《计算机组成原理教程》全套教学课件

第一章计算机系统概论1.7计算机的发展简史1.1计算机的基本结构和工作原理1.2计算机硬件的五个功能部件及其功能1.3计算机系统的基本组成及其层次结构1.4计算机系统结构、组成和实现之间的关系1.5计算机系统特性1.6典型微处理器系统结构及工作原理简介全套可编辑PPT课件

世界上第一台真正的全自动电子数字式计算机是1946年在美国的宾夕法尼亚大学研制成功的

ENIAC(ElectronicNumerica

lntegrator

andComputer)。

1.7计算机的发展简史

这台计算机共用了18000多个电子管，占地170m2，总重量为30吨，耗电140kw，每秒能做5000次加减运算。与ENIAC计算机研制的同时，冯▪诺依曼与莫尔小组研制EDVAC(Electronic十进制预算用手工搬运动开关和拔插电缆来编程DiscreteVariableAutomaticComputer)计算机，它采用了存储程序方案。1.7计算机的发展简史世界上第一台电子计算机ENIAC(1946)1955年退役现代计算机的驱动力：人们的需求电子技术的发展第一代：电子管计算机第二代：晶体管计算机第三代：中、小规模集成电路计算机第四代：大规模、超大规模集成电路计算机第五代：人工智能计算机1.7计算机的发展简史硬件技术对计算机更新换代的影响软件技术的兴起和发展各种语言机器语言：面向机器汇编语言：面向机器高级语言：面向问题

FORTRAN科学计算和工程计算PASCAL结构化程序设计C++面向对象JAVA适应网络环境软件技术的兴起和发展系统软件语言处理程序汇编程序编译程序解释程序操作系统DOSUNIXWINDOWSLINUXKYLINLINUX

服务性程序装配调试诊断拍错数据库管理系统数据库和数据库管理软件网络软件

计算机的特点1．运算速度快2．运算精度高3．存储容量大4．具有逻辑判断功能5．自动化程度高，通用性强1.7计算机的发展简史

计算机的应用1．科学计算2．过程检测与控制(工业控制和实时控制)3．信息管理4．计算机辅助系统补充：虚拟现实技术多媒体技术人工智能技术计算机有类似人脑的一些超级智能功能：比如自动驾驶技术，IBM的沃森，谷歌大脑，百度大脑等将来会逐步改变世界1.7计算机的发展简史1.1计算机基本结构和工作原理冯.诺依曼计算机硬件框图

特征：1、计算机有五大部件组成2、指令和数据以同等地位存于存储器中，可按地址寻访3、指令和数据用二进制表示4、指令由操作码行业地址组成5、存储程序6、以计算器为中心1.1计算机基本结构和工作原理冯.诺依曼计算机五大模块功能

算术运算和逻辑运算把结果转化成人们熟悉的形式存放数据和程序将信息转化成机器能够识别的形式指挥控制程序的运行1.1计算机基本结构和工作原理计算机系统的核心功能是执行程序首先必须有能力把要运行的程序和用到的原始数据输入到计算机内部并存储起来，接下来应该有办法逐条执行这个程序中的指令以完成数据运算并得到运算结果，最后还要输出运算结果供人检查和使用。1.2计算机硬件的五个功能部件及其功能1.3计算机系统的基本组成及其层次结构软件硬件指令层1.4.1计算机系统结构的定义计算机系统结构（ComputerArchitecture）也称为计算机体系结构。这是1964年Amdahl在介绍IBM360系列时提出的，在20世纪70年代广泛采用。由于器件技术迅速发展，计算机硬件、软件界面在动态变化，因此，对计算机系统结构定义的理解也不尽一致。1.4计算机系统结构、组成和实现之间的关系1.4.2计算机组成与实现计算机组成（ComputerOrganization）是指计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内的数据通道和控制信号的组成及逻辑设计，它着眼于机器级内各事件的时序方式与控制机构、各部件功能及相互联系。计算机组成还应包括：数据通路宽度；根据速度、造价、使用状况设置专用部件，例如是否设置乘法器、除法器、浮点运算协处理器、I/O处理器等；部件共享和并行执行；控制器结构（组合逻辑、PLA、微程序）、单处理机或多处理机、指令预取技术和预估、预判技术应用等组成方式的选择；可靠性技术；芯片的集成度和速度的选择。1.4计算机系统结构、组成和实现之间的关系

计算机系统结构、组成和实现是三个不同的概念。系统结构是计算机物理系统的抽象和定义；计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。它们各自有不同的内容，但又有紧密的关系。1.4计算机系统结构、组成和实现之间的关系1.5.1计算机等级

计算机系统按其性能与价格的综合指标通常分为巨型、大型、中型、小型、微型等若干级。但是，随着技术进步，各个等级的计算机性能指标都在不断地提高，以致30年前的一台大型机的性能甚至比不上当今一台微型计算机。可见，用于划分计算机等级的绝对性能标准是随着时间变化的。1.5计算机系统特性1.5.2计算机系列

系列机概念指的是先设计好一种系统结构，而后就按这种系统结构设计它的系统软件，按器件状况和硬件技术研究这种结构的各种实现方法，并按照速度、价格等不同要求，分别提供不同速度、不同配置的各档机器。1.5计算机系统特性1.5.3计算机的主要性能指标

1.机器字长CUP一次能处理数据的位数

与CPU中的寄存器位数有关

主频

核数，每个核支持的线程数

2.运算速度

CPI执行一条指令所需要时钟周期数

MIPS每秒执行百万条指令

MFLOPS每秒执行多少百万次浮点预算1.5计算机系统特性1.5计算机系统特性4.数据通路宽度

系统连接地址总线（AB）数据总线（DB）定义：传输或代码的一组通讯线。其条数与处理器字长相等数据在CPU与存储器或I/O接口间的传送是双向的定义：是传送地址信息的一组通讯线，是微处理器用来寻址存储器单元（或I/O的端口）总线是用来传送各种控制信号的。输出控制信号，输入控制信号控制总线（CB）1.6典型微处理器系统结构及工作原理简介1.6典型微处理器系统结构及工作原理简介系统链接数据总线（DB）地址总线（AB）控制总线（CB）传输数据或代码传送地址传送控制信号的1.6典型微处理器系统结构及工作原理简介典型微处理器的内部结构1、累加器（A）和算数逻辑单元（ALU）2、控制器（CU）3、内部寄存器阵列（PC）4、内部总线和总线缓冲器指令寄存器（IR）指令译码器（ID）可编程逻辑阵列（PLA）程序计数器（PC）地址寄存器（AR）数据缓冲寄存器(DR）标志寄存器(FLAGS)1.6典型微处理器系统结构及工作原理简介1.6典型微处理器系统结构及工作原理简介1、读操作2、写操作1.6典型微处理器系统结构及工作原理简介简单程序的编制和执行指令的执行过程取指令分析指令执行指令1.6典型微处理器系统结构及工作原理简介简单程序的编制和执行题目：要求计算机执行5CH加2EH，结果存到20H单元助记符MOVAX,5CHADDAX,2EHMOV[20H],AXHALT;停机二进制码000111100101110011000110001011100011001000100000011101101.6典型微处理器系统结构及工作原理简介存储单元内容

0011111001011100110001100010111000110010001000000111011001001100MOVAX5CHADDAX2EHMOV[20H],AX20HHALT存结果地址

二进制十六进制

00010000000000200H10000000000001000H10000000000011001H10000000000101002H10000000000111003H10000000001001004H10000000001011005H10000000001101006H10000000001111007H10000000010001008H10000000010011009H1000000001010100AH操作控制器（OC）指令译码器（ID）数据寄存器（MDR）标志寄存器（FR）程序计数器（PC）寄存器组累加器（ACC）指令寄存器（IR）地址寄存器（MAR）地址译码器:B0H5CH04H2EH70H0AH10HA2H00H02HF4H0200H1000H1001H1002H1003H1004H1005H1006H1007H1008H1009H100AH...内存储器CPUALU+1控制信号

读控制写控制内总线地址PC=1000H操作控制器（OC）指令译码器（ID）数据寄存器（MDR）标志寄存器（FR）程序计数器（PC）寄存器组累加器（ACC）指令寄存器（IR）地址寄存器（MAR）地址译码器:B0H5CH04H2EH70H0AH10HA2H00H02HF4H0200H1000H1001H1002H1003H1004H1005H1006H1007H1008H1009H100AH...内存储器CPUALU+1控制信号

读控制写控制内总线地址PC=1001H第二条指令是怎样执行的呢？同学们思考一下1.6典型微处理器系统结构及工作原理简介简单程序的编制和执行指令的执行过程取指令分析指令执行指令计算机组成原理第二章计算机中的数制及编码2.1数据表示2.2计算机中的数制及转换2.3二进制数的运算2.4数据表示法2.5计算机中数和字符的编码

目录2.1数据表示字长？1、计算机中的数制2、各种计数制之间的转换计算机一次能够同时（并行）处理的二进制位

主要介绍Intelx86-16位系统字长位8位和16位字（Word）字节（Byte）2.1数据表示二进制数是计算机硬件唯一能够识别的数制任何其他计数制和各种信息要让计算机处理，都需要借助软件转换为二进制人类最习惯用的计数制是十进制，计算机中采用二进制原因：技术实现简单。具有两种稳定状态的器件很容易找运算规则简单。二进制只有0和1两个符号易于与十进制的转换符合逻辑运算2.2计算机中的数制及转换二进制数十进制数十六进制数计算机中常用的计数制2.2计算机中的数制及转换

1．十进制(Decimal)

十进制是大家很熟悉的进位计数制：

a.它共有0、1、2、3、4、5、6、7、8和9十个数字符号。这十个数字符号又称为“数码”。b.基数为10，逢10进1。2.1.1计算机中的数制2.2计算机中的数制及转换

2．二进制(Binary)

二进制比十进制更为简单，它是随着计算机的发展而发展起来的：

a.它共有0和1两个数字符号。b.基数为2，逢2进1。2.2计算机中的数制及转换

3．十六进制(Hexadecimal)

十六进制是人们学习和研究计算机中二进制数的一种工具，它是随着计算机的发展而广泛应用的：a.它共有0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E和F共16个数字符号。这16个数字符号又称为“数码”。b.基数为16，逢16进1。2.2计算机中的数制及转换234.98或者234.98D1101.11BABCD.BFH各种数制在汇编指令中的表示：在汇编语言程序中，十进制的标识符D可以缺省（默认为十进制数）但二进制、十六进制的标识符不能缺省。2.2计算机中的数制及转换十进制、二进制和十六进制数对照表整数小数十进制二进制十六进制十进制二进制十六进制0000000001000110.50.10.82001020.250.010.43001130.1250.0010.24010040.06250.00010.15010150.31250.000010.086011060.0156250.0000010.04701117

810008

910019

101010A

111011B

121100C

131101D

141110E

151111F

161000016

2.2计算机中的数制及转换

2.1.2不同数制间数的转换2.2计算机中的数制及转换练习：将48.25转换为二进制小数部分：乘2取整整数部分：除2取余整数：110000小数：01高位高位结果：110000.01482412632×2222010100取余数0.250.5×210取整数12.2计算机中的数制及转换练习：将0.4转换为二进制小数部分：乘2取整高位结果：≈0.0110B×20.40.8×21.60取整数1×21.210.6×20.400.2…2.2计算机中的数制及转换四位合一位法：整数部分，从小数点向左组，每4位一组，不够4位的高位补0。小数部分，从小数点向右分组，不够4位在低位补0。二进制数转换十六进制数十六进制二进制00000100012001030011401005010160110701118100091001A1010B1011C1100D1101E1110F1111161000025.5=(11001.1)B=(19.8)H00011001.10001982.2计算机中的数制及转换十六进制数转换二进制数ACD8H=(1010110011011000)B十六进制二进制00000100012001030011401005010160110701118100091001A1010B1011C1100D1101E1110F11111610000每1位十六进制数用4位二进制代替2.2计算机中的数制及转换计算机中二进制数的表示数的性质数的表示方法2.3二进制数的运算

定点数

浮点数无符号数定点整数定点小数编程时需要确定小数点的位置难以表示两个大小相差较大的数存储空间利用率低有符号数数中所有的0和1都是数据本身需要用0和1表示数的性质（整数或负数）统称机器数小数点的位置可以来回移动的这种数2.3二进制数的运算-算术运算无符号数无符号数的算术运算加法运算减法运算乘法运算除法运算2.3二进制数的运算-算术运算1.1加法运算两个二进制数的加法过程和十进制加法过程类似二进制加法法则为：0+0=01+0=0+1=11+1=0（向邻近高位有进位）1+1+1=1（向邻近高位有进位）加数Y01011001B被加数X10011110B和X+Y11110111B2.3二进制数的运算-算术运算1.2减法运算

两个二进制数的减法运算过程和十进制减法类似二进制减法法则为：0-0=01-1=01-0=10-1=1（向邻近高位借1当作2）减数X10010111B被减数Y11011001B差数Y-X01000010B2.3二进制数的运算-算术运算1.3乘法运算

两个二进制数相乘与两个十进制数相乘类似，可以用乘数的每一位分别去乘被乘数，所得结果的最低位与相应乘数位对齐，最后把所有结果加起来，便得到积，这些中间结果又称为部分积。二进制乘法法则为：0×0=01×0=0×1=01×1=1）乘数Y×1001B被乘数X1101B乘积1110101B1101

0000

0000

1101

2.3二进制数的运算-算术运算1.4除法运算除法是乘法的逆运算。与十进制类似。

二进制除法也是从被除数最高位开始，查找出够减除数的位数，并在其最高位处上商1和完成它对除数的减法运算，然后把被除数的下一位移到余数位置上。若余数不够减除数，则上商0，并把被除数的再下一位移到余数位置上；若余数够减除数，则上商1并进行余数减除数。这样反复进行，直到全部被除数的各位都下移到余数位置上为止。110）10101011

110110110110100111111002.3二进制数的运算-逻辑运算逻辑是思维规律，事物的因果之间遵循的规律基本表现形式是命题和推理命题是能判断真假的陈述句推理从前提推出结论的思维过程前题是已知的命题，结论是通过推理规则得出的命题2.3二进制数的运算-逻辑运算逻辑是思维规律，事物的因果之间遵循的规律基本表现形式是命题和推理命题是能判断真假的陈述句推理从前提推出结论的思维过程前题是已知的命题，结论是通过推理规则得出的命题2+3=5真命题3是偶数假命题明天上午有课吗？不是命题2.3二进制数的运算-逻辑运算命题3不是偶数非（否定）小明学过英语，也学过德语并（同时）表示为AandB从西安到北京经郑州走，或者经太原走或者复合命题可以由简单的命题通过联结词表示运算得到命题是逻辑的基本表现形式，所以，联结词所表示的运算就是逻辑运算“并且”与运算“或者”或运算“并非”非运算基本逻辑运算2.3二进制数的运算-逻辑运算命题的真假可以对应为：物理上：开关的断开和闭合，电平的高和低数学上：二进制的1和0复合命题可以由简单的命题通过联结词表示运算得到命题是逻辑的基本表现形式，所以，联结词所表示的运算就是逻辑运算“并且”与运算“或者”或运算“并非”非运算基本逻辑运算1对应真0对应假逻辑乘又称逻辑与，常用∧算符表示。2.3二进制数的运算-逻辑运算2.1逻辑乘运算“与”运算两个二进制数进行逻辑乘，其运算方法类似于二进制算术运算。逻辑乘运算法则为：0∧0=01∧0=0∧1=01∧1=1∧11110000B01100110B01100000B仅当输入条件全部为“真”时，输出的结果为“真”若输入条件有一个为“假”，则输出结果为假在电路中，与运算相当于开关串联电路2.3二进制数的运算-逻辑运算2.1逻辑乘运算“与”运算仅当所有开关都闭合时，电路才通电。2.3二进制数的运算-逻辑运算2.2逻辑加运算“或”运算逻辑加的运算规则为：0∨0=01∨0=0∨1=11∨1=1逻辑加又称逻辑或，常用算符∨表示。∨00001111B00110101B00111111B输入条件中有一个为“真”时，输出的结果为“真”仅当输入条件全部为“假”，则输出结果为“假”2.3二进制数的运算-逻辑运算电路中，“或”运算相当于开关的并联电路仅当所有开关都断开时，电路才无电流通过2.2逻辑加运算“或”运算=1=02.3二进制数的运算-逻辑运算逻辑非运算又称逻辑反，常采用“一”运算符表示。

2.3逻辑非运算“非”运算运算规则为：X=11000011BX=00110101B当开关断开时灯亮，开关闭合时灯灭

逻辑异或又称为半加，是不考虑进位的加法，常采用

运算符表示。逻辑异或的运算规则为：

00=11=0

10=01=12.3二进制数的运算-逻辑运算2.4逻辑异或

11110000B10110110B01000110B2.4数的表示法有符号位计算有符号数：用最高位表示符号，其余是数值符号数的表示方法：原码反码补码0：表示正数1：表示负数数的性质由设计者决定2.4数的表示法1、原码最高位为符号位，其余为真值部分[X]原=符号位+|绝对值|优点：真值和其原码表示之间的对应关系建安，容易理解缺点：计算机中用原码进行价加减运算比较困难0的表示不唯一数0的原码不唯一8位数0的原码：

+0=00000000

-0=100000002.4数的表示法2、反码对一个机器数X：若X>0,则[X]反=[X]原若X<0,则[X]反=对应原码的符号位不变，数值部分按位求反0的反码：数0的反码也不是唯一的

[+0]反=[+0]原=00000000

[-0]原=10000000[-0]反=[-0]原

数值部分安位取反=11111111例：X=-52=-0110100[X]反=10110100[X]原=110010112.4数的表示法3、补码定义：若X>0,则[X]补=[X]反=[X]原若X<0,则[X]补=[X]反+10的补码：

[+0]补️=[+0]原=00000000

[-0]补=[-0]反+1=11111111+1=100000000例：X=-52=-0110100[X]原=10110100[X]反=11001011[X]补=[X]反+1=11001100对8位字长，进位被舍掉2.4数的表示法3、补码即：[X+Y]补=[X]补+[Y]补[X-Y]补=[X+(-Y)]补=[X]补+[-Y]补通过引进补码，可将减法运算转换为加法运算。2.4数的表示法用二进制补码运算：[+66]补=[+66]原

=01000010[-51]原=10110011[-51]补=11001101[+66]补+[-51]补=100001111=15例1：66-51=66+（-51）=152.4数的表示法[X]原=10110100[X]补=[X]反+1=11001100[Y]补=[Y]反+1=01110100[X+Y]补=[X]补+[Y]补

=11001100+01110100=01000000X+Y=+1000000例2：X=-52=-0110100,Y=116=+1110100,求X+Y=?所有需要由计算机处理的信息，都需要编码2.5计算机中数和字符的编码使所有的信息都以二进制码形式表示编码信息从一种形式或者格式转换为另一种形式的过程。用代码来表示各种信息，以便于计算机处理。2.5计算机中数和字符的编码数值声音需要编码的信息种类字符图形、图像数值编码二进制码BCD码2.5计算机中数和字符的编码ASCII码

西文字符编码2.5计算机中数和字符的编码BCD码BCD码（BinaryCodedDecimal）用二进制表示的十进制数特点：保留十进制的权，数字用0和1表示2.5计算机中数和字符的编码8421BCD编码用4位二进制码表示1位十进制数每4位之间有一个空格。

1010-1111是非法BCD码，只是合法的十六进制数

0000……

1001……

0

9BCD码十进制数8421码十进制数8421码00000B81000B10001B91001B20010B1000010000B30011B1100010001B40100B1200010010B50101B1300010011B60110B1400010100B70111B1500010101B2.5计算机中数和字符的编码2.5计算机中数和字符的编码BCD编码与十进制和二进制数之间的转换BCD码与十进制数之间存在直接对应关系例：（100110000110.0011）BCD=986.398632.5计算机中数和字符的编码BCD码与二进制的转换先转换为十进制数，在转换二进制数；反之同样。例：（00010001.00100101）BCD=11.251125=(1011.01）B小数部分：乘2取整整数部分：除2取余2.5计算机中数和字符的编码BCD码在计算机中的存储方式以压缩BCD码形式存放用4位二进制码表示1位BCD码一个存储单元中存放2位BCD数以扩展BCD码形式存放用8位二进制码表示1位BCD码，即高4位为0，低4位为有效位每个存储单元存放1位BCD数将每个字母、数字、标点、控制符用1Byte二进制码表示

ASCII码西文字符编码

其中：标准ASCII的有效位：7bit,最高位默认为02.5计算机中数和字符的编码A01000001a01000001000110000B01000010b01000010100110001C01000011c01000011200110010D01000100d01000100300110011E01000101e01000101400110100F01000110f01000110500110101G01000111g01000111600110110H01001000h01001000700110111I01001001i010010018

00111000J01001010j01001010900111001ASCII编码例编码即变换2.5计算机中数和字符的编码奇校验：加上校验位后编码中“1”的个数为奇数ASCII码的奇偶校验

以奇校验传送则为C1H（11000001B）偶校验:加上校验位后编码中“1”的个数为偶数

上例若以偶校验传送，则为41H例：A的ASCII码是41H（1000001）B2.5计算机中数和字符的编码1、10010110.1001B=(000101010000.0101011000100101)BCD2、1F3DH=(7997)D=(0111100110010111)BCD3、若以奇校验传送字母B，则B的ASCII=（11000010）H随堂练习2.5计算机中数和字符的编码计算机组成原理第三章总线系统3.1总线概述3.2I/O总线接口3.3总线的仲裁3.4总线的通信控制和数据传输模式3.5总线标准

目录总线：是计算机体系结构的重要组成部分。是链接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输线是各部件构成一个完整的系统。总线的概念3.1总线概述总线的特点3.1总线概述独占性共享性所有部件通信共享有部件占用总线通讯总线的作用3.1总线概述是各个功能部件间传递各类信息的通道是系统中各部件间的物理接口，能够减少各部件通信的复杂程度提供信息交换时所需要的数据、地址、时序和控制信息提供一个共同遵守的协议或者标准不应成为整个计算系系统性能的瓶颈方便计算机系统集成、扩展和进化数据传输方式并行总线串行总线3.1总线概述总线的分类连接部件不同片内总线系统总线通信总线传输信号不同数据总线地址总线控制总线按用途分类存储总线内部总线I/O总线3.1总线概述数据总线：双向与机器字长、存储字长有关地址总线：单向与存储地址、I/O地址有关控制总线：有出有入片内总线：芯片内部的总线系统总线：计算机各部件之间信息传输线存储器读写总线允许、中断确认中断请求，总线请求并行通信总线串行通信总线通信总线：用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信BUS主板3.1总线概述总线的物理实现CPU插板主存插板I/O插板3.1总线概述总线的特性物理特性：尺寸、形状、引脚数、排列顺序

电气特性：传输方向和有效的电平范围

功能特性：每个传输线的功能：地址、数据、控制

时间特性：信号的时序关系

3.5总线的标准化ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB总线的标准总线的标准可视为系统与各模块，模块与模块之间的一个互连的标准界面标准界面模块系统系统模块总线标准数据线总线时钟(MHz)带宽（MBps）ISA168MHz（独立）16MBpsEISA328MHz（独立）33MBpsVESA(VL-BUS)3232MHz（CPU）132MBpsPCI326433MHz（独立）66MHz（独立）132MBps528MBpsAGP3266.7MHz（独立）133MHz（独立）266MBps533MBpsRS-232串行通信总线标准数据终端设备（计算机）和数据通讯设备（调制解调器）之间的接口标准USB串行接口总线标准普通无屏蔽双绞线带屏蔽双绞线最高1.5MBps(USB1.0)12MBps(USB1.0480MBps(USB2.0)3.5总线的标准化3.1总线概述总线的连接方式单总线结构：使用单一的系统总线来连接CPU、主存和I/O设备面向CUP的双总线结构：存储总线：CPU和主存储器之间进行信息交换的公共通路

I/O总线：CPU与I/O设备之间进行信息交换的公共通路

面向主存储器的双总线结构：CPU与主存储器之间设置高速存储总线多总线结构：CPU与和缓存（Cache）之间采用高速的CPU总线单总线结构3.1总线概述单总线面向CPU的双总线机构3.1总线概述中央处理器CPUI/O总线I/O接口I/O设备1I/O接口I/O接口I/O设备2I/O设备n……主存M总线面向主存储器的双总线结构3.1总线概述主存

多总线结构3.1总线概述3.2I/O总线接口信息传送方式串行传送并行传送分时传送

I/O功能模块通常简称为I/O接口，也叫适配器。广义地讲，I/O接口是指CPU、主存和外围设备之间通过系统总线进行连接的标准化逻辑部件。I/O接口在它动态连接的两个部件之间起着“转换器”的作用，以便实现彼此之间的信息传送。3.2I/O总线接口总线接口的基本概念3.2I/O总线接口I/O接口功能1.控制2.缓冲

3.状态

4.转换

5.整理

6.程序中断3.3总线的仲裁基本概念主设备（模块）对总线有控制权从设备（模块）响应从主设备发来的总线命令总线判优控制集中式仲裁分布式仲裁链式查询计数器定时查询独立请求方式3.3总线的仲裁链式查询方式3.3总线的仲裁计数器定时查询方式3.3总线的仲裁独立请求方式3.4总线的通讯控制和数传输模式总线通讯控制目的：解决通信双方协调配合问题总线的传送周期：通常完成一次总线操作的时间寻址阶段：主模块向从模块给出地址和命令申请分配阶段：主模块申请，总线仲裁决定传数阶段：主模块和从模块交换数据结束阶段：主模块撤销有关信息四个阶段3.4总线的通讯控制和数传输模式总线通讯的四种方式同步通信：由统一时标控制数据传宋异步通讯：采用应答方式，没有公共时钟标准半同步通信：同步、异步结合分离式通信：充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力3.4总线的通讯控制和数传输模式同步式数据输入输出3.4总线的通讯控制和数传输模式异步通信3.3总线的通讯控制和数传输模式半同步通信（同步、异步结合）同步：发送方用系统时钟前沿发信号

接收方用系统时钟后沿判断、识别异步：允许不同速度的模块和谐工作增加一条“等待”响应信号

WAIT3.4总线的通讯控制和数传输模式半同步通信（同步、异步结合）3.4总线的通讯控制和数传输模式分离式通信分离式通信：充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力一个总线传输周期子周期2从模块（主模块）申请占用总线，将各种信息送至总线上子周期1主模块申请占用总线，使用完后即放弃总线的使用权3.4总线的通讯控制和数传输模式分离式通信特点各模块有权申请占用总线采用同步方式通信，不等对方回答各模块准备数据时，不占用总线总线被占用时，无空闲充分提高了总线的有效占用

3.4总线的通讯控制和数传输模式总线的数据传送模式1.读、写操作2.块传送操作3.写后读、读后写操作

4.广播、广集操作第四章存储器120典型的微机硬件系统结构图4.1常用存储器分类

主存和CPU的联系DRARCPU主存读数据总线地址总线写图4.1CPU与存储器的连接结构示意图

存储器系统的分层结构中央处理器主存M2辅存M3CacheM1三级存储器的结构示意图高速缓存技术虚拟存储技术虚拟地址空间中的存储页真正内存程序可用缓存CPU主存辅存缓存主存辅存主存虚拟存储器10ns20ns200nsms虚地址逻辑地址实地址物理地址主存储器（速度）（容量）图4.3半导体存储器组成框图

图4.4双译码存储器结构

131

衡量内存的主要参数：

存储容量132芯片133存储芯片的基本结构译码电路存储体读写电路读/写控制线地址线……数据线……片选线芯片容量1K×4位16K×1位8K×8位地址线（单向）数据线（双向）104141138模仿练习135问题存储器如何扩充？扩充的方法又有哪些呢？136

现有1K

×

4位存储芯片，如何组成1K

×

8位的存储器？DD••••D0479AA0•••1K×41K×4CSWE思考CPUDD••••D0479AA0•••CSWE137模仿练习用16K×4位存储芯片组成16K×8位的存储器，如何实现？分析：需要几片16K×4位的存储芯片？

画出连接图．138

1K

×

8位

1K

×

8位D7D0•••••••••••••••••WEA1A0•••A9CS0A10

1CS1

现有两片1K

×

8位存储芯片，能够组成多大的存储器？思考CPU139139模仿练习用16K×８位存储芯片组成64K×8位的存储器，如何实现？分析：需要几片16K×８位的存储芯片？

画出连接图．140用16K×8位芯片组成的存储器64K×8位的存储器141芯片地址码地址范围A19…A11A10A9A8A7…A4A3…A01K×8（1）00000H...003FFH2K×8（2）00400H...007FFHA9A8A7…A4A3…A0000…00…0111…11…1........................000…00…0111…11…1........................A100...01...1XXXXXX...XXXXXXXXXXXX...XXXXXX00000H...003FFH00400H...007FFH内存地址空间分配142图4.61K*4扩展成2K*8M/IOWRA0~A9D7~D4CSWE2114

(1)A0~A9D3~D0CSWE2114

(1)A0~A9D7~D4CSWE2114

(2)A0~A9D3~D0CSWE2114

(2)2:4译码器A11A10A0~A9D7~D010某计算机有地址线18位，数据线8位，现选用4K×4位的静态RAM芯片组成该机的内存，问1、该机允许的最大内存空间多大？2、若设定基本的芯片模块容量为32K×8，该机共需几个这样的模块？3、每个模块内包含多少个4K×4位的RAM芯片？4、主存共需多少个RAM芯片？CPU如何选择这些模块？

256KB816128CPU选择各模块的方法是：地址线A14－A0为模块内连接，地址线A17，A16，A15通过一个38译码器，其输出端作为8个模块的片选端1441K×41K×41K×41K×41K×41K×41K×41K×4用几片1K

×

4位存储芯片组成4K

×

8位的存储器讨论先位扩展再字扩展？先字扩展再位扩展？1451461K×41K×41K×41K×41K×41K×41K×41K×4用几片1K

×

4位存储芯片组成4K

×

8位的存储器8根数据线12根地址线WEA8A9A0...D7D0……A11A10CS0CS1CS2CS3片选译码................147用16K×1位的存储芯片组成64K×8位的存储器

32片8片16K×1位8片16K×1位8片16K×1位8片16K×1位例：假设CPU有16根地址线，8根数据线，现有下列存储芯片：1K*4位RAM，4K*8位RAM，8K*8位RAM，2K*8位ROM，4K*8位ROM，8K*8位ROM及74LS138译码器和各种门电路，画出CPU与存储器的连接图。要求：

1.主存地址空间分配

6000H~67FFH为系统程序区

6800H~6BFFH为用户程序区

2.合理选用上述存储芯片，说明各选几片？

3.详细画出存储器芯片的片选逻辑图。148解：第一步：将地址范围写成二进制代码，并确定其总容量

A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A00110000000000000

……

……

……01100111111111110110100000000000

……

……

……0110101111111111系统程序区2K*8用户程序区1K*8第二步：根据地址范围的容量及该范围在计算机中的应用，选择存储芯片由6000H~67FFH为系统程序区，为2K*8位，应选择一片2K*8位ROM

由6800H~6BFFH为用户程序区，为1K*8位，应选择两片1K*4位RAM第三步：分配CPU的地址线将CPU的低11位地址线A10~A0与2K*8位的ROM地址线相连，将CPU的低10位地址线A9~A0与1K*4位的RAM地址线相连，剩下的高位地址与访存控制信号共同产生存储芯片的片选信号。第四步：由题给出的74LS138译码器的输入逻辑关系可知，必须保证G1为高电平，G2A、G2B为低电平才能使译码器工作。

A15为低，连接到G2A上，A14为高，连接到G1上，MREQ

为低，连接到G2B上。保证了三个控制端的要求

A13、A12、A11连接到C、B、A上。输出Y4有效时，选中一片ROM；Y5有效时，同时A10有效为低电平，选中两片

RAM。读出时低电平有效，RAM的读/写控制端与CPU的命令端WR相连*ROM的数据线是单向的2K*81K*41K*4D7D6D5D4D3D2D1D0WRA10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0CBAA13A12A11Y7Y6Y5Y4Y3Y2Y1Y0第五章输入输出系统除了CPU和存储器两大模块外，计算机硬件系统的第三个关键部分是输入输出模块，又称输入输出系统。随着计算机系统的不断发展，应用范围的不断扩大，I/O设备的数量和种类也越来越多，它们与主机的联络方式及信息的交换方式也各不相同。5.1.1输入输出系统的发展概况

输入输出系统的发展大致可分为4各阶段：1.早期阶段

早期的I/O设备种类较少,I/O设备与主存交换信息都必须通过CPU。主存CPUI/O设备图5.1I/O设备通过CPU与主存交换信息这种方式沿用了相当长的时间。当时的I/O设备具有以下几个特点。（1）每个I/O设备都必须配有一套独立的逻辑电路与CPU相连，用来实现I/O设备与主机之间的信息交换，因此线路十分散乱、庞杂。（2）输入输出过程是穿插在CPU执行程序过程中进行的，当I/O设备与主机交换信息时，CPU不得不停止各种运算，因此，I/O设备与CPU是按串行方式工作的，极浪费时间。（3）每个I/O设备的逻辑控制电路与CPU的控制器紧密构成一个不可分割的整体，它们彼此依赖，相互牵连，因此，欲增添、删减或更换I/O设备是非常困难的。2.接口模块和DMA阶段

这个阶段I/O设备通过接口与主机相连，计算机系统采用了总线结构。I/O设备1I/O设备2I/O设备n主机接口1接口2接口n总线图5.2I/O设备通过接口与主机交换信息……3.具有通道结构阶段

（1）如果每台I/O设备都配置专用的DMA接口，不仅增加了硬件成本，而且为了解决众多DMA接口同时访问主存的冲突问题，会使控制变得十分复杂。（2）CPU需要对众多的DMA接口进行管理，同样会占用CPU的工作时间，而且因频繁进入周期挪用阶段，也会直接影响CPU的整体工作效率。主存CPUI/O设备图5.3I/O设备通过通道与主机交换信息

通道4.具有I/O处理机的阶段输入输出系统发展到第四阶段，出现了I/O处理机。I/O处理机又称为外围处理机，它基本独立于主机工作，既可完成I/O通道要完成的I/O控制，又可完成码制转换、格式处理、数据块检错、纠错等处理。具有I/O处理机的输入输出系统与CPU工作的并行性更高，这说明I/O系统对主机来说具有更大的独立性。3．联络方式（1）立即响应方式（2）异步工作采用应答信号联络（3）同步工作采用同步时标联络5.1.2I/O设备与主机的联系方式

1.I/O设备编址方式通常将I/O设备码看做地址码，对I/O地址码的编址可采用两种方式：统一编址和独立编址。2．传送方式在同一瞬间，n位信息同时从CPU输出至I/O设备，或由I/O设备输入到CPU，这种传送方式称为并行传送。其特点是传送速度快，但要求数据线多。5.2I/O设备与主机信息传送的控制方式

5.2.1程序控制方式1.无条件传送方式在CPU与这些设备交换数据时，可以认为它们总是处于“就绪”状态，随时可以进行数据传送，这就是无条件传送，或称同步传送。5.2I/O设备与主机信息传送的控制方式

5.2.1程序控制方式2.程序查询方式工作的原理CPU向I/O设备发读命令CPU读I/O设备状态从I/O接口中读一个字到CPUCPU向主存写入一个字准备就绪？传输完成？YNYN现行程序现行程序CPUI/O设备I/O设备CPU出错I/O设备CPUCPU主存图5.5程序查询方式流程2.程序查询方式的接口

接口可以看做是两个系统或两个部件之间的交接部分，它既可以是两种硬设备之间的连接电路，也可以是两个软件之间的共同逻辑边界。数据缓冲寄存器设备选择电路Q&QDB①②③④⑤⑥⑦⑧数据线输入数据启动设备准备就绪启动命令地址线设备工作结束图5.6程序查询方式输入接口电路的基本组成SEL1.中断的基本概念中断概念的出现，是计算机系统结构设计中的一个重大变革。在程序中断方式中，某一外设的数据准备就绪后，它“主动”向CPU发出请求中断的信号，请求CPU暂时中断目前正在执行的程序而进行数据交换。当CPU响应这个中断时，便暂停运行主程序，并自动转移到该设备的中断服务程序。当中断服务程序结束以后，CPU又回到原来的主程序。这种原理和调用子程序相仿，不过，这里要求转移到中断服务程序的请求是由外部设备发出的。中断方式特别适合于随机出现的服务。5.2.2程序中断方式2.程序中断方式工作的原理取指令执行指令中断？响应中断关中断找到中断源,保存断点转移到中断服务子程序保存CPU现场设备服务恢复CPU现场开中断是否中断周期（硬件）指令周期（硬件）中断服务子程（软件）图5.8中断处理过程流程图3.程序中断方式的基本接口为处理I/O中断，在I/O接口电路中必须配置相关的硬件电路。（1）中断请求触发器和中断屏蔽触发器（2）排队器（3）中断向量地址形成4.中断服务程序的流程（1）保护现场保护现场有两个含义，其一是保存程序断点；其二是保存通用寄存器和状态寄存器的内容。（2）中断服务（设备服务）这是中断服务程序的主体部分，对于不同的中断源，其中断服务操作的内容是不同的。（3）恢复现场这是中断服务程序的结尾部分，要求在退出服务程序前，将原程序中断时的“现场”恢复到原来的寄存器中。（4）中断返回中断服务程序的最后一条指令通常是一条中断返回指令，使其返回到原程序的断点处，以便继续执行原程序。5.4DMA方式

5.4.1DMA的基本概念直接内存访问(DMA)，是一种完全由硬件执行交换的工作方式。在这种方式中，DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和I/O设备之间进行。DMA方式一般用于高速传送成组数据。DMA控制器将向内存发出地址和控制信号，修改地址。对传送的字的个数计数，并且以中断方式向CPU报告传送操作的结束。DMA的种类很多，但多种DMA至少能执行以下一些基本操作：①从外围设备发出DMA请求；②CPU响应请求，把CPU工作改成DMA操作方式，DMA控制器从CPU接管总线的控制；③由DMA控制器对内存寻址，即决定数据传送的内存单元地址及数据传送个数的计数，并执行数据传送的操作；④向CPU报告DMA操作的结束。注意，在DMA方式中，一批数据传送前的准备工作，以及传送结束后的处理工作，均由管理程序承担，而DMA控制器仅负责数据传送的工作。图5.12DMA传送数据的流程图图5.10DMA的基本方法2．DMA传送方式

DMA技术的出现，使得外围设备可以通过DMA控制器直接访问内存，与此同时，CPU可以继续执行程序。通常采用以下三种方法：①停止CPU访内；②周期挪用；③DMA与CPU交替访内。

1．停止CPU访问内存当外围设备要求传送一批数据时，由DMA控制器发一个停止信号给CPU，要求CPU放弃对地址总线、数据总线和有关控制总线的使用权。DMA控制器获得总线控制权以后，开始进行数据传送。在一批数据传送完毕后，DMA控制器通知CPU可以使用内存，并把总线控制权交还给CPU。图5.13(a)是这种传送方式的时间图.很显然，在这种DMA传送过程中，CPU基本处于不工作状态或者说保持状态。

2．周期挪用在这种DMA传送方法中，当I/O设备没有DMA请求时，CPU按程序要求访问内存；一旦I/O设备有DMA请求，则由I/O设备挪用一个或几个内存周期。I/O设备要求DMA传送时可能遇到两种情况：一种是此时CPU不需要访内，如CPU正在执行乘法指令。由于乘法指令执行时间较长，此时I／O访内与CPU访内没有冲突，即I/O设备挪用1-2个内存周期对CPU执行程序没有任何影响。另一种情况是，I/O设备要求访内时CPU也要求访内，这就产生了访内冲突，在这种情况下I/O设备访内优先，因为I／O访内有时间要求，前一个I/O数据必须在下一个访内请求到来之前存取完毕。3．DMA与CPU交替访内如果CPU的工作周期比内存存取周期长很多，此时采用交替访内的方法可以使DMA传送和CPU同时发挥最高的效率。这种方式不需要总线使用权的申请、建立和归还过程，总线使用权是通过C和C分的。CPU和DMA控制器各自有自己的访内地址寄存器、数据寄存器和读／写信号等控制寄存器。

这种传送方式又称为”透明的DMA”方式，其来由是这种DMA传送对CPU来说，如同透明的玻璃一般，没有任何感觉或影响。在透明的DMA方式下工作，CPU既不停止主程序的运行，也不进入等待状态，是一种高效率的工作方式。3.基本的DMA控制器

1．DMA控制器的基本组成一个DMA控制器，实际上是采用DMA方式的外围设备与系统总线之间的接口电路。这个接口电路是在中断接口的基础上再加DMA机构组成。图5.14简单的DMA控制器组成内存地址计数器：用于存放内存中要交换的数据的地址。字计数器：用于记录传送数据块的长度（多少字数）。数据缓冲寄存器：用于暂存每次传送的数据（一个字）。DMA请求标志：每当设备准备好一个数据字后给出一个控制信号，使“DMA请求”标志置“1”。

控制／状态逻辑：由控制和时序电路以及状态标志等组成，用于修改内存地址计数器和字计数器，指定传送类型（输入或输出），并对“DMA请求”信号和CPU响应信号进行协调和同步。中断机构：当字计数器溢出时（全0），意味着一组数据交换完毕，由溢出信号触发中断机构，向CPU提出中断报告。2．DMA数据传送过程

DMA的数据块传送过程可分为三个阶段：传送前预处理；正式传送；传送后处理。预处理阶段由CPU执行几条输入输出指令，测试设备状态，向DMA控制器的设备地址寄存器中送人设备号并启动设备，向内存地址计数器中送入起始地址，向字计数器中送入交换的数据字个数。在这些工作完成后，CPU继续执行原来的主程序。当外设准备好发送数据（输入）或接受数据（输出）时，它发出DMA请求，由DMA控制器向CPU发出总线使用权的请求(HOLD)。3.DMA小结与程序中断方式相比，DMA方式有如下特点。①从数据传送看，程序中断方式靠程序传送，DMA方式靠硬件传送。②从CPU响应时间看，程序中断方式是在一条指令执行结束时响应，而DMA方式可在指令周期内的任一存取周期结束时响应。③程序中断方式有处理异常事件的能力，DMA方式没有这种能力，主要用于大批数据的传送。④程序中断方式需要中断现行程序，故需保护现场；DMA方式不中断现行程序，无需保护现场。⑤DMA的优先级比程序中断的优先级高。第五章（二）计算机外部设备

5.5外部设备概述

中央处理器（CPU）和主存储器（MM）构成计算机的主机。除主机以外，那些围绕着主机设置的各种硬件装置称为外部设备或外围设备。它们主要用来完成数据的输入、输出、存储以及对数据的加工处理。

5.5.1外部设备的分类外部设备的种类很多，从它们的功能及其在计算机系统中的作用来看，可以分为以下5类。

1．输入输出设备从计算机的角度出发，向计算机输入信息的外部设备称为输入设备；接收计算机输出信息的外部设备称为输出设备。

2．辅助存储器辅助存储器是指主机以外的存储装置．又称为后援存储器。3．终端设备终端设备由输入设备、输出设备和终端控制器组成，通常通过通信线路与主机相连。4．过程控制设备当计算机进行实时控制时，需要从控制对象取得参数，而这些原始参数大多数是模拟量，需要先用模数转换器将模拟量转换为数字量，然后再输入计算机进行处理。5．脱机设备脱机设备是指在脱离主计算机的情况下，由设备本身完成数据制备的设备。5.5.2外部设备的地位和作用

外部设备是计算机和外界联系的纽带、接口和界面，如果没有外部设备，计算机将无法工作。由此可见，外部设备在计算机系统中占据的地位变得越来越重要了。外部设备在计算机系统中的作用可以分为4个方面：

1．外部设备是人机对话的通道无论是微型计算机系统，还是小、中、大型计算机系统．要把数据、程序送人计算机或要把计算机的计算结果及各种信息送出来，都要通过外部设备来实现。因此，外部设备成为人机对话的通道。2．外部设备是完成数据媒体变换的设备人们习惯用字符、汉字、图形、图像等来表达信息的含义，而计算机内部却是以电信号表示的二进制代码。3．外部设备是计算机系统软件和信息的驻在地随着计算机技术的发展，系统软件、数据库和待处理的信息量越来越大，不可能全部存放在主存中，因此，以磁盘存储器或光盘存储器为代表的辅助存储器已成为系统软件、数据库及各种信息的驻在地。4．外部设备是计