《计算机组成与结构》PPT课件.ppt

计算机组成与结构 指导老师 罗小玲设计员 尹洁 计算机组成与结构 第三章运算方法和运算部件第四章主存储器第五章指令系统第六章中央处理部件第七章存储系统第八章辅助存储器第九章I O设备第十章I O系统 第三章运算方法与运算部件 3 2带符号二进制数在计算机中的表示方法及加法运算3 3二进制乘法运算3 4二进制除法运算3 5浮点数的运算方法3 6浮点运算器中的移位电路3 7数据校验码 3 2带符号二进制在计算机中的表示方法及加法运算 additionandsubtraction0 1 3 2 1原码 补码 反码及其加减法运算 1 原码 X 0 1011 X 原 0 1011X 0 1011 X 原 1 1011 0 原 0 0000 0 原 1 0000 2 反码 butwisecomplementX 0 1011 X 反 0 1011X 0 1011 X 反 1 0100 0 反 0 0000 0 反 1 1111 3 补码 two scomplementX 0 1011 X 补 0 1011X 0 1011 X 补 1 0101 0 0 0000 0 补 0 0000 4 补码 反码求原码 X 反 0 1010 X 原 0 1010真值X 0 1010 X 反 1 1010 X 原 1 0101真值X 0 0101 X 补 0 1010 X 原 0 1010真值X 0 1010 X 补 1 1010 X 原 1 0110真值X 0 0110 5 加减法运算 X Y 补 X 补 Y 补 X Y 补 X 补 Y 补 Y 补 Y 补 符号位在内全部取反 末位加1X 0 1010Y 0 1101X Y X 补 0 1010 Y 补 1 0011 X Y 补 0 1010 1 0011 1 1101 X Y 0 0011X 0 1010Y 0 1101X Y X 补 0 1010 Y 补 0 1101 Y 补 1 0011 X Y 补 X 补 Y 0 1010 1 0011 1 1101 X Y 0 0011X 0 0011Y 0 0111X Y0 01 符号位进位舍去 6 加减法运算溢出处理 overflow X 0 1000Y 0 1100X Y X 补 0 1000 Y 补 0 1100 X Y 补 1 0100X变形补码 模4补码 双符号位补码X 0 1011 X 变补 00 1011X 0 1011 X 变补 11 0101X 0 0111Y 0 0011 X 变补 11 1001 Y 变补 00 0011 x y 变补 11 1100X Y 0 01X 0 1000Y 0 1100X Y X 变补 00 1000 Y 变补 00 1100 X Y 变补 01 0100上溢 1X 0 1000Y 0 1100X Y X 变补 11 1000 Y 变补 11 0100 X Y 变补 11 1000 11 0100 10 1100下溢 1 7 X 补求 X 2 补 2X 补 X 补 X 2 补 符号位在内右移一位 符号位保持不变 X 补 1 1010 X 2 补 1 1101 X 补 11 1010 2X 补 11 0100 符号位数值位8 整数编码 3 2 3定点数和浮点数untegerandfloatingpoint 1 定点数2 浮点数 floatingpointMSEM 尾符阶码尾值 100 0101 0 1000101 23规格化 尾数原码 小数点后第一位为1补码0 11 0 3 3二进制乘法运算 multiplication 0 1101 0 1011110111010000 1101 0 10001111 1 定点原码一位乘法 例 X 0 1101Y 0 1011 法则 1 设部分积z为02 乘数最低位为1 2 X 乘数最低位为0 2 03 直到n位 X 补 00 1101 Y 原 0 1011部分积乘数0000001011 001101001101 0010011101 001101010011 0010011110 0001001111 001101010001 0010001111 X Y 原 0 100011111 0 1X Y 0 10001111 2 定数补码一位乘 twoscomplementmultiplication 乘数最低位补000 11 001 X 补10 X 补最后一次不移位X 0 1101Y 0 1010 X 补 00 1101 X 补 11 0011 Y 补 1 0110 部分数乘数000000101100 000000010110 110011110011 111001101011 111100110101 001101001001 000100111010 110011110111最后一次不移位 X Y 补 1 01111110 X Y 0 10000010 3 定位原码两位乘 00 001 X10 2X11 3X 4X X X 补 欠位C 1最后一次C 1 右移后 X 补X 0 100111Y 0 100111 X 补 00 100111 X 补 11 011001 2 X 补 01 001110 Y 原 0 100111 乘数欠位C000000001001110 11011001 X 补 1 C11011001 111101100110011 01001110 2X 补 0 C01000100 000100010001100 01001110 2X 补 0 C01011111 000101111100010 X Y 原 0 010111110001X Y 0 010111110001 4 定点补码两位乘 乘数最低位补0 最后一次右移一位X 0 0110011Y 0 0110010 X 补 00 0110011 X 补 11 1001101 2X 补 00 1100110 2X 补 11 0011010 Y 补 1 1001110 部分积乘数000000000110011100 110011010 2X 补110011010 111100110101100111 1111110011010 0 00011001111001000101100 X 补 000001011001010110 111001101 X 补111011000 1111011000001010最后依次右移一位 X Y 补 1 11011000001010 X Y 0 00100111110110 3 4二进制除法运算 division 1 定点原码一位除法 1 恢复余数法 X Y不够减 差为负 商为0 Y 恢复余数 余数 商左移一位 余数 左移后 一除数 差 余数为正 商1 商 余数左移一位 余数为负 商0 Y恢复余数 商 余数左移一位 最后一次 商左移 余数不移X 0 1011Y 0 1101 X 补 00 1011 Y 补 00 1101 Y 补 11 0011 001011 110011r111110r0 商1 0100100 1 110011r000101r 0 商1 0010100 11 110011r111101r0 商10 1101最后一次 商左移 余数不移 2 加减交替法 X Y 余数 0 商0 商余数左移一位 余数 Y 余数为正 商1 余数 商左移一位 余数 Y 余数为负 商0 余数 商左移一位 余数 Y 最后一次 商左移 余数不移X 0 1011Y 0 1101X Y X 补 00 1011 Y 补 00 1101 Y 补 11 0011 001011 110011r111110r0 商1 0100100 1 110011r000101r 0 商1 0010100 11 110011r111101r0 商1 2 定点补码一位除法 加减交替法 a x y同号 x y r x y 异号 x y rb r y同号 商1 r 商左移一位 yr y异号 商0 r 商左移一位 yc 最后一次 r 商同时移位 商末位恒置1X 0 1001Y 0 1101 X 补 11 0111 Y 00 1101 Y 补 11 0011 11 0111 001101r000100r y同号 商1 0010001 110011r111011r y异号 商0 1101101 0 001101r000011r y同号 商1 0001101 01 110011r111001r y异号 商0 1100101 010 001101111111 1111101 0101 末位恒置1 3 提高除法运算的方法 1 跳0跳1除法 x y r r 0 且r的高k个数位均为0 上商1 后跟k 1个0 r左移k位后一除数y 新r r 0 且r的高k个数位均为1 上商0 后跟k 1个1 r左移k位后 除数y 新rx 0 1010000y 0 1100011 y 补 1 0011101 01010000 10011101r11101101r0 符号后2个0 商10 010111000110 10011101r11111001r 0 符号后4个1 商0111 1001000001100111 0110001111110011X Y 0 1100111 3 5浮点数的运算方法 一 浮点数的加减法运算 1 对阶 小阶 大阶 尾数右移一位 阶码加12 尾数加减3 尾数规格化处理 符号位尾数右移一位 阶加1 右规数值位最高位与符号位相反尾数左移 阶减1 左规 4 舍入0舍1入高位舍1 尾数末位加1置1法5 检查阶码是否溢出 01100011 x 2010 0 11011011y 2100 0 10101100 浮点表示 阶符阶值尾符尾值 补码 X000100011011011Y001001101010100 1 对阶 E Ex Er Ex 补 Ey 补 00010 11100 11110 E 0 X阶小 右移2位 阶加2 2X001000000110110 11 2 0000110110 11010101001110001010 3 尾数左移一位 阶减1000111100010101 4 舍入处理000111100010110 11 11 10 2 浮点乘除法运算步骤 floating pointarithmetic 1 浮点数的阶码运算移码判溢出 X Y 移 X 移 Y 补 X Y 移 X 移 Y 补阶码加法器 双符号位移码的最高符号位恒0 若为1 则溢出低位符号为0 上溢低位符号为1 下溢最高符号位为0 不溢出 低位符号1 正最高符号位为0 不溢出 低位符号0 负 1 X 0011Y 1100 X 移 01011 Y 补 001100 X Y 移 X 移 Y 补 01011 11010 00101 X Y 32 X 011Y 110 X 移 00101 Y 补 11010 Y 补 00110 X Y 移 X 移 Y 补 11111下溢 X Y 移 X 移 Y 补 01011X Y 3 2 浮点数的尾数处理对阶 右规 截断处理舍去 舍入处理 当丢失的各位均为0 舍去丢失的最高位为0 以下各位不全为0或丢失的最高位为1 以下各位均为0 舍去丢失的最高位为1 以下各位不全为0 尾数最底位入1保留小数点后四位有效数字101100000 10110舍101100001 10110舍101101000 10110舍101111001 10111 111000入 例 X 2 5 0 1110011Y 23 0 1110010 求X Y 浮点形式阶码 4位移码 尾数 8位补码 X001101110011Y1011100011100011 Y移补 X 尾补 1100011012 X 补 1000110102 X 补 011100110 X Y 阶移 X 移 Y 补 00011 00011 00110 2 尾数用补码两位乘 乘数00000000010001110 0 2 X 补 100011010 100011010右移2位11100011010 1000111 1111100011010 10001 X 补 001110011001100100 000011001001010 100 2 X 补 100011010100110011右移1位 1100110011001010 10阶移尾补 X Y 浮 0110110011010 X Y 2 2 0 1100110 3 6浮点运算器中的移位电路 4 3 2浮点运算器举例 80287性能 3 7数据校验码 Error correctingcode一 奇偶校验码 最高一位为校验位二 海明校验码 HammingError correctingcode码距 两个合法码之间至少有几个二进制位不相同2 4 1奇偶校验码 2 4 2海明校验码 校验位r位2r 信息1个信息 无错2r 1出错位2r 1 r2r 1 r k2r k r 1检测 自动校正一位错 发现两位错2r 1 k r海明码最高位号为m 最低位号为1 HmHm 1 H2H1海明码编码规则 1 校验位 数据位之和为m pi 2i 1数据依次排列 2 Hi 多个校验位被校验位号 各校验位号和8个 二进制位 r 5 共13位P5D8D7D6D5D4D3D2P3D1P2P1P1 D1 D2 D4 D5 D7P2 D1 D3 D4 D6 D7P3 D2 D3 D4 D8P4 D5 D6 D7 D8P5 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 P4 P3 P2 P1 S1 P1 D1 D2 D4 D5 D7S2 P2 D1 D3 D4 D6 D7S3 P3 D2 D3 D4 D8S4 P4 D5 D6 D7 D8S5 P5 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8 P4 P3 P2 P1S1S2S3S4S5 全0无错1位不为0对应校验位错2位不为0S5 0发现两位错 不定位S5 1Si Pi错3位 4位不为0一位数据位错位号S4 S1 例 信息码1000海明码01001011P1 D1 D2 D4 1P2 D1 D3 D4 1P3 D2 D3 D4 1P4 1 1 1 1 0 0 0 001001011P1 0S1 100001011P2 0S2 1P4D4D3P3D1P2P1P3 0S3 1P4 1S4 0 2 4 3循环冗余校验码 CRCCRC码K位信息码 r位校验码 1 CRC码的编码方法 1 模2运算 异或0 0 00 1 11 0 11 1 0 2 模2乘1010 1011010 10110100000 1010 100010 3 模2除余数首位1 商1 首位0 商0 101101 10000101010 000 100 101 01生成多项式G X 信息码左移2位 生成多项式是r 1位 r位后除G X 所得余数R X CDC校验位信息码 CRC校验码 CRC码 例 信息码1100 生成多项式G X 10011求 CRC码R X 3位 111011111011 11000101011 11010101011101111101100101110111011111110111011000010000000101100001101011 01100000110 第四章主存储器mainmemory 一 主存储器处于全机中心地位1 CPU 主存2 I O3 多处理机共享存储器二 主存分类RAM 易失性ROMPROM非易失性EPROME2PROM 三 主存技术指标主存容量存取时间 启动依次操作到完成该该操作的时间存储周期四 主存基本操作五 随机存储器RAM1 SRAMT1导通T2截止 1 2 DRAM工作原理电容C充电1 放电0再生时序图工作方式 读工作方式 写 读 改写 页面 再生 3 DRAM SRAM比较DRAM容量大 价格便宜 所需功率小SRAM速度低 需再生六 非易失性半导体存储器ROMPROMEPROME2PROM快擦除读写存储器 flashmemory 七 半导体存储器的组成与控制1 存储器容量扩展 1 位扩展 字长 2 字扩展 容量 3 字位扩展2 存储控制刷新集中刷新分布式刷新 八 多体交叉存储器1 编址方式 交叉编址2 存取控制同时访问 增加数据总线宽度交叉访问 第五章指令系统instructionsystem 5 1指令系统的发展5 2指令格式5 3数据表示5 4寻址方式5 5指令类型5 6指令系统的兼容性 向上兼容5 7指令系统举例 5 1指令系统的发展 指令系统 计算机性能系列计算机 基本指令系统相同 基本体系结构相同指令系统复杂设计周期长 正确性难以保证不易维护一些指令不常用 硬件资源浪费RISC精简指令计算机reducedinstyuctionsetcomputer 5 2指令格式instructionformats 5 2 1指令格式指令包含信息操作码操作数地址操作结果存储地址下一条指令地址顺序执行 PC转移 调用指令操作码 地址码 指令格式 1 零地址指令操作码无需操作数NOPHCT系统默认PUSHAPOP2 一地址指令opcode AINCA3 二地址指令opcodeA1A2 源目的aeldA B不一定 4 三地址指令opcodeA1A2A3AopcodeA2 A35 多地址指令大 中 高档小型机 5 2 2指令操作码的扩展技术 操作码K位 2K条指令指令操作码编码格式 固定格式 操作码长度固定 放在指令字的一个字段中可变格式 长度不固定 分散在不同字段中例 指令长度16位操作码三个地址码4位4位 12位三地址指令24 16条三地址 15条二地址 15条一地址 15条零地址 16条 扩展 操作码 1 0000 1110A1A2A3 2 11110000 1110A1A2 两地址指令 3 111111110000 1110A1 4 1111111111110000 1111扩展原则 使用频度高 短操作码使用频度低 长操作码 5 2 3指令长度与字长的关系 字长 计算机能直接处理的二进制数据的位数字长运算精度地址码 直接寻址能力扩大寻址能力增加机器字长 地址码长度地址扩展技术指令长度 机器字长短格式指令指令长度 机器字长长格式指令 5 3数据表示5 4寻址方式 编址方式 寻址方式 确定本条指令的数据地址及下一条要执行的指令地址的方法 1 直接寻址 OP 操作数有效地址2 寄存器寻址 OP 寄存器名 操作数 3 基址寻址 OP 位移量基址寄存器 位移量程序在存储器中的定位扩大寻址空间 4 变址寻址 变址寄存器 位移量 m 1 2 数组起始地址A5 间接寻址 OP 操作数地址 有效地址寄存器间接寻址存储器间接寻址6 相对寻址 PC 偏移量主要用于转移指令7 立即数OP 操作数地址 5 5指令类型 5 5 1指令的分类及功能 1 算术逻辑运算指令2 移位操作指令算术移位 逻辑移位 循环移位 N V ZNVZN V Z0000 0011 010 10111 1001111 1 3 浮点运算指令4 十进制运算指令5 字符串处理指令6 数据传送指令7 转移类指令 1 无条件转移与条件转移 2 调用指令与返回指令保留返回地址 堆栈 3 陷阱指令陷阱 意外事故中断 中断目的不是请求CPU正常处理 而是通知CPU出现了故障 转入相应的故障处理程序 8 堆栈操作指令堆栈 由若干个连续存储单元组成的先进后出存储区 暂存中断和子程序调用时现场数据及返回地址 子程序调用时的参数传递压入 弹出低地址 栈顶高地址 栈底 9 输入输出指令OPREGA 操作数寄存器名外部设备输入A REG输出REG A10 特权指令 提供给操作系统 系统软件11 其它指令 1 向量指令 向量 矩阵运算 2 多处理机指令测试与设定指令数据交换指令 3 控制指令等待 停机 空操作 开中断 关中断 置条件码 5 5 2双字长运算 子程序举例 1 双字长加法运算R3R4R1R2高位低位高低 1 机器有add adc指令K addR2 R4 R2 R4 R4 CKH adcR1 R3 R1 R3 C R3 2 机器有add 没有adc K addR2 R4 R2 R4 R4K 1 Bcck 3c 0 k 3 c 1 顺序执行K 2 add 1 R1 R1 1 R1K 3 addR1 R3 R1 R3 R32 双字长减法运算字长4位双字长 X00101100Y00011010 Y 补11100110 高位取反低位求补 无符号正数 X Y 补 X Y 补00101100 1110011000010010 高位补码相减低位够减 不借位C 0X 00101100Y 00011110 Y 补 11100010 高位取反低位求补 X Y 补 X 补 Y 补 00101100 1110001000001110高位反码相减 低位无进位信号 低位不够减向高位借位C 1 双字长运算步骤 1 低位相减 不够减C 1 够减C 02 高位相减 C 0减数取补码C 1减数取反码机器中有按补码运算的减法指令无反码减法指令 程序K SUBR2 R4 R2 R4 R4置CK 1 BCCK 3C 0 K 3K 2 add 1 R3 R3 1 R3K 3 SUBR1 R3 R1 R3 R3 5 6指令性同的兼容性 向上兼容5 7指令系统举例 5 7 3PDP11与VAX11基本指令格式VAX 通用寄存器机器16个通用寄存器 放位R14 堆栈R15 PC扩充PDP11 16位小型机两组通用寄存器R0 PC指令任一时刻一组工作1 但操作数指令OP方式Rn 寻址方式寄存器2 双操作数指令OP方式Rn方式Rn 源目的 第六章中央处理器部件CPU 计算机进行信息处理的过程6 1计算机的硬件系统6 2控制器的组成6 3微程序控制计算机的基本工作原理6 4微程序设计技术6 5微程序设计举例6 6控制器的控制方式6 7流水线工作原理6 8RISC的编译系统 计算机进行信息处理的过程 1 程序和数据输入计算机存储器中2 从 程序入口 开始执行程序 得到结果 结束运行加电 产生reset信号 执行程序 停机 停电 6 1计算机的硬件系统 CPU的实现半导体公司生产计算机公司自行设计6 1 1Inter80386微机系统 6 2控制器的组成CPUorganization 6 2 1控制器的功能 function取指令分析指令执行指令控制程序和数据的输入与结构输出对异常情况和某些请求的处理 6 2 2控制器的组成 oranization 程序计数器PC现行指令地址将要执行的下一条指令地址 存储器 下一条要驱除的指令地址 预取 寄存器 指令寄存器IR指令译码器或操作码译码器脉冲源及启停线路时序控制信号形成部件 6 2 3指令执行过程 1 组成控制器的基本电路电路 有记忆功能的触发器及由它组成的寄存器 计数器 存储单元 没有记忆功能的门电路及由它组成的加法器 ALU 各种逻辑电路2 指令执行过程举例 同一寄存器 加法指令 oprs rdrs1imm disp rs 主存数据 rdrs1 disp 取指 存储器 DB IR 分析指令PC ABW R 0M IO 1DB IRPC 1 读访存储器 计算机数据地址 产生有效地址 AR1rs1 GR1 rs1 ALUdisp ALU ALU AR1 到存储器取数AR AB W R 0 M IO 1 DB DR1 加法运算rs GR rs ALUDR ALU rd GRALU rd置N Z V C条件转移指令 取指 PC AR1W R 0M IO 1DB IR1PC 1 6 3微程序控制计算机的基本工作原理 产生控制信号微程序控制硬布线控制微操作 一条指令的功能是通过按一定次序执行一系列基本操作完成的 微指令 由同时发出的控制信号所执行的一组微操作 微命令 组成微指令的微操作微程序 微指令序列的集合控制存储器 存放微程序 ROM控制命令下一条微指令地址 3 转移指令OP位移量转移地址 PC 2 位移量4 其它指令寻址方式1 直接寻址 addR2 R4060204 八进制 000110000010000100 R2 R4 R4R2000002R2000002R4000004R4000000 add R2 R4062204 010000R2 操作数地址 操作数 R4 R4 R2 2内存 100000062204R2160002160002010000R4010000100000062204R2160004160002010000R4020000 add R3 R0064300 100000100020064300R01000020R0000070R307776R307774077741000050 07776010000 add30 R2 20 R5 066265 110110001020R2001100R2001100001022R5002000R5002000001024001130000001002020000001002020000002 066265000300000020 2 间接寻址 add R2 R1061201 add R2 R1001000内存 001020061201R1001234R1002244001100001010R2001100 add 1000 R2 R1061201 111000001020067201R1001234R1001236001022001000R2000100 001050000002 100001100001050001100 6 3 2实现微程序控制的基本原理 1 控制信号加法指令 每个控制信号一个控制位微指令格式 控制字段 下址字段2 微程序控制器 6 4微程序设计技术 微程序设计技术缩短微指令字长减少微程序长度提高微程序执行速度 6 4 1微指令的编译法 控制字段编译法 1 直接控制法 一位代表一个微命令微指令字长大2 字段直接编译法微周期 一条微指令所需的执行时间互斥微命令编成一组不发命令 000 111 3 字段间接编译法 ABAB00100011 1111114 常数源字段EE 给某些部件发送常数 发射字段 6 4 2微程序流的控制 微程序流的控制 当前微指令执行完毕后 怎样控制产生后继微指令的微地址 产生后继微指令地址的方法 由指令操作码译码器产生后继微地址由微指令的下址字段指出后继微地址 1 产生后继微指令地址的方法 1 以增量方式产生后继微地址顺序执行微指令时UPC 1转移类UPC与形成转移微地址的逻辑电路组合成后继微地址 2 增量与下址字段结合产生后继微地址控制字段 BCF BAF 转移地址字段转移控制字段转移时BAF UPC顺序UPC 1 3 多路转移方式多路转移方式 一条微指令存在多个转移分支的情况 4 微中断 PROM控制存储器微程序控制器指令操作码 微指令入口地址 2 AM2910芯片功能简介 1 AM2910的组成 UPC微堆栈计数器 寄存器命令译码器多路地址选择器 选择下一条微指令的地址 1 UPC 12位增量器12位寄存器2 计数器 寄存器 12个D型触发器寄存器 保存微地址 实现微程序分支计数器 减1 控制微程序循环次数3 微堆栈 寄存器堆栈 保存微子程序返回地址微程序循环首地址微堆栈知识器USP4 命令译码器 接受微指令控制字段送来的命令码及硬件状态 用来执行AM2910内部操作及选择下址输出 CI 1进位输入CI 0 2 AM2910引出线定义JMP rs1 Disp1 取指PC ABADS W R 0M IO 1DB IRPC 1101010000000000000001102 计算机转移地址8104 132rs1 GR rs1 ALUDisp ALUALU PC010100010100100000000 LOAD rs1 disp单元取数 rs 1 取指2 计算地址81041319rs1 GR rs1 ALUdisp ALU ALU AR000100010100100000100 3 取数202123226AR ABADS W R 0M IO 1DB DR000001000000000000011104 数 rs9121317rs GRDR ALUdisp 0 ALU ALU GR000000001001100010000 Storers rs1 Disp内存单元1 取指2 计算地址81041319rs GR rs1 ALUDisp ALU ALU AR000100010100100000100 3 存数rs DR9111318rs GR rs ALUdisp 0 ALU ALU DR000000001010100001000 4 DR 内存720212223DR DBAR ABADS M IO 1W R 100000010000000000001111 习题 6 6 abcdeif i jf ji jf hg jf j abcdeig jf h abcdegi jf h abcdegi jf h 6 4 3微指令格式 水平型微指令垂直型微指令1 水平型微指令 在一条微指令中定义并执行多个并行操作微命令 直接控制法 字段编译法2 垂直型微指令 在微指令中设置有微操作码字段 采用微操作码编译法 由微操作码规定微指令的功能 微指令 微操作码 1 寄存器 寄存器传送型微指令000 源寄存器编址 目标寄存器编址 其它 2 运算控制型微指令001 左输入源编址 右输入源编址 ALU 八种操作 3 移位控制型微指令010 寄存器编址 移位次数 移位方式 4 访问主存微指令寄存器 存储器011 寄存器编址 存储器编址 读写 其它 5 无条件转移微指令100 D S无条件转移转微子程序转移地址 6 条件转移微指令101 D 测试条件3 水平型微指令与垂直型指令的比较 6 4 4微程序控制存储器和动态微程序设计 1 微程序控制存储器ROMRAM2 动态微程序设计3 控制存储器的操作 执行一条微指令 取微指令 执行微指令 1 串行方式取1 执行1 取2 执行2 2 并行方式取1 执行1取2 执行2 6 4 5微程序设计语言 微程序设计语言 用来编制微程序的语言 微程序设计语言毫微程序设计垂直微程序 顺序结构水平微程序 6 5微程序设计举例 6 5 1模型构成6 5 2指令格式1 指令格式 1 add SUB MOV 指令格式opcode Rd Rsadd Rd Rs RdSUB Rd Rs RdMOV Rs Rd6 5 3微指令格式 6 6控制器的控制方式 控制器的控制方式 形成时序控制信号的方法6 6 1同步控制方式统一时间 最长 大多数 短时间少数 长时间中央控制和局部控制结合 大多数 短时间少数 另行控制6 6 2异步控制方式实际时间应答 6 6 3联合控制方式 同步 异步相结合大多数 同步少数时间难以确定的 异步6 6 4人工控制1 reset按键2 连续或单条转换开关3 符合停机机器内一组开关存储器地址二开关值地址符合停机 6 7流水线工作原理 6 7 1流水线工作原理1 指令执行流水线取指 计算地址 取数 运算运算操作流水线对阶 存入锁存号尾数加 存入锁存号规格化 存入2 流水线中的相关问题数据相关存储器数据相关寄存器数据相关解决 相关专用通路 操作数直接从处理部件得到 3 程序转移对流水线的影响流水线处理中断不精确断点法精确断点法6 8CPU举例1 SPARC逻辑图 2 RISC的通用寄存器 全局寄存器8个局部寄存器24个 CISC call return访存储器SPARC 利用寄存器组实现调用 返回7个窗口 6543210 调用 当前窗口指针cwp 1返回cwp 1嵌套层次受窗口数限制 窗口溢出时 按FIFO将一个窗口存入存储器 3 流水线组织 流水线 1 取指 译码 执行等操作所需时间的分析 取指操作实现是相同的cache指令预取技术 指令译码时间 RISC 指令格式固定 译码时间较短 SPARC译码1从寄存器取数 执行时间 运算指令算逻指令寄存器 寄存器访存或转移指令计算地址 不处理数据ALU运算 结果判断一个机器周期一个周期内完不成的指令增加机器周期时间增加机器周期数 2 SPARC指令流水线分析 数据相关Cache不命中产生故障陷阱 trap 条件转移指令 6 8RISC的编译系统 1 编译系统的构成 源程序转换优化中间码执行码2 代码的生成与优化 1 转移指令的处理 延迟转移方法 2 尽量减少流水线互锁现象 第七章存储系统memorystystem 一 存储系统层次结构二 高速缓冲存储器cache三 虚拟存储器四 相联存储器五 存储保护 一 存储系统层次结构 1 存储器技术指标 容量 速度 价格 位2 主 辅存 容量 战术3 cache 主存 速度 战术 二 高速缓冲存储器cache 1 工作原理 主存地址m b 2m块Cache地址c b标记位 命中率 2c块为保存cache 主存一致性 两种写入方式写回法直达法 2 cache存储器组织 地址映象直接映象主存2 26全相联映象2组相联映象 2 0组 替换算法 FIFO先进先出LRU近期最少使用 0123 01 FIFO 三个cache块012301401234 3 12 4块 LRU 012301401234 2 12 3 cache存储器举例 4 多层次cache 数据cache多层次cache结构Cache的一致性问题修改排它共享无效 三 虚拟存储器 1 主存 辅存与cache 主存比较2 主存 辅存信息传送单位和存储管理 段 页 段页3 页式虚拟存储器4 段页式虚拟存储器5 虚拟存储器工作全过程6 pentium处理机的虚拟存储器7 存储管理部件MMU 四 相联存储器五 存储保护存储区域保护页表保护键方式环保护访问方式保护 R W ECR 012301401234333401234222234012311111234012000000123401 第八章辅助存储器 8 1辅助存储器种类与技术指标 8 2磁记录原理与记录方式 8 3硬磁盘存储器 8 1辅助存储器种类与技术指标 1 种类磁表面存储器光存储器2 技术指标存储密度道密度 道 英寸位密度 位 英寸存储容量格式化容量非格式化容量寻址时间寻道时间 磁头等待旋转时间硬盘 软盘数据传输率 单位时间内磁盘存储器与主机之间传送数据的位数或字节数误码率 磁表面存储器出错概率价格 位价格 设备价格 容量 面密度 60 70 8 2磁记录原理与记录方式 012301401234301400234223014102311123014102000012333410 8 2 1磁记录原理 1 磁记录原理 限制磁表面存储密度的原因原因 偏斜 磁带系统噪音 磁道 脉冲拥挤 位 图8 1磁表面存储器工作原理 8 2 2磁记录介质与磁头 1 磁记录介质 涂有薄层磁性材料的信息载体软件介质 软盘硬性介质 硬盘涂布工艺平涂工艺 软磁盘甩涂工艺 硬磁盘 软磁盘2 感应式磁头 电磁磁头接触式磁头 软磁盘浮动式磁头 硬磁盘 转化 3 MR磁头magnetoresistive磁致电阻效应 读出磁发电机读出高密度记录 8 2 3磁记录方式 编码方式 1 归零制RZ 2 NRZ 3 NRZ1 4 PM 5 FM 6 MFM 记录方式的优劣标准 编码效率 自同步能力自同步能力 从单个磁道读出的脉冲序列中提取同步时钟脉冲的难易程度 R 最小磁化翻转间隔 最大磁化翻转间隔编码效率 位密度 最大磁化翻转密度 8 3硬磁盘存储器 8 3 1硬磁盘存储器的种类及基本结构1 根据磁头的工作方式分类 移动头磁盘存储器 浮动式固定头磁盘存储器 2 根据磁盘可换与否分类 可换盘存储器记录密度低固定盘存储器 温彻斯特磁盘高密度 高容量 可移动磁头固定盘片磁盘存储器驱动器HDDHardDispdrive控制器HDCharddispcontrol 8 3 2HDD和HDC HDD组成磁头定位系统驱动部件 电机运载部件 小车数据控制系统磁头主轴系统磁头选择电路盘组读写电路索引区标电路HDC 主机 HDD之间的接口 DMA控制方式主机HDCHDD系统级接口设备级接口 图8 6硬盘存储器工作原理 在计算机系统中 通常把CPU和主存储器之外的各种硬件装置统称为输入输出设备 或称为外部设备 外围设备等 输入输出设备的主要任务是完成数据的输入 输出 成批数据的存储及加工等 最基本输入输出设备有3种 就是显示器 键盘和打印机 下面分别介绍他们的基本工作原理 另外 通常把磁盘 磁带 光盘等辅助存储器也包括在输入输出设备中 我们将在下一节中专门介绍 第九章输入输出 I O 设备9 1外部设备概述 9 2输入设备 9 2 1键盘 键盘是一种最常用的输入设备 键盘的种类很多 键盘上的每个键起一个开关的作用 按照键盘所用开关的种类分为有触点式和无触点式两大类键盘 有触点式键盘包括机械式 簧片式 薄膜式及导电橡胶式等 无触点式键盘包括电容式 压电式 压敏式 光电式及磁电变换式等 有触点式键盘结构简单 成本低 但使用寿命短 无触点式键盘灵敏度高 寿命长 稳定性好 但成本较高 按照键盘代码的获取和处理方式分为查询式 编码式 扫描式等几种 查询式键盘有m行 n列按键 图9 1给出一个8行 8列的查询式键盘 输入寄存器和输出寄存器都在键盘接口中 输出寄存器的8条输出线分别接键盘阵列的X0 X7 输入寄存器的8条输出线分别接键盘阵列