Computer Organization
and Logic design
COS3602
Architecture & Organization 1
Architecture is those attributes visible to the
programmer
Instruction set, number of bits used for data
representation, I/O mechanisms, addressing
techniques.
e.g. Is there a multiply instruction?
Organization is how features are implemented
Control signals, interfaces, memory technology.
e.g. Is there a hardware multiply unit or is it done by
repeated addition?
Structure & Function
Structure is the way in which components
relate to each other
Function is the operation of individual
components as part of the structure
Function
All computer functions are:
Data processing
Data storage
Data movement
Control
Functional view
Functional view of a computer
Data
Storage
Facility
Data
Movement
Apparatus
Control
Mechanism
Data
Processing
Facility
Operations (1)
Data movement
e.g. keyboard to screen
Data
Movement
Apparatus
Data
Storage
Facility
Control
Mechanism
Data
Processing
Facility
Operations (2)
Storage
e.g. Internet download to disk
Data
Movement
Apparatus
Data
Storage
Facility
Control
Mechanism
Data
Processing
Facility
Operation (3)
Processing from/to storage
e.g. updating bank statement
Data
Movement
Apparatus
Data
Storage
Facility
Control
Mechanism
Data
Processing
Facility
Operation (4)
Processing from storage to I/O
e.g. printing a bank statement
Data
Movement
Apparatus
Data
Storage
Facility
Control
Mechanism
Data
Processing
Facility
Structure - Top Level
Peripherals
Computer
Central
Processing
Unit
Computer
Systems
Interconnection
Input
Output
Communication
lines
Main
Memory
Structure - The CPU
CPU
Computer
Arithmetic
and
Login Unit
Registers
I/O
System
Bus
Memory
CPU
Internal CPU
Interconnection
Control
Unit
Structure - The Control Unit
Control Unit
CPU
Sequencing
Login
ALU
Internal
Bus
Registers
Control
Unit
Control Unit
Registers and
Decoders
Control
Memory
Computer Architecture is the design of
computer , including their instruction sets,
hardware components, and system
organization. The computer architecture
consists of two parts;
• Instruction set architecture (ISA)
• Hardware system architecture (HAS)
• The instruction set architecture : เป็ น
การแสดงรายละเอียด Software/Hardware ที่
้
ื่ มต่อทีอ
ใชในการเช
อ
่ ยูใ่ นระดับภาษาเครือ
่ งที่
โปรแกรมเมอร์มองเห็นได ้ รวมถึง
• The instruction set
• The instruction formats
• The available addressing techniques
• The format of the available data types
• The Operational register set and usage
The hardware system architecture :
บางครัง้ ก็อ ้างถึงโครงสร ้างทางคอมพิวเตอร์ เป็ น
แนวคิดถึงฮาร์ดแวร์หลักของคอมพิวเตอร์รวมถึง
CPU , Memory , และ I/O devices สว่ นของ
Hardware system architecture รวมทัง้ logical
design และ data flow organization ของระบบ
ิ ธิภาพการทางานของ
ย่อยฮาร์ดแวร์ตา่ งๆและประสท
ระบบคอมพิวเตอร์ เราจะพิจารณาดังนี้
• เทคโนโลยี
• ความเร็ว
• ราคา ฯลฯ
Computational Models
Two primary computational models
Von Neumann Model
System Bus Model
The Von Neumann Model consists of five major
subsystems (input, output, control, arithmetic,
memory)
The System Bus Model streamlines this into three
subsystems (CPU, memory, IO)
Von Neumann Model
Memory Unit
Data Path
Input Unit
Arithmetic and
Logic Unit (ALU)
Control Unit
Control Path
Output Unit
System Bus Model
CPU (ALU,
Registers,
and Control)
Memory
Input and
Output
Data Bus
Address Bus
Control Bus
Computational Models
Consider the implications of these alternative
designs
Design 1: Central processor with special cabling to
specialized devices
Design 2: Multi-bus with common parsing of data
and control packets for device-ids
Introduction to Computer Architecture
History
Computational Models
>> Levels of the Machine
Computer System Metaphor
Levels of the Machine
1. Individual electrical components
Transistors
Resisters
Capacitors
2. Circuit boards
3. Specialized devices
Power supply
Cooling fan
Levels of the Machine
4. Specialized components
Graphics accelerator
Memory banks
5. Mother board
CPU
Battery
Plug-in expansion card slots
Specialized components
Connector for power supply
Levels of the Machine
6.
7.
8.
9.
Operating system and device drivers
Machine language
Compilers and interpreters
High-level languages
Java
C++
Visual Basic
Microsoft Excel (?)
Levels of the Machine
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
Single-user applications
Network components and software
Multi-user centralized applications
Internet connection devices and s/w
Internet utilities (global / specific)
Web connection devices and s/w
Web utilities (global / general)
Introduction to Computer Architecture
History
Computational Models
Levels of the Machine
>> Computer System
Typical Computer System
 Hard Disk
 Floppy Disk
 Tape Backup
 Random Access Memory
 Central Processing Unit
 Graphics Accelerator Card
 Keyboard
 Monitor
 Printer
Computer System
The intent of the following slides is to remind
us to ask, when studying any computer
component,
“What problem is this intended to solve?”
Digital Computers
Computer Structure
Digital Computers
 Basic Structure
memory unit: stores programs, input, output, data
processor unit: performs arithmetic and other data-processing
operations, as specified by the program
control unit: supervises the flow of information between units
(CPU = control unit + data path)
input device: key board
output device: CRT, LCD
 More
FPU (floating-point unit)
MMU (memory management unit)
(Memory: MMU + internal cache + external cache + RAM)
Classification of Computer
Architectures
Von Neumann Machine
้ น
ระบบคอมพิวเตอร์ทส
ี่ ร ้างขึน
้ มาโดยใชพื
้ ฐานการ
พัฒนามาจาก John von nuemenn ผู ้ทีอ
่ อกแบบ
ระบบคอมพิวเตอร์ IAS ( Institute for Advanced
Studies) คอมพิวเตอร์ ที่ Princeton University
in the 1940’s
Von Neumann Machine
สถาปั ตยกรรมของ Von nuemann มีคณ
ุ สมบัต ิ
ดังนี้
• มีระบบฮาร์ดแวร์พน
ื้ ฐาน 3 ชนิดคือ
• CPU
• Main memory
• I/O system
• โปรแกรมและข ้อมูลจะจัดเก็บไว ้ใน
หน่วยความจา
•โปรแกรมและข ้อมูลจะจัดเก็บไว ้ในหน่วยความจา
้
หมายความว่าชุดคาสงั่ ทีใ่ ชในการจั
ดการข ้อมูลจะ
อยูใ่ นหน่วยความจาเดียวกัน
้ กซ ค
ี วิ สจ
์ ะทางานเรียงตามลาดับ
• ชุดคาสงั่ ทีใ่ ชเอ็
ยกเว ้นคาสงั่ ข ้ามการทางาน
• จะมีทางผ่านข ้อมูลทางเดียวระหว่าง
หน่วยความจากับหน่วยควบคุมของ CPU จะทาให ้
ิ ธิภาพการทางานเป็ นแบบ Bottleneck
ประสท
The major subsystems within the CPU are:
•The control unit (CU)
• The arithmetic and logic unit (ALU)
• A register set
Von Neumann Model
 Input Unit
Memory
Unit
Input Unit
Arithemtic
and Logical
Unit (ALU)
Control Unit
 Provides
instructions
and data to
system
Output Unit
Von Neumann Model
 Output Unit
Memory
Unit
Input Unit
Arithemtic
and Logical
Unit (ALU)
Control Unit
 Returns data
from system
Output Unit
Von Neumann Model
 Memory
Memory
Unit
Input Unit
Arithemtic
and Logical
Unit (ALU)
Control Unit
 Storage for
instructions
and data
Output Unit
Von Neumann Model
 ALU
Memory
Unit
Input Unit
Arithemtic
and Logical
Unit (ALU)
Control Unit
 Processes
data
Output Unit
Von Neumann Model
 Control Unit
Memory
Unit
Input Unit
Arithemtic
and Logical
Unit (ALU)
Control
Unit
 Directs
processing
Output Unit
Von Neumann Model
 CPU
Memory
Unit
CPU
Input Unit
Arithemtic
and Logical
Unit (ALU)
Control
Unit
Output Unit
 ALU and
Control Unit
combined
System Bus Model
Memory
Input &
Output
(I/O)
System Bus
CPU (ALU,
Registers,
& Control)
Data Bus
Address Bus
Control Bus
 Streamlined version of von Nuemann model
 Data Bus
 Address Bus
 Control Bus
 Power Bus (optional)
System Bus Model
System Bus
CPU (ALU,
Registers,
& Control)
Memory
Input &
Output
(I/O)
Data Bus
Address Bus
Control Bus
 Data Bus
Carries the information being transmitted
Sometimes implemented as data-in and data-out buses
System Bus Model
Memory
Input &
Output
(I/O)
System Bus
CPU (ALU,
Registers,
& Control)
Data Bus
Address Bus
Control Bus
 Address Bus
Identifies where the information is being sent
“Memory” address identifies read/write location
System Bus Model
System Bus
CPU (ALU,
Registers,
& Control)
Memory
Input &
Output
(I/O)
Data Bus
Address Bus
Control Bus
 Control Bus
Describes aspects of how the information is being sent, & in
what manner