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机组成与设计:软硬件接口)第四章 (重点阅读• Patt & Patel‘s Introduction to Computing Systems:From Bi
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1
高等计算机体系结构
第二讲: ISA设计和折衷的基本概念、
原则和实现基础
栾钟治
北京航空航天大学 计算机学院 中德联合软件研究所
2019-03-13
提醒: 作业
• 作业 0
• 今天是提交截止日
• 作业 1
• 今天发布,3月27日截止提交,通过课程网站
• MIPS 和 ISA 的基本概念,基本的性能评价
2
提醒: 实验 1
• 用Logisim设计1个7指令单周期MIPS CPU
• 掌握处理器的基本原理、结构、构造方法
• 今天发布,预计完成截止时间为4月8日
• 本科是北航计算机专业的同学免做,只需要在提交的
实验报告中写明本科学号和当时的计组实验成绩即可
• 需要提前启动,因为你们要学习很多东西
3
本讲相关阅读材料
• Patterson & Hennessy‘s Computer Organization and
Design: The Hardware/Software Interface (计算
机组成与设计:软硬件接口)第四章 (重点阅读
4.1-4.4)
• Patt & Patel‘s Introduction to Computing Systems:
From Bits and Gates to C and Beyond (计算机系
统概论), 第四章, “The von Neumann Model”
• 其他论文
• 课程网站
4
1 2
3 4
2
上一讲回顾
• 抽象的力量
• 为什么要跨越抽象层次
• 什么是计算机体系结构?
•
通过硬件组件的设计、选择、
互连以及软硬件接口的设计来
创造计算系统的科学与艺术,
它使得创造出的计算系统能够
满足功能、性能、能耗、成本
以及其他特定的目标。
• 今天的计算机体系结构
5
微体系结构
ISA
程序/语言
算法
问题
运行时系统
(VM, OS, MM)
用户
逻辑
电路
电子
基本概念
6
什么是计算机?
• 三个关键的要素
• 计算
• 通信
• 存储 (内存)
7
什么是计算机?
• 我们会讨论所有这三个要素
8
内存
(程序和数据)
I/O
处理
控制
(按序)
数据通路
5 6
7 8
3
冯诺依曼结构/模型
• 也叫
存储程序计算机
(指令在内存中),两个关键的属性:
• 存储程序
• 指令存储在一个线性的存储阵列中
• 内存统一的存储指令和数据
• 依靠控制信号实现对存储的值的解释
9
什么时候一串数字会被解释成一条指令呢?
冯诺依曼结构/模型
• 也叫
存储程序计算机
(指令在内存中),两个关键的属性:
• 存储程序
• 指令存储在一个线性的存储阵列中
• 内存统一的存储指令和数据
• 依靠控制信号实现对存储的值的解释
• 顺序的指令处理
• 一次处理一条指令 (取指、执行)
• 程序计数器(指令指针) 标识“当前”指令
• 程序计数器按顺序推进, 除了控制转移指令
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什么时候一串数字会被解释成一条指令呢?
冯诺依曼结构/模型
• 也叫
存储程序计算机
(指令在内存中),两个关键的属性:
• 存储程序
• 指令存储在一个线性的存储阵列中
• 内存统一的存储指令和数据
• 依靠控制信号实现对存储的值的解释
• 顺序的指令处理
• 一次处理一条指令 (取指、执行)
• 程序计数器(指令指针) 标识“当前”指令
• 程序计数器按顺序推进, 除了控制转移指令
• 推荐阅读
• Burks, Goldstein, von Neumann, “Preliminary discussion of the logical design
of an electronic computing instrument,” 1946.
• Patt & Patel, 第四章, “The von Neumann Model”
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什么时候一串数字会被解释成一条指令呢?
冯诺依曼结构/模型(计算机)
12
CONTROL UNIT
IP Inst Register
PROCESSING UNIT
ALU
TEMP
MEMORY
Mem Addr Reg
Mem Data Reg
INPUT OUTPUT
9 10
11 12
4
数据流模型(计算机)
• 冯诺依曼模型: 指令的获取和执行按照控制流的顺序
• 由指令指针来指定
• 顺序推进除非遇到明确的控制转移指令
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数据流模型(计算机)
• 冯诺依曼模型: 指令的获取和执行按照控制流的顺序
• 由指令指针来指定
• 顺序推进除非遇到明确的控制转移指令
• 数据流模型:指令的获取和执行按照数据流的顺序
• 当操作数准备好
• 没有指令指针
• 指令的顺序依赖数据流来确定
• 每条指令指定结果的接收者
• 一条指令在获得所有操作数后就可以执行
• 意味着多条指令可能同时执行
• 本质上具备更高的并行性
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冯诺依曼vs 数据流
考虑一个冯诺依曼结构下的程序
程序的顺序
存储的位置
15
v <= a + b;
w <= b * 2;
x <= v – w;
y <= v + w;
z <= x * y;
顺序的
冯诺依曼vs 数据流
考虑一个冯诺依曼结构下的程序
程序的顺序
存储的位置
16
v <= a + b;
w <= b * 2;
x <= v – w;
y <= v + w;
z <= x * y;
+ *2
- +
*
a
b
z
顺序的
数据流
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StoneChan
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