计算机硬件结构及原理

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1、1 第 5 章 计算机硬件结构及原理 【教学内容及地位、作用】 内容摘要 地位和作用 总线的原理及三态门 总线分类及总线标准 总线 总线缓冲器 算术逻辑运算部件（ALU） 运算器 定点运算器 存储器的分类 静态随机存储器（SRAM） 动态随机存储器（DRAM） 存储器 只读存储器 存储器的层次结构 高速缓冲存储器 外存储器 存储体系结构 虚拟存储器 控制器的工作原理 控制器的组成 指令的执行过程 控制器的控制方式 微程序控制器 控制器 8086的内部结构 计算机系统设计、组装维护、 程序设计、接口设计的知识 基础 【教学目标】 1. 认识计算机总线、运算器、存储器、控制器等重要的计算机硬件。

2、2. 了解常见总线（PCI、AGP 等）的特点、运算器的种类和结构特征。 能领会总线的操作过程； 能理解单总线结构、双总线结构和三总线结构定点运算器的结构特征。 3. 知道计算机的主要硬件结构及其原理。 知道数据总线、地址总线和控制总线及总线性能指标； 知道ALU、RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Cache、PC、IR、AR、DR。 4. 掌握存储器扩展、存储系统的层次结构、控制器的组成及工作原理。 能进行简单存储器的扩展设计； 能理解Cache、虚拟存储器的作用，会进行地址映像； 能理解控制器的结构及工作原理，熟记8086CPU的内部寄存器及功能。 【教学重点、难点】 1

3、总线的作用及工作原理。 2ALU 及定点运算器。 3存储器扩展及存储技术的实现。2 48086CPU。 5.1 总 线 5.1.1 总线原理及三态门 总线：是计算机系统各部件（也称模块）之间传送信息的公共通道，由若干条通信线 和起驱动、隔离作用的三态门组成。 总线传输的原则：同一时刻只允许传输 1个信号，否则会出现信号冲突（即信号叠加） ， 导致信息传输错误。总线为所连接的多个部件服务的方法是分时传输。 部件与总线的连接：通过三态门来控制。图 5-1-1是总线与三态门的连接图。 总线连接包括两个层次： 物理连接：机械和电气方面的连接，是指采用什么样的电缆和连接器，总线的驱动 能力和传输距离，传

4、输线的屏蔽、接地和抗干扰技术等。 逻辑连接：主要解决基本信息的缓冲与锁存、总线握手和总线裁决等问题，也即总 线时序和总线使用权分配的问题。 总线请求：总线在使用时须先由具有总线申请权的主模块向总线控制器件发出请求。 主模块是指具有控制功能的模块，如 CPU 或 DMAC（DMA 控制器） ；受控的模块为从属 模块，如存储器或 I/O 接口。只有主模块才能发出使用总线请求。 微型计算机采用总线结构的优点：采用总线结构之后，使系统中各功能部件间的相互 关系转变为各部件面向总线的单一关系。一个部件（功能板卡）只要符合总线标准，就 可以连接到采用这种总线标准的系统中，也即总线标准化使微机系统成为一个开

5、放的体系 结构。 简化了系统结构。 便于采用模块结构设计方法，简化了软、硬件的设计。 便于系统的扩充和升级。 便于故障诊断和维修，同时也降低了成本。 一、总线的操作过程 挂在总线上的各模块是通过总线进行信息交换，即数据传输的，完成一次数据传输要 经历以下四个阶段。 图 5-1-1 总线与三态门的连接3 1.总线请求和仲裁阶段 当系统总线上接有多个总线主模块时，需要使用总线的主模块向总线提出申请，由总 线仲裁机构确定后，把下一个传输周期的总线使用权交给申请的主模块。 2.寻址阶段 获得总线控制权的主模块，通过地址总线发出本次打算访问的从模块的地址及有关操 作命令，通过译码使被访问的从属模块被选中

6、，从而开始启动。 3.数据传送阶段 主模块和从属模块进行数据交换。 4.结束阶段 主、从模块的有关信息均从总线上撤除，让出总线，以便其它模块继续使用。 二、总线的通信方式 总线上的主、从模块间进行数据传送称为通信。为了保证通信的可靠性，主、从模块 间至少应满足下述关系：发送模块在开始发送数据时，接收模块应做好接收的准备。在接 收模块没有接收到准确数据前，发送模块不应撤除发送信号。 总线上的主、从模块通常采用的三种通信方式： 1同步传输 同步传输也称为同步通信方式，是指总线上的各模块严格地在时钟控制下工作的方式， 如图 5-1-2所示。 特点：要求主模块按严格的时间标准发出地址信号、产生指令，从

7、属模块按严格的时 间标准读出数据或写入数据。 2半同步传输 半同步传输方式是对同步方式的一种改进，如图 5-1-3所示。它保留了同步传输的基 本特点。总线上的各模块基本上还是在时钟控制下统一动作，对于快速的从模块，采用同 步方式；但是对于某些不能在规定时间内完成操作的慢速从模块，可以请求延长操作时间。 图 5-1-2 同步传输 主 模 块 从 模 块 CLK 图 5-1-3 半同步传输 主 模 块 从 模 块 CLK wait/ready4 3异步传输 异步传输方式也称为应答方式，如图 5-1-4所示。 进行通信的主、从模块不受统一的时钟控制，而是采用“请求”和“应答”信号来协 调传输过程。

8、三、总线的主要技术参数 1总线带宽 总线带宽是衡量总线传输速度的重要指标，是指单位时间内总线上可传送的数据量， 一般用每秒钟传送的字节数来表示，单位为 MBps。 2总线位宽 总线位宽是指总线能同时传送的数据位数，即总线宽度，如 16位、32位、64位等。 在工作频率一定的条件下，总线的带宽与总线的位宽成正比。 3总线的工作频率 总线的工作频率也称为总线的时钟频率，单位为 MHz。工作频率越高，总线工作速度 越快，总线带宽也越宽。 总线位宽、工作频率和总线带宽间的关系为： 总线带宽（MBps）=（总线位宽/8）总线工作频率（MHz） 例如：32位总线，工作频率 33MHz，则：总线带宽=（32

9、/8）33=132（MBps） 5.1.2 总线分类及总线标准 一、总线的分类 根据总线所处的位置和应用场合，总线可分为片内总线、片间总线、内总线和外总线 四级，如图 5-1-5所示。 图 5-1-4 异步传输 主 模 块 从 模 块 REQ ACK5 1片内总线 片内总线是位于微处理器或半导体集成芯片（如 LSI/VLSI）内部，用于连接各部件， 如微处理器内部 ALU 和各种寄存器等，进行信息传送的总线。由于受芯片面积及对外引脚 数的限制，片内总线大多采用单总线结构，这有利于芯片集成度和成品率的提高。 2片间总线 片间总线又称元件级总线、芯片级总线、片总线或局部总线，是在微型计算机主板、

10、单板机以及其它一些插件板、卡（如各种 I/O 接口板/卡）等子系统中，连接板/卡上的 CPU，RAM，ROM，I/O 接口等各种芯片的总线。 3内总线 内总线是用来连接微型计算机系统中各功能部件的总线，又称系统总线或板级总线。 系统总线是微型计算机系统中最重要的总线，人们平常所说的微型计算机总线就是指系统 总线，如微型计算机总线、AT 总线（ISA 总线） 、PCI 总线等。 系统总线又可分为数据总线（DB） 、地址总线（AB）和控制总线（CB） ，如图 5-1-6 中所示。 数据总线（DB）：传送数据信息，双向的三态总线。数据总线的位数是微型计算 机的一个重要指标，通常与微处理器的字长相一致

11、。例如 Intel 8086微处理器字长 16位， 其数据总线宽度也是 16位。 在计算机中指令代码、状态信息、控制信息都称为数据，都可以通过数据总线传送。 地址总线（AB）：专门传送地址，单向的三态总线。地址总线的位数决定了 CPU 可直接寻址的内存空间大小，一般来说，若地址总线为n位，则可寻址空间为 2 n 字节。如 8位微型计算机的地址总线为 16位，则其最大可寻址空间为 2 16 64KB。16 位微型机的地 址总线为 20位，其可寻址空间为 2 20 1MB。 图 5-1-5 四级总线示意图6 控制总线（CB）：传送控制信号、时序信号和状态信息等。控制信号中，有的是 微处理器送往存储

12、器和 I/O 接口电路的，如读/写信号、片选信号、中断响应信号等；也有 的是其他部件反馈给 CPU 的，如中断请求信号、复位信号、总线请求信号、设备就绪信号 等。所以，控制总线是定向的，即每一根线的方向是一定的、单向的。但在各种结构框图 中，控制总线 CB 作为一个整体，以双向线表示。 4外总线 外总线也称通信总线，用于两个系统之间的连接与通信。如两台微型计算机系统之间、 微型计算机系统与其他电子仪器或电子设备之间的通信。常用的通信总线有 IEEE-488 总线 和 RS-232 串行总线等。 二、总线标准 1总线标准化的含义 各厂家按相同的几何尺寸，引线信号的定义、数目和时序生产的芯片和插件

13、板/卡，以 以保证不同厂家生产的插件板/卡能相互兼容，以满足用户对系统功能的扩充或升级的需要。 2总线标准 总线标准是指芯片之间、插件板之间及系统之间，通过总线进行连接和传输信息时， 应遵守的一些协议与规范，包括硬件和软件两个方面。如总线插槽/插座的尺寸、引脚、信 号线定义、总线工作时钟频率、总线仲裁与配置机构、电气规范和实施总线协议的驱动与 管理程序等。 标准化的微型计算机系统总线有 ISA 总线（AT 总线） 、PCI 总线和 AGP 总线等。常用 的外总线（通信总线）有 RS-232C 串行总线和 IEEE-488 总线等。 三、典型总线 1PCI 总线 PCI（Peripheral C

14、omponent Interconnect，外围部件互连）总线是以 Intel 公司为首的 PCI 集团推出的一种局部总线标准。PCI 总线的特点： （1）高性能 图 5-1-6 地址总线、控制总线和数据总线7 PCI 总线的数据总线宽度为 32位，可扩充到 64位，初始工作频率为 33MHz。32 位总 线宽度时，最大传输率为 132 MBps；64 位数据宽度时，最大传输率达 264MBps。1995 年 的新标准将工作频率提升为 66MHz，与 CPU 时钟频率无关，其数据传输率当 64位时可达 528MBps，并支持猝发式数据传送。 （2）兼容性好，易于发展 PCI 总线可以与 ISA

15、，VL 等总线兼容。由于 PCI 总线与时钟频率无关，所以可以用不 同型号的 CPU。 （3）自动配置功能 PCI 总线标准中使用了即插即用-PnP（Plug and Play）技术。当用户将扩充卡插入 PCI 系统后，系统的 BIOS 能根据读到的关于扩充卡的信息，结合系统实际情况，为扩充卡分 配存储地址、端口地址、中断和某些定时信息，无需用户干预。 （4）规范 PCI 总线标准对通信协议、时序关系、负载、电气特性和机械特性都作了严格的规定。 这是 ISA，EISA 和 VESA 所不及的，这也保证了 PCI 的可靠性和兼容性。 PCI 总线在体系结构上，通过 PCI 桥（PCI 总线控制器

16、）实现 PCI 总线所需要的全部 控制。通过 ISA 总线扩充控制器（ISA 桥）实现 PCI 到 ISA，EISA 等的转换。图 5-1-7是 用 PCI 总线构成的微型计算机系统示意图。 2AGP 总线 AGP（Accelerated Graphics Port）即加速图形端口。它是 Intel 公司为了提高视频带宽， 提高微型计算机的图形处理能力，尤其是 3D 图形的处理能力而开发设计的一种总线规范。 其视频信号的传输速率在“1”模式可达 266MBps，在“4”模式下可达 1066MBps。 比 PCI 的 132MBps 至少高出 1倍。 PCI 总线无法满足描绘 3D 图形所需的高传输速度要求，增大显存容量又增加了显卡的 价格，而采用 AGP 可以在主内存与显示卡之间提供了一条直接的通道，使 3D 图形数据越 图 5-1-7 PCI 总线的连接方式 CPU PCI 总线 控制器 ISA 总线 控制器 主存储器 AG