计算机组成原理第七章
计算机组成原理第七章
磁记录原理
磁性材料的物理特性 磁表面存储器的读写原理
–
–
读操作：当磁头经过载磁体的磁化元时，由于磁头铁芯 读操作：当磁头经过载磁体的磁化元时， 是良好的导磁材料， 是良好的导磁材料，磁化元的磁力线很容易通过磁头而 形成闭合磁通回路。 形成闭合磁通回路。不同极性的磁化元在铁芯里的方向 是不同的。 是不同的。 写操作：当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时， 写操作：当写线圈中通过一定方向的脉冲电流时，铁芯 内就产生一定方向的磁通。 内就产生一定方向的磁通。
磁表面存储
– –
用某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体 存储信息 优点
存储容量大， 存储容量大，位价格低 记录介质可以重复使用 记录信息可以长期保存而不丢失 非破坏性读出， 非破坏性读出，读出时不需要再生信息
– –
缺点
存取速度慢，机械结构复杂， 存取速度慢，机械结构复杂，对工作环境要求高
通常用作辅助大容量存储器使用
磁盘存储器的技术指标
采用定长数据块格式， 【例题1解】：(4)采用定长数据块格式，直接寻址的最小单 例题 解 采用定长数据块格式 位是一个记录块(一个扇区 一个扇区)， 位是一个记录块 一个扇区 ，每个记录块记录固定字节数目 的信息，在定长记录的数据块中， 的信息，在定长记录的数据块中，活动头磁盘组的编址方式 可用如下格式： 可用如下格式：
第七章
外围设备
外围设备 磁记录原理 磁盘驱动器 磁盘控制器 磁盘存储器
教学要求
重点和难点
外围设备的一般功能 磁记录原理 磁盘的组成 磁盘驱动器和控制器 磁盘上的信息分布 磁盘存储器的技术指标
主要内容
外围设备概述 磁盘存储设备 磁盘存储设备的技术发展 磁带存储设备 光盘和磁光盘存储设备
计算机组成原理(华科版)第七章 输入输出系统
第七章 输入输出系统
5. 外围处理机方式(Peripheral Processor Unit—PPU) 外围处理机的结构更接近于一般的处理机，甚至 就是一般小型通用计算机。它可完成I/O通道所要完 成的I/O控制，还可完成码制变换、格式处理、数据 块的检错、纠错等操作。它可具有相应的运算处理 部件、缓冲部件，还可形成I/O程序所必须的程序转 移等操作。它可简化设备控制器，而且可用它作为 维护、诊断、通信控制、系统工作情况显示和人机 联系的工具。 外围处理机基本上独立于主机工作。在多数系 统中，设置多台外围处理机，分别承担I/O控制、通 信、维护诊断等任务。有了外围处理机后，计算机 系统结构有了质的飞跃，由功能集中式发展为功能 分散的分布式系统。
2
计算机组成原理
第七章 输入输出系统
7.1 信息交换的控制方式
信息交换的控制方式一般分为5种类型。
1. 程序查询方式(Programmed Direct Control) 这种方式又称为程序直接控制方式，是指信息交 换的控制完全由主机执行程序来实现。当主机执行到 某条指令时，发出询问信号，读取设备的状态，并根 据设备状态，决定下一步操作，这样要花费很多时间 用于查询和等待，效率大大降低。这种控制方式用于 早期的计算机。现在，除了在微处理器或微型机的特 殊应用场合，为了求得简单而采用外，一般不采用了。
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计算机组成原理
第七章 输入输出系统
I/O 控制方式
主要由程序实现
主要由附加硬件实现
程序 查询方式
程序 中断方式
DMA方式
通道方式
PPU 方式
图 7.1
外围设备的 I/O 方式
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计算机组成原理
第七章 输入输出系统
计算机组成原理习题答案第七章
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。
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。
通用寄存器可用来存放原始数据和运算结果，有的还可以作为变址寄存器、计数器、地址指针等。
计算机组成原理第7章
第 7 章 输入/输出系统
计算机中的输入/输出系统主要用于解决主机与外部设 备间的信息通信,提供信息通路,使外围设备与主机能够协调 一致地工作。输入/输出系统的基本功能是:
(1 )确定一次数据传输过程中的源端设备和目的端设备。 (2 )确保 I / O 设备和主机之间能够顺利地进行信息交换。
第 7 章 输入/输出系统
第 7 章 输入/输出系统
图 7－2 I / O 设备通过通道与主机交换信息
第 7 章 输入/输出系统
3.I / O 处理机方式 I / O 处理机又称为外围处理机,它是独立于主机工作的, 可以完成对 I / O 设备的控制,同时还可以完成简单的数据处 理,如格式转换、纠错等。具有 I / O 处理机的输入/输出系统 相比通道而言,与 CPU 工作的并行性更高。
第 7 章 输入/输出系统
在这种方式下,可以将 DMA 控制器看做一个和 CPU 共 享主存的独立处理器,当DMA 控制器和 CPU 同时访问主存 的请求发生冲突时, DMA 控制器具有较高的优先权,这样就 能及时响应高速设备提出的数据传输请求。因此,也可将 DMA 控制器看做以主存储器为中心的一种方式。
(2 )如果让 CPU 并行地执行其他程序,那么当外设准备 阶段结束后,如何通知 CPU去执行相应的 I / O 操作?
第 7 章 输入/输出系统
当外部设备与主机之间采用总线方式进行连接时,根据 不同的设备和环境要求可以采用以下三种方式。
1. 直接程序控制方式 直接程序控制方式指 CPU 直接利用程序控制 I / O 设备 实现数据输入和输出,程序中包含一系列的启动外设、检测 外设状态、数据传输等功能的 I / O 指令。 这种方式的特点是 CPU 掌握主动权,外设只能被动接受 CPU 的操作,当 CPU 发送一个命令后,必须等待外设操作完 毕,因此主机和外设处于串行工作状态。这种方式的优点是 控制逻辑简单,只需简单的硬件支持。
计算机组成原理第七章课后部分答案
7.1 什么叫机器指令？什么叫指令系统？为什么说指令系统与机器指令的主要功能以及与硬件结构之间存在着密切的关系？机器指令：是CPU能直接识别并执行的指令，它的表现形式是二进制编码。
机器指令通常由操作码和操作数两部分组成。
指令系统：计算机所能执行的全部指令的集合，它描述了计算机内全部的控制信息和“逻辑判断”能力。
指令系统是计算机硬件和软件的接口部分，是全部机器指令的集合。
7.2 什么叫寻址方式？为什么要学习寻址方式？寻址方式：指确定本条指令的数据地址以及下一条将要执行的指令地址的方法，它与硬件结构紧密相关，而且直接影响指令格式和指令功能。
学习寻址方式，是为了找到指令中参与操作的数据，然后根据指令，得出结果。
7.3什么是指令字长、机器字长和存储字长？指令字长：是指机器指令中二进制代码的总位数。
指令字长取决于从操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数。
不同的指令的字长是不同的。
机器字长：是指计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（整数运算即定点整数运算）。
机器字长也就是运算器进行定点数运算的字长，通常也是CPU内部数据通路的宽度。
即字长越长，数的表示范围也越大，精度也越高。
机器的字长也会影响机器的运算速度。
存储字长：一个存储单元存储一串二进制代码（存储字），这串二进制代码的位数称为存储字长，存储字长可以是8位、16位、32位等。
7.6 某指令系统字长为16位，地址码取4位，提出一种方案，使该指令系统有8条三地址指令、16条二地址指令、100条一地址指令。
解：三地址指令格式如下：4 4 4 4OP A1 A2 A3指令操作码分配方案如下：4位OP0000，……， A1,A2,A3:8条三地址指令0111，1000，0000，……，……， A2，A3:16条二地址指令1000，1111，1001，0000，0000，……，……，……， A3:100条一地址指令1001，0110，0011，1001，0110，0100，……，……，……，冗余编码1001，1111，1111，可用来扩充一、零地址指令条数1010，……，冗余编码1111，可用来扩充三、二、一、零地址指令条数7.7 设指令字长为16位，采用扩展操作码技术，每个操作数的地址为6位。
计算机组成原理(第七章 输入输出系统
第七章输入输出系统第一节基本的输入输出方式一、外围设备的寻址1．统一编址：将输入输出设备中控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等与内存单元一样看待，将它们和内存单元联合在一起编排地址，用访问内存的指令来访问输入输出设备接口的某个寄存器，从而实现数据的输入输出。
2．单独编址：将输入输出设备中控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器单独编排地址，用专门的控制信号进行输入输出操作。
3．CPU与外围设备进行通信有三种类型：（1）CPU向外围设备发出操作控制命令。
（2）外围设备向CPU提供状态信息。
（3）数据在CPU与外围设备之间的传递。
历年真题1．对外设统一编址是指给每个外设设置一个地址码。
（2002年）【分析】CPU与外设之间的信息传送是通过硬件接口来实现的，各种外设的硬件接口上又都包含有多个寄存器，如控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等。
统一编址是将外设接口上的各种寄存器等同于内存储器的存储单元，通过使用访问内存单元的指令来访问外设接口上的各个寄存器，这样就可以使用访存指令来访问外设，输入输出操作简单，程序设计比较简便。
由于外设接口上的寄存器种类和数量通常不止一个，所以一个外设至少对应一个以上的内存地址。
【答案】对外设统一编址是将外设接口上的寄存器等同内存单元，给每个外设设置至少一个地址码。
二、外围设备的定时1．外围设备的定时方式有异步传输方式和同步定时方式两种。
2．实现输入输出数据传输的方式主要有：程序控制方式、直接存储访问（DMA）方式、通道方式。
程序控制方式又可分为程序查询方式和中断方式两种。
历年真题1．对I/O数据传送的控制方式，可分为程序中断控制方式和独立编址传送控制方式两种。
（2001年）【分析】对1/O数据传送的控制方式，可分为程序直接控制方式、程序中断控制方式、DMA控制方式、通道控制方式等。
程序中断控制方式只是其中的一种方法，独立编址是指对1/O设备的控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等单独进行地址编排，使用专门的指令对其进行操作，可用在各种数据传送的控制方式中。
计算机组成原理第七章
16条零地址指令
2. 地址码
(1) 四地址
8 6 6 6 6
取指令，取两个操 作数，存结果
7.1
OP A1 A2 A3 A4
A1 第一操作数地址 A2 第二操作数地址 A3 结果的地址 A4 下一条指令地址
设指令字长为 32 位 操作码固定为 8 位
4 次访存
寻址范围 26 = 64 若 PC 代替 A4
201 202
转 子程序
… …
@ 间址特征
… …
JMP @ A
(A) = 81 (A) = 202
5. 寄存器寻址
EA = Ri
OP
7.3
有效地址即为寄存器编号
Ri
寻址特征
R0
… … Ri
操作数 … 寄存器
… …
• 执行阶段不访存，只访问寄存器，执行速度快
• 寄存器个数有限，可缩短指令字长
…
Rn
6. 寄存器间接寻址
7.2 操作数类型和操作种类
一、操作数类型
地址
数字 字符 逻辑数
无符号整数
定点数、浮点数、十进制数 ASCII 逻辑运算
二、数据在存储器中的存放方式
字地址 低字节 字地址 低字节
0 4
3 7
2 6
1 5
0 4
0 4
0 4
1 5
2 6
3 7
字地址 为 低字节 地址
字地址 为 高字节 地址
ห้องสมุดไป่ตู้
指令长度与机器字长的关系
2. 直接寻址
EA = A
寻址特征 主存
7.3
有效地址由形式地址直接给出
LDA
A
A 操作数 ACC
计算机组成原理第七章
计算机组成原理第七章首先，让我们来看看CPU的组成部分。
一个典型的CPU由控制器（Control Unit）和算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，简称ALU）组成。
控制器负责指令的解码和执行，而ALU负责处理数据的运算和逻辑操作。
此外，CPU还包括寄存器、时钟和总线等重要的组件。
在CPU的工作过程中，指令周期是一个非常关键的概念。
指令周期是指执行一条指令所需的时间，它通常包括取指令、译码、执行和访存等阶段。
指令周期的长度取决于CPU的设计和时钟频率等因素。
为了提高CPU的运行效率，指令流水线（Instruction Pipeline）被引入到CPU的设计中。
指令流水线将指令的执行过程分为多个阶段，并在每个阶段同时执行不同指令的不同阶段。
这样可以提高指令的吞吐量和CPU的性能。
然而，指令流水线也会带来一些问题，比如数据冒险（Data Hazard）和控制冒险（Control Hazard）。
数据冒险是指由于数据相关性引起的指令执行顺序的问题，而控制冒险是指由于分支指令的执行带来的指令流程的问题。
为了解决这些问题，CPU引入了数据前推（Data Forwarding）和分支预测（Branch Prediction）等技术。
除了指令流水线，中断处理也是CPU设计中的一个重要问题。
中断是指CPU在执行指令的过程中，由外部设备或程序发出的中断请求信号。
CPU在接收到中断信号后，会暂停当前的指令执行，保存当前的上下文，然后处理中断请求。
处理完中断后，CPU会恢复之前的指令执行。
最后，超标量技术是一种用于提高CPU性能的技术。
超标量CPU可以同时执行多条指令，以提高指令的吞吐量和CPU的性能。
它通过增加ALU、寄存器和流水线等资源来实现。
总的来说，计算机组成原理第七章主要介绍了CPU的设计和工作原理。
通过学习这一章，我们可以了解到CPU的组成部分、指令周期、指令流水线、中断处理和超标量技术等关键概念。
7计算机组成原理(第七章)
3
1、外设的一般功能 、
外设在计算机和其它机器之间、 外设在计算机和其它机器之间、以及计算机和用户之 间提供联系，其主要作用如下： 间提供联系，其主要作用如下： 人机对话的通道 完成数据变换的设备 软件和信息的驻留地 计算机在各领域应用的桥梁 外设种类很多，归纳起来具有以下特点： 外设种类很多，归纳起来具有以下特点： 由信息载体、 由信息载体、驱动装置和控制电路组成 工作速度比主机慢得多 信息类型和结构各不相同 电气特性也不相同
8
2、信息的记录方式 、
在实际应用中，磁性材料写入二进制 或 是靠不同的写入电流 在实际应用中，磁性材料写入二进制0或1是靠不同的写入电流 波形来实现的。形成不同写入电流波形的方式称为记录方式 记录方式。 波形来实现的。形成不同写入电流波形的方式称为记录方式。
调频制：写“1”时，磁头线圈加正向脉冲电流，然后电流归 ；写 归零制： 每个位单元起始处，写电流改变一次方向， 归零制 ：每个位单元起始处，写电流改变一次方向，写入信号作为 时 磁头线圈加正向脉冲电流，然后电流归0； 本位的同步信号；位单元中间记录信息， 时位单元中间不变， 本位的同步信号；位单元中间记录信息，写0时位单元中间不变， 时位单元中间不变 “0”时，磁头线圈加负向脉冲电流，写完后电流也归 。归零制具 时 磁头线圈加负向脉冲电流，写完后电流也归0。 改进调频制写“1”时，磁头线圈有正向电流；写“0”时，磁头线圈 ：写“1”时，写电流在位单元中间改变一次方向；写 时 写电流在位单元中间改变一次方向； 不归零制： 不归零制： 时 磁头线圈有正向电流； 时 时位单元中间改变一次方向。这样， 时位单元变化1次 写1时位单元中间改变一次方向。这样，写0时位单元变化 次，写 时位单元中间改变一次方向 已经不用。 时位单元变化 有自同步能力，但记录密度低， ；写两个或两个以上“0”时，写电 有自同步能力磁头线圈中始终有电流。无自同步能力，也不用。 一个“ 时，磁头线圈中始终有电流。无自同步能力，也不用。 一个“0”时。，但记录密度低，已经不用。 有负向电流。 写电流不改变方向； 有负向电流 写电流不改变方向 写两个或两个以上“ 时 就翻不归零制： 用频率的变化表示0和 。“ 时改变方向 时改变方向， 见1就翻不归零制：流过磁头的电流只有在记录有自同步能力。 ， 就翻不归零制 1时位单元变化 次。用频率的变化表示 和1。有自同步能力。 时位单元变化2次 流过磁头的电流只有在记录“1”时改变方向 时位单元变化 流在位单元边界改变方向（位间相关性编码，以减少磁通翻转次数， 流在位单元边界改变方向（位间相关性编码，以减少磁通翻转次数， 记录“ 时电流方向不变 磁头线圈中始终有电流。无自同步能力， 时电流方向不变。 记录“0”时电流方向不变。磁头线圈中始终有电流。无自同步能力， 提高记录密度）。有自同步能力。 ）。有自同步能力 提高记录密度）。有自同步能力。 ）；写 调相制 ：写“1”时，写电流在位单元中间正跳变 时 写电流在位单元中间正跳变（ ）； 需要增设同步磁道来提供外加同步选通信号。 需要增设同步磁道来提供外加同步选通信号。 （-I→+I）；写 ）。读出时 “0”时，写电流在位单元中间负跳变（+I→-I）。读出时，位单元 时 写电流在位单元中间负跳变（ ）。读出时， 中间的转换区将产生读出信号，该信号既是数据信号， 中间的转换区将产生读出信号，该信号既是数据信号，又是同步信 所以调相制具有自同步能力。 号，所以调相制具有自同步能力。
计算机组成原理课件第07章
3）总线工作时钟频率 简称总线时钟，用以描述总线工作速 度快慢，用总线上单位时间（每秒）可传送 数据的次数表示，常用单位为MHz。总线时 钟频率越高，单位时间通过总线传送数据的 次数越多，总线带宽也就越大。 由于计算机中不同设备的速度不同， 需要的数据量多少也不同，因而通向不同设 备的总线时钟也不尽相同，需要将系统时钟 经分频供给不同的设备和总线使用。
指令系统：在单总线系统中，访问主存和I/O 传送可使用相同的操作码或者说使用相同的 指令，但它们使用不同的地址。在双总线系 统中，访存操作和I/O操作各有不同的指令， 由操作码规定是使用存储总线还是使用系统 总线。
吞吐量：计算机系统的吞吐量是指流入、处 理和流出系统的信息的速率。在三总线系统 中，由于将CPU的一部分功能下放给通道， 由通道对外设统一管理并实现外设与主存之 间的数据传送，因而系统的吞吐能力比单总 线系统强得多。
⑵、设备总线
IDE（Integrated Drive Electronics集成驱动电子设备），是一 种在主机处理器和磁盘驱动器之间广泛使用的集成总线。硬盘 及光盘驱动器。
SCSI（Small Computer System Interface小型计算机系统接口 ），各种计算机的系统接口。与IDE相比，能明显提高I/O速度 ，容易连接更多设备。但需专用SCSI接口卡，贵。 VESA（Video Electronics Standard Association），是针对 MPC要求高速传送运动图像的大量数据而设计的。由PCI取代。 AGP（Accelerated Graphics Port加速图形端口），是一种新 型视频接口技术标准，为传输视频和三维图形数据提供了切实 可行的解决方案。32位，66MHz，能以133MHz工作，最高传输 率高达533Mbps，是PCI的4倍。 USB（Universal Serial Bus通用串行总线），基于通用的连接 技术，可实现外设的简单快速连接，支持热插拔，成本低。
计算机组成原理第七章
工业上制定了一个称为RAID的标准，它分为7级(RAID 0～RAID 6)。这些级别不是表示层次关系，而是指出了不同存储容量、可靠性、数据传输能力、I/O请求速率等方面的应用需求。
台号
柱号（磁道）号
扇区号
盘面号/磁头号
7.3磁盘存储设备的技术发展
一、磁盘cache 随着微电子技术的飞速发展，CPU的速度每年增长1倍左右，主存芯片容量和磁盘驱动器的容量每15年增长1倍左右。但磁盘驱动器的存取时间没有出现相应的下降，仍停留在毫秒(ms)级。而主存的存取时间为纳秒(ns)级，两者速度差别十分突出，因此磁盘I/O系统成为整个系统的瓶颈。为了减少存取时间，可采取的措施有：提高磁盘机主轴转速，提高I/O总线速度，采用磁盘cache等。主存和CPU之间设置高速缓存cache是为了弥补主存和CPU之间速度上的差异。同样，磁盘cache是为了弥补慢速磁盘和主存之间速度上的差异。
7.2磁盘存储设备
磁盘驱动器和控制器 磁盘驱动器是一种精密的电子和机械装置，因此各部件的加工安装有严格的技术要求。对温盘驱动器，还要求在超净环境下组装。各类磁盘驱动器的具体结构虽然有差别，但基本结构相同，主要由定位驱动系统、主轴系统和数据转换系统组成。如下图是磁盘驱动器外形和结构示意图。
7.2磁盘存储设备
第三个是数据传送时间。
7.2磁盘存储设备
数据传输率：磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，叫数据传输率，传输率与存储设备和主机接口逻辑有关。从主机接口逻辑考虑，应有足够快的传送速度向设备接收/发送信息。从存储设备考虑，假设磁盘旋转速度为n转/秒，每条磁道容量为N个字节，则数据传输率： Dr=nN(字节/秒) 或Dr=D·v(字节/秒)
白中英 第五版 计算机组成原理第7章
每个记录面上有几十至几百个环形磁道；
柱面：多个盘片上具有相同编号的磁道 各磁道划分为等个数的扇区； n磁道
PC机中每个扇区的标准容量是512B
0磁道
7.2.5
磁盘存储器的技术指标
存储密度
道密度
沿半径方向，单位长度里磁道数目。 磁道上单位长度里记录的二进制信息位数。
位密度
面密度
7.2.3
硬磁盘驱动器
由定位驱动系统、主轴系统和数据转换系统组成
7.2.3
硬磁盘控制器
主机和磁盘驱动器之间的接口； 向主机一侧（又称系统级接口）— 接系统总线 向驱动器一侧（设备级接口）— 根据主机命令控制设备的操作
7.2.4
磁盘上信息的分布
盘片的上下面都可记录信息；
温盘最上(下)盘片只使用一个记录面。 从外向内对磁道编号，0、1、2、…、n。 n磁道的内侧面积不用。
运动方向
载磁体 如何实现写操作和读操作？ 写：通过电-磁变换，利用磁头写线圈中的脉冲电流，可把一位二 进制代码转换成载磁体存储元的不同剩磁状态； ◆ 读：通过磁-电变换，利用磁头读出线圈，可将由存储元的不同剩 磁状态表示的二进制代码转换成电信号输出。
◆
7.2.2
硬磁盘机的基本组成
控制逻辑/时钟
去总线的并行数据
DVD-RW (DVD Rerecordable)
本章小结
外围设备大体分为输入设备、输出设备、外存设备、数据通 信设备、过程控制设备五大类。
磁盘、磁带属于磁表面存储器，特点是存储容量大，位价格 低，记录信息永久保存，但存取速度较慢，因此在计算机系 统中作为辅助大容量存储器使用。 硬磁盘按盘片结构分为可换盘片式、固定盘片式两种，磁头 也分为可移动磁头和固定磁头两种。 温彻斯特磁盘是一种采用先进技术研制的可移动磁头、固定 盘片的磁盘机，是目前应用广泛的硬磁盘存储器。 磁盘存储器的主要技术指标有：存储密度、存储容量、平均 存取时间、数据传输速率。
国开作业计算机组成原理-第七章+测试
国开作业计算机组成原理-第七章+测试
第七章存储器原理
存储器是计算机系统最重要的组成部分，它为计算机系统提供了存储和读取信息的能力。
在存储器中，信息可以存储在一段时间内，供计算机读取处理。
本章重点介绍了存储器原理，以及不同类型的存储器在计算机系统中的应用。
在计算机系统中，存储器是用来保存信息的硬件设备，包括内存、硬盘和光盘。
它们的目的是存储计算机需要处理的数据和指令，以及计算机任务完成后所需要的结果。
内存主要由主存和器件组成，它是计算机最重要的一部分，用来存储和管理数据和程序。
而硬盘和光盘主要用于永久存储信息，它可以持久存储大量的信息。
存储器都是由多个字节组成地址，每个字节包含八位二进制数据，每个字节可以表示一个字或一个数字，这有助于计算机对存储器中的数据进行快速查找，处理和存储。
另外，存储器也可以通过两种不同的编码方式实现文本存储。
其中，ASCII 是最常用的文本编码，它可以将图像、文本等内容的符号存储为0和1的二进制编码。
另外，存储器不仅可以用于存储信息，它还可以用于运行程序和处理指令。
程序存储在存储器中，当CPU接收到一条指令后，它会去存储器中查找程序，以便运行程序。
存储器中的信息也可以分为两类：可擦除和不可擦除。
可擦除存储器中的信息可以随时删除，而不可擦除存储器上的信息可以永久保留，这对于长期存储信息具有重要的意义。
总而言之，存储器是计算机系统的重要组成部分，根据它的类型，它可以存储文本、处理程序和指令，也可以用来持久存储大量的信息。
它的运行状态会改变整个计算机系统，因此正确的使用存储器是计算机系统能够有效运行的关键因素。
计算机组成原理第七章 指令系统
7.1 机器指令 7.2 操作数类型和操作类型 7.3 寻址方式 7.4 指令格式举例 7.5 RISC 技术
2020/7/6
2. 地址码
(1) 四地址
86 666
OP A1 A2 A3 A4
A1 第一操作数地址 A2 第二操作数地址 A3 结果的地址 A4 下一条指令地址
(A1) OP (A2) A3
寻址特征
LDA
A
主存 A 操作数
ACC
• 执行阶段访问一次存储器 • A 的位数决定了该指令操作数的寻址范围 • 操作数的地址不易修改（必须修改A）
2020/7/6
3. 隐含寻址
7.3
操作数地址隐含在操作码中
寻址特征
ADD
A
另一个操作数 隐含在 ACC 中
主存 A 操作数
ACC ALU
暂存
如 8086
A
A EA
A 1 A1
一次间址
EA 操作数
多次间址
A1 0 EA
• 执行指令阶段 2 次访存
• 可扩大寻址范围
2020/7/6
• 便于编制程序
EA 操作数
多次访存
2020/7/6
5. 寄存器寻址
7.3
EA = Ri 有效地址即为寄存器编号
寻址特征
OP
Ri
R0
寻址特征 形式地址 A
形式地址
指令字中的地址
有效地址
操作数的真实地址
约定 指令字长 = 存储字长 = 机器字长
1. 立即寻址
形式地址 A 就是操作数
立即寻址特征
OP # A
2020/7/6
立即数 可正可负 补码
《计算机组成原理》7-总线
PC CPU
接口 主存
外部设备
7.2.1 单总线结构
使用单总线在CPU和内存之间传数据 在单总线系统中，访存指令与输入/输出指令在形式上完全相同，区别仅在于地址 的数值。这就是说，对输入/输出设备的操作，完全和内存的操作方法一样来处理。 这样，当CPU把指令的地址字段送到总线上时，如果该地址字段对应的地址是主 存地址，则主存予以响应。此时，在CPU和主存之间将发生数据传送，而数据传 送的方向由指令的操作码决定，其过程如图所示。
7.1.2 总线的分类
计算机系统中使用的总线可分成3类。 1.片内总线 片内总线是芯片内部的总线，计算机系统中各部件内部传送信息的通路。例如运 算器内部寄存器与寄存器之间、寄存器与算逻运算单元（ALU）之间的传送通路， 通常称之为内部总线。 2.系统总线 计算机系统中个部件之间传送信息的通路。例如CPU与主存储器之间，CPU与I/O 接口之间传送信息的通路，通常称之为“系统总线”，由于这些部件通常都制作 在各个插件板上，故又叫作板级总线（在一块电路板上各芯片之间的连线）和板 间总线。
7.1.1存储器分类
3.总线特性 总线特性是指机械特性（尺寸、形状）、电气特性（传输方向和有效的电平范 围）、功能特性(每根传输线的功能）和时间特性（信号和时序的关系）。 4.总线的猝发传输方式 在一个总线周期内传输存储地址连续的多个数据字的总线传输方式叫作猝发传送。 5.总线上信息传输方式 在计算机中，总线上的信息传输一般有串行、并行、并串行、分时四种方式。
小结 总线的基本概念和分类
总线基本概念 总线的分类
7.2总线结构
01
单总线结构
02
多总线结构
7.2.1 单总线结构
在许多微小型计算机中，将CPU、主存和I/O设备连接在一条单一的系统总线上， 叫作单总线结构，如图所示。
计算机组成原理课件第7章PPT课件
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8
一、程序控制方式
查询传送方式：
开始
取外设状态
外设准备 就绪？
N Y
传送数据
传送完否？
N
Y 结束
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9
二、中断方式
中断的基本概念：中断是指当CPU正在执行程序过程中，由于某一突发 事件的发生，CPU暂时中止正在执行的程序，转去处理突发事件，待处 理完毕后，再返回到原来被中止的程序继续执行。可见中断是一个过程， 能够引起中断的突发事件称为中断源，根据中断源不同，可以将中断分 为硬件中断和软件中断。
在多级中断中，如果每一级请求线上还连接有多个中断源设 备，那么在识别中断源时，还需要进一步用串行链式方式查 询。这意味着要用二维方式来设计中断排队逻辑。
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18
多级中断
中断屏蔽 （1）为每个或每级中断源设置一
个中断屏蔽位，改变屏蔽码后处 理机响应各个中断源的中断请求 和实际中断服务的先后次序
AEN 1
A9 1
A8
…
1
A3 1
A2
…
1
A0 1
& 74LS30
74LS30 ≧ 1Y & 74LS20
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6
7.2 输入与输出
一、程序控制方式 二、中断方式 三、DMA方式 四、通道方式
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7
一、程序控制方式
无条件传送方式：无条件传送方式又称同步 传送方式。 适用于一些简单的外设，如开 关、继电器、数码管、发光二极管等，CPU 在任何时候都可以用IN或OUT指令直接对这 些外设进行输入/输出操作。由于在这种方 式下CPU对外设进行输入/输出操作时无需考 虑外设的状态，故称为无条件传送方式。
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操作数
• 由用户指定哪个通用寄存器作为基址寄存器
• 基址寄存器的内容由操作系统确定 • 在程序的执行过程中 R0 内容不变，形式地址 A 可变
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8. 变址寻址
EA = ( IX ) +A
寻址特征 OP A
IX 为变址寄存器（专用） 通用寄存器也可以作为变址寄存器
主存
7.3
IX
ALU
操作数
4 次访存
寻址范围 2 = 64 若 PC 代替 A4
6
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(2) 三地址 8 8 OP A1
8 A2
8 A3
8
7.1
寻址范围 2 = 256 若 A3 用 A1 或 A2 代替
(A1) OP (A2) (3) 二地址 8 OP 或
A3
12 A1
12 A2 A1
(A1) OP (A2)
(A1) OP (A2)
• • • •
可扩大寻址范围 IX 的内容由用户给定 在程序的执行过程中 IX 内容可变，形式地址 A 不变 便于处理数组问题
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9. 相对寻址
EA = ( PC ) + A A 是相对于当前指令的位移量（可正可负，补码）
寻址特征 OP PC 1000 A
7.3
主存 1000 OP … …
ALU 操作数
第七章 指 令 系 统
7.1 机器指令 7.2 操作数类型和操作类型 7.3 寻址方式
7.4 指令格式举例
7.5 RISC 技术
习 题
第七章 指 令 系 统
指令：就是要计算机执行某种操作的命令。
指令集： 一台计算机中所有机器指令的集合。 数据表示 指令系统：
寻址方式
指令集
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7.1.1 计算机指令系统
A 相对距离 A
A 的位数决定操作数的寻址范围 程序浮动 广泛用于转移指令
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10. 堆栈寻址
(1) 堆栈的特点 硬堆栈 多个寄存器 堆栈 软堆栈 指定的存储空间 先进后出（一个入出口）栈顶地址 由 SP 指出 进栈 （SP）– 1
SP 2000 1FFF H 进栈 1FFFH 2000 H 栈顶 栈顶 1FFFH 2000 H
1.计算机指令系统的发展过程
7.1
50年代：指令系统只有定点加减、逻辑运算、数据 传送、转移等十几至几十条指令。
60年代后期：增加了乘除运算、浮点运算、十进制 运算、字符串处理等指令，指令数目多达一二百条， 寻址方式也趋多样化。
70年代末期:大多数计算机的指令系统多达几百条。 我们称这些计算机为复杂指令系统计算机(CISC)。 随后人们又提出了精简指令系统计算机（RISC）。
7.3
SP 出栈 （SP）+ 1
–1 SP 1FFF H 2000 H 出栈 栈顶 栈顶
SP
+1
…
栈底
…
栈底
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(2) 堆栈寻址举例
主存 ACC 15 ACC 栈顶 200H 栈底 主存 X 15 栈顶 1FFH 200H 栈底
7.3
主存
SP
200H
SP
1FFH
15 X
PUSH A 前
PUSH A 后
• 指令执行阶段不访存 • A 的位数限制了立即数的范围
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2. 直接寻址
EA = A
寻址特征
7.3
有效地址由形式地址直接给出
主存
A
A
LDA
操作数
ACC
• 执行阶段访问一次存储器
• A 的位数决定了该指令操作数的寻址范围
• 操作数的地址不易修改（必须修改A）
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3. 隐含寻址
操作数地址隐含在操作码中
寻址特征
7.3
主存
A
A
ADD
ACC
操作数
ALU 暂存
另一个操作数 隐含在 ACC 中
如 8086 MUL 指令被乘数隐含在 AX（16位）或 AL（8位）中
指令字中少了一个地址字段，可缩短指令字长
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4. 间接寻址
寻址特征 OP A
7.3
主存
OP 寻址特征 A A
EA =（A） 有效地址由形式地址间接提供
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7.1.4 小结
• 可扩大指令的寻址范围 • 可缩短指令字长
7.1
当用一些硬件资源代替指令字中的地址码字段后
• 可减少访存次数
当指令的地址字段为寄存器时 三地址 OP R1, R2, R3
二地址
一地址
OP R1, R2
OP R1
• 可缩短指令字长
• 指令执行阶段不访存
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7.2 操作数类型和操作种类
寻址方式 寄存器个数
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二、指令格式举例
1. PDP – 8 指令字长固定 12 位
7.4
访存类指令 操作码 间 页 0 2 3 4 5
I/O 类指令 1 1 0 0 2 3 寄存器类指令 111 设备
地址码 11 操作码 8 9 11
辅助操作码
0
2 3
11
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2. PDP – 11
指令字长有 16 位、32 位、48 位三种
7.2
存储器 存储器
2. 算术逻辑操作
加、减、乘、除、增 1、减 1、求补、浮点运算、 十进制运算 与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、 位求反
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3. 移位操作
算术移位 逻辑移位
7.2
循环移位（带进位和不带进位）
4. 转移
(1) 无条件转移
(2) 条件转移
结果为零转
结果溢出转 结果有进位转
7.2.1 操作数
一、操作数类型
地址 数字 字符 无符号整数 定点数、浮点数、十进制数 ASCII码
逻辑数
逻辑运算
二、数据在存储器中的存放方式
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存储器中的数据存放（存储字长为 32 位）
边界对准
字（地址 0） 字（地址 4） 字节（地址11） 字节（地址10） 字节（地址9） 字节（地址8） 字节（地址15）字节（地址14） 字节（地址13） 字节（地址12） 半字（地址18） 半字（地址16） 半字（地址22） 半字（地址20） 双字（地址24）▲ 双字 双字（地址32）▲ 双字
A2
操作码固定为 8 位 寻址范围 212 = 4 K
若结果存于 ACC 3次访存 若ACC 代替 A1（或A2）
(4) 一地址
8 OP 24 A1
7.1
2 次访存
寻址范围 224 = 16 M ACC
(ACC) OP (A1) (5) 零地址
无地址码
指令字长
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7.1.3 指令字长
7.1
指令字长：一个指令字中包含二进制代码的位数。
主存
ACC
SP
Y
1FFH
栈顶 1FFH 200H 栈底
ACC
15 X SP
15
200H 栈顶 200H 栈底 15 X
POP A 前
POP A 后
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7.4 指令格式举例
一、设计指令格式时应考虑的各种因素
1. 指令系统的 兼容性 （向上兼容）
2. 其他因素 操作类型 数据类型 指令格式 指令字长、操作码位数 寻址方式、是否采用扩展操作码 地址码位数、地址个数 包括指令个数及操作的难易程度
OP – CODE
7.4
零地址 (16 位) 扩展操作码技术 一地址 (16 位) 二地址 R
存储器地址
16 存储器地址1 存储器地址2 6
16
OP – CODE 目的地址 10
OP 源地址 目的地址 4 6 6
R (16 位)
OP
10
目的地址
6
二地址 R
M (32 位
OP 源地址 目的地址
4
6
6
16
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(4) 陷阱与陷阱指令
意外事故的中断 • 一般不提供给用户直接使用
7.2
在出现事故时，由 CPU 自动产生并执行（隐指令） • 设置供用户使用的陷阱指令
5. 输入输出
入 出 端口地址 CPU 的寄存器 CPU 的寄存器 端口地址
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7.3 寻 址 方 式
寻址方式 确定 本条指令 的 操作数地址
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2.指令系统性能的要求
完备性:功能丰富。 有效性:速度快，容量小。
7.1
规整性: 包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式 和数据格式的一致性。
兼容性:(向上兼容)。
指令的一般格式
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7.1.2 指令的一般格式
操作码字段 地址码字段
7.1
1. 操作码 反映机器做什么操作
(1) 长度固定 用于指令字长较长的情况
机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数。 操作码的长度
指令字长决定于 操作数地址的长度 操作数地址的个数
1. 指令字长 固定
指令字长 = 存储字长
2. 指令字长 可变
按字节的倍数变化
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3.扩展操作码技术(指令字长 固定)
操作码的位数随地址数的减少而增加
OP A1
A1 A1
A1 …
7.1
A2
A2 A2
A2 …
A3
A3 A3
A3
4 位操作码 8 位操作码 12 位操作码
0000 0001
1110 … … 1111 1111 1111 1111 … 1111 1111 1111 …
15条三地址指令
…
1111 1111
0000 0001