北航計算機組成原理課件

本講內容 透視計算機：計算機組成與結構總結 組成部件 內部連接 理解計算機：機器指令的執行過程 計算機最基本的操作與控制：微操作 指令的執行過程 程序的執行 計算機的時序控制方式 時序系統簡介 計算機結構(Architecture)的概念演變 What is Computer Architecture ? Architecture ISA: 指從編程者角度看到的計算機所具備的概念結構和邏輯功能。區別與計算機的物理實現和物理結構。 可編程存儲器的結構 指令系統，指令格式，尋址方式 數據類型，編碼 計算機組成(1) 從1946年開始，所有的計算機都包含如下幾個部分 計算機組成(1) 運算器 完成最基本的算術邏輯運算 ALU(Arithmetic and Logic Unit) ＋ Registers＋ DataPath 控制器 提供各部件工作所需的控制信號，控制計算機其他部件協同工作 指令部件(Instruction Register ，Instruction Decoder) 指令順序控制(Program Counter) 時序邏輯部件(Clock，Timer ，Sequencing Logic) 控制信號生成部件(Control Signal Generator or Control Memory) 運算器＋控制器＝CPU(Central Process Unit) 計算機組成(2) 存儲器 保存程序和數據 存儲單元(bit, Byte, Word) 地址的概念(每一個字節單元一個唯一的地址) 存儲器的工作方式：讀、寫 組成：存儲體＋地址緩沖部件＋數據緩沖部件＋讀寫控制部件 存儲器的層次：Cache ＋ RAM ＋ Disk ＋ Tape 輸入輸出 實現計算機內部與外界(其他系統或人類)的信息交換 接口標準與接口部件 外部設備：輸入設備、輸出設備 計算機內部各部件之間的連接：計算機結構 總線結構 總線：符合一定的標準的一組公共數據通道 構成：地址總線、數據總線、控制總線 單總線結構 多總線結構 標準總線 ISA---Industry Standard Architecture(工業標準結構) EISA----Extended ISA(擴展工業標準結構) PCI----Peripheral Connection Interface (周邊元件擴充接口) SCSI----Small Computer System Interface(小型計算機系統接口) 單總線結構 Examples – IAS (直接連接) Examples – PC (單總線結構) Examples – PC (多總線結構) Examples – SPARCstation20(多總線結構) 計算機的工作原理 機器指令：計算機硬件可以執行的表示一種基本操作的二進制代碼。 指令格式：操作碼 ＋ 操作數(操作數地址) 操作碼：指明指令的操作性質 操作數(地址)：指令操作數的位置(或操作數本身) Example Example Example 指令的執行過程：微操作 指令的執行過程 指令的執行過程 計算機的時序控制方式 指令＝微操作序列 從微操作本身所執行的功能來看，不同的微操作執行時間應該不同。 對微操作的定時方式成為不同時序控制方式的主要差別 同步控制方式的時序系統 時序概念與時序信號 指令周期：指令執行的時間，包括取指令、分析指令、執行指令所需的時間。 機器周期：指令周期按功能分成幾個不同的階段，每個階段所需的時間，稱為一個機器周期。比如取指周期，取數周期等。 節拍周期：也是時鐘周期，微操作執行的時間。 時鐘脈沖信號：計算機系統的基本定時信號，是其他時序信號的基準 一個指令周期 ＝ N 個機器周期 一個機器周期 ＝ N 個節拍周期 同步控制方式的時序系統 時序關系 時序電路示例 節拍周期發生器：移位器電路 初始值為0001 每一個CLK脈沖變化一次：0001 ? 0010 ? 0100 ? 1000 ? 0001 *?UCB Spring 2001 CS152 / Kubiatowicz Lec1.* Computer Architecture = Instruction Set Architecture (ISA) + Machine Organization Organization：物理實現與物理結構 主要功能單元機器性能特征：ALU，Regs，Shifter，Logical Units 部件之間的內部連接 信息流(數據流和指令流)及其控制 ISA的實現 寄存器傳輸層(RTL)的硬件描述 Control Datapath Units Memory CPU Input Output 1946

總結

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