第8章 系统总线(计算机组成原理课件)
计算机组成原理2 总线BUS

互连方式
CPU(内部ALU+CU) 存储器 输入/输出设备
计算机内各部件必须通过某种方式连接起来。
分散连接方式 总线方式
分散连接方式
存储器 运算器 Memory ALU 数据 程序 输入设备 Input Equipment 存储器 Memory
互连方式
各器件间通过单独 的连线 直接相连
通信控制
异步通信方式之握手方式 主设备 请 求 回 答 不互锁
从设备
半互锁
全互锁
通信控制
半同步通信方式
同步通信方式 -- 发送方 在系统 时钟前沿 发信号 -- 接收方 用系统 时钟后沿 判断、识别
为允许速度较慢的设备接入 -- 增加一条“等待”信号线 -- 如果从设备无法在规定时间内完成要求 则发出“等待”信号,插入等待周期
•ISA总线 EISA总线 •PCI总线
•SCSI总线
总线结构 单总线结构 单总线(系统总线)
总线结构
IO 模块1
IO 模块2
…
IO 模块n
CPU
主存
延迟 争用
系统性能瓶颈
多总线结构 多总线结构 之 二级总线 主存总线
CPU 主存 通道
总线结构
IO速度慢,使用独 立的IO总线
I/O总线
具有特殊功能的处理器 由通道对I/O统一管理
总线控制
总线通信控制
• 同步通信方式
• 异步通信方式
一次总线通信过程 ①申请总线使用权
② 寻址阶段
③ 数据传输阶段 ④ 结束阶段
• 半同步通信方式
• 分离式通信方式
集中式仲裁 – 链式查询
总线仲裁
• BS - 总线忙 • BR - 总线请求 • BG - 总线同意 数据线 地址线
计算机组成原理(第四版)PPT课件

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4
2.5 术语:存储元、存储单元、存储体、存储 单元地址,有何联系和区别?
存储元:存储一位二进制信息的基本单元电路。
存储单元:由若干存储元组成。一台机器的所有存储 单元长度相同,一般由8的整数倍个存储元构成。
存储体:是存储单元的集合,它由许多存储单元组成, 用来存储大量的数据和程序。
存储器单元地址:计算机在存取数据时,以存储单元 为单位进行存取。为区别不同单元,给每个存储单 元赋予地址,每个存储单元都有一条唯一的字线与 存储单元地址编码对应。
总称为
。
解:记录面号(磁头号)、磁道号(柱面号)、扇区号、 记录块、道密度、位密度、存储密度。
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25
2.19 某磁盘组有4个盘片,5个记录面。每个记录面的内磁 道直径为22cm,外磁道直径为33cm,最大位密度为1600 位/cm,道密度为80道/cm,转速为3600r/min。求: (1)磁盘组的总存储容量是多少位(非格式化容量)? (2)最大数据传输率是每秒多少字节? (3)请提供一个表示磁盘信息地址的方案。
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21
2.17 欲将10011101写入磁表面存储器中:
(1) 分别画出归零制、不归零制和调频制的写入电流 波形。
(2)改进不归零制(NRZl)的记录原则是见“1”就翻。 即当记录“1”时写电流要改变方向;记录“0”时不 改变方向。画出它的电流波。
(3)改进调频制(MFM)与调频制方式区别在于:FM在 信息元交界处写电流总要改变一次方向;而MFM仅 当连续记录两个“0”时,信息交界处翻转一次;其
解:该机的地址码为18b,字长8b,故该机的主存容 量为218X8b=28 X 210 X 8 b= 256KB,
(1)若每个模板块为32K X 8b,
蒋本珊_____计算机组成原理课件

计算机层次结构概述
计算机的主要部件 1.输入设备 输入设备的任务是把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去, 并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。常用的 有键盘、鼠标、扫描仪等。
2.输出设备 输出设备的任务是将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的 形式送出计算机。常用的有显示器、打印机、绘图仪等。
计算机层次结构概述
单总线结构
单总线并不是指只有一根信号线。系统总线按传送信息的不同又可以细 分为:地址总线、数据总线和控制总线。地址总线(Address Bus)由单方 向的多根信号线组成,用于CPU向主存、外设传输地址信息;数据总线 (Data Bus)由双方向的多根信号线组成,CPU可以沿这些线从主存或外设 读入数据,也可以沿这些线向主存或外设送出数据;控制总线(Control Bus)上传输的是控制信息,包括CPU送出的控制命令和主存/外设反馈给 CPU的状态信号
。
计算机层次结构概述
大、中型机的典型结构 大、中型计算机系统的设计目标更着重于系统功能的扩大与效率的提高。 通道是承担I/O操作管理的主要部件,主机可以连接多个通道,每 个通道可以接一台或几台设备控制器,每个设备控制器又可接一台或几 台外部设备,这样整个系统就可以连接很多的外部设备。
将各大基本部件,按某种方式连接起来就构成了计算机的硬件系统。 目前许多计算机(主要指小、微型计算机)的各大基本部件之间是用 总线(Bus)连接起来的。 总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路,它能分时地 发送与接收各部件的信息。
总线特点:共享,分时
小型、微型机的设计目标是以较小的硬件代价组成具有较强功能 的系统,而总线结构正好能满足这一要求。
计算机发展历程
软件的发展
计算机组成原理(第2版)--唐朔飞

1.3 计算机硬件的主要技术指标
1.4 本书结构
1.1 计算机系统简介
一、 计算机的软硬件概念
1. 计算机系统
计 算 机 系 统
硬件 计算机的实体, 如主机、外设等 软件 由具有各类特殊功能 的信息(程序)组成
1.1
系统软件 用来管理整个计算机系统
计算机组成原理
第2版
唐朔飞
高 等 教 育 出 版 社 高等教育电子音像出版社
为配合由高等教育出版社出版的面向21世纪课程教材《计算机组成原理》 教学和自学的需要,随书出版了《计算机组成原理》配套课件。为了配合该教 材的第2版,本课件在保留原课件特色的基础上,做了相应的补充和修改。 该课件与《计算机组成原理》第2版教材在体系上完全一致,它以课堂教 学为依托,帮助读者边阅读边思考,通过点击鼠标,逐行显示精练的文字和简 明的图表,既可从文稿中对教材的重点和难点加深理解,又可从视图中看到动 画演示效果,形象地理解各种电路的工作原理和设计思路。
ALU
CU
CPU 内部互连
寄存器
1.4 本书结构
计算机
存储器
I/O
第4篇 CU
系统总线
CPU
中央处理器 控制单元
ALU
CU
CPU 内部互连
排队 逻辑
寄存器 和解码器
寄存器
控制 存储器
第2章 计算机的发展及应用
2.1 计算机的发展史 2.2 计算机的应用 2.3 计算机的展望
2.1 计算机的发展史
2.1
40 000
速度 /(次/秒)
200 000 1 000 000
四
五
10 000 000 100 000 000
计算机组成原理课件第08章

一、接口的功能和组成
1、总线连接方式的I/O接口电路 、总线连接方式的 接口电路 在总线结构的计算机系统中,每一台 I/O设备都是通过I/O接口挂到系统总线上 的。如图示:
数据线: 数据线:传送数据信息 ,其根数一般等于存储 字长的位数或字符的位 数。双向。 设备选择线: 设备选择线:传送设备 码,其根数取决于I/O指 令中设备码的位数。单 向。 命令线: 命令线:传输CPU向设 备发出的各种命令信号 ,其根数与命令信号多 少有关。单向总线。 状态线: 状态线:向主机报告I/O 设备状态的信号线。单 向总线。
CPU在任何瞬间只能接受一个中断源 CPU在任何瞬间只能接受一个中断源 的请求。 的请求。因此,当多个中断源提出中断请 求时,CPU必须对各中断源的请求进行排 队,且只能接受级别最高的中断源的请求 ,不允许级别低的中断源中断正在运行的 中断服务程序。此时,就可用MASK来改 变中断源的优先级别。 另外,CPU总是在统一的时间,即执 CPU总是在统一的时间, 总是在统一的时间 行每一条指令的最后时刻, 行每一条指令的最后时刻,查询所有设备 是否有中断请求。 是否有中断请求。 接口电路中D、INTR、MASK和中断 查询信号的关系如图示:
2、排队器 、 当多个中断源同时向CPU提出请求时,经 排队器的排队,只有优先级高的中断源排上 队,这样就能实现CPU按中断源优先级的高 低响应中断请求。 下图是设在各个接口电路中的排队电路— —链式排队器。
其中首尾相接的虚线部分组成的门电路是排 当各中断源均无中断请求时,各INTRi 为高电 队器的核心,由一个非门和一个与非门构成。 平,其INTP1 '、 INTP2' 、 INTP3 '……均为高电平 中断源优先级最高的是1号中断源。当多个中 。一旦某中断源提出中断请求,就迫使比其优先级 断源提出中断请求时,排队器输出端INTPi, 低的中断源之INTPi '变为低电平,封锁其发中断 只有一个为高电平,表示该中断源排上队。 请求。
中科大计算机组成原理课件ppt

• 唐本(William Stallings)
– 农村包围城市:总线、存储、I/O、ALU、CPU
• llxx
– 目标:理解构建计算机系统的过程
• 十字箴言:“功能、组织、过程、定时、度量”
– China-ring:快速原型法(prototype)
• 总线、RAM、CPU,存储系统(Cache、辅存)、I/O、ALU
• 基于x86的Debug环境,编写任意10个数值的冒 泡排序程序,并调试运行。
– 成果要求:
• 报告设计过程、结果(汇编代码、内存数据段映像)、出现 的典型问题及解决过程; • 要求结果体现个人ID。
实验课
• 设计实现《计算机系统概论》的 LC-3模型机(见附录A/C)
– 共16条指令,指令集具有RISC特征
Basic computer organization, first look at pipelines + caches 从C语言程序的执行 角度讨论计算机组成 原理,但重点关注 MIPS处理器和存储系 统,其他关注很少
Computer Architecture, First look at parallel architectures
Course Schedule
1. 2. 3. 4. 5. 6.
•
概论(4) 总线(4) RAM/ROM(4) ISA(4) CPU (4)
功能、组成、时序、中断系统
A模型CPU控制器设计(6)
组合逻辑、微程序
7.
•
MIPS处理器设计(6)
指令集、单周期、多周期、流水线
8. 9.
•
Cache(4) 辅存(5)
MIT
• 我在这里的第一学期上了一门叫 《计算机系统设计》得 本科课程,其辛苦程度真实一言难尽。十五个星期内交了 十次作业,作了六次课程设计。有的设计还分几个部分, 分开交设计报告。所以设计报告大概也交了有十次左右。 最恐怖的是有一次,十天内要交六份作业或设计报告,而 且当时正值其他几门课正在期中考试。抱怨是没有用的, 老师说:"我很抱歉。但这门课很重要,请大家不停的工 作。"学生从一般的逻辑时序电路开始设计(数电都已忘 得差不多了);核心是自行设计"麻雀虽小五脏俱全"得 ALU,单指令周期CPU(single cycle CPU);多指令 CPU(Multi-cycle CPU);以直到最后实现流水线(pipe line)32位MIPS CPU和Cache。一门课下来,所有与计 算机CPU有关的知识全部融会贯通。硬件设计水平也有了 很大提高(就是太累)。
《计算机组成原理》课件

将结果存回内存或寄存器 。
CPU的性能指标
速度
执行指令的速度,通常以MIPS(百万条 指令每秒)表示。
功耗
CPU在工作时的能耗。
集成度
CPU中晶体管的数量和密度。
可靠性
CPU在正常工作条件下无故障运行的概率 。
03
存储器
内存的分类与结构
分类
根据存储介质,内存可以分为RAM(随机存取存储器)和ROM(只读存储器)。RAM又可以分为DRAM(动态 随机存取存储器)和SRAM(静态随机存取存储器)。
谢谢您的聆听
THANKS
《计算机组成原理》ppt课件
CONTENTS
• 计算机系统概述 • 中央处理器 • 存储器 • 输入输出系统 • 总线系统 • 计算机系统可靠性及安全性
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
机械计算机时代
1946年第一台电子计算机ENIAC诞生,占地170平方米,重30吨,运算速度5000次/秒。
晶体管计算机时代
20世纪50年代中期至60年代,计算机体积缩小,运算速度提高,可靠性增强。
集成电路计算机时代
20世纪60年代末至70年代初,微处理器出现,个人电脑开始进入市场。
大规模集成电路计算机时代
20世纪70年代中期至今,计算机体积更小,性能更高,应用领域更广泛。
计算机系统的组成
硬件系统
包括中央处理器、存储器、输入输出设备 等物理部件。
结构
内存主要由存储单元阵列、地址译码器和数据输入/输出缓冲器组成。每个存储单元阵列负责存储数据,地址译 码器负责将地址码转换为相应的存储单元的地址,数据输入/输出缓冲器则负责数据的读写操作。
内存的工作原理
计算机组成原理

③全互锁方式
t2、t4均限定。
保证了数据传输的正确性。
3、常用的标准总线
(1)ISA总线
ISA为工业标准总线,是IBM公 司为其生产的PC系列微机制定的总线 标准。
ISA-8总线(即XT总线)属8位总 线,适用于CPU为8088的IBM/XT, 包括数据总线8位,地址线20位,可 接受6路中断请求,3路DMA请求。
ISA-16总线(即AT总线)属16 位总线,适用于CPU为80286的 IBM/AT,包括数据总线16位,地 址线24位,可接受16路中断请求, 7路DMA请求。 ISA总线的总线时钟频率为 8.33MHZ,最大传输率为5MB/S。
(2)EISA总线
EISA总线为扩充工业标准总线。
EISA总线为32位总线,与ISA总线兼 容,总线插槽分为两段,较浅的部分为原 ISA总线信号,较深的部分是EISA信号, 插槽上有一个卡口使ISA的板卡不能进入较 深的部分。 EISA总线在ISA总线的基础上增加了 数据宽度和地址空间,具有共享DMA,总 线传输方式增加了块DMA方式、淬发传输 方式,支持多个主模块,支持中断共享。
常见的双向异步通信方式有非互锁 方式、半互锁方式和全互锁方式三种。
①非互锁方式
请求信号与回答信号互不连锁。
t2与t4未作限定。
该方式可以判断数据是否正确地传 送到对方,但两次总线传输的延迟t3+t5 和请求信号的宽度t2、回答信号的宽度 t4之间的配合是一个难以处理的问题, 原因为:
A、如t2过窄,在远距离的两个部件通 信时会出现边缘畸变而产生错误。 B、如t2过宽,在近距离的两个部件通 信时会出现t2﹥t3+t5,导致请求信号与 下一次数据传输相重叠而产生错误。
①外设本身的工作已经完成 中断触发器发出中断请求
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Ch 8: System Bus系统总线总线基本概念总线设计要素总线标准总线互连结构Intel 体系结构中特指的“系统总线”BACK 北桥芯片组把处理器–存储器总线分成了两个总线:处理器总线(系统总线,前端总线)存储器总线Grant 1Grant 2Grant 3Grant查询信号串行查询方式Request 1Request 2Request n独立请求方式裁决并行判优电路 p0、P1、p2优先级怎样? • 各设备都有一对总线请求 线Req和总线允许线 Grant。
• 当某设备要使用总线时, 就通过对应的总线请求线 将请求信号送到总线控制 器。
• 总线控制器中有一个判优 电路,可根据各设备的优 先级确定选择哪个设备。
控制器可给各请求线以固 定的优先级,也可编程设 Bus Arbiter 置 问题:如果有N个设备,则菊花 链和独立请求各需多少裁决线? 2 ~ 2Nio.11相当于“领导说了算” G0P0P1G1P2 p0>P1>p2 EN Device 2G2 并行判优方式Device 1 GrantDevice NReqBACK优点:① 响应速度快。
② 若可编程,则优先级灵活 缺点:① 控制逻辑复杂,控制线数量多。
裁决算法:总线控制器可采用固定的并行判优算法、平等的循环菊花链算 2010年4月5日星期一 法、动态优先级算法(如:最近最少用算法、先来先服务算法)等。
自举分布式裁决BR0(Busy) BR1 BR2 BR3 Device0• • •Device1Device2Device3优先级固定,各设备独立决定自己是否是最高优先级请求者 需请求总线的设备在各自对应的总线请求线上送出请求信号 在总线裁决期间每个设备将比自己优先级高的请求线上的信号取回分析: - 若有总线请求信号,则本设备不能立即使用总线 - 若没有,则可以立即使用总线,并通过总线忙信号阻止其他设备使用总线 - 最低优先级设备可以不需要总线请求线,为什么? - 需要较多连线用于请求信号,所以,许多总线用数据线DB作为总线请求线 N个设备要多少请求信号? N条! - NuBus(MacintoshII 中的底板式总线)、SCSI总线等采用该方案 上图中的优先级 (优先级)是什么? 设备3>设备2>设备1>设备0 BACK2010年4月5日星期一io.12冲突检测方式裁决基本思想:当某个设备要使用总线时,它首先检查一下是否有其他设备正在使用总线 如果没有,那它就置总线忙,然后使用总线; 若两个设备同时检测到总线空闲,则可能会同时使用总线,此时发生冲突; 一个设备在传输过程中,它会帧听总线以检测是否发生了冲突; 当冲突发生时,两个设备都会停止传输,延迟一个随机时间后再重新使用总线- 该方案一般用在网络通信总线上,如:Ethernet总线等。
BACKio.132010年4月5日星期一总线定时方式° 什么是总线的定时 通过总线裁决确定了哪个设备可以使用总线,那么一个取得了总线控制 权的设备如何控制总线进行总线操作呢?也即如何来定义总线事务中的 每一步何时开始、何时结束呢?这就是总线通信的定时问题。
° 总线通信的定时方式 • Synchronous (同步):用时钟来同步定时 • Asynchronous(异步):用握手信号定时 • Semi-Synchronous (半同步):同步(时钟)和异步(握手信号)结合 • Split transaction(拆分事务):在从设备准备数据时,释放总线 CPU-处理器总线都采用同步方式 异步方式只有I/O总线才会使用 I/O总线大多采用半同步方式拆分事务方式可以提高总线的有效带宽io.14SKIP2010年4月5日星期一同步总线 (Synchronous Bus)简单的同步协议如下图: 一个总线事务:地址阶段 + 数据阶段 + … + 数据阶段 CLK BReq BG R/W Address Data Cmd+Addr Data1 Data2控制线上有一个时钟信号进行定时,有确定的通信协议Advantage(优点): 控制逻辑少而速度快 Disadvantages(缺点): (1)所有设备在同一个时钟速率下运行,故以最慢速设备为准 (2)由于时钟偏移问题,同步总线不能很长 实际上,存储器总线比这种协议的总线复杂得多 存储器(从设备)响应需要一段时间,并不能在随后的时钟周期就准备好数据io.152010年4月5日星期一BACK异步总线 (Asynchronous Bus)° 非时钟定时,没有一个公共的时钟标准。
因此,能够连接带宽范围很大的各种 设备。
总线能够加长而不用担心时钟偏移(clock skew)问题 ° 采用握手协议(handshaking protocol)即:应答方式。
• 只有当双方都同意时,发送者或接收者才会进入到下一步,协议通过一对 附加的“握手”信号线(Ready、Ack)来实现 ° 异步通信有非互锁、半互锁和全互锁三种方式Ready Ack 非互锁方式Ready Ack 半互锁方式Ready Ack 全互锁方式• 优点:灵活,可挂接各种具有不同工作速度的设备• 缺点: ① 对噪声较敏感(任何时候都可能接收到对方的应答信号) ② 接口逻辑较复杂BACKio.162010年4月5日星期一Handshaking Protocol(握手协议)一个总线事务:地址阶段 + 数据阶段 + … + 数据阶段 ReadReq Data1 23Address2 4Data6 5 4 6 7Ack DataRdy ° Three control lines • • • ReadReq: 请求读内存单元 (地址信息同时送到地址/数据线上) DataRdy: 表示已准备好数据 (数据同时送到地址/数据线上)ReadReq和Ack之间的握手过程 完成地址信息的传输 DataRdy和Ack之间的握手过程 完成数据信息的传输 一共有多少次握手? 7次 是全互锁方式! BACK2010年4月5日星期一Ack: ReadReq or DataRdy的回答信号° 上述为read过程, 但write操作基本类似io.17半同步总线为解决异步方式对噪声敏感的问题,在异步总线中引入时钟信号 就绪和应答等握手信号 (如:Wait信号、TRDY和IRDY信号等) 都在时钟的上升沿有效 信号的有效时间限制在时钟到达的时刻,而不受其他时间的信号干扰CLK BReq BG R/W Address Wait Data Data1 Data1 Data2 Cmd+Addr° 通过“Wait”信号从设备告知主设备何时数据有效 ° 结合了同步和异步的优点。
既保持了“所有信号都由时钟定时”的特点, 又允许“不同速度设备共存于总线” BACKio.182010年4月5日星期一Split Bus Transaction(拆分总线事务)将一个事务分成两个子过程: • 过程1:主控设备A获得总线使用权后,将请求的事务类型、地址及其他信息(如A的标识等) 发到总线,从设备B记下这些信息。
A发完信息后便立即释放总线,其他设备便可使用总线 • 过程2:B收到A发来的信息后,按照A的要求准备数据,准备好后,B便请求使用总线,获使用 权后,B将A的编号及所需数据送到总线,A便可接收子 周 期 1 时 钟 子 周 期 2地 址从设备地址主 控 (M )主设备编号从 (S )数 据 地 址 、命 令 总 线 空 闲 (其 它 主 控 器 可 用 ) 数 据 S M2010年4月5日星期一Mio.19SSplit Bus Transaction(拆分总线事务)° 请求- 回答方式(Request-Reply ) • CPU启动一次读或写事务 - 传送信息:address, data, and command • 然后等待存储器回答 ° 分离总线事务方式(Split Bus Transaction) • CPU启动一次读/写事务后,释放总线 - 传送信息:address, data(Write), and command • 存储器启动一次回答事务,请求使用总线 - 传送信息: data (read) or acknowledge (write) 优点:系统总效率改善 (例如,在存储器存取数据时可以释放总线,以被其他设备使用) 缺点: 单独的事务响应时间变长 增加复杂性BACK2010年4月5日星期一io.20例1:同步和异步总线的最大带宽比较举例:假定同步总线的时钟周期为50ns,每次总线传输花1个时钟周期,异步总线 每次握手需要40ns,两种总线的数据都是32位宽 ,存储器的取数时间为200ns。
要求求出从该存储器中读出一个字时两种总线的带宽。
分析如下: 同步总线的步骤和时间为: (1)发送地址和读命令到存储器:50ns (2)存储器读数据:200ns 如果存储器读为230ns,则结果为多少? (3)传送数据到设备:50ns 总时间为350ns,4B/350ns=11.4MB/s 所以总时间为300ns,故最大总线带宽为4B/300ns,即:13.3MB/s。
异步总线的步骤和时间为: 第1步为:40ns; 第2、3、4步为:Max(3x40ns,200ns)=200ns; (第2、3、4步都和存储器访问时间重叠) 第5、6、7步为:3x40ns=120ns。
总时间为360ns,故最大带宽为4B/360ns=11.1MB/s由此可知:同步总线仅比异步快大约20%。
要获得这样的速度,异步总线上 的设备和存储器必须足够快,以使每次在40 ns内能完成一个子过程io.212010年4月5日星期一例2:数据块大小对带宽的影响假定有一个系统具有下列特性: (1)系统支持4~16个32位字的块访问。
(2)64位同步总线,时钟频率为200MHz,每个64位数据传输需一个时钟周期,地 址发送到存储器需1个时钟周期。
(3)在每次总线操作(事务)间有两个空闲时钟周期。
(4)存储器访问时间对于开始的4个字是200ns,随后每4个字是20ns。
假定读出数据在总线上传送的同时,随后4个字的存储器读操作也在重叠进行 一个总线事务由一个地址传送后跟一个数据块传送组成请求出分别用4-字块和16-字块方式读取256个字时的持续带宽和等待时间。
并 且求出两种情况下每秒钟内的有效总线事务数。
io.222010年4月5日星期一举例-数据块大小对带宽的影响分析 4-字块传送情况: 对于4-字块传送方式,一次总线事务由一个地址传送后跟一个4-字块的数据传送组成。