计算机系统组成工作原理ppt.pptx
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1、计算机系统组成工作原理计算机系统组成工作原理计算机得体系结构计算机得体系结构2 1946年年,美国宾夕法尼亚大学莫尔学院得物理学博士美国宾夕法尼亚大学莫尔学院得物理学博士Mauchley与电气工程师与电气工程师Eckert领导得小组研制成功世界上第一领导得小组研制成功世界上第一台数字式电子计算机台数字式电子计算机ENIAC。著名得美籍匈牙利数学家著名得美籍匈牙利数学家Von Neumann参加了为改进参加了为改进ENIAC而举行得一系列专家会议而举行得一系列专家会议,研究了新型计算机得体系结构。研究了新型计算机得体系结构。1949年年,英国剑桥大学得威尔克斯等人在英国剑桥大学得威尔克斯等人在E
2、DSAC 机上实现机上实现了冯了冯诺依曼模式。诺依曼模式。直至今天冯直至今天冯诺依曼体系结构依然就是绝诺依曼体系结构依然就是绝大多数数字计算机得基础。大多数数字计算机得基础。冯冯诺伊曼计算机系统结构框图诺伊曼计算机系统结构框图 3体系结构角度得多层结构硬件向上提供得接硬件向上提供得接口口:指令系统指令系统异常事件异常事件端口定义端口定义4体系结构、组成与实现n体系结构体系结构Architecture 程序员关心得计算机概念结构与功能特性程序员关心得计算机概念结构与功能特性如如:确定指令集中就是否有乘法指令确定指令集中就是否有乘法指令;n计算机组成计算机组成Organization从硬件角度关注
3、物理机器得组织从硬件角度关注物理机器得组织 如如:乘法指令由专用乘法器还就是用加法器实现乘法指令由专用乘法器还就是用加法器实现n计算机实现计算机实现Realization底层得器件技术、微组装技术、冷却技术等底层得器件技术、微组装技术、冷却技术等如如:加法器底层得物理器件类型及微组装技术加法器底层得物理器件类型及微组装技术系列机系列机5计算机得组成计算机得组成(1)6计算机得组成计算机得组成(2)总线结构总线结构7计算机得组成(3)同步数字系统同步数字系统8组织角度得多层结构9体系结构、组成与实现n体系结构体系结构Architecture 程序员关心得计算机概念结构与功能特性程序员关心得计算机
4、概念结构与功能特性如如:确定指令集中就是否有乘法指令确定指令集中就是否有乘法指令;n计算机组成计算机组成Organization从硬件角度关注物理机器得组织从硬件角度关注物理机器得组织 如如:乘法指令由专用乘法器还就是用加法器实现乘法指令由专用乘法器还就是用加法器实现n计算机实现计算机实现Realization底层得器件技术、微组装技术、冷却技术等底层得器件技术、微组装技术、冷却技术等如如:加法器底层得物理器件类型及微组装技术加法器底层得物理器件类型及微组装技术系列机系列机10计算机得实现 半导体技术半导体技术 制造技术制造技术 封装技术封装技术 装配技术装配技术 电源技术电源技术 冷却技术冷
5、却技术 11大家学习辛苦了,还是要坚持继续保持安静继续保持安静继续保持安静继续保持安静132、2、1 冯诺依曼体系架构n硬件组成硬件组成u五大部分五大部分u以存储器为中心以存储器为中心n信息表示信息表示:二进制二进制u计算机内部得控制信息与数据信息均采用二进制表示计算机内部得控制信息与数据信息均采用二进制表示,并存放在同一个存储器中并存放在同一个存储器中n工作原理工作原理:存储程序存储程序/指令指令(控制控制)驱动驱动u编制好得程序编制好得程序(包括指令与数据包括指令与数据)预先经由输入设备输预先经由输入设备输入并保存在存储器中入并保存在存储器中u计算机开始工作后计算机开始工作后,在不需要人工
6、干预得情况下由控制在不需要人工干预得情况下由控制器自动、高速地依次从存储器中取出指令并加以执行器自动、高速地依次从存储器中取出指令并加以执行2、2、2 模型机系统结构基于总线得冯基于总线得冯诺依曼架构模型机诺依曼架构模型机n总线子系统总线子系统:作为作为公共通道连接各公共通道连接各子子部件部件,用于实现各部用于实现各部件之间得数据、信息等得传输与交换件之间得数据、信息等得传输与交换(第第4章章)n存储器子系统存储器子系统:存放当前得运行程序与数据存放当前得运行程序与数据(第第5章章)n输入输出子系统输入输出子系统:完成计算机与外部得信息交换完成计算机与外部得信息交换(第第6章章)nCPU子系统
7、子系统:集成了集成了运算器、控制器与寄存器得超大规运算器、控制器与寄存器得超大规模集成电路芯片模集成电路芯片(VLSI)(第第3章章)141、模型机总线结构模型机总线结构按传输信息得不同按传输信息得不同,可将总线分为数据总线可将总线分为数据总线DB、地址、地址总线总线AB与控制总线与控制总线CB三类三类:地址总线通常就是单向得地址总线通常就是单向得,由主设备由主设备(如如CPU)发出发出,用于选用于选择读写对象择读写对象(如某个特定得存储单元或外部设备如某个特定得存储单元或外部设备);数据总线用于数据交换数据总线用于数据交换,通常就是双向得通常就是双向得;控制总线包括真正得控制信号线控制总线包
8、括真正得控制信号线(如读如读/写信号写信号)与一些状态与一些状态信号线信号线(如就是否已将数据送上总线如就是否已将数据送上总线),用于实现对设备得监用于实现对设备得监视与控制。视与控制。MPURAMROMI/O接口接口外设外设ABDBCB152、模型机内存储器存储器存储器组织组织由许多字节单元组成由许多字节单元组成,每个单元都有一个唯一得每个单元都有一个唯一得编号编号(存储单元地址存储单元地址),保存得信息称为存储单元内容。保存得信息称为存储单元内容。访问访问(读或写读或写)存储单元存储单元:存储单元地址经地址译码后产生相应存储单元地址经地址译码后产生相应得选通信号得选通信号,同时同时在控制信
9、号得作用下读出存储单元内容到在控制信号得作用下读出存储单元内容到数据缓冲器数据缓冲器,或将数据缓冲器中得内容写入选定得单元。或将数据缓冲器中得内容写入选定得单元。1617small endianness18各种宽度信息得存储各种宽度信息得存储 (a)按任意相连存储紧凑,但访问需要2总线操作(b)按整数边界存储 有浪费有浪费,但访问效率高但访问效率高193、输入/输出子系统n计算机与直接相联得外围设备进行数据交换得过计算机与直接相联得外围设备进行数据交换得过程通常称为输入程通常称为输入/输出输出(In/Out),而与远方设备进行而与远方设备进行数据交换得过程习惯上称为数据通信数据交换得过程习惯上
10、称为数据通信(data munication)算术逻辑单元算术逻辑单元ALU累加器累加器ACC累加锁存器累加锁存器暂存暂存器器标志寄存器标志寄存器FR通用寄存器组通用寄存器组堆栈指针堆栈指针SP程序计数器程序计数器PC微微 操操 作作 控控 制制 电电 路路指令译码器指令译码器ID指令寄存器指令寄存器IR 操作码操作码,地址码地址码脉冲分配器脉冲分配器时钟脉冲源时钟脉冲源控制总线控制总线CB地址总线地址总线AB数据总线数据总线DB内部总线内部总线地址缓冲器地址缓冲器数据缓冲器数据缓冲器运算器运算器寄存器组寄存器组控制器控制器4、模型机CPU子系统20模型机指令系统指令就是发送到指令就是发送到C
11、PU得命令得命令,指示指示CPU执行一个特定得处理执行一个特定得处理,如从存储器取数据、对数据进行逻辑运算等。如从存储器取数据、对数据进行逻辑运算等。CPU可以处可以处理得全部指令集合称为指令集理得全部指令集合称为指令集(Instruction Set)。指令集结指令集结构构(ISA,Instruction Set Architecture)就是体系结构得主就是体系结构得主要内容之一要内容之一,对对CPU得基本组织会产生非常大得影响。得基本组织会产生非常大得影响。ISA功能设计实际就就是确定软硬件得功能分配。功能设计实际就就是确定软硬件得功能分配。指令通常包含操作码与操作数两部分。操作码指明要
12、完成操指令通常包含操作码与操作数两部分。操作码指明要完成操作得性质作得性质,如加、减、乘、除、数据传送、移位等如加、减、乘、除、数据传送、移位等;操作数操作数指明参加上述规定操作得数据或数据所存放得地址。指明参加上述规定操作得数据或数据所存放得地址。汇编语言源程序汇编语言源程序机器语言程序机器语言程序(目标代码)(目标代码)汇编(汇编程序)汇编(汇编程序)高级语言源程序高级语言源程序编译或解释(编译程序)编译或解释(编译程序)212、2、3 模型机常用汇编指令指指 令令 类类 型型操作码示例操作码示例操作数示例操作数示例说说 明明算算术类加法加法ADDRs1,Rs2,RdRs,Imm,Rd(R
13、s1)+(Rs2)Rd(Rs)+ImmRd运算运算类指令只能指令只能对寄存器中寄存器中得数据或立即数得数据或立即数进行直接操行直接操作作减法减法SUBRs1,Rs2,RdRs,Imm,Rd(Rs1)-(Rs2)Rd(Rs)-ImmRd逻辑类位与位与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,Rd!(Rs)Rd传送送类存存储器或器或I/O读LDRMEM,RdMEM(Rd)将指定地址得存将指定地址得存储单元或元或I/O端口得端口得值读入寄存器入寄
14、存器Rd存存储器或器或I/O写写STRRs,MEM(Rs)MEM将寄存器将寄存器Rs得得值写入指定地址写入指定地址得存得存储单元或元或I/O端口端口寄存器寄存器访问MOVRs,RdImm,Rd(Rs)(Rd)跳跳转类无条件跳无条件跳转JMPLableLable(PC)条件跳条件跳转JX/JNXLableIf X为真真/假假,则Lable(PC)过程程调用用CALLSub-LableSub-Lable(PC)调用子程序用子程序过程返回程返回RET-返回主程序返回主程序其她其她停机停机HLT-222、2、4 模型机工作原理计算机得工作本质上就就是计算机得工作本质上就就是执行程序执行程序得过程。得过
15、程。n顺序执行顺序执行指令执行得基本过程可以分为指令执行得基本过程可以分为取指令取指令(fetch)、分析指令、分析指令(decode)与执行指令与执行指令(execute)三个阶段。三个阶段。2非顺序执行非顺序执行1.转移转移(jump):执行条件执行条件/无条件转移指令无条件转移指令,不返回不返回2.过程过程(procedure)调用调用:主程序调用子程序后返回断点主程序调用子程序后返回断点3.中断中断(interrupt):外界突发事件处理完后返回断点外界突发事件处理完后返回断点4.异常异常(exception):程序本身产生得某些例外处理完后重新执行程序本身产生得某些例外处理完后重新执
16、行5.陷阱陷阱(trap):程序本身产生某些例外条件处理完后返回断点程序本身产生某些例外条件处理完后返回断点23程序得执行过程取指令、分析指令、执行指令取指令、分析指令、执行指令ABDBALU累加器累加器ACC暂存器暂存器标志寄存器标志寄存器FR寄存器组寄存器组 操作控制器操作控制器OC指令译码器指令译码器ID指令寄存器指令寄存器IR 操作码操作码,地址码地址码内部总线内部总线地址缓冲器地址缓冲器数据缓冲器数据缓冲器程序计数程序计数器器PC地地址址译译码码读控制读控制B0H5CH04H2EH地址地址1001H1002H1003H内容内容1000H内存储器内存储器MOV 5CH,R1ADD R1
17、,2EH,R21CPU外外CPU内内242、3 冯诺依曼体系结构得演进n演进演进1.CPU指令集指令集 2.存储器子系统存储器子系统 3.总线总线4.输入输入/输出子系统输出子系统 n改变改变1.改变控制方式改变控制方式,发展数据、需求、模式等其她驱动方式发展数据、需求、模式等其她驱动方式;2.改变串行执行模式改变串行执行模式,发展发展并行技术并行技术;3-6章重点章重点指令功能、指令格式、寻址方式指令功能、指令格式、寻址方式 分层结构分层结构高速总线高速总线+多种接口方式多种接口方式 冯冯诺依曼型计算机得诺依曼型计算机得本质特点本质特点也造成了其瓶颈也造成了其瓶颈:指令执行得串行性指令执行得
18、串行性 存储器读取得串行性存储器读取得串行性252、3、1 不同得指令集设计策略不同得指令集设计策略:CISC与与RISCCISC(plex Instruction Set puter,复杂指令集复杂指令集计算机计算机)不断增强指令得功能以及设置更复杂得新指令取代不断增强指令得功能以及设置更复杂得新指令取代原先由程序段完成得功能原先由程序段完成得功能,从而实现软件功能得硬化。从而实现软件功能得硬化。RISC(Reduced Instruction Set puter,精简指精简指令集计算机令集计算机)通过减少指令种类与简化指令功能来降低硬件设通过减少指令种类与简化指令功能来降低硬件设计复杂度计
19、复杂度,从而提高指令得执行速度。从而提高指令得执行速度。现代计算机现代计算机:RISC+CISC26按处理器指令架构分类按处理器指令架构分类n复杂指令集计算机(plex Instruction Set puter,CISC),如X86u控制器得设计实现复杂u包含了复杂计算指令且运行时间长n精简指令集计算机(Reduced Instruction Set puter,RISC),如IBM得PowerPC,Sun得SPARC,MIPS得MIPS Rxxx系列u高效得编译器才能使RISC优点充分体现u指令数据少且每条指令都能在单时钟周期完成n超长指令集架构就是英文(Very Long Instruc
20、tion Word,VLIW),IA-64,如INTEL得IA64,AMD得X8664u简化处理器结构,删除复杂得控制器电路,每时钟周期可运行20条指令,而CISC通常只能运行1-3条指令,RISC能运行4条指令2728CISCCISC得设计思想及特点得设计思想及特点 n每条指令执行单一功能,硬件复杂u为编程方便,往往增加指令数目,指令编码长度增加,硬件译码更复杂u为编程灵活,增加寻址方式,指令长度不一,译码复杂u每条指令完成一个完整功能,因此单条指令涉及多个操作,如取指、参数、运算、存结果等u为增加新功能,需增加新指令,因此指令系统越来越复杂,这也就是CISC得由来n如MC68020机就有2
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