1、唐朔飛唐朔飛第版第版高 等 教 育 出 版 社高 等 教 育 出 版 社高等教育電子音像出版社高等教育電子音像出版社課堂教學環(huán)節(jié)課堂教學環(huán)節(jié)52實踐環(huán)節(jié)實踐環(huán)節(jié)1668 學時學時實驗實驗計算機設計與實踐計算機設計與實踐78 學時（學時（18/60） 使讀者對計算機總體結構有一概括的了解，使讀者對計算機總體結構有一概括的了解，初步建立整機概念，并引導學生以宏觀思想為指初步建立整機概念，并引導學生以宏觀思想為指導，微觀物質為基礎的辯證唯物主義觀點來認識導，微觀物質為基礎的辯證唯物主義觀點來認識計算機。計算機。第第篇篇 概論概論計算機計算機第篇第篇計算機系統(tǒng)的硬件結構計算機系統(tǒng)的硬件結構計算機計算機

2、I/O系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線存儲器存儲器CPU CPU內部互連內部互連ALUCU寄存器寄存器中央處理器中央處理器第第篇篇 CPU計算機計算機I/O系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線存儲器存儲器CPU CPU內部互連內部互連ALUCU寄存器寄存器中央處理器中央處理器寄存器寄存器和解碼器和解碼器控制單元控制單元排隊排隊邏輯邏輯控制控制存儲器存儲器第篇第篇 CU計算機計算機I/O系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線存儲器存儲器CPU基本概念基本概念1. .計算機系統(tǒng)及計算機系統(tǒng)的層次結構計算機系統(tǒng)及計算機系統(tǒng)的層次結構2. .硬件、計算機、主機、硬件、計算機、主機、CPU、主存、主存、 輔存、外部設備輔存、外部設備3. 軟件、系統(tǒng)軟件、應用軟

3、件軟件、系統(tǒng)軟件、應用軟件4. .高級語言、匯編語言、機器語言高級語言、匯編語言、機器語言7. .機器字長、指令字長、存儲字長機器字長、指令字長、存儲字長8. 計算機硬件技術指標計算機硬件技術指標6. 存儲單元、存儲元件、存儲基元、存儲字、存儲單元、存儲元件、存儲基元、存儲字、 存儲字長、存儲容量存儲字長、存儲容量5. 計算機組成和計算機體系結構計算機組成和計算機體系結構基本概念基本概念123567984CU控制控制單元單元主存儲器主存儲器MDRMAR存儲體存儲體CPUPC控制器控制器IR運算器運算器MQACCALUXI/O重點重點：主機框圖：主機框圖主機完成一條指令的信息流程主機完成一條指令

4、的信息流程取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令取指階段取指階段執(zhí)行階段執(zhí)行階段 訪存訪存訪存訪存完成一條指令完成一條指令難點難點如何區(qū)分存放在存儲器中的指令和數(shù)據(jù)如何區(qū)分存放在存儲器中的指令和數(shù)據(jù)取指階段取出的是取指階段取出的是 指令指令執(zhí)行階段取出的是執(zhí)行階段取出的是 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)重點重點2. .如何克服總線的瓶頸如何克服總線的瓶頸3. .如何對總線進行管理，包括判優(yōu)控制和如何對總線進行管理，包括判優(yōu)控制和 通信控制通信控制1. .有關總線的基本概念有關總線的基本概念什么是總線總線上信息傳輸?shù)奶攸c什么是總線總線上信息傳輸?shù)奶攸c總線寬度總線帶寬總線復用總線傳輸周期總線寬度總線帶寬總線復用總

5、線傳輸周期 （1） 集中式判優(yōu)控制方式一集中式判優(yōu)控制方式一 鏈式查詢鏈式查詢總總線線控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線BS -總線忙總線忙BR-總線請求總線請求BG-總線同意總線同意 0BS -總線忙總線忙BR-總線請求總線請求總總線線控控制制部部件件數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n設備地址設備地址（2）集中式判優(yōu)控制方式二）集中式判優(yōu)控制方式二 計數(shù)器定時查詢計數(shù)器定時查詢I/O接口接口1 計數(shù)器計數(shù)器設備地址設備地址 1排隊器排隊器排隊器排隊器（3）集中式判優(yōu)控制方式三）集中

6、式判優(yōu)控制方式三 獨立請求獨立請求總總線線控控制制部部件件數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-總線同意總線同意BR-總線請求總線請求同步通信同步通信 采用公共時鐘（結合波形）采用公共時鐘（結合波形）難點：難點：異步通信異步通信 應答方式（不互鎖、半互鎖、全互鎖）應答方式（不互鎖、半互鎖、全互鎖）總線的通信控制總線的通信控制不互鎖不互鎖半互鎖半互鎖全互鎖全互鎖異步通信異步通信主設備主設備從設備從設備請請求求回回答答單機單機多機多機網(wǎng)絡通信網(wǎng)絡通信同步通信同步通信 采用公共時鐘（結合波形）采用公共時鐘（結合波形）難點：難

7、點：異步通信異步通信 應答方式（不互鎖、半互鎖、全互鎖）應答方式（不互鎖、半互鎖、全互鎖）半同步通信半同步通信 采用公共時鐘插入等待周期采用公共時鐘插入等待周期總線的通信控制總線的通信控制 讀讀 命令命令WAIT 地址地址 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 時鐘時鐘總線傳輸周期總線傳輸周期T1T2TWTWT3T4半同步通信（半同步通信（同步同步、異步異步 結合）結合）同步通信同步通信 采用公共時鐘（結合波形）采用公共時鐘（結合波形）難點：難點：異步通信異步通信 應答方式（不互鎖、半互鎖、全互鎖）應答方式（不互鎖、半互鎖、全互鎖）半同步通信半同步通信 采用公共時鐘插入等待周期采用公共時鐘插入等待周期分離式通信分離式通信

8、 均為主模塊、同步方式均為主模塊、同步方式 最充分發(fā)揮了總線的有效占用最充分發(fā)揮了總線的有效占用總線的通信控制總線的通信控制1. 存儲系統(tǒng)的層次結構存儲系統(tǒng)的層次結構Cache主存和主存輔存層次的作用主存和主存輔存層次的作用 程序訪問的局部性原理與存儲系統(tǒng)層次結構程序訪問的局部性原理與存儲系統(tǒng)層次結構 的關系的關系重點重點 緩存緩存 主存層次和主存主存層次和主存 輔存層次輔存層次緩存緩存CPU主存主存輔存輔存10 ns20 ns200 nsms緩存緩存主存主存輔存輔存主存主存虛擬存儲器虛擬存儲器虛地址虛地址邏輯地址邏輯地址實地址實地址物理地址物理地址主存儲器主存儲器（速度）（速度）（容量）（容

9、量）1. 存儲系統(tǒng)的層次結構存儲系統(tǒng)的層次結構Cache主存和主存輔存層次的作用主存和主存輔存層次的作用 程序訪問的局部性原理與存儲系統(tǒng)層次結構程序訪問的局部性原理與存儲系統(tǒng)層次結構 的關系的關系重點重點2. 主存、主存、Cache、磁表面存儲器的工作原理、磁表面存儲器的工作原理及技術指標及技術指標 3. 半導體存儲芯片的外特性以及與半導體存儲芯片的外特性以及與 CPU 的連接的連接 存儲器與存儲器與 CPU 的連接的連接 (1) 地址線的連接地址線的連接(2) 數(shù)據(jù)線的連接數(shù)據(jù)線的連接(3) 讀讀/寫線的連接寫線的連接(4) 片選線的連接片選線的連接(5) 合理選用芯片合理選用芯片(6) 其

10、他其他 時序、負載時序、負載例例 設設 CPU 有有 16 根地址線根地址線，8 根數(shù)據(jù)線，根數(shù)據(jù)線， MREQ 訪存控制信號（低電平有效），訪存控制信號（低電平有效）， WR 讀讀/寫控制信號（高電平為讀，低電平為寫）寫控制信號（高電平為讀，低電平為寫） RAM ：1K4位；位；4K8位；位；8K8 位位 ROM ：2K8位；位；4K8位；位；8K8 位位 74LS138 譯碼器和各種門電路譯碼器和各種門電路 畫出畫出 CPU 與存儲器的連接圖，要求與存儲器的連接圖，要求 主存地址空間分配：主存地址空間分配： 6000H67FFH 為系統(tǒng)程序區(qū)；為系統(tǒng)程序區(qū)； 6800H6BFFH 為用戶程

11、序區(qū)。為用戶程序區(qū)。 合理選用上述存儲芯片，說明各選幾片？合理選用上述存儲芯片，說明各選幾片？ 詳細畫出存儲芯片的片選邏輯圖。詳細畫出存儲芯片的片選邏輯圖。 解解: : (1) 寫出對應的二進制地址碼寫出對應的二進制地址碼(2) 確定芯片的數(shù)量及類型確定芯片的數(shù)量及類型0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0A15A14A13 A11 A10 A7 A4 A3 A00 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12K8位位1K8位位RA

12、M2片片1K4位位ROM1片片2K8位位(3) 分配地址線分配地址線A10 A0 接接 2K 8 位位 ROM 的地址線的地址線A9 A0 接接 1K 4 位位 RAM 的地址線的地址線(4) 確定片選信號確定片選信號C B A0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0A15 A13 A11 A10 A7 A4 A3 A00 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12K8 位位1片片ROM1K4 位位2片片RAM2K8位位 ROM1K

13、4位位 RAM1K4位位 RAM&PD/ProgrY5Y4G1CBAG2BG2A.MREQA14A15A13A12A11A10A9A0.D7D4D3D0WR.( (5) ) CPU 與存儲器的連接圖與存儲器的連接圖1. 存儲系統(tǒng)的層次結構存儲系統(tǒng)的層次結構Cache主存和主存輔存層次的作用主存和主存輔存層次的作用 程序訪問的局部性原理與存儲系統(tǒng)層次結構程序訪問的局部性原理與存儲系統(tǒng)層次結構 的關系的關系重點重點2. 主存、主存、Cache、磁表面存儲器的工作原理、磁表面存儲器的工作原理及技術指標及技術指標 3. 半導體存儲芯片的外特性以及與半導體存儲芯片的外特性以及與 CPU 的連接的

14、連接 4. .如何提高訪存速度如何提高訪存速度1. .對于一定容量的存儲器，按字節(jié)或字訪問對于一定容量的存儲器，按字節(jié)或字訪問 的尋址范圍是不同的的尋址范圍是不同的難點難點 如如 16 MB （227位）位）的存儲器的存儲器按按 字節(jié)字節(jié) 尋址尋址按按 字（字（16位）位）尋址尋址按按 字字 （32位）位）尋址尋址224= 16 M223 = 8 M222 = 4 M尋址范圍尋址范圍容量容量224 = 227位位 223 = 227位位 222 = 227位位 字節(jié)字節(jié) 尋址尋址字（字（16位）位）尋址尋址字字 （32位）位）尋址尋址24 位位23 位位22 位位字節(jié)地址字節(jié)地址字節(jié)地址字節(jié)地

15、址23 24 251. .對于一定容量的存儲器，按字節(jié)或字訪問對于一定容量的存儲器，按字節(jié)或字訪問 的尋址范圍是不同的的尋址范圍是不同的難點難點2. 多體并行結構存儲器順序編址和交叉編址多體并行結構存儲器順序編址和交叉編址 對訪存速度的影響對訪存速度的影響 多體并行系統(tǒng)多體并行系統(tǒng)(1) 高位交叉高位交叉 M0M1M2M3體內地址體內地址體號體號體號體號地址地址00 000000 000100 111101 000001 000101 111110 000010 000110 111111 000011 000111 1111順序編址順序編址 各個體并行工作各個體并行工作M0地址地址01n1M

16、1nn+12n1M22n2n+13n1M33n3n+14n1地址譯碼地址譯碼體內地址體內地址體號體號體號體號(1) 高位交叉高位交叉 M0M1M2M3體號體號體內地址體內地址地址地址0000 000000 010000 100000 110001 000001 010001 100001 111111 001111 011111 101111 11(2) 低位交叉低位交叉各個體輪流編址各個體輪流編址M0地址地址044n4M1154n3M2264n2M3374n1地址譯碼地址譯碼 體號體號體內地址體內地址 體號體號(2) 低位交叉低位交叉 各個體輪流編址各個體輪流編址低位交叉的特點低位交叉的特點

17、在不改變存取周期的前提下，增加存儲器的帶寬在不改變存取周期的前提下，增加存儲器的帶寬時間時間 單體單體訪存周期訪存周期 單體單體訪存周期訪存周期啟動存儲體啟動存儲體 0啟動存儲體啟動存儲體 1啟動存儲體啟動存儲體 2啟動存儲體啟動存儲體 3 設四體低位交叉存儲器，存取周期為設四體低位交叉存儲器，存取周期為T，總線傳輸周期，總線傳輸周期為為，為實現(xiàn)流水線方式存取，應滿足，為實現(xiàn)流水線方式存取，應滿足 T 4。連續(xù)讀取連續(xù)讀取 4 個字所需的時間為個字所需的時間為 T(4 1)1. .對于一定容量的存儲器，按字節(jié)或字訪問對于一定容量的存儲器，按字節(jié)或字訪問 的尋址范圍是不同的的尋址范圍是不同的難點

18、難點2. 多體并行結構存儲器順序編址和交叉編址多體并行結構存儲器順序編址和交叉編址 對訪存速度的影響對訪存速度的影響3. 不同的不同的 Cache 主存地址映射，直接影響主主存地址映射，直接影響主存地址字段的分配、替換策略及命中率存地址字段的分配、替換策略及命中率（1） 直接映射直接映射每個緩存塊每個緩存塊 i 可以和可以和 若干若干 個個 主存塊主存塊 對應對應每個主存塊每個主存塊 j 只能和只能和 一一 個個 緩存塊緩存塊 對應對應i = j mod C 字塊字塊2m1 字塊字塊2c+1 字塊字塊2c+11 字塊字塊2c +1 字塊字塊2c 字塊字塊2c1 字塊字塊1 字塊字塊0主存儲體主

19、存儲體 字塊字塊 1標記標記 字塊字塊 0標記標記字塊字塊 2c1標記標記Cache存儲體存儲體t位位01C1 字塊字塊字塊地址字塊地址主存字主存字塊標記塊標記t 位位c 位位b 位位主存地址主存地址 比較器（比較器（t位）位）= 不命中不命中有效位有效位=1？*m位位Cache內地址內地址否否是是命中命中 字塊字塊2c+1 字塊字塊2c 字塊字塊0 字塊字塊 0（2） 全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射主存主存 中的中的 任一塊任一塊 可以映射到可以映射到 緩存緩存 中的中的 任一塊任一塊字塊字塊2m1字塊字塊2c1字塊字塊1 字塊字塊0字塊字塊2c1字塊字塊1字塊字塊0標記標記標記標記標記標記主存字塊標

20、記主存字塊標記字塊內地址字塊內地址主存地址主存地址m = t + c 位位b位位m = t+cCache 存儲器存儲器主存儲器主存儲器 字塊字塊0字塊字塊2m1字塊字塊2c-r+1 字塊字塊2c-r + 1 字塊字塊2c-r字塊字塊2c-r 字塊字塊1 字塊字塊0 字塊字塊 3標記標記 字塊字塊 1標記標記字塊字塊 2c1標記標記 字塊字塊 2標記標記 字塊字塊 0標記標記字塊字塊 2c2標記標記 字塊內地址字塊內地址組地址組地址主存字塊標記主存字塊標記s = t + r 位位q = cr 位位b 位位組組012c-r1主存地址主存地址Cache主存儲器主存儲器m 位位共共 Q 組組，每組內兩

21、塊（，每組內兩塊（r = 1)1某一主存塊某一主存塊 j 按模按模 Q 映射到映射到 緩存緩存 的第的第 i 組組中的中的 任一塊任一塊i = j mod Q直接映射直接映射全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射 字塊字塊0 字塊字塊 1 字塊字塊 0 字塊字塊2c-r 字塊字塊2c-r+1（3）組相聯(lián)映射）組相聯(lián)映射假設主存容量為假設主存容量為 512 KB，Cache 容量為容量為 4KB，每個字塊為，每個字塊為 16 個字，每個字個字，每個字 32 位。位。例例 根據(jù)根據(jù) Cache 容量為容量為 4KB 得得 Cache 地址地址 12 位位 4KB/4B = 1K字字 1K/16 = 64 塊塊 根據(jù)

22、根據(jù) 512KB 得主存地址得主存地址 19 位位 512KB/4B = 128K字字 128K/16 = 8192 塊。塊。（1）Cache 地址有多少位？可容納多少塊？地址有多少位？可容納多少塊？（2）主存地址有多少位？可容納多少塊？）主存地址有多少位？可容納多少塊？（3）在直接映射方式下，主存的第幾塊映射到）在直接映射方式下，主存的第幾塊映射到 Cache 中的第中的第 5 塊（設起始字塊為第塊（設起始字塊為第 1 塊）？塊）？ 主存的第主存的第 5，64 + 5，264 + 5， ， 8192 64 + 5 塊塊 能映射到能映射到 Cache 的第的第 5 塊塊（4）畫出直接映射方式下

23、主存地址字段中各段的位數(shù)）畫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。其中字塊內地址為如圖所示。其中字塊內地址為 6 位（位（4 位表示位表示 16 個字，個字，2 位表示每字位表示每字 32 位），緩存共位），緩存共 64 塊，故緩存字塊地址為塊，故緩存字塊地址為 6 位，主存字塊標記為主存地址長度與位，主存字塊標記為主存地址長度與 Cache 地址長度之差，地址長度之差，即即 19 - 12 = 7 位。位。 假設主存容量位假設主存容量位 512K16 位，位，Cache 容量為容量為 409

24、616 位，位， 塊長為塊長為 4 個個 16 位的字，訪存地址為位的字，訪存地址為 字地址字地址。例例 根據(jù)根據(jù) Cache 容量為容量為 4K字，得字，得 Cache 字地址為字地址為 12 位。位。 根據(jù)塊長為根據(jù)塊長為 4，按字訪問，得字塊內地址，按字訪問，得字塊內地址 2 位，位， Cache 共有共有 4K/4 = 1024 塊，塊， 根據(jù)主存容量為根據(jù)主存容量為 512K，得主存字地址，得主存字地址 19 位。位。 主存地址格式主存地址格式（1）在直接映射方式下，設計主存的地址格式。）在直接映射方式下，設計主存的地址格式。假設主存容量位假設主存容量位 512K16 位，位，Cac

25、he 容量為容量為 409616 位，位， 塊長為塊長為 4個個16 位的字，訪存地址為位的字，訪存地址為 字地址字地址。例例 （3）在二路組相聯(lián)映射方式下，設計主存的地址格式。）在二路組相聯(lián)映射方式下，設計主存的地址格式。 二路組相聯(lián)，即一組內有二路組相聯(lián)，即一組內有 2 塊，塊，Cache共分共分 1024 塊塊 1024/2 = 512 組，組，29 = 512，組地址，組地址 9 位位（2）在全相聯(lián)映射方式下，設計主存的地址格式。）在全相聯(lián)映射方式下，設計主存的地址格式。假設主存容量位假設主存容量位 512K16 位，位，Cache容量為容量為 409616 位，位， 塊長為塊長為 4

26、個個 16 位的字，訪存地址為位的字，訪存地址為 字地址字地址。例例 根據(jù)塊長不變根據(jù)塊長不變 4 個個16 位的字位的字 訪存地址仍為字（訪存地址仍為字（16 位）地址位）地址 容量為容量為 512K32 位位 相當于容量為相當于容量為 1024K16 位位 得主存地址得主存地址 20 位位 四路組相聯(lián)，即一組內四路組相聯(lián)，即一組內 4 塊塊 Cache共有共有1024/4 = 256 組組 28 = 256 組地址為組地址為 8 位位（4）主存容量為）主存容量為 512K32 位，塊長不變，在四路組相聯(lián)映射位，塊長不變，在四路組相聯(lián)映射 方式下，設計主存的地址格式。方式下，設計主存的地址格

27、式。1. .主機與主機與 I/O 交換信息的三種控制方式交換信息的三種控制方式重點重點三種方式的三種方式的 CPU 工作效率比較工作效率比較存取周期結束存取周期結束CPU 執(zhí)行現(xiàn)行程序執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU 執(zhí)行現(xiàn)行程序執(zhí)行現(xiàn)行程序DMA請求請求啟動啟動I/OI/O準備準備I/O準備準備一個存取周期一個存取周期實現(xiàn)實現(xiàn)I/O與主存與主存之間的傳送之間的傳送CPU 執(zhí)行執(zhí)行現(xiàn)行程序現(xiàn)行程序CPU查詢等待并傳輸查詢等待并傳輸I/O數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)CPU 執(zhí)行執(zhí)行現(xiàn)行程序現(xiàn)行程序啟動啟動I/OI/O 準備及傳送準備及傳送指令執(zhí)行周期結束指令執(zhí)行周期結束CPU 執(zhí)行現(xiàn)行程序執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU 執(zhí)行現(xiàn)行程序執(zhí)行現(xiàn)行

28、程序啟動啟動I/O中斷請求中斷請求I/O準備準備I/O準備準備CPU 處理中斷服務程序處理中斷服務程序實現(xiàn)實現(xiàn) I/O 與主機之間的傳送與主機之間的傳送間間斷斷啟動啟動I/O啟動啟動I/OI/O準備準備中斷請求中斷請求啟動啟動I/OI/O準備準備一個存取周期一個存取周期DMA請求請求程序程序查詢查詢方式方式程序程序中斷中斷方式方式DMA 方式方式I/O 準備及傳送準備及傳送間間斷斷I/O準備準備I/O準備準備1. .主機與主機與 I/O 交換信息的三種控制方式交換信息的三種控制方式重點重點2. 程序查詢方式特點、接口電路、工作原理程序查詢方式特點、接口電路、工作原理設備選擇電路設備選擇電路DB

29、RQQ&數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線準備就緒準備就緒啟動命令啟動命令地址線地址線SEL輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)啟動設備啟動設備設備工作設備工作 結束結束DB程序查詢方式的接口電路程序查詢方式的接口電路10 10以輸入為例以輸入為例1. .主機與主機與 I/O 交換信息的三種控制方式交換信息的三種控制方式重點重點2. 程序查詢方式特點、接口電路、工作原理程序查詢方式特點、接口電路、工作原理3. 程序中斷方式特點、接口電路、工作原理程序中斷方式特點、接口電路、工作原理設備選擇電路設備選擇電路DBR DQ&數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線啟動命令啟動命令地址線地址線SEL輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)啟動設備啟動設備設備工作設備工作 結束結

30、束&1QQDINTR BQQ MASK設備編碼器設備編碼器排隊器排隊器中斷查詢中斷查詢來自高一級來自高一級 的排隊器的排隊器至低一級至低一級的排隊器的排隊器向量地址向量地址中斷響應中斷響應 INTA中斷請求中斷請求命令譯碼命令譯碼I/O 中斷處理過程中斷處理過程10&DBR設備選擇電路設備選擇電路01以輸入為例以輸入為例1. .主機與主機與 I/O 交換信息的三種控制方式交換信息的三種控制方式重點重點2. 程序查詢方式特點、接口電路、工作原理程序查詢方式特點、接口電路、工作原理3. 程序中斷方式特點、接口電路、工作原理程序中斷方式特點、接口電路、工作原理4. DMA 方式特點、

31、接口電路、工作原理方式特點、接口電路、工作原理BR設備設備DMA 控控 制制 邏邏 輯輯 中中 斷斷 機機 構構ARWCDARDMA接口接口主主存存CPU+1+1數(shù)據(jù)傳送過程（輸入）數(shù)據(jù)傳送過程（輸入）DREQHRQHLDA地址線地址線DACK數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線溢出信號溢出信號中斷請求中斷請求ARWC+1+1BRBRBRBRBR難點難點1.1.處理處理 I/O 中斷的各類軟、硬件技術的運用中斷的各類軟、硬件技術的運用2. .DMA 與主存交換數(shù)據(jù)的三種方法各自的特點與主存交換數(shù)據(jù)的三種方法各自的特點 3. 周期竊取的含義周期竊取的含義 4. .CPU 響應中斷請求和響應中斷請求和 DMA 請求的時間

32、請求的時間 1. .機器中有符號數(shù)和無符號數(shù)的表示，機器中有符號數(shù)和無符號數(shù)的表示，0 0 的表示的表示重點重點2. 各種機器數(shù)（原碼、補碼、反碼、移碼）的各種機器數(shù)（原碼、補碼、反碼、移碼）的 應用場合及其它們與真值的相互轉換應用場合及其它們與真值的相互轉換如：寄存器的內容為如：寄存器的內容為 FF，當其分別表示為原碼、，當其分別表示為原碼、補碼、補碼、 反碼、移碼時所對應的真值分別為多少反碼、移碼時所對應的真值分別為多少3. .機器字長確定以后，對應定點機和浮點機中機器字長確定以后，對應定點機和浮點機中 各種機器數(shù)的表示范圍各種機器數(shù)的表示范圍 重點重點4. 移位運算在計算機中的特殊作用，

33、以及不同移位運算在計算機中的特殊作用，以及不同 機器數(shù)的移位規(guī)則機器數(shù)的移位規(guī)則 5. 定點補碼加、減、乘（定點補碼加、減、乘（BoothBooth算法）、除運算算法）、除運算 和原碼乘除運算和原碼乘除運算 6. .浮點補碼加減運算浮點補碼加減運算 重點重點7. 提高運算速度的措施提高運算速度的措施8. 快速進位鏈的設計快速進位鏈的設計 高速芯片、改進算法、快速進位鏈高速芯片、改進算法、快速進位鏈 1. .機器字長相同的條件下，機器字長相同的條件下， 補碼比原碼和反碼能多表示一個負數(shù)補碼比原碼和反碼能多表示一個負數(shù) 難點難點2. 區(qū)分浮點數(shù)和補碼表示的浮點規(guī)格化數(shù)區(qū)分浮點數(shù)和補碼表示的浮點規(guī)格

34、化數(shù) 設設 32 位的浮點數(shù)，階碼取位的浮點數(shù)，階碼取 8 位（含位（含1 位階符位階符 ）尾數(shù)為尾數(shù)為 24 位位 （含（含1 1 位數(shù)符位數(shù)符 ）則它們的表示范圍是則它們的表示范圍是浮點規(guī)格化數(shù)浮點規(guī)格化數(shù)補碼表示的補碼表示的浮點規(guī)格化數(shù)浮點規(guī)格化數(shù)最大正數(shù)最大正數(shù)最小正數(shù)最小正數(shù)最大負數(shù)最大負數(shù)最小負數(shù)最小負數(shù)2+127(1-2-23)2+127(1-2-23)2-1272-12-1282-1- 2-1272-1- 2-128(2-1+2-23) - 2+127(1-2-23)2+127(-1)1. .機器字長相同的條件下，機器字長相同的條件下， 補碼比原碼和反碼能多表示一個負數(shù)補碼比原

35、碼和反碼能多表示一個負數(shù) 難點難點2. 區(qū)分浮點數(shù)和補碼表示的浮點規(guī)格化數(shù)區(qū)分浮點數(shù)和補碼表示的浮點規(guī)格化數(shù) 3. .在定點機和浮點機中，如何判斷運算結果溢出在定點機和浮點機中，如何判斷運算結果溢出4. 原碼和補碼乘除法運算的根本區(qū)別原碼和補碼乘除法運算的根本區(qū)別難點難點5. 區(qū)別補碼和絕對值的補碼區(qū)別補碼和絕對值的補碼 -x補補 和和 -x*補補（x*是真值是真值 x 的絕對值）的絕對值） 6. 不同的機器數(shù)運算規(guī)則不同，直接影響運算器不同的機器數(shù)運算規(guī)則不同，直接影響運算器 的硬件組成的硬件組成7. 浮點數(shù)的階碼采用移碼運算時，其階碼運算規(guī)則浮點數(shù)的階碼采用移碼運算時，其階碼運算規(guī)則 和溢

36、出判斷規(guī)則與補碼運算是不同的和溢出判斷規(guī)則與補碼運算是不同的1. .指令系統(tǒng)的幾個要素指令系統(tǒng)的幾個要素 操作類型、數(shù)據(jù)類型、地址格式和尋址方式操作類型、數(shù)據(jù)類型、地址格式和尋址方式重點重點2. 機器指令的一般格式機器指令的一般格式 指令定長指令定長 指令不定長（字節(jié)的整數(shù)倍）指令不定長（字節(jié)的整數(shù)倍） 指令字中各字段的作用指令字中各字段的作用3. .不同的地址格式對訪存次數(shù)、尋址范圍的影響不同的地址格式對訪存次數(shù)、尋址范圍的影響重點重點4. 不同的尋址方式對操作數(shù)的尋址范圍、信息加不同的尋址方式對操作數(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工流程、所需的硬件支持及編制程序

37、的影響5. RISC 的主要特點及其與的主要特點及其與 CISC 的區(qū)別的區(qū)別1. .掌握設計指令格式的方法掌握設計指令格式的方法難點難點 某模型機共有某模型機共有64種操作，操作碼位數(shù)固定，且具有種操作，操作碼位數(shù)固定，且具有 以下特點：以下特點：（1）采用一地址或二地址格式；）采用一地址或二地址格式；（2）有寄存器尋址、直接尋址和相對尋址（位移量）有寄存器尋址、直接尋址和相對尋址（位移量 為為 128 + 127）三種尋址方式；）三種尋址方式；（3）有）有16個通用寄存器，算術運算和邏輯運算的個通用寄存器，算術運算和邏輯運算的 操作數(shù)均在寄存器中，結果也在寄存器中；操作數(shù)均在寄存器中，結果

38、也在寄存器中；（4）取數(shù)）取數(shù)/存數(shù)指令在通用寄存器和存儲器之間傳送存數(shù)指令在通用寄存器和存儲器之間傳送 數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)；（5）存儲器容量為）存儲器容量為 1MB，按字節(jié)編址。，按字節(jié)編址。 要求設計算邏指令、取數(shù)要求設計算邏指令、取數(shù)/ /存數(shù)指令和相對轉移指令存數(shù)指令和相對轉移指令 的格式，并簡述理由。的格式，并簡述理由。例例 （1）算邏指令格式為算邏指令格式為 “寄存器寄存器 寄存器寄存器” 型，型， 取單字長取單字長 16 位。位。其中其中 OP 操作碼操作碼 6 位，可實現(xiàn)位，可實現(xiàn) 64 種操作；種操作； M 尋址模式尋址模式 2 位，可反映寄存器尋址、位，可反映寄存器尋址、 直接尋址

39、、相對尋址；直接尋址、相對尋址； Ri 和和 Rj各取各取 4 位，指出源操作數(shù)和目的操作數(shù)位，指出源操作數(shù)和目的操作數(shù) 的寄存器編號。的寄存器編號。RjRiMOP 6 2 4 4解：解：（2）取數(shù)）取數(shù)/存數(shù)指令格式為存數(shù)指令格式為 “寄存器寄存器 存儲器存儲器” 型，取雙字長型，取雙字長 32 位，格式如下：位，格式如下：其中其中 OP 操作碼操作碼 6 位不變；位不變； M 尋址模式尋址模式 2 位不變；位不變； Ri 4 位，源操作數(shù)地址（存數(shù)指令）或目的位，源操作數(shù)地址（存數(shù)指令）或目的 操作數(shù)地址（取數(shù)指令）；操作數(shù)地址（取數(shù)指令）； A1A2共共 20 位存儲器地址，可直接訪問按

40、位存儲器地址，可直接訪問按 字節(jié)編址的字節(jié)編址的 1MB 存儲器。存儲器。A2A1RiMOP 6 2 4 4解：解：（3）相對轉移指令為一地址格式，取單字長）相對轉移指令為一地址格式，取單字長 16 位，格式如下：位，格式如下：其中其中 OP 操作碼操作碼 6 位不變；位不變； M 尋址模式尋址模式 2 位不變；位不變； A位移量位移量 8 位，對應位，對應 128 +127。AMOP 6 2 8解：解：2. .擴展操作碼技術的運用擴展操作碼技術的運用難點難點1. .掌握設計指令格式的方法掌握設計指令格式的方法 擴展操作碼技術擴展操作碼技術操作碼的位數(shù)隨地址數(shù)的減少而增加操作碼的位數(shù)隨地址數(shù)的

41、減少而增加OP A1 A2 A3000000011110A1A1A1A2A2A2A3A3A3A2A2A2A3A3A3111111111111000000011110111111111111111111111111111111111111000000011111111111111111111111111111A3A3A30000000111104 位操作碼位操作碼8 位操作碼位操作碼12 位操作碼位操作碼16 位操作碼位操作碼最多最多15條三地址指令條三地址指令最多最多15條二地址指令條二地址指令最多最多15條一地址指令條一地址指令16條零地址指令條零地址指令 擴展操作碼技術擴展操作碼技術操作碼

42、的位數(shù)隨地址數(shù)的減少而增加操作碼的位數(shù)隨地址數(shù)的減少而增加OP A1 A2 A3000000011110A1A1A1A2A2A2A3A3A3A2A2A2A3A3A3111111111111000000011110111111111111111111111111111111111111000000011111111111111111111111111111A3A3A30000000111104 位操作碼位操作碼8 位操作碼位操作碼12 位操作碼位操作碼16 位操作碼位操作碼三地址指令操作碼三地址指令操作碼每減少一種可多構成每減少一種可多構成24 種二地址指令種二地址指令二地址指令操作碼二地址指令

43、操作碼每減少一種可多構成每減少一種可多構成24 種一地址指令種一地址指令3. .在可按字節(jié)和字尋址的存儲器中，不同的在可按字節(jié)和字尋址的存儲器中，不同的 機器，其數(shù)據(jù)的存放方式是不同的機器，其數(shù)據(jù)的存放方式是不同的4. 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) “邊界對準邊界對準” 方式和方式和 “邊界不對準邊界不對準” 方式方式 對訪存操作的影響對訪存操作的影響難點難點2. .擴展操作碼技術的運用擴展操作碼技術的運用1. .掌握設計指令格式的方法掌握設計指令格式的方法1. .CPU 的功能和硬件組成的功能和硬件組成重點重點2. CPU 工作周期和指令周期的概念工作周期和指令周期的概念3. 一個完整的指令周期中的信息流程一個

44、完整的指令周期中的信息流程1. 取指周期數(shù)據(jù)流取指周期數(shù)據(jù)流指令周期的數(shù)據(jù)流指令周期的數(shù)據(jù)流MDRCUMARPCIR存儲器存儲器CPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線IR+1 2. 間址周期數(shù)據(jù)流間址周期數(shù)據(jù)流MDRCUMARCPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線PCIR存儲器存儲器MDR3. 執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流4 . 中斷周期數(shù)據(jù)流中斷周期數(shù)據(jù)流不同指令的執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流不同不同指令的執(zhí)行周期數(shù)據(jù)流不同MDRCUMARCPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線PC存儲器存儲器1. .CPU 的功能和硬件組成的功能和硬件組成重點重點2. CP

45、U 工作周期和指令周期的概念工作周期和指令周期的概念3. 一個完整的指令周期中的信息流程一個完整的指令周期中的信息流程4. 如何提高控制器的處理能力如何提高控制器的處理能力 指令流水指令流水5. 中斷系統(tǒng)需要解決的問題及實施方案中斷系統(tǒng)需要解決的問題及實施方案中斷系統(tǒng)需解決的問題中斷系統(tǒng)需解決的問題(1) 各中斷源各中斷源 如何如何 向向 CPU 提出請求提出請求 ？(2) 各中斷源各中斷源 同時同時 提出提出 請求請求 怎么辦怎么辦 ？(5) 如何如何 尋找入口地址尋找入口地址 ？(4) 如何如何 保護現(xiàn)場保護現(xiàn)場 ？(3) CPU 什么什么 條件條件、什么、什么 時間時間、以什么以什么 方

46、式方式 響應中斷響應中斷 ？(6) 如何如何 恢復現(xiàn)場恢復現(xiàn)場，如何，如何 返回返回 ？(7) 處理中斷的過程中又處理中斷的過程中又 出現(xiàn)新的中斷出現(xiàn)新的中斷 怎么辦怎么辦 ？硬件硬件 軟件軟件難點難點1. .影響指令流水線性能的因素影響指令流水線性能的因素結構相關結構相關流水線中不同指令爭用同流水線中不同指令爭用同一功能部件產(chǎn)生資源沖突一功能部件產(chǎn)生資源沖突數(shù)據(jù)相關數(shù)據(jù)相關流水線中各條指令因重疊操作流水線中各條指令因重疊操作而改變對操作數(shù)的讀寫順序而改變對操作數(shù)的讀寫順序RAW WAR WAW控制相關控制相關 由轉移指令引起由轉移指令引起 影響流水線性能的因素影響流水線性能的因素1. 結構相

47、關結構相關兩條指令同時訪存造成結構相關沖突兩條指令同時訪存造成結構相關沖突指令指令時鐘周期時鐘周期12345678LOAD指令指令IFIDEXMEMWB指令指令i+1IFIDEXMEMWB指令指令i+2IFIDEXMEMWB指令指令i+3 IF IDEXMEMWB指令指令i+4IFIDEXMEM1. 結構相關結構相關 解決訪存沖突的一種方案解決訪存沖突的一種方案指令指令時鐘周期時鐘周期123456789LOAD指令指令IFIDEXMEMWB指令指令i+1IFIDEXMEMWB指令指令i+2IFIDEXMEMWB指令指令i+3 停頓停頓 IF ID EXMEMWB指令指令i+4 IF ID EX

48、MEM2. 數(shù)據(jù)相關數(shù)據(jù)相關不同指令因重疊操作，可能改變操作數(shù)的不同指令因重疊操作，可能改變操作數(shù)的 讀讀/寫寫 訪問順序訪問順序例如流水線要執(zhí)行下列指令序列例如流水線要執(zhí)行下列指令序列ADD R1，R2，R3 ；(R2) + (R3) R1SUB R4，R1，R5 ；(R1) (R5) R4AND R6，R1，R7 ；(R1) AND (R7) R6OR R8，R1，R9 ；(R1) OR (R9) R8XOR R10，R1，R11 ；(R1) XOR (R11) R102. 數(shù)據(jù)相關數(shù)據(jù)相關 對數(shù)據(jù)相關進行特殊處理的流水線對數(shù)據(jù)相關進行特殊處理的流水線指令指令時鐘周期時鐘周期1234567

49、89101112ADDIFIDEXMEMWBSUBIFIDEXMEMWBANDIFIDEXMEMWBORIFIDEXMEMWBXORIFIDEXMEMWB3. 控制相關控制相關BNE 指令必須等指令必須等CPX 指令的結果指令的結果才能判斷出才能判斷出是轉移是轉移還是順序執(zhí)行還是順序執(zhí)行LDA # 0LDX # 0INXCPX # NBNE MDIV # NSTA ANSADD X, DM由轉移指令引起由轉移指令引起3. 控制相關控制相關WOEIFOCODIWOEIFODIFIFIDIFICOFIFOCODIFIWOEIFOCODIFIDIFOEIWOEIFOCOFIDICOWODIFICOF

50、I指令指令 1指令指令 2指令指令 3指令指令 4指令指令 5指令指令 6指令指令 7指令指令15指令指令16 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14轉移損失轉移損失t設設 指令指令3 是轉移指令是轉移指令難點難點3. 響應優(yōu)先級和處理優(yōu)先級的區(qū)別響應優(yōu)先級和處理優(yōu)先級的區(qū)別1. .影響指令流水線性能的因素影響指令流水線性能的因素2. .掌握各種中斷技術掌握各種中斷技術，實現(xiàn)多重中斷需配置哪些硬件實現(xiàn)多重中斷需配置哪些硬件響應優(yōu)先級響應優(yōu)先級 ABCD 降序排列降序排列 不可改變不可改變響應優(yōu)先級響應優(yōu)先級處理優(yōu)先級處理優(yōu)先級可改變（通過重新設置屏蔽字）可改變（通過重

51、新設置屏蔽字）中斷源中斷源原屏蔽字原屏蔽字新屏蔽字新屏蔽字ABCD 1 1 1 10 1 1 10 0 1 10 0 0 1 1 1 1 10 1 0 00 1 1 00 1 1 1 處理優(yōu)先級處理優(yōu)先級 ADCB 降序排列降序排列屏蔽技術可改變處理優(yōu)先等級屏蔽技術可改變處理優(yōu)先等級服務程序服務程序B處理完處理完C處理完處理完D處理完處理完A處理完處理完t主程序主程序A程序程序B程序程序C程序程序D程序程序A、B、C、D同時請求中斷同時請求中斷CPU 執(zhí)行程序軌跡（原屏蔽字）執(zhí)行程序軌跡（原屏蔽字） 原屏蔽字原屏蔽字A 1 1 1 1B 0 1 1 1C 0 0 1 1D 0 0 0 1屏蔽技

52、術可改變屏蔽技術可改變 處理處理 優(yōu)先等級優(yōu)先等級服務程序服務程序D處理完處理完C處理完處理完B處理完處理完A處理完處理完t主程序主程序A程序程序B程序程序C程序程序D程序程序A、B、C、D同時請求中斷同時請求中斷CPU 執(zhí)行程序軌跡（新屏蔽字）執(zhí)行程序軌跡（新屏蔽字） 新屏蔽字新屏蔽字A 1 1 1 1B 0 1 0 0C 0 1 1 0D 0 1 1 1新屏蔽字設在中斷服務程序中新屏蔽字設在中斷服務程序中難點難點3. 響應優(yōu)先級和處理優(yōu)先級的區(qū)別響應優(yōu)先級和處理優(yōu)先級的區(qū)別4. .超標量超標量、超流水、超長指令字的特點超流水、超長指令字的特點1. .影響指令流水線性能的因素影響指令流水線性

53、能的因素2. .掌握各種中斷技術掌握各種中斷技術，實現(xiàn)多重中斷需配置哪些硬件實現(xiàn)多重中斷需配置哪些硬件超標量超標量：一個時鐘周期內有多個功能部件同時一個時鐘周期內有多個功能部件同時 執(zhí)行多條指令執(zhí)行多條指令超流水超流水：同一個功能部件在一個時鐘周期內被：同一個功能部件在一個時鐘周期內被 使用多次使用多次超長指令字超長指令字：把多條能并行操作的指令組合成：把多條能并行操作的指令組合成 一條具有多個操作碼字段的超長一條具有多個操作碼字段的超長 指令，有多個功能部件同時工作指令，有多個功能部件同時工作超標量超標量、超流水、超長指令字的特點、超流水、超長指令字的特點1. .控制單元對不同的指令在取指、

54、間址和控制單元對不同的指令在取指、間址和 中斷周期中，發(fā)出哪些相同的操作命令中斷周期中，發(fā)出哪些相同的操作命令 重點重點PC MAR 地址線地址線1 RM ( MAR ) MDRMDR IR( PC ) + 1 PC+1 MDRCUMAR PC IR存儲器存儲器CPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線OP（IR） CU取指周期取指周期 間址周期間址周期 M ( MAR ) MDR1 RAd ( IR ) MARMDR Ad ( IR )指令形式地址指令形式地址 MARMDRCUMARCPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線IR存儲器存儲器 中斷周期中斷周期程序斷點存

55、入程序斷點存入 “ 0 ” 地址地址0 MAR1 WPC MDRMDR M ( MAR )向量地址向量地址 PC0 EINT（置置“0”）向量地址向量地址 PC程序斷點程序斷點 進棧進棧0 EINT（置置“0”）MDR M ( MAR )PC MDR1 W( SP ) 1 SP MAR中斷識別程序入口地址中斷識別程序入口地址 M PC1. .控制單元對不同的指令在取指、間址和控制單元對不同的指令在取指、間址和 中斷周期中，發(fā)出哪些相同的操作命令中斷周期中，發(fā)出哪些相同的操作命令 重點重點2. 控制單元控制單元對對不同不同的指令在執(zhí)行的指令在執(zhí)行周期發(fā)出的周期發(fā)出的 微操作命令是不同的微操作命令

56、是不同的3. 多級時序系統(tǒng)多級時序系統(tǒng)CLKT0T1T2T3時鐘周期時鐘周期機器周期、時鐘周期和節(jié)拍的關系機器周期、時鐘周期和節(jié)拍的關系機器周期機器周期機器周期機器周期T0T1T2T3T0T1T2T31. .控制單元對不同的指令在取指、間址和控制單元對不同的指令在取指、間址和 中斷周期中，發(fā)出哪些相同的操作命令中斷周期中，發(fā)出哪些相同的操作命令 重點重點2. 控制單元控制單元對對不同不同的指令在執(zhí)行的指令在執(zhí)行周期發(fā)出的周期發(fā)出的 微操作命令是不同的微操作命令是不同的3. 多級時序系統(tǒng)多級時序系統(tǒng)4. 控制單元的控制方式控制單元的控制方式 同步、異步、聯(lián)合同步、異步、聯(lián)合1. .指令周期、機器周期、時鐘周期指令周期、機器周期、時鐘周期 與控制信號的關系與控制信號的關系難點難點指令周期、機器周期、時鐘周期與控制信號的關