計算機組成原理本課程探討計算機系統(tǒng)的基本構成單元及其工作原理課程目標和內容掌握計算機基本組成理解計算機硬件各部分的功能與工作原理學習計算機系統(tǒng)結構掌握數據表示、指令系統(tǒng)和存儲原理培養(yǎng)系統(tǒng)思維計算機系統(tǒng)的層次結構硬件層物理設備與電子電路微架構層微操作序列與控制信號指令系統(tǒng)層機器指令與寄存器操作系統(tǒng)層系統(tǒng)調用與進程管理應用層用戶程序與應用軟件馮·諾依曼計算機結構存儲程序程序和數據存儲在同一存儲器中運算器執(zhí)行算術邏輯運算控制器指令的解釋和執(zhí)行存儲器程序和數據的存放輸入輸出設備信息輸入與輸出的途徑計算機硬件的基本組成中央處理器(CPU)運算器和控制器的組合執(zhí)行指令和數據處理存儲器主存儲器(內存)和輔助存儲器存放程序和數據輸入/輸出設備實現人機交互和數據傳輸鍵盤、鼠標、顯示器等總線系統(tǒng)連接各個部件的公共通道數據、地址和控制總線計算機軟件的分類應用軟件滿足用戶特定需求的程序系統(tǒng)軟件控制計算機操作的基礎程序固件存儲在只讀存儲器中的程序計算機性能指標時鐘頻率CPU的工作節(jié)拍速度單位：赫茲(Hz)CPI每條指令的平均時鐘周期數越小越好MIPS每秒執(zhí)行的百萬條指令數衡量處理速度FLOPS每秒執(zhí)行的浮點運算次數衡量科學計算能力數制與編碼二進制基數為2，數字：0和1計算機內部表示的基礎八進制基數為8，數字：0-7早期計算機常用十進制基數為10，數字：0-9人類日常使用十六進制基數為16，數字：0-9,A-F程序設計與調試常用二進制算術運算二進制加法0+0=0，0+1=1，1+0=1，1+1=10二進制減法0-0=0，1-0=1，1-1=0，0-1需借位二進制乘法基于移位和加法操作二進制除法基于移位和減法操作定點數的表示和運算原碼表示符號位+絕對值反碼表示正數不變，負數按位取反補碼表示反碼+1，計算機常用移碼表示補碼符號位取反，用于浮點指數浮點數的表示和運算IEEE754標準國際通用的浮點數表示方法1單精度(32位)1位符號，8位指數，23位尾數2雙精度(64位)1位符號，11位指數，52位尾數3特殊值零、無窮大、非數(NaN)4算術邏輯單元（ALU）的基本結構2主要功能模塊算術單元和邏輯單元4基本運算加、減、乘、除6邏輯操作與、或、非、異或等1狀態(tài)標志位進位、溢出、零、符號等加法器和減法器的設計1半加器兩個輸入，無進位輸入2全加器兩個輸入加一個進位輸入3串行加法器逐位加法，性能較低4并行加法器同時處理所有位，速度快乘法器的基本原理移位操作被乘數左移或乘數右移部分積形成根據乘數位決定是否加被乘數部分積累加各部分積相加得到最終結果除法器的基本原理恢復余數法試商后余數為負則恢復，再右移不恢復余數法余數為負時直接加除數，提高效率加速技術提前試商與并行處理存儲系統(tǒng)概述寄存器Cache主存固態(tài)硬盤機械硬盤存儲器的層次結構1寄存器速度最快，容量最小Cache高速緩沖存儲器主存RAM，程序運行的場所輔存硬盤，容量大速度慢RAM的工作原理SRAM靜態(tài)隨機存取存儲器觸發(fā)器存儲，無需刷新速度快，功耗高，成本高用于CacheDRAM動態(tài)隨機存取存儲器電容存儲，需定期刷新密度高，成本低用于主存ROM的類型和應用MROM掩模型只讀存儲器內容在制造時確定PROM可編程只讀存儲器用戶一次性編程EPROM可擦除可編程只讀存儲器紫外線擦除EEPROM/Flash電可擦除可編程只讀存儲器電擦除，應用廣泛主存儲器與CPU的連接地址總線CPU指定訪問的存儲單元數據總線傳輸讀取或寫入的數據控制總線傳輸讀/寫控制信號Cache的工作原理時間局部性剛被訪問的數據可能很快再次被訪問空間局部性被訪問數據附近的數據可能很快被訪問塊替換根據替換算法選擇被替換的塊命中率Cache訪問成功的比率，越高越好Cache映射方式直接映射主存塊只能映射到特定緩存行全相聯映射主存塊可映射到任意緩存行組相聯映射主存塊可映射到指定組內任意行Cache替換算法隨機替換隨機選擇被替換塊FIFO替換最早調入的塊LRU替換最久未使用的塊LFU替換使用頻率最低的塊虛擬存儲器概念基本思想程序局部性原理主存作為輔存的緩存部分裝入，請求調入特點主存空間自動分配編程容量無限制多道程序并發(fā)運行地址轉換邏輯地址→物理地址MMU硬件支持快表(TLB)加速轉換頁式虛擬存儲器頁表記錄邏輯頁與物理頁框的映射關系頁面劃分將程序和數據劃分為固定大小的頁頁面置換當頁面失效時，選擇頁面調出頁面調度按需將頁面在主存和輔存間移動段式和段頁式虛擬存儲器段式存儲按邏輯單位分段，長度可變段頁式存儲先分段再分頁，兼顧靈活性和效率地址變換多級地址轉換，需硬件支持外部存儲器概述磁盤存儲器機械硬盤，大容量，速度較慢固態(tài)存儲器SSD，速度快，無機械部件光盤存儲器CD/DVD/BD，容量大，便于保存閃存U盤，便攜式存儲設備磁盤存儲器的工作原理12345盤片磁性材料制成，存儲數據磁頭讀寫數據的裝置盤面一個盤片有兩個盤面磁道同心圓環(huán)，劃分數據區(qū)域扇區(qū)磁道上的弧段，存儲單位固態(tài)硬盤（SSD）技術閃存芯片NAND閃存，非易失性無機械部件，抗震控制器管理閃存讀寫磨損均衡，垃圾回收接口SATA接口PCIe接口，NVMe協(xié)議指令系統(tǒng)概述指令系統(tǒng)計算機硬件的語言操作碼和操作數的集合指令集架構指令格式和執(zhí)行模式向軟件提供的硬件抽象指令特性數據操作的基本單位機器碼和匯編語言表示指令格式操作碼字段指定操作性質地址碼字段指定操作數位置模式位說明操作方式尋址方式立即尋址操作數直接在指令中給出直接尋址指令中給出操作數地址間接尋址指令中給出操作數地址的地址寄存器尋址操作數在寄存器中CISC和RISC指令系統(tǒng)特性CISCRISC指令數量多少指令長度變長定長尋址方式豐富簡單執(zhí)行方式微程序控制硬布線控制寄存器數量較少較多代表產品x86ARMCPU的功能和基本結構運算器ALU執(zhí)行算術邏輯運算控制器CU控制指令的執(zhí)行過程寄存器組暫存數據和地址的高速存儲單元內部總線連接各個功能部件指令周期取指周期從內存取出指令譯碼周期分析指令的操作碼執(zhí)行周期執(zhí)行指令規(guī)定的操作訪存周期若需要，訪問內存寫回周期將結果寫回相應位置數據通路1功能完成指令執(zhí)行過程中的數據處理和傳送2組成運算器、寄存器、內部總線、多路選擇器等3類型單總線結構、多總線結構4操作由控制器發(fā)出的微操作信號控制控制器的功能和結構指令控制控制取指令、分析指令和執(zhí)行指令的過程時序控制產生各種時序信號，協(xié)調各部件工作微操作控制產生各種微操作控制信號中斷處理響應和處理中斷請求硬布線控制器組合邏輯電路產生與時序無關的控制信號時序邏輯電路產生與時序相關的控制信號優(yōu)點速度快，效率高缺點結構復雜，難以修改微程序控制器1控制存儲器存放微程序微指令控制一組微操作的指令微程序實現一條機器指令的微指令序列4微程序計數器指向下一條要執(zhí)行的微指令指令流水線基本概念流水線原理指令執(zhí)行過程分段并行處理類比理解類似工廠流水線作業(yè)方式性能提升理想狀態(tài)下吞吐率大幅提高五段式指令流水線取指(IF)從存儲器取指令譯碼(ID)分析指令，讀取寄存器執(zhí)行(EX)ALU操作，計算地址訪存(MEM)讀寫存儲器寫回(WB)結果寫入寄存器流水線的冒險和處理方法結構冒險硬件資源沖突解決：資源復制或流水線停頓數據冒險指令間數據依賴解決：轉發(fā)、停頓或編譯優(yōu)化控制冒險分支指令造成的不確定性解決：分支預測或延遲分支中斷系統(tǒng)概述中斷概念暫停當前程序，轉而執(zhí)行其他程序硬件中斷由外設或硬件故障引起軟件中斷由指令或異常條件引起中斷優(yōu)先級決定多個中斷同時發(fā)生時的處理順序中斷的處理過程中斷請求設備發(fā)出中斷信號中斷響應CPU檢測并響應中斷請求現場保護保存當前程序的狀態(tài)信息4中斷服務執(zhí)行中斷服務程序現場恢復恢復保存的狀態(tài)信息繼續(xù)執(zhí)行返回被中斷的程序繼續(xù)執(zhí)行多重中斷和中斷屏蔽多重中斷中斷服務過程中又發(fā)生新的中斷中斷嵌套高優(yōu)先級中斷可中斷低優(yōu)先級中斷服務程序中斷屏蔽暫時禁止某些中斷的響應中斷向量指向中斷服務程序入口地址的指針總線概述總線定義計算機各部件之間的公共傳輸通道傳輸內容地址信息、數據信息和控制信息總線特性機械特性、電氣特性、功能特性和時間特性性能指標總線寬度、總線帶寬、時鐘頻率等總線的分類1片內總線芯片內部的總線系統(tǒng)總線連接CPU、內存與I/O接口的總線3外部總線連接外設的總線，如USB、SATA總線仲裁集中仲裁由一個中央仲裁器處理所有仲裁分布仲裁總線連接的各部件共同決定總線使用權鏈式仲裁優(yōu)先權通過菊花鏈方式依次傳遞總線操作和定時1同步定時用統(tǒng)一時鐘控制數據傳送2異步定時使用應答方式協(xié)調數據傳送3半同步定時同步和異步相結合4分離式事務允許總線在等待響應時處理其他請求輸入輸出系統(tǒng)概述功能實現CPU與外部設備的數據交換協(xié)調CPU與外設的速度不匹配基本組成I/O接口（控制器）I/O通道和各種外部設備I/O方式程序查詢、中斷驅動DMA方式、通道方式輸入輸出接口數據緩沖器緩存輸入輸出數據協(xié)調不同速度設備控制狀態(tài)寄存器存放控制信息反映設備當前狀態(tài)地址譯碼器選擇特定I/O設備識別I/O地址程序查詢方式查詢設備狀態(tài)CPU反復檢查設備就緒標志識別設備就緒就緒后進行數據傳送2數據傳送執(zhí)行輸入或輸出操作3繼續(xù)查詢傳送完成后繼續(xù)查詢中斷驅動方式啟動I/OCPU發(fā)出I/O命令后繼續(xù)執(zhí)行其他任務發(fā)起中斷設備就緒后向CPU發(fā)出中斷請求響應中斷CPU暫停當前任務，保存現場中斷服務執(zhí)行數據傳送操作恢復執(zhí)行傳送完成后恢復被中斷的任務DMA方式DMA概念直接存儲器訪問，不通過CPU直接在內存和I/O設備間傳送數據DMA控制器管理數據傳送，包含地址計數器、數據計數器和控制邏輯DMA傳送方式停止CPU訪存、周期挪用、DMA與CPU交替訪存特點塊傳送，高效率，適合高速I/O設備通道方式通道定義專門負責輸入輸出操作的處理機執(zhí)行通道程序，控制多個設備通道類型字節(jié)多路通道數組選擇通道數組多路通道優(yōu)點進一步減輕CPU負擔實現CPU、通道和I/O設備的并行工作外部設備概述1234輸入設備將信息輸入計算機輸出設備將計算機結果輸出存儲設備長期保存數據通信設備實現計算機間數據傳送輸入設備鍵盤將擊鍵轉換為電信號輸入計算機鼠標光電、機械或光學原理檢測移動觸摸屏電阻式、電容式、紅外線等技術輸出設備顯示器CRT、LCD、L