计算机原理(第3版)武马群.ppt

,第1章知识目标,了解计算机的常识性知识；掌握计算机的五大功能部件的基本功能及相互连接方式；掌握软件的基本概念及其与硬件之间的关系；理解系统软件和应用软件的概念；理解计算机系统的层次结构。,第1章绪论,计算机(Computer)是一种能够按照指令对各种数据和信息进行自动加工和处理的电子设备。计算机又称电脑，都是电子计算机的简称。电子计算机诞生于20世纪中叶，是人类最伟大的技术发明之一，是科学技术发展史上的里程碑。它的出现和广泛应用把人类从繁重的脑力劳动中解放出来，提高了社会各个领域中信息的收集、处理和传播的速度与准确性，直接促进了人类向信息化社会的迈进。经过短短几十年的发展，计算机技术的应用已经十分普及，从国民经济的各个领域到个人生活、工作的各个方面，可谓无所不在。因此，计算机知识是每一个现代人所必须掌握的知识，而使用计算机应该是人们必备的基本能力之一。,1.1计算机的特点,1.运算速度快2.计算精度高3.具有记忆功能4.具有逻辑判断功能5.高度自动化,1.2计算机的发展概况,世界上公认的第一台电子计算机ENIAC（ElectronicNumericalIntegratorAndComputer电子数值积分计算机）诞生于1946年的美国陆军阿伯丁弹道实验室。ENIAC的问世，标志着人类计算工具的历史性变革。第一代(1946-1958年)是电子管计算机时代。这一代计算机的逻辑元件采用电子管，并且使用机器语言编程，尔后又产生了汇编语言。第二代(1959-1964年)是晶体管计算机时代。这一代计算机逻辑元件采用晶体管.第三代(1965-1970年)是集成电路计算机时代。第四代(1971年-至今)是超大规模集成电路计算机时代。,1.3计算机的应用领域,计算机之所以能够迅速发展，是因为它得到了广泛的应用。目前，计算机的应用已经渗透到人类社会的各个方面，从国民经济各部门到家庭生活，从生产领域到消费娱乐，到处都可见计算机应用的成果。总结起来，计算机的应用领域可以归纳为六大类：科学计算、信息处理、过程控制、计算机辅助设计辅助教学、人工智能和网络应用。,1.4计算机的分类,通常，人们为从不同的侧面来反映计算机的特征而采用三种不同的标准对计算机进行分类：功能用途、工作原理和性能规模。按功能和用途，可将计算机分为通用计算机(GeneralPurposeComputer)和专用计算机(SpecialpurposeComputer)两大类。专用计算机是为某种特殊用途而设计的，在这种特殊的用途下，它显得高效、经济。通用计算机则可用于多种用途，只要配备适当的软件和硬件接口，便可胜任各种工作。按工作原理，可将计算机分为数字计算机(DigitalComputer)、模拟计算机(AnalogComputer)和混合计算机(HybridComputer)三大类。按性能和规模，可将计算机分为巨型计算机、大型计算机、中型计算机、小型计算机、微型计算机(microcomputer)和单片机(ComputerOn-Slice)六大类。,1.5计算机的发展趋势,计算机有四个发展趋向：巨型化、微型化、网络化和智能化。巨型化是指为满足尖端科学领域的需要，发展高运算速度、大存储容量和功能更加强大的巨型计算机。微型化是指采用更高集成度的超大规模集成电路(VerylargeScaleIntegration缩写VLSI)技术将微型计算机的体积做得更小，使其应用领域更加广泛。网络化是对传统独立式计算机概念的挑战，网络技术将分布在不同地点的计算机互连起来，在计算机上工作的人们可以共享资源。智能化是指发展能够模拟人类智能的计算机，这种计算机应该具有类似人的感觉、思维和自学习能力。智能计算机就是我们期待早日出现的第五代计算机。,1.6计算机系统的组成,一台完整的计算机应包括硬件部分和软件部分。硬件和软件的结合，才能使计算机正常运行、发挥作用，因此，对计算机的理解不能仅局限于硬件部件，而应该将整个计算机看作是一个系统，计算机系统中，硬件和软件都有各自的组成体系，分别为硬件系统和软件系统。计算机的硬件是指计算机中的电子线路和物理装置.它们是看得见摸的着的实体,入用集成电路芯片、印刷线路板、接插件、电子元件和导线等装配成的CPU、存储器及外部设备等。它们组成了计算机的硬件系统，是计算机的物质基础，计算机有巨型、大型、中型、小型和微型之分，每种规模的计算机又有很多种机型和型号，它们在硬件配置上差别很大，但是绝大多数都是根据冯诺依曼计算机体系结构来设计的。,1.6.1计算机硬件系统,计算机硬件(hardware)是指那些由电子元器件和机械装置组成的“硬”设备，如键盘、显示器、主板等等，它们是计算机能够工作的物质基础。计算机软件(software)是指那些能在硬件设备上运行的各种程序、数据和有关的技术资料，如Windows系统，数据库管理系统等等。在计算机系统中，硬件和软件相互支持、协同工作。没有软件的计算机硬件系统根本无法工作，没有完整的硬件系统或硬件的性能不够，软件也发挥不了良好的作用。计算机的硬件系统至少包含五个基本部分，即：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，如图1-1所示。按照功能组合，运算器和控制器构成计算机的中央处理器（CPUCentralProcessingUnit），中央处理器与内存储器构成计算机的主机，其它外存储器、输入输出设备统称为外部设备。,1.6.2计算机的软件系统,计算机软件系统由系统软件(systemsoftware)和应用软件(applicationsoftware)两个部分构成。系统软件是计算机生产厂提供的，为高效使用和管理计算机而编制的软件。系统软件在计算机运行过程中的作用有：控制和管理各种硬件装置，对运行在计算机上的其它软件及数据资料进行调度管理，为用户提供良好的界面和各种服务，为用户提供与计算机交换信息的手段和方式等等。总之，系统软件运行在计算机基本硬件之。系统软件：操作系统(DOS、Windows)、语言处理软件（QBASIC、C+）、数据库管理系统（FoxPro、Access）、服务程序。应用软件是指为解决计算机用户的特定问题而编制的软件。它运行在系统软件之上，运用系统软件提供的手段和方法，完成我们实际要做的工作。如：财务管理、文字处理、绘图等等。应用软件：应用软件包、用户程序,第2章知识目标,掌握各种进位计数制，十、二、八、十六进制数的相互转换；掌握二进制数的四则运算的规则；掌握定点整数和定点小数的编码；掌握浮点数的编码原理、表数范围和规格化方法；了解定点数与浮点数的优缺点；掌握原码、反码和补码的概念、编码方法和定义范围；了解非数值数据的常用的编码方法。,第2章数据在计算机中的表示,计算机的基本功能是对数据进行运算和加工处理。计算机中的数据有两类：一类是数值数据，另一类是非数值数据，无论是数值数据还是非数值数据，在计算机中都是用二进制代码表示的。本章重点讨论各种数制及数制之间的转换方法，了解补码的概念和求补码的方法，了解溢出的概念和判别有符号数及无符号数的溢出方法。,2.1数制,2.1.1十进制数（Decimalnumber）2.1.2二进制数(Binarynumber)主要特点是：1.它只有两个不同的数码，即“0”和“1”。2.它是逢2进位的。如对十进制数112，而对二进制数1110B。2.1.3八进制数（Octalnumber）主要特点是：1它有八个不同的数码，即07，它是逢“八”进位的。2.1.4十六进制数（Hexadecimalnumber）主要特点是：1.它有16个不同的数码，即09，AF。它与十、二、八进制数之间的关系见表21.2.它是逢“十六”进位的。,2.1.2二进制数(Binarynumber),主要特点是：1.它只有两个不同的数码，即“0”和“1”。2.它是逢2进位的。如对十进制数112，而对二进制数1110B。二进制数可通过按权相加法，化为十进制数，如：1111.11B=123+122+121+120+12-1+12-2=8+4+2+1+0.5+0.25=15.75D一般地说，任意一个二进制数N（正的，或负的），可以表示为：N=(Kn-12n-1+Kn-22n-2+K020+K-12-1+K-22-2+K-m2-m)其中Kj只能取1或0，由是由具体的数N确定。m、n为正整数。“2”是二进制的基数，表示“逢2进1”，故称二进制，见表11,2.2数制间的转换,1.二进制数转换为十进制数这种转换十分简单，只要将二进制数按“权”展开相加即可。例如：11001.1001B=124+123+022+021+120+12-1+02-2+02-3+12-4=16+8+1+0.5+0.0625=25.5625D转换的规则就是要算出二进制数某一位为“1”时，该位权重对应的十进制数，然后将这些数相加，即按“权”相加。2.十进制数转换为二进制数十进制数转换为二进制数，要把整数部分和小数部分别转换，然后再相加即可。3、八进制数和十进制数之间的相互转换4、十六进制数与十进制数之间的相互转换,2.3二进制数的运算规则,二进制数只有0、1两个数码，它的加、减、乘、除等运算规则要比十进制数的运算规则简单得多。2.3.1加法规则10+0=020+1=131+0=141+1=102.3.2减法规则10-0=020-1=1（向相邻高位借位1当作2）31-0=141-1=02.3.3乘法规则100=0201=0310=0411=02.3.4除法规则除法是乘法的逆运算。与十进制相类似，可以从被除数的最高位检查，并定出需要超过除数的位数。找到这个位数时，商记1，并且将选定的被除数去减除数。然后，将被除数的下一位下移位到余数上；若余数够减，则商为1，余数减去除数，这们反复进行，直至全部被除数的位都下移完为止。,2.4计算机中数的定点与浮点表示,在前面的讨论中，没有涉及小数点在机器中如何表示的问题，而实际上计算机处理的数据大部分是带有小数的。在计算机中常采用两种方法表示数据，一种是定点表示法，另一种是浮点表示法。2.4.1定点表示法2.4.2浮点表示法2.4.3定点表示和浮点表示和比较,2.5原码、补码和反码,2.5.1机器数与真值通常，数的正负是用符号“+”、“-”来表示的。在微机中难以表示正负号，常将符号数字化，即用0表示正，1表示负。我们通常把符号数字化了的数，称为机器数。数，称为真值。机器数常用三种方法表示，即原码、补码和反码，下面对这三码制进行讨2.5.2原码（trueform）在用二进制原码表示的数中，符号位为0表示正数，符号位为1表示负数，其余各位表示尾数本身，称为原码表示法。2.5.3补码（twoscomplement）补码表示法，可以把负数转化为正数，使减法转换为加法，从而可使正、负数的加减运算转化为单纯的正数相加运算。2.5.4反码（onescomplement）2.5.5利用模的概念可直接对字长表示范围八、十六进制的负数直接求补码,2.6常用编码,2.6.1二一十进制码（BCD码）这种编码方式的特点是保留了十进制数的权，而数字则用二进制数码0和1的组合来表示。常见的BCD码（8421码）2.6.2ASCII码ASCII码是美国信息交换标准委员会制定的7位字符编码，它是目前常用的一种编码，见表2-4。ASCII码用7位二进制代码表示一个字符。计算机中常用一个字节（八位二进制）来存放一个字符的ASCII码，其中7位是ASCII码本身，最高位可用来设校验码。从表中可以查出某一字符ASCII码值。2.6.3逻辑数据逻辑数据是用一位二进制数来表示的，因为一位二进制数只具有两种可能的值：0或1，可以直接表示事物相对立的两个方面。2.6.4汉字编码1.汉字输入编码2.汉字内码3.汉字字模码,第3章知识目标,掌握定点补码加法和减法的方法；理解溢出的概念和检测方法；掌握基本的二进制数的运算及其加法电路；掌握快速进位的原理；掌握定点运算器的组成和基本结构；掌握逻辑与、逻辑或、逻辑非运算的概念；掌握各种移位操作的概念和移位结果的计算。,第3章运算方法和运算器3.1定点加、减法运算,3.1.1定点补码的加减法1定点补码的加法运算规则：X补+Y补=X+Y补（mod2n）式中：-2n-1X2n-1；-2n-1Y2n-1，-2n-1X+Y2n-1现根据X、Y的符号及绝对值的大小分4种情况予以证明。2.定点补码的减法运算规则：X-Y补=X+（-Y）补=X补+-Y补（mod2n）在进行定点减法运算时，只要将减数Y换换为-Y补，减法运算便换为加法运算了。这里先说明一下求-Y补的含义。3不带符号数的运算不带符号数（或称为无符号数）实际上是指参加运算的操作数X，Y均为正数，且整个字长全部用于表示数值部分。一个n位字长的数据字可用来表示2n个正整数。4溢出采用补码运算时，若结果的数值超过出了补码能表示的范围，计算结果错误，我们称这种情况为溢出。,3.1.2基本二进制数的运算及其加法电路,作为算术的基本运算，众所周知，是有四种算法：加、减、乘和除。在微型计算机中常常只有加法电路。这是为了使硬件结构简单而成本较低。不过，只要有了加法电路，也能完成算术的四种基本运算。1二进制数的相加2半加器电路3全加器4半加器及全加器符号5二进制数的加法电路6二进制数的减法运算7可控反相器及加法/减法电路,3.2定点小数乘法运算,3.2.1原码一位乘法1.原码一位乘法被乘数和乘数均取绝对值参加运算，符号位单独考虑。被乘数取双符号，部分积的长度与被乘数的长度相同，初值为0。从乘数取的最低位的Y位开始对乘数进行判断。3.2.2补码一位乘法1.补码一位乘法的运算规则符号位参与运算，运算的数均以补码表示。被乘数一般取双符号位参加运算，部分积初值为0。乘数可取单符号位，以决定最后一步是否需要校正，即是否要加-X补。乘数末位增设附加位Yn+1，且初值为0。按表3-2所示进行操作。,3.3定点小数除法运算,除法运算是乘法运算的逆运算，计算机中乘法运算是通过相加、右移来实现的，除法运算是通过相减、左移来实现的。在计算机中进行定点小数除法运算要求：（1）除数0。因为除数为0时，商为无穷大，这在定点计算机中无法表示。（2）被除数除数。因为若被除数除数，则必有整数商，在定点小数除法时将产生溢出。3.3.1原码一位除法符号位不参加运算，并要求|X|Y|；先用被除数减去除数，当余数为正时，商上1，余数左移一位，再减去除数，当余数为负时，商上0，余除左移一位，再加上除数。当第N+1步余数为负时，需加上|Y|得到第N+1步正确的余数，最后的余数为RN2N（余数与被除数同号）。加减、交替法算法流程图。,3.4定点运算器的组成和结构,3.4.1算术逻辑运算单元ALU3.4.2通用寄存器组3.4.3状态寄存器3.4.4数据通路3.4.5内部总线3.4.6运算器的基本结构1单总线结构的运算器2双总线结构的运算器3三总线结构的运算器3.4.7运算器组成实例1最简单的运算器图48示2一台小型机的运算器(1)算术逻辑运算单元ALU(2)锁存器(3)移位器(4)寄存器组(5)状态寄存器,第4章知识目标,理解指令、指令系统的概念；掌握指令格式及常用指令格式的分类，操作码的编码方法和扩展编码方法；了解CISC和RISC的概念；掌握各种操作数的寻址方式；掌握各种常见的指令的功能和类型；了解汇编语言的概念。,第4章指令系统,计算机通过执行程序来完成各种工作任务,而程序是由一系列有序的指令构成的。指令系统是程序员编制程序的基础，也反映了一台计算机所具有的数据处理能力。,41概述,411指令与指令系统1.指令指令是计算机能够识别和执行的操作命令。2.指令系统一个完善的指令系统应满足下面这几个要求：完备性-指令系统的完备性是指用汇编语言编制各种程序时指令系统提供的指令足够用，而不必用软件实现。有效性-指令系统的有效性是指利用该指令系统编制的程序能产生高效率。规整性-指令系统的规整性包括指令系统的对称性和匀齐性，指令格式与数据格式的一致性。对称性是指在指令系统中所有寄存器和存储单元都可以同等对待，所有指令都可使用各种寻址方式。匀齐性是指一种操作性质的指令可以支持各种数据结构，在编制程序时无需考虑数据类型。指令格式与数据格式的一致性是指指令长度与数据长度有一定的关系，以方便存取和处理。兼容性-兼容性是指一台机器上运行的软件可以不经修改地运行于另一台机器。,42指令格式,421指令格式1操作码2地址码3指令字长422指令格式分类1三地址指令格式2二地址指令格式3一地址指令格式4零地址指令格式423操作码格式1定长操作码2扩展操作码3扩展操作码举例,43寻址方式,1.立即寻址2.直接寻址3.寄存器寻址4.间接寻址5.变址寻址方式6.基址寻址方式7.基址加变址寻址方式8.相对寻址,44指令的功能和类型,441数据传送类指令1、传送类指令包括传送指令（MOV）、交换指令（如XCHG）、入栈指令（PUSH）、出栈指令（POP）等。2输入输出(I/O)类指令(1)设置专用的I/O指令(2)用传送类指令实现I/O操作(3)通过IOP执行I/O操作442数据处理类指令1算术运算指令2逻辑指令3移位指令4、串操作指令443程序控制类指令1、转移指令2、循环控制指令3、子程序调用和返回指令4、程序自中断指令444处理机控制类指令这类指令用以直接控制CPU实现特定的功能。,45汇编语言,1.汇编语言汇编语言是一种面向机器的程序设计语言，用助记符形式表示，属于低级程序语言。汇编语言的指令结构简单、功能单一，可以直接对计算机内部的工作寄存器、存储器、端口、中断系统等进行操作，能把数据处理的过程表述得非常具体。采用汇编语言编写的程序叫做汇编语言源程序，源程序只能用于人机对话，并不能被机器直接执行，必须由“汇编程序”翻译成机器语言的目标程序。“汇编程序”是一种系统程序，由计算机公司提供，实现将源程序翻译成目标程序的服务。2.机器语言机器语言是一种能被机器识别和执行的语言，用二进制数“0”和“1”形式表示。它存放在计算机存储器内，直接指挥机器的运行。为了阅读和书写的方便，机器语言常写成十六进制形式，指令的十六进制代码形式与它的二进制代码形式是对应关系，常在某些场合（实验室）被用来作为输入程序的一种辅助手段。,第5章知识目标,掌握存储器的概念；了解存储器的分类；了解存储器的主要性能指标；掌握随机存取存储器RAM的原理；掌握只读存储器ROM的原理；理解高速缓冲存储器；理解虚拟存储器；,第5章存储系统,存储器是计算机的记忆部件，它是计算机的重要组成部分，其功能是用来按地址存放程序和数据。有了存储器，计算机才有“记忆”功能，才能把计算机要执行的程序以及数据处理与计算的结果存储在计算机中，使计算机自动工作。,5.1概述,5.1.1存储器的分类1.按存储介质分类半导体存储器磁表面存储器2.按存取方式分类随机存取存储器RAM(ReadAccessMemory)只读存储器ROM(ReadOnlyMemory)3.按信息的可保存性分易失性存储器非易失性存储器4.按在计算机中的作用分类按在计算机中的作用可将存储器分为内存储器（主存储器）、外存储器（辅助存储器）和缓冲存储器等，见图5-15.1.2存储器的主要性能指标衡量一个主存储器性能的指标主要是存储器的存取时间、存储容量、存储周期、可靠性、性能价格比等。,5.2内存储器,5.2.1随机存取存储器RAM1.静态随机存取存储器SRAM基本存储单元存储体地址译码器IO电路片选与读写控制电路输出驱动电路2半导体存储器的组成及寻址位扩展法字扩展法字位扩展法3半导体存储器与CPU的连接线选方案采用译码器连接方案4半导体存储器的设计步骤选择存储器芯片位向(字长)芯片数量的确定字向(容量)芯片数目的确定对CPU总线负载能力的考虑CPU的时序和存储器存取速度的配合有关存储器的地址分配和选片问题控制信专线的连接,5动态随机存取存储器DRAMDRAM的工作原理写入过程读出过程DRAM的刷新集中式刷新分散式刷新异步式刷新,5.2.2只读存储器ROM,只读存储器简称ROM（ReadOnlyMemory）,它在工作过程中，只能读出信息，不能写入信息。它是由制造厂在制造过程中或由用户使用编程器事先将信息写入，所存信息一旦写入，就不能轻易地改变，只能读存储单元内容，故称为只读存储器。ROM器件的特点：结构简单，位密度比RAM器件高。具有非易失性，所以可靠性高。信息只能读出，不能用通常方法写入。ROM根据其中信息的设置方法不同，可以分为4种：掩膜型ROM或者简称ROM。可编程的只读序储器PROM。可擦除可编程的只读存储器EPROM。可用电擦除的可编程的只读存储器EEPROM。,5.2.3高速缓冲存储器,1高速缓存（Cache主存存储层次）2Cache存储器的基本工作原理3Cache存储器的基本操作4地址映象直接映象全相联映象组相联映象5替换策略先进先出策略FIFO策略近期最少使用策略LRU策略,5.2.4虚拟存储器,1虚拟存储器基本概念2虚拟存储器的管理方式(1)段式管理(2)页式管理(3)段页式管理3虚拟存储器的工作过程(1)快表(2)帧页表(3)外页表,第6章知识目标,理解CPU的功能；了解CPU的基本组成；掌握两种时序控制方式；理解指令周期的基本概念；掌握微程序控制器的基本概念及组成原理；了解当前最先进的CPU技术。,第6章中央处理器,计算机硬件由控制器、运算器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。随着集成电路的出现及其集成度的提高，设计者将控制器和运算器集成在一片集成电路上，称作微处理器，通常称之为中央处理部件CPU。CPU是计算机的核心部件。本章介绍CPU的功能和基本组成，指令周期的概念，微程序控制器及当前最先进的CPU技术。,6.1CPU的功能及组成,6.1.1CPU的功能1指令控制2操作控制3时间控制4数据加工,6.1.2CPU的组成,1程序计数器(PC)2缓冲寄存器(DR)3指令寄存器(IR)4地址寄存器(MAR)5累加寄存器(AC)6状态寄存器,6.2时序,计算机的工作过程是执行指令的过程。一条指令的读取和执行过程常常需分成读取指令、读取源操作数、读取目的操作数、运算、存放结果等步骤。这就需要一种时间划分的信号标志，如周期、节拍等。同一条指令，在不同时间发送不同的微操作命令，做不同的事，其依据之一就是不同的周期、节拍信号。CPU的许多操作都需要严格的定时控制，比如在规定的时刻将已经稳定的运算结果打入某个寄存器，这就需要定时控制的同步脉冲。计算机系统中产生周期节拍、脉冲等时序信号的部件称为时序发生器。对于时序发生器及时序的概念在前面第二章有专门的叙述。下面着重叙述时序控制方式、多级时序的建立和典型的指令周期。,6.2.1时序控制方式,1同步控制方式2异步控制方式3实际应用中的一些变化,6.2.2多级时序的建立,1时序划分层次(1)指令周期读取并执行一条指令所需的时间称为一个指令周期。不同类型的指令，其指令周期的长短可以不同。通常，以开始取指令作为一个指令周期的开始，即上一个指令周期的结束。有的CPU设置有专门的取指标志，但一般都不在时序系统中为指令周期设置完整的时间标志信号，因此一般不将指令周期视为时序的一级。,(2)CPU工作周期在组合逻辑控制器中常将指令周期划分为若干个工作阶段，如取指令、读取源操作数、读取目的操作数、执行等阶段。在不同工作阶段中完成不同的操作，依据的指令代码段也各不相同。例如，在读取源操作数时，依据的是指令中源地址代码；而在读取目的操作数时，依据的是目的地址段代码；在执行阶段，则依据指令的操作码段。为此，在时序系统中划分若干种工作周期，以对应不同工作阶段所需的操作时间，例如取指周期、源周期、目的周期，执行周期等。在有的机器中将工作周期这一级称为机器周期，或称为基本周期。,(3)时钟周期(节拍)一个工作周期的操作可能需要分成几步完成，例如按变址方式读取操作数，先要进行变址运算才能访存读取。所以在同步控制方式中，时序系统需按固定时间分段设置时钟周期。每个时钟周期(又称为一拍)完成一步操作，如一次传送、加减等，这是时序系统中最基本的时间分段。各时钟周期长度相同，一个工作周期可根据其需要，由若干个时钟周期组成。不同工作周期，或不同指令中的同一种工作周期，其时钟周期数目可以不同。确定一个时钟周期的长度有两种设计策略。,6.3指令周期,6.3.1指令周期的基本概念CPU要执行的指令及处理的数据均存放在主存中，指令和数据都以二进制编码表示，因此，从形式上看，数据和指令很难区别。然而，CPU却能区分出哪些是指令，哪些是数据，根据指令的操作要求对数据实现处理。CPU之所以能自动地执行指令，是因为它能按程序中的指令序列取指令，并对指令进行译码、执行。CPU取指、执行指序列如图6-1所示，即CPU在执行程序的过程中，先按程序记数器(PC)的值从主存中一条指令，然后译码、执行，紧接着又取下一条指令，译码、执行。依此重复，直至遇停机指令,1非访内指令的指令周期,清累加器指令(CLA)是非访内指令，需要两个CPU周期，取指令阶段一个CPU周期，执行指令阶段一个CPU周期。操作是：0A第一个CPU周期，即取指令周期。第二个CPU周期，即执行指令周期。,2直接访内指令的指令周期,加法指令(ADD，D)是直接访内指令，需要三个CPU周期，取指令阶段一个CPU周期，执行指令阶段两个CPU周期。操作是：A十(D)A第一个CPU周期，即取指令周期，操作过程与CLA指令相同。第二个CPU周期，将操作数的地址送往地址寄存器并完成地址译码。第三个CPU周期，从内存取出操作数并执行相加操作。,3间接访内指令的指令周期,如存数指令(STA，D)是间接访内指令，需要四个CPU周期，取指令阶段一个CPU周期，执行指令阶段三个CPU周期。操作是：（）（）第一个CPU周期，即取指令周期，操作过程与CLA指令相同。第二个CPU周期，送地址指示器，即操作数地址的地址。第三个CPU周期，取操作数地址。第四个CPU周期，存储结果。,4程序控制指令的指令周期,无条件转移指令(JMP，D)是程序控制指令，指令周期需要两个CPU周期，取指令阶段一个CPU周期，执行指令阶段一个CPU周期。操作是：DPC第一个CPU周期，即取指令周期，操作过程与CLA指令相同。第二个CPU周期，把转移地址送程序计数器(PC)。,6.4微程序控制器,微程序控制的概念与原理最早是由英国剑桥大学的威尔克斯(MVWilkes)教授于1951年在曼彻斯特大学计算机会议上首先提出的，其主要目的是希望能实现灵活可变的计算机指令系统。微程序控制后来历经种种演变，在只读存储器RoM所需的微技术成熟后得到了非常广泛的应用。,6.4.1微程序控制器的基本概念,微程序控制和组合逻辑控制是微命令产生的两种方式。组合逻辑控制方式是用许多门电路来产生微命令，而这些门电路所需的逻辑电路形态很不标准，因而组合逻辑控制器设计起来很复杂、设计效率低、检查调试也困难，而且一旦完成设计后是用印制电路板固定下来，很难再修改与扩展。微程序控制器改进了组合逻辑控制方式这些缺点。,6.4.2微程序控制器组成原理,微程序控制器比较规整，容易改变，可以实现比较复杂的指令功能，但是速度较组合逻辑控制器慢，且由于指令的执行过程复杂而难于实现指令的流水执行方式。,2机器指令的读取与执行,在微程序控制器中，通过读取微程序与执行它所包含的微命令去解释执行机器指令。(1)在微程序中有一条或两三条微指令，其微命令实现取指操作，可称为“取机器指令用的微指令”，属于微程序中的公用部分。在机器指令周期开始时，先从控制存储器中读取“取机器指令用的微指令”，其微命令使CPU访问主存储器，读取机器指令，送入寄存器IR，然后修改程序计数器PC的内容。,(2)根据机器指令中的操作码，通过微地址形成电路找到与该机器指令所对应的微程序入口地址。(3)逐条取出对应的微程序，每一条微指令提供一个微命令序列，控制有关的操作。根据机器指令的需要与微指令功能的强弱程度，一条机器指令所对应的微程序可能不同，有的可能简单，有的可能比较复杂，其中可以包含分支、循环、嵌入微子程序等程序状态。执行完一条微指令后，根据微地址形成方法产生后续微地址，读取下一条微指令。(4)执行完对应于一条机器指令的一段微程序后，返回到“取机器指令用的微指令”开始又一指令周期。,6.4.3微程序控制器的设计技术,设计微指令的目标是缩短微指令长度，减少控制存储器的容量，提高微程序的执行速度，便于微指令的修改，从而提高微程序设计的灵活性。为此，需要采用一系列的设计技术。下面来讨论一些关于微程序控制器的微程序设计技术。,2微地址的形成方法,就像高级语言中需要控制语句一样，微程序中也需要指令的非顺序执行方式来提高微程序的代码效率。如果用一个无分支的线性微程序实现一条指令的控制，将导致微程序的总量很大，因而需要很大的控制存储器。在许多计算机中，大多数机器指令能够在若干种寻址式下工作，需要按寻址方式选择不同的控制流程。显然用分离的微程序为每一条指令实现每一种寻址方式下的操作是不可取的，因为许多微程序段将是相同的。,3微指令格式分类,微指令的编码方法是决定微指令格式的主要因素。考虑到速度、成本等原因，在设计计算机时可采用不同的微指令编码法。微指令的格式大体分成两类：水平型微指令和垂直型微指令。,第7章知识目标,掌握总线的概念；了解总线的分类；掌握系统总线的组成；理解总线结构；了解总线接口。,第7章系统总线,总线技术是计算机系统的一个重要技术。计算机是由CPU、主存储器及外围设备组成，并通过总线将各个组成部件连接起来。总线是一组能为多个部件共享信息的传输线路，地址、数据和各种控制信息都是通过它在各部件间进行传送。因此，总线是构成计算机系统的骨架，它不但影响系统的结构与连接方式，而且影响系统的性能和效率。,71概述,711总线的概念总线（BUS）是能为系统中多个部件分时共享的一组信息传输线及相关逻辑。共享是指总线所连接的各部件都通过它传递信息。分时是指在某一时刻总线只允许有一个部件将信息送上总线。分时共享是总线的主要特征，在计算机系统中，将不同来源和去向的信息在总线上分时传送，不仅可减少传输线的数量，简化控制和提高可靠性，而且便于扩充更新新的部件。,712总线的分类,总线的类型有很多，可从不同角度进行研究分析。1.按总线连接的部件，可将总线分为：内部总线内部总线指同一部件内部各器件之间连接的总线，例如CPU内部各寄存器及运算部件间之间的连线。芯片内总线结构简单，传输距离很短，传输速度很高。,系统总线系统总线指在一个计算机系统内连接CPU、主存、I0接口等部件的总线。系统总线包括地址、数据和控制信号三类传输线，以及电源线。系统总线的连接距离较短，传输速度较快。外部总线外部总线主要是指多台计算机之间的连接总线或计算机与外部设备之间的连线。外部总线的传输距离一般较远，速度较低。如：I/O总线。,2.按传送方向，可将总线分为：单向总线总线传输信息的方向是单一的，如：地址总线。双向总线总线传输信息的方向是两个方向，如：数据总线。,3.按数据传送格式，可将总线分为：并行总线并行总线中的数据线有多根，可同时传送多个二进制位，通常将数据总线上可同时传送的二进制位数称为数据通路宽度。系统总线一般是并行总线，其数据通路宽度多与CPU一致，并为字节(8位)的整数倍。串行总线串行总线中的数据线很少，只能串行地逐位传送数据。外部总线较多采用串行总线，以节省通信线路的成本、实现远距离传输，显然串行总线传输速度低于并行总线。,4.按时序控制方式，可将总线分为：同步总线同步总线设置有统一的时钟信号，进行数据传送时，收发双方严格遵循这个时钟信号。同步总线应用于总线上各部件间工作速度差异较小的场合，其控制较简单，但时间利用率可能不高。,异步总线异步总线在数据传送时，没有统一的时序信号，采用应答方式工作。当各部件工作速度差异较大时多采用异步总线，传输时间可以根据需要能短则短，需长则长，因而时间利用率很高，但相应的控制较复杂。,准同步总线这种总线实际上采用同步异步相结合的方法，在计算机系统中，总线周期包含若干时钟周期，但时钟周期数可根据需要变化。基本总线周期含有时钟的周期数最少(通常根据CPU访问内存的需要而定)，当外部电路能在基本周期内完成总线传送时。它实际上是按标准的同步方式工作。当某个部件因速度较低，而不能在基本周期内完成数据传送时，就发出一个“等待”信号，总线周期则按时钟周期为单位地延长，直至“等待”信号撤消，总线周期才告结束。这样，总线传送仍以时钟周期为同步定时信号，但每次包含的时钟数可以不同，它既有同步总线控制简单的优点，又具有异步总线时间利用率高的优点。,713系统总线的组成,系统总线由数据总线、地址总线、控制总线和电源线组成。1.数据总线DB(DataBus)数据总线用于设备之间的数据传送，一般为双向传送。数据总线的一个重要指标是宽度，根据数据总线的宽度可将系统总线分为8位总线、16位总线、32位总线、64位总线等。,2.地址总线AB(AddressBus)地址总线用于传送地址信号，以确定所访问的存储单元或某个IO端口，地址总线一般有16位、20位、24位、32位等几种宽度标准。地址总线的宽度确定了可访问内存空间的大小。地址总线为单向总线，只有掌管总线控制权的主控部件，如CPU、DMA控制器、IOP等，才能向地址线上发送地址码。而不能掌管总线控制权的部件，如存储器；不能发送地址码，只能从地址线上接收地址信号，并配合控制信号进行地址译码。,3.控制总线CB(ControIBus)控制总线用于传送各类控制状态信号。各种不同的总线标准其数据总线和地址总线的差别都不大，而它们的控制总线则各具特色、差别最大。控制总线的组成体现了不同总线的特点。,4.电源线许多总线标准中都包含了电源线的定义，主要有十5V逻辑电源；6ND逻辑电源地；一5V辅助电源；土12V辅助电源；AGND辅助地线。,72总线结构与接口,721总线结构1.总线结构及连接方式系统总线的实体是一组传送线，但实际上还包括了一系列相关的逻辑，如总线控制权的申请、批准与转移、总线状态信号产生、总线传送操作的时序控制、读写操作控制等。这些逻辑或在CPU中，或设置专门的总线控制器。在现代计算机系统中，各大部件均以系统总线为基础进行互连，系统总线的结构有多种，按照连接方式的不同，计算机系统中采用的总线结构有单总线结构和多总线结构,单总线结构,在许多微小型计算机中，CPU、主存储器，以及所有IO设备均通过一组总线连接，其结构简单，总线控制也较简单，系统易于扩展，如图7-1(a)所示。在单总线结构中，要求连接到总线上的逻辑部件必须高速运行，以便在某些设备需要使用总线时，能迅速获得总线控制权；而当不再使用总线时，能迅速放弃总线控制权。否则，一条总线由多种部件共用，可能导致很大的时间延迟,多总线结构,为克服单总线的缺点，许多计算机系统采用了多重总线的系统结构，多总线结构的形式有多种多样，图7-1给出了几种有代表性的总线结构。在中、大型计算机中，由于CPU工作期间要不断地取指令、取操作数、送结果，CPU与主存MM之间的信息流通量特别大，一种多总线结构是在这两个最繁忙的部件之间增设一组总线。这组总线通常被称为存储总线，它属于局部总线。,第8章知识目标,掌握程序查询方式、中断方式、DMA方式、通道方式和I/O处理机方式的概念；5种I/O方式的基本工作原理和特点。本章的重点和难点是：5种I/O方式的基本概念及各自的优缺点；几种I/O方式的比较。,第章输入输出系统,提高主机的工作效率、组织合理的I/O系统、配备先进的I/O技术及接口部件是充分发挥计算机系统性能必不可少的条件。现代计算机系统的一大特点是外围设备种类繁多，快慢各异，其组成结构和工作原理各不相同，和CPU的连接方式也千差万别。因此，计算机的输入、输出系统（I/O系统）在整个计算机系统中是最复杂，也是花样最多的部分。本章主要介绍主机与外部设备之间的五种数据传送方式程序查询方式、中断方式、DMA方式、通道方式和I/O处理机方式的前四种方式。,外围设备的信息交换方式,1程序查询方式这种方式又称程序控制方式数据在CPU和外围设备之间的传送完全靠计算机程序控制查询方式的优点是CPU的操作和外围设备的操作能够同步，而且硬件结构比较简单但问题是，外围设备动作很慢，程序进入查询循环时将白白浪费掉CPU很多时间这种情况同上述例子中第一种方法相仿，CPU此时只能等待，不能处理其他业务不过在实际应用中并不这样使用，而是CPU定期地由主程序转向查询设备状态的子程序进行扫描轮询,2程序中断方式中断是外围设备用来“主动”通知CPU，准备送出输入数据或接收输出数据的一种方法通常，当一个中断发生时，CPU暂停它的现行程序，而转向中断处理程序，从而可以输入或输出一个数据当中断处理完毕后，CPU又返回到它原来的任务，并从它停止的地方开始执行程序这种方式和我们前述例子的第二种方法相类似可以看出，它节省了CPU宝贵的时间，是管理IO操作的一个比较有效的方法。中断方式一般适用于随机出现的服务，并且一旦提出要求，应立即进行同程序查询方式相比，硬件结构相对复杂一些，服务开销时间较大,3直接内存访问(DMA)方式用中断方式交换数据时，每处理一次IO交换，约需几十微秒到几百微秒对于一些高速的外围设备，以及成组交换数据的情况，仍然显得速度太慢直接内存访问(DMA)方式是一种完全由硬件执行IO交换的工作方式这种方式既考虑到中断响应，同时又要节约中断开销此时，DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和外围设备之间进行，以高速传送数据这种方式和前述例子的第三种方法相仿，主要的优点是数据传送速度很高，传送速率仅受到内存访问时间的限制与中断方式相比，需要更多的硬件。DMA方式适用于内存和高速外围设备之间大批数据交换的场合,4外围处理机方式外围处理机(PPU)方式是通道方式的进一步发展由于PPU基本上独立于主机工作，它的结构更接近一般处理机，甚至就是一般的微小型计算机在一些系统中，设置了多台PPU，分别承担IO控制、通信、维护诊断等任务从某种意义上说，这种系统已变成分布式的多机系统,8.2程序查询方式,1、定义在这种方式中CPU需要根据外设的工作状态来决定何时进行数据传送，它要求CPU随时对接口状态进行查询，如果接口尚未准备好，CPU必须等待，并进行查询。如果已准备好，CPU才能进行数据的输入输出，这就是程序查询方式。,2、程序查询方式的数据传送过程具体步骤：向外设发出命令字，请求数据传送；从外设状态字寄存器读入状态字；检查状态字中的各种约定标志，看数据交换是否可以进行。若外设就绪，则进行数据传送，否则，重复、两步，一直到该设备准备好交换数据，发出就绪信号“READY”为止。在数据传送的同时，CPU将I/O接口中的状态标志复位,4通道方式DMA方式的出现已经减轻了CPU对IO操作的控制，使得CPU的效率有显著的提高，而通道的出现则进一步提高了CPU的效率这是因为，CPU将部分权力下放给通道。通道是一个具有特殊功能的处理器，某些应用中称为输入输出处理器(IOP)，它可以实现对外围设备的统一管理和外围设备与内存之间的数据传送这种方式与前述例子的第四种方法相仿，大大提高了CPU的工作效率然而这种提高CPU效率的办法是以花费更多硬件为代价的,5外围处理机方式外围处理机(PPU)方式是通道方式的进一步发展由于PPU基本上独立于主机工作，它的结构更接近一般处理机，甚至就是一般的微小型计算机在一些系统中，设置了多台PPU，分别承担IO控制、通信、维护诊断等任务从某种意义上说，这种系统已变成分布式的多机系统,3、程序查询方式的优缺点（1）优点：简单、经济、只需少量的硬件，主要以编制程序为主，较容易实现。（2）缺点：效率低、速度慢、不管是执行子程序，还是查询外设是否准备好，都得占用CPU时间。因此，程序查询方式主要适用于I/O设备少，数据传送率低的系统。,8.3程序中断方式,8.2.1中断的基本概念采用程序查询方式，当外设速度较低时，CPU大量的时间用于无效的查询不能处理其他事务，也不能对其他突发事件及时作出反应。如何使CPU既能对突发事件作出及时响应，避免无效的查询以提高效率呢?,8.4DMA方式,1、定义DMA（直接存储器存取-DIRECTMEMORYACCESS）控制是在内存与设备之间开辟一条直接数据传送通路，并把传送过程交DMA控制器进行管理，形成以存储器为中心的体系结构。DMA可以看作是和CPU共享存储器的处理器，只不过“头脑”比较简单而已。DMA方式是在内存与I/O设备之间有直接的数据传送通路，不必经过CPU，称为数据直传。即输入设备的数据可经系统总线中的数据总线，直接输入到内存；而内存中的数据可经数据总线直接输出给输出设备，因此称为直接存储器存取。另外，这样的数据直传由硬件控制实现，不依靠执行程序指令来实现，所以在DMA传送期间不需要CPU执行程序来控制干预。,第9章知识目标,掌握输入设备的种类和功能；掌握输出设备的种类、功能特点及性能指标；掌握外部存储器的种类、功能特点及性能指标；理解部分输出设备、外部存储器的工作原理；掌握调制解调器的概念和功能。,第9章外围设备,外围设备（PeripheralDevice）是指能与主机连接、交换信息的设备，除CPU和内存以外的计算机系统的其他部件，简称“外设”。它的主要功能是在计算机和其它的外围设备之间，以及计算机与用户之间进行信息交换。随着计算机技术的不断发展和应用领域的扩大，计算机系统的外围设备的种类也越来越多。外围设备包括：输入设备、输出设备、外存储器、数据通信设备和过程控制设备几大类。,9.1.1键盘,键盘是计算机中最基本的输入设备，通常用来输入字符和数字，在图形界面的操作中，可以通过键盘上指定的字符与屏幕上的光标结合，用来移动光标，拾取图形坐标，制定绘图命令等。,9.1.2鼠标,鼠标的外形一般是一个小盒子，通过一根电线与主机连接起来，就像一个拖着尾巴的老鼠，所以它的英文名就叫MOUSE，中文译名为鼠标器，如图9-2所示，使用鼠标可在屏幕上更快速、更准确地移动和定位光标。目前，无线鼠标也是现在