1、哈爾濱工業大學哈爾濱工業大學唐朔飛唐朔飛20102010年年1212月月1010日日 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的硬件結構計算機系統的硬件結構計算機計算機I/O系統總線系統總線存儲器存儲器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系統總線系統總線存儲器存

2、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系統總線系統總線存儲器存儲器CPU基本概念基本概念1. .計算機系統及計算機系統的層次結構計算機系統及計算機系統的層次結構計算機系統的層次結構計算機系統的層次結構高級語言高級語言虛擬機器虛擬機器 M3匯編語言匯編語言虛擬機器虛擬機器 M2操作系統操作系統虛擬機器虛擬機器機器語言機器語言實際機器實際機器 M1微指令系統微指令系統微程序機器微程序機器 M0用編譯程序翻譯用編譯程序翻譯成匯編語言程序成匯編語言程序用

3、匯編程序翻譯用匯編程序翻譯成機器語言程序成機器語言程序用機器語言解釋操作系統用機器語言解釋操作系統用微指令解釋機器指令用微指令解釋機器指令由硬件直接執行微指令由硬件直接執行微指令軟軟件件硬硬件件虛擬機器虛擬機器 M4虛擬機器虛擬機器 M3虛擬機器虛擬機器 M2實際機器實際機器 M1微程序機器微程序機器 M0基本概念基本概念1. .計算機系統及計算機系統的層次結構計算機系統及計算機系統的層次結構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、系統軟件、應用軟件軟件、系統軟件、應用軟件4. .高級語言、匯編語言、機器語言高級語言、匯編語

4、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：主機完成一條指令的信息流程主機完成一條指令的信息流程 ( (以存數指令為例以存數指令為例) )取指令取指令分析指令分析指令執行指令執行指令

5、取指階段取指階段執行階段執行階段 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分存放在存儲器中的指令和數據如何區分存放在存儲器中的指令和數據取指階段取出的是取指階段取出的是 指令指令執行階段取出的是執行階段取出的是 數據數據重點重點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的特點什么是總線總線上信息傳輸的特點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線傳輸周期例例 假設總線的時鐘頻率為假設總線的時鐘頻率為 100 MHz，總線的傳輸周期為，總線的傳輸周期為 4 個個時鐘周期，總線的寬度為時鐘周期，總線的寬度為 32 位，試求總線的數據傳輸

6、率。若位，試求總線的數據傳輸率。若想提高一倍數據傳輸率，可采取什么措施？想提高一倍數據傳輸率，可采取什么措施？解：解：根據總線時鐘頻率為根據總線時鐘頻率為100 MHz， 得得 1 個時鐘周期為個時鐘周期為 1/100 MHz = 0.01s 總線傳輸周期為總線傳輸周期為 0.01s4 = 0.04s 由于總線的寬度為由于總線的寬度為 32 位位 = 4 B（字節）（字節）故總線的數據傳輸率為故總線的數據傳輸率為 4 B/（0.04s）=100 MBps總線帶寬（總線的數據傳輸率）總線帶寬（總線的數據傳輸率）與總線的寬度和總線的時鐘頻率有關與總線的寬度和總線的時鐘頻率有關例例 假設總線的時鐘頻

7、率為假設總線的時鐘頻率為 100 MHz，總線的傳輸周期為，總線的傳輸周期為 4 個個時鐘周期，總線的寬度為時鐘周期，總線的寬度為 32 位，試求總線的數據傳輸率。若位，試求總線的數據傳輸率。若想提高一倍數據傳輸率，可采取什么措施？想提高一倍數據傳輸率，可采取什么措施？總線帶寬（總線的數據傳輸率）總線帶寬（總線的數據傳輸率）與總線的寬度和總線的時鐘頻率有關與總線的寬度和總線的時鐘頻率有關 若想提高一倍數據傳輸率若想提高一倍數據傳輸率 (1) 在不改變總線時鐘頻率的前提下在不改變總線時鐘頻率的前提下 數據線寬度改為數據線寬度改為 64 位位 (2) 保持數據寬度為保持數據寬度為 32 位位 總線

8、的時鐘頻率增加到總線的時鐘頻率增加到 200 MHz。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，包括判優控制和如何對總線進行管理，包括判優控制和 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的特點什么是總線總線上信息傳輸的特點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線傳輸周期 （1） 集中式判優控制方式一集中式判優控制方式一 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數據線數據線地址線地址線BS -總線忙總線忙BR-總線請求總線請求BG-

9、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據線數據線地址線地址線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）集中式判優控制方式二）集中式判優控制方式二 計數器定時查詢計數器定時查詢I/O接口接口1 計數器計數器設備地址設備地址 1排隊器排隊器排隊器排隊器（3）集中式判優控制方式三）集中式判優控制方式三 獨立請求獨立請求總總線線控控制制部部件件數據線數據線地址線地址線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

10、共時鐘（結合波形）采用公共時鐘（結合波形）難點：難點：總線的通信控制總線的通信控制 讀讀命令命令同步式數據輸入同步式數據輸入T1總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時鐘時鐘 地址地址 數據數據同步通信同步通信 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絡通信網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：難點：異步通信異步

11、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 數據數據 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 均為主模塊、同

12、步方式均為主模塊、同步方式 最充分發揮了總線的有效占用最充分發揮了總線的有效占用總線的通信控制總線的通信控制1. 存儲系統的層次結構存儲系統的層次結構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層次結構程序訪問的局部性原理與存儲系統層次結構 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）（容量）1. 存儲系

13、統的層次結構存儲系統的層次結構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層次結構程序訪問的局部性原理與存儲系統層次結構 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 主存的基本組成主存的基本組成存儲體存儲體驅動器驅動器譯碼器譯碼器MAR控制電路控制電路讀讀寫寫電電路路MDR地址總線地址總線數據總線數據總線讀讀寫寫 主存和主存和 CPU 的聯系的聯系MDRMARCPU主主 存存讀讀數據總線數據總線地址總線地址總線寫寫 Cache 的基本結構的基本結構Cache替換機構替換機構C

14、ache存儲體存儲體主存主存Cache地址映射地址映射變換機構變換機構由由CPU完成完成磁記錄原理磁記錄原理寫寫局部磁化單元局部磁化單元載磁體載磁體寫線圈寫線圈SNI局部磁化單元局部磁化單元寫線圈寫線圈SN鐵芯鐵芯磁通磁通磁層磁層寫入寫入“0”寫入寫入“1”IN讀線圈讀線圈S讀線圈讀線圈SN鐵芯鐵芯磁通磁通磁層磁層運動方向運動方向運動方向運動方向ssttffee讀出讀出 “0”讀出讀出 “1”讀讀磁記錄原理磁記錄原理主存主存 容量容量 速度速度 帶寬帶寬Cache 容量容量 速度速度 訪問效率訪問效率 命中率命中率 平均訪問時間平均訪問時間磁盤磁盤 容量容量 記錄密度記錄密度 平均尋址時間平均

15、尋址時間 數據傳輸率數據傳輸率技術指標技術指標1. 存儲系統的層次結構存儲系統的層次結構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層次結構程序訪問的局部性原理與存儲系統層次結構 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) 數據線的連接數據線的連接(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

16、(5) 合理選用芯片合理選用芯片(6) 其他其他 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 根數據線，根數據線， 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 為系統程序區；為系

17、統程序區； 6800H6BFFH 為用戶程序區。為用戶程序區。 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) 確定芯片的數量及類型確定芯片的數量及類型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

18、1 1 1 1 12K8位位1K8位位RAM2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ROM1K

19、4 位位2片片RAM2K8位位 ROM1K4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. 存儲系統的層次結構存儲系統的層次結構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層次結構程序訪問的局部性原理與存儲系統層次結構 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

20、體存儲芯片的外特性以及與 CPU 的連接的連接 4. .如何提高訪存速度如何提高訪存速度1. .在可按字節和字尋址的存儲器中，數據的存放方式不同在可按字節和字尋址的存儲器中，數據的存放方式不同難點難點 高位字節高位字節 地址為字地址地址為字地址 低位字節低位字節 地址為字地址地址為字地址字地址字地址字節地址字節地址11109876543210840字地址字地址字節地址字節地址89101145670123840 例例 1 2 3 4 5 6 7 8 H 的存放方式的存放方式78H56H34H12H84012H34H56H78H8402. .對于一定容量的存儲器，按字節或字訪問對于一定容量的存儲器

21、，按字節或字訪問 的尋址范圍是不同的的尋址范圍是不同的難點難點1. .在可按字節和字尋址的存儲器中，數據的存放方式不同在可按字節和字尋址的存儲器中，數據的存放方式不同 如如 16 MB （227位）位）的存儲器的存儲器按按 字節字節 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 字節字節 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 位位字節地址字節地址字節地址字節地址23

22、 24 25難點難點3. 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2. .對于一定容量的存儲器，按字節或字訪問對于一定容量的存儲器，按字節或字訪問 的尋址范圍是不同的的尋址范圍是不同的1. .在可按字節和字尋址的存儲器中，數據的存放方式不同在可按字節和字尋址的存儲器中，數據的存放方式不同 多體并行系統多體并行系統(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 000

23、011 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01n1M1nn+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

24、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，為實現流水線方式存取，應滿足，為實現流水線方式存取，應滿足 T 4。連續讀取連續讀取 4 個字所需的時間為個字所需的時間為 T(4 1)難點難點3. 多體并行結

25、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2. .對于一定容量的存儲器，按字節或字訪問對于一定容量的存儲器，按字節或字訪問 的尋址范圍是不同的的尋址范圍是不同的1. .在可按字節和字尋址的存儲器中，數據的存放方式不同在可按字節和字尋址的存儲器中，數據的存放方式不同4. 不同的不同的 Cache 主存地址映射，直接影響主存地址主存地址映射，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

26、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） 全相聯映射全相聯映射主存

27、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

28、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映射全相聯映射 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）組相聯映射）組相聯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

29、塊為 16 個字，每個字個字，每個字 32 位。位。例例 根據根據 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 根據根據 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

30、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主存地址字段中各段的位數）畫出直接映射方式下主存地址字段中各段的位數 在直接映射方式下，主存地址字段的各段位數分配在直接映射方式下，主存地址字段的各段位數分配如圖所示。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

31、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 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 根據根據 Cache 容量為容量為 4K字，得字，得 Cache 字地址為字地址為 12 位。位。 根據塊長為根據塊長為 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， 根據主存容量為根據主存容量為 512K，得主存字

32、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，Cache 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）在二路組相聯映射方式下，設計主存的地址格式。）在二路組相聯映射方式下，設計主存的地址格式。 二路組相聯，即一組內有二路組相聯，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（

33、2）在全相聯映射方式下，設計主存的地址格式。）在全相聯映射方式下，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 根據塊長不變根據塊長不變 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，即一組內四路組相聯，即一組內 4 塊塊 Cache共有共有1024/4 = 256 組組

34、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，在四路組相聯映射位，塊長不變，在四路組相聯映射 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 執行現行程序執行現行程序CPU 執行現行程序執行現行程序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實現I/O與主存與主存之間的傳送之間的傳送CPU 執行執行現行程序現行程序CPU查詢等

35、待并傳輸查詢等待并傳輸I/O數據數據CPU 執行執行現行程序現行程序啟動啟動I/OI/O 準備及傳送準備及傳送指令執行周期結束指令執行周期結束CPU 執行現行程序執行現行程序CPU 執行現行程序執行現行程序啟動啟動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實現 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

36、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DBRQQ&數據線數據線準備就緒準備就緒啟動命令啟動命令地址線地址線SEL輸入數據輸入數據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、

37、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&數據線數據線啟動命令啟動命令地址線地址線SEL輸入數據輸入數據啟動設備啟動設備設備工作設備工作 結束結束&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

38、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、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數據傳送過程（輸入）數據傳送過程（輸入）DREQHRQHLDA地址線地址線DACK數據線數據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

39、、硬件技術的運用2. .DMA 與主存交換數據的三種方法各自的特點與主存交換數據的三種方法各自的特點 DMA 與主存交換數據的三種方式與主存交換數據的三種方式(1) 停止停止 CPU 訪問主存訪問主存控制簡單控制簡單CPU 處于不工作狀態或保持狀態處于不工作狀態或保持狀態未充分發揮未充分發揮 CPU 對主存的利用率對主存的利用率主存工作時間主存工作時間CPU不執行程序不執行程序DMA不工作不工作DMA不工作不工作DMA工作工作 CPU控制控制并使用主存并使用主存 DMA控制控制并使用主存并使用主存t(2) 周期挪用（或周期竊取）周期挪用（或周期竊取）DMA 訪問主存有三種可能訪問主存有三種可能

40、 CPU 此時不訪存此時不訪存 CPU 正在訪存正在訪存 CPU 與與 DMA 同時請求訪存同時請求訪存此時此時 CPU 將總線控制權讓給將總線控制權讓給 DMA主存工作時間主存工作時間 CPU控制控制并使用主存并使用主存 DMA控制控制并使用主存并使用主存t(3) DMA 與與 CPU 交替訪問交替訪問主存工作時間主存工作時間DMA控制控制并使用主存并使用主存CPU控制控制并使用主存并使用主存tCPU 工作周期工作周期C1 專供專供 DMA 訪存訪存C2 專供專供 CPU 訪存訪存所有指令執行過程中的一個基準時間所有指令執行過程中的一個基準時間不需要不需要 申請建立和歸還申請建立和歸還 總線

41、的使用權總線的使用權難點難點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 與主存交換數據的三種方法各自的特點與主存交換數據的三種方法各自的特點 3. DMA 傳送過程傳送過程 預處理預處理 數據傳送數據傳送 后處理后處理 預處理預處理：主存起始地址主存起始地址設備地址設備地址 傳送數據個數傳送數據個數啟動設備啟動設備DMADMADMA數據傳送數據傳送：繼續執行主程序繼續執行主程序同時完成一批數據傳送同時完成一批數據傳送后處理后處理：中斷服務程序中斷服務程序做做 DMA 結束處理結束處理繼續執行主程序繼續執行主程序CPU DMA 傳送過程示意傳

42、送過程示意允許傳送？允許傳送？主存地址送總線主存地址送總線數據送數據送I/O設備（或主存設備（或主存 ）修改修改 主存地址主存地址修改修改 字計數器字計數器 數據塊數據塊傳送結束？傳送結束？向向CPU申請申請 程序中斷程序中斷DMA請求請求否否否否是是是是數據傳送數據傳送難點難點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 與主存交換數據的三種方法各自的特點與主存交換數據的三種方法各自的特點 3. DMA 傳送過程傳送過程 預處理預處理 數據傳送數據傳送 后處理后處理 4. 周期竊取的含義周期竊取的含義 5. .CPU 響應中斷請求和響應中斷

43、請求和 DMA 請求的時間請求的時間 1. .機器中有符號數和無符號數的表示，機器中有符號數和無符號數的表示，0 0 的表示的表示重點重點2. 各種機器數（原碼、補碼、反碼、移碼）的各種機器數（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例例00000000000000010000001001111111100000001000000111111101111111101111111

44、1128129-0-1-128-127-127-126二進制代碼二進制代碼 無符號數無符號數對應的真值對應的真值原碼對應原碼對應 的真值的真值補碼對應補碼對應 的真值的真值反碼對應反碼對應 的真值的真值012127253254255-125-126-127-3-2-1-2-1-0+0+1+2+127+0+1+2+127+0+1+2+127+0 設機器數字長為設機器數字長為 8 位（其中位為符號位）位（其中位為符號位）對于整數，當其分別代表無符號數、原碼、補碼和對于整數，當其分別代表無符號數、原碼、補碼和反碼時，對應的真值范圍各為多少？反碼時，對應的真值范圍各為多少？3. .機器字長確定以后，對

45、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 各種機器數的表示范圍各種機器數的表示范圍 重點重點 定點表示定點表示小數點按約定方式標出小數點按約定方式標出Sf S1S2 Sn數符數符數值部分數值部分小數點位置小數點位置Sf S1S2 Sn數符數符數值部分數值部分小數點位置小數點位置或或定點機定點機小數定點機小數定點機整數定點機整數定點機原碼原碼補碼補碼反碼反碼(1 2-n) +(1 2-n) 1 +(1 2-n)(1 2-n) +(1 2-n)(2n 1) +( 2n 1) 2n +( 2n 1)(2n 1) +( 2n 1)負數區負數區正數區正數區下溢下溢0上溢上溢上溢上溢2(

46、2m1)( 1 2n)2( 2m1)(1 2n)2( 2m1)2n最小負數最小負數最大正數最大正數最小正數最小正數2( 2m1)2n最大負數最大負數最大正數最大正數最小正數最小正數最大負數最大負數最小負數最小負數215(1 210)215 210215 210 215(1 210)0,1111; 0.11111111111,0001; 0.00000000011,0001; 1.11111111110,1111; 1.0000000001真值真值補碼補碼 設設 n = 10，m = 4， 階符、數符各取階符、數符各取 1位。位。 寫出對應下圖所示的浮點數的補碼形式。寫出對應下圖所示的浮點數的補

47、碼形式。 浮點表示浮點表示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 各種機器數的表示范圍各種機器數的表示范圍 重點重點4. 移位運算在計算機中的特殊作用，以及不同移位運算在計算機中的特殊作用，以及不同 機器數的移位規則機器數的移位規則 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

48、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補碼比原碼和反碼能多表示一個負數 難點難點2. 區分浮點數和補碼表示的浮點規格化數區分浮點數和補碼表示的浮點規格化數 設設 32 位的浮點數，階碼取位的浮點數，階碼取 8 位（含位（含1 位階符位階符 ）尾數為尾數為 24 位位 （含（含1 1 位數符位數符 ）則它們的表示范圍是則它們的表示范圍是浮點規格化數浮點規格化數補碼表示的補碼表示的浮點規格化數浮點規格化數最大正數最大正數最小正數最小正數最大負數最大負數最小負數最小負數2+127(1-2-23)2+127(1-2-23)2-1272-12-1282-1

49、- 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補碼比原碼和反碼能多表示一個負數 難點難點2. 區分浮點數和補碼表示的浮點規格化數區分浮點數和補碼表示的浮點規格化數 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溢出判斷溢出判斷一位一位 符號位判溢出符號位判溢出兩位兩位 符號位判溢出符號位判溢出(1) 定點機定點機(2) 浮點機浮點機階碼階碼 大于大于 它所表示的它所表示的 最大數最大數 時，為時，為 溢出溢出（

50、上溢）（上溢）階碼階碼 等于等于 或或 小于小于 它所表示的它所表示的 最小數最小數 時，時，按按 機器零機器零 處理（下溢）處理（下溢）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補碼比原碼和反碼能多表示一個負數 難點難點2. 區分浮點數和補碼表示的浮點規格化數區分浮點數和補碼表示的浮點規格化數 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別原碼和補碼乘除法運算的根本區別難點難點5. 區別補碼和絕對值的補碼區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

51、 x 的絕對值）的絕對值） 6. 不同的機器數運算規則不同，直接影響運算器不同的機器數運算規則不同，直接影響運算器 的硬件組成的硬件組成7. 浮點數的階碼采用移碼運算時，其階碼運算規則浮點數的階碼采用移碼運算時，其階碼運算規則 和溢出判斷規則與補碼運算是不同的和溢出判斷規則與補碼運算是不同的1. .指令系統的幾個要素指令系統的幾個要素 操作類型、數據類型、地址格式和尋址方式操作類型、數據類型、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（字節的整數倍）指令不定長（字節的整數倍） 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

52、對訪存次數、尋址范圍的影響不同的地址格式對訪存次數、尋址范圍的影響重點重點4. 不同的尋址方式對操作數的尋址范圍、信息加不同的尋址方式對操作數的尋址范圍、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的影響5. RISC 的主要特點及其與的主要特點及其與 CISC 的區別的區別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，操作碼位數固定，且具有種操作，操作碼位數固定，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、

53、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 操作數均在寄存器中，結果也在寄存器中；操作數均在寄存器中，結果也在寄存器中；（4）取數）取數/存數指令在通用寄存器和存儲器之間傳送存數指令在通用寄存器和存儲器之間傳送 數據；數據；（5）存儲器容量為）存儲器容量為 1MB，按字節編址。，按字節編址。 要求設計算邏指令、取數要求設計算邏指令、取數/ /存數指令和相對轉移指令存數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 “

54、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，可實現位，可實現 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、相對尋址；直接尋址、相對尋址； Ri 和和 Rj各取各取 4 位，指出源操作數和目的操作數位，指出源操作數和目的操作數 的寄存器編號。的寄存器編號。RjRiMOP 6 2 4 4解：解：（2）取數）取數/存數指令格式為存數指令格式為 “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

55、；位不變； M 尋址模式尋址模式 2 位不變；位不變； Ri 4 位，源操作數地址（存數指令）或目的位，源操作數地址（存數指令）或目的 操作數地址（取數指令）；操作數地址（取數指令）； A1A2共共 20 位存儲器地址，可直接訪問按位存儲器地址，可直接訪問按 字節編址的字節編址的 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

56、 +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隨地址數的減少而增加操作碼的位數隨地址數的減少而增加OP A1 A2 A3000000011110A1A1A1A2A2A2A3A3A3A2A2A2A3A3A3111111111111000000011110111111111111111111111111111111111111000000011111111111111111111111111111A3A3A30000000111104 位操作碼位操作碼8

57、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的位數隨地址數的減少而增加操作碼的位數隨地址數的減少而增加OP A1 A2 A3000000011110A1A1A1A2A2A2A3A3A3A2A2A2A3A3A3111111111111000000011110111111111111111111111111111111111111000000011111111111111111111111111111A3A3A3

58、0000000111104 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. .在可按字節和字尋址的存儲器中，不同的在可按字節和字尋址的存儲器中，不同的 機器，其數據的存放方式是不同的機器，其數據的存放方式是不同的4. 數據數據 “ “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

59、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存儲器中的數據存放（存儲字長為存儲器中的數據存放（存儲字長為 32 位）位）地址（十進制）地址（十進制）048字節字節( 地址地址7)字節字節( 地址地址6)字字( 地址地址2)半字半字( 地址地址10)半字半字( 地址地址8)半字半字( 地址地址0)字字( 地址地址4)邊界未對準邊界未對準地址（十進制）地址（十進制） 0 4 812162024283236雙字雙字雙字（地址雙字（地址32）雙字雙字雙字（地址雙字（地址24）半字（地址半字（地址20）半字（地址半字（地址22）半字（地址半字（地址16）半字

60、（地址半字（地址18）字節（地址字節（地址 8）字節（地址字節（地址 9）字節（地址字節（地址10）字節（地址字節（地址11）字（地址字（地址 4）字（地址字（地址 0）字節（地址字節（地址14） 字節（地址字節（地址15）字節（地址字節（地址13） 字節（地址字節（地址12）邊界對準邊界對準 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完整的指令周期中的信息流程1. 取指周期數據流取指周期數據流指令周期的數據流指令周期的數據流MDRCUMARPCIR存儲器存儲器CPU地址總線地址總線數據總線數據總線控制總線控制總線