微機原理chap2

1、微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計第二章第二章 計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與工作原理計算機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與工作原理2.1 計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與組成計算機系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與組成層次模型層次模型 Hiberarchy結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Architecture、組組成成Organization與與實現(xiàn)實現(xiàn)Realization2.2 計算機系統(tǒng)的工作原理計算機系統(tǒng)的工作原理馮馮諾依曼計算機架構(gòu)諾依曼計算機架構(gòu)模型機模型機：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、指令集指令集、工作流程工作流程2.3 微處理器體系結(jié)構(gòu)的改微處理器體系結(jié)構(gòu)的改革革改進(jìn)：改進(jìn)：指令集指令集(RISC/CISC)、分層存儲器分層存儲器 、高速總線高速總線/接口接口

2、改變：改變：流水線流水線、超標(biāo)量超標(biāo)量、超長指令字超長指令字、多機多機/核核、多線程多線程2.4 計算機體系結(jié)構(gòu)分類計算機體系結(jié)構(gòu)分類2.5 計算機性能評測計算機性能評測Performance 字長字長、存儲容量存儲容量、運算速度運算速度并行技術(shù)并行技術(shù)2021-10-242/ 50Flynn第二章第二章 習(xí)題習(xí)題作業(yè)：作業(yè)：2626、1414、1515思考：思考：1 1、7137132021-10-242021-10-243/322021-10-243/ 50第 二 章 結(jié) 束（a）軟硬件層次）軟硬件層次 （b）語言層次）語言層次計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) （a）圖自下而上反映

3、了系統(tǒng)逐級）圖自下而上反映了系統(tǒng)逐級生成生成的過程，自上而下反映了系統(tǒng)的過程，自上而下反映了系統(tǒng)求求解解問題的過程；問題的過程； 軟硬件的邏輯等價性軟硬件的邏輯等價性可以表現(xiàn)為：硬件軟化（如可以表現(xiàn)為：硬件軟化（如RISC思想）、軟件硬思想）、軟件硬化（如化（如CISC思想）、固件化（如微程序）思想）、固件化（如微程序） ； （b）圖中的）圖中的虛擬機虛擬機：與某種特殊編程語言對應(yīng)的假想硬件機器：與某種特殊編程語言對應(yīng)的假想硬件機器微體系結(jié)構(gòu)層微體系結(jié)構(gòu)層（微程序或硬連邏輯）（微程序或硬連邏輯）操作系統(tǒng)層操作系統(tǒng)層語言處理層（解釋、編譯）語言處理層（解釋、編譯）用戶程序?qū)樱ㄕZ言編程）用戶程序?qū)?/p>

4、（語言編程）系統(tǒng)分析層（數(shù)學(xué)模型、算法）系統(tǒng)分析層（數(shù)學(xué)模型、算法）硬硬核級核級數(shù)字邏輯層（硬件）數(shù)字邏輯層（硬件）指令系統(tǒng)層（機器語言指令）指令系統(tǒng)層（機器語言指令）應(yīng)用語言虛擬機應(yīng)用語言虛擬機高級語言虛擬機高級語言虛擬機匯編語言虛擬機匯編語言虛擬機操作系統(tǒng)虛擬機操作系統(tǒng)虛擬機機器語言級機器語言級微程序級微程序級寄存器級（硬件）寄存器級（硬件）硬件系統(tǒng)：異常處理機構(gòu)、指令系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)：異常處理機構(gòu)、指令系統(tǒng)、CPU、存儲器、存儲器、I/O及通信子系統(tǒng)及通信子系統(tǒng)系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、編譯器、數(shù)據(jù)庫管理系系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、編譯器、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)、統(tǒng)、Web瀏覽器、設(shè)備驅(qū)動、中斷服務(wù)程序瀏覽器

5、、設(shè)備驅(qū)動、中斷服務(wù)程序應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件體系結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)、組成與實現(xiàn)n 體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)Architecture 程序員關(guān)心的計算機概念結(jié)構(gòu)與功能特性程序員關(guān)心的計算機概念結(jié)構(gòu)與功能特性如：確定指令集中是否有乘法指令；如：確定指令集中是否有乘法指令；n 計算機組成計算機組成Organization從硬件角度關(guān)注物理機器的組織從硬件角度關(guān)注物理機器的組織 如：乘法指令由專用乘法器還是用加法器實現(xiàn)如：乘法指令由專用乘法器還是用加法器實現(xiàn)n 計算機實現(xiàn)計算機實現(xiàn)Realization底層的器件技術(shù)、微組裝技術(shù)、冷卻技術(shù)等底層的器件技術(shù)、微組裝技術(shù)、冷卻技術(shù)等如：加法器底層的物理器件類型及

6、微組裝技術(shù)如：加法器底層的物理器件類型及微組裝技術(shù)系列機系列機2021-10-246/ 50計算機的體系結(jié)構(gòu)計算機的體系結(jié)構(gòu) 1946年年，美國賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院的物理學(xué)博士，美國賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院的物理學(xué)博士Mauchley和電氣工程師和電氣工程師Eckert領(lǐng)導(dǎo)的小組研制成功世界上第領(lǐng)導(dǎo)的小組研制成功世界上第一臺數(shù)字式電子計算機一臺數(shù)字式電子計算機ENIAC 。 著名的美籍匈牙利數(shù)學(xué)家著名的美籍匈牙利數(shù)學(xué)家Von Neumann參加了為改進(jìn)參加了為改進(jìn)ENIAC而舉行的一系列專家會議，研究了新型計算機的體系結(jié)而舉行的一系列專家會議，研究了新型計算機的體系結(jié)構(gòu)。構(gòu)。 1949年年，英

7、國劍橋大學(xué)的威爾克斯等人在，英國劍橋大學(xué)的威爾克斯等人在EDSAC 機上實機上實現(xiàn)了馮現(xiàn)了馮諾依曼模式。諾依曼模式。 直至今天馮直至今天馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)依然是絕諾依曼體系結(jié)構(gòu)依然是絕大多數(shù)數(shù)字計算機的基礎(chǔ)。大多數(shù)數(shù)字計算機的基礎(chǔ)。2021-10-247/ 50計算機的組成（計算機的組成（1）計算機的組成（計算機的組成（2）總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)2021-10-249/ 50計算機的組成（計算機的組成（3）同步數(shù)字系統(tǒng)同步數(shù)字系統(tǒng)2021-10-2410/ 50計算機的實現(xiàn)計算機的實現(xiàn) 半導(dǎo)體技術(shù)半導(dǎo)體技術(shù) 制造技術(shù)制造技術(shù) 封裝技術(shù)封裝技術(shù) 裝配技術(shù)裝配技術(shù) 電源技術(shù)電源技術(shù) 冷卻技術(shù)冷卻技術(shù) 20

8、21-10-2411/ 50體系結(jié)構(gòu)角度的多層結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)角度的多層結(jié)構(gòu)硬件向上提供的接硬件向上提供的接口：口： 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 異常事件異常事件 端口定義端口定義2021-10-2412/ 50組織角度的多層結(jié)構(gòu)組織角度的多層結(jié)構(gòu)13/322021-10-242021-10-242021-10-2413/ 50馮馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)諾依曼體系結(jié)構(gòu)一一硬件組成硬件組成n五大部分五大部分運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備運算器、存儲器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備n以存儲器為中心以存儲器為中心二二信息表示：二進(jìn)制信息表示：二進(jìn)制 計算機內(nèi)部的控制信息和數(shù)據(jù)信息均采用計算機內(nèi)部的控制信息和數(shù)據(jù)

9、信息均采用二進(jìn)制二進(jìn)制表示，并存放在同表示，并存放在同一個存儲器一個存儲器中。中。三三工作原理：存儲程序工作原理：存儲程序/指令指令(控制控制)驅(qū)動驅(qū)動 編制好的程序編制好的程序(包括指令和數(shù)據(jù)包括指令和數(shù)據(jù))預(yù)先經(jīng)由輸入設(shè)備輸入并預(yù)先經(jīng)由輸入設(shè)備輸入并保存在保存在存儲器存儲器中；中； 計算機開始工作后，在不需要人工干預(yù)的情況下由控制器計算機開始工作后，在不需要人工干預(yù)的情況下由控制器自動自動、高速地依次從存儲器中取出指令并加以執(zhí)行。、高速地依次從存儲器中取出指令并加以執(zhí)行。模型機體系結(jié)構(gòu)模型機體系結(jié)構(gòu)基于基于總線總線的的馮馮諾依曼架構(gòu)諾依曼架構(gòu)模型機模型機n 總線子系統(tǒng)總線子系統(tǒng)：作為作為公

10、共通道連接各公共通道連接各子子部件，用于實現(xiàn)各部件，用于實現(xiàn)各部件之間的數(shù)據(jù)、信息等的傳輸和交換部件之間的數(shù)據(jù)、信息等的傳輸和交換n 存儲器子系統(tǒng)存儲器子系統(tǒng)：用來存放當(dāng)前的運行程序和數(shù)據(jù)用來存放當(dāng)前的運行程序和數(shù)據(jù)n 輸入輸出子系統(tǒng)：輸入輸出子系統(tǒng)：用于完成計算機與外部的信息交換用于完成計算機與外部的信息交換n CPU子系統(tǒng)子系統(tǒng)：集成了集成了運算器、控制器和寄存器的超大規(guī)運算器、控制器和寄存器的超大規(guī)模集成電路芯片模集成電路芯片(VLSI)2021-10-2415/ 50模型機總線結(jié)構(gòu)模型機總線結(jié)構(gòu)按傳輸信息的不同，可將總線分為數(shù)據(jù)總線按傳輸信息的不同，可將總線分為數(shù)據(jù)總線DB、地址、地址

11、總線總線AB和控制總線和控制總線CB三類三類： 地址總線通常是地址總線通常是單向單向的，由的，由主設(shè)備主設(shè)備(如如CPU)發(fā)出，用于選擇發(fā)出，用于選擇讀寫對象讀寫對象(如某個特定的存儲單元或外部設(shè)備如某個特定的存儲單元或外部設(shè)備)； 數(shù)據(jù)總線用于數(shù)據(jù)交換，通常是數(shù)據(jù)總線用于數(shù)據(jù)交換，通常是雙向雙向的；的； 控制總線包括真正的控制總線包括真正的控制控制信號線信號線(如讀如讀/寫信號寫信號)和一些和一些狀態(tài)狀態(tài)信信號線號線(如是否已將數(shù)據(jù)送上總線如是否已將數(shù)據(jù)送上總線)，用于實現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)視和，用于實現(xiàn)對設(shè)備的監(jiān)視和控制?？刂?。MPURAMROMI/O接口接口外設(shè)外設(shè)ABDBCB2021-10-2

12、416/ 50模型機內(nèi)存儲器模型機內(nèi)存儲器存儲器存儲器組織組織由許多由許多字節(jié)單元字節(jié)單元組成，每個單元都有一個唯一的組成，每個單元都有一個唯一的編號編號（存儲單元存儲單元地址地址），保存的信息稱為存儲單元，保存的信息稱為存儲單元內(nèi)容內(nèi)容。訪問訪問(讀或?qū)懽x或?qū)?存儲單元存儲單元 ：存儲單元地址經(jīng)地址譯碼后產(chǎn)生相存儲單元地址經(jīng)地址譯碼后產(chǎn)生相應(yīng)的選通信號，應(yīng)的選通信號，同時同時在控制信號的作用下讀出存儲單元內(nèi)容在控制信號的作用下讀出存儲單元內(nèi)容到數(shù)據(jù)緩沖器，或?qū)?shù)據(jù)緩沖器中的內(nèi)容寫入選定的單元。到數(shù)據(jù)緩沖器，或?qū)?shù)據(jù)緩沖器中的內(nèi)容寫入選定的單元。算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元ALU累加器累加器ACC

13、累加鎖存器累加鎖存器暫存暫存器器標(biāo)志寄存器標(biāo)志寄存器FR通用寄存器組通用寄存器組堆棧指針堆棧指針SP程 序 計 數(shù) 器程 序 計 數(shù) 器PC微微 操操 作作 控控 制制 電電 路路指令譯碼器指令譯碼器ID指 令 寄 存 器指 令 寄 存 器IR 操作碼操作碼 , 地址碼地址碼脈沖分配器脈沖分配器時鐘脈沖源時鐘脈沖源控制總線控制總線CB地址總線地址總線AB數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DB內(nèi)部總線內(nèi)部總線地址緩沖器地址緩沖器數(shù)據(jù)緩沖數(shù)據(jù)緩沖器器 運算器運算器 寄存器寄存器組組 控制器控制器模型機模型機CPU子系統(tǒng)子系統(tǒng)2021-10-2418/ 50模型機指令系統(tǒng)模型機指令系統(tǒng)指令是發(fā)送到指令是發(fā)送到CPU的

14、命令，指示的命令，指示CPU執(zhí)行一個特定的處理，如執(zhí)行一個特定的處理，如從存儲器取數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運算等。從存儲器取數(shù)據(jù)、對數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運算等。CPU可以處理可以處理的全部指令集合稱為的全部指令集合稱為指令集指令集(Instruction Set)。指令集結(jié)指令集結(jié)構(gòu)構(gòu)(ISA，Instruction Set Architecture) 是體系結(jié)構(gòu)的是體系結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容之一，對主要內(nèi)容之一，對CPU的基本組織會產(chǎn)生非常大的影響。的基本組織會產(chǎn)生非常大的影響。ISA功能設(shè)計實際就是功能設(shè)計實際就是確定軟硬件的功能分配確定軟硬件的功能分配。指令通常包含指令通常包含操作碼和操作數(shù)操作碼和操作數(shù)兩

15、部分。操作碼指明要完成操作兩部分。操作碼指明要完成操作的性質(zhì)，如加、減、乘、除、數(shù)據(jù)傳送、移位等；操作數(shù)的性質(zhì)，如加、減、乘、除、數(shù)據(jù)傳送、移位等；操作數(shù)指明參加上述規(guī)定操作的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)所存放的地址。指明參加上述規(guī)定操作的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)所存放的地址。匯編語言源程序匯編語言源程序機器語言程序機器語言程序（目標(biāo)代碼）（目標(biāo)代碼）匯編（匯編程序）匯編（匯編程序）高級語言源程序高級語言源程序編譯或解釋（編譯程序）編譯或解釋（編譯程序）模型機常用匯編指令模型機常用匯編指令指指 令令 類類 型型操作碼示例操作碼示例操作數(shù)示例操作數(shù)示例說說 明明算術(shù)類算術(shù)類加法加法ADDRs1, Rs2, RdRs, Imm,

16、 Rd( (Rs1) )+( (Rs2) )Rd( (Rs) )+ImmRd運算類指令只能對寄存器中運算類指令只能對寄存器中的數(shù)據(jù)或立即數(shù)進(jìn)行直接操的數(shù)據(jù)或立即數(shù)進(jìn)行直接操作作減法減法SUBRs1, Rs2, RdRs, Imm, Rd( (Rs1) )- -( (Rs2) )Rd( (Rs) )- -ImmRd邏輯類邏輯類位與位與ANDRs1, Rs2, RdRs, Imm, Rd( (Rs1) )( (Rs2) )Rd( (Rs) )ImmRd位或位或ORRs1, Rs2, RdRs, Imm, Rd( (Rs1) )( (Rs2) )Rd( (Rs) )ImmRd位非位非NOTRs, R

17、d！( (Rs) )Rd傳送類傳送類存儲器或存儲器或I/O讀讀LDRMEM, RdMEM ( (Rd) )將指定地址的存儲單元或?qū)⒅付ǖ刂返拇鎯卧騃/O端口的值讀入寄存器端口的值讀入寄存器Rd存儲器或存儲器或I/O寫寫STRRs, MEM( (Rs) )MEM將寄存器將寄存器Rs的值寫入指定地址的值寫入指定地址的存儲單元或的存儲單元或I/O端口端口寄存器訪問寄存器訪問MOVRs, RdImm, Rd( (Rs) )( (Rd) )跳轉(zhuǎn)類跳轉(zhuǎn)類無條件跳轉(zhuǎn)無條件跳轉(zhuǎn)JMPLableLable( (PC) )條件跳轉(zhuǎn)條件跳轉(zhuǎn)JX/JNXLableIf X為真為真/假，則假，則Lable ( (P

18、C) )過程調(diào)用過程調(diào)用CALLSub-LableSub-Lable( (PC) )調(diào)用子程序調(diào)用子程序過程返回過程返回RET- -返回主程序返回主程序其他其他停機停機HLT- -模型機工作原理模型機工作原理計算機的工作本質(zhì)上就是計算機的工作本質(zhì)上就是執(zhí)行程序執(zhí)行程序的過程。的過程。一一順序執(zhí)行順序執(zhí)行指令執(zhí)行的基本過程可以分為指令執(zhí)行的基本過程可以分為取指令取指令(fetch)、分析指令、分析指令(decode)和執(zhí)行指令和執(zhí)行指令(execute)三個階段。三個階段。非順序執(zhí)行非順序執(zhí)行轉(zhuǎn)移（轉(zhuǎn)移（jump）：執(zhí)行條件）：執(zhí)行條件/無條件轉(zhuǎn)移指令，不返回?zé)o條件轉(zhuǎn)移指令，不返回過程（過程（p

19、rocedure）調(diào)用：主程序調(diào)用子程序后返回斷點）調(diào)用：主程序調(diào)用子程序后返回斷點中斷（中斷（interrupt）：外界突發(fā)事件處理完后返回斷點）：外界突發(fā)事件處理完后返回斷點異常（異常（ exception）：）： 程序本身產(chǎn)生的某些例外處理完后重新執(zhí)行程序本身產(chǎn)生的某些例外處理完后重新執(zhí)行陷阱陷阱(trap) ： 程序本身產(chǎn)生某些例外條件處理完后返回斷點程序本身產(chǎn)生某些例外條件處理完后返回斷點2021-10-2421/812021-10-2421/ 50程序的執(zhí)行過程程序的執(zhí)行過程取指令、分析指令、執(zhí)行指令取指令、分析指令、執(zhí)行指令A(yù)BDBALU累加器累加器ACC暫存器暫存器標(biāo)志寄存器標(biāo)

20、志寄存器FR寄存器組寄存器組 操作控制器操作控制器OC指令譯碼器指令譯碼器ID指令寄存器指令寄存器IR 操作碼操作碼, 地址碼地址碼內(nèi)部總線內(nèi)部總線地址緩沖器地址緩沖器數(shù)據(jù)緩沖器數(shù)據(jù)緩沖器程序計數(shù)程序計數(shù)器器PC地地址址譯譯碼碼讀控制讀控制B0H5CH04H2EH地址地址1001H1002H1003H內(nèi)容內(nèi)容1000H內(nèi)存儲器內(nèi)存儲器MOV 5CH, R1ADD R1, 2EH, R21CPU外外CPU內(nèi)內(nèi)2021-10-2422/ 50對馮對馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)諾依曼體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)一一改進(jìn)改進(jìn)CPU指令集指令集 存儲器子系統(tǒng)存儲器子系統(tǒng) 輸入輸入/輸出子系統(tǒng)輸出子系統(tǒng) 改變改變改變串行執(zhí)行

21、模式，發(fā)展改變串行執(zhí)行模式，發(fā)展并行技術(shù)并行技術(shù)；1. 改變控制方式，發(fā)展數(shù)據(jù)、需求、模式等其它驅(qū)動方式；改變控制方式，發(fā)展數(shù)據(jù)、需求、模式等其它驅(qū)動方式； 3-6章重章重點點指令功能、指令格式、尋址方式指令功能、指令格式、尋址方式 分層結(jié)構(gòu)分層結(jié)構(gòu)高速總線高速總線+多種接口方式多種接口方式 馮馮諾依曼型計算機的諾依曼型計算機的本質(zhì)特點本質(zhì)特點也造成了其瓶頸：也造成了其瓶頸： 指令執(zhí)行的指令執(zhí)行的串行性串行性 存儲器讀取的存儲器讀取的串行性串行性不同的指令集設(shè)計策略：不同的指令集設(shè)計策略：CISC與與RISCCISC（Complex Instruction Set Computer，復(fù)雜指令集

22、計算機），復(fù)雜指令集計算機）不斷增強指令的功能以及設(shè)置更復(fù)雜的新指令取代不斷增強指令的功能以及設(shè)置更復(fù)雜的新指令取代原先由程序段完成的功能，從而實現(xiàn)軟件功能的硬化。原先由程序段完成的功能，從而實現(xiàn)軟件功能的硬化。RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機），精簡指令集計算機）通過減少指令種類和簡化指令功能來降低硬件設(shè)計通過減少指令種類和簡化指令功能來降低硬件設(shè)計復(fù)雜度，從而提高指令的執(zhí)行速度。復(fù)雜度，從而提高指令的執(zhí)行速度。*24/86現(xiàn)代計算機：現(xiàn)代計算機：RISC+CISC2021-10-2424/ 502021-10-2425/ 50CI

23、SC的特點及設(shè)計思想的特點及設(shè)計思想美國加州大學(xué)美國加州大學(xué)Berkeley分校的研究結(jié)果表明：分校的研究結(jié)果表明： 許多復(fù)雜指令很少被使用，許多復(fù)雜指令很少被使用，“2-8原則原則”控制器硬件復(fù)雜（指令多，控制器硬件復(fù)雜（指令多，且具有不定長格式和復(fù)雜的且具有不定長格式和復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型），占用了大量芯數(shù)據(jù)類型），占用了大量芯片面積，且容易出錯；片面積，且容易出錯；指令操作繁雜，速度慢；指令操作繁雜，速度慢；指令規(guī)整性不好，不利用指令規(guī)整性不好，不利用采用流水線技術(shù)提高性能。采用流水線技術(shù)提高性能。*25/682021-10-2426/ 50RISC的特點及設(shè)計思想的特點及設(shè)計思想 RISC機

24、的設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循以下五個原則：機的設(shè)計應(yīng)當(dāng)遵循以下五個原則： 指令條數(shù)少，格式簡單，易于譯碼；指令條數(shù)少，格式簡單，易于譯碼； 提供足夠的寄存器，只允許提供足夠的寄存器，只允許load 和和store指令訪問內(nèi)存；指令訪問內(nèi)存； 指令由硬件直接執(zhí)行，指令由硬件直接執(zhí)行， 在單個周期內(nèi)完成；在單個周期內(nèi)完成； 充分利用流水線；充分利用流水線； 依賴優(yōu)化編譯器的作用；依賴優(yōu)化編譯器的作用； *26/68CISC與與RISC的數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)流IRIDREGALUMEM開始退出IRIDALUMEMREG微操作通道開始退出單通數(shù)據(jù)通道RISC：Load/Store結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)CISC：尋址方式復(fù)雜：尋址方式復(fù)雜

25、*27/862021-10-2427/ 50分層的存儲子系統(tǒng)分層的存儲子系統(tǒng)如何以合理的價格搭建出容量和速度都滿足要求的存儲系統(tǒng)，如何以合理的價格搭建出容量和速度都滿足要求的存儲系統(tǒng)，始終是計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵問題之一。始終是計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵問題之一?，F(xiàn)代計算機系統(tǒng)通常把不同的存儲設(shè)備按一定的體系結(jié)構(gòu)組織現(xiàn)代計算機系統(tǒng)通常把不同的存儲設(shè)備按一定的體系結(jié)構(gòu)組織起來，以解決起來，以解決存儲容量、存取速度和價格存儲容量、存取速度和價格之間的矛盾。之間的矛盾。設(shè)計目標(biāo)：設(shè)計目標(biāo)：整個存儲系統(tǒng)速度整個存儲系統(tǒng)速度接近接近M1而價格和容量接近而價格和容量接近Mn2021-10-2428/

26、50其他改善存儲器帶寬的方法其他改善存儲器帶寬的方法并行存儲器并行存儲器雙端口存儲器雙端口存儲器哈佛體系結(jié)構(gòu)哈佛體系結(jié)構(gòu)DSP程序程序數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)I/O接口接口外設(shè)外設(shè)程序地址程序地址數(shù)據(jù)讀地址數(shù)據(jù)讀地址數(shù)據(jù)寫地址數(shù)據(jù)寫地址程序讀總線程序讀總線數(shù)據(jù)讀總線數(shù)據(jù)讀總線程序程序/數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)程序程序2021-10-2429/ 502021-10-2430/ 50現(xiàn)代高速總線現(xiàn)代高速總線高速并行總線高速并行總線高速總線串行化高速總線串行化多級總線結(jié)構(gòu)多級總線結(jié)構(gòu)北橋北橋南橋南橋前端總線前端總線Front Side Bus輸入輸出管理方式輸入輸出管理方式2021-10-2432/ 50計算機體系結(jié)構(gòu)

27、的演進(jìn)：并行處理技術(shù)計算機體系結(jié)構(gòu)的演進(jìn)：并行處理技術(shù) 指令級并行技術(shù)指令級并行技術(shù)ISP流水線流水線、超標(biāo)量超標(biāo)量、超長指令字超長指令字 系統(tǒng)級并行技術(shù)系統(tǒng)級并行技術(shù)SLP多處理器多處理器（多機多機/多核多核）、多磁盤、多磁盤 線程級并行技術(shù)線程級并行技術(shù)TLP同時同時多線程多線程SMT 電路級并行技術(shù)電路級并行技術(shù)CLP組相聯(lián)組相聯(lián)cache、先行進(jìn)位加法器、先行進(jìn)位加法器 并行處理技術(shù)實現(xiàn)多個處理器或處理器模塊的并行處理技術(shù)實現(xiàn)多個處理器或處理器模塊的并行性，其基本思想包括并行性，其基本思想包括時間重疊時間重疊（time interleaving）、資源重復(fù)、資源重復(fù)（resource

28、replicaiton）和資和資源共享源共享（resource sharing）。流水線技術(shù)流水線技術(shù) 可通過分可通過分割邏輯，割邏輯，插入緩沖插入緩沖寄存器（寄存器（流水線流水線Reg）來）來構(gòu)建構(gòu)建2021-10-2434/ 50指令時空圖指令時空圖順序順序執(zhí)行執(zhí)行4級級流水流水線執(zhí)線執(zhí)行行流水線滿載流水線滿載2021-10-2435/ 50更細(xì)的流水線更細(xì)的流水線取指（取指（FI）指令譯碼（指令譯碼（DI）計算操作數(shù)地址（計算操作數(shù)地址（CO）取操作數(shù)（取操作數(shù)（FO）執(zhí)行指令（執(zhí)行指令（EI）寫操作數(shù)（寫操作數(shù)（WO）36/862021-10-2436/ 50流水線流水線CPU的特點的

29、特點優(yōu)點：優(yōu)點： 通過指令級并行來提高性能。通過指令級并行來提高性能。缺點：缺點：增加了硬件成本。增加了硬件成本。流水寄存器會引入延遲和時鐘偏移，這些額外流水寄存器會引入延遲和時鐘偏移，這些額外開銷會使每條指令的執(zhí)行時間有所增加，同時開銷會使每條指令的執(zhí)行時間有所增加，同時限制了流水線的深度。限制了流水線的深度。 1. 流水線中各段的操作存在關(guān)聯(lián)（流水線中各段的操作存在關(guān)聯(lián)（dependence）時可能會引起流水線中斷，從而影響流水線）時可能會引起流水線中斷，從而影響流水線的性能和效率。的性能和效率。*37/862021-10-2437/ 50流水線沖突流水線沖突理想流水線的性能：每個時鐘周期

30、完成一條指令理想流水線的性能：每個時鐘周期完成一條指令實際流水機器中可能存在實際流水機器中可能存在冒險冒險(hazard)導(dǎo)致停頓：導(dǎo)致停頓： 數(shù)據(jù)沖突（數(shù)據(jù)沖突（如后面的計算要用到前面的結(jié)果）如后面的計算要用到前面的結(jié)果）定向技術(shù)可將結(jié)果數(shù)據(jù)從其產(chǎn)生的地方直接傳送到所有定向技術(shù)可將結(jié)果數(shù)據(jù)從其產(chǎn)生的地方直接傳送到所有需要它的功能部件需要它的功能部件編譯器可利用流水線調(diào)度（編譯器可利用流水線調(diào)度（scheduling）技術(shù)來重新組）技術(shù)來重新組織指令順序織指令順序結(jié)構(gòu)沖突（結(jié)構(gòu)沖突（硬件資源不夠）硬件資源不夠）增加額外的同類型資源增加額外的同類型資源改變資源的設(shè)計使其能被同時使用改變資源的設(shè)計

31、使其能被同時使用控制沖突（控制沖突（分支等跳轉(zhuǎn)指令引起分支等跳轉(zhuǎn)指令引起 ）可采用分支預(yù)測及預(yù)測執(zhí)行技術(shù)最大限度地使處理器各可采用分支預(yù)測及預(yù)測執(zhí)行技術(shù)最大限度地使處理器各部分保持運行狀態(tài)。部分保持運行狀態(tài)。多端口的寄存器堆哈佛結(jié)構(gòu)存儲器、超標(biāo)量*38/862021-10-2438/ 50流水線數(shù)據(jù)沖突及亂序執(zhí)行流水線數(shù)據(jù)沖突及亂序執(zhí)行注意這里其實需要注意這里其實需要兩個獨立執(zhí)行部件兩個獨立執(zhí)行部件2021-10-2439/ 50流水線結(jié)構(gòu)沖突及超標(biāo)量流水線流水線結(jié)構(gòu)沖突及超標(biāo)量流水線？有有5個執(zhí)行單元的超標(biāo)量流水線個執(zhí)行單元的超標(biāo)量流水線有有2套硬件套硬件的超標(biāo)量流的超標(biāo)量流水線水線CPU

32、共用一個取指單元共用一個取指單元的的5段雙流水線段雙流水線*2021-10-2440/ 50超標(biāo)量超標(biāo)量CPU的體系結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)超標(biāo)量技術(shù)：超標(biāo)量技術(shù)：可在一個時鐘周期內(nèi)對多條指令進(jìn)行并可在一個時鐘周期內(nèi)對多條指令進(jìn)行并行處理，使行處理，使CPI小于小于1；特點：特點：處理器中有兩個或兩個以上的相同的功能部件；處理器中有兩個或兩個以上的相同的功能部件； 要求操作數(shù)之間必須沒有相關(guān)性；要求操作數(shù)之間必須沒有相關(guān)性；整數(shù)指令整數(shù)指令浮點指浮點指令令*2021-10-2441/ 50超標(biāo)量處理機一超標(biāo)量處理機一般概念性結(jié)構(gòu)般概念性結(jié)構(gòu)instruction fetching多個流水線讀取及轉(zhuǎn)移預(yù)測

33、邏輯多個流水線讀取及轉(zhuǎn)移預(yù)測邏輯instruction decoding并行譯碼器，預(yù)譯碼技術(shù)并行譯碼器，預(yù)譯碼技術(shù)instruction dispatching動態(tài)規(guī)劃動態(tài)規(guī)劃instruction execution多個流水線功能單元多個流水線功能單元instruction completion暫存結(jié)果數(shù)據(jù)暫存結(jié)果數(shù)據(jù)instruction retiring真正更新真正更新Reg和和Mem中的結(jié)果數(shù)據(jù)中的結(jié)果數(shù)據(jù)* 超標(biāo)量結(jié)構(gòu)機器的例子超標(biāo)量結(jié)構(gòu)機器的例子 兩條輸入流水線三條執(zhí)行流水線每個時鐘周期可每個時鐘周期可從存儲器中獲取從存儲器中獲取兩條指令兩條指令用于執(zhí)行不需要訪用于執(zhí)行不需要訪問

34、存儲器的指令問存儲器的指令可處理所有需要或不需可處理所有需要或不需要訪問存儲器的指令要訪問存儲器的指令可用于進(jìn)行乘、除類可用于進(jìn)行乘、除類較復(fù)雜的算術(shù)運算較復(fù)雜的算術(shù)運算決定應(yīng)使用哪一決定應(yīng)使用哪一條執(zhí)行流水線條執(zhí)行流水線2021-10-2443/ 502021-10-2444/ 50 和超標(biāo)量處理機不同，和超標(biāo)量處理機不同，超長指令字超長指令字VLIW（Very Long Instruction Word）依靠編譯器依靠編譯器在編譯時找出指令之間潛在的在編譯時找出指令之間潛在的并行性，并通過指令調(diào)度把可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)沖突減少到最小，并行性，并通過指令調(diào)度把可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)沖突減少到最小，最后把能

35、并行執(zhí)行的多條指令組裝成一條很長的指令，然后由最后把能并行執(zhí)行的多條指令組裝成一條很長的指令，然后由處理機中多個處理機中多個相互獨立的執(zhí)行部件相互獨立的執(zhí)行部件分別執(zhí)行長指令中的一個操分別執(zhí)行長指令中的一個操作，即相當(dāng)于同時執(zhí)行多條指令。作，即相當(dāng)于同時執(zhí)行多條指令。 VLIW處理機能否成功，很大程度上取決于代碼壓縮的效率，處理機能否成功，很大程度上取決于代碼壓縮的效率，其其編譯程序和體系結(jié)構(gòu)編譯程序和體系結(jié)構(gòu)的的關(guān)系非常密切，缺乏對傳關(guān)系非常密切，缺乏對傳統(tǒng)軟件和硬件的兼容，因統(tǒng)軟件和硬件的兼容，因而不大適用一般應(yīng)用領(lǐng)域。而不大適用一般應(yīng)用領(lǐng)域。 VLIW處理機處理機*2021-10-244

36、5/ 50多機并行系統(tǒng)多機并行系統(tǒng) 大規(guī)模并行處理機（大規(guī)模并行處理機（MPP）是是一種價格昂貴的超級計算機，它由許一種價格昂貴的超級計算機，它由許多多CPU通過高速專用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接。通過高速專用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接。 機群（機群（cluster）由多臺同構(gòu)或異構(gòu)的獨立計算機通過高性能網(wǎng)絡(luò)或局由多臺同構(gòu)或異構(gòu)的獨立計算機通過高性能網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)連在一起協(xié)同完成特定的并行計算任務(wù)。域網(wǎng)連在一起協(xié)同完成特定的并行計算任務(wù)。 刀片（刀片（blade）通常指包含一個或多個通常指包含一個或多個CPU、內(nèi)存以及網(wǎng)絡(luò)接口的服務(wù)、內(nèi)存以及網(wǎng)絡(luò)接口的服務(wù)器主板。通常一個刀片柜共享其它外部器主板。通常一個刀片柜共享其它外部

37、I/O和電源，而輔助存儲器則有距離和電源，而輔助存儲器則有距離刀片柜較近的存儲服務(wù)器提供。刀片柜較近的存儲服務(wù)器提供。 網(wǎng)格（網(wǎng)格（Network）是一組由高速網(wǎng)絡(luò)連接的不同的計算機系統(tǒng)，可以是一組由高速網(wǎng)絡(luò)連接的不同的計算機系統(tǒng)，可以相互合作也可獨立工作。網(wǎng)格計算機將接受中央服務(wù)器分配的任務(wù)，然后在相互合作也可獨立工作。網(wǎng)格計算機將接受中央服務(wù)器分配的任務(wù)，然后在不忙的時候（如晚上或周末）執(zhí)行這些任務(wù)。不忙的時候（如晚上或周末）執(zhí)行這些任務(wù)。2021-10-2446/ 50多核處理器多核處理器多線程技術(shù)多線程技術(shù)單片多處理器單片多處理器(Chip MulitProcessor，CMP)問題問題：晶體管數(shù)量、芯片面積及芯片發(fā)熱量晶體管數(shù)量、芯片面積及芯片發(fā)熱量多線程處理器多線程處理器(Multithreaded Processor)細(xì)粒度多線程細(xì)粒度多線程(Fine-Grail Multithreading)在每個指令在每個指令中切換線程中切換線程，處理器必須能在每個時鐘周期切換線處理器必須能在每個時鐘周期切換線程。程。其其優(yōu)點是可以隱藏停頓引起的吞吐量損失優(yōu)點是可以隱藏停頓引起的吞吐量