搜索
HuaihuaUniversity--1--第2章计算机体系结构HuaihuaUniversity--2--123学习内容计算机系统的多级层次结构体系结构的基本概念冯∙诺依曼结构和哈佛结构处理器体系结构计算机软件系统45HuaihuaUniversity--3--学习目标•了解计算机系统的层次结构•理解计算机体系结构基本概念•描述冯∙诺依曼机原理和体系结构•理解指令和指令集概念，了解CISC和RISC结构原理•理解流水线技术的原理•了解并行处理和多处理器体系结构•掌握计算机软件的总体层次分类HuaihuaUniversity--4--学习重点•熟悉冯∙诺依曼机原理和体系结构•掌握现代计算机处理器体系结构HuaihuaUniversity--5--第一节计算机系统的多级层次结构HuaihuaUniversity--6--1计算机系统的多级层次结构•计算机是一个复杂的系统，是由硬件和软件结合而成的有机整体，如同一切复杂的自然系统和人为系统一样，计算机内部也存在多级的层次结构。这种多层次结构是人们对于计算机一种深入的、本质的认识和应用，他是随着计算机的发展而逐步建立起来的。HuaihuaUniversity--7--1计算机系统的多级层次结构•虚拟机(VirtualMachine)：虚拟机（VM）是支持多操作系统并行运行在单个物理服务器上的一种系统，能够提供更加有效的底层硬件使用。在虚拟机中，中央处理器芯片从系统其它部分划分出一段存储区域，操作系统和应用程序运行在“保护模式”环境下。如果在某虚拟机中出现程序冻结现象，这并不会影响运行在虚拟机外的程序操作和操作系统的正常工作HuaihuaUniversity--8--1计算机系统的多级层次结构虚拟机器M5(用户程序机器)虚拟机器M4(高级语言机器)虚拟机器M3(汇编语言或中间语言机器)虚拟机器M2(操作系统语言机器)实际机器M1(机器语言机器)虚拟机器M3(高级语言机器)虚拟机器M2(汇编语言或中间语言机器)实际机器M1(机器语言机器)实际机器M1(机器语言机器)虚拟机器M2(汇编语言机器)(a)(b)(c)计算机的多级层次结构示意图HuaihuaUniversity--9--1计算机系统的多级层次结构翻译高级语言的主要方法：1编译法：给计算机高级语言编制一套用机器语言编写的编译程序，它先把源程序全部翻译成目的程序，再提供给机器执行。执行过程:典型语言：Pascal、C编译程序(机器语言)高级语言程序编译成目的程序生成执行程序HuaihuaUniversity--10--1计算机系统的多级层次结构翻译高级语言的主要方法：2解释法：与编译法不同，它不是先把源程序全部编译为目的程序后再执行，而是把程序的语句逐条翻译成为目的程序并且立即逐条执行,即解释一条执行一条。高级语言程序目的程序(逐条翻译)生成执行程序执行过程:典型语言：BASICHuaihuaUniversity--11--第二节体系结构基本概念HuaihuaUniversity--12--2体系结构的基本概念计算机体系结构是指程序（计算机）设计人员所见到的计算机系统的属性，是硬件子系统的结构概念及其功能特性。计算机组成计算机体系结构的逻辑实现计算机实现计算机组成的物理实现HuaihuaUniversity--13--2体系结构的基本概念－计算机体系结构计算机系统的属性硬件子系统的结构概念及其功能特性主要特点：不同级别的计算机使用者所看到的计算机具有不同的体系结构HuaihuaUniversity--14--2体系结构的基本概念－计算机组成（computerorganization）依据计算机体系结构确定并且分配了硬件系统的概念结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组成，它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性相应的软件系统实现指令的控制功能HuaihuaUniversity--15--2体系结构的基本概念主要特点：1.相同的计算机体系结构所要求的功能，可以有多种不同的计算机组成设计方案——系列机相关产品：•国际商用机器公司（IBM）的IBM370系列HuaihuaUniversity--16--历史上出现的一些典型的系列机IBM370系列计算机HuaihuaUniversity--17--2体系结构的基本概念2.另外，同一种计算机组成可以有多种物理实现典型实例—兼容机：•软件兼容，同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相同的各档机器上，而且它们所获得的结果一样•兼容机，不同厂家生产的具有相同体系结构的计算机称为兼容机HuaihuaUniversity--18--一些典型的兼容机HuaihuaUniversity--19--2体系结构的基本概念—计算机实现（computerimplementation）•计算机实现，是计算机组成的物理实现。包括中央处理机、主存储器、输入输出接口和设备的物理结构，所选用的半导体器件的集成度和速度，器件、模块、插件、底板的划分，电源、冷却、装配等技术，生产工艺和系统调试等各种问题。•就是把完成逻辑设计的计算机组成方案转换为真实的计算机，也就是把满足设计和运行、价格等各项要求的计算机系统真正地制作并调试出来。HuaihuaUniversity--20--2体系结构的基本概念几个基本概念间的关系体系结构、计算机组成、计算机实现计算机体系结构计算机组成操作系统指令系统应用程序计算机实现由图示可见，体系结构在整个计算机系统中占据核心地位HuaihuaUniversity--21--第三节冯∙诺依曼结构和哈佛结构HuaihuaUniversity--22--3冯∙诺依曼结构和哈佛结构•—冯∙诺依曼理论•冯∙诺依曼理论的思想是：应该把程序和数据一起存储在存储器里，让计算机自己负责从存储器里提取指令，执行指令，循环式地执行这两个动作。这样，计算机在执行程序的过程中，就可以完全摆脱外界的影响，以自己可能的速度自动地运行。按照这种原理构造出来的计算机就是“存储程序控制计算机”，也被称做“冯∙诺依曼计算机”。HuaihuaUniversity--23--—冯∙诺依曼理论的要点：•指令像数据那样存放在存储器中，并可以像数据那样进行处理；•指令格式使用二进制机器码表示；•使用程序存储控制方式工作。3冯∙诺依曼结构和哈佛结构十进制→计算机指令？冯∙诺依曼提出二进制机器码表示计算机指令格式HuaihuaUniversity--24--3冯∙诺依曼结构和哈佛结构冯∙诺依曼结构—普林斯顿体系结构（PrincetionArchitecture)是现代通用计算机使用的最主要结构。—冯∙诺依曼结构：指令与数据均是用二进制代码形式表现，电子线路采用二进制存储器中的指令与数据形式一致，机器对它们同等对待，不加区分指令在存储器中按执行顺序存储，并使用一个指令计数器来控制指令执行的方向，实现顺序执行或转移存储器的结构是按地址访问的顺序线性编址的一维结构计算机由五大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备一个字长的各位同时进行处理，即在运算器中是并行的字处理运算器的基础是加法器指令由操作码和地址码两在部分组成；操作码确定操作的类型，地址码指明操作数据存储的地址冯∙诺依曼结构的主要特点：HuaihuaUniversity--25--3冯∙诺依曼结构和哈佛结构冯∙诺依曼计算机—TestabilityEngineeringSystem：运算器（ALU，ArithmeticLogicUnit）控制器（Controler）存储器（Memory）输入设备（InputUnit）输出设备（OutputUnit）—冯∙诺依曼计算机：HuaihuaUniversity--26--3冯∙诺依曼结构和哈佛结构典型的冯∙诺依曼计算机HuaihuaUniversity--27--3冯∙诺依曼结构和哈佛结构—冯∙诺依曼结构的缺陷：处理器要频繁访问存储器，指令串行执行效率低高级语言与机器语言之间转换不便采用的是按地址访问的顺序存储空间，对于复杂的数据结构，必须经过地址映像存放才能解决问题，因此也带来了不便HuaihuaUniversity--28--3冯∙诺依曼结构和哈佛结构—冯∙诺依曼结构的演变：将运算器与控制器集中于一块芯片，作为中央处理器件（CPU）采用先行控制、流水线等方法，开发并行性采用多体交叉存储器，增加存储带宽采用总线结构，将计算机各个部件连接起来，并实现各部件之间正确的数据传输以存储器为核心，使I/O设备和处理器可并行工作HuaihuaUniversity--29--3冯∙诺依曼结构和哈佛结构哈佛结构—Harvardarchitecture，缩写为HARC程序指令存储和数据存储分开的存储器结构，这一点与冯∙诺依曼结构有本质的区别。哈佛结构对比冯∙诺依曼结构的主要优点哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。其程序指令和数据指令分开组织和存储，执行时可以预先读取下一条指令。哈佛结构采用程序和数据空间独立的体系结构，可以减轻程序运行时的访存瓶颈，这是冯诺依曼结构所无法解决的。HuaihuaUniversity--30--第四节处理器体系结构HuaihuaUniversity--31--4处理器体系结构•—处理器体系结构•从本质上讲，计算机体系结构是一门设计计算机的学科，包括计算机的指令系统设计，结构设计，实现技术，以及与系统软件操作系统和编译器相关的一系列技术。处理器技术是计算机体系结构的核心。HuaihuaUniversity--32--4处理器体系结构主要内容：•计算机指令系统•复杂指令集计算机——CISC（ComplexInstructionSetComputer）•精简指令集计算机——RISC(ReducedInstructionSetComputer)•流水线技术•并行处理结构HuaihuaUniversity--33--4处理器体系结构指令系统—ComputerMaster指令是指控制计算机执行某种操作的命令，也称为机器指令。指令的作用是协调各硬件部件之间的工作关系，它反映了计算机所拥有的基本功能，是计算机运行的最小功能单位。一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令集，或者指令系统。指令系统的特征：•指令格式•指令长度•指令操作码在处理器内的存储形式•指令周期•指令类型•指令系统支持的寻址方式HuaihuaUniversity--34--4处理器体系结构根据指令系统功能结构的不同，计算机体系结构发展趋势呈现两种截然不同的方向：•复杂指令集计算技术（CISC）—ComplexInstructionSetComputing•精简指令集计算技术（RISC）—ReducedInstructionSetComputingCISCRISCHuaihuaUniversity--35--4处理器体系结构CISCRISCA、指令愈丰富功能愈强，编译程序愈好写，指令效率愈高；B、指令系统愈丰富，愈可减轻软件危机；C、指令系统丰富，尤其是存储器操作指令的增多，可以改善系统结构的质量；D、以微程序控制器为核心，指令存储器与数据存储器共享同一个物理存储空间。(1)复杂指令集计算技术（CISC）:HuaihuaUniversity--36--4处理器体系结构(1)复杂指令集计算技术（CISC）小规模寄存器堆控制部件控制存储器指令/数据通路指令/数据高速缓存主存储器典型CISC处理器结构HuaihuaUniversity--37--4处理器体系结构(1)复杂指令集计算技术（CISC）:一些典型的CISC结构处理器HuaihuaUniversity--38--4处理器体系结构CISCRISC(2)精简指令集计算技术（RISC）:A、精简指令系统。可以通过对过去大量的机器语言程序进行指令使用频度的统计，来选取其中常用的基本指令；(二八定律)B、减少指令系统可采用的寻址方式种类，一般限制在2或3种；C、在指令的功能、格式和编码设计上尽可能地简化和规整，让所有指令尽可能等长；D、单机器周