计算机组成原理
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计算机组成原理. 东南大学计算机学院 任国林 Email: [email protected] 课程目标. 目标 1— 组成与原理掌握 *建立 计算机系统的 整机 概念 *掌握计算机部件 的 组成与工作原理 *了解计算机系统的组成 与 结构 新技术. 目标 2— 分析 与计算 能力训练 *掌握 对组成与结构 进行的 性能分析方法 *通过 量化计算 ,加深对组成原理的 理解. 目标 3— 应用 与设计 能力培养 *通过 实验, 培养综合应用及 逻辑设计 能力. 第 1 章 计算机系统概论. 计算机硬件 —. 计算机系统. 计算机软件 —.

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计算机组成原理

东南大学计算机学院 任国林

Email: [email protected]


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课程目标

目标1—组成与原理掌握

*建立计算机系统的整机概念

*掌握计算机部件的组成与工作原理

*了解计算机系统的组成与结构新技术

目标2—分析与计算能力训练

*掌握对组成与结构进行的性能分析方法

*通过量化计算,加深对组成原理的理解

目标3—应用与设计能力培养

*通过实验,培养综合应用及逻辑设计能力


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第1章 计算机系统概论


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计算机硬件—

计算机系统

计算机软件—

§1.1 计算机系统简介

一、计算机系统的软硬件

*电子计算机:

按位及跳动式计算、电子方式计算,

根据逻辑判断结果控制计算过程←“电脑”的来由

*计算机的目标: --比尔·盖茨

通信工具、创造工具、用户可定制工具

*计算机的功能:

数据存储、数据传送、数据处理,过程控制

*计算机系统的组成:

具备特定功能的物理部件

(存储、传送/处理、控制)

表示功能需求的信息(程序)


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用 户

输入设备

存储设备

源程序

(高级语言)

①编辑 ②编译

③运行

输出设备

处理设备

解题结果

目标程序

(机器语言)

程序(指令序列,不同指令对应不同的硬件功能)

*计算机功能的实现方式:

解题过程—

功能的实现方式—

①硬件具备数据存储/传送/处理、过程控制功能

②软件表示对数据处理及过程等功能的应用需求

③执行软件实现对数据处理及过程控制等的应用需求

*计算机系统组成的特性:

软件功能靠硬件实现,硬件性能靠软件反映


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虚拟机器

使用操作系统命令

用机器语言编程

用汇编语言编程

用高级语言编程

实际机器

直接执行机器指令

直接执行微指令

用微指令系统实现

二、计算机系统的层次结构

*层次结构:不同层次的程序员所看到的计算机结构

高级语言级机器 M4

用编译程序翻译 成汇编语言程序

或机器语言程序

汇编语言级机器 M3

用汇编程序翻译 成机器语言程序

操作系统级机器 M2

用机器语言解释 操作系统命令

机器语言级机器 M1

用微程序解释 机器指令

微程序级机器 M0

*层次结构的发展:层次增多,软/硬交界面上移


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高级语言级机器 M4

ISA(Instruction Set Architecture)

汇编语言级机器 M3

软件

操作系统级机器 M2

指令系统、数据表示、寻址方式,存储系统,I/O系统、信息保护等

软硬件交界面

机器语言级机器 M1

指令功能逻辑实现、部件组成、控制机构、排队及缓冲技术等

硬件

微程序级机器 M0

数字电路级机器

器件技术、组装技术等

三、计算机结构与组成

*计算机系统结构:机器语言程序员所看到的计算机属性

(概念性结构和功能特性)

*计算机组成:实现计算机系统结构时所体现的计算机属性

(计算机硬件设计人员所看到的)

*计算机实现:实现计算机组成时所体现的计算机属性


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*相互关系:

计算机系统结构—确定软硬件功能界面及其特性

计算机组成—逻辑实现系统结构的内容

计算机实现—物理实现计算机组成的内容


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输入设备

存储器

输出设备

注: 数据信息

指令信息

控制信息

状态信息

运算器

控制器

§1.2 计算机系统基本组成

一、冯·诺依曼模型计算机

*结构与组成:

由运算器、存储器、控制器、输入设备及输出设备组成

特征—以运算器为中心

*数据表示与运算:

指令及数据均用二进制方式表示,运算亦采用二进制方式


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地址码1 地址码2

操作码

010 01000 10000

*存储程序原理之程序存储方式:

指令及数据预先存放(以等同地位)在存储器中

便于自动执行

*存储器结构:

由定长单元构成的一维空间,按地址访问

*指令组成:

由操作码及地址码组成

表示操作的性质

表示操作数在MEM中的位置

例:若ADD运算的操作码用010表示,01000#与10000#两个存储单元内容相加的指令可表示为:


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*存储程序原理之程序控制机制:

按程序逻辑顺序、自动执行所有指令

(逐条取出并执行)

循环地

实现指令执行过程

取出指令

执行指令

循环处理(循环变量)

转移发生时

地址形成

当前

顺序执行时

+“1”

下条

指令地址

指令地址

指令地址可反映

下条指令地址

由当前指令产生


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控制器

运算器

缓冲器

缓冲器

存储器

程序

及数据

输入设备

结果

输出设备

9

二、计算机硬件的基本组成

1、计算机硬件的结构

现代计算机几乎均在冯·诺依曼模型基础上进行改进

*采用以存储器为中心的结构:

使数据传送与数据处理并行,有利于提高系统性能

技术⑴:缓冲技术

技术⑵:直接存储器访问(DMA)技术


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运算器

控制器

CPU

主机

主存(内存)

辅存(外存)

计算机硬件

存储器

输入设备

输出设备

I/O设备(外设)

主机

I/O设备

(包括辅存)

CPU

MM

算术逻辑单元ALU

控制单元CU

*采用多种存储器构成的层次结构:

解决速度-容量-价格间的矛盾,有利于提高性能/价格


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标准格式

(按地址访问)

(IN/OUT操作)

CPU

主存

总线桥

系统总线

I/O总线

I/O接口n

I/O接口1

非标准格式

I/O接口

I/O接口

min{所连I/O接口(设备)速度}

I/O设备n

I/O设备1

I/O设备

I/O设备

*采用总线互连形式的结构:

实现部件操作标准化,有利于提高系统的可扩展性


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存储字长w

地址译码器

存储

阵列

0

1

2n-1

n

……

抽象

地址

命令

……

存储字

w

I/O电路

数据

2、计算机部件的基本组成

(1)存储器

*功能:存储信息(指令和数据)、访问(读/写)信息

*组成:

w-1…1 0

0

1

2n-1

一维排列示例

*术语:存储元、存储单元、存储阵列,

存储单元地址、存储单元长度(存储字长),

存储器容量=2n×w位(bit)


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地址译码器

①0…01

①Read

I/O电路

②1#的存储字

*完成访问操作的过程:

读操作—①接收地址及命令,内部操作

②输出数据

地址译码器

I/O电路

写操作—①接收地址及命令

②接收数据,内部操作


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MEM

AC

ALU

OP

(2)运算器

*功能:实现算术及逻辑运算、暂存运算结果

*组成:

MEM

MEM

寄存器

组(堆)

OP

OP

AC

ALU

ALU

累加器型运算器

寄存器型运算器

*(AC)+[Y]→AC的实现过程:

(0) 被加数(AC)→ALU

(1) 加数[Y]→ALU

(2) (AC)+[Y]

(3) ALU结果→AC

AC

△约定:(X)表示寄存器X中内容,[Y]表示存储单元Y中内容


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转移产生时

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(3)控制器

*功能:控制各部件协调地工作,以实现程序执行过程

*程序执行过程的需求:

①循环的指令执行过程(取指令及执行指令)

②当前指令产生下条指令地址(按程序逻辑顺序)

理论上的过程—指令执行过程+循环

取指令

分析指令

执行指令

循环处理

+“1”

指令地址寄存器PC

指令内容寄存器IR

指令译码

器ID

地址形成部件

功能部件

存储器


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实际的过程—指令执行过程与循环处理重叠

取指令

分析指令

执行指令

PC+“1”

计算及重置PC

取指时均进行

转移发生时进行

说明:顺序型指令—执行阶段不使用PC,可以提前+“1”

转移型指令—执行阶段无操作,可以实现计算及重置PC

转移产生时

+“1”

地址形成部件

指令地址寄存器PC

指令内容寄存器IR

指令译码

器ID

功能部件

存储器


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控制器

程序计数器PC

控制信号形成部件

时序部件

指令译码器ID

指令寄存器IR

*程序执行过程的控制需求:

①需有表示不同时段的时标信号(周期性信号)

②可根据需要使部件控制信号在不同时段有效

指令周期

指令周期

取指阶段时标信号

分析阶段时标信号

执行阶段时标信号

t

取指部件控制信号 有效 有效

分析部件控制信号 有效 有效

执行部件控制信号 有效 有效

*组成:时序部件、控制信号形成部件等


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按地址访问

(IN/OUT操作)

CPU

主存

总线接口BIU

主存控制器

系统总线

用户交互接口

通信接口

显示适配器

键盘、鼠标等

显示器

串口等

(4)输入/输出设备

*功能:实现外部-内部信息的输入/输出及格式转换

*种类:键盘、鼠标、显示器、打印机、磁盘等

*连接:通过I/O接口(又称适配器或控制器)与总线连接,

I/O接口实现信息的缓冲、中转等功能

*总线基本组成:

地址线(ABus)、数据线(DBus)、控制/状态线(CBus)


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虚拟机器

系统软件

应用软件

应用语言环境

应用语言程序

高级语言环境

高级语言程序

汇编语言环境

汇编语言程序

操作系统环境

操作系统命令串

软硬件交界面

实际机器

三、计算机软件的基本组成

1、计算机软件分类

软件分为系统软件及应用软件两大类

语言处理程序

数据库管理系统

服务性程序

网络管理程序

操作系统

科学计算

信息管理

自动控制

人工智能

虚拟现实


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2、操作系统(Operating System,OS)

*主要功能:(管理所有硬件资源及软件环境)

文件管理、作业管理、进程管理、存储管理、设备管理

辅存←→程序 面向软件的硬件管理

程序执行请求―→进程 进程调度与控制

OS进程

进程1

进程2

进程3

CPU时间

OS

进程1

OS

进程2

OS

进程1

OS

进程3

OS

*进程的调度与控制:

调度—在适当时候、按照一定算法选择即将运行的进程

控制—控制上行进程/下行进程的环境切换

时间片满、I/O请求等发生

优先级、轮转等算法


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17

20

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四、计算机系统的工作过程

1、计算机硬件基本组成

CPU

时序部件

控制信号形成部件

I/O设备

主存储器

地址译码器

ALU

存储

阵列

+“1”

ID

……

AC

PC

IR

MAR

I/O电路

MDR

数据通路(如总线结构)

I/O接口

不影响数据通路及相关部件的使用

Cmd

Data

Addr

系统总线(ABus、DBus、CBus)

*MAR/MDR的作用:使访存操作与内部操作无关(并行)

MAR→ABus、Read→Cbus、MEM[MAR]→MDR

MDR→IR

PC→MAR

时间


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2、机器语言程序的形成

*模型计算机的指令系统:

*y=x+b的机器语言程序形成:分编程、编译


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3、计算机硬件的工作过程

(1)指令执行过程

*取数指令的执行过程:以AC←[X]为例

X

主存

主存

CU

CU

+“1”

+“1”

AC

AC

PC

PC

MAR

MAR

时序部件

时序部件

过程

控制信号形成

控制信号形成

ID

ID

ALU

ALU

IR

IR

MDR

MDR

PC→MAR→MEM(R)→MDR→IR

OP(IR)→ID

AD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→ALU(+)→AC

*加法指令的执行过程:以AC←(AC)+[Y]为例

PC→MAR→MEM(R)→MDR→IR

OP(IR)→ID

AD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→AC

Y

AC→ALU


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(2)程序执行过程

*程序执行的初始条件:

①程序及数据--已存放在主存MM中

②PC内容—已设置为程序首条指令地址

*程序执行的操作过程: ─控制器实现

①取指—(PC)→MEM→IR,(PC)+“1”→PC

②分析—(IR)→ID→CU

③执行—指令约定操作(转移发生时重写PC),转①

转移发生时

功能部件

+“1”

下条指令地址

转移型

地址形成部件

ID

PC

IR

顺序型

功能部件

当前指令地址

当前指令内容

主存储器MEM


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例—说明y=x+b的机器语言程序执行过程: 设(PC)=00000

指令地址 指令内容 指令功能

00000

00001

00010

00011

001 00100

011 00101

010 00110

100 00000

AC←[x]

AC←(AC)+[x]

[y]←(AC)

停机

AC

+“1”

PC

ID

ALU

IR

MAR

MDR

MEM

程序执行过程:循环的指令执行过程 ←各REG值不断变化

PC→MAR→MEM(R)→MDR→IR

OP(IR)→ID

PC→MAR→MEM(R)→MDR→IR

OP(IR)→ID

AD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→ALU(+)→AC

AD(IR)→MAR→MEM(R)→MDR→AC

+1→PC

+1→PC

AC→ALU

PC→MAR→MEM(R)→MDR→IR

OP(IR)→ID

AD(IR)→MAR→MEM(W)

AC→MDR→MEM

+1→PC

PC→MAR→MEM(R)→MDR→IR

OP(IR)→ID

→(STOP)

+1→PC


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4、程序的执行管理

(1)程序的执行请求

*执行方式1:从主存固定位置开始执行(位置由硬件固定)

请求方式—计算机开始启动 ←执行自举程序

执行管理—无(立即执行)

硬件要求—主存: 由ROM及RAM组成

PC内容: 刚加电时为固定值

*执行方式2:从主存指定位置开始执行(位置由OS指定)

请求方式—用户交互、BOOT程序、OS定时任务

执行管理—OS的作业管理程序实现各作业的登录/撤离、调度与控制


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CPU

④按(PC)取并执行指令

MEM

②拷贝程序

DISK

②填写PCB

③切换CPU相关信息

①创建PCB

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(2)程序的执行准备 ─作业控制之执行程序

进程是CPU调度及资源分配的基本单位

*创建进程:创建进程控制块PCB(含程序文件名、进程ID等)

*加载程序:为进程分配主存,将程序拷贝到主存、填写PCB

PCB

(3)程序的执行管理 ─进程管理

*进程调度:在适当时候、按一定算法选择即将运行的进程

*上下文切换:保存当前进程、恢复所选进程的上下文,

控制权传递给所选进程

主要为与CPU相关的信息

*进程执行:CPU自动按PC内容取指令并执行


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§1.3 计算机系统的性能指标

一、性能指标

*系统性能:指在计算机硬件上运行的计算机软件的性能

1、硬件性能参数

*机器字长:指CPU一次能处理的二进制数据位数

字长单位—二进制位(bit)

n位CPU—指机器字长为n个二进制位的CPU

(Intel 8086是16位CPU,Core 2 Duo是64位CPU)

特指ALU(历史原因)

对硬件的影响—决定了ALU、REG、数据通路的长度


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*机器主频:指CPU内部主时钟脉冲频率,常用f表示

频率单位—1GHz=1×103MHz=1×106KHz=1×109Hz

主时钟周期—CPU主时钟脉冲长度,常用TC表示(TC=1/f)

常简称为“时钟周期”

非标准叫法

*主存容量:指CPU可访问的主存空间大小

容量单位—1GB=1×210MB=1×220KB=1×230B=8×230bit

容量种类—CPU最大寻址空间(最大主存容量)、主存容量

An-1 … A0

bw-1 … b0

CPU最大寻址空间

0…00…0

0…01…1 0…10…0

1…11…1

主存单元个数

… …

… …

… …

主存地址位数

主存单元长度


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CPU时间—TCPU=IN ×CPI×TC=

n—指令系统的指令种类数;

TC—CPU主时钟周期(=1/f ),CPIi—第i种指令的CPI;

IN—程序执行的指令数(≠程序的指令数),

Ii —程序中第i种指令执行次数,CPI—每条指令平均所需TC数

2、系统性能指标

时间是唯一标准,主要有响应时间和吞吐量两个指标

*响应时间:指一个任务从任务输入到结果输出的总时间

即T响应=TCPU+TI/O等待,TCPU=T运算+TMEM

表示方法—CPU时间(TCPU)

TI/O等待不易测评、浪费性能

CyclesPerInstruction

TCPU与程序算法、编译程序、指令系统、计算机组成均相关

特点—反映了单任务计算机系统的软硬件总体性能

系统优化—TI/O等待时,CPU执行其它程序-→多任务系统


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例1—某计算机主频为2GHz,指令系统共有2类指令(Ⅰ类及Ⅱ类),指令长度均为2B,指令执行时间分别为5个和8个时钟周期。程序A大小为2MB,其中30%为Ⅰ类指令;程序A执行时,有10%的Ⅰ类指令和20%的Ⅱ类指令各执行了30次,其余指令均只执行了1次。求程序A执行的CPU时间。

解:程序A中Ⅰ类指令数=(2MB/2B)×30%=0.3*220条,

Ⅱ类指令数=(2MB/2B)×70%=0.7*220条;

执行Ⅰ类指令数=0.3*220×(10%×30+90%)=1.17*220条,

执行Ⅱ类指令数=0.7*220×(20%×30+80%)=4.76*220条;

TCPU=(1.17*220×5+4.76*220×8)×TC

=(5.85+38.08)*220×TC

=43.93×220÷(2×109)≈23.03ms


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例2—计算机M1主频为2GHz,程序A在M1上运行时间为10s。计算机M2与M1具有相同的ISA(Instruction Set Architecture),M2主频高于M1、平均CPI大于M1。

若程序A在M2上运行所需时钟周期数为在M1上的1.5倍,欲使程序A在M2上运行时间为6s,则M2的主频至少为多少?

解:设 程序A在M1、M2上运行所需时钟周期数各为N1、N2

则 TCPUM1=N1×TC,N1=TCPU÷TC=10s×2GHz=20G个

则 N2=1.5×N1=1.5×20G=30G个

由题意 TCPUM2=N2×TC’≤6s

则 f’=1/TC’= N2÷TCPUM2≥30G/6s=5GHz

分析—∵f’/f=5/2=2.5,TCPUM1/TCPUM2=10/6=1.67

∴主频只是影响系统性能的因素之一


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*吞吐量(吞吐率):指单位时间内能处理的工作量

即TP=n个任务总工作量÷n个任务总时间

表示—常用MIPS及MFLOPS代替 (∵工作量未达成统一定义)

通常TP≠∑TCPUi

△MIPS(每秒百万次指令)

缺点:不能反映指令功能强弱(可用相对MIPS法)

△MFLOPS(每秒百万次浮点运算)

缺点:不能反映系统整体性能(只能反映浮点操作能力)

特点—反映了多任务计算机系统的软硬件总体性能

*其他指标:RAS(可靠性/可用性/可维护),兼容性等


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二、性能设计

1、冯·诺依曼模型计算机的性能瓶颈

*CPU-MEM瓶颈:CPU与MEM的速度差距越来越大

CPU速度—提高4~5倍/3年,得益于VLSI、器件技术

MEM速度—提高1~2倍/3年,受限于S-V-C需求矛盾

解决方案—需从结构与技术方面解决速度匹配问题

*指令串行执行瓶颈:无法并行导致性能受限

解决方案1—快速串行处理,受限于器件技术,

需从器件技术方面提高性能 ←效果有限

解决方案2—并行处理,受限于指令间的相关性,

需从结构与技术方面解决相关问题


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12

14

2、性能平衡设计 ─解决CPU-MEM瓶颈

目标—减少访存延迟,提高访存效率

*增设Cache:提高访存速度,减少访问主存次数

*增加总线宽度:减少访存次数

*采用多级总线:主存连接顶级总线

3、CPU性能设计 ─解决指令串行执行瓶颈

目标—提高并行性,减少串行损失

*开发并行技术:操作级流水→操作级并行→指令级并行

*采用数据流技术:按序执行→乱序执行

*使用分支预测技术:按预测方向执行,猜错时再回头执行

作 业:P22—4、6、7、9


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§1.4 计算机系统发展历程

一、计算机的发展历史

1、计算机的产生与发展

*发展趋势:向大型机、微型机两个方向发展

*研究重点:器件技术、并行化结构


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2、微型计算机的产生与发展

*发展趋势:增加功能,开发并行性(指令级→线程级→内核级),集成主存,发展嵌入式处理器


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二、计算机系统分类

1、按规模及功能分类

超级计算机—科学计算等

大型计算机—多用户使用等

小型计算机—办公应用等

工作站—图形处理及分布式计算等

微型计算机—应用广泛

单片机/嵌入式系统—工业控制等


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DS1

PU1

MM1

IS

CU

DSn

PUn

MMm

IS

SIMD

DS

IS

CU

MM

PU

IS

SISD

IS1

DS

IS1

IS1

DS1

IS1

CU1

MM1

CU1

MM1

PU1

PU1

ISn

ISn

ISn

DS

ISn

DSn

MMm

MMm

CUn

PUn

CUn

PUn

MISD

MIMD

2、按信息处理特征分类 ─Flynn分类法

有SISD、SIMD、MISD、MIMD四种结构

※SISD计算机—是本课程的讨论重点


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附:课程内容组织

第1章—计算机系统概论

计算机的模型、硬件组成,计算机的工作过程、性能指标

第2章—数据的表示和运算

数据的编码及表示,定点及浮点运算方法,ALU结构与组成

计算机软件(指令串及数据)

第3章—存储系统

层次结构,RAM组成,主存、Cache、虚存的组成原理

CU

ALU

存储器

系统总线

I/O接口1

I/O接口2

I/O接口n

I/O设备1

I/O设备2

I/O设备n

如何提高性能、性/价?


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第4章—指令系统

指令功能与指令格式,操作数存放及寻址方式,CISC/RISC

第5章—中央处理器

CPU的功能与结构,工作流程、指令执行过程,数据通路,

CU的结构及组成,微程序控制器技术,指令流水技术

计算机软件(指令串及数据)

CU

ALU

存储器

系统总线

I/O接口1

I/O接口2

I/O接口n

I/O设备1

I/O设备2

I/O设备n

第6章—总线

概述,操作步骤,仲裁/定时方式,互连结构

第7章—I/O系统

组成,I/O设备,I/O接口,I/O方式(4种)


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