計(jì)算機(jī)組成原理復(fù)習(xí)

1、 1.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介計(jì)算機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)介 1.4 本書結(jié)構(gòu)本書結(jié)構(gòu) 1.3 計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo) 1.2 計(jì)算機(jī)的基本組成計(jì)算機(jī)的基本組成 由具有各類特殊功能由具有各類特殊功能 的信息（程序）組成的信息（程序）組成 1. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)的實(shí)體，計(jì)算機(jī)的實(shí)體， 如主機(jī)、外設(shè)等如主機(jī)、外設(shè)等 一、一、 計(jì)算機(jī)的軟硬件概念計(jì)算機(jī)的軟硬件概念 硬件硬件 軟件軟件 1. 計(jì)算機(jī)由五大部件組成計(jì)算機(jī)由五大部件組成 3. 指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示指令和數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示 4. 指令由操作碼和地址碼組成指令由操作碼和地址碼組成 6. 以運(yùn)算器為中心以運(yùn)

2、算器為中心 2. 指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲(chǔ)器，指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲(chǔ)器， 可按地址尋訪可按地址尋訪 5. 存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序 一、馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn) 5. 存儲(chǔ)程序存儲(chǔ)程序 存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體 大樓大樓 存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元 存放一串二進(jìn)制代碼存放一串二進(jìn)制代碼 存儲(chǔ)字存儲(chǔ)字 存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的組合存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的組合 存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng) 存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù)存儲(chǔ)單元中二進(jìn)制代碼的位數(shù) 每個(gè)存儲(chǔ)單元賦予一個(gè)地址號(hào)每個(gè)存儲(chǔ)單元賦予一個(gè)地址號(hào) 按地址尋訪按地址尋訪 存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元 存儲(chǔ)元件存儲(chǔ)元件 （0/1） 房間房間 床位床位（無人 （無人/ / 有人）有人）

3、 ( (1) )存儲(chǔ)器的基本組成存儲(chǔ)器的基本組成 MDR 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體 MAR 2. .計(jì)算機(jī)的解題過程計(jì)算機(jī)的解題過程 MAR MDR 存儲(chǔ)器地址寄存器存儲(chǔ)器地址寄存器, ,反映存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)反映存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù) 存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器, ,反映存儲(chǔ)字長(zhǎng)反映存儲(chǔ)字長(zhǎng) ( (1) )存儲(chǔ)器的基本組成存儲(chǔ)器的基本組成 ( (2) )控制器的基本組成控制器的基本組成 取指令取指令 分析指令分析指令 執(zhí)行指令執(zhí)行指令 PC IR CU 取指取指 執(zhí)行執(zhí)行 PC 存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址，存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址， IR 存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令存放當(dāng)前欲執(zhí)行的指令 訪存訪存 訪

4、存訪存 完成完成 一條一條 指令指令 CU 控制單元控制單元 1. .機(jī)器字長(zhǎng)機(jī)器字長(zhǎng) 2. .運(yùn)算速度運(yùn)算速度 CPU 一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù) 與與 CPU 中的中的 寄存器位數(shù)寄存器位數(shù) 有關(guān)有關(guān) = = n i = =1 fi tiTM吉普森法吉普森法 主頻主頻 每秒執(zhí)行百萬條指令每秒執(zhí)行百萬條指令MIPS 執(zhí)行一條指令所需時(shí)鐘周期數(shù)執(zhí)行一條指令所需時(shí)鐘周期數(shù) CPI 每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)FLOPS 221 = = 256 KB 2 13 = = 1 KB 如如 3. .存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量 主存容量主存容量 輔存容量輔存容量 存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù) 存儲(chǔ)字長(zhǎng)

5、存儲(chǔ)字長(zhǎng) 字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù) 字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù) 80 GB 如如 MAR MDR 容量容量 10 8 16 32 存放二進(jìn)制信息的總位數(shù)存放二進(jìn)制信息的總位數(shù) 1K = 210 1B = 23b 1GB = 230b 1 K 8位位 64 K 32位位 3.1 總線的基本概念總線的基本概念 3.2 總線的分類總線的分類 3.3 總線特性及性能指標(biāo)總線特性及性能指標(biāo) 3.4 總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu) 3.5 總線控制總線控制 一、什么是總線一、什么是總線 總線是連接各個(gè)部件的信息傳輸線，是總線是連接各個(gè)部件的信息傳輸線，是 各個(gè)部件共各個(gè)部件共 享的傳輸介質(zhì)。享的傳輸介質(zhì)。 二、總線的特點(diǎn)二、總線的特點(diǎn) 在任何時(shí)

6、刻，只允許有一個(gè)部件向總線發(fā)送信息，在任何時(shí)刻，只允許有一個(gè)部件向總線發(fā)送信息， 而多個(gè)部件可以同時(shí)從總線上接收相同的信息。而多個(gè)部件可以同時(shí)從總線上接收相同的信息。 1. .片內(nèi)總線片內(nèi)總線 2. .系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 芯片內(nèi)部芯片內(nèi)部 的總線的總線 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 地址總線地址總線 控制總線控制總線 雙向雙向 與機(jī)器字長(zhǎng)、存儲(chǔ)字長(zhǎng)有關(guān)與機(jī)器字長(zhǎng)、存儲(chǔ)字長(zhǎng)有關(guān) 單向單向 與存儲(chǔ)地址、與存儲(chǔ)地址、 I/O地址有關(guān)地址有關(guān) 有出有出 有入有入 計(jì)算機(jī)各部件之間計(jì)算機(jī)各部件之間 的信息傳輸線的信息傳輸線 存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫存儲(chǔ)器讀、存儲(chǔ)器寫 總線允許、中斷確認(rèn)總線允許、中斷確認(rèn) 中斷請(qǐng)求、總線請(qǐng)求

7、中斷請(qǐng)求、總線請(qǐng)求 3. .通信總線通信總線 串行通信總線串行通信總線 并行通信總線并行通信總線 傳輸方式傳輸方式 用于用于 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間 或或 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 與其他系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如控制儀表、移動(dòng)通信等）（如控制儀表、移動(dòng)通信等） 之間的通信之間的通信 1. 機(jī)械特性機(jī)械特性 2. 電氣特性電氣特性 3. 功能特性功能特性 4. 時(shí)間特性時(shí)間特性 二、總線特性二、總線特性 尺寸尺寸、形狀、形狀、管腳數(shù)管腳數(shù)及及排列順序排列順序 傳輸方向傳輸方向 和有效的和有效的 電平電平 范圍范圍 每根傳輸線的每根傳輸線的 功能功能 信號(hào)的信號(hào)的 時(shí)序時(shí)序 關(guān)系關(guān)系 地址地址 數(shù)據(jù)數(shù)

8、據(jù) 控制控制 三、總線的性能指標(biāo)三、總線的性能指標(biāo) 1. 總線寬度總線寬度 2. 總線帶寬總線帶寬 3. 時(shí)鐘同步時(shí)鐘同步/異步異步 4. 總線復(fù)用總線復(fù)用 5. 信號(hào)線數(shù)信號(hào)線數(shù) 6. 總線控制方式總線控制方式 7. 其他指標(biāo)其他指標(biāo) 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 的根數(shù)的根數(shù) 每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)（每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)（MBps） 同步同步、不同步不同步 地址線地址線 與與 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 復(fù)用復(fù)用 地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的 總和總和 負(fù)載能力負(fù)載能力 并發(fā)、自動(dòng)、仲裁、邏輯、計(jì)數(shù)并發(fā)、自動(dòng)、仲裁、邏輯、計(jì)數(shù) 一、總線判優(yōu)控制一、總線判優(yōu)控制 總線判優(yōu)控制總線判優(yōu)控制 分布式分布式

9、集中式集中式 主設(shè)備主設(shè)備(模塊模塊)對(duì)總線有對(duì)總線有 控制權(quán)控制權(quán) 從設(shè)備從設(shè)備(模塊模塊)響應(yīng)響應(yīng) 從主設(shè)備發(fā)來的總線命令從主設(shè)備發(fā)來的總線命令 1. 基本概念基本概念 鏈?zhǔn)讲樵冩準(zhǔn)讲樵?計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢 獨(dú)立請(qǐng)求方式獨(dú)立請(qǐng)求方式 1. 鏈?zhǔn)讲樵兎绞芥準(zhǔn)讲樵兎绞?特點(diǎn)：容易擴(kuò)充，對(duì)電路故障敏感特點(diǎn)：容易擴(kuò)充，對(duì)電路故障敏感 2. 計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式 特點(diǎn)：優(yōu)先級(jí)可以改變，使用總線機(jī)會(huì)均特點(diǎn)：優(yōu)先級(jí)可以改變，使用總線機(jī)會(huì)均 等等 3. 獨(dú)立請(qǐng)求方式獨(dú)立請(qǐng)求方式 特點(diǎn)：響應(yīng)速度快，優(yōu)先次序控制靈活特點(diǎn)：響應(yīng)速度快，優(yōu)先次序控制靈活 二、總線通信控制二、總線通信控制

10、 1. 目的目的 2. 總線傳輸周期總線傳輸周期 主模塊申請(qǐng)主模塊申請(qǐng)，總線仲裁決定，總線仲裁決定 主模塊向從模塊主模塊向從模塊 給出地址給出地址 和和 命令命令 主模塊和從模塊主模塊和從模塊 交換數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù) 主模塊主模塊 撤消有關(guān)信息撤消有關(guān)信息 申請(qǐng)分配階段申請(qǐng)分配階段 尋址階段尋址階段 傳數(shù)階段傳數(shù)階段 結(jié)束階段結(jié)束階段 解決通信雙方解決通信雙方 協(xié)調(diào)配合協(xié)調(diào)配合 問題問題 由由 統(tǒng)一時(shí)標(biāo)統(tǒng)一時(shí)標(biāo) 控制數(shù)據(jù)傳送控制數(shù)據(jù)傳送 充分充分 挖掘挖掘 系統(tǒng)系統(tǒng) 總線每個(gè)瞬間總線每個(gè)瞬間 的的 潛力潛力 同步通信同步通信 異步通信異步通信 半同步通信半同步通信 分離式通信分離式通信 3. 總線通

11、信的四種方式總線通信的四種方式 采用采用 應(yīng)答方式應(yīng)答方式 ，沒有公共時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn)，沒有公共時(shí)鐘標(biāo)準(zhǔn) 同步同步、異步結(jié)合異步結(jié)合 4.1 概述概述 4.2 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器 4.3 高速緩沖存儲(chǔ)器高速緩沖存儲(chǔ)器 4.4 輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器 一、存儲(chǔ)器分類一、存儲(chǔ)器分類 1. 按存儲(chǔ)介質(zhì)分類按存儲(chǔ)介質(zhì)分類 (1) 半導(dǎo)體存儲(chǔ)器半導(dǎo)體存儲(chǔ)器 (2) 磁表面存儲(chǔ)器磁表面存儲(chǔ)器 (3) 磁芯存儲(chǔ)器磁芯存儲(chǔ)器 (4) 光盤存儲(chǔ)器光盤存儲(chǔ)器 易失易失TTL 、MOS 磁頭、載磁體磁頭、載磁體 硬磁材料、環(huán)狀元件硬磁材料、環(huán)狀元件 激光、磁光材料激光、磁光材料 非非 易易 失失 (1) 存取時(shí)間與物理地址無關(guān)

12、（隨機(jī)訪問）存取時(shí)間與物理地址無關(guān)（隨機(jī)訪問） 順序存取存儲(chǔ)器順序存取存儲(chǔ)器 磁帶磁帶 2. 按存取方式分類按存取方式分類 (2) 存取時(shí)間與物理地址有關(guān)（串行訪問）存取時(shí)間與物理地址有關(guān)（串行訪問） 隨機(jī)存儲(chǔ)器隨機(jī)存儲(chǔ)器 只讀存儲(chǔ)器只讀存儲(chǔ)器 直接存取存儲(chǔ)器直接存取存儲(chǔ)器 磁盤磁盤 在程序的執(zhí)行過程中在程序的執(zhí)行過程中 可可 讀讀 可可 寫寫 在程序的執(zhí)行過程中在程序的執(zhí)行過程中 只只 讀讀 磁盤、磁帶、光盤磁盤、磁帶、光盤 高速緩沖存儲(chǔ)器（高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache） Flash Memory 存存 儲(chǔ)儲(chǔ) 器器 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器 輔助存儲(chǔ)器輔助存儲(chǔ)器 MROM PROM EPROM EEP

13、ROM RAM ROM 靜態(tài)靜態(tài) RAM 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài) RAM 3. 按在計(jì)算機(jī)中的作用分類按在計(jì)算機(jī)中的作用分類 高高 低低 小小 大大 快快 慢慢 輔存輔存 寄存器寄存器 緩存緩存 主存主存 磁盤磁盤 光盤光盤 磁帶磁帶 光盤光盤 磁帶磁帶 速度速度容量容量 價(jià)格價(jià)格 位位 1. 存儲(chǔ)器三個(gè)主要特性的關(guān)系存儲(chǔ)器三個(gè)主要特性的關(guān)系 二、存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)二、存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu) CPU CPU 主機(jī)主機(jī) 緩存緩存CPU主存主存輔存輔存 2. 緩存緩存 主存層次和主存主存層次和主存 輔存層次輔存層次 緩存緩存主存主存輔存輔存主存主存 虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器 10 ns20 ns200 nsms 虛地址虛地

14、址 邏輯地址邏輯地址 實(shí)地址實(shí)地址 物理地址物理地址 主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器 （速度）（速度）（容量）（容量） 一、概述一、概述 1. 主存的基本組成主存的基本組成 存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體 驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器 譯碼器譯碼器 MAR 控制電路控制電路 讀讀 寫寫 電電 路路 MDR 地址總線地址總線 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 讀讀寫寫 2. 主存和主存和 CPU 的聯(lián)系的聯(lián)系 MDR MAR CPU主主 存存 讀讀 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 地址總線地址總線 寫寫 設(shè)地址線設(shè)地址線 24 根根按按 字節(jié)字節(jié) 尋址尋址 按按 字字 尋址尋址若字長(zhǎng)為若字長(zhǎng)為 16 位位 按按 字字 尋址尋址若字長(zhǎng)為若字長(zhǎng)為 32 位位 3. 主存中存儲(chǔ)

15、單元地址的分配主存中存儲(chǔ)單元地址的分配 224 = 16 M 8 M 4 M 尋址范圍：尋址范圍： (2) 存儲(chǔ)速度存儲(chǔ)速度 4. 主存的技術(shù)指標(biāo)主存的技術(shù)指標(biāo) (1) 存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量 (3) 存儲(chǔ)器的帶寬存儲(chǔ)器的帶寬 主存主存 存放二進(jìn)制代碼的總位數(shù)存放二進(jìn)制代碼的總位數(shù) 讀出時(shí)間讀出時(shí)間 寫入時(shí)間寫入時(shí)間 存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器的 訪問時(shí)間訪問時(shí)間 存取時(shí)間存取時(shí)間 存取周期存取周期 讀周期讀周期 寫周期寫周期 連續(xù)兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)器操作連續(xù)兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)器操作 （讀或?qū)懀┧璧模ㄗx或?qū)懀┧璧?最小間隔時(shí)間最小間隔時(shí)間 位位/秒秒 芯片容量芯片容量 二、半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片簡(jiǎn)介二、半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片簡(jiǎn)介

16、1. 半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片的基本結(jié)構(gòu) 譯譯 碼碼 驅(qū)驅(qū) 動(dòng)動(dòng) 存存 儲(chǔ)儲(chǔ) 矩矩 陣陣 讀讀 寫寫 電電 路路 1K4位位 16K1位位 8K8位位 片選線片選線 讀讀/寫控制線寫控制線 地地 址址 線線 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 線線 地址線地址線（單向）（單向）數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線（雙向）（雙向） 104 141 138 二、半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片簡(jiǎn)介二、半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片簡(jiǎn)介 1. 半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片的基本結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片的基本結(jié)構(gòu) 譯譯 碼碼 驅(qū)驅(qū) 動(dòng)動(dòng) 存存 儲(chǔ)儲(chǔ) 矩矩 陣陣 讀讀 寫寫 電電 路路 片選線片選線 讀讀/寫控制線寫控制線 地地 址址 線線 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 線線 片選線片選線 讀讀/寫控制線寫

17、控制線（低電平寫（低電平寫 高電平讀）高電平讀） （允許讀）（允許讀） CSCE WE （允許寫）（允許寫）WEOE 存儲(chǔ)芯片構(gòu)成存儲(chǔ)器存儲(chǔ)芯片構(gòu)成存儲(chǔ)器 用用 16K 1位位 的存儲(chǔ)芯片組成的存儲(chǔ)芯片組成 64K 8位位 的存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器 32片片 （6464K K 8 8 ）（ 16K 16K 1 1）=32=32片片 (1) 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài) RAM 2. 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài) RAM ( DRAM ) 采用電容存儲(chǔ)電荷來表示信息，所以必須采用電容存儲(chǔ)電荷來表示信息，所以必須 刷新才能保持信息。刷新才能保持信息。 刷新的周期為刷新的周期為2ms (4) 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài) RAM 刷新刷新 集中刷新集中刷新（ 存在存

18、在“死區(qū)死區(qū)” ） 分散刷新分散刷新（無無 “死區(qū)死區(qū)” ） 分散刷新與集中刷新相結(jié)合（異步刷新）分散刷新與集中刷新相結(jié)合（異步刷新） （ “死區(qū)死區(qū)”很短很短 ） 3. 動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài) RAM 和靜態(tài)和靜態(tài) RAM 的比較的比較 DRAMSRAM 存儲(chǔ)原理存儲(chǔ)原理 集成度集成度 芯片引腳芯片引腳 功耗功耗 價(jià)格價(jià)格 速度速度 刷新刷新 電容電容觸發(fā)器觸發(fā)器 高高低低 少少多多 小小大大 低低高高 慢慢快快 有有無無 主存主存 緩存緩存 四、只讀存儲(chǔ)器（四、只讀存儲(chǔ)器（ROM） 1. 掩模掩模 ROM ( MROM ) 2. PROM (一次性編程一次性編程) 3. EPROM (多次性編程多次性編

19、程 ) 4. EEPROM (多次性編程多次性編程 ) 用用 1K 4位位 存儲(chǔ)芯片組成存儲(chǔ)芯片組成 1K 8位位 的存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器？片？片 五、存儲(chǔ)器與五、存儲(chǔ)器與 CPU 的連接的連接 1. 存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展存儲(chǔ)器容量的擴(kuò)展 (1) 位擴(kuò)展位擴(kuò)展（增加存儲(chǔ)字長(zhǎng)）（增加存儲(chǔ)字長(zhǎng)） 10根地址線根地址線 8根數(shù)據(jù)線根數(shù)據(jù)線 D D D 0 4 7 9 A A 0 21142114 CS WE 2片片 (2) 字?jǐn)U展（增加存儲(chǔ)字的數(shù)量）字?jǐn)U展（增加存儲(chǔ)字的數(shù)量） 用用 1K 8位位 存儲(chǔ)芯片組成存儲(chǔ)芯片組成 2K 8位位 的存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器 11根地址線根地址線 8根數(shù)據(jù)線根數(shù)據(jù)線 ？片？片2片片

20、 1K 8 8位位1K 8 8位位 D7 D0 WE A1 A0 A9 CS0 A10 1 CS1 (3) 字、位擴(kuò)展字、位擴(kuò)展 用用 1K 4位位 存儲(chǔ)芯片組成存儲(chǔ)芯片組成 4K 8位位 的存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器 8根數(shù)據(jù)線根數(shù)據(jù)線 12根地址線根地址線 WE A8 A9 A0 . D7 D0 A11 A10 CS0CS1CS2CS3 片選片選 譯碼譯碼 1K41K41K41K41K41K41K41K4 ？片？片8片片 2. 存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器與 CPU 的連接的連接 (1) 地址線的連接地址線的連接 (2) 數(shù)據(jù)線的連接數(shù)據(jù)線的連接 (3) 讀讀/寫命令線的連接寫命令線的連接 (4) 片選線的連接片選

21、線的連接 (5) 合理選擇存儲(chǔ)芯片合理選擇存儲(chǔ)芯片 (6) 其他其他 時(shí)序、負(fù)載時(shí)序、負(fù)載 l地址線的連接：地址線的連接：CPU的地址線數(shù)一般比的地址線數(shù)一般比 存儲(chǔ)芯片的地址線數(shù)要多，通常將存儲(chǔ)芯片的地址線數(shù)要多，通常將CPU 地址線的低位與存儲(chǔ)芯片的地址線相連，地址線的低位與存儲(chǔ)芯片的地址線相連， 而高位可作存儲(chǔ)芯片擴(kuò)充用或者其他如而高位可作存儲(chǔ)芯片擴(kuò)充用或者其他如 片選信號(hào)等。片選信號(hào)等。 l數(shù)據(jù)線的連接：數(shù)據(jù)線的連接：CPU的數(shù)據(jù)線數(shù)與存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)線數(shù)與存儲(chǔ) 芯片的數(shù)據(jù)線數(shù)不一定相等，必須對(duì)存芯片的數(shù)據(jù)線數(shù)不一定相等，必須對(duì)存 儲(chǔ)芯片進(jìn)行位擴(kuò)展。保證其數(shù)據(jù)位數(shù)與儲(chǔ)芯片進(jìn)行位擴(kuò)展。保證其數(shù)

22、據(jù)位數(shù)與 CPU的數(shù)據(jù)線數(shù)相等的數(shù)據(jù)線數(shù)相等 l讀寫控制線的連接：讀寫控制線的連接：CPUCPU讀寫控制線與存讀寫控制線與存 儲(chǔ)芯片讀寫控制線可以直接相連，高電儲(chǔ)芯片讀寫控制線可以直接相連，高電 平為讀平為讀, ,低電平為低電平為“寫寫”。 l片選線的連接：一般與片選線的連接：一般與CPUCPU訪存控制和訪存控制和 CPUCPU地址線有關(guān)，用地址線有關(guān)，用CPUCPU的高地址和訪存的高地址和訪存 控制信號(hào)共同產(chǎn)生存儲(chǔ)器的片選信號(hào)。控制信號(hào)共同產(chǎn)生存儲(chǔ)器的片選信號(hào)。 這是由譯碼器來完成。這是由譯碼器來完成。 l合理選擇存儲(chǔ)芯片：通常選用合理選擇存儲(chǔ)芯片：通常選用ROMROM存放系存放系 統(tǒng)程序和

23、常量等，統(tǒng)程序和常量等，RAMRAM存放用戶程序。存放用戶程序。 六、存儲(chǔ)器的校驗(yàn)六、存儲(chǔ)器的校驗(yàn) 1.漢明碼漢明碼是具有一位糾錯(cuò)能力的編碼是具有一位糾錯(cuò)能力的編碼 2 . 漢明碼的組成漢明碼的組成 3. 漢明碼的糾錯(cuò)過程漢明碼的糾錯(cuò)過程 七、提高訪存速度的措施七、提高訪存速度的措施 采用高速器件采用高速器件 調(diào)整主存結(jié)構(gòu)調(diào)整主存結(jié)構(gòu) 采用層次結(jié)構(gòu)采用層次結(jié)構(gòu) Cache 主存主存 一、概述一、概述 1. 問題的提出問題的提出 解決解決CPU 和主存（和主存（DRAM）的速度差異的速度差異 理論基礎(chǔ)：程序訪問的局部性原理理論基礎(chǔ)：程序訪問的局部性原理 2. Cache 的工作原理的工作原理 主

24、存和緩存的存儲(chǔ)塊的大小相同主存和緩存的存儲(chǔ)塊的大小相同 (3) Cache 的命中率的命中率 CPU 欲訪問的信息在欲訪問的信息在 Cache 中的中的 比率比率 命中率命中率 與與 Cache 的的 容量容量 與與 塊長(zhǎng)塊長(zhǎng) 有關(guān)有關(guān) (4) Cache 主存系統(tǒng)的效率主存系統(tǒng)的效率 效率效率 e 與與 命中率命中率 有關(guān)有關(guān) 設(shè)設(shè) Cache 命中率命中率 為為 h，訪問訪問 Cache 的時(shí)間為的時(shí)間為 tc ， 訪問 訪問 主存主存 的時(shí)間為的時(shí)間為 tm 則則 e = 100% tc h tc+ (1h) tm 訪問訪問 Cache 的時(shí)間的時(shí)間 平均訪問時(shí)間平均訪問時(shí)間 e = 1

25、00% 二、二、Cache 主存的地址映射主存的地址映射 1. 直接映射直接映射 每個(gè)緩存塊每個(gè)緩存塊 i 可以和可以和 若干若干 個(gè)個(gè) 主存塊主存塊 對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng) 每個(gè)主存塊每個(gè)主存塊 j 只能和只能和 一一 個(gè)個(gè) 緩存塊緩存塊 對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng) 2. 全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射 主存主存 中的中的 任一塊任一塊 可以映射到可以映射到 緩存緩存 中的中的 任一塊任一塊 主存字塊標(biāo)記主存字塊標(biāo)記 字塊內(nèi)地址字塊內(nèi)地址 主存地址主存地址 m = t + c 位位b位位 組組Cache 字塊內(nèi)地址字塊內(nèi)地址組地址組地址主存字塊標(biāo)記主存字塊標(biāo)記 s = t + r 位位q = cr 位位b 位位 主存地址主存地址 m

26、 位位 共共 Q 組組，每組內(nèi)兩塊（，每組內(nèi)兩塊（r = 1) 某一主存塊某一主存塊 j 按模按模 Q 映射到映射到 緩存緩存 的第的第 i 組組中的中的 任一塊任一塊 i = j mod Q 3. 組相聯(lián)映射組相聯(lián)映射 一、概述一、概述 1. 特點(diǎn)特點(diǎn)不直接與不直接與 CPU 交換信息交換信息 2. 磁表面存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)磁表面存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo) 道密度道密度 Dt位密度位密度 Db C = n k s 尋道時(shí)間尋道時(shí)間 + 等待時(shí)間等待時(shí)間 (1) 記錄密度記錄密度 (2) 存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量 (3) 平均尋址時(shí)間平均尋址時(shí)間 (4) 數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率 (5) 誤碼率誤碼率 輔存的速度輔存

27、的速度 尋址時(shí)間尋址時(shí)間 磁頭讀寫時(shí)間磁頭讀寫時(shí)間 Dr = Db V 出錯(cuò)信息位數(shù)與讀出信息的總位數(shù)之比出錯(cuò)信息位數(shù)與讀出信息的總位數(shù)之比 5.6 DMA方式方式 5.5 程序中斷方式程序中斷方式 5.4 程序查詢方式程序查詢方式 5.3 I/O接口接口 5.2 外部設(shè)備外部設(shè)備 5.1 概述概述 二、輸入輸出系統(tǒng)的組成二、輸入輸出系統(tǒng)的組成 1. I/O 軟件軟件 (1) I/O 指令指令 (2) 通道指令通道指令 CPU 指令的一部分指令的一部分 通道自身的指令通道自身的指令 指出數(shù)組的首地址、傳送字?jǐn)?shù)、操作命令指出數(shù)組的首地址、傳送字?jǐn)?shù)、操作命令 如如 IBM/370 通道指令為通道指

28、令為 64 位位 2. I/O 硬件硬件 設(shè)備設(shè)備I/O 接口接口 設(shè)備設(shè)備設(shè)備控制器設(shè)備控制器通道通道 操作碼操作碼命令碼命令碼設(shè)備碼設(shè)備碼 四、四、I/O設(shè)備與主機(jī)信息傳送的控制方式設(shè)備與主機(jī)信息傳送的控制方式 1. 程序查詢方式程序查詢方式 CPU 和和 I/O 串行工作串行工作 2. 程序中斷方式程序中斷方式 CPU 和和 I/O 并行工作并行工作 3. DMA 方式方式CPU 和和 I/O 并行工作并行工作 I/O 中斷處理過程中斷處理過程 1. CPU 響應(yīng)中斷的條件和時(shí)間響應(yīng)中斷的條件和時(shí)間 (1) 條件條件 (2) 時(shí)間時(shí)間 允許中斷觸發(fā)器允許中斷觸發(fā)器 EINT = 1 用用

29、 開中斷開中斷 指令將指令將 EINT 置置 “1” 在每條指令執(zhí)行階段的結(jié)束前在每條指令執(zhí)行階段的結(jié)束前 中斷向量地址中斷向量地址得到中斷服務(wù)程序的得到中斷服務(wù)程序的入口地址入口地址 程序中斷方式程序中斷方式 五、中斷服務(wù)程序流程五、中斷服務(wù)程序流程 1. 中斷服務(wù)程序的流程中斷服務(wù)程序的流程 (1) 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) (2) 中斷服務(wù)中斷服務(wù) (3) 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) (4) 中斷返回中斷返回 2. 單重中斷和多重中斷單重中斷和多重中斷 不允許中斷不允許中斷 現(xiàn)行的現(xiàn)行的 中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序 單重單重 中斷中斷 多重多重 中斷中斷 允許級(jí)別更高允許級(jí)別更高 的中斷源的中斷源 中斷中斷

30、 現(xiàn)行的現(xiàn)行的 中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序 區(qū)別：開中斷的位置區(qū)別：開中斷的位置 2. DMA 與主存交換數(shù)據(jù)的三種方式與主存交換數(shù)據(jù)的三種方式 (1) 停止停止 CPU 訪問主存訪問主存 (2) 周期挪用（或周期竊?。┲芷谂灿茫ɑ蛑芷诟`?。?(3) DMA 與與 CPU 交替訪問交替訪問 6.1 無符號(hào)數(shù)和有符號(hào)數(shù)無符號(hào)數(shù)和有符號(hào)數(shù) 6.3 定點(diǎn)運(yùn)算定點(diǎn)運(yùn)算 6.2 數(shù)的定點(diǎn)表示和浮點(diǎn)表示數(shù)的定點(diǎn)表示和浮點(diǎn)表示 6.4 浮點(diǎn)四則運(yùn)算浮點(diǎn)四則運(yùn)算 6.5 算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元 一、無符號(hào)數(shù)一、無符號(hào)數(shù) 寄存器的位數(shù)寄存器的位數(shù) 反映無符號(hào)數(shù)的表示范圍反映無符號(hào)數(shù)的表示范圍 帶符號(hào)的數(shù)帶符號(hào)的

31、數(shù) 符號(hào)數(shù)字化的數(shù)符號(hào)數(shù)字化的數(shù) 真值真值 機(jī)器數(shù)機(jī)器數(shù) 1. 機(jī)器數(shù)與真值機(jī)器數(shù)與真值 二、有符號(hào)數(shù)二、有符號(hào)數(shù) + 0.1011 0 1011 小數(shù)點(diǎn)的位置小數(shù)點(diǎn)的位置 2. 原碼原碼 (1) 定義定義 + 0原 原 - 0原原 (2) 0的表示的表示 (4) 求補(bǔ)碼的快捷方式求補(bǔ)碼的快捷方式 當(dāng)真值為當(dāng)真值為 負(fù)負(fù) 時(shí)，時(shí)，補(bǔ)碼補(bǔ)碼 可用可用 原碼除符號(hào)位外原碼除符號(hào)位外 每位取反，末位加每位取反，末位加 1 求得求得 當(dāng)真值為當(dāng)真值為 負(fù)負(fù) 時(shí)，時(shí)，原碼原碼 可用可用 補(bǔ)碼除符號(hào)位外補(bǔ)碼除符號(hào)位外 每位取反，末位加每位取反，末位加 1 求得求得 1補(bǔ) 補(bǔ) = 2 + x = 10.00

32、00 1.0000 = 1.0000 + 0補(bǔ) 補(bǔ) = 0補(bǔ)補(bǔ)(2) 0的表示的表示 4. 反碼反碼 (1) 定義定義 + 0反 反 0反反 (2) 0的表示的表示 三種機(jī)器數(shù)的小結(jié)三種機(jī)器數(shù)的小結(jié) 對(duì)于對(duì)于正數(shù)正數(shù)，原碼原碼 = 補(bǔ)碼補(bǔ)碼 = 反碼反碼 對(duì)于對(duì)于負(fù)數(shù)負(fù)數(shù) ，符號(hào)位為符號(hào)位為 1，其其 數(shù)值部分?jǐn)?shù)值部分 原碼除符號(hào)位外每位取反末位加原碼除符號(hào)位外每位取反末位加 1 補(bǔ)碼補(bǔ)碼 原碼除符號(hào)位外每位取反原碼除符號(hào)位外每位取反 反碼反碼 最高位最高位為為符號(hào)位符號(hào)位，書寫上用，書寫上用“,”（整數(shù)）（整數(shù)） 或或“.”（小數(shù)）將數(shù)值部分和符號(hào)位隔開（小數(shù)）將數(shù)值部分和符號(hào)位隔開 例例6

33、.11 00000000 00000001 00000010 01111111 10000000 10000001 11111101 11111110 11111111 128 129 -0 -1 -128 -127 -127 -126 二進(jìn)制代碼二進(jìn)制代碼 無符號(hào)數(shù)無符號(hào)數(shù) 對(duì)應(yīng)的真值對(duì)應(yīng)的真值 原碼對(duì)應(yīng)原碼對(duì)應(yīng) 的真值的真值 補(bǔ)碼對(duì)應(yīng)補(bǔ)碼對(duì)應(yīng) 的真值的真值 反碼對(duì)應(yīng)反碼對(duì)應(yīng) 的真值的真值 0 1 2 127 253 254 255 -125 -126 -127 -3 -2 -1 -2 -1 -0 +0 +1 +2 +127 +0 +1 +2 +127 +0 +1 +2 +127 +0 設(shè)機(jī)

34、器數(shù)字長(zhǎng)為設(shè)機(jī)器數(shù)字長(zhǎng)為 8 位（其中位為符號(hào)位）位（其中位為符號(hào)位） 對(duì)于整數(shù)，當(dāng)其分別代表無符號(hào)數(shù)、原碼、補(bǔ)碼和對(duì)于整數(shù)，當(dāng)其分別代表無符號(hào)數(shù)、原碼、補(bǔ)碼和 反碼時(shí)，對(duì)應(yīng)的真值范圍各為多少？反碼時(shí)，對(duì)應(yīng)的真值范圍各為多少？ 解：解： 已知已知 y補(bǔ) 補(bǔ) 求 求 y補(bǔ) 補(bǔ) 即得即得 y補(bǔ) 補(bǔ) y補(bǔ) 補(bǔ)連同符號(hào)位在內(nèi)， 連同符號(hào)位在內(nèi)，每位取每位取 反，末位加反，末位加 1 1 5. 移碼表示法移碼表示法 補(bǔ)碼與移碼只差一個(gè)符號(hào)位補(bǔ)碼與移碼只差一個(gè)符號(hào)位 +0移 移 = 0移移 最小真值的移碼為全最小真值的移碼為全 0 用移碼表示浮點(diǎn)數(shù)的階碼用移碼表示浮點(diǎn)數(shù)的階碼 - 1 0 0 0 0 0

35、- 1 1 1 1 1 - 1 1 1 1 0 - 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 + 0 0 0 0 1 + 0 0 0 1 0 + 1 1 1 1 0 + 1 1 1 1 1 真值真值 x ( n = 5 )x補(bǔ) 補(bǔ) x移 移 x 移 移對(duì)應(yīng)的 對(duì)應(yīng)的 十進(jìn)制整數(shù)十進(jìn)制整數(shù) (3) 真值、補(bǔ)碼和移碼的對(duì)照表真值、補(bǔ)碼和移碼的對(duì)照表 0 1 2 31 32 33 34 62 63 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1

36、 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0- 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 小數(shù)點(diǎn)按約定方式標(biāo)出小數(shù)點(diǎn)按約定方式標(biāo)出 一、定點(diǎn)表示一、定點(diǎn)表示 Sf S1S2 Sn 數(shù)符數(shù)符 數(shù)值部分?jǐn)?shù)值部分 小數(shù)點(diǎn)位置小數(shù)點(diǎn)位置 Sf S1S2 Sn 數(shù)符數(shù)符 數(shù)值部分?jǐn)?shù)值部分 小數(shù)點(diǎn)位置小數(shù)點(diǎn)位置

37、 或或 定點(diǎn)機(jī)定點(diǎn)機(jī)小數(shù)定點(diǎn)機(jī)小數(shù)定點(diǎn)機(jī)整數(shù)定點(diǎn)機(jī)整數(shù)定點(diǎn)機(jī) 原碼原碼 補(bǔ)碼補(bǔ)碼 反碼反碼 (1 2-n) +(1 2-n)(2n 1) +( 2n 1) 1 +(1 2-n) 2n +( 2n 1) (1 2-n) +(1 2-n)(2n 1) +( 2n 1) 1. 浮點(diǎn)數(shù)的表示形式浮點(diǎn)數(shù)的表示形式 Sf 代表浮點(diǎn)數(shù)的符號(hào)代表浮點(diǎn)數(shù)的符號(hào) n 其位數(shù)反映浮點(diǎn)數(shù)的精度其位數(shù)反映浮點(diǎn)數(shù)的精度 m 其位數(shù)反映浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍其位數(shù)反映浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍 jf 和和 m 共同表示小數(shù)點(diǎn)的實(shí)際位置共同表示小數(shù)點(diǎn)的實(shí)際位置 jf j1 j2 jm Sf S1 S2 Sn j 階碼階碼S 尾數(shù)尾數(shù) 階符階

38、符 數(shù)符數(shù)符 階碼的階碼的 數(shù)值部分?jǐn)?shù)值部分 尾數(shù)的數(shù)值部分尾數(shù)的數(shù)值部分 小數(shù)點(diǎn)位置小數(shù)點(diǎn)位置 2. 浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍 2( 2m1)( 1 2n) 2( 2m1)2n 2( 2m1)( 1 2n) 2( 2m1)2n 最小負(fù)數(shù)最小負(fù)數(shù) 最大負(fù)數(shù)最大負(fù)數(shù) 最大正數(shù)最大正數(shù) 最小正數(shù)最小正數(shù) 負(fù)數(shù)區(qū)負(fù)數(shù)區(qū)正數(shù)區(qū)正數(shù)區(qū)下溢下溢 0 上溢上溢上溢上溢 215 ( 1 2-10) 2-15 2-10 215 ( 1 2-10) 設(shè)設(shè) m = 4 n =10 上溢上溢 階碼階碼 最大階碼最大階碼 下溢下溢 階碼階碼 1） 時(shí)，需時(shí)，需 右規(guī)右規(guī) 尾數(shù)右移一位尾數(shù)右移一位，階碼加階碼加

39、1 4. 舍入舍入 在在 對(duì)階對(duì)階 和和 右規(guī)右規(guī) 過程中，可能出現(xiàn)過程中，可能出現(xiàn) 尾數(shù)末位丟失尾數(shù)末位丟失 引起誤差，需考慮舍入引起誤差，需考慮舍入 (1) 0 舍舍 1 入法入法 (2) 恒置恒置 “1” 法法 5. 溢出判斷溢出判斷 7.1 機(jī)器指令機(jī)器指令 7.2 操作數(shù)類型和操作類型操作數(shù)類型和操作類型 7.3 尋址方式尋址方式 7.4 指令格式舉例指令格式舉例 7.5 RISC 技術(shù)技術(shù) 一、指令的一般格式一、指令的一般格式 操作碼字段操作碼字段 地址碼字段地址碼字段 1. 操作碼操作碼 反映機(jī)器做什么操作反映機(jī)器做什么操作 2. 地址碼地址碼 反映機(jī)器操作的對(duì)象反映機(jī)器操作的對(duì)象 二、指令字長(zhǎng)二、指令字長(zhǎng) 指令字長(zhǎng)決定于指令字長(zhǎng)決定于 操作碼的長(zhǎng)度操作碼的長(zhǎng)度 指令字長(zhǎng)指令字長(zhǎng) = 存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng) 操作數(shù)地址的長(zhǎng)度操作數(shù)地址的長(zhǎng)度 操作數(shù)地址的個(gè)數(shù)操作數(shù)地址的個(gè)數(shù) 指令字長(zhǎng)指令字長(zhǎng) 固定固定 尋址方式尋址方式 確定確定 本條指令本條指令 的的 操作數(shù)地址操作數(shù)地址 下一條下一條 欲執(zhí)行欲執(zhí)行 指令指令 的的 指令地址指令地址 指令尋址指令尋址 數(shù)據(jù)尋址數(shù)據(jù)尋址 尋址方式尋址方式 二、二、RISC 的主要特征的主要特征 選用使用頻度較高的一些選用使用頻度較高的一些 簡(jiǎn)單指令簡(jiǎn)