计算机组成原理(第2版)唐朔飞

1、唐朔飞唐朔飞第版第版高 等 教 育 出 版 社高 等 教 育 出 版 社高等教育电子音像出版社高等教育电子音像出版社 为配合由高等教育出版社出版的面向21世纪课程教材计算机组成原理教学和自学的需要，随书出版了计算机组成原理配套课件。为了配合该教材的第版，本课件在保留原课件特色的基础上，做了相应的补充和修改。 该课件与计算机组成原理第版教材在体系上完全一致，它以课堂教学为依托，帮助读者边阅读边思考，通过点击鼠标，逐行显示精练的文字和简明的图表，既可从文稿中对教材的重点和难点加深理解，又可从视图中看到动画演示效果，形象地理解各种电路的工作原理和设计思路。 新版课件提供了章目录和节目录。操作上除了顺

2、序播放外，还可任选一章、任选一节播放，并可从任意一页幻灯片返回到上一级目录。具体功能如下。 1. 进入章目录后，可点击任一章播放。 2. 进入节目录后，可点击任一节播放。 3. 每一节播放结束时，可继续播放，也可点击本节最后一页幻灯片右下角的按钮，回到上一级目录，再点击节目录幻灯片右下角的按钮，即可回到章目录。 4. 点击任一页幻灯片右下角的按钮，均可回到上一级目录。 在修改课件过程中，哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院张丽杰、罗丹彦为课件的录入、排版、绘图、动画演示做了大量工作，在此表示衷心感谢。 由于时间仓促，难免有不妥之处，敬请读者和专家批评指正。 唐朔飞 2007年年12月月1.1 计

3、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由具有各类特殊功能由具有各类特殊功能的信息（程序）组成的信息（程序）组成1. 计算机系统计算机系统计算机系统计算机系统计算机的实体，计算机的实体，如主机、外设等如主机、外设等一、一、 计算机的软硬件概念计算机的软硬件概念硬件硬件软件软件按任务需要编制成的各种程序按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统用来管理整个计算机系统 系统软件系统软件应用软件应用软件语言处理程序语言处理程序操作系统操作系统服务性程序服务性程序数据库管理系统数据库管理系统

4、网络软件网络软件软软件件计算机计算机高级语高级语言程序言程序目标目标程序程序结果结果翻译翻译运行运行2. 计算机的解题过程计算机的解题过程二、计算机系统的层次结构二、计算机系统的层次结构高级语言高级语言虚拟机器虚拟机器 M3汇编语言汇编语言虚拟机器虚拟机器 M2操作系统操作系统虚拟机器虚拟机器机器语言机器语言实际机器实际机器 M1微指令系统微指令系统微程序机器微程序机器 M0用编译程序翻译用编译程序翻译成汇编语言程序成汇编语言程序用汇编程序翻译用汇编程序翻译成机器语言程序成机器语言程序用机器语言解释操作系统用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令由硬件

5、直接执行微指令软软件件硬硬件件虚拟机器虚拟机器 M4虚拟机器虚拟机器 M3虚拟机器虚拟机器 M2实际机器实际机器 M1微程序机器微程序机器 M0程序员所见到的计算机系统的属性程序员所见到的计算机系统的属性概念性的结构与功能特性概念性的结构与功能特性计算机计算机体系结构体系结构计算机计算机组成组成实现计算机体系结构所体现的属性实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令有无乘法指令如何实现乘法指令如何实现乘法指令（指令系统、数据类型、寻址技术、（指令系统、数据类型、寻址技术、I/OI/O机理）机理）（具体指令的实现）（具体指令的实现）三、三、计算机体系结构和计算机组成计算机体系结构和计算机组成1.

6、 计算机由五大部件组成计算机由五大部件组成3. 指令和数据用二进制表示指令和数据用二进制表示4. 指令由操作码和地址码组成指令由操作码和地址码组成6. 以运算器为中心以运算器为中心2. 指令和数据以同等地位存于存储器，指令和数据以同等地位存于存储器， 可按地址寻访可按地址寻访5. 存储程序存储程序一、冯冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点5. 存储程序存储程序算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算存放数据存放数据和程序和程序将信息转换成机将信息转换成机器能识别的形式器能识别的形式将结果转换成将结果转换成人们熟悉的形式人们熟悉的形式指挥程序指挥程序运行运行冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图

7、存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备二、计算机硬件框图二、计算机硬件框图1. 以存储器为中心的计算机硬件框图以存储器为中心的计算机硬件框图程序程序存储器存储器输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器数据数据结果结果计算计算ALU主存主存辅存辅存CPU主机主机I/O设备设备硬件硬件CU2. .现代计算机硬件框图现代计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器输出设备输出设备控制器控制器ALUCPU主机主机I/O设备设备CU主主存

8、存1. .上机前的准备上机前的准备 建立数学模型建立数学模型 - -+ +- -+ +- -= =!x9!x7!x5!x3xx9753sin 编制解题程序编制解题程序 确定计算方法确定计算方法程序程序 运算的运算的 全部步骤全部步骤0, 1, 2,)( )(21nyn xynx= =+ += =指令指令 每每 一个步骤一个步骤三、计算机的工作步骤三、计算机的工作步骤取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中存存ax2 在存储器中在存储器中取取b 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加ax2 在运算器中在运算器中加加c 在运算器

9、中在运算器中= ( (ax + b) )x + c 取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中加加b 在运算器中在运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中计算计算 ax2 + bx + c编程举例编程举例000001 0000001000打印打印 停机停机取数取数 ACC存数存数 ACC 加加 ACC+ ACC乘乘 ACC ACC指令格式举例指令格式举例操作码操作码地址码地址码 打印机打印机指令和数据存于指令和数据存于主存单元的地址主存单元的地址 指令指令 注释注释操作码操作码 地址码地址码 00000010000001000取数取数x至至ACC

10、10001000000001001乘乘a得得ax ,存于存于ACC中中 20000110000001010加加b得得ax+b ,存于存于ACC中中 30001000000001000乘乘x得（得（ax+b)x,存于存于ACC中中 40000110000001011加加c得得ax2 + bx + c ,存于存于ACC 50000100000001100将将ax2 + bx +c ,存于主存单元存于主存单元 60001010000001100打印打印 7000110停机停机 8 x原始数据原始数据x 9 a原始数据原始数据a 10 b原始数据原始数据b 11 c原始数据原始数据c 12存放结果存放

11、结果计算计算 ax2 + bx + c 程序清单程序清单存储体存储体大楼大楼存储单元存储单元 存放一串二进制代码存放一串二进制代码存储字存储字 存储单元中二进制代码的组合存储单元中二进制代码的组合存储字长存储字长 存储单元中二进制代码的位数存储单元中二进制代码的位数每个存储单元赋予一个地址号每个存储单元赋予一个地址号按地址寻访按地址寻访 存储单元存储单元 存储元件存储元件（0/1） 房间房间 床位床位（无人（无人/ / 有人）有人）( (1) )存储器的基本组成存储器的基本组成MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR2. .计算机的解题过程计算机的解题过程MARMDR 存储单元个数存储单元个数

12、 16存储字长存储字长 8 设设 MAR = = 4 位位 MDR = = 8 位位存储器地址寄存器存储器地址寄存器反映存储单元的个数反映存储单元的个数存储器数据寄存器存储器数据寄存器反映存储字长反映存储字长( (1) )存储器的基本组成存储器的基本组成MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR ACC MQ X(2)运算器的基本组成及操作过程运算器的基本组成及操作过程运算器运算器MQACCALUX被加数被加数被减数被减数被除数被除数乘数乘数商商加数加数减数减数被乘数被乘数除数除数加法加法减法减法乘法乘法除法除法和和差差余数余数乘积高位乘积高位乘积低位乘积低位运算器运算器MQACCALUXACC

13、 被加数被加数ACC初态初态 加法操作过程加法操作过程 ACC+X ALU M XXACCACC指令指令 加加M 减法操作过程减法操作过程运算器运算器MQACCALUX指令指令 减减MACC 被减数被减数ACC初态初态 M XX ACC-X ALUACCACC运算器运算器MQACCALUXACCACC 被乘数被乘数初态初态 MQ M MQ指令指令 乘乘M 乘法操作过程乘法操作过程X ACC XALU X MQ 00ACCACCMQACCMQ运算器运算器MQACCALUXACC 被除数被除数ACC初态初态 ACC X ALUMQACCMQ余数在余数在ACC中中指令指令 除除M M XX 除法操作

14、过程除法操作过程取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令PCIRCU取指取指执行执行PC 存放当前欲执行指令的地址，存放当前欲执行指令的地址， 具有计数功能（具有计数功能（PC）+ + 1 1 PCIR 存放当前欲执行的指令存放当前欲执行的指令访存访存访存访存完成完成一条一条指令指令( (3) )控制器的基本组成控制器的基本组成CU 控制单元控制单元PCIRCU12356789以取数指令为例以取数指令为例4( (4) )主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O设设备

15、备12356798以存数指令为例以存数指令为例4( (4) )主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O设设备备( (5) ) ax2 + bx + c 程序的运行程序的运行过程过程 将程序通过输入设备送至计算机将程序通过输入设备送至计算机 程序首地址程序首地址 打印结果打印结果 分析指令分析指令 取指令取指令 停机停机 启动程序运行启动程序运行,(PC,(PC )+)+ 1 PC1 PC 执行指令执行指令 MARMARM MMDRMDRIRIRPCPCCUCUOP(IR

16、)OP(IR)Ad(IR)Ad(IR)MARMARM MMDRMDRACCACCPCPC1. .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= =ni = =1fi 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FLOPS221 = = 256 KB213 = = 1 KB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

17、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 = 23b1GB = 230b1 K 8位位64 K 32位位第第篇篇 概论概论计算机计算机第篇第篇计算机系统的硬件结构计算机系统的硬件结构计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU CPU内部互连内部互连ALUCU寄存器寄存器中央处理器中央处理器第第篇篇 CPU计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU CPU内部互连内部互连ALUCU寄存器寄存器中央处理器中央处理器寄存器寄存器和解码器和解码器控制单元控制单元排队排队逻辑逻

18、辑控制控制存储器存储器第篇第篇 CU计算机计算机I/O系统总线系统总线存储器存储器CPU2.3 计算机的展望计算机的展望2.2 计算机的应用计算机的应用2.1 计算机的发展史计算机的发展史一、计算机的产生和发展一、计算机的产生和发展1946年年 美国美国 ENIAC1955年退役年退役十进制运算十进制运算18 0001 500150301 500多个电子管多个电子管多个继电器多个继电器千瓦千瓦吨吨平方英尺平方英尺5 000次加法秒次加法秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程用手工搬动开关和拔插电缆来编程世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)硬件技术对计算机更新换代的影响

19、硬件技术对计算机更新换代的影响 100 000 000 超大规模超大规模 集成电路集成电路 1978现在现在五五 10 000 000 大规模大规模 集成电路集成电路 19721977 1 000 000 中小规模中小规模 集成电路集成电路 19651971 200 000 晶体管晶体管 19581964 40 000 电子管电子管 19461957 速度速度 /（次（次/秒）秒） 硬件技术硬件技术 时间时间 代代三三四四二二一一第一台第一台von Neumann 系统结构的计算机系统结构的计算机IBM System360 最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2009.0

20、6）1. .IBM Roadrunner（ 走鹊走鹊 ）129 600 个计算核心个计算核心 最大平均速度最大平均速度 1 105 000 GFLOPS2. . Cray XT5 Jaguar（美洲虎）（美洲虎）150 152 个计算核心个计算核心 最大平均速度最大平均速度 1 059 000 GFLOPS最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2009.06）3. . IBM JUGENE-Blue Gene/P 最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2009.06）294 912 个个计算核心计算核心 最大平均速度最大平均速度 825 500 GFLO

21、PS最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2009.06）4. SGI Pleiades系统系统51 200 个计算核心个计算核心 最大平均速度最大平均速度 487 005 GFLOPS 最快的五台超级计算机最快的五台超级计算机（截止到（截止到 2009.06）5. . IBM BlueGene/L系统系统212 992 个计算核心个计算核心 最大平均速度最大平均速度 478 200 GFLOPS最权威的超级计算机排名的参考网址最权威的超级计算机排名的参考网址 二、微型计算机的出现和发展二、微型计算机的出现和发展微处理器芯片微处理器芯

22、片存储器芯片存储器芯片1971年年 8位位16位位32位位64位位4位（位（4004）1970年年256位位 1K位位16K位位64K位位256K位位1M位位16M位位64M位位4K位位4M位位Moore 定律定律Intel 公司的缔造者之一公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出提出微芯片上集成的微芯片上集成的 晶体管数目每三年翻两番晶体管数目每三年翻两番Intel 公司的典型微处理器产品公司的典型微处理器产品8080 8位位 1974年年8086 16位位 1979年年 2.9 万个晶体管万个晶体管80286 16位位 1982年年 13.4 万个晶体管万个晶体管80386 32位

23、位 1985年年 27.5 万个晶体管万个晶体管80486 32位位 1989年年 120.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准） 1993年年 310.0 万个晶体管万个晶体管Pentium Pro 64位（准）位（准） 1995年年 550.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准） 1997年年 750.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准） 1999年年 950.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位位 2000年年 4 200.0 万个晶体管万个晶体管2007 年年 芯片上可集成芯片上可集成 3 亿亿 5 千万千万

24、 个个晶体管晶体管 预计预计2010 年年 芯片上可集成芯片上可集成 8 亿亿 个晶体管个晶体管三、软件技术的兴起和发展三、软件技术的兴起和发展机器语言机器语言 面向机器面向机器汇编语言汇编语言 面向机器面向机器高级语言高级语言 面向问题面向问题FORTRAN 科学计算和工程计算科学计算和工程计算PASCAL 结构化程序设计结构化程序设计C 面向对象面向对象Java 适应网络环境适应网络环境 1. 各种语言各种语言2. 系统软件系统软件语言处理程序语言处理程序 汇编程序汇编程序 编译程序编译程序 解释程序解释程序操作系统操作系统 DOS UNIX Windows 服务性程序服务性程序 装配装配

25、 调试调试 诊断诊断 排错排错数据库管理系统数据库管理系统 数据库和数据库管理软件数据库和数据库管理软件网络软件网络软件3. 软件发展的特点软件发展的特点 开发周期长开发周期长 制作成本昂贵制作成本昂贵 检测软件产品质量的特殊性检测软件产品质量的特殊性软件是程序以及开发、使用和软件是程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档维护程序所需要的所有文档一、科学计算和数据处理一、科学计算和数据处理二、工业控制和实时控制二、工业控制和实时控制三、网络技术三、网络技术1. 电子商务电子商务2. 网络教育网络教育3. 敏捷制造敏捷制造四、虚拟现实四、虚拟现实五、办公自动化和管理信息系统五、办公自动化和管

26、理信息系统六、六、CAD/CAM/CIMS七、多媒体技术七、多媒体技术八、人工智能八、人工智能一、计算机具有类似人脑的一些超级一、计算机具有类似人脑的一些超级 智能功能智能功能要求计算机的速度达要求计算机的速度达1015/秒秒二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制 芯片集成度受物理极限的制约芯片集成度受物理极限的制约 按几何级数递增的制作成本按几何级数递增的制作成本 芯片的功耗、散热、线延迟芯片的功耗、散热、线延迟三、？替代传统的硅芯片三、？替代传统的硅芯片1. 光计算机光计算机2. DNA生物计算机生物计算机3. 量子计算机量子计算机利用光子取代电子进行

27、运算和存储利用光子取代电子进行运算和存储通过控制通过控制DNA分子间的生化反应分子间的生化反应利用原子所具有的量子特性利用原子所具有的量子特性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四、总线结构的计算机举例四、总线结构的计算机举例1. 面向面向 CP

28、U 的双总线结构框图的双总线结构框图 中央处理器中央处理器 CPUI/O总线总线M总总线线主存主存 I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备2I/O接口接口I/O接口接口 I/O 设备设备n单总线（系统总线）单总线（系统总线）2. 单总线结构框图单总线结构框图 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3. 以存储器为中心的双总线结构框图以存储器为中心的双总线结构框图系统总线系统总线 主存主存 CPU I/O接口接口 I/O 设备设备1 I/O 设备设备n I/O接口接口存储总线存储总线1. .片内总

29、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

30、、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CPU 插板插板主存主存 插板插板I/O 插板插板一、总线物理实现一、总线物理实现BUS主板主板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

31、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ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模块模块系统系统总总线线标标准准 四、总线标准四、总线标准系统系统模块模块标标 准准 界界 面面总线标准总线标准数据线数据线总线时钟总线时钟带宽带宽ISA168 MHz（独立）（独立）

32、16 MBpsEISA328 MHz（独立）（独立）33 MBpsVESA(VL-BUS)3233 MHz（CPU）133 MBpsPCI326433 MHz（独立）（独立）66 MHz（独立）（独立）132 MBps528 MBpsAGP3266.7 MHz（独立）（独立）133 MHz（独立）（独立）266 MBps533 MBpsRS-232串行通信串行通信总线标准总线标准数据终端设备（计算机）和数据通信设备数据终端设备（计算机）和数据通信设备（调制解调器）之间的标准接口（调制解调器）之间的标准接口USB串行接口串行接口总线标准总线标准普通无屏蔽双绞线普通无屏蔽双绞线带屏蔽双绞线带屏蔽双

33、绞线最高最高1.5 Mbps (USB1.0)12 Mbps (USB1.0)480 Mbps (USB2.0) 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

34、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SCSICPU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1. 传统微型机总线结构传统

35、微型机总线结构三、总线结构举例三、总线结构举例存储器存储器SCSI 控制器控制器主存控制器主存控制器ISA、EISA 8 MHz的的16位数据通路位数据通路标准总线控制器标准总线控制器33 MHz的的32位数据通路位数据通路系统总线系统总线多媒体多媒体高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形 CPU Modem2. VL-BUS局部总线结构局部总线结构33 MHz的的32位数据通路位数据通路系统总线系统总线ISA、EISA多媒体多媒体高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形图文传真图文传真8 MHz的的16位数据通路位数据通路标准总线标准总线 控制器控制器CPU主存控制器主存控制器存储器存储器

36、局部总线局部总线 控制器控制器 SCSI控制器控制器VL BUS Modem3. PCI 总线结构总线结构CPU多媒体多媒体PCI 桥桥高速局域网高速局域网高性能图形高性能图形图文传真图文传真PCI 总线总线系统总线系统总线33 MHz的的32位数据通路位数据通路8 MHz的的16位数据通路位数据通路ISA、EISA标准总线标准总线 控制器控制器 SCSI 控制器控制器存储器存储器 Modem4. 多层多层 PCI 总线结构总线结构PCI总线总线2存储器存储器桥桥0桥桥4 PCI设备设备桥桥5总线桥总线桥桥桥3桥桥1设备设备桥桥2第一级桥第一级桥第二级桥第二级桥第三级桥第三级桥PCI总线总线4

37、PCI总线总线5PCI总线总线3PCI总线总线1PCI总线总线0存储器总线存储器总线 标准总线标准总线CPU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0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG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

38、同意总线同意I/O接口接口1 0BS 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0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口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nBR0 BG0BR1BG1BRnBGnBG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

39、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

40、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 数据数据(2) 同步式数据输出同步式数据输出T1总线传输周期总线传输周期T2T3T4 时钟时钟 地址地址 写写命令命令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

41、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以输入数据为例的半同步通信时序以输入数据为例的半同步通信时序T1 主模块发地址主模块发地址T2 主模块发命令主模块发命令T3 从模块提供数据从模块提供数据T4 从模块撤销数据，主模块撤销命令从模块撤销数据，主模块撤销命令Tw 当当 为低电平时，等待一个为低电平时，等待一个 TWAITTw 当当 为低电平时，等待一个为低电平时，等待一个 TWAIT 读读 命令命令WAIT 地址地址 数据数据 时钟时钟总线传输周期总线传输周期T1T2TWTWT3T4(4) 半同步通信半同步通信 （

42、同步同步、异步异步 结合）结合）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(5) 分离式通信分离式通信充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力主模块主模块 申请申请 占用总线占用总线，使用完后，使用完后即即 放弃总线放弃总线 的使用权的使用权从模块从模块 申请申请 占用总线占用总线，将各种信，将各种信息送至总线上息送至总线上一个总线

43、传输周期一个总线传输周期子周期子周期1子周期子周期2主模块主模块1. 各模块有权申请占用总线各模块有权申请占用总线分离式通信特点分离式通信特点充分提高了总线的有效占用充分提高了总线的有效占用2. 采用同步方式通信，不等对方回答采用同步方式通信，不等对方回答3. 各模块准备数据时，不占用总线各模块准备数据时，不占用总线4. 总线被占用时，无空闲总线被占用时，无空闲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)

44、 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

45、带、光盘磁盘、磁带、光盘 高速缓冲存储器（高速缓冲存储器（Cache）Flash 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MROMPROMEPROMEEPROMRAMROM静态静态 RAM动态动态 RAM3. 按在计算机中的作用分类按在计算机中的作用分类高高低低小小大大快快慢慢辅存辅存寄存器寄存器缓存缓存主存主存磁盘磁盘光盘光盘磁带磁带光盘光盘磁带磁带速度速度容量容量 价格价格 位位1. 存储器三个主要特性的关系存储器三个主要特性的关系 二、存储器的层次结构二、存储器的层次结构CPUCPU主机主机缓存缓存CPU主存主存辅存辅存2. 缓存缓存 主存层次和主存主存层次和主存 辅

46、存层次辅存层次缓存缓存主存主存辅存辅存主存主存虚拟存储器虚拟存储器10 ns20 ns200 nsms虚地址虚地址逻辑地址逻辑地址实地址实地址物理地址物理地址主存储器主存储器（速度）（速度）（容量）（容量）一、概述一、概述1. 主存的基本组成主存的基本组成存储体存储体驱动器驱动器译码器译码器MAR控制电路控制电路读读写写电电路路MDR地址总线地址总线数据总线数据总线读读写写2. 主存和主存和 CPU 的联系的联系MDRMARCPU主主 存存读读数据总线数据总线地址总线地址总线写写 高位字节高位字节 地址为字地址地址为字地址 低位字节低位字节 地址为字地址地址为字地址设地址线设地址线 24 根根

47、按按 字节字节 寻址寻址按按 字字 寻址寻址若字长为若字长为 16 位位按按 字字 寻址寻址若字长为若字长为 32 位位字地址字地址字节地址字节地址11109876543210840字节地址字节地址字地址字地址4523014203. 主存中存储单元地址的分配主存中存储单元地址的分配224 = 16 M8 M4 M(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

48、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/秒秒芯片容量芯片容量二、半导体存储芯片简介二、半导体存储芯片简介1. 半导体存储芯片的基本结构半导体存储芯片的基本结构译译码码驱驱动动存存储储矩矩阵阵读读写写电电路路1K4位位16K1位位8K8位位片选线片选线读读/写控制线写控制线地地址址线线数数据据线线地址线地址线（单向）（单向）数据线数据线（双向）（双向）104141138二、半导体存储芯片简介二、半导体存储芯片简介1. 半导体存储芯片的基本结构半导体存储芯片的基本结构译译码码驱驱动动存存储储矩矩阵阵读读写

49、写电电路路片选线片选线读读/写控制线写控制线地地址址线线数数据据线线片选线片选线读读/写控制线写控制线（低电平写（低电平写 高电平读）高电平读）（允许读）（允许读）CSCEWE（允许写）（允许写）WEOE存储芯片片选线的作用存储芯片片选线的作用用用 16K 1位位 的存储芯片组成的存储芯片组成 64K 8位位 的存储器的存储器 32片片当地址为当地址为 65 535 时，此时，此 8 片的片选有效片的片选有效 8片片16K 1位位 8片片16K 1位位 8片片16K 1位位 8片片16K 1位位0,015,015,70,7 读读/写控制电路写控制电路 地地址址译译码码器器 字线字线015168

50、矩阵矩阵07D07D 位线位线 读读 / 写选通写选通A3A2A1A02. 半导体存储芯片的译码驱动方式半导体存储芯片的译码驱动方式(1) 线选法线选法00000,00,7007D07D 读读 / 写写选通选通 读读/写控制电路写控制电路 A3A2A1A0A40,310,031,031,31 Y 地址译码器地址译码器 X地地址址译译码码器器 3232 矩阵矩阵A9I/OA8A7A56AY0Y31X0X31D读读/写写(2) 重合法重合法00000000000,031,00,31I/OD0,0读读 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)

51、 静态静态 RAM 基本电路基本电路A 触发器非端触发器非端1T4T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 T4T5T6T7T8A 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 T4A T1 T4T5T6T7T8A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

52、、T6 开开T7、T8 开开列选列选读放读放DOUTVAT6T8DOUT读选择有效读选择有效T1 T4T5T6T7T8A ADIN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 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） T8T6ADINDINT7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/O1I/

53、O2I/O3I/O4A0A8A9WECSVCCGNDIntel 2114 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读A3A4A5A6A7A8A0A1A2A9150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列

54、列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组0000000000 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读150311647326348第一组第一组第二组第二组第三组第三

55、组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS00000000001503116473263480164832150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS000000000015

56、03116473263480164832第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读0163248CSWE150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0164832第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读1503116473263480163248000000000015031164732

57、6348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读15031164732634801632480164832150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WEC

58、S0000000000第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读读1503116473263480163248读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0164832150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 读

59、读1503116473263480163248读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0164832I/O1I/O2I/O3I/O4A3A4A5A6A7A8A0A1A2A9150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写150311647326348150311647326348读写电路读写电路

60、读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组0000000000 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵 (64 64) 写写第一组第一组第二组第二组第三组第三组第四组第四组150311647326348150311647326348读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路读写电路0163015行行地地址址译译码码列列地地址址译译码码I/O1I/O2I/O3I/O4WECS0000000000 Intel 2114 RAM 矩阵矩阵