《计算机组成原理》》PPT课件

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=10241000=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（19461957）,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10100,MSI:晶体管数1001,000,LSI:晶体管数1,00010,0000,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（19651971）,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（19581964）,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。,8.33M2B/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：SD15SD8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EISAIOCS16I/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LA23LA17M/IO设备高7位地址IRQ15IRQ10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DRQ7DRQ0DMA请求信号,输入DACK7DACK0DMA响应信号,输出MASTERI/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MEMR16M存储器读信号，双向SMEMR只读1M以内的存储空间MEMW16M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132MBs，支持BurstMode突发传输方式,基本特性,1992EISA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,19931994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(310）地址数据复用线，T1地址，后数据C/BE(30)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SBOCache探测信号,表示击中修改过的行SDONE查询完成AD(6332)数据扩充位，REQ64和ACK64有效时它有效,C/BE(74)字节使能REQ64请求64位数据处理ACK6464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19962000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.PCIExpress,PCIExpress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HyperTransport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PCIE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PCIExpress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PCIExpress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,A9A0：地址输入引脚,I/O1I/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,2020/5/21,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,2020/5/21,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(16K1位)芯片写原理,63,0,2020/5/21,人才是培养出来的,第4章存储器4.2主存储器,集中刷新,0.5s32=16s,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=0.5s,则存取周期=0.5s+0.5s,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