电子科大-微机原理课件-chap2.pdf

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1、第二章计算机系统的结构组成与工作原理2.1计算机系统的基本结构与组成1.层次模型Hiberarchy2.结构Architecture、组成Organization与实现Realization2.2计算机系统的工作原理1.冯·诺依曼计算机架构2.模型机：系统结构、指令集、工作流程2.3微处理器体系结构的改进1.改进：指令集(RISC/CISC)、分层存储器、高速总线/接口2.改变：流水线、超标量、超长指令字、多机/核、多线程并行技术2.4计算机体系结构分类Flynn2.5计算机性能评测Performance字长、存储容量、运算速度1/502012/1/21第二章习题作业：

2、2~6、14、15思考：1、7~132012/1/212/322/502012/1/21计算机系统的层次结构系统分析层（数学模型、算法）应用语言虚拟机应用软件用户程序层（语言编程）高级语言虚拟机语言系处统理层软（件解：释操、作编译系）统、编译器、数据库汇管编语理言系虚拟机统操、作W系eb统浏层览器、设备驱动、中断服操务作程系序统虚拟机指令系统层（机器语言指令）机器语言级硬件系微体统系：结构异层常处理机构、指令系统、硬核（微程序或硬连逻辑）微程序级级CPU、存储器、I/O及通信子系统数字逻辑层（硬件）寄存器级（硬件）（a）软硬件层次（b）语言层次1.（a）图自下而上反映了

3、系统逐级生成的过程，自上而下反映了系统求解问题的过程；2.软硬件的逻辑等价性可以表现为：硬件软化（如RISC思想）、软件硬化（如CISC思想）、固件化（如微程序）；3.（b）图中的虚拟机：与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器体系结构、组成与实现n体系结构Architecture程序员关心的计算机概念结构与功能特性如：确定指令集中是否有乘法指令；n计算机组成Organization系列机从硬件角度关注物理机器的组织如：乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现同系列，n计算机实现Realization不同型号底层的器件技术、微组装技术、冷却技术等如：加法器底层的物理器件类型及微

4、组装技术4/502012/1/21计算机的体系结构1946年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士Mauchley和电气工程师Eckert领导的小组研制成功世界上第一台数字式电子计算机ENIAC。著名的美籍匈牙利数学家VonNeumann参加了为改进ENIAC而举行的一系列专家会议，研究了新型计算机的体系结构。1949年，英国剑桥大学的威尔克斯等人在EDSAC机上实现了冯·诺依曼模式。直至今天冯·诺依曼体系结构依然是绝大多数数字计算机的基础。5/502012/1/21计算机的组成（1）计算机的组成（2）总线结构7/502012/1/21计算机的组成（3）同步数字系统8

5、/502012/1/21体系结构角度的多层结构硬件向上提供的接口：•指令系统•异常事件•端口定义9/502012/1/21组织角度的多层结构2012/1/2110/3210/502012/1/21冯·诺依曼体系结构一．硬件组成n五大部分运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备n以存储器为中心二．信息表示：二进制计算机内部的控制信息和数据信息均采用二进制表示，并存放在同一个存储器中。三．工作原理：存储程序/指令(控制)驱动编制好的程序(包括指令和数据)预先经由输入设备输入并保存在存储器中；计算机开始工作后，在不需要人工干预的情况下由控制器自动、高速地依次从存储器中取出指

6、令并加以执行。模型机体系结构基于总线的冯·诺依曼架构模型机n总线子系统：作为公共通道连接各子部件，用于实现各部件之间的数据、信息等的传输和交换n存储器子系统：用来存放当前的运行程序和数据n输入输出子系统：用于完成计算机与外部的信息交换nCPU子系统：集成了运算器、控制器和寄存器的超大规模集成电路芯片(VLSI)12/502012/1/21模型机总线结构ABMPUCBDBRAMROMI/O接口外设按传输信息的不同，可将总线分为数据总线DB、地址总线AB和控制总线CB三类：Ø地址总线通常是单向的，由主设备(如CPU)发出，用于选择读写对象(如某个特定的存储单元或外部设备)；

7、Ø数据总线用于数据交换，通常是双向的；Ø控制总线包括真正的控制信号线(如读/写信号)和一些状态信号线(如是否已将数据送上总线)，用于实现对设备的监视和控制。13/502012/1/21模型机内存储器Ø存储器组织由许多字节单元组成，每个单元都有一个唯一的编号（存储单元地址），保存的信息称为存储单元内容。Ø访问(读或写)存储单元：存储单元地址经地址译码后产生相应的选通信号，同时在控制信号的作用下读出存储单元内容到数据缓冲器，或将数据缓冲器中的内容写入选定的单元。模型机CPU子系统地址总线AB数据总线DB地址缓冲器数据缓冲器内部总线指令寄存器I