计算机组成原理(第六章)

提高分析和解决问题的能力
通过学习计算机组成原理，可以提高学生分析和解决问题的能力，培养学生的计算思维和 创新能力。
未来计算机技术的发展趋势和挑战
人工智能和机器 学习
随着人工智能和机器学习的 快速发展，未来计算机技术 将更加注重智能化和自主学 习，需要解决算法优化、数 据处理等问题。
量子计算
量子计算是一种全新的计算 模式，具有超强的计算能力 和数据处理能力，是未来计 算机技术的重要发展方向之 一。但是，量子计算的实现 需要解决量子比特的稳定性 、量子纠缠等难题。
包括硬件系统和软件系统两大部
分，其中硬件系统由运算器、控 制器、存储器、输入设备和输出
设备五大部件组成；
汇编语言程序设计
简要介绍汇编语言的基本语法和 程序设计方法。
关键术语和概念
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计算机系统
由硬件系统和软件系统组 成的整体，用于实现数据 处理和信息存储等功能；
硬件系统
计算机的物理部分，包括 各种电子器件和机械设备 等；
微程序控制器
是计算机中的一种控制部件，负责执行指令的一部分，该部分提供了计 算机指令的底层实现。
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微程序
存储在控制存储器中的完成一条机器指令功能的程序，由微指令组成。
它是实现指令的一种手段，具体实现这一指令功能的微命令序列。
微指令的格式和编码
微指令格式
分为水平型微指令和垂直型微指令两种。水平型微指令并行操作能力强、效率 高、灵活性强，垂直型微指令则简单易实现。
高速缓冲存储器的原理和应用
原理
高速缓冲存储器（Cache）采用高速的SRAM芯片组成，其存取速度与CPU相当。当CPU需要访问主存时，首先 访问Cache，如果所需数据在Cache中（称为命中），则直接从Cache中读取；否则（称为未命中），再从主存 中读取，同时将读取的数据块放入Cache中。

异步通信
数据传送以字符为单位，字符之间没 有固定的时间间隔，发送方和接收方 不需要使用相同的时钟信号。
总线的仲裁机制
集中仲裁
使用一个中央仲裁器来管理总线的访问，例如：计数器、链表或优先级队列。
分布仲裁
没有中央仲裁器，而是通过硬件电路或软件算法来实现总线的访问控制。
总线的数据传输方式
并行传输
数据在多个通道上同时传输，每个通道传输一部分数据。
确定总线的控制方式
根据总线上主设备和从设备的数量和通信需求，选择合适的总线控制 方式，如同步控制或异步控制。
确定总线的仲裁方式和优先级
根据总线上主设备的数量和通信需求，设计合适的仲裁方式和优先级 确定机制。
硬件实现
选择合适的芯片和元件
01
根据设计需求，选择合适的芯片和元件来实现总线系统的硬件
部分。
计算机组成原理第六章总线 系统
• 总线系统的概述 • 总线的基本工作原理 • 常见总线系统介绍 • 总线系统的应用与发展 • 实验与实践：设计一个简单的总线
系统
01
总线系统的概述
总线的定义与分类
定义
总线是连接多个部件的信息传输 线，是多个部件共享的传输介质 。
分类
根据传输方式，总线可分为单向 总线和双向总线；根据连接的部 件数目，总线可分为局部总线和 系统总线。
THANKS
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总线系统的基本组成
总线控制器
负责协调各个部件的通信，管 理总线的使用。
数据总线
用于传输数据，通常由双向线 组成。
地址总线
用于传输地址信息，确定要访 问的内存单元或I/O端口。
控制总线
用于传输控制信号，如读写信 号、中断信号等。

➢ 衡量总线性能的重要指标是总线带宽，它定返回义 13 为总线本身所能达到的最高传输速率。
本章小结
➢ 当代流行的标准总线追求与结构、CPU、技术无关的开发标准。 其总线内部结构包含： ①数据传送总线（由地址线、数据线、控制线组成）； ②仲裁总线； ③中断和同步总线； ④公用线（电源、地线、时钟、复位等信号线）。
在异步定时中，总线周期的长度是可变的。当代的 总线标准大都能支持以下数据传送模式：①读/写操 作；②块传送操作；③写后读、读修改写操作；④ 广播、广集操作。
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本章小结
➢ PCI总线是当前实用的总线，是一个高带宽且 与处理器无关的标准总线，又是重要的层次总 线。它采用同步定时协议和集中式仲裁策略， 并具有自动配置能力。PCI适合于低成本的小 系统，因此在微型机系统中得到了广泛的应用。
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本章小结
➢ 总线定时是总线系统的又一核心问题之一。为 了同步主方、从方的操作，必须制订定时协议， 通常采用同步定时与异步定时两种方式
在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻由总 线时钟信号来确定，总线周期的长度是固定的。
在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时刻 取决于前一事件的出现，即建立在应答式或互锁机 制基础上，不需要统一的公共时钟信号。
6.5 HOST总线和PCI总线
五、总线仲裁 ➢ PCI总线采用集中式仲裁方式，每个PCI主
设备都有独立的REQ#（总线请求）和 GNT#（总线授权）两条信号线与中央仲裁 器相连。由中央仲裁器根据一定的算法对 各主设备的申请进行仲裁，决定把总线使 用权授予谁。但PCI标准并没有规定仲裁算 法。
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➢ 总线仲裁是总线系统的核心问题之一。为了解决多个主设备同 时竞争总线控制权的问题，必须具有总线仲裁部件。它通过采 用优先级策略或公平策略，选择其中一个主设备作为总线的下 一次主方，接管总线控制权。按照总线仲裁电路的位置不同: 集中式仲裁:仲裁方式必有一个中央仲裁器，它受理所有功 能模块的总线请求，按优先原则或公平原则。 分布式仲裁。分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个功能模 块都有自己的仲裁号和仲裁器。

第六章１．控制器有哪几种控制方式？各有何特点？解：控制器的控制方式可以分为３种：同步控制方式、异步控制方式和联合控制方式。

同步控制方式的各项操作都由统一的时序信号控制，在每个机器周期中产生统一数目的节拍电位和工作脉冲。

这种控制方式设计简单，容易实现；但是对于许多简单指令来说会有较多的空闲时间，造成较大数量的时间浪费，从而影响了指令的执行速度。

异步控制方式的各项操作不采用统一的时序信号控制，而根据指令或部件的具体情况决定，需要多少时间，就占用多少时间。

异步控制方式没有时间上的浪费，因而提高了机器的效率，但是控制比较复杂。

联合控制方式是同步控制和异步控制相结合的方式。

２．什么是三级时序系统？解：三级时序系统是指机器周期、节拍和工作脉冲。

计算机中每个指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期划分为若干个节拍，每个节拍中设置一个或几个工作脉冲。

３．控制器有哪些基本功能？它可分为哪几类？分类的依据是什么？解：控制器的基本功能有：（１）从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置。

（２）对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。

（３）指挥并控制CPU 、主存和输入输出设备之间的数据流动。

控制器可分为组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型３类，分类的依据在于控制器的核心———微操作信号发生器（控制单元CU）的实现方法不同。

４．中央处理器有哪些功能？它由哪些基本部件所组成？解：从程序运行的角度来看，CPU 的基本功能就是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的控制。

对于冯·诺依曼结构的计算机而言，数据流是根据指令流的操作而形成的，也就是说数据流是由指令流来驱动的。

中央处理器由运算器和控制器组成。

５．中央处理器中有哪几个主要寄存器？试说明它们的结构和功能。

解：CPU 中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终结果及控制、状态信息的，它可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。