北航計算機組成原理講義

1、計算機結(jié)構(gòu)計算機結(jié)構(gòu)(Architecture)(Architecture)的概念演變的概念演變vWhat is Computer Architecture ?Computer Architecture = Instruction Set Architecture (ISA) + Machine OrganizationArchitectureArchitecturevISA: 指從編程者角度看到的計算機所具備的概念結(jié)指從編程者角度看到的計算機所具備的概念結(jié)構(gòu)和邏輯功能。區(qū)別與計算機的物理實現(xiàn)和物理結(jié)構(gòu)和邏輯功能。區(qū)別與計算機的物理實現(xiàn)和物理結(jié)構(gòu)。構(gòu)?？删幊檀鎯ζ鞯慕Y(jié)構(gòu)可編程存儲器的結(jié)構(gòu)指令系

2、統(tǒng)，指令格式，尋址方式指令系統(tǒng)，指令格式，尋址方式數(shù)據(jù)類型，編碼數(shù)據(jù)類型，編碼vOrganization：物理實現(xiàn)與物理結(jié)構(gòu)物理實現(xiàn)與物理結(jié)構(gòu)主要功能單元機器性能特征：主要功能單元機器性能特征：ALU，Regs，Shifter，Logical Units部件之間的內(nèi)部連接部件之間的內(nèi)部連接信息流（數(shù)據(jù)流和指令流）及其控制信息流（數(shù)據(jù)流和指令流）及其控制ISA的實現(xiàn)的實現(xiàn)寄存器傳輸層（寄存器傳輸層（RTL）的硬件描述的硬件描述計算機組成（計算機組成（1 1）v從從1946年開始，所有的計算機都包含如下幾個部分年開始，所有的計算機都包含如下幾個部分ControlDatapathUnitsMemor

3、yCPUInputOutput計算機組成（計算機組成（1 1）v運算器運算器完成最基本的算術(shù)邏輯運算完成最基本的算術(shù)邏輯運算ALU(Arithmetic and Logic Unit） Registers DataPath v控制器控制器提供各部件工作所需的控制信號，控制計算機其他部件協(xié)同工作提供各部件工作所需的控制信號，控制計算機其他部件協(xié)同工作指令部件指令部件（Instruction Register ，Instruction Decoder）指令順序控制（指令順序控制（Program Counter）時序邏輯部件時序邏輯部件（Clock，Timer ，Sequencing Logic）控

4、制信號生成部件（控制信號生成部件（Control Signal Generator or Control Memory） v運算器控制器運算器控制器CPU（Central Process Unit）計算機組成（計算機組成（2 2）v存儲器存儲器保存程序和數(shù)據(jù)保存程序和數(shù)據(jù)存儲單元存儲單元（bit, Byte, Word)地址的概念地址的概念（每一個字節(jié)單元一個唯一的地址）每一個字節(jié)單元一個唯一的地址） 存儲器的工作方式：讀、寫存儲器的工作方式：讀、寫 組成：存儲體地址緩沖部件數(shù)據(jù)緩沖部件讀寫控制部件組成：存儲體地址緩沖部件數(shù)據(jù)緩沖部件讀寫控制部件存儲器的層次：存儲器的層次：Cache RAM

5、Disk Tapev輸入輸出輸入輸出實現(xiàn)計算機內(nèi)部與外界（其他系統(tǒng)或人類）的信息交換實現(xiàn)計算機內(nèi)部與外界（其他系統(tǒng)或人類）的信息交換接口標(biāo)準(zhǔn)與接口部件接口標(biāo)準(zhǔn)與接口部件外部設(shè)備：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備外部設(shè)備：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備計算機內(nèi)部各部件之間的連接：計算機結(jié)構(gòu)計算機內(nèi)部各部件之間的連接：計算機結(jié)構(gòu)v總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)總線：符合一定的標(biāo)準(zhǔn)的一組公共數(shù)據(jù)通道總線：符合一定的標(biāo)準(zhǔn)的一組公共數(shù)據(jù)通道構(gòu)成：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線構(gòu)成：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)多總線結(jié)構(gòu)多總線結(jié)構(gòu)v標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)總線ISA-Industry Standard Architecture（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)

6、構(gòu)）工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)） EISA-Extended ISA（擴展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)）擴展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)） PCI-Peripheral Connection Interface (周邊元件擴充接口周邊元件擴充接口) SCSI-Small Computer System Interface(小型計算機系統(tǒng)接口小型計算機系統(tǒng)接口)單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)Examples Examples IAS IAS （直接連接）（直接連接）&19461946年，馮年，馮諾依曼與同事開始研制諾依曼與同事開始研制 IAS,IAS,雖直到雖直到19521952年仍未完成，但該機結(jié)構(gòu)被公認為隨后發(fā)展年仍未完成，但該機結(jié)構(gòu)被公認為隨后

7、發(fā)展起來的通用計算機的原型。起來的通用計算機的原型。Examples Examples PC PC （單總線結(jié)構(gòu)）（單總線結(jié)構(gòu)）&普通PC（PC/XT）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Examples Examples PC PC （多總線結(jié)構(gòu)）（多總線結(jié)構(gòu)）&普通PC（Pentium）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)MainmemoryLANIDESCSIPentium CPU32/64 CPULocal BusLocal Bus toPCI Bus bridgePCI BusAdapterPCI to ISAbridgePCI SlotsISA BusISA SlotsISAadapterCacheExamples Examples

8、 SPARCstation20 SPARCstation20（多總線結(jié)構(gòu)）（多總線結(jié)構(gòu)）& Sun SPARCstation20（RISC）Floating-point UnitInteger UnitInstCacheRefMMUDataCacheStoreBufferBus InterfaceSuperSPARCL2 CacheMBus ModuleMBusL64852MBus controlM-S AdapterSBusDRAM ControllerSBusDMASCSIEthernetSTDIOserialkbdmouseaudioRTCFloppySBusCardsv機器指令：機器指

9、令：計算機硬件可以執(zhí)行的表示一種基本操作的計算機硬件可以執(zhí)行的表示一種基本操作的二進制代碼。二進制代碼。指令格式：操作碼指令格式：操作碼 操作數(shù)（操作數(shù)地址）操作數(shù)（操作數(shù)地址）操作碼：指明指令的操作性質(zhì)操作碼：指明指令的操作性質(zhì)操作數(shù)（地址）：指令操作數(shù)的位置（或操作數(shù)本身）操作數(shù)（地址）：指令操作數(shù)的位置（或操作數(shù)本身）計算機的工作原理計算機的工作原理v程序：在此特指一段機器指令序列程序：在此特指一段機器指令序列。完成一定的功能，采用某種算法，具備一定的流程；完成一定的功能，采用某種算法，具備一定的流程；計算機按照程序所規(guī)定的流程和指令順序，一條一條地執(zhí)行指令，達到計算機按照程序所規(guī)定的流

10、程和指令順序，一條一條地執(zhí)行指令，達到完成程序所規(guī)定的功能的目的。完成程序所規(guī)定的功能的目的。計算機采用程序計算器（計算機采用程序計算器（Program CounterProgram Counter）來決定指令執(zhí)行的順序。來決定指令執(zhí)行的順序。操作碼操作數(shù)地址11010101 10000100 01010001 10100000Example Example Y=ax2+bx-c 假定a,b,c,x均為已知數(shù)，且存放在內(nèi)存中，求y。地址結(jié)果y將存放在此值a值b值c值x內(nèi)存00H02H04H06H08H0AH0CH0EH10H12H14H16H18H假定指令系統(tǒng)：16位指令系統(tǒng)OpcodeAdd

11、ress88操作碼說明00HAC (AC)Mem(Add)01HAC Mem(Add)02HAC (AC) Mem(Add)指令A(yù)DDLDSUB03HAC (AC)Mem(Add)MUL04HMem(Add) (AC)STExample Example Y=ax2+bx-c 假定a,b,c,x均為已知數(shù)，且存放在內(nèi)存中，求y。地址結(jié)果y將存放在此值a值b值c值x內(nèi)存00H02H04H06H08H0AH0CH0EH10H12H14H16H18H操作碼說明00HAC (AC)Mem(Add)01HAC Mem(Add)02HAC (AC) Mem(Add)指令A(yù)DDLDSUB03HAC (AC)M

12、em(Add)MUL04HMem(Add) (AC)ST 程序如下代碼0112HAC a0318HAC ax0014HAC ax + b指令LD aMUL xADD b0318HAC ax2+bxMUL x0216HAC ax2 + bx - cSUB c0410HMem (AC)ST yExample Example 地址0112H0318H0014H0318H0216H0410H結(jié)果y值a值b值c值x內(nèi)存00H02H04H06H08H0AH0CH0EH10H12H14H16H18H 程序如下代碼0112HAC a0318HAC ax0014HAC ax + b指令LD aMUL xADD

13、b0318HAC ax2+bxMUL x0216HAC ax2 + bx - cSUB c0410HMem (AC)ST y00H開始PC02HPC04HPC06HPC08HPC0AHPC指令的執(zhí)行過程：微操作指令的執(zhí)行過程：微操作v 微操作：計算機可以完成的最基本的操作，一條機器指令的執(zhí)行微操作：計算機可以完成的最基本的操作，一條機器指令的執(zhí)行可以解釋為一系列的微操作的執(zhí)行可以解釋為一系列的微操作的執(zhí)行操作性質(zhì)：對數(shù)據(jù)進行某種處理操作性質(zhì)：對數(shù)據(jù)進行某種處理操作對象操作對象操作的時間與條件操作的時間與條件BAANDQQDDQQAB微操作ABALUANDBQDQACQDQAC + BACADD

14、 Ctrl微操作AC + B AC指令的執(zhí)行過程指令的執(zhí)行過程ALUABGRAC微操作信號發(fā)生器IDIRPCMBR存儲器MAR微操作控制信號總線AC： 累加器ALU：算術(shù)邏輯運算單元A,B：緩沖器GR： 通用寄存器IR： 指令寄存器ID： 指令譯碼器PC： 程序計數(shù)器MAR：地址寄存器MBR：數(shù)據(jù)寄存器機器結(jié)構(gòu)簡化圖指令的執(zhí)行過程指令的執(zhí)行過程ALUABGRAC微操作信號發(fā)生器IDIRPCMBR存儲器MAR微操作控制信號總線AC： 累加器ALU：算術(shù)邏輯運算單元A,B：緩沖器GR： 通用寄存器IR： 指令寄存器ID： 指令譯碼器PC： 程序計數(shù)器MAR：地址寄存器MBR：數(shù)據(jù)寄存器Instru

15、ctionFetchInstructionDecodeOperandFetchExecuteResultStoreNextInstruction根據(jù)PC內(nèi)容從存儲器取指令送IR指令譯碼器譯碼（解釋指令），形成微操作控制信號在控制信號的作用下取操作數(shù)送運算器運算器執(zhí)行指令功能保存指令結(jié)果形成下條指令的地址并送PC計算機的時序控制方式計算機的時序控制方式v 指令微操作序列指令微操作序列 從微操作本身所執(zhí)行的功能來看，不同的微操作執(zhí)行時間應(yīng)該不同。從微操作本身所執(zhí)行的功能來看，不同的微操作執(zhí)行時間應(yīng)該不同。 對微操作的定時方式成為不同時序控制方式的主要差別對微操作的定時方式成為不同時序控制方式的主要

16、差別v 時序控制方式時序控制方式 異步控制方式：不同的微操作具有不同的定時異步控制方式：不同的微操作具有不同的定時定時精確，性能指標(biāo)高定時精確，性能指標(biāo)高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，時間與空間的矛盾結(jié)構(gòu)復(fù)雜，時間與空間的矛盾 同步控制方式：所有的微操作安排同樣的執(zhí)行時間同步控制方式：所有的微操作安排同樣的執(zhí)行時間統(tǒng)一定時，結(jié)構(gòu)簡單統(tǒng)一定時，結(jié)構(gòu)簡單最復(fù)雜的微操作成為標(biāo)準(zhǔn)，存在時間浪費的現(xiàn)象，性能受到影響最復(fù)雜的微操作成為標(biāo)準(zhǔn)，存在時間浪費的現(xiàn)象，性能受到影響機器主頻（主時鐘周期）：微操作周期機器主頻（主時鐘周期）：微操作周期同步控制方式的時序系統(tǒng)同步控制方式的時序系統(tǒng)v 時序概念與時序信號時序概念與時序信號 指

17、令周期：指令執(zhí)行的時間，包括取指令、分析指令、執(zhí)行指令所需指令周期：指令執(zhí)行的時間，包括取指令、分析指令、執(zhí)行指令所需的時間。的時間。 機器周期：指令周期按功能分成幾個不同的階段，每個階段所需的時機器周期：指令周期按功能分成幾個不同的階段，每個階段所需的時間，稱為一個機器周期。比如取指周期，取數(shù)周期等。間，稱為一個機器周期。比如取指周期，取數(shù)周期等。 節(jié)拍周期：也是時鐘周期，微操作執(zhí)行的時間。節(jié)拍周期：也是時鐘周期，微操作執(zhí)行的時間。 時鐘脈沖信號：計算機系統(tǒng)的基本定時信號，是其他時序信號的基準(zhǔn)時鐘脈沖信號：計算機系統(tǒng)的基本定時信號，是其他時序信號的基準(zhǔn) 一個指令周期一個指令周期 N N 個機器周期個機器周期 一個機器周期一個機器周期 N N 個節(jié)拍周期個節(jié)拍周期主時鐘發(fā)