吉林大学_刘子良_计算机组成原理_视频配套_课件_ppt

显而易见，内存与I/O设备之间交换信息都要通过 CPU。因 此，称其为面向CPU的双总线结构。
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《计算机组成原理》 主讲：刘子良
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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 CPU MEM 显示器 I/O接口 输入机 I/O接口 显示器
(1) 结构特点 在内存上开了两个口子，一个通过高速缓冲存储器 Cache （它存有存储器部分信息的副本）与中央处理机相连，专供它 与CPU交换信息；另一个口子与原来的单总线相通，实现内存 与其他设备的信息交换。 (2) 分析与结论 1) 依据结构特点来关系图1.11所示。 CPU CPU I/O D
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显见，在这种结构中，存储器成为计算机的中心，所以把 这种结构称为面向存储器的双总线结构。 2) 这种结构不是对单总线结构的否定，而是对它很好的补 充。原因有二：第一，CPU通过专用总线与主存交换信息，不 仅提高了处理机的速度，而且减轻了系统总线的负担，防止饱 和。第二，主存与I/O设备交换信息，不必经过 CPU，因此又保 持了单总线的主要优点——系统灵活性。 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。
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《计算机组成原理》 主讲：刘子良
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成
1.2.3 控制器的基本结构 功能：全机指挥机构，执行方式有如下三种， ◎按规定的操作去执行 ◎自动地去执行 ◎有秩序地去执行 下面，我们具体看一下各种执行方式。
第一章 概论
1.2 计算机的基本组成
第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 ◎有秩序去执行 指前一个操作结束，进行下一个操作
如何判断？
转移
MAR
PC
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通过定时系统
设置相应的时序线路
控制器的结构如图1.4所示
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成
第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 1.2.4 输入输出设备 输入/输出设备 种类繁多，很难用 一种结构形式加以 描述，通常可以将 其描述为一般结构 如图1.5所示。
I/O 设备
CPU
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成
1.2.1 运算器基本结构 功能：完成算术运算和逻辑运算的装置 设置考虑：任意算术运算（加 +、减 -、乘*、除/）都可以通 过相加和移位来解决。 举证：…… 这样一来，运算器的基本结构就确定下来，如图1.2所示。
取（读出）
编码给出-> 加地址译码器AD Address Decode
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 设置考虑（2）续： 存、取存在两个问题。 数据存放 设置数据寄存器的MBR Memory Buffer Register
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第一章 概论
1.1 冯· 诺依曼体制 1. ENIAC概况 1) 数据表示——十进制 2) 工作存储器——只有20个单元，用于存放数据 3) 编程——先要人工对面板上 6000多个电子开关进行机械 定位，然后都转插线插头，插入与拨出方式来编制程序 4) ENIAC共用18000多个电子管， 6000多个继电器，耗电 140KW，占地 170平米，重 30吨，运算速度5000次/秒。ENIAC 可靠运行时间大概不超过20分钟。
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）
图1.9 面向CPU的单总线结构关系图
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(1) 结构特点 靠一簇总线（包括地址总线、数据总线和各种控制线）来 实现CPU、存储器、I/O设备这间的信息交换。 (2) 分析与结论 1) 从单总线的传送方式可以看出，中央处理机不再是计算 机的中心，CPU与其它设备一样，只不过是单总线上的一个子 系统。 2) 采用单总线结构后系统功能增强。因为采用单总线传送 方式允许I/O设备直接与存储器交换信息，除分配总线使用权时 还要与CPU打交道外，基本上不影响CPU，同时，外部设备寄存 器和内存统一编码，这样中央处理机可以象访问内存一样访问 28 外部设备。
第一章 概论
1.1 冯· 诺依曼体制 2. 冯· 诺依曼体制 1)引进存储程序概念 2)计算机以运算器为核心的集中式控制 3)指令由操作码和地址码两部分组成，指令在计算机中最顺 序执行的，并受PC的统一控制 4)提出计算机系统应由：运算器、控制器、存储器、输入设 备和输出设备五大部分组成。 这些理论奠定了现代计算机的基本思想，在到目前为止， 大多数计算机仍沿用这一体制，人们称其为冯· 诺依曼体制。
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第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成 3. 实现举例： 控A A 控B B 控C C C‘ CPC’
图1.6 计算机总线实现举例框图
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第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成 二、小型机、微型机的典型结构 A‘ SS 1. 以CPU为中心的双总线结构 如图1.7所示。 CPU CPB’ MEM
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
读令 写令 代 码 缓 冲 寄 存 器
区分
加读写控制线路（R/W）控制
存储体
于是，存储器的基本结构确定下来，如图 1.3所示。
0 1 号号 单单 元元 4094 4095 号 号 单 单 元 元
数 据 或 指 令
图1.3 存储器基本结构框图
图1.4 控制器结构图 图1.5 外部设备的一般描述框图
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接口
接口
输入设备
输出设备
《计算机组成原理》 主讲：刘子良
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成
◎输入设备把程序和数据转化为计算机能识别和处理的数据形 式的设备，输入的程序和数据存入计算机存储器中。 ◎输出设备是将计算机中的二进制信算转化为用户所需要的数 据格式的设备。它将计算机中的信息（计算结果等）以十进制 或字符、图形、表格等形式显示或打印出来。 以上，我们简要的介绍了计算机各主要部件的功能，以及其基 本构成在设置上的考虑，于是，留下的将是如何从硬件的角度， 将计算机各部件连成一个计算机系统的问题了。
◎按规定的操作去执行
在指令中
就指令执行过程而言 取出指令 分析指令
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存放？
设指令寄存器IR Instruction Register
及译码过程 设置操作码译码器ODC
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执行指令
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 ◎自动地执行 设置程序计数器PC Program Counter 顺序 PC存放程序首址， 执行一条后，PC自动加1
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1Biblioteka Baidu
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 人们常提到的 反馈信息 操作命令 运算器 冯· 诺依曼机与原始 结 数 果 的以运算器为中心 据 存储器 输出设备 的冯· 诺依曼机在结 输入设备 地 指 构上有很大的改进。 址 令 控制信号 控制信号 现在已转向以存储 控制器 请求信号 请求信号 器为中心的计算机 组成方式。如图1.1 控制台 所示。
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I/O接口
宽行打印机
CPU
MEM CACHE
磁盘
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
1.3 计算机系统的硬件组成
面向存储器的双总线结构（续）
第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成
面向存储器的双总线结构（续）
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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）
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。 I/O接口 I/O接口
光电输入机
(3) 存在问题 1) 单总线的工作不允许有两个主设备同时使用总线。因此， 当I/O设备控制总线使用权时， CPU （它对总线使用的优先级别 低于I/O设备）不能从主存中取出数据，因而降低了 CPU 的处理 速度。 2) 由于所有设备都连在一簇总线上，总线负载很重，随着外 设与中央处理机之间交换信息量增大，可使系统的吞吐量呈饱 和状态，甚至无法胜任，从而使系统性能下降。 3) 单总线常采用异步互销应答方式，因此，控制逻辑比较复 杂。 细节问题将在I/O控制一章作详细讨论。
图1.1 计算机基本组成框图
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 从图1.1中我们可以看出，计算机一般由以下几部分组成： ◎输入设备、存储器、运算器、控制器、输出设备五大部分 ◎运算器与控制器统称为中央处理机 CPU ◎习惯将输入设备、输出设备统称为I/O设备 输入设备 存储器 运算器 控制器 输出设备
第一章 概论
1.2 计算机的基本组成
运算器由：加 法器、移位门、寄 存器组、输入选择 门和数据总线组成。 如图1.2所示。
移位门
数据总线
加法器
选择门A 来自数据总线
选择门B
通用寄存器组 图1.2 运算器结构框图
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 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？
图1.7 面向CPU的双总线结构
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CPA’
B‘
I/O接口 磁盘
I/O接口 输入机
I/O接口 打印机
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第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成
以CPU为中心的双总线结构（续）
第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成
以CPU为中心的双总线结构（续）
(1) 结构特点：两簇总线 1) CPU与内存之间交换信息的通路，即存储总线M-BUS。 2) CPU与I/O设备之间交换信息的通路，即输入/输出总线 I/O-BUS。 (2)分析与结论 1) 根据结构特点画关系图如图 1.8所示。 MEM CPU I/O
图1.8 面向CPU的双总线结构关系图
2)既然内存与I/O设备要通过CPU交换信息，那么就必要要 受到CPU的直接控制。 这种结构的优点是同一时间内只能进行一种传送，因此控 制线路简单，时间关系易于处理，可以采用同步控制方式。 缺点是由于I/O设备与存储器交换信息要有 CPU进行干预， 因而当I/O设备工作频繁时要占用大量的 CPU时间，从而降低了 CPU的工作效率。因此，这种结构为多数低档小型机所采用。
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第一章 概论
1.2 计算机的基本组成 设置考虑（2）： 访问 按地址进行 放于何处？ 将第个单元赋予编码，表征该单元地址 设地址寄存器MAR Memory Address Register
在地址寄存器和存储体之间是否加地址译码器呢？ 取决于地址给出方式 存（写入） 直接给出
设置一个存储体，并将存储体分成若干个单元。
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第一章 概论
1.3 计算机系统的硬件组成
如何将计算机各个组成部件连接成为一个有机整体。为此， 人们提出一种重要的组成系统技术——总线。 一、总线 1. 总线的概念 所谓总线，就是连接多个部件的一组共享信息传送线路， 它能够分时接收和发送各部件信息。 2. 典型做法 ◎发送端：通过三态门将信息分时送入总线 ◎接收端：靠定时打入脉冲接收信息
吉林大学远程教育学院
计算机组成原理
主讲：刘子良
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计算机组成原理
参 考 书 目 ◎《计算机组成原理教程》 科学出版社，1988年。白中英，韩兆轩 ◎《计算机组成与结构》 清华大学出版社，1990年。王爱英
计算机组成原理
课 程 简 介 计算机组成原理是计算机科学与工程系所有专业的 一门核心课程，它在先导课和后续课之间起着承上启下 的和继往开来的作用。计算机组成原理教学具有知识面 广、内容多、难度大、更新快的特点。 本课程讲述计算机组成与结构方面的知识，包括： 计算机系统概论、运算方法、运算器、存储系统、指令 系统、处理器、系统总线、外围设备、输入输出系统。