计算机组成原理第十二讲
计算机组成原理 第十二课
特点：从寄存器取数比从内存取数要快；
（2）寄存器间接寻址 如果指令的地址码部分给出的是某通用寄存器编号Ri，且 Ri寄存器中存放着操作数的地址，则称为寄存器间接寻址。 操作数 S=((Ri)) EA= (Ri)
例：MOV AX，[BX]
寄存器间接寻址的特点：指令较短，只需一次访存，比 间接寻址要快。
立即寻址特征 OP
#
A
立即数
例： MOV AX，1234H MOV BL，22H
20:04:50
立即数无法作为目标操作数； 立即数可以是无符号或带符号数, 其值应在允许范围内； 错误例： MOV AX, 12345H; MOV 1234H, AX
立即寻址的特点： （1）立即寻址指令的执行时间很短，因为数据包含在指 令中，指令和操作数同时取出，不需要再次访问内存。 （2）在程序执行过程中，立即数不能被修改，灵活性差； 一般用来提供初始值。
（4）锁存器LA和LB 锁存来自GRS、PC或IR的偏移量 等部件的数据，以便在ALU进行加工。 （5）移位器Shifter 用于实现移位指令的功能。 （6）总线BUS 用于连接各功能部件。 内部总线：运算器内的数据通路 外部总线：不仅连接CPU，而且还包括主存和外围 设备，也成为系统总线
20:04:50
操作码 OP
操作码字段
变址 X
间址 I
操作数字段
形式地址 D
由形式地址D和寻址方式特征位X、I等组合形成操作数 地址（称为有效地址EA） 数据寻址方式的种类很多，但其最终目的是寻找所需要 的操作数。
20:04:50
1. 立即寻址
立即寻址：指令的地址码字段给出的不是操作数的地址， 而是操作数本身，又称立即数。它们可以是8位或16位。 其指令格式：
计算机组成原理[完整版](罗克露)(全)原版
(全)原版](https://img.taocdn.com/s3/m/3e9704064431b90d6c85c7a0.png)
S =（ R ）
R所占位数少； 访问R比访问M快
用于访问固定的存储单元或寄存器。
（3）间接寻址 指令给出操作数的间接地址。
存储单元号 (数在M中) 寄存器号 (数在M中)
间址单元 地址指针
M
● 存储器间址
格式 操作码θ 间接地址D
D=0030
0060
... 0060 S ...
尾数规格化：1/2≤ M
＜1 最高有效位绝对值为1
第二节
指令信息的表示
指令：指示计算机执行某类操作的信息的集合。 本节主要讨论：一般指令格式 常用寻址方式 面向用户指令类型 2.2.1 指令格式
指令基本格式 操作码θ
一个
地址码 D
一个或几个
1. 指令字长
定长指令格式 变长指令格式 2. 操作码结构 （1） 定长操作码 各指令θ 的位置、位数固定相同。 便于控制 合理利用存储空间
数据信息 控制信息 数值型数据 非数值型数据 指令信息等
第一节
数据信息的表示
2.1.1 表示数据的大小
二进制、八进制、十六进制、二-十进制
2.1.2 表示数据的符号
原码、补码、反码
2.1.3 表示小数点
定点、浮点
1. 定点表示法 类型
无符号数 00000000 （ 0） 11111111 （255）
例.ADD；
执行前： 执行后：
低 低
SP
10 20 46
SP
高
30 46
高
2.2.2 寻址方式 是指寻找操作数地址或操作数的方式。
1. 常见寻址方式
（1） 立即寻址 指令直接给出操作数。
定长格式：操作码θ 立即数S 变长格式：基本指令 立即数S
《计算机组成原理》教案
《计算机组成原理》教案一、课程简介1.1 课程背景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，旨在帮助学生了解和掌握计算机的基本组成、工作原理和性能优化方法。
通过本课程的学习，学生将能够理解计算机硬件系统的整体结构，掌握各种计算机组件的功能和工作原理，为后续学习操作系统、计算机网络等课程打下基础。
1.2 课程目标（1）了解计算机系统的基本组成和各部分功能；（2）掌握计算机指令系统、中央处理器（CPU）的工作原理；（3）熟悉存储器层次结构、输入输出系统及总线系统；（4）学会分析计算机系统的性能和优化方法。
二、教学内容2.1 计算机系统概述（1）计算机的发展历程；（2）计算机系统的层次结构；（3）计算机系统的硬件和软件组成。
2.2 计算机指令系统（1）指令的分类和格式；（2）寻址方式；（3）指令的执行过程。
2.3 中央处理器（CPU）（1）CPU的结构和功能；（2）流水线技术；（3）多核处理器。
2.4 存储器层次结构（1）存储器概述；（2）随机存取存储器（RAM）；（3）只读存储器（ROM）；（4）缓存（Cache）和虚拟存储器。
2.5 输入输出系统（1）输入输出设备；（2）中断和DMA方式；（3）总线系统。
三、教学方法3.1 讲授法通过讲解、举例、分析等方式，使学生掌握计算机组成原理的基本概念、原理和应用。
3.2 实验法安排实验课程，使学生在实践中了解和验证计算机组成原理的相关知识。
3.3 案例分析法分析实际案例，使学生了解计算机组成原理在实际应用中的作用和意义。
四、教学评价4.1 平时成绩包括课堂表现、作业完成情况、实验报告等。
4.2 期末考试采用闭卷考试方式，测试学生对计算机组成原理知识的掌握程度。
五、教学资源5.1 教材《计算机组成原理》（唐朔飞著，高等教育出版社）。
5.2 辅助资料包括课件、实验指导书、案例分析资料等。
5.3 网络资源推荐学生访问相关学术网站、论坛，了解计算机组成原理的最新研究动态和应用成果。
计算机组成原理第12章
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12-4 流水线的相关问题及其解决思路
什么是流水线中的“相关”？
在流水线中经常有一些被称为“相关”的情况发生，使得指令序 列中下一条或几条指令无法按设计的时钟周期执行，将会降低流水线 运行性能。
流水线中的相关可以分为以下三种类型
第一种是结构相关，是指在指令重叠执行的过程中，遇到了因硬 件资源资源部不足而不能正常流水的冲突。 第二种是数据相关，是指在同时重叠执行的几条指令中，遇到了 后续指令用到前面指令的执行结果，但前面指令尚不能提供的冲突。 第三种是控制相关，它是指流水线中的分支指令或者其他需要改 写PC的指令时，遇到了不能及时确定应该取哪一条指令的矛盾。
动态流水线
指在同一段时间内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接，同时 执行多种功能。
s
空间 浮点加法 输 出 累 加 尾数乘 规格化 尾数加 对 阶 求阶差 输 入 1 1 2 1 2 3 1 2 3 … 1 2 3 … n-1 2 3 … n-1 n （a） 静态流水线时空图 浮点加法 输 出 累 加 尾数乘 规格化 尾数加 对 阶 求阶差 输 入 1 1 2 1 2 3 1 2 3 … 1 2 3 … n-1 2 3 … n-1 n 3 … n-1 n 一 二 三 四 五 六 七 时间 … n-1 n n-1 n 一 n 1 2 3 … n-1 n 一 二 一 二 三 二 三 四 三 四 五 定点乘法 四 五 六 3 … n-1 n 一 二 三 四 时间 … n-1 n n-1 n n 一 1 2 3 … n-1 n 一 二 定点乘法 一 二 三
华中科技大学计算机组成原理课件
3
计算机分类
数字计算机与模拟计算机的主要区别
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计算机分类
电子模拟计算机
计算机
电子数字计算机
通用计算机
专用计算机
超 级 计 算 机
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大 型 机
服 务 器
工 作 站
微 型 机
单 片 机
计算机的性能指标 (1)
吞吐量: 表征一台计算机在某一时间间隔内能 够处理的信息量，单位是字节/秒（B/S）。
The first programmer Ada Augusta
ada描述了差分机如何进行编 程，最早给出计算机程序设计 的许多想法。
讨论预言了通用计算机的作用， 控制卡、数据卡、操作卡 提出了存储位置或地址的想法 “循环”(looping)的概念 三角函数和级数相乘程序、贝 努利函数程序
FLOPS: floating-point operations per second 即“每秒浮点运算次数”，“每秒峰值速度” FLOPS是基于操作而非指令的，只能用来衡量机器浮点操作的性能，而不能 体现机器的整体性能。 一個 MFLOPS (megaFLOPS) 等於每秒100萬 (=106) 次的浮點運算， 一個 GFLOPS (gigaFLOPS) 等於每秒10億 (=109) 次的浮點運算， 一個 TFLOPS (teraFLOPS) 等於每秒1万亿 (=1012) 次的浮點運算，
23
1805 -Jacquard自动提花机
编程序？？？
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程序控制思想的萌芽
如何将人的思想传送给机器，让机器按人的 意志自动执行。
1725年，法国纺织机械师B.• ouchon发明 B 利用穿孔纸带控制印花的方法 1805 J.Jacquard 发明采用穿孔卡片的自 动提花机 编程序＝编织花布
计算机组成原理第十二周至第十六周讲义要点
流水线处理器
器件0：指令5的第一步
器件1：指令4的第二步 器件2：指令3的第三步
器件3：指令2的第四步
器件4：指令1的第五步
流水线条件
流水线的功能部件和任务必须满足以下条件： 1）任务必须是连续的。 2）任务可以分解为子任务。 3）每个功能部件的最后要有一个高速缓冲器，以 保存本段执行的结果，防止各部件时间不等而冲 坏结果。 4）各部件的执行时间应尽可能相等。 5）整个流水线装满时，效率最高，任务开始时， 流水线是空的，需要“装入时间”，任务结束时 ，流水线要清空，需要“清空时间”。
CPU中主要相关周期
1）时钟周期（又称节拍脉冲或T周期。晶体振荡 器产生，频率最快。其它周期以之为基础） 2）机器周期（又称CPU周期，保函若干机器周 期，CPU读或写存储器一次的最短时间。代表 CPU的快慢。） 3）指令周期（CPU从主存中读取一条指令，到 执行完这条指令所需时间） 4）指令周期包括：取指周期，执行周期 5）取指周期至少要读内存一次，执行周期可能一 次也不读写内存，也可能多次读写内存。
毫微程序概念
一段毫微程序对应一条微指令。毫微指令 产生控制信号。 优点：使用少量控制存储器空间，达到高 度并行。 缺点：增加了时间延迟。增加了CPU的复 杂性。
门阵列部件及概念
通用可编程逻辑部件：可以通过编程方式 在一个芯片上实现任意组合电路。 1）可编程逻辑阵列（PLA）（镕丝工艺） 2）可编程阵列逻辑（PAL） （镕丝工艺） 3）通用阵列逻辑（GAL）（E2CMOS不仅 实现组合电路，还可以实现时序电路。）
计算机组成原理
计算机硬件的构造，（特别是CPU的构造）决定 了一个计算机所能提供的命令格式以及每条命令 的机器码。既每条命令内部，所有控制信号的有 效顺序，或者说，一条命令执行时，数据的流动 顺序。 计算机软件的构造，决定了命令之间，数据的流 动顺序。 计算机的每次工作，既要靠硬件，也要靠软件， 工作的过程就是将原始数据变成结果数据。 计算机功能强大，就是因为：在硬件不变的情况 下，改变一次软件，就是一个新的功能不同的机 器。
1计算机组成原理(第一到八总章)课件PPT
计算机的层次结构
计算机通常被认为由6个不同的级组成：
第六级
为满足某种用途而专门设计，其语言是各种面向问题的应
应用语言级 用语言。用户看到的是能解决某些专门问题的智能机器。
虚
第五级
高级语言级是为方便用户编写应用程序而设置的，由各种
拟
高级语言级 高级语言编译程序支持，面向程序员。
机
第四级
提供一种符号语言即汇编语言，以减少程序编写复杂性，
n 在研制ENIAC的同时，以美籍匈牙利数学家冯 · 诺依曼为首的研 制小组提出了“存储程序、程序控制”的设计思想，体现该设计 思想的计算机EDVAC在1951年问世。
n 冯·诺依曼的存储程序控制概念概括起来为： n 计算机硬件应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出 设备五大基本部件组成。 n 计算机内部采用二进制来表示指令和数据（表示与实现）。 n 将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后启动计算 机工作。这一点最为重要，即存储程序、程序控制的思想。
教材与参考书、考核方式
教材与参考书
n 蒋本珊，计算机组成原理，清华大学出版社，2004.3 n 王闵，计算机组成原理，电子工业出版社，2001.1
考核方式
n 考试方式：闭卷考试 n 成绩计算：总成绩 = 作业20% + 期终考试80%
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第一章 计算机系统概论
主要内容
n 计算机的设计思想（存储程序与程序控制） n 计算机的硬件组成（五大部件） n 计算机的软件配置（系统软件和应用软件） n 计算机的基本工作过程
n 输出设备的种类也非常多，例 如显示器、打印机等是常见的 输出设备。同样新的输出设备 在不断问世，例如能用颜色表 示水温的水龙头。
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第12讲Cache计算机组成原理课件 青岛理工大学
Cache 0 1 2 主存 0 1 2 … … m-1 m m+1 m+2 … … 2m-1 2m 2m+1 … … km-1 km … … 11 nm-1
2
§4．3 高速缓冲存储器 (Cache) ．
Cache-主存层次工作原理 主存层次工作原理 Cache 是位于CPU与主存之间的一个高速小容量的存储器。 Cache一般采用和CPU相同的半导体工艺制成，在物理位置 上尽量靠近CPU，而不在主存模块中，最好在处理器芯片内。 其速度与CPU的速度相匹配，即能够在一个最短的存储周期内完 成一次读/写，约比主存速度高数倍~数十倍以上。 Cache的管理全部用硬件实现。 Once the data is stored in the cache, future use can be made by accessing the cached copy rather than re-fetching the original data, so that the average access time is shorter. Small memories on or close to the CPU chip can be made faster than the much larger main memory. Most CPUs since the 1980s have used one or more caches.
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（2）相联映射 Associative Mapping 相联映射 （全相联映射 全相联映射Fully Associative Mapping） 全相联映射 主存的任何块都能映象到Cache的任何行。 把主存地址作为标志项和数据一道存入Cache。该标志项唯 一地识别主存的一块。为了确定1个块是否在Cache中，Cache的 控制逻辑必须同时检查每一行的标志项是否相符。 例：主存容量16MB，Cache容量64KB，16K行，每行4个字节。 22位 主存地址 Cache 的内容
2024版《计算机组成原理》ppt课件
《计算机组成原理》ppt课件目录•计算机系统概述•数字逻辑基础•计算机各部件的功能和组成•指令系统•CPU的结构和功能•存储器的层次结构•计算机组成原理的应用和发展01计算机系统概述Part计算机的发展历程第一代计算机（1946-1957）电子管时代，采用电子管作为基本元件，体积大、功耗高、可靠性差。
第二代计算机（1958-1964）晶体管时代，采用晶体管作为基本元件，体积减小、功耗降低、可靠性提高。
第三代计算机（1965-1970）集成电路时代，采用中小规模集成电路，使得计算机体积更小、功耗更低、可靠性更高。
第四代计算机（1971年至今）大规模和超大规模集成电路时代，计算机性能得到极大提升，应用领域不断扩展。
计算机系统的层次结构微程序机器级微指令由硬件直接执行，微程序由微指令构成，用于描述机器指令。
高级语言级用高级语言编写程序，通过编译或解释程序翻译成机器语言程序或汇编语言程序。
传统机器级用微程序解释机器指令系统，提供传统机器级虚拟机器。
汇编语言级用汇编语言编写程序，通过汇编程序翻译成机器语言程序。
操作系统级通过系统调用实现操作系统功能，提供扩展机器。
计算机的性能指标机器字长指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
字长越长，数的表示范围越大，精度也越高。
存储容量包括主存容量和辅存容量。
主存容量通常以字节为单位，辅存容量通常以位为单位。
存储容量越大，系统能存储的信息就越多。
运算速度用每秒钟所能执行的指令条数来表示，单位通常用MIPS（百万条指令/秒）。
运算速度越快，系统处理任务的能力越强。
02数字逻辑基础Part数制与编码数制的基本概念介绍二进制、十进制、十六进制等数制的基本概念及转换方法。
编码方式详细阐述原码、反码、补码等编码方式及其在计算机中的应用。
数的定点与浮点表示解释定点数与浮点数的表示方法，包括整数和实数的表示。
1 2 3引入逻辑变量和逻辑函数的概念，为后续的逻辑运算打下基础。
(2024年)计算机组成原理全本
集成电路计算机 时代
超大规模集成电 路计算机…
早期计算机采用机械方式 进行计算，如帕斯卡计算 器。
采用真空电子管作为计算 元件，实现了电子化计算 。
晶体管替代电子管，提高 了计算机性能和可靠性。
集成电路技术使得计算机 体积缩小、功耗降低、性 能提高。
随着微处理器和存储技术 的发展，计算机性能得到 极大提升。
并行通信接口电路
如Centronics接口标准 ，用于实现打印机等并行 设备的连接。
USB接口电路
通用串行总线接口，支持 热插拔和即插即用功能， 广泛应用于各种计算机外 设的连接。
HDMI接口电路
高清多媒体接口，用于实 现高清音视频信号的传输 。
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THANK YOU
2024/3/26
应用于计算机内部连接。
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Ethernet总线
以太网总线，是一种局域网总线 标准，用于连接计算机和网络设
备。
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输入输出系统
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输入输出设备
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输入设备
键盘、鼠标、扫描仪、摄像头、 触摸屏等。
输出设备
显示器、打印机、音响、投影仪 等。
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输入输出接口
接口的作用
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计算机系统组成
硬件系统
包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输 出设备等。
中央处理器（CPU）
是计算机的核心部件，负责执行指令和处理 数据。
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软件系统
包括操作系统、应用软件、编程语言等。
存储器
用于存储数据和程序，包括内存和外存。
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吉林大学计算机组成原理_视频配套_课件
吉林大学计算机组成原理_视频配套_课件一、概述吉林大学计算机组成原理课程是计算机科学与技术专业的重要课程之一，旨在帮助学生深入了解计算机系统的基本原理、计算机硬件的组成以及计算机系统的设计与实现。
本课件作为该课程的配套资料，旨在帮助学生更好地理解和掌握计算机组成原理的相关知识。
计算机组成原理是计算机科学与技术专业的基础课程之一，它涉及到计算机系统的各个方面，包括计算机硬件、软件、操作系统等。
在现代社会，计算机技术已经渗透到各个领域，成为各行各业不可或缺的一部分。
掌握计算机组成原理的知识对于从事计算机科学、信息技术、电子信息等领域的工作具有重要的实际意义。
本课件以视频形式呈现，通过生动的讲解和演示，帮助学生更好地理解和掌握计算机组成原理的核心内容。
课件中涵盖了计算机的基本组成、处理器架构、存储器系统、总线与接口技术、输入输出系统等方面的内容，全面涵盖了计算机组成原理的核心知识点。
课件结合实际案例和实践应用，帮助学生更好地理解相关知识和技能的应用场景。
通过本课程的学习，学生将掌握计算机系统的基本原理和硬件组成，具备计算机系统设计和实现的基本能力。
这对于后续学习计算机系统其他课程以及从事相关领域的工作具有重要的基础作用。
本课件还可以作为计算机专业学生的自学资料，帮助学生自主掌握计算机组成原理的核心知识。
1. 介绍吉林大学计算机组成原理课程的重要性和目标。
吉林大学计算机组成原理课程是一门介绍计算机硬件结构和工作原理的重要课程。
其重要性在于为学生提供了深入理解计算机系统的基础知识和核心技术的基础，帮助学生建立计算机系统的整体概念，掌握计算机硬件的基本组成、工作原理和设计方法。
在当前信息技术迅猛发展的时代背景下，掌握计算机组成原理的知识对于从事计算机科学、软件工程、电子信息工程等相关领域的工作具有重要的实际意义。
该课程的教学目标旨在培养学生的计算机系统分析和设计能力，使学生掌握计算机硬件的基本组成和层次结构，理解各组成部分的功能、性能指标及相互关系。
2024年计算机组成原理课件(增加特殊条款)
计算机组成原理课件(增加特殊条款)计算机组成原理课件一、引言计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门重要课程，主要研究计算机硬件系统的组成、工作原理和设计方法。
通过学习计算机组成原理，可以深入理解计算机硬件与软件之间的相互关系，为计算机系统的设计、开发和维护提供理论支持。
本文档将围绕计算机组成原理的基本概念、硬件组成、指令系统、中央处理器、存储系统、输入输出系统等方面进行详细阐述。
二、硬件组成1.中央处理器（CPU）：作为计算机的核心部件，负责解释和执行程序中的指令。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器等组成，通过内部总线连接。
2.存储器：用于存放计算机运行过程中所需的数据和指令。
存储器分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两种类型。
3.输入输出设备：用于计算机与外部世界的信息交换。
常见的输入设备有键盘、鼠标等，输出设备有显示器、打印机等。
4.总线：负责计算机内部各部件之间的数据传输。
总线分为数据总线、地质总线和控制总线三种类型。
三、指令系统1.数据传输指令：用于在寄存器、存储器和输入输出设备之间进行数据传输。
2.算术逻辑指令：用于执行算术运算和逻辑运算，如加、减、乘、除、与、或、非等。
3.控制指令：用于控制程序的执行流程，如跳转、分支、子程序调用等。
4.特殊指令：用于实现特定功能，如中断处理、系统调用等。
四、中央处理器中央处理器（CPU）是计算机硬件系统的核心，负责解释和执行程序中的指令。
CPU主要由运算器、控制器、寄存器等组成。
1.运算器：负责执行算术运算和逻辑运算。
运算器内部包含算术逻辑单元（ALU）、累加器等部件。
2.控制器：负责从存储器中取出指令，解释指令并控制各部件协同工作。
控制器内部包含程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器等部件。
3.寄存器：用于临时存放指令、数据和地质。
常见的寄存器有通用寄存器、专用寄存器（如程序计数器、指令寄存器等）。
五、存储系统1.主存储器：用于存放当前正在运行的程序和数据。
计算机组成原理介绍课件
量子计算机在密码学、化学模拟、优化问题和机器学习等领 域具有广泛的应用前景，未来有望在各个领域带来突破性的 进展。
光子计算与计算机
光子计算原理
光子计算利用光子作为信息传递和处理的载体，具有高速、低能耗和并行处理 等优势，为计算机技术的发展带来了新的可能性。
光子计算机应用
光子计算机在通信、图像处理、加密和并行计算等领域具有广泛的应用前景， 未来有望在高速网络、数据中心和云计算等领域发挥重要作用。
机器学习与深度学习
机器学习和深度学习技术将进一步推 动计算机智能化的发展，使得计算机 能够从大量数据中自动提取有用的信 息，并做出更准确的预测和决策。
量子计算与计算机
量子计算原理
量子计算利用量子比特作为计算基本单位，能够实现更高效 的并行计算和更快的数据处理速度，为解决一些复杂问题提 供了全新的思路。
驱动相应的硬件电路完成指令规定的操作。
程序的执行过程
程序的执行过程就是连续不断地执行一系列指令的过程，这些指令按照程序中语句的顺 序依次被取出、分析和执行。程序执行的结果可以被输出到屏幕上或存储到内存或外存
中。
05
计算机性能优化
硬件性能优化
处理器性能
内存优化
存储设备
选择高性能的处理器， 如多核处理器，以提高 计算能力和处理速度。
增加内存容量，优化内 存管理机制，以提升系 统运行速度和响应能力。
选择高速的存储设备， 如固态硬盘（SSD）， 以加快数据读写速度。
显卡配置
对于图形处理和游戏应 用，配置高性能的显卡 能够提升显示效果和帧
率。
软件性能优化
操作系统优化
精简操作系统组件，关闭不必 要的服务，以提高系统运行效
计算机组成原理第十二讲39页PPT
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
计算机组成原理吉林大学刘子良配套课件
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 程序
一个一个地 取出参与操作 一条一条地
如何解决？
设置一个存储体，并将存储体分成若干个单元。
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
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。
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
2. 单总线结构 单总线结构如图1.9所示。
I/O接口 I/O接口 CPU MEM
显示器 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
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
以CPU为中心的单总线结构（续）
细节问题将在I/O控制一章作详细讨论。 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
3. 面向存储器的双总线结构 双总线结构如图1.10所示。
CPU
MEM CACHE
I/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
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成
地址码 地址寄存器
地址译码器
代
码
存储体
缓
冲
寄
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CPU
Cache 主存 外存
College of Computer Science, SWPU
存储系统层次结构
速度快 主要存放CPU当前使用的程序和数据。 容量有限 辅助存储器（外存） 速度较慢 存放大量的后备程序和数据。 容量大 高速缓冲存储器Cache 存放CPU在当前一小段时间 速度很快 内多次使用的程序和数据。 容量小 主存储器（内存）
计算各自需要多少个芯片？ 画出该存储器设计框图以及与CPU的连接。 （用译码器进行片选译码） 计算每个芯片的地址范围。
计算机组成原理
College of Computer Science, SWPU
主存储器组织
动态M的刷新
刷新定义和原因 定义：定期向电容补充电荷 原因：动态存储器依靠电容电荷存储信息。 平时无电源供电，时间一长电容电荷会泄 放，需定期向电容补充电荷，以保持信息 不变。 注意刷新和重写的区别
连接方式
（1）扩展位数
D7~D4 D3~D0 4 4 4 1K×4 4 R/W
（2）扩展单元数 （3）连接控制线
4 1K×4 4 1K×4 4 4 1K×4 4 4
1K×4 A9~A0 CS0 10 CS1
1K×4 10 CS2
1K×4 10 CS3
1K×4 10
A11
A10
A11
A10
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计算机组成原理
平均定位（平均寻道）时间 平均等待（平均旋转）时间 数据传输率 （位/秒）
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存储器系统特性
存取时间TA（Memory Access Time）：是存 储器收到读或写的地址到从存储器读出（写入） 信息所需的时间 存取周期TM（Memory Circle Time）：指连续 启动二次独立的存储器操作（例连续2次读） 所需间隔的最小时间.一般TM> TA 数据传输率R：指单元时间存储器读/写的二进 制信息量
存储空间分配： 先安排大容量芯片（放地址低 端），再安排小容量芯片。 计算机组成原理 College of Computer Science, SWPU 便于拟定片选逻辑。
A15A14A13A12A11A10A9…A0
0
0 0 0 0 0
64KB
2K ROM 5KB 需13 位地 RAM 址寻 址： A12～A0
本章主要内容
存储系统层次结构 存储信息的原理 存储系统的组织的角度，讨论：
存储器的逻辑设计 主存与CPU的连接 DRAM的刷新 效验技术
磁表面存储器 提高存储系统性能的措施
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存储系统层次结构
三级存储体系
存储系统：容量大、速度快、成本低 对某类 存 储器 而 言 ， 这些要求往往是相互矛 盾的，如容量大，速度 不能很快；速度快，成 本不可能低；因此，在 一个存储系统常采用几 种不同的存储器 ，构成 多级存储体系，满足系 统的要求。
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主存储器组织
主存储器组织涉及的问题主要有：
M的逻辑设计 动态M的刷新 主存与CPU的连接 主存的校验
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主存储器组织
主存储器设计的一般原则
存储器与CPU的连接：数据线、地址线、控 制线的连接 驱动能力 存储芯片类型选择 存储芯片与CPU的时序配合 存储器的地址分配和片选译码 行选信号和列选信号的产生
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主存储器组织
作业：设计一半导体存储器，其中ROM区 4KB，选用ROM芯片（4K×4位/片）； RAM区3KB，选用RAM芯片（2KB/片和 1K×4位/片）。地址总线A15～A0，双向 数据总线D7～D0，读/写线R/W。 要求：
0
0
0
0
0
…… 0
0 0 0 0 0
0 0 0 0 0
0 0 0 1 1
0 1 1 0 0
1 0 1 0 0
…… 1 …… 0 …… 1 0 … 0 1 …高位地址形成片选逻辑。
芯片
2K 2K 1K
芯片地址
A10～A0 A10～A0 A9～A0
片选信号
CS0 CS1 CS2
给出芯片地址分配和片选逻辑式 画出该M逻辑框图（各芯片信号线的连接以及 片选逻辑电路，片选信号低电平有效）
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主存储器组织
作业：用8K*8位的ROM芯片和8K*4的 RAM芯片组成存储器，按字节编址，期 中RAM的地址为2000H~7FFFH，ROM 的地址为C000H~FFFFH。 要求：
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主存储器组织
动态M的刷新
最大刷新间隔：在此期间，必须对所有动态 单元刷新一遍 刷新方法 各动态芯片可同时刷新，片内按行刷新 刷新一行所用的时间 刷新周期（存 取周期） 刷新一块芯片所需的刷新周期数由芯片矩 阵的行数决定
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任意值 片选 芯片地址 A15…A12A11A10A9……A0 0 0 0 …… 0 0 0 1 …… 1 0 1 0 …… 0
64KB
1K×4 1K×4
0 1 1 1 1
1 0 0 1 1
1 0 1 0 1
…… …… …… …… ……
给出芯片地址分配和片选逻辑，并画出M框图
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主存储器组织
计算芯片数 先扩展位数再扩展单元数 2片1K×4 1K×8 4组1K×8 4K×8 先扩展单元数，再扩展位数 4片1K×4 2组4K×4 4K×4 4K×8 8片
8片
等待操作
读/写操作 平均等待时间 （ms） 数据传输率 （字节/秒）
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速度指标
计算机组成原理
存储器分类
直接存取存储器（DM） 访问时读/写部件先直接指向一个小区域， 再在该区域内顺序查找。访问时间与数据 位置有关 定位（寻道）操作 三步操作 等待（旋转）操作 读/写操作 速度指标
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计算机组成原理
第十二讲：存储子系统
Computer Science
本章解决主要问题
存储器如何存储信息？ 在实际应用中如何用存储芯片组成具有 一定存储容量的存储器？
计算机组成原理
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片选逻辑
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A12A11 A12A11 A12A11 A10 College of Computer Science, SWPU A15A14A13为全0
主存储器组织
已知RAM芯片和地址译码器的引脚如图所示，试回答如下问题： （1）若要求构成一个8K×8的RAM 存储器，需几片这样的芯片？ 设RAM存储器占用起始地址为E1000H的连续地址空间，若采用 全地址译码方式译码，试画出存储器系统与CPU电路连接图。 （2）试写出每块RAM芯片的地址空间。
刷新周期的安排方式（刷新方式） 集中刷新 2ms内集中安排所有刷新周期。 R/W R/W
1 0 1 0 1
1K×4
1K×4
1K×4
1K×4
4KB
需12位地址 寻址： A11～A0
1K×4
1K×4
低位地址分配给芯片，高位地址形成片选逻辑。 芯片 芯片地址 片选信号 片选逻辑 1K A9～A0 1K A9～A0 1K A9～A0 计算机组成原理 1K A9～A0 CS0 CS1 CS2 CS3 A11A10 A11A10 A11A10 College of Computer Science, SWPU A11A10
带宽BM:指每秒访问二进制位的数目。 BM=W/ TM 若TM=500ns,W=16位, BM=16/0.5=32Mbps则 要提高BM:使TM 使W 增加存储体
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计算机组成原理
存储器系统特性
容量：指计算机存储信息的能力,即最大的二进 制信息量，以b或B表示 信息的可靠保存性、非易失性、可更换性 有源存储器：例半导体存储器靠电源才能存 信息 无源存储器：磁盘、磁带等辅存中的信息关 电后不丢失 非易失性：掉电时，信息不会丢失 结论：评价存储器的三个基本指标： C(Capacity)+ C(Cost)+ A(Access Speed)
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主存储器组织
地址分配与片选逻辑 芯片内的寻址系统(二级译码) 存储器寻址逻辑 芯片外的地址分配与片选逻辑 为芯片分配哪几位地址， 以便寻找片内的存储单元 由哪几位地址形成芯 片选择逻辑，以便寻 找芯片
存储空间分配： 4KB存储器在16位地址空间（64KB）中占据 任意连续区间。
计算机组成原理
EPROM： 用户可多次编程
EEPROM： 用户可多次编程
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存储器分类
速度指标： 存取周期或读/写周期 （ns） 作主存、高速缓存。 时钟周期的若干倍 顺序存取存储器（SAM） 访问时按读/写部件顺序查找目标地址， 访问时间与数据位置有关 两步操作