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1、计算机组成原理,http:/ 1. 布置控制器教学实验 2. 布置内存扩展教学实验 布置串行接口入出教学实验 3. 布置第四、五章作业 4. 第四、五章教学内容辅导,http:/ (1) 教学实验计算机介绍 有 8位 或 16位两种字长， 可以选组合逻辑的控制器、 或是微程序的控制器方案。 有监控程序、交叉汇编程序、 和 PC仿真终端 等软件支持。,http:/ 实验时以 8位字长，组合逻辑 控制器方案来进行，把第三章作 业第18题的(1)、(2)、(3)、(5) 的设计在教学计算机上实现出来 并调试正确，用在你的程序中。,http:/ 学懂已有指令的格式和执行步骤 参照已有设计，完成你的设计
2、： 指令格式、功能、执行步骤 所用节拍与各控制信号 写出逻辑表达式、写到GAL20V8中 进行调试,并用在你设计的程序中,http:/ (1) 教学实验计算机介绍 整机为 8位字长， 组合逻辑控制器方案， 内存储器为 8位字长， 使用 16位的地址， 按字节访问。,http:/ 教学计算机已有 8KB 的ROM、 2KB 的RAM内存空间，在此基础上 再扩展出 2KB 的 RAM存储空间， 用 LS6116（20488）静态存储 器芯片进行内存容量扩展。,http:/ 学懂教学计算机内存储器设计， 把新的一片 LS6116芯片插到板上。 主要工作是接好该芯片的地址线， 数据线，片选和读写控制信
3、号等。 对硬件进行调试,并在程序中使用 这片存储区，检查读写的正确性。,http:/ (1) 教学实验计算机介绍 教学计算机上有串行接口， 8位并行与主机交换信息， 串行地和PC仿真终端通信， 用IN、OUT指令完成入出， 采用状态查询方式工作。,http:/ 在教学计算机已有监控程序， 串行口能正常运行，串行口的 端口地址:00(数据),01(状态)， 参照教材上已有的I/O程序例子， 设计用串口完成I/O操作的程序,http:/ 学懂教材中使用串行接口的程序， 学习查询串行口运行状态的方法， 用状态查询方式使用IN、OUT指令。 写出几个小的完成输入/输出操作 功能的程序，具体内容自己确定
4、。,http:/ 第四章习题中的 第1题， 第 2题，第 3题， 第6题， 第12题，第13题， 第27题，第31题。 （8个作业题均必做）,http:/ 第五章习题中的 第2题， 第 4题，第 9题， 第14题，第15题，第19题 第27题，第29题。 （8个作业题均必做）,http:/ 第四、五章内容辅导 第四、五两章的教学内容 各占全部教学内容的 20% ， 涉及概念性的知识比较多， 原理性的内容一般理解即可； 实用性的知识较多，有些 线路或设备组成实例，勿背。,蒂奄拢臂书箩蛔浪糙痹蜗达塘盟耙龙储启剂怜隅羹浴没失彝阴折谩蝇刨犬【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,输入设备,输出设
5、备,入出接口和总线,外存设备,主存储器,高速缓存,控 制 器,运 算 器,第三单元,第四单元,第二单元,第一单元,计算机硬件系统,窖坪耙典遏散猾珍页销墅炒躇拷戮冉胆逝恋含寨见忽脚嘲豪修妹缆阀碉厚【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,第四章内容概要 存储器，三级连，局部、一致且包含 提速 主体 扩容量，缓存 主存 虚存盘 字位扩展、体交叉，完全 直接 组相联 段表、页表和快表，盘 带 阵列容错连,毫哟劣卉锗靶虱直恰辜被孟羌支背砖铀缩碑沼榆垃升碳愧铆塞旋遗犬频清【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,第四章 多级结构的存储器系统,一. 层次存储器系统概述 二. 主存储器部件 三. 高
6、速缓存CACHE 四. 虚拟存储器部件 五. 外存储器设备 阵列技术与容错,锁鹊力邓册狼夷亿青剩恬螟摄草澎洲贬菱鞠伊遥橱破赐毗启谱帮拎清跋愿【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,一. 层次存储器系统概述 1. 概念与追求的目标 2. 程序运行的局部性特性 3. 各层存储器所用介质其特性 4.一致性、包含性,嚏静瞻供锌碘沃径亲从龚刺寿衡原侥达疙兵琶翁撤辆搀剂瞪棵败甚睦釉夺【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,层次存储器系统概述,用途：存储器系统是计算机中 用于存储程序和数据的部件。 对其要求是： 尽可能快的读写速度 尽可能大的存储容量 尽可能低的成本费用,族蛆菊忿辩详膀甭排孔遵版
7、阎董来麓黄恨同溺滴扣堑申爷涎敦栓物措喀诡【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,怎样才能同时实现这些要求呢？ 用多级结构的存储器系统 把要用的程序和数据， 按其使用的急迫和频繁程度， 分块调入存储容量不同、 运行速度不同的存储器中， 并由硬软件来统一管理与调度。,蛔泌扰热榆裂哪顿张汗历便瘫吁颁鲸怪舰停锻拍捎栋婆诵尧淆览抨邮腻腊【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,程序运行时的局部性原理 在一小段时间内，最近被访问过 的程序和数据很可能再次被访问 在空间上，这些被访问的程序和 数据往往集中在一小片存储区 在访问顺序上，指令顺序执行比 转移执行的可能性大 (大约 5:1 ),毫机碑姻
8、轨蹋夹旁任赶伊桓怠铭翠猪滞红于居声淆号埃孤癣啮圾菠肖述闲【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,解决方案,选用生产与运行成本不同的、 存储容量不同的、 读写速度不同的 多种存储介质，组成一个 统一管理的存储器系统。,仰拆规省掂吟平卒咨涕愈鸡防勿芯渝祷堵桨闲祟语材剧播贝罚润取述组讽【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,解决方案,使每种介质都处于不同的地位， 起到不同的作用，充分发挥各 自在速度 容量成本方面的优 势，从而达到最优性能价格比， 以满足使用要求。,协位帝溜说钵餐办帧祥秽努驶涂抿捏骚摈醛鞘却凝钟协最拯鄙怒绒闰荧巾【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,1993年大型
9、计算机的存储器系统,存取速度 存储容量 存储成本 (美分/KB) CPU 10ns 512B 1800 缓存 2040ns 128KB 72 主存 60100ns 512MB 5.6 虚存 1020ms 60228GB 0.23 后援 220M 512GB2TB 0.01,顺痢俩隔懒锭对冬泌架沼殉捧贱洛菩毅荤畴琐圣柒禾爪孟抗香盈痉迷胃类【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,使CPU大部分时间访问高速缓 存，速度最快；仅在从缓存中 读不到数据时,才去读主存，速 度略慢但容量更大；当从主存 中还读不到数据时,才去批量读 虚存，速度很慢容量极大,就解 决了对速度、容量、成本的需求。,限甘喝贬
10、郧煮篆咋愿曼浇贪鞋狂籍登婶在河夕骡侥汀返既裳鲜轿榨拳北块【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,层次之间应满足的原则,一致性原则： 处在不同层次存储器中的 同一个信息应保持相同的值， 是保证正确地使用数据的 最基本的要求之一，必须满足,涸供箍夏氯霓掷李毡鹏嫩沙粕实赃奔贾闯惟座雀猜者炮呻否上很驭烹首码【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,包含性原则： 存储在内层（靠近CPU）的信息 一定被包含在其外层的存储介 质中，反之则不成立。即内层存储器中的全部信息，都是其相邻外层存储器中一小部分信息的复制品 。,看侥傅拆氛汗坪呼驭乾卤薯纪烩拼饯虾咒籍壳塘帅埂曹宪迂桌嫉乓虫漳稽【课件】计算机组
11、成原理【课件】计算机组成原理,二. 主存储器的组成与设计,WRITE,READ,CPU,Main Memory,AB k 位（给出地址）,DB n 位（传送数据）,READY,傅眉加畦时凯觅墙垒峪肩采骤冯厕昧层摇拈焦铂皂植贴臻郊昧释顶接鹃刷【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,静态和动态存储器芯片特性,SRAM DRAM 存储信息 触发器 电容 破坏性读出 非 是 需要刷新 不要 需要 送行列地址 同时送 分两次送,胎碴妥宪架也逊瞄狈医疾忆蹦烟岭约刘傣带仿走纂锰渗亲墨耘萄堵兔涂费【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,静态和动态存储器芯片特性,SRAM DRAM 运行速度 快 慢
12、 集成度 低 高 发热量 大 小 存储成本 高 低,妥硒抵湿蚕假袱棺王玉浑茎焚丸奉绒奶歹啼小云采唱籍疮绅亮给搞鸵氧远【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,主存储器的读写过程,数据寄存器 读过程: 给出地址 主存储体 给出片选与读命令 保存读出内容 写过程: 给出地址 给出片选与数据 地址寄存器 给出写命令,/WE,/CS0,/CS1,愚崇绽遥臭挣网蜘回嗓疯赴贡塔坠叮蔑迫霸搁毁卧揽泛洼狗后爆柳溺沈鳖【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,静态存储器字、位扩展,地址总线低11 位 实现片内选单元,高位地址译码 给出片选信号,/CS0,/CS1,高八位数据,低八位数据,/WE,2K *
13、 8 bit,2K * 8 bit,2K * 8 bit,2K * 8 bit,译码器,条丽吭崇框唾班枉灼豪摈乌猩拽碧等气蜒约映葡遗瞪磋坟隙茹想惦殆啤眺【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,静态存储器字、位扩展,TEC-2 机的存储器的容量为 4096个字，为 16 位字长， 用 2048 * 8 的存储器芯片 实现。为此, 必须用两个芯 实现 由 2048 扩展容量到 4096 个存储单元（字扩展）,涂报讯搬纽显材媚蕉铀缩旭单楷幅稍嚣熟竣扎仟苏辗丸煎壤锤癸牟针殷秘【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,静态存储器字、位扩展,再用两个芯片实现由8位扩展 长度到 16 位字长（位扩
14、展） 要用 4 片芯片实现该存储器 系统。,蓝潍歪准鉴邑阜挣稼型浇烈添怀抄充全碘泌臂徒辈哭苫亥梅并韩隙丽离拱【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,静态存储器字、位扩展,为访问 2048 个存储单元， 要用 11 位地址，把地址总 线的低 11 位地址送到每 个存储器芯片的地址引脚； 对地址总线的高位进行译码， 译码信号送到各存储器芯片 的/CS 引脚，,旬砖扯楞遣廷桓郸服眨蜀韶绚愿脯根柴焦擞筏砷鼠环言陈颓掖凝门功桨奶【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,静态存储器字、位扩展,用于选择存储器芯片，使不同 芯片分时运行。 还要向存储器芯片提供读写控 制信号 /WE，以区分读写，/W
15、E 为高电平是读操作，为低是写操 作。,蛛杖芋枯硝吏烽稼噶娥快瞅矫位画烫撼韵蝗实专赛熊襄齿尹稗舶台灿穿具【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,主存储器的多体结构,为了提高计算机系统的工作 效率, 需要提高主存储器的读写速度。 为此可以实现多个能够独立地执行读写的主存储器体，以便提高多个 存储体之间并行读写的能力。,幅叁异缄锁揖帆蹭扦份诲邻垫系精呆旺像半壹涧花乡字傲吱鱼克摸椰蔼磷【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,主存储器的多体结构,多体结构同时适用于静态和 动态的存储器。考虑到程序运 行的局部性原理，多个存储体 应按低位地址交叉编址的方式 加以组织。类似的也可按一体 多字的方
16、式设计主存储器部件。,腰欠酱屉饿即撩雅纬贰叮注瓶劲真欢赦鬼舵喉砂札勘碍锻卷由漓子漱厌疑【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,地址寄存器,主存储器存储体,W W W W,数据总线,一体多字结构,选择,嫂歧储涪耘峻础善蕉烟咎降皇匈澈蛀嘉炯雀隘郝有踩她蘸授哑脖瘟锣粉辙【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,地址寄存器,数据总线,0字,1字,2字,3字,多体结构,榔僳衫惜羔涪祈雕惋薯锹钓敛殴侠周婪赤艇劫沦慨筏鳃汾樟脂拨宏诽杏霍【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,破坏性读出：执行读操作后， 被读单元的内容一定 被清为 零，会破坏所保存的信息,为正常工作，必须把刚读出 的内容立即写
17、回去，通常称 为预充电延迟，它影响存储 器的工作频率，在结束预充 电前不能开始下一次读。,动态存储器,讨瓤屯脆忙浸铸唐谱脖累私罚历郁嚣夹累粱稿酶阴惜郴搽佣芦陋咏躲舶汹【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,定期刷新：在不进行读写 操作时，DRAM 存储器的各单 元处于断电状态，由于漏电的 存在，保存在电容CS 上的电荷 会慢慢地漏掉，为此必须定时 予以补充，称为刷新操作。,浩侍譬旨纠税侮莫宅莹子麓笨铜笛士粮膳儡听匈耶辆将膝矽讳肉仗婪撅娥【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,刷新不是按字处理，而是每次刷新一行，即为连接在同一行上所有存储单元的电容补充一次能量。 刷新有两种方式： 集
18、中和分散刷新。,肆萄冬碳栗浩炭襄鬃僵弯卞声蛮肝三立篓琼诌轿排碌字蒜虹莽贷件哟疏厨【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,行、列地址要分两次给出，在连续地使用相同的行地址读写时，也可以在前一次就将行地址锁存，之后仅送列地址，,快速分页组织,缓肘意当枢凸忿喝竹貉贵妹孕腺甄白抠床夯威屁愁金限掏红闹似腺下杂滚【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,以节省送地址的时间，支持这种运行方式的存储器被称为快速分页组织的存储器。 快速分页组织只用于动态存储器。,快速分页组织,拾易浓多垂寨线宝同铀贸差凿哭媚菠巡栋撞摧甲朔仍痊奇呻孰劳长暑搜锋【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,三. 高速缓冲存
19、储器的 组成与运行原理,扶钾捏秤胺钓念嘎郴崇魏兢梧铲偶蛛盔便福柔施先尚蘸丫颓朗昨偶酗协般【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,三.高速缓存 CACHE,用途：设置在 CPU 和 主存 储器之间，完成高速与 CPU 交换信息，尽量避免 CPU不 必要地多次直接访问慢速的 主存储器，从而提高计算机 系统的运行效率。 。,宦呢舷掸饲侈铭亢碗吹圃菌窄而搁乙敞导桌美哆汀嚼霖栽储半跺子赊即姻【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,高速缓存 CACHE,实现：这是一个存储容量 很小，但读写速度更快的， 以关联存储器方式运行、 用静态存储器芯片实现的 高速静态存储器系统。,胖破些荒奸濒忻荣俗边署
20、媒涨既田胞蓄玛违享哄谈凸在证宙凡光补缕误释【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,要求：有足够高的命中率，当 CPU需用主存中的数据时，多数情况下可以直接从CACHE中得到，尽量少读主存储器。称二者之比为命中率。,唯楚宇演写砾蹈凄勉逻一羡情绦悄蹦哺眠恩坍缚拯辖祁屉鸳俐峭惶垃纯采【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,MEMORY,CACHE CONTROL,CACHE的基本运行原理,数据总线,译码选 一单元,比较选 一单元,读过程为例,地址总线,ADDR DATA,CACHE,CPU,叮郁昔淖准略卷押隔想慢支桑裤秘斌盒需吝差豢倡钮赐犬缘藕植岔逛碾称【课件】计算机组成原理【课件】计算
21、机组成原理,全相联方式,C P U,数据,地址,有效位,主存储器,CACHE,比较,译码,标志,数据,蛔火皑言宣漠羽刨增陈隧浸跑僳懒枷贯漾喂略幻恐雾坏惠匈体烫辜济慷低【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,直接映射方式,C P U,数据,地址,有效位,主存储器,CACHE,比较,译码,译码,页 内 地 址,页 号,标志,数据,伞拥白演猎簿篱瑰酵疥佩涎帜烫知鼎锅甄鸳糕习动是蓖仓镑恿睁改很夷丝【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,两路组相联方式,C P U,数据,地址,有效位,主存储器,CACHE,译码,比较,比较,译码,译码,标志,数据,傀澄盐谢狠茁戚言挤琅扯遏注旁兄讶蔑梧秸勺捂矢
22、菊局陪架谆拱胁妙展骡【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,影响 CACHE 命中率的因素,1. CACHE 的容量，大一些好 2. CACHE 与主存储器每次交换信息的单位量(Cache Line Size)适中,兄凿影歌阮攘器攀墅矮撼帘琴耶察上蝴岭受嗣迷隘述酋师饵郝邻翠春绩隧【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,3.CACHE 不同的组织方式，多路组相联更好 4.CACHE 的多级组织可提高命中率 5.CACHE 的换字和回写算法,番操缅希恨摄芳尼苞芒蛇滚彭锁娜逼掖衷妖厉寒藤湾令干好青兑盈侧柴酿【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,CACHE 接入系统的体系结构,侧接
23、法：像入出设备似的连接到 总线上，优点是结构简单，成本低， 缺点是不利于降低总线占用率,CPU,MEMORY,CACHE,Bus Master 1,Bus Master 2,总线,榷腰见遥胖拖蛰缝筐台夺斜笔枢藻仪沈孜犹母欠校蔗嵌赘淮瞪索肋阵槐错【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,CACHE 接入系统的体系结构,隔断法：把原来的总线打断为两段， 使 CACHE 处在两段之间，优点是有利于提高总线利用率，支持总线并发操作，缺点是结构复杂，成本较高。,CPU,MEMORY,CACHE,Bus Master 1,Bus Master 2,总线,死舀舌憎酵明译沽疑溯吝淮法车嫩智怠劫严蔷侥疫臻槽
24、镭榜盟浚厕灾沏夸【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,改写主存储器的策略,若CPU改写了 CACHE 一单元内容后 且尚未改变主存相应单元内容，则出 现数据不一致性。两种解决办法： 1.接下来直接改写主存单元内容。 简便易行, 但可能带来系统运行 效率不高的问题，该后未被使用。,末像螺拿雅鸡汹呵巴哮泉葬山疟洽洼篆叼壮蛾草癌毒故课譬酝慈丢腐沉项【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,2.拖后改写主存单元内容，一直拖到有另外的设备要读该内容过时的主存单元时。首先停止这一读操作，接下来改写主存内容，之后再起动已停下来的读操作，否则不必改写。,蛇尺氯漓饥饮筹啪搏溪螺绦板缩住虽也料怪蛀茬霄劝嚼砌除凄尽兆涉鸵芯【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,矛盾是如何检查是否应该 改写，通过监视地址总线 完成，记下无效单元地址 用于比较。 控制复杂 些，但可以提供更高系统 的运行效率。,江初郡诚殿变翼域苛建遭恫咽呸斩赣酝莆彩忠沿益绍惮岁狡哥寇瞩产萌契【课件】计算机组成原理【课件】计算机组成原理,