計算機(jī)組成原理講義1.Introduction課件

1、本講內(nèi)容透視計算機(jī)：計算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)總結(jié)組成部件內(nèi)部連接理解計算機(jī)：機(jī)器指令的執(zhí)行過程計算機(jī)最基本的操作與控制：微操作指令的執(zhí)行過程程序的執(zhí)行計算機(jī)的時序控制方式時序系統(tǒng)簡介計算機(jī)結(jié)構(gòu)(Architecture)的概念演變What is Computer Architecture ?Computer Architecture = Instruction Set Architecture (ISA) + Machine OrganizationArchitectureISA: 指從編程者角度看到的計算機(jī)所具備的概念結(jié)構(gòu)和邏輯功能。區(qū)別與計算機(jī)的物理實現(xiàn)和物理結(jié)構(gòu)?？删幊檀鎯ζ鞯慕Y(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)，指令

2、格式，尋址方式數(shù)據(jù)類型，編碼Organization：物理實現(xiàn)與物理結(jié)構(gòu)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)部連接信息流（數(shù)據(jù)流和指令流）及其控制ISA的實現(xiàn)寄存器傳輸層（RTL）的硬件描述計算機(jī)組成（1）從1946年開始，所有的計算機(jī)都包含如下幾個部分ControlDatapathUnitsMemoryCPUInputOutput計算機(jī)組成（1）運算器完成最基本的算術(shù)邏輯運算ALU(Arithmetic and Logic Unit） Registers DataPath 控制器提供各部件工作所需的控制信號，控制計算機(jī)其他部件協(xié)同

3、工作指令部件（Instruction Register ，Instruction Decoder）指令順序控制（Program Counter）時序邏輯部件（Clock，Timer ，Sequencing Logic）控制信號生成部件（Control Signal Generator or Control Memory） 運算器控制器CPU（Central Process Unit）計算機(jī)組成（2）存儲器保存程序和數(shù)據(jù)存儲單元（bit, Byte, Word)地址的概念（每一個字節(jié)單元一個唯一的地址） 存儲器的工作方式：讀、寫 組成：存儲體地址緩沖部件數(shù)據(jù)緩沖部件讀寫控制部件存儲器的層次：Ca

4、che RAM Disk Tape輸入輸出實現(xiàn)計算機(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)與接口部件外部設(shè)備：輸入設(shè)備、輸出設(shè)備計算機(jī)內(nèi)部各部件之間的連接：計算機(jī)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)通道構(gòu)成：地址總線、數(shù)據(jù)總線、控制總線單總線結(jié)構(gòu)多總線結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)總線ISA-Industry Standard Architecture（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)） PCI-Peripheral Connection Interface (周邊元件擴(kuò)充接口) SCSI-Small Computer System Interface(小型計算

5、機(jī)系統(tǒng)接口)單總線結(jié)構(gòu)Examples IAS （直接連接）1946年，馮諾依曼與同事開始研制 IAS,雖直到1952年仍未完成，但該機(jī)結(jié)構(gòu)被公認(rèn)為隨后發(fā)展起來的通用計算機(jī)的原型。Examples PC （單總線結(jié)構(gòu)）普通PC（PC/XT）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Examples PC （多總線結(jié)構(gòu)）普通PC（Pentium）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Examples SPARCstation20（多總線結(jié)構(gòu)）Sun SPARCstation20（RISC）Floating-point UnitInteger UnitInstCacheRefMMUDataCacheStoreBufferBus InterfaceSuper

6、SPARCL2 CacheMBus ModuleMBusL64852MBus controlM-S AdapterSBusDRAM ControllerSBusDMASCSIEthernetSTDIOserialkbdmouseaudioRTCFloppySBusCards機(jī)器指令：計算機(jī)硬件可以執(zhí)行的表示一種基本操作的二進(jìn)制代碼。指令格式：操作碼 操作數(shù)（操作數(shù)地址）操作碼：指明指令的操作性質(zhì)操作數(shù)（地址）：指令操作數(shù)的位置（或操作數(shù)本身）計算機(jī)的工作原理程序：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；計算機(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)

7、到完成程序所規(guī)定的功能的目的。計算機(jī)采用程序計算器（Program Counter）來決定指令執(zhí)行的順序。操作碼操作數(shù)地址11010101 10000100 01010001 10100000Example 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)OpcodeAddress88操作碼說明00HAC (AC)Mem(Add)01HAC Mem(Add)02HAC (AC) Mem(Add)指令A(yù)DDLDSUB03HAC

8、 (AC)Mem(Add)MUL04HMem(Add) (AC)STExample 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操作碼說明00HAC (AC)Mem(Add)01HAC Mem(Add)02HAC (AC) Mem(Add)指令A(yù)DDLDSUB03HAC (AC)Mem(Add)MUL04HMem(Add) (AC)ST 程序如下代碼0112HAC a0318HAC ax0014HAC ax + b指令LD aMUL xADD b0

9、318HAC ax2+bxMUL x0216HAC ax2 + bx - cSUB c0410HMem (AC)ST yExample 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 b0318HAC ax2+bxMUL x0216HAC ax2 + bx - cSUB c0410HMem (AC)ST y00H開始PC02HPC04HPC06HPC08HPC0AHP

10、C指令的執(zhí)行過程：微操作微操作：計算機(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)行操作性質(zhì)：對數(shù)據(jù)進(jìn)行某種處理操作對象操作的時間與條件微操作AB微操作AC + B AC指令的執(zhí)行過程機(jī)器結(jié)構(gòu)簡化圖指令的執(zhí)行過程InstructionFetchInstructionDecodeOperandFetchExecuteResultStoreNextInstruction根據(jù)PC內(nèi)容從存儲器取指令送IR指令譯碼器譯碼（解釋指令），形成微操作控制信號在控制信號的作用下取操作數(shù)送運算器運算器執(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計算機(jī)的時序控制方式指令微操作序列從微操作本身所執(zhí)行的功能來看，不同的微操作執(zhí)行時間應(yīng)該不同。對微操作的定時方式成為不同時序控制方式的主要差別時序控制方式異步控制方式：不同的微操作具有不同的定時定時精確，性能指標(biāo)高結(jié)構(gòu)復(fù)雜，時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)行時間統(tǒng)一定時，結(jié)構(gòu)簡單最復(fù)雜的微操作成為標(biāo)準(zhǔn)，存在時間浪費的現(xiàn)象，性能受到影響機(jī)器主頻（主時鐘周期）：微操作周期同步控制方式的時序系統(tǒng)時序概念與時序信號指令周期：指令執(zhí)行的時間，包括取指令、分析指令、執(zhí)行指令所需的時間。機(jī)器周期：指令周期按功能分成幾個不同的階段，每個階段所需的時間，稱為一個機(jī)器周期。比如取