【正文】 隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展， CPU技術(shù)的飛速發(fā)展，使得存儲(chǔ)器與 CPU之間還有 I/O設(shè)備之間信息交換速度成為了關(guān)鍵，因此存儲(chǔ)器的性能已成為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心。 新課內(nèi)容： 板書綱要： 見增加頁 范例講解 實(shí)驗(yàn)講解 課 堂討論 本講共 2課時(shí) ， 其中 ： 1課時(shí) 1課時(shí) 教 案 中 頁 布 置 作 業(yè) （書面作業(yè)、電子版作業(yè)） ①
P66: ② 上網(wǎng)查詢目前流行的總線標(biāo)準(zhǔn)有哪些，他們采用的總線控制有哪些？ 課后小結(jié) 說明： ； ：范例講解、多媒體講解、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、音像講解、實(shí)驗(yàn)講解等。 引入新課： 總線上 連接著很多部件，什么時(shí)候由哪些部件發(fā)送信息，哪些部件接收信息，如何發(fā)送信息，如何防止信息的丟失，如何避免多個(gè)部件同時(shí)發(fā)送等一系列由總線控制 器管理。 課后小結(jié) ① 總線特性：機(jī)械、電氣、功能、時(shí)間 ② 總線性能：總線寬度、帶寬、時(shí)鐘同步、總線復(fù)用、控制方式等 ③ 總線標(biāo)準(zhǔn)： ISA\EISA\PCI\AGP\USB等 ④ 總線結(jié)構(gòu)：單總線、多總線 ⑤ 總線結(jié)構(gòu)實(shí)例 說明： ； ：范例講解、多媒體講解、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、音像講解、實(shí)驗(yàn)講解等。引出本節(jié)新的內(nèi)容。 ④ 根據(jù)傳輸方式可分為 并行總線和串行總線 說明： ； ：范例講解、多媒體講解、模型講解、實(shí)物講解、掛圖講解、音像講解、實(shí)驗(yàn)講解等。寫是主設(shè)備到從設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸過程 . 2)塊傳送 主設(shè)備給出要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊的起始地址后 ,就可以利用總線對(duì)固定長度的數(shù)據(jù)一個(gè)接一個(gè)的讀出或?qū)懭?. 3)寫后讀或讀后寫 主設(shè)備給出地址一次 ,就可以進(jìn)行先寫后讀或者先讀后寫操作 ,先讀后寫往往用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性 ,先寫后讀往往用于多道程序的對(duì)共享存儲(chǔ)資源的保護(hù) . 4)廣播和廣集 主設(shè)備同時(shí)向多個(gè)從設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的操作模式稱為廣播 .廣集操作和廣播操作正好相反 ,它將從多個(gè)從 設(shè)備的數(shù)據(jù)在總線上完成 AND 或 OR操作 ,常用于檢測(cè)多個(gè)中斷源 . 所謂定時(shí) ,是指事件出現(xiàn)在總線上的時(shí)間關(guān)系 .總線常用的定時(shí)協(xié)議有同步定時(shí)方式和異步定時(shí)方式 1. 同步定時(shí)方式 同步定時(shí)方式要求所有的模塊由統(tǒng)一的始終脈沖進(jìn)行操作的控制 ,各模塊的所有動(dòng)作均在時(shí)鐘周期的開始產(chǎn)生 ,并且多數(shù)動(dòng)作在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成 . 2. 異步定時(shí)方式 異步定時(shí)方式是一種應(yīng)答方式或者互鎖機(jī)制的定時(shí)方式 .對(duì)于異步操作 ,操作的發(fā)生由主設(shè)備或從設(shè)備的的特定信號(hào)來確定 .總線上一個(gè)事件的發(fā)生取決于前一個(gè)事件的發(fā)生 ,雙方互相提供聯(lián)絡(luò)信號(hào) . (四 ) 總線標(biāo)準(zhǔn) 總線標(biāo)準(zhǔn)就是系統(tǒng)與各模塊 ,模塊與模塊之間的一個(gè)互連的標(biāo)準(zhǔn)界面 . 目前流行的總線標(biāo)準(zhǔn)有以下幾種 : 1．系統(tǒng)總線 1)ISA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系 (Industry Standard Architecture),它是最早出現(xiàn)的微型計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn) ,應(yīng)用在 IBM的 AT 機(jī)上 .直到現(xiàn)在 ,微型計(jì)算機(jī)主板或工作站主板上還保留有少量的 ISA擴(kuò)展槽 . 2) EISA擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系 (Extended Industry Standard Architecture),主要用于 286 微機(jī) .EISA 對(duì) ISA完全兼容 . 3) VESA視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (Video Electronic Standard Association),是按照局部總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的一種開放總線 ,只適合于 486 的一種過渡標(biāo)準(zhǔn) ,已淘汰 . 4) PCI外圍設(shè)備互聯(lián) (Peripheral Component Interconnection),PCI局部總線是高性能的 32 位或 64 位總線 ,它是專門為高集成度的外圍部件 ,擴(kuò)充插板和處理器 /存儲(chǔ)器系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的互連機(jī)制 . 5)AGP是一種新型的視頻接口的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) ,專用于連接主存和圖形存儲(chǔ)器 .AGP 總線寬 32 位 ,時(shí)鐘頻率 66MHz,能以 133MHz工作 ,最高的傳輸速率可達(dá) 533Mbps. 2．設(shè)備總線 1)IDE集成驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備 (Integrated Drive Electronics),它是一種在主機(jī)處理器和磁盤驅(qū)動(dòng)器之間廣泛使用的集成總線 .絕大部分 PC 的硬盤和相當(dāng)數(shù)量的 CDROM驅(qū)動(dòng)器都是通過這種接口和主機(jī)連接的 . 2)SCSI小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口 (Small Computer System Interface),現(xiàn)在這種接口不再局限于將各種設(shè)備與小型計(jì)算機(jī)直接連接起來 ,它已經(jīng)成 為各種計(jì)算機(jī) (包括工作站 ,小型機(jī) ,甚至大型機(jī) )的系統(tǒng)接口 . 3)RS232(Remended Standard232C),是由美國電子工業(yè)協(xié)會(huì) EIA(Electronic Industries Association)推薦的一種串行通信總線標(biāo)準(zhǔn) . 4) USBUSB(Universal Serial Bus)接口基于通用的連接技術(shù) ,可實(shí)現(xiàn)外設(shè)的簡單快速連接 ,已達(dá)到方便用戶 ,降低成本 ,擴(kuò)展微機(jī)連接外設(shè)范圍的目的 . 布 置 作 業(yè) （書面作業(yè)、電子版作業(yè)） ①
P66: ② 上網(wǎng)查詢還有那些總線類型 課后小結(jié) ① 總線是連接各個(gè)部件的信息傳輸線，是各個(gè)部件共享的傳輸介質(zhì) ② 根據(jù)總線所傳輸?shù)男畔?nèi)容的不同，總線可分為地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線。 采用 組合邏輯 實(shí)現(xiàn)控制器 7)一般用高級(jí)語言編程 ,特別重視編譯優(yōu)化 ,以減少程序執(zhí)行時(shí)間 . 采用 優(yōu)化 的 編譯 程序 (3)RISC 的發(fā)展 1983年 ,一些中小型公司開始推出 RISC產(chǎn)品 ,由于其高性能價(jià)格比 ,市場(chǎng)占有率不斷提高 .1987年 SUN公司用SPARC 芯片構(gòu)成工作站 。 CPU 中有多個(gè) 通用 寄存器 5)大部分指令在一個(gè)或小于一個(gè)機(jī)器周期完成 。 指令 長度固定、指令格式種類少、尋址方式少 3)只有取數(shù) /存數(shù)指令 (load/store)訪問內(nèi)存 。因此出現(xiàn)了 RIC技術(shù) . 計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序所需的時(shí)間 P 可用下式表述： P=ICT 其中 ,I 是高級(jí)語言程序編譯后在機(jī)器上運(yùn)行的機(jī)器指令數(shù)； C 為執(zhí)行每條機(jī)器指令所需的平均機(jī)器周期； T 是每個(gè)機(jī)器周期的執(zhí)行時(shí)間 . (2)RISC 的特點(diǎn) 1)優(yōu)先選取使用頻率最高的一些簡單指令 。若壓入兩個(gè)字節(jié) ,則減 2,以此類推 ),然后把數(shù)據(jù)送人 SP所指定的單元 。 (4)16條零地址指令的操作碼由 16 位操作碼從 1111111111110000～ 1111111111111111給出 . 指令字長取決于 操作碼的長度 、 操作數(shù)地址的長度 和 操作數(shù)地址的個(gè)數(shù) .為了提高指令的運(yùn)行速度和節(jié)省存儲(chǔ)空間 ,通常盡可能的吧常用的指令 (如數(shù)據(jù)傳輸指令、算邏運(yùn)算指令等 )設(shè)計(jì)成單字長或短字長格式的指令 . 操作數(shù)類型 地址 地址實(shí)際也可以看做是一種數(shù)據(jù) ,在許多情況下要計(jì)算操作數(shù)的地址 .這時(shí)地址可看作無符號(hào)的整數(shù) 數(shù)字 計(jì)算機(jī)中常見的數(shù)字有定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)和十進(jìn)制數(shù)字 字符 在應(yīng)用計(jì)算機(jī)時(shí) ,文本或者字符串也是一種常見的數(shù)據(jù)類型 邏輯數(shù)據(jù) 計(jì)算機(jī)除了做算術(shù)運(yùn)算外 ,有時(shí)還做邏輯運(yùn)算 ,此時(shí) n個(gè) 0和 1的組合不是被看做算術(shù)數(shù)字而被看做邏輯數(shù) 奔騰 Pentium處理器的數(shù)據(jù)類型有邏輯數(shù)、有符號(hào)數(shù) (補(bǔ)碼 )、無符號(hào)數(shù)、壓縮和未壓縮的 BCD碼、地址指針、位串以及浮點(diǎn)數(shù) (符合 IEEE754標(biāo)準(zhǔn) )等 指令操作 類型 數(shù)據(jù)傳送包括寄存器與寄存器 ,寄存器與存儲(chǔ)單元 ,存儲(chǔ)單元與存儲(chǔ)單元之間的傳送 這操作可實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算 (加 ,減 ,乘 ,除 ,增 1,減 1,取負(fù)即求補(bǔ) )邏輯運(yùn)算 (與 ,或 ,非 ,異或 ) 移位可分為算術(shù)移位 ,邏輯移位和循環(huán)移位三種 無條件轉(zhuǎn)移 不受任何 約束條件 直接把程序轉(zhuǎn)移到下一條需執(zhí)行指令的地址 條件轉(zhuǎn)移 根據(jù)當(dāng)前指令的執(zhí)行結(jié)果決定是否需要轉(zhuǎn)移 調(diào)用與返回 ? 子程序可在多處被調(diào)用 ? 子程序調(diào)用可出現(xiàn)在子程序中 ,即允許子程序嵌套 ? 每個(gè) CALL指令都對(duì)應(yīng)一條 RETURN指令 CPU必須記住返回地址 ,使子程序能準(zhǔn)確返回 ,返回地址存放在以下 3處 ? 寄存器內(nèi) .機(jī)器內(nèi)設(shè)有專用寄存器 ,專用于存放返回地址 ? 子程序的入口地址內(nèi) ? 棧頂內(nèi) .現(xiàn)代計(jì)算機(jī)都設(shè)有堆棧 ,執(zhí)行 RETURN 指令后 ,便可自動(dòng)從堆棧內(nèi)取出應(yīng)返回的地址 陷阱 (Trap)與陷阱指令 其實(shí)是一種意外事故的中斷 ,一般不提供給用戶使用 ,作為隱指令 ,再出現(xiàn)故障時(shí) ,由 CPU自動(dòng)產(chǎn)生并執(zhí)行 對(duì)于 I/O 單獨(dú)編址的計(jì)算機(jī)而言 ,通常設(shè)有輸入輸出指令 ,他完成從外設(shè)中的寄存器讀入一個(gè)數(shù)據(jù)到 CPU寄存器內(nèi) ,或?qū)?shù)據(jù)從 CPU的寄存器輸出至某外設(shè)的寄存器中 包括等待指令、停機(jī)指令、空操作指令、開中斷指令、關(guān)中斷指令、置條件碼指令等 備注 有些大型或巨型機(jī)還設(shè)有向量指令 ,可對(duì)整個(gè)向量或矩陣進(jìn)行求和求積運(yùn)算 (二 ) 指令的尋址方式 1. 有效地址的概念 操作數(shù)的真實(shí)地址稱為有效地址 ,記做 EA,它是尋址方式和形式地址共同來決定的 . 2. 數(shù)據(jù)尋址和指令尋址 尋址方式是指確定本條指令的數(shù)據(jù)地址以及下一條將要執(zhí)行的指令的地址 ,與硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān) ,尋址方式分為指令尋址和數(shù)據(jù)尋址兩大類 指令尋址分為順序?qū)ぶ泛吞S尋址兩種 . 順序?qū)ぶ房梢酝ㄟ^程序計(jì)數(shù)器 PC 加 1 自動(dòng)形成下一條指令的地址 ,跳躍尋址則通過轉(zhuǎn)移類指令實(shí)現(xiàn) ,是通過對(duì) PC 的運(yùn)算得到新的下一條指令的地址 . 3. 常見尋址方式 1)立即尋址 所需的操作數(shù)由指令的地址碼部分直接給出 ,就稱為立即數(shù) (或直接數(shù) )尋址方式 .這種方式的特點(diǎn)是取指時(shí) ,操作碼和一個(gè)操作數(shù)同時(shí)被取出 ,不必再次訪問存儲(chǔ)器 ,提高了指令的執(zhí)行速度 .但是由于這一操作數(shù)是指令的一部分 ,不能修改 ,而一般情況下 ,指令所處理的數(shù)據(jù)都是在不斷變化的 (如上條指令的執(zhí)行結(jié)果作為下條指令的操作數(shù) ),故這種方式只能適用于操作數(shù)固定 的情況 .通常用于給某一寄存器或存儲(chǔ)器單元賦初值或提供一個(gè)常數(shù)等 .(圖中“ ”表示立即尋址的標(biāo)記 ,A 的位數(shù)限制了這類指令所能表述的立即數(shù)的范圍 ) 2)直接尋址 指令的地址碼部分給出操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的地址 . 3)隱含尋址 操作數(shù)的地址隱含在操作碼或者某個(gè)寄存器中 . 4)間接尋址 在尋址時(shí) ,有時(shí)根據(jù)指令的地址碼所取出的內(nèi)容既不是操作數(shù) ,也不是下一條要執(zhí)行的指令 ,而是操作數(shù)的地址或指令的地址 ,這種方式稱為間接尋址或間址 . 5)寄存器尋址 計(jì)算機(jī)的中央處理器一般設(shè)置有一定數(shù)量的通用寄存器 ,用以存放 操作數(shù) ,操作數(shù)的地址或中間結(jié)果 .假如指令地址碼部分給出某一通用寄存器地址 ,而且所需的操作數(shù)就在這一寄存器中 ,則稱為寄存器尋址 .通用寄存器的數(shù)量一般在幾個(gè)至幾十個(gè)之間 ,比存儲(chǔ)單元少很多 ,因此地址碼短 ,而且從寄存器中存取數(shù)據(jù)比從存儲(chǔ)器中存取快得多 ,所以這種方式可以縮短指令長度 ,節(jié)省存儲(chǔ)空間 ,提高指令的執(zhí)行速度 ,在計(jì)算機(jī)中得到廣泛應(yīng)用 . 6)寄存器間接尋址 EA = ( Ri ) 有效地址在寄存器中 寄存器中給出的是操作數(shù)的地址 ,因此還需要 訪問一次存儲(chǔ)器才能得到操作數(shù) . 7)基址尋址 在計(jì)算機(jī)中設(shè)置一個(gè)專用的基址寄存器 ,或由指令指定一個(gè)通用寄存器為基址寄存器 .操作數(shù)的地址由基址寄存器的內(nèi)容和指令的地址碼 A 相加得到 8)變址尋址 指令地址碼部分給出的地址 A 和指定的變址寄存器 X 的內(nèi)容通過加法器相加 ,所得的和作為地址從存儲(chǔ)器中讀出所需的操作數(shù) .這是幾乎所有計(jì)算機(jī)都采用的一種尋址方式 . 9)相對(duì)尋址 把程序計(jì)數(shù)器 PC 的內(nèi)容 (即當(dāng)前執(zhí)行指令的地址 )與指令的地址碼部分給出的位移量 (disp)之和作為操作數(shù)的地址或轉(zhuǎn)移地址 ,稱為相對(duì)尋址 . 主要 用于轉(zhuǎn)移指令 ,執(zhí)行本條指令后 ,將轉(zhuǎn)移到 (PC)＋ disp,(PC)為程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容 .相對(duì)尋址有兩個(gè)特點(diǎn) : 1〉轉(zhuǎn)移地址不是固定的 ,它隨著 PC 值的變化而變化 ,并且總是與 PC 相差一個(gè)固定值 disp,因此無論程序裝人存儲(chǔ)器的任何地方 ,均能正確運(yùn)行 ,對(duì)浮動(dòng)程序很適用 . 2〉 位移量可正 ,可負(fù) ,通常用補(bǔ)碼表示 .如果位移量為 n位 ,則這種方式的尋址范圍在 (PC)2n1 ～ (PC)+2n11之間 計(jì)算機(jī)的程序和數(shù)據(jù)一般是分開存放的 ,程序區(qū)在程序執(zhí)行過程中不允