计算机组成原理总结ppt课件.ppt

第一章计算机系统概论 1 计算机系统的基本组成 硬件系统的概念2 冯 诺依曼计算机的特点 存储程序 按地址访问并顺序执行指令3 计算机硬件的组成及作用4 计算机硬件的主要性能指标机器字长 存储容量 运算速度5 计算机体系结构和计算机组成的区别6 计算机系统的层次结构5 第三章系统总线 1 为什么要用总线 分散连接连线复杂 效率低2 总线 是计算机系统中各部件之间的公共的信息传递通道 3 总线的特点 连线少 易于集成化 可替换性好 分时传送 缺点4 总线的分类5 总线标准和总线规范 机械性能 功能 电气特性等6 总线性能指标 总线宽度 传输率等7 几种常见总线标准的特点 PCIRS 232USB8 总线设备的分类9 集中仲裁的几种方式 链式查询 计数器定时查询 独立请求的判优方法及特点10 总线通信的四种方式 同步 异步 半同步及分离式10 4 总线的分类从不同角度有不同的分法 1 从信息传输的方向性上分 2 从传输信息的类型上分 从功能上分 3 从信息传送形式上分 串行 并行 4 从层次上分 片内总线 芯片总线 系统总线 通信 或设备 总线 局部总线 6 总线的性能指标评价总线性能的优劣1 总线宽度 主要是指数据总线的数目 2 标准传输率 总线带宽 总线本身所能达到的最高传送速率 以MB S表示例如 总线时钟为8 33MHZ 16位总线则标准传输率为8 33M 2B s 16 66MB s3 总线定时协议 握手机制 数据传输采用何种时钟控制 分为同步 异步 半同步 分离式几种4 总线控制方式 如仲裁机制 自动配置等 5 总线复用两种不同时出现的信号共用一组物理线路 即分时使用同一组总线 称为总线的多路分时复用 其目的在于减少芯片的引脚数 6 信号线数 总线所包含的全部信号线的总数 7 其它指标 如负载能力 电源电压 能否扩展等 8 总线设备分类 控制能力 总线主设备 对总线具有控制能力 信息传送的发起者 总线从设备 没有总线控制权 只能响应总线命令 信息传送 总线源设备总线目标设备 访问控制 存储器设备I O设备 9 集中仲裁的方式和特点 1 链式查询 通过一条判优链路 优先链 对所有主设备逐个串行进行查询 查询方法 从离总线控制部件最近的设备开始查起 首先查到的一定是所有提出请求的设备中优先权最高的一个 查到最高优请求设备后 该设备通过相应信号卡断判优链路 这样他就可以独霸总线与从设备之间进行操作而无后顾之忧了 当操作结束后 及时释放总线 此时总线控制部件可以继续对其他请求设备进行判优 特点 结构简单 易于扩充设备 对电路故障很敏感 仲裁公平性差 固定优先级 2 计数器定时查询 查询方法 查询开始 计数器计数 每计一次数 就将计数值作为设备地址发往各个设备 每个申请总线的设备对地址进行识别 地址符合的设备获得总线控制权 停止计数 优先级设定 由计数初值决定最高优先级 3种方法 a 查询时计数器从 0 开始计数 即0号设备的优先级最高 b 查询时计数器从上一次查询的终止点开始计数 则终止点优先级最高 此时优先级是循环的 c 计数初值由程序设定 此时优先级可编程改变 特点 软件查询 优先级控制方式灵活 固定 动态改变 对电路故障不敏感 控制较复杂 增加设备地址线 3 独立请求方式 判优方法 每一个设备专门有一根BR线和BG线 各自通过独立的请求线向总线控制部件发请求 总线控制器里设置并行排队线路 同时接收各设备发来的请求信号并同时进行排队判优 然后通过各自独立的回答线发出总线同意信号 特点 响应速度快优先级控制灵活不适合多设备的场合注 系统中设备较多时 可以采用多种仲裁方式相结合的形式 如多链结构 链内串行 链间并行 由统一时钟信号控制数据传送 充分挖掘系统总线每瞬间的潜力 10 总线通信的四种方式 采用应答方式 没有公共时钟标准 同步 异步结合 异步通信根据应答信号配合的完善程度 常分为三种类型 不互锁 半互锁 全互锁 异步串行通信的数据传输率可以用波特率和比特率来衡量 波特率 单位时间内传送二进制数据的位数 单位 bps比特率 单位时间内传送二进制有效数据的位数 单位 bps 例 在异步串行传输系统中 若字符格式为 1个起始位 7个数据位 1个奇校验位 1个终止位 假设每秒传输120个数据帧 试计算波特率及比特率 解 由题意知 一帧包括1 7 1 1 10位所以波特率为 1 7 1 1 120 1200bps一帧中的有效数据位为7位所以比特率为1200 7 10 840bps 第四章存储器 1 存储器的分类2 存储器系统的基本组成及层次结构3 半导体存储芯片的存储原理4 译码方式 线选法 重合法 及其特点5 存储器的性能指标6 DRAM的刷新方式及其特点7 存储器的扩展及提高访存速度的措施8 Cache 主存地址映象方式及替换算法9 磁表面存储器的记录方式10 硬盘记录格式中的几个概念 盘面 磁道 扇区等11 循环冗余校验码30 1 存储器分类 1 按存储介质分类 1 半导体存储器 2 磁表面存储器 3 磁芯存储器 4 光盘存储器 TTL MOS 磁头 载磁体 硬磁材料 环状元件 激光 磁光材料 2 按存取方式分类 1 存取时间与物理地址无关 随机访问 顺序存取存储器磁带 2 存取时间与物理地址有关 串行访问 随机存储器 只读存储器 直接存取存储器磁盘 磁盘磁带光盘 高速缓冲存储器 Cache FlashMemory 存储器 3 按在计算机中的作用分类 2 存储器系统的基本组成及层次结构 1 静态RAM基本电路 T1 T4 3 半导体存储芯片的存储原理 2 动态RAM DRAM 基本单元电路 读出与原存信息相反 读出时数据线有电流为 1 写入与输入信息相同 写入时CS充电为 1 放电为 0 T 无电流 有电流 4 半导体存储芯片的译码驱动方式 1 线选法 单译码方式 线选法的特点 a 译码结构简单 速度快 但器材用量大 N根译码线需n套驱动器 当容量较大时 导致成本太高 仅适合于高速小容量存储器 b 并行输入 输出 数据I O 按多位 字节 组织 2 重合法 双译码方式 0 0 重合法的特点 a 与线选法相比大大减少了译码输出线根数 则器材用量也大大减少 有效地降低了存储器的成本 适用于大容量存储芯片b 数据位I O 按位组织 5 存储器性能指标 1 存储容量 存放二进制信息的数量存储容量 存储单元个数 存储字长 按字 字节数 按字节编址 地址线数目为n 存储单元数 2n 2 存取速度 一般采用两种参数描述a 存取时间 TA 指从CPU给出有效地址启动一次存取 读 写 操作到该操作完成所需的时间 读 写分别为TAR TAW b 存取周期 Tmc 指连续两次存储器操作之间的最小时间 间隔略大于TA 3 带宽 每秒从存储器进出的最大信息量 存取周期反映存储器的带宽 例 TMC 100ns8位数据带宽为1 100ns 8b 80Mb s 集中刷新 正常工作期间DRAM可达全效率 但刷新期间CPU不能访存 形成访存 死区 分散刷新 消除了访存死区 但使CPU访存周期延长一倍 另外 存在多余的刷新操作 集中与分散相结合 结合集中 分散刷新的优点 既克服了死时间 又没有多余的刷新操作 DRAM工作效率达到最高 是一种理想的刷新方式 得到广泛应用 但这种方式控制较复杂 需要较多的存储器外围电路支持 刷新地址计数器 刷新定时器 访存仲裁逻辑等 6 DRAM的刷新方式及其特点 7 存储器的扩展 例4 1 1 写出对应的二进制地址码 2 确定芯片的数量及类型 A15A14A13A11A10 A7 A4A3 A0 3 分配地址线 A10 A0接2K 8位ROM的地址线 A9 A0接1K 4位RAM的地址线 4 确定片选信号 例4 1CPU与存储器的连接图 8 Cache 主存地址映象方式及替换算法 某一主存块只能固定映射到某一缓存块 某一主存块能映射到任一缓存块 某一主存块能映射到某一缓存组中的任一块 段相连段间全相连映象 段内直接映象 替换算法1 先进先出法 2 近期最少使用算法 3 随机法 例4 4 设主存的容量是256KB Cache的容量是2KB 每个块的大小为16B问1 主存和Cache各有多少个块 2 主存和Cache地址各有多少位 3 主存中第135块在直接映象方式下映象到Cache的哪一块 4 直接映象方式下 主存地址分为哪几段 每段各有多少位 解1 主存256K 16 256 1024 16 16384块Cache2K 16 128块 2 主存log2256K 18 所以主存地址有18位Cachelog22K 11 所以cache地址有11位 3 j imod2c 135mod128 7 4 主存地址可以分为三段 块内地址 log216 4位Cache字块地址 log2128 7位主存字块标记 主存地址长度 cache地址长度 18 11 7位 4 3 例4 5假设主存容量为512K 16位 Cache容量为4096 16位 块长为4个16位的字 访存地址为字地址 1 在直接映象方式下 设计主存的地址格式 2 在全相联映象方式下 设计主存的地址格式 3 在二路组相联映象方式下 设计主存的地址格式 4 若主存容量为512K 32位 块长不变 在四路组相联映象方式下 设计主存的地址格式 解 cache的容量为4096 所以cache字地址为log24096 12位 块长为4 所以字块内地址为2位 cache块共有4096 4 1024块 块号占10位 主存地址为log2512K 19位 1 直接映象方式下 主存字块标记为19 12 7位 主存地址格式为 2 全相联方式下 主存字块标记为19 2 17位 其格式为 3 在二路组相联的条件下 一组内有2块 cache共分为1024 2 512组 所以组地址为9 主存字块标记为19 9 2 8位 其格式为 4 若主存容量为512K 32位 访问地址位字地址16位 则主存地址位log2512K 32 16 20位 在四路组相联的条件下 一组内有4块 cache共分为1024 4 256组 所以组地址为8 主存字块标记为20 8 2 8位 其格式为 9 磁表面存储器的记录方式 1 归零制 RZ 2 不归零制 NRZ 3 见 1 就翻的不归零制 NRZ1 4 调相制 PM 5 调频制 FM 6 改进调频制 MFM 评价记录方式的主要指标 1 编码效率 位密度与磁化翻转密度的比值 可用记录一位信息的最大磁化翻转次数来表示 例 FM PM 一个位周期磁化最多翻转2次 则编码效率为50 MFM NRZ NRZ1 一个位周期磁化最多翻转1次 则编码效率为100 2 自同步能力 指从单个磁道读出信息提取同步脉冲的难易程度 NRZ和NRZ1制均无自同步能力 而RZ PM FM和MFM制均有自同步能力 11 循环冗余校验码 CRC码 例已知有效信息为1100 试用多项式G X 1011将其编成CRC码 解 有效信息M X 1100 X3 X2 由G X 1011 X3 X1 1 得r 1 4即r 3 将有效信息左移3位 即M X X3 1100000 X6 X5 将其被G X 模2除 1110 1011 1011 010 所以 M x X3 R X 1100000 010 1100010 所求CRC码为 1100010 第五章输入输出系统 1 输入输出系统发展的四个阶段及其特点2 I O编址方式及I O指令3 I O与主机的联系方式 传送方式 通信方式 控制方式4 接口的功能及组成5 程序查询方式接口电路的组成及工作过程6 程序中断方式的工作原理及程序中断接口电路 中断服务流程7 DMA方式的特点8 DMA与主存交换数据的三种方式9 DMA接口电路的功能及组成10 DMA的工作过程15 2 常用的I O编址方式有两种 1 I O与内存统一编址 I O地址采用与主存单元地址完全一样的格式 这样I O设备就和主存占用了同一个地址空间 此时CPU可像访问主存一样访问I O设备 不需要安排专门的I O指令 2 I O独立编址 机器为I O设备专门安排一套完全不同于主存地址格式的地址编码 称为设备码 号 此时I O地址空间与主存地址空间是两个独立的空间 CPU需要通过专门的I O指令来访问I O地址空间 由于机器所带的I O设备的数量比主存单元少得多 因此I O地址空间比主存空间小得多 3 I O与主机的联系方式 1 传送方式 并行传送 串行传送 通信方式 联络方式 1 直接控制方式 立即响应方式 2 同步方式 3 异步方式 3 连接方式 辐射式 总线式 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 命令寄存器命令译码器 4 接口的功能及组成 5 程序查询方式接口电路的组成及工作过程以输入为例 6 I O中断处理过程 DBR 设备选择电路 以输入为例 8 DMA与主存交换数据的三种方式 1 停止CPU访问主存 当DMA要和主存交换数据时 CPU暂停现行程序的运行 等待DMA将一批数据全部传送完才继续工作 这种方法实现简单但对CPU工作效率影响较大 不是典型的DMA方式 其改进方法是在DMA控制器中设一小容量存储器 使I O先和小存交换 小存再和主存交换 这样交换时可使MM全速运行 减少CPU等待时间 这种方法与程序查询方式有点像 但有区别 不用程序查询 不破坏CPU现场 CPU只需暂停即可 2 周期挪用 周期窃取 当DMA交换时 CPU不需完全停止等待 可继续运行程序 每当I O准备好一个数据时 就发出DMA请求 DMA控制器在接到请求后 申请总线控制权 占用一到二个主存周期与主存交换数据 交换完后就释放总线 CPU此时如要访存 可暂停一到二个主存周期 如不访存 可照常运行程序 由于I O操作比CPU慢得多 因此I O交换占用主存的时间比例并不大 暂停一到二个主存周期对CPU工作影响不大 就像被DMA偷去了几个主存周期而CPU没有觉察一样 因此这种方式也称为 周期窃取 这是一种典型的DMA方式 3 DMA与CPU交替访存 这种方式适合CPU工作周期比主存周期长一倍以上的情况 此时一个CPU工作周期中含有两个主存周期 因此可将CPU工作周期划分为两半 C1 C2 然后规定CPU和DMA访存各用一半 如C1时DMA访存 C2时CPU访存 这样CPU与I O可交替访存 两者的工作效率毫无影响 由于这一点 这种方式也叫 透明的DMA 这是一种高效的传送方式 但需要较高的技术支持 硬件结构较复杂 9 DMA接口的功能和组成 1 DMA接口的功能 DMA接口卡实际上起着接口和DMA控制器双重作用 由于它是建立在程序查询和程序中断两种技术基础上的一种交换方式 因此 在它的接口中必须包括如下功能 1 保留程序查询的功能 2 保留程序中断的功能 3 可接收来自I O的DMA请求 并向CPU发总线请求 4 具有掌握总线控制权的能力 交换时为主模块 主存为从模块 5 具有对DMA传送参数的控制能力 提供并修改主存和I O地址 交换个数 6 可发出DMA结束中断信号 2 DMA接口组成 AR 主存地址寄存器WC 字计数器DAR 设备地址寄存器BR 数据缓冲寄存器 10 DMA的工作过程 输入 第六章计算机的运算方法 1 各种进制间的相互转换2 有符号数的各种表示方法及其相互转换 原码 补码 反码 移码3 上述四种码制的表示范围及零的表示方法4 定点表示 浮点数的表示方法及其规格化5 算术移位规则6 补码的加减法及溢出的判断7 算术逻辑单元及进位链15 2 有符号数的各种表示方法及其相互转换 对于正数 原码 补码 反码 补码与移码只差一个符号位 0 1 128 127 127 126 3 2 1 3 上述四种码制的表示范围及零的表示方法 4 浮点数的表示范围 2 2m 1 1 2 n 2 2m 1 2 n 2 2m 1 1 2 n 2 2m 1 2 n 215 1 2 10 2 15 2 10 2 15 2 10 215 1 2 10 上溢阶码 最大阶玛下溢阶码 最小阶码按机器零处理 5 算术移位规则 有符号数移位 1 右移添1 左移添0 0 反码 补码 原码 负数 0 原码 补码 反码 正数 添补代码 码制 符号位不变 第七章指令系统1 指令的一般格式 操作码 地址码2 指令字长3 操作数及操作类型4 寻址方式 指令 数据5 指令格式设计6 CISC和RISC的特点15 1 几个概念 机器 指令 机器能够识别并执行的命令 指令系统 一台计算机中所有机器指令的集合 指令字 代表指令的一组二进制代码信息 指令字长 指令字中二进制代码的位数 2 指令的一般格式 1 操作码 1 固定长度操作码 2 可变长度操作码 4 数据寻址 1 立即寻址 2 直接寻址 3 隐含寻址 4 间接寻址 5 寄存器寻址 6 寄存器间接寻址 7 基址寻址 8 变址寻址 9 相对寻址 10 堆栈寻址 例7 3某机主存容量为4M 16位 且存储字长等于指令字长 若该机指令系统可完成108种操作 操作码位数固定 且具有直接 间接 变址 基址 相对 立即等六种寻址方式 试回答 1 画出一地址指令格式并指出各字段的作用 2 该指令直接寻址的最大范围 3 一次间址和多次间址的寻址范围 4 立即数的范围 十进制表示 5 相对寻址的位移量 十进制表示 6 上述六种寻址方式的指令哪一种执行时间最短 哪一种最长 为什么 哪一种便于程序浮动 哪一种最适合处理数组问题 7 如何修改指令格式 使指令的寻址范围可扩大到4M 8 为使一条转移指令能转移到主存的任一位置 可采取什么措施 简要说明之 解 由题意可知 1 指令字长 存储字长 16位2 要完成108种操作 且操作码固定则操作码位数至少为7位3 6种寻址方式则寻址特征位至少要3位 1 一地址指令格式 2 该指令直接寻址的最大范围 26 A EA 一次间址 216 操作数 3 一次间址与多次间址的寻址范围 A1 EA A 多次间址215 操作数 4 立即数的范围 5 相对寻址的位移量 则相对寻址的位移量是 26 执行时间最短 因为 执行时间最长 因为 便于程序浮动 因为 便于处理数组问题 因为 变址寻址 基址寻址 6 立即数在指令中直接给出 基址寻址主要为程序分配存储空间 基址寄存器中的内容由操作系统或管理程序确定 变址寻址的变址寄存器的内容由用户给定 而且在程序的执行过程中允许用户修改 其形式地址始终不变 故变址寻址的指令便于用户编制处理数组问题的程序 立即数寻址 间接寻址 T立即数寻址 T寄存器寻址 T直接寻址 T寄存器间接寻址 T多次间接寻址 目前指令字长最长仅为16位 全用上才216 如何办呢 指令的地址字段长为16 6 22位 则指令的直接寻址范围扩大到222 4M 8 7 将指令的格式改为双字指令 格式如下 同 7 配置22位的基址寄存器 使EA BR A BR为基址寄存器 配置22位的变址寄存器 使EA IX A IX为基址寄存器 P336 16 某机指令字长16位 存储器直接寻址空间为128字 变址时的位移量为 64 63 16个通用寄存器均可作为变址寄存器 采用扩展操作码技术 设计一套指令系统格式 满足下列寻址类型的要求 1 直接寻址的二地址指令3条 2 变址寻址的一地址指令6条 3 寄存器寻址的二地址指令8条 4 直接寻址的一地址指令12条 5 零地址指令32条 试问还有多少种代码未用 若安排寄存器寻址的一地址指令 还能容纳多少条 16 解 设指令字长等于机器字长 由题意知 直接寻址空间为128字 则要求形式地址A为7位 64 63的位移量也需7位 6位加1位符号位 16个通用寄存器作变址寄存器需4位变址寄存器号 则指令格式为 277 1 直接寻址的二地址指令3条 2 变址寻址的一地址指令6条 00 01 10 11000 11101 EA A EA IX A 3 寄存器寻址的二地址指令8条 844 4 直接寻址的一地址指令1