网络通信，还是智能处理，都隐含有可同时进行运算或操作的成分。2.并行性的分级（1）微操作级：就是在一条指令内部各个微操作并行执行。（2）指令级：就是多条指令并行执行。（3）进程级：就是指多个用户程序（进程）并行执行。（4）作业级：就是多个作业并行执行。1.4.2并行处理系统与多机系统1.并行处理系统的结构根据基本结构特征，并行处理系统可以分成流水线计算机、阵列处理机、多处理机系统和数据流计算机等

4种。2.多机系统及其耦合度多机系统包括多处理机系统和多计算机系统。耦合度表示各机器之间物理连接的紧密程度和交叉作用能力的强弱多机系统的耦合度，可以分为最低耦合、松散耦合和紧密耦合等。1.4.3计算机系统结构的分类1966年，弗林（MichaelJ.Flynn）根据指令流和数据流的多倍性，把计算机系统结构分为4大类：1.单指令流单数据流（SingleInstructionStreamSingleDataStream，SISD）2.单指令流多数据流（SingleInstructionStreamMultipleDataStream，SIMD）3.多指令流单数据流（MultipleInstructionStreamSingle