(7)--计算机组成计算机组成与结构.ppt

计计算算机机组组成成与与结结构构2024/1/151课课 程程 概概 貌貌讲授内容讲授内容基本部件的结构和组织方式基本部件的结构和组织方式基本运算的操作原理基本运算的操作原理基本部件和单元的设计思想基本部件和单元的设计思想特色特色计算机组成的一般原理，不以具体机型为依托计算机组成的一般原理，不以具体机型为依托采用自顶向下的方式、层层细化采用自顶向下的方式、层层细化教材教材唐朔飞唐朔飞.计算机组成原理（第计算机组成原理（第2版）版）.高等教育出版社高等教育出版社2024/1/152参考教材David A.Patterson.John L.Hennessy.Computer Organization&Design:A Hardware/Software Interface 2024/1/153David Harris,Sarah Harris.Digital Design and Computer Architecture.Morgan Kaufmann,2007本课程在课程体系中的地位本课程在课程体系中的地位2024/1/154如何如何实现具体具体细节知其然知其然1.分析分析评测知其所以然知其所以然2.并行并行计算机系算机系统结构入构入门第第章章 计算机系统概论计算机系统概论第章第章 系统总线系统总线第第章章 存储器存储器第第章章 输入输出系统输入输出系统第第章章 计算机的运算方法计算机的运算方法第第章章 指令系统指令系统第第章章 CPU 的结构和功能的结构和功能第章第章 计算机的发展及应用计算机的发展及应用2024/1/155计算机组成原理之机器第第章章 计算机系统概论计算机系统概论第章第章 系统总线系统总线第第章章 存储器存储器第第章章 输入输出系统输入输出系统第章第章 计算机的发展及应用计算机的发展及应用第第章章 计算机系统概论计算机系统概论1.1 计算机系统简介计算机系统简介1.3 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成2024/1/157第第章章 计算机系统概论计算机系统概论问题问题1：现代计算机系统由哪两部分构成？：现代计算机系统由哪两部分构成？1.1 1.1 计算机系统简介计算机系统简介现代计算机的多态性现代计算机的多态性把把感应器感应器嵌入和嵌入和装备到装备到电网、铁电网、铁路、桥梁、隧道、路、桥梁、隧道、公路、建筑、供公路、建筑、供水系统、大坝、水系统、大坝、油气管道油气管道等各种等各种物体中，并且被物体中，并且被普遍连接，形成普遍连接，形成所谓所谓“物联网物联网”，然后将，然后将“物联物联网网”与现有的互与现有的互联网整合起来，联网整合起来，实现实现人类社会人类社会与与物理系统物理系统的的整合，整合，形成智慧地球形成智慧地球跑得最快的计算机跑得最快的计算机（截止（截止20142014年年1111月）月）10Rank Site 国家国家 System 名称名称 Cores Rmax(TFlop/s)Rpeak(TFlop/s)1National Super Computer Center in GuangzhouChinaTianhe-2(MilkyWay-2)-TH-IVB-FEP Cluster,Intel Xeon E5-2692 12C 2.200GHz,TH Express-2,Intel Xeon Phi 31S1P中国国防科技大学中国国防科技大学3,120,000 33,862.7 54,902.42 DOE/SC/Oak Ridge National Laboratory United States Titan-Cray XK7,Opteron 6274 16C 2.2GHz,Cray Gemini interconnect,NVIDIA K20 x 制造商：制造商：Cray Inc.克雷公司克雷公司 所属：美国能源部所属：美国能源部Oak Ridge国家国家实验室室 560,640 17,590.0 27,112.5 3 DOE/NNSA/LLNL United States Sequoia-BlueGene/Q,Power BQC 16C 1.60 GHz,Custom 制造商：制造商：IBM 所属：美国能源部、美国国家核安全管理局所属：美国能源部、美国国家核安全管理局 1,572,864 17,173.2 20132.7 4RIKEN Advanced Institute for Computational Science(AICS)Japan K computer,SPARC64 VIIIfx 2.0GHz,Tofu interconnect 制造商：制造商：Fujitsu 富士通富士通 所属：日本所属：日本计算科学研究机构算科学研究机构 705,024 10510.0 11280.4 5 DOE/SC/Argonne National Laboratory United States Mira-BlueGene/Q,Power BQC 16C 1.60GHz,Custom 制造商：制造商：IBM 所属：美国能源部所属：美国能源部/SC/Argonne国家国家实验室室IB 786,432 8,586.6 10066.3 Tianhe-2Tianhe-2Site:National Super Computer Center in GuangzhouManufacturer:NUDTCores:3,120,000Linpack Performance(Rmax)33,862.7 TFlop/sTheoretical Peak(Rpeak)54,902.4 TFlop/sPower:17,808.00 kWMemory:1,024,000 GBInterconnect:TH Express-2Operating System:Kylin LinuxCompiler:iccMath Library:Intel MKL-11.0.0MPI:MPICH2 with a customized GLEX channelTitan-Cray XK7Titan-Cray XK72024/1/1512“泰坦泰坦”是一套拥有是一套拥有200个机柜、个机柜、18688个计算节点的个计算节点的Cray XK7超算系统，每个节点有一颗推土机架构的超算系统，每个节点有一颗推土机架构的AMD Opteron 6200十六核心处理器、一块开普勒架构的十六核心处理器、一块开普勒架构的NVIDIA Tesla K20 GPU加速计算卡，整体浮点性能超过加速计算卡，整体浮点性能超过20PFlops(每秒钟每秒钟2亿亿次亿亿次浮点计算浮点计算)。系统的性能最高可以拓展超过。系统的性能最高可以拓展超过50PFlops1.1 1.1 计算机系统简介计算机系统简介基本结构都具有共性特征基本结构都具有共性特征2024/1/15131.1 1.1 计算机系统简介计算机系统简介由具有各类特殊功能由具有各类特殊功能的信息（程序）组成的信息（程序）组成1.计算机系统计算机系统计计算算机机系系统统计算机的实体，计算机的实体，如主机、外设等如主机、外设等一、一、计算机的软硬件概念计算机的软硬件概念硬件硬件软件软件2024/1/1514按任务需要编制成的各种程序按任务需要编制成的各种程序用来管理整个计算机系统用来管理整个计算机系统 系统软件系统软件应用软件应用软件语言处理程序语言处理程序操作系统操作系统服务性程序服务性程序数据库管理系统数据库管理系统网络软件网络软件软软件件1.12024/1/1515简单的一个层次结构简单的一个层次结构软件件硬件硬件应用用软件件硬件硬件系系统软件件二、计算机系统的层次结构二、计算机系统的层次结构系统复杂性管理的方法系统复杂性管理的方法-1抽象抽象抽象抽象-对于一个过程或者一件制品的某对于一个过程或者一件制品的某些细节有目的的隐藏，以便把其他方些细节有目的的隐藏，以便把其他方面、细节或者结构表达得更加面、细节或者结构表达得更加清楚清楚-百度百科百度百科抽象抽象-指高级的模型，和低级的实体指高级的模型，和低级的实体相相对对-维维基百科基百科抽象抽象-隐藏系统中不重要的细节。隐藏系统中不重要的细节。-David Harris从物理构成的角度看从物理构成的角度看二、计算机系统的层次结构二、计算机系统的层次结构1.12024/1/1518高级语言高级语言虚拟机器虚拟机器 M3汇编语言汇编语言虚拟机器虚拟机器 M2操作系统操作系统虚拟机器虚拟机器机器语言机器语言实际机器实际机器 M1微指令系统微指令系统微程序机器微程序机器 M02024/1/1519用编译程序翻译用编译程序翻译成汇编语言程序成汇编语言程序用汇编程序翻译用汇编程序翻译成机器语言程序成机器语言程序用机器语言解释操作系统用机器语言解释操作系统用微指令解释机器指令用微指令解释机器指令由硬件直接执行微指令由硬件直接执行微指令软软件件硬硬件件1.1虚拟机器虚拟机器 M4虚拟机器虚拟机器 M3虚拟机器虚拟机器 M2实际机器实际机器 M1微程序机器微程序机器 M0计算机组成与计算机体系结构从研计算机组成与计算机体系结构从研究内容上来说有什么区别呢？究内容上来说有什么区别呢？程序员所见到的计算机系统的属性程序员所见到的计算机系统的属性概念性的结构与功能特性概念性的结构与功能特性计算机计算机体系结构体系结构计算机计算机组成组成实现计算机体系结构所体现的属性实现计算机体系结构所体现的属性有无乘法指令有无乘法指令如何实现乘法指令如何实现乘法指令（指令系统、数据类型、寻址技术、（指令系统、数据类型、寻址技术、I/O机理）机理）（具体指令的实现）（具体指令的实现）1.1三、三、计算机体系结构和计算机组成计算机体系结构和计算机组成2024/1/152024/1/1521211.2 1.2 计算机的基本组成计算机的基本组成1.计算机由五大部件组成计算机由五大部件组成3.指令和数据用二进制表示指令和数据用二进制表示4.指令由操作码和地址码组成指令由操作码和地址码组成6.以运算器为中心以运算器为中心2.指令和数据以同等地位存于存储器，指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访可按地址寻访5.存储程序存储程序一、一、冯冯诺依曼计算机的特点诺依曼计算机的特点5.存储程序存储程序2024/1/1522算术运算算术运算逻辑运算逻辑运算存放数据存放数据和程序和程序将信息转换成机将信息转换成机器能识别的形式器能识别的形式将结果转换成将结果转换成人们熟悉的形式人们熟悉的形式指挥程序指挥程序运行运行1.2冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备1.2冯冯诺依曼计算机硬件框图诺依曼计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器输出设备输出设备二、计算机硬件框图二、计算机硬件框图1.21.以存储器为中心的计算机硬件框图以存储器为中心的计算机硬件框图2024/1/1525程序程序存储器存储器输出设备输出设备输入设备输入设备运算器运算器控制器控制器数据数据结果结果计算计算ALU主存主存辅存辅存CPU主机主机I/O设备设备硬件硬件CU2.现代计算机硬件框图现代计算机硬件框图存储器存储器输入设备输入设备运算器运算器输出设备输出设备控制器控制器1.2ALUCPU主机主机I/O设备设备CU主主存存系统复杂性管理的方法系统复杂性管理的方法-2（3Y）层次化（层次化（Hierachy）：将被设计的系统划）：将被设计的系统划分为多个模块或子模块分为多个模块或子模块模块化（模块化（Modularity）：有明确定义）：有明确定义（well-defined）的功能和接口）的功能和接口规则性（规则性（regularity）：模块更容易被重）：模块更容易被重用用2.现代计算机硬件框图现代计算机硬件框图问题：一个现实中的问题，如何用计算机来解决问题：一个现实中的问题，如何用计算机来解决？问题：是不是所有的问题都可以用计算的方法来解决问题：是不是所有的问题都可以用计算的方法来解决假设我们面对的是一个可以有计算机解决的问题，假设我们面对的是一个可以有计算机解决的问题，如何用计算机来解决这个问题呢？如何用计算机来解决这个问题呢？1.上机前的准备上机前的准备 建立数学模型建立数学模型 -+-+-=!x9!x7!x5!x3xx9753sin 编制解题程序编制解题程序 确定计算方法确定计算方法程序程序 运算的运算的 全部步骤全部步骤yn+10,1,2,)()(21nyn xyn=+=指令指令 每每 一个步骤一个步骤1.2三、计算机的工作步骤三、计算机的工作步骤2024/1/1529取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中存存ax2 在存储器中在存储器中取取b 至运算器中至运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加ax2 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中=(ax+b)x+c 取取x 至运算器中至运算器中乘以乘以a 在运算器中在运算器中加加b 在运算器中在运算器中乘以乘以x 在运算器中在运算器中加加c 在运算器中在运算器中计算计算 ax2+bx+c1.2编程举例编程举例2024/1/1530000001 0000001000打印打印 停机停机取数取数 ACC存数存数 ACC 加加 ACC+ACC乘乘 ACC ACC指令格式举例指令格式举例1.2 打印机打印机2024/1/1531操作码操作码地址码地址码指令和数据存于指令和数据存于主存单元的地址主存单元的地址 指令指令 注释注释操作码操作码 地址码地址码 00000010000001000取数取数x至至ACC 10001000000001001乘乘a得得ax,存于存于ACC中中 20000110000001010加加b得得ax+b ,存于存于ACC中中 30001000000001000乘乘x得（得（ax+b)x,存于存于ACC中中 40000110000001011加加c得得ax2+bx+c,存于存于ACC 50000100000001100将将ax2+bx+c,存于主存单元存于主存单元 60001010000001100打印打印 7000110停机停机 8 x原始数据原始数据x 9 a原始数据原始数据a 10 b原始数据原始数据b 11 c原始数据原始数据c 12存放结果存放结果1.2计算计算 ax2+bx+c 程序清单程序清单2024/1/1532指令和数据都是保存在存储器中的指令和数据都是保存在存储器中的存储器的结构？存储器的结构？如何进行访问？如何进行访问？每次每次访问获得的数据的位数是多少呢？访问获得的数据的位数是多少呢？存储体存储体大楼大楼存储单元存储单元 存放一串二进制代码存放一串二进制代码存储字存储字 存储单元中二进制代码的组合存储单元中二进制代码的组合存储字长存储字长 存储单元中二进制代码的位数存储单元中二进制代码的位数每个存储单元赋予一个地址号每个存储单元赋予一个地址号按地址寻访按地址寻访 存储单元存储单元 存储元件存储元件（0/1）房房间间 床位床位（无人（无人/有人）有人）(1)存储器的基本组成存储器的基本组成1.2MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR2.计算机的解题过程计算机的解题过程2024/1/1534MARMDR 存储单元个数存储单元个数 16存储字长存储字长 8 设设 MAR=4 位位 MDR=8 位位1.2存储器地址寄存器存储器地址寄存器反映存储单元的个数反映存储单元的个数存储器数据寄存器存储器数据寄存器反映存储字长反映存储字长(1)存储器的基本组成存储器的基本组成MDR主存储器主存储器存储体存储体MAR2024/1/1535已经知道了存储器的基本组成已经知道了存储器的基本组成运算器的运算器的结构是什么？结构是什么？运算器功能是什么？，如何工作的？运算器功能是什么？，如何工作的？加法？加法？乘法？乘法？ACC MQ X(2)运算器的基本组成及操作过程运算器的基本组成及操作过程1.2被加数被加数被减数被减数被除数被除数乘数乘数商商加数加数减数减数被乘数被乘数除数除数加法加法减法减法乘法乘法除法除法和和差差余数余数乘积高位乘积高位乘积低位乘积低位2024/1/1537运算器运算器MQACCALUX 加法操作过程加法操作过程1.22024/1/1538运算器运算器MQACCALUXACC 被加数被加数ACC初态初态 ACC+XALUM XXACCACC指令指令 加加M1.2 减法操作过程减法操作过程2024/1/1539运算器运算器MQACCALUX指令指令 减减MACC 被减数被减数ACC初态初态 M XXACC-XALUACCACC1.2 乘法操作过程乘法操作过程2024/1/1540运算器MQACCALUXACCACC 被乘数被乘数初态初态 MQMMQ指令指令 乘乘MXACCXALUXMQ00ACCACCMQACCMQ1.2 除法操作过程除法操作过程2024/1/1541运算器运算器MQACCALUXACC 被除数被除数ACC初态初态 ACCXALUMQACCMQ余数在余数在ACC中中指令指令 除除MM XX控制器的基本结构如何呢？控制器的基本结构如何呢？控制器的控制器的功能？功能？解释解释指令指令保证指令的按序执行保证指令的按序执行1.2(3)控制器的基本组成控制器的基本组成2024/1/1543取指令取指令分析指令分析指令执行指令执行指令PCIRCUPCIRCUPC 存放当前欲执行指令的地址，存放当前欲执行指令的地址，具有计数功能（具有计数功能（PC）+1 PC IR 存放当前欲执行的指令存放当前欲执行的指令完成完成一一条条指令指令运算器、控制器、存储器构成了什么运算器、控制器、存储器构成了什么一条指令在主机上的完成过程一条指令在主机上的完成过程程序在主机上是如何执行的程序在主机上是如何执行的以取数指令为例以取数指令为例(4)主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程1.2123567894CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O设设备备2024/1/1545以存数指令为例以存数指令为例1.2(4)主机完成一条指令的过程主机完成一条指令的过程123567984CU控制控制单元单元主存储器主存储器MDRMAR存储体存储体CPUPC控制器控制器IR运算器运算器MQACCALUXI/O设设备备2024/1/1546(5)ax2+bx+c 程序的运行程序的运行过程过程1.22024/1/1547 将程序通过输入设备送至计算机将程序通过输入设备送至计算机 程序首地址程序首地址 打印结果打印结果 分析指令分析指令 取指令取指令 启动程序运行启动程序运行 执行指令执行指令 MARMMDRIRPCCUOP(IR)Ad(IR)MARMMDRACCPC,(PC,(PC )+)+1 PC1 PC如果打算买一台机器，如何进行合适的选如果打算买一台机器，如何进行合适的选择呢？择呢？买这台机器做什么买这台机器做什么你有多少钱你有多少钱机器的性能能否满足你的要求机器的性能能否满足你的要求如何在购买前对计算机的性能进行评价如何在购买前对计算机的性能进行评价p处理速度快、内存容量大处理速度快、内存容量大1.3 1.3 计算机硬件的主要技术指标计算机硬件的主要技术指标1.机器字长机器字长CPU 一次能处理数据的位数一次能处理数据的位数与与 CPU 中的中的 寄存器位数寄存器位数 有关有关2.运算速度运算速度=ni=1fi tiTM吉普森法吉普森法主频主频每秒执行百万条指令每秒执行百万条指令MIPS每秒浮点运算次数每秒浮点运算次数FLOPS执行一条指令所需时钟周期数执行一条指令所需时钟周期数CPI核数，每个核支持的线程数核数，每个核支持的线程数221b=256 KB213 b=1 KB如如3.存储容量存储容量主存容量主存容量辅存容量辅存容量存储单元个数存储单元个数 存储字长存储字长字节数字节数字节数字节数 80 GB如如 MAR MDR 容量容量 10 8 16 32存放二进制信息的总位数存放二进制信息的总位数1.31K=210 1B=23b1GB=230B1 K 8位位64 K 32位位2024/1/1550第章第章 计算机的发展及应用计算机的发展及应用2.3 计算机的展望计算机的展望2.2 计算机的应用计算机的应用2.1 计算机的发展史计算机的发展史2024/1/1551第一台电子计算机是什么时候出现的？第一台电子计算机是什么时候出现的？第一台电子计算机的基本指标？第一台电子计算机的基本指标？出现出现的驱动力是什么，发展的驱动力是什么？的驱动力是什么，发展的驱动力是什么？主要部件的发展情况？主要部件的发展情况？主要部件的发展规律主要部件的发展规律是是什么？什么？主要代表机型？主要代表机型？微型计算机的发展？微型计算机的发展？软件的发展？软件的发展？2.1 2.1 计算机的发展史计算机的发展史2.1 2.1 计算机的发展史计算机的发展史一、计算机的产生和发展一、计算机的产生和发展1946年年 美国美国 ENIAC1955年退役年退役十进制运算十进制运算18 0001 500150301 500多个电子管多个电子管多个继电器多个继电器千瓦千瓦吨吨平方英尺平方英尺5 000次加法秒次加法秒用手工搬动开关和拔插电缆来编程用手工搬动开关和拔插电缆来编程2024/1/1553世界上第一台电子计算机世界上第一台电子计算机 ENIAC(1946)2.12024/1/1554现代现代计算机产生的驱动力计算机产生的驱动力需求、需求、还是需求需求、需求、还是需求技术发展技术发展电子技术的发展电子技术的发展计算机体系结构技术的发展计算机体系结构技术的发展2024/1/1555硬件技术对计算机更新换代的影响硬件技术对计算机更新换代的影响 100 000 000 超大规模超大规模 集成电路集成电路 1978现在现在五五 10 000 000 大规模大规模 集成电路集成电路 19721977 1 000 000 中小规模中小规模 集成电路集成电路 19651971 200 000 晶体管晶体管 19581964 40 000 电子管电子管 19461957 速度次速度次/秒）秒）硬件技术硬件技术 时间时间 代代三三四四二二一一2.12024/1/1556von Neumann 系统结构的计算机系统结构的计算机2.12024/1/1557IAS的逻辑结构的逻辑结构IBM System360 2.12024/1/1559二、微型计算机的出现和发展二、微型计算机的出现和发展微处理器芯片微处理器芯片存储器芯片存储器芯片1971年年 8位位16位位32位位64位位4位（位（4004）1970年年256位位 1K位位16K位位64K位位256K位位1M位位16M位位64M位位4K位位4M位位2.12024/1/1560Intel 公司的典型微处理器产品公司的典型微处理器产品8080 8位位 1974年年8086 16位位 1979年年 2.9 万个晶体管万个晶体管80286 16位位 1982年年 13.4 万个晶体管万个晶体管80386 32位位 1985年年 27.5 万个晶体管万个晶体管80486 32位位 1989年年 120.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1993年年 310.0 万个晶体管万个晶体管Pentium Pro 64位（准）位（准）1995年年 550.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1997年年 750.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位（准）位（准）1999年年 950.0 万个晶体管万个晶体管Pentium 64位位 2000年年 4 200.0 万个晶体管万个晶体管2.1目前目前 芯片上可集成芯片上可集成 超过超过 30 亿亿 个个晶体管晶体管 2024/1/1561二、微型计算机的出现和发展二、微型计算机的出现和发展2.1Moore 定律定律Intel 公司的缔造者之一公司的缔造者之一 Gordon Moore 提出提出微芯片上集成的微芯片上集成的 晶体管数目每三年翻两番晶体管数目每三年翻两番2.12024/1/1563三、软件技术的兴起和发展三、软件技术的兴起和发展机器语言机器语言 面向机器面向机器汇编语言汇编语言 面向机器面向机器高级语言高级语言 面向问题面向问题FORTRAN 科学计算和工程计算科学计算和工程计算PASCAL 结构化程序设计结构化程序设计C 面向对象面向对象Java 适应网络环境适应网络环境 1.各种语言各种语言2.12024/1/15642.系统软件系统软件语言处理程序语言处理程序 汇编程序汇编程序 编译程序编译程序 解释程序解释程序操作系统操作系统 DOS、UNIX、Windows Linux、Kylin Linux 服务性程序服务性程序 装配装配 调试调试 诊断诊断 排错排错数据库管理系统数据库管理系统 数据库和数据库管理软件数据库和数据库管理软件网络软件网络软件2.12024/1/15653.软件发展的特点软件发展的特点 开发周期长开发周期长 制作成本昂贵制作成本昂贵 检测软件产品质量的特殊性检测软件产品质量的特殊性软件是程序以及开发、使用和软件是程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档维护程序所需要的所有文档2.12024/1/15662.2 2.2 计算机的应用计算机的应用一、科学计算和数据处理一、科学计算和数据处理二、工业控制和实时控制二、工业控制和实时控制三、网络技术三、网络技术1.电子商务电子商务2.网络教育网络教育3.敏捷制造敏捷制造2024/1/1567四、虚拟现实四、虚拟现实五、办公自动化和管理信息系统五、办公自动化和管理信息系统六、六、CAD/CAM/CIMS七、多媒体技术七、多媒体技术八、人工智能八、人工智能2.22024/1/15682.3 计算机的展望一、计算机具有类似人脑的一些超级一、计算机具有类似人脑的一些超级 智能功能智能功能要求计算机的要求计算机的速度要足够快速度要足够快二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制 芯片集成度受物理极限的制约芯片集成度受物理极限的制约 按几何级数递增的制作成本按几何级数递增的制作成本 芯片的功耗、散热、线延迟芯片的功耗、散热、线延迟2024/1/1569三、？替代传统的硅芯片三、？替代传统的硅芯片1.光计算机光计算机2.DNA生物计算机生物计算机3.量子计算机量子计算机利用光子取代电子进行运算和存储利用光子取代电子进行运算和存储通过控制通过控制DNA分子间的生化反应分子间的生化反应利用原子所具有的量子特性利用原子所具有的量子特性2.32024/1/1570第章第章 系统总线系统总线2024/1/15713.1 总线的基本概念3.2 总线的分类3.3 总线特性及性能指标3.4 总线结构3.5 总线控制3.1 3.1 总线的基本概念总线的基本概念一、为什么要用总线二、什么是总线三、总线上信息的传送总线是连接各个部件的信息传输线，是 各个部件共享的传输介质串行并行四、总线结构的计算机举例1.单总线结构框图 3.12024/1/1573单总线（系统总线）CPU 主存 I/O接口 I/O 设备1 I/O 设备2 I/O接口 I/O 设备n I/O接口2.面向 CPU 的双总线结构框图3.12024/1/1574 中央处理器 CPUI/O总线M总线主存 I/O接口 I/O 设备1 I/O 设备2I/O接口I/O接口 I/O 设备n3.以存储器为中心的双总线结构框图系统总线 主存 CPU I/O接口 I/O 设备1 I/O 设备n I/O接口存储总线3.12024/1/15753.2 3.2 总线的分类总线的分类2024/1/15761.片内总线2.系统总线芯片内部 的总线数据总线地址总线控制总线双向 与机器字长、存储字长有关单向 与存储地址、I/O地址有关有出 有入计算机各部件之间 的信息传输线存储器读、存储器写总线允许、中断确认中断请求、总线请求3.通信总线串行通信总线并行通信总线传输方式3.2 用于 计算机系统之间 或 计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信2024/1/15773.3 3.3 总线特性及性能指标总线特性及性能指标2024/1/1578CPU 插板主存 插板I/O 插板一、总线物理实现BUS主板1.机械特性2.电气特性3.功能特性4.时间特性二、总线特性尺寸、形状、管脚数及排列顺序传输方向 和有效的 电平 范围每根传输线的 功能信号的 时序 关系3.3地址数据控制2024/1/1579三、总线的性能指标1.总线宽度2.标准传输率3.时钟同步/异步4.总线复用5.信号线数6.总线控制方式7.其他指标数据线 的根数每秒传输的最大字节数（MBps）同步、不同步地址线 与 数据线 复用地址线、数据线和控制线的 总和负载能力突发、自动、仲裁、逻辑、计数3.32024/1/1580ISAEISAVESA(LV-BUS)PCIAGPRS-232USB模块系统总线标准 四、总线标准系统模块3.3标 准 界 面2024/1/1581总线标准总线标准数据线数据线总线时钟总线时钟带宽带宽ISA168 MHz（独立）（独立）16 MBpsEISA328 MHz（独立）（独立）33 MBpsVESA(VL-BUS)3232 MHz（CPU）132 MBpsPCI326433 MHz（独立）（独立）66 MHz（独立）（独立）132 MBps528 MBpsAGP3266.7 MHz（独立）（独立）133 MHz（独立）（独立）266 MBps533 MBpsRS-232串行通信串行通信总线标准总线标准数据终端设备（计算机）和数据通信设备数据终端设备（计算机）和数据通信设备（调制解调器）之间的标准接口（调制解调器）之间的标准接口USB串行接口串行接口总线标准总线标准普通无屏蔽双绞线普通无屏蔽双绞线带屏蔽双绞线带屏蔽双绞线最高最高1.5 Mbps(USB1.0)12 Mbps(USB1.0)480 Mbps(USB2.0)2024/1/15823.3 四、总线标准3.4 3.4 总线结构总线结构2024/1/1583一、单总线结构单总线（系统总线）CPU 主存 I/O接口 I/O 设备1 I/O 设备2 I/O接口 I/O 设备n I/O接口1.双总线结构具有特殊功能的处理器，由通道对I/O统一管理通道 I/O接口 设备n I/O接口 设备0 CPU主存主存总线I/O总线二、多总线结构3.42024/1/15842.三总线结构主存总线DMA总线I/O总线 CPU 主存设备1设备n高速外设I/O接口I/O接口I/O接口3.42024/1/15853.三总线结构的又一形式3.4局域网系统总线CPUCache局部总线扩展总线接口扩展总线Modem串行接口SCSI局部I/O控制器主存2024/1/15864.四总线结构多媒体 Modem主存扩展总线接口局域网SCSICPU串行接口FAX系统总线局部总线高速总线扩展总线图形Cache/桥3.42024/1/15871.传统微型机总线结构三、总线结构举例3.4存储器SCSI 控制器主存控制器ISA、EISA 8 MHz的16位数据通路标准总线控制器33 MHz的32位数据通路系统总线多媒体高速局域网高性能图形 CPU Modem2024/1/15882.VL-BUS局部总线结构3.433 MHz的32位数据通路系统总线ISA、EISA多媒体高速局域网高性能图形图文传真8 MHz的16位数据通路标准总线 控制器CPU主存控制器存储器局部总线 控制器 SCSI控制器VL BUS Modem2024/1/15893.PCI 总线结构3.4CPU多媒体PCI 桥高速局域网高性能图形图文传真PCI 总线系统总线33 MHz的32位数据通路8 MHz的16位数据通路ISA、EISA标准总线 控制器 SCSI 控制器存储器 Modem2024/1/15904.多层 PCI 总线结构PCI总线2存储器桥0桥4 PCI设备桥5总线桥桥3桥1设备桥2第一级桥第二级桥第三级桥PCI总线4PCI总线5PCI总线3PCI总线1PCI总线0存储器总线 标准总线CPU3.42024/1/15913.5 3.5 总线控制总线控制2024/1/1592一、总线判优控制一、总线判优控制 总线判优控制总线判优控制分布式分布式集中式集中式 主设备主设备(模块模块)对总线有对总线有 控制权控制权 从设备从设备(模块模块)响应响应 从主设备发来的总线命令从主设备发来的总线命令1.基本概念基本概念链式查询链式查询计数器定时查询计数器定时查询独立请求方式独立请求方式2.链式查询方式总线控制部件I/O接口0BSBRI/O接口1I/O接口nBG数据线地址线BS 总线忙BR总线请求BG总线同意3.5I/O接口12024/1/1593 0BS 总线忙BR总线请求总线控制部件数据线地址线I/O接口0BSBRI/O接口1I/O接口n设备地址3.计数器定时查询方式I/O接口13.5 计数器设备地址 12024/1/1594排队器排队器4.独立请求方式总线控制部件数据线地址线I/O接口0I/O接口1I/O接口nBR0 BG0BR1BG1BRnBGnBG总线同意BR总线请求3.52024/1/1595二、总线通信控制二、总线通信控制1.目的目的2.总线传输周期总线传输周期主模块申请主模块申请，总线仲裁决定，总线仲裁决定主模块向从模块主模块向从模块 给出地址给出地址 和和 命令命令主模块和从模块主模块和从模块 交换数据交换数据主模块主模块 撤消有关信息撤消有关信息 申请分配阶段申请分配阶段寻址阶段寻址阶段传数阶段传数阶段结束阶段结束阶段解决通信双方解决通信双方 协调配合协调配合 问题问题3.52024/1/1596由由 统一时标统一时标 控制数据传送控制数据传送充分充分 挖掘挖掘 系统系统 总线每个瞬间总线每个瞬间 的的 潜力潜力同步通信同步通信 异步通信异步通信 半同步通信半同步通信 分离式通信分离式通信 3.总线通信的四种方式总线通信的四种方式采用采用 应答方式应答方式，没有公共时钟标准，没有公共时钟标准同步同步、异步结合异步结合3.52024/1/1597 读命令(1)同步式数据输入T1总线传输周期T2T3T4 时钟 地址 数据3.52024/1/1598 数据(2)同步式数据输出T1总线传输周期T2T3T4 时钟 地址 写命令3.52024/1/1599不互锁半互锁全互锁(3)异步通信3.5主设备从设备请求回答2024/1/15100(4)半同步通信半同步通信同步同步 发送方发送方 用系统用系统 时钟前沿时钟前沿 发信号发信号 接收方接收方 用系统用系统 时钟后沿时钟后沿 判断、识别判断、识别3.5（同步、异步同步、异步 结合）结合）异步异步 允许不同速度的模块和谐工作允许不同速度的模块和谐工作 增加一条增加一条 “等待等待”响应信号响应信号 WAIT2024/1/15101以输入数据为例的半同步通信时序以输入数据为例的半同步通信时序T1 主模块发地址主模块发地址T2 主模块发命令主模块发命令T3 从模块提供数据从模块提供数据T4 从模块撤销数据，主模块撤销命令从模块撤销数据，主模块撤销命令Tw 当当 为低电平时，等待一个为低电平时，等待一个 TWAITTw 当当 为低电平时，等待一个为低电平时，等待一个 TWAIT3.52024/1/152024/1/15 读 命令WAIT 地址 数据3.5 时钟总线传输周期T1T2TWTWT3T4(4)半同步通信（同步、异步 结合）2024/1/15103上述三种通信的共同点上述三种通信的共同点一个总线传输周期（以输入数据为例）一个总线传输周期（以输入数据为例）主模块发地址主模块发地址、命令、命令