计算机组成原理第七章
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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
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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。
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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
计算机组成原理第七章课件(白中英版)
刷新和扫描
刷新：使电子束不断地重复扫描整个屏幕的过程 不感到闪烁的刷新频率：＞30次/秒 模拟电视标准：每秒刷新50帧图像 光栅扫描：光栅扫描是从上至下顺序 扫描整个屏幕
逐行扫描 隔行扫描
扫描频率：完成一帧所花时 间的倒数，也叫刷新频率 ( 每 个像素在一秒内被刷新次数) 刷新频率越高、图像越稳定，感觉越舒服
A3 B3 C3 D3
A校验码 B校验码 C校验码 D校验码
RAID5
I/O系统
块交叉分布式奇偶校验盘阵列 数据以块交叉的方式存于各盘，无专用冗余盘， 奇偶校验信息均匀分布在所有磁盘上
校验码 产生器
A0 A1 A2 A3
4校验码
B0 B1 B2
3校验码
C0 C1
2校验码
D0
1校验码
0校验码
E1 E2 E3 E4
磁盘存储器的主要技术指标 （4/4）
• 误码率：是衡量出错概率的参数，等于出错位数与读写总 信息位数之比。 • 价格：通常用位价格来比较各种外存储器。位价格是用设 备价格除以存储器二进制位总容量。 • 一个常识： 每面信息量=每道信息量柱面数 =每道信息量道密度（外半径-内半径） 总容量=每面信息量面数
系统结构
RAID0
I/O系统
数据分块，即把数据分布在多个盘上 非冗余阵列、无冗余信息 严格地说，它不属于RAID系列
A E I
B F J
C G K
D H L
M
系统结构
N
O
etc...
RAID1
I/O系统
亦称镜像盘，使用双备份磁盘 每当数据写入一个磁盘时，将该数据也写到另 一个冗余盘，形成信息的两份复制品
计算机组成原理第七章课后部分答案
计算机组成原理第七章课后部分答案本页仅作为文档封面，使用时可以删除This document is for reference only-rar21year.March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。
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。
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。
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 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
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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ch7
+1
出栈
栈顶 栈顶
… …
栈底
栈底
(2) 堆栈寻址举例
ACC 15 SP 200H
主存
栈顶
200H
X
PUSH A 前
栈底
ACC 15 SP 1FFH
7.3
主存
栈顶 1FFH 15 200H X
PUSH A 后
栈底
ACC Y SP 1FFH
ADD D + ( N -1 ) DIV # N STA ANS 共 N + 2 条指令
LDA # 0 LDX # 0 M ADD X, D INX CPX # N BNE M DIV # N STA ANS 共 8 条指令
X 为变址寄存器 D 为形式地址 (X) +1 X (X) 和 #N 比较 结果不为零则转
如 8086
ADD SUB MUL DIV INC DEC CMP NEG AAA AAS AAM AAD AND OR NOT XOR TEST
3. 移位操作
7.2
算术移位 逻辑移位
循环移位（带进位和不带进位）
4. 转移
(1) 无条件转移 JMP
(2) 条件转移
结果为零转 （Z = 1） JZ 结果溢出转 （O = 1）JO 结果有进位转（C = 1）JC 跳过一条指令 SKP
一、指令寻址
顺序 跳跃
( PC ) + 1
PC
由转移指令指出
指令地址
指令
PC +1
0 LDA
11 ADD 22 DEC 33 JMP
4 LDA
5 SUB
6 INC
77 STA 88 LDA
9
计算机组成原理第7章作业答案PPT培训课件
虚拟存储器
一种将内存和外存统一管理的技术，使得用 户无需关心物理内存和外存的界限，方便程 序的编写和运行。
04 指令系统
指令格式与寻址方式
指令格式
指令格式包括操作码和地址码两部分，操作 码表示指令的操作类型，地址码表示操作数 所在内存单元的地址。
寻址方式
寻址方式是指确定操作数所在内存单元地址 的方式，包括直接寻址、间接寻址、寄存器
要点二
指令优化
为了提高指令执行效率，可以采用多种优化技术，如流水 线技术、分支预测、动态调度等。其中流水线技术可以将 指令执行过程划分为多个阶段，并行处理多个指令；分支 预测可以预测分支指令的执行路径，减少分支带来的时间 开销；动态调度可以根据指令的特性动态调整指令执行顺 序，提高指令的并行度。
05 中央处理器
重点与难点回顾
重点回顾
该部分对本章的重点内容进行了回顾，包括计算机组成 原理的基本概念、计算机系统的层次结构、指令系统、 中央处理器、存储器等。
难点回顾
该部分对本章的难点内容进行了回顾，包括计算机组成 原理的实现细节、指令执行的时序控制、流水线技术等 。
学习建议与展望
学习建议
该部分给出了一些学习建议，包括如何加深对计算机 组成原理的理解、如何提高解题能力等。
寻址、基址寻址和变址寻址等。
指令集与指令的功能
指令集
指令集是计算机中所有指令的集合，包括算术运算、 逻辑运算、控制转移等指令。
指令的功能
指令的功能是指指令所能完成的操作类型，如加法、 减法、乘法、除法、逻辑运算、控制转移等。
指令执行流程与优化
要点一
指令执行流程
指令执行流程包括取指令、解码、执行、访存和写回等阶 段，其中取指令阶段是从内存中取出指令并存放到CPU的 指令寄存器中；解码阶段是将指令操作码转换成相应的控 制信号；执行阶段是完成指令所描述的操作；访存阶段是 访问内存以获取操作数；写回阶段是将结果写回到内存或 寄存器中。
计算机组成原理第七章指令系统)
4 次访存 寻址范围 26 = 64
(A1) OP (A2) A3
(2) 三地址
若 PC 代替 A4
8
8
88
OP A1 A2 A3
(A1) OP (A2) A3
4 次访存 寻址范围 28 = 256
若 A3 用 A1 或 A2 代替
(3) 二地址
8
12
12
7.1 机 器 指 令
OP
A1
或 (A1) OP (A2)
Rn-1
ALU
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
8. 变址寻址 EA = ( IX ) +A
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
一、考试范围
• （一）指令格式 基本格式；定长操作码指令格式；扩展操作码指令
格式。 • （二）指令的寻址方式 有效地址的概念；数据寻址和指令寻址；常见寻址
方式。 • （三）CISC和RISC的概念
3. 隐含寻址 操作数地址隐含在操作码中
寻址特征
主存
ADD
A
ACC
A 操作数
另一个操作数 隐含在 ACC 中
ALU
暂存
如 8086
MUL 指令 被乘数隐含在 AX（16位）或 AL（8位）中 MOVS 指令 源操作数的地址隐含在 SI 中
目的操作数的地址隐含在 DI 中 • 指令字中少了一个地址字段，可缩短指令字长
• 指令系统的评价： 1）完备性 指令齐全，编程方便 2）高效性 程序占内存空间少，运行速度快 3）规则性 指令和数据使用规则统一简单，易
计算机组成原理第七章
RAID是1988年由美国加州大学伯克利分校一个研究小组提出的，它的设计理念是用多个小容量磁盘代替一个大容量磁盘，并用分布数据的方法能够同时从多个磁盘中存取数据，因而改善了I/O性能，增加了存储容量，现已在超级或大型计算机中使用。
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)
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)
计算机组成原理课件第7章PPT课件
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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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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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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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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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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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主机与磁盘驱动器交换数据的控制逻辑见下图(b)。磁 盘上的信息经读磁头读出以后送读出放大器，然后进 最后送入数据缓冲器，经DMA(直接存储器传送)控制
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7.2磁盘存储设备
四、磁盘上信息的分布 盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁
盘片表面称为记录面。记录面上一系列同心圆 称为磁道。每个盘片表面通常有几百到几千个 磁道，每个磁道又分为若干个扇区，如下一页 图所示。从图中看出，外面扇区比里面扇区面 积要大。磁盘上的这种磁道和扇区的排列称为 格式。
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7.2磁盘存储设备
磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口，电路板 实物见下图(a)所示。由于磁盘存储器是高速外存设备， 故与主机之间采用成批交换数据方式。作为主机与驱 动器之间的控制器，它需要有两个方面的接口：一个 是与主机的接口，控制外存与主机总线之间交换数据； 另一个是与设备的接口，根据主机命令控制设备的操
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数据在磁盘上的记录格式
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7.2磁盘存储设备
五、磁盘存储器的技术指度、位密度和面密度。
道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为 道/英寸。
位密度：磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单 位为位/英寸。
面密度：位密度和道密度的乘积，单位为位/平方英寸。
某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体来存储信息。 磁盘存储器、磁带存储器均属于磁表面存储器。磁表面存储器的 优点： ①存储容量大，位价格低； ②记录介质可以重复使用； ③记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档； ④非破坏性读出，读出时不需要再生信息。当然，磁表面存储器也有
缺点，主要是存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较 高。
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7.2磁盘存储设备
三、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。
磁盘读出时，控制电路把盘上用磁化元形式表示的信息转换成计
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7.1外围设备概述
三、外围设备的分类 一个计算机系统配备什么样的外围设备，
是根据实际需要来决定的。如下图所示出了计 算机的五大类外围设备，这只是一个典型化了
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7.2磁盘存储设备
一、磁记录原理 计算机的外存储器又称磁表面存储设备。所谓磁表面存储，是用
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7.2磁盘存储设备
硬磁盘按盘片结构，分成可换盘片式与固定盘片式两种；磁头 也分为可移动磁头和固定磁头两种。
➢ 可移动磁头固定盘片的磁盘机的特点是一片或一组盘片固定在主 轴上，盘片不可更换。盘片每面只有一个磁头，存取数据时磁头 沿盘面径向移动。可移动磁头可换盘片的磁盘机：盘片可以更换， 磁头可沿盘面径向移动。优点是盘片可以脱机保存，同种型号的 盘片具有互换性。
磁表面存储器由于存储容量大，位成本低，在计算机系统中作 为辅助大容量存储器使用，用以存放系统软件、大型文件、数 据库等大量程序与数据信息。
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7.2磁盘存储设备
磁性材料的物理特性 见图
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7.2磁盘存储设备
磁表面存储器的读写原理 见图
➢ 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。
➢ 读操作：当磁头经过载磁体 的磁化元时，由于磁头铁芯 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。不同极 性的磁化元在铁芯里的方向 是不同的。
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7.2磁盘存储设备
记录方式的写读波形图
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 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。这就是磁表面存 磁层上的存储元被磁化后，它可以 供多次读出而不被破坏。当不需要 这批信息时，可通过磁头把磁层上 所记录的信息全部抹去，称之为写 “0”。通常，写入和读出是合用一 个磁头，故称之为读写磁头。每个 读写磁头对应着一个信息记录磁道。
➢ 固定磁头磁盘机特点是磁头位置固定，磁盘的每一个磁道对应一 个磁头，盘片不可更换。优点是存取速度快，省去磁头找道时间， 缺点是结构复杂。
温彻斯特磁盘机简称温盘，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。它是一种密封组合式的硬磁盘，即磁 头、盘片、电机等驱动部件乃至读写电路等组装成一个不可随 意拆卸的整体。工作时，高速旋转在盘面上形成的气垫将磁头 平稳浮起。优点是防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不 高，成为最有代表性的硬磁盘存储器。而普通的硬磁盘要求具 有超净环境，只能用于大型计算机中。
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7.1外围设备概述
一、外围设备的一般功能 外围设备的功能是在计算机和其他机器之间，以及计算机与用
户之间提供联系。 二、外围设备（磁盘）基本组成 (1) 存储介质，它具有保存信息的物理特征。例如磁盘就是一个存储 (2) 驱动装置，它用于移动存储介质。例如，磁盘设备中，驱动装置 (3)控制电路，它向存储介质发送数据或从存储介质接受数据。例如，
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7.2磁盘存储设备
二、磁盘的组成和分类 1、磁盘的组成：见图 写入时，将计算机并行送来的数
据取至并串变换寄存器，变为串 行数据，然后一位一位地由写电 流驱动器作功率放大并加到写磁 头线圈上产生电流，从而在盘片 磁层上形成按位的磁化存储元。 读出时，当记录介质相对磁头运 动时，位磁化存储元形成的空间 磁场在读磁头线圈中产生感应电 势，此读出信息经放大检测就可 还原成原来存入的数据。由于数 据是一位一位串行读出的，故要 行数据，再并行送至计算机。
计算机组成原理第七章
第七章 外围设备
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第七章 外围设备
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 显示设备 输入设备和打印设备
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7.1外围设备概述
外围设备的功能是在计算机和其他机器之 间，以及计算机与用户之间提供联系。由于外 围设备的地位越来越重要，主要介绍以下内容： 硬磁盘、可移动磁盘、磁带和光盘。
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四、磁盘上信息的分布 盘片的上下两面都能记录信息，通常把磁
盘片表面称为记录面。记录面上一系列同心圆 称为磁道。每个盘片表面通常有几百到几千个 磁道，每个磁道又分为若干个扇区，如下一页 图所示。从图中看出，外面扇区比里面扇区面 积要大。磁盘上的这种磁道和扇区的排列称为 格式。
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磁盘控制器是主机与磁盘驱动器之间的接口，电路板 实物见下图(a)所示。由于磁盘存储器是高速外存设备， 故与主机之间采用成批交换数据方式。作为主机与驱 动器之间的控制器，它需要有两个方面的接口：一个 是与主机的接口，控制外存与主机总线之间交换数据； 另一个是与设备的接口，根据主机命令控制设备的操
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数据在磁盘上的记录格式
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7.2磁盘存储设备
五、磁盘存储器的技术指度、位密度和面密度。
道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为 道/英寸。
位密度：磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单 位为位/英寸。
面密度：位密度和道密度的乘积，单位为位/平方英寸。
某些磁性材料薄薄地涂在金属铝或塑料表面作载磁体来存储信息。 磁盘存储器、磁带存储器均属于磁表面存储器。磁表面存储器的 优点： ①存储容量大，位价格低； ②记录介质可以重复使用； ③记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档； ④非破坏性读出，读出时不需要再生信息。当然，磁表面存储器也有
缺点，主要是存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较 高。
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7.2磁盘存储设备
三、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。
磁盘读出时，控制电路把盘上用磁化元形式表示的信息转换成计
5
7.1外围设备概述
三、外围设备的分类 一个计算机系统配备什么样的外围设备，
是根据实际需要来决定的。如下图所示出了计 算机的五大类外围设备，这只是一个典型化了
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7.2磁盘存储设备
一、磁记录原理 计算机的外存储器又称磁表面存储设备。所谓磁表面存储，是用
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7.2磁盘存储设备
硬磁盘按盘片结构，分成可换盘片式与固定盘片式两种；磁头 也分为可移动磁头和固定磁头两种。
➢ 可移动磁头固定盘片的磁盘机的特点是一片或一组盘片固定在主 轴上，盘片不可更换。盘片每面只有一个磁头，存取数据时磁头 沿盘面径向移动。可移动磁头可换盘片的磁盘机：盘片可以更换， 磁头可沿盘面径向移动。优点是盘片可以脱机保存，同种型号的 盘片具有互换性。
磁表面存储器由于存储容量大，位成本低，在计算机系统中作 为辅助大容量存储器使用，用以存放系统软件、大型文件、数 据库等大量程序与数据信息。
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磁性材料的物理特性 见图
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7.2磁盘存储设备
磁表面存储器的读写原理 见图
➢ 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。
➢ 读操作：当磁头经过载磁体 的磁化元时，由于磁头铁芯 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。不同极 性的磁化元在铁芯里的方向 是不同的。
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记录方式的写读波形图
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 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。这就是磁表面存 磁层上的存储元被磁化后，它可以 供多次读出而不被破坏。当不需要 这批信息时，可通过磁头把磁层上 所记录的信息全部抹去，称之为写 “0”。通常，写入和读出是合用一 个磁头，故称之为读写磁头。每个 读写磁头对应着一个信息记录磁道。
➢ 固定磁头磁盘机特点是磁头位置固定，磁盘的每一个磁道对应一 个磁头，盘片不可更换。优点是存取速度快，省去磁头找道时间， 缺点是结构复杂。
温彻斯特磁盘机简称温盘，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。它是一种密封组合式的硬磁盘，即磁 头、盘片、电机等驱动部件乃至读写电路等组装成一个不可随 意拆卸的整体。工作时，高速旋转在盘面上形成的气垫将磁头 平稳浮起。优点是防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不 高，成为最有代表性的硬磁盘存储器。而普通的硬磁盘要求具 有超净环境，只能用于大型计算机中。
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7.1外围设备概述
一、外围设备的一般功能 外围设备的功能是在计算机和其他机器之间，以及计算机与用
户之间提供联系。 二、外围设备（磁盘）基本组成 (1) 存储介质，它具有保存信息的物理特征。例如磁盘就是一个存储 (2) 驱动装置，它用于移动存储介质。例如，磁盘设备中，驱动装置 (3)控制电路，它向存储介质发送数据或从存储介质接受数据。例如，
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7.2磁盘存储设备
二、磁盘的组成和分类 1、磁盘的组成：见图 写入时，将计算机并行送来的数
据取至并串变换寄存器，变为串 行数据，然后一位一位地由写电 流驱动器作功率放大并加到写磁 头线圈上产生电流，从而在盘片 磁层上形成按位的磁化存储元。 读出时，当记录介质相对磁头运 动时，位磁化存储元形成的空间 磁场在读磁头线圈中产生感应电 势，此读出信息经放大检测就可 还原成原来存入的数据。由于数 据是一位一位串行读出的，故要 行数据，再并行送至计算机。
计算机组成原理第七章
第七章 外围设备
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第七章 外围设备
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 显示设备 输入设备和打印设备
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7.1外围设备概述
外围设备的功能是在计算机和其他机器之 间，以及计算机与用户之间提供联系。由于外 围设备的地位越来越重要，主要介绍以下内容： 硬磁盘、可移动磁盘、磁带和光盘。