《计算机组成原理》.ppt

人才是培养出来的 计算机组成原理 计算机学院计算机体系结构教研室嵌入式系统研究院 王翠华 人才是培养出来的 计算机的基本构成计算机的工作原理 学习线索 人才是培养出来的 第1章 计算机系统概论 1 1计算机系统简介 1 2计算机的基本组成 1 3计算机硬件的主要技术指标 1 4本书结构 人才是培养出来的 第1章计算机系统概论 1 1计算机系统简介 一 计算机的软硬件概念 硬件系统 软件系统 存储器 输入输出外设 系统软件 应用软件 操作系统 OS 语言处理程序 编译器 数据库管理系统 DBMS 工具软件 单用户操作系统 多用户操作系统 网络操作系统 汇编程序 编译程序 解释程序 半编译半解释程序 调试程序 诊断与维护程序 软件包 用户程序 人才是培养出来的 二 计算机系统的层次结构 第1章计算机系统概论 1 1计算机系统简介 人才是培养出来的 三 计算机组成和计算机体系结构 计算机体系结构 2 计算机组成 组成 属性的具体实现 精髓 第1章计算机系统概论 1 1计算机系统简介 精髓 体系结构 概念性的结构与功能特性 抽象的属性 注 同一体系结构可以有不同的组成方式 不同层次的使用者看到的属性是不同的 人才是培养出来的 一 冯 诺依曼计算机 存储程序 计算机 1 计算机由五大部件组成 3 指令和数据用二进制表示 4 指令由操作码和地址码组成 6 以运算器为中心 5 存储程序 存储程序原理 即冯 诺依曼原理 第1章计算机系统概论 1 2计算机硬件系统的基本组成 人才是培养出来的 第1章计算机系统概论 1 2计算机硬件系统的基本组成 将信息转换成机器能识别的形式 存放数据和程序 算术运算逻辑运算 指挥程序运行 将结果转换成人们熟悉的形式 人才是培养出来的 第1章计算机系统概论 1 2计算机硬件系统的基本组成 二 现代计算机结构 以存储器为核心 人才是培养出来的 第1章计算机系统概论 1 2计算机硬件系统的基本组成 三 计算机的工作过程 人才是培养出来的 第1章计算机系统概论 1 2计算机硬件系统的基本组成 人才是培养出来的 第1章计算机系统概论 1 3计算机硬件的主要技术指标 一 计算机硬件的性能指标 1b 一个二进制比特位 0或者1 1B 一个字节 等于8个二进制比特位 大小固定不变 1K 210 1024 1000 103 1 机器字长 CPU一次能处理数据的位数 与CPU中的寄存器位数有关 人才是培养出来的 另外 计算机性能的优劣与系统结构 硬件组成 外设配置 软件种类等有关 对于用户而言着重考虑性价格比 相对指标 第1章计算机系统概论 1 3计算机硬件的主要技术指标 MIPS 每秒执行百万条指令 单位时间内执行指令的平均数 CPI 执行一条指令所需时钟周期数 FLOPS 每秒浮点运算次数 注 人才是培养出来的 第2章 计算机的发展及应用 2 1计算机的发展史 2 2计算机的应用 2 3计算机的展望 人才是培养出来的 第2章计算机的发展及应用 2 1计算机的发展史 电子管计算机 晶体管计算机 集成电路计算机 一 计算机的产生和发展 计算机系统是经过一系列历史演变过程的产物 这个历史演变过程可分为五个阶段 1 第一代电子管计算机 1946 1957 计算机使用的逻辑元件为电子管 体积庞大 功耗高 稳定性差 软件主要使用机器语言 后期使用汇编语言 主要特点 代表 SSI 晶体管数10 100 MSI 晶体管数100 1 000 LSI 晶体管数1 000 10 0000 VLSI 晶体管数100 000 人才是培养出来的 第2章计算机的发展及应用 2 1计算机的发展史 人才是培养出来的 第2章计算机的发展及应用 2 1计算机的发展史 硬件上 采用中 小规模集成电路 MSI SSI 用半导体存储器 软件上 把管理程序发展成为现在的操作系统 采用了微程序控制技术 3 第三代计算机 1965 1971 4 第四代计算机 1972 采用大规模集成电路及超大规模集成电路 LS VLSI 计算机的操作系统更加完善 在语音 图像处理 多媒体技术 网络以及人工智能等方面取得了很大发展 所使用的逻辑元件为晶体管 普遍采用磁芯作为主存储器 采用磁带或磁盘作为辅助存储器 出现了Fortran Cobol等高级语言 并出现了机器内部的管理程序 2 第二代计算机 1958 1964 主要特点 主要特点 高级语言更加流行 如Basic Pascal等 主要特点 人才是培养出来的 CPU插座 CPU调压器 主板芯片组 存储器插座 总线插槽 第2章计算机的发展及应用 2 1计算机的发展史 人才是培养出来的 PCI槽 内存槽 AGP槽 CPU接口 打印机接口 USB接口 附 系统主板 人才是培养出来的 Slot主机板 Socket主机板 IDE插槽 RAM插槽 PCI插槽 ISA插槽 AGP插槽 软驱插槽 人才是培养出来的 第2章计算机的发展及应用 2 1计算机的发展史 人才是培养出来的 第2章计算机的发展及应用 2 1计算机的发展史 我国计算机的研究工作是从1956年开始的 1958年10月 我国研究成功电子管数字计算机 1964年 晶体管数字计算机问世 1971年 开发出了集成电路数字计算机 1975年 开始研制微型计算机 1978年 研制出了每秒500万次的大型计算机 1984年 国防科技大学成功研制出每秒1亿次的 银河 电子计算机 随后又研制出了 银河II型 机和 银河III型 机 2000年 超级计算机最高浮点运算速度达到每秒1万亿次 我国的神威号计算机的运算速度达到3840亿次 使我国成为美国 日本之后国际上第三个拥有高速计算机的国家 人才是培养出来的 第2章计算机的发展及应用 2 1计算机的发展史 人才是培养出来的 第2章计算机的发展及应用 2 2计算机的应用 六 微型机的应用范围 科学计算 人才是培养出来的 第2章计算机的发展及应用 2 3计算机的展望 一 计算机的发展方向 人才是培养出来的 第2章计算机的发展及应用 2 3计算机的展望 人才是培养出来的 第2章计算机的发展及应用 2 3计算机的展望 人才是培养出来的 5 多媒体化 第2章计算机的发展及应用 2 3计算机的展望 人才是培养出来的 第3章 系统总线 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 1总线的基本概念 一 引入缘由 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 1总线的基本概念 1 总线 是计算机系统中各部件之间的公共的信息传递通道 是各个部件共享的传输介质 英文名字 BUS 2 并行 多根线 二 基本概念 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 1总线的基本概念 三 总线举例 1 单总线结构框图 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 1总线的基本概念 三 总线举例 2 面向CPU的双总线结构框图 主存储器M M 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 1总线的基本概念 三 总线举例 3 以存储器为中心的双总线结构框图 M M 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 2总线的分类 一 总线的分类 1 片内总线 它位于微处理器芯片内部 故称为芯片内部总线 用于微处理器内部ALU和各种寄存器等部件间的互连及信息传送 特点 芯片生产厂家决定 用户看不见 摸不到 掌控不了 速度极快 几乎不需要时间来衡量 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 2总线的分类 一 总线的分类 注 系统总线上传送的信息包括数据信息 地址信息 控制信息 因此 系统总线包含有三种不同功能的总线 即数据总线DB DataBus 地址总线AB AddressBus 和控制总线CB ControlBus 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 2总线的分类 一 总线的分类 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 2总线的分类 一 总线的分类 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 2总线的分类 一 总线的分类 一根 多根 单向 可由CPU发出 也可以由其他部件发出 人才是培养出来的 3 外总线 也称通信总线 用于两个系统之间的连接与通信 如两台微机系统之间 微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 VXI总线和RS 232串行总线等 外总线不是微机系统本身固有的 只有微型机应用系统中才有 第3章系统总线 3 2总线的分类 一 总线的分类 人才是培养出来的 1 经典结构 初始原型 地址信息数据信息控制信息 第3章系统总线 3 2总线的分类 一 总线的分类 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 3总线特性及性能指标 总线的感性认识 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 3总线特性及性能指标 1 机械特性 总线在机械连接方面的性能 引脚个数 形状 几何尺寸等 2 电气特性 总线上的每一根传输线上信号的传递方向和有效的电平范围 3 功能特性 总线中每根传输线的功能 4 时间特性 总线中的任一根线在什么时间内有效 时序图 一 总线的基本特性 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 3总线特性及性能指标 1 总线宽度 主要是指数据总线的数目 如4 8 16 32 64位 直接影响总线的传输率 吞吐量 2 标准传输率 总线带宽 总线时钟为8 33MHZ 则16位总线则标准传输率为 二 总线的性能指标 评价总线性能的优劣 总线上每秒钟能传输的最大字节量 以MB S表示 8 33M 2B s 16 66MB s 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 3总线特性及性能指标 二 总线的性能指标 3 总线定时协议 握手机制 待讲 重在理解 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 3总线特性及性能指标 三 总线标准 缘由 为适应模块化设计 使各生产厂家的产品具有可组合性和可替换性 需要对总线进行规范 提出一种标准的信息传递通道 ISAEISAVL BUSPCI 常见总线标准 定义 系统与各模块 模块与模块之间的一个互联的标准界面 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 3总线特性及性能指标 三 总线标准 1 ISA IndustrialStandardArchitecture 工业标准结构总线 工作频率为8MHz左右 数据线为16位 即16位插槽 地址线为24位 最大传输率16MB sec 可插接显卡 声卡 网卡已及所谓的多功能接口卡等扩展插卡 缺点是CPU资源占用太高 数据传输带宽太小 1 最早的PC机的系统总线是IBM公司于1981年推出的基于准 位机PC XT的总线 称为PC总线 2 1984年IBM公司推出了16位PC机PC AT 其总线称为AT总线 然而IBM公司从未公布过他们的AT总线规格 尽管各兼容机厂商模仿出了AT总线 但还是存在某些模糊不清的解释 3 为了能够更好的合理开发外接插板 由Intel公司 IEEE和EISA集团联合开发出与IBM AT原装机总线意义相近的ISA总线 因此通常我们也把 位和 位 16位兼容的AT总线称为ISA 历 史 人才是培养出来的 ISA总线 工业标准结构 IRQ9 原来是IRQ2 中断请求线REFRESH 原为DACK0 刷新信号 36线的定义如下 SD15 SD8 高8位数据线 双向SBHE 数据高位允许信号 双向MEMCS16 存储器16位选择信号 输入 进行16位数据传送 接口卡须回送这一信号EISAIOCS16 I O设备16位选择信号 输入 进行16位数据传送的I O设备发之LA23 LA17 M IO设备高7位地址IRQ15 IRQ10 中断请求信号 输入 其中IRQ13保留作为80287的中断请求线 没有对外引出DRQ7 DRQ0 DMA请求信号 输入DACK7 DACK0 DMA响应信号 输出MASTER I O处理器发出的总线控制信号 表示它已经控制了总线 输入MEMR 16M存储器读信号 双向SMEMR 只读1M以内的存储空间MEMW 16M存储器写信号 双向SMEMW 只写1M以内的存储空间 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 3总线特性及性能指标 三 总线标准 2 EISA ExtendedIndustrialStandardArchitecture 扩展工业标准结构总线 发展历程 数据线32位 地址线32根 最大传输速率33MB S 时钟频率8MHZ 支持多处理器控制功能和猝发方式传输 与ISA总线完全兼容 1988年为了与IBM的MCA技术抗衡 九家计算机厂商联合起来形成EISA集团 EISA集团为配合32位CPU而设计的总线扩展标准 它吸收了IBM微通道总线的精华 在ISA总线的基础上于1998年推出了为32位微机设计的 扩展工业标准结构 EISA总线 ExtendedISA 基本特性 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 3总线特性及性能指标 三 总线标准 2 EISA ExtendedIndustrialStandardArchitecture 扩展工业标准结构总线 图示 那是1988年的故事了 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 3总线特性及性能指标 思考 进入 年后 由于微处理器的飞速发展 使得ISA EISA显的落后了 微处理器的高速度和总线的低速度不同步 造成硬盘 图形卡和其他外设只能通过一个慢速且狭窄的瓶颈发送和接收数据 使CPU的高性能受到了严重的影响 从而业界又提出了PC的一项新技术 LocalBUS 意义 局部总线 在计算机的各个局部范围内制定的总线标准 比如 从结构看 所谓局部总线是在ISA总线和CPU总线之间增加的一级总线 含义 由于独立于CPU的结构 使总线形成了一种独特的中间缓冲器的设计 从而与CPU及时钟频率无关 因此用户可将一些高速外设 如网络适配卡 图形卡 硬盘控制器等从ISA总线上卸下而通过局部总线直接挂接到CPU总线上 使之与高速的CPU总线相匹配 而毋须担心在不同时钟频率下会引起性能下的分歧 早期的总线标准适用于计算机中的各个设备 但是由于计算机的各个部件之间的速度差别有可能很大 那么如何充分的发挥CPU的效率呢 局部总线是PC体系结构的重大发展 它打破了数据I O的瓶颈 使高性能CPU的功能得以充分发挥 作用 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 3总线特性及性能指标 3 VL BUS 发展历程 VESA数据总线宽度为32位 地址总线宽度32位 总线最大寻址空间为4GB 总线时钟与CPU主频有关 最大不超过40MHz 总线最高传输率132MB s 支持BurstMode突发传输方式 基本特性 1992 EISA是一种支持多处理器的高性能32位标准总线 但由于要兼顾ISA 防碍了EISA总线速度的进一步提高 为打破CPU与外设之间的数据传输瓶颈 提高微机的整体性能VESA VideoEletronicsStandardAssociation视频电子标准协会 联合60余家公司对PC总线进行创新 推出了VESALocalBus 简称VL总线 局部总线标准VESAv1 0 从VESA局部总线结构上看 局部总线好像是在传统总线和CPU之间又插入了一级 将一些高速外设如网络适配器 GUI图形板 多媒体 磁盘控制器等从传统总线上卸下 直接通过局部总线挂接到CPU总线上 使之与高速CPU相匹配 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 4总线结构 三 总线结构举例 2 VL BUS局部总线结构 VL BUS依赖于CPU 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 3总线特性及性能指标 3 VL BUS 由于VESA标准总线几乎是486CPU信号的延伸 故VL与486匹配达到最佳 能够充分发挥486微机各部件的性能 因此在486系列微机基本上都采用了VESA总线 由于VESA总线是直接挂在CPU上 在CPU升级或任务变动时都会使得VESA不再适用 例如 VESA不能支持Pentium及其以上的芯片 因此 随着486芯片的衰落 VESA已逐渐消失 1994 1995年风行一时的图形加速卡即采用此设计 那是486时代 1994 1995年 的故事了 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 3总线特性及性能指标 三 总线标准 4 PCI PeripheralComponentInterconnect 外部设备互联总线 1993 1994 在PCI发布一年之后 英特尔公司紧接着提出64位的PCI总线 它的传输性能达到266MBps 但主要用于企业服务器和工作站领域 由于这些领域对总线性能要求较高 64位 33MHz规格的PCI很快又不够用 英特尔遂将它的工作频率提升到66MHz 而随着X86服务器市场的不断扩大 64位 66MHz规格的PCI总线理所当然成为该领域的标准 针对服务器 工作站平台设计的SCSI卡 RAID控制卡 千兆网卡等设备无一例外都采用64位PCI接口 乃至到今天 这些设备还被广泛使用 不过 PC领域的32位总线一直都没有得到升级 工作频率也停留于33MHz 4 发展历程 目前主流的PCI规范有PCI2 0 PCI2 1和PCI2 2三种 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 3总线特性及性能指标 4 PCI PeripheralComponentInterconnect 外部设备互联总线 人才是培养出来的 人才是培养出来的 PCI总线 CLK 时钟RST 复位AD 31 0 地址数据复用线 T1地址 后数据C BE 3 0 总线命令和字节使能信号PAR 偶校验位FRAME 总线帧处理TRDY 目的设备准备好IRDY 源操作设备准备好STOP 总线主应当停止工作LOCK 锁信号 阻塞锁上的单元IDSEL 初始设备选择信号DEVSEL 设备选择信号REQ 总线请求GNT 总线请求允许PERR 奇偶校验错SERR 系统错SBO Cache探测信号 表示击中修改过的行SDONE 查询完成AD 63 32 数据扩充位 REQ64和ACK64有效时它有效 C BE 7 4 字节使能REQ64 请求64位数据处理ACK64 64位数据处理允许PAR64 校验4个高位字节TCK 测试时钟TDI 测试数据输入TDO 测试数据输出TMS 测试模式选择TRST 测试复位 人才是培养出来的 AGP插槽 第3章系统总线 3 3总线特性及性能指标 5 AGP Accelerated Graphics Port 加速图形端口 发展历程 AGP8X标准没有辉煌太长时间 PCIExpress总线的出现宣告PCI和AGP体系将被终结 但由于过渡不可能短时间完成 AGP8X至今在市场上还非常活跃 尤其是在中低端领域还占据着主流地位 命运 1996年 3D显卡出现 揭开3D时代的序幕 由于3D显卡需要与CPU进行频繁的数据交换 而图形数据往往较为庞大 PCI总线显得力不从心 这时INTEL便在PCI的基础上专门研发出一种针对显卡的总线标准 这就是大名鼎鼎的AGP总线 1996年7月 AGP1 0标准问世 1998年5月INTEL发布了AGP2 0版规范 工作频率仍为66MHZ 但电压降到1 5v 2000年8月INTEL发布了AGP3 0规范 工作电压降到0 8v 人才是培养出来的 这是采用AGP的显卡 第3章系统总线 3 3总线特性及性能指标 5 AGP Accelerated Graphics Port 加速图形端口 那是1996 2000年之间的故事了 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 3总线特性及性能指标 发展 6 PCI Express PCI Express是一种通用的总线规格 它最早由Intel所提倡和推广 也既是之前的3GIO 它最终的设计目的是为了取代现有计算机系统内部的总线传输接口 这不只包括显示接口 还囊括了CPU PCI HDD Network等多种应用接口 从而可以像Hyper Transport一样 用以解决现今系统内数据传输出现的瓶颈问题 并且为未来的周边产品性能提升作好充分的准备 以往计算机系统的各种设备共用一个带宽 采用了并行互联 这大大影响了系统整体的性能表现 同时并行信号由于相互干扰也严重制约了日后速度的进一步提升 而PCI E则采用了串行互联方式 以点对点的形式进行数据传输 每个设备都可以单独的享用带宽 从而大大提高了传输速率 而且也为更高的频率提升创造了条件 从早期80年代的ISA接口的8 33MB S到90年代PCI接口的133 庞大的数据传输运算的需要 应该有一种全新的接口来取代AGP的地位 这时 拥有4GB S起始传输速率的PCI Express面世了 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 3总线特性及性能指标 全新的PCI Express构架图 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 4总线结构 一 单总线结构 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 4总线结构 二 多总线结构 具有特殊功能的处理器由通道对I O统一管理 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 4总线结构 二 多总线结构 2 三总线结构 1 任一时刻只能使用一种总线 2 主存总线和DMA总线不能同时对主存进行存取 3 I O总线只有在CPU执行I O指令时才用到 特点 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 4总线结构 二 多总线结构 3 三总线结构 另一种形式 1 I O与主存之间通信不经过CPU 2 可以挂接更多的I O设备 3 扩展总线与系统总线可进行信息传递 特点 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 4总线结构 二 多总线结构 4 四总线结构 1 高速设备与CPU联系紧密 也可更加独立的工作 2 系统模块化程度更加清晰 特点 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 4总线结构 1 传统微型机总线结构 三 总线结构举例 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 4总线结构 三 总线结构举例 2 VL BUS局部总线结构 VL BUS依赖于CPU 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 4总线结构 三 总线结构举例 3 PCI总线结构 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 4总线结构 三 总线结构举例 4 多层PCI总线结构 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 5总线控制 一 总线控制的功能和特点 总线控制 总线仲裁 总线定时 通信控制 总线连接 实现不同总线协议之间的转换 总线资源的管理 资源 存储空间 I O空间 中断 通道 管理 资源分配 冲突判定 设备选择 启动 复位 2 总线控制器在实现技术上并不一定存在一个独立的控制器模块 它的功能可能分布在总线的各个部件或设备上 特点 人才是培养出来的 1 总线上的设备分类 第3章系统总线 3 5总线控制 二 总线判优控制 控制能力 2 1 当多个总线主设备同时发出总线请求时 就会出现竞争总线控制权的问题故必须要有总线仲裁部件 以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主使用方 总线仲裁 根据总线仲裁电路的位置不同 仲裁方式 集中式仲裁 仲裁逻辑电路集中在一处 分布式仲裁 2 总线主设备 总线从设备 对总线具有控制权 信息传送的发起者 没有总线控制权 只能响应从主设备发来的总线命令 控制能力 1 仲裁逻辑分布在多个部件或设备上 理解 Bus 设备1 设备n 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 5总线控制 3 集中仲裁的方式 1 链式查询方式 菊花链查询方式 I O接口1 人才是培养出来的 链式查询方式 菊花链查询方式 特点 第3章系统总线 3 5总线控制 3 集中仲裁的方式 总线授权信号BG串行地从一个I O设备传送到下一个I O设备 优先级固定 离 总线控制部件 最近的优先级最高 最远的优先级最低 故优先级通过物理上的排队电路来实现的 设计简单 采用很少的几根线 就可按一定的优先级实现总线仲裁 易于扩充设备 若第J个设备中的接口电路出现故障 则第J个之后的都无法正常工作 即对电路故障很敏感 若优先级高的设备频繁发出请求 则优先级低的设备可能很长时间都无法得到总线控制权 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 5总线控制 I O接口1 设备地址 人才是培养出来的 计数器定时方式特点 3 集中仲裁的方式 第3章系统总线 3 5总线控制 若从中止点开始 则每个设备的优先级相等 可通过程序来设置计数器初值 动态来改变其优先级 即可编程 每个设备接口都有一个 设备地址判别电路 当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时 该设备将BS线置为1 获得了总线的使用权 此时中止计数查询 若从0开始 各个设备的优先级次序同 链式查询法 相同 此时优先级的顺序是固定的 谁的地址小 谁的优先级就最高 仲裁器接收到请求信号以后 在BS线为 0 的情况下 让计数器开始计数 计数值通过一组地址线发向各个设备 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 5总线控制 4 独立请求方式 人才是培养出来的 主模块向从模块发出地址和命令 并启动从模块 第3章系统总线 3 5总线控制 三 总线的通信控制 2 总线传输周期 申请分配阶段 寻址阶段 传数阶段 结束阶段 主模块申请总线 总线仲裁决定总线使用权 主模块和从模块交换数据 主模块撤销有关信息 让出总线使用权 人才是培养出来的 由统一时标控制数据传送 充分挖掘系统总线每瞬间的潜力 同步通信 半同步通信 3 总线通信的四种方式概述 同步 异步结合 第3章系统总线 3 5总线控制 三 总线的通信控制 分离式通信 异步通信 采用应答方式 没有公共时钟标准 通信方式 典型特征 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 5总线控制 1 同步通信 强制性同步 采用统一时钟 简单易控制 对于每一个操作 每一时间都有明确的规定 显得比较 死板 必须按照工作速度最慢的部件来设计时钟 当各个模块的存取时间相差较大时 会大大损失总线的工作效率 适用于总线长度较短 各模块部件存取时间比较一致的场合 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 5总线控制 时间 地址线上出现地址 读命令有效 数据线上出现数据 主模块发出地址 主模块发读命令 从模块提供数据 主模块撤销读命令 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 5总线控制 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 5总线控制 2 异步通信 不互锁方式 半互锁方式 全互锁方式 没有公共时钟 采用握手方式 即请求应答方式 相互通信的设备其工作速度参差不齐 特点 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 5总线控制 3 半同步通信 同步 异步结合 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 5总线控制 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 5总线控制 4 分离式通信 设备A 设备B Bus 主 从 主 从 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 5总线控制 分离式通信特点 1 各模块有权申请占用总线 4 采用同步方式通信 不等对方回答 3 各模块准备数据时 不占用总线 2 总线被占用时 无空闲 5 适用于大型计算机系统 特点 充分发挥了总线的有效占用 Pc机 人才是培养出来的 第3章系统总线 3 5总线控制 复习参考题 第1题 第2题 第3题 第4题 第5题 第6题 第8题 第10题 人才是培养出来的 第4章 存储器 人才是培养出来的 第4章存储器 4 1概述 人才是培养出来的 1 按存储介质分类 第4章存储器 4 1概述 一 存储器分类 1 半导体存储器 易失 非易失 人才是培养出来的 第4章存储器 4 1概述 掩膜式ROM一次性可编程ROM PROM 紫外线擦除可编程ROM EPROM 电擦除可编程ROM EEPROM 闪烁存储器FLASHROM EEPROM 2 按存取方式分类 人才是培养出来的 可与CPU直接交换数据 第4章存储器 4 1概述 3 按在计算机中的作用分类 磁盘 高速缓冲存储器 Cache FlashMemory 存储器 主存储器 辅助存储器 MROM PROM EPROM EEPROM RAM ROM 静态RAM 动态RAM 磁带 光盘 介于CPU与内存之间 后援存储器 人才是培养出来的 高 小 快 二 存储器的层次结构 第4章存储器 4 1概述 1 存储器的金字塔结构 人才是培养出来的 二 存储器的层次结构 第4章存储器 4 1概述 2 缓存 主存层次和主存 辅存层次 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 一 主存的结构 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 认真体会 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 1 内存与CPU的连接模型 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 2 主存中存储单元地址的分配 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 1 存储容量 存储二进制信息的数量 1 存取时间 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 二 主存的性能指标 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 2 存取速度 采用两种参数描述 例 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 三 半导体存储芯片简介 1 半导体存储芯片的基本结构 1 存储单元数 编址单元数 1024个字 2 每个存储单元的位数 以字来编址 字长 位容量 3 欲访问该芯片需要根 地址线 数据线 10 4 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 2 半导体存储芯片的译码驱动方式 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 四 RAM存储原理及典型芯片 1 静态RAM SRAM 控制管 人才是培养出来的 T3 T4是负载管 T1 T2为工作管 T5 T6 T7 T8是控制管 该电路有两种稳定状态 T1截止 T2导通为状态 1 T2截止 T1导通为状态 0 若T1截止 A点为高电位 使T2导通 此时B点处于低电位 而B点的低电位又使T1更加截止 这是一个稳定状态 反之如果T1导通 则A点处于低电位 使T2截止 这时B点处于高电位 而B点处于高电位又使T1更加导通 这也是一个稳定状态 显然 这种电路有两个稳定的状态 并且A B两点的电位总是互为相反的 则这个触发器电路能表示一位二进制的1和0 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 1 存储元 电路 能够存储一位二进制位的基本电路 如上图所示 2 字节 8个二进制位 因此可以有8个存储元电路串联而成 3 存储单元 若干个这样的存储元串联而成即可构成 思考 上图这个存储元是如何存储 0 和 1 的呢 回答 0 和 1 是用两种相反的状态来表示的 上图可以表示两种稳定的状态 T1导通 T2截止 A点为低电位 B点为高电位表示 0 T2导通 T1截止 A点为高电位 B点为低电位表示 1 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 附 SRAM StaticRAM 静态随机存取存储器 举例 人才是培养出来的 1 MOS管按其沟道和工作类型可分为四种 MOS MetalOxideSmiconductor即 金属 氧化物 半导体场效应管 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 读操作 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 写操作 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 2 典型芯片 Intel2114 A9 A0 地址输入引脚 I O1 I O4 数据输入 输出引脚 VCC 电源 GND 地 引脚介绍 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 人才是培养出来的 人才是培养出来的 人才是培养出来的 2020 4 12 人才是培养出来的 人才是培养出来的 人才是培养出来的 人才是培养出来的 人才是培养出来的 人才是培养出来的 人才是培养出来的 人才是培养出来的 人才是培养出来的 人才是培养出来的 人才是培养出来的 人才是培养出来的 人才是培养出来的 人才是培养出来的 人才是培养出来的 人才是培养出来的 2020 4 12 人才是培养出来的 三管动态RAM芯片 Intel1103 读 读写控制电路 人才是培养出来的 4116 16K 1位 芯片写原理 63 0 2020 4 12 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 集中刷新 0 5 s 32 16 s 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 分散刷新 若 tm tR 0 5 s 则存取周期 0 5 s 0 5 s 人才是培养出来的 DRAM DynamicRAM 动态随机存取存储器 举例 第4章存储器 4 2主存储器 人才是培养出来的 3 SRAM和DRAM的比较 比较点 DRAM SRAM 存储原理 集成度 芯片引脚 功耗 价格 速度 刷新 应用 内存 Cache 高 低 有 无 慢 快 低 高 小 大 少 多 电容 触发器 第4章存储器 4 2主存储器 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 五 只读存储器 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 五 只读存储器 1 掩膜ROM MROM 3 特点 用户不能改写 适用于批量生产 生产玩具 1 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 五 只读存储器 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 2 可 一次性 编程只读存储器ROM PROM 3 特点 用户只能改写一次 人才是培养出来的 3 可擦除可编程只读存储器 EPROM 第4章存储器 4 2主存储器 五 只读存储器 一种可由用户进行编程并可用紫外光擦除的只读存储器 存储在EPROM中内容能够长期保存达几十年之久 而且掉电后其内容也不会丢失 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 EPROM外型 如果向浮置栅注入电子电荷 就会在源 漏两极间感应出P沟道 使管子导通 此时它存放信息 1 由于浮置栅悬浮在绝缘层中 所以一旦带电后 电子很难泄漏 使信息得以长期保存 人才是培养出来的 EPROM芯片 第4章存储器 4 2主存储器 这是一种具有可擦除功能 擦除后即可进行再编程的ROM内存 写入前必须先把里面的内容用紫外线照射它的IC卡上的透明视窗的方式来清除掉 这一类芯片比较容易识别 其封装中包含有 石英玻璃窗 一个编程后的EPROM芯片的 石英玻璃窗 一般使用黑色不干胶纸盖住 以防止遭到阳光直射 石英窗 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 五 只读存储器 3 可擦除可编程只读存储器 EPROM 3 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 五 只读存储器 3 可擦除可编程只读存储器 EPROM 3 使用EPROM芯片时的注意事项 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 五 只读存储器 4 电可擦除可编程只读存储器 EEPROM 爱特梅尔是世界上并行EEPROM产品的第一位制造商 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 5 FlashMemory 快擦型存储器 3 它采用一种非挥发性存储技术 即掉电后数据信息可以长期保存 在不加电的情况下 信息可以保持10年 又能在线擦除和重写 Flash是由EEPROM发展起来的 因此它属于EEPROM类型 4 闪存的应用目前闪存主要用来构成存储卡 以代替软磁盘已大量用于便携式计算机 数码相机 MP3播放器等设备中 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 人才是培养出来的 CompactFlash存储卡 CF卡是一种被广泛使用的存储卡 它使用闪存在一张非常 小的卡片上存储数据 CF卡使数据能够非常容易的增加到 各种各样的计算机设备上 包括数码相机和音乐播放器 台式计算机 个人数字助理 PDA 数字音频记录器和 照片打印机 CF卡的大小为43X36毫米 就像火柴盒大小 其最大存储容量可以达到1GB 有两种不同类型的CF卡 分别有不同的厚度 TypeICF卡有3 3毫米厚 TypeII型 CF卡则有5 5毫米厚 存取CF卡数据需要相应的适配器 如标准磁盘驱动器 USB接口或者PC卡插槽 支持PCMCIAATA 高级技术附加装置 标准的平台和 系统 也支持CF卡 Memory 技术达到存储电子信息的存储器 一般应用在数码相机 掌上电脑 MP3等小 有如一张卡片 所以称之为闪存卡 根据不 同的生产厂商和不同的应用 闪存卡大概有 SmartMedia SM卡 CompactFlash CF卡 MultiMediaCard MMC卡 SecureDigital SD卡 MemoryStick 记忆棒 XD PictureCard XD卡 和微 硬盘 MICRODRIVE 这些闪存卡虽然外观 规格不同 但是技术原理都是相同的 型数码产品中作为存储介质 所以样子小巧 闪存卡 FlashCard 是利用闪存 Flash 人才是培养出来的 1 存储介质不同 移动硬盘本质上是硬盘 属于磁盘存储器 而优盘本质上是闪存 本质上是EEPROM 属于半导体存储器 2 移动硬盘容量比优盘大 移动硬盘单位容量价格比U盘便宜的多 U盘现在最大的好像也不过2G 移动硬盘基本都是40G或者更大的 3 移动硬盘比优盘怕震动 速度慢 更耗电 PK 第4章存储器 4 2主存储器 人才是培养出来的 六 存储器与CPU的连接 1 存储器容量的扩展 第4章存储器 4 2主存储器 人才是培养出来的 动画演示 第4章存储器 4 2主存储器 位扩展举例 人才是培养出来的 六 存储器与CPU的连接 1 存储器容量的扩展 第4章存储器 4 2主存储器 2 字扩展 增加存储字的数量 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 动画演示 字扩展法举例 人才是培养出来的 六 存储器与CPU的连接 第4章存储器 4 2主存储器 3 字 位同时扩展 即增加存储字长又增加存储字的数量 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 字 位同时扩展举例 动画演示 人才是培养出来的 六 存储器与CPU的连接 第4章存储器 4 2主存储器 人才是培养出来的 六 存储器与CPU的连接 第4章存储器 4 2主存储器 三总线 人才是培养出来的 六 存储器与CPU的连接 第4章存储器 4 2主存储器 2 四类线连接的注意事项 2 存储器与CPU的连接 人才是培养出来的 六 存储器与CPU的连接 第4章存储器 4 2主存储器 2 四类线连接的注意事项 控制线连接 比较简单 2 存储器与CPU的连接 人才是培养出来的 选中内存单元 人才是培养出来的 3 举例 地址高位用做译码 人才是培养出来的 3 举例 人才是培养出来的 2 部分译码法 高位地址线没有全部用上 人才是培养出来的 2 部分译码法 高位地址线非全部用上 人才是培养出来的 2 图示 线选精髓 人才是培养出来的 2 线选法 人才是培养出来的 2 线选法 4 举例 线选精髓 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 人才是培养出来的 人才是培养出来的 使能端 输入端 输出端 人才是培养出来的 六 存储器与CPU的连接 第4章存储器 4 2主存储器 1 写出对应的二进制地址码 2 确定芯片的数量及类型 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 4 确定片选信号 使能端 怎么处理 人才是培养出来的 例4 1CPU与存储器的连接图 人才是培养出来的 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 采用高速器件 调整主存结构 1 单体多字系统 人才是培养出来的 八 提高访存速度的措施 第4章存储器 4 2主存储器 人才是培养出来的 第4章存储器 4 2主存储器 你应该知道的 源程序 编译链接 可执行文件 装入内存 000001 000002 000003 000004 000005 000006 内存模型 可执行代码 第一条 第二条 第三条 第四条 第五条 第六条 按顺序装入 人才是培养出来的 1 高位交叉 第4章存储器 4 2主存储器 执行程序 同外设交换数据 人才是培养出来的 八 提高访存速度的措施 第4章存储器 4 2主存储器 人才是培养出来的 你应该知道的 CPU执行程序 取指令 对指令进行译码 取操作数 执行指令 基本过程 周而复始 生生不息 勇往直前 义无反顾 模块1 模块2 模块3 模块4 4个模块同时并行工作 人才是培养出来的 八 提高访存速度的措施 第4章存储器 4 2主存储器 2 多体并行系统 人才是培养出来的 八 提高访存速度的措施 第4章存储器 4 2主存储器 2 多体并行系统 人才是培养出来的 八 提高访存速度的措施 第4章存储器 4 2主存储器 2 多体并行系统 人才是培养出来的 人才是培养出来的 内存与效能表现 MemoryandPerformance 计算机须建一虚拟内存档案 增加计算机系统中的内存能够增加计算机的效能表现是众所皆知的 思考 如果内存没有足够的空间 该怎么办呢 内存存取 200ns 硬盘存取 12 000 000ns 人才是培养出来的 内存种类之多少 人才是培养出来的 人才是培养出来的 人才是培养出来的 人才是培养出来的 4 MDRAM Multi BankDRAM 多插槽动态随机存取存储器 MDRAM Multi BankDRAM 人才是培养出来的 5 WRAM WindowRAM 窗口随机存取存储器 WRAM WindowRAM 人才是培养出来的 6 RDRAM RambusDRAM 高频动态随机存取存储器 RDRAM RambusDRAM 人才是培养出来的 VCM VirtualChannelMemory 7 VCM VirtualChannelMemory 虚拟通道存储器 人才是培养出来的 8 SDRAM SynchronousBurstDRAM 同步突发内存 人才是培养出来的 SDRAM SynchronousBurstDRAM 同步突发内存 人才是培养出来的 人才是培养出来的 9 SGRAM SynchronousGraphicsRAM 同步绘图随机存取存储器 SGRAM SynchronousGraphicsRAM 人才是培养出来的 10 DDR DoubleDataRate 双倍数据速率 SDRAM 人才是培养出来的 11 DDRII DoubleDataRateSynchronousDRAM 第二代同步双倍速率动态随机存取存储器 人才是培养出来的 DDRII DoubleDataRateSynchronousDRAM 人才是培养出来的 DRDRAM是由RAMBUS公司和INTEL公司合作开发的一种内存 常称RAMBUS内存 它采用184线接口 电压为2 5V 与芯片组之间的接口宽度为16bit 如果带ECC校验 其接口宽度为18bit DRDRAM的接口工作频率为400MHz 由于它能在时钟信号的上升沿和下降沿各传输一次数据 因此数据传输的频率实际上为800MHz 其峰值传输速率可以达到1 6GB s 这种内存也是双列直插模组 但与SDRAM和DDRSDRAM内存条不兼容 这种内存性能高 价格贵 一般用于高档机 性能价格比不如DDR内存 市场占有率较低 人才是培养出来的 13 FlashMemory 人才是培养出来的 第4章存储器 4 3高速缓冲存储器 Cache 一 概述 1 问题的提出 1 解决CPU与I O的访存冲突 3 避免CPU 空等 现象 2 解决DRAM主存与CPU速度之间的不匹配 Cache 问题 人才是培养出来的 第4章存储器 4 3高速缓冲存储器 Cache 2 理论基础 在一段较短的时间间隔内 CPU所访问的程序在内存中的地址往往集中在内存某一个地址范围内 程序段被连续的存放在内存中 循环语句和子程序段的被反复多次调用 因此对这些程序的访问具有空间上和时间上的倾向 程序访问的局部性原理 数据访问的局部性原理 内存中某一地址范围的程序和数据在某一个时刻被访