文档介绍：第一章计算机体系结构概述
1 什么是计算机体系结构?
计算机体系结构就是汇编语言程序员看到的计算机属性,即计算机的概念性结构和功能特性。计算机体系结构研究的内容主要包括:
数据表示:硬件能直接识别和处理的数据类型
寻址方式:包括寻址单位、寻址方式的种类和地址运算等
寄存器组织:包括数据寄存器、变址寄存器和控制寄存器等的定义、数量和使用规则等
指令系统:包括机器指令的类型、格式等
存储系统:包括编址单位、编址方式和最大寻址空间等
中断系统:包括中断类型、中断级别和中断响应方式等
处理机的工作状态:处理机的工作状态定义和切换方式
输入输出系统:包括CPU、主存和外设间的连接方式、数据交换方式、交换过程的控制等
信息保护:包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持
2 计算机体系结构、计算机组成和计算机实现
计算机体系结构研究软、硬件的分界面,即哪些功能由硬件实现,哪些功能由软件实现;计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现;计算机实现是计算机组成的物理实现;
3 计算机体系结构的分类
1)Flynn分类法
Flynn分类法根据指令流和数据流的不同组织方式将计算机体系结构分为4类:单指令流单数据流(SISD)、单指令流多数据流(SIMD)、多指令流多数据流(MISD)、多指令流多数据流(MIMD)。如图1所示
2)冯氏分类法
冯氏分类法根据最大并行度Pm(Pm=字宽×位片宽)将计算机体系结构分为4类:
字串位串(WSBS):每次处理一个字中的一位
字并位串(WPBS):每次处理m个字中的1位
字串位并(WSBP):每次处理一个字中的n位
字并位并(WPBP):每次处理m字中的n位
MM
PU
CU
IS
DS
IS
(a)SISD
MM1
PU1
CU
IS
DS1
IS
PU2
PUn
MM2
MMn
···
···
DS2
DSn
···
(b)SIMD
PU1
CU1
IS2
IS1
PU2
PUn
(c)MISD
CU2
CUn
···
MM1
MM2
MMn
…
ISn
IS1
IS2
ISn
…
DS
DS
PU1
CU1
IS2
IS1
PU2
PUn
CU2
CUn
···
ISn
IS1
IS2
ISn
MM1
MM2
MMn
···
DS1
DS2
DSn
(d)MIMD
5 计算机系统结构中的并行性
并行性包括两个方面:同时性和并发性。同时性指几件事在同一时刻发生,并发性指几件事在同一时间间隔内发生。并行处理分为:
存储器操作并行
处理器操作步骤并行(流水线机)
处理器操作并行(阵列处理机)
指令、任务、作业并行(多处理机、分布式系统、计算机网络)
第二章 CPU
CPU由运算器和控制器组成。运算器包括ALU和用于运算的寄存器。控制器包括微操作信号发生器、时序系统和用于控制的寄存器。
1 ALU
1)1位全加器框图
∑
X n
Yn
F n
C n+1
C n
F n = X n⊕ Yn⊕C n
C n + 1 = X n·Yn + (X n⊕ Yn )C n
图2 1位全加器框图
2)4位串行加法器
X n
Yn
F n
C n+1
C n
图3 4位串行加法器
X n
Yn
F n
C n+1
C n
X n
Yn
F n
C n+1
C n
X n
Yn
F n
C n+1
C n
F0
C0
C1
C2
C3
C4
F1
F2
F3
X0
Y0
X1
Y1
X2
Y2
X3
Y3
3)4位并行加法器
进位信号的逻辑式:C n + 1 = X n·Yn + (X n⊕ Yn )C n = G n + P n C n
令:G n = X n· Yn,P n= X n⊕ Yn
G n叫进位产生函数,其逻辑含义是:若X n,Yn 均为1,必向高位产生进位;P n叫进位传递函数
,其逻辑含义是:X n,Yn 有且仅有一个为1,若低位有进位,本位必有进位。于是有:
C n + 1 = G n + P n C n= G n + P n(G n-1 + P n-1 C n-1)
经迭代后可得并行进位产生函数:
C n + 1 = G n + P n CG-1 + P n P n-1 Gn-2