北航計(jì)算機(jī)組成原理講義

1、計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)(Architecture)(Architecture)的概念演變的概念演變vWhat is Computer Architecture ?Computer Architecture = Instruction Set Architecture (ISA) + Machine OrganizationArchitectureArchitecturevISA: 指從編程者角度看到的計(jì)算機(jī)所具備的概念結(jié)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)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)。構(gòu)?？删幊檀鎯?chǔ)器的結(jié)構(gòu)可編程存儲(chǔ)器的結(jié)構(gòu)指令系

2、統(tǒng)，指令格式，尋址方式指令系統(tǒng)，指令格式，尋址方式數(shù)據(jù)類型，編碼數(shù)據(jù)類型，編碼vOrganization：物理實(shí)現(xiàn)與物理結(jié)構(gòu)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：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）及其控制信息流（數(shù)據(jù)流和指令流）及其控制ISA的實(shí)現(xiàn)的實(shí)現(xiàn)寄存器傳輸層（寄存器傳輸層（RTL）的硬件描述的硬件描述計(jì)算機(jī)組成（計(jì)算機(jī)組成（1 1）v從從1946年開(kāi)始，所有的計(jì)算機(jī)都包含如下幾個(gè)部分年開(kāi)始，所有的計(jì)算機(jī)都包含如下幾個(gè)部分ControlDatapathUnitsMemor

3、yCPUInputOutput計(jì)算機(jī)組成（計(jì)算機(jī)組成（1 1）v運(yùn)算器運(yùn)算器完成最基本的算術(shù)邏輯運(yùn)算完成最基本的算術(shù)邏輯運(yùn)算ALU(Arithmetic and Logic Unit） Registers DataPath v控制器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)同工作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)同工作指令部件指令部件（Instruction Register ，Instruction Decoder）指令順序控制（指令順序控制（Program Counter）時(shí)序邏輯部件時(shí)序邏輯部件（Clock，Timer ，Sequencing Logic）控

4、制信號(hào)生成部件（控制信號(hào)生成部件（Control Signal Generator or Control Memory） v運(yùn)算器控制器運(yùn)算器控制器CPU（Central Process Unit）計(jì)算機(jī)組成（計(jì)算機(jī)組成（2 2）v存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器保存程序和數(shù)據(jù)保存程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元（bit, Byte, Word)地址的概念地址的概念（每一個(gè)字節(jié)單元一個(gè)唯一的地址）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)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：存儲(chǔ)器的層次：Cache RAM

5、Disk Tapev輸入輸出輸入輸出實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)內(nèi)部與外界（其他系統(tǒng)或人類）的信息交換實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)內(nèi)部與外界（其他系統(tǒng)或人類）的信息交換接口標(biāo)準(zhǔn)與接口部件接口標(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)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)v總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)總線：符合一定的標(biāo)準(zhǔn)的一組公共數(shù)據(jù)通道總線：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、數(shù)據(jù)總線、控制總線構(gòu)成：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)多總線結(jié)構(gòu)多總線結(jié)構(gòu)v標(biāo)準(zhǔn)總線標(biāo)準(zhǔn)總線ISA-Industry Standard Architecture（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)

6、構(gòu)）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)）擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)） PCI-Peripheral Connection Interface (周邊元件擴(kuò)充接口周邊元件擴(kuò)充接口) SCSI-Small Computer System Interface(小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口)單總線結(jié)構(gòu)單總線結(jié)構(gòu)Examples Examples IAS IAS （直接連接）（直接連接）&19461946年，馮年，馮諾依曼與同事開(kāi)始研制諾依曼與同事開(kāi)始研制 IAS,IAS,雖直到雖直到19521952年仍未完成，但該機(jī)結(jié)構(gòu)被公認(rèn)為隨后發(fā)展年仍未完成，但該機(jī)結(jié)構(gòu)被公認(rèn)為隨后

7、發(fā)展起來(lái)的通用計(jì)算機(jī)的原型。起來(lái)的通用計(jì)算機(jī)的原型。Examples Examples PC PC （單總線結(jié)構(gòu)）（單總線結(jié)構(gòu)）&普通PC（PC/XT）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Examples Examples PC PC （多總線結(jié)構(gòu)）（多總線結(jié)構(gòu)）&普通PC（Pentium）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)MainmemoryLANIDESCSIPentium CPU32/64 CPULocal BusLocal Bus toPCI Bus bridgePCI BusAdapterPCI to ISAbridgePCI SlotsISA BusISA SlotsISAadapterCacheExamples Examples

8、 SPARCstation20 SPARCstation20（多總線結(jié)構(gòu)）（多總線結(jié)構(gòu)）& Sun SPARCstation20（RISC）Floating-point UnitInteger UnitInstCacheRefMMUDataCacheStoreBufferBus InterfaceSuperSPARCL2 CacheMBus ModuleMBusL64852MBus controlM-S AdapterSBusDRAM ControllerSBusDMASCSIEthernetSTDIOserialkbdmouseaudioRTCFloppySBusCardsv機(jī)器指令：機(jī)器指

9、令：計(jì)算機(jī)硬件可以執(zhí)行的表示一種基本操作的計(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。二進(jìn)制代碼。指令格式：操作碼指令格式：操作碼 操作數(shù)（操作數(shù)地址）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）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)的工作原理計(jì)算機(jī)的工作原理v程序：在此特指一段機(jī)器指令序列程序：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；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)到計(jì)算機(jī)按照程序所規(guī)定的流

10、程和指令順序，一條一條地執(zhí)行指令，達(dá)到完成程序所規(guī)定的功能的目的。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（計(jì)算機(jī)采用程序計(jì)算器（Program CounterProgram Counter）來(lái)決定指令執(zhí)行的順序。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 Example 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)OpcodeAdd

11、ress88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)STExample Example 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)M

12、em(Add)MUL04HMem(Add) (AC)ST 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 yExample Example 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

13、b0318HAC ax2+bxMUL x0216HAC ax2 + bx - cSUB c0410HMem (AC)ST y00H開(kāi)始PC02HPC04HPC06HPC08HPC0AHPC指令的執(zhí)行過(guò)程：微操作指令的執(zhí)行過(guò)程：微操作v 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)行某種處理操作性質(zhì)：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行某種處理操作對(duì)象操作對(duì)象操作的時(shí)間與條件操作的時(shí)間與條件BAANDQQDDQQAB微操作ABALUANDBQDQACQDQAC + BACADD

14、 Ctrl微操作AC + B AC指令的執(zhí)行過(guò)程指令的執(zhí)行過(guò)程ALUABGRAC微操作信號(hào)發(fā)生器IDIRPCMBR存儲(chǔ)器MAR微操作控制信號(hào)總線AC： 累加器ALU：算術(shù)邏輯運(yùn)算單元A,B：緩沖器GR： 通用寄存器IR： 指令寄存器ID： 指令譯碼器PC： 程序計(jì)數(shù)器MAR：地址寄存器MBR：數(shù)據(jù)寄存器機(jī)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖指令的執(zhí)行過(guò)程指令的執(zhí)行過(guò)程ALUABGRAC微操作信號(hào)發(fā)生器IDIRPCMBR存儲(chǔ)器MAR微操作控制信號(hào)總線AC： 累加器ALU：算術(shù)邏輯運(yùn)算單元A,B：緩沖器GR： 通用寄存器IR： 指令寄存器ID： 指令譯碼器PC： 程序計(jì)數(shù)器MAR：地址寄存器MBR：數(shù)據(jù)寄存器Instru

15、ctionFetchInstructionDecodeOperandFetchExecuteResultStoreNextInstruction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)序控制方式計(jì)算機(jī)的時(shí)序控制方式v 指令微操作序列指令微操作序列 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。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

16、差別v 時(shí)序控制方式時(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)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)同步控制方式的時(shí)序系統(tǒng)v 時(shí)序概念與時(shí)序信號(hào)時(shí)序概念與時(shí)序信號(hào) 指

17、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。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)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，稱為一個(gè)機(jī)器周期。比如取指周期，取數(shù)周期等。間，稱為一個(gè)機(jī)器周期。比如取指周期，取數(shù)周期等。 節(jié)拍周期：也是時(shí)鐘周期，微操作執(zhí)行的時(shí)間。節(jié)拍周期：也是時(shí)鐘周期，微操作執(zhí)行的時(shí)間。 時(shí)鐘脈沖信號(hào)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本定時(shí)信號(hào)，是其他時(shí)序信號(hào)的基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖信號(hào)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本定時(shí)信號(hào)，是其他時(shí)序信號(hào)的基準(zhǔn) 一個(gè)指令周期一個(gè)指令周期 N N 個(gè)機(jī)器周期個(gè)機(jī)器周期 一個(gè)機(jī)器周期一個(gè)機(jī)器周期 N N 個(gè)節(jié)拍周期個(gè)節(jié)拍周期主時(shí)鐘發(fā)