计算机组成原理-教案-唐朔飞

计算机与信息技术学院

课程教案

专业计算机科学与技术专业___________

课程________计算机组成原理_________________

讲授人_______________________________________

2015年9月10日

（一）课程名称：计算机组成原理

（二）学时学分：周4学时，4学分

（三）预修课程：数字逻辑、汇编语言

（四）使用教材

唐朔飞编著：《计算机组成原理》（第2版），高等教育出版社，2008年1月

第2版。

（五）教学参考书（3本以上）

1、王爱英编著：《计算机组成与结构》（第4版），清华大学出版社,2007年3

月版.

2、白中英编著：《计算机组成原理》（第5版），科学出版社，2013年2月版。

3、WilliamStallings编著：《计算机组织与结构-性能设计》（第8版），机械

工业出版社，2011年11月版。

4、李业民编著：《计算机组成与系统结构》（第1版），清华大学出版社，2000

年4月版。

（六）教学方法:课堂讲授，课程设计，师生互动，理论与实验结合教学.

（七）教学手段：多媒体教学。

（八）考核方式：闭卷考试.

（九）学生创新精神与实践能力的培养方法：通过老师出题、小组讨论、实

睑、学生自由发言等方式使学生掌握基本的计算机专业思维，提高学生分析问题、

解决问题的能力，培养学生的动手能力，写作能力和表达能力，将为学生奠定深

厚的专业潜力和良好的专业素质.

（十）其它要求：严格考勤，学生课堂表现及课堂参与情况占学生成绩的

15%,当堂测试、课程论文和课下作业占学生成绩的15%,期末成绩占70乳

第一章计算机系统概论

教学时数：2学时

教学目的与要求:要求学生了解计算机系统的基本概念，.使学生初步掌握计

算机系统的基本概念及本书的基本结构，为进一步深入学习打下基础。

教学重点:掌握冯・诺依曼计算机的架构、计算机基本技术指标。

教学难点：引入冯・诺依曼计算机的架构、总概全书。

第一节计算机系统简介（了解）

「中央处理器（CPU）r运算器

「主机J1控制器

f只读存储器（ROM）

〔内存储器［可读可写存储器（RAM）

C输入设备（如：键盘、鼠标）

计外部没备1输出设备（如：显示器、打印机）

算1〔外部存储器（如：磁盘、磁带、光盘）

机’操作系统

系

（［汇编程序

统系语言处理程序］解释程序

统＜L编译程序

软（-数据库管理系统（如FOXBASE）

件诊断程序（如DIAGS）

、支持软件I调试程序（如DEBUG）

］编辑程序（如EDIT）

链接程序（如LINK）

〔网络通信系统

I应用软件（如WPS）

第二节计算机的基本组成（重点）

层次结构

_________硬件层次结构_________

数据模型、算法

___________用户程序___________

作为软件资源的应用程序

语言处理程序（解释、编译）

操作系统一

机器语言（指令系统）一

微程序控制器

______________________________

硬件逻辑部件一

虚拟机层次结构

应用程序虚拟机一

高级语言虚拟机

汇编语言虚拟机

-2-

操作系统虚拟机

指令系统、机器语言一

裸机（硬件）一

编译：将源程序的全部语句变成机器语言，然后执行。

解释:将源程序的一条语句变成机器语言并执行，然后再把下一条语句变成

机器语言并执行，直到结束。

透明：本来存在的事物或属性，从某个角度看却好象不存在，称为透明。

虚拟机：由软件实现功能的机器称为虚拟机。

冯一诺依曼（VonNeumann）型计算机

1）计算机分为五部分:运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备，计

算机以运算器为中心，输入输出设备与存储器之间的数据传送都要经过运算器，

各部分的操作及其相互之间的联系都要由控制器集中控制。

（指令流生成控制流，控制流控制数据流）

2）存储器按比址方问，它是一个廊序的线性编力:的一维空旬，甩个单元的

位数是固定的.

3）采用存储盅控制器

3二存储器中，指a和数据等

同看待，指令和数据都可以送入运算器中运算，即由指令组成的程序是可以在运

行过程中被修改.

4）数据以二进制编码，采用二进制运算.

5）指令由操作码和地址码两部分组成.操作码表示指令的性质，地址码表示

操作数所在的位置.

6）指令在存储器中基本采用顺序执行，由指令计数器指明要执行的指令在

存储器中的地址。

第三节计算机硬件的主要技术指标（重点）

lo字长

CPU一次处理的最大的二进制数的位数为机器字长.机器字长:是指参与运算

的数的基本位数，它标志着计算精度，位数越多，精度越高，但硬件成本也越高,

因为他决定着寄存器、运算部件、数据总线等的位数.

2.主存容量

主存储器是CPU可以直接访问的存储器，需要执行的程序与需要处理的数

-3-

据就放在主存中。主存容量大则可以运行比较复杂的程序，并可以存入大量信息,

可以利用更完善的软件支撑环境。所以计算机处理能力的大小在很大程度上取决

于主存容量的大小。主存容量的记法有两种:字节数（如PC机,640KB）和单元数

（字数）*位数（如64K*16）。

3.外存容量

外存容量一般是指计算机系统中联机运行的外存储容量.

4.运算速度

（l）CPU时钟频率

计算机的操作需要分步执行，每个时钟周期完成一步操作，所以时钟频率在

很大程度上反映了CPU速度的快慢。

（2）每秒平均执行指令数（ips）

由于各种指令的执行时间不等，所以这种描述是粗略的。通常，一条指令能

实现一次定点加减运算，所以ips值大致相当于每秒钟能完成的定点加减运算次

数。

（3）单独注明时间。

第四节本书结构

本章思

题

Io什么

计算机系统、

算机硬件和

件？

2.如何

解计算机系

的层次结

构？

3.说明

级语言、汇编

言和机器语言

的区别及联系。

4.指令和数据都存在存储器中，如何区分它们？

5o什么是指令？什么是程序？

第二章计算机的发展及应用

-4-

教学时数：2学时

教学目的与要求:通过本章的讲述，使学生初步了解计算机系统的发展历史、

应用前景，增进和培养学生的学习兴趣。

教学重点：掌握计算机发展趋势。

第一节计算机的发展史

lo从物理器件的角度分为五代计算机：

(1)第一代电子管计算机

(2)第二代晶体管计算机

(3)第三代集成电路计算机

(4)笫四代大规模集成电路计算机

(5)第五代超大规模集成电路计算机(人工智能)

2。从计算机的体积可分为：巨、大、中、小、微型计算机。

3.从运算能力可分为：4,8,16,32,64位计算机。

第二节计算机的应用

1.科学计算和数据应用

2.工业控制和实时控制

3。网络技术

4。虚拟现实

5o办公自动化

6.多媒体技术

7.人工智能

第三节计算机的展望

1.串行算法改为并行算法，出现了向量计算机、并行计算机和多处理机等。

2.高级语言与机器语言的语义距离缩小,出现了面向高级语言机器和直接执

行高级语言机器。

3。硬件子系统与操作系统和数据库管理系统软件相适应，出现了面向操作

系统机器和数据库计算机。

4.计算机系统从指令驱动型改变为数据驱动型和需求驱动型，出现了数据

流机器和归约机。

5.为了适应特定应用环境而出现了各种专用计算机。

6。为了获得高可靠性而研制容错计算机.

7.计算机系统功能分散化、专业化，出现了各种功能分布计算机。

8。出现了与大规模、超大规模集成电路相适应的计算机系统结构.

9.出现了处理非数值化信息的智能计算机.

-5-

本章思考题

1.计算机更新换代以什么为依据？

2。什么是摩尔定律?该定律是否永远生效？

3o说明网络技术的应用。

4。说明人工智能的应用.

5。举例说明哪些应用需要采用多媒体技术？

第三章系统总线

教学时数：2学时

教学目的与要求：使学生掌握总线系统的基本概念，总线的主要技术指标，

单、多总线架构的特点及机内的通信方式。

教学重点:总线的概念和结构形态、信息传送方式.

教学难点：总线的仲裁、总线数据的传送模式。

第一节总线的基本概念

在计算机的内部，CPU和存储器之间由总线连接。总线是用来连接计算机

中的多个部件，以实现部件之间信息交换的一组导线。

总线按照它的任务划分，可分为三级：

1.片内总线指芯片内部的总线。如CPU内部总线，他连接CPU内部的各

个寄存器和算术逻辑运算部件。

2.系统总线指CPU、主存、I/O（通过I/O接口）各大部件之间的信息传输

线。系统总线根据其传递的信号不同可以分为地址总线、数据总线和控制总线。。

3.通信总线用丁比接计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信。

我们所说的总线，一般情况指系统总线。

总线在传输数据格式上采用串行传输和并行传输两类。能一次并行传输的数

据位数被定义为总线的数据通路宽度，而单位时间能传输的数据量被定义为总线

的数据传输率。

完成一次总线传送操作所需的时间称为一个总线周期。根据总线可能的传送

方向,总线可分为单向总线和双向总线。

第二节总线的分类

狭义的总线实体是一组传送线。它们的定义与允许的工作方式派生出相应的

总线逻辑，如：接收与发送信息逻辑，为共享总线所需的缓冲器,对总线控制权

的申请、仲裁、批准与控制权转移逻辑，为与总线标准匹配所要求的信号转换等。

所以，总线实体是一组传送线路与相应的控制逻辑.

1）从系统组成角度分类

在小规模系统中，常用一组系统总线连接CPU、主存、接口与外围设备，

-6-

称为单总线结构。在较大规模系统中，常设置多组总线，如：在主存与CPU之间

设置一组专用的高速存储总线，而将连接外围设备的系统总线称I/O扩展总线。

在一些系统中，将直接与CPU连接的一段总线称局部总线，将经过总线控

制器扩充后的总线称为系统总线。

连接系统内部CPU、主存、接口与常规外围设备的总线称为系统内总线.把

计算机系统之间，计算机系统与通信设备或其他系统外设之间的连接总线称为系

统外总线。

在松耦合多机系统中，常将各节点内部的总线称为局部总线，节点间的总线称

为通信总线。

2)按数据传送格式分类

并行总线:用多根数据线同时传送一个字节或一个字的所有代码位，可以同

时传送的数据位数称为该总线的数据通路宽度.计算机的系统总线大多是并行总

线。

串行总线；按位串行传送数据，即按数据代码位流的顺序逐位传送.

3)按时序控制方式分类

系统总线所连接的CPU与各种外围设备往往有各自独立的工作时序,在通过

总线传送数据信息时，其时序控制方式有同步方式和异步方式之分，相应地，也

将总线分为同步总线和异步总线两类。

同步总线:数据传送操作由统一的系统时钟同步定时，其显著特征是有亚格

的时钟周期划分，一次传送操作所需的一个总线周期可能包括若干时钟周期.在

单机系统中，系统时钟曰CPU提供。在多机系统中，或由负责系统管理的主CPU

提供，或专门设置一个系统时钟.

第三节总线特性及性能指标

同步控制方式以时钟周期为划分时间段的基准，一个总线周期占用多个时钟

周期，必要时候,一个总线周期所包含的时钟周期数目并不固定，但都是以完整

的时钟周期为基准的。例如，DMA控制器向CPU提出总线请求，获得总线控制

权后实现一次总线传送.通常这一过程要经过以下几步：

(1)SO状态：DMA控制器提出总线请求(BREQ),此时CPU正控制总线

访问主存，因此DMA控制器处于等待批准的SO状态,可能要等待几个时钟周期。

(2)S1状态：CPU结束一次总线周期操作，发出总线批准信号BACK,进入

总线控制权交换状态S1状态。在S1状态中，CPU放弃总线，DMA控制器向总

线送出地址码，接管总线控制权，并进入下一状态。

(3)S2状态:由DMA控制器发出读命令,从发送设备中读出数据，送入有关的

数据寄存器，并发送到数据总线上。

-7-

（4）S3状态：由DMA控制器发出写命令，将数据总线信息写入接收设备.

（5）S4状态：延长状态，如果在S3状态中没有完成总线传送，可以延长

总线周期，进入S4状态。

结束一个总线周期后，DMA控制器放弃系统总线，将总线控制权交回CPUo

第四节总线结构和总线控制

异步总线：对总线操作的控制与数据传送，以应答方式实现，特点是没有固

定的时钟周期划分。

异步应答关系分为不互锁、半互锁和全互锁三类。

不互锁：设备1发出请求信号，经过一段时间后，自动撤消；设备2接到设

备1的请求信号后，在条件允许时发出回答信号，经过一段时间后，自动撤消。

半互锁：设备1发出请求信号后，接到设备2的回答信号后，才撤消请求信

号，而设备2经过一段时间后，自动撤消回答信号。

全互锁：设备1发出请求信号后，接到设备2的回答信号后，才撤消请求信

号，设备2知道设备1撤消了请求信号后，才撤消回答信号。

本章思考题

1。什么是总线？总线传输有何特点？

2。如何理解总线的不同分类？

3.比较同步及异步通信。

4。什么是总线标准?为什么要设置总线标准？

5o什么总线的传输速率，它与哪些因素有关？

第四章存储器

教学时数：8学时

教学目的与要求:使学生掌握主存、辅存的概念，重点理解存储器分级的结

构，掌握主存与CPU连接方式，Cache与主存地址映射方式.

教学重点:静态存储器、动态存储器、Cache存储器的地址映射方式。

教学难点：主存芯片与CPU的连接方法、存储器的校验。

第一节概述

lo存储器的分类

1）按存储器与CPU的关系：存储器分为主存和辅存两部分.

主存是能够由CPU直接编程访问的存储器，它存放需要执行的程序与需要处

理的数据。由于主存处于主机的内部所以又称之为内存。与之相对的是外存，又

称辅存.辅存包括：磁盘、光盘、磁带等.

2）按存取方式：随机存储器、只读存储器、顺序存储器和直接存储器。

随机存储器：存储器中的任何一个存储单元的内容都能被随机存取,且存取

-8-

时间都相同，与存储单元的物理位置无关（RAM），可以用存储周期来表示其工作

速度.

只读存储器:存储器工作的时候只能读，不能写，通常保存一些特别重要的信

息。它也采用随机存取方式。

顺序存取存储器：存储器中的存储内容只能按顺序存取，其存取时间与存储

单元的物理位置有关（SAM）,如磁带。

直接存取存储器（DAM）：介于随机存储方式和顺序存储方式之间，典型的

直接存取存储器是磁盘，磁盘寻址时，首先磁头定位于磁道类似于随机存储方式，

然后在磁道内寻址类似于顺序存储方式。

3）按存储介质：半导体存储器（用半导体器件构成的存储器，多用于主存）

和磁存储器（磁性材料做成的存储器，如磁盘）。半导体存储器又可以细分为静态

存储器（SRAM）和动态存储器（DRAM）o

4）按信息的保存：永久性存储器（断电后存储信息仍可以保持）和易失性

存储器（断电后丢失信息），如磁盘是永久性，RAM为易失性。

5）按读写功能:读写存储器和只读存储器

6）主存储器分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）,只读存储器

乂可以分为：可编程只读存储器（PROM）,可擦可编程只读存储器（EPROM）,电

可擦可编程只读存储器（E2PROM）,以及快闪存储器。

第二节主存储器

lo存储器的组成

存储体

地

址

缓

冲

和

译

码

器

工中数据缓冲器T

存储器是一种能够实现按地址d.的装置。存4器由存储体、地址缓冲和译

码器、读写数据缓冲器组成。率储「♦存储器的核工，它率许多存储单元组成,

每个存储单元又由若干个可记必0成4空存撤承组成此，每个存储单元可

以存放若干位二进制数，称为一个字。每个存储单元按其空间的位置都有一个固

定的编号，称为存储单元的地址，简称地址。通常说存储器容量为M*N的,M表

示的是存储器有多少个字，N表示每个字有多少个存储元件。

2。主存储器的技术指标

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1）存储速度：存取时间（TA,又称取数时间）和存储周期（TM）

2）存取时间：存储器接到读命令信号到其数据输出端有信号输出为止的时

间。例如对于2114来说，其存取时间为从WE=1开始到读写数据缓冲器中有数

据为止。

3）存储周期：连续两次访问存储器所需要的最小时间间隔。例如:从CPU

向存储器发出读命令，到CPU的MDR中有数据为止。

4）价格：存储器的价格以位价格衡量，即存储容量为S,价格为C,P=C/S

是位价格。

3。主存储器的工作原理

CPU对存储器进行操作的时候，一定要用到两个寄存器:地址寄存器（MAR）

和数据寄存器（MDR）,CPU与存储器之间的数据传输分为同步传输方式和异步

传输方式两种，

1）同步方式：数据传输是在固定的时间间隔内完成，此时间间隔由CPU

的时钟脉冲确定，从而构成一个完整的存储器读写周期。

2）异步方式：当存储器接到CPU的读写命令时，完成一次读写操作后，

向CPU发一个“存储器功能完成"信号（WMFC）,CPU接到此信号后，才完成

一次数据传输工作。

注:CPU中有一个引脚叫做Ready,其名称是：准备好信号，当它为1时，表

示CPU可以和存储器芍输数据。而不是象书中所说是通过Ready做主存储器应

答.

3）读写过程

（DCPU从存储器中读取一个字节数据

①把要读取的字节的地址送入MARo

O,2把要读取的字节的地址经过地址总线送入存储器的地址缓冲译码器，

同时发出读请求.

O,3存储器读操作，找到数据送入其数据缓冲寄存器，

错误!由数据总线将数据送入CPU的MDR,同时发出WMFC信号

（WMFC=l）o

（2）CPU向存储器写一个字节数据

错误!把要写入存储器的字节送入MDRO

错误!其地址送入MARo

错误!经过数据总线和地址总线把数据、地址送入存储器，同时发出写请求。

④将数据写入存储器指定单元，同时发出WMFC信号.

4o存储器扩容

-10-

I）位扩展（字长扩展）

位扩展连接方式：将多片存储器的地址、片选、读写控制连在一起;数据线

分别连接.

2）字扩展

字扩展连接方式：将多片存储器的地址、数据、读写控制连在一起；片选信

号来区别那个芯片被选用（充当高位）。

3）字位扩展。

字扩展连接方式：将多片存储器的地址、读写控制连在一起;片选信号来区

别那个芯片被选用（充当高位），数据线分别连接。

可选讲：动态存储器的刷新

由于动态存储器依靠电容上存储电荷来暂存信息，而电容上存储的电荷会逐

步衰减，所以动态存储器一定要定期刷新。通常动态存储芯片要在2ms（毫秒）以

内全部刷新一遍，即全部刷新一遍所允许的最大时间间隔为2ms,称为最大刷新

周期.对于整个存储器来说，各个存储芯片可以同时刷新。对于每块动态存诸芯

片来说，则是按行刷新，每次刷新一行，所需时间为一个刷新周期。例如一个动

态存储芯片为128行，，则在2ms内应该至少安排128个刷新周期。

对于一个动态存储器，它在工作过程中实际包括两种工作状态：读写保持状

态和刷新状态.如何进行刷新呢？通常采用以下三种方式：

（1）集中刷新方式：在2ms之内直接安排128个刷新周期，统一刷新。优点

是主存利用率高，控制简单；缺点是存储器在每个2ms之内必定有一段时诃不

能进行读写操作（在进行刷新），造成•段死区。

（2）分散刷新方式：存取操作和刷新同时进行，即在每个存储周期中包括

存取数据刷新数据两部分.优点：没有死区，缺点:降低效率。

（3）异步刷新方式：由于2ms/128=15.625us（微秒），所以每隔15.625us提

出一次刷新请求，安排一个刷新周期，如果此时正在进行存取工作，则等到存取

工作结束后进行刷新.

5.多体交叉存储器

存储器是存储指令（程序）和数据的地方,CPU工作时将不停的访问存储器，

CPU工作的基本周期是时钟周期（节拍），存储器工作的基本周期是存储周期，即

CPU以时钟周期表示CPU的速度，存储器以存储周期表示存储器的速度,但是通

常存储器的存储周期的时间远远大于CPU的时钟周期，所以实际上CPU的工作

速度会降低到与存储器的速度相当,CPU工作时不得不在两个时钟周期之间插入

空闲周期。

通常存储器的容量与速度成反比，即1K的存储器的速度比4K的存储器的速

-II-

度快，因此提出多体交叉存储器技术.多体交叉存储器技术分为两种：高位交叉

编址和低位交叉编址。例如，某机器有一个容量为4K*8的存储器，为了提高

存储速度将存储器变成4个1K*8的存储模块。

1）高位交叉编址：该方法的优点是便利灵活，便于扩展，如将4K的存储

器扩展成5K的存储器只需要加一个存储模块，某一个存储模块出现问题不影响

其他模块。

2）低位交叉编址：该方法的优点是提高CPU工作效率。因为在通常情况

下，数据被连续读取，如CPU取4个字节，用高位交叉技术要对存储器进行4次

读取，而用低位交叉技术只对存储器读取一次即可（四个模块同时工作）.用低位交

叉技术的机器一个存储周期得到4个字节，其存储周期相当于原来的四分之一。

推而广之，一个具有n个模块的存储器,其存储周期等效于单模块的1/n,但这是个

乐观的估计，总之效率会明显提高。

注意：理论上讲，n的值越大，存储器的速度越高，但是实际中一般立8.如果

n>8速度提高就不在明显，这是因为多体交叉存储器存在访问冲突问题.产生访问

冲突的原因是：一、程序中有转移指令，二、是数据的随机性。

对于多体交叉存储器的控制有两种：一种是同时启动各模块，然后在主存控

制部件的控制下,分时使用总线传输；另一种是各模块分时启动，如四个模块就是

每隔四分之一存储周期启动一个模块，后者应用多些。

6.存储器校验

二进制信息在传送时，可能发生错误，校验码是一种具有校验差错能力的代

码.校验码由两部分组成:信息位和校验位，信息位就是要传送的数据信息，校验

位是在信息位的基础上根据具体的校验方法得到的一些附加数据。校验的方法不

同，信息位也不同。

基本概念

码字:表示一个数（或字符）的若干位二进制代码;码元：码字中的一位二进制

数;码组:满足一定规则的码字集合;最小码距:一个码组中任何两个码字之间的不

同码元的最小个数。

若实现数据校验，必须在原有码字（信息位）的基础上增加额外码元（校验位）,

从而增大码组中的最小码距。最小码距与校验能力的关系满足下面公式:L=2C+

1,L=D+1其中L表示最小码距，C表示可纠错位数,D表示可检错位数。

奇偶校验

所谓奇偶校验就是在传输的数据后面加一位奇偶校验位，为奇校验时就是加

校验位后，保证在全部数据中“1”的个数为奇数个，为偶校验时就是加校验位后,

保证在全部数据中“1”的个数为偶数个。

-12-

假设数据位四位，对于奇校验来说，总是P=B3㊉……㊉B0㊉1

对于偶校验位P=B3㊉B2㊉Bl©BO

加奇偶校验位时可以根据校验位的位置分为横向奇偶校验、纵向奇偶校验和

横纵奇偶校验.例如有以下一组数据：

0011(X)0000110001()0110010()01100110011()1()0(数字：()1234)

采用横向奇校验时编码为：

001100001

001100010

001100100

0011(X)111

001101000

即:001100001001100010001100100001100111001101000

第三节高速缓冲存储器

lo存储系统的层次结构

计算机系统对存储器的基本要求是：高速度、大容量、低价格。这三个条件

互相矛盾，不可能同时实现，为了解决这一矛盾，必须对存储系统进行层次划分。

1)主存、辅存结构：以速度快、价格高的半导体存储器作主存，以磁存储

器做辅存。

2)高速缓存、主存、辅存三级结构。

通常把CPU当前正在执行的程序和数据放在主存中，而暂时不执行的程序

和数据放在辅存中。在执行过程中，不断地把辅存中即将处理的信息调入主存，

处理过的信息不断地调出主存.这一过程现在由操作系统中的虚拟存储器技术实

现.对于那些使用频率极高的数据则保存在Cache中。采用了三级结构，理想情况

是高速缓存的速度,辅存的容量、价格。

2o高速缓冲存储器(Cache)

引用虚拟存储器的目的是令主存空间扩大，引用Cache是为了提高主存的速

度.虚拟存储器靠OS软管理，而Cache靠硬件管理.Cache本身是一个高速的存储

器件，其速度与CPU的速度相当，如果搞好Cache与主存的关系，可以大大梃高

主存的速度,又由于Cache对于系统程序员来说也是透明的。有人把Cache划入

CPU中。由于Cache和主存都可以与CPU相关，Cache与主存的关系有点像页

式虚拟存储器中的快表。

通常把Cache和主存等分成块，每当给出一个主存字地址进行访存时，都必

须通过主存一Cache地址映像变换机构判定该访问字所在的块是否已经在Cache

中，如果在，则经地址映像变换机构将主存地址变换成Cache的地址去访问

-13-

Cache,此时Cache与处理机之间进行单子宽信息的交往；如果不在Cache中，

则产生Cache失效，这时要从访主存的通路中把包含该字的一块信息通过多字宽

通路调入Cache,同时将被访问字由主存送入CPU,如果Cache中已装不进了，即发

生块冲突，此时需要按所选择的替换算法将该块替换进Cache,并修改地址映像

表中有关的地址映像关系和修改好Cache各块使用状态标志等信息.

1)地址映像与变换：

错误!全相联映射

让主存中任意的一块均可以映像到Cache中的任意一块位置上。此时要求有

一个专门硬件设置的目录表，目录表中记录着主存块号与Cache块号之间的变换

关系，主存地址通过目录表可以转换成Cache中的地址。

优点：块冲突率低，缺点：Cache变大,目录表也大，速度降低。

错误!直接映射

让主存中每一个块只能映像到Cache中唯一的一个位置上，例如设Cache

中可以放X块，主存中的第i块映像到Cache中的第(iMODX)块中。这相当于

把主存空间按Cache的空间分成区，每区的各块均只能按位置一一对应到Cache

的相应位置.此时主存地址分为区号，主存块号，块内地址三部分，目录表只记录

各块的区号，变换时，以主存块号为地址到目录表中的对应部分取区号与主存地

址区号比较相同，则主存块号与块内地址成Cache地址，不相同，则换页.

优点：电路简单，速度快；缺点：冲突率高。

错误!组相联映射

将Cache各块分组,主存以Cache大小分区，区下分组，组下分块。组间采用

直接映像，组内采用全相联映像.

2)Cache的读写：

错误!读操作:访存时，一方面主存地址送主存,启动读主存，另一方面地址送

Cache映象成Cache地址。从Cache页中读取内容，并将相应的Cache标记与主

存地址中的主存页标记进行比较，如果二者相同，则表示访问Cache命中，读出

数据送往CPU,不等主存读操作结束，就可以继续下一次访存操作.如果标记不

符合，或是按映像方式搜索完毕仍未找到相符的Cache标志，表明本次访问Cache

失败，则从主存读出数据送CPU,偶尔一次不命中，不一定立即替换，一般是在

命中率变低时才考虑替换，如果替换，则以页为单位整页替换，并相应修改Cache

标记.

错误!写操作：

写回法(标志替换法).在数据回写的时候，只写入Cache,同时在Cache块

中设置一个标志位，标志位为1表示有数据写回此Cache块，当此Cache块被替

-14-

换的时候写入主存，但是如果在替换时，恰好主存没有此Cache块(先被虚拟存

储器替换)，则出错。这种方式不在Cache操作过程中插入写主存操作，保持程序

的运行速度。

写直达法。写入Cache同时写入主存，但有些写入是多余的。这种方式保持

了Cache与主存的一致性。

本章思考题

1.计算机中哪些部件可用于存储信息？

2。说明存取周期和存取时间的区别.

3.存储器层次结构主要体现在什么地方，为什么要分这些层次？

4。什么叫刷新，为什么进行刷新？

5.什么是存储器的带宽。

第五章输入输出系统

教学时数:8学时

教学目的与要求；使学生了解计算机系统中常用I/O设备的基本接口，主要

技术指标，工作原理等知识，重点I/O设备与CPU传输数据的三种方式。

教学重点：程序查询方式和中断方式的工作原理、基本接口。

教学难点：DMA的传送方式及传送过程.

第一节I/O设备

输入输出系统包括输入输出设备、设备控制器以及同输入输出操作有关的硬

件与软件。如：键盘一输入设备，8042—设备控制器，8255—相关硬件，int9—

相关软件。

第二节I/O接口

1O输入输出设备编址方式：

输入输出设备的编址方式分为两种：独立I/O编址、(与内存)统一编址。

如PC机采用前者，INAL,60H：读入扫描码

2。输入输出数据传送的控制方式：

(1)程序直接控制方式

(2)程序中断传送方式

(3)直接存储器存取(DMA)传送方式

(4)通道控制方式

(5)I/O处理机

第三节程序查询方式

程序直接控制方式

主机与外设之间的数据传输由程序来控制，在程序中安排一段由输入输出指

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令和其他指令组成的程序段直接控制外设的工作.程序直接控制方式分为无条件

传送方式和有条件(查询)传送方式.

无条件传送：外设与CPU之间的工作关系、动作时间固定，所以可以采用

无条件传送。

查询：传送数据之前先由程序对外设状态进行测试，测试结果满足时，传送

数据。(说明:与外设相关的芯片有状态寄存器和控制寄存器，状态寄存器提供芯

片的状态，即外设的状态，常常依靠IN指令把外设芯片的状态读入CPU来进行

查询方式的数据传送,CPU发给外设芯片的控制命令常常依靠OUT指令送入控

制寄存器，使外设按照CPU的要求工作.

第四节程序中断方式

程序中断传送方式

1)中断：在计算机的运行过程中，如果发生某种随机事态，CPU将暂停执

行现行程序，转去执行中断处理程序，为该事态服务，并在服务完毕后自动恢复

原程序的执行。

中断的定义包含了程序切换与随机性两个概念。

中断的实质是一和程序切换过程。转子程序也是一种程序切换，但区别在于

中断是随机切换，而转子程序的切换不是随机的。

2)中断方式的应用

(1)以中断方式管理中低速I/O操作，使CPU与外设并行工作

(2)软中断

(3)故障处理:掉电、校验错、软件故障、溢出

(4)实时处理：通过定时器实时采集数据

(5)多机通信:依靠中断通信

(6)人机对话：

3)程序中断与简单中断

程序中断：中断发生之后执行一段程序

简单中断：中断发生之后不执行程序，只是让出几个CPU周期，如DMA中

断

第五节DMA方式

lo直接存储器存取(DMA)传送方式

对于高速外设的成批信息交换通常采用DMA方式.在DMA方式中数据交换

不是由CPU执行程序来完成，而是由DMA控制器控制,如软盘操作。DMA方

式分为三种：CPU暂停、CPU周期窃取、CPU与IO交替访问存储器

2.通道控制方式

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DMA可以处理大批数据，但是对外设的管理仍由CPU承担，为能更好的发

挥CPU效率，设置新硬件通道。通道是专门执行输入输出操作的处理机，它独立

的对输入输出操作进行管理。当CPU执行I/O指令时，CPU不执行输入输出操

作，只启动通道执行输入输出操作，并将控制权转给通道。

3。主机与外设间的连接模式

总线型

在这种结构中,CPU通过系统总线与外设相连，各外设通过各自的接口直接与

公共的系统总线相连。CPU经过地址锁存器向系统总线发出地址代码，经过数据

缓冲器向系统总线发出或接收数据代码，经过总线控制器发出或接收控制信号。

如果CPU暂时放弃对系统总线的控制，则有关的输出端呈高阻态，即与总线脱

钩。

此结构优点:结构简单，易于扩展，易于实现；缺点：信息吞吐量有限。

辐射型

在这种结构中，各外设和主机之间有各自独立的数据通路，因而形成以主机

为中心向各设备辐射的星型连接。现在多采用CPU通过系统总线连接一个多口

接口卡，由多口接口卡分别连接外设。各外设之间不能直接传送信息，它只能把

信息通过接口送入主机，再由主机送别的外设。

优点：各外设各自独立,相互干扰小;缺点:不能实现设备之间直接通信。

通道控制方式

通道是一种专门负责管理输入输出操作的控制器，它执行一种通道程序。

CPU启动通道后可以并行地执行自身的程序，而通道则执行通道程序，或以DMA

方式实现主存与外设之间的数据直传，或让数据输入CPU或从CPU输出。这就

使CPU从繁重的I/O操作中解脱出来，发挥其高速处理的优势，让CPU的处理与

通道管理下的I/O操作并行地进行.

从连接角度看，主机一般通过单独的数据通路分别连接数目有限的通道，各

通道再用总线结构通过接口连接外设，可称为四级连接模式，即主机一通道一I/O

接口或设备控制器-外围设备。通道的概念具有较大弹性，在逻辑划分与功能上

可作多种变化。有的系统让通道控制器位于CPU之中，称为结合型通道；有的

系统则让它独立于CPU之外，称为独立型通道。通道执行的通道程序，可以放

在主存中，与CPU共享主存；也可以自带局部存储潜存放通道程序.它的功能可以

只负责管理实现数据的输入输出，也可以发展为实现较复杂的预处理，变成输入

输出处理机。

输入输出处理机（lOP）方式

IOP比通道具有更强的独立性与通用性,它的功能与CPU类似,只是专用化,

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面向输入输出管理及相应的处理。IOP有自己的指令系统，可以编制自己的程序;

通过执行程序实现独立于CPU的输入输出操作。

在大型计算机系统中，主机通过专门的数据通路与IOP连接,10P通过总线再

与外围设备连接。高档微型计算机系统也采用输入输出处理器，将IOP集成在

一块芯片中。这种IOP芯片与CPU一起挂接在系统总线上，可共享主存.当CPU

进行输入输出时，将任务写入存储器的一个特殊区域中，然后通知IOP。IOP从该

区域中获知CPU的要求，并执行程序，完成指定的输入输出操作，然后用某些的定

的特征信息或以中断请求信号通知CPU。

本章思考题

1.1/0设备有哪些编址方式，各有何特点？

2.1/0设备与主机交换信息时，共有哪几种控制方式？简述特点。

3.图形显不和图像显小有何区别？

4。中断向量通过什么总线送至什么地方?为什么？

5.试从5个方向比较程序中断方式和DMA方式的区别。

第六章计算机的运算方法

教学时数：8学时

教学目的与要求：使学生掌握计算机系统信息的表示方法、基本逻辑运算和

四则运算，理解运算的实现方法，信息的流动方式,运算器部件的组成结构及设

计方法。

教学重点：计算机信息的表示方法、定点数和浮点数的四则运算。

教学难点：原码位申行乘法算法乘法器、浮点乘除运算算法。

第一节无符号数及有符号数

lo机器数

机器数包括原码、反码、补码和移码。

1）原码是一种机器数的表示法。它约定：对于一个正数，用“0”表示它的符

号，后面的数值部分就是它的二进制数;对于一个负数，用“1”表示它的符号，后

面的数值部分就是它的二进制数.

2）反码是-一种机器数的表示法。它约定：对于一个正数，用“0”表示它的

符号，后面的数值部分就是它的二进制数；对于一个负数，用表示它的符号，

后面的数值部分就是它的二进制数（即原码）逐位变反（即“0”变“1"变“0”）。

3）补码是一种机器数的表示法。它约定：对于一个正数，用“0”表示它的

符号，后面的数值部分就是它的二进制数；对于一个负数，用“1”表示它的符号,

后面的数值部分就是它的二进制数（即原码）逐位变反，然后加1。

对负的补码进行还原的时候，数值位仍然采用逐位变反，然后加1的方法。

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对于一个四位的二进制数来说，变反意味着用一个最大的四位二进制数来减此二

进制数,Z=（）010,Z变反即1111—0010=1101；变反加1,可以表示成

1111-0010+1=10000—0010=1110。对于同一个数进行两次变反加1,就可表示成:

10000-（10000—0010）=10000—10000+0010=0010由此可知，对于同一个数进行

两次变反加1,就可还原原来的数，所以补码还原仍是采用变反加1的方法.

4）移码是一种机器数的表示法。它约定：对于一个正数，用力”表示它的

符号，后面的数值部分就是它的二进制数：对于一个负数，用“0”表示它的符号，

后面的数值部分就是它的二进制数（即原码）逐位变反，然后加1（移码和补码在

符号上是相反的）。移码还原只能先把它变成补码，再还原.

注意:对于原码00000和10000都表示十进制的“0”,对于反码00000fil11111

都表示十进制的“0”，而对于补码00000表示“0”，而10000表示绝对值最大的

负数（一16）,同理对于移码10000表示“（F,而00000表示绝对值最大的负数

（-16）0

注2：对于原码，反码和补码可以表示整数也可以表示小数，而移码只能表示整

数，移码只用于浮点数的阶码表示。

第二节数的定点表示及浮点表示

1.定点数

定点数表示法约定:机器在运算过程中，所有数据的小数点位置固定不变，小

数点的位置由系统设计者指定一个不变的位置，它不占二进制的一位，而是隐含

在机器数中的某个位置上。

事实上，不论是定点小数还是定点整数都不能直接表示表示：+11.11

如果出现此种情况那么11.11=22*0.1111=2-2*1111.0

此时用定点数来表示数据必须另外加入一个比例因子，以便正确说明记录的

数据.用定点数进行运算处理的机器称定点机.

2.浮点数

将定点数所需的比例因子引入数据表示中，形成了浮点数。浮点数由阶数和

尾数两部分构成。浮点数的形式如下：N=±R±E*M

其中R为阶码的底，可以为2、4、8、16等等,E为阶码,M为尾数。

通常，描述一个浮点数需要考虑以下六个参数

（1）尾数值：包括采用什么码制（原码、反码、补码，常采用原码或补码），

采用什么数制（小数、整数，常采用小数）

（2）阶值：包括采用什么码制（补码、移码，常采用移码），采用什么数制

（一般采用整数）

（3）尾数的基：尾数采用二进制、四进制、8进制、16进制、10进制

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（4）阶的基：目前采用的只有二进制

（5）尾数的长度

（6）阶的长度

浮点数的表示形式为：

数符阶符阶码数值（尾数）

浮点数的表示法有很多,我们以以下四种加以说明：

原码表示法：阶和尾全是原码；

反码表示法：阶和尾全是反码；

补码表示法：阶和尾全是补码；

阶移尾补表示法：阶为移码，尾为补码；

在表示浮点数的时候，为了充分利用尾数的有效位数，提高数据精度需要采

用规格化表示，所以约定浮点数的尾数的数值最高位一定是有效的数据。对于原

码表示的浮点数，尾数的数值最高位为1,表示规格化；对于反码、补码表示的

浮点数，符号位与尾数的数值最高位不一致，表示规格化。

对于一个数V,如果出现V>X,我们称之为（正）上溢；如果出现WZ,我

们称之为（负）上溢;如果出现W<V〈Y,我们称之为下溢；出现上溢现象要进行

相应的溢出处理，出现下溢现象则把结果直接看做是0（阶、尾数全0）。当浮

点数的位数越多，它可以表示的范围就越大。

数据精度：指一个数的有效位数.定点数的精度为16,浮点数为11.

而在计算机中使用最多的是IEEE754标准。

第三节定点运算

Io原码，反码和补码、移码的运算

1）原码运算：

力口法:同符号相加或是异符号相减，保留符号，真值相加.

减法：异符号相加或是同符号相减，符号与绝对值大的数保持一致，真值相

减。

2）反码运算：只有加法运算，符号参与运算

3）补码运算：只有加法运算，符号参与运算

4）移码运算：移码加减移码运算，然后修正。

2.定点数运算的溢出处理

1）溢出现象。对于定点数的加减运算来说，实际上可以分为两类:同号加

（加）和异号加（减）。同号相加的时会产生结果不正确的现象，其原因是由于正

确的结果超过了数据所能够表示的范围，故尔称之为溢出现象，异号相加是不会

出现溢出现象的。

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2）溢出的判别

（1）由于溢出现象只出现在同号相加，其现象为正加正得负或是负加负得

正，

也可以表述为：当符号相同的两个数相加时，如果结果的符号与加数（或被

加数）的符号不同时，则为溢出.

（2）当两个数相加，如果C0CF,则为溢出.溢出标志为F=C㊉CF

其中C为数值位的进位,CF为符号位的进位。

（3）采用双符号位。

即用00表示正数，用11表示负数，当出现01时是正溢，出现10时是负溢。

3）溢出处理

计算机在运算过程中，一旦发现结果有溢出现象，必然会进行处理.溢出处理

有的是采用软件处理，有的是采用硬件处理。软件硬件等效.

3。二进制定点乘法

在计算机中，运算使用全加器，一次只能两个数相加，所以采用累加的方式

即：A=A+B,其中A中放入的是累加的结果（部分积），B中放入的是乘数的某一

位与被乘数相乘的结果（被乘数）；而在计算机中都是定点小数运算，为了保证每

一位的正确位置.，采用移位的方式（右移1位），所以在计算机中做乘法,就是靠

累加和移位实现的。

1）定点原码一位乘法。

两个原码相乘，积的符号由两原码的符号异或而成，积的值由两个原码的绝

对值相乘而得。实现原6马位乘，电路中应该设有寄存器A、B、C；计数器Ccuul,

其中寄存器A用于存放部分积，他在运算之初为0,在运算过程中，每次累加的

结果放入A,最终A保存的是积的高位部分，寄存器B用于存放被乘数，寄存

器C用于存放乘数，由于每次移位都是A、C同时移动，所以当运算结束的时候C

保存的是积的低位部分。计数器Count中保存的是被乘数、乘数的数值位数.注:

原码移位的时候采用的是逻辑移位。

2）定点补码一位乘

补码乘法与原码乘法相似，不问之处是补码的符号位可以直接参与运算。要

实现补码一位乘，电路中应该设有寄存器A、B、C；计数器Count,其中寄存器A

用于存放部分积，他在运算之初为（），在运算过程中，每次累加的结果放入A,最

终A保存的是积的高位部分，寄存器B用于存放被乘数补码数值部分，寄存器

C用于存放乘数补码数值部分，由于每次移位都是A、C同时移动,所以当运算结

束的时候C保存的是积的低位部分。计数器Count中保存的是被乘数、乘数的

数值位数.注:采用校正法，每次做加法之后要算术右移，但做校正时只加，不移

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位。

3）原码两位乘法（软件工程、物联网、信息管理专业略）

进行原码两位乘法的时候，当乘数末两位为。。则A=A+0；当乘数末两位为

01则A=A+X；当乘数末两位为10则A=A+2X;当乘数末两位为11则A=A+3X.

由于3X不好实现所以