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文档简介

Chapter5,ComputerOrganization,Afterreadingthischapter,thereadershouldbeableto:,OBJECTIVES,Continuedonthenextslide,OBJECTIVES(continued),Contents,vonNeumannmodel,Howtoconnectdifferentcomponents?,Figure5-1,Computerhardware(subsystems),CENTRALPROCESSINGUNIT(CPU),5.1,Figure5-2,CPU,Thearithmeticlogicunit(ALU)performsArithmeticOperation;LogicOperation.,ALU,Registersarefaststand-alonestoragelocationsthatholddatatemporarily.,Registers,DataRegister:R1R2R3Instructionregister:IProgramCounter:PC,Controllingisachievedthroughwiresthatcanbeonoroff.,ControlUnit,MAINMEMORY,5.2,Figure5-3,Mainmemory,Addressspace,Table5.1Memoryunits,Unit-kilobytemegabytegigabyteterabytepetabyteexabyte,ExactNumberofbytes-210bytes220bytes230bytes240bytes250bytes260bytes,Approximation-103bytes106bytes109bytes1012bytes1015bytes1018bytes,word:Dataaretransferredtoandfrommemoryingroupsofbitscalledwords.Byte:8bitsword.,Whatsthedifferencebetweenawordandabyte?,Memoryaddressesaredefinedusingunsignedbinaryintegers.,Note:,Example1,Acomputerhas32MB(megabytes)ofmemory.Howmanybitsareneededtoaddressanysinglebyteinmemory?,Solution,Thememoryaddressspaceis32MB,or225(25x220).Thismeansyouneedlog2225or25bits,toaddresseachbyte.,8Bmemoryneed3bitstoaddress.,Example2,Acomputerhas128MBofmemory.Eachwordinthiscomputeris8bytes.Howmanybitsareneededtoaddressanysinglewordinmemory?,Solution,Thememoryaddressspaceis128MB(227).However,eachwordis8(23)bytes,whichmeansthatyouhave224words.Thismeansyouneedlog2224or24bits,toaddresseachword.,Twotypesofmemory:RAMandROM.RAM(randomaccessmemory):(1)RAMcanbereadfromandwrittentobytheuser.(2)RAMisvolatile.SRAM(staticRAM):flip-flopgates,noneedforrefreshing.DRAM(dynamicRAM):capacitor.needtoberefreshedperiodically.,MemoryTypes,ROM:(Read-onlymemory)(1)TheuserisallowedtoreadbutnotwritetoROM.(2)ROMisnonvolatile.PROM:EPROM:EEPROM:,MemoryTypes,Figure5-4,Memoryhierarchy,Figure5-5,Cache,INPUT/OUTPUT,5.3,Input/Outputdevicescanbedividedintotwobroadcategories:nonstorageandstoragedevices.NonstoragedevicesallowtheCPU/memorytocommunicatewiththeoutsideworldbuttheycannotstoreinformation.,Nonstoragedevices,Storagedevices,althoughclassifiedasI/Odevices,canstorelargeamountsofinformationtoberetrievedatalatertime.Wecategorizethemaseithermagneticoroptical.,Storagedevices,MagneticStorageDevices,MagneticStorageDevices,Figure5-6,Physicallayoutofamagneticdisk,Figure5-7,Surfaceorganizationofadisk,Figure5-8,Mechanicalconfigurationofatape,磁带卷轴,收带卷轴,Figure5-9,Surfaceorganizationofatape,CD-ROMCD-RCD-RWDVD,OpticalStorageDevices,Table5.2CD-ROMspeeds,Speed-1x2x4x6x8x12x16x24x32x40 x,DataRate-153,600bytespersecond307,200bytespersecond614,400bytespersecond921,600bytespersecond1,228,800bytespersecond1,843,200bytespersecond2,457,600bytespersecond3,688,400bytespersecond4,915,200bytespersecond6,144,000bytespersecond,Approximation-150KB/s300KB/s600KB/s900KB/s1.2MB/s1.8MB/s2.4MB/s3.6MB/s4.8MB/s6MB/s,Table5.3DVDcapacities,Feature-single-sided,single-layersingle-sided,dual-layerdouble-sided,single-layerdouble-sided,dual-layer,Capacity-4.7GB8.5GB9.4GB17GB,SUBSYSTEMINTERCONNECTION,5.4,Figure5-14,ConnectingCPUandmemoryusingthreebuses,Figure5-15,ConnectingI/Odevicestothebuses,Controllersorinterface:canbeaserialorparalleldevice.Aserialcontrollerhasonlyonewireconnectiontothedevice.Aparallelcontrollerhasseveralconnectionstothedevicesothatseveralbitscanbetransferredatatime.,Controllers,SCSIcontroller,FireWirecontroller,USBcontroller,IsolatedI/Oaddressing,Memory-mappedI/Oaddressing,PROGRAMEXECUTION,5.5,Figure5-21,Stepsofacycle,Machinecycle,4Machinecycle,Contentsofmemoryandregisterbeforeexecution,Memory,AMachineCycleExample1,Contentsofmemoryandregistersaftereachcycle,Memory,Contentsofmemoryandregistersaftereachcycle,Memory,Contentsofmemoryandregistersaftereachcycle,Memory,Contentsofmemoryandregistersaftereachcycle,Memory,MOVAL,07HADDAL,04HMOV20H,AL,AMachineCycleExample2,Figure5-24,ProgrammedI/O,Figure5-25,Interrupt-drivenI/O,DMAconnectiontothegeneralbus,DMAinput/output,TWODIFFERENTARCHITECTURES,5.6,ThestrategybehindCISC(complexinstructionsetcomputer)architectureistohavealargesetofinstructions,includingthecomplexones.ThestrategybehindRISC(reducedinstructionsetcomputer)architectureistohaveasmallsetofinstructionsthatdominimumnumberofsimpleoperations.,Twodifferentarchitecture-CISCandRISC,指令(instruction)控制计算机执行特定的算术、逻辑或控制运算的命令。一条指令可以分两部分:操作码(opcode)和地址码(operands).0110000010000001ADDREG2REG1CPU可以执行的全部指令称为Instructionset(指令集).,Twodifferentarchitecture,一个简单的微机指令集(部分),Twodifferentarchitecture,Keyterms,CISC(complexinstructionsetcomputer):复杂指令集计算机。RISC(reducedinstructionsetcomputer):精简指令集计算机。,Keyterms,addressbus(地址总线)addressspace(地址空间)arithmeticlogicunit(算术逻辑单元,ALU)bitpattern(位模式)cachememory(高速缓冲存储器)centralprocessingunit(中央处理单元,CPU)Compactdiscread-onlymemory(只读光盘存储器,CD-ROM),Keyterms,compactdiscrecordable(可刻录光盘,CD-R)compactdiscrewritable(可重写光盘,CD-RW)complexinstructionsetcomputer(复杂指令集计算机,CISC)controlbus(控制总线)Controlunit(控制单元)databus(数据总线)dataregister(数据寄存器),Keyterms,digitalversatiledisc(数字多功能光盘,DVD)directmemoryaccess(可重写光盘,DMA)dynamicRAM(动态RAM,DRAM)execute(执行)fetch(取指令)firewire(火线)Input/outputcontroller(输入/输出控制器)Input/outputsubsystem(输入/输出子系统),Keyterms,instructionregister(指令寄存器)interruptdrivenI/O(中断控制输入输出)isolatedI/O(I/O独立寻址)machinecycle(机器周期)magneticdisk(磁盘)mainmemory(主存)MemorymappedI/O(存储器映射寻址),Keyterms,Mainmemory(主存储器):存储单元的集合。Address(地址):用来区别每一个存储单元的唯一的标识符。Addressspace(地址空间):所有在存储器中可标识的独立地址单元的总数。Bitpattern(位模式):由二进制数0和1组成的一个序列。,Keyterms,Randomaccessmemory(随机存取存储器,RAM):主存的主要组成部分。volatile(易失性)StaticRAM(静态RAM)flip-flopgate(触发器门电路)DynamicRAM(动态RAM)capacitor(电容),Keyterms,Read-onlymemory(只读存储器,ROM)programmableread-onlymemory(PROM):可编程只读存储器Erasableprogrammableread-onlymemory(EPROM):可擦除可编程只读存储器Electronicallyerasableprogrammableread-onlymemory(EEPROM):电可擦除可编程只读存储器,Keyterms,Memoryhierarchy:存储器的层次结构Cachememory:高速缓冲存储器80-20rule:指计算机通常会花费80%的时间来读取20%的数据,Keyterms,Input/outputsubsystem(输入输出子系统):使计算机与外部世界进行沟通的设备的集合。nonstoragedevice(非存储设备)storagedevice(存储设备)keyboard(键盘)Monitor(监视器)Printer(打印机),Keyterms,Magneticstoragedevice(磁介质存储设备)Magneticdisk(磁盘)Read/writeheader(读写磁头)Surfaceorganization(表面结构):track(磁道)、sector(扇区)Dataaccess(数据存取),Keyterms,performance(性能)Rotationalspeed(角速度):磁盘的旋转速度Seektime(寻道时间):读写磁头寻找数据所在的磁道的时间。Transfertime(传送时间):将数据从磁盘移到CPU/内存所需要的时间,Keyterms,Opticalstoragedevice(光介质存储设备):使用激光技术来存取数据。CD-ROM(compactdiscread-onlymemory,只读光盘)Masterdisc(主盘):使用高能红外激光在塑料涂层上刻写位模式来制造主盘。(pit:坑land:纹间表面)Polycarbonateresin(聚碳酸酯数脂):Aluminum(铝):作为反射层材料。Reading:CD-ROM依靠来自计算机光驱的低能激光束读信息。,Keyterms,CD-R(compactdiscrecordable,可刻录光盘)Polycarbonateresin(聚碳酸酯数脂):Gold(金):反射层材料Creation:刻录机产生的高能激光束在染料(dye)层上烧制深色的点,用来模拟坑,没有被激光照射的区域就是纹间表面(land)。,Keyterms,CD-RW(compactdiscrewritable,可重写光盘)(creation)AnalloyofSilver、indium、antimony、tellurium:银、锢、锑、碲的合金。(read)lowpowerlaser:低能激光束(erase)amedium-powerlaser:中等能量的激光束,Keyterms,DVD(digitalversatiledisc,数字多功能光盘)Thepitsaresmaller:坑更小Thetracksareclosertoeachother:磁道间更紧密Thebeamisredlaserinsteadofinfrared:用红激光代替红外激光,Keyterms,bus(总线):系统中各个部件信息交换的公共通道Databus(数据总线):addressbus(地址总线)Controlbus(控制总线),Keyterms,I/Ocontroller/interface(I/O控制器或接口):将I/O设备连接到总线上。Serialcontroller:串行控制器,只有一根线连接到设备上。Parallelcontroller:并行控制器,有数根线连接到设备上。SCSI(smallcomputersysteminterface):小型计算机系统接口,是一个8、16或32的并行接口。FireWire(火线):IEEE标准1394规定的串行接口。USB(Universalserialbuscontroller):通用串行总线控制器。,Keyterms,IsolatedI/O(I/O独立寻址):用来读/写主存的指令与用来读/写输入输出设备的指令是完全不同的。Memory-mappedI/O(I/O存储器映射寻址):CPU将输入/输出控制器中的每一个寄存器都看成是主存中的字。,Keyterms,Programexecution(程序执行)Machinecycle(机器周期)fetch(取指令):控制单元命令系统将下一条要执行的指令复制到CPU的指令寄存器中。被复制指令的地址保存在PC(程序计数器)中。复制完成后,PC自动加1指向内存中的下一指令。decode(译码):由控制单元进行译码,产生系统可以执行的二进制代码。execute(执行):控制单元发送工作命令到CPU的某个部件,进行具体的操作。,Keyterms,使I/O设备与CPU/内存同步(synchronization)的方式有三种:ProgrammedI/O(程序控制输入输出):CPU等待I/O设备。Interrupt-DrivenI/O(中断控制输入输出):当I/O设备准备好时,它通知(中断)CPU。DirectmemoryAccess(直接存储器存取,DMA):需要使用DMA控制器。,Keyterms,I/Ocontroller/interface(I/O控制器或接口):将I/O设备连接到总线上。Serialcontroller:串行控制器,只有一根线连接到设备上。Parallelcontroller:并行控制器,有数根线连接到设备上。SCSI(smallcomputersysteminterface):小型计算机系统接口,是一个8、16或32的并行接口。FireWire(火线):IEEE标准1394规定的串行接口。USB(Universalserialbuscontroller):通用串行总线

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