研究生課程計算機組成原理ppt課件

1、李光順李光順 主講主講由具有各類特殊功能由具有各類特殊功能的信息程序組成的信息程序組成1. 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng)計算機的實體，由各計算機的實體，由各種電子元器件組成，種電子元器件組成，如主機、外設(shè)等如主機、外設(shè)等硬件硬件軟件軟件按義務(wù)需求編制成的各種程序按義務(wù)需求編制成的各種程序用來管理整個計算機系統(tǒng)用來管理整個計算機系統(tǒng) 系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件運用軟件運用軟件操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)言語處置程序言語處置程序規(guī)范庫程序規(guī)范庫程序效力性程序效力性程序數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)軟件網(wǎng)絡(luò)軟件軟軟件件信息管理軟件信息管理軟件輔助設(shè)計軟件輔助設(shè)計軟件文字處置軟件文字處置軟件各種程序包各種程序

2、包 馮馮諾依曼計算機硬件框圖諾依曼計算機硬件框圖存儲器存儲器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運算器運算器控制器控制器輸出設(shè)備輸出設(shè)備2. 2. 計算機硬件框圖計算機硬件框圖以存儲器為中心的計算機硬件框圖以存儲器為中心的計算機硬件框圖程序程序存儲器存儲器輸出設(shè)備輸出設(shè)備輸入設(shè)備輸入設(shè)備運算器運算器控制器控制器數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果結(jié)果計算計算ALU主存主存輔存輔存CPU主機主機I/O設(shè)備設(shè)備硬件硬件CU計算機的主要硬件計算機的主要硬件存儲器存儲器輸入設(shè)備輸入設(shè)備運算器運算器輸出設(shè)備輸出設(shè)備控制器控制器存儲體存儲體大樓大樓存儲單元存儲單元 存放一串二進制代碼存放一串二進制代碼 存儲單元存儲單元 存儲元件存儲元件0/10/1

3、 房房間間 床位床位無人無人/ / 有人有人(1)(1)主存儲器主存儲器MDR主存儲器主存儲器存儲體存儲體MAR3.計算機的各主要組成計算機的各主要組成(2) 運算器運算器運算器運算器MQACCALUX取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令PCIRCUPCIRCU取指取指執(zhí)行執(zhí)行PC 存放當前欲執(zhí)行指令的地址，存放當前欲執(zhí)行指令的地址， 具有計數(shù)功能具有計數(shù)功能PC+ 1 PCIR 存放當前欲執(zhí)行的指令存放當前欲執(zhí)行的指令訪存訪存訪存訪存完成完成一條一條指令指令(3) (3) 控制器控制器I/OI/O設(shè)備設(shè)備相應(yīng)接口相應(yīng)接口(4) I/O系統(tǒng)系統(tǒng)1.機器字長機器字長 CPU 一次能處置數(shù)

4、據(jù)的位數(shù)。一次能處置數(shù)據(jù)的位數(shù)。221 b = 256 KB213 b = 1 KB如如2.存儲容量存儲容量主存容量主存容量輔存容量輔存容量存儲單元個數(shù)存儲單元個數(shù) 存儲字存儲字長長字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù) 80 GB 80 GB如如 MAR MDR MAR MDR 容量容量 10 8 16 32存放二進制信息的總位數(shù)存放二進制信息的總位數(shù)1K = 210 1B = 23b1GB = 230b1 K 8位位64 K 32位位3.運算速度運算速度 MIPS (million instruction per second) MIPS (million instruction per second)

5、百百萬指令每秒萬指令每秒 執(zhí)行一條指令所需求的平均時鐘周期數(shù)執(zhí)行一條指令所需求的平均時鐘周期數(shù) CPI (cycle per instruction) CPI (cycle per instruction) 每秒執(zhí)行的浮點操作數(shù)目每秒執(zhí)行的浮點操作數(shù)目 FLOPS FLOPSfloating point operation per floating point operation per secondsecond或或 MFLOPS (million FLOPS) MFLOPS (million FLOPS)百萬浮點操作每秒百萬浮點操作每秒1946年年 美國美國 ENIAC1955年退役年退役十

6、進制運算十進制運算18 0001 500150301 500多個電子管多個電子管多個繼電器多個繼電器千瓦千瓦噸噸平方英尺平方英尺5 000次加法秒次加法秒用手工搬動開關(guān)和拔插電纜來編程用手工搬動開關(guān)和拔插電纜來編程世界上第一臺電子計算機世界上第一臺電子計算機 ENIAC(1946) ENIAC(1946)第一臺第一臺von Neumann 系統(tǒng)構(gòu)造的計算機系統(tǒng)構(gòu)造的計算機IBM System360 1.IBM: BlueGene/L - eServer Blue Gene Solution212 992 個個 CPU 最大平均速度最大平均速度 478 200 GFLOPS最快的五臺超級計算機截

7、止到最快的五臺超級計算機截止到 2019.112.IBM: JUGENE - Blue Gene/P Solution 65 536個個 CPU 最大平均速度最大平均速度 167 300 GFLOPS 最快的五臺超級計算機截止到最快的五臺超級計算機截止到 2019.113.SGI: SGI Altix ICE 820014 336個個 CPU 最大平均速度最大平均速度 126 900 GFLOPS 最快的五臺超級計算機截止到最快的五臺超級計算機截止到 2019.114. HP : EKA - Cluster Platform 3000 BL460c14 240個個 CPU 最大平均速度最大平均

8、速度 117 900 GFLOPS最快的五臺超級計算機截止到最快的五臺超級計算機截止到 2019.11最快的五臺超級計算機截止到最快的五臺超級計算機截止到 2019.115. HP : Cluster Platform 3000 BL460c13 728個個 CPU 最大平均速度最大平均速度 102 800 GFLOPSMoore 定律定律Intel 公司的締造者之一公司的締造者之一 Gordon Moore 提出提出微芯片上集成的微芯片上集成的 晶體管數(shù)目每三年翻兩番晶體管數(shù)目每三年翻兩番1. 什么是總線什么是總線總線是銜接各個部件的信息傳輸線，總線是銜接各個部件的信息傳輸線，是是 各個部件

9、共享的傳輸介質(zhì)各個部件共享的傳輸介質(zhì)系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線控制總線控制總線雙向雙向 與機器字長、存儲字長有關(guān)與機器字長、存儲字長有關(guān)單向單向 與存儲地址、與存儲地址、 I/O地址有關(guān)地址有關(guān)有出有出 有入有入計算機各部件之間計算機各部件之間 的信息傳輸線的信息傳輸線存儲器讀、存儲器寫存儲器讀、存儲器寫總線允許、中斷確認總線允許、中斷確認中斷懇求、總線懇求中斷懇求、總線懇求2. 總線分類總線分類總線標準總線標準數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線總線時鐘總線時鐘帶寬帶寬ISA168 MHz （獨立）（獨立）16 MBpsEISA328 MHz （獨立）（獨立）33 MBpsVESA(VL-BU

10、S)326433 MHz （CPU）133 MBpsPCI326433 MHz（獨立）（獨立）66 MHz（獨立）（獨立）132 MBps528 MBpsAGP3266.7 MHz（獨立）（獨立）133 MHz（獨立）（獨立）266 MBps533 MBpsRS-232串行通信串行通信總線標準總線標準數(shù)據(jù)終端設(shè)備（計算機）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備數(shù)據(jù)終端設(shè)備（計算機）和數(shù)據(jù)通信設(shè)備（調(diào)制解調(diào)器）之間的標準接口（調(diào)制解調(diào)器）之間的標準接口USB串行接口串行接口總線標準總線標準普通無屏蔽雙絞線普通無屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線帶屏蔽雙絞線最高最高1.5 Mbps (USB1.0)12 Mbps (USB1.0)4

11、80 Mbps (USB2.0) 3. 總線規(guī)范總線規(guī)范波特率：單位時間內(nèi)傳送的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，波特率：單位時間內(nèi)傳送的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，單位用單位用bps表示。表示。比特率：單位時間內(nèi)傳送的二進制有效數(shù)據(jù)的比特率：單位時間內(nèi)傳送的二進制有效數(shù)據(jù)的位數(shù)，單位用位數(shù)，單位用bps表示。表示。磁盤、磁帶、光盤磁盤、磁帶、光盤 高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器CacheFlash Memory存存儲儲器器主存儲器主存儲器輔助存儲器輔助存儲器MROMPROMEPROMEEPROMRAMROM靜態(tài)靜態(tài) RAM動態(tài)動態(tài) RAM1. 按在計算機中的作用分類按在計算機中的作用分類緩存緩存CPU主存主存輔存輔存2

12、. 緩存緩存 主存層次和主存主存層次和主存 輔存層次輔存層次緩存緩存主存主存輔存輔存主存主存虛擬存儲器虛擬存儲器10 ns20 ns200 nsms虛地址虛地址邏輯地址邏輯地址實地址實地址物理地址物理地址主存儲器主存儲器速度速度容量容量程序訪問的部分性原理程序訪問的部分性原理Cache Cache 的命中率的命中率 CPU CPU 欲訪問的信息在欲訪問的信息在 Cache Cache 中的中的 比率。比率。 Cache 的的 命中率命中率 與與 Cache 的的 容量容量 、 塊長、塊長、程序本身和交換戰(zhàn)略等有關(guān)。程序本身和交換戰(zhàn)略等有關(guān)。磁盤磁盤磁磁盤盤組組主軸主軸磁頭磁頭音圈音圈電機電機位

13、置檢測位置檢測定位驅(qū)動定位驅(qū)動模擬控制模擬控制放放大大閉環(huán)自動控制系統(tǒng)閉環(huán)自動控制系統(tǒng)由磁盤控制由磁盤控制器送來的目器送來的目標磁道信號標磁道信號測測速速輸輸出出讀寫臂讀寫臂傳動機構(gòu)傳動機構(gòu)主軸主軸定位驅(qū)動定位驅(qū)動數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù)控制程序查詢方式程序查詢方式程序中斷方式程序中斷方式DMA方式方式I/O通道方式通道方式I/O處置機方式處置機方式I/O設(shè)備與主機信息傳送的控制方式設(shè)備與主機信息傳送的控制方式1. 數(shù)制與進位計數(shù)法數(shù)制與進位計數(shù)法符號符號:0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F:0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F1無符號數(shù)無符號數(shù)用二進

14、制表示用二進制表示反映無符號數(shù)的表示范圍反映無符號數(shù)的表示范圍 8 位位 0 2552有符號數(shù)有符號數(shù)原碼原碼反碼反碼補碼補碼移碼移碼N = Srj浮點數(shù)的普通方式浮點數(shù)的普通方式S 尾數(shù)尾數(shù)j 階碼階碼r 基數(shù)基值基數(shù)基值浮點數(shù)的表示方式浮點數(shù)的表示方式Sf 代表浮點數(shù)的符號代表浮點數(shù)的符號n 其位數(shù)反映浮點數(shù)的精度其位數(shù)反映浮點數(shù)的精度m 其位數(shù)反映浮點數(shù)的表示范圍其位數(shù)反映浮點數(shù)的表示范圍jf 和和 m 共同表示小數(shù)點的實踐位置共同表示小數(shù)點的實踐位置jf j1 j2 jm Sf S1 S2 Sn j 階碼階碼S 尾數(shù)尾數(shù)階符階符數(shù)符數(shù)符階碼的階碼的數(shù)值部分數(shù)值部分尾數(shù)的數(shù)值部分尾數(shù)的數(shù)

15、值部分小數(shù)點位置小數(shù)點位置IEEE 754 規(guī)范規(guī)范短實數(shù)短實數(shù)長實數(shù)長實數(shù)暫時實數(shù)暫時實數(shù)符號位符號位 S 階碼階碼 尾數(shù)尾數(shù) 總位數(shù)總位數(shù)1 8 23 321 11 52 641 15 64 80S 階碼含階符階碼含階符 尾尾 數(shù)數(shù)數(shù)符數(shù)符小數(shù)點位置小數(shù)點位置尾數(shù)為規(guī)格化表示尾數(shù)為規(guī)格化表示非非 “0 的有效位最高位為的有效位最高位為 “1隱含隱含1 移位運算移位運算算術(shù)移位和邏輯移位算術(shù)移位和邏輯移位2 補碼加減運算補碼加減運算溢出判別溢出判別3原碼和補碼的乘法運算原碼和補碼的乘法運算4原碼和補碼的除法運算原碼和補碼的除法運算浮點加減運算浮點加減運算浮點乘除運算浮點乘除運算 指令的尋址方

16、式指令的尋址方式 2. 2. 指令系統(tǒng)的設(shè)計指令系統(tǒng)的設(shè)計取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令執(zhí)行指令，發(fā)出各種操作命令控制程序輸入及結(jié)果的輸出控制程序輸入及結(jié)果的輸出總線管理總線管理處置異常情況和特殊懇求處置異常情況和特殊懇求1. 控制器的功能控制器的功能2. 運算器的功能運算器的功能實現(xiàn)算術(shù)運算和邏輯運算實現(xiàn)算術(shù)運算和邏輯運算指令控制指令控制操作控制操作控制時間控制時間控制數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工處置中斷處置中斷2. CPU 構(gòu)造構(gòu)造PC IR指令控制指令控制操作控制操作控制時間控制時間控制數(shù)據(jù)加工數(shù)據(jù)加工處置中斷處置中斷ALU 存放器存放器中斷系統(tǒng)中斷系統(tǒng)CU 時序電路時序電路

17、存放器存放器ALU 中斷中斷 系統(tǒng)系統(tǒng)CUCPU控制總線控制總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線完成一條指令分完成一條指令分 4 個任務(wù)周期個任務(wù)周期取指周期取指周期間址周期間址周期執(zhí)行周期執(zhí)行周期中斷周期中斷周期10.1 組合邏輯設(shè)計組合邏輯設(shè)計10.2 微程序設(shè)計微程序設(shè)計組合邏輯設(shè)計步驟組合邏輯設(shè)計步驟1. 列出操作時間表列出操作時間表T2T1T0 FE取指取指 JMPLDASTAADDCOMCLA微操作命令信號微操作命令信號形狀形狀條件條件節(jié)拍節(jié)拍任務(wù)任務(wù)周期周期標志標志PC MAR1 RM(MAR) MDR ( PC ) +1 PCMDR IROP( IR ) ID1 IND1 EX

18、II11111111111111111111111111111111111111111111112. 寫出微操作命令的最簡表達式寫出微操作命令的最簡表達式= FE T1 + IND T1 ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) + EX T1 ( ADD +LDA )M ( MAR ) MDR= T1 FE + IND ( ADD + STA + LDA + JMP + BAN ) + EX ( ADD +LDA ) 3. 畫出邏輯圖畫出邏輯圖特點特點 思緒明晰，簡單明了思緒明晰，簡單明了 龐雜，調(diào)試困難，修正困難龐雜，調(diào)試困難，修正困難 速度快速度快&11&1FEINDEXLDAADDJMPBANSTAT1M ( MAR) MDRRISC&