計算機組成原理

計算機組成原理

第一章概論

李曦本課程的作用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)算法設(shè)計組成原理操作系統(tǒng)編譯原理體系結(jié)構(gòu)。。。。。?！坝嬎銠C系統(tǒng)〞涉及的問題計算機科學(xué)永恒的問題：如何設(shè)計出更好的計算機，如何利用好現(xiàn)有的計算機教學(xué)目的課程內(nèi)容外圍部件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)總線〔總線性能、總線結(jié)構(gòu)、總線控制〕存儲器〔主存儲器、高速緩存、輔助存儲器〕輸入輸出系統(tǒng)〔外設(shè)、I/O接口、I/O控制方式〕中央處理器〔CPU〕計算機的運算方法指令系統(tǒng)CPU的結(jié)構(gòu)控制單元設(shè)計主存ALU控制單元外設(shè)主機CPU教材Textbook：唐朔飛，?計算機組成原理?高等教育出版社，2000Reference:PattersonandHennessy,“ComputerOrganizationandDesign:TheHardware/SoftwareInterface〞,2ndEdition,1998王愛英，?計算機組成與結(jié)構(gòu)?，清華大學(xué)出版社,1995:///~cs152成績考核期末考試：55％〔閉卷〕作業(yè)：30％，不能抄襲不能補交！課堂練習(xí)：5％課外實踐：10％編程實踐：仿真調(diào)查報告：〔2～3篇〕理解與綜合能力，不能抄襲，要有參考文獻資料來源：教材、參考書、Internet教師主講：李曦〔〕助教：趙振剛〔〕本章教學(xué)內(nèi)容計算機系統(tǒng)概述計算機軟硬件計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機組成VS.計算機體系結(jié)構(gòu)計算機的根本組成VonNeumann機的特征計算機的硬件構(gòu)成計算機的工作過程計算機硬件的性能指標能行計算理論可計算性：判斷一類數(shù)學(xué)問題是否機械可解問題的可計算性計算：是一種過程算法：對計算過程的步驟或狀態(tài)的一種刻畫，是計算方法的一種實現(xiàn)方式。計算模型：刻畫“計算〞這一概念的抽象的形式化系統(tǒng)或數(shù)學(xué)系統(tǒng)。指具有狀態(tài)轉(zhuǎn)換特征，能夠?qū)λ幚淼膶ο蟮臄?shù)據(jù)或信息進行表示、加工、變換、輸出的數(shù)學(xué)機器。遞歸函數(shù)、λ演算、圖靈機等關(guān)于計算模型的兩個重要原理相似性原理計算復(fù)雜性是否與計算模型有關(guān)？不同計算模型解決同一類問題所需資源是否相同?所有計算模型的計算能力等同所有合理的、功能足夠強大的計算模型可以相互模擬計算，且使用的本質(zhì)相同的并行計算時間、串行計算時間和空間丘奇－圖靈論題：可計算性等價于圖靈機可計算性對偶性原理在并行計算模型上，計算的時間與空間可以互換圖靈機模型為存儲程序式電子計算機提供了重要的設(shè)計思想結(jié)構(gòu)一條兩端可以無限延伸的紙帶〔其上有無窮多可擦寫的小格〕；一個讀寫頭〔符號包括0、1、b〕；一個控制器〔執(zhí)行控制讀寫頭工作的命令〕五元組：〔狀態(tài)、符號〕→〔寫符號、移動、狀態(tài)〕狀態(tài)集：含一個開始狀態(tài)，一個結(jié)束狀態(tài)00011101111100控制器q101Rq1q110Rq1q1bbRq2q2bbLq3q200Hq1q211Hq1控制命令：當(dāng)進入結(jié)束狀態(tài)時，圖靈機停機，紙帶上的內(nèi)容為輸出結(jié)果VonNeumann機的特征計算機構(gòu)成由五個局部構(gòu)成：運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備指令和數(shù)據(jù)存儲方式“以同等地位〞存放于存儲器內(nèi)，分別按地址訪問指令和數(shù)據(jù)表示形式均用二進制碼表示指令構(gòu)成由操作碼和地址碼構(gòu)成指令執(zhí)行按順序存放，順序執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸機器以運算器為中心VonNeumann機的組織結(jié)構(gòu)存儲器運算器控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備實線：數(shù)據(jù)流虛線：控制流現(xiàn)代計算機的組織結(jié)構(gòu)運算器存儲器控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備主存ALU控制單元外設(shè)主機CPUHarvardarchitecturePCdatamemoryprogrammemoryaddressdataaddressdataIRCPU細化的計算機系統(tǒng)組織ACCMQALUXCUIRPC

存儲體

MDRMARI/O＋1運算器控制器主存控制信號CPU功能主存ALU控制單元外設(shè)主機CPU例如——指令指令格式指令字長16位：操作碼6位，地址碼10位例：0000010000001000指令操作碼load〔000001〕：[M]->ACCstore〔000010〕：ACC->Madd〔000011〕：ACC+[M]->ACCmul〔000100〕：ACC*[M]->ACCprint〔000101〕：打印[M]hlt〔000110〕：停機指令的執(zhí)行過程取指根據(jù)PC訪存讀取當(dāng)前要執(zhí)行的指令PC＋1譯碼識別指令字中的操作類型，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號取操作數(shù)根據(jù)指令字的地址域訪存執(zhí)行寫回計算機的工作過程執(zhí)行每一條指令，都包括取指、譯碼和執(zhí)行三個根本步驟，所以，計算機的工作過程，也就是不斷地取指令、譯碼和執(zhí)行的過程，直到遇到停機指令。取指令，PC值加1停機?譯碼結(jié)束YN執(zhí)行存儲器的組織存儲單元按字節(jié)或字尋址程序和數(shù)據(jù)順序存放數(shù)據(jù)段代碼段讀寫操作以數(shù)據(jù)總線寬度為單位00000001001011101111低端高端1KB存儲器地址

存儲內(nèi)容

010011010101101011…102310100111

CPU

地址數(shù)據(jù)讀寫控制例如——操作過程存放器使用規(guī)那么ACC：操作數(shù)之一和結(jié)果MQ：操作數(shù)之一和結(jié)果X：操作數(shù)之一加法[M]->X;ACC+[X]->ACC減法[M]->X;ACC-[X]->ACC乘法[M]->MQ;ACC->X;0->ACC;[X]*MQ->ACC//MQ除法[M]->X;ACC/[X]->MQ;余數(shù)在ACC中例如——ax2+bx+c(ax+b)x+cx->ACCx*a->ACCax+b->ACCx*(ax+b)->ACC(ax+b)x+c->ACC地址opopr0000000001(ld)00000010000001000100(mul)00000010010010000011(add)00000010100011000100(mul)000000100001000000110000001011010100001000000011000110000101000000110001110001101000x1001a1010b1011c1100例如——程序的執(zhí)行過程計算1+2=?匯編語言程序 對應(yīng)的機器指令 對應(yīng)的操作

MOVAL,1 10110000 將立即數(shù)1傳送到累加存放器AL中 00000001 ADDAL,2 00000100 計算兩個數(shù)的和，結(jié)果存放到AL中 00000010 MOV[0008],AL 10100010 將AL中的數(shù)傳送到地址單元0008 00001001 00000000 HLT 11110100 停機 程序的執(zhí)行過程計算機的解題過程用戶采用程序設(shè)計語言描述問題的求解過程，計算機在程序的控制下完成問題的求解計算機只能識別用0/1代碼表示的程序用戶需要使用高級語言編程高級語言源程序機器語言目標代碼實際機器執(zhí)行結(jié)果問題程序設(shè)計語言機器語言由0/1代碼表示機器能完成的各種操作〔指令〕例：MCS-51兩個存放器相加的機器語言指令：00101000依賴于機器〔處理器指令集〕，難于理解匯編語言用便于書寫和記憶的符號表示機器的各種操作ADD、SUB、MUL、DIV、JMP、CMP等例：MCS-51兩個存放器相加匯編語言指令：ADDA，R0依賴于機器高級語言程序描述方式適合人類的習(xí)慣與平臺無關(guān)性高級語言的執(zhí)行方式需要將高級語言程序轉(zhuǎn)換成機器語言程序，才能在實際機器上執(zhí)行編譯執(zhí)行：利用編譯器一次性將高級語言程序翻譯成機器語言程序C、FORTRAN。。。解釋執(zhí)行：語句翻譯一條，執(zhí)行一條，直至結(jié)束BASIC、JavaScript。。。計算機系統(tǒng)組成計算機系統(tǒng)硬件主機處理器(CPU)軟件外圍設(shè)備運算器控制器存儲器(內(nèi)存)RAMROM外部設(shè)備輔助設(shè)備輸入設(shè)備(鍵盤、掃描儀、語音識別儀…)輸出設(shè)備(顯示器、打印機、繪圖儀、…)輔助存儲器(磁帶、磁盤、光盤)輸入/輸出接口(PIO、SIO、CTC、ADC、DAC…)(I/O接口)總線(AB、DB、CB)系統(tǒng)軟件(操作系統(tǒng)，編輯、編譯程序，故障診斷,監(jiān)控程序…)應(yīng)用軟件(科學(xué)計算，工業(yè)控制，數(shù)據(jù)處理…)程序設(shè)計語言(機器語言、匯編語言、高級語言)電源電路時鐘電路計算機系統(tǒng)組成——硬件系統(tǒng)華碩P4S533-MX主板內(nèi)存條插槽CPU風(fēng)扇支架PCI擴展槽IDE硬盤接口各種外設(shè)接口，包括：鍵盤、鼠標、顯示器、USB、聲卡、網(wǎng)卡、并行口等CPU插槽兩個概念層次化結(jié)構(gòu)化分析方法從框架結(jié)構(gòu)到具體實現(xiàn)細節(jié)——“逐步求精〞的分析設(shè)計方法虛擬機系統(tǒng)的一種抽象視圖計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)實際機器M1（機器語言）實際機器M1（機器語言）虛擬機M2（匯編語言）虛擬機M2（匯編語言）實際機器M1（機器語言）虛擬機M3（高級語言）計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)虛擬機M2（匯編語言）實際機器M1（機器語言）虛擬機M3（高級語言）虛擬機M2（匯編語言）傳統(tǒng)機器M1（機器語言）虛擬機M3（高級語言）微程序機器M1（微指令）虛擬機M3（匯編語言）傳統(tǒng)機器M1（機器語言）虛擬機M4（高級語言）微程序機器M0（微指令）虛擬機M2（操作系統(tǒng)）計算機組成VS.計算機體系結(jié)構(gòu)計算機體系結(jié)構(gòu)(Computerarchitecture〕程序員可見的機器屬性特指機器語言程序員。屬性包含結(jié)構(gòu)特征和功能特征，如數(shù)據(jù)表示、尋址規(guī)那么、存放器定義、指令集、存儲系統(tǒng)、I/O結(jié)構(gòu)等。

計算機組織(Computerorganization&implementation〕計算機體系結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)包括實際機器的數(shù)據(jù)流和控制流的組成，以及邏輯設(shè)計等。它著眼于物理機器內(nèi)部各事件的排序方式與控制方式，各部件的功能，以及各部件的聯(lián)系。計算機組成VS.計算機體系結(jié)構(gòu)I/OsystemProcessorCompilerOperatingSystem(Windows2K)Application(Netscape)DigitalDesignCircuitDesignInstructionSetArchitecture(ISA)Datapath&ControlLayoutMemoryHardwareSoftwareAssembler計算機組成VS.計算機體系結(jié)構(gòu)計算機體系結(jié)構(gòu)分類按指令集特征復(fù)雜指令集〔CISC〕精簡指令集〔RISC〕超標量〔Superscalar〕超流水線〔Superpipeline〕超長指令字〔VLIW〕按并行執(zhí)行特征單指令流單數(shù)據(jù)流〔SISD〕單指令流多數(shù)據(jù)流〔SIMD〕多指令流單數(shù)據(jù)流〔MISD〕多指令流多數(shù)據(jù)流〔MIMD〕HotTopicsinComputerArchitecture1950sand1960s:ComputerArithmetic1970and1980s:InstructionSetDesignISAAppropriateforCompilers1990s:DesignofCPU,memory,andI/OsystemMultiprocessorsInstructionSetExtensions2000s:SOCdesignSpecializedapplicationprocessors計算機硬件的性能指標機器字長CPU一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)存放器、ALU、總線、存儲器等字長越長，數(shù)的表示范圍越大，精度越高4位、8位、16位、32位、64位存儲容量存儲器可存儲的二進制數(shù)據(jù)總數(shù)容量＝存儲單元個數(shù)×存儲字長MAR＝16位，那么有64K個存儲單元；MDR＝32位，那么共可存儲64K×32＝2Mb00000001001011101111低端高端計算機硬件的性能指標運算速度依賴于機器的主頻、操作類型、存儲器訪問時間等主頻也叫做時鐘頻率，用來表示微處理器的運行速度主頻的單位是MHzMIPS：每秒能執(zhí)行多少百萬條指令由于執(zhí)行不同類型的指令所需時間長度不同，所以MIPS通常是根據(jù)不同指令出現(xiàn)的頻度乘上不同的系數(shù)求得的統(tǒng)計平均值。FLOPS：每秒鐘浮點運算次數(shù)可靠性平均無故障運行時間MTBF(MeanTimeBetweenFailures),平均無故障間隔時間。性能/價格比例如——Intel微處理器性能系統(tǒng)性能評價對象硬件系統(tǒng)價格、效勞、應(yīng)用軟件、質(zhì)量、功能、升級能力、性能、功耗。。。桌面系統(tǒng)性能評價CPU主頻、內(nèi)存大小、內(nèi)存總線帶寬、I/O總線性能、圖形處理工作站效勞器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)操作系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)事務(wù)處理Web性能定點性能浮點性能圖形圖像處理性能Web效勞性能數(shù)據(jù)處理性能科學(xué)與工程計算性能系統(tǒng)軟件性能指標執(zhí)行時間〔CPU時間、ElapsedTime〕峰值速度〔PeakPerformance〕負載〔load〕開銷〔Overhead〕利用率〔UtilizationRatio〕飽和性能〔SaturatePerformance〕帶寬〔Bandwidth〕延遲〔Latency〕吞吐率〔Throughput〕加速比〔Speedup〕效率〔Efficiency〕性能評測的常用方法時鐘頻率體系結(jié)構(gòu)不同，難于比較指令執(zhí)行速度〔MIPS〕比較加法指令的運算速度等效指令速度〔吉普森(Gibson)混合法〕以程序中各種指令的比例為權(quán)重，加權(quán)平均數(shù)據(jù)處理速率PDR(processingdatarate)法每條指令平均位數(shù)、每個操作數(shù)的平均位數(shù)、每條指令平均運算速度基準程序法(benchmark)考慮CPU、I/O結(jié)構(gòu)、操作系統(tǒng)、編譯器效率等評價計算機的實際工作能力基準測試套Dhrystone整數(shù)測試程序一個綜合性的基準測試程序適于比較同一家族的機器Linpack測試向量性能和高速緩存性能Whetstone一個綜合性測試程序測試浮點操作、整數(shù)計算和功能調(diào)用等性能SPECSystemPerformanceEvaluationCooperativeTPC(TransactionProcessingCouncil)計算機〔效勞器〕事務(wù)處理性能測試程序SPEC2000系列LmbenchSGI開發(fā)，測試操作系統(tǒng)性能空系統(tǒng)調(diào)用時間，進程切換時間，pipe、UDP、TCP、RPC的延遲和帶寬，內(nèi)存、Cache、TLB的讀寫性能，存儲映射的性能WebstoneSGI在1995年開發(fā)，評測系統(tǒng)在不同環(huán)境、不同負載模式下的Web效勞性能系統(tǒng)吞吐量〔MB/s〕、延遲〔完成一個頁面請求的時間〕、每分鐘傳送的頁面數(shù)、平均連接率、失效率Netperf評測計算機系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)性能，也可用來評測DLPI〔DataLinkProviderInterface〕，UnixDomainSocket的性能TCP、UDP的帶寬和請求應(yīng)答數(shù)測試程序〔續(xù)〕SPECsfs97評測系統(tǒng)的NFS性能采用客戶機/效勞器模式，客戶機向效勞器發(fā)送特定的NFS請求，得到NFS文件效勞器的吞吐量和響應(yīng)時間SPECjvm98使用8個應(yīng)用來評測JAVA虛擬機的性能SPLASHStanford大學(xué)開發(fā)，評測共享存儲系統(tǒng)性能pcw2021_v186.exePCPowerPCG5：世界上最快的處理器根據(jù)SPEC@CPU2000基準測試結(jié)果比較對象配備3GHzPentium4處理器的DellDimension8300配備3.06GHz雙Xeon處理器的DellPrecision650。電子計算機ENIAC，運算速度5000次/秒，功耗150kw/h，占地170m2，造價100萬美元。電子計算機的開展電子管計算機〔VacuumTubes〕1946-1958：磁鼓存儲器，機器語言、匯編語言編程。ENIAC晶體管計算機〔Transistors〕1958-1964：磁芯作主存儲器,磁盤作外存儲器，開始使用高級語言編程。IBM700/7000系列，50萬次/s集成電路計算機1964-1971：使用半導(dǎo)體存儲器，出現(xiàn)多終端計算機和計算機網(wǎng)絡(luò)IBM360系列，百萬次/s大規(guī)模集成電路計算機1971-：出現(xiàn)微型計算機、單片微型計算機，外部設(shè)備多樣化人工智能計算機1981-：模擬人的智能和交流方式電子計算機分類電子計算機分類巨型機功能極其強大，速度達上萬億次典型產(chǎn)品有：Cray-1、Cray-2、Cray-3、國產(chǎn)銀河I、銀河II、銀河III等全球高性能計算機500強排行榜：中國高性能計算機100強排行榜：://DependenceonApplicationAreaDesktopHighPerformanceIntegerandfloatingpointprogramsServersHighPerformanceIntegerandcharacterstringsEmbeddedsystemsCodesize

RealtimeperformanceoncontinuousdatastreamsHandoptimizedkernels微型計算機的典型應(yīng)用兩個著名定律ComputingpowerandminiaturizationMoore’sLaw(1965,GordonMoore):Processorspeedandstoragecapacitydoubleevery18months18個月左右CPU性能翻一番，價格減一半CommunicationGilder’sLaw(1996?):Bandwidthgrowsthreetimesfasterthancomputingpowerandstoragecapacity摩爾定律59/87Edholm通信定律MemoryImpactofPerformance

1960-1985:Speed=?(no.operations)1990Pipelined

Execution&

FastClockRateOut-of-Order

executionSuperscalar

InstructionIssue1998:Speed=

?(non-cachedmemoryaccesses)Superscalar,

Out-of-OrdermachineshideL1datacachemiss(-5clocks)butnotL2cachemiss(-50clocks)?現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用新一代智能設(shè)備掌上電腦車載智能設(shè)備筆記本計算機手表智能卡智能機頂盒POS銷售機屏幕〔除了普通話機的功能還可以瀏覽因特網(wǎng)〕美國福特公司的高級經(jīng)理曾宣稱：“福特出售的'計算能力'已超過了IBM〞Innovationtrendinfutureapplications任天堂可視游戲機Thethirdwaveincomputing普適計算(ubiquitouscomputing)由MarkWeiser(1952-1999，Xerox)在1988年提出Anintegrationofhumanfactors,computerscience,engineering,andsocialsciencesIBM在1999年創(chuàng)造了一個名詞，即“pervasivecomputing〔普及計算〕〞AnyContentAnyPlaceAnyDeviceAnyTimePersonalServerWashableComputingPowerConstraintHigh-endsystems,e.g.servers,stationsanddesktopsCoolingandpackagingcostReliabilityrequiresevery10℃increaseonoperatingtemperaturedoublefailurerateforthecomponentsbattery-poweredsystemse.g.laptop,cellphoneandPDAEnergyisacriticalnon-functionalconstraintinmobileandportablesystems系統(tǒng)評價指標處理器的功耗完成不同計算任務(wù)所需的功耗PowerandEnergyCircuitlevelview—dynamic(transistorswitching),shortcircuit,leakagecurrentVDD:supplyvoltage;CL:nodecapacitance;

f:

clockfrequency;A:activityfactor；Isc：Shortcircuitcurrent;Ilk:leakagecurrentArchitecturelevelview

—MemorySystemPower,BusPower，DatapathPower,etcEnergy=power*timeDynamicpoweristhedominantsourcenow.StaticpowerisgrowingfasterHigherMIPS/WattistheinnovationtrendNewprocessorswillprovidehigherMIPS/WattNewprocessorswillprovidehigherMIPS/Watt系統(tǒng)級低功耗研究(System-levelLow-power)System-levelPower-awareArchitecture、OS、Compiler——Synopsys資料并行計算〔ParallelComputing〕