電子計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu).ppt

1、第2章 電子計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu),2. 1 馮諾依曼計(jì)算機(jī)模型 2. 2 電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu) 2. 3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(lèi) 2. 4 電子計(jì)算機(jī)的性能評(píng)價(jià) 2. 5 電子計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)與發(fā)展趨勢(shì),2 . 1 馮諾依曼計(jì)算機(jī)模型,2. 1 馮諾依曼計(jì)算機(jī)模型 （最初的）,2 . 1 馮諾依曼計(jì)算機(jī)模型,馮諾依曼計(jì)算機(jī)模型 的特點(diǎn),計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出設(shè)備和控制器組成，并以運(yùn)算器為中心連接在一起。 存儲(chǔ)器由一組一維排列、線(xiàn)性編址的存儲(chǔ)單元組成，每個(gè)存儲(chǔ)單元的位數(shù)是相等且固定的，存儲(chǔ)單元按地址訪(fǎng)問(wèn)。 “程序”是由一條一條的指令有序排列而成，而指令由操作碼和地址碼兩部分組成。,2 . 1 馮諾

2、依曼計(jì)算機(jī)模型,馮諾依曼計(jì)算機(jī)模型 的特點(diǎn)（續(xù)）,指令和數(shù)據(jù)均采用二進(jìn)制數(shù)表示，并以二進(jìn)制數(shù)形式進(jìn)行運(yùn)算 。 程序（指令）與數(shù)據(jù)是同等地不加區(qū)分地存儲(chǔ)在同一個(gè)存儲(chǔ)器中 。 設(shè)置“程序計(jì)數(shù)器PC”來(lái)指示下一條將要執(zhí)行的指令的地址。每執(zhí)行完一條指令，程序計(jì)數(shù)器就自動(dòng)加1，指向下一條指令的存儲(chǔ)單元。,2 . 1 馮諾依曼計(jì)算機(jī)模型,馮諾依曼計(jì)算機(jī)模型 的改進(jìn)： 以存儲(chǔ)器為中心連接在一起,2 . 2 電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu),2. 2. 1 電子計(jì)算機(jī)的基本組成 1.概述 從組成的角度看，電子計(jì)算機(jī)由控制單元、運(yùn)算單元、存儲(chǔ)器、輸入單元和輸出單元組成。在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，通常將控制單元和運(yùn)算單元集成在一起，構(gòu)成

3、處理單元（Processing Unit，PU）。處理單元也稱(chēng)處理器（Processor）。,2 . 2 電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu),2. 2. 1 電子計(jì)算機(jī)的基本組成 2.處理單元的組成 從邏輯上看，PU主要由算術(shù)邏輯單元ALU、控制單元CU以及一些暫存單元寄存器組成。 ALU是計(jì)算機(jī)的運(yùn)算裝置，它能夠完成“加、減、乘、除”等算術(shù)運(yùn)算和“與、或、非、異或”等邏輯運(yùn)算。一個(gè)基本的ALU由加法器、移位電路和若干內(nèi)部寄存器及相應(yīng)的控制邏輯組成。,2 . 2 電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu),2. 2. 1 電子計(jì)算機(jī)的基本組成 2.處理單元的組成 CU是PU的指揮機(jī)構(gòu)，由程序計(jì)數(shù)器PC、存放當(dāng)前指令的指令寄存器I

4、R、解釋指令的指令譯碼器ID、發(fā)出各種命令信號(hào)的控制信號(hào)發(fā)生器CSG及相應(yīng)的控制邏輯組成。CU依據(jù)指令譯碼器產(chǎn)生的一系列操作命令/信號(hào)來(lái)指揮、協(xié)調(diào)PU乃至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中各個(gè)部件的工作。,2 . 2 電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu),寄存器分為數(shù)據(jù)寄存器、地址寄存器和標(biāo)志寄存器等。 最常用的數(shù)據(jù)寄存器是用于存放加法運(yùn)算結(jié)果的累加寄存器ACC，8086中的累加寄存器命名為AX。 地址寄存器有基址寄存器、變址寄存器等。 常見(jiàn)的標(biāo)志有進(jìn)位標(biāo)志CF、溢出標(biāo)志OF、零標(biāo)志ZF、符號(hào)標(biāo)志SF和奇偶標(biāo)志PF等，這些標(biāo)志分別占據(jù)標(biāo)志寄存器FR中的不同位。,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件的基本組成,2 . 2 電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu),2. 2.

5、 1 電子計(jì)算機(jī)的基本組成 3.硬件(Hardware) 硬件指構(gòu)成電子計(jì)算機(jī)的物理實(shí)體，如處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出控制器等芯片及其集成這些芯片的印制線(xiàn)路板主板，外設(shè)等。其中存儲(chǔ)器包括：可以被處理器直接訪(fǎng)問(wèn)的主存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱(chēng)主存,Main Memory）和不可被處理器直接訪(fǎng)問(wèn)的輔助存儲(chǔ)器（簡(jiǎn)稱(chēng)輔存,Secondary Memory）,2 . 2 電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu),2. 2. 1 電子計(jì)算機(jī)的基本組成 4.軟件(Software) 廣義上，軟件是“計(jì)算機(jī)程序、過(guò)程、規(guī)則及與這些程序、過(guò)程、規(guī)則有關(guān)的文檔，以及從屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的數(shù)據(jù)?！?狹義上，軟件指發(fā)揮電子計(jì)算機(jī)功能的各種程序及相應(yīng)的數(shù)

6、據(jù)。 按照性質(zhì)和功能的不同，軟件分為系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件、支持軟件、測(cè)試與維護(hù)軟件等。,2 . 2 電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu),2. 2. 1 電子計(jì)算機(jī)的基本組成 5.固件(Firmware) 對(duì)于那些不再需要改動(dòng)而且經(jīng)常被調(diào)用的軟件，為了使其有更快的執(zhí)行速度，可以將其存儲(chǔ)在訪(fǎng)問(wèn)速度較快的只讀存儲(chǔ)器ROM芯片中。由于ROM芯片具有非易失性(即掉電后信息不會(huì)丟失)，所以可以將軟件“固化”在硬件(ROM芯片)中。這種吸收軟件、硬件各自?xún)?yōu)點(diǎn)，性能介于軟件和硬件之間(執(zhí)行速度快于軟件，靈活性?xún)?yōu)于硬件)的，以硬件形式出現(xiàn)的軟件稱(chēng)為“固件”。,2 . 2 電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu),2. 2. 1 電子計(jì)算機(jī)的基本組

7、成 2. 2. 2 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),“計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)” (Computer Architecture)是計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科中最重要的概念之一。但這一概念并不是同計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科一起與生俱來(lái)的，它是在第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)誕生近20年后，由G.M.Amdahl等人于1964年在設(shè)計(jì)IBM System/360時(shí)提出的。,Amdahl的定義,the attributes of a computer system as seen by the programmer, i.e. the conceptual structure and function behaviou

8、r, as distinct from the organization of the data flows and controls, the logic design, and the physical implementation. Amdahl, Blaaw and Brooks (1964),2. 2. 2 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是指程序員所看到的機(jī)器的屬性，即機(jī)器的概念性結(jié)構(gòu)和功能表現(xiàn)。 這里，程序員主要是指匯編程序員。,同一廠(chǎng)家生產(chǎn)的具有相同計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)被稱(chēng)為系列計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)系列機(jī)。,IBM S/360是計(jì)算機(jī)歷史上的第一個(gè)系列機(jī) DEC

9、公司有：PDP-11，VAX-11系列 CRAY公司有： CRAY系列超級(jí)計(jì)算機(jī) Intel公司有： 80 x86系列微處理器,概念性的結(jié)構(gòu)(1),概念性的結(jié)構(gòu)(2),概念性的結(jié)構(gòu)(3),功 能 特 性,數(shù)據(jù)表示：硬件能夠直接認(rèn)別和處理的數(shù)據(jù)類(lèi)型和格式；,寄存器組織：操作數(shù)寄存器、變址寄存器、控制寄存器及專(zhuān)用寄存器的定義、數(shù)量和使用規(guī)則等；,指令系統(tǒng)：機(jī)器指令的操作類(lèi)型、格式，指令間的排序和控制機(jī)制等；,中斷系統(tǒng)：中斷類(lèi)型、中斷級(jí)別和中斷響應(yīng)方式等；,存儲(chǔ)系統(tǒng)：最小編址單位、編址方式、主存容量、最大尋址空間等；,處理機(jī)工作狀態(tài)：狀態(tài)的定義和切換方式，如管態(tài)和目態(tài)；,輸入輸出系統(tǒng)：連接方式、數(shù)據(jù)

10、交換方式、數(shù)據(jù)交換過(guò)程的 控制等；,信息保護(hù)，包括信息保護(hù)方式和硬件對(duì)信息保護(hù)的支持等。,2. 2. 2 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),軟件兼容（Software Compatibility）：同一個(gè)程序可以不加修改地在具有相同體系結(jié)構(gòu)的各檔機(jī)器上正確運(yùn)行，唯一區(qū)別僅僅在于運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)短不同。 安達(dá)爾就是以軟件兼容（統(tǒng)一機(jī)器語(yǔ)言）的方式解決了程序的可移植性問(wèn)題。,不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的具有相同計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)被稱(chēng)為兼容計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱(chēng)兼容機(jī)。,2. 2. 2 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),硬件和軟件在邏輯功能上是等價(jià)的。軟件的功能在原理上可以由硬件或固件來(lái)實(shí)現(xiàn)，硬件的功能在原理上也

11、可以由軟件的模擬來(lái)實(shí)現(xiàn)，這就是計(jì)算機(jī)軟件/硬件的等價(jià)性原理 。,計(jì)算機(jī)組成(Computer Organization)是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。一種計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)可以有多種不同的計(jì)算機(jī)組成。,計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)(Computer Implementation)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。一種計(jì)算機(jī)組成也可以有多種不同的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。,2. 2. 2 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn),計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的核心是指令集( Instruction Set )。指令集就是軟、硬件功能劃分的界面。 指令對(duì)程序員是不透明的，但是指令的實(shí)現(xiàn)對(duì)程序員是透明的。,計(jì)算機(jī)指令集的設(shè)計(jì)不是孤立的，它必須考慮體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)

12、現(xiàn)。,計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu) + 計(jì)算機(jī)組成 = 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（微體系結(jié)構(gòu)）,2 . 2 電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu),2. 2. 1 電子計(jì)算機(jī)的基本組成 2. 2. 2 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn) 2. 2. 3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),為什么要分層？ 分工與協(xié)作，提高生產(chǎn)率。,2 . 2 電子計(jì)算機(jī)的組成結(jié)構(gòu),2. 2. 3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),虛擬機(jī)(Virtual Machine)：因?yàn)橛脩?hù)在使用計(jì)算機(jī)時(shí)，看到的就是這些軟件的界面，他并不了解也不必了解物理計(jì)算機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)及工作原理。這些軟件的界面向用戶(hù)提供了他期望讓計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的全部功能。換句話(huà)說(shuō)，這些軟件的界面就是計(jì)算機(jī)所具有功能的具

13、體體現(xiàn)。 虛擬機(jī)的實(shí)現(xiàn)有解釋(Interpretation)和翻譯(Translation)兩種途徑。,透明性 (Transparency),本來(lái)存在的事物或?qū)傩裕瑥哪撤N角度看似乎不存在。,例如：浮點(diǎn)數(shù)表示、乘法指令 對(duì)高級(jí)語(yǔ)言程序員、應(yīng)用程序員 透明 對(duì)匯編語(yǔ)言程序員、機(jī)器語(yǔ)言程序員 不透明,例如：數(shù)據(jù)總線(xiàn)寬度、微程序 對(duì)匯編語(yǔ)言程序員、機(jī)器語(yǔ)言程序員 透明 對(duì)硬件設(shè)計(jì)者、計(jì)算機(jī)維修人員 不透明,體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以理解為：決定哪些事物對(duì)程序員透明，哪些事物對(duì)程序員不透明,2 . 3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(lèi),2. 3. 1 綜述,根據(jù)數(shù)據(jù)表示原理，電子計(jì)算機(jī)分為模擬式和數(shù)字式。 模擬式電子計(jì)算機(jī)所處

14、理的電信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的，稱(chēng)為模擬電信號(hào)。模擬計(jì)算機(jī)的處理過(guò)程均由模擬電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，處理速度快，但是電路復(fù)雜，處理精度低，抗干擾能力差，目前已很少使用。 數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)所處理的電信號(hào)在時(shí)間上是離散的，稱(chēng)為數(shù)字量。例如用電平的“高/低” 來(lái)表示數(shù)值“1/0”，這樣就可以用一組觸發(fā)器的輸出電平來(lái)表示一個(gè)二進(jìn)制數(shù)值。增加組合位數(shù)就能增大數(shù)的表示范圍和精度。,2 . 3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(lèi),2. 3. 1 綜述,依據(jù)性能的高低，可以將計(jì)算機(jī)分為超級(jí)計(jì)算機(jī)、大型計(jì)算機(jī)、中型計(jì)算機(jī)、小型計(jì)算機(jī)、工作站和微型計(jì)算機(jī)。 按照結(jié)構(gòu)集成的不同方式，微型計(jì)算機(jī)分為單片機(jī)和單板機(jī)。 按設(shè)計(jì)目的不同，計(jì)算機(jī)分為專(zhuān)用計(jì)算

15、機(jī)和通用計(jì)算機(jī)。 根據(jù)計(jì)算機(jī)的用途不同，計(jì)算機(jī)分為個(gè)人計(jì)算機(jī)、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)工控機(jī)）、軍用計(jì)算機(jī)和嵌入式計(jì)算機(jī),2 . 3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的分類(lèi),2. 3. 1 綜述 2. 3. 2 弗林分類(lèi)法,按照指令流和數(shù)據(jù)流分別具有的多倍性，弗林將計(jì)算機(jī)分為以下4類(lèi)： 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,2 . 4 電子計(jì)算機(jī)的性能評(píng)價(jià),評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的指標(biāo)非常多。 與計(jì)算機(jī)主機(jī)有關(guān)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：基本字長(zhǎng)、主存儲(chǔ)器容量、處理速度、存儲(chǔ)器的存取周期、處理器主頻、軟件兼容性等。 與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有關(guān)的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)包括：系統(tǒng)軟件的配置

16、、吞吐率、響應(yīng)時(shí)間、輔助存儲(chǔ)器容量、外圍設(shè)備的配置、RASIS特性、可擴(kuò)縮性等。,2 . 4 電子計(jì)算機(jī)的性能評(píng)價(jià),1. 基本字長(zhǎng) 指處理器中的算術(shù)邏輯單元所輸入的操作數(shù)的二進(jìn)制位數(shù)，也是處理器內(nèi)部數(shù)據(jù)寄存器所包含的二進(jìn)制位數(shù)。 一個(gè)字（Word）通常是由若干字節(jié)（Byte）組成的。一個(gè)字節(jié)包含8個(gè)二進(jìn)制位，所以字長(zhǎng)是8的整數(shù)倍。早期微型計(jì)算機(jī)的基本字長(zhǎng)有8位、16位，目前主要是32位、64位。 基本字長(zhǎng)決定了計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)表示的范圍與精度，所以它是評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)性能最重要的指標(biāo)。但是字長(zhǎng)越大，處理器的價(jià)格就越高。所以低端的數(shù)字設(shè)備或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)仍然大量使用字長(zhǎng)為16位、甚至8位的微處理器。,2

17、. 4 電子計(jì)算機(jī)的性能評(píng)價(jià),2. 主存儲(chǔ)器容量 用主存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)乘以存儲(chǔ)單元寬度來(lái)表示，如102416表示主存儲(chǔ)器有1024個(gè)單元，每個(gè)單元的寬度是16位。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主存儲(chǔ)器的最大存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)取決于處理器地址總線(xiàn)的線(xiàn)數(shù)（寬度）。 目前微型計(jì)算機(jī)都以字節(jié)作為最小編址單位,所以主存儲(chǔ)器容量的單位用B(字節(jié))表示。在表示存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)時(shí)，為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，將1024(210)記為1K，1024K(220)記為1M，1024M(230)記為1G，1024G(240)記為1T。微型計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器容量一般從幾十MB到上百M(fèi)B，超級(jí)計(jì)算機(jī)的主存儲(chǔ)器容量可達(dá)上百GB.,2 . 4 電子計(jì)算機(jī)的性能評(píng)價(jià),

18、3. 處理速度 是用戶(hù)最關(guān)心的性能指標(biāo)。目前常用的指標(biāo)有：百萬(wàn)條指令每秒MIPS（Million Instructions Per Second）、百萬(wàn)次浮點(diǎn)操作次數(shù)每秒MFLOPS（Million FLOating Point operation per Second）和每條指令的平均時(shí)鐘周期（Cycles Per Instruction，CPI）。 MIPS源于Gibson提出的以指令的平均執(zhí)行時(shí)間來(lái)評(píng)價(jià)處理器性能。指令的平均執(zhí)行時(shí)間就是不同指令執(zhí)行時(shí)間的某種加權(quán)平均。最常用的權(quán)就是指令的使用頻率。 指令平均執(zhí)行時(shí)間的倒數(shù)就是每秒平均執(zhí)行的指令條數(shù)（以MIPS為單位）。,2 . 4 電子計(jì)算機(jī)的性能評(píng)價(jià),3. 處理速度,對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，雖然MIPS比較直觀(guān)，但存在如下缺陷： （1）MIPS只關(guān)注指令的條數(shù)，沒(méi)有考慮指令功能的強(qiáng)弱。用MIPS比較指令集不同的機(jī)器時(shí)，其結(jié)果不能反映真實(shí)情況。 （2）由于不同程序包含的指令不同，不同指令的執(zhí)行時(shí)間不同，所以在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行不同程序時(shí)，測(cè)得的MIPS指標(biāo)可能不同。 （3）大型計(jì)算機(jī)或向量計(jì)算機(jī)上常用的是較復(fù)雜的浮點(diǎn)指令，所以如果單純比較MIPS，這些大型計(jì)算機(jī)或向量計(jì)算機(jī)的性能在表面上甚至比不上以定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算為主的小型機(jī)