1、,計(jì)算機(jī)組成原理,唐朔飛,第版,高等教育出版社 高等教育電子音像出版社,課堂教學(xué)環(huán)節(jié),52,計(jì)算機(jī)組成原理課程,實(shí)踐環(huán)節(jié),16,68 學(xué)時(shí),實(shí)驗(yàn),計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)與實(shí)踐,78 學(xué)時(shí)（18/60）,使讀者對(duì)計(jì)算機(jī)總體結(jié)構(gòu)有一概括的了解，初步建立整機(jī)概念，并引導(dǎo)學(xué)生以宏觀思想為指導(dǎo)，微觀物質(zhì)為基礎(chǔ)的辯證唯物主義觀點(diǎn)來(lái)認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)。,第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論,第篇 概論,第章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論,第篇 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),第章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論,第篇 CPU,第章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論,第篇 CU,第章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論,基本概念,1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu),2.硬件、計(jì)算機(jī)、主機(jī)、CPU、主存、 輔存、外部設(shè)

2、備,3. 軟件、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件,4.高級(jí)語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、機(jī)器語(yǔ)言,第章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論,7.機(jī)器字長(zhǎng)、指令字長(zhǎng)、存儲(chǔ)字長(zhǎng),8. 計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)指標(biāo),6. 存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)元件、存儲(chǔ)基元、存儲(chǔ)字、 存儲(chǔ)字長(zhǎng)、存儲(chǔ)容量,5. 計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu),第章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論,基本概念,重點(diǎn)：主機(jī)框圖,主機(jī)完成一條指令的信息流程,取指令,分析指令,執(zhí)行指令,取指階段,執(zhí)行階段,訪存,訪存,完成一條指令,難點(diǎn),如何區(qū)分存放在存儲(chǔ)器中的指令和數(shù)據(jù),取指階段取出的是 指令,執(zhí)行階段取出的是 數(shù)據(jù),第章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論,重點(diǎn),2.如何克服總線的瓶頸,3.如何對(duì)總線進(jìn)行管理，包括判優(yōu)控制和 通信控制,第章

3、系統(tǒng)總線,（1） 集中式判優(yōu)控制方式一 鏈?zhǔn)讲樵?（2）集中式判優(yōu)控制方式二 計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢,I/O接口1,設(shè)備地址,（3）集中式判優(yōu)控制方式三 獨(dú)立請(qǐng)求,同步通信 采用公共時(shí)鐘（結(jié)合波形）,難點(diǎn)：,異步通信 應(yīng)答方式（不互鎖、半互鎖、全互鎖）,第章 系統(tǒng)總線,總線的通信控制,不互鎖,半互鎖,全互鎖,異步通信,單機(jī),多機(jī),網(wǎng)絡(luò)通信,同步通信 采用公共時(shí)鐘（結(jié)合波形）,難點(diǎn)：,異步通信 應(yīng)答方式（不互鎖、半互鎖、全互鎖）,半同步通信 采用公共時(shí)鐘插入等待周期,第章 系統(tǒng)總線,總線的通信控制,半同步通信（同步、異步 結(jié)合）,同步通信 采用公共時(shí)鐘（結(jié)合波形）,難點(diǎn)：,異步通信 應(yīng)答方式（不互鎖、半

4、互鎖、全互鎖）,半同步通信 采用公共時(shí)鐘插入等待周期,分離式通信 均為主模塊、同步方式 最充分發(fā)揮了總線的有效占用,第章 系統(tǒng)總線,總線的通信控制,1. 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) Cache主存和主存輔存層次的作用 程序訪問(wèn)的局部性原理與存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 的關(guān)系,重點(diǎn),第章 存儲(chǔ)器,緩存 主存層次和主存 輔存層次,1. 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) Cache主存和主存輔存層次的作用 程序訪問(wèn)的局部性原理與存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 的關(guān)系,重點(diǎn),2. 主存、Cache、磁表面存儲(chǔ)器的工作原理 及技術(shù)指標(biāo),第章 存儲(chǔ)器,3. 半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片的外特性以及與 CPU 的連接,存儲(chǔ)器與 CPU 的連接,例,解:,(1) 寫(xiě)出

5、對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制地址碼,(2) 確定芯片的數(shù)量及類型,A15A14A13 A11 A10 A7 A4 A3 A0,(3) 分配地址線,A10 A0 接 2K 8 位 ROM 的地址線,A9 A0 接 1K 4 位 RAM 的地址線,(4) 確定片選信號(hào),(5) CPU 與存儲(chǔ)器的連接圖,1. 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) Cache主存和主存輔存層次的作用 程序訪問(wèn)的局部性原理與存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 的關(guān)系,重點(diǎn),2. 主存、Cache、磁表面存儲(chǔ)器的工作原理 及技術(shù)指標(biāo),第章 存儲(chǔ)器,3. 半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片的外特性以及與 CPU 的連接,4.如何提高訪存速度,1.對(duì)于一定容量的存儲(chǔ)器，按字節(jié)或字訪問(wèn) 的尋址范圍

6、是不同的,難點(diǎn),第章 存儲(chǔ)器,如 16 MB （227位）的存儲(chǔ)器,按 字節(jié) 尋址,按 字（16位）尋址,按 字 （32位）尋址,224= 16 M,223 = 8 M,222 = 4 M,尋址范圍,容量,224 = 227位,223 = 227位,222 = 227位,字節(jié) 尋址,字（16位）尋址,字 （32位）尋址,字節(jié)地址,字節(jié)地址,23,24,25,1.對(duì)于一定容量的存儲(chǔ)器，按字節(jié)或字訪問(wèn) 的尋址范圍是不同的,難點(diǎn),第章 存儲(chǔ)器,2. 多體并行結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器順序編址和交叉編址 對(duì)訪存速度的影響,多體并行系統(tǒng),(1) 高位交叉,順序編址,各個(gè)體并行工作,體號(hào),(1) 高位交叉,(2) 低位交

7、叉,各個(gè)體輪流編址,體號(hào),(2) 低位交叉 各個(gè)體輪流編址,低位交叉的特點(diǎn),在不改變存取周期的前提下，增加存儲(chǔ)器的帶寬,啟動(dòng)存儲(chǔ)體 0,啟動(dòng)存儲(chǔ)體 1,啟動(dòng)存儲(chǔ)體 2,啟動(dòng)存儲(chǔ)體 3,設(shè)四體低位交叉存儲(chǔ)器，存取周期為T(mén)，總線傳輸周期為，為實(shí)現(xiàn)流水線方式存取，應(yīng)滿足 T 4。,連續(xù)讀取 4 個(gè)字所需的時(shí)間為 T(4 1),1.對(duì)于一定容量的存儲(chǔ)器，按字節(jié)或字訪問(wèn) 的尋址范圍是不同的,難點(diǎn),第章 存儲(chǔ)器,2. 多體并行結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器順序編址和交叉編址 對(duì)訪存速度的影響,3. 不同的 Cache 主存地址映射，直接影響主存地址字段的分配、替換策略及命中率,（1） 直接映射,每個(gè)緩存塊 i 可以和 若干

8、個(gè) 主存塊 對(duì)應(yīng),每個(gè)主存塊 j 只能和 一 個(gè) 緩存塊 對(duì)應(yīng),i = j mod C,（2） 全相聯(lián)映射,主存 中的 任一塊 可以映射到 緩存 中的 任一塊,某一主存塊 j 按模 Q 映射到 緩存 的第 i 組中的 任一塊,i = j mod Q,（3）組相聯(lián)映射,假設(shè)主存容量為 512 KB，Cache 容量為 4KB，每個(gè)字塊為 16 個(gè)字，每個(gè)字 32 位。,例,根據(jù) Cache 容量為 4KB 得 Cache 地址 12 位 4KB/4B = 1K字 1K/16 = 64 塊,根據(jù) 512KB 得主存地址 19 位 512KB/4B = 128K字 128K/16 = 8192 塊。

9、,主存的第 5，64 + 5，264 + 5， ， 8192 64 + 5 塊 能映射到 Cache 的第 5 塊,（4）畫(huà)出直接映射方式下主存地址字段中各段的位數(shù),在直接映射方式下，主存地址字段的各段位數(shù)分配如圖所示。其中字塊內(nèi)地址為 6 位（4 位表示 16 個(gè)字，2 位表示每字 32 位），緩存共 64 塊，故緩存字塊地址為 6 位，主存字塊標(biāo)記為主存地址長(zhǎng)度與 Cache 地址長(zhǎng)度之差，即 19 - 12 = 7 位。,假設(shè)主存容量位 512K16 位，Cache 容量為 409616 位， 塊長(zhǎng)為 4 個(gè) 16 位的字，訪存地址為 字地址。,例,根據(jù) Cache 容量為 4K字，得

10、Cache 字地址為 12 位。 根據(jù)塊長(zhǎng)為 4，按字訪問(wèn)，得字塊內(nèi)地址 2 位， Cache 共有 4K/4 = 1024 塊， 根據(jù)主存容量為 512K，得主存字地址 19 位。 主存地址格式,（1）在直接映射方式下，設(shè)計(jì)主存的地址格式。,假設(shè)主存容量位 512K16 位，Cache 容量為 409616 位， 塊長(zhǎng)為 4個(gè)16 位的字，訪存地址為 字地址。,例,（3）在二路組相聯(lián)映射方式下，設(shè)計(jì)主存的地址格式。,二路組相聯(lián)，即一組內(nèi)有 2 塊，Cache共分 1024 塊 1024/2 = 512 組，29 = 512，組地址 9 位,（2）在全相聯(lián)映射方式下，設(shè)計(jì)主存的地址格式。,假設(shè)

11、主存容量位 512K16 位，Cache容量為 409616 位， 塊長(zhǎng)為 4個(gè) 16 位的字，訪存地址為 字地址。,例,根據(jù)塊長(zhǎng)不變 4 個(gè)16 位的字 訪存地址仍為字（16 位）地址 容量為 512K32 位 相當(dāng)于容量為 1024K16 位 得主存地址 20 位 四路組相聯(lián)，即一組內(nèi) 4 塊 Cache共有1024/4 = 256 組 28 = 256 組地址為 8 位,（4）主存容量為 512K32 位，塊長(zhǎng)不變，在四路組相聯(lián)映射 方式下，設(shè)計(jì)主存的地址格式。,1.主機(jī)與 I/O 交換信息的三種控制方式,重點(diǎn),第章 輸入輸出系統(tǒng),三種方式的 CPU 工作效率比較,程序 查詢 方式,程序

12、 中斷 方式,DMA 方式,1.主機(jī)與 I/O 交換信息的三種控制方式,重點(diǎn),第章 輸入輸出系統(tǒng),2. 程序查詢方式特點(diǎn)、接口電路、工作原理,程序查詢方式的接口電路,以輸入為例,1.主機(jī)與 I/O 交換信息的三種控制方式,重點(diǎn),第章 輸入輸出系統(tǒng),2. 程序查詢方式特點(diǎn)、接口電路、工作原理,3. 程序中斷方式特點(diǎn)、接口電路、工作原理,I/O 中斷處理過(guò)程,DBR,設(shè)備選擇電路,以輸入為例,1.主機(jī)與 I/O 交換信息的三種控制方式,重點(diǎn),第章 輸入輸出系統(tǒng),2. 程序查詢方式特點(diǎn)、接口電路、工作原理,3. 程序中斷方式特點(diǎn)、接口電路、工作原理,4. DMA 方式特點(diǎn)、接口電路、工作原理,數(shù)據(jù)傳

13、送過(guò)程（輸入）,難點(diǎn),1.處理 I/O 中斷的各類軟、硬件技術(shù)的運(yùn)用,2.DMA 與主存交換數(shù)據(jù)的三種方法各自的特點(diǎn),3. 周期竊取的含義,4.CPU 響應(yīng)中斷請(qǐng)求和 DMA 請(qǐng)求的時(shí)間,第章 輸入輸出系統(tǒng),1.機(jī)器中有符號(hào)數(shù)和無(wú)符號(hào)數(shù)的表示，0 的表示,重點(diǎn),第章 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法,2. 各種機(jī)器數(shù)（原碼、補(bǔ)碼、反碼、移碼）的 應(yīng)用場(chǎng)合及其它們與真值的相互轉(zhuǎn)換,如：寄存器的內(nèi)容為 FF，當(dāng)其分別表示為原碼、 補(bǔ)碼、 反碼、移碼時(shí)所對(duì)應(yīng)的真值分別為多少,3.機(jī)器字長(zhǎng)確定以后，對(duì)應(yīng)定點(diǎn)機(jī)和浮點(diǎn)機(jī)中 各種機(jī)器數(shù)的表示范圍,重點(diǎn),第章 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法,4. 移位運(yùn)算在計(jì)算機(jī)中的特殊作用，以及不同

14、機(jī)器數(shù)的移位規(guī)則,5. 定點(diǎn)補(bǔ)碼加、減、乘（Booth算法）、除運(yùn)算 和原碼乘除運(yùn)算,6.浮點(diǎn)補(bǔ)碼加減運(yùn)算,重點(diǎn),第章 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法,7. 提高運(yùn)算速度的措施,8. 快速進(jìn)位鏈的設(shè)計(jì),高速芯片、改進(jìn)算法、快速進(jìn)位鏈,1.機(jī)器字長(zhǎng)相同的條件下， 補(bǔ)碼比原碼和反碼能多表示一個(gè)負(fù)數(shù),難點(diǎn),第章 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法,2. 區(qū)分浮點(diǎn)數(shù)和補(bǔ)碼表示的浮點(diǎn)規(guī)格化數(shù),設(shè) 32 位的浮點(diǎn)數(shù)，階碼取 8 位（含1 位階符 ） 尾數(shù)為 24 位 （含1 位數(shù)符 ）則它們的表示范圍是,2+127(1-2-23),2+127(1-2-23),2-1272-1,2-1282-1,- 2-1272-1,- 2-128(2-

15、1+2-23),- 2+127(1-2-23),2+127(-1),1.機(jī)器字長(zhǎng)相同的條件下， 補(bǔ)碼比原碼和反碼能多表示一個(gè)負(fù)數(shù),難點(diǎn),第章 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法,2. 區(qū)分浮點(diǎn)數(shù)和補(bǔ)碼表示的浮點(diǎn)規(guī)格化數(shù),3.在定點(diǎn)機(jī)和浮點(diǎn)機(jī)中，如何判斷運(yùn)算結(jié)果溢出,4. 原碼和補(bǔ)碼乘除法運(yùn)算的根本區(qū)別,難點(diǎn),5. 區(qū)別補(bǔ)碼和絕對(duì)值的補(bǔ)碼 -x補(bǔ) 和 -x*補(bǔ)（x*是真值 x 的絕對(duì)值）,6. 不同的機(jī)器數(shù)運(yùn)算規(guī)則不同，直接影響運(yùn)算器 的硬件組成,7. 浮點(diǎn)數(shù)的階碼采用移碼運(yùn)算時(shí)，其階碼運(yùn)算規(guī)則 和溢出判斷規(guī)則與補(bǔ)碼運(yùn)算是不同的,第章 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法,1.指令系統(tǒng)的幾個(gè)要素 操作類型、數(shù)據(jù)類型、地址格式和尋址方

16、式,重點(diǎn),第章 指令系統(tǒng),2. 機(jī)器指令的一般格式 指令定長(zhǎng) 指令不定長(zhǎng)（字節(jié)的整數(shù)倍） 指令字中各字段的作用,3.不同的地址格式對(duì)訪存次數(shù)、尋址范圍的影響,重點(diǎn),4. 不同的尋址方式對(duì)操作數(shù)的尋址范圍、信息加 工流程、所需的硬件支持及編制程序的影響,5. RISC 的主要特點(diǎn)及其與 CISC 的區(qū)別,第章 指令系統(tǒng),1.掌握設(shè)計(jì)指令格式的方法,難點(diǎn),第章 指令系統(tǒng),某模型機(jī)共有64種操作，操作碼位數(shù)固定，且具有 以下特點(diǎn)： （1）采用一地址或二地址格式； （2）有寄存器尋址、直接尋址和相對(duì)尋址（位移量 為 128 + 127）三種尋址方式； （3）有16個(gè)通用寄存器，算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的 操

17、作數(shù)均在寄存器中，結(jié)果也在寄存器中； （4）取數(shù)/存數(shù)指令在通用寄存器和存儲(chǔ)器之間傳送 數(shù)據(jù)； （5）存儲(chǔ)器容量為 1MB，按字節(jié)編址。 要求設(shè)計(jì)算邏指令、取數(shù)/存數(shù)指令和相對(duì)轉(zhuǎn)移指令 的格式，并簡(jiǎn)述理由。,例,解：,解：,解：,2.擴(kuò)展操作碼技術(shù)的運(yùn)用,第章 指令系統(tǒng),擴(kuò)展操作碼技術(shù),操作碼的位數(shù)隨地址數(shù)的減少而增加,4 位操作碼,8 位操作碼,12 位操作碼,16 位操作碼,最多15條三地址指令,最多15條二地址指令,最多15條一地址指令,16條零地址指令,三地址指令操作碼 每減少一種可多構(gòu)成 24 種二地址指令,二地址指令操作碼 每減少一種可多構(gòu)成 24 種一地址指令,3.在可按字節(jié)和字

18、尋址的存儲(chǔ)器中，不同的 機(jī)器，其數(shù)據(jù)的存放方式是不同的,4. 數(shù)據(jù) “邊界對(duì)準(zhǔn)” 方式和 “邊界不對(duì)準(zhǔn)” 方式 對(duì)訪存操作的影響,第章 指令系統(tǒng),1.CPU 的功能和硬件組成,重點(diǎn),第章 CPU 的結(jié)構(gòu)和功能,2. CPU 工作周期和指令周期的概念,3. 一個(gè)完整的指令周期中的信息流程,1. 取指周期數(shù)據(jù)流,指令周期的數(shù)據(jù)流,CU,MAR,PC,2. 間址周期數(shù)據(jù)流,3. 執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流,4 . 中斷周期數(shù)據(jù)流,不同指令的執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流不同,1.CPU 的功能和硬件組成,重點(diǎn),第章 CPU 的結(jié)構(gòu)和功能,2. CPU 工作周期和指令周期的概念,3. 一個(gè)完整的指令周期中的信息流程,4. 如何提

19、高控制器的處理能力 指令流水,5. 中斷系統(tǒng)需要解決的問(wèn)題及實(shí)施方案,中斷系統(tǒng)需解決的問(wèn)題,難點(diǎn),第章 CPU 的結(jié)構(gòu)和功能,1.影響指令流水線性能的因素,結(jié)構(gòu)相關(guān)流水線中不同指令爭(zhēng)用同一功能部件產(chǎn)生資源沖突,數(shù)據(jù)相關(guān)流水線中各條指令因重疊操作而改變對(duì)操作數(shù)的讀寫(xiě)順序 RAW WAR WAW,控制相關(guān) 由轉(zhuǎn)移指令引起,影響流水線性能的因素,1. 結(jié)構(gòu)相關(guān),兩條指令同時(shí)訪存造成結(jié)構(gòu)相關(guān)沖突,1. 結(jié)構(gòu)相關(guān),解決訪存沖突的一種方案,2. 數(shù)據(jù)相關(guān),不同指令因重疊操作，可能改變操作數(shù)的 讀/寫(xiě) 訪問(wèn)順序,2. 數(shù)據(jù)相關(guān),對(duì)數(shù)據(jù)相關(guān)進(jìn)行特殊處理的流水線,3. 控制相關(guān),由轉(zhuǎn)移指令引起,3. 控制相關(guān),

20、難點(diǎn),3. 響應(yīng)優(yōu)先級(jí)和處理優(yōu)先級(jí)的區(qū)別,第章 CPU 的結(jié)構(gòu)和功能,1.影響指令流水線性能的因素,2.掌握各種中斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多重中斷需配置哪些硬件,響應(yīng)優(yōu)先級(jí) ABCD 降序排列,不可改變,可改變（通過(guò)重新設(shè)置屏蔽字）,處理優(yōu)先級(jí) ADCB 降序排列,屏蔽技術(shù)可改變處理優(yōu)先等級(jí),屏蔽技術(shù)可改變 處理 優(yōu)先等級(jí),新屏蔽字設(shè)在中斷服務(wù)程序中,難點(diǎn),3. 響應(yīng)優(yōu)先級(jí)和處理優(yōu)先級(jí)的區(qū)別,第章 CPU 的結(jié)構(gòu)和功能,4.超標(biāo)量、超流水、超長(zhǎng)指令字的特點(diǎn),1.影響指令流水線性能的因素,2.掌握各種中斷技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多重中斷需配置哪些硬件,超標(biāo)量、超流水、超長(zhǎng)指令字的特點(diǎn),1.控制單元對(duì)不同的指令在取指、間址和 中斷周期中，發(fā)出哪些相同的操作命令,重點(diǎn),第章 控制單元的功能,取指周期,間址周期,中斷周期,1.控制單元對(duì)不同的指令在取指、間址和 中斷周期中，發(fā)出哪些相同的操作命令,重點(diǎn),第章 控制單元的功能,2. 控制單元對(duì)不同的指令在執(zhí)行周期發(fā)出的 微操作命令是不同的,3. 多級(jí)時(shí)序系統(tǒng),CLK,T0,T1,T2,T3,機(jī)器周期、時(shí)鐘周期和節(jié)拍的關(guān)系,1.控制單元對(duì)不同的指令在取指、間址和 中斷周期中，發(fā)出哪些