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1、计算机组成原理,唐朔飞,第版,高等教育出版社 高等教育电子音像出版社,第章 计算机系统概论,第章 系统总线,第章 存储器,第章 输入输出系统,第章 计算机的运算方法,第章 指令系统,第章 CPU 的结构和功能,第章 控制单元的功能,第10章 控制单元的设计,第章 计算机的发展及应用,第章 系统总线,3.1 总线的基本概念,3.2 总线的分类,3.3 总线特性及性能指标,3.4 总线结构,3.5 总线控制,一、总线上信息的传送,串行,并行,二、总线的性能指标,三、总线判优控制,四、总线通信控制,本章主要知识点：,二、总线的性能指标,数据线 的根数,每秒传输的最大字节数（MBps）,同步、不同步,
2、地址线 与 数据线 复用,地址线、数据线和控制线的 总和,负载能力,并发、自动、仲裁、逻辑、计数,三、总线判优控制,总线判优控制,分布式,集中式,链式查询,计数器定时查询,独立请求方式,2. 链式查询方式,I/O接口1,3. 计数器定时查询方式,I/O接口1,设备地址,4. 独立请求方式,四、总线通信控制,1. 目的,2. 总线传输周期,主模块申请，总线仲裁决定,主模块向从模块 给出地址 和 命令,主模块和从模块 交换数据,主模块 撤消有关信息,解决通信双方 协调配合 问题,由 统一时标 控制数据传送,充分 挖掘 系统 总线每个瞬间 的 潜力,3. 总线通信的四种方式,采用 应答方式 ，没有公
3、共时钟标准,同步、异步结合,第章 存 储 器,4.1 概述,4.2 主存储器,4.3 高速缓冲存储器,4.4 辅助存储器,一、存储器分类,本章主要知识点：,二、存储器的层次结构,三、主存的概述,四、存储器与 CPU 的连接,五、提高访存速度的措施,磁盘、磁带、光盘,高速缓冲存储器（Cache）,Flash Memory,存 储 器,高,小,快,1. 存储器三个主要特性的关系,二、存储器的层次结构,（速度）,（容量）,高位字节 地址为字地址,低位字节 地址为字地址,设地址线 为24 根,按 字节 寻址,224 = 16 M,按 字 寻址,224 /4= 4 M,224 = 16 M,按 字节 寻
4、址,按 字 寻址,224 /2= 8 M,1. 主存中存储单元地址的分配,三、主存的概述,(2) 存储速度,(1) 存储容量,(3) 存储器的带宽,主存 存放二进制代码的总位数,读出时间 写入时间,存储器的 访问时间,读周期 写周期,位/秒,2. 主存的技术指标,3. 动态 RAM 和静态 RAM 的比较,存储原理,集成度,芯片引脚,功耗,价格,速度,刷新,4.只读存储器（ROM）,1. 掩模 ROM ( MROM ),2. PROM (一次性编程),3. EPROM (可擦除可编程 ),4. EEPROM (电可擦除可编程 ),5. Flash Memory (闪速型存储器),四、存储器与
5、CPU 的连接,1. 存储器容量的扩展,(2) 字扩展,增加存储字的数量，需要片选,2. 存储器与 CPU 的连接,(1) 地址线的连接,(2) 数据线的连接,(3) 读/写命令线的连接,(4) 片选线的连接,(5) 合理选择存储芯片,(6) 其他 时序、负载,五、提高访存速度的措施,采用高速芯片,多体并行,Cache,第章 输入输出系统,5.6 DMA方式,5.5 程序中断方式,5.4 程序查询方式,5.3 I/O接口,5.2 外部设备,5.1 概述,本章知识要点：,一、输入输出系统的组成,二、I/O 设备与主机的联系方式,三、I/O设备与主机信息传送的控制方式,四、接口的概述、组成和分类,
6、五、程序查询方式的流程、接口电路,六、程序中断方式的概述、接口电路和中断处理,七、DMA方式的概述、接口电路,一、输入输出系统的组成,1. I/O 软件,CPU 指令的一部分,通道自身的指令,指出数组的首地址、传送字数、操作命令,2. I/O 硬件,设备,I/O 接口,二、I/O 设备与主机的联系方式,1. I/O 设备编址方式,(1) 统一编址,(2) 不统一编址,用取数、存数指令,有专门的 I/O 指令,2. 设备选址,用设备选择电路识别是否被选中,3. 传送方式,(1) 串行,(2) 并行,4. 联络方式,(1) 立即响应,(2) 异步工作采用应答信号,(3) 同步工作采用同步时标,并行
7、,串行,三、I/O设备与主机信息传送的控制方式,1. 程序查询方式,CPU 和 I/O 串行工作,踏步等待,2. 程序中断方式,I/O 工作,CPU 不查询,CPU 暂停现行程序,CPU 和 I/O 并行工作,3. DMA 方式,主存和 I/O 之间有一条直接数据通道,不中断现行程序,周期挪用（周期窃取）,CPU 和 I/O 并行工作,四、接口的概述、组成和分类,什么是接口，与端口的区别,2. 接口的功能和组成,功能,组成,选址功能,传送命令的功能,传送数据的功能,反映设备状态的功能,设备选择电路,数据缓冲寄存器,设备状态标记,完成触发器 D,工作触发器 B,中断请求触发器 INTR,屏蔽触发
8、器 MASK,命令寄存器、命令译码器,1. 查询流程,单个设备,多个设备,测 试 指 令,转 移 指 令,传 送 指 令,五、程序查询方式的流程、接口电路,以输入为例,2. 程序查询方式的接口电路,1. 中断的概念,K,K+1,Q,Q+1,六、程序中断方式的概述、接口电路和中断处理,2. 程序中断方式的接口电路,（1） 配置中断请求触发器和中断屏蔽触发器,INTR 中断请求触发器,INTR = 1 有请求,MASK 中断屏蔽触发器,MASK = 1 被屏蔽,来自 CPU 的 中断查询信号,受设备本身控制,D 完成触发器,（2）中断向量地址形成部件,入口地址,设备 编码器,详见第八章,（3）程序
9、中断方式接口电路的基本组成,3. I/O 中断处理过程,（1） CPU 响应中断的条件和时间,条件,时间,允许中断触发器 EINT = 1,用 开中断 指令将 EINT 置 “1”,用 关中断 指令将 EINT 置“ 0” 或硬件 自动复位,当 D = 1（随机）且 MASK = 0 时,在每条指令执行阶段的结束前,CPU 发 中断查询信号（将 INTR 置“1”）,（2） I/O 中断处理过程,DBR,设备选择电路,以输入为例,七、DMA方式的概述、接口电路,1. DMA 与主存交换数据的三种方式,(1) 停止 CPU 访问主存,控制简单,CPU 处于不工作状态或保持状态,未充分发挥 CPU
10、 对主存的利用率,(2) 周期挪用（或周期窃取）,DMA 访问主存有三种可能,CPU 此时不访存,CPU 正在访存,CPU 与 DMA 同时请求访存,此时 CPU 将总线控制权让给 DMA,(3) DMA 与 CPU 交替访问,CPU 工作周期,所有指令执行过程中的一个基准时间,不需要 申请建立和归还 总线的使用权,2. DMA 接口的功能和组成,（1）DMA 接口功能,(1) 向 CPU 申请 DMA 传送,(2) 处理总线 控制权的转交,(3) 管理 系统总线、控制 数据传送,(4) 确定 数据传送的 首地址和长度,(5) DMA 传送结束时，给出操作完成信号,修正 传送过程中的数据 地址
11、 和 长度,（2）DMA 接口组成,+1,+1,第章 计算机的运算方法,6.1 无符号数和有符号数,6.3 定点运算,6.2 数的定点表示和浮点表示,6.4 浮点四则运算,6.5 算术逻辑单元,本章知识要点：,一、四种机器数的表示方法,二、数的定点表示和浮点表示,三、定点运算,四、浮点四则运算,1. 原码表示法,带符号的绝对值表示,(1) 定义,整数,x 为真值,n 为整数的位数,如,x = +1110,x原 = 0 , 1110,x原 = 24 + 1110 = 1 , 1110,用 逗号 将符号位 和数值部分隔开,一、四种机器数的表示方法,小数,x 为真值,如,x = + 0.1101,x
12、原 = 0 . 1101,x = + 0.1000000,x原 = 0 . 1000000,用 小数点 将符号 位和数值部分隔开,用 小数点 将符号 位和数值部分隔开,(1) 补码定义,整数,x 为真值,n 为整数的位数,如,x = +1010,=,x补 = 0,1010,1,0101000,用 逗号 将符号位 和数值部分隔开,1011000,100000000,2. 补码表示法,小数,x 为真值,x = + 0.1110,如,x补 = 0.1110,1.0100000,=,(2) 求补码的快捷方式,= 100000,= 1,0110,10101 + 1,= 1,0110,又x原 = 1,10
13、10,+ 1,3. 反码表示法,(1) 定义,整数,如,x = +1101,x反 = 0,1101,= 1,0010,x 为真值,n 为整数的位数,小数,x = + 0.1101,x反 = 0.1101,= 1.0101,如,x 为真值,n 为小数的位数,例6.12,解：,三种机器数的小结,对于正数，原码 = 补码 = 反码,4. 移码表示法,补码表示很难直接判断其真值大小,(1) 移码定义,x 为真值，n 为 整数的位数,移码在数轴上的表示,如,x = 10100,x移 = 25 + 10100,用 逗号 将符号位 和数值部分隔开,x = 10100,x移 = 25 10100,= 1,10
14、100,= 0,01100,(2) 移码和补码的比较,补码与移码只差一个符号位,(3) 移码的特点,最小真值的移码为全 0,用移码表示浮点数的阶码,能方便地判断浮点数的阶码大小,小数点按约定方式标出,1. 定点表示,定点机,小数定点机,整数定点机,原码,补码,反码,(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),二、数的定点表示和浮点表示,2. 浮点表示,计算机中 r 取 2、4、8、16 等,计算机中 S 小数、可正可负,j 整数、可正可负,浮点数的表示形式,
15、Sf 代表浮点数的符号,n 其位数反映浮点数的精度,m 其位数反映浮点数的表示范围,jf 和 m 共同表示小数点的实际位置,练习,设机器数字长为 24 位，欲表示3万的十进制数，试问在保证数的最大精度的前提下，除阶符、数符各 取1 位外，阶码、尾数各取几位？,满足 最大精度 可取 m = 4，n = 18,解：,浮点数的规格化形式,r = 2,尾数最高位为 1,r = 4,尾数最高 2 位不全为 0,r = 8,尾数最高 3 位不全为 0,浮点数的规格化,r = 2,左规 尾数左移 1 位，阶码减 1,右规 尾数右移 1 位，阶码加 1,r = 4,左规 尾数左移 2 位，阶码减 1,右规 尾数右移 2 位，阶码加 1,r = 8,左规 尾数左移 3 位，阶码减 1,右规 尾数右移 3 位，阶码加 1,基数 r 越大，可表示的浮点数的范围越大,基数不同，浮点数的 规格化形式不同,基数 r 越大，浮点数的精度降低,三、定点运算,1. 移位的意义,在计算机中，移位与加减配合，能够实现乘除运算,2. 算术移位规则,1,右移 添 1,左移 添 0,0,反 码,补 码,原 码,负数,0,原码、补
