《计算机组成》课件

计算机组成课程内容与学习目标硬件基础运算原理掌握计算机硬件系统各组成部分理解数据表示与计算方法系统架构存储技术学习各级存储器工作机制计算机系统的层次结构应用软件实现特定功能的程序1系统软件2操作系统与编译程序指令系统结构3机器指令与寄存器硬件逻辑4冯诺依曼计算机结构·存储程序程序和数据存放在同一存储器二进制所有信息用二进制表示五大部件运算、控制、存储、输入和输出顺序执行计算机的基本组成部件中央处理器CPU包含运算器和控制器执行指令、处理数据存储器主存储器RAM、ROM辅助存储器硬盘、SSD输入输出设备/键盘、鼠标、显示器实现人机交互总线系统连接各部件的通道计算机硬件的主要技术指标速度指标主频、CPI、MIPS、FLOPS存储容量字长、存储单元数量、存取周期功耗TDP、能效比可靠性数据的表示进制转换二进制八进制十进制十六进制基数为2，数码为

0、1基数为8，数码为0~7基数为10，数码为0~9基数为16，数码为0~9和A~F计算机内部数据表示的基本每3位二进制对应1位八进制人类使用的常规计数系统形式每4位二进制对应1位十六进制数据的表示定点数原码表示1最高位表示符号，其余位表示数值反码表示2正数同原码，负数符号位不变其余按位取反补码表示3正数同原码，负数为反码加1移码表示4等于真值加上一个偏置常数数据的表示浮点数符号位表示数值的正负阶码表示小数点位置（指数部分）尾数表示有效数字数据的表示字符与字符串码扩展ASCII ASCIIUnicode7位编码，表示128个字8位编码，表示256个字多字节编码，支持全球符符字符汉字编码GB

2312、GBK、GB18030等校验码奇偶校验码奇校验偶校验特点1的个数为奇数1的个数为偶数•结构简单，实现容易•只能检测奇数个位出错•数据1101，校验位1•数据1101，校验位0•无法纠错•校验结果11011•校验结果11010校验码海明码确定校验位数量1r满足2^r≥n+r+1确定校验位位置2放在2^i位置（i从0开始）计算校验位值3使每个校验组的1个数为偶数错误检测与纠正4校验位组合指示错误位置校验码循环冗余校验码（）CRC选择生成多项式Gxr+1位（r为校验位数）数据左移位r相当于乘以x^r模除法2数据除以生成多项式添加余数余数作为校验码添加到数据后验证接收方同样除法，余数为0表示无错运算方法定点数的加减运算原码加减法补码加减法符号位单独处理直接按位相加同号相加，异号相减减法转换为加负数溢出判断符号位进位与最高数值位进位不同两正得负或两负得正运算方法定点数的乘法运算补码一位乘（算法）Booth00和11右移01加被乘数后右移原码一位乘10减被乘数后右移乘数为1，部分积为被乘数乘数为0，部分积为0乘法加速技术华莱士树部分积并行生成运算方法定点数的除法运算恢复余数法余数减除数，若为负则恢复加减交替法商为1时下次减，商为0时下次加非恢复余数法负余数直接加除数，无需恢复特殊情况处理除数为0，溢出检测运算方法浮点数的加减运算对阶小阶向大阶看齐，尾数相应右移尾数运算按定点数加减法规则进行规格化结果尾数首位必须为1（IEEE标准）舍入处理根据舍入模式处理精度损失运算方法浮点数的乘除运算符号位处理1异或运算确定结果符号阶码运算2乘法阶码相加减偏置除法阶码相减加偏置尾数运算3乘法尾数相乘除法尾数相除结果规格化与舍入4调整尾数使其符合规格化要求算术逻辑单元（）的基本结构ALU算术单元执行加减乘除包含加法器、乘法器等逻辑单元执行AND、OR、NOT、XOR位操作指令移位单元逻辑移位、算术移位循环移位状态寄存器记录运算状态进位、溢出、零、负数标志指令系统概述逻辑运算算术运算与、或、非、异或加、减、乘、除数据传送寄存器之间、内存与寄存器输入输出控制转移设备读写、中断处理跳转、调用、返回指令格式操作码字段地址码字段地址数量分类指定操作类型指定操作数地址•零地址指令•一地址指令决定指令功能可能包含多个地址•二地址指令•三地址指令•四地址指令操作码的设计固定长度操作码所有指令操作码长度相同扩展操作码常用指令短码，不常用指令长码多功能操作码根据附加位指定不同功能寻址方式立即寻址和直接寻址立即寻址直接寻址操作数在指令中直接给出指令中给出操作数的内存地址•优点不需访存•优点简单直观•缺点操作数长度受限•缺点地址范围受限例MOV AX,5例MOV AX,[2000H]寻址方式间接寻址和寄存器寻址间接寻址指令给出的是操作数地址的地址寄存器间接寻址寄存器中存放操作数的地址寄存器寻址操作数直接在寄存器中特点比较访存次数和寻址效率不同寻址方式变址寻址和基址寻址变址寻址基址寻址相对寻址有效地址=形式地有效地址=形式地有效地址=形式地址+变址寄存器址+基址寄存器址+程序计数器应用数组、程序重定位、共享代码和指令系统CISC RISC（复杂指令集）（精简指令集）CISC RISC•指令数量多、功能强•指令数量少、功能单一•指令长度可变•指令长度固定•寻址方式丰富•寻址方式简单•微程序控制•硬布线控制•代表x86架构•代表ARM架构控制器的功能与基本结构指令控制取指令、分析指令控制指令执行顺序操作控制产生操作控制信号协调各部件工作时序控制提供时钟信号确保各操作正确顺序异常处理中断响应错误检测与处理硬布线控制器组合逻辑电路时序逻辑电路解码器、多路选择器触发器、计数器设计复杂特点难以修改和扩展速度快、结构固定微程序控制器1控制存储器存放微程序，通常为ROM2微指令寄存器保存当前执行的微指令3微地址形成部件产生下条微指令地址4微操作译码器产生微操作控制信号微程序设计基础微指令格式设计水平型或垂直型编码微地址形成顺序、转移、子程序调用微程序流程设计指令周期的微操作序列微程序优化减少微指令数量，提高执行效率存储器的层次结构寄存器CPU内部，速度最快，容量最小高速缓存2多级Cache，速度快，容量较小主存储器RAM/ROM，速度中等，容量中等外部存储器硬盘/SSD，速度慢，容量大主存储器基本概念与分类按存取方式按信息保存特性按存储介质随机存取RAM、只读易失性、非易失性半导体、磁存储、光存ROM、顺序存取储按用途主存、辅存、缓存随机存取存储器（）RAM静态（）动态（）新型RAM SRAMRAM DRAMRAM•双稳态触发器存储•电容存储•SDRAM•速度快、功耗高•集成度高、成本低•DDR SDRAM•不需要刷新•需要定期刷新•RDRAM•常用于Cache•常用于主存只读存储器（）ROM掩模ROM制造时写入，无法更改PROM可编程ROM，只能写入一次EPROM紫外线可擦除，多次编程E²PROM/Flash电可擦除，在线编程主存储器与的连接CPU地址总线数据总线2CPU提供地址，单向传输读写数据，双向传输存储器控制器控制总线地址译码、时序控制读/写控制、片选信号4双口和多模块存储器RAM双口多模块存储器性能提升RAM两个独立端口同时访问存储单元分散在多个模块增加带宽解决访存冲突实现并行访问减少访存冲突应用于多处理器系统•高位交叉编址支持流水线操作•低位交叉编址高速缓存（）的工作原理Cache局部性原理时间局部性重复访问空间局部性邻近访问工作流程CPU先查询Cache命中则直接读取未命中则从主存调入命中率Cache性能关键指标一般可达90%以上多级CacheL1/L2/L3缓存速度与容量平衡主存地址映射Cache-直接映射1每个主存块只能放入特定Cache行全相联映射2主存块可放入任意Cache行组相联映射3主存块可放入特定组的任意行比较4命中率、实现复杂度和查找速度的替换算法Cache随机替换FIFO简单易实现，性能一般先进先出，替换最早的块1LFU LRU最不经常使用，替换访问次数最少的块最近最少使用，替换最久未访问的块虚拟存储器的基本概念基本思想程序局部性原理部分装入，按需调度虚拟地址空间程序使用连续地址空间实际可能分散在不同物理位置地址转换虚拟地址→物理地址页表/段表辅助优点扩大地址空间实现内存保护简化程序设计页式存储管理基本原理地址转换快表多级页表TLB固定大小的页面虚拟地址=页号+偏移量页表缓存减少页表占用空间页表记录映射关系物理地址=页框号+偏移量加速地址转换适应大地址空间段式存储管理基本原理段表可变长度的段记录段基址和长度地址转换优点虚地址=段号+段内偏移便于共享和保护段页式存储管理段式页式结合+1先分段，再分页地址转换过程2段号→段表→页表基址→页号→页表→物理地址优点3结合两种方式的优点缺点4结构复杂，多次访存外部存储器磁盘存储器7200转速RPM决定平均旋转延迟4-8平均寻道时间ms磁头移动到指定磁道所需时间100-200传输速率MB/s数据读取速度10^14误码率每读取10^14位出现一个错误外部存储器固态硬盘（）SSD闪存芯片高性能低功耗无机械部件，电子随机访问快，无寻耗电少，发热量小存储道时间高可靠性抗震动，使用寿命长总线的基本概念与分类片内总线1芯片内部，速度最快系统总线连接CPU、内存和I/O桥接器总线I/O连接外设，速度较慢总线仲裁链式查询计数器定时查询优先级固定，结构简单平等轮询，效率较低集中式仲裁独立请求由总线控制器统一管理3各设备有专用请求线总线标准总线PCI基本特性工作模式发展•总线宽度32/64位•突发传输•PCI-X•时钟频率33/66MHz•并行仲裁•PCI Express•传输速率133-533MB/s•即插即用总线标准总线USB

1.5480USB

1.0Mbps USB

2.0Mbps最初版本，低速高速版本500020000USB

3.0Mbps USB

4.0Mbps超高速基于雷电3协议输入输出系统概述接口I/O设备与系统总线之间的桥梁控制器I/O实现设备控制和数据传输设备I/O3实现信息的输入输出程序查询方式发出命令CPU I/O向接口发送控制信息查询设备状态循环检测是否就绪数据传送就绪后进行数据交换结束操作返回主程序继续执行中断方式中断请求设备完成操作后发出中断响应CPU保存现场，转入中断处理中断服务执行中断服务程序中断返回恢复现场，继续原程序方式DMA基本原理数据传送不通过CPUDMA控制器直接控制总线工作模式停止CPU访问独占周期挪用交替透明DMACPU不使用时传送方式字传送块传送需求传送优点提高传输速度减轻CPU负担输入设备键盘和鼠标键盘鼠标机械开关或膜开关机械式滚球传感扫描电路检测按键光电式LED+光敏元件类型机械、薄膜、电容激光式高精度激光追踪输出设备显示器和打印机显示器打印机显示卡CRT、LCD、LED针式、喷墨、激图形处理器、视频、OLED光、热敏内存分辨率像素密度、色彩深度并行技术指令级并行指令流水线分段重叠执行超标量技术2多条指令同时执行乱序执行3指令按数据依赖关系执行分支预测4预测分支方向提前执行并行技术线程级并行多线程技术多核处理器单核处理多线程多个独立核心共享资源同步机制缓存、总线、内存锁、信号量、消息传递并行技术数据级并行指令向量处理SIMD单指令多数据同时对多个数据元素操作加速矩阵运算GPU图形处理器并行计算并行处理矩阵元素计算机可靠性与容错技术冗余技术1硬件冗余、信息冗余、时间冗余技术2RAID磁盘阵列提高可靠性和性能容错处理器3多模块投票机制故障恢复4检查点、日志、回滚课程总结与展望量子计算利用量子叠加和纠缠特性1类脑计算模拟人脑神经元网络超大规模集成电路纳米级工艺，高密度集成。