計(jì)算機(jī)組成原理講義1.Introduction課件

1、本講內(nèi)容透視計(jì)算機(jī)：計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)總結(jié)組成部件內(nèi)部連接理解計(jì)算機(jī)：機(jī)器指令的執(zhí)行過(guò)程計(jì)算機(jī)最基本的操作與控制：微操作指令的執(zhí)行過(guò)程程序的執(zhí)行計(jì)算機(jī)的時(shí)序控制方式時(shí)序系統(tǒng)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)(Architecture)的概念演變What is Computer Architecture ?Computer Architecture = Instruction Set Architecture (ISA) + Machine OrganizationArchitectureISA: 指從編程者角度看到的計(jì)算機(jī)所具備的概念結(jié)構(gòu)和邏輯功能。區(qū)別與計(jì)算機(jī)的物理實(shí)現(xiàn)和物理結(jié)構(gòu)。可編程存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)，指令

2、格式，尋址方式數(shù)據(jù)類(lèi)型，編碼Organization：物理實(shí)現(xiàn)與物理結(jié)構(gòu)主要功能單元機(jī)器性能特征：ALU，Regs，Shifter，Logical Units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ISA的實(shí)現(xiàn)寄存器傳輸層（RTL）的硬件描述計(jì)算機(jī)組成（1）從1946年開(kāi)始，所有的計(jì)算機(jī)都包含如下幾個(gè)部分ControlDatapathUnitsMemoryCPUInputOutput計(jì)算機(jī)組成（1）運(yùn)算器完成最基本的算術(shù)邏輯運(yùn)算ALU(Arithmetic and Logic Unit） Registers DataPath 控制器提供各部件工作所需的控制信號(hào)，控制計(jì)算機(jī)其他部件協(xié)同

3、工作指令部件（Instruction Register ，Instruction Decoder）指令順序控制（Program Counter）時(shí)序邏輯部件（Clock，Timer ，Sequencing Logic）控制信號(hào)生成部件（Control Signal Generator or Control Memory） 運(yùn)算器控制器CPU（Central Process Unit）計(jì)算機(jī)組成（2）存儲(chǔ)器保存程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元（bit, Byte, Word)地址的概念（每一個(gè)字節(jié)單元一個(gè)唯一的地址） 存儲(chǔ)器的工作方式：讀、寫(xiě) 組成：存儲(chǔ)體地址緩沖部件數(shù)據(jù)緩沖部件讀寫(xiě)控制部件存儲(chǔ)器的層次：Ca

4、che RAM Disk Tape輸入輸出實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)內(nèi)部與外界（其他系統(tǒng)或人類(lèi)）的信息交換接口標(biāo)準(zhǔn)與接口部件外部設(shè)備：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備計(jì)算機(jī)內(nèi)部各部件之間的連接：計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)總線(xiàn)結(jié)構(gòu)總線(xiàn)：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(xiàn)、數(shù)據(jù)總線(xiàn)、控制總線(xiàn)單總線(xiàn)結(jié)構(gòu)多總線(xiàn)結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)ISA-Industry Standard Architecture（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)） EISA-Extended ISA（擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)） PCI-Peripheral Connection Interface (周邊元件擴(kuò)充接口) SCSI-Small Computer System Interface(小型計(jì)算

5、機(jī)系統(tǒng)接口)單總線(xiàn)結(jié)構(gòu)Examples IAS （直接連接）1946年，馮諾依曼與同事開(kāi)始研制 IAS,雖直到1952年仍未完成，但該機(jī)結(jié)構(gòu)被公認(rèn)為隨后發(fā)展起來(lái)的通用計(jì)算機(jī)的原型。Examples PC （單總線(xiàn)結(jié)構(gòu)）普通PC（PC/XT）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Examples PC （多總線(xiàn)結(jié)構(gòu)）普通PC（Pentium）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Examples SPARCstation20（多總線(xiàn)結(jié)構(gòu)）Sun SPARCstation20（RISC）Floating-point UnitInteger UnitInstCacheRefMMUDataCacheStoreBufferBus InterfaceSuper

6、SPARCL2 CacheMBus ModuleMBusL64852MBus controlM-S AdapterSBusDRAM ControllerSBusDMASCSIEthernetSTDIOserialkbdmouseaudioRTCFloppySBusCards機(jī)器指令：計(jì)算機(jī)硬件可以執(zhí)行的表示一種基本操作的二進(jìn)制代碼。指令格式：操作碼 操作數(shù)（操作數(shù)地址）操作碼：指明指令的操作性質(zhì)操作數(shù)（地址）：指令操作數(shù)的位置（或操作數(shù)本身）計(jì)算機(jī)的工作原理程序：在此特指一段機(jī)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；計(jì)算機(jī)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(dá)

7、到完成程序所規(guī)定的功能的目的。計(jì)算機(jī)采用程序計(jì)算器（Program Counter）來(lái)決定指令執(zhí)行的順序。操作碼操作數(shù)地址11010101 10000100 01010001 10100000Example 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)OpcodeAddress88操作碼說(shuō)明00HAC (AC)Mem(Add)01HAC Mem(Add)02HAC (AC) Mem(Add)指令A(yù)DDLDSUB03HAC

8、 (AC)Mem(Add)MUL04HMem(Add) (AC)STExample 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(shuō)明00HAC (AC)Mem(Add)01HAC Mem(Add)02HAC (AC) Mem(Add)指令A(yù)DDLDSUB03HAC (AC)Mem(Add)MUL04HMem(Add) (AC)ST 程序如下代碼0112HAC a0318HAC ax0014HAC ax + b指令LD aMUL xADD b0

9、318HAC ax2+bxMUL x0216HAC ax2 + bx - cSUB c0410HMem (AC)ST yExample 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 b0318HAC ax2+bxMUL x0216HAC ax2 + bx - cSUB c0410HMem (AC)ST y00H開(kāi)始PC02HPC04HPC06HPC08HPC0AHP

10、C指令的執(zhí)行過(guò)程：微操作微操作：計(jì)算機(jī)可以完成的最基本的操作，一條機(jī)器指令的執(zhí)行可以解釋為一系列的微操作的執(zhí)行操作性質(zhì)：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行某種處理操作對(duì)象操作的時(shí)間與條件微操作AB微操作AC + B AC指令的執(zhí)行過(guò)程機(jī)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖指令的執(zhí)行過(guò)程InstructionFetchInstructionDecodeOperandFetchExecuteResultStoreNextInstruction根據(jù)PC內(nèi)容從存儲(chǔ)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(hào)在控制信號(hào)的作用下取操作數(shù)送運(yùn)算器運(yùn)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(jì)算機(jī)的時(shí)序控制方式指令微操作序列從微操作本身所執(zhí)行的功能來(lái)看，不同的微操作執(zhí)行時(shí)間應(yīng)該不同。對(duì)微操作的定時(shí)方式成為不同時(shí)序控制方式的主要差別時(shí)序控制方式異步控制方式：不同的微操作具有不同的定時(shí)定時(shí)精確，性能指標(biāo)高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，時(shí)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(shí)間統(tǒng)一定時(shí)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單最復(fù)雜的微操作成為標(biāo)準(zhǔn)，存在時(shí)間浪費(fèi)的現(xiàn)象，性能受到影響機(jī)器主頻（主時(shí)鐘周期）：微操作周期同步控制方式的時(shí)序系統(tǒng)時(shí)序概念與時(shí)序信號(hào)指令周期：指令執(zhí)行的時(shí)間，包括取指令、分析指令、執(zhí)行指令所需的時(shí)間。機(jī)器周期：指令周期按功能分成幾個(gè)不同的階段，每個(gè)階段所需的時(shí)間，稱(chēng)為一個(gè)機(jī)器周期。比如取