計算機組成原理實用教程（第三版）

計算機組成原理 第一章 緒論（一） 一、 計算機的發(fā)展歷程及應(yīng)用領(lǐng)域 1、計算機的發(fā)展歷程 2、計算機的應(yīng)用領(lǐng)域 科學(xué)計算 數(shù)據(jù)處理 實時控制 企業(yè)管理 計算機輔助設(shè)計 第一章 緒論（二） 二、 計算機的組成硬件及軟件 1、計算機硬件的組成及功能 運算器、控制器、主存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備 2、計算機軟件的組成 什么是軟件，計算機語言 軟件的作用 軟件分類：系統(tǒng)軟件、應(yīng)用軟件 第一章 緒論（三） 三、 計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 1、硬件軟化及軟件硬化 2、計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) 應(yīng)用語言機器級 高級語言機器級 匯編語言機器級 操作系統(tǒng)機器級 傳統(tǒng)機器級 微程序機器級 0級 2級 1級 3級 4級 5級 第一章 緒論（四） 四、 計算機系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo) 1、機器字長 計算機能進(jìn)行二進(jìn)制數(shù)并行運算的速度，即運算器所具有的位數(shù)。機器字長越長，運算速度越高。 單位： 、運算速度 主頻，執(zhí)行速度 (等效指令速度描述法 3、主存容量 第二章 計算機中的數(shù)碼系統(tǒng) 一、數(shù)據(jù)的表示方法 計算機中 可使用的數(shù)據(jù)分為兩大類：數(shù)值數(shù)據(jù)、符號數(shù)據(jù)（非數(shù)值數(shù)據(jù)）。 數(shù)值數(shù)據(jù)用來表示數(shù)量的多少，通常帶有符號位； 符號數(shù)據(jù)用來表示各種符號，包括 26個字母，0 9，標(biāo)點符號（， 。 、 ； ” ！ ？ 等）及一些專門符號（ * / = % $ 等），漢字，圖形，語音 1、符號數(shù)據(jù)的表示方法 計算機使用最多的符號數(shù)據(jù)是字符和字符串。字符在計算機中通常用 8位二進(jìn)制數(shù)來表示，構(gòu)成一個字節(jié)。采用最廣泛的是 采用 7位二進(jìn)制數(shù)，可構(gòu)成 128種編碼。 第二章 計算機中的數(shù)碼系統(tǒng) 2*、數(shù)值數(shù)據(jù)的表示方法 計算機中數(shù)值數(shù)據(jù)有兩種表示方法：定點表示法，浮點表示法。 定點表示法 采用定點表示法表示的數(shù)據(jù)叫作定點數(shù)，定點數(shù)是指小數(shù)點位置固定不變的數(shù)。 定點數(shù)在計算機中的表示格式： 1 X0 數(shù)符 小數(shù)點位置（對于小數(shù)） 小數(shù)點位置（對于整數(shù)） *機器字長 n+1位 第二章 計算機中的數(shù)碼系統(tǒng) 定點小數(shù)的表示范圍： 1 X +1 即 ： (1 X (1定點整數(shù)的表示范圍： 1111 X +1111即 (2 X + (2*定點數(shù)所能表示的數(shù)值范圍很有限，而且只能表示純小數(shù)或純整數(shù)，二者不可兼顧 第二章 計算機中的數(shù)碼系統(tǒng) 浮點表示法 采用浮點表示法表示的數(shù)據(jù)叫做浮點數(shù)。浮點數(shù)可用來表示實數(shù)。 一個帶符號的二進(jìn)制浮點數(shù)可表示為： 數(shù) ) 2 101(階碼 ) 尾數(shù)是一個帶符號的純小數(shù)，由它來確定浮點數(shù)的精度 階碼是一個帶符號的純整數(shù)，它確定浮點數(shù)的表示范圍 階碼越長，所表示的浮點數(shù)的范圍越大 第二章 計算機中的數(shù)碼系統(tǒng) 浮點數(shù)在計算機中的表示格式： 1 階符 *機器字長 p+m+2位，其中尾數(shù)占 m+1位，階碼占 p+1位 1 f 符 階碼值 ( 尾數(shù)值 ( 浮點數(shù)所能表示的數(shù)值范圍應(yīng)分成正、負(fù)數(shù)。 分別表示如下： p p 正數(shù)： 22-(2 - 1) X+(12+(2 - 1) 第二章 計算機中的數(shù)碼系統(tǒng) p p 負(fù)數(shù)： -(1 2 2+(2 - 1) X2-(2 - 1) 舉例：某機字長 8位，采用定點表示法，可表示的純小數(shù)或整數(shù)的表示范圍是多少？若采用浮點表示法，階碼 3位，尾數(shù) 5位，表示的數(shù)值范圍是多少？ 定點小數(shù)： + 28+127/128 定點整數(shù)： +1111111.，即 127 127 浮點數(shù)： 正數(shù)： 22+11 即 +1/128+ 15/2 負(fù)數(shù)： 2 11 2 28 第二章 計算機中的數(shù)碼系統(tǒng) 注意事項 階碼與尾數(shù)的關(guān)系 2p m 浮點數(shù)基值的選擇 、 8、 16 尾數(shù)的基值，增大數(shù)的表示范圍，不降低數(shù)的表示精度 浮點數(shù)的規(guī)格化 尾數(shù) 1/尾數(shù)小數(shù)點后的第一位數(shù)是非 0 第二章 計算機中的數(shù)碼系統(tǒng) 二、機器數(shù)的編碼格式 * 在計算機中，機器數(shù)有三種不同的編碼格式，即原碼表示法、補碼表示法和反碼表示法。 1、原碼表示法 將帶符號數(shù)的符號位數(shù)值化（習(xí)慣上用“ 0”表示“”，用“ 1”表示“”），數(shù)碼位保持不變，即原碼表示法。 例如： X Y= X原 = Y原 =二章 計算機中的數(shù)碼系統(tǒng) 原碼表示法的數(shù)學(xué)定義 對于定點小數(shù) X=X n，其原碼的數(shù)學(xué)定義為 X原 = X 當(dāng) 0 X(1X原 = 1- X=1+|X| 當(dāng) -(1 X0 即：對于正小數(shù)： X=+X n X原 = X n 對于負(fù)小數(shù)： X=X n X原 = X n 第二章 計算機中的數(shù)碼系統(tǒng) 對于定點整數(shù) X=X n，其原碼的數(shù)學(xué)定義為 X原 = X 當(dāng) 0 X(2n 1) X原 = 2n - X= 2n +|X| 當(dāng) -(2n 1) X0 即：對于正整數(shù)： X=+X n X原 = 0X n 對于負(fù)整數(shù)： X=X n X原 = 1X n 可以看出，原碼表示法直觀，與真值一一對應(yīng)，但其缺點是：用原碼進(jìn)行加、減法運算時非常麻煩，運算器中不僅要有加法器，還要有減法器。這就是推出補碼和反碼表示法的原因。 第二章 計算機中的數(shù)碼系統(tǒng) 2、補碼表示法 補碼表示法是根據(jù)數(shù)學(xué)上的同余概念引申而來。 假定有兩個數(shù) a和 b，若用某一個整數(shù) 得的余數(shù)相同，就稱 a,記作： ab (m) 假設(shè) X,Y,足下列關(guān)系： Z= (,則稱 對模 作： ZY () X0 () 例：假設(shè)時鐘正指向 10點整，但當(dāng)前時間為 6點整，為校正時鐘，可順時針撥 8小時 (+8)，或逆時針撥 4小時(這說明對時鐘來講， 8和 4是等效的，這是因為時鐘以 “ 12”為模。 10 8 186 (2) 100+(12=10+86 (2) 第二章 計算機中的數(shù)碼系統(tǒng) 以通式表示： +(K () (模 結(jié)論：對于某一確定的模數(shù) K，某數(shù) ，可用該數(shù) 對模 注意： “?！笔侵溉魏未笥谀５臄?shù)值都可以將模數(shù)的整數(shù)倍丟掉，而不會影響原數(shù)的大?。?利用模數(shù)概念可將減法運算轉(zhuǎn)換為加法運算 。 計算機本身就是一個模數(shù)系統(tǒng)，這是因為計算機的字長是有限的，凡超過機器字長的數(shù)據(jù)，其超出位會被丟失，這就是計算機的模。 對于 n+1位字長的定點小數(shù)，在機內(nèi)可表示為： X= X n， 于 以以 21為模。 第二章 計算機中的數(shù)碼系統(tǒng) 對于 n+1位字長的定點整數(shù)，在機內(nèi)可表示為： X=1X n， 于 以以 2n+1為模。 補碼表示法的數(shù)學(xué)定義： 對于定點小數(shù) X=X n，其補碼的數(shù)學(xué)定義為 X補 = X 當(dāng) 0 X (1X補 = 2+X=2-|X| 當(dāng) -(1 X0 對于定點整數(shù) X=X n，其補碼的數(shù)學(xué)定義為 X補 = X 當(dāng) 0 X 2n X原 = 2n+1 X= 2n+1-|X| 當(dāng) 1,下次 2 1 0 1 0 0 0 0 1 +-|Y|補 1 0 0 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1,下次 2 1 1 1 0 0 1 0 1 +-|Y|補 1 0 0 1 1 0. 0 0 0 1 0. 1 0 1 1 ,商 1 結(jié)果： Q=+2三章 運算方法與運算器 (39) 說明： 商的第一位應(yīng)為 0，僅表示結(jié)果未溢出，若為 1，則溢出，中止操作； 若最后余數(shù)為負(fù)，要糾余，即增加一次 |Y|操作； 加減交替法克服了恢復(fù)余數(shù)法的兩個問題，在現(xiàn)代計算機中原碼除法均采用加減交替法； 最后給商數(shù)和余數(shù)冠以正確符號（余數(shù)與被除數(shù)符號同）。 2、補碼除法運算 符號位同樣參與運算，加減交替法。 第三章 運算方法與運算器 (40) 四、浮點數(shù)的算術(shù)運算方法及實現(xiàn) 1、浮點數(shù)的加減運算 對階 尾數(shù)運算 結(jié)果規(guī)格化 m補 =X m補 = m補 = 向右規(guī)格化 m補 =X m補 = 向左規(guī)格化 去掉小數(shù)點后的前導(dǎo) 0 去掉小數(shù)點后的前導(dǎo) 1，但 0除外 第三章 運算方法與運算器 (40+) 2、浮點除法運算 五、計算機中的邏輯運算及實現(xiàn) 1、邏輯非 2、邏輯與 3、邏輯或 4、邏輯異或 練習(xí)題 某機字長 32位，浮點表示時，階碼占 8位，尾數(shù)占 24位，各包含一個符號位。問： (1)帶符號定點小數(shù)的最大表示范圍是多少？ (2)帶符號定點整數(shù)的最大表示范圍是多少？ (3)浮點表示時，最大的正數(shù)是多少？ (4)浮點表示時，最大的負(fù)數(shù)是多少？ (5)浮點表示時，最小的規(guī)格化正數(shù)是多少？ 答 案 答案： (1) (1(2) 1+ (2+31(3)(1 2+127 (4)- 225) +2題 一、已知 X=2=+21)用補碼運算求 X Y？，并判斷是否有溢出。 (2)用補碼運算求 X Y？，并判斷是否有溢出。 解： (1)對階 X= 22)運算 X補 =11 100， X補 =11 100， Y補 =11 100， + =11 100， X+Y補 =11 100， =11 100， 3)結(jié)果規(guī)格化 X+Y補 =11 100， 0 111， 出 =11 100， 1 010,2題 二、已知 X=+1)將 分辨轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制浮點數(shù)（階碼 4位，尾數(shù) 10位，各包含一個符號位； (2)用變形補碼求 X Y？ 答 案 解： X=2+011 Y=+2 101 X原 =00 011， Y原 =00 101， X補 =00 011， Y補 =00 101， =00 101， 1)對階 X補 =00 101， =00 101， 2)尾數(shù)運算 3)結(jié)果規(guī)格化 =00 110， =00 110， 2+110 習(xí)題 三、已知 X=2=2 010 請用變形補碼求 X Y， X Y 解： (1) 對階 X=2 010 X補 =00 010， Y補 =00 010， =00 010， 2)尾數(shù)運算、結(jié)果規(guī)格化 + X+Y補 = =X+Y補 =00 010， 1 111， +Y=2 001 =00 010， 1 110， 2三章 運算方法與運算器 (41) 六、運算器的組成與分析 運算器是計算機的重要組成部分之一，用來完成各種算術(shù)和邏輯運算，因此常稱作算術(shù)邏輯單元（ 運算器的核心是加法器。若機器字長 應(yīng)由 利用串行進(jìn)位方式的加法器，結(jié)構(gòu)簡單，但加法速度慢，原因就在于進(jìn)位信號的串行傳送。因此提高加法器運算速度的關(guān)鍵在于縮短進(jìn)位信號的傳送時間 。 1、并行進(jìn)位方式的實現(xiàn) 采用串行進(jìn)位方式的 16位并行加法器如下圖： 15 15 14 14 0 0 1 1 . 三章 運算方法與運算器 (42) 上圖中 ， 第 i)(代表 “ 異或 ” ) 若用 用 i)，則上式可簡化為： i+式由兩項構(gòu)成： 第一項是 此只有當(dāng) i=1時， ，此時的 ，即本位向高位有進(jìn)位，稱為 “ 本位進(jìn)位 ” 。 第二項是 中 有當(dāng) 。只有 時，才能將低位向本位的進(jìn)位傳送到高位去，因此稱 傳送進(jìn)位 ” 。顯然任何情況下， 1”。 0+1=11+0+ 112=22+1+1 222 15+1515 +三章 運算方法與運算器 (43) 上述表達(dá)式表明， 16位加法器中各位向高位的進(jìn)位信號 是有可能在向最低位的進(jìn)位信號 C 1輸入后的一定時間內(nèi)并行產(chǎn)生。 盡管如此，要實現(xiàn) 16位進(jìn)位信號的同時產(chǎn)生仍然存在困難，原因是形成進(jìn)位信號所需的門和輸入端數(shù)太多。可以設(shè)想將加法器分成 組內(nèi)實現(xiàn)并行進(jìn)位是完全可能的。 例如：將 16位加法器分成 4個小組，每組包含 4位，組內(nèi)實現(xiàn)并行進(jìn)位的邏輯表達(dá)式為： 0+1=112=2223=3333是最低一組（第 0組）的組內(nèi)并行進(jìn)位邏輯即可實現(xiàn)。 樣的進(jìn)位邏輯可用到其它三個小組，并將四個小組串聯(lián)起來，如下圖： 3小組組內(nèi) 并行進(jìn)位邏輯 1小組組內(nèi) 并行進(jìn)位邏輯 2小組組內(nèi) 并行進(jìn)位邏輯 0小組組內(nèi) 并行進(jìn)位邏輯 1515 8 8 4 4 0 0 上圖稱作單級分組的“并串行邏輯”，即將整個加法器分成幾個小組，各小組內(nèi)部采用并行進(jìn)位方式，各小組間采用串行進(jìn)位方式，可有效縮短進(jìn)位信號的傳送時間。假定每級門的延遲時間為 各小組內(nèi)進(jìn)位信號的傳送時間為 2整個加法器的進(jìn)位信號產(chǎn)生時序如下圖： 第三章 運算方法與運算器 (44) 顯然，單級分組“并串”行進(jìn)位方式的 16位并行加法器，與采用串行進(jìn)位方式的 16位加法器相比，加法速度明顯提高。 將各個小組內(nèi)并行進(jìn)位邏輯，加上它們的 位求全加和的電路集成在一起，構(gòu)成一個芯片，即 第三章 運算方法與運算器 (45) 14 三章 運算方法與運算器 (46) 2、兩級分組 “ 并并 ” 行進(jìn)位方式的實現(xiàn) 若將上述單級分組 16位并行加法器中的 4個小組構(gòu)成一個大組，并在大組內(nèi)也采用并行進(jìn)位方式，就構(gòu)成了兩級分組（小組和大組） “ 并并 ” 行進(jìn)位方式，可進(jìn)一步提高進(jìn)位信號的傳送速度。 仍以 16位并行加法器為例： 要實現(xiàn) “ 并并 ” 進(jìn)位方式，關(guān)鍵是如何將小組內(nèi)的并行進(jìn)位邏輯擴展到 4個小組之間。 采用小組內(nèi)并行進(jìn)位類似的方法推出實現(xiàn)方法。 對于第 0小組而言，它向高組的進(jìn)位信號為 3+3333*+3*= 333本組進(jìn)位 本組傳送進(jìn)位 同理可得： 7*+3 11*+7 15*+11 第三章 運算方法與運算器 (47) 利用遞推關(guān)系得到： 3*+7=3*+ 3*11=11*+ 7* 7*15= 11* 11* 3* 11*3*述式子與小組內(nèi)并行進(jìn)位邏輯基本相同，這就是大組內(nèi)的并行進(jìn)位邏輯 ( 為適應(yīng)大組內(nèi)并行進(jìn)位的要求，各小組內(nèi)并行進(jìn)位邏輯要稍作修改，使之產(chǎn)生 見 3小組組內(nèi) 并行進(jìn)位邏輯 1小組組內(nèi) 并行進(jìn)位邏輯 2小組組內(nèi) 并行進(jìn)位邏輯 0小組組內(nèi) 并行進(jìn)位邏輯 1515 8 8 4 4 0 0 第三章 運算方法與運算器 (48) 大組內(nèi)并行進(jìn)位邏輯 15* 7 三章 運算方法與運算器 (49) 可以設(shè)想，若機器字長 64位，則整個加法器可分成 16個小組，每個小組包含 4位， 4個小組構(gòu)成一個大組，共形成 4個大組，若 4個小組和 4個大組內(nèi)均采用并行進(jìn)位方式，而 4個大組間采用串行進(jìn)位方式，則可構(gòu)成兩級分組 “ 并并串 ” 行進(jìn)位方式；當(dāng)然， 4個大組間也可采用并行進(jìn)位方式，構(gòu)成兩級分組 “ 并并并 ” 進(jìn)位方式，加法器運算速度得以進(jìn)一步提高。 結(jié)論：為了提高加法器的運算速度，可采用并行進(jìn)位邏輯，但可能導(dǎo)致進(jìn)位信號邏輯復(fù)雜，價格上升。實際計算機系統(tǒng)中，加法器采用何種進(jìn)位邏輯，取決于對性能價格比的要求。 第三章 運算方法與運算器 (50) 3、多功能算術(shù) /邏輯運算單元 前面介紹的加法器，只能完成算術(shù)運算。這里介紹一種運算器芯片是一個 4位運算器，即能完成 4位算術(shù)運算，也可完成 4位邏輯運算以及算術(shù)、邏輯混合運算。 邏輯運算功能部件 全加 i i i 0 2 位運算單元邏輯圖 第三章 運算方法與運算器 (51) 1位算術(shù) /邏輯運算單元由 1位全加器和 1位邏輯運算部件組合而成。 顯然，算術(shù)運算由全加器完成。邏輯運算在控制信號 i， i。它們之間的控制關(guān)系如下： 2 1 i 0 0 1 0 0 0 1 i 0 1 0 i 1 0 1 1 0 個這樣的單元集成在一起形成的。 組間并行進(jìn)位邏輯 三章 運算方法與運算器 (52) 4、定點運算器的基本結(jié)構(gòu) 運算器中數(shù)據(jù)傳送通路：總線結(jié)構(gòu)，單向、雙向，三態(tài)門控制 運算器的基本結(jié)構(gòu) 單總線結(jié)構(gòu)分時共享 雙總線結(jié)構(gòu) 三總線結(jié)構(gòu) 第四章 存儲系統(tǒng) (1) 一、概述 1、基本概念 存儲器是計算機系統(tǒng)的重要組成部分。 存儲器有主存儲器與輔助存儲器之分。 主存儲器，又稱內(nèi)存儲器，即內(nèi)存，用來存放程序和數(shù)據(jù)。 頻繁地與主存儲器交換信息，因此主存儲器的性能在很大程度上影響整個計算機系統(tǒng)的性能。 目前，廣泛采用的主存儲器是按地址訪問的，即一維線性存儲器。它由許多存儲元構(gòu)成。存儲元是存儲器的最小單位，一個存儲元可存放一位二進(jìn)制信息，若干存儲元構(gòu)成一個存儲字。通常存儲字與機器字長相同。 2、主存儲器的主要技術(shù)指標(biāo) (1)存儲容量 指存儲器所能存儲的二進(jìn)制信息的總位數(shù)。 B/b) W主存儲器總字?jǐn)?shù) 對于 第四章 存儲系統(tǒng) (2) (2)存取速度 頻繁地與主存儲器交換信息，因此機器運算速度在很大程度上取決于主存儲器的存儲速度。 主存儲器的速度通?？捎迷L問時間 取周期 訪問時間 訪問時間 ” 是指從 存儲器讀出信息為止所需要的時間。其值越小，存取速度越快。 存取周期 存取周期 ” 又稱 “ 訪問周期 ” 、 “ 讀周期 ” 、 “ 寫周期 ” ，它是指連續(xù)兩次訪問存儲器所需要的最小時間間隔。顯然 般 A。對于破壞性讀出的存儲器， T A。 存儲器頻寬 指連續(xù)訪問存儲器時，存儲器所能提供的數(shù)據(jù)傳送速率。 第四章 存儲系統(tǒng) (3) 3、存儲器的層次結(jié)構(gòu) 計算機系統(tǒng)中，對存儲器的要求是：大容量、高速度、低成本。 一級存儲系統(tǒng)，很難同時滿足上述三個要求。一般來說，存儲器速度很高，存儲容量就不可能很大，成本也不會很低；若存儲容量很大，存取速度就不可能很高，成本也不可能很低。 為了滿足上述三個要求，可將具有不同性質(zhì)的多級存儲器構(gòu)成存儲層次。 (1)二級存儲層次結(jié)構(gòu) 輔助軟硬件 主存儲器 輔助存儲器 助軟硬件 主存儲器 高速緩沖 存儲器 輔助軟硬件 四章 存儲系統(tǒng) (4) (1)三級存儲層次結(jié)構(gòu) 輔助存儲器 第四章 存儲系統(tǒng) (5) 4、存儲器的分類 可根據(jù)存儲器的不同特性，對存儲器進(jìn)行分類： 根據(jù)使用的存儲元：半導(dǎo)體存儲器和磁性存儲器； 根據(jù)存儲器的讀寫方式： 根據(jù)對存儲器的訪問方式：按地址訪問存儲器和按內(nèi)容訪問存儲器； 根據(jù)信息的可保存性：永久性存儲器，非永久性存儲器； 根據(jù)讀出方式：破壞性讀出存儲器和非破壞性讀出存儲器 ； 根據(jù)存取方式：隨機存儲器，順序存儲器和半順序存儲器。 第四章 存儲系統(tǒng) (6) 二、半導(dǎo)體讀寫存儲器 半導(dǎo)體讀寫存儲器又稱隨機存儲器，是非永久存儲器，常作為計算機系統(tǒng)的主存儲器。 根據(jù)使用的器件，半導(dǎo)體讀寫存儲器分為： 者使用 者使用雙極型晶體管構(gòu)成存儲元。 一般情況下， 存儲容量大，適合作主存儲器。雙極型存儲器訪問速度快，但容量較小，適合作 1、 動態(tài) 6管靜態(tài) 4管動態(tài) 單管動態(tài)存儲元破壞行讀出 動態(tài)存儲器、靜態(tài)存儲器的區(qū)別 第四章 存儲系統(tǒng) (6) 2、雙極型存儲器的存儲元電路 雙極型存儲器主要特點 訪問速度快 功耗大 集成度低 存儲容量小 系統(tǒng)中用來作 極存儲元根據(jù)不同的電路結(jié)構(gòu)有 極耦合 )基本存儲元。 第四章 存儲系統(tǒng) (7) 3、半導(dǎo)體存儲器的構(gòu)成 存儲矩陣 地址譯碼與驅(qū)動 存儲控制電路 讀寫電路 4、靜態(tài) 114 、動態(tài) 116 6、動態(tài)存儲器的刷新方式 集中式刷新方式 分散式刷新方式 異步式刷新方式 練習(xí) 1. 已知： X . X n 求證： X補 1. . X n +2. 已知： X補 2. X n 求證： . X n+2答 案 1. 證明： 根據(jù)補碼定義： X補 2 X . 1+0. 00 . 01+X = . 1 . X n +=1. . X n +答 案 2. 證明： 設(shè)： 0 X補 0. . X n X 0. . X n . X n 1. . X n +2設(shè)： 1 X補 1. . X n X -(0. . X n +20. . X n +2 0. . X n +2第四章 存儲系統(tǒng) (8) 7、半導(dǎo)體存儲器與 位擴展法 字?jǐn)U展法 字位擴展法 譯碼器簡介 C B A 2B 40 7 B A G 740 3 C B 2 740 15 A 第四章 存儲系統(tǒng) (9) 半導(dǎo)體存儲器與 例一： 某計算機可輸出數(shù)據(jù)線 8條 (0)，地址線 20條 (0)，控制線一條 (目前使用的存儲空間為 48中 16采用 8K 8(位 )的 32采用 16K 4(位 )的 (1)需要兩種芯片各多少片？ (2)畫出 碼器自定）。 (3)寫出 解： (1) 需 168/(8K 8)=2(片 ) 需 328/(16K 4) 4(片 ) 0 7K 8 13 S 0 16K 4 E 0 7K 8 13 S 0 16K 4 E 0 36K 4 E 0 36K 4 E B A G 1 3 2:4譯碼器 14 12 E 或門 或門 或門 19 四章 存儲系統(tǒng) (10) 半導(dǎo)體存儲器與 例二： 某計算機 4儲器按字節(jié)編址。 位，可提供一個控制信號 前系統(tǒng)中使用的存儲容量為 8中 4采用容量為 2K 8(位 )的 地址范圍為 0000H 04采用容量為 4K 2(位 )的 地址范圍為4000H 4 (1)需要 (2)畫出 碼器自定）。 (3)寫出 第四章 存儲系統(tǒng) (11) 三、半導(dǎo)體只讀存儲器 只讀存儲器 (指一般情況下只能讀出、不能寫入的存儲器，要寫入時必須采取特殊的方式。 旦寫入，將永久保持。 根據(jù)不同的制造工藝，只讀存儲器可分為 2 1、掩模式只讀存儲器 ( 這種存儲器由工廠生產(chǎn)時一次性寫入信息，不允許使用者作任何修改。 結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，價格低，但靈活性差，不允許修改。 2、可編程只讀存儲器 ( 允許用戶一次性寫入信息的只讀存儲器。 一經(jīng)寫入，不允許修改。 3、可擦除可編程只讀存儲器 ( 可用紫外線擦除，允許用戶多次性寫入信息的只讀存儲器。 靈活性好。 第四章 存儲系統(tǒng) (12) 4、電可擦除可編程只讀存儲器 ( 功能與 它是可用電擦除，允許用戶多次性寫入信息的只讀存儲器。 使用更靈活方便。 四、并行主存系統(tǒng) 由于 此主存的訪問速度成為計算機系統(tǒng)速度的 “ 瓶頸 ” ，因此如何加快主存儲器的速度是計算機設(shè)計者追求的目標(biāo)。在各種計算機系統(tǒng)中，為加快主存儲器速度，大都采取以下幾種措施： 采用高速器件以盡可能縮短存儲器的訪問周期 加長存儲器的字長。 采用并行主存系統(tǒng)以提高存儲器的等效速度。 在 第四章 存儲系統(tǒng) (13) 1、單體多字并行主存系統(tǒng) 常規(guī)的主存儲器是指單體單字存儲器，它只包含一個存儲體，訪問一次存儲器只能讀 /寫一個存儲字的信息。下圖是一個 4K 8(位 )的單體單字存儲器結(jié)構(gòu)。 若將其存儲體分成 4部分，每部分包含 1K 8(位 )的存儲空間，便構(gòu)成 4字并行主存系統(tǒng)。 0 1 4095 存儲體 4K 8(位 ) 11 K 8(位 ) 1K 8(位 ) 1K 8(位 ) 1K 8(位 ) 11 0 7 7 7 1 1023 第四章 存儲系統(tǒng) (14) 需提供 12位地址碼。在存儲器內(nèi)部控制部件控制下，只需用高端的 10位地址碼去訪問存儲器的地址，于是訪問存儲器可讀 /寫 4個字的信息，低端的 2位地址碼用來控制將 4個數(shù)據(jù)字分時使用總線。 可以看出，單體四字并行主存系統(tǒng)的等效速度是單體單字主存系統(tǒng)的 4倍。但要達(dá)到這個要求是有條件的，同時讀出的 4個字地址必須是特定的連續(xù)地址，如 0， 1， 2， 3或 4， 5， 6，7或 1020， 1021， 1022， 1023等。 第四章 存儲系統(tǒng) (15) 2、多體交叉并行主存系統(tǒng) 若在上述單體多字主存系統(tǒng)基礎(chǔ)上，為每個存儲體設(shè)置獨立的地址寄存器，使之成為 4個獨立的容量為 1K 8(位 )的存儲體，于是容量為4K 8(位 )的 4體交叉并行主存系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖。 7 7 7 7 K 8(位 ) 1K 8(位 ) 1K 8(位 ) 1K 8(位 ) 0 1 1023 9 9 9 9 四章 存儲系統(tǒng) (16) 由于 4個分體各有自己的地址寄存器， 提供 4個不同的 12位地址碼，在主存控制部件的控制之下，可將 4個地址的高端 10位分別送到 4個分體的地址寄存器中，低 2位地址便是它們的分體號，于是經(jīng)過一個訪問周期可從 4個分體中分別讀 /寫 4個字的信息。 4體交叉并行主存系統(tǒng)的等效速度是單體單字主存系統(tǒng)的 4倍。但要達(dá)到這個要求也是有條件的，即必須要求訪存的 4個地址分步在不同的分體中，否則將產(chǎn)生 “ 分體沖突 ” 。 所謂 “ 分體沖突 ” 是指 個地址中，有 2個或 2個以上位于同一個分體中。 在不產(chǎn)生分體沖突的情況下， 4體交叉并行主存系統(tǒng)的等效速度可提高到 4倍。 各分體中地址通式： (4i+3)、 (4i+2)、 (4i+1)、 (4i+0) 舉例： 00003H， 009H， 005H，006H， 019H， 幾次訪問 4體交叉并行主存系統(tǒng)？ (1)0003H,009H,2)05H,006H (3)019H (4)四章 存儲系統(tǒng) (17) 五、高速緩沖存儲器 1、高速緩沖存儲器的基本思想 在 成 “ 存儲層次，結(jié)構(gòu)如下圖： 主 存 儲 器 高速緩沖 存儲器 輔助軟硬件 四章 存儲系統(tǒng) (18) 在上述存儲系統(tǒng)中， 容量比較小，其內(nèi)容是主存某部分地址中內(nèi)容的副本，而不是內(nèi)存內(nèi)容的擴充。 訪問主存地址同時訪問 該地址已在 稱作 “ ，則以訪問 之，若 仍然訪問主存。 若 00，則訪問主存的速度提高為訪問 到提高主存等效速度的目的。 設(shè)置 要追求的目標(biāo)是盡量提高 2、 為加快 塊可包含幾個、十幾個或幾十個存儲字。 顯然，主存中的塊數(shù)會比 例如，某系統(tǒng)中主存容量 64 16個字節(jié)為 1塊，則主存中共有 4 4塊，任何時候主存儲器中最多只有 64塊信息進(jìn)入 為主存這片地址中所存信息的副本。 通常使主存和 是 們的地址結(jié)構(gòu)如下圖： 第四章 存儲系統(tǒng) (19) 3 塊內(nèi)地址 3 存地址 主存塊號 塊內(nèi)地址 先需要進(jìn)行地址變換。 塊內(nèi)地址部分可直接送至 存的塊號應(yīng)變成 同時，判定 命中，則地址變換后用 不命中，則一方面用主存地址直接訪問主存，另一方面，將含有該地址的一塊信息，從主存調(diào)入 備 此應(yīng)在系統(tǒng)中設(shè)置一個主存塊號與 適應(yīng)高速度要求，通常采用按內(nèi)容訪問的相聯(lián)存儲器來存放此對照表。 第四章 存儲系統(tǒng) (20) 3、相聯(lián)存儲器 相聯(lián)存儲器 (常規(guī)存儲器相比，突出的特點是訪問相聯(lián)存儲器時，不需提供地址，而是提供需要存取的內(nèi)容，因此它是按內(nèi)容訪問的存儲器。 引入相聯(lián)存儲器，主要是為了解決查表速度問題 。 表格放在常規(guī)存儲器中，采用順序、折半、散列查找，查詢速度慢 放在相聯(lián)存儲器，按關(guān)鍵字與表中各個字的內(nèi)容并行比較，查詢速度快 確切地說，相聯(lián)存儲器是按內(nèi)容并行比較、按地址讀 /寫的存儲器 (1)相聯(lián)存儲器的基本存儲元 (2)相聯(lián)存儲器的構(gòu)成 存儲體 檢索寄存器 屏蔽寄存器 符合寄存器 代碼寄存器 第四章 存儲系統(tǒng) (21) 六、虛擬存儲系統(tǒng) 虛擬存儲器 (提出： 主存容量不夠大，從而限制機內(nèi)可運行程序的大小 解決程序比主存容量大的問題 虛擬存儲系統(tǒng)中 主存儲器稱為 “ 實存 ” 虛存空間是比實存空間大得多的空間，它取決于所能提供的地址字的長度 機器字長 32位，則虛存空間位 232 4 1、虛擬存儲器的構(gòu)成 輔助軟硬件 主存儲器 輔助存儲器 四章 存儲系統(tǒng) (22) 2、虛擬存儲器中的地址結(jié)構(gòu)及其轉(zhuǎn)換 在虛擬存儲系統(tǒng)中，用戶程序使用的是虛地址，而主存空間所具有的實地址，一般情況下，虛地址比實地址長。 當(dāng)用戶使用虛地址訪問存儲器時，要將虛地址變換為實地址。 地址變換過程與采用的存儲管理方式有關(guān)，常用的有頁式管理、段式管理和段頁式管理三種方式。 (1)頁式管理方式 將實存和虛存空間機械地分成許多同樣大小的頁，即也內(nèi)地址長度相同。虛地址和實地址均由兩部分組成，如下圖。 虛地址變換成實地址的過程為頁內(nèi)地址直送，虛頁號變換成實頁號的過程。 實地址 頁號 內(nèi)地址 頁號 內(nèi)地址 地址 四章 存儲系統(tǒng) (23) 先要判斷該虛頁是否已調(diào)入實存中，若其已經(jīng)在實存中，稱作 “ 實存命中 ” ，將虛頁號 可形成實地址 實存不命中則需要將包含該地址的一頁信息從輔存調(diào)入實存后才能去訪問實存。 為此，需要為每個用戶建立一個頁表，表中包括虛頁號、實頁號、裝入位等信息，且該頁表是從輔存向?qū)嵈嬲{(diào)入信息時寫入的。頁表中的實頁號就是虛頁調(diào)入實存時的起始地址，裝入位用來表示該虛頁當(dāng)前是否已在實存中。 例：某系統(tǒng)存儲器按字節(jié)編址，虛地址長 32位 實