计算机组成原理电子教案-系统总线
计算机系统组成电子教案(复习
计算机系统组成电子教案（复习）第一章：计算机基础知识回顾1.1 计算机的发展史1.2 计算机的分类1.3 计算机的性能指标1.4 计算机的硬件和软件第二章：中央处理器（CPU）2.1 CPU的组成和结构2.2 指令和指令集2.3 流水线技术2.4 CPU的性能评估第三章：存储系统3.1 内存的分类和工作原理3.2 缓存（Cache）的作用和原理3.3 硬盘、固态硬盘和混合硬盘的区别与性能比较3.4 存储器层次结构第四章：输入输出系统4.1 输入输出设备的概念和分类4.2 I/O接口和总线4.3 中断和DMA传输4.4 直接存储器访问（DMA）第五章：总线和接口5.1 总线的概念和分类5.2 总线仲裁和定时5.3 PCI Express总线5.4 串行和并行通信接口第六章：操作系统基础6.1 操作系统的概念与功能6.2 操作系统的类型与结构6.3 进程管理6.4 存储管理第七章：计算机网络基础7.1 计算机网络的定义与分类7.2 网络拓扑结构7.3 网络协议分层模型7.4 互联网协议（IP）与传输控制协议（TCP）第八章：数据通信与网络设备8.1 数据通信基本概念8.2 数据传输模式8.3 网络设备（如交换机、路由器）的功能与工作原理8.4 网络安全基础第九章：数据库系统9.1 数据库基本概念9.2 关系型数据库与SQL9.3 数据库设计与管理9.4 数据库系统的应用与案例第十章：计算机系统的维护与升级10.1 计算机系统维护的意义与内容10.2 系统升级策略与注意事项10.3 硬件故障诊断与处理10.4 软件更新与安全防护重点和难点解析一、计算机的发展史难点解析：计算机技术的快速发展，使得理解各个时代计算机的特点和关键技术成为难点。
二、计算机的性能指标难点解析：理解这些性能指标如何影响计算机的运行速度和效率。
三、存储系统难点解析：内存层次结构中的缓存（Cache）和主存（RAM）之间的关系，以及它们的优化策略。
计算机组成原理(本全PPT)
用作固件存储，如BIOS、固件等。
外存储器
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
分类
机械硬盘（HDD）和固态硬盘（SSD）。
外存储器
应用
作为计算机的主要存储设备。
特点
容量大、价格低、速度慢、数据可长期保存。
外存储器
分类
CD、DVD和蓝光光盘等。
应用
用于数据备份和存储。
高速缓存(Cache)
址和控制信号。
总线按照传输信号类型可以分为 数据总线、地址总线和控制总线。
总线按照连接部件可以分为内部 总线和外部总线，内部总线连接 计算机内部各部件，外部总线连
接计算机与外部设备。
主板的结构与功能
主板的结构包括
处理器插座、内存插槽、扩展插槽、硬盘接口、电源接 口等。
主板的功能包括
提供各部件之间的连接，实现数据传输和控制信号传递 ；保障系统的稳定性和可靠性；提供系统扩展能力。
I/O数据传输方式
优点
CPU可以执行其他任务，适用于高速I/O 设备。
VS
缺点
需要设置中断控制器，实现起来较为复杂 。
I/O数据传输方式
优点
CPU不直接参与数据传输，适用于大数据块 传输。
缺点
需要设置DMA控制器，成本较高。
I/O设备控制方式
要点一
优点
简单、易于实现。
要点二
缺点
CPU效率低下，适用于慢速I/O设备。
计算机组成原理(本全ppt)
• 计算机系统概述 • 中央处理器(CPU) • 存储器系统 • 输入输出系统(I/O) • 总线与主板 • 计算机系统性能评价与优化
01
计算机系统概述
计算机的发展历程
计算机组成原理
2、总线规范
每个总线标准都有详细的规范说明，一般包括以下几个部分 1）机械性能规范：模板尺寸、插头、连接器的规格及位置 等。 2）功能规范：信号线的序号、名称及功能等。 3）电气特性的规范：信号线的电平种类、动态转换时间、 负载能力等。
五、总线的性能指标
评价总线性能的优劣 1、总线宽度：主要是指数据总线的数目。如4/8/16/32/64 直接影响总线的传输率（吞吐量） 2、标准传输率（总线带宽） 单位时间内总线上传输数据的位数。以MB/S表示。 例如：某总线工作频率为8.33MHZ，总线宽度为16位，则 标准传输率为 8.33M×2B/s=16.66MB/s 3、总线定时协议（握手机制） 数据传输采用何种时钟控制。分为同步、异步、半同步、 分离式几种 4、总线控制方式：如仲裁机制、自动配置等。 5、总线复用 两种不同时出现的信号共用一组物理线路，即分时使用同 一组总线，称为总线的多路分时复用。其目的在于减少芯 片的引脚数。 6、信号线数：总线所包含的全部信号线的总数。 7、其它指标：如负载能力、电源电压、能否扩展等。
第三章 系统总线
3.1 总线概述 3.2 常用的总线标准 3.3 总线结构
3.4 总线控制
3.1 总线概述
一、为什么要用总线
机内部件间互连方式：
早期：分散连接 以运算器为核心，内部连线复杂，尤其是当I/O 与存储器交换信息时，都需要经过运算器，严重影 响CPU的工作效率。
采用存储器为核心的分散连接结构，虽采用中断、 DMA等技术，仍无法解决I/0设备与主机之间连接的 灵活性。 目前：总线连接
MAR MDR 容量 10 8 1 K × 8位 16 32 64 K × 32位
1K = 210
2 b = 1 KB 1B = 23b 221b = 256 KB 80 GB
计算机组成原理唐朔飞完整版
取x 至运算器中 乘以a 在运算器中 加b 在运算器中 乘以x 在运算器中 加c 在运算器中
指令格式举例
1.2
操作码
地址码
取数 000001 存数 加 乘 打印 停机
α 0000001000 β γ δ
[α]
ACC
[ACC] [ACC]+[γ] [ACC]×[δ]
[ ]
β ACC
ACC 打印机
计算 ax2 + bx + c 程序清单
乘积高位
乘数 乘积低位
被除数
除法 余数
商
X 加数 减数 被乘数 除数
① 加法操作过程
1.2
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
加
初态 ACC [M]
[ACC]+[X]
M 被加数 X ACC
② 减法操作过程
1.2
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
减M
初态 ACC [M]
[ACC]-[X]
被减数 X ACC
1.2
指令和数据存于
指令
主存单元的地址 操作码 地址码
注释
0
000001 0000001000 取数x至ACC
1
000100 0000001001 乘a得ax,存于ACC中
2
000011 0000001010 加b得ax+b ,存于ACC中
3
000100 0000001000 乘x得（ax+b)x,存于ACC中
计算机
存储器 I/O
第３篇 CPU
系统总线
CPU
中央处理器
ALU CU
CPU 内部互连
计算机组成原理(本全PPT)白中英
32
为提高数据的表示精度，当尾数的值不为 0 时，其绝 对值应≥0.5，即尾数域的最高有效位应为1,否则以修 改阶码同时左右移小数点的办法，使其变成这一表 示形式，这称为浮点数的规格化表示。
101.1101=0.1011101×20011=0.010111010×20100
规格化表示为尾数是0.1011101，阶码是0011 而尾数是0.01011101，阶码是0100不是规格化表示。
16
(347) 8 =3×82+4×81+7×80=(103)10 (347.5) 8 =3×82+4×81+7×80+5×8-1 =(231.625)10 (34E.5) 16 =3×162+4×161+14×160+5×16-1 =(846.3125)10
17
2、不同数制间的转换 1＞十进制八，十六进制二进制 法则 整数部分：除8（16）取余数 小数部分：乘8（16）取整 重复循环
0≤︱X︱≤2n －1 或： — (2n －1)≤ X≤2n －1 （16位整数范围：— (215 －1)≤ X≤ (215 －1)
25
2、浮点表示法 1＞数的浮点表示 其范围和精度部分分别用定点数表示 123.45=1234.5×10－1=12345×10 －2 =123450×10 － 3 4796.54＝0 . 479654×104 0.00479654＝ 0 . 479654×10－2 －0.00479654＝ －0 . 479654×10－2
27
任意十进制N，可以化为 N＝M×10E 其中M为小数，E为整数 一个数S的任意进制表示 （S）R＝m×Re m ：尾数，是一个纯小数。 e ：比例因子的指数，称为浮点的指数，是一个 整数。 R ：比例因子的基数，对于二进计数值的机器 是一个常数，一般规定Ｒ 为2，8或16。
计算机组成原理教案
教案授课课程：计算机组成原理使用教材：计算机组成原理 xx主编课程类别：必修课授课班级：计算机科学___前言本教案基于“ 面向21世纪课程教材”-普通高等教育“十一五”国家级规划教材xx编著的“计算机组成原理”第二版。
教案包括：课程总体设计；实验内容设计；研究型教学设计；章节设计；单元设计等。
课程总共64学时，其中理论课程48学时，实验16学时。
研究型教学内容不占课堂学习学时，在实际教学的执行中，可根据具体情况，选择部分研究型教学内容。
在教学过程中，可综合应用各种教学手段和教学模式，包括混合式教学及翻转课堂等，并充分利用xx课、微课等电子资源。
目录一总体教学设计....................................................................................................... 错误！未定义书签。
1.1教学目的和要求............................................................................................. 错误！未定义书签。
1.2教学手段和教学方法..................................................................................... 错误！未定义书签。
1.2.1教学手段.............................................................................................. 错误！未定义书签。
1.2.2 教学方法............................................................................................. 错误！未定义书签。
计算机组成原理总线分类
计算机组成原理总线分类
计算机组成原理中的总线可以按照不同的分类方式进行分类，以下是常见的总线分类方式：
1. 数据总线（Data Bus）：用于传输数据和指令的总线。
它可以是双向或单向的，并且通常是并行的，用于传输数据和指令的二进制位。
2. 地址总线（Address Bus）：用于指定访问内存或外设的存储单元的地址的总线。
地址总线通常是单向的，并且是并行传输的。
3. 控制总线（Control Bus）：用于控制各个组件之间的操作和传输的总线。
控制总线通常是单向的，并且是并行传输的。
4. 系统总线（System Bus）：由数据总线、地址总线和控制总线组成的总线系统，用于连接计算机的主要组件，如CPU、内存和外设等。
5. 输入/输出总线（I/O Bus）：用于连接计算机与外部设备进行数据传输的总线。
常见的I/O总线包括PCI、USB、SATA等。
6. 前端总线（Front-side Bus）：用于连接CPU与北桥芯片或内存控制器的总线，用于高速传输数据和指令。
7. 后端总线（Backside Bus）：用于连接CPU与二级缓存或其他外部组件的总线，用于高速传输数据和指令。
这些总线的分类方式可以根据其功能、方向、传输方式等不同特点进行划分。
不同的总线在计算机系统中扮演不同的角色，共同完成数据和指令的传输和控制。
计算机组成原理 课后答案 第三章系统总线
第3章系统总线1. 什么是总线？总线传输有何特点？为了减轻总线负载，总线上的部件应具备什么特点？P41答：总线是连接多个部件共享的信息传输线，是各部件共享的传输介质。
总线传输的特点是：某一时刻，只允许有一个部件向总线发送信息，而多个部件可以同时从总线上接受相同的信息。
为了减轻总线负载，总线上的部件应通过三态驱动缓冲电路与总线连通。
2.总线如何分类？什么是系统总线？系统总线又分为几类，它们各有何作用,是单向的，还是双向的，他们与机器字长、存储字长、存储单元有何关系？答：总线的分类：（1）按数据传送方式分：并行传输总线和串行传输总线；（2）按总线的使用范围分：计算机总线、测控总线、网络通信总线等；（3）按连接部件分：片内总线、系统总线和通信总线。
系统总线是指CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）各大部件之间的信息传输线。
按系统总线传输信息不同，可分为3类：数据总线、地址总线和控制总线。
（1）数据总线：数据总线是用来传输个功能部件之间的数据信息，它是双向传输总线，其位数与机器字长、存储字长有关，一般为8位、16位或32位。
（2）地址总线：地址总线主要是用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址或I/O设备的地址，地址总线上的代码是用来指明CPU欲访问的存储单元或I/O端口的地址，由CPU输出，是单向的，地址线的位数与存储单元的个数有关，如地址线有20根，则对应的存储单元个数为220。
（3）控制总线：控制总线是用来发出各种控制信号的传输线，其传输是单向的。
3.常用的总线结构有几种？不同的总线结构对计算机的性能有什么影响？举例说明。
答：总线结构通常有单总线结构和多总线结构。
（1）单总线结构是将CPU、主存、I/O设备都挂在一组总线上，允许I/O 设备之间、I/O设备与CPU之间或I/O设备与主存之间直接交换信息。
这种4.为什么要设置总线判优控制？常见的集中式总线控制有几种？各有何特点？哪种方式响应时间最快？哪种方式对电路故障最敏感？答：总线判优控制解决多个部件同时申请总线时的使用权分配问题；常见的集中式总线控制有三种：链式查询、计数器定时查询、独立请求；特点：链式查询方式连线简单，易于扩充，对电路故障最敏感；计数器定时查询方式优先级设置较灵活，对故障不敏感，连线及控制过程较复杂；独立请求方式速度最快，但硬件器件用量大，连线多，成本较高。
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
计算机组成原理教案模板
XXX学校教案X ~X学年第学期课程名称计算机构成原理课程性质专业必修课授课对象X授课教师 XXXX职称 XX使用教材《计算机构成原理》（第 2 版）高等教育第一版社唐朔飞编著授课时数 XXX年X月X日课目、课题教课目标和要求重点难点教课进度作业部署主要参照资料教课设计 1第1次课2学时第一章计算机系统概论教课目标：使学生对计算机的基本构成有个大体的认知，为此后各个部分详细的知识讲解确立基础。
教课要求：要修业生掌握计算机软硬件的观点，计算机系统的层次构造，认识计算机组成和计算机系统构造，掌握冯. 诺依曼计算机的特色，熟习计算机的硬件框图，认识计算机的工作步骤。
掌握计算机硬件主要技术指标的原理及运算方法。
要点：计算机软硬件的观点计算机系统的层次构造冯 . 诺依曼计算机的特色计算机硬件的主要技术指标难点：计算机系统的层次构造计算机硬件主要技术指标的运算方法教课内容协助手段教课方法时间分派计算机软硬件的观点多媒体解说法5min计算机系统的层次构造多媒体解说法15min举例法计算机构成和系统构造多媒体解说法10min举例法冯 . 诺依曼计算机特色多媒体解说法15min举例法计算机的硬件框图多媒体解说法5min举例法计算机解决问题上机前的正确多媒体解说法5min举例法计算机解决问题上机运转多媒体解说法25min计算机的硬件指标多媒体解说法15min小结多媒体解说法5min，，，，，《计算机系统概论》， Yale N. Patt, Sanjay J. Patel主编，梁阿磊等译，机械工业第一版社PPT+解说 +实例计算机系统简介1、计算机的软硬件观点计算机系统由软件和硬件两大多数构成。
硬件指计算机的实体部分。
软件是拥有各种特别功能的程序。
软件分为系统软件和应用软件。
系统软件的作用是管理整个计算机系统，监督服务，使系统资源获得合理调动，高效运转。
应用软件是用户依据需要所编写的程序。
2.计算机系统的层次构造微程序机器 M0 （微指令系统）各样语言传统机器 M1（机器语言机器）的例子操作系统 M2虚构机器 M3 （汇编语言机器）虚构机器 M4 （高级语言机器）3.计算机构成和计算机系统构造的差别构造是程序员所能看到的计算机系统的属性，如指令集、数据种类、储存器寻址技术、I/O 办理。
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• 计算机系统互连结构 • 总线的基本概念 • 总线内部结构 • 总线连接方式 • 总线设计要素 • PCI总线
内容要点
计算机系统互连结构
• 计算机是由一组相互之间通信的3种基本类型 (CPU、存储器和I／O)的部件或模块组成的网络
• 连接各种模块的通路的集合称为互连结构 (Interconnection Structure)。
• 目前，最普遍的互连结构是总线和各种多总线 结构
3.2 总线的基本概念
• 总线（Bus）是连接两个或多个设备的公共通 信通路，总线的关键特征是共享传输媒质。
• 总线分类
– 内部总线 – 系统总线 – I/O总线
3.2 总线的基本概念
• 总线的特性
– 机械特性 – 电气特性 – 功能特性 – 时间特性
• 总线性能指标 • 总线标准
– 总线标准，可视为系统与各模块、模块与模块之间的一个互 连的标准界面
3.3 总线内部结构
• 数据总线 • 地址总线 • 控制总线 • 为连接的模块提供电源的电源线
• 单总线结构
3.4 总线连接方式
系统总线
CPU
• 带有存储总线的
MM接口 Βιβλιοθήκη 接口双总线结构I/O
I/O
3.6 PCI总线
高 速I / O
低 速I /
O
…
低 速I / O
• 总线类型 • 总线仲裁方法
– 集中式仲裁
• 链式查询方式 • 计数器定时查询方式 • 独立请求方式
– 分布式仲裁
• 时序 • 总线宽度 • 总线传输类型
3.5 总线设计要素
• 多总线分级结构 • 总线内部结构 • 总线周期类型 • 总线周期操作 • 总线仲裁
系统总线
CPU
MM
存储总线
接口 … 接口
I/O
I/O
3.4 总线连接方式
• 带DMA的三 总线结构
CPU
I/O总线
存储总
线 MM
D M A接 口
I / O接 口 …
接口
DMA总
• 带IOP的双总 线
I/O
I/O
线结构
系统总线
CPU
MM I/O 总线
IOP
接口
接 口 ……
接口
I/O
I/O
I/O
3.4 总线连接方式
• 带Cache总线与桥接器的总线结构结构
CPU
Cache 总 线 System 总 线
桥 扩展总线
Cache MM
I/O
I/O
…
I/O
3.4 总线连接方式
• 带高速总线的系统总线结构
CPU
Cache 总 线 系统总线
Cache
Bridge
MM
高速总线
Bridge
低 速I / O
高 速I / O
扩展总线