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計(jì)算機(jī)組成原理教案唐朔飛-在線瀏覽

2025-06-19 23:20本頁(yè)面
  

【正文】 系統(tǒng)總線。把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與通信設(shè)備或其他系統(tǒng)外設(shè)之間的連接總線稱為系統(tǒng)外總線。2) 按數(shù)據(jù)傳送格式分類并行總線:用多根數(shù)據(jù)線同時(shí)傳送一個(gè)字節(jié)或一個(gè)字的所有代碼位,可以同時(shí)傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)稱為該總線的數(shù)據(jù)通路寬度。串行總線:按位串行傳送數(shù)據(jù),即按數(shù)據(jù)代碼位流的順序逐位傳送。同步總線:數(shù)據(jù)傳送操作由統(tǒng)一的系統(tǒng)時(shí)鐘同步定時(shí),其顯著特征是有嚴(yán)格的時(shí)鐘周期劃分,一次傳送操作所需的一個(gè)總線周期可能包括若干時(shí)鐘周期。在多機(jī)系統(tǒng)中,或由負(fù)責(zé)系統(tǒng)管理的主CPU提供,或?qū)iT設(shè)置一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘。例如,DMA控制器向CPU提出總線請(qǐng)求,獲得總線控制權(quán)后實(shí)現(xiàn)一次總線傳送。(2) S1狀態(tài):CPU結(jié)束一次總線周期操作,發(fā)出總線批準(zhǔn)信號(hào)BACK,進(jìn)入總線控制權(quán)交換狀態(tài)S1狀態(tài)。(3) S2狀態(tài):由DMA控制器發(fā)出讀命令,從發(fā)送設(shè)備中讀出數(shù)據(jù),送入有關(guān)的數(shù)據(jù)寄存器,并發(fā)送到數(shù)據(jù)總線上。(5) S4狀態(tài):延長(zhǎng)狀態(tài),如果在S3狀態(tài)中沒有完成總線傳送,可以延長(zhǎng)總線周期,進(jìn)入S4狀態(tài)。第四節(jié) 總線結(jié)構(gòu)和總線控制異步總線:對(duì)總線操作的控制與數(shù)據(jù)傳送,以應(yīng)答方式實(shí)現(xiàn),特點(diǎn)是沒有固定的時(shí)鐘周期劃分。不互鎖:設(shè)備1發(fā)出請(qǐng)求信號(hào),經(jīng)過一段時(shí)間后,自動(dòng)撤消;設(shè)備2接到設(shè)備1的請(qǐng)求信號(hào)后,在條件允許時(shí)發(fā)出回答信號(hào),經(jīng)過一段時(shí)間后,自動(dòng)撤消。全互鎖:設(shè)備1發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)后,接到設(shè)備2的回答信號(hào)后,才撤消請(qǐng)求信號(hào),設(shè)備2知道設(shè)備1撤消了請(qǐng)求信號(hào)后,才撤消回答信號(hào)。4. 什么是總線標(biāo)準(zhǔn)?為什么要設(shè)置總線標(biāo)準(zhǔn)?5. 什么總線的傳輸速率,它與哪些因素有關(guān)? 第四章 存儲(chǔ)器教學(xué)時(shí)數(shù):8學(xué)時(shí)教學(xué)目的與要求:使學(xué)生掌握主存、輔存的概念,重點(diǎn)理解存儲(chǔ)器分級(jí)的結(jié)構(gòu),掌握主存與CPU連接方式,Cache與主存地址映射方式。教學(xué)難點(diǎn):主存芯片與CPU的連接方法、存儲(chǔ)器的校驗(yàn)。主存是能夠由CPU直接編程訪問的存儲(chǔ)器,它存放需要執(zhí)行的程序與需要處理的數(shù)據(jù)。與之相對(duì)的是外存,又稱輔存。2) 按存取方式:隨機(jī)存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器、順序存儲(chǔ)器和直接存儲(chǔ)器。只讀存儲(chǔ)器:存儲(chǔ)器工作的時(shí)候只能讀,不能寫,通常保存一些特別重要的信息。順序存取存儲(chǔ)器:存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)內(nèi)容只能按順序存取,其存取時(shí)間與存儲(chǔ)單元的物理位置有關(guān)(SAM),如磁帶。3) 按存儲(chǔ)介質(zhì):半導(dǎo)體存儲(chǔ)器(用半導(dǎo)體器件構(gòu)成的存儲(chǔ)器,多用于主存)和磁存儲(chǔ)器(磁性材料做成的存儲(chǔ)器,如磁盤)。4) 按信息的保存:永久性存儲(chǔ)器(斷電后存儲(chǔ)信息仍可以保持)和易失性存儲(chǔ)器(斷電后丟失信息),如磁盤是永久性,RAM為易失性。第二節(jié) 主存儲(chǔ)器1. 存儲(chǔ)器的組成 存儲(chǔ)體 地 址 緩 沖 和 譯 碼 器 讀寫數(shù)據(jù)緩沖器存儲(chǔ)器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)按地址存儲(chǔ)的裝置。存儲(chǔ)體是存儲(chǔ)器的核心,它有許多存儲(chǔ)單元組成,每個(gè)存儲(chǔ)單元又由若干個(gè)可記憶0或1的存儲(chǔ)元件組成。每個(gè)存儲(chǔ)單元按其空間的位置都有一個(gè)固定的編號(hào),稱為存儲(chǔ)單元的地址,簡(jiǎn)稱地址。2. 主存儲(chǔ)器的技術(shù)指標(biāo)1) 存儲(chǔ)速度:存取時(shí)間(TA,又稱取數(shù)時(shí)間)和存儲(chǔ)周期(TM)2) 存取時(shí)間:存儲(chǔ)器接到讀命令信號(hào)到其數(shù)據(jù)輸出端有信號(hào)輸出為止的時(shí)間。3) 存儲(chǔ)周期:連續(xù)兩次訪問存儲(chǔ)器所需要的最小時(shí)間間隔。4) 價(jià)格:存儲(chǔ)器的價(jià)格以位價(jià)格衡量,即存儲(chǔ)容量為S,價(jià)格為C,P=C/S是位價(jià)格。CPU與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)傳輸分為同步傳輸方式和異步傳輸方式兩種,1) 同步方式:數(shù)據(jù)傳輸是在固定的時(shí)間間隔內(nèi)完成,此時(shí)間間隔由CPU的時(shí)鐘脈沖確定,從而構(gòu)成一個(gè)完整的存儲(chǔ)器讀寫周期。注:CPU中有一個(gè)引腳叫做Ready,其名稱是:準(zhǔn)備好信號(hào),當(dāng)它為1時(shí),表示CPU可以和存儲(chǔ)器傳輸數(shù)據(jù)。3) 讀寫過程(1) CPU從存儲(chǔ)器中讀取一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)把要讀取的字節(jié)的地址送入MAR。存儲(chǔ)器讀操作,找到數(shù)據(jù)送入其數(shù)據(jù)緩沖寄存器,由數(shù)據(jù)總線將數(shù)據(jù)送入CPU的MDR,同時(shí)發(fā)出WMFC信號(hào)(WMFC=1)。其地址送入MAR。將數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器指定單元,同時(shí)發(fā)出WMFC信號(hào)。2) 字?jǐn)U展字?jǐn)U展連接方式:將多片存儲(chǔ)器的地址、數(shù)據(jù)、讀寫控制連在一起;片選信號(hào)來(lái)區(qū)別那個(gè)芯片被選用(充當(dāng)高位)。字?jǐn)U展連接方式:將多片存儲(chǔ)器的地址、讀寫控制連在一起;片選信號(hào)來(lái)區(qū)別那個(gè)芯片被選用(充當(dāng)高位),數(shù)據(jù)線分別連接。通常動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)芯片要在2ms(毫秒)以內(nèi)全部刷新一遍,即全部刷新一遍所允許的最大時(shí)間間隔為2ms,稱為最大刷新周期。對(duì)于每塊動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)芯片來(lái)說,則是按行刷新,每次刷新一行,所需時(shí)間為一個(gè)刷新周期。對(duì)于一個(gè)動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)器,它在工作過程中實(shí)際包括兩種工作狀態(tài):讀寫保持狀態(tài)和刷新狀態(tài)。優(yōu)點(diǎn)是主存利用率高,控制簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是存儲(chǔ)器在每個(gè)2ms之內(nèi)必定有一段時(shí)間不能進(jìn)行讀寫操作(在進(jìn)行刷新),造成一段死區(qū)。優(yōu)點(diǎn):沒有死區(qū),缺點(diǎn):降低效率。5. 多體交叉存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器是存儲(chǔ)指令(程序)和數(shù)據(jù)的地方,CPU工作時(shí)將不停的訪問存儲(chǔ)器,CPU工作的基本周期是時(shí)鐘周期(節(jié)拍),存儲(chǔ)器工作的基本周期是存儲(chǔ)周期,即CPU以時(shí)鐘周期表示CPU的速度,存儲(chǔ)器以存儲(chǔ)周期表示存儲(chǔ)器的速度,但是通常存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)周期的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CPU的時(shí)鐘周期,所以實(shí)際上CPU的工作速度會(huì)降低到與存儲(chǔ)器的速度相當(dāng),CPU工作時(shí)不得不在兩個(gè)時(shí)鐘周期之間插入空閑周期。多體交叉存儲(chǔ)器技術(shù)分為兩種:高位交叉編址和低位交叉編址。1) 高位交叉編址:該方法的優(yōu)點(diǎn)是便利靈活,便于擴(kuò)展,如將4K的存儲(chǔ)器擴(kuò)展成5K的存儲(chǔ)器只需要加一個(gè)存儲(chǔ)模塊,某一個(gè)存儲(chǔ)模塊出現(xiàn)問題不影響其他模塊。因?yàn)樵谕ǔG闆r下,數(shù)據(jù)被連續(xù)讀取,如CPU取4個(gè)字節(jié),用高位交叉技術(shù)要對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行4次讀取,而用低位交叉技術(shù)只對(duì)存儲(chǔ)器讀取一次即可(四個(gè)模塊同時(shí)工作)。推而廣之,一個(gè)具有n個(gè)模塊的存儲(chǔ)器,其存儲(chǔ)周期等效于單模塊的1/n,但這是個(gè)樂觀的估計(jì),總之效率會(huì)明顯提高。如果n8速度提高就不在明顯,這是因?yàn)槎囿w交叉存儲(chǔ)器存在訪問沖突問題。對(duì)于多體交叉存儲(chǔ)器的控制有兩種:一種是同時(shí)啟動(dòng)各模塊,然后在主存控制部件的控制下,分時(shí)使用總線傳輸;另一種是各模塊分時(shí)啟動(dòng),如四個(gè)模塊就是每隔四分之一存儲(chǔ)周期啟動(dòng)一個(gè)模塊,后者應(yīng)用多些。校驗(yàn)碼由兩部分組成:信息位和校驗(yàn)位,信息位就是要傳送的數(shù)據(jù)信息,校驗(yàn)位是在信息位的基礎(chǔ)上根據(jù)具體的校驗(yàn)方法得到的一些附加數(shù)據(jù)?;靖拍畲a字:表示一個(gè)數(shù)(或字符)的若干位二進(jìn)制代碼;碼元:碼字中的一位二進(jìn)制數(shù);碼組:滿足一定規(guī)則的碼字集合;最小碼距:一個(gè)碼組中任何兩個(gè)碼字之間的不同碼元的最小個(gè)數(shù)。最小碼距與校驗(yàn)?zāi)芰Φ年P(guān)系滿足下面公式:L = 2C + 1,L = D + 1其中L表示最小碼距,C表示可糾錯(cuò)位數(shù),D表示可檢錯(cuò)位數(shù)。假設(shè)數(shù)據(jù)位四位,對(duì)于奇校驗(yàn)來(lái)說,總是P = B3 ⊕……⊕ B0 ⊕ 1 對(duì)于偶校驗(yàn)位P = B3 ⊕ B2 ⊕ B1 ⊕ B0 加奇偶校驗(yàn)位時(shí)可以根據(jù)校驗(yàn)位的位置分為橫向奇偶校驗(yàn)、縱向奇偶校驗(yàn)和橫縱奇偶校驗(yàn)。這三個(gè)條件互相矛盾,不可能同時(shí)實(shí)現(xiàn),為了解決這一矛盾,必須對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行層次劃分。2) 高速緩存、主存、輔存三級(jí)結(jié)構(gòu)。在執(zhí)行過程中,不斷地把輔存中即將處理的信息調(diào)入主存,處理過的信息不斷地調(diào)出主存。對(duì)于那些使用頻率極高的數(shù)據(jù)則保存在Cache中。2. 高速緩沖存儲(chǔ)器(Cache) 引用虛擬存儲(chǔ)器的目的是令主存空間擴(kuò)大,引用Cache是為了提高主存的速度。Cache本身是一個(gè)高速的存儲(chǔ)器件,其速度與CPU的速度相當(dāng),如果搞好Cache與主存的關(guān)系,可以大大提高主存的速度,又由于Cache對(duì)于系統(tǒng)程序員來(lái)說也是透明的。由于Cache和主存都可以與CPU相關(guān),Cache與主存的關(guān)系有點(diǎn)像頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器中的快表。1) 地址映像與變換:全相聯(lián)映射讓主存中任意的一塊均可以映像到Cache中的任意一塊位置上。優(yōu)點(diǎn):塊沖突率低,缺點(diǎn):Cache變大,目錄表也大,速度降低。這相當(dāng)于把主存空間按Cache的空間分成區(qū),每區(qū)的各塊均只能按位置一一對(duì)應(yīng)到Cache的相應(yīng)位置。優(yōu)點(diǎn):電路簡(jiǎn)單,速度快;缺點(diǎn):沖突率高。組間采用直接映像,組內(nèi)采用全相聯(lián)映像。從Cache頁(yè)中讀取內(nèi)容,并將相應(yīng)的Cache標(biāo)記與主存地址中的主存頁(yè)標(biāo)記進(jìn)行比較,如果二者相同,則表示訪問Cache命中,讀出數(shù)據(jù)送往CPU,不等主存讀操作結(jié)束,就可以繼續(xù)下一次訪存操作。寫操作:寫回法(標(biāo)志替換法)。這種方式不在Cache操作過程中插入寫主存操作,保持程序的運(yùn)行速度。寫入Cache同時(shí)寫入主存,但有些寫入是多余的。本章思考題1. 計(jì)算機(jī)中哪些部件可用于存儲(chǔ)信息?2. 說明存取周期和存取時(shí)間的區(qū)別。 第五章 輸入輸出系統(tǒng)教學(xué)時(shí)數(shù):8學(xué)時(shí)教學(xué)目的與要求:使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中常用I/O設(shè)備的基本接口,主要技術(shù)指標(biāo),工作原理等知識(shí),重點(diǎn)I/O設(shè)備與CPU傳輸數(shù)據(jù)的三種方式。教學(xué)難點(diǎn):DMA的傳送方式及傳送過程。如:鍵盤—輸入設(shè)備,8042—設(shè)備控制器,8255—相關(guān)硬件,int9—相關(guān)軟件。如PC機(jī)采用前者,IN AL,60H;讀入掃描碼2. 輸入輸出數(shù)據(jù)傳送的控制方式:(1) 程序直接控制方式(2) 程序中斷傳送方式(3) 直接存儲(chǔ)器存取(DMA)傳送方式(4) 通道控制方式(5) I/O處理機(jī)第三節(jié) 程序查詢方式程序直接控制方式主機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸由程序來(lái)控制,在程序中安排一段由輸入輸出指令和其他指令組成的程序段直接控制外設(shè)的工作。無(wú)條件傳送:外設(shè)與CPU之間的工作關(guān)系、動(dòng)作時(shí)間固定,所以可以采用無(wú)條件傳送。(說明:與外設(shè)相關(guān)的芯片有狀態(tài)寄存器和控制寄存器,狀態(tài)寄存器提供芯片的狀態(tài),即外設(shè)的狀態(tài),常常依靠IN指令把外設(shè)芯片的狀態(tài)讀入CPU來(lái)進(jìn)行查詢方式的數(shù)據(jù)傳送,CPU發(fā)給外設(shè)芯片的控制命令常常依靠OUT指令送入控制寄存器,使外設(shè)按照CPU的要求工作。中斷的定義包含了程序切換與隨機(jī)性兩個(gè)概念。轉(zhuǎn)子程序也是一種程序切換,但區(qū)別在于中斷是隨機(jī)切換,而轉(zhuǎn)子程序的切換不是隨機(jī)的。在DMA方式中數(shù)據(jù)交換不是由CPU執(zhí)行程序來(lái)完成,而是由DMA控制器控制,如軟盤操作。通道是專門執(zhí)行輸入輸出操作的處理機(jī),它獨(dú)立的對(duì)輸入輸出操作進(jìn)行管理。3. 主機(jī)與外設(shè)間的連接模式總線型在這種結(jié)構(gòu)中,CPU通過系統(tǒng)總線與外設(shè)相連,各外設(shè)通過各自的接口直接與公共的系統(tǒng)總線相連。如果CPU暫時(shí)放棄對(duì)系統(tǒng)總線的控制,則有關(guān)的輸出端呈高阻態(tài),即與總線脫鉤。輻射型在這種結(jié)構(gòu)中,各外設(shè)和主機(jī)之間有各自獨(dú)立的數(shù)據(jù)通路,因而形成以主機(jī)為中心向各設(shè)備輻射的星型連接。各外設(shè)之間不能直接傳送信息,它只能把信息通過接口送入主機(jī),再由主機(jī)送別的外設(shè)。通道控制方式通道是一種專門負(fù)責(zé)管理輸入輸出操作的控制器,它執(zhí)行一種通道程序。這就使CPU從繁重的I/0操作中解脫出來(lái),發(fā)揮其高速處理的優(yōu)勢(shì),讓CPU的處理與通道管理下的I/0操作并行地進(jìn)行。通道的概念具有較大彈性,在邏輯劃分與功能上可作多種變化。通道執(zhí)行的通道程序,可以放在主存中,與CPU共享主存;也可以自帶局部存儲(chǔ)器存放通道程序。輸入輸出處理機(jī)(IOP)方式IOP比通道具有更強(qiáng)的獨(dú)立性與通用性,它的功能與CPU類似,只是專用化,面向輸入輸出管理及相應(yīng)的處理。在大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,主機(jī)通過專門的數(shù)據(jù)通路與IOP連接,IOP通過總線再與外圍設(shè)備連接。這種IOP芯片與CPU一起掛接在系統(tǒng)總線上,可共享主存。IOP從該區(qū)域中獲知CPU的要求,并執(zhí)行程序,完成指定的輸入輸出操作,然后用某些約定的特征信息或以中斷請(qǐng)求信號(hào)通知CPU。3. 圖形顯示和圖像顯示有何區(qū)別?4. 中斷向量通過什么總線送至什么地方?為什么?5. 試從5個(gè)方向比較程序中斷方式和DMA方式的區(qū)別。教學(xué)重點(diǎn):計(jì)算機(jī)信息的表示方法、定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的四則運(yùn)算。第一節(jié) 無(wú)符號(hào)數(shù)及有符號(hào)數(shù)1. 機(jī)器數(shù)機(jī)器數(shù)包括原碼、反碼、補(bǔ)碼和移碼。它約定:對(duì)于一個(gè)正數(shù),用“0”表示它的符號(hào),后面的數(shù)值部分就是它的二進(jìn)制數(shù);對(duì)于一個(gè)負(fù)數(shù),用“1”表示它的符號(hào),后面的數(shù)值部分就是它的二進(jìn)制數(shù)。它約定:對(duì)于一個(gè)正數(shù),用“0”表示它的符號(hào),后面的數(shù)值部分就是它的二進(jìn)制數(shù);對(duì)于一個(gè)負(fù)數(shù),用“1”表示它的符號(hào),后面的數(shù)值部分就是它的二進(jìn)制數(shù)(即原碼)逐位變反(即“0” 變“1” ,“1”變“0” )。它約定:對(duì)于一個(gè)正數(shù),用“0”表示它的符號(hào),后面的數(shù)值部分就是它的二進(jìn)制數(shù);對(duì)于一個(gè)負(fù)數(shù),用“1”表示它的符號(hào),后面的數(shù)值部分就是它的二進(jìn)制數(shù)(即原碼)逐位變反,然后加1。對(duì)于一個(gè)四位的二進(jìn)制數(shù)來(lái)說,變反意味著用一個(gè)最大的四位二進(jìn)制數(shù)來(lái)減此二進(jìn)制數(shù),Z=0010,Z變反即 11110010=1101;變反加1,可以表示成 11110010+1=100000010=1110。4) 移碼是一種機(jī)器數(shù)的表示法。移碼還原只能先把它變成補(bǔ)碼,再還原。注2:對(duì)于原碼,反碼和補(bǔ)碼可以表示整數(shù)也可以表示小數(shù),而移碼只能表示整數(shù),移碼只用于浮點(diǎn)數(shù)的階碼表示。事實(shí)上,不論是定點(diǎn)小數(shù)還是定點(diǎn)整數(shù)都不能直接表示表示:+11.11如果出現(xiàn)此種情況那么 11.11=22*0.1111=22*1111.0此時(shí)用定點(diǎn)數(shù)來(lái)表示數(shù)據(jù)必須另外加入一個(gè)比例因子,以便正確說明記錄的數(shù)據(jù)。2. 浮點(diǎn)數(shù)將定點(diǎn)數(shù)所需的比例因子引入數(shù)據(jù)表示中,形成了浮點(diǎn)數(shù)。浮點(diǎn)數(shù)的形式如下:N = 177。E * M其中R為階碼的底,可以為16等等,E為階碼,M為尾數(shù)。對(duì)于原碼表示的浮點(diǎn)數(shù),尾數(shù)的數(shù)值最高位為1,表示規(guī)格化;對(duì)于反碼、補(bǔ)碼表示的浮點(diǎn)數(shù),符號(hào)位與尾數(shù)的數(shù)值最高位不一致,表示規(guī)格化。當(dāng)浮點(diǎn)數(shù)的位數(shù)越多,它可以表示的范圍就越大。定點(diǎn)數(shù)的精度為16,浮點(diǎn)數(shù)為11
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