William Stallings Computer Organization and Architecture Chapter 1 Introduction Original Author:Adrian J Pullin Adapted by: Yanru Bao, Tianjin University

参考书目（一） 计算机组织与结构--性能设计（第五版） William Stallings 著 张昆藏 等译 电子工业出版社 ISBN 7-5053-6674-2 定价：50.00元

参考书目（二） 计算机系统结构（第二版） 郑纬民 汤志忠 编著 清华大学出版社 ISBN 7-302-02900-8 定价：42.00元

课程主要内容 按参考书目（一）的章节 第1章 概论 第2章 计算机的演变和性能 第7章 操作系统支持 第11章 CPU结构和功能 第1章 概论 第2章 计算机的演变和性能 第7章 操作系统支持 第11章 CPU结构和功能 第12章 精简指令集计算机 第13章 超标量处理器 第16章 并行处理

Topics Computer Architecture 计算机体系结构 Computer Organization 计算机组成 Organization and Architecture 组成与体系结构的异同 Structure and Function 结构和功能

计算机系统层次结构 计算机 应用软件 由软件实现 的虚拟机器 计算机 系统软件 计算机 体系结构 硬件实现的 实际机器 计算机组织与数字逻辑 6级 应用程序 先由应用程序包翻译成高级语言 由软件实现 的虚拟机器 5级 高级语言计算机 计算机 系统软件 先由编译程序翻译成汇编语言 4级 汇编语言计算机 先由汇编程序翻译成第3、2 级语言，然后由机器解释 3级 操作系统 操作系统指令由 机器语言程序解释 固件：存储在ROM或其他集成电路中的系统软件，不能随意更改 2级 机器语言计算机 计算机 体系结构 机器指令由 微程序解释 1级 微程序控制 由微程序固件实现 计算机组织与数字逻辑 硬件实现的 实际机器 0级 硬联逻辑 机器的硬件内核

从设计人员看到的层次 应用程序级 用户 高级语言级 高级语言程序员 汇编语言级 汇编语言程序员 操作系统级 操作员 应用程序级 用户 高级语言级 高级语言程序员 汇编语言级 汇编语言程序员 操作系统级 操作员 机器语言级 机器语言程序员 微程序控制级 逻辑设计员 硬联逻辑级 硬件设计员

如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分成4级。每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令解释。若执行第一级(最底层)一条指令需Kns时间，那么执行第2，3，4级的一条指令各需多少时间？ 第2级： 第3级： 第4级： N x K ns N x N x K ns N x N x N x K ns

Computer Architecture体系结构 Therefore, computer architecture refers to Attributes of a system visible to programmers Attributes that have a direct impact on the execution of programs 计算机体系结构是指 那些对程序员可见的系统属性 这些属性直接影响到程序的逻辑执行 机器语言程序员为使其所编写的程序能正确运行所看到的属性

Computer Architecture体系结构 Attributes（结构属性包括）： Instruction set 指令集（如机器指令的操作类型和格式等） Data representation 数据类型（能识别和处理的数据类型:int, char, real） I/O mechanisms 输入/出机制（如I/O的联结方式、设备访问方式等） Addressing techniques 内存寻址技术（如最小寻址单位、寻址方式的种类等）

透明性：一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，称为透明性现象。 在计算机系统中，低层机器级的概念性结构和功能特性，对高级语言程序员来说是透明的。 由此看出，在层次结构的各个级上都有它的系统结构。

Computer Organization组成 Organization refers to operational units and their interconnections that realize the architectural specifications. 计算机组成是为了实现特定的体系结构，各种操作单元的相互构造 计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现。

Computer Organization组成 Attributes: hardware details transparent to programmers 对程序员透明的硬件细节： Control signals 控制信号（如 组合逻辑、微程序实现方式） Computer/peripheral interface 计算机和外设的接口 (如 键盘的接口电路) Memory technology 存储器使用技术（如 RAM芯片的逻辑结构，地址译码系统实现）

Computer implementation实现 指计算机组成的物理实现。包括处理器、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，信号传输，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，电源、冷却、装配等技术及相关制造技术和工艺等。

三者关系： 计算机组织是计算机结构的逻辑实现；而计算机实现是计算机组织的物理实现。 一种结构可有多种组织实现；一种组织也可有多种物理实现。

Architecture & Organization 1 Architecture is attributes visible to programmers 计算机体系结构是程序员所能看到的机器属性 Organization is how features are implemented 计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现

Architecture & Organization 1 Example: Architecture: multiply instruction? 是否设置乘法指令？ Organization: hardware multiply unit or done by repeated addition? 乘法器实现还是重复加法实现？ IBM/370 architecture different models (organizations)

Architecture & Organization 2 Example: Architecture: 指令系统的确定，如操作类型和格式等 Organization:指令的实现，如取指令、译码、取操作数、运算、存结果等是顺序进行还是重叠进行？ Implementation:具体电路、器件设计及装配技术 主存容量与编址方式的确定 主存逻辑结构的模式、译码器的结构等 器件选定、组装技术、电路设计等

Architecture & Organization 3 Family Concept 系列机：在一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。 All Intel x86 family share the same basic architecture The IBM System/370 family share the same basic architecture This gives code compatibility (at least backwards) Organization differs between different versions

Architecture & Organization 4 系列机从程序设计者看具有相同的机器属性，因此按这个属性编制的机器语言程序以及编译程序都能通用于各档机器。 各档机器软件兼容，即同一个软件可以不加修改的运行于系统结构相同的各档机器，可获得相同的结果，差别只在于不同的运行时间。

Architecture & Organization 5 软件兼容 向上（下）兼容：按某档机器编制的程序可以不加修改的运行于比它高（低）档的机器上。 向前（后）兼容：按某个时期投入市场的某型号机器编制的程序可以不加修改的运行于在它之前（后）投入市场的机器上。 系列机至少向后兼容。 兼容机：不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。如：长城0520与IBM PC兼容。

Architecture & Organization 对计算机系统结构，下列哪些是透明的？哪些是不透明的？ 存储器采用交叉存取还是并行存取； 浮点数据表示； 数据总线宽度； 阵列运算部件； 程序性中断； 存储最小编址单位； 指令执行采用串行、重叠还是流水控制方式； 透明 不透明 透明 透明 不透明 不透明 透明

Architecture & Organization 计算机系统结构一般包括： 数据表示（硬件能直接识别和处理的数据类型和格式等） 寻址方式（最小寻址单位、寻址方式的种类、表示和地址计算等） 寄存器组织（包括操作数寄存器、变址寄存器等的定义、数量和使用约定） 指令系统（机器指令的操作类型和格式、指令间的排序方式和控制机构等） 存储系统（最小编址单位、编址方式、主存容量、最大可编址空间等） 中断机构（类型、分级、中断处理程序的功能和入口地址等） 机器工作状态的定义和切换 机器级的I/O结构（联结方式、设备访问方式、数据的源和目等） 信息保护（保护方式、硬件对信息保护的支持等）

Architecture & Organization 计算机组成要确定的方面： 数据通路宽度（数据总线上一次并行传送的信息位数） 专用部件的设置 各种操作对部件的共享程度 功能部件的并行度 控制机构的组成方式（硬联控制还是微程序控制） 缓冲和排队技术 预估、预判技术 可靠性技术

Structure & Function 1（结构和功能） Computer Complex system=> How can we design/describe it? 如何描述计算机？ Hierarchic system:层次系统 A set of interrelated subsystems, each subsystem hierarchic in structure until some lowest level of elementary subsystems is reached 层次系统是一组相互关联的子系统，每个子系统又在结构上分层，直到分成最基本的子系统。 At each level of the system, the designer is concerned with structure and function. 在每一层上，设计者关心的是结构和功能。

Structure & Function 2 （结构和功能） Structure is the way in which components relate to each other 结构是部件相互关联的方式 Function is the operation of individual components as part of the structure 功能是相关结构组成部分的每个部件的操作

Function Basic computer functions: 基本功能 Data processing 数据处理 Data storage 数据存储 Data movement 数据传输 Control 控制

Functional view Functional view of a computer 数据存储 数据处理 控制 数据传输 Data Movement Apparatus Control Mechanism Storage Facility Processing 数据处理 控制 数据传输

Operations (1) Data movement 数据传输 数据存储 e.g. keyboard to screen 由键盘到屏幕 Apparatus Control Mechanism Storage Facility Processing 数据处理 控制 数据传输

Operations (2) Storage 数据存储 数据存储 数据处理 控制 数据传输 e.g. Internet download to disk 网上下载到硬盘 数据存储 Data Movement Apparatus Control Mechanism Storage Facility Processing 数据处理 控制 数据传输

Operation (3) Processing from/to storage 处理存储数据 数据存储 数据处理 控制 数据传输 e.g. updating bank statement 更新数据库 数据存储 Data Movement Apparatus Control Mechanism Storage Facility Processing 数据处理 控制 数据传输

Operation (4) Processing from storage to I/O 处理并输出 e.g. printing a bank statement 打印数据 数据存储 Data Movement Apparatus Control Mechanism Storage Facility Processing 数据处理 控制 数据传输

Structure Four main structural components 主要组成元件 CPU Main Memory I/O Devices System Interconnection 系统互连

Structure - Top Level Computer Peripherals Central Main Processing Unit Main Memory Computer Systems Interconnection Input Output Communication lines

Structure - The CPU CPU Arithmetic Computer and Registers Logic Unit I/O System Bus CPU Internal CPU Interconnection Memory Control Unit

Structure - The Control Unit CPU Sequencing Logic ALU Control Unit Internal Bus Control Unit Registers and Decoders Registers Control Memory

Structure & Function （结构和功能） 功能 内部结构 数据处理 中央处理器(运算器) 数据存储 存储器组织 数据传送 输入/输出模块 控制 中央处理器(控制器) 系统互连

Outline of the Book (1) Computer Evolution and Performance Computer Interconnection Structures Internal Memory External Memory Input/Output Operating Systems Support Computer Arithmetic Instruction Sets

Outline of the Book (2) CPU Structure and Function Reduced Instruction Set Computers Superscalar Processors Control Unit Operation Microprogrammed Control Multiprocessors and Vector Processing Digital Logic (Appendix)

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