计算机导论第五章-计算机组成

15计算机组成ComputerOrganization*2

能够列出计算机的三个子系统；了解中央处理单元（CPU）的作用；了解指令周期的取指令-译码-执行阶段；

描述主存和它的地址空间；

区分主存和缓存；定义输入/输出子系统；

理解子系统间的互相连接，列出不同总线系统；

描述输入/输出寻址的不同方法.学习目标通过学习本章，同学们应该能够:*3冯·诺依曼体系结构的要点：四大部分：算术逻辑单元、控制单元、存储器、输入/输出单元。数据和程序以二进制代码形式存放在存储器中，存放的位置由地址确定。控制单元根据存储器中的指令序列（程序）进行工作，并由程序计数器控制指令的执行。算术逻辑单元和控制单元是其核心，称为CPU*4计算机的组成部件可以分为三大部分（或子系统）:中央处理单元（CPU）、

主存储器、输入/输出子系统Figure5.1计算机硬件（子系统）*5硬件外设主机CPU输入设备输出设备内存外存磁盘硬盘光盘软盘打印机音箱显示器扫描仪键盘鼠标摄像头数码相机主板*6处理器存储子系统I/O子系统*7主板内存总线插槽接口卡CPU串行接口USB接口芯片组主板是电脑的基板，是CPU、内存、显卡及各种扩展卡的载体，是计算机各部件的连接工具。主板是否稳定关系着整个电脑是否稳定，主板的速度在一定程度上也制约着整机的速度。*85-1中央处理单元CENTRALPROCESSINGUNIT中央处理单元(CPU)用于数据的运算.在大多数体系结构中，它有三个组成部分：算术逻辑单元(ALU)控制单元寄存器组（

快速存储单元）*9Figure5.2中央处理单元(CPU)*10算术逻辑单元Thearithmeticlogicunit(ALU)算术逻辑单元对数据进行逻辑、移位和算术运算。

逻辑运算：非、与、或、异或移位运算：逻辑移位运算和算术移位运算。逻辑移位运算对无符号整数进行向左或右的移位

算术移位运算对带符号整数进行向左或右的移位算术运算：第4章已讨论整数和实数的算术运算。*11寄存器Registers寄存器是用来临时存放数据的高速独立的存储单元。CPU的运算离不开多个寄存器。数据寄存器：越来越多的复杂运算改由硬件设备实现（不是使用软件），所以在计算机中使用几十个寄存器来提高运算速度

指令寄存器：CPU的主要职责是，从内存中逐条地取出指令，并将取出的指令存储在指令寄存器中，解释并执行指令

程序计数器：程序计数器中保存着当前正在执行的指令，当前指令执行完后，计数器自动加1，指向下一条指令的内存地址*12控制单元ThecontrolunitCPU的第3个部分是控制单元，控制单元控制各个子系统的操作。控制是通过从控制单元发送到其他子系统的信号来进行。*135-2主存储器MAINMEMORY主存储器是计算机的第2个子系统，是存储单元的集合，每个存储单元都有唯一的标识，称为地址。数据以位组的形式（字words）在内存中输入和输出。字可以是8位、16位、32位，64位（还在增长）如果字是8位，一般称1个字节（byte）字节在计算机科学中使用相当普遍，也称16位为2个字节，32位为4个字节*14Figure5.3主存储器*15地址空间Addressspace在存储器中存取每个字都需要有相应的标识符。尽管程序员使用命名的方式来区分字（或一组字的集合），但在硬件层次上，每个字都是通过地址来标识的。所有在存储器中标识的独立的地址单元的总数，称为地址空间。例如，一个64KB（216）、字长为1字节的内存的地址空间的范围为0～65535。*16内存地址用无符号二进制整数定义。

i*1716千兆字节是（）字节？A、216B、234C、240D、244E、256解：B16千兆＝24×210×220Example5.1*1816T字节是（）字节？A、216B、234C、240D、244E、256解：D16T＝24×220×220Example5.2*19Example5.3一台计算机有32MB（兆字节）内存。需要多少位来寻址内存中的任意一个字节？解：32MB，即225(25×220).意味着需要log2225（25位）来标识每一个字节*20Example5.4一台计算机有128MB内存。计算机字长为8字节，需要多少位来寻址内存中任意一个字？解：128MB，即227。每个字是8字节(23)，意味着需要224个字，即需要log2224（即24位）来标识每一个字。*21如果存储器地址空间是16MB，字长为8位，那么存取一个字需要多少（）位？A、8B、16C、21D、24E、27解：D16MB＝24×220Example5.5*22Example5.6一台计算机有64MB内存。每个字长为4字节，则在存储器中对每个字寻址需要多少位？解：64MB，即226。每个字是4字节(22)，也就意味着有224个字，即需要log2224（即24位）来标识每一个字。*23存储器的类型Memorytypes主要有两种类型的存储器:RAM和ROM。随机存取存储器RandomAccessMemory(RAM)只读存储器

Read-OnlyMemory(ROM)*24随机存取存储器Randomaccessmemory(RAM)RAM是主存的主要组成部分。在RAM中，可以用存储单元地址来随机存取一个数据项，而不需存取位于它前面的所有数据项。特性1：可以读写RAM，即用户可以在RAM中写信息，之后可以方便地通过覆盖来擦除原有信息。特性2：易失性。当系统断电后，储存在RAM中的信息被删除*25

静态RAM(SRAM)用触发器门电路来保存数据，通电时，数据始终存在，不需要刷新。速度快，价格贵。

动态RAM(DRAM)使用电容器，充电状态为1，放电状态为0由于电容器会随时间漏掉一部分电，内存单元需周期性刷新速度较慢，但价格便宜随机存取存储器Randomaccessmemory(RAM)*26只读存储器Read-onlymemory(ROM)ROM的内容是由制造商写进去的特性1：用户只能读不能写。特性2：非易失性。当切断电源后，储存在ROM中的数据不会丢失。通常用来存储那些关机后也不能丢失的程序或数据*27可编程只读存储器(PROM)：借助特殊设备可将程序存储在上面，程序被存储后，就不能被重写。可以用来存储一些特定的程序可擦除的可编程只读存储器(EPROM)：用户可以对它进行编程，但需要特殊仪器对其擦写，需要拆下来擦除再重新安装电可擦除的可编程只读存储器(EEPROM)：

编程和擦除用电子脉冲即可，无需从计算机上拆下来只读存储器Read-onlymemory(ROM)*28存储器的层次结构Memoryhierarchy用户需要许多存储器，尤其是速度快且价格低廉的存储器。存取速度快的存储器通常都不便宜。解决的办法是采用存储器的层次结构。*29Figure5.4存储器的层次结构寄存器：速度要求苛刻。高速缓冲存储器：需经常访问的数据主存：大量低速存储器来存储不经常访问的数据存储器的层次结构Memoryhierarchy*30高速缓冲存储器Cachememory高速缓冲存储器的存取速度要比主存快，但是比CPU及其内部的寄存器要慢。高速缓冲存储器通常容量较小，且常被置于CPU和主存之间。Figure5.5高速缓冲存储器*31高速缓冲存储器Cachememory高速缓冲存储器在任何时间都包含主存中一部分内容的副本，当CPU要存取主存中的一个字时，按步骤进行：首先检查高速缓存；若该字存在，CPU将其复制；若不存在，CPU从主存中拷贝一份从需要读取的字开始的数据块，该数据块覆盖高速缓存的内容；CPU存取高速缓冲存储器并拷贝该字。*32高速缓冲存储器Cachememory高速缓存存储容量小、效率却很高。80-20规则.据观察，通常计算机花费80％的时间来读取20％的数据高速缓存，可以存储这20％的数据而使存取至少快80％*3380-20规则20%的人掌握着世界上80%的财富，80%的人掌握着世界上20%的财富；20%的时间完成全天80%的工作，而另外80%的时间，却只收获了20%的成果；公司20%的员工创造了80%的利润；80%的人，受人支配；20%的人，支配别人。*345-3输入/输出子系统INPUT/OUTPUTSUBSYSTEM第三个子系统是输入/输出子系统。

I/O子系统可以使计算机与外界通信，并在断电的情况下，存储程序和数据。输入/输出设备可以分为两大类:非存储设备存储设备*35非存储设备Non-storagedevices非存储设备使得CPU/内存可以与外界通信，但它们不能存储信息。键盘和显示器：键盘提供输入功能，显示器显示输出并同时响应键盘的输入。打印机：非存储设备。用于产生永久记录的输出设备。*36存储设备Storagedevices尽管存储设备被分为输入/输出设备，但它可以存储大量的信息以备后用。比主存便宜，且存储的信息也不易丢失（即使断电，信息也不会丢失）。也称为辅助存储设备，通常分为两种：磁介质光介质

*37硬盘片读写磁头*38Figure5.6磁盘磁介质存储设备磁介质存储设备使用磁性来存储位数据一点有磁性则表示1，没有磁性则表示0磁盘由一张一张磁片叠加而成，这些磁片由薄磁膜封装。通过读写磁头读写磁介质表面来进行信息读取和存储。*39磁盘表面结构：为了将数据存储在磁盘的表面，每个盘面被划分成磁道，每个磁道分成若干个扇区。通过间隔隔开。数据存取：磁盘是随机存取设备。数据项可以被随机存取，不需存取放置在其前的所有其他数据。在某一时间，可以读取的最小存储区域只能是一个扇区。Figure5.6磁盘*40磁盘性能磁盘性能取决于角速度、寻道时间、传送时间。角速度：磁盘的旋转速度寻道时间：读/写磁头寻找数据所在磁道的时间传送时间：将数据从磁盘移到CPU/内存所需要的时间。*41Figure5.7磁带磁带磁带用两个滚轮承接起来当转动的磁带通过读/写磁头的时候，就可以通过磁头来读写磁带上的数据。*42磁带表面结构：磁带宽度分为9个磁道，8位存储数据，1位错误检测。数据存取：顺序存取设备。读取指定的块要按顺序通过其前所有的块。性能：廉价，速度比磁盘慢，存储大容量数据Figure5.7磁带*43光存储设备光存储设备使用光技术来存储和读取数据。需要借助激光把转换后的二进制数据刻在具有反射能力的盘片上。与磁盘相同，光存储设备也是以二进制数据的形式来存储信息。*44光存储设备光存储是由光盘表面的介质影响的光盘上有凹凸不平的小坑，光照射到上面有不同的反射，再转化为0、1的数字信号，就成了光存储。为了识别数据，光盘上定义激光刻出的坑代表二进制的1，而空白处则代表0；也可反过来表示。*45光存储设备发明了CD后，人们利用光存储设备来保存音频信息，现在，人们利用这种技术来存储计算机上的信息。使用这种技术的设备有：只读光盘（CD-ROM）可刻录光盘（CD-R）可重写光盘（CD-RW）数字多功能光盘（DVD）*46CD-ROMCD-ROM技术分三步来制造大量光盘：制造主盘：使用高性能红外激光在涂层上刻写位模式。使用位模式编程一系列的坑（表示0）和纹间表面（表示1），也可反过来表示。依照主盘做成模盘，坑（洞）由凸起代替；批量生产：溶解的聚碳酸酯树脂被注入到模盘中，产生像主盘一样的坑，并把一层薄铝加到树脂上，在反射表面加上一层保护漆和标签。*47CD-ROM读CD-ROM靠来自光驱的低能激光束信息。激光束经过纹间表面，会被铝质反射层反射；经过坑时会被反射两次（一次是被坑的边缘反射，一次被铝质反射层的边界反射），这两次反射有破坏性的影响。换言之，驱动器上的感应器：对于纹间表面，应探测到多一些的光信号；是坑时就少一点，这样才可以读出记录在原始主盘上的信息。*48CD-ROMCD-ROM使用与CD相同的技术，唯一区别：增强程度不同，CD-ROM更健壮，且纠错能力较强Figure5.8制造和使用CD-ROM的步骤*49Figure5.9CD-ROM的格式CD-ROM格式基于：使用汉明码的纠错技术将8位数据块转换成14位符号；一个帧由42个符号组成（14bits/符号）；一个扇区由98个帧组成（2352个byte）。*50速度：CD-ROM驱动器有不同速度单倍速称为1x，以此类推驱动器单倍速的，读取速度为153600字节/秒*51CD-ROM应用：若有大量的潜在客户，则制造主盘、模盘、实际光盘所需的费用是可以调节的。若大量生产盘片，则这项技术非常经济。*52可刻录光盘CD-RCD-ROM只有在生产商大批量生产时才合理。CD-R可以让用户自己制作一张或更多的盘片，而不必考虑像制作CD-ROM时的开销。CD-R非常适合做备份，用户只需一次写入信息，就可多次读取信息，“写一次、读多次”。CD-R对制作和发布少量光盘的用户很有吸引力，也非常适合于制作档案文件与备份。*53Figure5.10制作CD-R制造CD-R的技术与CD-ROM的原理相同，不同之处：a不需要主盘或模盘；b反射层材料用金取代了铝；c盘片聚碳酸酯树脂上没有坑，坑与纹间表面是模拟出来的。d坑由刻录机产生的高能激光束在染料层上烧制深色的点来模拟，没有被激光照射的区域就是纹间表面。*54可刻录光盘CD-RCD-R上的信息可以由CD-ROM驱动器和CD-R驱动器读取。任何差别对于驱动器来说都是透明的。相同的低能激光束经过模拟的坑和纹间区域，对纹间区域，激光束被反射；对于模拟的坑，点是不透明的，所以激光束不会被反射。CD-R的格式、容量和速度与CD-ROM相同*55可刻录光盘CD-RW尽管CD-R已经很受欢迎，但只能写一次，为了能够重写，出现了可擦写光盘技术。写数据：驱动器使用高能激光束照射合金层，将它从晶体态转变成

无定型态，降低反射性。可以模拟CD-ROM盘片上的坑。

读数据：驱动器使用与CD-ROM和CD-R一样的低能激光束，来检测是坑还是纹间表面。擦除数据：驱动器使用中等能量的激光束将坑变成纹间表面，激光束将该点从无定型态变成晶体态。*56Figure5.11制作CD-RW制作CD-RW与CD-R的原理相同，不同之处：a使用了银、锢、锑等合金而不是染料，这种合金有两种稳定状态：晶体态与无定型态；b驱动器使用高能激光束在合金上创建模拟的坑（晶体态变成不定型态）*57CD-RW的格式、容量、速度与CD-ROM相同，CD-RW技术比CD-R更有吸引力。但CD-R还是更受欢迎，原因有两点：CD-R空盘价格比CD-RW要便宜。CD-R在某些不容改变光盘内容的场合更合适，不论是有意还是无意的改变。可刻录光盘CD-RW*58数字多功能光盘DVDCD-ROM的存储容量已经不能满足视频信息存储的需要，DVD采用类似CD-ROM的技术，区别：坑更小：DVD直径0.4微米，CD直径0.8微米磁道间更紧密激光束使用红激光代替了红外激光DVD使用1-2个存储层，且可以是单面或双面DVD采用MPEG压缩技术，一个单面、单层的DVD可存储133分钟（2小时13分）的高品质视频*59*605-4子系统的互连SUBSYSTEMINTERCONNECTION计算机的三个子系统（CPU、主存、输入/输出）是如何互联的？互连扮演着很重要的角色信息需要在这三个子系统中交换*61CPU和存储器的连接ConnectingCPUandmemoryCPU和内存之间通常由总线连接在一起，分别是：数据总线、地址总线、控制总线Figure5.12使用三种总线连接CPU和存储器*62CPU和存储器的连接ConnectingCPUandmemory数据总线：由多根线组成，每根线上传送1位数据。线的数量取决于计算机字长的大小。如：计算机字长是32位，则需要32根数据总线，以便同时传送32位数据。*63CPU和存储器的连接ConnectingCPUandmemory地址总线：允许访问存储器中的每个字，地址总线的线数取决于存储空间的大小。若存储器容量为2n个字，则地址总线一次需要传送n位的地址数据，故需n根线。*64CPU和存储器的连接ConnectingCPUandmemory控制总线：负责在CPU和内存之间传送信息。如：必须有一个代码从CPU发往内存，用于指定进行的操作。取决于计算机所需的控制命令总数，若有2m条控制命令，则控制总线就需要m根*65I/O设备的连接ConnectingI/OdevicesI/O设备不能直接与连接CPU和内存的总线相连。因为I/O设备与CPU、内存的本质不同。I/O设备是机电、磁性或光学设备，然而，CPU、内存是电子设备。与CPU、内存相比，I/O设备的操作速度要慢得多。必须要有中介来处理这种差异。I/O设备通过输入/输出控制器或接口的器件连接到总线上。*66Figure5.13I/O设备与总线的连接控制器清除了I/O设备与CPU及内存在本质上的障碍控制器串行控制器只有一根数据线连在设备上，并行控制器有数根数据线连到设备上，使得一次能同时传送多个位。*67Figure5.14SCSI控制器小型计算机系统接口SCSI（SmallComputerSystemInterface）SCSI是一个8、16或32线的并行接口。提供了菊花链连接，链的两端必须有终结器，每个设备必须有唯一的地址*68Figure5.15火线控制器火线控制器IEEE1394，俗称火线接口，主要用于视频采集高速的串行接口，数据采用数据包的形式传送。不需要SCSI控制器中那样的终结器。*69Figure5.16USB控制器通用串行总线USB控制器（UniversalSerialBUS）USB使用4根线，两边长的是电源线，中间短的是数据线。通过USB的数据是以包的形式传输的，包括：地址部分、控制部分、数据部分*70输入/输出设备的寻址Addressinginput/outputdevices通常CPU使用相同的总线在主存和输入/输出设备之间读写数据。唯一的不同是指令。若指令涉及主存中的字，则数据会在主存和CPU之间传送。若指令涉及输入/输出设备，则数据会在输入/输出设备和CPU之间传送。有两种方法用来对输入/输出设备进行寻址：即I/O独立寻址和I/O存储器映射寻址*71I/O独立寻址在I/O独立寻址中，读/写内存的指令与读/写I/O设备的指令是完全不同的。每个I/O设备有自己的地址。I/O设备的地址可以和内存地址交迭而不会产生混淆。*72Figure5.17I/O独立寻址I/O独立寻址在I/O独立寻址中，CPU用来读/写内存的指令Read/Write，从输入/输出设备中读写数据Input/Output*73Figure5.18I/O存储器映射寻址I/O存储器映射寻址CPU将输入/输出控制器中的每个寄存器都看作是内存中的某个存储字优点：指令集较小。缺点：输入/输出控制器占用了一部分内存地址*745-5程序执行

PROGRAMEXECUTION通用计算机使用一系列指令（程序）来处理数据。计算机通过执行程序，将输入数据转换成输出数据。程序和数据都放在内存中。在本章最后，将给出假想简单计算机执行程序的几个例子

i*75机器周期MachinecycleCPU利用重复的机器周期来执行程序中的指令，一步一条，从开始到结束。一个简化的周期包括3步：取指令、译码、执行取指令：控制单元将下一条要执行的指令复制到指令寄存器IR，并复制指令地址到程序计数器PC，复制后PC自动加1指向内存中下一条指令。译码：控制单元负责译码，生成可以执行的二进制代码。执行：控制单元发送任务命令，例如：从内存中加载or输出数据，ALU将两数相加。*76机器周期MachinecycleFigure5.19机器周期的步骤*77假如1台计算机有16个数据寄存器（R0～R15），1024个字的存储空间，16种不同的指令(如store、add等)，那么下面这条指令需要占多少位空间？STOREMR2解：16种指令，需要4位1024个字的存储空间，需要10位16个数据寄存器，需要4位4+10+4=18位Example5.7*78假如1台计算机有16个数据寄存器（R0～R15），1024个字的存储空间，16种不同的指令，计算机中的指令寄存器大小是多少位？解：16种指令，需要4位1024个字的存储空间，需要10位进行寻址16个数据寄存器，需要4位4+10+4=18位Example5.8*79假如1台计算机有16个数据寄存器（R0～R15），1024个字的存储空间，16种不同的指令，计算机中的程序计数器大小是多少位？解：程序计数器要求能够描述内存中每个字的内存地址，1024个字的存储空间，需要10位表示Example5.9*80假如1台计算机有16个数据寄存器（R0～R15），1024个字的存储空间，16种不同的指令，如果数据和指令使用相同的字长，那么每个数据寄存器大小是多少位？解：4+10+4=18位Example5.10*81假如1台计算机有16个数据寄存器（R0～R15），1024个字的存储空间，16种不同的指令，如果数据和指令使用相同的字长，数据总线多少位？地址总线多少位？控制总线多少位？解：数据总线：4+10+4=18位地址总线寻址内存中的字：10位控制总线处理所有的指令：4位Example5.11*82输入/输出操作Input/outputoperation计算机需要通过命令把数据从I/O设备传到CPU和内存。由于I/O设备的运行速度比CPU要慢得多，因此CPU的操作在某种程度上必须和I/O设备同步。有三种方法被设计用于同步，分别为：

程序控制输入/输出ProgrammedI/O

中断控制输入/输出InterruptdrivenI/O

直接存储器存取Directmemoryaccess(DMA)*83CPU等待I/O设备。CPU和I/O设备之间的传输通过指令实现，遇到一条I/O指令，则停止工作直到数据传输完毕。CPU不时地查询I/O驱动器的状态缺点：当每一个单元数据被传输时，CPU都要浪费时间去查询I/O设备的状态。程序控制输入/输出*84Figure5.20程序控制输入/输出程序控制输入/输出*85首先CPU告知I/O设备即将开始传输CPU不需要不断地查询I/O设备的状态，当I/O设备准备好时，通知CPU（中断）在这过程中，CPU还可以做其他工作优点：没有浪费CPU。当慢速的I/O设备正在完成一项工作时，CPU可以做其他工作。中断控制输入/输出*86Figure5.21中断控制输入/输出中断控制输入/输出*87直接存储器存取用于在高速I/O设备之间传输大量数据块，如磁盘、内存（不需要通过CPU的数据传输）。该方法需要一个DMA控制器来承担CPU的一些功能。DMA控制器中有寄存器，可以在内存传输前后保存数据。*88直接存储器存取进行I/O操作时，CPU发送消息给DMA，之后CPU转向其他工作。消息包括：传输类型（输入or输出）、内存单元起始地址、传输字节数准备好传输时，DMA控制器请求CPU的总线使用权，CPU停止使用总线并转给DMA控制器内存和DMA间的数据传输完成后，CPU继续正常工作注意：CPU仅在DMA和内存间传输数据时才空闲，而不是在设备为传输做准备时。*89Figure5.22DMA和一般总线的连接直接存储器存取*90Figure5.23DMA输入/输出直接存储器存取*915-6简单计算机ASIMPLECOMPUTER为了解释计算机的体系结构，及它们的指令处理，引入一台简单（非真实的）计算机以更好地理解。简单计算机有三个组成部分：CPU、存储器、输入/输出子系统。*92Figure5.30简单计算机的组成*93指令集Instructionset简单计算机具有16条指令集的能力，但我们只使用14条指令每条计算机指令由两部分构成：操作码、操作数操作码指明了在操作数上执行的操作类型。每条指令由16位组成，被分成4个4位的域。最左边的域含有操作码，其他3个域含有操作数或操作数的地址，如图5-31所示。*94Figure5.31格式和不同指令类型*95处理指令Processingtheinstructions机器周期三个阶段：取指令、