介绍计算机组成课件

第四章

介绍计算机组成

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院~

4.0-1计算机的基本组成

・、冯・诺依曼计算机的特点二

1.计算机由五大部件组成

2.指令和数据以同等地位存于存储器,

-可按地址寻访

3.指令和数据用二进制表示二

4.指令由操作码和地址码组成一

5.存储程序和程序控制

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院

冯・诺依曼计算机硬件框图

——以存储器为中心

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-3

2.现代计算机硬件框图

运算器ALU

CPUI

控制器CU主机

主存

存储器

辅存硬件

输入设备

II/O设备

输出设备

主机

CPU

ALUI/O

存

设备

CU

口千I兀4-4

4.0-2总线的基本概念

-、为什么要用总线二

八什么是总线

总线是连接各个部件的信息传输线，一

是各个部件共享的传输介质

二总线上信息的传送二

串行-----------------

并行==========不

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-5

单总线结构框图

单总线（系统总线）

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-6

总线的分类

1.片内总线芯片内部的总线

2.系统总线计算机各部件之间的信息传输线

「数据总线双向与机器字长、存储字长有关

＜地址总线单向与存储地址、I/O地址有关

I控制总线有出,有入

存储器读、存储器写

中断请求、总线请求「总线允许、中断确认」

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院

一个简单的计算机通常包括三个主要的子系统:

中央处理单元(CentralProcessingUnit),也叫CPU。

执行多种操作并控制整个计算机，微处理器

(Microprocessor)通常作为微机的CPU。

存储器(Memory)子系统。用来存储CPU正在执行的程二

序和数据。

输入/输出(Input/Output)子系统,或I/O子系统。允

许CPU与输入输出设备交互。比如个人计算

机的键盘和显示器，或者微波炉的面板和数

字显示等。

一二」出

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-8

4.1基本的计算机组成

大多数计算机系统，包括三个主要部件：CPU子系统、

存储器子系统和I/。子系统。其一般组成如图所示。

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-9

指令周期

指令周期(InstructionCycle)是微处理器完成一条

指令处理的过程。包括读取(Fetch),译码(Decode),

执行(Execute)三个阶段。

取指令。即一次或多次存储器读总线操作。

译码指令。就是微处理器确定处理的是哪一条指令以便

选择正确的操作顺序去执行该指令。这一步完全在微处理器

内完成，不需要使用系统总线。

执行指令。指令不同，所执行的操作及顺序也不相同。

执行过程可以是从存储器读取数据，写数据到存储器，读或

写数据到I/O设备，执行CPU内部的操作，或者执行多个上述

操作的联合，诸如此类，各不相同。~

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-10

4.2CPU组成

CPU控制整个计算机，内部有三大啰分：寄存器部分

(RegisterSection)、算术/逻辑单元(Arithmetic/Logic

Unit,也叫ALU)、控制单元(ControlUnit)。如图所示。

ControlbussignalsAddressbusDatabus

M

r

Controlsignals

Control

unit

Datavalues

ControlsignalsRegisters

Datavalues(operands)

Datavalues(results)

图4.3CPU组成图

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院I4-11

CPU取指令过程的两个重要寄存器：

程序计数器(programcounter),用来存放下一条要取

的指令的地址。

指令寄存器(instructionregister),用来存储从系统

数据总线上读取到的指令。

算术/逻辑单元执行大部分的算术和逻辑运算，如加、与

等操作。从CPU的寄存器部分取得操作数，运算结果再存回到

寄存器部分。由于必须在一个时钟周期内完成操作，只采用组

合逻辑构造而成。

控制单元。同CPU控制整个计算机一样，控制单元控制着

CPUo

一、二」二

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-12

本节，从系统的角度介绍了CPU,但还没有讨论它的内部

设计。

在第六章中我们将讲到几种硬连线CPU的内部结构，包括

寄存器、数据通路、控制单元等，所有的部件一起工作使得

CPU完成正确的读取、译码和执行指令的操作。

微程序CPU有着同硬连线CPU一样的寄存器、ALU和数据通

路，但二者控制单元完全不同，它们将在第七章中讨论。

执行算术运算的硬件，如ALU或独立的浮点运算单元等，

将在第六章和第八章中描述。

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-13

4.3存储器子系统组成和接口

本节，我们将考察计算机中存储器子系统的结构和功能。

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-14

4.3.1存储器的分类

r静态RAM

rRAM\

I动态RAM

r主存储器＜rMROM

PROM

IROM

存EPROM

储、EEPROM

器FlashMemory

高速缓冲存储器(Cache)

l辅助存储器磁盘、磁带、光盘

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-15

存储器三个主要特性的关系

容量价格/位

小局（

大

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-16

4.3.2主存储器

、概述

1.主存的基本组成

读

写数据总线

存储体电MDR0>

路

...t

计算机组成与结小地址,总部大学计算机与通信学院

4-17

2.主存和CPU的联系

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-18

工半导体存储芯片简介

1.半导体存储芯片的基本结构

-、

读

存

译

地数

写

储

码

址Vr据

电

矩

驱

线I线

路

阵

动,

地址线（单向）数据线（双向）芯片容量

1KX4位

16Kxi位

位

8KX84-19

工半导体存储芯片简介

1.半导体存储芯片的基本结构

/

--、

读

地

存

译

-数

写

储

•码

据

址<•r

-•

电

矩

驱

1I线

线I

路

阵

动,

尚

片

线

读/写控制线

片选线CSCE

读/写控制线WE（低电平写高电平读）

0E（允许读）WE（允许写）

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-20

存储芯片片选线的作用

M16KX1位的存储芯片组成64KX8位的存储器

f―38片8片8片8片

32片16KX1位16KX1位16KX1位16KX1位

2.半导体存储芯片的译码驱动方式（存储体的内部组成方式）

以

（1）线选法（存储体为线性组成）

19

1

A3字线0,0i聃

。地

址_0_

A2。译.16个存储单元.

码

AT器

A-15

位线

读/写选通读/写控制电路

计算机组成与结构湖南大学不，算机与通信学院74-22

⑵重合法（存储体为二维组成）

以

O

A

41X0214

X

存

oO储

A

芯

3X片

为

例

。

地

A

一

2址

o译

A

码X

31

器

。

A

■o一

丫。Y地址译码器丫31

计算机组成与结构

4.3.3存储器系统构成及其与CPU的连接

1.存储器容量的扩展

（1）位扩展（增加存储字长）—io根地址线:

用？2片IKX4位存储芯片组成IKX8位的存储器

8根数据线

WES）

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-24

（2）字扩展（增加存储字的数量）

11根地址线

用。曲IKX8位存储芯片组成2KX8位的存储器

8根数据线］

Aio

A9

A,

A（）

D7

D°

WE

办分机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-25

⑶字、位扩展

用加片IKX4位存储芯片组成4KX8位的存储器

8根数据线

片选

译码

A

IL・・lJ

1KX41KX41KX41KX41KX4I1KX41KX41KX4

D

1.)

湖南大学计算机与通信学院4-26

2.存储器与CPU的连接

(1)地址线的连接二

(2)数据线的连接

(3)读/写命令线的连接

_(4)片选线的连接二

(5)合理选择存储芯片

(6)其他时序、负载

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-27

♦高位交叉(High-orderInterleaving),各芯片高位地址

相同，同一芯片所有存储单元在系统内存中相邻。

♦低位交叉(Low-orderInterleaving),各芯片低位地址

相同。

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-28

课堂练习7：P124O习题6

用16X2存储器芯片为一个有8位地址总线的计算机设计一个

32x8存储器子系统，该子系统带高位交叉的地址。

32x832

解:共需片,其中:字扩展=2倍

16x216

8

位扩展二4倍

2

需根地址线进入芯片（片内地址选择），

log216=4

片选电路需根地址线（片外地址选择），

log22=1

剩下的3根地址线参与片选电路。

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-29

第2组地址：00010000—00011111

计第机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-30

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-31

课堂练习2：

设CPU有16根地址线，8根数据线，并用MREQ作为访

存控制信号，用WR作为读写控制信号。现有1KX4的

RAM芯片和2K义8的ROM芯片及74LS138译码器及各

种门电路。按如下要求构成存储器系统，并画出CPU

写存储器连接图：

6000H〜67FFH为系统程序区

6800H〜6BFFH为用户程序区

W)

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-32

解:

⑴写出对应的二进制地址码

「1片2KX8位1

Ai5A14Al3A10

0110000000000000^

IROM

2KX8位

0110011111111111J

0110100000000000?

*1KX8位

0110101111

(2)确定芯片的数量及类型

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-33

⑶分配地址线

0110000000000000?

1片ROM

2KX8位

0110011111111111J

01110IIOIO00000000

2片RAM

IKX4位

0I110P01111111111

CBA

A1。〜A0接2K义8位ROM的地址线

接位的地址线

A9-AoIKX4RAM.

(4)确定片选信号一

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-34

例2CPU与存储器的连接图

4.4I/O子系统组成和接口

输入/输出（I/。）设备，如键盘和硬盘，功能很不一

样，但都是I/。子系统的一部分。对系统设计者而言，CPU和

各I/O设备之间的接口非常相似。

—图4.9：输入设备的一般接口电路二

,图4.10：输出设备的一般接口电路

图4.H：双向输入/输出设备的一般接口电路

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-36

RD

To

buffer—(厂

enable一1---乂3

IO/M—A)

(a)(b)

图4.9输入设备：（a）接口（b）三态缓冲器的使能逻辑

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-37

From

data

bus

(a)

图4.10输出设备：（a）接口（b）寄存器的装载逻辑

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-38

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-39

I/O设备比CPU和存储器慢得多，与CPU交互时，存在时序

上的问题。如，CPU从硬盘中读数据，可能磁盘驱动器要花几

个毫秒定位磁头，以便读取想要的数值，而这段时间，CPU可

能已读入不正确的数据，并且取译执行了成千上万条指令。

就绪信号(READY)。一个状态输入信号，CPU用来同步

与I/O设备的数据传输。

设置READY为低电平而生成的附加时钟周期叫做等待状态

(waitstates)。

CPU也可使用READY同步与存储器子系统之间的数据传输。

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-40

这些I/O接口在大型的计算机系统中性能很差。除了最小的

系统外，CPU等待成千上万个周期从I/O设备中取得数据，这是

不可接受的。许多系统使用中断(interrupt),以便CPU在等

待慢得多的I/O设备时，可以执行其它有用的工作。

这些I/O接口也不适合于大量的数据传输。本章系统中，I/O

设备和存储器之间传输的每一个字节都必须通过CPU,对许多

常见操作(如从磁盘向主存装载一个程序)来说都效率低下。

直接存储器访问(directmemoryaccess,或DMA)在数据传

输中绕过CPU,执行速度很快。

在第10章讨论中断、DMA和其它I/O接口问题。

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-41

课堂练习:习题四,19题

4.5相对简单计算机

设计一个使用相对简单CPU的计算机。有8KROM,起始地址

为0;紧接着是8K的RAM；一个存储器映射、地址为8000H的双向

I/O端口O

CPUo16位地址总线：A15-AO；8位数据总线:D7-DO；两

根控制线，READ和WRITEo因为使用存储器映射I/O,不需要类

似的控制信号。图4.12,只包括了CPU的细节。

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-43

存储器子系统。8KROM从地址0开始，包括从0到8K-1的所

有地址,即0000000000000000-000111111111llllo8K

RAM紧跟在ROM后面，地址从8K到16K-1,即001000000000

0000~001111111111llllo为简化设计，在存储器子系统

中，使用一个8K的ROM芯片和一个8K的RAM芯片。

8K的存储器有73个存储单元,需要13位的地址输入来进

行片内选址，地址总线的A12〜丁连接到两块存储器芯片；剩下

小〜人13用来做片选。

ROM芯片地址范围0000000000000000-000111111111

1111,其地址的最高三位总是000,即当A15A14Al3=000时，ROM

芯片必须有效。类似的，RAM芯片有效的条件是A】5A14Al3=00屋

可用组合逻辑来实现这些功能，从而设置芯片的使能信号。

另外，还有ROM和RAM的读、写控制信号的连接。飞

图4.13展示了具有存储器子系统细节的该计算机设计；、J

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-44

A5~AQ*

Relatively

D7-D0

Simple

CPU

READ

WRITE

I/O

Subsystem

Memory

subsystem

图4.13相对简单计算机:

存储器细节

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-45

I/O子系统。系统指明一个双向I/O端口，地址为8000H,

即1000000000000000o用地址和控制信号来激励该端口的

输入和输出接口电路。

非常类似图4.n中的设计。用寄存器来存储输出到该设备

的数据，用三态缓冲器传递来自该设备的输入数据。

只要作两个修改。第一个很简单,由于相对简单CPU用的

是存储器映射I/O,因此将信号从电路中删除。第二个

是修改地址逻辑，以辨认地址8000H,而不是FOH,用组合逻辑

可以很容易做到这一点。

图4.14展示了该计算机系统的最后设计，它包括了I/O子

系统。

计算机组成与结构湖南大学计算机与通信学院4-46

CE

13

八12~0

―

412-408Kx8

nRAM