第4 章处理器种类和计算引擎.ppt

第 4 章處理器種類和計算引擎 范紐曼結構 大部分的電腦採用范紐曼結構 ，因此又稱為范紐曼電腦。 范紐曼結構源自於第一位推薦這種結構的知名數學家John Von Neumann。 最重要的特色就是程式儲存觀念  范紐曼電腦的主元件 處理器 記憶體 I/O設備 范紐曼結構圖 處理器 數位設備 電腦系統中最重要的主元件 又稱為CPU 處理器領域 不同觀念製造出不同的處理器 最原始的設計邏輯分成下列四類： 固定式邏輯 可選擇邏輯 參數化邏輯 可程式邏輯 固定式邏輯處理器 完全沒有任何彈性 只能執行單一固定的運算 硬體連線電路 除非改變底層硬體電路，否則就無法變動任何功能，比如：計算sine(x)。  可選擇邏輯處理器 多了一點點彈性 可以執行多個固定的運算，讓使用者能有少許的選擇。 比如：計算sine(x)或計算cosine(x)。 參數化邏輯處理器 接受參數的設定，以控制計算的方式 比如： 計算px/q的餘數之雜湊功能h(x) 除了輸入x變數外，還有兩個參數p和q可以更改設定。 可程式邏輯處理器 最有彈性 可以執行一序列的步驟（比如：程式指令），來改變處理器的功能。 比如：傳統的CPU。 階層結構和計算引擎 電腦結構師使用階層結構，適度地分割處理器成多個獨立的子系統。 單獨地設計和測試子系統，簡化問題。 比如：計算引擎加上其它的引擎，適度整合，將形成更有威力的CPU。 階層結構圖 傳統處理器結構 控制器 計算引擎 區域資料儲存裝置 內部連線 外部介面 傳統處理器結構圖 傳統處理器子系統 控制器： 控制程式的執行動作 協調所有的硬體動作 負責執行特定的運算 計算引擎： 執行所有的計算 算術運算和布林邏輯運算 接受控制器的指揮要求 傳統處理器子系統（cont.） 區域資料儲存裝置： 容納等待計算的某些數值（比如：送到計算引擎的運算元、或計算後的結果） 大部分的區域儲存裝置稱為暫存器 要把數值送到計算引擎之前，必須先把這些數值儲存在暫存器上 傳統處理器子系統（cont.） 內部連線： 交換兩個單元之間的資料 電腦結構師喜歡使用資料路徑，來描述內部的連線。 外部介面： 負責處理器與其它系統的溝通 尤其是與外部記憶體之間的通訊。 ALU 傳統的計算引擎就是ALU ALU可以執行 整數算術 位元運算（比如：左移、右移） 邏輯運算（比如：and、or、xor、not） 處理器分類和角色扮演 協同處理器 微控制器 微順序器 嵌入式處理器 通用型處理器 協同處理器 協同處理器可以和其它處理器一起工作，也可以接受其它處理器的命令，在其底下工作。 通常用於 特殊目的 執行單一任務 高速運作 比如：協助CPU加速浮點數運算的協同處理器 微控制器 可程式邏輯設備 控制各種中小型系統 比如：汽車的引擎、飛機的降落裝置、雜貨店的自動門。 微控制器程式執行範例 微順序器 類似微控制器 但不是用來控制外部硬體，而是用在大型處理器的內部。 比如：微順序器可能要求資料搬移單元，搬動兩筆資料給浮點數單元，然後要求浮點數單元執行加法，最後再要求資料搬移單元把結果移到記憶體。 嵌入式處理器 通常會比微控制器更具威力，但功能則不及通用型處理器。 嵌入式處理器常應用在某些複雜的電子設備。 比如：DVD播放機、電視機、…等。 通用型處理器 最常見的通用型處理器 比如：PC的CPU。 處理器技術 早期：離散的數位邏輯 後來：電路板 現在：單晶片 程式規劃 對電腦結構師而言，傳統的處理器可以規劃程式來執行運算，因此處理器和程式可以分開發展；然而對使用者而言，處理器和程式看起來好像整合在一起，感覺好像沒換處理器，就無法更改程式一樣。 擷取-執行週期 不同處理器存在細節的差異 可程式處理器遵循相同的基本策略，也就是擷取―執行週期的基本機制。 擷取-執行週演算法 重複執行下列工作{ 擷取：從程式儲存區，取出程式的下一個指令； 執行：執行指令動作。 } 時脈速率和指令速率 時脈速率 底層硬體速度的量測單位 最基本的時脈週期 指令速率 完成一個指令所需要的時間 不同的指令可能需要不同的時間 時脈速率和指令速率（cont.） 指令的擷取―執行週期很難以固定的速率進行，因為花費的時間必須視其運算方式而定，像是乘法運算就比加法運算需要更多的時間。 控制：啟始和結束 啟始程式：程式如何啟始第一個擷取―執行週期？ 結束程式：程式執行到最後一個動作時，處理器會發生什麼事？ 結束程式 處理器硬體並沒有設計”結束”機制。 除非切斷電源，關閉處理器外，否則處理器將一直持續地進行擷取―執行週期，不會停止。 應用程式結束可能代表： 嵌入式處理器會進入一個迴圈 通用處理器則由作業系統接管 啟始處理器 處理器使用重置接腳，要求所有的系統元件