《微处理器结构》PPT课件.ppt
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1、计算机系统结构(Computer Architecture),计算机系统结构=指令系统体系结构+机器组成+,2023/7/15,1,指令系统体系结构,可编程存储系统的组成数据类型和数据结构:编码和表示指令格式指令(或操作码)集合对数据项和指令进行寻址和访问的模式意外情况,2023/7/15,2,计算机系统结构的定义变化,五十年代六十年代:计算机算逻设计七十年代八十年代:指令系统设计,特别是针对编译的ISA设计九十年代:CPU设计、存储系统、I/O系统、多处理器、网络等2005-:CPU设计、存储系统、I/O系统、多处理器、网络、SoC等,2023/7/15,3,2023/7/15,4,2023
2、/7/15,5,2023/7/15,6,2023/7/15,7,2023/7/15,8,2023/7/15,9,课程目的及特点,目的掌握处理器体系结构设计与实现的基本知识学习计算机工程方法特点深入、具体MIPS与微电子专业紧密结合基础知识要求计算机原理数字电路C语言,2023/7/15,10,计算机系统结构设计基础及性能和成本数据类型和数据表示及指令系统的设计原理和风格流水技术和超标量技术存储体系,课程简介 课程内容,2023/7/15,11,计算机的发展历史,1833年,英国数学家Charles Babbage设计制造的“analytical engine”,计算机与微处理器的发展历史,著名
3、诗人拜仑的女儿Ada Lovelace曾受雇为这台机器编写软件,她应该是世界上最早的程序员。,2023/7/15,12,微处理器的发展,计算机与微处理器的发展历史,2023/7/15,13,微处理器的发展,计算机与微处理器的发展历史,2023/7/15,14,微处理器的发展,Von Neumann曾预言整个美国只需要10台计算机,计算机与微处理器的发展历史,2023/7/15,15,计算机与处理器中的基本概念,前言,2023/7/15,16,二十世纪信息技术领域最重要的两项发明,数字式电子计算机(1946.2.14).计算机开始补充,甚至替代所有其它形式的信息处理工具,晶体管(1946)和 集
4、成电路(1957).Moore定律:按每个芯片上的晶体管数量统计,集成电路每年的改进速度为 60%。存储容量遵从上述规律改进光传输线路遵从上述规律改进电话线遵从上述规律改进,2023/7/15,17,Moore定律,10 G1 G100 M10 M1 M100 K10 K1 K0.1 K,1970,1980,1990,2000,2010,1965,Gordon Moore 预测半导体芯片上的晶体管数目每一年半翻两番,2023/7/15,18,处理器每三年速度翻两番;在过去15年,性能改进1000倍存储器DRAM容量:三年速度翻两番;在过去15年,容量增大1000倍每位成本:每年改进25%磁盘容
5、量:每1.5年翻一番每位成本:每年改进60%在过去十年,容量增大120倍最新的台式 PC 配置处理器频率:1.5 GigaHertz存储器容量:1.0 GigaBytes磁盘容量:100 GigaBytes(0.1 TeraBytes)时髦的计量单位:Mega=Giga,Giga=Tera,计算机技术日新月异,2023/7/15,19,基本概念1:,为什么现在是64位处理器时代?处理器硬件的发展遵循Moores Law软件是处理器得以发展最重要的因数在新的处理器出来之前都要向软件俯首称臣!,2023/7/15,20,基本概念2:软件,二进制:1000-1100-1010-0000汇编程序:Ad
6、d A B高级语言:A+B编译器(Compile)链接器(Link)操作系统(OS)应用软件,2023/7/15,21,软件分类,软件,2023/7/15,22,计算机的5大组成部分,2023/7/15,23,基本概念-4:体系结构,计算机体系结构:硬件组成软件指令体系结构 Computer Architecture:HardwareSoftwareInstruction Set Architecture,2023/7/15,24,计算机组成和体系结构区别,计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性,即概念性的结构与功能性,包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理等等,
7、大都属于抽象的属性。计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性。例如:一台机器是否具备乘法指令的功能,这是一个结构的问题,可是实现乘法指令采用什么方式的问题,则是一个组成问题。因此,两台机器指令系统相同时,只能认为他们具有相同的结构,其组成方式可以完全不同。,2023/7/15,25,计算机组织与系统结构,计算机系统结构:计算机系统结构描述从用户角度看到的计算机。(建筑设计师)指令集寄存器存储器结构中断(异常)处理计算机组成:用户不可见的处理器内部实现方式(建筑工程师)流水线Cache总线,2023/7/15,26,处理器内部总线MemoryIO软件工艺.,计算机性能,2023/7/15
8、,27,计算机的分类,巨型机(SuperComputer)大型机(Mainframe)小型机(MiniComputer)工作站(Work Station)微机(PC)根据中国计算机学会主编的英汉计算机词典的解释,PC是指“由微处理器芯片装成的,便于搬动而且不需维护的计算机”。,2023/7/15,28,计算机处理器系统结构通常指体系结构ISA(Instruction Set Architecture,指令集体系结构,简称体系结构)和微体系结构uA(Micro-Architecture),ISA是处理器由程序员观察处理器的属性,也就是处理器的概念结构与功能行为,定义计算机与软件之间的接口,供操作
9、系统、编译程序以及汇编程序等的设计者使用,uA是指处理器内部组织中各功能部件的特性、它们之间的互连方式、信息流性质以及管理这些信息流的逻辑与实现 SPARCstation-2 和SPARCstation-20的区别:ISA相同,uA不同,2023/7/15,29,通用 高性能 Pentiums,Alphas,SPARC 用于支持通用软件 重量级操作系统-UNIX,NT 工作站、微机,以及大规模并行系统嵌入式微处理器和处理器核 ARM,486SX,Hitachi,NEC V800 特定应用程序 轻量级(通常要求实时)操作系统 支持DSP移动电话、消费类电子(例如,STB、CD players)微
10、控制器非常注重成本 字长小 通常为8 位 是目前使用数量最多的一类微处理器 汽车、空调、高级微波炉,.,微处理器分类,2023/7/15,30,处理器技术发展趋势,2023/7/15,31,研究微处理器技术不变的主题:速度(Performance)面积(Cost)功耗(Power)制造(Manufacture),2023/7/15,32,提高速度:流水技术(Pipeline),2023/7/15,33,提高速度:指令并行,SuperScaleOut-of-OrderRegister RenameVLIWCompiler multiprocessormultithreaded,2023/7/15
11、,34,Summary:每位微电子专家或工程师都要了解计算机的内部机理,2023/7/15,35,计算机体系结构,所有的计算机都包含五个部件处理器:(1)数据通路datapath 和(2)控制control(3)存储器Memory(4)输入设备和(5)输出设备并非所有的存储器都平等Cache:快速(昂贵)的存储器处于接近处理器的地方主存:稍价廉的存储器-我们可以大量使用输入输出(I/O)设备的组织比较杂乱速度差异大:图形vs.键盘需求差异大:速度,标准,成本.等等.,2023/7/15,36,计算机系统的设计准则计算机性能计算机成本本章小结,第一章 计算机系统结构设计基础,目录,2023/7/
12、15,37,一.几个重要概念1.计算机系统按功能可划分成多层次结构,计算机系统结构的含义,2023/7/15,38,2.软件和硬件两者在实质上是完全不同的,但他们的功能在逻辑上是等价的。两者在实现时,将在性能价格比上以及实现难易程度上反映出不等价。3.具有相同功能的计算机系统,他们的软、硬间的功能分配,可在很宽的范围内变化,因此软、硬件的交界面是含糊,没有明确的界定界线。4.透明性:一种本来存在的有差异的事物或属性,从某种角度来看似乎不存在,称为透明性现象。,计算机系统结构的含义,2023/7/15,39,二.计算机系统结构的外特性,应包括以下几个方面:1.指令系统2.数据表示3.操作数的寻址
13、方式4.寄存器的构成定义5.中断机构和例外条件6.存储体系和管理7.I/O结构,包括I/O设备的连接方式,处理机、存储器与I/O设备间的数据传递方式和格式、传递的数据量及传递操作结束的表示及出错指示等。8.机器工作状态的定义和切换9.信息保护,包括保护方式及有关的硬件支持等。,计算机系统结构的含义,2023/7/15,40,三.计算机系统结构的内特性1.定义计算机系统的外特性是由硬件和固件来加以实现,他们本身也是由电路、逻辑门或寄存器传输级所组成,但这些组成的描述通常过于详细,对他们的抽象便成为计算机系统的内特性,也称为计算机组成,它实际是计算机系统的逻辑实现。,计算机系统结构的含义,2023
14、/7/15,41,2.计算机系统的内特性所涉及的内容计算机系统的内特性所涉及的内容包括机器级内的数据流和控制流的组成和cpu内部及主存等部件的逻辑设计。3.计算机实现计算机实现是指计算机组成的物理实现。包括:(1)处理机、主存等部件的物理结构(2)器件的集成度和速度的确定(3)器件、模块、插件、底板的划分与连结(4)微机组装及整机装配技术(5)专用器件的设计及信号传输、电源、冷却方法等,计算机系统结构的含义,2023/7/15,42,计算机系统结构的含义,四.计算机系统的微系统结构微外特性 1.概念 它是由微程序编写者看到的计算机的外部特性逻辑结构和功能能力,把它作为一个抽象级,可以定义硬件和
15、固件(微代码)之间的界面。,2023/7/15,43,计算机系统结构的含义,2.计算机内、外特性与微系统结构及寄存器传输级之间的关系,2023/7/15,44,按“流”分类1.概念 Flynn教授在1966年提出的按指令流和数据流的多倍性概念进行分类的方法。(1)指令流指机器执行的指令序列,数据流是指指令流所调用的数据序列(2)多倍性是指在机器中最受限制的部件上的处在同一执行阶段的可并行执行的最多指令或数据个数。,计算机系统结构的分类,2023/7/15,45,计算机系统结构的分类,2.分类(1)单指令流单数据流(SISD)(2)单指令流多数据流(SIMD)(3)多指令流单数据流(MISD)(
16、4)多指令流多数据流(MIMD),2023/7/15,46,计算机系统结构的分类,3.Flynn分类法的缺点 对于广泛流行的标量及向量流水计算机应该属于哪一类系统,不很明确。有的学者认为:流水机归为SIMD有的学者认为:标量流水机视为SISD类 型,而把向量流水视为 SIMD类型,2023/7/15,47,计算机系统结构的分类,二.冯氏分类法1.概念冯泽云于1972年提出用最大并行度对计算机系统结构进行分类。最大并行度Pm:计算机系统在单位时间内能处理的最大的二进制位数。字宽:在一个字中同时处理的二进制的位数。位片宽:一个位片中能处理的字数。,2023/7/15,48,计算机系统结构的分类,2
17、.四种不同分类(1)字串位串(第一代计算机发展初期)(2)字并位串(传统并行单处理机)(3)字串位并(4)字并位并,2023/7/15,49,计算机系统结构的分类,三.按“并行级”和“流水线”分类1977年,Handler提出在计算机系统中的三个子系统级别上按并行程度及流水线处理程度进行分类的方法。三个层次为:(1)处理控制器(PCU)(2)算数逻辑部件(ALU)(3)位级电路(BLC),2023/7/15,50,计算机系统的设计准则,2023/7/15,51,计算机系统设计的定量原理,一.计算机系统设计的定量原理1.只加速使用频率高的部件(make the common case fast)
18、2.阿姆达尔(Amdahl)定律定义:阿姆达尔定律是指,系统中对某一部件采用某种更快执行方式所能获得的系统性能改进程度,取决于这种执行方式被使用的频率,或所占总执行时间的比例。,性能加速比,2023/7/15,52,计算机系统设计的定量原理,3.程序访问的局部性规律(1)定义 所谓程序访问局部性是指程序执行中,呈现出频繁重新使用那些最近已被使用过的数据和指令的规律。(2)分类 程序访问局部性主要反映在时间和空间局部性两个方面A)时间局部性是指程序中近期被访问的信息项很可能马上被再次访问B)空间局部性是指那些在访问地址上相邻的信息项很可能会被一起访问。,2023/7/15,53,计算机系统设计的
19、定量原理,二.计算机系统设计者的主要任务1.满足用户功能上的要求以及相应的对价格和性能的要求2.在满足功能要求基础上,进行设计的优化3.设计应能适应日后发展趋势,2023/7/15,54,计算机系统设计的定量原理,三.软件的发展趋势1.程序所要求的存储空间增长,大约每年增长1.5-2倍,相应相应要求地址位每年增长0.5-1位2.汇编语言被高级语言所替代,编译技术将起到更大作用,因此系统结构应能更好的支持编译要求。,2023/7/15,55,计算机系统结构的发展,一.计算机系统结构的演变1.冯.诺依曼结构存在以下缺点(1)存在两个主要的瓶颈。一个是物理瓶颈,即在CPU和存储器之间存在频繁的信息交
20、换,二是智能瓶颈,即每次只能顺序的执行一条指令。(2)低级的机器语言和高级的程序设计语言之间存在着巨大的语义差距(3)复杂的数据结构对象无法直接放到一维线性地址空间存储器中,必须经过地址映射,2023/7/15,56,计算机系统结构的发展,2.改进的冯.诺依曼机特点重要的几点:(1)采用虚拟存储器,方便了高级语言编程(2)采用存储器交叉访问技术以及无冲突并行存储器,以加宽存储器带宽(3)采用流水技术(4)采用多功能部件,2023/7/15,57,计算机系统结构的发展,3.RISC介绍 RISC技术开创了一种全新的指令系统设计风格,追求平均每个机器周期可处理一条指令,到了80年代中、后期出现了新
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