1、程序电子信息科学与技术导引与处 理 器电子信息科学与技术知识体系 2电子信息科学与技术知识体系“程序与处理器”定位：联系硬件与软件的桥梁3软件硬件什么是程序？ 行事的先后次序；有序的步骤。如：工作程序；司法程序；医疗程序。 为使电子计算机执行一个或多个操作，或执行某一任务，按序设计的计算机指令的集合。4什么是处理器？ 计算机系统中能独立执行程序， 完成对 数据 和指令进行加工与处理的部分。是计 算机系 统的 核心设备。由数据处理部件（运算器 ）、指 令处 理部件（指令部件）以及存储控制器 组成。 用于 控制和执行计算机基本指令系统 的 处 理 器 ， 称 “ 中 央处理器”。5大纲从算盘到EN
2、IAC1通用计算机模型 2程序和程序设计语言 4处理器的工作原理 5性能问题 66指令集体系结构 3小结 7人类早期的计算工具 处理器算盘 其 形 长 方 ， 周 为 木 框 ， 内 贯 直 柱 ， 俗 称 “ 档 ” 。一 般 从 九 档 至 十五 档 ， 档 中 横 以 梁 ， 梁 上 两 珠 ，每珠作数五，梁下五珠，每珠作 数一， 运算 时定位后拨珠计算，可以做加减乘 除等算法7框梁档上珠下珠人类早期的计算工具 程序储存在人的大脑 中8Blaise Pascal(1623-1662) 加法机 (1642) 由一系列齿轮组成的纯机械设备。采用十进制运算，能完成8位十进制数的加法和减法运算
3、计算程序体现在设备的机械结构中 意义：揭示出用机器代替人类进行计算 ，完全可以做到人类早期的计算工具9进位问题：采用了一种小爪子式的棘轮装置，当个位齿轮朝9 转动时，棘爪便逐渐升高，一旦齿轮转到0 ，棘爪就跌落下来，推动十位数的齿轮前进一档Pascal加法机的工作原理人类早期的计算工具10人类早期的计算工具 Pascal 加法机发明后的300年间， 出 现 了Leibniz计算器、 Babbage分析机、Hollerith 制表机等重要的机械计算机，但是发展速度 十分缓 慢11ENIAC 1946 年, ENIAC在美国宾夕法尼亚大学研制成功，这是世界上第一台现代意义的通用电子计算机12ENI
4、AC 装有18,000个电子管，总重量达30吨，功耗140kw 有20个寄存器，每个能存放10位的十进制数，运算速度为每秒5000 次加法 通过设置分布在各处的6000个开关和众多的插头与插座来编程13电子计算机如何实现计算？ 作为计算基础的二进制加法14更复杂的计算 假如我们要计算：a+b c 如果我们要算另外一道题：a b-c d ？加法器乘法器ba+b ccab cENIAC的工作原理 换一种思路：人类天生具备大 局观， 最擅长从大到小，由表及里的分析 问题 计算也是如此 任 何 复 杂的 计 算 都是 由简单的基本计算组合而成的16ENIAC的工作原理 我们用两个步骤来计算a+b c
5、： 第一步：Temp = b c 第二步：Result=a+temp 于是我们就可以： 当我们需要算另外一道题时，只 要将这 个过 程进行修改即可abc乘法器temp第一步atemp加法器result第二步17ENIAC的工作原理 基本计算 指令 基本计算的集合 指令集 基本运算的数量是有限的 指 令 集 是 有 限 集 合 ，所以指令集中的指令（基本计算 ）可以 通过 电路来实现 将指令集中的指令（实现基本计 算的电 路） 按某种方式进行排列组合，就可以完 成不同 的计 算任务 程序 解决某个特定的 问 题 的 有 限 指 令 序 列18ENIAC的工作原理 ENIAC是一种通用计算机 为E
6、NIAC编写的“程序”19大纲从算盘到ENIAC1通用计算机模型 2程序和程序设计语言 4处理器的工作原理 5性能问题 620指令集体系结构 3小结 7图灵机 1936 年4 月，即将要从剑桥大学国王学院毕业的图灵，发表了论文 论可计算数及其在判定问题中的应用(On Computable Numbers, With an Application to the Entscheidungsproblem) ，在这篇论文中他设计了被后人称为图灵机的计算机模型，这一年他24 岁Alan Turing(1912-1954)图灵机 图灵的基本思想是用机器来模 拟人们 用纸笔进行数学运算的过程，他把 这样的
7、 过程看作下列两种简单的动作： 在 纸上写上或擦除某个符号 把注意力从纸的一个位置移动到 另一个 位置 而在每个阶段，人要决定下一步 的动作 ，依 赖于 (a) 此人当前所关注的纸上某个位置 的符号和 (b) 此人当前思维的 状态22图灵机 为 了 模 拟 人 的 这 种 运 算 过 程 ，图 灵 构 造 出 一 台 假 想 的 机 器 ，该 机 器 由 以 下 几 个 部 分 组 成 ： 一 条无限长的纸带 TAPE 一 个读写头 HEAD 一 套控制规则 TABLE 一 个状态寄存器 图 灵证明了这样的一台机器能够模拟人类所能进行的任何计算过程23图灵机 除了图灵机以外，人们还发明 了很多
8、 其它的计算模型 寄存器 机 递归函数 演算 可以证明，这些 模 型 无 一 例 外地 都 和 图灵机等价24ENIAC 与图灵机的等价性 理论上可以证明，ENIAC 与 图灵 机 是等 价的，因此ENIAC能够完成人类 所 能 进行 的任何计算过程 严格地说， ENIAC不是一台图灵机， 而是若干台图灵机 ENIAC的每一个电路结构，都 是一个 不同的图灵机25ENIAC的问题ENIAC 是通用计算机但是，为了让ENIAC 完 成 不 同的 任 务，工作人员必须改变它的电路结 构26ENIAC的问题 冯 诺 伊曼在ENIAC的研制过程中，就发现了ENIAC存在的两个主要问题 ： 用大量的开关
9、和插头来编程 用10个电子管表示一位 十进制数27Von Neumann(1903-1957)冯 诺依曼存储程序原理 冯 诺依曼提出的改进措施： 针对用10个电子管表示一位十进制数，提出应该用二进制来替代 针对ENIAC 用开关和插头来编程， 提出了程序可以以编码形式和数据一起在内存中存储 核心思想：指令 （ 实 现 基 本 计 算 的 电 路 ） 用 二进制来编码 冯 诺伊曼的工作成为如今广泛 采 用 的 冯 诺伊曼体系结构的基础28冯 诺伊曼机中程序的执行原理 把程序(指令序列)存储在存储器内，使计算机能像快速存取数据一样地快速存取组成程序的指令，存放位置由地址指定，地址码也是二进制形式
10、控制器根据存放在存储器中的程序工作，并由一个程序计数器(PC)控制指令的读取。控制器具有判断能力，能够根据计算结果选择不同的动作流程 给出程序中第一条指令的地址，控制器就可依据存储程序中的指令顺序周而复始地取指令、译码、执行，直到完成全部指令操作为止取指令， PC 值加 1停机 ?译码结束YN执行29冯 诺依曼计算机组成主机系统CPU存储器输出设备输入设备运算器控制器数据 通 路控制信号30运算器算术逻辑单元 实现基本计算的电路（如加法 器、乘 法器等）可以组合在一起，称为算 术逻辑 单元ALU31存储器 复杂的计算需要大量的输入数 据和输 出数据，因此我们需要一个存储器 将其存 起来32控制
11、器 除了存储器和运算器，还需要 一个控 制器 控制器控制着将存储器中的数 据送到 运算器(ALU) 中 进 行 计 算， 然 后将 结 果 存回 到 存储器中 指示输入数据存在何处，做什 么运算 ，结果存到何处的控制命令就是指令33输入设备&输出设备 数据要从外部输入进来，结果 也要输 出出去，因此还需要输入设备和输 出设备34大纲从算盘到ENIAC1通用计算机模型 2程序和程序设计语言 4处理器的工作原理 5性能问题 635指令集体系结构 3小结 7 指令集就是用来控制 计 算 机 系统 的 一套 命令的集合 指令集是有限集合 指令集中的每条指令都可以用 电路实 现 每 一 种处理器 在设
12、计时 就规 定了一 系列与硬件电路相配合的指令系统 指令集的先进与否，也关系到 处理器 的性能发挥，它也是处理器性能体 现的一 个重要标志指令集36 与其它电路系统不同的是，计算 机本质 上是 指令处理器，指令集体系结构(ISA) 是 计 算 机 的 灵 魂 ，是计算机硬件和软件 的接口指令集体系结构37 ISA(Instruction Set Architecture)是计算机硬件与底层软件之间的接口 ，它是 程序员为使一个二进制机器语言程 序正确 运行所需要了解的属性指令集体系结构38我们需要哪些指令 x(n)为输入信号， y(n) 为 输出信号 ，coefi为滤波器系数 处理器需要有加法
13、、乘法指令 算术逻辑运算指令 算术逻辑运算指令 还 包 括 逻 辑运 算 、移 位运算等 iiny n coef x n i01( ) ( )39我们需要哪些指令 除了进行计算，处理器还要能实 现循环，如上述计算循环了n 次 跳转指令可以实现循环 循环需要在一定的条件跳出，否 则就成了死循环，条件分支指令可 以实现该功能 跳 转、分支以及子程序调用与返 回等指令统称流程控制指令起点终点跳转回去顺序执行40 iiny n coef x n i01( ) ( )我们需要哪些指令 现代RISC处理器要求算术逻辑 运算的 操作数只能在寄存器中，因此运算 前数据 要由存储器装入(load) 寄存 器 中
14、， 运 算完 成 后 ，再由寄存器存储(store) 到 存 储器 中 实现存储器和寄存器间数据交 换的指 令称为 数据传送指令41 iiny n coef x n i01( ) ( )我们需要哪些指令 有了算术逻辑运算指令 、 数 据传 送 指令 、流程控制指令这3类指令 ， 处理 器 就 能够 完成各种复杂的计算42指令格式 指令以编码的形式如同数据一 样存放 在存储器中。一条指令一般由操作 码和操 作数地址码两部分组成 这些操作码和地址码被控制器 译码， 形成控制系统各部分的控制信号操作码 操作数地址码43指令集的例子 MIPS 指令集（三种指令） 例子 addi $s1, $s0, 1
15、 sw $s1, 8000($s0)44指令集体系结构的市场划分 虽然生产处理器的厂家很多， 但世上 却只有为数不多的指令集体系结构 ARM X86 PowerPC MIPS45ISA的地位 ISA背后是一个生态链，而不是一两家公司 发明一套新的ISA 并不难，难的是你要让别人接受你发明的ISA此路是我开，此树是我栽，要想打此过，留下买路财处理器程序ISA46大纲从算盘到ENIAC1通用计算机模型 2程序和程序设计语言 4处理器的工作原理 5性能问题 647指令集体系结构 3小结 7什么是计算机程序？ 计算机程序就是为实现特定目 标或解 决特定问题而用计算机程序设计语 言编写 的命令序列的集合
16、 程序是由命令序列组成的，它告 诉计算 机如 何完成一个具体的任务 由 于 现 在 的 计 算 机 还 不 能 理 解 人 类 的 自 然 语 言 ，所以还不能用自然语言编写计算 机程序48程序设计语言 程序设计语言，就是一组用来 定义计 算机程序的语法规则 程序设计语言能够让程序员准 确地定 义计算机所需要使用的数据，并精 确地定 义在不同情况下所应当采取的行动 在过去的几十年间，发明了大 量的程 序设计语言：C 、C+ 、BASIC 、FORTRAN 、COBAL 、Matlab 、49程序设计语言为 了 解 决 机器 语 言 编 写程序的困难 ， 用助记符 来 表 示 指令计算机的全部二
17、进制指令组成控制计算机运行的语言更进一步符合人的思维方式和表达方式的编程语言机器语言 汇编语言 高级语言50机器语言 MIPS 机器语言编写的Hello, World. 天啊，要这么编程序00111100000000010001000000000001001101000010010000000000000000000010010000000010000000000000010000000000000000000000000000001100001001000000001000000000000010100000000000000000000000000000110051汇编语言 用有意义的助记
18、符代替难以理 解和记 忆的指令字.textmain:la $a0, strli $v0, 4syscall # print stringli $v0, 10syscall # exit.data.align 2str:.asciiz Hello world.52汇编语言 汇编语言的助记符形式的指令必须翻译成机器语言二进制指令才能在计 算 机 上 执 行 ，实现这种翻译的程序称为 汇编器(assembler)汇编语言源程序机器语言程序汇编器0010000000001000000000000000000100100001000010000000000000000010101011000000100
19、00001111101000000addi $s1, $0, 1addi $s1, $s1, 2sw $s1, 8000($0) 53汇编语言 汇编语言与机器语言是一一对 应的， 所以汇编语言仍然太繁琐， 开 发 效率 仍 然十 分低下，程序的编写太困难，所 以54高级语言 更加符合人的习惯，与机器结 构无关#include int main(int argc, char *argv) printf(“Hello, world!n”);return 0;package test.hello;class Hello public static void main(String args) Sys
20、tem.out.println(“Hello, world!”); using namespace std;int main() cout Hello, world! endl;return 0;print Hello, world!55高级语言 不同的高级语言具有不同的语 法和风 格，适合于不同的应用领域 高级语言同样不能被计算机所 直接执 行，必须通过一个中间过程，可行 的中间 过程有编译和解释两种 编译（Compile ） ： 一 次 翻 译 ， 重 复 运 行 ， 效率更高 解释（Interpret ）：随执行随翻译， 更灵 活56大纲从算盘到ENIAC1通用计算机模型 2程序和程序设
21、计语言 4处理器的工作原理 5性能问题 657指令集体系结构 3小结 7处理器 处理器 是 计 算机 的 核心 ， 它执 行 算术 运 算、逻辑判断、控制存储器访问、 以及激 活I/O设备等操作 从设计角度看，处理器 包 含 两个 主 要的 组成部分： 数据通路 控制器58数据通路 数据通路有两种设计方法 ： 专用通路 总线 专用通路是源部件和目标部件 之间传 送数据的一组专用信号线 总线(bus) 是 多 个 源部 件 和多 个 目 标部 件 之间按分时复用的方式传送数据 的 一组 公用信号线59控制器 提供控制信号，指挥和控制计 算机所 有部件协调工作，从而使计算机能 够按照 程序规定的指
22、令执行次序，自动地 连续执 行指令60控制器与数据通路的关系32 位通用寄存器R0R31PCACIRMARMDRABCALU数据通路内存控制器控制信号 控 制 单 元输入控制器与数据通路的关系61计算机怎样执行程序问题：计算1+2=?MIPS 汇编语言程序62单总线MIPS 计算机器制控+4CPU写控制读控制.000800040000内存器码译址地控制信号控 制 信 号发 生器(ID) 指 令 译 码器(IR) 指 令 寄 存器CAALUR31R0寄存器通用位 32(PC) 程 序 计 数器(MAR) 内 存 地 址寄存器(MDR) 内 存 数 据寄存器内 部 总线 CPU63计算机怎样执行程
23、序addi $1, $0, 1取 指：T0CPU 内 部 总线内 存 数 据寄存器(MDR)内 存 地 址寄 存器(MAR)程 序 计 数器(PC)32位通用寄存器R0R31ALUAC指 令 寄 存器(IR)指 令 译 码器(ID)控 制 信 号发生器控制信号地址译码器内存000000040008.读控制写控制0 x200100010 x202100020 xac011f40CPU+400000000控制器64计算机怎样执行程序addi $1, $0, 1取指：T1CPU 内 部 总线内 存 数 据寄存器(MDR)内 存 地 址寄 存器(MAR)程 序 计 数器(PC)32位通用寄存器R0R3
24、1ALUAC地址译码器内存000000040008.读控制写控制CPU+4000400000 x200100010 x202100020 xac011f400 x20010001指 令 寄 存器(IR)指 令 译 码器(ID)控 制 信 号发生器控制信号控制器65计算机怎样执行程序addi $1, $0, 1取指：T2CPU 内 部 总线内 存 数 据寄存器(MDR)内 存 地 址寄 存器(MAR)程 序 计 数器(PC)32位通用寄存器R0R31ALUAC地址译码器内存000000040008.读控制写控制CPU+4000400000 x200100010 x202100020 xac011
25、f400 x20010001指 令 寄 存器(IR)指 令 译 码器(ID)控 制 信 号发生器控制信号控制器0 x2001000166计算机怎样执行程序addi $1, $0, 1译码：T3CPU 内 部 总线内 存 数 据寄存器(MDR)内 存 地 址寄 存器(MAR)程 序 计 数器(PC)32位通用寄存器R0R31ALUAC地址译码器内存000000040008.读控制写控制CPU+4000400000 x200100010 x202100020 xac011f400 x20010001指 令 寄 存器(IR)指 令 译 码器(ID)控 制 信 号发生器控制信号控制器0 x200100
26、0167计算机怎样执行程序addi $1, $0, 1执行：T4CPU 内 部 总线内 存 数 据寄存器(MDR)内 存 地 址寄 存器(MAR)程 序 计 数器(PC)32位通用寄存器R0R31ALUAC地址译码器内存000000040008.读控制写控制CPU+4000400000 x200100010 x202100020 xac011f400 x2001000100指 令 寄 存器(IR)指 令 译 码器(ID)控 制 信 号发生器控制信号控制器0 x2001000168计算机怎样执行程序addi $1, $0, 1执行：T5CPU 内 部 总线内 存 数 据寄存器(MDR)内 存 地
27、 址寄 存器(MAR)程 序 计 数器(PC)32位通用寄存器R0R31ALUAC地址译码器内存000000040008.读控制写控制CPU+4000400000 x200100010 x202100020 xac011f400 x20010001011指 令 寄 存器(IR)指 令 译 码器(ID)控 制 信 号发生器控制信号控制器0 x2001000169计算机怎样执行程序addi $1, $0, 1执行：T6CPU 内 部 总线内 存 数 据寄存器(MDR)内 存 地 址寄 存器(MAR)程 序 计 数器(PC)32位通用寄存器R0R31ALUAC地址译码器内存000000040008.
28、读控制写控制CPU+4000400000 x200100010 x202100020 xac011f400 x20010001011指 令 寄 存器(IR)指 令 译 码器(ID)控 制 信 号发生器控制信号控制器0 x2001000170处理器 处理器是一个复杂的数字系统 ： ALU实现算术和 逻 辑 运 算 数据通路由处理器内部的各 种连线 和各种辅助性质的寄存器组成 控制器提供控制信号，指挥 和控制 计算机所有部件协调工作 ALU一般由组合逻辑电路 实现、 数据通路和控制器既包含组合逻辑电路 ，也包 含时序逻辑电路71大纲从算盘到ENIAC1通用计算机模型 2程序和程序设计语言 4处理器
29、的工作原理 5性能问题 672指令集体系结构 3小结 7更快更强 处理器的性能对于计算机来讲 至关重 要 让处理器变得 更 快 更 强 大 成 为贯 穿 计算 机发展史的重要目标 ENIAC ： 5000次加法/ 秒 中国国防科技大学的“天河二号 ”超级 计算 机(Top 1 ，2014) ：33.86PFlop/s 不到70年间，7千万亿倍 的 计 算 速 度 差 距 ， 处理器的发展功不可没 怎样提高处理器的性能呢？73处理器性能 对计算机性能进行比较时，最 基本的 标准就是时间标准 执 行 同 样的 程 序 所需 时间最短的计算机就是最好的计 算机74处理器性能公式P I CPI T执行
30、一个程序所花费的时间程序所需执行的总指令数每条指令执行的平均周期数以毫秒 或纳秒计 的时钟周期75影响计算机性能的因素76P I CPI T影响因素 影响算法 I 、CPI程序设计语言 I 、CPI编译器 I 、CPIISA I 、CPI 、T硬件实现 CPI 、T提高性能的常见手段减小T 值减小CPI 值减小I 值增强指令集中指令的能力，减小一个程序需要执行的指令数目采用各种技术手段提高处理器的 主频，减小一个时钟周期的时间增加指令执行的并行程度，减小CPI77提高性能的常见手段 但是，公式中的三项并不是相 互独立 的，它们之间有着复杂的联系，减 少三项 中的任意一项都有可能增加其他两 项P
31、 I CPI T 一些技术可以在保持其他两项 不变的 前提下减少其中的一项： 采用优化编译技术，在目标代码 中消除 冗余 代码，可以减少指令数，但是并不 提高CPI和时钟周期 采用快速电路技术 或 更 为 先 进 的 结 构 减 少 信 号传输延迟，可以减少时钟周期， 但是并 不提 高CPI和指令数提高计算机性能的途径快速电路技术新的设计速度更快面积不变三总线结构 减少CPI 并不提高T 和I81B BusMemory Bus器存储CBAALUMDRMARPCIRA BusC BusR31R0FileRegister专用通路结构 单周期MIPS 处理器 CPI=1 潜在地增加T82流水线 流水
32、线：提高处理器性能的基 本途径83流水线带来的性能改进 N级流水线 性能分析： 每个周期做1/N的工作，时间也是 整个 指令的1/N 每个周期有一条指令完成执行 性能提高N 倍1 2 3 N 1 2 3 N 1 2 3 N 1 2 3 N 84超流水线8086 80486 Pentium III Pentium 485超标量与流水线 一条流水线不够用，那就多条 吧 超标量流水线结构 可是，问题在于1 2 3 N 1 2 3 N 1 2 3 N 1 2 3 N 1 2 3 N 1 2 3 N 1 2 3 N 1 2 3 N 86指令的相关性 指令之间的相关性造成流水线中 的竞争 现象87add
33、、sw 能 得 到 正确 的 结果and 、or将得到错误的结果当流水线“流”不起来原因条件转移指令之间的依赖性指令/数据无法供应对策转移预测转发、乱序执行Cache88转移预测 静态预测 动态预测 “历史记录”法 转移预测缓冲（BTB ） 转移延迟转移预测和猜测执 行NN NTTT TNTTNNNTNT说明：T转移取N 转 移 不取NN 前 两 次转移不取NT 前 两 次转移不取 、取TN 前 两 次转移取 、不取TT 前 两次转移取除NN 预 测 不转移外 ， 其它情况均预测转移 。89转发90sub的结果在第3周期末产生，而and 、or 进入EX 段是在第4和第5周期所以只要该结果产生
34、之后直接转发(forwarding) 给需要它的指令，就可以避免流水线的停顿乱序执行乱序执行I-Cache译码/ 转移处理重排序缓冲器功能流水线指令流指令流指令流改变处理器状态功能流水线功能流水线按序进入按序退出乱序执行91 请A 、B 、C三个名人为晚会题写横幅“春节联欢晚会”六个大字，每人各写两个 字， 怎么写 ？存储器拖后腿了 原理：局域性 80386：板上Cache 支持 ；80486 ：片 上CacheCache ！ 80486 ：多级CacheCache 不命中时？ Pentium ：I/D-CacheCache 又成瓶颈 Cache 预取技术，Trace Cache进一步提高AB
35、CDEI-CacheA B C D ETrace Cache92光Cache恐怕还不够吧ISAPCIFSBHyperTransport/QPI总线93CPU的未来 Moores Law ： 三种版本 1、集成电路芯片上所集成的电路的数目每隔18个月就翻一番 2、微处理器的性能每隔18个月提高一倍，而价格下降一倍。 3、用一个美元所能买到的电脑性能，每隔18个月翻两番。 从1965年提出至今，摩尔定律支配了微电子与计算机技术40余年，什么时候是摩尔定律的终结？还是会有其他的技术、其他的定律替代摩尔定律？ 多核技术的发展带来新的挑战： 多少个核心够用？多核对系统中其它部分带来的挑战？ 多核/众核时代如何编程？ 新 的 体 系 结 构 是 否 会 带 来 程 序 模 型 的 根 本 性 变 化 ？94大纲从算盘到ENIAC1通用计算机模型 2程序和程序设计语言 4处理器的工作原理 5性能问题 695指令集体系结构 3小结 7小结96计算机系统程序处理器系统通信语音图像网络ISA与课程的关系 核心课 程序设计语言 数字逻辑与处理器基础 限 选课 数字系统设计（偏重处理器+IO ） 计算机体系结构（偏重多核）97谢谢！98
