北航计算机组成原理课件

本讲内容 透视计算机：计算机组成与结构总结 组成部件 内部连接 理解计算机：机器指令的执行过程 计算机最基本的操作与控制：微操作 指令的执行过程 程序的执行 计算机的时序控制方式 时序系统简介 计算机结构(Architecture)的概念演变 What is Computer Architecture ? Architecture ISA: 指从编程者角度看到的计算机所具备的概念结构和逻辑功能。区别与计算机的物理实现和物理结构。 可编程存储器的结构 指令系统，指令格式，寻址方式 数据类型，编码 计算机组成(1) 从1946年开始，所有的计算机都包含如下几个部分 计算机组成(1) 运算器 完成最基本的算术逻辑运算 ALU(Arithmetic and Logic Unit) ＋ Registers＋ DataPath 控制器 提供各部件工作所需的控制信号，控制计算机其他部件协同工作 指令部件(Instruction Register ，Instruction Decoder) 指令顺序控制(Program Counter) 时序逻辑部件(Clock，Timer ，Sequencing Logic) 控制信号生成部件(Control Signal Generator or Control Memory) 运算器＋控制器＝CPU(Central Process Unit) 计算机组成(2) 存储器 保存程序和数据 存储单元(bit, Byte, Word) 地址的概念(每一个字节单元一个唯一的地址) 存储器的工作方式：读、写 组成：存储体＋地址缓冲部件＋数据缓冲部件＋读写控制部件 存储器的层次：Cache ＋ RAM ＋ Disk ＋ Tape 输入输出 实现计算机内部与外界(其他系统或人类)的信息交换 接口标准与接口部件 外部设备：输入设备、输出设备 计算机内部各部件之间的连接：计算机结构 总线结构 总线：符合一定的标准的一组公共数据通道 构成：地址总线、数据总线、控制总线 单总线结构 多总线结构 标准总线 ISA---Industry Standard Architecture(工业标准结构) EISA----Extended ISA(扩展工业标准结构) PCI----Peripheral Connection Interface (周边元件扩充接口) SCSI----Small Computer System Interface(小型计算机系统接口) 单总线结构 Examples – IAS (直接连接) Examples – PC (单总线结构) Examples – PC (多总线结构) Examples – SPARCstation20(多总线结构) 计算机的工作原理 机器指令：计算机硬件可以执行的表示一种基本操作的二进制代码。 指令格式：操作码 ＋ 操作数(操作数地址) 操作码：指明指令的操作性质 操作数(地址)：指令操作数的位置(或操作数本身) Example Example Example 指令的执行过程：微操作 指令的执行过程 指令的执行过程 计算机的时序控制方式 指令＝微操作序列 从微操作本身所执行的功能来看，不同的微操作执行时间应该不同。 对微操作的定时方式成为不同时序控制方式的主要差别 同步控制方式的时序系统 时序概念与时序信号 指令周期：指令执行的时间，包括取指令、分析指令、执行指令所需的时间。 机器周期：指令周期按功能分成几个不同的阶段，每个阶段所需的时间，称为一个机器周期。比如取指周期，取数周期等。 节拍周期：也是时钟周期，微操作执行的时间。 时钟脉冲信号：计算机系统的基本定时信号，是其他时序信号的基准 一个指令周期 ＝ N 个机器周期 一个机器周期 ＝ N 个节拍周期 同步控制方式的时序系统 时序关系 时序电路示例 节拍周期发生器：移位器电路 初始值为0001 每一个CLK脉冲变化一次：0001 ? 0010 ? 0100 ? 1000 ? 0001 *?UCB Spring 2001 CS152 / Kubiatowicz Lec1.* Computer Architecture = Instruction Set Architecture (ISA) + Machine Organization Organization：物理实现与物理结构 主要功能单元机器性能特征：ALU，Regs，Shifter，Logical Units 部件之间的内部连接 信息流(数据流和指令流)及其控制 ISA的实现 寄存器传输层(RTL)的硬件描述 Control Datapath Units Memory CPU Input Output 1946