計(jì)算機(jī)組成原理重點(diǎn)難點(diǎn)剖析(大連)2010-12-10

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)唐朔飛唐朔飛20102010年年1212月月1010日日 使讀者對(duì)計(jì)算機(jī)總體結(jié)構(gòu)有一概括的了解，使讀者對(duì)計(jì)算機(jī)總體結(jié)構(gòu)有一概括的了解，初步建立整機(jī)概念，并引導(dǎo)學(xué)生以宏觀思想為指初步建立整機(jī)概念，并引導(dǎo)學(xué)生以宏觀思想為指導(dǎo)，微觀物質(zhì)為基礎(chǔ)的辯證唯物主義觀點(diǎn)來認(rèn)識(shí)導(dǎo)，微觀物質(zhì)為基礎(chǔ)的辯證唯物主義觀點(diǎn)來認(rèn)識(shí)計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)。第第篇篇 概論概論計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)第篇第篇計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)I/O系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器CPU CPU內(nèi)部互連內(nèi)部互連ALUCU寄存器寄存器中央處理器中央處理器第第篇篇 CPU計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)I/O系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線存儲(chǔ)器存

2、儲(chǔ)器CPU CPU內(nèi)部互連內(nèi)部互連ALUCU寄存器寄存器中央處理器中央處理器寄存器寄存器和解碼器和解碼器控制單元控制單元排隊(duì)排隊(duì)邏輯邏輯控制控制存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器第篇第篇 CU計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)I/O系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器CPU基本概念基本概念1. .計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M3匯編語(yǔ)言匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M2操作系統(tǒng)操作系統(tǒng)虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器 M1微指令系統(tǒng)微指令系統(tǒng)微程序機(jī)器微程序機(jī)器 M0用編譯程序翻譯用編譯程序翻譯成匯編語(yǔ)言程序成匯編語(yǔ)言程序用

3、匯編程序翻譯用匯編程序翻譯成機(jī)器語(yǔ)言程序成機(jī)器語(yǔ)言程序用機(jī)器語(yǔ)言解釋操作系統(tǒng)用機(jī)器語(yǔ)言解釋操作系統(tǒng)用微指令解釋機(jī)器指令用微指令解釋機(jī)器指令由硬件直接執(zhí)行微指令由硬件直接執(zhí)行微指令軟軟件件硬硬件件虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M4虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M3虛擬機(jī)器虛擬機(jī)器 M2實(shí)際機(jī)器實(shí)際機(jī)器 M1微程序機(jī)器微程序機(jī)器 M0基本概念基本概念1. .計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)2. .硬件、計(jì)算機(jī)、主機(jī)、硬件、計(jì)算機(jī)、主機(jī)、CPU、主存、主存、 輔存、外部設(shè)備輔存、外部設(shè)備3. 軟件、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件軟件、系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件4. .高級(jí)語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、機(jī)器語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言、匯編語(yǔ)

4、言、機(jī)器語(yǔ)言7. .機(jī)器字長(zhǎng)、指令字長(zhǎng)、存儲(chǔ)字長(zhǎng)機(jī)器字長(zhǎng)、指令字長(zhǎng)、存儲(chǔ)字長(zhǎng)8. 計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)指標(biāo)計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)指標(biāo)6. 存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)元件、存儲(chǔ)基元、存儲(chǔ)字、存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)元件、存儲(chǔ)基元、存儲(chǔ)字、 存儲(chǔ)字長(zhǎng)、存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)字長(zhǎng)、存儲(chǔ)容量5. 計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)基本概念基本概念123567984CU控制控制單元單元主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器MDRMAR存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體CPUPC控制器控制器IR運(yùn)算器運(yùn)算器MQACCALUXI/O重點(diǎn)重點(diǎn)：主機(jī)完成一條指令的信息流程主機(jī)完成一條指令的信息流程 ( (以存數(shù)指令為例以存數(shù)指令為例) )取指令取指令分析指令分析指令執(zhí)行指令執(zhí)行指令

5、取指階段取指階段執(zhí)行階段執(zhí)行階段 訪存訪存訪存訪存完成一條指令完成一條指令難點(diǎn)難點(diǎn)如何區(qū)分存放在存儲(chǔ)器中的指令和數(shù)據(jù)如何區(qū)分存放在存儲(chǔ)器中的指令和數(shù)據(jù)取指階段取出的是取指階段取出的是 指令指令執(zhí)行階段取出的是執(zhí)行階段取出的是 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)重點(diǎn)重點(diǎn)1. .有關(guān)總線的基本概念有關(guān)總線的基本概念什么是總線總線上信息傳輸?shù)奶攸c(diǎn)什么是總線總線上信息傳輸?shù)奶攸c(diǎn)總線寬度總線帶寬總線復(fù)用總線傳輸周期總線寬度總線帶寬總線復(fù)用總線傳輸周期例例 假設(shè)總線的時(shí)鐘頻率為假設(shè)總線的時(shí)鐘頻率為 100 MHz，總線的傳輸周期為，總線的傳輸周期為 4 個(gè)個(gè)時(shí)鐘周期，總線的寬度為時(shí)鐘周期，總線的寬度為 32 位，試求總線的數(shù)據(jù)傳輸

6、率。若位，試求總線的數(shù)據(jù)傳輸率。若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率，可采取什么措施？想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率，可采取什么措施？解：解：根據(jù)總線時(shí)鐘頻率為根據(jù)總線時(shí)鐘頻率為100 MHz， 得得 1 個(gè)時(shí)鐘周期為個(gè)時(shí)鐘周期為 1/100 MHz = 0.01s 總線傳輸周期為總線傳輸周期為 0.01s4 = 0.04s 由于總線的寬度為由于總線的寬度為 32 位位 = 4 B（字節(jié)）（字節(jié)）故總線的數(shù)據(jù)傳輸率為故總線的數(shù)據(jù)傳輸率為 4 B/（0.04s）=100 MBps總線帶寬（總線的數(shù)據(jù)傳輸率）總線帶寬（總線的數(shù)據(jù)傳輸率）與總線的寬度和總線的時(shí)鐘頻率有關(guān)與總線的寬度和總線的時(shí)鐘頻率有關(guān)例例 假設(shè)總線的時(shí)鐘頻

7、率為假設(shè)總線的時(shí)鐘頻率為 100 MHz，總線的傳輸周期為，總線的傳輸周期為 4 個(gè)個(gè)時(shí)鐘周期，總線的寬度為時(shí)鐘周期，總線的寬度為 32 位，試求總線的數(shù)據(jù)傳輸率。若位，試求總線的數(shù)據(jù)傳輸率。若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率，可采取什么措施？想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率，可采取什么措施？總線帶寬（總線的數(shù)據(jù)傳輸率）總線帶寬（總線的數(shù)據(jù)傳輸率）與總線的寬度和總線的時(shí)鐘頻率有關(guān)與總線的寬度和總線的時(shí)鐘頻率有關(guān) 若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率若想提高一倍數(shù)據(jù)傳輸率 (1) 在不改變總線時(shí)鐘頻率的前提下在不改變總線時(shí)鐘頻率的前提下 數(shù)據(jù)線寬度改為數(shù)據(jù)線寬度改為 64 位位 (2) 保持?jǐn)?shù)據(jù)寬度為保持?jǐn)?shù)據(jù)寬度為 32 位位 總線

8、的時(shí)鐘頻率增加到總線的時(shí)鐘頻率增加到 200 MHz。重點(diǎn)重點(diǎn)2. .如何克服總線的瓶頸如何克服總線的瓶頸3. .如何對(duì)總線進(jìn)行管理，包括判優(yōu)控制和如何對(duì)總線進(jìn)行管理，包括判優(yōu)控制和 通信控制通信控制1. .有關(guān)總線的基本概念有關(guān)總線的基本概念什么是總線總線上信息傳輸?shù)奶攸c(diǎn)什么是總線總線上信息傳輸?shù)奶攸c(diǎn)總線寬度總線帶寬總線復(fù)用總線傳輸周期總線寬度總線帶寬總線復(fù)用總線傳輸周期 （1） 集中式判優(yōu)控制方式一集中式判優(yōu)控制方式一 鏈?zhǔn)讲樵冩準(zhǔn)讲樵兛偪偩€線控控制制部部件件I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口nBG數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線BS -總線忙總線忙BR-總線請(qǐng)求總線請(qǐng)求BG-

9、總線同意總線同意 0BS -總線忙總線忙BR-總線請(qǐng)求總線請(qǐng)求總總線線控控制制部部件件數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線I/O接口接口0BSBRI/O接口接口1I/O接口接口n設(shè)備地址設(shè)備地址（2）集中式判優(yōu)控制方式二）集中式判優(yōu)控制方式二 計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢I/O接口接口1 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器設(shè)備地址設(shè)備地址 1排隊(duì)器排隊(duì)器排隊(duì)器排隊(duì)器（3）集中式判優(yōu)控制方式三）集中式判優(yōu)控制方式三 獨(dú)立請(qǐng)求獨(dú)立請(qǐng)求總總線線控控制制部部件件數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線地址線地址線I/O接口接口0I/O接口接口1I/O接口接口nBR0BG0BR1BG1BRnBGnBG-總線同意總線同意BR-總線請(qǐng)求總線請(qǐng)求同步通信同步通信 采用公

10、共時(shí)鐘（結(jié)合波形）采用公共時(shí)鐘（結(jié)合波形）難點(diǎn)：難點(diǎn)：總線的通信控制總線的通信控制 讀讀命令命令同步式數(shù)據(jù)輸入同步式數(shù)據(jù)輸入T1總線傳輸周期總線傳輸周期T2T3T4 時(shí)鐘時(shí)鐘 地址地址 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)同步通信同步通信 采用公共時(shí)鐘（結(jié)合波形）采用公共時(shí)鐘（結(jié)合波形）難點(diǎn)：難點(diǎn)：異步通信異步通信 應(yīng)答方式（不互鎖、半互鎖、全互鎖）應(yīng)答方式（不互鎖、半互鎖、全互鎖）總線的通信控制總線的通信控制不互鎖不互鎖半互鎖半互鎖全互鎖全互鎖異步通信異步通信主設(shè)備主設(shè)備從設(shè)備從設(shè)備請(qǐng)請(qǐng)求求回回答答單機(jī)單機(jī)多機(jī)多機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)通信同步通信同步通信 采用公共時(shí)鐘（結(jié)合波形）采用公共時(shí)鐘（結(jié)合波形）難點(diǎn)：難點(diǎn)：異步通信異步

11、通信 應(yīng)答方式（不互鎖、半互鎖、全互鎖）應(yīng)答方式（不互鎖、半互鎖、全互鎖）半同步通信半同步通信 采用公共時(shí)鐘插入等待周期采用公共時(shí)鐘插入等待周期總線的通信控制總線的通信控制 讀讀 命令命令WAIT 地址地址 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 時(shí)鐘時(shí)鐘總線傳輸周期總線傳輸周期T1T2TWTWT3T4半同步通信（半同步通信（同步同步、異步異步 結(jié)合）結(jié)合）同步通信同步通信 采用公共時(shí)鐘（結(jié)合波形）采用公共時(shí)鐘（結(jié)合波形）難點(diǎn)：難點(diǎn)：異步通信異步通信 應(yīng)答方式（不互鎖、半互鎖、全互鎖）應(yīng)答方式（不互鎖、半互鎖、全互鎖）半同步通信半同步通信 采用公共時(shí)鐘插入等待周期采用公共時(shí)鐘插入等待周期分離式通信分離式通信 均為主模塊、同

12、步方式均為主模塊、同步方式 最充分發(fā)揮了總線的有效占用最充分發(fā)揮了總線的有效占用總線的通信控制總線的通信控制1. 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)Cache主存和主存輔存層次的作用主存和主存輔存層次的作用 程序訪問的局部性原理與存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)程序訪問的局部性原理與存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 的關(guān)系的關(guān)系重點(diǎn)重點(diǎn) 緩存緩存 主存層次和主存主存層次和主存 輔存層次輔存層次緩存緩存CPU主存主存輔存輔存10 ns20 ns200 nsms緩存緩存主存主存輔存輔存主存主存虛擬存儲(chǔ)器虛擬存儲(chǔ)器虛地址虛地址邏輯地址邏輯地址實(shí)地址實(shí)地址物理地址物理地址主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器（速度）（速度）（容量）（容量）1. 存儲(chǔ)系

13、統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)Cache主存和主存輔存層次的作用主存和主存輔存層次的作用 程序訪問的局部性原理與存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)程序訪問的局部性原理與存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 的關(guān)系的關(guān)系重點(diǎn)重點(diǎn)2. 主存、主存、Cache、磁表面存儲(chǔ)器的工作原理、磁表面存儲(chǔ)器的工作原理及技術(shù)指標(biāo)及技術(shù)指標(biāo) 主存的基本組成主存的基本組成存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)器譯碼器譯碼器MAR控制電路控制電路讀讀寫寫電電路路MDR地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線讀讀寫寫 主存和主存和 CPU 的聯(lián)系的聯(lián)系MDRMARCPU主主 存存讀讀數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線地址總線地址總線寫寫 Cache 的基本結(jié)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)Cache替換機(jī)構(gòu)替換機(jī)構(gòu)C

14、ache存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體主存主存Cache地址映射地址映射變換機(jī)構(gòu)變換機(jī)構(gòu)由由CPU完成完成磁記錄原理磁記錄原理寫寫局部磁化單元局部磁化單元載磁體載磁體寫線圈寫線圈SNI局部磁化單元局部磁化單元寫線圈寫線圈SN鐵芯鐵芯磁通磁通磁層磁層寫入寫入“0”寫入寫入“1”IN讀線圈讀線圈S讀線圈讀線圈SN鐵芯鐵芯磁通磁通磁層磁層運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)方向運(yùn)動(dòng)方向ssttffee讀出讀出 “0”讀出讀出 “1”讀讀磁記錄原理磁記錄原理主存主存 容量容量 速度速度 帶寬帶寬Cache 容量容量 速度速度 訪問效率訪問效率 命中率命中率 平均訪問時(shí)間平均訪問時(shí)間磁盤磁盤 容量容量 記錄密度記錄密度 平均尋址時(shí)間平均

15、尋址時(shí)間 數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo)1. 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)Cache主存和主存輔存層次的作用主存和主存輔存層次的作用 程序訪問的局部性原理與存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)程序訪問的局部性原理與存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 的關(guān)系的關(guān)系重點(diǎn)重點(diǎn)2. 主存、主存、Cache、磁表面存儲(chǔ)器的工作原理、磁表面存儲(chǔ)器的工作原理及技術(shù)指標(biāo)及技術(shù)指標(biāo) 3. 半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片的外特性以及與半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片的外特性以及與 CPU 的連接的連接 存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)器與 CPU 的連接的連接 (1) 地址線的連接地址線的連接(2) 數(shù)據(jù)線的連接數(shù)據(jù)線的連接(3) 讀讀/寫線的連接寫線的連接(4) 片選線的連接片選線的連接

16、(5) 合理選用芯片合理選用芯片(6) 其他其他 時(shí)序、負(fù)載時(shí)序、負(fù)載例例 設(shè)設(shè) CPU 有有 16 根地址線根地址線，8 根數(shù)據(jù)線，根數(shù)據(jù)線， MREQ 訪存控制信號(hào)（低電平有效），訪存控制信號(hào)（低電平有效）， WR 讀讀/寫控制信號(hào)（高電平為讀，低電平為寫）寫控制信號(hào)（高電平為讀，低電平為寫） RAM ：1K4位；位；4K8位；位；8K8 位位 ROM ：2K8位；位；4K8位；位；8K8 位位 74LS138 譯碼器和各種門電路譯碼器和各種門電路 畫出畫出 CPU 與存儲(chǔ)器的連接圖，要求與存儲(chǔ)器的連接圖，要求 主存地址空間分配：主存地址空間分配： 6000H67FFH 為系統(tǒng)程序區(qū)；為系

17、統(tǒng)程序區(qū)； 6800H6BFFH 為用戶程序區(qū)。為用戶程序區(qū)。 合理選用上述存儲(chǔ)芯片，說明各選幾片？合理選用上述存儲(chǔ)芯片，說明各選幾片？ 詳細(xì)畫出存儲(chǔ)芯片的片選邏輯圖。詳細(xì)畫出存儲(chǔ)芯片的片選邏輯圖。 解解: : (1) 寫出對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制地址碼寫出對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制地址碼(2) 確定芯片的數(shù)量及類型確定芯片的數(shù)量及類型0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0A15A14A13 A11 A10 A7 A4 A3 A00 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1

18、1 1 1 1 12K8位位1K8位位RAM2片片1K4位位ROM1片片2K8位位(3) 分配地址線分配地址線A10 A0 接接 2K 8 位位 ROM 的地址線的地址線A9 A0 接接 1K 4 位位 RAM 的地址線的地址線(4) 確定片選信號(hào)確定片選信號(hào)C B A0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0A15 A13 A11 A10 A7 A4 A3 A00 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 10 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12K8 位位1片片ROM1K

19、4 位位2片片RAM2K8位位 ROM1K4位位 RAM1K4位位 RAM&PD/ProgrY5Y4G1CBAG2BG2A.MREQA14A15A13A12A11A10A9A0.D7D4D3D0WR.( (5) ) CPU 與存儲(chǔ)器的連接圖與存儲(chǔ)器的連接圖1. 存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)Cache主存和主存輔存層次的作用主存和主存輔存層次的作用 程序訪問的局部性原理與存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)程序訪問的局部性原理與存儲(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu) 的關(guān)系的關(guān)系重點(diǎn)重點(diǎn)2. 主存、主存、Cache、磁表面存儲(chǔ)器的工作原理、磁表面存儲(chǔ)器的工作原理及技術(shù)指標(biāo)及技術(shù)指標(biāo) 3. 半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片的外特性以及與半導(dǎo)

20、體存儲(chǔ)芯片的外特性以及與 CPU 的連接的連接 4. .如何提高訪存速度如何提高訪存速度1. .在可按字節(jié)和字尋址的存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)的存放方式不同在可按字節(jié)和字尋址的存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)的存放方式不同難點(diǎn)難點(diǎn) 高位字節(jié)高位字節(jié) 地址為字地址地址為字地址 低位字節(jié)低位字節(jié) 地址為字地址地址為字地址字地址字地址字節(jié)地址字節(jié)地址11109876543210840字地址字地址字節(jié)地址字節(jié)地址89101145670123840 例例 1 2 3 4 5 6 7 8 H 的存放方式的存放方式78H56H34H12H84012H34H56H78H8402. .對(duì)于一定容量的存儲(chǔ)器，按字節(jié)或字訪問對(duì)于一定容量的存儲(chǔ)器

21、，按字節(jié)或字訪問 的尋址范圍是不同的的尋址范圍是不同的難點(diǎn)難點(diǎn)1. .在可按字節(jié)和字尋址的存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)的存放方式不同在可按字節(jié)和字尋址的存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)的存放方式不同 如如 16 MB （227位）位）的存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)器按按 字節(jié)字節(jié) 尋址尋址按按 字（字（16位）位）尋址尋址按按 字字 （32位）位）尋址尋址224= 16 M223 = 8 M222 = 4 M尋址范圍尋址范圍容量容量224 = 227位位 223 = 227位位 222 = 227位位 字節(jié)字節(jié) 尋址尋址字（字（16位）位）尋址尋址字字 （32位）位）尋址尋址24 位位23 位位22 位位字節(jié)地址字節(jié)地址字節(jié)地址字節(jié)地址23

22、 24 25難點(diǎn)難點(diǎn)3. 多體并行結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器順序編址和交叉編址多體并行結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器順序編址和交叉編址 對(duì)訪存速度的影響對(duì)訪存速度的影響2. .對(duì)于一定容量的存儲(chǔ)器，按字節(jié)或字訪問對(duì)于一定容量的存儲(chǔ)器，按字節(jié)或字訪問 的尋址范圍是不同的的尋址范圍是不同的1. .在可按字節(jié)和字尋址的存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)的存放方式不同在可按字節(jié)和字尋址的存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)的存放方式不同 多體并行系統(tǒng)多體并行系統(tǒng)(1) 高位交叉高位交叉 M0M1M2M3體內(nèi)地址體內(nèi)地址體號(hào)體號(hào)體號(hào)體號(hào)地址地址00 000000 000100 111101 000001 000101 111110 000010 000110 111111 000

23、011 000111 1111順序編址順序編址 各個(gè)體并行工作各個(gè)體并行工作M0地址地址01n1M1nn+12n1M22n2n+13n1M33n3n+14n1地址譯碼地址譯碼體內(nèi)地址體內(nèi)地址體號(hào)體號(hào)體號(hào)體號(hào)(1) 高位交叉高位交叉 M0M1M2M3體號(hào)體號(hào)體內(nèi)地址體內(nèi)地址地址地址0000 000000 010000 100000 110001 000001 010001 100001 111111 001111 011111 101111 11(2) 低位交叉低位交叉各個(gè)體輪流編址各個(gè)體輪流編址M0地址地址044n4M1154n3M2264n2M3374n1地址譯碼地址譯碼 體號(hào)體號(hào)體內(nèi)地址體

24、內(nèi)地址 體號(hào)體號(hào)(2) 低位交叉低位交叉 各個(gè)體輪流編址各個(gè)體輪流編址低位交叉的特點(diǎn)低位交叉的特點(diǎn)在不改變存取周期的前提下，增加存儲(chǔ)器的帶寬在不改變存取周期的前提下，增加存儲(chǔ)器的帶寬時(shí)間時(shí)間 單體單體訪存周期訪存周期 單體單體訪存周期訪存周期啟動(dòng)存儲(chǔ)體啟動(dòng)存儲(chǔ)體 0啟動(dòng)存儲(chǔ)體啟動(dòng)存儲(chǔ)體 1啟動(dòng)存儲(chǔ)體啟動(dòng)存儲(chǔ)體 2啟動(dòng)存儲(chǔ)體啟動(dòng)存儲(chǔ)體 3 設(shè)四體低位交叉存儲(chǔ)器，存取周期為設(shè)四體低位交叉存儲(chǔ)器，存取周期為T，總線傳輸周期，總線傳輸周期為為，為實(shí)現(xiàn)流水線方式存取，應(yīng)滿足，為實(shí)現(xiàn)流水線方式存取，應(yīng)滿足 T 4。連續(xù)讀取連續(xù)讀取 4 個(gè)字所需的時(shí)間為個(gè)字所需的時(shí)間為 T(4 1)難點(diǎn)難點(diǎn)3. 多體并行結(jié)

25、構(gòu)存儲(chǔ)器順序編址和交叉編址多體并行結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器順序編址和交叉編址 對(duì)訪存速度的影響對(duì)訪存速度的影響2. .對(duì)于一定容量的存儲(chǔ)器，按字節(jié)或字訪問對(duì)于一定容量的存儲(chǔ)器，按字節(jié)或字訪問 的尋址范圍是不同的的尋址范圍是不同的1. .在可按字節(jié)和字尋址的存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)的存放方式不同在可按字節(jié)和字尋址的存儲(chǔ)器中，數(shù)據(jù)的存放方式不同4. 不同的不同的 Cache 主存地址映射，直接影響主存地址主存地址映射，直接影響主存地址字段的分配、替換策略及命中率字段的分配、替換策略及命中率（1） 直接映射直接映射每個(gè)緩存塊每個(gè)緩存塊 i 可以和可以和 若干若干 個(gè)個(gè) 主存塊主存塊 對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)每個(gè)主存塊每個(gè)主存塊 j 只能和

26、只能和 一一 個(gè)個(gè) 緩存塊緩存塊 對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)i = j mod C 字塊字塊2m1 字塊字塊2c+1 字塊字塊2c+11 字塊字塊2c +1 字塊字塊2c 字塊字塊2c1 字塊字塊1 字塊字塊0主存儲(chǔ)體主存儲(chǔ)體 字塊字塊 1標(biāo)記標(biāo)記 字塊字塊 0標(biāo)記標(biāo)記字塊字塊 2c1標(biāo)記標(biāo)記Cache存儲(chǔ)體存儲(chǔ)體t位位01C1 字塊字塊字塊地址字塊地址主存字主存字塊標(biāo)記塊標(biāo)記t 位位c 位位b 位位主存地址主存地址 比較器（比較器（t位）位）= 不命中不命中有效位有效位=1？*m位位Cache內(nèi)地址內(nèi)地址否否是是命中命中 字塊字塊2c+1 字塊字塊2c 字塊字塊0 字塊字塊 0（2） 全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射主存

27、主存 中的中的 任一塊任一塊 可以映射到可以映射到 緩存緩存 中的中的 任一塊任一塊字塊字塊2m1字塊字塊2c1字塊字塊1 字塊字塊0字塊字塊2c1字塊字塊1字塊字塊0標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記標(biāo)記主存字塊標(biāo)記主存字塊標(biāo)記字塊內(nèi)地址字塊內(nèi)地址主存地址主存地址m = t + c 位位b位位m = t+cCache 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器 字塊字塊0字塊字塊2m1字塊字塊2c-r+1 字塊字塊2c-r + 1 字塊字塊2c-r字塊字塊2c-r 字塊字塊1 字塊字塊0 字塊字塊 3標(biāo)記標(biāo)記 字塊字塊 1標(biāo)記標(biāo)記字塊字塊 2c1標(biāo)記標(biāo)記 字塊字塊 2標(biāo)記標(biāo)記 字塊字塊 0標(biāo)記標(biāo)記字塊字塊 2c2標(biāo)記標(biāo)

28、記 字塊內(nèi)地址字塊內(nèi)地址組地址組地址主存字塊標(biāo)記主存字塊標(biāo)記s = t + r 位位q = cr 位位b 位位組組012c-r1主存地址主存地址Cache主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器m 位位共共 Q 組組，每組內(nèi)兩塊（，每組內(nèi)兩塊（r = 1)1某一主存塊某一主存塊 j 按模按模 Q 映射到映射到 緩存緩存 的第的第 i 組組中的中的 任一塊任一塊i = j mod Q直接映射直接映射全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射 字塊字塊0 字塊字塊 1 字塊字塊 0 字塊字塊2c-r 字塊字塊2c-r+1（3）組相聯(lián)映射）組相聯(lián)映射假設(shè)主存容量為假設(shè)主存容量為 512 KB，Cache 容量為容量為 4KB，每個(gè)字塊為，每個(gè)字

29、塊為 16 個(gè)字，每個(gè)字個(gè)字，每個(gè)字 32 位。位。例例 根據(jù)根據(jù) Cache 容量為容量為 4KB 得得 Cache 地址地址 12 位位 4KB/4B = 1K字字 1K/16 = 64 塊塊 根據(jù)根據(jù) 512KB 得主存地址得主存地址 19 位位 512KB/4B = 128K字字 128K/16 = 8192 塊。塊。（1）Cache 地址有多少位？可容納多少塊？地址有多少位？可容納多少塊？（2）主存地址有多少位？可容納多少塊？）主存地址有多少位？可容納多少塊？（3）在直接映射方式下，主存的第幾塊映射到）在直接映射方式下，主存的第幾塊映射到 Cache 中的第中的第 5 塊（設(shè)起始字塊

30、為第塊（設(shè)起始字塊為第 1 塊）？塊）？ 主存的第主存的第 5，64 + 5，264 + 5， ， 8192 64 + 5 塊塊 能映射到能映射到 Cache 的第的第 5 塊塊（4）畫出直接映射方式下主存地址字段中各段的位數(shù)）畫出直接映射方式下主存地址字段中各段的位數(shù) 在直接映射方式下，主存地址字段的各段位數(shù)分配在直接映射方式下，主存地址字段的各段位數(shù)分配如圖所示。其中字塊內(nèi)地址為如圖所示。其中字塊內(nèi)地址為 6 位（位（4 位表示位表示 16 個(gè)字，個(gè)字，2 位表示每字位表示每字 32 位），緩存共位），緩存共 64 塊，故緩存字塊地址為塊，故緩存字塊地址為 6 位，主存字塊標(biāo)記為主存地址長(zhǎng)

31、度與位，主存字塊標(biāo)記為主存地址長(zhǎng)度與 Cache 地址長(zhǎng)度之差，地址長(zhǎng)度之差，即即 19 - 12 = 7 位。位。 假設(shè)主存容量位假設(shè)主存容量位 512K16 位，位，Cache 容量為容量為 409616 位，位， 塊長(zhǎng)為塊長(zhǎng)為 4 個(gè)個(gè) 16 位的字，訪存地址為位的字，訪存地址為 字地址字地址。例例 根據(jù)根據(jù) Cache 容量為容量為 4K字，得字，得 Cache 字地址為字地址為 12 位。位。 根據(jù)塊長(zhǎng)為根據(jù)塊長(zhǎng)為 4，按字訪問，得字塊內(nèi)地址，按字訪問，得字塊內(nèi)地址 2 位，位， Cache 共有共有 4K/4 = 1024 塊，塊， 根據(jù)主存容量為根據(jù)主存容量為 512K，得主存字

32、地址，得主存字地址 19 位。位。 主存地址格式主存地址格式（1）在直接映射方式下，設(shè)計(jì)主存的地址格式。）在直接映射方式下，設(shè)計(jì)主存的地址格式。假設(shè)主存容量位假設(shè)主存容量位 512K16 位，位，Cache 容量為容量為 409616 位，位， 塊長(zhǎng)為塊長(zhǎng)為 4個(gè)個(gè)16 位的字，訪存地址為位的字，訪存地址為 字地址字地址。例例 （3）在二路組相聯(lián)映射方式下，設(shè)計(jì)主存的地址格式。）在二路組相聯(lián)映射方式下，設(shè)計(jì)主存的地址格式。 二路組相聯(lián)，即一組內(nèi)有二路組相聯(lián)，即一組內(nèi)有 2 塊，塊，Cache共分共分 1024 塊塊 1024/2 = 512 組，組，29 = 512，組地址，組地址 9 位位（

33、2）在全相聯(lián)映射方式下，設(shè)計(jì)主存的地址格式。）在全相聯(lián)映射方式下，設(shè)計(jì)主存的地址格式。假設(shè)主存容量位假設(shè)主存容量位 512K16 位，位，Cache容量為容量為 409616 位，位， 塊長(zhǎng)為塊長(zhǎng)為 4個(gè)個(gè) 16 位的字，訪存地址為位的字，訪存地址為 字地址字地址。例例 根據(jù)塊長(zhǎng)不變根據(jù)塊長(zhǎng)不變 4 個(gè)個(gè)16 位的字位的字 訪存地址仍為字（訪存地址仍為字（16 位）地址位）地址 容量為容量為 512K32 位位 相當(dāng)于容量為相當(dāng)于容量為 1024K16 位位 得主存地址得主存地址 20 位位 四路組相聯(lián)，即一組內(nèi)四路組相聯(lián)，即一組內(nèi) 4 塊塊 Cache共有共有1024/4 = 256 組組

34、28 = 256 組地址為組地址為 8 位位（4）主存容量為）主存容量為 512K32 位，塊長(zhǎng)不變，在四路組相聯(lián)映射位，塊長(zhǎng)不變，在四路組相聯(lián)映射 方式下，設(shè)計(jì)主存的地址格式。方式下，設(shè)計(jì)主存的地址格式。1. .主機(jī)與主機(jī)與 I/O 交換信息的三種控制方式交換信息的三種控制方式重點(diǎn)重點(diǎn)三種方式的三種方式的 CPU 工作效率比較工作效率比較存取周期結(jié)束存取周期結(jié)束CPU 執(zhí)行現(xiàn)行程序執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU 執(zhí)行現(xiàn)行程序執(zhí)行現(xiàn)行程序DMA請(qǐng)求請(qǐng)求啟動(dòng)啟動(dòng)I/OI/O準(zhǔn)備準(zhǔn)備I/O準(zhǔn)備準(zhǔn)備一個(gè)存取周期一個(gè)存取周期實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)I/O與主存與主存之間的傳送之間的傳送CPU 執(zhí)行執(zhí)行現(xiàn)行程序現(xiàn)行程序CPU查詢等

35、待并傳輸查詢等待并傳輸I/O數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)CPU 執(zhí)行執(zhí)行現(xiàn)行程序現(xiàn)行程序啟動(dòng)啟動(dòng)I/OI/O 準(zhǔn)備及傳送準(zhǔn)備及傳送指令執(zhí)行周期結(jié)束指令執(zhí)行周期結(jié)束CPU 執(zhí)行現(xiàn)行程序執(zhí)行現(xiàn)行程序CPU 執(zhí)行現(xiàn)行程序執(zhí)行現(xiàn)行程序啟動(dòng)啟動(dòng)I/O中斷請(qǐng)求中斷請(qǐng)求I/O準(zhǔn)備準(zhǔn)備I/O準(zhǔn)備準(zhǔn)備CPU 處理中斷服務(wù)程序處理中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)實(shí)現(xiàn) I/O 與主機(jī)之間的傳送與主機(jī)之間的傳送間間斷斷啟動(dòng)啟動(dòng)I/O啟動(dòng)啟動(dòng)I/OI/O準(zhǔn)備準(zhǔn)備中斷請(qǐng)求中斷請(qǐng)求啟動(dòng)啟動(dòng)I/OI/O準(zhǔn)備準(zhǔn)備一個(gè)存取周期一個(gè)存取周期DMA請(qǐng)求請(qǐng)求程序程序查詢查詢方式方式程序程序中斷中斷方式方式DMA 方式方式I/O 準(zhǔn)備及傳送準(zhǔn)備及傳送間間斷斷I/O準(zhǔn)備準(zhǔn)備

36、I/O準(zhǔn)備準(zhǔn)備1. .主機(jī)與主機(jī)與 I/O 交換信息的三種控制方式交換信息的三種控制方式重點(diǎn)重點(diǎn)2. 程序查詢方式特點(diǎn)、接口電路、工作原理程序查詢方式特點(diǎn)、接口電路、工作原理設(shè)備選擇電路設(shè)備選擇電路DBRQQ&數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線準(zhǔn)備就緒準(zhǔn)備就緒啟動(dòng)命令啟動(dòng)命令地址線地址線SEL輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)啟動(dòng)設(shè)備啟動(dòng)設(shè)備設(shè)備工作設(shè)備工作 結(jié)束結(jié)束DB程序查詢方式的接口電路程序查詢方式的接口電路10 10以輸入為例以輸入為例1. .主機(jī)與主機(jī)與 I/O 交換信息的三種控制方式交換信息的三種控制方式重點(diǎn)重點(diǎn)2. 程序查詢方式特點(diǎn)、接口電路、工作原理程序查詢方式特點(diǎn)、接口電路、工作原理3. 程序中斷方式特點(diǎn)、

37、接口電路、工作原理程序中斷方式特點(diǎn)、接口電路、工作原理設(shè)備選擇電路設(shè)備選擇電路DBR DQ&數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線啟動(dòng)命令啟動(dòng)命令地址線地址線SEL輸入數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)啟動(dòng)設(shè)備啟動(dòng)設(shè)備設(shè)備工作設(shè)備工作 結(jié)束結(jié)束&1QQDINTR BQQ MASK設(shè)備編碼器設(shè)備編碼器排隊(duì)器排隊(duì)器中斷查詢中斷查詢來自高一級(jí)來自高一級(jí) 的排隊(duì)器的排隊(duì)器至低一級(jí)至低一級(jí)的排隊(duì)器的排隊(duì)器向量地址向量地址中斷響應(yīng)中斷響應(yīng) INTA中斷請(qǐng)求中斷請(qǐng)求命令譯碼命令譯碼I/O 中斷處理過程中斷處理過程10&DBR設(shè)備選擇電路設(shè)備選擇電路01以輸入為例以輸入為例1. .主機(jī)與主機(jī)與 I/O 交換信息的三種控制方式交換信息

38、的三種控制方式重點(diǎn)重點(diǎn)2. 程序查詢方式特點(diǎn)、接口電路、工作原理程序查詢方式特點(diǎn)、接口電路、工作原理3. 程序中斷方式特點(diǎn)、接口電路、工作原理程序中斷方式特點(diǎn)、接口電路、工作原理4. DMA 方式特點(diǎn)、接口電路、工作原理方式特點(diǎn)、接口電路、工作原理BR設(shè)備設(shè)備DMA 控控 制制 邏邏 輯輯 中中 斷斷 機(jī)機(jī) 構(gòu)構(gòu)ARWCDARDMA接口接口主主存存CPU+1+1數(shù)據(jù)傳送過程（輸入）數(shù)據(jù)傳送過程（輸入）DREQHRQHLDA地址線地址線DACK數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線溢出信號(hào)溢出信號(hào)中斷請(qǐng)求中斷請(qǐng)求ARWC+1+1BRBRBRBRBR難點(diǎn)難點(diǎn)1.1.處理處理 I/O 中斷的各類軟、硬件技術(shù)的運(yùn)用中斷的各類軟

39、、硬件技術(shù)的運(yùn)用2. .DMA 與主存交換數(shù)據(jù)的三種方法各自的特點(diǎn)與主存交換數(shù)據(jù)的三種方法各自的特點(diǎn) DMA 與主存交換數(shù)據(jù)的三種方式與主存交換數(shù)據(jù)的三種方式(1) 停止停止 CPU 訪問主存訪問主存控制簡(jiǎn)單控制簡(jiǎn)單CPU 處于不工作狀態(tài)或保持狀態(tài)處于不工作狀態(tài)或保持狀態(tài)未充分發(fā)揮未充分發(fā)揮 CPU 對(duì)主存的利用率對(duì)主存的利用率主存工作時(shí)間主存工作時(shí)間CPU不執(zhí)行程序不執(zhí)行程序DMA不工作不工作DMA不工作不工作DMA工作工作 CPU控制控制并使用主存并使用主存 DMA控制控制并使用主存并使用主存t(2) 周期挪用（或周期竊取）周期挪用（或周期竊?。〥MA 訪問主存有三種可能訪問主存有三種可能

40、 CPU 此時(shí)不訪存此時(shí)不訪存 CPU 正在訪存正在訪存 CPU 與與 DMA 同時(shí)請(qǐng)求訪存同時(shí)請(qǐng)求訪存此時(shí)此時(shí) CPU 將總線控制權(quán)讓給將總線控制權(quán)讓給 DMA主存工作時(shí)間主存工作時(shí)間 CPU控制控制并使用主存并使用主存 DMA控制控制并使用主存并使用主存t(3) DMA 與與 CPU 交替訪問交替訪問主存工作時(shí)間主存工作時(shí)間DMA控制控制并使用主存并使用主存CPU控制控制并使用主存并使用主存tCPU 工作周期工作周期C1 專供專供 DMA 訪存訪存C2 專供專供 CPU 訪存訪存所有指令執(zhí)行過程中的一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間所有指令執(zhí)行過程中的一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間不需要不需要 申請(qǐng)建立和歸還申請(qǐng)建立和歸還 總線

41、的使用權(quán)總線的使用權(quán)難點(diǎn)難點(diǎn)1.1.處理處理 I/O 中斷的各類軟、硬件技術(shù)的運(yùn)用中斷的各類軟、硬件技術(shù)的運(yùn)用2. .DMA 與主存交換數(shù)據(jù)的三種方法各自的特點(diǎn)與主存交換數(shù)據(jù)的三種方法各自的特點(diǎn) 3. DMA 傳送過程傳送過程 預(yù)處理預(yù)處理 數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送 后處理后處理 預(yù)處理預(yù)處理：主存起始地址主存起始地址設(shè)備地址設(shè)備地址 傳送數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)傳送數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)啟動(dòng)設(shè)備啟動(dòng)設(shè)備DMADMADMA數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送：繼續(xù)執(zhí)行主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序同時(shí)完成一批數(shù)據(jù)傳送同時(shí)完成一批數(shù)據(jù)傳送后處理后處理：中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序做做 DMA 結(jié)束處理結(jié)束處理繼續(xù)執(zhí)行主程序繼續(xù)執(zhí)行主程序CPU DMA 傳送過程示意傳

42、送過程示意允許傳送？允許傳送？主存地址送總線主存地址送總線數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)送I/O設(shè)備（或主存設(shè)備（或主存 ）修改修改 主存地址主存地址修改修改 字計(jì)數(shù)器字計(jì)數(shù)器 數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)塊傳送結(jié)束？傳送結(jié)束？向向CPU申請(qǐng)申請(qǐng) 程序中斷程序中斷DMA請(qǐng)求請(qǐng)求否否否否是是是是數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送難點(diǎn)難點(diǎn)1.1.處理處理 I/O 中斷的各類軟、硬件技術(shù)的運(yùn)用中斷的各類軟、硬件技術(shù)的運(yùn)用2. .DMA 與主存交換數(shù)據(jù)的三種方法各自的特點(diǎn)與主存交換數(shù)據(jù)的三種方法各自的特點(diǎn) 3. DMA 傳送過程傳送過程 預(yù)處理預(yù)處理 數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送 后處理后處理 4. 周期竊取的含義周期竊取的含義 5. .CPU 響應(yīng)中斷請(qǐng)求和響應(yīng)中斷

43、請(qǐng)求和 DMA 請(qǐng)求的時(shí)間請(qǐng)求的時(shí)間 1. .機(jī)器中有符號(hào)數(shù)和無符號(hào)數(shù)的表示，機(jī)器中有符號(hào)數(shù)和無符號(hào)數(shù)的表示，0 0 的表示的表示重點(diǎn)重點(diǎn)2. 各種機(jī)器數(shù)（原碼、補(bǔ)碼、反碼、移碼）的各種機(jī)器數(shù)（原碼、補(bǔ)碼、反碼、移碼）的 應(yīng)用場(chǎng)合及其它們與真值的相互轉(zhuǎn)換應(yīng)用場(chǎng)合及其它們與真值的相互轉(zhuǎn)換如：寄存器的內(nèi)容為如：寄存器的內(nèi)容為 FF，當(dāng)其分別表示為原碼、，當(dāng)其分別表示為原碼、補(bǔ)碼、補(bǔ)碼、 反碼、移碼時(shí)所對(duì)應(yīng)的真值分別為多少反碼、移碼時(shí)所對(duì)應(yīng)的真值分別為多少例例00000000000000010000001001111111100000001000000111111101111111101111111

44、1128129-0-1-128-127-127-126二進(jìn)制代碼二進(jìn)制代碼 無符號(hào)數(shù)無符號(hào)數(shù)對(duì)應(yīng)的真值對(duì)應(yīng)的真值原碼對(duì)應(yīng)原碼對(duì)應(yīng) 的真值的真值補(bǔ)碼對(duì)應(yīng)補(bǔ)碼對(duì)應(yīng) 的真值的真值反碼對(duì)應(yīng)反碼對(duì)應(yīng) 的真值的真值012127253254255-125-126-127-3-2-1-2-1-0+0+1+2+127+0+1+2+127+0+1+2+127+0 設(shè)機(jī)器數(shù)字長(zhǎng)為設(shè)機(jī)器數(shù)字長(zhǎng)為 8 位（其中位為符號(hào)位）位（其中位為符號(hào)位）對(duì)于整數(shù)，當(dāng)其分別代表無符號(hào)數(shù)、原碼、補(bǔ)碼和對(duì)于整數(shù)，當(dāng)其分別代表無符號(hào)數(shù)、原碼、補(bǔ)碼和反碼時(shí)，對(duì)應(yīng)的真值范圍各為多少？反碼時(shí)，對(duì)應(yīng)的真值范圍各為多少？3. .機(jī)器字長(zhǎng)確定以后，對(duì)

45、應(yīng)定點(diǎn)機(jī)和浮點(diǎn)機(jī)中機(jī)器字長(zhǎng)確定以后，對(duì)應(yīng)定點(diǎn)機(jī)和浮點(diǎn)機(jī)中 各種機(jī)器數(shù)的表示范圍各種機(jī)器數(shù)的表示范圍 重點(diǎn)重點(diǎn) 定點(diǎn)表示定點(diǎn)表示小數(shù)點(diǎn)按約定方式標(biāo)出小數(shù)點(diǎn)按約定方式標(biāo)出Sf S1S2 Sn數(shù)符數(shù)符數(shù)值部分?jǐn)?shù)值部分小數(shù)點(diǎn)位置小數(shù)點(diǎn)位置Sf S1S2 Sn數(shù)符數(shù)符數(shù)值部分?jǐn)?shù)值部分小數(shù)點(diǎn)位置小數(shù)點(diǎn)位置或或定點(diǎn)機(jī)定點(diǎn)機(jī)小數(shù)定點(diǎn)機(jī)小數(shù)定點(diǎn)機(jī)整數(shù)定點(diǎn)機(jī)整數(shù)定點(diǎn)機(jī)原碼原碼補(bǔ)碼補(bǔ)碼反碼反碼(1 2-n) +(1 2-n) 1 +(1 2-n)(1 2-n) +(1 2-n)(2n 1) +( 2n 1) 2n +( 2n 1)(2n 1) +( 2n 1)負(fù)數(shù)區(qū)負(fù)數(shù)區(qū)正數(shù)區(qū)正數(shù)區(qū)下溢下溢0上溢上溢上溢上溢2(

46、2m1)( 1 2n)2( 2m1)(1 2n)2( 2m1)2n最小負(fù)數(shù)最小負(fù)數(shù)最大正數(shù)最大正數(shù)最小正數(shù)最小正數(shù)2( 2m1)2n最大負(fù)數(shù)最大負(fù)數(shù)最大正數(shù)最大正數(shù)最小正數(shù)最小正數(shù)最大負(fù)數(shù)最大負(fù)數(shù)最小負(fù)數(shù)最小負(fù)數(shù)215(1 210)215 210215 210 215(1 210)0,1111; 0.11111111111,0001; 0.00000000011,0001; 1.11111111110,1111; 1.0000000001真值真值補(bǔ)碼補(bǔ)碼 設(shè)設(shè) n = 10，m = 4， 階符、數(shù)符各取階符、數(shù)符各取 1位。位。 寫出對(duì)應(yīng)下圖所示的浮點(diǎn)數(shù)的補(bǔ)碼形式。寫出對(duì)應(yīng)下圖所示的浮點(diǎn)數(shù)的補(bǔ)

47、碼形式。 浮點(diǎn)表示浮點(diǎn)表示3. .機(jī)器字長(zhǎng)確定以后，對(duì)應(yīng)定點(diǎn)機(jī)和浮點(diǎn)機(jī)中機(jī)器字長(zhǎng)確定以后，對(duì)應(yīng)定點(diǎn)機(jī)和浮點(diǎn)機(jī)中 各種機(jī)器數(shù)的表示范圍各種機(jī)器數(shù)的表示范圍 重點(diǎn)重點(diǎn)4. 移位運(yùn)算在計(jì)算機(jī)中的特殊作用，以及不同移位運(yùn)算在計(jì)算機(jī)中的特殊作用，以及不同 機(jī)器數(shù)的移位規(guī)則機(jī)器數(shù)的移位規(guī)則 5. 定點(diǎn)補(bǔ)碼加、減、乘（定點(diǎn)補(bǔ)碼加、減、乘（BoothBooth算法）、除運(yùn)算算法）、除運(yùn)算 和原碼乘除運(yùn)算和原碼乘除運(yùn)算 6. .浮點(diǎn)補(bǔ)碼加減運(yùn)算浮點(diǎn)補(bǔ)碼加減運(yùn)算 重點(diǎn)重點(diǎn)7. 提高運(yùn)算速度的措施提高運(yùn)算速度的措施8. 快速進(jìn)位鏈的設(shè)計(jì)快速進(jìn)位鏈的設(shè)計(jì) 高速芯片、改進(jìn)算法、快速進(jìn)位鏈高速芯片、改進(jìn)算法、快速進(jìn)位鏈

48、1. .機(jī)器字長(zhǎng)相同的條件下，機(jī)器字長(zhǎng)相同的條件下， 補(bǔ)碼比原碼和反碼能多表示一個(gè)負(fù)數(shù)補(bǔ)碼比原碼和反碼能多表示一個(gè)負(fù)數(shù) 難點(diǎn)難點(diǎn)2. 區(qū)分浮點(diǎn)數(shù)和補(bǔ)碼表示的浮點(diǎn)規(guī)格化數(shù)區(qū)分浮點(diǎn)數(shù)和補(bǔ)碼表示的浮點(diǎn)規(guī)格化數(shù) 設(shè)設(shè) 32 位的浮點(diǎn)數(shù)，階碼取位的浮點(diǎn)數(shù)，階碼取 8 位（含位（含1 位階符位階符 ）尾數(shù)為尾數(shù)為 24 位位 （含（含1 1 位數(shù)符位數(shù)符 ）則它們的表示范圍是則它們的表示范圍是浮點(diǎn)規(guī)格化數(shù)浮點(diǎn)規(guī)格化數(shù)補(bǔ)碼表示的補(bǔ)碼表示的浮點(diǎn)規(guī)格化數(shù)浮點(diǎn)規(guī)格化數(shù)最大正數(shù)最大正數(shù)最小正數(shù)最小正數(shù)最大負(fù)數(shù)最大負(fù)數(shù)最小負(fù)數(shù)最小負(fù)數(shù)2+127(1-2-23)2+127(1-2-23)2-1272-12-1282-1

49、- 2-1272-1- 2-128(2-1+2-23) - 2+127(1-2-23)2+127(-1)1. .機(jī)器字長(zhǎng)相同的條件下，機(jī)器字長(zhǎng)相同的條件下， 補(bǔ)碼比原碼和反碼能多表示一個(gè)負(fù)數(shù)補(bǔ)碼比原碼和反碼能多表示一個(gè)負(fù)數(shù) 難點(diǎn)難點(diǎn)2. 區(qū)分浮點(diǎn)數(shù)和補(bǔ)碼表示的浮點(diǎn)規(guī)格化數(shù)區(qū)分浮點(diǎn)數(shù)和補(bǔ)碼表示的浮點(diǎn)規(guī)格化數(shù) 3. .在定點(diǎn)機(jī)和浮點(diǎn)機(jī)中，如何判斷運(yùn)算結(jié)果溢出在定點(diǎn)機(jī)和浮點(diǎn)機(jī)中，如何判斷運(yùn)算結(jié)果溢出溢出判斷溢出判斷一位一位 符號(hào)位判溢出符號(hào)位判溢出兩位兩位 符號(hào)位判溢出符號(hào)位判溢出(1) 定點(diǎn)機(jī)定點(diǎn)機(jī)(2) 浮點(diǎn)機(jī)浮點(diǎn)機(jī)階碼階碼 大于大于 它所表示的它所表示的 最大數(shù)最大數(shù) 時(shí)，為時(shí)，為 溢出溢出（

50、上溢）（上溢）階碼階碼 等于等于 或或 小于小于 它所表示的它所表示的 最小數(shù)最小數(shù) 時(shí)，時(shí)，按按 機(jī)器零機(jī)器零 處理（下溢）處理（下溢）1. .機(jī)器字長(zhǎng)相同的條件下，機(jī)器字長(zhǎng)相同的條件下， 補(bǔ)碼比原碼和反碼能多表示一個(gè)負(fù)數(shù)補(bǔ)碼比原碼和反碼能多表示一個(gè)負(fù)數(shù) 難點(diǎn)難點(diǎn)2. 區(qū)分浮點(diǎn)數(shù)和補(bǔ)碼表示的浮點(diǎn)規(guī)格化數(shù)區(qū)分浮點(diǎn)數(shù)和補(bǔ)碼表示的浮點(diǎn)規(guī)格化數(shù) 3. .在定點(diǎn)機(jī)和浮點(diǎn)機(jī)中，如何判斷運(yùn)算結(jié)果溢出在定點(diǎn)機(jī)和浮點(diǎn)機(jī)中，如何判斷運(yùn)算結(jié)果溢出4. 原碼和補(bǔ)碼乘除法運(yùn)算的根本區(qū)別原碼和補(bǔ)碼乘除法運(yùn)算的根本區(qū)別難點(diǎn)難點(diǎn)5. 區(qū)別補(bǔ)碼和絕對(duì)值的補(bǔ)碼區(qū)別補(bǔ)碼和絕對(duì)值的補(bǔ)碼 -x補(bǔ)補(bǔ) 和和 -x*補(bǔ)補(bǔ)（x*是真值是真值

51、 x 的絕對(duì)值）的絕對(duì)值） 6. 不同的機(jī)器數(shù)運(yùn)算規(guī)則不同，直接影響運(yùn)算器不同的機(jī)器數(shù)運(yùn)算規(guī)則不同，直接影響運(yùn)算器 的硬件組成的硬件組成7. 浮點(diǎn)數(shù)的階碼采用移碼運(yùn)算時(shí)，其階碼運(yùn)算規(guī)則浮點(diǎn)數(shù)的階碼采用移碼運(yùn)算時(shí)，其階碼運(yùn)算規(guī)則 和溢出判斷規(guī)則與補(bǔ)碼運(yùn)算是不同的和溢出判斷規(guī)則與補(bǔ)碼運(yùn)算是不同的1. .指令系統(tǒng)的幾個(gè)要素指令系統(tǒng)的幾個(gè)要素 操作類型、數(shù)據(jù)類型、地址格式和尋址方式操作類型、數(shù)據(jù)類型、地址格式和尋址方式重點(diǎn)重點(diǎn)2. 機(jī)器指令的一般格式機(jī)器指令的一般格式 指令定長(zhǎng)指令定長(zhǎng) 指令不定長(zhǎng)（字節(jié)的整數(shù)倍）指令不定長(zhǎng)（字節(jié)的整數(shù)倍） 指令字中各字段的作用指令字中各字段的作用3. .不同的地址格式

52、對(duì)訪存次數(shù)、尋址范圍的影響不同的地址格式對(duì)訪存次數(shù)、尋址范圍的影響重點(diǎn)重點(diǎn)4. 不同的尋址方式對(duì)操作數(shù)的尋址范圍、信息加不同的尋址方式對(duì)操作數(shù)的尋址范圍、信息加 工流程、所需的硬件支持及編制程序的影響工流程、所需的硬件支持及編制程序的影響5. RISC 的主要特點(diǎn)及其與的主要特點(diǎn)及其與 CISC 的區(qū)別的區(qū)別1. .掌握設(shè)計(jì)指令格式的方法掌握設(shè)計(jì)指令格式的方法難點(diǎn)難點(diǎn) 某模型機(jī)共有某模型機(jī)共有64種操作，操作碼位數(shù)固定，且具有種操作，操作碼位數(shù)固定，且具有 以下特點(diǎn)以下特點(diǎn)：（1）采用一地址或二地址格式；）采用一地址或二地址格式；（2）有寄存器尋址、直接尋址和相對(duì)尋址（位移量）有寄存器尋址、直

53、接尋址和相對(duì)尋址（位移量 為為 128 + 127）三種尋址方式；）三種尋址方式；（3）有）有16個(gè)通用寄存器，算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的個(gè)通用寄存器，算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的 操作數(shù)均在寄存器中，結(jié)果也在寄存器中操作數(shù)均在寄存器中，結(jié)果也在寄存器中；（4）取數(shù)）取數(shù)/存數(shù)指令在通用寄存器和存儲(chǔ)器之間傳送存數(shù)指令在通用寄存器和存儲(chǔ)器之間傳送 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)；（5）存儲(chǔ)器容量為）存儲(chǔ)器容量為 1MB，按字節(jié)編址。，按字節(jié)編址。 要求設(shè)計(jì)算邏指令、取數(shù)要求設(shè)計(jì)算邏指令、取數(shù)/ /存數(shù)指令和相對(duì)轉(zhuǎn)移指令存數(shù)指令和相對(duì)轉(zhuǎn)移指令 的格式，并簡(jiǎn)述理由的格式，并簡(jiǎn)述理由。例例 （1）算邏指令格式為算邏指令格式為 “寄存器寄

54、存器 寄存器寄存器” 型，型， 取單字長(zhǎng)取單字長(zhǎng) 16 位。位。其中其中 OP 操作碼操作碼 6 位，可實(shí)現(xiàn)位，可實(shí)現(xiàn) 64 種操作；種操作； M 尋址模式尋址模式 2 位，可反映寄存器尋址、位，可反映寄存器尋址、 直接尋址、相對(duì)尋址；直接尋址、相對(duì)尋址； Ri 和和 Rj各取各取 4 位，指出源操作數(shù)和目的操作數(shù)位，指出源操作數(shù)和目的操作數(shù) 的寄存器編號(hào)。的寄存器編號(hào)。RjRiMOP 6 2 4 4解：解：（2）取數(shù)）取數(shù)/存數(shù)指令格式為存數(shù)指令格式為 “寄存器寄存器 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器” 型，取雙字長(zhǎng)型，取雙字長(zhǎng) 32 位，格式如下：位，格式如下：其中其中 OP 操作碼操作碼 6 位不變；位不變

55、； M 尋址模式尋址模式 2 位不變；位不變； Ri 4 位，源操作數(shù)地址（存數(shù)指令）或目的位，源操作數(shù)地址（存數(shù)指令）或目的 操作數(shù)地址（取數(shù)指令）；操作數(shù)地址（取數(shù)指令）； A1A2共共 20 位存儲(chǔ)器地址，可直接訪問按位存儲(chǔ)器地址，可直接訪問按 字節(jié)編址的字節(jié)編址的 1MB 存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器。A2A1RiMOP 6 2 4 4解：解：（3）相對(duì)轉(zhuǎn)移指令為一地址格式，取單字長(zhǎng)）相對(duì)轉(zhuǎn)移指令為一地址格式，取單字長(zhǎng) 16 位，格式如下：位，格式如下：其中其中 OP 操作碼操作碼 6 位不變；位不變； M 尋址模式尋址模式 2 位不變；位不變； A位移量位移量 8 位，對(duì)應(yīng)位，對(duì)應(yīng) 128 +12

56、7。AMOP 6 2 8解：解：2. .擴(kuò)展操作碼技術(shù)的運(yùn)用擴(kuò)展操作碼技術(shù)的運(yùn)用難點(diǎn)難點(diǎn)1. .掌握設(shè)計(jì)指令格式的方法掌握設(shè)計(jì)指令格式的方法 擴(kuò)展操作碼技術(shù)擴(kuò)展操作碼技術(shù)操作碼的位數(shù)隨地址數(shù)的減少而增加操作碼的位數(shù)隨地址數(shù)的減少而增加OP A1 A2 A3000000011110A1A1A1A2A2A2A3A3A3A2A2A2A3A3A3111111111111000000011110111111111111111111111111111111111111000000011111111111111111111111111111A3A3A30000000111104 位操作碼位操作碼8 位操作碼

57、位操作碼12 位操作碼位操作碼16 位操作碼位操作碼最多最多15條三地址指令條三地址指令最多最多15條二地址指令條二地址指令最多最多15條一地址指令條一地址指令16條零地址指令條零地址指令 擴(kuò)展操作碼技術(shù)擴(kuò)展操作碼技術(shù)操作碼的位數(shù)隨地址數(shù)的減少而增加操作碼的位數(shù)隨地址數(shù)的減少而增加OP A1 A2 A3000000011110A1A1A1A2A2A2A3A3A3A2A2A2A3A3A3111111111111000000011110111111111111111111111111111111111111000000011111111111111111111111111111A3A3A30000

58、000111104 位操作碼位操作碼8 位操作碼位操作碼12 位操作碼位操作碼16 位操作碼位操作碼三地址指令操作碼三地址指令操作碼每減少一種可多構(gòu)成每減少一種可多構(gòu)成24 種二地址指令種二地址指令二地址指令操作碼二地址指令操作碼每減少一種可多構(gòu)成每減少一種可多構(gòu)成24 種一地址指令種一地址指令3. .在可按字節(jié)和字尋址的存儲(chǔ)器中，不同的在可按字節(jié)和字尋址的存儲(chǔ)器中，不同的 機(jī)器，其數(shù)據(jù)的存放方式是不同的機(jī)器，其數(shù)據(jù)的存放方式是不同的4. 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) “ “邊界對(duì)準(zhǔn)邊界對(duì)準(zhǔn)” ” 方式和方式和 “ “邊界不對(duì)準(zhǔn)邊界不對(duì)準(zhǔn)” ” 方式方式 對(duì)訪存操作的影響對(duì)訪存操作的影響難點(diǎn)難點(diǎn)2. .擴(kuò)展操作碼

59、技術(shù)的運(yùn)用擴(kuò)展操作碼技術(shù)的運(yùn)用1. .掌握設(shè)計(jì)指令格式的方法掌握設(shè)計(jì)指令格式的方法存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)存放（存儲(chǔ)字長(zhǎng)為存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)存放（存儲(chǔ)字長(zhǎng)為 32 位）位）地址（十進(jìn)制）地址（十進(jìn)制）048字節(jié)字節(jié)( 地址地址7)字節(jié)字節(jié)( 地址地址6)字字( 地址地址2)半字半字( 地址地址10)半字半字( 地址地址8)半字半字( 地址地址0)字字( 地址地址4)邊界未對(duì)準(zhǔn)邊界未對(duì)準(zhǔn)地址（十進(jìn)制）地址（十進(jìn)制） 0 4 812162024283236雙字雙字雙字（地址雙字（地址32）雙字雙字雙字（地址雙字（地址24）半字（地址半字（地址20）半字（地址半字（地址22）半字（地址半字（地址16）半字（地址半

60、字（地址18）字節(jié)（地址字節(jié)（地址 8）字節(jié)（地址字節(jié)（地址 9）字節(jié)（地址字節(jié)（地址10）字節(jié)（地址字節(jié)（地址11）字（地址字（地址 4）字（地址字（地址 0）字節(jié)（地址字節(jié)（地址14） 字節(jié)（地址字節(jié)（地址15）字節(jié)（地址字節(jié)（地址13） 字節(jié)（地址字節(jié)（地址12）邊界對(duì)準(zhǔn)邊界對(duì)準(zhǔn) 1. .CPU 的功能和硬件組成的功能和硬件組成重點(diǎn)重點(diǎn)2. CPU 工作周期和指令周期的概念工作周期和指令周期的概念3. 一個(gè)完整的指令周期中的信息流程一個(gè)完整的指令周期中的信息流程1. 取指周期數(shù)據(jù)流取指周期數(shù)據(jù)流指令周期的數(shù)據(jù)流指令周期的數(shù)據(jù)流MDRCUMARPCIR存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器CPU地址總線地址總線數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線控制總線控制總線IR+1