計組（一）——計算機系統概論&系統總線

計算機組成原理 課程概況

目錄

• 計算機組成原理 課程概況
  • 教材是唐朔飛的計算機組成原理
• 第一章 計算機系統概論
  • 1.1計算機簡單介紹
    • 一、計算機系統概論
    • 二、計算機系統的層次結構
    • 三、計算機組成和計算機體系結構的研究內容
  • 1.2計算機基本組成
    • 一、馮　諾依曼計算機特點
    • 二、計算機硬件框圖
    • 三、現實問題計算機解決流程
    • 四、 存儲器的基本組成
    • 五、運算器的基本組成
    • 六、控制器
    • 七、主機完成指令的過程
  • 1.3計算機的硬件技術指標
    • 一、機器字長
    • 二、運算速度
    • 三、存儲容量
• 第二章 計算機發展以及應用（略）
• 第三章 系統總線
  • 3.1總線的基本概念
    • 一、總線
    • 二、總線信息的傳輸
    • 三、總線結構的計算機舉例
  • 3.2總線的分類
    • 一、片內總線
    • 二、系統總線
    • 三、通信總線
  • 3.3總線的特性和性能標准
    • 一、總線的物理實現
    • 二、總線的特性
    • 三、總線的性能指標
    • 四、總線的標准
  • 3.4總線結構
    • 一、單總線結構
    • 二、多總線結構
    • 三、總線結構舉例
  • 3.5總線控制
    • 一、總線的判優控制
    • 二、總線通信控制

教材是唐朔飛的計算機組成原理

1. 課程位置
   計算機組成原理
   
2. 課程流程
   1. 計算機系統概論
   2. 計算機系統硬件結構
      
3. 課程分布
   

第一章 計算機系統概論

1.1計算機簡單介紹

一、計算機系統概論

1. 計算機存在形式很多
2. 物聯網和傳統的互聯網進行連接，進行內容的整合
3. 計算機系統
   1. 硬件：實體的各部分內容
   2. 軟件：各種功能的內容
      1. 系統軟件：管理整個計算機系統
         語言處理程序；操作系統；服務性程序；
      2. 應用軟件

二、計算機系統的層次結構

1. 系統復雜性管理方法-1（抽象）
   1. 隱藏系統中不重要的細節
   2. 從物理上對於計算機分成9層
2. 通過語言發展進行抽象（3，4之間是軟硬件之間的接口，實現功能的分配）
   1. 機器語言進行編程（二進制01代碼編程）
   2. 匯編語言進行編程（需要匯編到機器語言的翻譯）
   3. 操作系統，用機器語言解釋操作系統
   4. 高級程序語言編程（需要編譯和解釋程序進行參與）
   5. 微指令系統（硬件層面直接執行微指令）

三、計算機組成和計算機體系結構的研究內容

1. 計算機組成：給出了哪些功能由軟件提供，那些是硬件提供
2. 計算機體系結構：程序員所見到的計算機系統的屬性，概念性結構與功能特性

1.2計算機基本組成

一、馮　諾依曼計算機特點

1. 五大組成部分：運算器，控制器，存儲器，輸入設備，輸出設備
2. 指令和數據以同等地位保存於存儲器中,可按照地址尋訪
3. 指令和操作用二進制表示
4. 指令由操作碼和地址碼組成
5. 存儲程序：程序存放存儲器當中
6. 以運算器為中心
   
   實線代表數據通路，虛線代表控制和狀態反饋

二、計算機硬件框圖

1. 以存儲器為核心
   
2. 現代計算機硬件框圖
   
3. 系統復雜性管理辦法-2（3Y）
   1. 層次化：將系統分為不同的模塊
   2. 模塊化：明確定義不同功能的接口
   3. 規則性：是的模塊更加的容易被重用

三、現實問題計算機解決流程

1. 可計算性理論：來決定是否可以使用計算機解決的問題
2. 上機前的模型：
   1. 建立數學模型
   2. 確定計算方法：通過公式計算
   3. 編制解題程序
      1. 累加器，主存儲器，等底層的參與邏輯（數電）
      2. 兩種不同的解決辦法
         
      3. 匯編語言的細節問題
         
      4. 執行的程序清單
         
   4. 指令和數據保存在存儲器中的存儲單元

四、 存儲器的基本組成

1. 存儲體
   
   2. 存儲單元
   3. 存儲元件
   4. 存放的是二進制代碼：存儲字
   5. 存儲字長：二進制代碼的長度
   6. 按照存儲地址進行尋址：每一個存儲單元中存放一個存儲字；對應一個存儲地址，通過存儲地址可以實現對每個單元的訪問
2. MAR（存儲器地址寄存器）
   1. 保存存儲單元的地址
   2. 例如：4位 可尋址的范圍是0000-1111，可訪問16個存儲單元
3. MDR（存儲器數據寄存器）
   1. 反映了存儲字長
   2. 例如：8位 存儲字的字長是8位

五、運算器的基本組成

基本運算操作的實現：

1. 執行加法指令（減法類似，匯編中的內容）

   mov	acc	被加數	;寄存器a里輸入被加數
   mov	x	加數	;x中傳入加數
   add	acc	x	;經過邏輯運算器ALU實現兩個數相加，並且把結果傳入acc中
   

2. 執行乘法指令
   
3. 執行除法指令
   

六、控制器

1. 取指令
   1. 得到指令的地址：PC（程序計數器），既有計數功能
2. 分析指令
   1. 指令寄存器：IR（存放將要執行的指令）
3. 執行指令
   1. 控制單元：CU

七、主機完成指令的過程

取指令

存指令

實例程序運行過程

1.3計算機的硬件技術指標

一、機器字長

CPU一次可以處理數據的位數，與CPU中寄存器的位數有關

二、運算速度

1. 主頻
2. 核數，每個核中支持的線程數
3. 吉普森法 “加權頻率” FiTi
4. CPI 執行一條指令所需要的時鍾周期
5. IPC 一個時鍾周期完成的指令條數
6. MIPS 每秒執行的百萬條指令的數量（體系結構的知識）
7. FLOPS 每秒浮點運算次數

三、存儲容量

1. 主存容量
   1. 存儲容量個數X存儲字長：MAR X MDR(1K=2^10 X 8位)
   2. 字節數：直接用KB大小來描述存儲大小
2. 賦存容量
   1. 字節數

第二章 計算機發展以及應用（略）

第三章 系統總線

3.1總線的基本概念

一、總線

1. 定義：總線是一組連接各個部件的信息的傳輸線，是各個部件共享的傳輸介質

二、總線信息的傳輸

1. 串行
2. 並行

三、總線結構的計算機舉例

1. 單總線結構
   
2. 雙總線結構
   
3. 以存儲器為中心的雙總線結構框圖
   

3.2總線的分類

一、片內總線

• 芯片內部的總線

二、系統總線

• 計算機各部件之間的信息傳輸線

1. 數據總線：數據總線是雙向的，與機器字長和存儲字長有關系
2. 地址總線：單向的 與存儲地址和I/O地址有關系
3. 控制總線：有出有入

三、通信總線

計算機系統之間或者是計算機系統和其他的系統之間的傳輸通信
傳輸方式：

1. 串行通信總線
2. 並行通信總線

3.3總線的特性和性能標准

一、總線的物理實現

二、總線的特性

三、總線的性能指標

四、總線的標准

3.4總線結構

一、單總線結構

二、多總線結構

1. 雙總線結構
   
2. 三總線結構
   DMA直接存儲器訪問
   
3. 另一種三總線結構
   
4. 四總線結構
   

三、總線結構舉例

3.5總線控制

一、總線的判優控制

1. 基本概念

• 主模塊（對總線有控制權）
• 從設備（響應從主設備發來的總線命令）
• 總線的判優控制
  • 集中式：鏈式查詢，計數器定時查詢，獨立請求方式
  • 分布式

2. 鏈式查詢方式
   

• BG的查詢優先級確定；對於電路故障敏感；結構簡單；用於簡單的計算機當中

3. 計數器定時查詢方式
   

• BR進行接收總線占用請求傳輸
• 總線對接口進行查詢，如果沒有請求，計數器加一
• 有請求出現，則通過BS進行請求的相應
• 優點：
  • 優先級可以靈活的改變

4. 獨立請求方式
   

• 有內部的排隊器，用的線比較多

二、總線通信控制

1. 目的：解決主設備和從設備之間協調配合的問題
2. 總線傳輸周期
   
3. 總線的通信方式
   
   （低電平有效，高電平無效）
   1. 同步式數據輸入
      
   2. 同步式數據輸出
      
   3. 異步通信（三種鎖存）
      
   4. 半同步通信（同步、異步結合）
      
      
      
4. 上述三種通信的共同點
   
5. 分離式通信

• 充分發揮系統總線的效力
  
• 分離通信的特點
  • 各個模塊可以申請占用總線
  • 采用同步通信方式，不用進行等待回復
  • 准備數據過程中不占用總線
  • 總線占用時，無空閑