计算机组织与结构.ppt

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1、第十八章 計算機組織與結構,計算機概論編輯小組,計算機概論,p18-2,大綱,簡介 階層式記憶體 中央處理機 輸入輸出介面 計算機效能的評估高效能計算機,計算機概論,p18-3,18.1簡介,一部計算機包含了中央處理機，主記憶體，輔助記憶體，輸出輸入設備等部份，而其主要功用就是資料處理，及資料儲存與轉移。這些基本的電腦功能，是由上述的幾個部分合力完成的，這些都稱為硬體(Hardware)。硬體接受程式(Programs)的控制，依序完成人類交待它做的事，而程式包括系統程式與應用程式。高階程式語言(High-Level Programming Languages)例如C、BASIC、FORTRA

2、N等，其程式是由一連串的指令所構成。,計算機概論,p18-4,每種高階語言都有它的語法程式編譯器(Compiler)負責將程式翻成某特定電腦看得懂的機器語言(由“0”與“1”所構成)，這種被翻譯過的程式通常叫做”可執行檔”可執行檔是由一行行的指令(instructions)所構成並存放在主記憶體內，中央處理機會從主記憶體一次抓一個指令，並解讀這指令的含意進而發出控制訊號指導其它元件共同完成這個指令，之後中央處理機會再抓下一個指令來執行，週而復始，直到某個指令要他停止。中央處理機從主記憶體抓一個指令到完成這個指令的整個過程，通稱為一個“指令循環”(Instruction Cycle)。,計算機概

3、論,p18-5,指令循環包含兩部分抓取循環：指令抓取CPU根據程式之下一個指令的位址(通常這位址記錄在CPU的程式記錄器內(Program Counter)到主記憶體去抓一個指令到CPU。執行循環：執行指令當指令被抓到CPU後，中央處理機內的控制單元(Control Unit)會依指令的含意發出控制訊號命令計算機相關元件合力完成該指令。,圖18.1 指令循環,計算機概論,p18-6,18.2階層式記憶體,設計的理由主記憶體的存取速度通常比CPU的執行速度慢很多，不幸地，但是，程式的指令皆放在主記憶體中，每當CPU要執行一個指令，就必需先將指令從主記憶體抓過來，經解碼後，執行並完成該指令的要求。

4、CPU的速度再快，仍受制於主記憶體的存取速度。無法做出單一記憶體系統滿足快、大且便宜的要求，便產生了所謂的階層式記憶體系統(Hierarchical Memory System)。,計算機概論,p18-7,何謂階層式記憶體由若干不同的記憶裝置所組成，而非由單一種記憶裝置所構成。目前的電腦其記憶體系統至少都有三階層：快取記憶體(Cache)、主記憶體(Main Memory)及輔助記憶體。,圖18.2,計算機概論,p18-8,三階層記憶體可被折開來視為兩個二階層的記憶體，分別是(M1,M2)與(M2,M3)。M1與M2之間是由硬體(即高速的邏輯電路或韌體(Firmware)來做管理如MMU(記憶

5、體管理單元(MMU，由硬體構成)。M2與M3之間則是由作業系統中的MMS(軟體)來管理，反應速度較慢，通常(M2,M3)這兩階層記憶體系統被稱為虛擬記憶體(Virtual Memory)。,計算機概論,p18-9,(M1,M2)與(M2,M3)的比較(表18.1)當代電腦的階層式記憶體系統,圖18.4,計算機概論,p18-10,不同記憶裝置之存取時間與單價比較,計算機概論,p18-11,18.3中央處理機,主要功能中央處理機(CPU)的主要工作就是抓取指令與執行指令。五項基本功能(1)抓取指令：CPU必須具備到記憶體抓取指令的功能。(2)解譯指令：CPU必須看得懂指令以便採取動作。(3)抓取資

6、料：當CPU執行指令時，必須所有的運算元(operands)皆到齊，因此，它必須有從I/O設備或記憶體抓取資料的功能。(4)處理資料：當資料齊備後，CPU必須能處理這些資料，可能是算術運算(加、減、乘、除)，也可能是邏輯運算(AND、OR等)。(5)回存結果：CPU做完算術或邏輯運算後的結果必要時要回存到記憶體或I/O 裝置。,計算機概論,p18-12,基本裝置(1)算術邏輯運算單元(ALU)：主要負責資料的計算或處理。(2)控制單元(Control unit)：控制資料流向，例如資料或指令進出CPU；並控制ALU的動作。(3)暫存器(Registers)：負責儲存資料，以利CPU快速地存取。

7、(4)連結路徑(interconnection path)：負責連接CPU內部的元件，以利資料或控制訊號在不同元件間流傳。,計算機概論,p18-13,18.3.1 算術邏輯運算單元(ALU),基本上一個處理機(processor)其指令集(instruction set)所含的指令例如整數的加、減、乘、除，浮點數的加、減、乘、除，邏輯運算如AND、OR、SHIFT等，流程控制運算如BRANCH、JUMP等，以及資料的轉移，如LOAD、STORE等等都和ALU有關係，只是牽涉程度不同罷了。基本能力整數的加、減、乘、除的能力執行邏輯運算。,計算機概論,p18-14,一個32位元的ALU其結構,圖1

8、8.5,計算機概論,p18-15,ALU方塊圖兩個運算子分為放在暫存器A與B中，而結果(result0，result1，result31)就存在暫存器Y中。,圖18.6,計算機概論,p18-16,乘法與除法通常都是用加法與減法來模擬若是高效能計算機則會用硬體直接做出乘法器與除法器並合併在ALU中。,圖18.7 乘法方塊圖,圖18.8 除法方塊圖,計算機概論,p18-17,控制單元是CPU的心臟，沒有它，指令是無法執行的。控制單元要解讀指令的運作碼(op code)，以了解該指令是要做什麼動作，需要那些運算子，運算子放在那裡。通通搞清楚後，它產生控制訊號(control signals)控制計算

9、機內的相關元件做動作，包括控制暫存器主記憶體讀寫/設備讀寫等等。,18.3.2 控制單元(Control Unit),計算機概論,p18-18,控制單元的兩種作法硬體拉線式(Hardwired control)微程式控制式(microprogrammed control)。共通處都先要將指令集的每一指令逐一分析，並析解每一個指令(分解動作)，看它需要那些動作，要用到那些資源，並配上那些控制訊號，一切都分析完畢後(很費工的)，才可以選擇用哪一種方法製作控制單元。,計算機概論,p18-19,方塊圖輸出有兩部份一部份是控制訊號另一部份則是顯示下一狀態為何下一狀態與目前狀態及op code有關，而且可

10、用布林函數描述之。,A.硬體拉線控制(Hardwired Control),圖18.9 硬體拉線的控制單元製作,計算機概論,p18-20,優點反應速度快缺點不易修改或擴充：很難修改原先的邏輯電路。設計上較複雜，因此會延長控制單元在製作上的時間，當然也就會拉長設計一顆CPU所要花的時間。,計算機概論,p18-21,指令的分解動作除了可用有限狀態機表示外，也可用微程式(microprogram)來表示，微程式是由一連串的微指令(microinstruction)所構成。微指令的格式可由設計者自定，通常它會包含控制字元(control word)及一些關於次一個微指令地址的提示兩大部分。微指令的控制

11、字元類似於指令的op碼，控制單元根據控制字元產生相對應的控制訊號。,B.微程式控制(Microprogrammed Control),計算機概論,p18-22,微程式控制(microprogramed control)，其實就是將每個指令相對應的微程式燒在ROM中(叫Control Memory)，然後依據某特定順序執行微指令則可完成指令循環。所謂“某特定順序”其實是控制單元有一邏輯電路專門用來產生下一個微指令位址在那裡，而它是OP碼及前述的“位址提示”的布林函數。微程式計數器(Microprogram counter)類似於程式計數器(Program counter)，它用來記錄下一個微指令

12、的位址，將這位址送入控制記憶體，就可取出一個微指令，其中控制字元部份產生控制訊號，而下一位址提示部份，輸入到“位址選擇邏輯電路”(Address Select Logic)，它永遠會決定下一位址為何，並輸入到微程式計數器，以便抓下一個微指令。,計算機概論,p18-23,微程式控制的控制記憶體通常是由ROM所構成，為了能達到修改的目的，我們通常選用EEPROM或Flash記憶體。優點設計控制單元像在寫程式(即微程式)，若想改變控制流程(例如原指令集的指令個數、內容改變)，我們只需改寫微程式並重新燒在ROM中，卻不必改變控制單元內的任何電路，非常靈活(flexible)。控制單元的設計與製作變成寫

13、程式，通常其設計時間較短，也因此縮短CPU的設計時間。缺點完成一個指令循環等於執行一連串微指令，而由微指令的控制字元變成控制訊號需透過解碼過程，非常費時較無效率。,計算機概論,p18-24,微程式控制單元的方塊圖,圖18.10 微程式控制單元的製作,計算機概論,p18-25,功能 A.使用者看得見的暫存器(User-Visible Registers)這種暫存器可提供使用者暫時儲存值於其中，以減少CPU到主記憶體存取的頻率，進而提升程式執行速度。B.控制與狀態暫存器(Control and Status Register)這種暫存器會記錄程式執行的狀態，控制單元可參考其內容以控制CPU的動作，

14、此外作業系統亦可參考這些暫存器的內容以控制程式的執行。目前的計算機已很難區分這兩種不同型態的暫存器。,18.3.3 暫存器,計算機概論,p18-26,通常藉由機器語言(Machine Language)來做存取並使用。暫存器種類通用暫存器(General Purpose Registers)：存取資料或位址等內容，且不管是什麼指令皆可使用它整數暫存器浮點暫存器資料暫存器(Data Registers)：用以儲存資料與位址，不可挪作它用。位址暫存器(Address Registers)指標暫存器(Index Register)堆疊指標暫存器(Stack Pointer Register)條件碼暫

15、存器(Condition Code Registers)：存放指令執行的狀態，它的內容是由CPU填放進取的，其部份內容可讓使用者看得見並依據其內容做程式流程的控制。,A.使用者可見的暫存器,計算機概論,p18-27,作用用來控制CPU運作的一種暫存器。使用者都不能更改甚至連讀取都不行，它是CPU內部硬體在執行指令時需要用到的一些私藏暫存器暫存器種類程式計數器(Program Counter)指令暫存器(Instruction Register)記憶體位址暫存器(Memory Address Register)記憶體緩衝暫存器(Memory Buffer Register)ALU緩衝暫存器(AL

16、U Buffer Registers)程式狀態字元(Program Status Word,PSW)包含符號(Sign)、零(Zero)、進位(Carry)、溢位(Overflow)、中斷控制(Interrupt Enable/Disable)等等,B.控制與狀態暫存器,計算機概論,p18-28,作用 用來連接CPU的元件。通常我們以匯流排(Bus)的方式將元件連接起來，稱之為系統匯流排(System Bus)。CPU內部可用一條匯流排將內部元件串起來以利資料流通，這是最經濟的方式。但通常都會用兩條匯流排，可得到較佳的穩定度以及較易設計。,18.3.4 連結路徑(Interconnection

17、 Path),計算機概論,p18-29,18.4輸入輸出介面,常稱I/O模組為輸出/輸入介面(I/O Interface)理由當有資料要從電腦內部輸出時，它會將內部的表示法轉成週邊設備看得懂的表示法以利輸出。反之，若要從週邊設備傳資料到電腦內部，它也會將外界的資料格式轉成電腦內部看得懂的表示法。I/O模組,圖18.11 I/O模組,計算機概論,p18-30,週邊設備種類給人看的(Human-readable)：例如終端機、印表機等。給機器看的(Machine-readable)：例如磁碟機、光碟機、磁帶機等。通訊用的(Communication)各式週邊設備比較,計算機概論,p18-31,功能

18、要和CPU及記憶體溝通要和週邊設備溝通充當資料緩衝區(Data Buffer)種類依功能的強弱做分類的依據(1)I/O控制器(I/O Controller 或 Device Controller)(2)I/O管道(I/O Channel)(3)/O處理機(I/O Processor),18.4.1 I/O模組,計算機概論,p18-32,整個計算機系統的結構圖,圖18.12 計算機系統結構,計算機概論,p18-33,三種執行I/O的方法Programmed I/OInterrupt-Driven I/ODirect Memory Access(DMA),18.4.2 I/O技術(I/O Tech

19、niques),計算機概論,p18-34,18.5計算機效能的評估,何謂效能反應時間(Responce Time)，指的是丟一件工作給電腦作，從送進去的一剎那到完成工作的一剎那，兩者的時間差，稱之為反應時間。反應時間愈短，表示該電腦的效能愈高。單位時間的產量(Thorughput)，指的是在給定的時間範圍內，電腦可完成的工作件數，當然產量愈大，表示該電腦的效能愈高。若能降低反應時間則可提高單位時間產量，也就提高工作效能。用反應時間來衡量計算機效能，而不用單位時間產量。,計算機概論,p18-35,18.5.1 評估指標MIPS與MFLOPS,兩個常用的指標MIPS(每秒可執行多少百萬個指令)MF

20、LOPS(每秒可執行多少百萬個浮點運算指令)專門比較不同的電腦對於浮點運算指令執行的速度。,計算機概論,p18-36,18.5.2 亞當斯定律(Amdahls Law),亞當斯定律(Amdahls Law)主要在計算將電腦的某些配備升級對整體效益提升多少，亦即執行一個程式速度可以快多少倍。這個定律可以指導我們不必做盲目的投資浪費。,計算機概論,p18-37,亞當斯定律：,計算機概論,p18-38,計算機概論,p18-39,18.6高效能計算機,兩個主題：(1)如何提昇單一CPU的速度(2)如何連結許多處理器(processors)共同運作以提昇計算機的效能。兩者最大的差別(1)中電腦只有一顆高

21、效能CPU，而(2)的系統中，卻有許多(2顆或以上)CPU(通常不再稱為中央處理機，而且每個處理機地位、功能相當。,計算機概論,p18-40,18.6.1 單一處理機的高效能計算機,目標想辦法讓CPU的速度越快越好，盡可能地提高MIPS指標。改進CPU的方法精簡指令集計算機RISC管線(pipelining)超純量處理機(Superscalar Processor),計算機概論,p18-41,精簡指令集計算機Reduced Instruction Set Computer這種處理機其指令集的指令個數不多，指令功能很簡單，任何複雜的指令都拋到指令集之外。這種RISC結構，往往需配合一個厲害的編譯

22、器(Compiler)，它能有效地將高階語言轉成RISC的機器語言，而且善用CPU所提供的大量暫存器。複雜指令集計算機(Complex Instruction Set Computer，CISC)和RISC結構相反這種機器其指令集的指令複雜且個數多，很多指令要花很長的時間才能完成。,A.精簡指令集計算機RISC,計算機概論,p18-42,目的將一個指令循環拆成若干個不同的步驟，每個步驟設計一個特定元件專門負責固定的工作，並將這些元件排成一條一貫作業生產線(或管線)，當某個元件完工時，就將半成品交給下一個元件。一個指令循環分成五個步驟IF(指令的抓取，Instruction Fetch)ID(指

23、令的解碼，Instruction Decoding)EX(執行的執行或算出有效位址，Execution and effective address calculation)MEM(主記憶體的存取，Memory Access)WB(結果回存，Write Back)。,B.管線(pipelining),計算機概論,p18-43,圖18.13 傳統方法與管線方法示意圖,計算機概論,p18-44,管線的效果速度提升=4000ns1040ns=3.85倍。,計算機概論,p18-45,而超純量處理機(superscalar processor)和向量處理機不同，它只是一顆處理機而且可用來處理純數。傳統的處

24、理機用來處理純數(scalar)，故又稱為純量處理機。一種處理機專門處理向量運算，稱為向量處理機(vector processor)，它由許多處理機所構成。設計上所面臨的問題資料相依(Data Dependency),C.超純量處理機(Superscalar Processor),計算機概論,p18-46,程序相依(Procedural Dependency)資源衝突(resource conflicts)應用PowerPC620RISC結構並結合超純量的概念PentiumCISC的結構加上較簡單的超純量線路,計算機概論,p18-47,18.6.2 並行處理機系統(Parallel Proce

25、ssor Systems),Flynn對並行處理機系統(Parallel Processor Systems)的分類(1)單一指令單一資料(SISD)方式：例如傳統計算機。(2)單一指令多重資料(SIMD)方式：例如向量處理機。(3)多重指令單一資料(MISD)方式：尚未有產品問世。(4)多重指令多重資料(MIMD)方式：例如多重處理機系統(multiprocessor system)及分散式系統(multicomputer distribute system)。,計算機概論,p18-48,定義具有兩個或兩個以上功能相等的通用型(General-purpose)處理機，這些處理機共用一個主記憶

26、體(Common Memory)，有時為提高效率，某些處理機可擁有自己的私用記憶體(Local Memory)，它們也共用I/O設備，同時他們受控於一個作業系統。由於所有的處理機皆控制在單一作業系統下，它們之間的關係是很密切的，故我們稱多重處理機系統為緊密結合的多重處理機系統(Tightly Coupled Multiprocessing)。,A.多重處理機(Multiprocessor),計算機概論,p18-49,三種連接方式(1)通用匯流排(Common Bus)這是最廉價且最方便的一種連結方式。方塊圖缺點匯流排交通量太大，常常造成阻塞，而影響效能。,圖18.15通用匯流排結構,計算機概論

27、,p18-50,(2)多埠主記憶體(Multiport Memory)允許CPU及I/O直接連到主記憶體，因此造成主記憶體有許多存取埠(Access port)。方塊圖,圖18.16多埠主記憶體結構,計算機概論,p18-51,優點有較高的效能，而且允許某些記憶體只能讓某些CPU或I/O來使用，如此可以有比較好的安全性與私密性。缺點比較複雜,計算機概論,p18-52,(3)中央交換機(Central Switching Box)方式最複雜，成本最高，卻也最靈活。通常用於大型(main-fram)或以上的電腦。方塊圖,圖18.17 中央交換機結構圖,計算機概論,p18-53,具備的功能資料的安排與

28、管理資料保護I/O負載量的平衡處理機工作量的平衡,計算機概論,p18-54,將許多電腦連接在一起，每部電腦都有獨立運作的能力，甚至有自己的作業系統，它們之間的結合是鬆散的，故常稱為鬆散結合的多重處理系統(Loosely Coupled Multiprocessing)，也稱為多重電腦系統(Multicomputer System)。例子：電腦網路，主從式分散系統(Client-Server distributed System)等。連結方式網路(一線拉到底)，環狀結構(Ring)，樹狀結構(Tree)，長方形狀結構(Mesh)及立方體結構(Hypercube),B.分散式系統(Distributed System),計算機概論,p18-55,圖18.18各種不同的連接方式,