計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)課件 第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述

第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述主要內(nèi)容：1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成1.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類與發(fā)展1.1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成

1.1.1馮諾依曼結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)組成五大功能部件+存儲(chǔ)程序和自動(dòng)控制2運(yùn)算器控制器輸入設(shè)備輸出設(shè)備輔助存儲(chǔ)器CPU控制數(shù)據(jù)地址/指令主機(jī)外設(shè)存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器1.1.2哈佛結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)組成特點(diǎn)：程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分離獨(dú)立，可以并行處理優(yōu)點(diǎn)：提高了存取效率和處理速度，能適應(yīng)高性能計(jì)算的應(yīng)用1.1.3微型計(jì)算機(jī)的硬件組成1.主板2.CPU3.主存4.總線5.輸入/輸出接口主機(jī)外設(shè)1.外存2.輸入設(shè)備3.輸出設(shè)備硬件主板CPUCPU通常包括：運(yùn)算器：負(fù)責(zé)算術(shù)和邏輯運(yùn)算；控制器：負(fù)責(zé)執(zhí)行指令并發(fā)出控制命令；寄存器組：保存指令、操作數(shù)、地址、狀態(tài)信息。主要性能指標(biāo)有：主頻與字長(zhǎng)Intel8086CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)AHALBHBLCHCLDHDLSPBPDISI通用寄存器AXBXCXDX暫存器標(biāo)志寄存器EU控制系統(tǒng)123456總線接口邏輯CSDSSSESIP內(nèi)部暫存器外部總線ALU地址加法器ALU數(shù)據(jù)總線16位8位地址總線20位數(shù)據(jù)總線指令隊(duì)列執(zhí)行部件EU總線接口部件BIU控制器功能：負(fù)責(zé)指令的讀取、分析和執(zhí)行，產(chǎn)生與指令相關(guān)的操作信號(hào)（即微命令）并按順序送往相應(yīng)的部件，從而控制這些部件執(zhí)行規(guī)定動(dòng)作，包括收集各部件的狀態(tài)信息。指令用二進(jìn)制表示、并預(yù)先存放在存儲(chǔ)器中，稱為存儲(chǔ)程序。指令的作用：告訴控制器做什么操作，數(shù)據(jù)從哪里來、結(jié)果送到哪里去。指令的構(gòu)成：操作碼說明執(zhí)行什么操作，而地址碼說明數(shù)據(jù)的來源和去向。操作碼地址碼微命令序列的產(chǎn)生方式兩種：（1）由組合邏輯電路直接產(chǎn)生（組合邏輯控制方式）（2）通過執(zhí)行該指令對(duì)應(yīng)的微程序產(chǎn)生（微程序控制方式）微程序控制方式的基本思路：先把操作信號(hào)編碼（構(gòu)成微指令），再把微指令編制微程序并固化在控制存儲(chǔ)器中，執(zhí)行指令時(shí)找到并執(zhí)行對(duì)應(yīng)的微程序，即可直接向各部件送出微命令寄存器——通用寄存器組(1)特點(diǎn)：可以編程訪問某個(gè)指定的寄存器(2)功能存放操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果、用作地址指針、用基址寄存器、變址寄存器、計(jì)數(shù)器等注意，在不同計(jì)算機(jī)中分工并不完全相同(3)命名大型機(jī)：命名為R0、R1、R2、……微機(jī)：4個(gè)數(shù)據(jù)寄存器AX（AH、AL）、BX、CX、DX，4個(gè)指針寄存器SP、BP、SI、DI。例如，編程時(shí)AX做累加器、BX做基址寄存器、CX做計(jì)數(shù)寄存器）、DX做數(shù)據(jù)寄存器。寄存器——專用寄存器組指CPU指定用來完成某一種特殊功能的寄存器對(duì)程序員可見：如代碼段寄存器CS、數(shù)據(jù)段寄存器DS、堆棧段寄存器SS等對(duì)程序員不可見：數(shù)據(jù)緩沖寄存器（MDR）、指令寄存器（IR）程序計(jì)數(shù)器（PC）、地址寄存器（MAR）狀態(tài)字寄存器（PSW）寄存器之暫存器(1)特點(diǎn)：不可編程訪問。(2)作用：暫時(shí)存放CPU處理過程中的臨時(shí)信息，避免破壞通用寄存器的內(nèi)容。例如，實(shí)現(xiàn)從內(nèi)存的單元A傳送數(shù)據(jù)到另一個(gè)單元B。從單元A讀出的數(shù)據(jù)先送到CPU中的一個(gè)暫存器，然后再?gòu)臅捍嫫魉腿雴卧狟。寄存器之程序狀態(tài)字寄存器PSW(1)作用：記錄現(xiàn)行程序的運(yùn)行狀態(tài)和指示程序的工作方式。(2)程序狀態(tài)字特征位：進(jìn)位位C、溢出位V、零值位Z、符號(hào)位S、奇偶位P等。方式控制位：跟蹤位T、中斷允許位I、程序優(yōu)先級(jí)字段、工作方式字段等。存儲(chǔ)器主存Cache外存ROMRAM通常用來固化程序，如BIOS存放正在運(yùn)行程序和相關(guān)數(shù)據(jù)如CMOS設(shè)置位于CPU與內(nèi)存之間用來存放即將處理的指令段和數(shù)據(jù)塊，其速度接近CPU工作包括磁帶/磁鼓/磁盤、光盤、U盤用來永久性地保存數(shù)據(jù)、程序主存儲(chǔ)器的組成存儲(chǔ)體:存放信息的實(shí)體尋址系統(tǒng):對(duì)地址碼譯碼,選擇存儲(chǔ)單元讀/寫線路和數(shù)據(jù)寄存器:完成讀/寫操作，暫存讀/寫數(shù)據(jù)?？刂凭€路:產(chǎn)生讀/寫時(shí)序,控制讀/寫操作16計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的過程基本思路：將編制好的程序放在主存中，由控制器控制逐條取出指令執(zhí)行。例如：計(jì)算a+b-c=?總線1.總線用來連接CPU、存儲(chǔ)器和I/O接口，實(shí)現(xiàn)分時(shí)共享。2.分類：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線CPUM接口接口I/OI/O系統(tǒng)總線

M總線I/O接口（略）外設(shè)通常是機(jī)電結(jié)合的裝置，通常遵循不同的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，因此在總線與外設(shè)之間通常存在著速度、時(shí)序和信息格式等方面的差異。為了將標(biāo)準(zhǔn)的總線與各具特色的外設(shè)連接起來，需要在系統(tǒng)總線與外設(shè)之間設(shè)置一些部件，使它們具有緩沖、轉(zhuǎn)換、連接等功能。這些部件稱為輸入/輸出接口。中斷接口的組成1.1.4系統(tǒng)組成的層次結(jié)構(gòu)討論：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為何要分層？為了對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的有機(jī)組成建立整機(jī)概念，便于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)和開發(fā)，可以從硬、軟件組成的角度將系統(tǒng)劃分為若干層次。這樣，在分析計(jì)算機(jī)的工作原理時(shí)，可以根據(jù)特定需要，從某一層去觀察、分析計(jì)算機(jī)的組成、性能和工作機(jī)制。除此之外，按分層結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)策略實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，不僅易于制造和維護(hù)，也易于擴(kuò)充。1.1.5計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能指標(biāo)（略）1．基本字長(zhǎng)2．基本字長(zhǎng)3.數(shù)據(jù)通路寬度與數(shù)據(jù)傳輸率4．存儲(chǔ)容量5.軟硬件配置6.可靠性231.2計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成及實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也稱為計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)屬性如下：字長(zhǎng)數(shù)據(jù)表示尋址方式寄存器方式存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)中斷結(jié)構(gòu)IO結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)：包括機(jī)器內(nèi)部的數(shù)據(jù)流和控制流組成及邏輯設(shè)計(jì)等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成、實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)確定屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指令的實(shí)現(xiàn)屬于計(jì)算機(jī)組成實(shí)現(xiàn)指令功能的具體電路屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)相同結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)不同的組成，導(dǎo)致速度不一致同一種計(jì)算機(jī)不同的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，例如：主存用DDR或者閃存，但價(jià)格不同。24不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可能采用不同的計(jì)算機(jī)組成技術(shù)例如：A=B+C；D=E+F面向寄存器的結(jié)構(gòu)：MOVAX,BADDAX,CMOVA,AXMOVAX,EMOVAX,FMOVD,AX25面向存儲(chǔ)的結(jié)構(gòu)ADDB,C,AADDE,F,D1.2.2計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)三者的相互影響（1）相同結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)可以采用不同的組成。例如，相同的指令序列既可以順序執(zhí)行，也可以重疊執(zhí)行；（2）同一種計(jì)算機(jī)組成可以有不同的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。例如，主存可用DDR，也可用Flash（3）不同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可能采用不同的計(jì)算機(jī)組成。例如：“A=B+C;”可用以下兩種方式：MOVAX,BADDAX,CvsADDB,C,AMOVA,AX（4）計(jì)算機(jī)組成反過來也會(huì)影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。例如，在指令系統(tǒng)中增加矩陣乘指令，用微程序解釋實(shí)現(xiàn)，則系統(tǒng)速度比用指令序列（用戶程序?qū)崿F(xiàn)）要快得多。1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)1.3.1設(shè)計(jì)思路1．“自上而下”2．“自下而上”3.“由中間開始”系統(tǒng)分析虛擬機(jī)器級(jí)高級(jí)語言虛擬機(jī)器級(jí)匯編（中間）語言虛擬機(jī)器級(jí)操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)微程序機(jī)器級(jí)邏輯部件級(jí)自上而下設(shè)計(jì)S1：根據(jù)需求確定機(jī)器的基本特性S2：根據(jù)要求設(shè)計(jì)或選擇面向應(yīng)用的高級(jí)語言S3：設(shè)計(jì)能夠編譯該高級(jí)語言的中間語言S4：設(shè)計(jì)滿足需求的操作系統(tǒng)S5：設(shè)計(jì)面向所用編譯程序和操作系統(tǒng)的機(jī)器語言S6：設(shè)計(jì)面向機(jī)器語言的微指令及其微程序S7：設(shè)計(jì)面向微程序的物理硬件自上而下，應(yīng)用計(jì)算機(jī)求解問題的過程（1）系統(tǒng)分析級(jí)完成需求分析，概要設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)，構(gòu)造系統(tǒng)模型。（2）用戶程序級(jí)根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)，編寫程序。（3）操作系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用程序只能在操作系統(tǒng)環(huán)境中運(yùn)行。（4）傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)程序被翻譯成機(jī)器指令序列。（5）硬件系統(tǒng)級(jí)完成邏輯部件級(jí)或電路級(jí)的設(shè)計(jì)，以構(gòu)造計(jì)算機(jī)的硬件系統(tǒng)，以逐條指令方式自動(dòng)執(zhí)行程序。自下而上，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)逐級(jí)生成過程（1）擬定指令系統(tǒng)：指令系統(tǒng)決定了計(jì)算機(jī)硬件的基本功能。（2）創(chuàng)建硬件系統(tǒng)硬件的核心是CPU和主存，各種硬件通過系統(tǒng)總線和接口連接起來，構(gòu)成整機(jī)系統(tǒng)。必須根據(jù)指令系統(tǒng)來設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)硬件系統(tǒng)。不同的指令系統(tǒng)最終形成了不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。（3）配置操作系統(tǒng)（4）配置語言處理程序及各種軟件資源（5）安裝用戶程序1.3.2軟硬件取舍的基本原則1.高性能價(jià)格比2.可靈活擴(kuò)展3.盡可能縮小的語義差距語義差距的大小實(shí)質(zhì)上取決于軟、硬件功能分配。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不僅考慮組成技術(shù)和器件技術(shù)的新成果、新發(fā)展，還從努力為編譯系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、高級(jí)語言的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)提供更好、更多的支持。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、機(jī)器語言是用硬件和固件實(shí)現(xiàn)的，所有的語義差距最終依靠軟件來填補(bǔ)。1.3.3影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要因素1.軟件的可移植性問題可移植性問題的主要手段：（1）統(tǒng)一高級(jí)語言（但很難）（2）采用系列機(jī)（向上/下兼容or向前/后兼容）（3）虛擬化，依靠模擬或仿真手段實(shí)現(xiàn)如，電腦安裝Android的模擬器，即可運(yùn)行安卓App。2.計(jì)算機(jī)應(yīng)用始終推動(dòng)著系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展（需求導(dǎo)向）3.器件的發(fā)展加速了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展（供給側(cè)改革）兩種虛擬化技術(shù)比較應(yīng)用軟件匯編語言虛擬機(jī)器級(jí)操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器級(jí)機(jī)器語言傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)微程序機(jī)器級(jí)高級(jí)語言虛擬機(jī)器級(jí)操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)B虛擬機(jī)A宿主機(jī)應(yīng)用軟件匯編語言虛擬機(jī)器級(jí)操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器級(jí)機(jī)器語言傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)微程序機(jī)器級(jí)高級(jí)語言虛擬機(jī)器級(jí)操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器級(jí)傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)B目標(biāo)機(jī)A宿主機(jī)用模擬實(shí)現(xiàn)軟件移植vs用仿真實(shí)現(xiàn)軟件移植

1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類及其發(fā)展1.4.1并行性的概念1.并行性的含義所謂并行性就是指計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所擁有的可同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算或操作的特性。無論數(shù)值計(jì)算、信息處理、知識(shí)處理、多媒體處理、網(wǎng)絡(luò)通信，還是智能處理，都隱含有可同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算或操作的成分。2.并行性的分級(jí)（1）微操作級(jí)：就是在一條指令內(nèi)部各個(gè)微操作并行執(zhí)行。（2）指令級(jí)：就是多條指令并行執(zhí)行。（3）進(jìn)程級(jí)：就是指多個(gè)用戶程序（進(jìn)程）并行執(zhí)行。（4）作業(yè)級(jí)：就是多個(gè)作業(yè)并行執(zhí)行。1.4.2并行處理系統(tǒng)與多機(jī)系統(tǒng)1.并行處理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)根據(jù)基本結(jié)構(gòu)特征，并行處理系統(tǒng)可以分成流水線計(jì)算機(jī)、陣列處理機(jī)、多處理機(jī)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)等

4種。2.多機(jī)系統(tǒng)及其耦合度多機(jī)系統(tǒng)包括多處理機(jī)系統(tǒng)和多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。耦合度表示各機(jī)器之間物理連接的緊密程度和交叉作用能力的強(qiáng)弱多機(jī)系統(tǒng)的耦合度，可以分為最低耦合、松散耦合和緊密耦合等。1.4.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分類1966年，弗林（MichaelJ.Flynn）根據(jù)指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為4大類：1.單指令流單數(shù)據(jù)流（SingleInstructionStreamSingleDataStream，SISD）2.單指令流多數(shù)據(jù)流（SingleInstructionStreamMultipleDataStream，SIMD）3.多指令流單數(shù)據(jù)流（MultipleInstructionStreamSingle