组成原理课程第六章
计算机组成原理第六章课件白中英版
66MHz的Pentium，基本非流水线总线周期
64÷2×66×106 bps＝264 MB/S
66MHz的Pentium，2-1-1-1猝发读周期
32÷5×66×106 B/S＝422.4 MB/S
【例1】(1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字 节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期， 总线时钟频率为33MHz，则总线带宽是多少?
STROBE*（选通）信号
•输出低有效，才能使打印机接收数据
ACK*（响应）信号
•打印机接收数据结束回送负脉冲响应信号
BUSY（忙状态）信号
•打印机忙于处理接收到的数据，不能接收新的数据
6.3.3 总线数据传送模式
读数据传送：数据由从设备到主设备 写数据传送：数据由主设备到从设备 猝发传送（数据块传送）
演示
每个数据位都需要单独一条传输线。二进制数 “0”或“1”在不同的线上同时进行传送
串行通信
串行通信：将数据分解成二进制位用一条信号 线，一位一位顺序传送的方式
串行通信的优势：用于通信的线路少，因而在 远距离通信时可以极大地降低成本
通信协议（通信规程）：收发双方共同遵守
解决传送速率、信息格式、位同步、字符同步、 数据校验等问题
发送8位数据：59H＝01011001B，偶校验、两个停止位
6.3.1 总线的仲裁
主设备(Master)：控制总线完成数据传输 从设备(Slave)：被动实现数据交换 总线仲裁：决定当前控制总线的主设备
•集中仲裁：中央仲裁器负责 •分布仲裁：比较各个主设备仲裁号决定
某一时刻，只能有一个主设备控制总线， 其它设备此时可以作为从设备
计算机组成原理第六章第3讲总线的仲裁
（4）由于参加竞争的各设备速度不一致，这个比较过程反 复（自动）进行，才有最后稳定的结果。竞争期的时间要
13 足够，保证最慢的设备也能参与竞争。
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6.3 总线的仲裁
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6.3 总线的仲裁
➢ 工作方式：
在独立请求方式中，每一个共享总线的设备均 有一对总线请求线BRi和总线授权线BGi。当设 备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。 总线仲裁器中有一个排队电路，它根据一定的 优先次序决定首先响应哪个设备的请求，给设 备以授权信号BGi。
独立请求方式的优点是响应时间快 对优先次序的控制相当灵活
➢ 优点：线路可靠性高（个别仲裁故障不会影响整 个系统）
➢ 缺点：设计复杂
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6.3 总线的仲裁
（1）所有参与本次竞争的各主设备将设备竞争号CN取反后 打到仲裁总线AB上，以实现“线或”逻辑。AB线低电平 时表示至少有一个主设备的CNi为1，AB线高电平时表示 所有主设备的CNi为0。
（2）竞争时CN与AB逐位比较，从最高位（b7）至最低位 （b0）以一维菊花链方式进行，只有上一位竞争得胜者 Wi+1位为1。当CN i=1，或CNi=0且ABi为高电平时，才 使Wi位为1。若Wi=0时，将一直向下传递，使其竞争号后 面的低位不能送上AB线。
每次计数可以从“0”开始，也可以从中止点开发始。如 果从“0”开始，各设备的优先次序与链式查询法相同， 优先级的顺序是固定的。如果从中止点开始，则每个 设备使用总线的优级相等。
6
6.3 总线的仲裁
➢ 优点
计数器的初值也可用程序来设置，这可以方便 地改变优先次序。
计算机组成原理第六章答案
1. 写出下列各数的原码、反码、补码、移码（用8位二进制表示），其中MSB是最高位（符号位），LSB是最低位。
如果是小数，则小数点在MSB之后；如果是整数，则小数点在LSB之后。
(1)-59/64 (2)27/128 (3)-127/128(4)用小数表示-1(5)用整数表示-1 (6)-127 (7)35 (8)-1282. 设[x]补=x0.x1x2x3x4，其中x i取0或1，若要使x＞－0.5，则x0、x1、x2、x3、x4的取值应满足什么条件？3. 若32位定点小数的最高位为符号位，用补码表示，则所能表示的最大正数为，最小正数为，最大负数为，最小负数为；若32位定点整数的最高位为符号位，用原码表示，则所能表示的最大正数为，最小正数为，最大负数为，最小负数为。
4. 若机器字长为32位，在浮点数据表示时阶符占1位，阶码值占7位，数符占1位，尾数值占23位，阶码用移码表示，尾数用原码表示，则该浮点数格式所能表示的最大正数为，最小正数为，最大负数为，最小负数为。
5. 某机浮点数字长为18位，格式如图2.35所示，已知阶码（含阶符）用补码表示，尾数（含数符）用原码表示。
(1)将(-1027)10表示成规格化浮点数；(2)浮点数(0EF43)16是否是规格化浮点数？它所表示的真值是多少？图2.35 浮点数的表示格式6. 有一个字长为32位的浮点数，格式如图2.36所示，已知数符占1位；阶码占8位，用移码表示；尾数值占23位，尾数用补码表示。
图2.36 浮点数的表示格式请写出：(1)所能表示的最大正数；(2)所能表示的最小负数；(3)规格化数所能表示的数的范围。
7. 若浮点数x的IEEE754标准的32位存储格式为(8FEFC000)16，求其浮点数的十进制数值。
8. 将数(-7.28125)10转换成IEEE754标准的32位浮点数的二进制存储格式。
9. 已知x=-0.x1x2…x n，求证：[x]补=+0.00…01。
计算机组成原理第6章 习题
第六章复习题1．若浮点数用补码表示，则判断运算结果是否为规格化数的方法是______。
A 阶符与数符相同为规格化数B 阶符与数符相异为规格化数C 数符与尾数小数点后第一位数字相异为规格化数D数符与尾数小数点后第一位数字相同为规格化数2．下面浮点运算器的描述中正确的句子是：______。
A. 浮点运算器可用阶码部件和尾数部件实现B. 阶码部件可实现加、减、乘、除四种运算C. 阶码部件只进行阶码相加、相减操作D. 尾数部件只进行乘法和减法运算3．IEEE754标准规定的32位浮点数中，符号位为1位，阶码为8位，则它所能表示的最大规格化正数为______。
A．+（2 – 2-23）×2+127B．+（1 – 2-23）×2+127C．+（2 – 2-23）×2+255D．2+127 + 2274．如果浮点数用补码表示，则判断下列哪一项的运算结果是规格化数______。
A 1.11000B 0.01110C 1.00010D0.010105．______表示法主要用于表示浮点数中的阶码。
A.原码B.补码C.反码D.移码6．（√）移码表示法主要用于表示浮点数的阶码E，以利于比较两个指数的大小和对阶操作。
7．（×）浮点运算器阶码部件可实现加、减、乘、除四种运算。
8．（√）浮点运算器阶码部件可实现加、减和比较操作。
9．（√）按IEEE754标准，一个浮点数由符号位S，阶码E，尾数m三部分组成。
10．（×）按IEEE754标准，阶码E的值等于指数的基值E加上一个固定偏移量128。
1.有一个字长为32位的浮点数，符号位1位，阶码8位，用移码表示；尾数23位，用补码表示；基数为2。
请写出：（1）最大数的二进制表示；（2）最小数的二进制表示；（3）规格化数所能表示的数的范围；（4）最接近于零的正规格化数与负规格化数。
解：•最大正数值是由尾数的最大正数值与阶码的最大正数值组合而成的;•最小正数值是由尾数的最小正数值与阶码的最小负数值组合而成的。
计算机组成原理第六章-第5讲-HOST总线和PCI总线复习课程
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。
计算机组成原理(蒋本珊)第六章
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。
6计算机组成原理第6章流水线原理
结果
6.1 先行控制技术
• 先行控制（look-ahead）技术最早在IBM公司研制的 STRETCH机器中采用。目前，许多处理机中都已经采 用了这种技术，包括超流水处理机和超标量处理机等。
6.4 线性流水线性能分析
衡量流水线的主要指标有吞吐率，加速比和效率。
6.4.1 吞吐率TP
吞吐率（TP ── ThroughPut）指流水线在单位时间内执行的任务数， 可以用输入任务数或输出任务数表示。
TP n Tk
其中k表示流水线划分的段数。
当满足 ti 条t 件时，有 Tk (n k 1) t。
第6章 流水线原理及其 §1 重叠方式
通常提高指令执行速度的途径有如下三种： 1. 提高处理机的工作主频。 2. 采用更好的算法和设计更好的功能部件。 3. 多条指令并行执行，称为指令级并行技术。
• 可以从两个方面来开发处理机内部的并行性：
– 空间并行性：即在一个处理机内设置多个独 立的操作部件，并让这些操作部件并行工作， 这种处理机称为多操作部件处理机或超标量 处理机;
• 超长指令字技术VLIW：指让一条指令包含多个独立的操 作字段，并且分别控制多个功能部件并行工作的技术。
一．重叠解释方式
1.一条指令的几个过程段
1）取指令：根据PC（指令计数器）从M（存储器）取 出指令送到IR（指令寄存器）
2）译码分析：译出指令的操作性质，准备好所需数 据
3）执行：将准备好的数按译出性质进行处理，主要 涉及ALU（算术逻辑运算部件）
计算机组成原理第六章答案
第6章 计算机的运算方法2. 已知1a2a3a4a5a6（ai 为0或1），讨论下列几种情况时ai 各取何值。
（1）21X > （2）81X ≥ （3）161X 41>≥ 解： （1）若要21X >，只要a1=1，a2~a6不全为0即可。
（2）若要81X ≥，只要a1~a3不全为0即可。
（3）若要161X 41>≥，只要a1=0，a2可任取0或1； 当a2=0时，若a3=0，则必须a4=1，且a5、a6不全为0；若a3=1，则a4~a6可任取0或1；当a2=1时， a3~a6均取0。
3. 设x 为整数，[x]补=1，x1x2x3x4x5，若要求 x < -16，试问 x1~x5 应取何值？ 解：若要x < -16，需 x1=0，x2~x5 任意。
（注：负数绝对值大的补码码值反而小。
）4. 设机器数字长为8位（含1位符号位在内），写出对应下列各真值的原码、补码和反码。
-13/64，29/128，100，-87 解：真值与不同机器码对应关系如下：5. 已知[x]补，求[x]原和x 。
[x1]补; [x2]补; [x3]补; [x4]补;[x5]补=1,0101; [x6]补=1,1100; [x7]补=0,0111; [x8]补=1,0000; 解：[x]补与[x]原、x 的对应关系如下：6.设机器数字长为8位（含1位符号位在内），分整数和小数两种情况讨论真值x 为何值时，[x]补=[x]原成立。
解：当x 为小数时，若x ≥ 0，则 [x]补=[x]原成立；若x < 0，当x= -1/2时，[x]补=[x]原=1.100 0000，则 [x]补=[x]原成立。
当x 为整数时，若x ≥0，则 [x]补=[x]原成立；若x< 0，当x= -64时，[x]补=[x]原=1,100 0000，则 [x]补=[x]原成立。
7.设x 为真值，x*为绝对值，说明[-x*]补=[-x]补能否成立。
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中央处理器
计算机组成原理
本章知识点
6.1 CPU的功能和基本结构 CPU的基本功能和常见的CPU基本结构 6.2 指令执行的过程 1)数据通路的概念及组成 2)指令周期流程图 6.3时序与控制器 6.4微程序控制器的工作原理 1)微程序控制的基本概念 2)微程序控制器的组成原理 3)微指令的编码方法 4)微程序设计举例 6.5硬布线控制器的工作原理 1)硬布线控制器的模型 2)硬布线控制器的基本原理与设计方法
( 5 、 7、 9 )
图中相容性的微操作有： 1 、 2 、3 (4、6、8) 与 (5、7、9)两组中各取一个任意组合
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计算机组成原理 2.微程序控制器的组成原理
1)控制存储器： 存放用来实现全部指令的所有微程序，是一种只读存储器，微程序固化 在其中，其容量取决于机器指令和每条指令微程序的长度，字长取决于
1)用( )表示读取寄存器或主存地址的内容，如（PC）表示读取PC寄
存器中的内容； 2)用[ ]表示主存单元地址或寄存器堆中寄存器的编号，则：
M[6]表示主存6号单元，(M[6])表示读取主存6号单元的数据；
R[6]表示寄存器堆中6号寄存器，(R[6])表示读取寄存器堆中6号 寄存器的数据； M[(R[6])]表示寄存器堆中6寄存器内容所指主存单元;(M[(R[6])]) 表示读取寄存器堆中6寄存器内容所指主存单元的内容。为简化对主 存单元的表示和访问，将它们分别简化成M[R[6]]和（M[R[6]]）。 3)用“AB”表示数据传送，其中B为数据源，A为目的端；
•完成顺序控制的功能 •转移指令直接修改PC值
计算机组成原理 2)控制器中各主要功能部件的作用:指令寄存器IR
•保存当前正执行的指令
•指令的操作码字段和寻址方式送译码
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计算机组成原理 3)控制器中各主要功能部件的作用:指令译码器ID
•对指令的OP字段和寻址方式译码，指出指令的操作方式
•译码的结果是找到与该指令相关的微程序的入口
•保存与主存之间交换的数据
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计算机组成原理 7)控制器中各主要功能部件的作用:地址寄存器AR
•存放CPU将要访问的主存单元地址
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计算机组成原理 6.2 指令执行的过程 1.数据通路的概念及组成
数据通路:数据在功能部件之间传送的路径； 数据在数据通路中的传送操作是在控制信号的控制下进行的； 数据通路的建立可用总线或专用通路两种方法来构建； 不同功能的指令及同一指令在执行的不同阶段的数据通路可不同； 数据通路的结构直接影响CPU内各种信息的传送路径、指令执行流程、 所需要的微操作控制信号及其时序安排和控制器的设计；
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计算机组成原理 4.指令操作流程:基于单总线结构的处理器
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计算机组成原理
根据指令周期的概念，任何指令第一个CPU周期都是取指周期，取 指周期中CPU要完成以下三件事： (1)根据PC的内容取出指令并送指令寄存器IR中保存(本书假定程序 首地址已存放在PC中)； (2)修改PC的值；（这里假定计算机字长8位，采用单字长指令，主 存按字节编址）； (3)对指令的操作码进行译码或测试，以确定指令在执行阶段将要 具体进行何种操作。
(a)取指CPU周期用到两条数据通路：
PC → MAR → MEM → MDR → IR
PC → X → ALU → Z → PC
(b)执行阶段用到的数据通路： IRA → MAR → MEM → MDR→ R0
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计算机组成原理
(1) LOAD 指令周期流程
R[0] (M[6]): 将主存6号单元内容送R0, RS型指令
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计算机组成原理
4)控制器中各主要功能部件的作用:操作控制器OC
•产生指令执行过程中所需要的控制信号
•实现指令的操作控制功能
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计算机组成原理
5)控制器中各主要功能部件的作用:时序产生器
•对操作控制信号进行同步
•实现控制器的时间控制功能
计算机组成原理 6)控制器中各主要功能部件的作用:数据缓冲寄存器DR
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计算机组成原理 微指令
程序
微程序
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计算机组成原理
1)微命令和微操作 •控制部件与执行部件之间的联系
控制线
控制部件
反馈线 •微命令
执行部件
控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制信号(打开和关闭控制门)
•微操作 执行部件接受微命令后所进行的操作
•反馈线的作用
向控制部件反馈执行的状态信息，以便控制部件进行状态测试
执行阶段的操作 MAR (IRA) MDR (M[MAR]) R[0] (MDR)
各操作对应的控制信号 IRout=ARin=1 Read=DREin=1 DRIout=R0in=1
执行阶段用到的数据通路： IRA → MAR → MEM → MDR→ R0
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计算机组成原理
(4)异常和中断处理：
处理运算中的异常及处理外部设备的中断服务请求等。 (5) 数据加工处理：
对数据进行算术、逻辑运算，或将数据在相关部件之间传送。
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计算机组成原理 2.CPU的基本结构
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计算机组成原理
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计算机组成原理 1)控制器中各主要功能部件的作用:程序计数器PC
•给出并指示下一条指令的地址 •内容在取指完成后即可改变
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计算机组成原理
6.1 CPU的功能和基本结构
1.CPU的基本功能
(1)指令执行顺序的控制： 控制程序中的指令按事先规定的顺序自动地执行。 (2)指令的操作控制： 产生指令执行过程中所需要的信号，以控制执行部件按指令规定 的操作运行。 (3)时间控制： 对各控制信号进行定时，以便按规定的时间顺序启动各操作。
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计算机组成原理 2.指令周期流程
1)程序控制的过程，本质上是由控制器根据程序所包含的指令序列， 逐条执行指令的过程。 2)指令周期
一条指令从取出到执行完成所需时间 3)指令周期划分 (1)取指令周期: 根据PC的值取去主存储取指令； 如何形成后续指令地址。
(a)顺序执行指令时，将PC内容加当
微指令的字长，也与容量有一定关系(!)。要求控制存储器快速。
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计算机组成原理
2)微指令寄存器(IR) •存放从控存中读出的微指令 •是图中的哪部分? 3)微地址寄存器(AR) 存储访问CM的微地址
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计算机组成原理
4)微地址产生逻辑
用于产生后续微指令地址。能作为后继微指令地址的有下列形式：
对转移指令还需在执行周期内计算机 移地址。
(4)写回
将运算结果写到结果寄存器或存储器。 写回存储器时间较长,一般需要多个时 钟周期。
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计算机组成原理 3.寄存器级传送语言RTL(Register Transfer Language)
为统一表示指令执行流程，采用寄存器描述语言表示指令执行过程中 的操作，使用RTL的规则如下：
下地址字段给出的地址是下条微指令地址，最终是否按照该 地址执行下一条微指令与是否进行条件测试及测试条件是否 成立等有关。
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计算机组成原理
2)微操作的分类
微操作是计算机中最基本的操作，由于数据通路、逻辑功 能的关系，微操作可以分为相容性的和相斥性的微操作： •相容性的微操作 能同时并行执行的微操作 •相斥性的微操作 不能同时并行执行的微操作
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计算机组成原理
图中相斥性的微操作有：
(
+ 、 – 、
M )
( 4 、 6、 8 )
R0out=DRIin=1 M[R[2]](MDR) DREout=Write=1
执行CPU周期用到的数据通路：
R2 → MAR 传送地址； 往主存存数据。
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R0 → MDR → MEM
计算机组成原理
(5) JMP 指令周期流程
PC (IRA) : 将1000送入PC，实现无条件转移
前指令所占用的主存单元数 (b)当出现转移时，根据寻址方式、 转移条件、转移的目标地址等内容计算 得到。
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计算机组成原理
(2)译码/取操作数周期 对指令寄存器中的操作码字段进行译 码并识别指令类型 根据指令地址码和寻址方式，从寄存 器或存储器中读取操作数。 不同的寻址方式可能具有不同的取操 作数周期。
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计算机组成原理
(1) LOAD 指令周期流程
R[0] (M[6]): 将主存6号单元内容送R0, RS型指令
取指阶段的操作 MAR (PC) X (PC) Z ALU PC (Z) MDR (M[MAR]) IR ( MDR) 各操作对应的控制信号 PCout =ARin=1 Xin=1 +1 Zout=PCin=1 Read=DREin=1 DRIout=IRin=1
执行阶段的操作 PC (IRA)
对应的控制信号 IRout=PCin=1
执行CPU周期用到的数据通路：
IRA → PC
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计算机组成原理 6.3时序与控制器
1.中央处理器的时序
过去的计算机采用主状态周期、节拍电位和节拍脉冲三级时序体制 来对操作控制信号进行定时控制.
主状态周期:一般对应指令的执行时间 节拍电位:对应指令执行的不同周期,如取指周期,以主存的工作周期为基础 节拍脉冲:完成一次微操作所需要的时间
算术运算类指令大都要求双操作数， 因此，取操作数流程要经历两次，第 一次取源操作数，操作流程由源寻址 方式字段确定，第二次取目的操作数， 操作流程由目的寻址字段确定。
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计算机组成原理
(3)执行周期
控制器向算术逻辑运算单元及数据通 路中的其它相关部件发送操作控制命 令，完成由指令操作码规定的动作， 包括传送结果及记录状态信息。 操作结果送到哪里由寻址方式确定； 状态信息(如溢出)记录在PSW中;