第8章 冯-诺依曼模型.ppt

第八章 冯·诺依曼（Von Neumann）模型,存储程序计算机模型,第七章，判定元件和存储元件 基于约翰·冯·诺依曼（John Von Neumann）提出的存储程序计算机模型 ——现代计算机的构建思想,存储程序计算机模型,1943: ENIAC 十进制，电子管…… 硬连线程序 – 设置开关 1944: EDVAC开始研制 Electronic Discrete Variable Automatic Computer,电子离散变量自动计算机 程序存储于memory之中 1945: John von Neumann First Draft of a Report on EDVAC, 关于EDVAC的报告草案,,John von Neumann,(1903~1957),出生于匈牙利，20世纪最杰出的数学家之一 在计算机科学、经济、物理学中的量子力学及几乎所有数学领域都作过重大贡献,,,冯·诺依曼模型,由指令组成的程序和程序所需的数据位于存储器中 指令的执行由处理单元完成 指令执行的顺序由控制单元来控制 输入设备将程序和所需的数据送入计算机之中 输出设备将执行结果送出计算机之外 注意：处理单元和控制单元是CPU的主要组成部分,,,存储器,处理单元,ALU,Reg,输出设备 *显示器 *打印机 *磁盘,输入设备 *键盘 *鼠标 *扫描仪 *磁盘,控制单元,PC,,,,,,,,,,,CPU,,,,,存储器,能够存储信息的二维阵列 每一行，存储单元（Memory Location） 可使用一个唯一的标识符进行识别，地址 包含一定大小的内容 指令 数据,地址和内容,,,,,,,,x0000 0000,x0000 0001,……,x4000 0000,x4000 0001,……,x4000 0002,x4000 0003,,xFFFF FFFF,……,……,,,x4000 0003,x0000 0001,x1000 0000,x1100 0001,存储器,232×8位，一共有232个存储单元，每个存储单元可以存储8个比特 有232个不同存储单元的地址空间和8位的寻址能力，可称为4G字节（缩写为GB）的存储器 要确定232个地址，就必须使用32位二进制数表示,处理单元,计算机里信息的处理是由处理单元执行的 现代计算机的处理单元可以包含许多复杂的功能单元，每个都能够执行一个特定的运算（除法，平方根等） 最简单的单元ALU（Arithmetic and Logic Unit，算术和逻辑单元）,寄存器堆/文件,Reg ALU附近，临时存取数据 例如，计算(A+B)×C，先在存储器中存储A+B的结果，随后读取出来，再和C相乘 访问存储器的时间远长于执行加法或乘法的时间 使用临时存储空间存储A+B的结果,字,ALU正常处理的信息量的大小通常被称为计算机的字长(word length)，每一个元素被称为一个字（word） 取决于计算机的不同用途，每一个指令集结构都拥有自己的字长 Intel的Pentium Ⅳ处理器，32位 Sun的SPARC-V9和Intel的Itanium处理，64位,寄存器堆/文件,典型的寄存器的大小是和ALU处理的值的大小一样 每个寄存器都包含一个字,控制单元,处理单元负责“执行信息的实际处理”，而控制单元则是“指挥信息的处理” 其具体工作包括： 在执行程序的过程中，跟踪存储器中的指令 在处理指令的过程中，跟踪指令的处理阶段,PC,跟踪存储器中的指令，确切地说是跟踪要处理的下一条指令 为了跟踪哪一条指令是下一步要运行的，控制单元有一个用来容纳下一条指令所在地址的寄存器——“程序计数器”（Program Counter，简称PC）/ “指令指针”,控制器,控制单元可以是多个控制器，分别从属于各个部件 ALU控制器用于控制ALU执行何种运算 对于输入和输出则有专门的I/O控制器 ……,输入/输出设备,要使计算机处理信息，信息必须被送入计算机中 为了能够使用处理后的结果，它必须能以某种形式显示在计算机以外 为输入和输出的目的而出现的设备在计算机术语中被称为外围设备（peripherals）,输入/输出设备,外围设备（peripherals） 键盘——输入；监视器（显示器）——输出 输入：鼠标，数字扫描仪、磁盘 输出：打印机，磁盘,DLX数据通路,一个采用总线结构、多时钟周期的实现方案 两端都有箭头的粗黑线结构代表数据通路的总线 可用于存储器与处理器之间的通信，也可以用于处理器与I/O设备之间的通信 主要优点是功能多、成本低，主要缺点是会产生通信瓶颈,,,,,,,,GateMDR,,,32,,,,GateALU,,32,,,,,存储器,,,,输入,输出,,,,,,,,,GatePC,,,32,,,32,,控制单元,处理单元,DLX总线,DLX的总线由32根线和相关的电子元件组成 允许将32位信息从一个组件传输到另一个组件 在总线上一次只可传输一个值 每一个提供数据给总线的组件在它的输入箭头后都有一个三角形（称为三态设备），使计算机的控制逻辑一次只允许一个提供者能提供信息给总线 从总线获得数据的组件通过将LD.x（加载使能）信号设为1（回忆门控锁存器），从而得到信息,存储器：MAR和MDR,如果要读出某个存储单元中的内容，首先把它的地址存入地址寄存器（MAR），然后查询存储器，该地址所对应的存储单元的内容将会输出到数据寄存器（MDR）。

如果要写一个值到存储单元中，首先要把目的地址存入MAR，把值存入MDR中，然后设“写使能”信号为1，查询存储器，MDR里的信息就会被写到MAR中的地址所对应的存储单元里MAR和MDR,MAR：32位，反映了DLX的存储器的地址空间是232个存储单元 MDR：32位，而DLX是字节可寻址的，即每个单元包含8位，因此在大多数情况下，MDR包含了从MAR中的地址开始的4个连续单元的数据，有时，则包含的是MAR所指的单元中的数据（8位）符号扩展的结果（32位）,处理单元,ALU和寄存器堆 ALU可以做加法、减法、乘法、除法、与、或、异或、比较、移位等运算 32个整数寄存器、32个浮点寄存器 DLX子集 未包括整数乘法、除法及浮点数运算等操作，也未包括浮点寄存器,控制单元,最重要的组件是有限状态机，它指挥所有行为 有限状态机的一个输入是CLK，它说明了每个时钟周期持续的时间 为了跟踪指令的处理阶段，控制单元还需要一个指令寄存器（Instruction Register，简称IR），用来保存正在处理的指令IR也是有限状态机的一个输入，因为要处理的DLX指令决定了计算机要执行的行为 程序计数器（PC） 记录了在当前的指令完成后，下一条要被执行的指令所在的地址,空心箭头,实心箭头表示沿着相应的通路流动的是数据元素 空心箭头表示控制数据元素处理的控制信号 有限状态机的所有输出都是空心箭头 控制了计算机的处理 LD.IR（1位），控制了当前时钟周期内，指令寄存器（IR）是否要从总线上加载新的指令 GateALU，决定ALUOut的值在当前时钟周期内是否被提供给总线,输入/输出设备,由键盘和显示器组成 最简单的键盘需要两个寄存器，一个数据寄存器（KBDR），用来保存由键盘键入字符的ASCII码，和一个状态寄存器（KBSR），用来提供键盘键入字符的状态信息 最简单的显示器同样需要两个寄存器，一个用来保存那些将被显示在显示器上的内容的ASCII码（DDR），另一个用来提供相关的状态信息（DSR） 第12章,指令处理,冯·诺伊曼模型的主要思想 把程序和数据都作为一个二进制序列存储在计算机的存储器里，在控制单元的引导下一次执行一条指令 指令在控制单元的指挥下以一种系统的方式被逐步处理，根据指令处理所需进行的操作，可以将一条指令的执行分解为一系列步骤,指令处理,多时钟周期的实现方案 指令的每一步将占用一个时钟周期，不同的指令可能被分解为不同的步骤，占用不同的时钟周期，“多周期”因此得名 在现代计算机中，时钟周期以纳秒（或称毫微秒，十亿分之一秒）为单位 比如，一个3.3GHz的处理器在1秒内有33亿个时钟周期，即一个时钟周期只需0.303纳秒,DLX指令执行阶段,按照DLX指令执行的步骤，将处理指令所需的操作划分为以下阶段（每条DLX指令需要其中的3到5个阶段）： 取指令（Instruction fetch） 译码/取寄存器（Instruction decode/Register fetch） 执行/有效地址/完成分支(Execution/Effective address/Branch completion) 访问内存（Memory access） 写回（Write-back）,指令,计算机处理的最基本单位 计算机程序包含了一组指令，每条指令都是由一个位序列表示，并且整个程序被存储在计算机的存储器中 由两个部分组成：操作码（指令执行的内容）和操作数（要操作的对象） DLX子集指令，由32 位（一个字）组成，从左向右依次编号为bit[31]…bit[0],DLX ADD指令,需要三个操作数：两个源操作数（待加的数据）和一个目标操作数（在加法执行后要存储的和） 格式： 两个源操作数：包含在寄存器中的值 加法的结果：放入32个寄存器的某一个 32个寄存器：需要5位确定每一个 教材订正：R6错了,,bit[31:26]：000000——R类型 bit[5:0]：要执行的函数，000001，是加法操作 bit[15:11]：存储的结果所在的位置，R6 bit[25:21]和bit[20:16]：存储两个源操作数的寄存器，R2和R6 “将R2（寄存器2）和R6里的内容相加，结果存回R6里。

DLX LW指令,L代表加载（Load，读存储器中的值，写到寄存器中），W代表字 “进入指定的存储单元，从该单元开始，读取连续4个存储单元里面包含的值，结果存入一个寄存器里” 需要两个操作数： 从存储器读出的值和目标寄存器,,bit[31:26]：011100，是I类型的LW指令 bit[20:16]：指令执行结束后从存储器里读出的值将存入的寄存器 bit[25:21]和bit[15:0]：用来计算出要读取位置的地址 将bit[15:0]里的二进制补码整数符号扩展为32位，再与bit[25:21]表示的寄存器里的数值相加，结果即为地址 “基址+偏移量”寻址模式 “将R3里的内容同数值6相加，构成一个存储单元的地址，从该单元开始，读取连续4个存储单元里面包含的值，并加载到R2里 寻址模式：计算将要读取的存储单元的地址的机制,DLX BEQZ指令（第九章）,B代表分支（Branch），EQ代表“相等”，Z代表“零” “判断某个寄存器的值是否为零，如果等于零，PC就被某条指令的地址加载” 需要两个操作数： 寄存器，某条指令的地址,BEQZ,,bit[31:26]：101000，是I类型的BEQZ指令 bit[25:21]：存储源操作数的寄存器 bit[15:0]：用来计算出指令地址的值 将bit[15:0]里的二进制补码整数符号扩展为32位，再与PC里的数值相加，结果即为地址 PC+SEXT(IR[15:0]) “判断R3里的值是否为0？如果R3的值为0，PC就被计算得到的地址加载；如果R3的值不为0，PC保持不变”,1、取指令阶段,从存储器中获得下一条指令，放在控制单元的指令寄存器中 为了执行下一条指令的任务，必须先确定它位于哪里 程序计数器（PC）包含着下一条指令的起始地址（DLX指令由32位组成，需要4个连续的存储单元）,,,,,,GateMDR,,,32,,,GateALU,,32,,,,存储器,,,,输入,输出,,,,,,,,,GatePC,,,32,,,32,,控制单元,处理单元,,PC,,,取指令阶段步骤(1),MARPC MDRMem[MAR] IRMDR,,,,,,,,32,,,GateALU,,,输入,输出,,,,,,,,,GatePC,,,32,,控制单元,处理单元,,IR,,,LD.IR,,PC,,,,,,G。