1COMPUTERORGANIZATIONTECHNOLOGY2Chapter3

OperationofcomputerorganizationandarchitectureinstructionsystemCPUoperationcoursepipelinenewtecnology3organizationandarchitecture1VON.NEUMANNarchitecture2

VON.NEUMANNarchitecturedevelopmentENIAC

istheBegining4VON.NEUMANNarchitecture特點：計算機由運算器、存儲器、控制器和輸入輸出設備組成。指令和數據存放在存儲器中，按地址訪問。指令和數據以二進制碼表示。指令由操作碼和操作數。指令在存儲器中存放，順序執行，（程序存儲程序控制原理）。機器以運算器為中心，IO與存儲器之間數據傳送通過運算器來完成。5VON.NEUMANNarchitecturedevelopmentSystemorganizationdevelopmentCUMemorysystemIO

systemMulti-Bus6Von.Neumann計算機結構的演化（二）控制部件設計多樣化邏輯電路設計微程序設計現代計算機系統采用了總線結構Neumann結構中各部分的連接。BUS（AB、DB、CB）BUS的邏輯斷開7Von.Neumann計算機結構的演化（三）以存儲器為計算機的中心存放數據和程序的地方存儲器的發展控制總線控制讀寫數據總線傳輸地址總線選取數據單元（一般以字節為基本單元）分類：ROM,RAM,PROM,EPROM,EEPROM存儲器有RAM組成存儲器的操作過程8Von.Neumann計算機結構的演化（四）輸入輸出系統的功能加強程序控制方式中斷方式DMA方式通道方式外圍處理機（PPU）雖然計算機已有很多變化，對馮諾伊曼的許多方面作了改進，但從本質上還沒有較大的體系結構變化，還遵循著“程序存儲程序控制原理”，因此，現代計算機還是馮氏計算機系統。9指令系統指令系統是計算機能力的體現；指令系統是計算機能夠執行的各種操作的集合。內容：指令系統的基本概念指令字長和指令格式10指令系統的基本概念（1）計算機語言：機器語言、匯編語言、高級語言機器語言是計算機唯一能夠識別并執行的語言由二進制編碼表示一條指令規定一個操作所有的指令構成了指令系統匯編語言使用反映指令功能的助記符表達的計算機語言與指令一一對應。匯編程序進行匯編，生成機器語言程序高級語言是面向用戶的語言上兩種是面向機器的語言編譯和解釋11指令系統的基本概念（2）指令系統的設計是計算機系統設計核心問題是軟硬件的交界面完善的指令系統應該具備的條件指令系統完備（基本指令，復雜指令）指令系統支持最高效率執行指令編碼合理（操作碼支持多種數據類型、數據表示）采用系列機概念12指令字長和指令格式機器字長：計算機能夠直接處理的二進制位數，決定了運算精度，一般與主存單元長度一致。一條的指令字長是指令中包含二進制的位數。單字長指令、雙字長指令、多字長指令。多字長指令：訪存地址位長，訪問空間大，需多個主存周期讀取，降低了取指速度。指令格式：操作碼+操作數（數或地址）13操作碼規定指令的操作類型（作用）每條指令都規定一個操作碼。一般N位編碼能表示2N條指令指令的操作碼種類繁多，因此，編碼有學問平均編碼長度信息熵用短的編碼表示使用頻度高的指令。14操作數單操作數指令雙操作數指令多操作數指令功能特點指令助記符15中央處理器CPUcpu是計算機的核心電路，人的大腦cpu的主要功能：運算、控制cpu的組成：運算器、控制器、寄存器和相關電路3.3.1主要寄存器3.3.2運算器3.3.3控制器

161主要寄存器寄存器使CPU內部的存儲信息單元，負責存放數據、地址、狀態和控制信息，可以減少對內存的訪問，從而提高計算機的速度。Accumulator:AC是CPU中一個重要的Register，有許多與之相關的累加器指令，主要功能：運算前保存一個操作數（被加數、被減數），運算后：保存運算結果。ProgramCounter:

存放下一條要執行的指令地址，有自動加1功能。程序開始，分支轉移。AddressRegister:

用來存放指令或操作數的地址。是一個暫存單元。訪存時，讀寫用。DataRegister:用于存放數據和指令。InstructionRegister:CommonRegisterGroup:FlagRegister:

用來運算結果的特征和運算器的狀態。在上述R中除IR、AR、DR，程序員不能使用外，其余的寄存器都可以使用。172運算器運算器是進行數據變換和運算的功能部件，核心為ALU。功能：算術邏輯運算。組成：加法電路、邏輯電路、寄存器。運算：任何數學問題可劃減為加法和移位運算?？刂疲河凶g碼器產生的控制信號來控制。輸入：接收二進制數據，來源AC、其他Register和FR。輸出：結果存放與AC，標志傳送給FR。發展：專用運算電路，并行加法器。183控制器控制器是用來控制程序的執行，協調各功能模塊的部件。是計算機工作的指揮調度中心。功能：譯碼分解微操作、生成統一節拍的控制信號、驅動各功能部件有條不紊的工作。組成：時序部件、寄存器組和微操作控制電路（譯碼器）。時序部件：包括主時鐘源、節拍發生器和起?？刂七壿嫛６〞r信號：CPU工作周期性需要精確的定時信號，時鐘發生器時鐘周期：兩個相臨的脈沖前沿的時間間隔（狀態T），是計算機工作的最小時間單位。指令時序：指令執行時，為其包含的微操作制訂的工作時間表。機器周期：完成一個基本操作所需的時間，可包含若干個時鐘周期。指令周期：完成一條指令所需要的機器周期數。指令周期（1~n個機器周期）T1機器周期M2。。。T2T3TnT1T2T3T4…Tn。。。T4…機器周期M1分頻：功能部件的一個執行周期包含的時鐘周期數倍頻：功能部件的工作頻率為基頻的倍數基頻：系統提供的工作時鐘超頻：實際工作頻率超過額定頻率19微操作信號產生電路的設計方法微操作控制部件的功能：根據操作碼和時序信號產生操作控制信號，建立數據通路，完成指令功能。指令===〉微操作控制信號主要設計方法數字邏輯設計方法微程序設計方法20數字邏輯設計方法組合邏輯控制器的設計思想：把指令系統中各指令執行時要求的微操作綜合歸納，形成微操作集；把微操作集中各微操作執行所要求的電路、時鐘考慮進去，用數字邏輯電路實現。工作步驟：1、分解指令歸納成若干微操作（電路操作）；2、將微操作結合指令周期的時鐘信號考慮，采用普通的邏輯電路設計方法。3、對全部指令的微操作進行綜合分析，求出各個微操作對應的邏輯表達式，設計出操作控制線路。4、每個微操作的輸出，是一個微操作控制信號，用來對機器進行控制。21微程序設計方法微程序設計：把CPU的每步操作當作一個微命令（微操作）；由微操作組合成微指令；由微指令編寫微程序，解釋執行機器指令。微程序固化到控存中。將程序存儲控制原理引入到CPU的控制電路中。優點：缺點：1、設計規整化1、結構復雜2、可修改性2、運算數度慢3、可擴充性4、可變的系統結構22計算機的工作過程簡單地說計算機的工作過程就是程序的執行過程。程序--〉指令序列--〉取指、分析、取數和執行，周而復始。指令執行過程：取指：分析：取數：執行：

合為分析階段23工作過程分析24計算機工作過程事例分析例：5+6=？LDA，5；ADDA，6；MOV（8），A；STOP；

000000010101000001010200000000030000011004000001100500001000060000011107080000101125流水線技術流水線技術是在現代計算機設計中，被廣泛使用并且效果卓著的技術之一。主要內容：3.5.1流水線的基本概念3.5.2流水線的種類3.5.3流水線的相關問題26加快計算機語言的解釋速度的方法選用更高速的硬件、用更好的運算方法、提高指令內各微操作的并行程度、減少解釋過程所需的拍數等措施。采用同時解釋兩條、多條以至整段程序的控制方式。重疊和流水是其中常用的控制方式。本章主要講述這兩種方式的基本原理、實現中要解決的主要問題和辦法，以及性能分析。27時間重疊的基本原理張三，李四，王五，趙六每人要洗一包衣服。洗衣服的過程包括：用洗衣機30分鐘烘干機30分鐘熨燙30分鐘把衣服打包需30分鐘28串行洗衣店串行洗衣店需要8個小時完成4個工作量如果他們采用時間重疊技術呢？29流水化的洗衣店、盡可能早的開始工作流水化洗衣店3.5個小時完成4個工作量301流水線的基本概念流水線名詞來源流水線技術內涵流水線描述圖示工業裝配流水線工藝將一個重復的處理過程分解成若干個字處理過程，每個子過程可以與其他的子過程同時處理。流水線的關鍵問題：1、任務分解2、瓶頸問題----每個子功能部件工作時間相同3、速度----吞吐率取決于子任務穩定添加速度比較：一條指令的執行時間流水執行的指令時間311流水線的基本概念取指令分析指令執行指令寫結果以上是早期的處理器的工作過程,由于效率不高,所以出現了流水線技術,采用指令流水線，能使各操作部件同時對不同的指令進行加工,提高了機器的工作效率。從另一方面講,當處理器可以分解為m個部件時，便可以每隔1/m個指令期解釋一條指令,加快了程序的執行速度,但對指令的執行速度并沒有加快。

8086CPU的流水技術322流水線的種類指令流水線是將指令的整個執行過程按流水線部件進行分段處理。典型的指令執行過程是取指令一指令譯碼一形成地址一取操作數一執行指令、回寫結果一修改指令指針。數據流水線是指浮點運算、乘法、除法等都需要多個機器周期才能完成，為了加快運算速度，把流水線技術引入到運算操作部件中，就形成了運算流水線。指令分解：取指譯碼形址取數執行寫數修改PC浮點流水線對階尾數相加規格化33指令間的相關是指由于一段機器語言程序的相近指令之間出現了某種關聯，因它們不能同時被解釋，使指令流水線出現停頓，從而影響指令流水線的效率。指令間的相關大體可分控制相關（controldependency）部件相關（unitdependency）數據相關（datadependency）3流水線的相關問題

控制相關當一條指令要等前一條（或幾條）指令作出轉移方向的決定后才能開始進入流水線時，便發生控制相關。措施有

1.延遲轉移法2.猜測轉移法部件（設備）相關當多條指令進入流水線后，在同一機器時鐘內爭用同一部件，此時發生部件相關。措施有1.停一拍2.增加專用設備數據相關數據相關在幾條相近的指令間共用同一個存儲單元或寄存器時發生。數據相關有三種情形，讀--寫相關（先寫后讀，即RAW--ReadAfterWrite）、寫--讀相關（先讀后寫，即WAR--WriteAterRead）、寫--寫相關（先寫后寫，WAW--WriteAfterWrete）。解決這種數相關，可采用數據旁路（bypassing）或稱數據內部傳遞（internalforwarding）技術。34高性能處理機技術常見的多發射技術超標量技術超流水線技術超長指令字技術超標量（superscalar）技術是指可以在每個時鐘周期內同時并行發送多條獨立指令，即以并行操作方式將兩條或兩條以上指令，編譯、執行之。需要多套執行設備，用空間換時間。

超長指令字（VLIW）采用多條指令在多處理部件中并行處理的體系結構。VLIW是由編譯程序在編譯時挖掘出指令間潛在的并行性后，把多條能并行執行的操作組合成一條具有多個操作段的超長指令流水線技術使計算機系統結構產生重大革新。另一出路是開發多發射技術，即設法在一個時鐘周期內發出多條指令

超流水線（superpipelining）技術是流水線的執行周期為機器周期的1/n；即將機器周期分成n個子周期，每個子周期發射一條指令。通用微處理器微處理器MicroProcessingUnit，CPU是一種通用的MPU。CPU是計算機的核心，具有運算能力和控制能力。CPU的功能：算術邏輯運算保存少量數據譯碼并執行規定操作與存儲器和外設交換數據提供系統的定時和控制信號相應中斷請求CPU的組成：算術邏輯部件累加器和通用寄存器程序計數器、指令寄存器和譯碼器時序和控制部件主要內容：5.18086/8088CPU5.2IBMPC微機及工作原理5.316位MPU到32位MPU的過渡5.4Pentium系列處理器5.5通用MPU的評價5.6RISC技術8086/8088CPUIntel8086/8088芯片引腳介紹8086/8088CPUIntel8086/8088特點與以前的4位、8位微處理器相比，特點鮮明。集流水線、寄存器結構、總線結構、復雜指令于一身的經典微處理器。結構圖最早采用流水線結構的微處理器采用分時服用的總線結構存儲器空間進行分段管理豐富的指令集豐富的寄存器組容易構成的時序系統8086/8088CPU最早采用流水線結構的微處理器采用分時復用的總線結構存儲器空間進行分段管理8086實用20為地址信號，可尋址1MB地址空間。存放地址的寄存器IP、SP、BP、SI、DI只有16位。段（邏輯段）：最多可包含64KB；起始地址（基址）是一個能被16整除的數，最后4位為0；基址是用軟件設置；段和段可連續、分開、重疊。分段好處：指令涉及16位地址，簡短長度；編程時，程序員不用考慮程序裝配問題，交與操作系統管理。豐富的指令集復雜指令集CPU的代表。24種尋址方式，支持多種數據結構。增加了乘除法指令、數據串指令等。能對16位字數據操作，也能對8位字節數據操作。豐富的寄存器組Flagregister1514131211109876543210OFDFIFTFSFZFAFPFCF容易構成的時序系統8086對機器周期概念進一步拓展，可以通過總線周期來理解。一個總線周期由四個時鐘周期組成，T1、T2、T3、TW、T4。T1T2T3TwT4TiTiT1T2T38086總線周期時序發出地址信息從AB上撤消地址信息，AB浮空發送數據于DB結束等待IO設備讀數據總線空閑IBMPC微機及工作原理IBMPC結構圖主要芯片8087運算協處理器8089IO協處理器8288總線控制器8289總線仲裁器8284時鐘發生器8282鎖存器8286數據收發器8237DMA控制器8259中斷控制器8253定時計數器8255并行接口IBMPC微機及工作原理主要內容：IBMPC中數據的存儲IBMPC的分段存儲結構IBMPC的工作過程IBMPC中數據的存儲8088有20條AB，可尋址1MBYTE；每個BYTE存儲單元有唯一地址，無符號整數；地址范圍：00000H~0FFFFFH；按字存放時，“先低地址字節，后高地址字節”的原則，推廣當存放雙字時，“先低字，后高字”；規則存放：字數據從偶數地址開始存放；不規則存放（不提倡）20000HAA5520002H554420004H332220006H……55AAH22334455HIBMPC的分段存儲結構8086的內部寄存器是16位（地址的寬度大于字長）。顯然，不能用16位的寄存器來實現對220＝1M字節單元的尋址。為此，引入了存儲器“分段”的概念，即把1M字節內存空間分成若干段。每段最大可達64K字節－－可由16位寄存器進行尋址。段的起始地址成為“段基址”，要訪問的單元距段基址的距離（字節數）為“偏移量”（Offset）?！蔚钠鹗嫉刂菲屏恳L問的單元段IBMPC的分段存儲結構程序設計時，使用的是邏輯地址。邏輯地址由“段基址”和“偏移量”構成（均為16位）?！岸位贰庇啥渭拇嫫鰿S、DS、SS和ES提供；“偏移量”由BX、BP、IP、SP、SI、DI或根據尋址方式計算出的有效地址EA（EffectiveAddress）提供*。注意：①每個存儲單元有唯一的物理地址，但它卻可由不同的“段基址”和“偏移量”組成。例如：

1200H:0345H12345H 1100H:1345H12345H②

除非專門指定，一般情況下，段在存儲器