计算机组成原理

概论

计算机分类

• 电子模拟计算机

  • 数值由连续量表示，运算过程连续

• 电子数字计算机

  • 专用计算机

  • 通用计算机

    • 超级计算机
    • 大型机
    • 服务器
    • PC机
    • 单片机
    • 多核机

计算机发展

• 五代变化

  • 数据处理机

    • 电子管

  • 工业控制机

    • 晶体管

  • 小型计算机

    • 中小规模集成电路

  • 微型计算机

    • 大规模和超大规模集成电路

  • 单片计算机

    • 巨大规模集成电路

• 性能指标

  • 吞吐量

    • 在某一时间间隔内处理的信息量

  • 响应时间

    • 从输入有效到系统产生响应的时间度量

  • 利用率

    • 在给定事件间隔内系统被实际使用的时间所占的比重

  • 处理机字长

  • 总线宽度

  • 存储器容量

  • 存储器带宽

  • 主频 f /时钟周期 T

    • f = 1/T

  • CPU执行时间

    • tcpu=CPU执行周期数×CPU时钟周期

  • CPI

    • 执行一条指令所需的平均时钟周期数
    • 执行某个程序所需的时钟周期数÷该程序指令总数

  • MIPS

    • 平均每秒执行多少百万条定点指令数
    • = 指令数 ÷ （CPU执行时间 × 10^6）

  • PLOPS

    • 每秒执行浮点操作的次数

计算机硬件

• 冯诺依曼结构

  • 组成

    • 运算器
    • 存储器
    • 控制器
    • 输入设备
    • 输出设备

  • 核心

    • 存储程序

计算机软件

• 系统程序

  • 服务性程序

    • 诊断
    • 排错
    • 练习

  • 语言程序

    • 汇编
    • 编程
    • 解释

  • 操作系统

  • 数据库管理系统

• 应用程序

多级层次结构

• 微程序级
• 一般机器级
• 操作系统级
• 汇编语言级
• 高级系统级

运算器

数据概要

• 数据格式

  • 数值格式

    • 类型

      • 小数
      • 整数
      • 实数
      • 复数

    • 表示

      • 定点

        • 组成

          • 符号位
          • 数值域

        • 分类

          • 纯整数
          • 纯小数

      • 浮点

        • 组成

          • 符号位 S
          • 指数 E
          • 尾数 M

        • IEEE754标准

          • 组成

            • 符号位 S
            • 指数 E = e+固定偏移值
            • 尾数 M

  • 非数值格式

    • 汉字格式

      • 输入码

        • 数字码
        • 拼音码
        • 字形码

      • 处理

        • 内码

      • 输出码

        • 字模码

    • 字符格式

      • ASCII码

• 真值

• 机器码

  • 原码

  • 反码

  • 补码

  • 移码

    • 比较指数大小以及对阶

• 校验码

运算原理

• 定点

  • 加法
  • 减法
  • 乘法
  • 除法

• 浮点

  • 加法/减法

    • 运算流程

      • 0操作数检查

      • 比较解码大小并完成对阶

      • 尾数求和

      • 结果规格化

      • 舍入处理

        • 就近
        • 朝0
        • 朝正无穷
        • 朝负无穷

      • 溢出处理

        • 阶码

          • 上溢
          • 下溢

        • 尾数

          • 上溢
          • 下溢

  • 乘法/除法

    • 运算流程

      • 0操作数检查

      • 比较解码大小并完成对阶

      • 尾数求和

      • 结果规格化

      • 舍入处理

        • 就近
        • 朝0
        • 朝正无穷
        • 朝负无穷

      • 溢出处理

        • 阶码

          • 上溢
          • 下溢

        • 尾数

          • 上溢
          • 下溢

硬件层次

• 定点运算器

  • 基本组成

    • 算术/逻辑运算单元 ALU
    • 数据缓冲存储器
    • 通用寄存器
    • 数据总线

  • 逻辑运算

    • 逻辑非
    • 逻辑加
    • 逻辑乘
    • 逻辑异

  • 分类

    • 单总线结构
    • 双总线结构

• 浮点运算器

  • 浮点运算流水线

    • 流水线原理
    • 流水线浮点加法器

• 并行技术

  • 先行进位
  • 阵列乘除法
  • 流水线

指令系统

指令概述

• 微指令

  • 硬件

• 机器指令

  • 简称指令
  • 符号表示---->汇编指令

• 宏指令

  • 软件

指令系统

• 指令系统分类

  • 复杂指令系统计算机CSIC

  • 精简指令系统计算机RSIC

    • 选取使用频率最高的一些简单指令，指令条数少
    • 指令长度固定，指令种类少，寻址方式种类少
    • 只有取数存数指令访问存储器，其他都在寄存器中进行

• 性能要求

  • 完备性

    • 功能齐全

  • 有效性

    • 效率高

  • 规整性

    • 指令格式与数据格式一致性

  • 兼容性

    • 向上兼容

• 指令格式

  • 指令字

    • 指令字长度

      • 一个指令字中包含二进制代码的位数，其长度应该与计算机的数据字长相匹配，以简化指令访存的操作，一般指令字长为计算机字长的整数倍。

      • 分类

        • 单字长指令

          • 指令字长等于机器字长

        • 双字长指令

          • 指令字长等于两个机器字长指令
          • 目的：提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题
          • 缺点：是必须两次或多次访问内存以取出一整条指令，降低了CPU的运算速度，又占用了更多的存储空间。

    • 机器字长

      • 计算机能直接处理的二进制数据的位数，他决定了计算机的运算精度。

  • 结构

    • 操作码OP

      • 分类

        • 固定长度

          • 优点:编码方法简单，便于指令的译码
          • 缺点：不方便指令系统中增加新的指令（扩展不方便）

        • 可变长度

          • 减小操作码的平均长度，提高指令编码的效率，指令的扩展方便

        • 计算指令操作码的平均长度

      • 设计

        • 与地址码的设计相匹配

          • 如指令长度固定的情况下，地址码数量较多的指令可以安排较短的操作码，地址码数量较少的指令中可以安排较长的操作码

        • 编码

          • 哈夫曼编码

        • 扩展

    • 地址码A

      • 零地址指令

        • 空操作 停止等

      • 一地址指令

        • AC<-(AC)op(A)

          • 指令编码中只有一个地址码，指出了参加操作的一个操作数的存储位置A
          • 如果还有另一个操作数则隐含在累加器AC中

      • 二地址指令

        • A1<-(A1)op(A2)

          • eg: MOV AL ,BL

    ADD AL,30

      	- 按操作数所在位置分类
    
      		- 寄存器-寄存器（RR）型指令
      		- 寄存器-存储器（RS）型指令
      		- 存储器-存储器（SS）型指令
    
      - 三地址指令
    
      	- A3<-(A1)op(A2)
    

  • 特点

    • 指令字长
    • 地址格式

• 寻址方式

  • 指令寻址

    • 目的

      • 确定下一条预执行指令的指令地址

    • 寻址方式

      • 顺序寻址

        • （PC）+1->PC 程序计数器自动加1

      • 跳跃寻址

        • 由转移指令JMP指出

  • 数据寻址

    • 目的

      • 把操作数的形式地址A，变换为操作数的有效地址EA

    • 寻址方式

      • 隐含寻址

        • 例如：单地址的指令格式，没有在地址字段指明第二操作数地址，而是规定累加寄存器AC作为第二操作数地址，AC对单地址指令格式来说是隐含地址

      • 立即寻址

        • 形式地址A就是操作数本身

      • 直接寻址

        • EA=A

          • 直接根据读内存找到操作数，形式地址不需要经过任何处理

      • 间接寻址

        • EA=(A)

          • 有效地址由形式地址间接提供，形式地址是操作数的地址的地址

      • 寄存器寻址

        • EA=R

          • 形式地址是寄存器的编号，直接去寄存器中寻址操作数

      • 寄存器间接寻址

        • EA=(R)

          • 操作数里存放的是寄存器的编号，寄存器中存的不是操作数而是操作数的有效地址。所以操作数在存储器里。

      • 偏移寻址

        • EA=A+(R)

          • 形式地址需要和另一个寄存器中的地址相加，
            形式地址A是显示的，另一个地址字段隐含在某个专用的寄存器R中

        • 根据寄存器的不同类型来分类

          • 相对寻址

            • EX=A+(PC) ----PC程序计数器 PC存储当前正在执行指令的地址

          • 基址寻址

            • EA=A+(BR) BR为基地址寄存器

          • 变址寻址

            • EA=A+(IX) IX为变址寄存器（专用） 通用寄存器也可以作为变址寄存器
            • 在程序执行的过程中IX内容可变，形式地址A不变，便于处理数组问题

      • 堆栈寻址

• 指令分类

  • 数据处理

    • 算数运算型指令
    • 逻辑运算型指令

  • 数据存储

  • 数据传送

    • 输入输出类指令
    • 数据传送类指令
    • 指令传送类指令
    • 标志传送指令

  • 程序控制

    • 系统控制类指令

CPU

基本功能

• 自动完成取出指令和执行指令的任务

结构图

• 虚线框为CPU

基本部件

• 运算器

  • 算术逻辑运算单元ALU

    • 执行运算 两个数一个来自缓存寄存器DR 一个来自累加器AC 运算结果暂时存放到累加器中

  • 状态条件寄存器PSW

    • 0标志位 溢出标志位 等

  • 数据缓冲寄存器DR

    • 信息进出CPU都有在这蹲点，不论是指令还是数据进CPU都要先进缓存寄存器

  • 通用寄存器R

• 控制器

  • 程序计数器PC

    • 下一条将要执行指令的地址

  • 指令寄存器IR

    • 当前正在执行的指令，这里的指令中包含操作码和地址码

  • 指令译码器ID

    • 指令译码器把翻译结果告诉操作控制器和时序产生器，他们再按照时间顺序向计算机的执行部件发出执行命令

  • 操作控制器

    • 功能

      • 建立数据通路

    • 分类

      • 硬布线控制器
      • 微程序控制器

  • 时序产生器

• cache

  • 地址寄存器AR

    • 存放CPU正在访问的内存的地址，一般和地址总线直接相连

指令周期

• 基本概念

  • 指令周期

    • 取指令并执行指令的周期

  • CPU周期/机器周期

    • 从主存中读一条指令的最短周期

  • 时钟周期/节拍脉冲

    • 完成一次微操作

• 流程

  • 取指令

    • PC中的指令地址被放到指令地址总线上
    • 从指存中根据地址读取指令
    • 指令通过指令总线装入IR中
    • 从IR中取指令
    • PC+1
    • 对指令译码

  • 执行指令

    • 具体分析

• 指令控制同步

  • 定长指令周期

    • CPU周期固定，节拍数固定，按CPU周期同步

    • 单周期

      • 在一个CPU周期中完成取指令和执行指令操作

  • 变长指令周期

    • CPU周期可变，节拍数可变，按时钟周期数同步
    • 多周期

• 典型指令的指令周期

  • MOV R0,R1

    • 传送指令：（R0）->R1

  • LAD R1，6

    • 取数指令：从数存6号单元取数到R1中

  • ADD R1,R2

    • 加法指令：（R1)+(R2)->(R2)

  • STO R2,(R3)

    • 存数指令：将R2中的值写入R3中地址的位置

  • JMP 101

    • 转移指令：改变程序执行顺序到101号单元

  • AND R1,R3

    • 逻辑乘：（R1）*（R3）->R3

• 方框语言表示指令周期

时序信号

• 硬布线控制器

  • 主状态周期
  • 节拍电位
  • 节拍脉冲

• 微程序控制器

  • 节拍电位
  • 节拍脉冲

微程序控制器

• 概述

  • 把操作控制信号编写成微指令，放到只读存储器中（控制存储器），当机器运行时 一条一条取出这些微指令，从而产生各种操作控制信号，使相应的部件执行所规定的操作。

• 概念

  • 微命令

    • 控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令

  • 微操作

    • 执行部件接受微命令后所进行的操作

    • 分类

      • 相容性微操作

        • 同时或在同一个CPU周期内可以并行执行的微操作

      • 互斥性微操作

  • 控制部件

  • 执行部件

  • 微指令

    • 在机器的一个CPU周期中，一组实现一点操作功能的微命令的组合

  • 微程序

    • 实现一条机器指令功能的许多条微指令组成的序列
    • 1条机器指令=1个微程序

• 控制原理

• 微程序设计

  • 目标

    • 缩短微指令字长度

      • 减小控制存储器的容量

    • 提高微程序执行速度

    • 便于修改微指令

      • 提高设计灵活性

  • 微命令编码

    • 直接表示

      • 微指令字较长

    • 编码表示法

      • 分段二次译码

        • 速度稍稍减慢
        • 较为普遍

    • 混合表示法

      • 把直接表示法和字段编码法混合使用，以便能综合考虑指令字长、灵活性、执行微程序素的等方面的要求

  • 微地址形成方法

    • 计数器
    • 多路转移

  • 微指令

    • 字段

      • 操作字段

      • 顺序字段

        • 决定、产生下一条指令地址

    • 格式

      • 水平型微指令

        • 一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令
        • 控制字段|判别测试字段|下地址字段

      • 垂直型微指令

        • 微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，由微操作码规定微指令的功能

流水CPU

• 过程

• 时间

• 影响因素

  • 资源相关

    • 两条指令同时争用一个功能部件发生冲突

    • 解决

      • 前一指令访存时，后一指令暂停一个时钟周期
      • 增设存储器

  • 数据相关

    • 前一条指令执行完毕以后才能执行下一条指令

    • 解决

      • 在流水CPU的运算器中设置若干运算结果缓冲寄存器，暂时保留运算结果，以便于后继指令直接使用，这称为向前或定向传送技术。
      • 将遇到数据相关的指令及其后续指令都暂停一个至几个时钟周期，直到数据相关问题消失
      • 通过编译器对数据相关的指令编译优化，调整指令顺序。

  • 控制相关

    • 跳转指令

    • 解决

      • 延迟转移
      • 转移预测

• 性能指标

  • 吞吐率

    • 单位时间内流水线所完成的任务数量TP=n/Tk n是任务数 Tk是处理完成n个任务所用的时间

  • 加速比

    • 不使用流水线和使用流水线所用时间之比S=T0/Tk T0不使用流水线的执行时间 Tk使用流水线的执行时间 S最大可取到k （流水线的段数）

  • 效率

    • E=n个任务占用k时空区有效面积/n个任务所用的时间 与k个流水段所围成的时空区总面积 最高为1

存储器

总线

外存与I/O设备

输入输出系统