计算机组成原理

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计算机组成与系统结构教师姓名: 胡越明 课程内容: 计算机硬件设计原理以及软硬件界面 地位: 计算机专业核心课程

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第一章 概论第一节 基本构成存储器

输入 运算器

输出

控制器 数据线路 控制信号 图 1-1 计算机的基本结构

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基本概念寄存器 存储器 容量 字 字节 字长 指令 程序 CPU 主机 总线

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二、计算机的软件系统软件 操作系统 编译程序 解释程序 应用软件 音像处理，印刷排版，CAD,数据处 理，控制软件，信号处理DSP

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三、语言及其编译语言不是软件 机器语言(000 001 010) (000 汇编语言(ADD R1, R2) 高级语言(A=A+B)

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源程序文件 →编译程序/汇编程序→目标程序文件swap(int v[],int k) { int temp; temp=v[k]; v[k]=v[k+1]; v[k+1]=temp; } 00A20084 00821020 8DE20000 8E020004 AE020000 ADE20004 03E00008 MIPS 机器 语言 程序

高级 语言 程序

编译程序

汇编程序

swap: sll $2,$5,2 add $2,$4,$2 lw $15,0($2) lw $16,4($2) sw $16,0($2) sw $15,4($2) jr $31

MIPS 汇编 语言 程序

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编译过程词法分析 语法分析 生成中间代码 代码优化 生成目标代码

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第二节 系统结构的概念一、概念三个层次：– 计算机实现——器件选择，机械、封 装、印板、机箱、电源、冷却设计 – 计算机组成——逻辑设计 – 计算机系统结构——外特性设计

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相互关系应用程序 操作系统 编译 指令系统 组成 实现

系统 结构

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系统结构的例子系统结构 Digital Alpha (V1, V3) 1992-97 HP PA-RISC (V1.1, V2.0) 1986-96 Sun Sparc (V8, V9) 1987-95 MIPS IBM PowerPC Intel IA-32, IA-64 1978-96 AMD x86-64 产品 DEC21064, 21164, 21264 HP3000(930,950), HP9000(800,850) PA7100, PA8000 TI SuperSPARC TMS390Z50 (in Sun SPARCstation 20) MIPS 2000, 3000, 4000, 8000, 10000(in SGI workstation) PPC750, 740, 604, 603, 601, RS/6000 I386, I486, P, PII, PIII, P4, Itanium SledgeHammer

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系统结构的研究范围外特性——指令系统、数据表示、寻址 方式、寄存器集 界面设计——确定硬件功能。 —— 新型系统结构设计——并行性、数据流、 推理机、神经网 性能成本评价——运算速度、存储容量、 I/O带宽

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发展趋势：并行性并行性——同时性，并发性 并行机型：– – – – 标量机 向量机 阵列机 多处理机

计算机、处理机与处理器

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系统结构分类——按并行性PU1 CU PU MM CU PU2 … PUn (a) SISD 结构 (b) SIMD 结构 MM1 MM2 … MMm

MM1 MM2 … MMm

CU1 CU2 … CUn

PU1 PU2

CU1 CU2 … CUn

PU1 PU2 … PUn (d) MIMD 结构

MM1 MM2 …

PUn

MMm

(c) MISD 结构

图 1-3 Flynn 分类法中四种系统的基本结构

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二、语言与系统结构的设计语言的分类：– 过程式 – 函数式 – 逻辑推理式

语言的影响：– 计算模型 – 软硬件界面

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三、软件与系统结构的设计编译的影响：– 数据的存储结构(如堆栈)

– 指令集的特征 – 控制结构(指令调度)

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堆栈及其实现——寄存器堆栈操作： push: SP=SP+1; R[SP]=Data; if(SP==0) Full=1; SP Pop: Data=R[SP]; SP=SP-1; if(SP==0) Empty=1; C B A 3 2 1 0 寄存器 标志 FULL EMPTY