1. 本讲内容 • 透视计算机：计算机组成与结构总结 • 组成部件 • 内部连接 • 理解计算机：机器指令的执行过程 • 计算机最基本的操作与控制：微操作 • 指令的执行过程 • 程序的执行 • 计算机的时序控制方式 • 时序系统简介

2. 计算机结构(Architecture)的概念演变 • What is Computer Architecture ? Computer Architecture = Instruction Set Architecture (ISA) + Machine Organization

3. Architecture • ISA: 指从编程者角度看到的计算机所具备的概念结构和逻辑功能。区别与计算机的物理实现和物理结构。 • 可编程存储器的结构 • 指令系统，指令格式，寻址方式 • 数据类型，编码 • Organization：物理实现与物理结构 • 主要功能单元机器性能特征：ALU，Regs，Shifter，Logical Units • 部件之间的内部连接 • 信息流（数据流和指令流）及其控制 • ISA的实现 • 寄存器传输层（RTL）的硬件描述

4. Control Datapath Units 计算机组成（1） • 从1946年开始，所有的计算机都包含如下几个部分 CPU Input Memory Output

5. 计算机组成（1） • 运算器 • 完成最基本的算术逻辑运算 • ALU(Arithmetic and Logic Unit） ＋ Registers＋ DataPath • 控制器 • 提供各部件工作所需的控制信号，控制计算机其他部件协同工作 • 指令部件（Instruction Register ，Instruction Decoder） • 指令顺序控制（Program Counter） • 时序逻辑部件（Clock，Timer ，Sequencing Logic） • 控制信号生成部件（Control Signal Generator or Control Memory） • 运算器＋控制器＝CPU（Central Process Unit）

6. 计算机组成（2） • 存储器 • 保存程序和数据 • 存储单元（bit, Byte, Word) • 地址的概念（每一个字节单元一个唯一的地址） • 存储器的工作方式：读、写 • 组成：存储体＋地址缓冲部件＋数据缓冲部件＋读写控制部件 • 存储器的层次：Cache ＋ RAM ＋ Disk ＋ Tape • 输入输出 • 实现计算机内部与外界（其他系统或人类）的信息交换 • 接口标准与接口部件 • 外部设备：输入设备、输出设备

7. 计算机内部各部件之间的连接：计算机结构 • 总线结构 • 总线：符合一定的标准的一组公共数据通道 • 构成：地址总线、数据总线、控制总线 • 单总线结构 • 多总线结构 • 标准总线 • ISA---Industry Standard Architecture（工业标准结构） • EISA----Extended ISA（扩展工业标准结构） • PCI----Peripheral Connection Interface (周边元件扩充接口) • SCSI----Small Computer System Interface(小型计算机系统接口)

8. 单总线结构

9. Examples – IAS （直接连接） • 1946年，冯·诺依曼与同事开始研制 IAS,虽直到1952年仍未完成，但该机结构被公认为随后发展起来的通用计算机的原型。

10. Examples – PC （单总线结构） • 普通PC（PC/XT）的内部结构

11. Examples – PC （多总线结构） • 普通PC（Pentium）的内部结构

12. Examples – SPARCstation20（多总线结构） • Sun SPARCstation20（RISC） MBus Module SuperSPARC Floating-point Unit DRAM Controller L2 Cache Integer Unit MBus MBus control M-S Adapter L64852 Inst Cache Ref MMU Data Cache STDIO SBus serial kbd SCSI Store Buffer SBus DMA mouse Ethernet audio RTC Bus Interface SBus Cards Floppy

13. 操作码 操作数地址 11010101 10000100 01010001 10100000 计算机的工作原理 • 机器指令：计算机硬件可以执行的表示一种基本操作的二进制代码。 • 指令格式：操作码 ＋ 操作数（操作数地址） • 操作码：指明指令的操作性质 • 操作数（地址）：指令操作数的位置（或操作数本身） • 程序：在此特指一段机器指令序列。 • 完成一定的功能，采用某种算法，具备一定的流程； • 计算机按照程序所规定的流程和指令顺序，一条一条地执行指令，达到完成程序所规定的功能的目的。 • 计算机采用程序计算器（Program Counter）来决定指令执行的顺序。

14. 假定指令系统：16位指令系统 内存 地址 00H Opcode Address 02H 04H 8 8 06H 指令 操作码 说明 08H ADD 00H AC  (AC)＋Mem(Add) 0AH LD 01H AC  Mem(Add) 0CH SUB 02H AC  (AC) — Mem(Add) 0EH MUL 03H AC  (AC)×Mem(Add) 结果y将存放在此 10H ST 04H Mem(Add)  (AC) 值a 12H 值b 14H 值c 16H 值x 18H Example Y=ax2+bx-c 假定a,b,c,x均为已知数，且存放在内存中，求y。

15. 内存 地址 00H 指令 操作码 说明 02H ADD 00H AC  (AC)＋Mem(Add) 04H LD 01H AC  Mem(Add) 06H SUB 02H AC  (AC) — Mem(Add) 08H MUL 03H AC  (AC)×Mem(Add) 0AH 程序如下 ST 04H Mem(Add)  (AC) 0CH 指令 代码 0EH LD a 0112H AC  a 结果y将存放在此 10H MUL x 0318H AC  ax 值a 12H ADD b 0014H AC  ax + b 值b 14H MUL x 0318H AC ax2+bx 值c 16H SUB c 0216H AC ax2 + bx - c 值x 18H ST y 0410H Mem  (AC) Example Y=ax2+bx-c 假定a,b,c,x均为已知数，且存放在内存中，求y。

16. 内存 地址 PC PC PC 开始PC PC PC 0AH 02H 04H 08H 06H 00H 0112H 00H 0318H 02H 0014H 04H 0318H 06H 0216H 08H 0410H 0AH 0CH 程序如下 0EH 指令 代码 结果y 10H LD a 0112H AC  a 值a 12H MUL x 0318H AC  ax 值b 14H ADD b 0014H AC  ax + b 值c 16H MUL x 0318H AC ax2+bx 值x 18H SUB c 0216H AC ax2 + bx - c ST y 0410H Mem  (AC) Example

17. 微操作AB 微操作AC + B AC 指令的执行过程：微操作 • 微操作：计算机可以完成的最基本的操作，一条机器指令的执行可以解释为一系列的微操作的执行 • 操作性质：对数据进行某种处理 • 操作对象 • 操作的时间与条件

18. 指令的执行过程 机器结构简化图

19. Instruction Fetch Instruction Decode Operand Fetch Execute Result Store Next Instruction 指令的执行过程 根据PC内容从存储器取指令送IR 指令译码器译码（解释指令），形成微操作控制信号 运算器执行指令功能 在控制信号的作用下取操作数送运算器 保存指令结果 形成下条指令的地址并送PC

20. 计算机的时序控制方式 • 指令＝微操作序列 • 从微操作本身所执行的功能来看，不同的微操作执行时间应该不同。 • 对微操作的定时方式成为不同时序控制方式的主要差别 • 时序控制方式 • 异步控制方式：不同的微操作具有不同的定时 • 定时精确，性能指标高 • 结构复杂，时间与空间的矛盾 • 同步控制方式：所有的微操作安排同样的执行时间 • 统一定时，结构简单 • 最复杂的微操作成为标准，存在时间浪费的现象，性能受到影响 • 机器主频（主时钟周期）：微操作周期

21. 同步控制方式的时序系统 • 时序概念与时序信号 • 指令周期：指令执行的时间，包括取指令、分析指令、执行指令所需的时间。 • 机器周期：指令周期按功能分成几个不同的阶段，每个阶段所需的时间，称为一个机器周期。比如取指周期，取数周期等。 • 节拍周期：也是时钟周期，微操作执行的时间。 • 时钟脉冲信号：计算机系统的基本定时信号，是其他时序信号的基准 • 一个指令周期 ＝ N 个机器周期 • 一个机器周期 ＝ N 个节拍周期 • 时序部件

22. 同步控制方式的时序系统 • 时序关系

23. 时序电路示例 • 节拍周期发生器：移位器电路 • 初始值为0001 • 每一个CLK脉冲变化一次：0001  0010  0100  1000  0001