计算机组成原理吉林大学刘子良配套课件

1吉林大学远程教育学院2计算机组成原理主讲：刘子良3参考书目◎《计算机组成原理教程》科学出版社，1988年。白中英，韩兆轩◎《计算机组成与结构》清华大学出版社，1990年。王爱英计算机组成原理4计算机组成原理课程简介计算机组成原理是计算机科学与工程系所有专业的一门核心课程，它在先导课和后续课之间起着承上启下的和继往开来的作用。计算机组成原理教学具有知识面广、内容多、难度大、更新快的特点。本课程讲述计算机组成与结构方面的知识，包括：计算机系统概论、运算方法、运算器、存储系统、指令系统、处理器、系统总线、外围设备、输入输出系统。5《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.1冯·诺依曼体制1.ENIAC概况1)数据表示——十进制2)工作存储器——只有20个单元，用于存放数据3)编程——先要人工对面板上6000多个电子开关进行机械定位，然后都转插线插头，插入与拨出方式来编制程序4)ENIAC共用18000多个电子管，6000多个继电器，耗电140KW，占地170平米，重30吨，运算速度5000次/秒。ENIAC可靠运行时间大概不超过20分钟。6《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.1冯·诺依曼体制2.冯·诺依曼体制1)引进存储程序概念2)计算机以运算器为核心的集中式控制3)指令由操作码和地址码两部分组成，指令在计算机中最顺序执行的，并受PC的统一控制4)提出计算机系统应由：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。这些理论奠定了现代计算机的基本思想，在到目前为止，大多数计算机仍沿用这一体制，人们称其为冯·诺依曼体制。7《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.2计算机的基本组成人们常提到的冯·诺依曼机与原始的以运算器为中心的冯·诺依曼机在结构上有很大的改进。现在已转向以存储器为中心的计算机组成方式。如图1.1所示。图1.1计算机基本组成框图运算器存储器控制器数据结果地址指令输入设备输出设备反馈信息操作命令控制信号请求信号控制台控制信号请求信号8《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.2计算机的基本组成从图1.1中我们可以看出，计算机一般由以下几部分组成：◎输入设备、存储器、运算器、控制器、输出设备五大部分◎运算器与控制器统称为中央处理机CPU◎习惯将输入设备、输出设备统称为I/O设备输入设备存储器运算器控制器输出设备I/O设备CPU9《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.2计算机的基本组成1.2.1运算器基本结构功能：完成算术运算和逻辑运算的装置设置考虑：任意算术运算（加+、减-、乘*、除/）都可以通过相加和移位来解决。举证：……这样一来，运算器的基本结构就确定下来，如图1.2所示。10《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.2计算机的基本组成运算器由：加法器、移位门、寄存器组、输入选择门和数据总线组成。如图1.2所示。图1.2运算器结构框图移位门加法器选择门A选择门B来自数据总线通用寄存器组数据总线11《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.2计算机的基本组成1.2.2存储器的基本结构功能：存放程序和数据装置，并满足计算机在执行过程中能够随机访问这些程序和数据。设置考虑（1）：存取数据一个一个地程序一条一条地如何解决？取出参与操作设置一个存储体，并将存储体分成若干个单元。12《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.2计算机的基本组成设置考虑（2）：访问按地址进行将第个单元赋予编码，表征该单元地址放于何处？设地址寄存器MARMemoryAddressRegister在地址寄存器和存储体之间是否加地址译码器呢？取决于地址给出方式直接给出编码给出-加地址译码器ADAddressDecode存（写入）取（读出）13《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.2计算机的基本组成设置考虑（2）续：存、取存在两个问题。数据存放设置数据寄存器的MBRMemoryBufferRegister区分加读写控制线路（R/W）控制于是，存储器的基本结构确定下来，如图1.3所示。14《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.2计算机的基本组成图1.3存储器基本结构框图地址码地址寄存器地址译码器存储体0号单元1号单元4094号单元4095号单元代码缓冲寄存器数据或指令读令写令15《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.2计算机的基本组成1.2.3控制器的基本结构功能：全机指挥机构，执行方式有如下三种，◎按规定的操作去执行◎自动地去执行◎有秩序地去执行下面，我们具体看一下各种执行方式。16《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.2计算机的基本组成◎按规定的操作去执行在指令中就指令执行过程而言取出指令存放？设指令寄存器IRInstructionRegister分析指令及译码过程设置操作码译码器ODC执行指令17《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.2计算机的基本组成◎自动地执行设置程序计数器PCProgramCounter顺序PC存放程序首址，执行一条后，PC自动加1转移MARPC18《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.2计算机的基本组成◎有秩序去执行指前一个操作结束，进行下一个操作如何判断？通过定时系统设置相应的时序线路控制器的结构如图1.4所示19《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.2计算机的基本组成图1.4控制器结构图20《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.2计算机的基本组成1.2.4输入输出设备输入/输出设备种类繁多，很难用一种结构形式加以描述，通常可以将其描述为一般结构如图1.5所示。图1.5外部设备的一般描述框图输入设备接口接口输出设备21《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.2计算机的基本组成◎输入设备把程序和数据转化为计算机能识别和处理的数据形式的设备，输入的程序和数据存入计算机存储器中。◎输出设备是将计算机中的二进制信算转化为用户所需要的数据格式的设备。它将计算机中的信息（计算结果等）以十进制或字符、图形、表格等形式显示或打印出来。以上，我们简要的介绍了计算机各主要部件的功能，以及其基本构成在设置上的考虑，于是，留下的将是如何从硬件的角度，将计算机各部件连成一个计算机系统的问题了。22《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.3计算机系统的硬件组成如何将计算机各个组成部件连接成为一个有机整体。为此，人们提出一种重要的组成系统技术——总线。一、总线1.总线的概念所谓总线，就是连接多个部件的一组共享信息传送线路，它能够分时接收和发送各部件信息。2.典型做法◎发送端：通过三态门将信息分时送入总线◎接收端：靠定时打入脉冲接收信息23《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.3计算机系统的硬件组成3.实现举例：图1.6计算机总线实现举例框图A‘B‘C‘CPA’CPB’CPC’ABCSS控A控B控C24《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.3计算机系统的硬件组成二、小型机、微型机的典型结构1.以CPU为中心的双总线结构如图1.7所示。图1.7面向CPU的双总线结构CPUMEMI/O接口I/O接口I/O接口磁盘输入机打印机25《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.3计算机系统的硬件组成以CPU为中心的双总线结构（续）(1)结构特点：两簇总线1)CPU与内存之间交换信息的通路，即存储总线M-BUS。2)CPU与I/O设备之间交换信息的通路，即输入/输出总线I/O-BUS。(2)分析与结论1)根据结构特点画关系图如图1.8所示。显而易见，内存与I/O设备之间交换信息都要通过CPU。因此，称其为面向CPU的双总线结构。MEMI/OCPU图1.8面向CPU的双总线结构关系图26《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.3计算机系统的硬件组成以CPU为中心的双总线结构（续）2)既然内存与I/O设备要通过CPU交换信息，那么就必要要受到CPU的直接控制。这种结构的优点是同一时间内只能进行一种传送，因此控制线路简单，时间关系易于处理，可以采用同步控制方式。缺点是由于I/O设备与存储器交换信息要有CPU进行干预，因而当I/O设备工作频繁时要占用大量的CPU时间，从而降低了CPU的工作效率。因此，这种结构为多数低档小型机所采用。27《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.3计算机系统的硬件组成2.单总线结构单总线结构如图1.9所示。CPUMEMI/O接口显示器I/O接口输入机I/O接口显示器图1.9面向CPU的单总线结构关系图28《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.3计算机系统的硬件组成以CPU为中心的单总线结构（续）(1)结构特点靠一簇总线（包括地址总线、数据总线和各种控制线）来实现CPU、存储器、I/O设备这间的信息交换。(2)分析与结论1)从单总线的传送方式可以看出，中央处理机不再是计算机的中心，CPU与其它设备一样，只不过是单总线上的一个子系统。2)采用单总线结构后系统功能增强。因为采用单总线传送方式允许I/O设备直接与存储器交换信息，除分配总线使用权时还要与CPU打交道外，基本上不影响CPU，同时，外部设备寄存器和内存统一编码，这样中央处理机可以象访问内存一样访问外部设备。29《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.3计算机系统的硬件组成以CPU为中心的单总线结构（续）(3)存在问题1)单总线的工作不允许有两个主设备同时使用总线。因此，当I/O设备控制总线使用权时，CPU（它对总线使用的优先级别低于I/O设备）不能从主存中取出数据，因而降低了CPU的处理速度。2)由于所有设备都连在一簇总线上，总线负载很重，随着外设与中央处理机之间交换信息量增大，可使系统的吞吐量呈饱和状态，甚至无法胜任，从而使系统性能下降。3)单总线常采用异步互销应答方式，因此，控制逻辑比较复杂。细节问题将在I/O控制一章作详细讨论。30《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.3计算机系统的硬件组成3.面向存储器的双总线结构双总线结构如图1.10所示。CPUMEMCACHEI/O接口磁盘I/O接口光电输入机I/O接口宽行打印机图1.10面向存储器的双总线结构关系图31《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.3计算机系统的硬件组成面向存储器的双总线结构（续）(1)结构特点在内存上开了两个口子，一个通过高速缓冲存储器Cache（它存有存储器部分信息的副本）与中央处理机相连，专供它与CPU交换信息；另一个口子与原来的单总线相通，实现内存与其他设备的信息交换。(2)分析与结论1)依据结构特点来关系图1.11所示。CPUI/ODMEM图1.11面向存储器的双总线结构关系图32《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.3计算机系统的硬件组成面向存储器的双总线结构（续）显见，在这种结构中，存储器成为计算机的中心，所以把这种结构称为面向存储器的双总线结构。2)这种结构不是对单总线结构的否定，而是对它很好的补充。原因有二：第一，CPU通过专用总线与主存交换信息，不仅提高了处理机的速度，而且减轻了系统总线的负担，防止饱和。第二，主存与I/O设备交换信息，不必经过CPU，因此又保持了单总线的主要优点——系统灵活性。3)系统程序日益庞大，信息存储成为构成系统的一个核心问题，整个系统由早期以CPU为中心发展为以存储系统为中心。因此，这种双总线结构被广泛采用。33《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.3计算机系统的硬件组成4.大中型计算机的典型结构至于大、中型计算机，由于软件资源越来越丰富，存储系统己经成为计算机系统硬件组成的核心部件。同样，外部设备的增多，也使得输入/输出问题变得十分突出。为此，又提出一项组成系统的技术——通道。图1.12给出了大、中计算机的代表性结构。34《计算机组成原理》主讲：刘子良第一章概论1.3计算机系统的硬件组成主存储器中央处理机通道A通道BI/O控制器I/O设备I/O控制器I/O设备I/O设备I/O控制器I/O设备I/O控制器I/O设备I/O控制器I/O设备I/O设备单设备控制单元多设备控制单元图1.11大型计算机系统典型结构框图35《计算机