计算机组成原理(第2版)

1、 1.1 计算机系统简介计算机系统简介 1.4 本书结构本书结构 1.3 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标 1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成 1. .机器字长机器字长 2. .运算速度运算速度 CPU 一次能处理数据的位数一次能处理数据的位数 与与 CPU 中的中的 寄存器位数寄存器位数 有关有关 = = n i = =1 fi tiTM吉普森法吉普森法 主频主频 每秒执行百万条指令每秒执行百万条指令MIPS 执行一条指令所需时钟周期数执行一条指令所需时钟周期数 CPI 每秒浮点运算次数每秒浮点运算次数FLOPS 221 = = 256 KB 2 13 = = 1 KB

2、 如如 3. .存储容量存储容量 主存容量主存容量 辅存容量辅存容量 存储单元个数存储单元个数 存储字长存储字长 字节数字节数 字节数字节数 80 GB 如如 MAR MDR 容量容量 10 8 16 32 存放二进制信息的总位数存放二进制信息的总位数 1K = 210 1B = 23b 1GB = 230b 1 K 8位位 64 K 32位位 第第 章章 3.1 总线的基本概念总线的基本概念 3.2 总线的分类总线的分类 3.3 总线特性及性能指标总线特性及性能指标 3.4 总线结构总线结构 3.5 总线控制总线控制 一、为什么要用总线一、为什么要用总线 二、什么是总线二、什么是总线 三、总

3、线上信息的传送三、总线上信息的传送 总线是连接各个部件的信息传输线，总线是连接各个部件的信息传输线， 是是 各个部件共享的传输介质各个部件共享的传输介质 串行串行 并行并行 1. .片内总线片内总线 2. .系统总线系统总线 芯片内部芯片内部 的总线的总线 数据总线数据总线 地址总线地址总线 控制总线控制总线 双向双向 与机器字长、存储字长有关与机器字长、存储字长有关 单向单向 与存储地址、与存储地址、 I/O地址有关地址有关 有出有出 有入有入 计算机各部件之间计算机各部件之间 的信息传输线的信息传输线 存储器读、存储器写存储器读、存储器写 总线允许、中断确认总线允许、中断确认 中断请求、总

4、线请求中断请求、总线请求 3. .通信总线通信总线 串行通信总线串行通信总线 并行通信总线并行通信总线 传输方式传输方式 用于用于 计算机系统之间计算机系统之间 或或 计算机系统计算机系统 与其他系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）（如控制仪表、移动通信等） 之间的通信之间的通信 1. 机械特性机械特性 2. 电气特性电气特性 3. 功能特性功能特性 4. 时间特性时间特性 二、总线特性二、总线特性 尺寸尺寸、形状、形状、管脚数管脚数及及排列顺序排列顺序 传输方向传输方向 和有效的和有效的 电平电平 范围范围 每根传输线的每根传输线的 功能功能 信号的信号的 时序时序 关系关系 地址地址

5、数据数据 控制控制 三、总线的性能指标三、总线的性能指标 1. 总线宽度总线宽度 2. 总线带宽总线带宽 3. 时钟同步时钟同步/异步异步 4. 总线复用总线复用 5. 信号线数信号线数 6. 总线控制方式总线控制方式 7. 其他指标其他指标 数据线数据线 的根数的根数 每秒传输的最大字节数（每秒传输的最大字节数（MBps） 同步同步、不同步不同步 地址线地址线 与与 数据线数据线 复用复用 地址线、数据线和控制线的地址线、数据线和控制线的 总和总和 负载能力负载能力 并发、自动、仲裁、逻辑、计数并发、自动、仲裁、逻辑、计数 四、总线标准四、总线标准 一、单总线结构一、单总线结构 单总线（系统

6、总线）单总线（系统总线） CPU 主存主存 I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备2 I/O接口接口 I/O 设备设备n I/O接口接口 1. 双总线结构双总线结构 具有特殊功能的处理器，具有特殊功能的处理器， 由通道对由通道对I/O统一管理统一管理 通道通道 I/O接口接口 设备设备n I/O接口接口 设备设备0 CPU主存主存 主存总线主存总线 I/O总线总线 二、多总线结构二、多总线结构 2. 三总线结构三总线结构 主存总线主存总线 DMA总线总线 I/O总线总线 CPU 主存主存 设备设备1设备设备n高速外设高速外设 I/O接口接口I/O接口接口I/O接口接口 3. 三总

7、线结构的又一形式三总线结构的又一形式 局域网局域网 系统总线系统总线 CPUCache 局部总线局部总线 扩展总线接口扩展总线接口 扩展总线扩展总线 Modem串行接口串行接口SCSI 局部局部I/O控制器控制器 主存主存 4. 四总线结构四总线结构 多媒体多媒体 Modem 主存主存 扩展总线接口扩展总线接口 局域网局域网SCSI CPU 串行接口串行接口FAX 系统总线系统总线局部总线局部总线 高速总线高速总线 扩展总线扩展总线 图形图形 Cache/桥桥 一、总线判优控制一、总线判优控制 总线判优控制总线判优控制 分布式分布式 集中式集中式 主设备主设备(模块模块)对总线有对总线有 控制

8、权控制权 从设备从设备(模块模块)响应响应 从主设备发来的总线命令从主设备发来的总线命令 1. 基本概念基本概念 链式查询链式查询 计数器定时查询计数器定时查询 独立请求方式独立请求方式 2. 链式查询方式链式查询方式 总总 线线 控控 制制 部部 件件 I/O接口接口0 BS BR I/O接口接口1I/O接口接口n BG 数据线数据线 地址线地址线 BS 总线忙总线忙 BR总线请求总线请求 BG总线同意总线同意 I/O接口接口1 0 BS 总线忙总线忙 BR总线请求总线请求 总总 线线 控控 制制 部部 件件 数据线数据线 地址线地址线 I/O接口接口0 BS BR I/O接口接口1I/O接

9、口接口n 设备地址设备地址 3. 计数器定时查询方式计数器定时查询方式 I/O接口接口1 计数器计数器 设备地址设备地址 1 排队器排队器排队器排队器 4. 独立请求方式独立请求方式 总总 线线 控控 制制 部部 件件 数据线数据线 地址线地址线 I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口n BR0 BG0 BR1 BG1 BRn BGn BG总线同意总线同意 BR总线请求总线请求 二、总线通信控制二、总线通信控制 1. 目的目的 2. 总线传输周期总线传输周期 主模块申请主模块申请，总线仲裁决定，总线仲裁决定 主模块向从模块主模块向从模块 给出地址给出地址 和和 命令命令 主模块和从模块

10、主模块和从模块 交换数据交换数据 主模块主模块 撤消有关信息撤消有关信息 申请分配阶段申请分配阶段 寻址阶段寻址阶段 传数阶段传数阶段 结束阶段结束阶段 解决通信双方解决通信双方 协调配合协调配合 问题问题 由由 统一时标统一时标 控制数据传送控制数据传送 充分充分 挖掘挖掘 系统系统 总线每个瞬间总线每个瞬间 的的 潜力潜力 同步通信同步通信 异步通信异步通信 半同步通信半同步通信 分离式通信分离式通信 3. 总线通信的四种方式总线通信的四种方式 采用采用 应答方式应答方式 ，没有公共时钟标准，没有公共时钟标准 同步同步、异步结合异步结合 读读 命令命令 (1) 同步式数据输入同步式数据输入

11、 T1 总线传输周期总线传输周期 T2T3T4 时钟时钟 地址地址 数据数据 不互锁不互锁半互锁半互锁全互锁全互锁 异步通信异步通信 主设备主设备 从设备从设备 请请 求求 回回 答答 单机单机多机多机网络通信网络通信 (4) 半同步通信半同步通信 同步同步 发送方发送方 用系统用系统 时钟前沿时钟前沿 发信号发信号 接收方接收方 用系统用系统 时钟后沿时钟后沿 判断、识别判断、识别 （同步同步、异步异步 结合）结合） 异步异步 允许不同速度的模块和谐工作允许不同速度的模块和谐工作 增加一条增加一条 “等待等待”响应信号响应信号 WAIT 上述三种通信的共同点上述三种通信的共同点 一个总线传输

12、周期（以输入数据为例）一个总线传输周期（以输入数据为例） 主模块发地址主模块发地址 、命令、命令 从模块准备数据从模块准备数据 从模块向主模块发数据从模块向主模块发数据 总线空闲总线空闲 占用总线占用总线 不占用总线不占用总线 占用总线占用总线 4.1 概述概述 4.2 主存储器主存储器 4.3 高速缓冲存储器高速缓冲存储器 4.4 辅助存储器辅助存储器 一、存储器分类一、存储器分类 1. 按存储介质分类按存储介质分类 (1) 半导体存储器半导体存储器 (2) 磁表面存储器磁表面存储器 (3) 磁芯存储器磁芯存储器 (4) 光盘存储器光盘存储器 易失易失TTL 、MOS 磁头、载磁体磁头、载磁

13、体 硬磁材料、环状元件硬磁材料、环状元件 激光、磁光材料激光、磁光材料 非非 易易 失失 (1) 存取时间与物理地址无关（随机访问）存取时间与物理地址无关（随机访问） 顺序存取存储器顺序存取存储器 磁带磁带 2. 按存取方式分类按存取方式分类 (2) 存取时间与物理地址有关（串行访问）存取时间与物理地址有关（串行访问） 随机存储器随机存储器 只读存储器只读存储器 直接存取存储器直接存取存储器 磁盘磁盘 在程序的执行过程中在程序的执行过程中 可可 读读 可可 写写 在程序的执行过程中在程序的执行过程中 只只 读读 磁盘、磁带、光盘磁盘、磁带、光盘 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache） F

14、lash Memory 存存 储储 器器 主存储器主存储器 辅助存储器辅助存储器 MROM PROM EPROM EEPROM RAM ROM 静态静态 RAM 动态动态 RAM 3. 按在计算机中的作用分类按在计算机中的作用分类 (2) 存储速度存储速度 4. 主存的技术指标主存的技术指标 (1) 存储容量存储容量 (3) 存储器的带宽存储器的带宽 主存主存 存放二进制代码的总位数存放二进制代码的总位数 读出时间读出时间 写入时间写入时间 存储器的存储器的 访问时间访问时间 存取时间存取时间 存取周期存取周期 读周期读周期 写周期写周期 连续两次独立的存储器操作连续两次独立的存储器操作 （读

15、或写）所需的（读或写）所需的 最小间隔时间最小间隔时间 位位/秒秒 三、随机存取存储器三、随机存取存储器 ( RAM ) 1. 静态静态 RAM (SRAM) (1) 静态静态 RAM 基本电路基本电路 A 触发器非端触发器非端 1 T 4 T触发器触发器 5TT6、 行开关行开关 7TT8、 列开关列开关 7TT8、 一列共用一列共用 A 触发器原端触发器原端 T1 T4 T5T6 T7T8 A A 写放大器写放大器写放大器写放大器 DIN 写选择写选择读选择读选择 DOUT 读放读放 位线位线A位线位线A 列地址选择列地址选择 行地址选择行地址选择 T1 T4 A T1 T4 T5T6 T

16、7T8 A 写放大器写放大器写放大器写放大器 DIN 写选择写选择读选择读选择 读放读放 位线位线A 位线位线A 列地址选择列地址选择 行地址选择行地址选择 DOUT 静态静态 RAM 基本电路的基本电路的 读读 操作操作 行选行选 T5、T6 开开 T7、T8 开开列选列选 读放读放DOUT VAT6T8 DOUT 读选择有效读选择有效 T1 T4 T5T6 T7T8 A A DIN 位线位线A位线位线A 列地址选择列地址选择 行地址选择行地址选择 写放写放写放写放 读放读放 DOUT 写选择写选择读选择读选择 静态静态 RAM 基本电路的基本电路的 写写 操作操作 行选行选T5、T6 开开

17、 两个写放两个写放 DIN 列选列选T7、T8 开开 （左）（左） 反相反相T5A （右）（右） T8T6A DIN DIN T7 写选择有效写选择有效 T1 T4 (2) 静态静态 RAM 芯片举例芯片举例 Intel 2114 外特性外特性 存储容量存储容量 1K4 位位 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4 A 0 A8 A 9 WECS VCCGND Intel 2114 A CS DOUT 地址有效地址有效 地址失效地址失效 片选失效片选失效 数据有效数据有效数据稳定数据稳定 高阻高阻 (3) 静态静态 RAM 读读 时序时序 t A t CO t OHA t OTD t RC 片

18、选有效片选有效 读周期读周期 t tRC RC 地址有效 地址有效 下一次地址有效下一次地址有效读时间读时间 t tA A 地址有效 地址有效数据稳定数据稳定 t tCO CO 片选有效 片选有效数据稳定数据稳定t tOTD OTD 片选失效 片选失效输出高阻输出高阻t tOHA OHA 地址失效后的 地址失效后的数据维持时间数据维持时间 A CS WE D OUT D IN (4) 静态静态 RAM (2114) 写写 时序时序 t WC t W t AW t DW t DH t WR 写周期写周期 t tWC WC 地址有效 地址有效下一次地址有下一次地址有 效效 写时间写时间 t tW

19、W 写命令 写命令 WEWE 的有效时间的有效时间 t tAW AW 地址有效地址有效片选有效的滞后时间片选有效的滞后时间 t tWR WR 片选失效片选失效下一次地址有效下一次地址有效t tDW DW 数据稳定 数据稳定 WE WE 失效失效t tDH DH WE WE 失效后的数据维持时间失效后的数据维持时间 DD 预充电信号预充电信号 读选择线读选择线 写数据线写数据线 写选择线写选择线 读数据线读数据线 V Cg T4 T3 T2 T1 1 (1) 动态动态 RAM 基本单元电路基本单元电路 2. 动态动态 RAM ( DRAM ) 读出与原存信息相反读出与原存信息相反读出时数据线有电

20、流读出时数据线有电流 为为 “1” 数据线数据线 Cs T 字线字线 DD V 0 10 1 1 0 写入与输入信息相同写入与输入信息相同写入时写入时 CS 充电充电 为为 “1” 放电放电 为为 “0” T3 T2 T1 T 无电流无电流有电流有电流 (3) 动态动态 RAM 时序时序 行、列地址分开传送行、列地址分开传送 写时序写时序 行地址行地址 RAS 有效有效 写允许写允许 WE 有效有效(高高) 数据数据 DOUT 有效 有效 数据数据 DIN 有效 有效 读时序读时序 行地址行地址 RAS 有效有效 写允许写允许 WE 有效有效(低低) 列地址列地址 CAS 有效有效 列地址列地

21、址 CAS 有效有效 (4) 动态动态 RAM 刷新刷新 刷新与行地址有关刷新与行地址有关 集中刷新集中刷新 （存取周期为存取周期为0.5 s s ） “死时间率死时间率” 为为 128/4 000 100% = 3.2% “死区死区” 为为 0.5 s s 128 = 64 s s 周期序号周期序号 地址序号地址序号 tc 0123871 387201 tctctctc 3999 V W01127 读读/写或维持写或维持刷新刷新读读/写或维持写或维持 3872 个周期个周期 （1936 s s） 128个周期个周期 （64 s s） 刷新时间间隔刷新时间间隔 （2 ms） 刷新序号刷新序号

22、tc X tc Y 以以128 128 矩阵为例矩阵为例 tC = = tM + + tR 读写读写 刷新刷新 无无 “死区死区” 分散刷新分散刷新（存取周期为存取周期为1 s ） (存取周期为存取周期为 0.5 s + 0.5 s ) 以以 128 128 矩阵为例矩阵为例 W/R REF 0 W/R tRt M tC REF 126 REF 127 REF W/RW/RW/RW/R 刷新间隔刷新间隔 128 个存取周期个存取周期 分散刷新与集中刷新相结合（异步刷新）分散刷新与集中刷新相结合（异步刷新） 对于对于 128 128 的存储芯片的存储芯片（存取周期为存取周期为 0.5 s s ）

23、 将刷新安排在指令译码阶段，不会出现将刷新安排在指令译码阶段，不会出现 “死区死区” “死区死区” 为为 0.5 s s 若每隔若每隔 15.6 s s 刷新一行刷新一行 每行每隔每行每隔 2 ms 刷新一次刷新一次 3. 动态动态 RAM 和静态和静态 RAM 的比较的比较 DRAMSRAM 存储原理存储原理 集成度集成度 芯片引脚芯片引脚 功耗功耗 价格价格 速度速度 刷新刷新 电容电容触发器触发器 高高低低 少少多多 小小大大 低低高高 慢慢快快 有有无无 主存主存 缓存缓存 四、只读存储器（四、只读存储器（ROM） 1. 掩模掩模 ROM ( MROM ) 行列选择线交叉处有行列选择线

24、交叉处有 MOS 管为管为“1” 行列选择线交叉处无行列选择线交叉处无 MOS 管为管为“0” 2. PROM (一次性编程一次性编程) VCC 行线行线 列线列线 熔丝熔丝 熔丝断熔丝断为为 “0” 为为 “1”熔丝未断熔丝未断 3. EPROM (多次性编程多次性编程 ) (1) N型沟道浮动栅型沟道浮动栅 MOS 电路电路 G 栅极栅极 S 源源 D 漏漏 紫外线全部擦洗紫外线全部擦洗 D 端加正电压端加正电压形成浮动栅形成浮动栅S 与与 D 不导通为不导通为 “0” D 端不加正电压端不加正电压不形成浮动栅不形成浮动栅S 与与 D 导通为导通为 “1” SGD N + N + P基片基

25、片 G D S 浮动栅浮动栅 SiO2 + + + + + _ _ _ 控制逻辑控制逻辑 Y 译码译码 X 译译 码码 数据缓冲区数据缓冲区 Y 控制控制 128 128 存储矩阵存储矩阵 PD/Progr CS A10 A7 A6 A0 DO0 DO7 1 12 A7 A1 A0 VSS DO2 DO0 DO1 2716 24 13 VCC A8 A9 VPP CS A10 PD/Progr DO3 DO7 (2) 2716 EPROM 的逻辑图和引脚的逻辑图和引脚 PD/Progr PD/Progr 功率下降功率下降 / 编程输入端编程输入端 读出时读出时 为为 低电平低电平 4. EEP

26、ROM (多次性编程多次性编程 ) 电可擦写电可擦写 局部擦写局部擦写 全部擦写全部擦写 5. Flash Memory (闪速型存储器闪速型存储器) 比比 EEPROM快快 EPROM价格便宜价格便宜 集成度高集成度高 EEPROM电可擦洗重写电可擦洗重写 具备具备 RAM 功能功能 用用 1K 4位位 存储芯片组成存储芯片组成 1K 8位位 的存储器的存储器？片？片 五、存储器与五、存储器与 CPU 的连接的连接 1. 存储器容量的扩展存储器容量的扩展 (1) 位扩展位扩展（增加存储字长）（增加存储字长） 10根地址线根地址线 8根数据线根数据线 D D D 0 4 7 9 A A 0 2

27、1142114 CS WE 2片片 (2) 字扩展（增加存储字的数量）字扩展（增加存储字的数量） 用用 1K 8位位 存储芯片组成存储芯片组成 2K 8位位 的存储器的存储器 11根地址线根地址线 8根数据线根数据线 ？片？片2片片 1K 8 8位位1K 8 8位位 D7 D0 WE A1 A0 A9 CS0 A10 1 CS1 (3) 字、位扩展字、位扩展 用用 1K 4位位 存储芯片组成存储芯片组成 4K 8位位 的存储器的存储器 8根数据线根数据线 12根地址线根地址线 WE A8 A9 A0 . D7 D0 A11 A10 CS0CS1CS2CS3 片选片选 译码译码 1K41K41K

28、41K41K41K41K41K4 ？片？片8片片 2. 存储器与存储器与 CPU 的连接的连接 (1) 地址线的连接地址线的连接 (2) 数据线的连接数据线的连接 (3) 读读/写命令线的连接写命令线的连接 (4) 片选线的连接片选线的连接 (5) 合理选择存储芯片合理选择存储芯片 (6) 其他其他 时序、负载时序、负载 例例4.1 解解: : (1) 写出对应的二进制地址码写出对应的二进制地址码 (2) 确定芯片的数量及类型确定芯片的数量及类型 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A15A14A13 A11 A10 A7 A4 A3 A0 0 1 1 0 0 1

29、1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2K8位位 1K8位位 RAM 2片片1K4位位 ROM 1片片 2K8位位 (3) 分配地址线分配地址线 A10 A0 接接 2K 8位位 ROM 的地址线的地址线 A9 A0 接接 1K 4位位 RAM 的地址线的地址线 (4) 确定片选信号确定片选信号 C B A 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 A15 A13 A11 A10 A7 A4 A3 A0 0 1 1 0 0 1 1 1 1 1

30、1 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 2K 8位位 1片片 ROM 1K 4位位 2片片RAM 2K 8位位 ROM 1K 4位位 RAM 1K 4位位 RAM & PD/Progr Y5 Y4 G1 C B A G2B G2A MREQ A14 A15 A13 A12 A11 A10 A9 A0 D7 D4 D3 D0 WR 例例 4.1 CPU 与存储器的连接图与存储器的连接图 (1) 写出对应的二进制地址码写出对应的二进制地址码 例例4.2 假设同前，要求最小假设同前，要求最

31、小 4K为系统为系统 程序区，相邻程序区，相邻 8K为用户程序区。为用户程序区。 (2) 确定芯片的数量及类型确定芯片的数量及类型 (3) 分配地址线分配地址线 (4) 确定片选信号确定片选信号 1片片 4K 8位位 ROM 2片片 4K 8位位 RAM A11 A0 接接 ROM 和和 RAM 的地址线的地址线 例例 4.3 设设 CPU 有有 20 根地址线，根地址线，8 根数据线。根数据线。 并用并用 IO/M 作访存控制信号。作访存控制信号。RD 为读命令，为读命令， WR 为写命令。现有为写命令。现有 2764 EPROM ( 8K 8位位 ), 外特性如下：外特性如下： 用用 13

32、8 译码器及其他门电路（门电路自定）画出译码器及其他门电路（门电路自定）画出 CPU 和和 2764 的连接图。要求地址为的连接图。要求地址为 F0000HFFFFFH , 并并 写出每片写出每片 2764 的地址范围。的地址范围。 D7D0 CE OE CE片选信号片选信号 OE允许输出允许输出 PGM可编程端可编程端 PGM A0A12 六、存储器的校验六、存储器的校验 编码的纠错编码的纠错 、检错能力与编码的最小距离有关检错能力与编码的最小距离有关 L 编码的最小距离编码的最小距离 D 检测错误的位数检测错误的位数 C 纠正错误的位数纠正错误的位数 汉明码是具有一位纠错能力的编码汉明码是

33、具有一位纠错能力的编码 L 1 = D + C ( DC ) 1 . 编码的最小距离编码的最小距离 任意两组合法代码之间任意两组合法代码之间 二进制位数二进制位数 的的 最少差异最少差异 L = 3 具有具有 一位一位 纠错能力纠错能力 一、概述一、概述 1. 问题的提出问题的提出 避免避免 CPU “空等空等” 现象现象 CPU 和主存（和主存（DRAM）的速度差异的速度差异 缓存缓存CPU主存主存 容量小容量小 速度高速度高 容量大容量大 速度低速度低 程序访问的局部性原理程序访问的局部性原理 2. Cache 的工作原理的工作原理 (1) 主存和缓存的编址主存和缓存的编址 主存和缓存按块

34、存储主存和缓存按块存储 块的大小相同块的大小相同B 为块长为块长 主存块号主存块号主存储器主存储器 0 1 2m1 字块字块 0 字块字块 1 字块字块 M1 主存块号主存块号块内地址块内地址 m位位b位位 n位位 M块块B个字个字 缓存块号缓存块号块内地址块内地址 c位位b位位 C块块B个字个字 字块字块 0 字块字块 1 字块字块 C1 0 1 2c1 标记标记Cache缓存块号缓存块号 (2) 命中与未命中命中与未命中 缓存共有缓存共有 C 块块 主存共有主存共有 M 块块M C 主存块主存块 调入调入 缓存缓存 主存块与缓存块主存块与缓存块 建立建立 了对应关系了对应关系 用用 标记记

35、录标记记录 与某缓存块建立了对应关系的与某缓存块建立了对应关系的 主存块号主存块号 命中命中 未命中未命中 主存块与缓存块主存块与缓存块 未建立未建立 对应关系对应关系 主存块主存块 未调入未调入 缓存缓存 (3) Cache 的命中率的命中率 CPU 欲访问的信息在欲访问的信息在 Cache 中的中的 比率比率 命中率命中率 与与 Cache 的的 容量容量 与与 块长块长 有关有关 一般每块可取一般每块可取 4 8 个字个字 块长取一个存取周期内从主存调出的信息长度块长取一个存取周期内从主存调出的信息长度 CRAY_1 16体交叉体交叉 块长取块长取 16 个存储字个存储字 IBM 370

36、/168 4体交叉体交叉 块长取块长取 4 个存储字个存储字 （64位位4 = 256位）位） (4) Cache 主存系统的效率主存系统的效率 效率效率 e 与与 命中率命中率 有关有关 设设 Cache 命中率命中率 为为 h，访问访问 Cache 的时间为的时间为 tc ， 访问 访问 主存主存 的时间为的时间为 tm 则则 e = 100% tc h tc+ (1h) tm 访问访问 Cache 的时间的时间 平均访问时间平均访问时间 e = 100% 3. Cache 的基本结构的基本结构 Cache 替换机构替换机构 Cache 存储体存储体 主存主存Cache 地址映射地址映射

37、变换机构变换机构 由由CPU完成完成 4. Cache 的的 读写读写 操作操作 访问访问Cache 取出信息送取出信息送CPU 访问主存访问主存 取出信息送取出信息送CPU 将新的主存块将新的主存块 调入调入Cache中中 执行替换算法执行替换算法 腾出空位腾出空位 结束结束 命中？命中？ Cache满？满？ CPU发出访问地址发出访问地址 开始开始 是是否否 是是 否否 读读 Cache 和主存的一致性和主存的一致性 4. Cache 的的 读写读写 操作操作 写写 写直达法写直达法（Write through） 写回法写回法（Write back） 写操作时数据既写入写操作时数据既写入C

38、ache又写入主存又写入主存 写操作时只把数据写入写操作时只把数据写入 Cache 而不写入主存而不写入主存 当当 Cache 数据被替换出去时才写回主存数据被替换出去时才写回主存 写操作时间就是访问主存的时间写操作时间就是访问主存的时间，读操作时不，读操作时不 涉及对主存的写操作，更新策略比较容易实现涉及对主存的写操作，更新策略比较容易实现 写操作时间就是访问写操作时间就是访问 Cache 的时间的时间， 读操作读操作 Cache 失效发生数据替换时，失效发生数据替换时， 被替换的块需写回主存，增加了被替换的块需写回主存，增加了 Cache 的复杂性的复杂性 5. Cache 的改进的改进

39、(1) 增加增加 Cache 的级数的级数 片载（片内）片载（片内）Cache 片外片外 Cache (2) 统一缓存和分立缓存统一缓存和分立缓存 指令指令 Cache数据数据 Cache 与主存结构有关与主存结构有关 与指令执行的控制方式有关与指令执行的控制方式有关是否流水是否流水 Pentium 8K 指令指令 Cache 8K 数据数据 Cache PowerPC620 32K 指令指令 Cache 32K 数据数据 Cache 字块字块2m1 字块字块2c+1 字块字块2c+11 字块字块2c +1 字块字块2c 字块字块2c1 字块字块1 字块字块0 主存储体主存储体 字块字块 1

40、标记标记 字块字块 0 标记标记 字块字块 2c1 标记标记 Cache存储体存储体t位位 0 1 2c1 字块字块 字块地址字块地址 主存字主存字 块标记块标记 t 位位c 位位b 位位 主存地址主存地址 比较器（比较器（t位）位） = 不命中不命中 有效位有效位=1？ * m位位 Cache 内地址内地址 否否 是是 命中命中 二、二、Cache 主存的地址映射主存的地址映射 1. 直接映射直接映射 每个缓存块每个缓存块 i 可以和可以和 若干若干 个个 主存块主存块 对应对应 每个主存块每个主存块 j 只能和只能和 一一 个个 缓存块缓存块 对应对应 i = j mod C 字块字块2c

41、+1 字块字块2c 字块字块0 字块字块 0 2. 全相联映射全相联映射 主存主存 中的中的 任一块任一块 可以映射到可以映射到 缓存缓存 中的中的 任一块任一块 字块字块2m1 字块字块2c1 字块字块1 字块字块0 字块字块2c1 字块字块1 字块字块0 标记标记 标记标记 标记标记 主存字块标记主存字块标记 字块内地址字块内地址 主存地址主存地址 m = t + c 位位b位位 m = t+c Cache 存储器存储器主存储器主存储器 字块字块0 字块字块2m1 字块字块2c-r+1 字块字块2c-r + 1 字块字块2c-r 字块字块2c-r 字块字块1 字块字块0 字块字块 3标记标

42、记 字块字块 1标记标记 字块字块 2c1标记标记 字块字块 2标记标记 字块字块 0标记标记 字块字块 2c2标记标记 字块内地址字块内地址组地址组地址主存字块标记主存字块标记 s = t + r 位位q = cr 位位b 位位 组组 0 1 2c-r1 主存地址主存地址 Cache 主存储器主存储器 m 位位 共共 Q 组组，每组内两块（，每组内两块（r = 1) 1 某一主存块某一主存块 j 按模按模 Q 映射到映射到 缓存缓存 的第的第 i 组组中的中的 任一块任一块 i = j mod Q 直接映射直接映射 全相联映射全相联映射 3. 组相联映射组相联映射 字块字块0 字块字块 1

43、字块字块 0 字块字块2c-r 字块字块2c-r+1 三、替换算法三、替换算法 1. 先进先出先进先出 （ FIFO ）算法算法 2. 近期最少使用（近期最少使用（ LRU）算法算法 小结小结 某一某一 主存块主存块 只能固定只能固定 映射到映射到 某一某一 缓存块缓存块直接直接 全相联全相联 组相联组相联 某一某一 主存块主存块 能能 映射到映射到 任一任一 缓存块缓存块 某一某一 主存块主存块 只能只能 映射到映射到 某一某一 缓存缓存 组组 中的中的 任一块任一块 不灵活不灵活成本高成本高 一、概述一、概述 1. 特点特点不直接与不直接与 CPU 交换信息交换信息 2. 磁表面存储器的技

44、术指标磁表面存储器的技术指标 道密度道密度 Dt位密度位密度 Db C = n k s 寻道时间寻道时间 + 等待时间等待时间 (1) 记录密度记录密度 (2) 存储容量存储容量 (3) 平均寻址时间平均寻址时间 (4) 数据传输率数据传输率 (5) 误码率误码率 辅存的速度辅存的速度 寻址时间寻址时间 磁头读写时间磁头读写时间 Dr = Db V 出错信息位数与读出信息的总位数之比出错信息位数与读出信息的总位数之比 二、磁记录原理和记录方式二、磁记录原理和记录方式 1. 磁记录原理磁记录原理 写写 局部磁化单元局部磁化单元载磁体载磁体 写线圈写线圈 SN I 局部磁化单元局部磁化单元 写线圈

45、写线圈 SN 铁芯铁芯 磁通磁通 磁层磁层 写入写入“0” 写入写入“1” I N 读线圈读线圈 S 读线圈读线圈 SN 铁芯铁芯 磁通磁通 磁层磁层 运动方向运动方向运动方向运动方向 ss tt ff ee 读出读出 “0” 读出读出 “1” 读读 1. 磁记录原理磁记录原理 2. 磁表面存储器的记录方式磁表面存储器的记录方式 011100010 数据序列数据序列 RZ NRZ NRZ1 PM FM MFM T 位周期位周期 三、硬磁盘存储器三、硬磁盘存储器 1. 硬磁盘存储器的类型硬磁盘存储器的类型 (1) 固定磁头和移动磁头固定磁头和移动磁头 (2) 可换盘和固定盘可换盘和固定盘 2.

46、硬磁盘存储器结构硬磁盘存储器结构 磁磁 盘盘 控控 制制 器器 磁磁 盘盘 驱驱 动动 器器 盘盘 片片 主主 机机 磁盘磁盘 磁磁 盘盘 组组 主轴主轴磁头磁头 音圈音圈 电机电机 位置检测位置检测 定位驱动定位驱动 模拟控制模拟控制 放放 大大 闭环自动控制系统闭环自动控制系统 由磁盘控制由磁盘控制 器送来的目器送来的目 标磁道信号标磁道信号 测测 速速 输输 出出 读写臂读写臂 传动机构传动机构 主轴主轴定位驱动定位驱动数据控制数据控制 (1) 磁盘驱动器磁盘驱动器 (2) 磁盘控制器磁盘控制器 接收主机发来的命令，转换成磁盘驱动器的控制命令接收主机发来的命令，转换成磁盘驱动器的控制命令

47、 实现主机和驱动器之间的数据格式转换实现主机和驱动器之间的数据格式转换 控制磁盘驱动器读写控制磁盘驱动器读写 通过总线通过总线 (3) 盘片盘片 对主机对主机 对硬盘（设备）对硬盘（设备） 磁盘控制器磁盘控制器 是是 主机与磁盘驱动器之间的主机与磁盘驱动器之间的 接口接口 由硬质铝合金材料制成由硬质铝合金材料制成 第第 章章 输输 5.6 DMA方式方式 5.5 程序中断方式程序中断方式 5.4 程序查询方式程序查询方式 5.3 I/O接口接口 5.2 外部设备外部设备 5.1 概述概述 三、三、I/O 设备与主机的联系方式设备与主机的联系方式 1. I/O 设备编址方式设备编址方式 (1)

48、统一编址统一编址 (2) 不统一编址不统一编址 用取数、存数指令用取数、存数指令 有专门的有专门的 I/O 指令指令 2. 设备选址设备选址 用设备选择电路识别是否被选中用设备选择电路识别是否被选中 3. 传送方式传送方式 (1) 串行串行 (2) 并行并行 数据字数据字命令字命令字命令字命令字 0 1 1 0 1 0 0 0 起始位起始位 终止位终止位 9.09 ms2 9.09 ms 4. 联络方式联络方式 (1) 立即响应立即响应 (2) 异步工作采用应答信号异步工作采用应答信号 “Ready” “Strobe” I/O 接接 口口 I/O 设设 备备 CPU (3) 同步工作采用同步时

49、标同步工作采用同步时标 并行并行 串行串行 起始位起始位 终止位终止位 9.09 ms2 9.09 ms 5. I/O 设备与主机的连接方式设备与主机的连接方式 (1) 辐射式连接辐射式连接 (2) 总线连接总线连接 外设外设 外设外设 外设外设 主主 机机 不便于增删设备不便于增删设备 每台设备都配有一套每台设备都配有一套 控制线路和一组信号线控制线路和一组信号线 便于增删设备便于增删设备 四、四、I/O设备与主机信息传送的控制方式设备与主机信息传送的控制方式 1. 程序查询方式程序查询方式 CPU 和和 I/O 串行工作串行工作 踏步等待踏步等待 CPU读读I/O状态状态 检查状态检查状态

50、 未准备就绪未准备就绪出错出错 从从I/O接口中读接口中读 一个字到一个字到CPU 从从CPU向主存向主存 写入一个字写入一个字 CPU向向I/O发发 读指令读指令 CPU读读I/O状态状态 检查状态检查状态 完成否完成否 未准备就绪未准备就绪 现行程序现行程序 是是 出错出错 已准备就绪已准备就绪 否否 2. 程序中断方式程序中断方式 I/O 工作工作 CPU 不查询不查询 CPU 暂停现行程序暂停现行程序 自身准备自身准备 与主机交换信息与主机交换信息 CPU 和和 I/O 并行工作并行工作 启动启动 I/O设备设备 现行程序现行程序 中断服务程序中断服务程序 K K+1 没有踏步等待现象

51、没有踏步等待现象 中断现行程序中断现行程序 程序中断方式流程程序中断方式流程 CPU 向向 I/O 发读指令发读指令 CPU 读读 I/O 状态状态 检查状态检查状态 完成否？完成否？ CPU 做其他事情做其他事情 I/O 设备工作设备工作 准备就绪准备就绪 CPU I/O 从从 CPU 向主存写入一个字向主存写入一个字CPU 主存主存 从从 I/O 接口中读一个字到接口中读一个字到CPUI/O CPU 中断请求中断请求 I/O CPU 出错出错 是是 否否 未错未错 3. DMA 方式方式 主存和主存和 I/O 之间有一条直接数据通道之间有一条直接数据通道 不中断现行程序不中断现行程序 周期

52、挪用（周期窃取）周期挪用（周期窃取） CPU 和和 I/O 并行工作并行工作 存取周期结束存取周期结束 CPU 执行现行程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序 DMA请求请求启动启动I/O I/O准备准备I/O准备准备 一个存取周期一个存取周期 实现实现I/O与主存之间的传送与主存之间的传送 三种方式的三种方式的 CPU 工作效率比较工作效率比较 存取周期结束存取周期结束 CPU 执行现行程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序 DMA请求请求启动启动I/O I/O准备准备I/O准备准备 一个存取周期一个存取周期 实现实现I/O与主存与主存 之间的传送之间的传送 CPU 执行

53、执行 现行程序现行程序 CPU查询等待并传输查询等待并传输I/O数据数据 CPU 执行执行 现行程序现行程序 启动启动I/O I/O 准备及传送准备及传送 指令执行周期结束指令执行周期结束 CPU 执行现行程序执行现行程序CPU 执行现行程序执行现行程序 启动启动I/O中断请求中断请求 I/O准备准备 I/O准备准备 CPU 处理中断服务程序处理中断服务程序 实现实现 I/O 与主机之间的传送与主机之间的传送 间间 断断 启动启动I/O 启动启动I/O I/O准备准备 中断请求中断请求 启动启动I/O I/O准备准备 一个存取周期一个存取周期 DMA请求请求 程序程序 查询查询 方式方式 程序

54、程序 中断中断 方式方式 DMA 方式方式 I/O 准备及传送准备及传送 间间 断断 I/O准备准备 I/O准备准备 一、概述一、概述 主机主机 设备设备 控制器控制器 机、电机、电 磁、光磁、光 部分部分 I/O 接接 口口 外部设备外部设备 外部设备大致分三类外部设备大致分三类 键盘、鼠标、打印机、显示器键盘、鼠标、打印机、显示器 磁盘、光盘、磁带磁盘、光盘、磁带 1. 人机交互设备人机交互设备 2. 计算机信息存储设备计算机信息存储设备 3. 机机 机通信设备机通信设备调制解调器等调制解调器等 二、输入设备二、输入设备 1. 键盘键盘 2. 鼠标鼠标 3. 触摸屏触摸屏 按键按键 判断哪

55、个键按下判断哪个键按下 将此键翻译成将此键翻译成 ASCII 码码 （编码键盘法）（编码键盘法） 机械式机械式 金属球金属球 电位器电位器 光电式光电式 光电转换器光电转换器 三、输出设备三、输出设备 1. 显示器显示器 (1) 字符显示字符显示 (2) 图形显示图形显示 (3) 图像显示图像显示 字符发生器字符发生器 主观图像主观图像 客观图像客观图像 2. 打印机打印机 (1) 击打式击打式 (2) 非击打式非击打式 点阵式（逐字、逐行）点阵式（逐字、逐行） 喷墨（逐字）喷墨（逐字）激光（逐页）激光（逐页） 四、其他四、其他 1. A/D、D/A 2. 终端终端 3. 汉字处理汉字处理 五

56、、多媒体技术五、多媒体技术 完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制完成显示控制与存储、键盘管理及通信控制 模拟模拟/数字（数字数字（数字/模拟）转换器模拟）转换器 汉字输入、汉字存储、汉字输出汉字输入、汉字存储、汉字输出 1. 什么是多媒体什么是多媒体 2. 多媒体计算机的关键技术多媒体计算机的关键技术 由键盘和显示器组成由键盘和显示器组成 一、概述一、概述 为什么要设置接口？为什么要设置接口？ 1. 实现设备的选择实现设备的选择 2. 实现数据缓冲达到速度匹配实现数据缓冲达到速度匹配 4. 实现电平转换实现电平转换 5. 传送控制命令传送控制命令 6. 反映设备的状态（反映设备的状态（“忙忙

57、”、“就绪就绪”、“中断请求中断请求”） 3. 实现数据串实现数据串 并格式转换并格式转换 二、接口的功能和组成二、接口的功能和组成 (1) 设备选择线设备选择线 (2) 数据线数据线 (3) 命令线命令线 (4) 状态线状态线 I/O 接口接口 设备设备 I/O 接口接口 设备设备 数据线数据线 命令线命令线 状态线状态线 I/O总线总线 设备选择线设备选择线 总线连接方式的总线连接方式的 I/O 接口电路接口电路 2. 接口的功能和组成接口的功能和组成 功能功能组成组成 选址功能选址功能 传送命令的功能传送命令的功能 传送数据的功能传送数据的功能 反映设备状态的功能反映设备状态的功能 设备

58、选择电路设备选择电路 命令寄存器、命令译码器命令寄存器、命令译码器 数据缓冲寄存器数据缓冲寄存器 设备状态标记设备状态标记 完成触发器完成触发器 D 工作触发器工作触发器 B 中断请求触发器中断请求触发器 INTR 屏蔽触发器屏蔽触发器 MASK 3. I/O 接口的基本组成接口的基本组成 命令寄存器命令寄存器 和命令译码器和命令译码器 设备选择设备选择 电路电路 设备状态设备状态 标记标记 数据缓冲数据缓冲 寄存器寄存器DBR 控制逻辑电路 控制逻辑电路 I/O接口接口 外外 部部 设设 备备 数据线数据线 命令命令 状态状态 数据线数据线 命令线命令线 状态线状态线 CPU 地址线地址线

59、三、接口类型三、接口类型 并行接口并行接口 串行接口串行接口 可编程接口可编程接口 不可编程接口不可编程接口 通用接口通用接口 专用接口专用接口 1. 按数据按数据 传送方式传送方式 分类分类 2. 按功能按功能 选择的灵活性选择的灵活性 分类分类 3. 按按 通用性通用性 分类分类 4. 按数据传送的按数据传送的 控制方式控制方式 分类分类 中断接口中断接口 DMA 接口接口 Intel 8255 Intel 8251 Intel 8255、 Intel 8251 Intel 8212 Intel 8255、 Intel 8251 Intel 8279、 Intel 8275 Intel 8

60、259 Intel 8257 一、程序查询流程一、程序查询流程 检查状态标记检查状态标记1 设备设备1 准备就绪？准备就绪？ 检查状态标记检查状态标记N 设备设备N 准备就绪？准备就绪？ 处理设备处理设备1 是是 否否 否否 处理设备处理设备N 是是 1. 查询流程查询流程 检查状态标记检查状态标记 交换数据交换数据 准备就绪准备就绪? 是是 否否 单个设备单个设备 多个设备多个设备 测测 试试 指指 令令 转转 移移 指指 令令 传传 送送 指指 令令 2. 程序流程程序流程 设置主存缓冲区首址设置主存缓冲区首址 设置计数值设置计数值 启动外设启动外设 传送一个数据传送一个数据 修改主存地址