计算机系统原理第二三章.ppt

第二、三章计算机系统的结构组成与工作原理 本章重点 掌握 信息在计算机中的表示（自学） 计算机系统的体系结构和工作原理 冯?诺伊曼结构和哈佛结构 计算机性能测评 理解 现代计算机的基本结构与组成 现在计算机系统的改进 指令流水线技术 基本术语 IP核：知识产权核(Intellectual Property core) 是指某一方提供的、形式为逻辑单元、芯片设计的可重用模块。已经通过了设计验证，设计人员以IP核为基础进行设计。 软核 与工艺无关、具有寄存器传输级硬件描述语言描述的设计代码。 硬核 软核通过逻辑综合、布局、布线之后的一系列工艺文件，具有特定的工艺形式、物理实现方式 层次化作用 软硬件比例可调整，改善软件开销 物理机替代虚拟机，发展多处理机、分布式计算机、网络计算机等结构 应用虚拟机、多操作系统并行技术，促进软件移植、计算机设计自动化技术发展 计算机体系结构 定义 机器语言程序员所看到的计算机系统的属性，由硬件或固件完成的功能，主要指机器语言级机器的系统结构 如：数据表示、寻址规则、寄存器定义、指令集、终端系统、存储系统、信息保护、I/O结构等 实质 确定计算机系统中软硬件的界面 界面之上是软件的功能，界面之下是硬件和固件的功能 计算机体系结构属性 机内数据表示：硬件能直接辨识和操作的数据类型和格式 寻址方式：最小可寻址单位、寻址方式的种类、地址运算 寄存器组织：操作寄存器、变址寄存器、控制寄存器及专用寄存器的定义、数量和使用规则 指令系统：机器指令的操作类型、格式、指令间排序和控制机构 存储系统：最小编址单位、编址方式、主存容量、最大可编址空间 中断机构：中断类型、中断级别，以及中断响应方式等 输入输出结构：输入输出的连接方式、处理机/存储器与输入输出设备间的数据交换方式、数据交换过程的控制 信息保护：信息保护方式、硬件信息保护机制。 计算机组成 定义 计算机体系结构的逻辑实现，机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计 数据通路的宽度 专用的功能部件：乘除法、浮点运算、字符处理 各操作对部件的共享程度 功能部件的并行度：串行、重叠、流水 缓冲和排队策略：随机、先进先出、后进先出 可靠技术 着眼于机器内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件的联系 计算机实现 定义 计算机组成的物理实现 如：处理机、存储器等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等 着眼于器件技术和微组装技术，其中器件技术在实现技术中占主导作用 具有相同计算机体系结构（如指令系统）的计算机，可以采用不同的计算机组成（指令的实现） 例如，取指令、指令译码、指令执行、访存取数、结果写回5个阶段，可以在时间上按顺序方式进行，也可以让它们在时间上按重叠方式进行（即时间并行），以提高执行速度 一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现 例如，存储器件可以采用静态RAM（SRAM）芯片，也可以采用动态RAM（DRAM）芯片，可以采用单片大规模集成电路，也可以采用中小规模集成电路进行构建 实现方式取决于性能价格比的要求与器件技术的现状 2.2 计算机系统的工作原理 冯·诺伊曼体系结构 主要特点：使用二进制数和存储程序 设计思想：存储程序并按地址顺序执行 把程序及其操作数据一同存储 哈佛体系结构（Harvard Architecture） 把程序与其操作数据分开存储 源自Harvard Mark I计算机 现代的冯·诺伊曼计算机在设计中展示出了某些哈佛体系结构的特性，如高速缓存Cache 冯. 诺依曼计算机基本结构 冯. 诺依曼计算机基本结构 信息表示：二进制 计算机内部的控制信息和数据信息均采用二进制表示，并存放在同一个存储器中。 工作原理：存储程序/指令(控制)驱动 编制好的程序(包括指令和数据)预先经由输入设备输入并保存在存储器中； 计算机开始工作后，在不需要人工干预的情况下由控制器控制高速地从存储器中取出指令依次执行。 基于总线的冯·诺依曼架构模型机 总线子系统：作为公共通道连接各子部件，用于实现各部件之间的数据、信息等的传输和交换 存储器子系统：用来存放当前的运行程序和数据 输入输出子系统：用于完成计算机与外部的信息交换 CPU子系统：集成了运算器、控制器和寄存器的超大规模集成电路芯片(VLSI) 模型机总线子系统 按传输信息的不同，分为地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB： AB：通常是单向的，由主设备(如CPU)发出，用于选择读写对象(如某个特定的存储单元或外部设备)； DB：用于数据交换，通常是双向的； CB：包括控制信号线(如读/写信号)和一些状态信号线(如是否已将数据送上总线)，用于实现对设备的监视和控制。 模型机内存储子系统 存储器组