纪禄平-计算机组成原理(第四版)PPT-4-1存储子系统-概述
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纪禄平-计算机组成原理(第四版)PPT-4-6存储子系统-三级存储体系
主存和外存统一分页后进行管理。 ※页表 记录虚地址页号与实地址页号的对应关系，即虚页面 调入主存时被安排在主存中的位置（实页号） 页表中的每一行，称为页表项；
虚页号 0000 有效位 1 实页号 0101 … …
0001 0010 …
1 0 …
1011 0010 …
… … …
←页表项 ←页表项 ←页表项
定位Cache的分组：直接映射；
定位Cache数据块：全相联映射；
→直接映射和全相联映射的折衷 速度快、硬件简单、成本低、易实现 （图4-49示）
10/24
0组
标记
0块
0块
标记
标记 标记 … 标记 标记 标记
1块
2块 3块 … 12块 13块 14块
1块
… 7块 8块 9块 … 15块
主存 0组 地址
255组
据此判断所在内存块 是否已映射到缓存中
图4-49 组相联映射 Na=20，每块512字节
11/24
[ 举例 ] 某计算机的 Cache 共有 16块，采用 2路 - 组相联映 射方式 ( 即每组包括 2 块 ) 。存储器按字节编址，每个主 存块大小为 32字节，那么 129号主存单元所在的主存块 应装入到的Cache组号是( )：
5/24
（1）直接映射
Cache：只分块、不分组 主存：既分块、也分组（每组的块数 = Cache块数）
[映射规则]主存的每一个数据块，只能映射到 与其组内序号相同的Cache数据块位置。
如果：K为Cache的块序号，J为主存块的序号，C为 Cache块号的位数。
则 K=J mod 2c =J mod 24
2046块
2047块
主存
将主存块的块号与Cache 块的标记字段比较，判 断主存块是否已映射到 缓存中
虚页号 0000 有效位 1 实页号 0101 … …
0001 0010 …
1 0 …
1011 0010 …
… … …
←页表项 ←页表项 ←页表项
定位Cache的分组：直接映射；
定位Cache数据块：全相联映射；
→直接映射和全相联映射的折衷 速度快、硬件简单、成本低、易实现 （图4-49示）
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0组
标记
0块
0块
标记
标记 标记 … 标记 标记 标记
1块
2块 3块 … 12块 13块 14块
1块
… 7块 8块 9块 … 15块
主存 0组 地址
255组
据此判断所在内存块 是否已映射到缓存中
图4-49 组相联映射 Na=20，每块512字节
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[ 举例 ] 某计算机的 Cache 共有 16块，采用 2路 - 组相联映 射方式 ( 即每组包括 2 块 ) 。存储器按字节编址，每个主 存块大小为 32字节，那么 129号主存单元所在的主存块 应装入到的Cache组号是( )：
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（1）直接映射
Cache：只分块、不分组 主存：既分块、也分组（每组的块数 = Cache块数）
[映射规则]主存的每一个数据块，只能映射到 与其组内序号相同的Cache数据块位置。
如果：K为Cache的块序号，J为主存块的序号，C为 Cache块号的位数。
则 K=J mod 2c =J mod 24
2046块
2047块
主存
将主存块的块号与Cache 块的标记字段比较，判 断主存块是否已映射到 缓存中
计算机组成原理(第四版)PPT课件
-
4
2.5 术语：存储元、存储单元、存储体、存储 单元地址，有何联系和区别？
存储元：存储一位二进制信息的基本单元电路。
存储单元：由若干存储元组成。一台机器的所有存储 单元长度相同，一般由8的整数倍个存储元构成。
存储体：是存储单元的集合，它由许多存储单元组成， 用来存储大量的数据和程序。
存储器单元地址：计算机在存取数据时，以存储单元 为单位进行存取。为区别不同单元，给每个存储单 元赋予地址，每个存储单元都有一条唯一的字线与 存储单元地址编码对应。
总称为
。
解：记录面号(磁头号)、磁道号(柱面号)、扇区号、 记录块、道密度、位密度、存储密度。
-
25
2.19 某磁盘组有4个盘片，5个记录面。每个记录面的内磁 道直径为22cm，外磁道直径为33cm，最大位密度为1600 位/cm，道密度为80道／cm，转速为3600r/min。求： (1)磁盘组的总存储容量是多少位(非格式化容量)? (2)最大数据传输率是每秒多少字节? (3)请提供一个表示磁盘信息地址的方案。
-
21
2.17 欲将10011101写入磁表面存储器中：
(1) 分别画出归零制、不归零制和调频制的写入电流 波形。
(2)改进不归零制(NRZl)的记录原则是见“1”就翻。 即当记录“1”时写电流要改变方向；记录“0”时不 改变方向。画出它的电流波。
(3)改进调频制(MFM)与调频制方式区别在于：FM在 信息元交界处写电流总要改变一次方向；而MFM仅 当连续记录两个“0”时，信息交界处翻转一次；其
解：该机的地址码为18b，字长8b，故该机的主存容 量为218X8b＝28 X 210 X 8 b＝ 256KB，
(1)若每个模板块为32K X 8b，
纪禄平-计算机组成原理(第4版)3(5)-CPU子系统-MIPS-4-多周期-3-控制系统PPT课件
3.5.4 多周期MIPS处理器
（组合逻辑与微程序）
-
1
※多周期CPU所需的控制信号
PCSrc[1:0]
01 00 10
PCWrite
PC
IorD MemWrite
存储器
0 1
Addr
RD
rst
WD
MemRead
IRWrite
<<2
U
RegDst RegWrite
RN1 RD1 A
operation 0 1
F
+4 00
MDR
1 0
WD
RD2 B
01 10
zero
MemtoReg
E
<<2
extend
11 AluSrc_B[1:0]
多路选择器: 4个+2个(2位/个)； ALU: 1组(4位)； 扩展器: 1个； 存储器: 2个； 寄存器堆: 1个； 专用寄存器: 2个； 共需13种控制信号, 共18位。
SC
Operation extend RegWrite IRWrite MemRead MemWrite PCWrite AluSrc_B AluSrc_A MemtoReg RegDst IorD PCSrc
2 1111 2 111 111 4 4
→00B08001H
-
2
24
❸ 整合所有指令的微程序并存储到Control Store √ T0中取指操作对应的微指令被全部指令共享 √各指令的其余微指令按顺序存储 √各指令的最末一条微指令中的顺序控制字段SC=10
写出各位的输出逻辑式：
PCsrc[1]=j_flag PCsrc[0]=beq_flag·zero PCWrite=FT_flag+beq_flag·zero+j_flag
（组合逻辑与微程序）
-
1
※多周期CPU所需的控制信号
PCSrc[1:0]
01 00 10
PCWrite
PC
IorD MemWrite
存储器
0 1
Addr
RD
rst
WD
MemRead
IRWrite
<<2
U
RegDst RegWrite
RN1 RD1 A
operation 0 1
F
+4 00
MDR
1 0
WD
RD2 B
01 10
zero
MemtoReg
E
<<2
extend
11 AluSrc_B[1:0]
多路选择器: 4个+2个(2位/个)； ALU: 1组(4位)； 扩展器: 1个； 存储器: 2个； 寄存器堆: 1个； 专用寄存器: 2个； 共需13种控制信号, 共18位。
SC
Operation extend RegWrite IRWrite MemRead MemWrite PCWrite AluSrc_B AluSrc_A MemtoReg RegDst IorD PCSrc
2 1111 2 111 111 4 4
→00B08001H
-
2
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❸ 整合所有指令的微程序并存储到Control Store √ T0中取指操作对应的微指令被全部指令共享 √各指令的其余微指令按顺序存储 √各指令的最末一条微指令中的顺序控制字段SC=10
写出各位的输出逻辑式：
PCsrc[1]=j_flag PCsrc[0]=beq_flag·zero PCWrite=FT_flag+beq_flag·zero+j_flag
2024版计算机操作系统第四版ppt课件
分布式处理系统的应用
如云计算、大数据处理等。
分布式文件系统与数据库系统
分布式文件系统的基本概念
01
将文件分布在多个计算机节点上，通过网络进行访问和
管理。
分布式数据库系统的基本概念
02
将数据库分布在多个计算机节点上，通过网络进行访问
和管理，同时保持数据的一致性和完整性。
分布式文件系统和数据库系统的关键技术
文件共享是指多个用户或进程可以同时访问和使用同一文件。
文件保护
文件保护是指操作系统采取一定的措施，防止文件被非法访问、修 改或破坏。
共享与保护的实现方法
操作系统可以通过访问控制列表（ACL）、权限位和加密等机制来 实现文件的共享和保护。
文件操作及实现方法
文件操作
文件操作包括文件的创建、打开、读/写、定位和关闭等。
调度算法的性能评价指标
包括系统吞吐量、处理机利用率、周转时间、响应时间等。
典型的多处理机调度算法
如最短作业优先算法、最高响应比优先算法等。
分布式处理系统的特点与分类
分布式处理系统的特点
自治性、并发性、资源共享、透 明性等。
分布式处理系统的分类
根据系统中计算机的类型和互连 方式，可分为同构型分布式系统 和异构型分布式系统。
并行处理系统的基本结构 包括多个处理单元、互连网络、存储器等部件，通过相互 协作完成并行任务。
并行处理系统的分类 根据处理单元的数量和互连方式，可分为共享内存系统和 分布式内存系统。
多处理机调度算法及性能评价
多处理机调度算法的种类
包括静态调度算法和动态调度算法，其中动态调度算法又可分为集中式调度和分布式调度。
进程调度算法的实现需要考虑系统 效率、公平性和实时性等因素。
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。
纪禄平-计算机组成原理PPT(第4版)3(1)-CPU子系统-概述
1、主要功能
✓处理指令-控制指令的执行顺序； ✓执行操作-产生控制信号控制部件工作； ✓控制时间-控制各步操作的时序； ✓数据运算-算术和逻辑运算；
2、执行指令的流程
✓读取指令-从存储器中读取； ✓指令译码-通过控制器进行、产生控制信号； ✓指令执行-寻址、取数、运算； ✓后续工作-保存结果、响应外部请求等；
9
⑤程序状态字寄存器（PSW）
[主要用途] 仅1个，记录现行程序的运行状态和程序的工作模式。
❖ PSW-特征位 也叫标志位，反映CPU的当前状态。 指令执行时，根据情况自动设置这些特征位，作为后 续操作的判断依据，通常有5类:
进位 溢出 零值
P
…
自动设置(具备该特征，就设置该标志位=1)
10
❖ PSW-编程设定位
PSW中某些位或字段可通过程序来设定，以决定程 序的调试、对中断的响应、程序的运行模式等。
跟踪位
T
允许中断
I
程序优 先级P
运行模式
⑥地址寄存器（MAR）
[主要用途] 只有1个，读写存储器时，先要定位存储单元，因此 设置MAR来存放目标单元的地址码。 先将有效地址送入MAR，再启动后续的读写操作。
数据1 数据0
栈底
堆栈(存储器)
12
4、控制器
[主要作用] 根据指令、时钟信号、外部信号等信息，产生各种 控制信号(微命令)，以便控制各种功能部件协同工 作，完成指令的功能。
指令代码
控制单元
时序信号 状态信号
各种控制信号
根据产生微命令的方式，有两类控制单元：
①组合逻辑控制器 组合逻辑硬件电路→控制信号
第3章 CPU子系统
※本章主要介绍：
功能部件
✓处理指令-控制指令的执行顺序； ✓执行操作-产生控制信号控制部件工作； ✓控制时间-控制各步操作的时序； ✓数据运算-算术和逻辑运算；
2、执行指令的流程
✓读取指令-从存储器中读取； ✓指令译码-通过控制器进行、产生控制信号； ✓指令执行-寻址、取数、运算； ✓后续工作-保存结果、响应外部请求等；
9
⑤程序状态字寄存器（PSW）
[主要用途] 仅1个，记录现行程序的运行状态和程序的工作模式。
❖ PSW-特征位 也叫标志位，反映CPU的当前状态。 指令执行时，根据情况自动设置这些特征位，作为后 续操作的判断依据，通常有5类:
进位 溢出 零值
P
…
自动设置(具备该特征，就设置该标志位=1)
10
❖ PSW-编程设定位
PSW中某些位或字段可通过程序来设定，以决定程 序的调试、对中断的响应、程序的运行模式等。
跟踪位
T
允许中断
I
程序优 先级P
运行模式
⑥地址寄存器（MAR）
[主要用途] 只有1个，读写存储器时，先要定位存储单元，因此 设置MAR来存放目标单元的地址码。 先将有效地址送入MAR，再启动后续的读写操作。
数据1 数据0
栈底
堆栈(存储器)
12
4、控制器
[主要作用] 根据指令、时钟信号、外部信号等信息，产生各种 控制信号(微命令)，以便控制各种功能部件协同工 作，完成指令的功能。
指令代码
控制单元
时序信号 状态信号
各种控制信号
根据产生微命令的方式，有两类控制单元：
①组合逻辑控制器 组合逻辑硬件电路→控制信号
第3章 CPU子系统
※本章主要介绍：
功能部件
计算机组成原理第04章 存储子系统
4.2 半导体存储原理及存储芯片
4.2.1 双极型存储单元与芯片 1. TTL型存储单元举例 ·保持 字线Z为高电平3伏，而位线 W 、W均 为1.6伏。则D1与D2均处于反偏状态而截止， W 和 W 这一对位线与双稳态电路隔离不通，T1、 T2通过交叉反馈维持原态不变。
4.2 半导体存储原理及存储芯片
4.2 半导体存储原理及存储芯片
4.2.1 双极型存储单元与芯片 1. TTL型存储单元举例 ·写入 字线Z加负脉冲，其电平从3伏下降 至0.3伏。 写0 位线Ｗ电平上升至高电平3伏，而 W 维 持1.6伏不变。二极管D2通导，写入电流从W 经D2流入T1基极，使T1通导，经交叉反馈使 T2截止。
4.2 半导体存储原理及存储芯片
4.2.3 动态MOS存储单元与芯片 1. 动态MOS四管存储单元 ·暂存信息 字线Z加低电平，门管T3与T4断开，基本上 无放电回路，仅存在泄漏电流，信息可暂存 数毫秒。
4.1 概述
4.1.1 存储系统的层次结构 对存储器的最基本要求是：存储容量大、存 取速度快、成本价格低。在同一存储器中通 常难以同时满足这些要求。解决方法： ·改进制造工艺，寻求新的存储机理，以提 高存储器的性能 ·将整个存储系统由几个层次组成。经过合 理的搭配组织，对用户来说，整个存储系统 能提供足够大的存储容量和较快的有效速度， 这基于程序访问的局部性原理。
4.2 半导体存储原理及存储芯片
4.2.2 静态MOS存储单元与芯片 2. 静态MOS存储芯片举例 Intel 2114
4.2 半导体存储原理及存储芯片
4.2.3 动态MOS存储单元与芯片 1. 动态MOS四管存储单元 依靠T1与T2的栅极电容存储电荷来存储信息 ·若C1充电至高电平使T1通导，而C2放电至 低电平使T2截止，存入信息为0； ·若C1放电至低电平使T1截止，而C2充电至 高电平使T2通导，存入信息为1。
计算机组成原理ppt文档
⒌可靠性：指在规定的时间内，存储器无故障读/写的概率。通 常用MTBF(Mean Time Between Failures)。可以理解为连续两次故 障之间的平均间隔。
⒍性能价格比C/S
C是指存储器价格： S是存储器的总容量。
4.1.4存储器系统的层次结构 存储大量数据的传统办法是采用如图4-3所示的层次存储结构。
⑴Cache-M•M层次 ⑵M•M-A•M层次
4.2 半导体存储器
半导体读写存储器简称RWM，也称为RAM。具有体积小、速度 快等到优点，按不同 的工艺半导体RAM分为双极型和MOS型 RAM两大类，主要介绍MOS型RAM。
4.2.1 半导体存储器的分类
1
1.RAM
由于随机存取存储器可读可写， 有时它们又被称为可读写存储器。 随机存取存储器分为三类：静态 RAM、动态RAM和非易失性RAM
4.1.3 存储器的主要性能指标
⒈存储容量S
存储容量：主存所能容纳的二进制信息总量。 对于字编址的计算机以字数与字长的乘积来表示容量。 例：某计算机的容量为64K16，表示它有64K个字，字长为16位。 若用字节表示，则可记为128KB。 1K=210=1024 1M=210K=220=1 048 576 1G= 210M=220K=230=1 073 741 824 1T=210G= 220M=230K=240=1 099 511 627 776
Ⅱ 是存储容量逐渐增大。
寄存器有128个字节就很合适； 高速缓存可以是几MB； 主存储器பைடு நூலகம்几十MB到数千MB之间； 磁盘的容量应该是几GB到几十GB； 磁带和光盘一般脱机存放，其容量只受限于用户的预算。
Ⅲ C/S即存储每位的价格逐渐减小。 主存的价格应该是每兆(M)字节几个美元， 磁盘的价格是每兆(M)字节几个美分， 磁带的价格是每吉(G)字节几个美元或更低一些。
⒍性能价格比C/S
C是指存储器价格： S是存储器的总容量。
4.1.4存储器系统的层次结构 存储大量数据的传统办法是采用如图4-3所示的层次存储结构。
⑴Cache-M•M层次 ⑵M•M-A•M层次
4.2 半导体存储器
半导体读写存储器简称RWM，也称为RAM。具有体积小、速度 快等到优点，按不同 的工艺半导体RAM分为双极型和MOS型 RAM两大类，主要介绍MOS型RAM。
4.2.1 半导体存储器的分类
1
1.RAM
由于随机存取存储器可读可写， 有时它们又被称为可读写存储器。 随机存取存储器分为三类：静态 RAM、动态RAM和非易失性RAM
4.1.3 存储器的主要性能指标
⒈存储容量S
存储容量：主存所能容纳的二进制信息总量。 对于字编址的计算机以字数与字长的乘积来表示容量。 例：某计算机的容量为64K16，表示它有64K个字，字长为16位。 若用字节表示，则可记为128KB。 1K=210=1024 1M=210K=220=1 048 576 1G= 210M=220K=230=1 073 741 824 1T=210G= 220M=230K=240=1 099 511 627 776
Ⅱ 是存储容量逐渐增大。
寄存器有128个字节就很合适； 高速缓存可以是几MB； 主存储器பைடு நூலகம்几十MB到数千MB之间； 磁盘的容量应该是几GB到几十GB； 磁带和光盘一般脱机存放，其容量只受限于用户的预算。
Ⅲ C/S即存储每位的价格逐渐减小。 主存的价格应该是每兆(M)字节几个美元， 磁盘的价格是每兆(M)字节几个美分， 磁带的价格是每吉(G)字节几个美元或更低一些。
纪禄平-计算机组成原理PPT(第4版)3(5)-CPU子系统-MIPS-4-多周期-2-指令流程与微命令
T1 DT
执行
T2 ET
访存
F← A op B
F← A+E(offset)
F← A+E(offset)
A-B Zero=1: PC←F
F← A op E(imm)
T3 MT
Reg*rd+← F
MDR← Mem[F]
Mem*F+← B
Reg*rt+← F
写回寄堆
T4 RT
Reg*rd+← F
Reg*rt+← MDR
选通寄存器堆 WD的数据源 设置16→32位的 扩展模式
0
1 0 1 0 1
选通PC
选通暂存器F 选通暂存器F 选通暂存器MDR 0扩展(逻辑型) 符号扩展(数值型)
3/12
（续表）
信号名称 ALUsrc_A ALUSrc_B 用途
选择ALU的A端 口数据来源
选择ALU的B端 口数据来源
控制信号
0
T0 T1
T2
T3
T4
A-B: If zero==1, PC←F If zero==0, NOP
ALUSrc_A=1, ALUSrc_B=01, operation=0110 If zero==1: PCSrc=01, PCWrite=1
9/12
※ I型运算指令: op rt, rs, imm
时钟 周期 功能（微）操作 IR←Mem*PC+, PC←PC+4 直接控制信号（微命令） IorD=0,MemRead=1, IRWrite=1, ALUSrc_A=0, ALUSrc_B=00, operation=0010, PCSrc=00, PCWrite 时钟边沿触发，无其它控制信号 ALUSrc_A=1, extend=1, ALUSrc_B=10, operation Mem2Reg=0, RegDst=1, RegWrite=1
《计算机组成原理(第四版)》第1章计算机系统概论资料
存放数据 将信息和转程换序成机 器能识别的形式
存储器
算将术结运果算转换成 逻人辑们运熟算悉的形式
输入设备
运算器
输出设备
2021年3月23日星期二
控制器
指挥程序 运行
46
冯·诺依曼机与现代微机 存储器
冯·诺依曼机结构
以运算器为中心
现代微机结构
以存储器为中心
22021年3月23日星期二
38
1.2.4 计算机的性能指标（2/3）
总线宽度 一般指运算器与存储器之间的数据总线宽度。
注意课本上的表述错误！
主存储器容量 主存储器所能存储二进制数据的位数。
或者说“主存储器中所有存储元的总数目”，而非“存储单元”！
主存储器带宽 单位时间内从主存储器读出的二进制信息量，一般用字节数/秒表示。
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。
响应时间
从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来表示。
利用率
在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所占的比率，用百分 比表示。
处理机字长（机器字长）
处理机运算器中一次能够完成二进制运算的位数，如32、64位； 机器字长与系统数据总线宽度具有一定的相关性。
第1章 计算机系统概论
目录
1.0 预备知识 1.1 计算机的分类 1.2 计算机的发展简史 1.3 计算机的硬件 1.4 计算机的软件 1.5 计算机系统的层次结构
2021年3月23日星期二
2
学习要求
了解计算机的发展历程； 清楚计算机的系统层次结构、计算机硬件的基本组成(五大部件
的构成)、计算机软件的分类，以及计算机的基本工作过程； 了解计算机性能评价指标和相关参数；
纪禄平-计算机组成原理PPT(第4版)3(5)-CPU子系统-MIPS-1-MIPS32指令架构与指令集
16位的带符号常数
op
rs
rt
<< 2
imm
带符号扩展成32位 并左移2位
+
当前地址码 PC寄存器
Memory
数据字
13/22
伪直接寻址（Pseudo-direct Addressing） 也叫页面寻址，由PC高4位与指令中的地址段 组合产生有效地址。
op
28位 4位 4位 address 00 指令字 4位 PC当前值
lui rt, imm # $rt ← imm<<16（空位补0）
20/22
④面向条件转移(分支)的I型指令
指令 [31:26] [25:21] [20:16] [15:0] 指令功能 beq 000100 rt imm 寄存器相等则转移 rs bne 000101 rt imm 寄存器不等则转移 rs
rs rs rs
rt rt rt
rd rd rd
00000 100100 寄存器与 00000 100101 寄存器或 00000 100110 寄存器异或
add/sub/and/or/xor rd, rs, rt； 指令功能：$rd ← $rs op $rt；
16/22
②2寄存器R型指令
指令 sll srl sra
lw sw beq bne lui
100011
rs 101011 rs 000100 rs 000101 rs 001111 00000
rt rt rt rt rt
imm imm imm imm imm
从存储器中读取数据 把数据保存到存储器 寄存器相等则转移 寄存器不等则转移 设置寄存器的高16位
18/22
16位的带符号常数
op
rs
rt
<< 2
imm
带符号扩展成32位 并左移2位
+
当前地址码 PC寄存器
Memory
数据字
13/22
伪直接寻址（Pseudo-direct Addressing） 也叫页面寻址，由PC高4位与指令中的地址段 组合产生有效地址。
op
28位 4位 4位 address 00 指令字 4位 PC当前值
lui rt, imm # $rt ← imm<<16（空位补0）
20/22
④面向条件转移(分支)的I型指令
指令 [31:26] [25:21] [20:16] [15:0] 指令功能 beq 000100 rt imm 寄存器相等则转移 rs bne 000101 rt imm 寄存器不等则转移 rs
rs rs rs
rt rt rt
rd rd rd
00000 100100 寄存器与 00000 100101 寄存器或 00000 100110 寄存器异或
add/sub/and/or/xor rd, rs, rt； 指令功能：$rd ← $rs op $rt；
16/22
②2寄存器R型指令
指令 sll srl sra
lw sw beq bne lui
100011
rs 101011 rs 000100 rs 000101 rs 001111 00000
rt rt rt rt rt
imm imm imm imm imm
从存储器中读取数据 把数据保存到存储器 寄存器相等则转移 寄存器不等则转移 设置寄存器的高16位
18/22
16位的带符号常数
纪禄平-计算机组成原理(第四版)-4-1存储子系统-概述PPT课件
逻辑上能提供比物理存储器更大的虚拟存储空间，相 关地址称为虚拟地址或逻辑地址。
.
6
3.存储器的分类(按存储介质)
（1）半导体存储器 静态存储器:利用双稳态触发器的两个稳定状态存 储信息,信息易失 动态存储器:依靠电容上的电荷暂存信息，主存
（2）磁表面存储器 利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息,容量大, 非破坏性读出,长期保存信息,速度慢,外存
存储器的位宽
数据传输率(R) =
bps
存取周期
【例】某双通道DDR-4内存传输频率为3200MHz，位 宽64比特，则其有效带宽为：
RDDR-4=2×(64b×3200MHz÷8)=51.2GBps
.
14
容量却很小
L3
L2
MM 主存(DDR3/4)
EM 外存(硬盘等)
.
5
2.物理存储器与虚拟存储器
物理存储器: 物理形态上真实存在的存储器，简称为实存，其地址 称为物理地址或实地址。
虚拟存储器: 虚拟存储器是一个逻辑模型，并非物理存在，基于物 理存储器并靠硬件+操作系统的映射来实现。
内存
虚拟存储技术
外存
FLASH Memory（闪存） 接近 速度指标：频率-存取周期或读/写周期(ns) 通常用作主存、高速缓存。
.
10
（2）顺序存取存储器（SAM）
访问时读/写部件按顺序查找目标地址，访问时间与 数据的存储位置有关。
例如：磁带机（录音机）、电影胶片。
定位操作 两步操作
数据读/写操作
平均定位时间(ms) 速度指标
.
12
4.存储器的技术指标
(1)存取时间
从存储器收到读写命令，到存储器读出（写入）信息 所需要的时间，TA
罗克露计算机组成原理课件-4存储器-1概论06级
第四章 存储子系统
本章需解决的主要问题： （1）存储器如何存储信息？ （2）在实际应用中如何用存储芯片组成具
有一定容量的存储器？
第一节 概述
存储器的分类情况
1.按存储器在系统中的作用分类
（1）主存（内存）
速度快
主要存放CPU当前使用的程序和数据。容量有限
（2）辅存（外存） 速度较慢
存放大量的后备程序和数据。 容量大
三步操作
定位（寻道）操作 等待（旋转）操作 读/写操作
平均定位（平均寻道）时间 （ms）
速度指标 平均等待（平均旋转）时间 （ms）
数据传输率
（位/秒）
（3）高速缓存
存放CPU在当前一小段时间内多次使用的程序
和数据。 速度很快
容量小
CPU
ห้องสมุดไป่ตู้
Cache
主存
外存
（2）磁表面存储器 利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息。 容量大， 非破坏性读出， 长期保存信息， 速度慢。 作外存。
（3）光盘存储器 利用光斑的有无表示信息。 容量很大，非破坏性读出，长期保存信息， 速度慢。 作外存。
3.按存取方式分类
（1）随机存取存储器
随机存取： 可按地址访问存储器中的任一单元， 访问时间与单元地址无关。
RAM：可读可写 固存：用户不能编程 PROM：用户可一次编程
EPROM：用户可多次编程
ROM：只读不写
（紫外线擦除）
EEPROM：用户可多次编程
（电擦除） Flash Memory
速度指标：存取周期或读/写周期 （ns）
作主存、高速缓存。
（2）顺序存取存储器（SAM）
访问时读/写部件按顺序查找目标地址，访问 时间与数据位置有关。
本章需解决的主要问题： （1）存储器如何存储信息？ （2）在实际应用中如何用存储芯片组成具
有一定容量的存储器？
第一节 概述
存储器的分类情况
1.按存储器在系统中的作用分类
（1）主存（内存）
速度快
主要存放CPU当前使用的程序和数据。容量有限
（2）辅存（外存） 速度较慢
存放大量的后备程序和数据。 容量大
三步操作
定位（寻道）操作 等待（旋转）操作 读/写操作
平均定位（平均寻道）时间 （ms）
速度指标 平均等待（平均旋转）时间 （ms）
数据传输率
（位/秒）
（3）高速缓存
存放CPU在当前一小段时间内多次使用的程序
和数据。 速度很快
容量小
CPU
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Cache
主存
外存
（2）磁表面存储器 利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息。 容量大， 非破坏性读出， 长期保存信息， 速度慢。 作外存。
（3）光盘存储器 利用光斑的有无表示信息。 容量很大，非破坏性读出，长期保存信息， 速度慢。 作外存。
3.按存取方式分类
（1）随机存取存储器
随机存取： 可按地址访问存储器中的任一单元， 访问时间与单元地址无关。
RAM：可读可写 固存：用户不能编程 PROM：用户可一次编程
EPROM：用户可多次编程
ROM：只读不写
（紫外线擦除）
EEPROM：用户可多次编程
（电擦除） Flash Memory
速度指标：存取周期或读/写周期 （ns）
作主存、高速缓存。
（2）顺序存取存储器（SAM）
访问时读/写部件按顺序查找目标地址，访问 时间与数据位置有关。
计算机操作系统(第四版)第四五章PPT幻灯片课件
5
4.2 程序的装入和链接
从源程序到程序执行 地址空间的概念 重定位的概念 程序的装入 程序的链接
6
1、从源程序到程序执行
编译：编译程序
由编库译程序（Compiler）将用户源代码编译
成若干个目标模块。 主
主
链接：主链接程序
库
库
汇编
编译
由 目链 标子接 模1 程 块序 ，链（以接程L及序i它nk们er所）子1需将要编的译装入库后程函形序 数成链的接一子1在组
11
5、程序的装入
含义：就是把链接好的装入模块装入“内存”。
装入方式分类： 绝对装入 可重定位装入（静态重定位） 动态运行时装入（动态重定位）
提示：通常链接、装入程序是一体的。
12
4.3 连续分配存储管理方式
为用户程序分配一个连续的内存空间。曾被广泛应 用，且现在仍被采用。
单一连续分配 固定分区分配 动态分区分配 基于顺序搜索的动态分区分配算法 基于索引搜索的动态分区分配算法 动态可重定位分区分配
找到符合要求的分区，并进行标记。
15
作业1进入，大小30K 作业2进入，大小500K 作业3进入，大小8K
系统区 分区 1 分区 2
分区 3
分区 4
分区 5
分区号 大小 起址 状态
1 8 K 512K 已未使用 2 32 K 520K 已未使使用用 3 32 K 552K 未使用 4 128 K 584K 未使用 5 512 K 712K 未已使用 …… … …
程。
L 模块B
具 体对工相M0-作对1 ：地RC模eat址块lul rCBn的;; 修改；变链接换外部L调+LM+用M-1 符JSRR号模e”tL块u。+rCnM;”;
4.2 程序的装入和链接
从源程序到程序执行 地址空间的概念 重定位的概念 程序的装入 程序的链接
6
1、从源程序到程序执行
编译：编译程序
由编库译程序（Compiler）将用户源代码编译
成若干个目标模块。 主
主
链接：主链接程序
库
库
汇编
编译
由 目链 标子接 模1 程 块序 ，链（以接程L及序i它nk们er所）子1需将要编的译装入库后程函形序 数成链的接一子1在组
11
5、程序的装入
含义：就是把链接好的装入模块装入“内存”。
装入方式分类： 绝对装入 可重定位装入（静态重定位） 动态运行时装入（动态重定位）
提示：通常链接、装入程序是一体的。
12
4.3 连续分配存储管理方式
为用户程序分配一个连续的内存空间。曾被广泛应 用，且现在仍被采用。
单一连续分配 固定分区分配 动态分区分配 基于顺序搜索的动态分区分配算法 基于索引搜索的动态分区分配算法 动态可重定位分区分配
找到符合要求的分区，并进行标记。
15
作业1进入，大小30K 作业2进入，大小500K 作业3进入，大小8K
系统区 分区 1 分区 2
分区 3
分区 4
分区 5
分区号 大小 起址 状态
1 8 K 512K 已未使用 2 32 K 520K 已未使使用用 3 32 K 552K 未使用 4 128 K 584K 未使用 5 512 K 712K 未已使用 …… … …
程。
L 模块B
具 体对工相M0-作对1 ：地RC模eat址块lul rCBn的;; 修改；变链接换外部L调+LM+用M-1 符JSRR号模e”tL块u。+rCnM;”;
纪禄平-计算机组成原理PPT(第4版)3(1)-CPU子系统-概述26页PPT
23、一切节省，归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰，决心到最后会全部推倒。——莎士比亚
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
纪禄平-计算机组成原理PPT(第4 版)3(1)-CPU子系统-概述
11、不为五斗米折腰。 12、芳菊开林耀，青松冠岩列。怀此 贞秀姿 ，卓为 霜下杰 。
13、归去来兮，田蜀将芜胡不归。 14、酒能祛百虑，菊为制颓龄。 15、春蚕收长丝秋熟靡王税。
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
25、学习是劳动，是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢！
纪禄平-计算机组成原理PPT(第4 版)3(1)-CPU子系统-概述
11、不为五斗米折腰。 12、芳菊开林耀，青松冠岩列。怀此 贞秀姿 ，卓为 霜下杰 。
13、归去来兮，田蜀将芜胡不归。 14、酒能祛百虑，菊为制颓龄。 15、春蚕收长丝秋熟靡王税。
21、要知道对好事的称颂过于夸大，也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤，荒于嬉；行成于思，毁于随。——韩愈
计算机组成原理第四版第四章PPT课件
兼容性：系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集，因而指令系统是 兼容的，即各机种上基本软件可以通用。但由于不同机种推出的时间不同，在结构 和性能上有差异，做到所有软件都完全兼容是不可能的，只能做到“向上兼容”， 即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。
编辑版pppt
返回 6
堆栈寻址
➢寄存器堆栈（硬堆栈） ➢存储器堆栈（软堆栈）
编辑版pppt
返回 12
扩展举例 ：设某机器的指令长度为16位，有4位基本操
作码字段和两个6位地址码字段，其格式如下：
15
12 11
0
OP
A1
65 A2
扩展方法：
1.二地址指令仅有15条，由4位基本操作码的0000—— 1110组合给出，余下的组合1111用于把操作码扩展到 A1，即从4位扩展到10位。
编辑版pppt
返回 9
4.2.3指令字长度
➢ 指令字长度：一个指令字包含二进制代码的位数。 ➢ 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数。 ➢ 单字长指令 ➢ 半字长指令 ➢ 双字长指令 ➢ 多字长指令的优缺点： 优点提供足够的地址位来解决访
问内存任何单元的寻址问题； 缺点必须两次或多次访问 内存以取出一整条指令，降低了CPU的运算速度，又占用 了更多的存储空间。 ➢ 等长指令字结构：指令系统中指令采用等长指令的优点： 各种指令字长度是相等的，指令字结构简单，且指令字长 度是不变的； ➢ 变长指令字结构：采用非等长指令的的优点：各种指令字 长度随指令功能而异，结构灵活，能充分利用指令长度， 但指令的控制较复杂。
编辑版pppt
返回 38
其他指令：
除以上各类指令外，还有状态寄存器置 位、复位指令，测试指令，停机指令，以及 其他一些特殊控制用的指令。
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7/14
（3）光盘存储器 利用光斑的有无/晶相等变化表示信息,容量很大， 非破坏性读出,长期保存信息,速度慢,外存 ※只读型光盘CD-ROM ※一次写入型光盘WORM ※可擦除/重写型光盘
8/14
3.存储器的分类(按存取方式) （1）随机存取存储器(RAM，ROM)
随机存取：
按地址访问存储器中的任一单元，访问时间与存储单 元的地址无关。
（3）直接存取存储器（DAM）
访问时读/写部件先粗定位一个小区域，再在该区 域内顺序查找。
访问时间与数据位置有关，例如: 硬盘。
定位（寻道）操作 三步操作 等待（旋转）操作
读/写操作
速度指标
平均定位（平均寻道）时间(ms) 平均等待（平均旋转）时间(ms) 数据传输率(b/s)
12/14
ห้องสมุดไป่ตู้
4.存储器的技术指标
内存
虚拟存储技术
外存
逻辑上能提供比物理存储器更大的虚拟存储空间，相 关地址称为虚拟地址或逻辑地址。
6/14
3.存储器的分类(按存储介质)
（1）半导体存储器 静态存储器:利用双稳态触发器的两个稳定状态存 储信息,信息易失 动态存储器:依靠电容上的电荷暂存信息，主存
（2）磁表面存储器 利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息,容量大, 非破坏性读出,长期保存信息,速度慢,外存 例如：IDE硬盘，SATA硬盘
第4章 存储子系统
-半导体 -磁表面 -光存储
原理及器件
-虚拟存储技术
1/14
本章需解决的主要问题：
（1）存储器如何存储信息？ （2）在实际应用中如何用存储芯片组成具有 一定容量的存储器？ （3）如何改进存储系统的性能？
2/14
4.1 概述
1.存储系统的层次结构 CPU Cache
主存 外存
L1和L2(L3)
(1)存取时间 从存储器收到读写命令，到存储器读出（写入）信息 所需要的时间，TA (2)存取周期 存储器做连续访问操作过程中一次完整的存取操作所 需的全部时间，TM (通常TM>TA)
存取时间 恢复期
存取周期
13/14
(2)数据传输率−R
单位时间内存取信息的数据量，也叫带宽或频宽
存储器的位宽
数据传输率(R) =
速度指标：频率-存取周期或读/写周期(ns) 通常用作主存、高速缓存。
10/14
（2）顺序存取存储器（SAM）
访问时读/写部件按顺序查找目标地址，访问时间与 数据的存储位置有关。
例如：磁带机（录音机）、电影胶片。
定位操作 两步操作
数据读/写操作
平均定位时间(ms) 速度指标
数据传输率(b/s)
11/14
RAM 例如，主存 ROM 例如，微程序控制器中的控制存储器（CM）
9/14
RAM：可读可写 如：SDR/DDR/DDR2-4
ROM：只读型
固化型：用户不能写入数据 PROM：用户可写入一次 EPROM：可多次编程（紫外线擦除） EEPROM：可多次写入（电擦除）
FLASH Memory（闪存） 接近
3/14
（1）主存（内存）
主要存放CPU当前使用的指令和数据。 能随机访问 工作速度快 有足够的存储容量
（2）辅存（外存）
速度较慢
存放大量的后备程序和数据
容量较大
4/14
（3）高速缓冲存储器(Cache)
存放CPU在当前一小段时间内多次使用的程序和数 据，以缓解CPU和主存的速度差异。
速度非常快
存取周期
bps
【例】某双通道DDR-4内存传输频率为3200MHz，位 宽64比特，则其有效带宽为：
RDDR-4=2×(64b×3200MHz÷8)=51.2GBps
14/14
内核
L1
CPU
容量却很小
L3
L2
MM 主存(DDR3/4)
EM 外存(硬盘等)
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2.物理存储器与虚拟存储器
物理存储器: 物理形态上真实存在的存储器，简称为实存，其地址 称为物理地址或实地址。
虚拟存储器: 虚拟存储器是一个逻辑模型，并非物理存在，基于物 理存储器并靠硬件+操作系统的映射来实现。
（3）光盘存储器 利用光斑的有无/晶相等变化表示信息,容量很大， 非破坏性读出,长期保存信息,速度慢,外存 ※只读型光盘CD-ROM ※一次写入型光盘WORM ※可擦除/重写型光盘
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3.存储器的分类(按存取方式) （1）随机存取存储器(RAM，ROM)
随机存取：
按地址访问存储器中的任一单元，访问时间与存储单 元的地址无关。
（3）直接存取存储器（DAM）
访问时读/写部件先粗定位一个小区域，再在该区 域内顺序查找。
访问时间与数据位置有关，例如: 硬盘。
定位（寻道）操作 三步操作 等待（旋转）操作
读/写操作
速度指标
平均定位（平均寻道）时间(ms) 平均等待（平均旋转）时间(ms) 数据传输率(b/s)
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4.存储器的技术指标
内存
虚拟存储技术
外存
逻辑上能提供比物理存储器更大的虚拟存储空间，相 关地址称为虚拟地址或逻辑地址。
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3.存储器的分类(按存储介质)
（1）半导体存储器 静态存储器:利用双稳态触发器的两个稳定状态存 储信息,信息易失 动态存储器:依靠电容上的电荷暂存信息，主存
（2）磁表面存储器 利用磁层上不同方向的磁化区域表示信息,容量大, 非破坏性读出,长期保存信息,速度慢,外存 例如：IDE硬盘，SATA硬盘
第4章 存储子系统
-半导体 -磁表面 -光存储
原理及器件
-虚拟存储技术
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本章需解决的主要问题：
（1）存储器如何存储信息？ （2）在实际应用中如何用存储芯片组成具有 一定容量的存储器？ （3）如何改进存储系统的性能？
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4.1 概述
1.存储系统的层次结构 CPU Cache
主存 外存
L1和L2(L3)
(1)存取时间 从存储器收到读写命令，到存储器读出（写入）信息 所需要的时间，TA (2)存取周期 存储器做连续访问操作过程中一次完整的存取操作所 需的全部时间，TM (通常TM>TA)
存取时间 恢复期
存取周期
13/14
(2)数据传输率−R
单位时间内存取信息的数据量，也叫带宽或频宽
存储器的位宽
数据传输率(R) =
速度指标：频率-存取周期或读/写周期(ns) 通常用作主存、高速缓存。
10/14
（2）顺序存取存储器（SAM）
访问时读/写部件按顺序查找目标地址，访问时间与 数据的存储位置有关。
例如：磁带机（录音机）、电影胶片。
定位操作 两步操作
数据读/写操作
平均定位时间(ms) 速度指标
数据传输率(b/s)
11/14
RAM 例如，主存 ROM 例如，微程序控制器中的控制存储器（CM）
9/14
RAM：可读可写 如：SDR/DDR/DDR2-4
ROM：只读型
固化型：用户不能写入数据 PROM：用户可写入一次 EPROM：可多次编程（紫外线擦除） EEPROM：可多次写入（电擦除）
FLASH Memory（闪存） 接近
3/14
（1）主存（内存）
主要存放CPU当前使用的指令和数据。 能随机访问 工作速度快 有足够的存储容量
（2）辅存（外存）
速度较慢
存放大量的后备程序和数据
容量较大
4/14
（3）高速缓冲存储器(Cache)
存放CPU在当前一小段时间内多次使用的程序和数 据，以缓解CPU和主存的速度差异。
速度非常快
存取周期
bps
【例】某双通道DDR-4内存传输频率为3200MHz，位 宽64比特，则其有效带宽为：
RDDR-4=2×(64b×3200MHz÷8)=51.2GBps
14/14
内核
L1
CPU
容量却很小
L3
L2
MM 主存(DDR3/4)
EM 外存(硬盘等)
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2.物理存储器与虚拟存储器
物理存储器: 物理形态上真实存在的存储器，简称为实存，其地址 称为物理地址或实地址。
虚拟存储器: 虚拟存储器是一个逻辑模型，并非物理存在，基于物 理存储器并靠硬件+操作系统的映射来实现。