《计算机组成原理》第3章+CPU系统-05

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计算机组成原理课件第三章资料

主存（内部存储器）是半导体存储器。根据信息存储的机理不同可以分为两类：
静态读写存储器(SRAM)：存取速度快动态读写存储器(DRAM)：存储容量不如DRAM大。
信息工程学院软件工程系 2020/11/12
1、存储位元 2、三组信号线地址线数据线
行线按存储介质分类：磁表面/半导体存储器按存取方式分类：随机/顺序存取（磁带）按读写功能分类：ROM，RAM
RAM：双极型/MOS ROM：MROM/PROM/EPROM/EEPROM
按信息的可保存性分类：永久性和非永久性的按存储器系统中的作用分类：主/辅/缓/控
信息工程学院软件工程系 2020/11/12
目前存储器的特点是：
速度快的存储器价格贵，容量小；价格低的存储器速度慢，容量大。
在计算机存储器体系结构设计时，我们希望存储器系统的性能高、价格低，那么在存储器系统设计时，应当在存储器容量，速度和价格方面的因素作折中考虑，建立了分层次的存储器体系结构如下图所示。
信息工程学院软件工程系 2020/11/12
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SRAM芯大多采用双译码方式，以便组织更大的存储容量。采用了二级译码：将地址分成x向、y向两部分如图所示
信息工程学院软件工程系 2020/11/12
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存储体（256×128×8）
通常把各个字的同一个字的同一位集成在一个芯片（32K×1）中，32K位排成256×128的矩阵。8个片子就可以构成32KB。
门G1关闭，存储器进行读操作。写操作时， WE=0，门G1开启，门G2 关闭。注意，门G1和G2是互锁的，一个开启时另一个必定关闭，这样保证了读时不写，写时不读。

计算机组成原理第三章课件

A、电路图：由两个MOS反相器交叉耦合而成的双稳态触发器。
字线
V
位/读出线 BS0 读/写“0” T2 T0 T1 A T4 T5 B T3 位/读出线 BS1 读/写“1”
6管MOS存储电路
静态MOS存储器
基本存储元—6管静态MOS存储元 B、存储元的工作原理
字线
①写操作。在字线上加一个正电压的字脉冲，使 T2 、 T3 管导通。若要写“ 0”，位/读出线无论该位存储元电路原存何种状态， BS0 只需使写“ 0”的位线 BS0 电压降为地电位（加负电压的位脉冲），经导通读/写“0” T2 的Ｔ2 管，迫使节点Ａ的电位等于地电位，就能使Ｔ1 管截止而Ｔ0 管导通。写入1，只需使写1的位线BS1 降为地电位，经导通的 T3 管传给节点Ｂ，迫使 T0 管截止而T1 管导通。写入过程是字线上的字脉冲和位线上的位脉冲相重合的操作过程。
静态MOS存储器

用静态MOS存储片组成RAM
字位同时扩展法：一个存储器的容量假定为 M×N位，若使用l×k位的芯片（l＜M,k＜N）需要在字向和位向同时进行扩展。此时共需要（M ／l）×（N ／k）个存储器芯片。其中， M ／ l 表示把 M×N 的空间分成（ M ／ l ）个部分（称为页或区），每页（N／k）个芯片。地址分配：（A）用log2 l位表示低位地址：用来选择访问页内的l个字（B ）用log2 （M／l）位表示高位地址：用来经片选译码器产生片选信号。
• 片选有效，才可以对芯片进行读/写操作 • 无效时，数据引脚呈现高阻状态，并可降低功耗

读控制（OE*）
• 芯片被选中有效，数据输出到数据引脚 • 对应存储器读MEMR*

《计算机组成原理》第3章习题答案

《计算机组成原理》第3章习题答案第3章习题解答1．指令长度和机器字长有什么关系?半字长指令、单字长指令、双字长指令分别表⽰什么意思?解：指令长度与机器字长没有固定的关系，指令长度可以等于机器字长，也可以⼤于或⼩于机器字长。

通常，把指令长度等于机器字长的指令称为单字长指令；指令长度等于半个机器字长的指令称为半字长指令；指令长度等于两个机器字长的指令称为双字长指令。

2．零地址指令的操作数来⾃哪⾥?⼀地址指令中，另⼀个操作数的地址通常可采⽤什么寻址⽅式获得?各举⼀例说明。

解：双操作数的零地址指令的操作数来⾃堆栈的栈顶和次栈顶。

双操作数的⼀地址指令的另⼀个操作数通常可采⽤隐含寻址⽅式获得，即将另⼀操作数预先存放在累加器中。

例如，前述零地址和⼀地址的加法指令。

3．某机为定长指令字结构，指令长度16位；每个操作数的地址码长6位，指令分为⽆操作数、单操作数和双操作数三类。

若双操作数指令已有K种，⽆操作数指令已有L种，问单操作数指令最多可能有多少种?上述三类指令各⾃允许的最⼤指令条数是多少?解：X= (24⼀K)×26⼀[L/26]双操作数指令的最⼤指令数：24⼀1。

单操作数指令的最⼤指令数：15×26⼀l(假设双操作数指令仅1条，为⽆操作数指令留出1个扩展窗⼝)。

⽆操作数指令的最⼤指令数：216⼀212⼀26。

其中212为表⽰某条⼆地址指令占⽤的编码数，26为表⽰某条单地址指令占⽤的编码数。

此时双操作数和单操作数指令各仅有1条。

4．设某机为定长指令字结构，指令长度12位，每个地址码占3位，试提出⼀种分配⽅案，使该指令系统包含：4条三地址指令，8条⼆地址指令，180条单地址指令。

解：4条三地址指令000 XXX YYY ZZZ．．011 XXX YYY ZZZ8条⼆地址指令100 000 XXX YYY．．100 111 XXX YYY180条单地址指令101 000 000 XXX．．111 110 011 XXX5．指令格式同上题，能否构成：三地址指令4条，单地址指令255条，零地址指令64条?为什么?解：三地址指令4条000 XXX YYY ZZZ．．011 XXX YYY ZZZ单地址指令255条100 000 000 XXX．．111 111 110 YYY只能再扩展出零地址指令8条，所以不能构成这样的指令系统。

教案-计算机组成原理(DOC)

计算机组成原理教案（数字媒体专业）第一章计算机系统概论内容简介：计算机系统的层次结构，冯·诺伊曼计算机的硬件结构和主要功能，计算机的工作步骤以及计算机的主要技术指标。

教学目标：了解计算机系统的层次结构；了解冯·诺伊曼计算机的特点及硬件构成；理解计算机的工作步骤，了解计算机的主要技术指标的含义及其对计算机的影响。

教学重点和难点：虚拟机的概念；计算机的硬件构成；计算机的工作步骤。

教学媒体和教学方法：使用幻灯片在多媒体教室进行教学；教学中采用讲授与讨论相结合的方法。

教学过程：一、计算机系统简介1．计算机的软硬件概念（1）硬件（2）软件（3）软硬件的关系2．计算机系统的层次结构（1）虚拟机的概念（2）各层虚拟机及与真实机器的层次关系3．计算机的基本组成（1）冯·诺伊曼计算机的特点（2）计算机硬件结构，总线的构成。

讨论、分析直连结构的问题，提出总线思想，并简单介绍总线结构。

（3）计算机的工作步骤提出计算机解决问题的基本步骤计算机基本构成部件的介绍（运算器、存储器、控制器）以计算ax2+bx+c为例分析计算机工作的过程4．计算机的主要技术指标（1）机器字长计算机同时处理的二进制位机器字长与数据总线宽度、存储字长的关系（2）存储容量存储容量的单位主存容量辅存容量（3）运算速度几种计算运算速度的方法并对它们进行比较运算速度的表示单位第二章计算机的发展及应用内容简介：计算机的发展史；计算机的应用领域；计算机的发展展望。

教学目标：了解计算机的产生和发展以及发展思路；了解计算机的应用领域；了解计算机的发展趋势。

教学重点和难点：计算机的应用领域。

教学媒体和教学方法：使用幻灯片在多媒体教室进行教学；教学中采用讲授与讨论相结合的方法。

教学过程：一、计算机的发展史1．计算机的产生和发展现代计算机的研究工作第一台电子计算机的产生计算机的发展阶段计算机的发展规律计算机的发展趋势2．微型计算机的出现和发展微型计算机的发展阶段微型计算机的发展带来的工作、学习、生活方式的变化3．软件技术的兴起和发展软硬件的融合，简介嵌入式发展方向二、计算机的应用1．科学计算和数据处理通过ENIAC进行计算的一个案例，直观体会计算机的计算能力2．工业控制和实时控制3．网络技术应用4．虚拟现实介绍虚拟现实技术的一些应用5．办公自动化和管理信息系统6．多媒体技术7．人工智能三、计算机发展的展望第三章系统总线内容简介：总线的概念；总线的分类；总线的特性和性能指标；总线结构；总线控制。

《计算机组成原理》教案

《计算机组成原理》教案一、教学目标1. 了解计算机硬件系统的组成及功能2. 掌握数据的表示和运算方法3. 理解存储器的层次结构和工作原理4. 掌握中央处理器（CPU）的工作原理和性能指标5. 了解计算机的输入输出系统及其接口技术二、教学内容1. 计算机硬件系统计算机的组成输入输出设备存储器中央处理器（CPU）2. 数据的表示和运算数制转换计算机中的数据类型算术运算逻辑运算3. 存储器层次结构随机存储器（RAM）只读存储器（ROM）硬盘存储器虚拟存储器4. 中央处理器（CPU）CPU的组成和结构指令集和指令系统指令执行过程CPU性能指标5. 输入输出系统输入输出设备I/O接口技术中断和直接内存访问（DMA）总线和接口三、教学方法1. 采用讲授法，讲解基本概念、原理和方法。

2. 结合实例分析，让学生更好地理解计算机组成原理。

3. 使用实验和实训，培养学生的实际操作能力。

4. 开展课堂讨论和小组合作，提高学生的分析和解决问题的能力。

四、教学资源1. 教材：《计算机组成原理》2. 课件：PowerPoint或其他教学软件3. 实验设备：计算机、内存条、硬盘等4. 网络资源：相关在线教程、视频、论文等五、教学评价1. 平时成绩：课堂表现、作业、实验报告等（30%）2. 期中考试：测试计算机组成原理的基本概念、原理和方法（30%）3. 期末考试：综合测试计算机组成原理的知识点和实际应用（40%）六、教学安排1. 课时：共计48课时，每课时45分钟。

第一章：8课时第二章：6课时第三章：10课时第四章：10课时第五章：4课时第六章：6课时第七章：6课时第八章：4课时第九章：4课时第十章：4课时2. 教学方式：讲授、实验、课堂讨论、小组合作等。

七、教学重点与难点1. 教学重点：计算机硬件系统的组成及功能数据的表示和运算方法存储器的层次结构和工作原理中央处理器（CPU）的工作原理和性能指标输入输出系统及其接口技术2. 教学难点：存储器的工作原理中央处理器（CPU）的指令执行过程输入输出系统的接口技术八、教学进度计划1. 第一周：计算机硬件系统概述2. 第二周：数据的表示和运算3. 第三周：存储器层次结构4. 第四周：中央处理器（CPU）5. 第五周：输入输出系统6. 第六周：综合练习与实验九、教学实践活动1. 实验：实验一：计算机硬件组成认识实验二：数据表示与运算实验三：存储器测试实验四：CPU性能测试实验五：输入输出系统实验2. 课堂讨论：讨论话题：计算机硬件技术的未来发展讨论形式：小组合作、课堂分享1. 课程结束后，对教学效果进行自我评估和反思。

(完整版)计算机组成原理第3章习题参考答案

第3章习题参考答案1、设有一个具有20位地址和32位字长的存储器，问(1) 该存储器能存储多少字节的信息？(2) 如果存储器由512K ×8位SRAM 芯片组成，需要多少片？(3) 需要多少位地址作芯片选择？解：(1) 该存储器能存储：字节4M 832220=⨯(2) 需要片8823228512322192020=⨯⨯=⨯⨯K (3) 用512K ⨯8位的芯片构成字长为32位的存储器，则需要每4片为一组进行字长的位数扩展，然后再由2组进行存储器容量的扩展。

所以只需一位最高位地址进行芯片选择。

2、已知某64位机主存采用半导体存储器，其地址码为26位，若使用4M ×8位的DRAM 芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用内存条结构形式，问；(1) 若每个内存条为16M ×64位，共需几个内存条?(2) 每个内存条内共有多少DRAM 芯片?(3) 主存共需多少DRAM 芯片? CPU 如何选择各内存条?解：(1) 共需内存条条4641664226=⨯⨯M (2) 每个内存条内共有个芯片32846416=⨯⨯M M (3) 主存共需多少个RAM 芯片，共有4个内存条，1288464648464226=⨯⨯=⨯⨯M M M 故CPU 选择内存条用最高两位地址A 24和A 25通过2：4译码器实现；其余的24根地址线用于内存条内部单元的选择。

3、用16K ×8位的DRAM 芯片构成64K ×32位存储器，要求：(1) 画出该存储器的组成逻辑框图。

(2) 设存储器读/写周期为0.5μS ，CPU 在1μS 内至少要访问一次。

试问采用哪种刷新方式比较合理?两次刷新的最大时间间隔是多少?对全部存储单元刷新一遍所需的实际刷新时间是多少?解：(1) 用16K ×8位的DRAM 芯片构成64K ×32位存储器，需要用个芯片，其中每4片为一组构成16K ×32位——进行字长位16448163264=⨯=⨯⨯K K数扩展(一组内的4个芯片只有数据信号线不互连——分别接D0~D 7、D 8~D 15、D 16~D 23和D 24~D 31，其余同名引脚互连)，需要低14位地址(A 0~A 13)作为模块内各个芯片的内部单元地址——分成行、列地址两次由A 0~A 6引脚输入；然后再由4组进行存储器容量扩展，用高两位地址A 14、A 15通过2：4译码器实现4组中选择一组。

《计算机组成原理》第3章+CPU系统-01

时钟
送地址读/写数据
同步方式
T1
时钟
送地址
T2
T3
Tw
等待
T4
结束
读/写数据
扩展同步方式
第三章CPU系统
(3)同步方式引入异步应答以固定时钟周期作为时序基础，引入应答思想。
请求/应答
外设请求总线
CPU 响应
外设释放总线权
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第三章CPU系统
3.1.3 控制器分类控制器的功能：根据微命令的功能，控制相应硬件的工作。
中断控制方式一般较适合于只传送少量数据的中低速I/O接口或处理复杂随机事态。
第三章CPU系统
(3)DMA传送方式 DMA - Direct Memory Access 即直接存储器存取，它是在不需要CPU介入的情况下，由专门的硬件（DMA控制器）直接控制数据在主存与I/O间的传送。
第三章CPU系统
IF =
1，开中断(允许响应中断)
注：IF标志只影响可屏蔽中断，对不可屏蔽中断和软中断无效。
第三章CPU系统
中断服务程序的组织
CLI ;关中断保护现场 STI ;开中断 … 具体服务过程 … CLI ;关中断恢复现场 STI ;开中断 IRET；中断返回
第三章CPU系统
中断系统硬件设置
第三章CPU系统
1.组合逻辑控制器执行指令时，由组合逻辑电路(微命令发生器) 在相应时间发出所需微命令，控制有关操作。特点： 1.指令执行速度快 2.设计不规整，硬件复杂 3.不易修改、扩充指令系统
第三章CPU系统
2.微程序控制器执行指令时，一条指令对应一段微程序。特点： 1.设计规整，硬件设计规泛 2.指令系统扩充容易

《计算机组成原理》总结完整版

《计算机组成原理》总结完整版《计算机组成原理》学科复习总结★第⼀章计算机系统概论本章内容：本章主要讲述计算机系统的组成、计算机系统的分层结构、以及计算机的⼀些主要指标等需要掌握的内容：计算机软硬件的概念，计算机系统的层次结构、体系结构和计算机组成的概念、冯.诺依曼的主要思想及其特点、计算机的主要指标本章主要考点：概念1、当前的CPU由哪⼏部分组成？控制器、运算器、寄存器、cache (⾼速缓冲存储器)2、⼀个完整的计算机系统应包括哪些部分？配套的硬件设备和软件系统3、什么是计算机硬件、计算机软件？各由哪⼏部分组成？它们之间有何联系？计算机硬件是指计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电⼦元器件，各类光、电、机设备的实物组成。

主要包括运算器(ALU)、控制器(CU)、存储器、输⼊设备和输出设备五⼤组成部分。

软件是计算机程序及其相关⽂档的总称，主要包括系统软件、应⽤软件和⼀些⼯具软件。

软件是对硬件功能的完善与扩充，⼀部分软件⼜是以另⼀部分软件为基础的再扩充。

4、冯·诺依曼计算机的特点●计算机由运算器、存储器、控制器、输⼊设备和输出设备五⼤部件组成●指令和数据以同等地位存于存储器内，可按地址寻访●指令和数据⽤⼆进制表⽰●指令由操作码和地址码组成，操作码⽤来表⽰操作的性质，地址码⽤来表⽰操作数在存储器中的位置●指令在存储器内按顺序存放●机器以运算器为中⼼，输⼊输出设备和存储器间的数据传送通过运算器完成5、计算机硬件的主要技术指标●机器字长：CPU ⼀次能处理数据的位数，通常与CPU 中的寄存器位数有关●存储容量：存储容量= 存储单元个数×存储字长；MAR（存储器地址寄存器）的位数反映存储单元的个数，MDR（存储器数据寄存器）反映存储字长主频吉普森法●运算速度MIPS 每秒执⾏百万条指令CPI 执⾏⼀条指令所需的时钟周期数FLOPS 每秒浮点运算次数◎第⼆章计算机的发展及应⽤本章内容：本章主要讲述计算机系统、微型计算机系统的发展过程以及应⽤。

《计算机组成原理》教学大纲

《计算机组成原理》教学大纲一、课程概述《计算机组成原理》是计算机科学与技术、电子信息工程等专业的一门重要基础课。

本课程主要介绍计算机的基本组成和工作原理，使学生全面了解计算机硬件体系结构，包括计算机历史发展、指令系统、CPU设计、存储器层次结构、输入输出系统、总线结构等内容。

二、教学目标1.了解计算机硬件的组成和工作原理。

2.理解计算机的历史发展过程，掌握计算机的分类和体系结构。

3.掌握计算机指令系统的设计原则和常见指令的执行过程。

4.熟悉CPU的基本组成和工作原理，能够设计简单的CPU。

5.理解存储器层次结构的原理，熟悉常见的存储器技术。

6.了解输入输出系统的原理和常见的接口技术。

7.掌握计算机总线的分类和工作原理。

三、课程具体内容及教学安排1.计算机硬件体系结构（2周）-计算机硬件的分类和功能-冯·诺依曼计算机体系结构-CISC和RISC指令集架构2.指令系统设计与实现（3周）-指令系统的基本要求-ISA的设计原则-MIPS指令系统设计与实现3.CPU设计与实现（4周）-CPU的基本结构和功能-数据通路和控制器的设计与实现-单周期CPU与多周期CPU的设计比较4.存储器层次结构（3周）-存储器的分类和特点-存储器的层次结构和映射方式- Cache的设计原理和优化策略5.输入输出系统（2周）-输入输出设备的分类和特点-输入输出接口的工作原理与设计-DMA和中断的处理机制6.总线结构（2周）-总线的分类和特点-总线的时序与仲裁机制-PCI和PCIe总线的基本原理四、教学方法1.理论授课：介绍计算机的基本原理和概念。

2.实践操作：通过实验课程，让学生动手操作实际的计算机硬件和软件，加深对计算机组成原理的理解。

3.讨论与研讨：组织学生进行小组讨论和报告汇报，共同探讨计算机组成原理的相关问题。

4.相关案例分析：通过实际案例分析计算机组成原理在实际应用中的作用和影响。

五、教材和参考书教材：参考书：1. 《计算机组成与设计：硬件/软件接口》（原书第4版）（Patterson和Hennessy编著）2. 《计算机组成与体系结构》（英文版）（David A. Patterson和John L. Hennessy编著）3.《计算机组成原理及其实践》（胡伟编著）六、评分方式1.平时成绩：包括出勤情况、作业完成情况和课堂表现等。

计算机组成原理目录

计算机组成原理目录目录如下：第1篇概论第1章计算机系统概论1.1 计算机系统简介1.1.1 计算机的软硬件概念1.1.2 计算机系统的层次结构1.1.3 计算机组成和计算机体系结构1.2 计算机的基本组成1.2.1 冯·诺依曼计算机的特点1.2.2 计算机的硬件框图1.2.3 计算机的工作步骤1.3 计算机硬件的主要技术指标1.3.1 机器字长1.3.2 存储容量1.3.3 运算速度1.4 本书结构思考题与习题第2章计算机的发展及应用2.1 计算机的发展史2.1.1 计算机的产生和发展2.1.2 微型计算机的出现和发展2.1.3 软件技术的兴起和发展2.2 计算机的应用2.2.1 科学计算和数据处理2.2.2 工业控制和实时控制2.2.3 网络技术的应用2.2.4 虚拟现实2.2.5 办公自动化和管理信息系统2.2.6 CAD/CAM/CIMS2.2.7 多媒体技术2.2.8 人工智能2.3 计算机的展望思考题与习题第2篇计算机系统的硬件结构第3章系统总线3.1 总线的基本概念3.2 总线的分类3.2.1 片内总线3.2.2 系统总线3.2.3 通信总线3.3 总线特性及性能指标3.3.1 总线特性3.3.2 总线性能指标3.3.3 总线标准3.4 总线结构3.4.1 单总线结构3.4.2 多总线结构3.4.3 总线结构举例3.5 总线控制3.5.1 总线判优控制3.5.2 总线通信控制思考题与习题第4章存储器4.1 概述4.1.2 存储器的层次结构4.2 主存储器4.2.1 概述4.2.2 半导体存储芯片简介4.2.3 随机存取存储器4.2.4 只读存储器4.2.5 存储器与CPU的连接4.2.6 存储器的校验4.2.7 提高访存速度的措施4.3 高速缓冲存储器4.3.1 概述4.3.2 Cache—主存地址映射4.3.3 替换策略4.4.1 概述4.4.2 磁记录原理和记录方式4.4.3 硬磁盘存储器4.4.4 软磁盘存储器4.4.5 磁带存储器4.4.6 循环冗余校验码4.4.7 光盘存储器思考题与习题附录4A 相联存储器第5章输入输出系统5.1 概述5.1.1 输入输出系统的发展概况5.1.2 输入输出系统的组成5.1.3 I/O设备与主机的联系方式5.1.4 I/O设备与主机信息传送的控制方式5.2 I/O设备5.2.1 概述5.2.2 输入设备5.2.3 输出设备5.2.4 其他I/O设备5.2.5 多媒体技术5.3 I/O接口5.3.1 概述5.3.2 接口的功能和组成5.3.3 接口类型5.4 程序查询方式5.4.1 程序查询流程5.4.2 程序查询方式的接口电路5.5 程序中断方式5.5.1 中断的概念5.5.2 I/O中断的产生5.5.3 程序中断方式的接口电路5.5.4 I/O中断处理过程5.5.5 中断服务程序的流程5.6 DMA方式5.6.1 DMA方式的特点5.6.2 DMA接口的功能和组成5.6.3 DMA的工作过程5.6.4 DMA接口的类型思考题与习题附录5A ASCⅡ码附录5B BCD码附录5C 奇偶校检码第3篇中央处理器第6章计算机的运算方法6.1 无符号数和有符号数6.1.1 无符号数6.1.2 有符号数6.2 数的定点表示和浮点表示6.2.1 定点表示6.2.2 浮点表示6.2.3 定点数和浮点数的比较6.2.4 举例6.2.5 IEEE754标准6.3 定点运算6.3.1 移位运算6.3.2 加法与减法运算6.3.3 乘法运算6.3.4 除法运算6.4 浮点四则运算6.4.1 浮点加减运算6.4.2 浮点乘除法运算6.4.3 浮点运算所需的硬件配置6.5 算术逻辑单元6.5.1 ALU电路6.5.2 快速进位链思考题与习题附录6A 各种进位制6A.1 各种进位制的对应关系6A.2 各种进位制的转换附录6B 阵列乘法器和阵列除法器附录6C 74181逻辑电路第7章指令系统7.1 机器指令7.1.1 指令的一般格式7.1.2 指令字长7.2 操作数类型和操作类型7.2.1 操作数类型7.2.2 数据在存储器中的存放方式7.2.3 操作类型7.3 寻址方式7.3.1 指令寻址7.3.2 数据寻址7.4 指令格式举例7.4.1 设计指令格式应考虑的各种因素7.4.2 指令格式举例7.4.3 指令格式设计举例7.5 RISC技术7.5.1 RISC的产生和发展7.5.2 RISC的主要特征7.5.3 RISC和CISC的比较思考题与习题第8章 CPU的结构和功能8.1 CPU的结构8.1.1 CPU的功能8.1.2 CPU结构框图8.1.3 CPU的寄存器8.1.4 控制单元和中断系统8.2 指令周期8.2.1 指令周期的基本概念8.2.2 指令周期的数据流8.3 指令流水8.3.1 指令流水原理8.3.2 影响流水线性能的因素8.3.3 流水线性能8.3.4 流水线中的多发技术8.3.5 流水线结构8.4 中断系统8.4.1 概述8.4.2 中断请求标记和中断判优逻辑8.4.3 中断服务程序入口地址的寻找8.4.4 中断响应8.4.5 保护现场和恢复现场8.4.6 中断屏蔽技术思考题与习题第4篇控制单元第9章控制单元的功能9.1 微操作命令的分析9.1.1 取指周期9.1.2 间址周期9.1.3 执行周期9.1.4 中断周期9.2 控制单元的功能9.2.1 控制单元的外特性9.2.2 控制信号举例9.2.3 多级时序系统9.2.4 控制方式9.2.5 多级时序系统实例分析思考题与习题第10章控制单元的设计10.1 组合逻辑设计10.1.1 组合逻辑控制单元框图10.1.2 微操作的节拍安排10.1.3 组合逻辑设计步骤10.2 微程序设计10.2.1 微程序设计思想的产生10.2.2 微程序控制单元框图及工作原理10.2.3 微指令的编码方式10.2.4 微指令序列地址的形成10.2.5 微指令格式10.2.6 静态微程序设计和动态微程序程序设计10.2.7 毫微程序设计10.2.8 串行微程序控制和并行微程序控制10.2.9 微程序设计举例思考题与习题附录10A PC整机介绍10A.1 主板10A.1.1 主板的主要组成部件10A.1.2 CPU芯片及插座(插槽)10A.1.3 内存条插槽10A.1.4 扩展插10A.1.5 配套芯片和器件10A.1.6 主板结构的改进10A.2 芯片组10A.2.1 芯片组的功能10A.2.2 芯片组的组成《计算机组成原理》是2008年1月1日高等教育出版社出版的图书，作者是唐朔飞。

《计算机组成原理》第三章课后题参考答案

第三章课后习题参考答案1．有一个具有20位地址和32位字长的存储器，问：（1）该存储器能存储多少个字节的信息？（2）如果存储器由512K×8位SRAM芯片组成，需要多少芯片？（3）需要多少位地址作芯片选择？解：（1）∵ 220= 1M，∴该存储器能存储的信息为：1M×32/8=4MB （2）（1024K/512K）×（32/8）= 8（片）（3）需要1位地址作为芯片选择。

3．用16K×8位的DRAM芯片组成64K×32位存储器，要求：(1) 画出该存储器的组成逻辑框图。

(2) 设DRAM芯片存储体结构为128行，每行为128×8个存储元。

如单元刷新间隔不超过2ms，存储器读/写周期为0.5μS, CPU在1μS内至少要访问一次。

试问采用哪种刷新方式比较合理？两次刷新的最大时间间隔是多少？对全部存储单元刷新一遍所需的实际刷新时间是多少？解：（1）组成64K×32位存储器需存储芯片数为N=（64K/16K）×（32位/8位）=16（片）每4片组成16K×32位的存储区，有A13-A0作为片内地址，用A15 A14经2：4译码器产生片选信号，逻辑框图如下所示：（2）根据已知条件，CPU在1us内至少访存一次，而整个存储器的平均读/写周期为0.5us，如果采用集中刷新，有64us的死时间，肯定不行；所以采用分散式刷新方式：设16K×8位存储芯片的阵列结构为128行×128列，按行刷新，刷新周期T=2ms，则分散式刷新的间隔时间为：t=2ms/128=15.6(s) 取存储周期的整数倍15.5s(0.5的整数倍)则两次刷新的最大时间间隔发生的示意图如下可见，两次刷新的最大时间间隔为tMAXt MAX＝15.5×2－0.5＝30.5 (μS)对全部存储单元刷新一遍所需时间为tRt R＝0.5×128=64 (μS)4．有一个1024K×32位的存储器，由128K×8位DRAM芯片构成。

计算机组成原理第2版高教唐朔飞

输入设备
运算器
输出设备
控制器
完整ppt课件
指挥程序运行
11
冯·诺依曼计算机硬件框图
1.2
输入设备
存储器运算器
输出设备
控制器
完整ppt课件
12
二、计算机硬件框图
1.2
1. 以存储器为中心的计算机硬件框图
控制器
数据输入设备
程序
存储器
计算输出设备
结果
运算器
完整ppt课件
13
2.现代计算机硬件框图
虚拟机器 M3 虚拟机器 M2
虚拟机器
机器语言
实际机器 M1
微指令系统
微程序机器 M0
完整ppt课件
7
虚拟机器 M4
虚拟机器 M3
软件虚拟机器 M2
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
1.1
用机器语言解释操作系统
硬实际机器 M1
用微指令解释机器指令
件
微程序机器 M0
由硬件直接执行微指令
1.2
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
减M
初态 ACC [M]
[ACC]-[X]
被减数 X ACC
完整ppt课件
23
③ 乘法操作过程
1.2
AC0 C MQ
AALUU
X
运算器
指令
乘M
初态 ACC [M]
[ACC]
0
[X]×[MQ]
完整ppt课件
被乘数 MQ X
ACC MQ ALU
X
运算器
ACC
MQ
加法被加数和
பைடு நூலகம்

计算机组成原理第三章 CPU-1 运算部件

C Cn .1011
1.101 11.10 111.1 1111
27
2.算法流程
0 A、X B、Y C、0 N 1/2（A+0） A，C CR
Cn = 1 ？
Y 1/2（A+B） A，C CR + 1 N CR
CR = n ？ Y Sx + Sy SA
28
3.运算规则
（1）操作数、结果用原码表示；
式（2）：操作码为“减”时，将减转换为加。即将减数变补后与被减数相加。
将Y补变补
Y补
(–Y)补：不管Y补为正或负，将其符号连同
尾数一起各位变反，末位加1。
例. 求(X – Y)补
2) X= –4 X补=1 1100 1) X= 4 X补=0 0100 Y= 5 Y补=0 0101 Y= –5 Y补=1 1011 (-Y)补=1 1011 (-Y)补=0 0101 9 0 1001 1 0111 9补码）（– （+9补码）
3
3.1.1 带多路选择器的运算器
内部总线（单向）移位器 R0 Rn
ALU
特点：
多路选择器多路选择器
R各自独立；
R0. . . Rn
R0. . . Rn
可同时向ALU提供两个操作数；采用单向内总线。
4
3.1.2 带输入锁存器的运算器
特点：
移位器
单口RAM不能同时向ALU提供两个操作数；
用锁存器暂存操作数；
22
3.2.1.4 舍入方法
1. 0舍1入（原码、补码）
例. 保留4位尾数： 0 00100原
1 00101原
1 11011补
2. 末位恒置1（原码、补码）

计算机组成原理复习

WE
A1
A0
•••
A9
1
CS1
第4章存储器
*
字扩展（增加存储字的数量）
存储器与 CPU 的连接
MDR
MAR
CPU
主存
读
数据总线
地址总线
写
第4章存储器
*
主存和 CPU 的联系
存储器与 CPU 的连接
地址线的连接数据线的连接读/写线的连接片选线的连接合理选用芯片其他时序、负载
总线控制
主要包括两部件：判优控制
01
主设备(模块)：对总线有控制权
02
从设备(模块)：响应从主设备发来的总线命令
03
总线判优控制分布式集中式计数器定时查询独立请求方式链式查询第3章系统总线
*
总线控制
通信控制
目的解决通信双方协调配合问题总线通信的四种方式
同步、异步结合
通信双方由统一时标控制数据传送采用应答方式，没有公共时钟标准
周期挪用
*
真值与机器数
第6章计算机的运算方法
*
真值 X=-0.11111 机器数原码 X=1.11111 补码 X=1.00001 反码 X=1.00000 移码 X=0.00001 转换
第4章存储器
字块2m－1
字块2c-r+1
字块2c-r + 1
字块2c-r
字块2c-r －
字块1
字块0
…
…
…
字块 3
标记
字块 1
标记
字块 2c－1
标记
字块 2
标记
字块 0
标记
字块 2c－2

《计算机组成原理》

计算机组成原理概述《计算机组成原理》是计算机科学与技术专业的一门核心课程，旨在深入理解计算机系统的结构、功能和工作原理。

本文将介绍计算机组成原理的基本概念、主要内容和学习方法，帮助读者更好地理解和应用该课程的知识。

一、基本概念计算机组成原理是研究计算机硬件系统的科学，它从计算机系统的三个主要组成部分出发，即中央处理器（CPU）、存储器和输入输出设备，深入剖析它们的结构、功能和相互关系。

1.中央处理器（CPU）：是计算机系统的核心，负责执行计算机指令、控制计算机各个部件的协调工作。

它包括算术逻辑单元（ALU）、控制单元（CU）和寄存器等组成部分。

2.存储器：用于存储程序和数据，包括主存储器和辅助存储器。

主存储器是CPU直接访问的存储设备，而辅助存储器则用于长期存储大量数据。

3.输入输出设备：用于与计算机进行信息的输入和输出。

例如键盘、鼠标、打印机等。

二、主要内容《计算机组成原理》课程的主要内容包括以下几个方面：1.计算机系统结构：介绍计算机系统的层次结构、组织方式和功能划分，以及计算机指令集的设计和指令的表示方式。

2.数据的表示和运算：介绍计算机中的各种数据类型及其表示方式，包括整数、浮点数、字符等。

并讲解数据的运算原理、运算器的设计和实现。

3.存储器系统：介绍计算机的存储器层次结构和存储器的组成，讨论存储器的层次化、块与连续性存储、缓存和虚拟存储器等相关内容。

4.中央处理器（CPU）：深入剖析CPU的功能和组成，包括指令周期、流水线设计、指令级并行和超标量处理等内容。

5.输入输出系统：讲解输入输出设备与计算机的数据交互方式，包括程序控制方式和直接存储器访问方式。

6.总线系统：介绍计算机中的总线结构和总线控制技术，讨论总线的工作原理、时序和传输方式。

7.外部设备和接口：讲解计算机系统与外部设备的连接与通信方式，以及I/O接口的设计和实现。

三、学习方法学习《计算机组成原理》的关键在于理解基本概念和把握核心原理，下面给出几点学习方法供参考：1.坚持理论联系实际：理论知识需要与实际应用相结合，通过与真实的计算机系统相对照，可以更好地理解和应用所学的知识。

计算机组成原理详解

计算机组成原理详解计算机组成原理是研究计算机系统的组成和工作原理的学科，它涉及计算机硬件和软件的各个方面，包括计算机的组件、功能模块、数据传输和处理等等。

在本文中，我们将详细介绍计算机组成原理的相关知识。

一、计算机的基本组成计算机是由硬件和软件两个部分组成的。

硬件部分包括中央处理器（CPU）、存储器、输入设备、输出设备和各种接口。

而软件部分则包括操作系统、应用软件和系统软件等。

1. 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的核心部件，它负责执行计算机的各种指令和数据处理操作。

CPU由控制器和运算器组成，其中控制器负责指令的解码和执行，而运算器负责数据的运算和处理。

2. 存储器存储器用于存储计算机运行时所需的数据和指令。

根据存储介质的不同，存储器可分为主存储器和辅助存储器两种。

主存储器用于存储当前正在执行的程序和数据，而辅助存储器则用于长期存储数据和程序。

3. 输入设备和输出设备输入设备用于向计算机输入数据和指令，常见的输入设备有键盘、鼠标和扫描仪等。

而输出设备则用于将计算机处理后的结果展示给用户，如打印机、显示器和音响等。

二、数据传输与控制数据传输是计算机组成原理中的重要内容之一，它指的是计算机内部和外部各个部件之间的数据传输和交换。

计算机通过总线系统实现各个组件之间的通信和数据传输。

1. 内部总线内部总线是计算机内部各个组件之间进行数据传输的通道，包括地址总线、数据总线和控制总线等。

地址总线用于传输指令和数据的地址，数据总线用于传输数据本身，而控制总线则用于传输控制信号。

2. 外部总线外部总线是计算机与外部设备之间进行数据传输的通道，包括系统总线、I/O总线和存储总线等。

系统总线连接CPU、内存和I/O设备，用于传输指令和数据。

I/O总线则用于连接输入设备和输出设备，实现数据的输入和输出。

三、指令的执行过程计算机执行程序的过程可以简化为取指令、译码、执行和存储结果等几个步骤。

具体流程如下：1. 取指令CPU从内存中取出一条指令，并将其存储在指令寄存器中。

计算机组成原理第3章-计算机指令和控制器-指令部分刘

1110
A2 A2
A2
9
A3 A3
A3
15条二地址指令
3.1.2 指令的格式
3、扩展操作码技术—— 以指令字长16位为例
OP
A1
A2
A3
12位操作码
1111 1111
：
1111
1111 1111
1111
0000
A3
0001
A3
15条一地址指令
1110
A3
16位操作码 1111
1111
1111
1111
17
3.1.2 指令的格式
3、指令字长度（P119）指令字长=操作码的位数+(操作数地址个数)*(操作数地址码位数) 单字长指令——指令字长度等于机器字长度的指令半字长指令、双字长指令、三/四字长指令、可变字长等
4、简单指令系统的具体指令格式 ① pentium机指令 ② 嵌入式系统ARM机指令 ③ 模型指令（P121例1、例2）
已被淘汰
400
788
35
基址/变址寻址
指定一个寄存器R,其存放基址/变址,R被称为基址/变址寄存器。
EA=（R）
MOV AX, [SI]
SI,DI 都称为变址寄存器
Mov AX，[BX]
BX是基址寄存器内存
OP X
R
300 400
R 300
400
788
36
相对寻址
相对寻址是基址寻址的一种变通，由程序计数器 PC提供基准地址，即
存储器地址名称：物理地址←→逻辑地址物理地址——内存中实际地址逻辑地址——在指令中表现形式逻辑地址＝段地址：偏移地址(8086CPU)
有效地址 EA＝(R)+A

计算机组成原理-CPU的组成和功能

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5.1.3 CPU中的主要寄存器
➢ 3.程序计数器（PC）
为了保证程序能够连续地执行下去，CPU必
须具有某些手段来确定下一条指令的地址。而
程序计数器正是起到这种作用，所以通常又称
为指令计数器。在程序开始执行前，必须将它
的起始地址，即程序的一条指令所在的内存单
元地址送入PC，因此PC的内容即是从内存提取
➢ 运算器
▪ 由算术逻辑单元(ALU)、累加寄存器、数据缓冲寄存器和状态条件寄存器组成，它是数据加工处理部件。相对控制器而言，运算器接受控制器的命令而进行动作，即运算器所进行的全部操作都是由控制器发出的控制信号来指挥的，所以它是执行部件。
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5.1.2 CPU的基本组成
➢ CPU模型参看下图：
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5.1.2 CPU的基本组成
图5.1 CPU的结构图上一页返回下一页
5.1.2 CPU的基本组成
➢ 控制器
由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器组成，它是发布命令的“决策机构”，即完成协调和指挥整个计算机系统的操作。
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5.1.1 CPU的功能
CPU对整个计算机系统的运行是极其重要的，它具有如下四方面的基本功能：
➢ 指令控制
程序的顺序控制称为指令控制。由于程序是一个指令序列，这些指令的相互顺序不能任
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5.1.1 CPU的功能
➢ 操作控制
一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的，因此，CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。