计算机组成原理(第二版唐朔飞)

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1、唐 朔 飞第 版高 等 教 育 出 版 社高 等 教 育 电 子 音 像 出 版 社 为 配 合 由 高 等 教 育 出 版 社 出 版 的 面 向 21世 纪 课 程 教 材 计 算 机 组 成 原 理 教 学 和 自 学 的 需 要 ， 随 书 出 版 了 计 算 机 组 成 原 理 配 套 课 件 。 为 了 配 合 该 教材 的 第 版 ， 本 课 件 在 保 留 原 课 件 特 色 的 基 础 上 ， 做 了 相 应 的 补 充 和 修 改 。 该 课 件 与 计 算 机 组 成 原 理 第 版 教 材 在 体 系 上 完 全 一 致 ， 它 以 课 堂 教学 为 依 托 ， 帮 助

2、 读 者 边 阅 读 边 思 考 ， 通 过 点 击 鼠 标 ， 逐 行 显 示 精 练 的 文 字 和 简明 的 图 表 ， 既 可 从 文 稿 中 对 教 材 的 重 点 和 难 点 加 深 理 解 ， 又 可 从 视 图 中 看 到 动画 演 示 效 果 ， 形 象 地 理 解 各 种 电 路 的 工 作 原 理 和 设 计 思 路 。 新 版 课 件 提 供 了 章 目 录 和 节 目 录 。 操 作 上 除 了 顺 序 播 放 外 ， 还 可 任 选 一 章 、任 选 一 节 播 放 ， 并 可 从 任 意 一 页 幻 灯 片 返 回 到 上 一 级 目 录 。 具 体 功 能 如

3、下 。 1. 进 入 章 目 录 后 ， 可 点 击 任 一 章 播 放 。 2. 进 入 节 目 录 后 ， 可 点 击 任 一 节 播 放 。 3. 每 一 节 播 放 结 束 时 ， 可 继 续 播 放 ， 也 可 点 击 本 节 最 后 一 页 幻 灯 片 右 下角 的 按 钮 ， 回 到 上 一 级 目 录 ， 再 点 击 节 目 录 幻 灯 片 右 下 角 的 按 钮 ， 即 可 回 到章 目 录 。 4. 点 击 任 一 页 幻 灯 片 右 下 角 的 按 钮 ， 均 可 回 到 上 一 级 目 录 。 在 修 改 课 件 过 程 中 ， 哈 尔 滨 工 业 大 学 计 算 机

4、科 学 与 技 术 学 院 张 丽 杰 、 罗丹 彦 为 课 件 的 录 入 、 排 版 、 绘 图 、 动 画 演 示 做 了 大 量 工 作 ， 在 此 表 示 衷 心 感谢 。 由 于 时 间 仓 促 ， 难 免 有 不 妥 之 处 ， 敬 请 读 者 和 专 家 批 评 指 正 。 唐 朔 飞 2007年 12月 1.1 计 算 机 系 统 简 介1.4 本 书 结 构1.3 计 算 机 硬 件 的 主 要 技 术 指 标1.2 计 算 机 的 基 本 组 成 由 具 有 各 类 特 殊 功 能的 信 息 （ 程 序 ） 组 成1. 计 算 机 系 统计算机系统 计 算 机 的 实 体

5、 ，如 主 机 、 外 设 等一 、 计 算 机 的 软 硬 件 概 念硬 件软 件 按 任 务 需 要 编 制 成 的 各 种 程 序用 来 管 理 整 个 计 算 机 系 统 系 统 软 件应 用 软 件 语 言 处 理 程 序操 作 系 统服 务 性 程 序数 据 库 管 理 系 统网 络 软 件软件 计 算 机高 级 语言 程 序 目 标程 序 结 果翻 译 运 行2. 计 算 机 的 解 题 过 程 二 、 计 算 机 系 统 的 层 次 结 构高 级 语 言 虚 拟 机 器 M3汇 编 语 言 虚 拟 机 器 M2操 作 系 统 虚 拟 机 器机 器 语 言 实 际 机 器 M 1

6、微 指 令 系 统 微 程 序 机 器 M0 用 编 译 程 序 翻 译成 汇 编 语 言 程 序用 汇 编 程 序 翻 译成 机 器 语 言 程 序用 机 器 语 言 解 释 操 作 系 统用 微 指 令 解 释 机 器 指 令由 硬 件 直 接 执 行 微 指 令软件硬件 虚 拟 机 器 M4虚 拟 机 器 M3虚 拟 机 器 M2实 际 机 器 M 1微 程 序 机 器 M0 程 序 员 所 见 到 的 计 算 机 系 统 的 属 性概 念 性 的 结 构 与 功 能 特 性计 算 机体 系 结 构计 算 机组 成 实 现 计 算 机 体 系 结 构 所 体 现 的 属 性有 无 乘 法

7、 指 令如 何 实 现 乘 法 指 令（ 指 令 系 统 、 数 据 类 型 、 寻 址 技 术 、 I/O机 理 ）（ 具 体 指 令 的 实 现 ）三 、 计 算 机 体 系 结 构 和 计 算 机 组 成 1. 计 算 机 由 五 大 部 件 组 成3. 指 令 和 数 据 用 二 进 制 表 示4. 指 令 由 操 作 码 和 地 址 码 组 成6. 以 运 算 器 为 中 心2. 指 令 和 数 据 以 同 等 地 位 存 于 存 储 器 ， 可 按 地 址 寻 访5. 存 储 程 序一 、 冯 诺 依 曼 计 算 机 的 特 点存 储 程 序 算 术 运 算逻 辑 运 算存 放 数

8、 据和 程 序将 信 息 转 换 成 机器 能 识 别 的 形 式 将 结 果 转 换 成人 们 熟 悉 的 形 式指 挥 程 序运 行冯 诺 依 曼 计 算 机 硬 件 框 图存 储 器输 入 设 备 运 算 器控 制 器 输 出 设 备 冯 诺 依 曼 计 算 机 硬 件 框 图存 储 器输 入 设 备 运 算 器控 制 器 输 出 设 备 二 、 计 算 机 硬 件 框 图1. 以 存 储 器 为 中 心 的 计 算 机 硬 件 框 图程 序 存 储 器 输 出 设 备输 入 设 备 运 算 器控 制 器数 据 结 果计 算 ALU主 存辅 存 CPU 主 机I/O设 备 硬 件CU2.

9、现 代 计 算 机 硬 件 框 图存 储 器输 入 设 备运 算 器输 出 设 备控 制 器 ALUCPU主 机 I/O设 备CU主存 1.上 机 前 的 准 备 建 立 数 学 模 型 -+-+-= !x9!x7!x5!x3xx 9753sin 编 制 解 题 程 序 确 定 计 算 方 法程 序 运 算 的 全 部 步 骤0, 1, 2, )()(21 nyn xynx =+= 指 令 每 一 个 步 骤三 、 计 算 机 的 工 作 步 骤 取 x 至 运 算 器 中乘 以 x 在 运 算 器 中乘 以 a 在 运 算 器 中存 ax2 在 存 储 器 中取 b 至 运 算 器 中乘 以

10、 x 在 运 算 器 中加 ax2 在 运 算 器 中加 c 在 运 算 器 中 = (ax + b)x + c 取 x 至 运 算 器 中乘 以 a 在 运 算 器 中加 b 在 运 算 器 中乘 以 x 在 运 算 器 中加 c 在 运 算 器 中计 算 ax2 + bx + c编 程 举 例 000001 0000001000打 印 停 机取 数 ACC存 数 ACC 加 ACC+ ACC乘 ACC ACC指 令 格 式 举 例操 作 码 地 址 码 打 印 机 指 令 和 数 据 存 于主 存 单 元 的 地 址 指 令 注 释操 作 码 地 址 码 0 000001 00000010

11、00 取 数 x至 ACC 1 000100 0000001001 乘 a得 ax ,存 于 ACC中 2 000011 0000001010 加 b得 ax+b ,存 于 ACC中 3 000100 0000001000 乘 x得 （ ax+b)x,存 于 ACC中 4 000011 0000001011 加 c得 ax2 + bx + c ,存 于 ACC 5 000010 0000001100 将 ax2 + bx +c ,存 于 主 存 单 元 6 000101 0000001100 打 印 7 000110 停 机 8 x 原 始 数 据 x 9 a 原 始 数 据 a 10 b 原

12、 始 数 据 b 11 c 原 始 数 据 c 12 存 放 结 果计 算 ax2 + bx + c 程 序 清 单 存 储 体大 楼存 储 单 元 存 放 一 串 二 进 制 代 码存 储 字 存 储 单 元 中 二 进 制 代 码 的 组 合存 储 字 长 存 储 单 元 中 二 进 制 代 码 的 位 数每 个 存 储 单 元 赋 予 一 个 地 址 号按 地 址 寻 访 存 储 单 元 存 储 元 件 （ 0/1） 房 间 床 位 （ 无 人 / 有 人 ）(1)存 储 器 的 基 本 组 成MDR主 存 储 器存 储 体MAR2.计 算 机 的 解 题 过 程 MARMDR 存 储

13、单 元 个 数 16存 储 字 长 8 设 MAR = 4 位 MDR = 8 位存 储 器 地 址 寄 存 器反 映 存 储 单 元 的 个 数存 储 器 数 据 寄 存 器反 映 存 储 字 长(1)存 储 器 的 基 本 组 成MDR主 存 储 器存 储 体MAR ACC MQ X(2)运 算 器 的 基 本 组 成 及 操 作 过 程运 算 器 MQACCALUX 被 加 数被 减 数被 除 数 乘 数商 加 数减 数被 乘 数除 数加 法减 法乘 法除 法 和差余 数乘 积 高 位 乘 积 低 位 运 算 器 MQACCALUX ACC 被 加 数初 态 加 法 操 作 过 程 AC

14、C+XM XACC指 令 加 M 减 法 操 作 过 程运 算 器 MQACCALUX 指 令 减 MACC 被 减 数初 态 M XACC-X ACC 运 算 器 MQACCALUX ACC 被 乘 数初 态 M MQ指 令 乘 M 乘 法 操 作 过 程 ACC XX MQ0 0 ACCACC MQ 运 算 器 MQACCALUX ACC 被 除 数初 态 ACC X MQ余 数 在 ACC中指 令 除 MM X 除 法 操 作 过 程 取 指 令分 析 指 令执 行 指 令 PCIRCU 取 指执 行PC 存 放 当 前 欲 执 行 指 令 的 地 址 ， 具 有 计 数 功 能 （ P

15、C） + 1 PCIR 存 放 当 前 欲 执 行 的 指 令 访 存访 存完 成一 条指 令(3)控 制 器 的 基 本 组 成CU 控 制 单 元PCIRCU 1 2 35 6 7 89以 取 数 指 令 为 例 4(4)主 机 完 成 一 条 指 令 的 过 程CU控 制单 元 主 存 储 器MDRMAR存 储 体CPU PC控 制 器 IR运 算 器 MQACCALUX I/O设备 1 2 35 6 7 98以 存 数 指 令 为 例 4(4)主 机 完 成 一 条 指 令 的 过 程CU控 制单 元 主 存 储 器MDRMAR存 储 体CPU PC控 制 器 IR运 算 器 MQAC

16、CALUX I/O设备 (5) ax2 + bx + c 程 序 的 运 行 过 程 将 程 序 通 过 输 入 设 备 送 至 计 算 机 程 序 首 地 址 打 印 结 果 分 析 指 令 取 指 令 停 机 启 动 程 序 运 行 ,(PC )+ 1 PC 执 行 指 令 MAR M MDR IRPC CUOP(IR)Ad(IR) MAR M MDR ACCPC 1.机 器 字 长2.运 算 速 度 CPU 一 次 能 处 理 数 据 的 位 数与 CPU 中 的 寄 存 器 位 数 有 关= ni =1fi tiTM 吉 普 森 法主 频 每 秒 执 行 百 万 条 指 令MIPS 执

17、 行 一 条 指 令 所 需 时 钟 周 期 数CPI 每 秒 浮 点 运 算 次 数FLOPS 221 = 256 KB213 = 1 KB如3.存 储 容 量主 存 容 量辅 存 容 量 存 储 单 元 个 数 存 储 字 长字 节 数字 节 数 80 GB如 MAR MDR 容 量 10 8 16 32存 放 二 进 制 信 息 的 总 位 数 1K = 210 1B = 23b1GB = 230b1 K 8位64 K 32位 第 篇 概 论计 算 机 第 篇计 算 机 系 统 的 硬 件 结 构计 算 机 I/O系 统 总 线存 储 器 CPU CPU内 部 互 连ALU CU寄 存

18、器中 央 处 理 器 第 篇 CPU计 算 机 I/O系 统 总 线存 储 器 CPU CPU内 部 互 连ALU CU寄 存 器中 央 处 理 器 寄 存 器和 解 码 器控 制 单 元排 队逻 辑 控 制存 储 器 第 篇 CU计 算 机 I/O系 统 总 线存 储 器 CPU 2.3 计 算 机 的 展 望2.2 计 算 机 的 应 用2.1 计 算 机 的 发 展 史 一 、 计 算 机 的 产 生 和 发 展1946年 美 国 ENIAC 1955年 退 役十 进 制 运 算18 0001 500150301 500 多 个 电 子 管多 个 继 电 器千 瓦吨平 方 英 尺5 00

19、0 次 加 法 秒用 手 工 搬 动 开 关 和 拔 插 电 缆 来 编 程 世 界 上 第 一 台 电 子 计 算 机 ENIAC(1946) 硬 件 技 术 对 计 算 机 更 新 换 代 的 影 响 100 000 000 超 大 规 模 集 成 电 路 1978 现 在 五 10 000 000 大 规 模 集 成 电 路 1972 1977 1 000 000 中 小 规 模 集 成 电 路 1965 1971 200 000 晶 体 管 1958 1964 40 000 电 子 管 1946 1957 速 度 /（ 次 /秒 ） 硬 件 技 术 时 间 代三四二一 第 一 台 vo

20、n Neumann 系 统 结 构 的 计 算 机 IBM System 360 最 快 的 五 台 超 级 计 算 机 （ 截 止 到 2009.06）1.IBM Roadrunner（ 走 鹊 ）129 600 个 计 算 核 心 最 大 平 均 速 度 1 105 000 GFLOPS 2. Cray XT5 Jaguar（ 美 洲 虎 ）150 152 个 计 算 核 心 最 大 平 均 速 度 1 059 000 GFLOPS最 快 的 五 台 超 级 计 算 机 （ 截 止 到 2009.06） 3. IBM JUGENE-Blue Gene/P 最 快 的 五 台 超 级 计 算

21、 机 （ 截 止 到 2009.06）294 912 个 计 算 核 心 最 大 平 均 速 度 825 500 GFLOPS 最 快 的 五 台 超 级 计 算 机 （ 截 止 到 2009.06）4. SGI Pleiades系 统51 200 个 计 算 核 心 最 大 平 均 速 度 487 005 GFLOPS 最 快 的 五 台 超 级 计 算 机 （ 截 止 到 2009.06）5. IBM BlueGene/L系 统212 992 个 计 算 核 心 最 大 平 均 速 度 478 200 GFLOPS 最 权 威 的 超 级 计 算 机 排 名 的 参 考 网 址 http:

22、/www.top500.org 二 、 微 型 计 算 机 的 出 现 和 发 展微 处 理 器 芯 片 存 储 器 芯 片1971年 8位16位32位64位4位 （ 4004） 1970年256位 1K位16K位64K位256K位1M位16M位64M位4K位4M位 Moore 定 律Intel 公 司 的 缔 造 者 之 一 Gordon Moore 提 出微 芯 片 上 集 成 的 晶 体 管 数 目 每 三 年 翻 两 番 Intel 公 司 的 典 型 微 处 理 器 产 品8080 8位 1974年8086 16位 1979年 2.9 万 个 晶 体 管80286 16位 1982年

23、 13.4 万 个 晶 体 管80386 32位 1985年 27.5 万 个 晶 体 管80486 32位 1989年 120.0 万 个 晶 体 管Pentium 64位 （ 准 ） 1993年 310.0 万 个 晶 体 管Pentium Pro 64位 （ 准 ） 1995年 550.0 万 个 晶 体 管Pentium 64位 （ 准 ） 1997年 750.0 万 个 晶 体 管Pentium 64位 （ 准 ） 1999年 950.0 万 个 晶 体 管Pentium 64位 2000年 4 200.0 万 个 晶 体 管 2007 年 芯 片 上 可 集 成 3 亿 5 千 万

24、 个 晶 体 管 预 计 2010 年 芯 片 上 可 集 成 8 亿 个 晶 体 管 三 、 软 件 技 术 的 兴 起 和 发 展机 器 语 言 面 向 机 器汇 编 语 言 面 向 机 器高 级 语 言 面 向 问 题FORTRAN 科 学 计 算 和 工 程 计 算PASCAL 结 构 化 程 序 设 计C 面 向 对 象Java 适 应 网 络 环 境 1. 各 种 语 言 2. 系 统 软 件语 言 处 理 程 序 汇 编 程 序 编 译 程 序 解 释 程 序操 作 系 统 DOS UNIX Windows 服 务 性 程 序 装 配 调 试 诊 断 排 错数 据 库 管 理 系

25、 统 数 据 库 和 数 据 库 管 理 软 件网 络 软 件 3. 软 件 发 展 的 特 点 开 发 周 期 长 制 作 成 本 昂 贵 检 测 软 件 产 品 质 量 的 特 殊 性软 件 是 程 序 以 及 开 发 、 使 用 和维 护 程 序 所 需 要 的 所 有 文 档 一 、 科 学 计 算 和 数 据 处 理二 、 工 业 控 制 和 实 时 控 制三 、 网 络 技 术1. 电 子 商 务2. 网 络 教 育3. 敏 捷 制 造 四 、 虚 拟 现 实五 、 办 公 自 动 化 和 管 理 信 息 系 统六 、 CAD/CAM/CIMS七 、 多 媒 体 技 术八 、 人

26、工 智 能 一 、 计 算 机 具 有 类 似 人 脑 的 一 些 超 级 智 能 功 能要 求 计 算 机 的 速 度 达 1015/秒二 、 芯 片 集 成 度 的 提 高 受 以 下 三 方 面 的 限 制 芯 片 集 成 度 受 物 理 极 限 的 制 约 按 几 何 级 数 递 增 的 制 作 成 本 芯 片 的 功 耗 、 散 热 、 线 延 迟 三 、 ？ 替 代 传 统 的 硅 芯 片1. 光 计 算 机2. DNA生 物 计 算 机3. 量 子 计 算 机利 用 光 子 取 代 电 子 进 行 运 算 和 存 储通 过 控 制 DNA分 子 间 的 生 化 反 应利 用 原

27、子 所 具 有 的 量 子 特 性 3.1 总 线 的 基 本 概 念3.2 总 线 的 分 类3.3 总 线 特 性 及 性 能 指 标3.4 总 线 结 构3.5 总 线 控 制 一 、 为 什 么 要 用 总 线二 、 什 么 是 总 线三 、 总 线 上 信 息 的 传 送总 线 是 连 接 各 个 部 件 的 信 息 传 输 线 ，是 各 个 部 件 共 享 的 传 输 介 质串 行并 行 四 、 总 线 结 构 的 计 算 机 举 例1. 面 向 CPU 的 双 总 线 结 构 框 图 中 央 处 理 器 CPU I/O总 线M总线 主 存 I/O接 口 I/O 设 备 1 I/O

28、 设 备 2 I/O接 口 I/O接 口 I/O 设 备 n 单 总 线 （ 系 统 总 线 ）2. 单 总 线 结 构 框 图 CPU 主 存 I/O接 口 I/O 设 备 1 I/O 设 备 2 I/O接 口 I/O 设 备 n I/O接 口 3. 以 存 储 器 为 中 心 的 双 总 线 结 构 框 图系 统 总 线 主 存 CPU I/O接 口 I/O 设 备 1 I/O 设 备 n I/O接 口存 储 总 线 1.片 内 总 线2.系 统 总 线 芯 片 内 部 的 总 线数 据 总 线地 址 总 线控 制 总 线 双 向 与 机 器 字 长 、 存 储 字 长 有 关单 向 与

29、存 储 地 址 、 I/O地 址 有 关有 出 有 入计 算 机 各 部 件 之 间 的 信 息 传 输 线存 储 器 读 、 存 储 器 写总 线 允 许 、 中 断 确 认中 断 请 求 、 总 线 请 求 3.通 信 总 线 串 行 通 信 总 线并 行 通 信 总 线传 输 方 式 用 于 计 算 机 系 统 之 间 或 计 算 机 系 统与 其 他 系 统 （ 如 控 制 仪 表 、 移 动 通 信 等 ）之 间 的 通 信 CPU 插 板 主 存 插 板 I/O 插 板一 、 总 线 物 理 实 现BUS 主 板 1. 机 械 特 性2. 电 气 特 性3. 功 能 特 性4. 时

30、 间 特 性二 、 总 线 特 性 尺 寸 、 形 状 、 管 脚 数 及 排 列 顺 序传 输 方 向 和 有 效 的 电 平 范 围每 根 传 输 线 的 功 能信 号 的 时 序 关 系 地 址数 据控 制 三 、 总 线 的 性 能 指 标1. 总 线 宽 度2. 总 线 带 宽3. 时 钟 同 步 /异 步4. 总 线 复 用5. 信 号 线 数6. 总 线 控 制 方 式7. 其 他 指 标 数 据 线 的 根 数每 秒 传 输 的 最 大 字 节 数 （ MBps）同 步 、 不 同 步地 址 线 与 数 据 线 复 用地 址 线 、 数 据 线 和 控 制 线 的 总 和负 载

31、 能 力并 发 、 自 动 、 仲 裁 、 逻 辑 、 计 数 ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模 块 系 统 总线标准 四 、 总 线 标 准系 统 模 块标 准 界 面 总 线 标 准 数 据 线 总 线 时 钟 带 宽ISA 16 8 MHz（ 独 立 ） 16 MBpsEISA 32 8 MHz（ 独 立 ） 33 MBpsVESA(VL-BUS) 32 33 MHz（ CPU） 133 MBpsPCI 3264 33 MHz（ 独 立 ）66 MHz（ 独 立 ） 132 MBps528 MBpsAGP 32 66.7 MHz（ 独 立 ）133

32、MHz（ 独 立 ） 266 MBps533 MBpsRS-232 串 行 通 信总 线 标 准 数 据 终 端 设 备 （ 计 算 机 ） 和 数 据 通 信 设 备（ 调 制 解 调 器 ） 之 间 的 标 准 接 口 USB 串 行 接 口总 线 标 准 普 通 无 屏 蔽 双 绞 线带 屏 蔽 双 绞 线最 高 1.5 Mbps (USB1.0)12 Mbps (USB1.0)480 Mbps (USB2.0) 四 、 总 线 标 准 一 、 单 总 线 结 构单 总 线 （ 系 统 总 线 ） CPU 主 存 I/O接 口 I/O 设 备 1 I/O 设 备 2 I/O接 口 I/O

33、 设 备 n I/O接 口 1. 双 总 线 结 构具 有 特 殊 功 能 的 处 理 器 ，由 通 道 对 I/O统 一 管 理 通 道 I/O接 口 设 备 n I/O接 口 设 备 0 CPU 主 存 主 存 总 线 I/O总 线二 、 多 总 线 结 构 2. 三 总 线 结 构主 存 总 线 DMA总 线 I/O总 线 CPU 主 存 设 备 1 设 备 n高 速 外 设I/O接 口 I/O接 口 I/O接 口 3. 三 总 线 结 构 的 又 一 形 式局 域 网 系 统 总 线CPU Cache局 部 总 线扩 展 总 线 接 口扩 展 总 线 Modem 串 行 接 口SCSI

34、 局 部 I/O控 制 器主 存 4. 四 总 线 结 构 多 媒 体 Modem 主 存扩 展 总 线 接 口 局 域 网SCSICPU 串 行 接 口FAX 系 统 总 线局 部 总 线 高 速 总 线扩 展 总 线图 形 Cache/桥 1. 传 统 微 型 机 总 线 结 构三 、 总 线 结 构 举 例 存 储 器SCSI 控 制 器 主 存 控 制 器ISA、 EISA 8 MHz的 16位 数 据 通 路标 准 总 线 控 制 器33 MHz的 32位 数 据 通 路 系 统 总 线多 媒 体 高 速 局 域 网 高 性 能 图 形 CPU Modem 2. VL-BUS局 部

35、总 线 结 构33 MHz的 32位 数 据 通 路系 统 总 线ISA、 EISA 多 媒 体 高 速 局 域 网 高 性 能 图 形图 文 传 真 8 MHz的 16位 数 据 通 路标 准 总 线 控 制 器CPU 主 存 控 制 器存 储 器局 部 总 线 控 制 器 SCSI控 制 器VL BUS Modem 3. PCI 总 线 结 构CPU 多 媒 体PCI 桥 高 速 局 域 网 高 性 能 图 形图 文 传 真 PCI 总 线系 统 总 线33 MHz的 32位 数 据 通 路8 MHz的 16位 数 据 通 路ISA、 EISA标 准 总 线 控 制 器 SCSI 控 制

36、器存 储 器 Modem 4. 多 层 PCI 总 线 结 构 PCI总 线 2存 储 器桥 0 桥 4 PCI设 备 桥 5总 线 桥 桥 3桥 1 设 备桥 2第 一 级 桥第 二 级 桥第 三 级 桥 PCI总 线 4PCI总 线 5PCI总 线 3PCI总 线 1PCI总 线 0存 储 器 总 线 标 准 总 线CPU 一 、 总 线 判 优 控 制 总 线 判 优 控 制 分 布 式集 中 式 主 设 备 (模 块 ) 对 总 线 有 控 制 权 从 设 备 (模 块 ) 响 应 从 主 设 备 发 来 的 总 线 命 令1. 基 本 概 念 链 式 查 询计 数 器 定 时 查 询

37、独 立 请 求 方 式 2. 链 式 查 询 方 式总线控制部件 I/O接 口 0 BSBR I/O接 口 1 I/O接 口 n BG 数 据 线地 址 线BS 总 线 忙BR 总 线 请 求BG 总 线 同 意接 口 0 BS 总 线 忙BR 总 线 请 求总线控制部件 数 据 线地 址 线I/O接 口 0 BSBR I/O接 口 1 I/O接 口 n设 备 地 址3. 计 数 器 定 时 查 询 方 式 接 口 计 数 器 设 备 地 址1 排 队 器排 队 器 4. 独 立 请 求 方 式总线控制部件 数 据 线地 址 线I/O接 口 0 I/O接 口 1 I/O接 口 nBR 0 BG

38、0 BR1BG1 BRnBGn BG 总 线 同 意BR 总 线 请 求 二 、 总 线 通 信 控 制1. 目 的2. 总 线 传 输 周 期 主 模 块 申 请 ， 总 线 仲 裁 决 定主 模 块 向 从 模 块 给 出 地 址 和 命 令主 模 块 和 从 模 块 交 换 数 据主 模 块 撤 消 有 关 信 息 申 请 分 配 阶 段寻 址 阶 段传 数 阶 段结 束 阶 段 解 决 通 信 双 方 协 调 配 合 问 题 由 统 一 时 标 控 制 数 据 传 送充 分 挖 掘 系 统 总 线 每 个 瞬 间 的 潜 力同 步 通 信 异 步 通 信 半 同 步 通 信 分 离 式

39、 通 信 3. 总 线 通 信 的 四 种 方 式采 用 应 答 方 式 ， 没 有 公 共 时 钟 标 准同 步 、 异 步 结 合 读命 令 (1) 同 步 式 数 据 输 入T1 总 线 传 输 周 期T2 T3 T4 时 钟 地 址 数 据 数 据 (2) 同 步 式 数 据 输 出T1 总 线 传 输 周 期T2 T3 T4 时 钟 地 址 写命 令 不 互 锁 半 互 锁 全 互 锁异 步 通 信 主 设 备从 设 备请求回答 单 机 多 机 网 络 通 信 (4) 半 同 步 通 信同 步 发 送 方 用 系 统 时 钟 前 沿 发 信 号 接 收 方 用 系 统 时 钟 后 沿

40、 判 断 、 识 别（ 同 步 、 异 步 结 合 ）异 步 允 许 不 同 速 度 的 模 块 和 谐 工 作 增 加 一 条 “ 等 待 ” 响 应 信 号 WAIT 以 输 入 数 据 为 例 的 半 同 步 通 信 时 序T1 主 模 块 发 地 址T2 主 模 块 发 命 令T 3 从 模 块 提 供 数 据T4 从 模 块 撤 销 数 据 ， 主 模 块 撤 销 命 令Tw 当 为 低 电 平 时 ， 等 待 一 个 TWAITTw 当 为 低 电 平 时 ， 等 待 一 个 TWAIT 读 命 令WAIT 地 址 数 据 时 钟 总 线 传 输 周 期T1 T2 TW TW T3

41、 T4(4) 半 同 步 通 信 （ 同 步 、 异 步 结 合 ） 上 述 三 种 通 信 的 共 同 点一 个 总 线 传 输 周 期 （ 以 输 入 数 据 为 例 ） 主 模 块 发 地 址 、 命 令 从 模 块 准 备 数 据 从 模 块 向 主 模 块 发 数 据 总 线 空 闲占 用 总 线不 占 用 总 线占 用 总 线 (5) 分 离 式 通 信充 分 挖 掘 系 统 总 线 每 个 瞬 间 的 潜 力主 模 块 申 请 占 用 总 线 ， 使 用 完 后即 放 弃 总 线 的 使 用 权从 模 块 申 请 占 用 总 线 ， 将 各 种 信息 送 至 总 线 上一 个 总

42、 线 传 输 周 期子 周 期 1子 周 期 2主 模 块 1. 各 模 块 有 权 申 请 占 用 总 线分 离 式 通 信 特 点充 分 提 高 了 总 线 的 有 效 占 用2. 采 用 同 步 方 式 通 信 ， 不 等 对 方 回 答3. 各 模 块 准 备 数 据 时 ， 不 占 用 总 线4. 总 线 被 占 用 时 ， 无 空 闲 4.1 概 述4.2 主 存 储 器4.3 高 速 缓 冲 存 储 器4.4 辅 助 存 储 器 一 、 存 储 器 分 类1. 按 存 储 介 质 分 类(1) 半 导 体 存 储 器(2) 磁 表 面 存 储 器(3) 磁 芯 存 储 器(4)

43、光 盘 存 储 器 易 失TTL 、 MOS磁 头 、 载 磁 体硬 磁 材 料 、 环 状 元 件激 光 、 磁 光 材 料 非易失 (1) 存 取 时 间 与 物 理 地 址 无 关 （ 随 机 访 问 ） 顺 序 存 取 存 储 器 磁 带2. 按 存 取 方 式 分 类(2) 存 取 时 间 与 物 理 地 址 有 关 （ 串 行 访 问 ） 随 机 存 储 器 只 读 存 储 器 直 接 存 取 存 储 器 磁 盘在 程 序 的 执 行 过 程 中 可 读 可 写在 程 序 的 执 行 过 程 中 只 读 磁 盘 、 磁 带 、 光 盘 高 速 缓 冲 存 储 器 （ Cache）F

44、lash Memory存储器 主 存 储 器辅 助 存 储 器 MROMPROMEPROMEEPROMRAMROM 静 态 RAM动 态 RAM3. 按 在 计 算 机 中 的 作 用 分 类 高低小大快慢辅存寄 存 器缓 存主 存磁 盘光 盘磁 带光 盘磁 带 速 度 容 量 价 格 位1. 存 储 器 三 个 主 要 特 性 的 关 系 二 、 存 储 器 的 层 次 结 构CPU CPU 主机 缓 存CPU 主 存 辅 存2. 缓 存 主 存 层 次 和 主 存 辅 存 层 次缓 存 主 存 辅 存主 存虚 拟 存 储 器10 ns 20 ns 200 ns ms虚 地 址逻 辑 地 址

45、实 地 址物 理 地 址主 存 储 器 （ 速 度 ） （ 容 量 ） 一 、 概 述1. 主 存 的 基 本 组 成存 储 体驱 动 器译 码 器MAR 控 制 电 路读写电路 MDR地 址 总 线 数 据 总 线读 写 2. 主 存 和 CPU 的 联 系MDRMARCPU 主 存读数 据 总 线地 址 总 线写 高 位 字 节 地 址 为 字 地 址 低 位 字 节 地 址 为 字 地 址设 地 址 线 24 根 按 字 节 寻 址按 字 寻 址若 字 长 为 16 位 按 字 寻 址若 字 长 为 32 位字 地 址 字 节 地 址 111098 7654 3210840 字 节 地

46、址字 地 址 45 23 014203. 主 存 中 存 储 单 元 地 址 的 分 配 224 = 16 M8 M4 M (2) 存 储 速 度4. 主 存 的 技 术 指 标(1) 存 储 容 量(3) 存 储 器 的 带 宽主 存 存 放 二 进 制 代 码 的 总 位 数 读 出 时 间 写 入 时 间 存 储 器 的 访 问 时 间 存 取 时 间 存 取 周 期 读 周 期 写 周 期 连 续 两 次 独 立 的 存 储 器 操 作（ 读 或 写 ） 所 需 的 最 小 间 隔 时 间 位 /秒 芯 片 容 量二 、 半 导 体 存 储 芯 片 简 介1. 半 导 体 存 储 芯

47、片 的 基 本 结 构译码驱动 存储矩阵 读写电路 1K 4位16K 1位8K 8位片 选 线 读 /写 控 制 线地址线 数据线地 址 线 （ 单 向 ） 数 据 线 （ 双 向 ）10 414 113 8 二 、 半 导 体 存 储 芯 片 简 介1. 半 导 体 存 储 芯 片 的 基 本 结 构译码驱动 存储矩阵 读写电路片 选 线 读 /写 控 制 线地址线 数据线片 选 线 读 /写 控 制 线 （ 低 电 平 写 高 电 平 读 ） （ 允 许 读 ）CS CEWE （ 允 许 写 ）WEOE 存 储 芯 片 片 选 线 的 作 用用 16K 1位 的 存 储 芯 片 组 成 6

48、4K 8位 的 存 储 器 32片 当 地 址 为 65 535 时 ， 此 8 片 的 片 选 有 效 8片16K 1位 8片16K 1位 8片16K 1位 8片16K 1位 0,015,0 15,70,7 读 /写 控 制 电 路 地址译码器 字 线015 16 8矩 阵 0 7D 0 7D 位 线 读 / 写 选 通 A 3A 2A 1A 0 2. 半 导 体 存 储 芯 片 的 译 码 驱 动 方 式(1) 线 选 法0000读 写 选 通 读 写 控 制 电 路 A 3A 2A 1A 0A 4 0,310,031,0 31,31 Y 地 址 译 码 器 X地址译码器 32 32 矩

49、阵 A 9 I/OA 8 A 7 A 56AY0 Y31 X 0X 31 D读 /写(2) 重 合 法 0 0 0 0 000000 读 三 、 随 机 存 取 存 储 器 ( RAM ) 1. 静 态 RAM (SRAM) (1) 静 态 RAM 基 本 电 路 A 触 发 器 非 端1T 4T 触 发 器5T T6、 行 开 关7T T8、 列 开 关7T T8、 一 列 共 用A 触 发 器 原 端T1 T4T5 T6T7 T8A A写 放 大 器 写 放 大 器DIN 写 选 择 读 选 择 DOUT读 放位 线 A位 线 A 列 地 址 选 择行 地 址 选 择 A T1 T4T5

50、T6T7 T8A写 放 大 器 写 放 大 器 DIN 写 选 择 读 选 择读 放 位 线 A位 线 A 列 地 址 选 择 行 地 址 选 择 D OUT 静 态 RAM 基 本 电 路 的 读 操 作 行 选 T5、 T6 开T7、 T8 开列 选 读 放 D OUTVA T6 T8读 选 择 有 效 T1 T4T5 T6T7 T8A AD IN 位 线 A位 线 A 列 地 址 选 择 行 地 址 选 择写 放 写 放 读 放 D OUT写 选 择 读 选 择 静 态 RAM 基 本 电 路 的 写 操 作 行 选 T5、 T6 开 两 个 写 放 DIN列 选 T7、 T8 开（ 左

51、 ） 反 相 T 5 A（ 右 ） T8 T6 ADINDIN T7写 选 择 有 效 (2) 静 态 RAM 芯 片 举 例 Intel 2114 外 特 性 存 储 容 量1K 4 位I/O1I/O2I/O3I/O4A0A8A9 WE CSVCC GNDIntel 2114 Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 读A3A4A5A6A7A8 A0A1A2A9 150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS

52、第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组 150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组000000000 0 Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 读 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址

53、译码列地址译码 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 0000000000 Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 读 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组 Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 读150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 0000000000 150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348读 写 电 路 读 写 电 路 读

54、写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 0000000000 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组 Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 读 150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组 Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 读000000000 0 150 31

55、16 4732 6348150 3116 4732 6348读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 0000000000 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组 Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 读 150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 0000000000 第 一 组 第 二 组

56、 第 三 组 第 四 组 Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 读 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 0000000000 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组 Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 读 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 A3A4A5A6A7A8A0A1A2A9

57、 150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O 1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组 Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 写 150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组00

58、0000000 0 Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 写 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 0000000000 Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 写 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组 Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 写150 3116 4732 6348150 3116 4732 634

59、8 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 0000000000 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组 Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 写 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码0000000000 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组 Intel 2114 RAM 矩

60、 阵 (64 64) 写 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码0000000000 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组 Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 写 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4WECS 150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电

61、路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码0000000000 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组 Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 写 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4 150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 WECS 0000000000 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 第 一 组 第 二 组 第 三 组 第 四 组

62、 Intel 2114 RAM 矩 阵 (64 64) 写 I/O1 I/O2 I/O3 I/O4 150 3116 4732 6348150 3116 4732 6348读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 0163015行地址译码列地址译码 WECS 0000000000 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 读 写 电 路 ACSDOUT 地 址 有 效 地 址 失 效片 选 失 效数 据 有 效 数 据 稳 定 高 阻 (3) 静 态 RAM 读 时 序 tA tCO tOHAt OTD tRC片 选 有 效读 周 期 t RC 地 址 有 效 下

63、一 次 地 址 有 效读 时 间 tA 地 址 有 效 数 据 稳 定 tCO 片 选 有 效 数 据 稳 定OTD 片 选 失 效 输 出 高 阻OHA 地 址 失 效 后 的 数 据 维 持 时 间 ACSWEDOUTD IN (4) 静 态 RAM (2114) 写 时 序 tWCtWtAW t DW tDH tWR写 周 期 t WC 地 址 有 效 下 一 次 地 址 有效写 时 间 tW 写 命 令 WE 的 有 效 时 间tAW 地 址 有 效 片 选 有 效 的 滞 后 时 间tWR 片 选 失 效 下 一 次 地 址 有 效tDW 数 据 稳 定 WE 失 效H WE 失 效

64、 后 的 数 据 维 持 时 间 DD预 充 电 信 号读 选 择 线写 数 据 线写 选 择 线 读 数 据 线 VCg T4T3 T2T1 1 (1) 动 态 RAM 基 本 单 元 电 路 2. 动 态 RAM ( DRAM )读 出 与 原 存 信 息 相 反 读 出 时 数 据 线 有 电 流 为 “ 1”数 据 线 CsT字 线01 010写 入 与 输 入 信 息 相 同 写 入 时 C S 充 电 为 “ 1” 放 电 为 “ 0” 无 电 流有 电 流 单 元电 路读 写 控 制 电 路列 地 址 译 码 器 读 选 择 线写 选 择 线D行地址译码器 00113131 1A

65、9A8A7A6A5 31A 4 A3 A2 A1 A0 刷 新 放 大 器 写数据线 读数据线 0 (2) 动 态 RAM 芯 片 举 例 三 管 动 态 RAM 芯 片 (Intel 1103) 读00000 0 0000 单 元电 路读 写 控 制 电 路 A9A8A7A6A5 读 写 控 制 电 路列 地 址 译 码 器 读 选 择 线写 选 择 线D单 元电 路行地址译码器 00113131 1 31 A4 A3 A2 A1 A0 刷 新 放 大 器写数据线 读数据线 0 三 管 动 态 RAM 芯 片 (Intel 1103) 写 11111 三 管 动 态 RAM 芯 片 (Int

66、el 1103) 写A9A8A7A6A5 读 写 控 制 电 路列 地 址 译 码 器 读 选 择 线写 选 择 线D单 元电 路行地址译码器 00113131 1 31A 4 A3 A2 A1 A0 刷 新 放 大 器 写数据线 读数据线 0 A9A8A7A6A5 读 写 控 制 电 路列 地 址 译 码 器 读 选 择 线写 选 择 线D单 元电 路行地址译码器 00113131 1 31 A4 A3 A2 A1 A0 刷 新 放 大 器写数据线 读数据线 0 11111 三 管 动 态 RAM 芯 片 (Intel 1103) 写 A9A8A7A6A5 读 写 控 制 电 路列 地 址 译 码 器 读 选 择 线写 选 择 线D单 元电 路行地址译码器 00113131 1 31 A4 A3 A2 A1 A0 刷 新 放 大 器写数据线 读数据线 0 0 100011111 三 管 动 态 RAM 芯 片 (Intel 1103) 写 A9A8A7A6A5 读 写 控 制 电 路列 地 址 译 码 器 读 选 择 线写 选 择 线D单 元电 路行地址译码器 00113131 1