計算機組成原理第1章-計算機系統(tǒng)概論的課件

第1章計算機系統(tǒng)概論1§1.1計算機系統(tǒng)簡介一、計算機系統(tǒng)的軟硬件*電子計算機：數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)處理，過程控制*計算機系統(tǒng)的組成：具有特定功能的信息(程序)。如系統(tǒng)程序、應用程序計算機系統(tǒng)表示應用需求是采用按位及跳動式計算、能夠根據(jù)邏輯判斷結果控制計算過程的電子式機器*計算機的功能：計算機的物理實體；如主機、外設等計算機硬件—計算機軟件—2功能的實現(xiàn)方式—*計算機系統(tǒng)功能的實現(xiàn)方式：解題過程—解題結果③③運行*計算機系統(tǒng)組成的特性：軟件功能靠硬件實現(xiàn)，硬件性能靠軟件反映①硬件具備數(shù)據(jù)的存儲、傳送及處理和過程控制功能②軟件表示應用的數(shù)據(jù)處理及過程控制需求

└→程序(指令序列，硬件用不同指令表示不同功能)③執(zhí)行軟件實現(xiàn)應用的數(shù)據(jù)處理及過程控制功能用戶輸入設備輸出設備處理設備存儲設備目標程序(機器語言)源程序(高級語言)①②①編輯②編譯3二、計算機系統(tǒng)的層次結構直接執(zhí)行機器指令機器語言級機器M1用機器語言編程匯編語言級機器M3用匯編語言編程用匯編程序翻譯成機器語言程序高級語言級機器M4用高級語言編程用編譯程序翻譯成匯編語言程序或機器語言程序操作系統(tǒng)級機器M2使用操作系統(tǒng)命令用機器語言解釋操作系統(tǒng)命令微程序級機器M0使用微指令系統(tǒng)用微程序解釋機器指令直接執(zhí)行微指令虛擬機器實際機器4三、計算機結構與組成*計算機系統(tǒng)結構：機器語言程序員所看到的計算機屬性概念性結構和功能特性←┘數(shù)字電路級機器指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示、尋址方式,存儲系統(tǒng)，I/O系統(tǒng)、信息保護等機器語言級機器M1微程序級機器M0硬件軟件匯編語言級機器M3高級語言級機器M4操作系統(tǒng)級機器M2軟硬件交界面*計算機組成：實現(xiàn)計算機系統(tǒng)結構時所體現(xiàn)的計算機屬性指令功能邏輯實現(xiàn)、部件組成、控制機構、排隊及緩沖技術等器件技術、組裝技術等*計算機實現(xiàn)：實現(xiàn)計算機組成時所體現(xiàn)的計算機屬性5*相互關系：計算機系統(tǒng)結構—確定軟硬件功能分配及其界面特性；計算機組成—邏輯實現(xiàn)系統(tǒng)結構的內容；計算機實現(xiàn)—物理實現(xiàn)計算機組成的內容舉例系統(tǒng)結構計算機組成計算機實現(xiàn)乘法功能是否有乘法指令乘法器還是加法+移位器件、電路主存系統(tǒng)最大容量、編址方式速度保證、單體/多體MEM總線帶寬信號線數(shù)、時鐘、傳輸方式6§1.2計算機系統(tǒng)基本組成一、馮·諾依曼模型計算機*結構與組成：

由運算器、存儲器、控制器、輸入及輸出設備組成，

以運算器為中心；輸入設備存儲器運算器控制器輸出設備注：數(shù)據(jù)信息指令信息控制信息狀態(tài)信息*數(shù)據(jù)表示與運算：

指令及數(shù)據(jù)均用二進制方式表示，運算亦采用二進制方式7*指令組成：

由操作碼及地址碼組成；010

01000

10000例：若加法運算的操作碼用010表示，第01000號與第10000號兩個存儲單元內容相加的操作可表示為：表示操作的性質表示操作數(shù)在存儲器中的位置*存儲程序原理—程序存儲方式：

指令及數(shù)據(jù)預先存放(以等同地位)在存儲器中；*存儲器結構：

由定長單元構成的一維空間，存儲器按地址訪問；操作碼

地址碼1地址碼28*存儲程序原理—程序控制機制：按程序邏輯順序、自動地、逐條地取出指令并執(zhí)行。循環(huán)的指令執(zhí)行過程物理順序(指令地址)指令內容程序邏輯順序A+0intnCount=0；⑴A+1intnSum=0；⑵A+2LP:nSum+=nCount；⑶⑹⑼A+3nCount++；⑷⑺⑽A+4if(nCount<4)gotoLP；⑸⑻⑾A+5COUT>>nSum；⑿取指令過程執(zhí)行指令過程指令地址+“1”指令發(fā)生轉移時下條指令地址由當前指令產生9二、計算機硬件的基本組成1、計算機硬件的結構現(xiàn)代計算機均在馮·諾依曼模型基礎上進行改進*采用以存儲器為中心的結構：使數(shù)據(jù)傳送與數(shù)據(jù)處理并行，有利于提高系統(tǒng)性能存儲器輸出設備輸入設備結果程序數(shù)據(jù)控制器運算器直接存儲器訪問(DMA)技術緩沖器緩沖器緩沖技術810*由多種存儲器構成存儲系統(tǒng)：解決速度-容量-價格間的矛盾，有利于提高性能/價格主存(內存)輔存(外存)計算機硬件運算器控制器存儲器輸入設備輸出設備CPU主機I/O設備(外設)I/O設備主存儲器MM控制單元CUCPU算術邏輯單元ALU主機包含輔存(如DISK等)11*采用總線互連形式：實現(xiàn)部件操作標準化，有利于提高系統(tǒng)的可擴展性CPU主存I/O接口1…MEM總線I/O設備1I/O接口nI/O設備n總線橋I/O接口I/O設備…I/O接口I/O設備I/O總線非標準格式標準格式按地址訪問min{所連I/O設備速度}122、計算機部件的基本組成(1)存儲器*功能：存儲程序和數(shù)據(jù)、通過讀/寫操作接收/提供信息地址……存儲陣列I/O電路地址譯碼器……數(shù)據(jù)命令*術語：存儲元件(存儲元)—可存儲一個二進制位的元件；存儲單元—可同時存儲一串二進制位的元件；

存儲字—存儲單元內存儲的二進制編碼；存儲陣列—所有存儲單元的集合

存儲單元地址—每個存儲單元被賦予的惟一編號存儲容量—存儲陣列可存儲的二進制位數(shù)………………01n-10

1

…

w-1…01…n-1……存儲字長W存儲字*組成：13*完成操作的過程：讀操作—①接收地址及命令，內部操作；②輸出數(shù)據(jù)…I/O電路地址譯碼器…………①0…01①Read地址譯碼器I/O電路②1#的存儲字寫操作—①接收地址及命令；②接收數(shù)據(jù)，內部操作14(2)運算器*功能：實現(xiàn)算術運算及邏輯運算，并暫存運算結果*組成：寄存器組(堆)Func存儲器ALU寄存器型運算器ACFunc存儲器ALU累加器型運算器TEMP*(AC)+[Y]→AC的運算過程：(0)(AC)為被加數(shù)AC存儲器ALUTEMPACFuncTEMP(1)加數(shù)[Y]→TEMP(2)(AC)＋(TEMP)(3)ALU結果→AC△約定：(X)表示寄存器X中內容，[Y]表示存儲單元Y中內容15(3)控制器*功能：指揮及控制各部件協(xié)調地工作，以實現(xiàn)程序執(zhí)行過程

*程序執(zhí)行過程：

①循環(huán)的指令執(zhí)行過程(取指令及執(zhí)行指令)；②下條指令地址由當前指令產生(按程序邏輯順序)指令地址寄存器PC存儲器指令內容寄存器IR指令譯碼器ID功能部件+“1”地址形成部件取指令取指階段分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行階段指令產生轉移時1016*控制器功能的實現(xiàn)方法：①循環(huán)產生指令執(zhí)行過程不同時段的時標信號；②在不同時段產生當前指令執(zhí)行所需的部件控制信號

*組成：指令寄存器IR…程序計數(shù)器PC指令譯碼器ID控制信號形成部件時序部件控制器…①②②17(4)輸入/輸出設備*功能：實現(xiàn)外部-內部信息的輸入/輸出及格式轉換；*種類：鍵盤、鼠標、顯示器、打印機、磁盤等；*連接：通過I/O接口(又稱適配器或控制器)與總線連接，I/O接口實現(xiàn)信息傳送時的緩沖、中轉等功能主存…系統(tǒng)總線主存控制器CPU用戶交互接口鍵盤、鼠標等磁盤適配器磁盤通信接口串口等總線接口BIU18三、計算機軟件的基本組成1、計算機軟件分類軟件分為系統(tǒng)軟件及應用軟件兩大類。語言處理程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)服務性程序網絡管理程序操作系統(tǒng)科學計算信息管理自動控制人工智能虛擬現(xiàn)實實際機器軟硬件交界面系統(tǒng)軟件應用軟件虛擬機器應用語言環(huán)境高級語言環(huán)境匯編語言環(huán)境操作系統(tǒng)環(huán)境應用語言程序高級語言程序匯編語言程序操作系統(tǒng)命令串192、操作系統(tǒng)(OperatingSystem,OS)OS是管理所有的硬件資源及軟件環(huán)境的軟件。*主要功能：

文件管理、作業(yè)管理、進程管理、存儲管理、設備管理程序輔存進程調度與控制

程序執(zhí)行請求進程面向軟件的硬件管理*進程的調度與控制：調度—在適當時候、按照一定算法確定即將運行的進程；│└→如優(yōu)先級、輪轉、先來先服務

└→如時間片已滿、有I/O請求、進程結束控制—調度完成時，控制上行/下行進程的環(huán)境切換CPU時間OS進程進程1進程2進程320四、計算機系統(tǒng)的工作過程指令類型指令格式操作碼OP地址碼ADDR取數(shù)001*****存數(shù)010*****加法011*****停機100無效1、機器語言程序的形成*假設的計算機指令系統(tǒng)：*y=x+b的機器語言程序：有編程和編譯兩個步驟，

指令與數(shù)據(jù)等同存儲在MM中地址程序中指令注釋OPADDR000100100AC←[x]101100101AC←(AC)＋[b]201000110[y]←(AC)3101*****停機4x原始數(shù)據(jù)x5b原始數(shù)據(jù)b6y結果數(shù)據(jù)y指令類型指令(操作)功能取數(shù)AC←[ADDR]存數(shù)ADDR←(AC)加法AC←(AC)＋[ADDR]停機程序執(zhí)行結束212、計算機硬件的工作過程

思考：MAR/MDR對寫MEM操作的影響？CPUI/O設備AddrDataCmd…控制信號形成部件時序部件ID+“1”I/O接口ACALUIRPC……存儲陣列I/O電路地址譯碼器…系統(tǒng)總線…MARMDR主存儲器與REGa、REGd等無關(0)REGa→MAR(1)MAR→ABus、Read→CBus(2)WaitMFC、結束時DBus→MDR(3)MDR→REGd1618REGa、REGd被占用(總線)*MAR/MDR對訪存操作過程的影響：以讀MEM為例

(1)REGa→ABus、Read→CBus(2)WaitMFC、結束時DBus→REGd22(1)指令執(zhí)行過程有取指令、分析指令、執(zhí)行指令3個步驟*取數(shù)指令的執(zhí)行過程：以AC←[X]為例MDR主存儲器MARMDR運算器ALUAC…控制信號形成時序部件PCIRID控制器+“1”……MARPC+“1”IRIDPCMARXMDRAC*加法指令的執(zhí)行過程：以AC←(AC)+[Y]為例主存儲器MARMDR運算器ALUAC…控制信號形成時序部件PCIRID控制器+“1”……PCIRIDMARMDRYALUAC1723(2)程序執(zhí)行過程

*程序執(zhí)行的實現(xiàn)方法：--控制器指揮與控制①取指—(PC)→[MM]→IR，(PC)+“1”→PC；

②分析—(IR)→ID→CU；

③執(zhí)行—實現(xiàn)指令約定操作(指令轉移時重寫PC)；

④循環(huán)—若無中斷執(zhí)行的要求，轉①17例—y=x+b的機器語言程序執(zhí)行過程:

00000

00100100AC←[x]

00001

01100101AC←(AC)+[b]

00010

01000100[y]←(AC)

00011

101*****停機*程序執(zhí)行的初始條件：

(a)程序及數(shù)據(jù)已存放在主存儲器MM中；

(b)PC內容已經為即將執(zhí)行的程序首條指令地址2424⑴⑵⑶

；MAR＝PC＝00000，取指開始；PC←00001（下條地址）；IR＝00100100，取指完成；CU得知當前為取數(shù)指令PC→MAR、MAR→ABus、Read→CBusWaitMFC，(PC)＋1→PC MDR→IR ID對OP(IR)譯碼⑺⑻⑼

；MAR＝PC＝00001，取指開始；PC←00010（下條地址）；IR＝01100101，取指完成；CU得知當前為加法指令PC→MAR、MAR→ABus、Read→CBusWaitMFC，(PC)＋1→PC MDR→IR ID對OP(IR)譯碼⑷⑸⑹；MAR＝00100，執(zhí)行開始

；AC＝MDR＝x，執(zhí)行完成AD(IR)→MAR、MAR→ABus、Read→CbusWaitMFCMDR→AC⑽⑾⑿；MAR＝00101，執(zhí)行開始

；AC＝x＋b，執(zhí)行完成AD(IR)→MAR、MAR→ABus、Read→CBusWaitMFC(MDR)＋(AC)→AC25機器自動停機；執(zhí)行停機指令完成212517⒀⒁⒂

；MAR＝PC＝00010，取指開始；PC←00011（下條地址）；IR＝01000110，取指完成；CU得知當前為存數(shù)指令PC→MAR、MAR→ABus、Read→CBusWaitMFC，(PC)＋1→PC MDR→IR ID對OP(IR)譯碼⒅⒆⒇

；MAR＝PC＝00011，取指開始；PC←00100（下條地址）；IR＝100*****，取指完成；CU得知當前為停機指令PC→MAR、MAR→ABus、Read→CBusWaitMFC，(PC)＋1→PC MDR→IR ID對OP(IR)譯碼；MAR＝00110，執(zhí)行開始；MDR＝AC＝x＋b，執(zhí)行完成AD(IR)→MAR、MAR→ABus、Write→CbusAC→MDR、MDR→DBus、WaitMFC⒃⒄263、程序的執(zhí)行管理(1)程序的執(zhí)行請求方式*方式2：支持多種請求方式，由OS進行程序的執(zhí)行管理*方式1：從主存固定位置開始執(zhí)行

應用—常用于計算機剛啟動時的程序執(zhí)行(如BIOS程序)

要求—主存由RAM及ROM組成執(zhí)行請求方式—

用戶交互式請求，BOOT程序請求，OS的定時任務請求；執(zhí)行請求管理—

OS通過作業(yè)管理機構進行作業(yè)的登錄、調度等管理2127(2)程序的執(zhí)行準備(即作業(yè)登錄)(3)程序的執(zhí)行管理(即進程管理)*進程調度：在適當時候、按照一定算法選擇即將運行的進程*進程控制：導入所選PCB的硬件相關內容(如程序首址)到CPU中①創(chuàng)建PCB②拷貝程序②填充PCBCPUMEMDISK③導入硬件相關內容④按(PC)取并執(zhí)行指令*加載程序：

--硬件資源管理所需

為進程申請主存，將程序文件內容拷貝到主存，并將相關信息(如程序首指令地址等)填到PCB中；*創(chuàng)建進程：

--軟件環(huán)境管理所需建立進程控制塊PCB(含程序文件名、進程ID、進程狀態(tài)等)；PCB

*進程執(zhí)行：CPU自動按PC值取指令并執(zhí)行(為進程的指令)2128§1.3計算機系統(tǒng)的性能指標一、計算機系統(tǒng)的性能指標*系統(tǒng)性能：指在計算機硬件上運行的計算機軟件的性能1、硬件性能參數(shù)*機器字長：指CPU一次能處理的二進制位數(shù)。

└→指ALU一次能處理的n位CPU—指機器字長為n個二進制位的CPU；例如，Core2CPU為64位CPU對系統(tǒng)性能的影響—機器字長越長，數(shù)據(jù)處理性能越好；

(∵應用數(shù)據(jù)長度＞機器字長時，需分次運算)對其它硬件的影響—直接影響ALU、REG長度，間接影響存儲字長、數(shù)據(jù)總線位數(shù)29*機器主頻：指CPU內部主時鐘脈沖的頻率，常用f

表示。主頻單位—1GHz=1×103MHz=1×106KHz=1×109Hz；*存儲容量：指存儲器可存儲二進制信息的總位數(shù)。主存容量—容量S

=存儲單元個數(shù)×存儲字長；

輔存容量—容量S

=存儲塊個數(shù)×存儲塊長度；最大主存容量—CPU能夠訪問的主存最大容量，它決定了CPU的地址和數(shù)據(jù)引腳數(shù)量數(shù)據(jù)線位數(shù)：通常=機器字長或存儲字長，地址線位數(shù)：=log2(最大主存容量/數(shù)據(jù)線位數(shù))時鐘周期—CPU內部基本操作的時長，常用TC表示；

f

與TC關系—倒數(shù)關系，即f

=1/TC容量單位—1GB=1×210MB=1×220KB=1×230B=8×230bit；

思考：為何不用存儲字長或機器字長為單位？30*響應時間：指一個任務從任務輸入到結果輸出的總時間，即T響應=TCPU+TI/O等待，TCPU=T運算+TMEM+TI/O2、系統(tǒng)性能指標時間是唯一標準，主要有響應時間和吞吐量兩個指標。特點—反映了單任務計算機系統(tǒng)的軟硬件總體性能優(yōu)化：CPU轉去執(zhí)行其它程序→多任務計算機系統(tǒng)CPU時間—TCPU=IN

×CPI×TC=

n為指令系統(tǒng)的指令種類數(shù)，CPIi為第i

種指令所需時鐘周期數(shù)；

IN

為程序執(zhí)行的總指令數(shù)(≠程序包含的指令數(shù)，但有關聯(lián))；

Ii為第i

種指令的執(zhí)行次數(shù)，CPI為每條指令平均所需時鐘周期數(shù);

TC為時鐘周期，是機器主頻的倒數(shù)

TCPU與程序算法、編譯程序、指令系統(tǒng)、CPIi及TC均相關31例1—某計算機主頻為2GHz，指令系統(tǒng)只有Ⅰ類指令及Ⅱ類指令，指令長度分別為1B及2B，指令執(zhí)行時間分別為5個及8個時鐘周期。程序A的大小為2MB，其中30%空間為Ⅰ類指令；程序A執(zhí)行時，所有指令中共有20%的指令需重復執(zhí)行30次，在這些重復執(zhí)行的指令中，有40%為Ⅱ類指令。求完成程序A的CPU時間。解：程序A包含的Ⅰ類指令數(shù)=(2MB×30%)/1B=0.6×220條，Ⅱ類指令數(shù)=(2MB×70%)/2B=0.7×220條；

重復執(zhí)行的指令數(shù)=(0.6×220+0.7×220)×20%=0.26×220條;執(zhí)行的Ⅰ類指令數(shù)=0.6×220+0.26×220×60%×29次，Ⅱ類指令數(shù)=0.7×220+0.26×220×40%×29次；

TCPU=5.124×220×5×TC+3.716×220×8×TC=(25.62+29.728)×220×TC=55.348×220÷(2×109)≈29ms3132特點—反映了多任務計算機系統(tǒng)的軟硬件總體性能△MIPS(每秒百萬次指令)

缺點：不能反映指令系統(tǒng)功能強弱(可用相對MIPS法)表示—因工作量無統(tǒng)一定義，通常用MIPS及MFLOPS代替*吞吐量：又稱吞吐率，指單位時間內能處理的工作量，即吞吐量=n個任務的總工作量÷n個任務的總時間

△MFLOPS(每秒百萬次浮點運算)

缺點：只反映了浮點操作能力，不能反映系統(tǒng)整體性能*其他：RAS(可靠性/可用性/可維護)，兼容性等3233二、性能設計1、馮·諾依曼模型計算機的性能瓶頸*CPU-MEM瓶頸：CPU與MEM的速度差距越來越大CPU速度—4~5倍/3年，得益于VLSI技術、器件技術；MEM速度—1~2倍/3年，受限于容量-速度-成本的矛盾。

解決方案—需從結構與技術方面解決兩者速度匹配問題*指令串行執(zhí)行瓶頸：指令逐條執(zhí)行導致性能受限解決方案1—快速串行處理，性能受器件技術的限制，改進效果不佳；解決方案2—并行處理，性能受串行程序指令間相關的限制，需從結構與技術方面解決指令間相關問題342、性能平衡設計重點解決CPU-MEM瓶頸，減少訪存延遲、或提高訪存效率*增設Cache：減少訪存延遲，減少訪問主存頻率；*增加總線數(shù)據(jù)寬度：提高訪存效率，以減少訪存次數(shù)；*采用多級總線：主存連接在最快速總線上，減少訪存延遲3、CPU性能設計重點解決指令串行執(zhí)行瓶頸，提高并行性、或減少并行性能的損失*開發(fā)并行技術：操作級流水→操作級并行→指令級并行；(流水線)(SSE)(超標量流水)*采用數(shù)據(jù)流技術：按序執(zhí)行→亂序執(zhí)行；(程序順序)(指令就緒順序)*使用轉移預測技術：按預測方向先執(zhí)行，猜錯時再回頭執(zhí)行111335§1.4計算機系統(tǒng)發(fā)展歷程一、計算機硬件的發(fā)展歷史第一代第二代第三代第四代第五代年代1946~19571958~19641965~19711972~19901991~元器件電子管晶體管