计算机系统基础知识

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

存储器操作并行

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：

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

2）4位串行加法器

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 + … + P n P n-1…P 1 G0 + P n P n-1…P 1 P0 C0

5）用SN74181和SN74182构成16位并行进位ALU

SN74181是4位ALU，能进行16种算术运算和16种逻辑运算。A0~A3,B0~B3是数据输入端，MS0S1S2S3为功能选择控制输入端，Cn为ALU最低位进位输入，Cn+4为ALU产生的最高位输出，G、P输出小组进位辅助函数，（A=B）输出可作为符号比较操作的结果。其功能可查表。SN74182用于实现组间并行进位。

2 CPU总体结构举例 1）寄存器设置（16位）

图7 寄存器设置

通用寄存器：R0（000）、R1（001）

R2（010）、R3（011）

可编程寄存器

堆栈指针：SP（100） 指令计数器：PC（111）

暂存器C：暂存来自M中的源地址和源数据 暂存器D：暂存来自M中的目的地址和目的数据

非可编程寄存器 指令寄存器IR：存放现行指令 地址寄存器实现CPU和主存的接口

数据寄存器

2）算逻部件设置（16位）

图8 ALU设置 SN74181（4片）

构成16位ALU部件

SN74182（1片）

ALU

选择器A

从多个寄存器中选择数据来源

选择器B

移位器：实现直送、左移、右移、字节交换

3）数据通路结构

为了使数据传送控制简单、集中，采用以ALU为中心的总线结构。包括四个部分：ALU部件、寄存器组、内总线、CPU和系统总线的连接。

3 组合逻辑控制器 1）组合逻辑控制器组成 ① 微命令发生器

产生全机所需的各种微命令。微命令控制最基本的操作（微操作），分为电位型和脉冲型微命令。 ② 指令计数器PC

指示指令在M中的位置 ③ 指令寄存器IR

存放现行指令

④ 程序状态字寄存器PSW

指示程序运行方式，反映程序运行结果 ⑤ 时序线路

控制操作时间和操作时刻

2）组合逻辑控制器工作过程

在采用组合逻辑控制器的CPU中，一条指令的执行过程可分为3个阶段——取指、取操作数和执行。

举例：指令MOV （R0），（R1）模型机上的执行流程：

FT0：M→IR，PC+1→PC； 指令代码送IR，PC指向下一条指令 ST0：R0→MAR；源操作数地址送MAR

ST1：M→MBR→C；源操作数经MBR送暂存器C DT0：R1→MAR；目的操作数地址送MAR ET0：C→MBR；源操作数送MBR ET1：BRM→ M；源操作数送M ET2：PC→MAR；下地址送MAR 5 微程序控制器 1）基本概念

微命令：构成控制信号序列的最小单位。如打开/关闭某个控制门的电位信号，某个寄

存器的打入脉冲

微操作：由微命令控制实现的最基本操作

微指令：由若干微命令组成，以编码方式存放在控存的一个单元中，控制实现一步操作，

比如PC→MAR（下地址送MAR）

微周期：从控存中取一条微指令并执行相应的微操作的时间 微程序：一系列微指令的有序集合，解释执行一条机器指令

2）微程序控制器组成 ① 控存

存放微程序 ② 微指令寄存器

存放现行微指令，包括微命令字段和微地址字段。微命令字段提供一步操作所需的微命令（微操作控制字段）；微地址字段说明后续微地址的形成方式并提供微地址的给定部分（顺序控制字段） ③ 微地址形成电路

提供两类地址——微程序入口地址和后续微地址。微程序入口地址由机器指令操作码形成；后续微地址由微地址字段、现行微地址和运行状态等形成。

3）微程序控制器的工作过程

6 时序系统

时序系统产生时序信号控制操作时间和操作时刻，如下图所示。

1）组合逻辑控制器的时序划分

指令的执行分为3个阶段——取指令、取操作数、执行。从取指令、取操作数到执行完该指令所需时间叫指令周期。在时序系统中一般不给它设置时间标志信号，因此它不属于时序的一级。

组合逻辑控制器通常采用3级时序系统——机器周期、时钟周期、工作脉冲。

机器周期：也叫工作周期或基本周期，给指令执行的各个阶段定时。在时序系统中设置

了一组周期状态触发器，用以标志不同的机器周期。 时钟周期：也叫节拍，给一步操作定时

工作脉冲：在节拍中执行的有些操作需要同步定时脉冲，如将稳定的运算结果打入寄存

器，又如周期状态切换等。为此，在每个节拍的末位发一个工作脉冲P。作为各种同步脉冲的来源。P脉冲的前沿作为打入寄存器的定时信号，后沿作为节拍和机器周期切换的定时信号

2）微程序控制器的时序划分

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