[工学]2010微机原理及接口技术课件-CH1.ppt

按性能和体积可分为：巨型机，大型机，中型机， 小型机，微机 指令执行过程-RTL模型 计算机体系结构的演进：并行处理技术 冯·诺伊曼结构（P5、P28） 串行性：指令执行串行、存储器读写串行 哈佛结构（P7） 引入并行性：数据存储器与程序存储器可并行读取 流水线结构（P14） 并行处理技术实现多个处理器或处理器模块的并行性，其基本思想包括时间重叠（time interleaving）、资源重复（resource replicaiton）和资源共享（resource sharing）。 冯?诺依曼结构 * */36 输 入 设 备 控制器 输 出 设 备 CPU 存储器 运算器ALU 冯诺依曼计算机的结构与工作原理： “存储程序” + “程序控制” 工作原理： 先将程序存入存储器中，再由控制器自动读取并执行 输 出 设 备 主要特点 1、计算机硬件由运算器、控制器、存储器、 输入设备和输出设备五大基本部件 组成。 2、计算机内部的指令和数据均采用二进制表示。 3、基本工作原理：程序存储和程序控制原理。 程序（指令）被预先放置在存储器中，计算机工作时控制器自动从存储器中依次取出程序指令并执行。 基于冯氏结构产品 缺点：速度上的瓶颈 等等… 哈佛结构 哈佛结构 冯氏结构 关键区别： 程序空间和数据空间是否分开（注意：不是物理存储器是否分开） 指令的顺序执行和流水线执行 * */36 存储器结构 存储器是计算机的核心部件之一。如何以合理的价格搭建出容量和速度都满足要求的存储系统，始终是计算机体系结构设计中的关键问题之一。 现代计算机系统通常把不同容量、不同速度的存储设备按一定的体系结构组织起来，以解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾。 存储器分层结构 存储器分层结构 设计目标 整个存储系统速度接近M1而价格和容量接近Mn 二. 操作策略 映像规则：用于确定一个新的块（页）被调入本级存储器时应放在什么位置上。 查找规则：用于确定需要的块（页）是否存在本级存储器中以及如何查找。 替换规则：用于确定本级存储器不命中且已满时应替换哪一块（页）。 写规则：用于确定写数据时应进行的操作。 不同的CPU设计策略：CISC与RISC 一.CISC（Complex Instruction Set Computer， 复杂指令集计算机） 不断增强原有指令的功能以及设置更为复杂的新指令取代原先由程序段完成的功能，从而实现软件功能的硬化。 二.RISC（Reduced Instruction Set Computer， 精简指令集计算机） 通过减少指令种类和简化指令功能来降低硬件设计复杂度，从而提高指令的执行速度 CISC：如Intel CPU、RISC如ARM处理器 CISC的缺陷 美国加州大学Berkeley分校的研究结果表明： 许多复杂指令很少被使用，“2-8原则” 控制器硬件复杂（指令多，且具有不定长格式和复杂的数据类型），占用了大量芯片面积，且容易出错，VLSI设计困难。 指令操作繁杂，执行速度慢。 指令规整性不好，不利用优化编译。 RISC的设计思想及特点 RISC机的设计应当遵循以下五个原则。 ① 指令条数应当少，格式简单，易于译码； ② 提供足够的寄存器，只允许load和store指令访问内存； ③ 指令由硬件直接执行，在单个周期内完成； ④ 充分利用流水线； ⑤ 强调优化编译器的作用； CISC PK RISK CISC： 优点：指令越多功能越强，强调代码效率，容易和高级语言接轨。可直接实现处理器和存储器之间的数据转移。 缺点：指令集以及芯片的设计比上一代产品更复杂，不同的指令，需要不同的时钟周期来完成，执行较慢的指令，将影响整台机器的执行效率。 RISC： 优点：指令少容易记忆，尽量将操作码和操作数用1个16位数或32位数表示，指令整齐。CPU时钟频率可以做得很高，指令执行速度快。 缺点：同样功能的程序，产生的代码量比较大，必须合理地选择编译器。 计算机系统的性能测定 计算机系统的性能由硬件性能和程序特性决定，通常可利用标准测试程序来测定性能。 用MIPS (Million Instructions Per Second,每秒百万条指令)或MFLOPS(每秒百万次浮点操作)的数值来衡量计算机系统的硬件速度。 用 CPU执行时间T来量化硬软件结合系统的有效速度。 MIPS = f(MHz)/CPI