计组（一）——计算机系统概论&系统总线

计算机组成原理 课程概况

目录

• 计算机组成原理 课程概况
  • 教材是唐朔飞的计算机组成原理
• 第一章 计算机系统概论
  • 1.1计算机简单介绍
    • 一、计算机系统概论
    • 二、计算机系统的层次结构
    • 三、计算机组成和计算机体系结构的研究内容
  • 1.2计算机基本组成
    • 一、冯　诺依曼计算机特点
    • 二、计算机硬件框图
    • 三、现实问题计算机解决流程
    • 四、 存储器的基本组成
    • 五、运算器的基本组成
    • 六、控制器
    • 七、主机完成指令的过程
  • 1.3计算机的硬件技术指标
    • 一、机器字长
    • 二、运算速度
    • 三、存储容量
• 第二章 计算机发展以及应用（略）
• 第三章 系统总线
  • 3.1总线的基本概念
    • 一、总线
    • 二、总线信息的传输
    • 三、总线结构的计算机举例
  • 3.2总线的分类
    • 一、片内总线
    • 二、系统总线
    • 三、通信总线
  • 3.3总线的特性和性能标准
    • 一、总线的物理实现
    • 二、总线的特性
    • 三、总线的性能指标
    • 四、总线的标准
  • 3.4总线结构
    • 一、单总线结构
    • 二、多总线结构
    • 三、总线结构举例
  • 3.5总线控制
    • 一、总线的判优控制
    • 二、总线通信控制

教材是唐朔飞的计算机组成原理

1. 课程位置
   计算机组成原理
   
2. 课程流程
   1. 计算机系统概论
   2. 计算机系统硬件结构
      
3. 课程分布
   

第一章 计算机系统概论

1.1计算机简单介绍

一、计算机系统概论

1. 计算机存在形式很多
2. 物联网和传统的互联网进行连接，进行内容的整合
3. 计算机系统
   1. 硬件：实体的各部分内容
   2. 软件：各种功能的内容
      1. 系统软件：管理整个计算机系统
         语言处理程序；操作系统；服务性程序；
      2. 应用软件

二、计算机系统的层次结构

1. 系统复杂性管理方法-1（抽象）
   1. 隐藏系统中不重要的细节
   2. 从物理上对于计算机分成9层
2. 通过语言发展进行抽象（3，4之间是软硬件之间的接口，实现功能的分配）
   1. 机器语言进行编程（二进制01代码编程）
   2. 汇编语言进行编程（需要汇编到机器语言的翻译）
   3. 操作系统，用机器语言解释操作系统
   4. 高级程序语言编程（需要编译和解释程序进行参与）
   5. 微指令系统（硬件层面直接执行微指令）

三、计算机组成和计算机体系结构的研究内容

1. 计算机组成：给出了哪些功能由软件提供，那些是硬件提供
2. 计算机体系结构：程序员所见到的计算机系统的属性，概念性结构与功能特性

1.2计算机基本组成

一、冯　诺依曼计算机特点

1. 五大组成部分：运算器，控制器，存储器，输入设备，输出设备
2. 指令和数据以同等地位保存于存储器中,可按照地址寻访
3. 指令和操作用二进制表示
4. 指令由操作码和地址码组成
5. 存储程序：程序存放存储器当中
6. 以运算器为中心
   
   实线代表数据通路，虚线代表控制和状态反馈

二、计算机硬件框图

1. 以存储器为核心
   
2. 现代计算机硬件框图
   
3. 系统复杂性管理办法-2（3Y）
   1. 层次化：将系统分为不同的模块
   2. 模块化：明确定义不同功能的接口
   3. 规则性：是的模块更加的容易被重用

三、现实问题计算机解决流程

1. 可计算性理论：来决定是否可以使用计算机解决的问题
2. 上机前的模型：
   1. 建立数学模型
   2. 确定计算方法：通过公式计算
   3. 编制解题程序
      1. 累加器，主存储器，等底层的参与逻辑（数电）
      2. 两种不同的解决办法
         
      3. 汇编语言的细节问题
         
      4. 执行的程序清单
         
   4. 指令和数据保存在存储器中的存储单元

四、 存储器的基本组成

1. 存储体
   
   2. 存储单元
   3. 存储元件
   4. 存放的是二进制代码：存储字
   5. 存储字长：二进制代码的长度
   6. 按照存储地址进行寻址：每一个存储单元中存放一个存储字；对应一个存储地址，通过存储地址可以实现对每个单元的访问
2. MAR（存储器地址寄存器）
   1. 保存存储单元的地址
   2. 例如：4位 可寻址的范围是0000-1111，可访问16个存储单元
3. MDR（存储器数据寄存器）
   1. 反映了存储字长
   2. 例如：8位 存储字的字长是8位

五、运算器的基本组成

基本运算操作的实现：

1. 执行加法指令（减法类似，汇编中的内容）

   mov	acc	被加数	;寄存器a里输入被加数
   mov	x	加数	;x中传入加数
   add	acc	x	;经过逻辑运算器ALU实现两个数相加，并且把结果传入acc中
   

2. 执行乘法指令
   
3. 执行除法指令
   

六、控制器

1. 取指令
   1. 得到指令的地址：PC（程序计数器），既有计数功能
2. 分析指令
   1. 指令寄存器：IR（存放将要执行的指令）
3. 执行指令
   1. 控制单元：CU

七、主机完成指令的过程

取指令

存指令

实例程序运行过程

1.3计算机的硬件技术指标

一、机器字长

CPU一次可以处理数据的位数，与CPU中寄存器的位数有关

二、运算速度

1. 主频
2. 核数，每个核中支持的线程数
3. 吉普森法 “加权频率” FiTi
4. CPI 执行一条指令所需要的时钟周期
5. IPC 一个时钟周期完成的指令条数
6. MIPS 每秒执行的百万条指令的数量（体系结构的知识）
7. FLOPS 每秒浮点运算次数

三、存储容量

1. 主存容量
   1. 存储容量个数X存储字长：MAR X MDR(1K=2^10 X 8位)
   2. 字节数：直接用KB大小来描述存储大小
2. 赋存容量
   1. 字节数

第二章 计算机发展以及应用（略）

第三章 系统总线

3.1总线的基本概念

一、总线

1. 定义：总线是一组连接各个部件的信息的传输线，是各个部件共享的传输介质

二、总线信息的传输

1. 串行
2. 并行

三、总线结构的计算机举例

1. 单总线结构
   
2. 双总线结构
   
3. 以存储器为中心的双总线结构框图
   

3.2总线的分类

一、片内总线

• 芯片内部的总线

二、系统总线

• 计算机各部件之间的信息传输线

1. 数据总线：数据总线是双向的，与机器字长和存储字长有关系
2. 地址总线：单向的 与存储地址和I/O地址有关系
3. 控制总线：有出有入

三、通信总线

计算机系统之间或者是计算机系统和其他的系统之间的传输通信
传输方式：

1. 串行通信总线
2. 并行通信总线

3.3总线的特性和性能标准

一、总线的物理实现

二、总线的特性

三、总线的性能指标

四、总线的标准

3.4总线结构

一、单总线结构

二、多总线结构

1. 双总线结构
   
2. 三总线结构
   DMA直接存储器访问
   
3. 另一种三总线结构
   
4. 四总线结构
   

三、总线结构举例

3.5总线控制

一、总线的判优控制

1. 基本概念

• 主模块（对总线有控制权）
• 从设备（响应从主设备发来的总线命令）
• 总线的判优控制
  • 集中式：链式查询，计数器定时查询，独立请求方式
  • 分布式

2. 链式查询方式
   

• BG的查询优先级确定；对于电路故障敏感；结构简单；用于简单的计算机当中

3. 计数器定时查询方式
   

• BR进行接收总线占用请求传输
• 总线对接口进行查询，如果没有请求，计数器加一
• 有请求出现，则通过BS进行请求的相应
• 优点：
  • 优先级可以灵活的改变

4. 独立请求方式
   

• 有内部的排队器，用的线比较多

二、总线通信控制

1. 目的：解决主设备和从设备之间协调配合的问题
2. 总线传输周期
   
3. 总线的通信方式
   
   （低电平有效，高电平无效）
   1. 同步式数据输入
      
   2. 同步式数据输出
      
   3. 异步通信（三种锁存）
      
   4. 半同步通信（同步、异步结合）
      
      
      
4. 上述三种通信的共同点
   
5. 分离式通信

• 充分发挥系统总线的效力
  
• 分离通信的特点
  • 各个模块可以申请占用总线
  • 采用同步通信方式，不用进行等待回复
  • 准备数据过程中不占用总线
  • 总线占用时，无空闲