计算机组成原理六
计算机组成原理(第六版 立体化教材)
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教学资源
《计算机组成原理（第六版·立体化教材）》的配套教材是《计算机组成原理试题解析（第六版）》。
《计算机组成原理（第六版·立体化教材）》配有动画演示、教学课件、习题答案、自测试题、课程设计等 资源。
教材特色
1、该教材配套开发了较多的在线动画演示视频。 2、该教材安排了在线延伸阅读材料。 3、该教材可扫描书中的二维码查阅相关内容。 4、该教材形成“理论、实验、设计”三个过程相统一的体系。
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计算机组成原理（第六版 立体化教 材）
2019年科学出版社出版的图书
01 成书过程
03 教材目录
目录
02 内容简介 04 教学资源
05 教材特色
07 图书目录
目录
06 作者简介
《计算机组成原理（第六版·立体化教材）》是由白中英、戴志涛主编，2019年8月科学出版社出版的新形 态教材、“十二五”普通高等教育本科国家级规划教材。该教材可作为计算机及相关专业的教材，也可作为成人 自学考试、全国计算机等级考试NCRE（四级）用书。
作者简介
白中英，男，北京邮电大学计算机学院二级教授，博士生、硕士生导师。 戴志涛，男，北京邮电大学计算机学院教授。
图书目录
第1章计算机系统概论 第2章运算方法和运算器 第3章存储系统 第4章指令系统 第5章中央处理器 第6章总线系统 第7章外围设备 第8章输入／输出系统 第9章并行组织与结构 第10章课程教学实验设计 第11章课程综合设计
2019年8月，《计算机组成原理（第六版·立体化教材）》由科学出版社出版。
内容简介
该教材讲授计算机单处理器系统的组成和工作原理，在该基础上扩展讲授并行体系结构。该教材共11章，主 要内容包括计算机系统概论、运算方法和运算器、存储系统、指令系统、中央处理器、总线系统、外围设备、输 入/输出系统、并行组织与结构、课程教学实验设计和课程综合设计。
计算机组成原理第六章课件白中英版
66MHz的Pentium，基本非流水线总线周期
64÷2×66×106 bps＝264 MB/S
66MHz的Pentium，2-1-1-1猝发读周期
32÷5×66×106 B/S＝422.4 MB/S
【例1】(1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字 节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期， 总线时钟频率为33MHz，则总线带宽是多少?
STROBE*（选通）信号
•输出低有效，才能使打印机接收数据
ACK*（响应）信号
•打印机接收数据结束回送负脉冲响应信号
BUSY（忙状态）信号
•打印机忙于处理接收到的数据，不能接收新的数据
6.3.3 总线数据传送模式
读数据传送：数据由从设备到主设备 写数据传送：数据由主设备到从设备 猝发传送（数据块传送）
演示
每个数据位都需要单独一条传输线。二进制数 “0”或“1”在不同的线上同时进行传送
串行通信
串行通信：将数据分解成二进制位用一条信号 线，一位一位顺序传送的方式
串行通信的优势：用于通信的线路少，因而在 远距离通信时可以极大地降低成本
通信协议（通信规程）：收发双方共同遵守
解决传送速率、信息格式、位同步、字符同步、 数据校验等问题
发送8位数据：59H＝01011001B，偶校验、两个停止位
6.3.1 总线的仲裁
主设备(Master)：控制总线完成数据传输 从设备(Slave)：被动实现数据交换 总线仲裁：决定当前控制总线的主设备
•集中仲裁：中央仲裁器负责 •分布仲裁：比较各个主设备仲裁号决定
某一时刻，只能有一个主设备控制总线， 其它设备此时可以作为从设备
计算机组成原理教案(第六章)
6.3.2 总线的定时
1.同步定时
在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻由总 线时钟信号来确定。同步定时适用于总线长度较短、各 功能模块存取时间比较接近的情况。
2.异步定时
在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时刻 取决于前一事件的出现
异步定时的优点是总线周期长度可变，不把响应时间强 加到功能模块上，因而允许快速和慢速的功能模块都能 连接到同一总线上。
6.3.1 总线的仲裁（什么是？有哪些策略）
连接到总线上的功能模块有主动和被动两种形态。 为了解决多个主设备同时竞争总线控制权，必须具有 总线仲裁部件。
按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式仲裁和 分布式仲裁
1.集中式仲裁
集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到中央仲裁器： 一条是送往仲裁器的总线请求信号线BR，一条是仲裁器送 出的总线授权信号线BG。
(1)设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用T=1/f表示，一个总线 周期传送的数据量用D表示，
根据定义可得 Dr = D/T = D×1/T = D×f =4B×33×1000000/s=132MB/s (2)64位=8B， Dr= D×f =8B×66×1000000/s=528MB/s
6.1.2 总线的连接方式
例2】 利用串行方式传送字符，每秒钟传送的比特(bit)位数常称为 波特率。假设数据传送速率是120个字符/秒，每一个字符格式规定 包含10个bit(起始位、停止位、8个数据位)，问传送的波特率是多少? 每个bit占用的时间是多少?
波特率为：10位×120/秒=1200波特
每个bit占用的时间Td是波特率的倒数： Td=1/1200=0.833×0.001s=0.833ms
在PCI总线体系结构中有三种桥。
计算机组成原理第六章总线系统
数据传送以字符为单位，字符之间没 有固定的时间间隔，发送方和接收方 不需要使用相同的时钟信号。
总线的仲裁机制
集中仲裁
使用一个中央仲裁器来管理总线的访问，例如：计数器、链表或优先级队列。
分布仲裁
没有中央仲裁器，而是通过硬件电路或软件算法来实现总线的访问控制。
总线的数据传输方式
并行传输
数据在多个通道上同时传输，每个通道传输一部分数据。
确定总线的控制方式
根据总线上主设备和从设备的数量和通信需求，选择合适的总线控制 方式，如同步控制或异步控制。
确定总线的仲裁方式和优先级
根据总线上主设备的数量和通信需求，设计合适的仲裁方式和优先级 确定机制。
硬件实现
选择合适的芯片和元件
01
根据设计需求，选择合适的芯片和元件来实现总线系统的硬件
部分。
计算机组成原理第六章总线 系统
• 总线系统的概述 • 总线的基本工作原理 • 常见总线系统介绍 • 总线系统的应用与发展 • 实验与实践：设计一个简单的总线
系统
01
总线系统的概述
总线的定义与分类
定义
总线是连接多个部件的信息传输 线，是多个部件共享的传输介质 。
分类
根据传输方式，总线可分为单向 总线和双向总线；根据连接的部 件数目，总线可分为局部总线和 系统总线。
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总线系统的基本组成
总线控制器
负责协调各个部件的通信，管 理总线的使用。
数据总线
用于传输数据，通常由双向线 组成。
地址总线
用于传输地址信息，确定要访 问的内存单元或I/O端口。
控制总线
用于传输控制信号，如读写信 号、中断信号等。
计算机组成原理考研试题(六)及答案
计算机组成原理考研试题（六）及答案一、选择题(共5 分，每题1 分)1.某机字长8 位，采用补码形式(其中1 位为符号位)，则机器数所能表示的范围是______ 。
A.-127 ～127;B.-128 ～+128;C.-128 ～+127;D.-128 ～+128。
2.在______的计算机系统中，外设可以和主存储器单元统一编址，因此可以不使用I/O 指令。
A.单总线;B.双总线;C.三总线;D.以上三种总线。
3.某计算机字长是32 位，它的存储容量是64KB.按字编址，它的寻址范围是______。
A.16KB;B.16K;C.32K;D.32KB。
4.中断向量可提供______。
A.被选中设备的地址;B.传送数据的起始地址;C.中断服务程序入口地址;D.主程序的断点地址。
5.Cache 的地址映象中______比较多的采用“按内容寻址”的相联存储器来实现。
A.直接映象;B.全相联映象;C.组相联映象;D.以上都有。
6.总线的异步通信方式______。
A.不采用时钟信号，只采用握手信号;B.既采用时钟信号，又采用握手信号;C.既不采用时钟信号，又不采用握手信号;D.采用时钟信号，不采用握手信号。
7.在磁盘存储器中，查找时间是______。
A.使磁头移动到要找的柱面上所需的时间;B.在磁道上找到要找的扇区所需的时间;C.在扇区中找到要找的数据所需的时间。
D.以上都不对。
8.在控制器的控制信号中，相容的信号是______的信号。
A.可以相互替代;B.可以相继出现;C.可以同时出现;D.不可以同时出现。
9.计算机操作的最小单位时间是______。
A.时钟周期;B.指令周期;C.CPU 周期;D.执行周期。
10.CPU 不包括______ 。
A.地址寄存器;B.指令寄存器IR;C.地址译码器;D.通用寄存器。
11.______寻址便于处理数组问题。
A.间接寻址;B.变址寻址;C.相对寻址;D.立即寻址。
计算机组成原理习题答案第六章
１．如何区别存储器和寄存器？两者是一回事的说法对吗？解：存储器和寄存器不是一回事。
存储器在CPU 的外边，专门用来存放程序和数据，访问存储器的速度较慢。
寄存器属于CPU 的一部分，访问寄存器的速度很快。
２．存储器的主要功能是什么？为什么要把存储系统分成若干个不同层次？主要有哪些层次？解：存储器的主要功能是用来保存程序和数据。
存储系统是由几个容量、速度和价存储系统和结构各不相同的存储器用硬件、软件、硬件与软件相结合的方法连接起来的系统。
把存储系统分成若干个不同层次的目的是为了解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾。
由高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器构成的三级存储系统可以分为两个层次，其中高速缓存和主存间称为Cache －主存存储层次（Cache 存储系统）；主存和辅存间称为主存—辅存存储层次（虚拟存储系统）。
３．什么是半导体存储器？它有什么特点？解：采用半导体器件制造的存储器，主要有MOS 型存储器和双极型存储器两大类。
半导体存储器具有容量大、速度快、体积小、可靠性高等特点。
半导体随机存储器存储的信息会因为断电而丢失。
４．SRAM 记忆单元电路的工作原理是什么？它和DRAM 记忆单元电路相比有何异同点？解：SRAM 记忆单元由６个MOS 管组成，利用双稳态触发器来存储信息，可以对其进行读或写，只要电源不断电，信息将可保留。
DRAM 记忆单元可以由４个和单个MOS管组成，利用栅极电容存储信息，需要定时刷新。
５．动态RAM 为什么要刷新？一般有几种刷新方式？各有什么优缺点？解：DRAM 记忆单元是通过栅极电容上存储的电荷来暂存信息的，由于电容上的电荷会随着时间的推移被逐渐泄放掉，因此每隔一定的时间必须向栅极电容补充一次电荷，这个过程就叫做刷新。
常见的刷新方式有集中式、分散式和异步式３种。
集中方式的特点是读写操作时不受刷新工作的影响，系统的存取速度比较高；但有死区，而且存储容量越大，死区就越长。
分散方式的特点是没有死区；但它加长了系统的存取周期，降低了整机的速度，且刷新过于频繁，没有充分利用所允许的最大刷新间隔。
计算机组成原理(蒋本珊)第六章
第六章１．控制器有哪几种控制方式？各有何特点？解：控制器的控制方式可以分为３种：同步控制方式、异步控制方式和联合控制方式。
同步控制方式的各项操作都由统一的时序信号控制，在每个机器周期中产生统一数目的节拍电位和工作脉冲。
这种控制方式设计简单，容易实现；但是对于许多简单指令来说会有较多的空闲时间，造成较大数量的时间浪费，从而影响了指令的执行速度。
异步控制方式的各项操作不采用统一的时序信号控制，而根据指令或部件的具体情况决定，需要多少时间，就占用多少时间。
异步控制方式没有时间上的浪费，因而提高了机器的效率，但是控制比较复杂。
联合控制方式是同步控制和异步控制相结合的方式。
２．什么是三级时序系统？解：三级时序系统是指机器周期、节拍和工作脉冲。
计算机中每个指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期划分为若干个节拍，每个节拍中设置一个或几个工作脉冲。
３．控制器有哪些基本功能？它可分为哪几类？分类的依据是什么？解：控制器的基本功能有：（１）从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置。
（２）对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。
（３）指挥并控制CPU 、主存和输入输出设备之间的数据流动。
控制器可分为组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型３类，分类的依据在于控制器的核心———微操作信号发生器（控制单元CU）的实现方法不同。
４．中央处理器有哪些功能？它由哪些基本部件所组成？解：从程序运行的角度来看，CPU 的基本功能就是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的控制。
对于冯·诺依曼结构的计算机而言，数据流是根据指令流的操作而形成的，也就是说数据流是由指令流来驱动的。
中央处理器由运算器和控制器组成。
５．中央处理器中有哪几个主要寄存器？试说明它们的结构和功能。
解：CPU 中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终结果及控制、状态信息的，它可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。
计算机组成原理第6版(白中英)第6章总线系统
2. 系统总线的标准化
PC中，系统总线布设在主板上。
为什么主板能支持很多厂家的显卡……？ 原因是，系统总线是按标准制作的。
总线标准规定总线的物理特性、功能特性、电气特性 和时间特性。
微机中的标准总线：ISA总线 (16位，8MB/s)、 EISA (32 位 ， 33.3MB/s) 总 线 、 VESA 总 线 (32 位 ， 132MB/s) 、 PCI总线(64位，100MB/s) PCI-Express 1.0总线(250MB/s) 。
15
6.1.5 总线结构实例
南北桥芯片将CPU总线、PCI总 线、ISA总线连成整体。桥芯片 起到了信号速度缓冲、电平转换、
控制协议的转换作用。
16
CPU总线
• 也称CPU-存储器总线，它是一个64位数据线和32
位地址线的同步总线。
PCI总线
• 用于连接高速的I/O设备模块，如图形显示卡适配
7
总线的主要参数
1.总线的带宽 （MB/s）
• 一定时间内总线上可传送的数据量
2.总线的位宽
• 总线能同时传送的数据位数。
即我们常说的32位、64位等总线宽度的概念。
3.总线的工作时钟频率 （MHz）
• 总线的时钟频率
f
1 T
1 时钟周期
8
总线带宽
总线传输数据的速度。单位：MB/s
[例6.1]：(1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，假 设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHz，则 总线带宽是多少? (2)如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线 时钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少?
4
1. 总线的特性(续) 电气特性
计算机组成原理6
可靠性编码
例如，把二进制码0111和1100转换成Gray码：
如果已知Gray码，求对应的二进制码
Bn＝Gn Bi＝Bi+1 Gi (i＜n)
可靠性编码
“五笔”、“搜狗拼音”等。
由外到内
计算机内部
由内到外
输入码有若干：拼音码、字型码、区位码… …
拼音码： da
字型码： dddd
“大”
汉字信息的编码
❖汉字国标码（输入码）
➢ 国家标准GB2312-80编码字符集，称为国标码，每个汉字采用 双字节编码，每个字节使用低7位，最高位为0。
第一个字节
0XXXXXXX 76543210
检查接送的码字 发现 / 改正错误
奇偶校验
❖奇偶校验码
➢ 在数据信息上附加一个校验位，值取决于信息中‘1’的个数 和校验方式
➢ 奇校验：加上校验码位后数据中’1’的个数为奇数 ➢ 偶校验：加上校验码位后数据中’1’的个数为偶数 ➢ 校验位的值=数据位依次异或的结果
❖ 简单奇偶校验
例：假定信息位8位，奇、偶校验位在末尾
（91.76）10 ＝ （1001 0001 . 0111 0110）BCD （0110 0000 0001 ．0010）BCD ＝（601.2）10
计算机中数值的表示
❖ 余3码
➢ BCD码+0011 ➢ 特点：对9的自补码：自身按位取反，可得到对9的补码。
✓ 十进制数字5的余3码为1000，5对9之补是9－5＝4，而4的余3码是0111， 它正好是5的余3码1000按位取反而得。
计算机组成原理·第六版(课后习题)第一章
计算机组成原理·第六版（课后习题）第⼀章第⼀章计算机系统概论1. ⽐较电⼦数字计算机和电⼦模拟计算机的特点电⼦数字计算机中处理的信息是在时间上离散的数字量，运算过程是不连续的；电⼦模拟计算机中处理的信息是连续的变化的物理量，运算过程是连续的。
2. 数字计算机如何分类？分类的依据是什么？分为专⽤计算机和通⽤计算机分类依据是计算机性能、速度、价格、运⾏的经济性3. 数字计算机有哪些应⽤ ？科学计算、⼈⼯智能、家⽤电器、测量等4. 冯·诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些组成部分？主要设计思想：1）采⽤存储程序的⽅式编织好的程序和数据都存放在同⼀存储器中，2）计算机可以在⽆⼈⼲预的请扩下⾃动完成逐条指令的取出和执⾏指令的任务3）指令和数据均以⼆进制码的形式存储在计算机中组成部分：运算器、存储器、I/O设备、逻辑器、5. 什么是存储容量？什么是单元地址？什么是数据⾃？什么是指令字？存储容量：存储器中所有存储单元的总数单元地址：每个存储单元的编号数据字：某字代表要处理的数据指令字：某字为⼀条指令6. 什么是指令？什么是程序？指令：计算机硬件可以直接执⾏的每⼀个基本的算术运算或逻辑运算的操作程序：解算某⼀问题的⼀串指令寻列7. 指令和数据均存放在内存中，计算机如何区分他们是指令还是数据？指令：取指周期中从内存读出的信息流数据：执⾏器周期中内存读取的信息流8. 计算机的系统软件包括哪⼏部分？说明他们的⽤途。
半导体存储器称为内存存储容量更⼤的磁盘存储器和光盘存储器称为外存内存和外存共同来保存⼆进制数据运算器和控制器合称中央处理器，简称CPU ⽤来控制计算机以及进⾏算术逻辑运算配适器是外围设备与主机联系的桥梁，相当于转换器，使主机和外围设备并⾏协调⼯作9. 计算计的系统软件包括哪⼏类？说明他们的⽤途包括系统程序和应⽤程序。
系统程序⽤于简化程序设计，提⾼计算机使⽤效率应⽤程序是⽤户利⽤计算机来解决某些问题⽽编制的程序10. 现代计算机系统如何进⾏多级划分？这种分级观点对计算机设计会产⽣什么影响？微程序设计级机器语⾔级操作系统级汇编语⾔级⾼级语⾔级⽤⼀系列的级来组成计算机的借⼝对于掌握计算机是如何组成的提供了良好的结构和体制分级的挂念来设计计算机保证产⽣⼀个良好的系统结构也是很有帮助的11. 为什么软件能够转化为硬件？硬件能转化为软件？实现这种转化的媒介是什么？应为任何操作可以由软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执⾏可以由软件完成，也可以由硬件完成，实现这种转化的媒介是软件与硬件的逻辑等价性。
国开作业计算机组成原理-第六章 测试93参考（含答案）
题目：根据存储器介质运行原理的重大差异，可以把存储器分为（）选项A：半导体存储器、光存储器
选项B：半导体存储器、磁存储器、光存储器
选项C：磁存储器、光存储器三种
选项D：半导体存储器、磁存储器
答案：半导体存储器、磁存储器、光存储器
题目：在计算机系统中，由（）组成多级存储器系统
选项A：半导体存储器、磁存储器、高速缓冲存储器
选项B：高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器
选项C：半导体存储器、磁存储器、辅助存储器
选项D：主存储器、辅助存储器、光存储器
答案：高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器
题目：在ROM存储器中必须有（）电路，需要刷新的是（）
选项A：地址译码，动态存储器
选项B：数据写入，RAM
选项C：刷新，静态存储器
选项D：再生，ROM
答案：地址译码，动态存储器
题目：某一RAM芯片，其容量为1024×8位，除电源端和接地端外，连同片选和读/写信号该芯片引出脚的最小数目应为（）
选项A：23
选项B：17
选项C：19
选项D：20
答案：20
题目：若主存每个存储单元为16位，则（）
选项A：其地址线与16有关
选项B：其地址线为8位
选项C：其地址线与16无关
选项D：其地址线也为16位
答案：其地址线与16无关
题目：主存储器容量的扩展有（）。
选项A：位扩展、字扩展
选项B：位扩展、字位同时扩展
选项C：字扩展、字位同时扩展
选项D：位扩展、字扩展、字位同时扩展
答案：位扩展、字扩展、字位同时扩展。
计算机组成原理白中英第六版
Computer Composition Principle of the Sixth EditionComputer composition principle is the basic knowledge of computer, and thesixth edition of the Computer Composition Principle is the most advanced and comprehensive version. It is the indispensable textbook for computer science and engineering students.The sixth edition of the Computer Composition Principle is composed of four parts. The first part is the basic knowledge of computer composition principle. It mainly introduces the basic knowledge of computer composition principle, including the basic structure of computer, the principle of computer operation, the basic components of computer, and the basic structure of computer system.The second part is the hardware structure of computer. It mainly introducesthe basic components of computer, such as CPU, memory, storage, motherboardand other components. It also introduces the basic structure of computer system, such as the basic structure of operating system, the basic structureof computer network, and the basic structure of computer software.The third part is the software structure of computer. It mainly introduces the basic principles of computer software, such as the principles of programming language, the principles of database system, the principles of operating system, and the principles of computer network.The fourth part is the application of computer composition principle. Itmainly introduces the application of computer composition principle in thefields of artificial intelligence, image processing, digital signal processing, computer graphics, and computer networks.The sixth edition of the Computer Composition Principle is a comprehensive and comprehensive book. It not only covers the basic knowledge of computer composition principle, but also introduces the application of computer composition principle in various fields. It is an indispensable textbook for computer science and engineering students.In conclusion, the sixth edition of the Computer Composition Principle is an advanced and comprehensive version. It covers the basic knowledge of computercomposition principle and its application in various fields. It is an indispensable textbook for computer science and engineering students.。
计算机组成原理 第六章
1. 早期总线—其内部结构如图所示
存储器 模块
输入设备 接口 输出设备 接口
锁存器 驱动门
CPU
实际上是处理器芯片引脚的延伸，是处理器与I/O设备适 配器的通道。 6.3 数据线、地址线 、控制线
特点：实际上是处理器芯片引脚的延伸，是处理器与 I/O设备适配器的通道。这种简单的总线一般由50—
100条线组成，这些线按其功能可分为三类：地址线、
请求与应答等。
(3)电气特性 定义每一根线上信号的传递方向及有效电平范围。 送入CPU的信号叫输入信号(IN)，从CPU发出的信号 叫输出信号(OUT)。 (4)时间特性 定义了每根线在什么时间有效。规定了总线上各
信号有效的时序关系，CPU才能正确无误地使用。
2.总线的标准化 相同的指令系统，相同的功能，不同厂家生产的各 功能部件在实现方法上几乎没有相同的,但各厂家生产的
I/O 接口
I/O 接口
4. 多总线结构
单总线的问题：所有的高速设备和低速设备都挂
在同一个总线上，且总线只能分时工作，使信息传送
的效率降低。
多总线：在CPU、主存、I/O之间互联采用多条
总线。
多总线结构体现了高速、中速、低速设备连接
到不同的总线上同时进行工作，以提高总线的效率 和吞吐量，而且处理器结构的变化不影响高速总线。
它是一些标准总线，追求与结构、CPU、技术无关的 开发标准，并满足包括多个CPU在内的主控者环境需求。
整个总线分成如下四部分：
(1) 数据传送总线： 由地址线、数据线、控制线组成。
(2) 仲裁总线： 包括总线请求线和总线授权线。
(3) 中断和同步总线：用于处理带优先级的中断操作， 包括中断请求线和中断认可线。
计算机组成原理第六章
指令周期的基本概念
节拍的宽度取决于CPU完成一次基本的微操作的时 间，如：ALU完成一次正确的运算，寄存器间的一 次数据传送等。
不同的指令，可能包含不同数目的机器周期。 一个机器周期中，包含若干个时钟周期（节拍脉冲
或T脉冲）。 CPU周期规定，不同的计算机中规定不同
2. 每条指令的指令周期不同
➢译码器经过对指令进行分析和解释，产生相应的控 制信号提供给时序控制信号形成部件。
机器周期、工作节拍、脉冲及启停控制线路
➢由脉冲源产生一定频率的脉冲信号作为整个机器的 时钟脉冲
时序控制信号形成部件
➢时序控制信号形成部件又称微操作信号发生器，真 正控制各部件工作的微操作信号是由指令部件提供 的操作信号、时序部件提供的时序信号、被控制功 能部件所反馈的状态及条件综合形成的。
2. 微操作：是微命令的操作过程。
– 微命令和微操作是一一对应的。 – 微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令的操作过程。 – 微操作是执行部件中最基本的操作。
由于数据通路的结构关系，微操作可分为相容的和互斥：
1. 互斥的微操作，是指不能同时或不能在同一个节拍内并行执行的 微操作。可以编码
2. 相容的微操作，是指能够同时或在同一个节拍内并行执行的微操 作。必须各占一位
联合控制方式
– 大部分指令在固定的周期内完成，少数难以确定的操作采 用异步方式
– 机器周期的节拍脉冲固定，但是各指令的机器周期数不固 定（微程序控制器采用）
微程序控制原理
1. 微命令：控制部件向执行部件发出的各种控制命令叫作 微命令，它是构成控制序列的最小单位。
– 例如：打开或关闭某个控制门的电位信号、某个寄存器的打入脉 冲等。
读写时序信号的译码逻辑表达式
计算机组成原理-第6章 中央处理器
9、制造工艺 线宽是指芯片内电路与电路之间的距离，可 以用线宽来描述制造工艺。线宽越小，意味着芯 片上包括的晶体管数目越多。Pentium Ⅱ的线宽 是0.35μm，晶体管数达到7.5M个；Pentium Ⅲ的 线宽是0.25μm，晶体管数达到9.5M个；Pentium 4的线宽是0.18μm，晶体管数达到42M个。近年 来线宽已由0.15μm、0.13μm、90nm一直发展到 目前最新的65nm，而45nm和32nm的制造工艺 将是下一代CPU的发展目标。
4、前端总线频率 前端总线（Front Side Bus），通常用FSB表 示，它是CPU和外界交换数据的最主要通道，主 要指连接CPU和北桥芯片，因此前端总线的数据 传输能力对计算机整体性能作用很大。 在Pentium 4出现之前，前端总线频率与外 频是相同的，因此往往直接称前端总线频率为外 频。随着计算机技术的发展，需要前端总线频率 高于外频，因此采用了QDR（Quad Date Rate） 技术或者其他类似的技术，使得前端总线频率成 为外频的2倍、4倍甚至更高。
从程序运行的角度来看，控制器的基本功能 是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的 控制。
对指令流的控制： 指令流出的控制 指令分析与执行的控制 指令流向的控制
对数据流的控制主要应包括对数据的流入 与流出的控制；对数据变换、加工等操作的控 制。
对于冯·诺依曼结构的计算机而言，数据流 是根据指令流的操作而形成的，也就是说数据 流是由指令流来驱动的。
… 状态寄存器 节拍发生器 译码器 地址形成中断控制逻辑
指令结束 中断请求
时钟
操作码
地址码
1、指令部件 指令部件的主要任务是完成取指令并分析指 令。指令部件包括： ⑴ 程序计数器（PC） ⑵ 指令寄存器（IR） ⑶ 指令译码器（ID）：指令译码器又称操作码译 码器或指令功能分析解释器。暂存在指令寄存器 中的指令只有在其操作码部分经过译码之后才能 识别出这是一条什么样的指令，并产生相应的控 制信号提供给微操作信号发生器。
计算机组成原理(第六章)
• • • • 中央处理器（CPU）由运算器和控制器组成。 运算器主要用来完成各种算术和逻辑运算功能； 寄存器：用来存放中间结果、缓冲作用 控制器是全机的指挥中心，在在它的控制下，计算机总是遵循“取指令， 执行指令，取下条指令，执行下条指令…”这样周而复始地工作直到停机 为止。 控制器对指令的执行过程的控制有三种方式： – 同步控制方式
• 现代计算机系统广泛采用的方式 • 基本思想：将每个指令周期分成多个机器周期，每个机器周期中再分成 多个节拍，于是各条指令可取不同的机器周期数作为各自的指令周期。 如简单指令包含一个机器周期，复杂指令可包含多个机器周期。 • 这种方式不浪费很多时间，控制上又不十分复杂。
二、控制器的功能与组成 1、控制器的功能
WE M
RD M
RD M
ZF＝1？
IR(ADR)→PC
写入操作
读出操作
AC+MDR→AC
读出操作
AC∩MDR→AC
0→启停逻辑
第六章 中央处理器 (10)
四、时序部件
– 指令的执行过程严格按照指令操作流程图所规定的时序定时； – 时序部件用来产生必要的时序信号为机器周期和节拍信号定时； – 根据组成计算机各部件的器件特性，时序信号通常采用“电位－脉 冲”制。 – 时序部件的构成
C0～C31
译码器
Hale Waihona Puke XXXXX 控制字段源部件地址
目标部件地址
地址字段
第六章 中央处理器 (19)
(2)、微指令的地址字段 – 微程序有两种不同的顺序控制方式：断定方式和增量方式。两种方 式下地址字段的设置不同。 – 断定方式
• 微指令在CM可不顺序存放 • 外部测试条件的考虑
计算机组成原理第六章答案
第6章 计算机的运算方法2. 已知X=1a2a3a4a5a （ai 为0或1），讨论下列几种情况时ai 各取何值。
（1）21X > （2）81X ≥ （3）161X 41>≥ 解： （1）若要21X >，只要a1=1，a2~a6不全为0即可。
（2）若要81X ≥，只要a1~a3不全为0即可。
（3）若要161X 41>≥，只要a1=0，a2可任取0或1； 当a2=0时，若a3=0，则必须a4=1，且a5、a6不全为0；若a3=1，则a4~a6可任取0或1；!当a2=1时， a3~a6均取0。
3. 设x 为整数，[x]补=1，x1x2x3x4x5，若要求 x < -16，试问 x1~x5 应取何值 解：若要x < -16，需 x1=0，x2~x5 任意。
（注：负数绝对值大的补码码值反而小。
）4. 设机器数字长为8位（含1位符号位在内），写出对应下列各真值的原码、补码和反码。
-13/64，29/128，100，-87 解：真值与不同机器码对应关系如下：真值-13/64 29/128 100 -87 。
二进制 1100100 -1010111 原码1010 1101 0110 0100 1101 0111；补码 1101 0110 0100 反码11010110 0100`5. 已知[x]补，求[x]原和x 。
[x1]补=; [x2]补=; [x3]补=; [x4]补=;[x5]补=1,0101; [x6]补=1,1100; [x7]补=0,0111; [x8]补=1,0000; 解：[x]补与[x]原、x 的对应关系如下：[x]补！1,01011,11000,0111 1,0000 [x]原无1,1011，1,01000,0111 无 x-1-1011-100,0,0111-100006.设机器数字长为8位（含1位符号位在内），分整数和小数两种情况讨论真值x 为何值时，[x]补=[x]原成立。
计算机组成原理实验六
上海大学计算机学院《计算机组成原理实验》报告二姓名：学号：教师：时间：机位：报告成绩：实验名称: 机器语言程序实验一、实验目的：1. 编制机器语言简单程序。
2. 成功运行机器语言程序。
二、实验原理：1、指令的形式化表示：在前四次实验课中我们用中文自然语言表述了各种操作，中国人很容易理解它们，但印度人很难理解它们，机器也无法理解它们，而且自然语言用多了容易产生歧义，所以不适合用来表述大量的操作——写程序。
另一方面，在实验三中我们使用微指令的二进制具体编码(16进制数形式)来表示它，在实验四中用机器指令的微程序入口地址(16进制数形式)来表示它们，这几种表示可以直接被机器“理解”，但人理解起来就非常吃力。
表面上看，人理解16进制数形式指令很困难的原因是这些指令太相似了，其实根本原因是16进制数形式的指令没有对指令功能的任何反映，所以“人”用起来不方便，尤其是在使用大量指令来编制解决实际问题的程序时，这种不反映指令逻辑功能的形式更显得难以使用。
如何解决这个问题呢？任何人都会想到一个简单的方法——给每条(微)指令再规定一个反映其逻辑功能的“符号”，习惯上称这套符号为“汇编指令”。
2、汇编：由于汇编指令和16进制数指令是同一条指令的两种形式化符号，所以二者之间存在着一张符号对应表——翻译工具。
厂家为实验箱的机器指令规定的两种形式化符号对应表见101～102页的表，其中“助记符”列就是“汇编指令”符号，“机器码1”和“机器码2”是指令的二进制数形式符号。
有了这张对应表，人就可以用汇编指令符号来编写程序，以方便编程时的逻辑思维，编好程序后，只要对照这张表按顺序逐条将指令翻译成指令的二进制形式，然后将二进制数形式的程序送入计算机，计算机就能“理解”程序的逻辑操作了。
这个翻译过程叫“汇编”。
3、模型机的指令类型包括算术运算、逻辑运算、移位、数据传输、跳转、中断返回、输入/输出指令。
三、实验内容：1. 编写并运行机器语言程序，将R1中的数值左移n次送OUT，n是R2中的数值。
《计算机组成原理》6-CPU设计
6.1.2 CPU组成——CPU内部数据通路
CPU 运算器
寄存器
中断
系统
CU
时序系统
数
地
控
据
址
制
线
线
线
在确定一台计算机的总体结构的时候，主要考 虑这样以下问题：
设置哪些部件； 各部件间如何传递信息（即数据通路）； 主机与外围设备之间如何实现信息传送； 如何形成微操作命令序列。 前三个问题于机器指令系统设计有密切的关系； 后一个问题涉及到设计策略，其中，数据通路结构 是总体结构设计的核心。
但这种寄存器结构使所需单元器件与连接线增多， 不利于集成度的提高。
6.1.2 CPU组成——CPU典型内部数据通路
M
移位器
D R
ALU
RN
...
锁存器
锁存器
R2
M A
R1
R
IR
PC
状
CU
…
态 信
时钟
…
息
控制信号
3）单组内总线、集成寄存器结构。为了提高寄存 器的集成度，常将寄存器组制作成为小型半导体存储 器结构，一个存储单元就相当于一个寄存器。
6.1.2 CPU组成——CPU典型内部数据通路
2）单组内总线、分立寄存器结构。它的特点是 寄存器分别独立设置，采用一组单向的数据总线， 以ALU为内部数据传送通路的中枢。由于各寄存器在 物理上彼此分立，它们的输出端均与ALU输入端的多 路选择器相连（MAR除外因为它的特殊作用使得它 只能接收地址，传送给主存），多路选择器可以采 用与或逻辑，在同一时刻最多可以选择两路输入， 送入ALU进行相应运算处理。寄存器的数据输入来自 CPU内部总线，由于寄存器彼此分离，只要发出相 应的同步打入脉冲，即可使内总线同时将数据打入 一个或多个寄存器。
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作业六
一、单项选择题
1. 指令周期是指______。
C
A．CPU从主存取出一条指令的时间 B．CPU执行一条指令的时间
C．CPU从主存取出一条指令加上执行这条指令的时间 D．时钟周期时间
2. 微程序控制器中，机器指令与微指令的关系是______。
A
A．每一条机器指令由一段微指令编成的微程序来解释执行
B．每一条机器指令由一条微指令来执行
C．一段机器指令组成的程序可由一条微指令来执行
D．一条微指令由若干条机器指令组成
3. CPU读/写控制信号的作用是______。
D
A. 决定数据总线上的数据流方向
B. 控制存储器操作（R/W）的类型
C. 控制流入、流出存储器信息的方向
D. 以上任一作用
4.计算机与日常使用的袖珍计算器的本质区别在于______。
A
A. 运算速度的高低
B. 存储器容量的大小
C. 规模的大小
D. 自动化程度的高低
5. CPU是指______。
C
A. 运算器
B. 控制器
C. 运算器、控制器和cache
D. 主机
6.操作控制器的功能是______。
D
A.从主存取出一条指令
B.完成指令操作码译码
C.产生时序信号
D.从主存取出指令，完成指令操作码译码，并产生有关操作控制信号，以解释执行该指令
7.硬布线控制器是一种______。
B
A. 用微程序技术设计的控制器
B. 由门电路和触发器构成的复杂树形网络所形成的逻辑电路
C. 用存储逻辑技术设计的控制器
D. 用微程序技术和存储逻辑技术设计的控制器
二、填空题
1.目前的CPU包括A.______、B.______和cache.A.控制器 B.运算器
2.微程序设计技术是利用A.______方法设计B.______的一门技术。
A.软件 B.操作控制器
3.硬布线控制器的基本思想是：某一A.______控制信号是B.______译码信号.、C.______信号、D.______信号的逻辑函数。
A. 微操作
B. 指令操作码
C. 时标
D. 寄存器状态
4.CPU是计算机的中央处理器部件，具有A.______控制、B.______控制、C.______控制、
D.______加工等基本功能。
A. 指令 B. 操作 C. 时间 D. 数据
三、分析与简答题
1.简述CPU的主要功能。
答：CPU主要有以下四方面的功能：
（1）指令控制：程序的顺序控制，称为指令控制。
（2）操作控制：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
送往相应部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。
（3）时间控制：对各种操作实施时间上的控制，称为时间控制。
（4）数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算处理，完成数据的加工处理。
（5）中断处理：对计算机运行过程中出现的异常情况和特殊请求进行处理。
2.CPU结构如图所示，其中一个累加寄存器AC，一个状态条件寄存器和其它四个寄存器，各部分之间的连线表示数据通路，箭头表示信息传送方向。
(1) 标明图中四个寄存器的名称。
(2) 简述指令从主存取到控制器的数据通路。
(3) 数据在运算器和主存之间进行存/取访问的数据通路。
图C3.1
答：答：（1）a为数据缓冲寄存器DR，b为指令寄存器IR，c为主存地址寄存器AR，d为程序计数器PC；
（2）PC→AR→主存→缓冲寄存器DR →指令寄存器IR →操作控制器
（3）存储器读：M → DR → ALU → AC 存储器写：AC → DR → M
3.CPU中的主要寄存器有哪些？
答：CPU有以下寄存器：
（1）指令寄存器（IR）：用来保存当前正在执行的一条指令。
（2）程序计数器（PC）：用来确定下一条指令的地址。
（3）地址寄存器（AR）：用来保存当前CPU所访问的内存单元的地址。
（4）缓冲寄存器（DR）：
<1>作为CPU和内存、外部设备之间信息传送的中转站。
<2>补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别。
<3>在单累加器结构的运算器中，缓冲寄存器还可兼作为操作数寄存器。
（5）通用寄存器（AC）：当运算器的算术逻辑单元（ALU）执行全部算术和逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。
（6）状态条件寄存器：保存由算术指令和逻辑指令运行或测试的结果建立的各种条
件码内容。
除此之外，还保存中断和系统工作状态等信息，以便使CPU和系统能及时了解机器运行状态和程序运行状态。