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00001 00010 00100 01000 10000
条件 标志
专用的控 制信号
2017/1/12
CISC与RISC的数据流
开始
IR
第二章 习题
作业：2~6、14、15 思考：1、7~13
2017/1/12
3 / 50
3/32 2017/1/12
第二章结束
计算机系统的层次结构
系统分析层（数学模型、算法）
应用软件 用户程序层（语言编程）
应用语言虚拟机
高级语言虚拟机
汇编语言虚拟机 语言处理层（解释、编译） 系统软件：操作系统、编译器、数据库管理系 操作系统虚拟机 操作系统层 统、 Web浏览器、设备驱动、中断服务程序 机器语言级 指令系统层（机器语言指令） 硬核 级
模型机体系结构
共享的信息 传输通路
基于总线的冯· 诺依曼架构模型机
总线子系统：作为公共通道连接各子部件，用于实现各
部件之间的数据、信息等的传输和交换
存储器子系统：用来存放当前的运行程序和数据
输入输出子系统：用于完成计算机与外部的信息交换
CPU子系统：集成了运算器、控制器和寄存器的超大规
不断增强指令的功能以及设置更复杂的新指令取代原先由
程序段完成的功能，从而实现软件功能的硬化。
RISC（Reduced Instruction Set Computer， 精简指令集计算机）
从而提高指令的执行速度。
通过减少指令种类和简化指令功能来降低硬件设计复杂度，
现代计算机：RISC+CISC
24 / 50
体系结构、组成与实现
体系结构Architecture
程序员关心的计算机概念结构与功能特性 如：确定指令集中是否有乘法指令； 系列机:相同
计算机组成Organization
的体系结构， 不同的组成
从硬件角度关注物理机器的组织（功能部件及互 连） 如：乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现
计算机实现Realization
模集成电路芯片(VLSI)
15 / 50 2017/1/12
模型机总线结构
AB CPU CB DB
RAM
ROM
I/O接口
外设
按传输信息的不同，可将总线分为数据总线DB、地址 总线AB和控制总线CB三类：
地址总线通常是单向的，由主设备(如CPU)发出，用于选择 读写对象(如某个特定的存储单元或外部设备)； 数据总线用于数据交换，通常是双向的； 控制总线包括真正的控制信号线(如读/写信号)和一些状态信 号线(如是否已将数据送上总线)，用于实现对设备的监视和 控制。 / 50
模型机CPU子系统
地址总线AB
地址缓冲器 内部总线
数据总线DB
数据缓冲器
指令寄存器IR 时钟脉冲源
操作பைடு நூலகம் , 地址码
累加器ACC
脉冲分配器 指令译码器ID 微操作控制电路
通用寄存器组 堆栈指针SP 程序计数器PC
累加锁存器
暂存 器
算术逻辑单元ALU
标志寄存器FR
控制总线CB
控制器
寄存器组
18 / 50
7 / 50 2017/1/12
计算机的组成（1）
功能部件
计算机的组成（2）
总线结构—部 件的互联
9 / 50 2017/1/12
计算机的组成（3）
数据通道 单元 外部 控制 收入 时钟 控制单元
控制信号
数据通道 数据通道 逻辑
操作环境
（数据的源和目标）
数据 传送 装置
有限状态机
状态信号
数据通道 寄存器
13/32 2017/1/12
冯· 诺依曼体系结构
• 硬件组成
五大部分
运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备
以存储器为中心
• •
信息表示：二进制
计算机内部的控制信息和数据信息均采用二进制 表示，并存放在同一个存储器中。
工作原理：存储程序/指令(控制)驱动
编制好的程序(包括指令和数据)预先经由输入设备输入并 保存在存储器中； 计算机开始工作后，在不需要人工干预的情况下由控制器 自动、高速地依次从存储器中取出指令并加以执行。
2.3 微处理器体系结构的改革
1. 改进：指令集(RISC/CISC)、分层存储器 、高速总线/接口 2. 改变：流水线、超标量、超长指令字、多机/核、多线程 并行技术
2.4 计算机体系结构分类 Flynn 2.5 计算机性能评测Performance
字长、存储容量、运算速度
2 / 50 2017/1/12
2017/1/12
体系结构角度的多层结构
硬件向上提供的接口： • 指令系统 • 异常事件 • 端口定义
12 / 50
2017/1/12
组织角度的多层结构
设计指令代码； 产生控制信号； 数据的存储；…
算术、逻辑操作功能部件， 寄存器…
解释指令； 产生控制信号； 管理执行顺序…
2017/1/12
13 / 50
21 / 50 2017/1/12
程序的执行过程
AB 地 址 译 码 ③ 地址 1000H 1001H 1002H 1003H
取指令、分析指令、执行指令
内容 B0H 5CH 04H 2EH
内存储器 ④
MOV 5CH, R1 ADD R1, 2EH, R2
读控制
DB
⑤ 数据缓冲器
CPU外 CPU内
地址缓冲器 ① ⑥ 指令寄存器IR
1. CPU指令集 2. 存储器子系统 3. 输入/输出子系统
指令功能、指令格式、寻址方式 分层结构 高速总线+多种接口方式
3-6章重点
•
改变
1. 改变串行执行模式，发展并行技术； 2. 改变控制方式，发展数据、需求、模式等其它驱动方式；
不同的指令集设计策略：CISC与RISC
CISC（Complex Instruction Set Computer， 复杂指令集计算机）
• 非顺序执行
1. 2. 3. 4.
(fetch)、分析指令(decode)和执行指令 (execute)三个阶段。
转移（jump）：执行条件/无条件转移指令，不返回 过程（procedure）调用：主程序调用子程序后返回断点 中断（interrupt）：外界突发事件处理完后返回断点 异常（ exception）： 程序本身产生的某些例外处理完后重新执行 5. 陷阱(trap) ： 程序本身产生某些例外条件处理完后返回断点
构(ISA，Instruction Set Architecture) 是体系结构的 主要内容之一，对CPU的基本组织会产生非常大的影响。 ISA功能设计实际就是确定软硬件的功能分配。 指令通常包含操作码和操作数两部分。操作码指明要完成操作 的性质，如加、减、乘、除、数据传送、移位等；操作数 指明参加上述规定操作的数据或数据所存放的地址。
操作码, 地址码
内部总线 ⑥ 寄存器组 A ⑥ 暂存器
＋1 ②
程序计数 器PC
指令译码器ID 操作控制器OC
R1(5CH) R1(00) R2(8AH) R2(00)
⑦
ALU
⑧ 标志寄存器FR
22 / 50
2017/1/12
对冯· 诺依曼体系结构的改进
冯· 诺依曼型计算机的本 质特点也造成了其瓶颈： 指令执行的串行性 存储器读取的串行性 • 改进
说
明
算术类
加法 减法 位与
逻辑类
运算类指令只能对寄存器中 的数据或立即数进行直接操 作
位或 位非 存储器或I/O 读
将指定地址的存储单元或I/O 端口的值读入寄存器Rd
传送类 存储器或I/O
写
将寄存器Rs的值写入指定地址 的存储单元或I/O端口
寄存器访问
无条件跳转
MOV
JMP JX/JNX CALL RET HLT
2017/1/12
CISC的特点及设计思想
美国加州大学Berkeley分校的研究结果表明：
① 许多复杂指令很少被使用，“2-8原则”
② 控制器硬件复杂（指令多， 且具有不定长格式和复杂的 数据类型），占用了大量芯 片面积，且容易出错； ③ 指令操作繁杂，速度慢； ④ 指令规整性不好，不利于
采用流水线技术提高性能。
模型机常用汇编指令
指令类型 操作码示例
ADD SUB AND OR NOT LDR STR
操作数示例
Rs1, Rs2, Rd① Rs, Imm②, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd Rs, Rd [MEM], Rd Rs, [MEM] Rs, Rd Imm, Rd Lable Lable Sub-Lable (Rs1)+(Rs2)Rd (Rs)+ImmRd (Rs1)-(Rs2)Rd (Rs)-ImmRd (Rs1)˄(Rs2)Rd (Rs)˄ImmRd (Rs1)˅(Rs2)Rd (Rs)˅ImmRd ！(Rs)Rd [MEM] (Rd) (Rs)[MEM]
时钟
控制 机构
数据
时钟
命令 控制 控制单元 控制 （状态机）
输入
数据 存储 装置
数据 处理 装置
数据单元
输出
控制
条件
数据
10 / 50
同步数字系统—数 据的处理、传输与 控制
2017/1/12
计算机的实现
半导体技术
制造技术
封装技术
装配技术
电源技术
冷却技术
……
11 / 50
微处理器系统结构与嵌入式系统设计
第二章 计算机系统的结构组成与工作原理
2.1 计算机系统的基本结构与组成
1. 层次模型 Hiberarchy 2. 结构Architecture、组成Organization与实现Realization
2.2 计算机系统的工作原理
1. 冯· 诺依曼计算机架构 2. 模型机：系统结构、指令集、工作流程
微体系结构层 硬件系统：异常处理机构、指令系统、 微程序级 （微程序或硬连逻辑） CPU、存储器、I/O及通信子系统
数字逻辑层（硬件）
寄存器级（硬件）
（a）软硬件层次
（b）语言层次
1.（a）图自下而上反映了系统逐级生成的过程，自上而下反映了系统求 解问题的过程； 2.软硬件的逻辑等价性可以表现为：硬件软化（如RISC思想）、软件硬 化（如CISC思想）、固件化（如微程序） ； 3.（b）图中的虚拟机：与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器
25 / 50 2017/1/12
RISC的特点及设计思想
RISC机的设计应当遵循以下五个原则：
① ② 指令条数少，格式简单，易于译码； 提供足够的寄存器，只允许load和store指令 访问内存； 内部数 据总线 ③ 指令由硬件直接执行， 指令寄存器 在单个周期内完成； 预解码 地址信息 ④ 充分利用流水线； ⑤ 依赖优化编译器的作用； 状态 标志位 控制逻辑 译码器 ⑥ 寻址方式简单 系统时钟 二进制 计数器 门阵列
运算器
2017/1/12
模型机指令系统
汇编语言源程序 高级语言源程序 机器语言程序 编译或解释（编译程序） （目标代码）
汇编（汇编程序）
指令是发送到CPU的命令，指示CPU执行一个特定的处理，如 从存储器取数据、对数据进行逻辑运算等。CPU可以处理
的全部指令集合称为指令集(Instruction Set)。指令集结
(Rs)(Rd)
Lable(PC) If X为真/假，则 Lable (PC) Sub-Lable(PC) 调用子程序 返回主程序
跳转类
条件跳转 过程调用 过程返回
其他
停机
模型机工作原理
计算机的工作本质上就是执行程序的过程。
• 顺序执行:一个具有独立功能的程序独占处理机直 至最终结果。 每条指令执行的基本过程可以分为取指令
16 2017/1/12
模型机内存储器
p p
程序和数据（程序 执行时产生的或者 变量、静态数据等） 分段存放
存储器组织由许多字节单元组成，每个单元都有一个唯一的编 号（存储单元地址），保存的信息称为存储单元内容。 访问(读或写)存储单元 ：存储单元地址经地址译码后产生相 应的选通信号，同时在控制信号的作用下读出存储单元内容到 数据缓冲器，或将数据缓冲器中的内容写入选定的单元。
底层的器件技术、微组装技术、冷却技术等 如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术
6 / 50 2017/1/12
计算机的体系结构
1946年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士 Mauchley和电气工程师Eckert领导的小组研制成功世界上第一
台数字式电子计算机ENIAC（十进制）。
著名的美籍匈牙利数学家Von Neumann参加了为改进ENIAC 而举行的一系列专家会议，研究了新型计算机的体系结构。 1949年，英国剑桥大学的威尔克斯等人在EDSAC 机上实现 了冯· 诺依曼模式。 直至今天冯· 诺依曼体系结构依然是绝大 多数数字计算机的基础。
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00001 00010 00100 01000 10000
条件 标志
专用的控 制信号
2017/1/12
CISC与RISC的数据流
开始
IR
第二章 习题
作业：2~6、14、15 思考：1、7~13
2017/1/12
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3/32 2017/1/12
第二章结束
计算机系统的层次结构
系统分析层（数学模型、算法）
应用软件 用户程序层（语言编程）
应用语言虚拟机
高级语言虚拟机
汇编语言虚拟机 语言处理层（解释、编译） 系统软件：操作系统、编译器、数据库管理系 操作系统虚拟机 操作系统层 统、 Web浏览器、设备驱动、中断服务程序 机器语言级 指令系统层（机器语言指令） 硬核 级
模型机体系结构
共享的信息 传输通路
基于总线的冯· 诺依曼架构模型机
总线子系统：作为公共通道连接各子部件，用于实现各
部件之间的数据、信息等的传输和交换
存储器子系统：用来存放当前的运行程序和数据
输入输出子系统：用于完成计算机与外部的信息交换
CPU子系统：集成了运算器、控制器和寄存器的超大规
不断增强指令的功能以及设置更复杂的新指令取代原先由
程序段完成的功能，从而实现软件功能的硬化。
RISC（Reduced Instruction Set Computer， 精简指令集计算机）
从而提高指令的执行速度。
通过减少指令种类和简化指令功能来降低硬件设计复杂度，
现代计算机：RISC+CISC
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体系结构、组成与实现
体系结构Architecture
程序员关心的计算机概念结构与功能特性 如：确定指令集中是否有乘法指令； 系列机:相同
计算机组成Organization
的体系结构， 不同的组成
从硬件角度关注物理机器的组织（功能部件及互 连） 如：乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现
计算机实现Realization
模集成电路芯片(VLSI)
15 / 50 2017/1/12
模型机总线结构
AB CPU CB DB
RAM
ROM
I/O接口
外设
按传输信息的不同，可将总线分为数据总线DB、地址 总线AB和控制总线CB三类：
地址总线通常是单向的，由主设备(如CPU)发出，用于选择 读写对象(如某个特定的存储单元或外部设备)； 数据总线用于数据交换，通常是双向的； 控制总线包括真正的控制信号线(如读/写信号)和一些状态信 号线(如是否已将数据送上总线)，用于实现对设备的监视和 控制。 / 50
模型机CPU子系统
地址总线AB
地址缓冲器 内部总线
数据总线DB
数据缓冲器
指令寄存器IR 时钟脉冲源
操作பைடு நூலகம் , 地址码
累加器ACC
脉冲分配器 指令译码器ID 微操作控制电路
通用寄存器组 堆栈指针SP 程序计数器PC
累加锁存器
暂存 器
算术逻辑单元ALU
标志寄存器FR
控制总线CB
控制器
寄存器组
18 / 50
7 / 50 2017/1/12
计算机的组成（1）
功能部件
计算机的组成（2）
总线结构—部 件的互联
9 / 50 2017/1/12
计算机的组成（3）
数据通道 单元 外部 控制 收入 时钟 控制单元
控制信号
数据通道 数据通道 逻辑
操作环境
（数据的源和目标）
数据 传送 装置
有限状态机
状态信号
数据通道 寄存器
13/32 2017/1/12
冯· 诺依曼体系结构
• 硬件组成
五大部分
运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备
以存储器为中心
• •
信息表示：二进制
计算机内部的控制信息和数据信息均采用二进制 表示，并存放在同一个存储器中。
工作原理：存储程序/指令(控制)驱动
编制好的程序(包括指令和数据)预先经由输入设备输入并 保存在存储器中； 计算机开始工作后，在不需要人工干预的情况下由控制器 自动、高速地依次从存储器中取出指令并加以执行。
2.3 微处理器体系结构的改革
1. 改进：指令集(RISC/CISC)、分层存储器 、高速总线/接口 2. 改变：流水线、超标量、超长指令字、多机/核、多线程 并行技术
2.4 计算机体系结构分类 Flynn 2.5 计算机性能评测Performance
字长、存储容量、运算速度
2 / 50 2017/1/12
2017/1/12
体系结构角度的多层结构
硬件向上提供的接口： • 指令系统 • 异常事件 • 端口定义
12 / 50
2017/1/12
组织角度的多层结构
设计指令代码； 产生控制信号； 数据的存储；…
算术、逻辑操作功能部件， 寄存器…
解释指令； 产生控制信号； 管理执行顺序…
2017/1/12
13 / 50
21 / 50 2017/1/12
程序的执行过程
AB 地 址 译 码 ③ 地址 1000H 1001H 1002H 1003H
取指令、分析指令、执行指令
内容 B0H 5CH 04H 2EH
内存储器 ④
MOV 5CH, R1 ADD R1, 2EH, R2
读控制
DB
⑤ 数据缓冲器
CPU外 CPU内
地址缓冲器 ① ⑥ 指令寄存器IR
1. CPU指令集 2. 存储器子系统 3. 输入/输出子系统
指令功能、指令格式、寻址方式 分层结构 高速总线+多种接口方式
3-6章重点
•
改变
1. 改变串行执行模式，发展并行技术； 2. 改变控制方式，发展数据、需求、模式等其它驱动方式；
不同的指令集设计策略：CISC与RISC
CISC（Complex Instruction Set Computer， 复杂指令集计算机）
• 非顺序执行
1. 2. 3. 4.
(fetch)、分析指令(decode)和执行指令 (execute)三个阶段。
转移（jump）：执行条件/无条件转移指令，不返回 过程（procedure）调用：主程序调用子程序后返回断点 中断（interrupt）：外界突发事件处理完后返回断点 异常（ exception）： 程序本身产生的某些例外处理完后重新执行 5. 陷阱(trap) ： 程序本身产生某些例外条件处理完后返回断点
构(ISA，Instruction Set Architecture) 是体系结构的 主要内容之一，对CPU的基本组织会产生非常大的影响。 ISA功能设计实际就是确定软硬件的功能分配。 指令通常包含操作码和操作数两部分。操作码指明要完成操作 的性质，如加、减、乘、除、数据传送、移位等；操作数 指明参加上述规定操作的数据或数据所存放的地址。
操作码, 地址码
内部总线 ⑥ 寄存器组 A ⑥ 暂存器
＋1 ②
程序计数 器PC
指令译码器ID 操作控制器OC
R1(5CH) R1(00) R2(8AH) R2(00)
⑦
ALU
⑧ 标志寄存器FR
22 / 50
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对冯· 诺依曼体系结构的改进
冯· 诺依曼型计算机的本 质特点也造成了其瓶颈： 指令执行的串行性 存储器读取的串行性 • 改进
说
明
算术类
加法 减法 位与
逻辑类
运算类指令只能对寄存器中 的数据或立即数进行直接操 作
位或 位非 存储器或I/O 读
将指定地址的存储单元或I/O 端口的值读入寄存器Rd
传送类 存储器或I/O
写
将寄存器Rs的值写入指定地址 的存储单元或I/O端口
寄存器访问
无条件跳转
MOV
JMP JX/JNX CALL RET HLT
2017/1/12
CISC的特点及设计思想
美国加州大学Berkeley分校的研究结果表明：
① 许多复杂指令很少被使用，“2-8原则”
② 控制器硬件复杂（指令多， 且具有不定长格式和复杂的 数据类型），占用了大量芯 片面积，且容易出错； ③ 指令操作繁杂，速度慢； ④ 指令规整性不好，不利于
采用流水线技术提高性能。
模型机常用汇编指令
指令类型 操作码示例
ADD SUB AND OR NOT LDR STR
操作数示例
Rs1, Rs2, Rd① Rs, Imm②, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd Rs1, Rs2, Rd Rs, Imm, Rd Rs, Rd [MEM], Rd Rs, [MEM] Rs, Rd Imm, Rd Lable Lable Sub-Lable (Rs1)+(Rs2)Rd (Rs)+ImmRd (Rs1)-(Rs2)Rd (Rs)-ImmRd (Rs1)˄(Rs2)Rd (Rs)˄ImmRd (Rs1)˅(Rs2)Rd (Rs)˅ImmRd ！(Rs)Rd [MEM] (Rd) (Rs)[MEM]
时钟
控制 机构
数据
时钟
命令 控制 控制单元 控制 （状态机）
输入
数据 存储 装置
数据 处理 装置
数据单元
输出
控制
条件
数据
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同步数字系统—数 据的处理、传输与 控制
2017/1/12
计算机的实现
半导体技术
制造技术
封装技术
装配技术
电源技术
冷却技术
……
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微处理器系统结构与嵌入式系统设计
第二章 计算机系统的结构组成与工作原理
2.1 计算机系统的基本结构与组成
1. 层次模型 Hiberarchy 2. 结构Architecture、组成Organization与实现Realization
2.2 计算机系统的工作原理
1. 冯· 诺依曼计算机架构 2. 模型机：系统结构、指令集、工作流程
微体系结构层 硬件系统：异常处理机构、指令系统、 微程序级 （微程序或硬连逻辑） CPU、存储器、I/O及通信子系统
数字逻辑层（硬件）
寄存器级（硬件）
（a）软硬件层次
（b）语言层次
1.（a）图自下而上反映了系统逐级生成的过程，自上而下反映了系统求 解问题的过程； 2.软硬件的逻辑等价性可以表现为：硬件软化（如RISC思想）、软件硬 化（如CISC思想）、固件化（如微程序） ； 3.（b）图中的虚拟机：与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器
25 / 50 2017/1/12
RISC的特点及设计思想
RISC机的设计应当遵循以下五个原则：
① ② 指令条数少，格式简单，易于译码； 提供足够的寄存器，只允许load和store指令 访问内存； 内部数 据总线 ③ 指令由硬件直接执行， 指令寄存器 在单个周期内完成； 预解码 地址信息 ④ 充分利用流水线； ⑤ 依赖优化编译器的作用； 状态 标志位 控制逻辑 译码器 ⑥ 寻址方式简单 系统时钟 二进制 计数器 门阵列
运算器
2017/1/12
模型机指令系统
汇编语言源程序 高级语言源程序 机器语言程序 编译或解释（编译程序） （目标代码）
汇编（汇编程序）
指令是发送到CPU的命令，指示CPU执行一个特定的处理，如 从存储器取数据、对数据进行逻辑运算等。CPU可以处理
的全部指令集合称为指令集(Instruction Set)。指令集结
(Rs)(Rd)
Lable(PC) If X为真/假，则 Lable (PC) Sub-Lable(PC) 调用子程序 返回主程序
跳转类
条件跳转 过程调用 过程返回
其他
停机
模型机工作原理
计算机的工作本质上就是执行程序的过程。
• 顺序执行:一个具有独立功能的程序独占处理机直 至最终结果。 每条指令执行的基本过程可以分为取指令
16 2017/1/12
模型机内存储器
p p
程序和数据（程序 执行时产生的或者 变量、静态数据等） 分段存放
存储器组织由许多字节单元组成，每个单元都有一个唯一的编 号（存储单元地址），保存的信息称为存储单元内容。 访问(读或写)存储单元 ：存储单元地址经地址译码后产生相 应的选通信号，同时在控制信号的作用下读出存储单元内容到 数据缓冲器，或将数据缓冲器中的内容写入选定的单元。
底层的器件技术、微组装技术、冷却技术等 如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术
6 / 50 2017/1/12
计算机的体系结构
1946年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士 Mauchley和电气工程师Eckert领导的小组研制成功世界上第一
台数字式电子计算机ENIAC（十进制）。
著名的美籍匈牙利数学家Von Neumann参加了为改进ENIAC 而举行的一系列专家会议，研究了新型计算机的体系结构。 1949年，英国剑桥大学的威尔克斯等人在EDSAC 机上实现 了冯· 诺依曼模式。 直至今天冯· 诺依曼体系结构依然是绝大 多数数字计算机的基础。