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計算機硬件結(jié)構(gòu)及原理
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【教學內(nèi)容及地位、作用】
【教學目標】
1. 認識計算機總線、運算器、存儲器、控制器等重要的計算機硬件。 2. 了解常見總線(PCI、AGP等)的特點、運算器的種類和結(jié)構(gòu)特征。
? 能領會總線的操作過程;
? 能理解單總線結(jié)構(gòu)、雙總線結(jié)構(gòu)和三總線結(jié)構(gòu)定點運算器的結(jié)構(gòu)特征。
3. 知道計算機的主要硬件結(jié)構(gòu)及其原理。
? 知道數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線及總線性能指標;
? 知道ALU、RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Cache、PC、IR、AR、DR。
4. 掌握存儲器擴展、存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)、控制器的組成及工作原理。
? 能進行簡單存儲器的擴展設計;
? 能理解Cache、虛擬存儲器的作用，會進行地址映像;
? 能理解控制器的結(jié)構(gòu)及工作原理，熟記8086CPU的內(nèi)部寄存器及功能。
【教學重點、難點】
1.總線的作用及工作原理。 2.ALU及定點運算器。
3.存儲器擴展及存儲技術的實現(xiàn)。
4.8086CPU。
5.1 總 線
5.1.1 總線原理及三態(tài)門
總線：是計算機系統(tǒng)各部件(也稱模塊)之間傳送信息的公共通道，由若干條通信線和起驅(qū)動、隔離作用的三態(tài)門組成。
總線傳輸?shù)脑瓌t：同一時刻只允許傳輸1個信號，否則會出現(xiàn)信號沖突(即信號疊加)，導致信息傳輸錯誤。總線為所連接的多個部件服務的方法是分時傳輸。
部件與總線的連接：通過三態(tài)門來控制。圖5-1-1是總線與三態(tài)門的連接圖。
圖5-1-1 總線與三態(tài)門的連接
總線連接包括兩個層次：
�、� 物理連接：機械和電氣方面的連接，是指采用什么樣的電纜和連接器，總線的驅(qū)動能力和傳輸距離，傳輸線的屏蔽、接地和抗干擾技術等。
�、� 邏輯連接：主要解決基本信息的緩沖與鎖存、總線握手和總線裁決等問題，也即總線時序和總線使用權(quán)分配的問題。
總線請求：總線在使用時須先由具有總線申請權(quán)的主模塊向總線控制器件發(fā)出請求。主模塊是指具有控制功能的模塊，如CPU或DMAC(DMA控制器);受控的模塊為從屬模塊，如存儲器或I/O接口。只有主模塊才能發(fā)出使用總線請求。
微型計算機采用總線結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：采用總線結(jié)構(gòu)之后，使系統(tǒng)中各功能部件間的相互關系轉(zhuǎn)變?yōu)楦鞑考嫦蚩偩�的單一關系。一個部件(功能板/卡)只要符合總線標準，就可以連接到采用這種總線標準的系統(tǒng)中，也即總線標準化使微機系統(tǒng)成為一個開放的體系結(jié)構(gòu)。
① 簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。
�、� 便于采用模塊結(jié)構(gòu)設計方法，簡化了軟、硬件的設計。 ③ 便于系統(tǒng)的擴充和升級。
�、� 便于故障診斷和維修，同時也降低了成本。
一、總線的操作過程
掛在總線上的各模塊是通過總線進行信息交換，即數(shù)據(jù)傳輸?shù)�，完成一次�?shù)據(jù)傳輸要經(jīng)歷以下四個階段。
1.總線請求和仲裁階段
當系統(tǒng)總線上接有多個總線主模塊時，需要使用總線的主模塊向總線提出申請，由總線
仲裁機構(gòu)確定后，把下一個傳輸周期的總線使用權(quán)交給申請的主模塊。
2.尋址階段
獲得總線控制權(quán)的主模塊，通過地址總線發(fā)出本次打算訪問的從模塊的地址及有關操作命令，通過譯碼使被訪問的從屬模塊被選中，從而開始啟動。
3.數(shù)據(jù)傳送階段
主模塊和從屬模塊進行數(shù)據(jù)交換。 4.結(jié)束階段
主、從模塊的有關信息均從總線上撤除，讓出總線，以便其它模塊繼續(xù)使用。
二、總線的通信方式
總線上的主、從模塊間進行數(shù)據(jù)傳送稱為通信。為了保證通信的可靠性，主、從模塊間至少應滿足下述關系：發(fā)送模塊在開始發(fā)送數(shù)據(jù)時，接收模塊應做好接收的準備。在接收模塊沒有接收到準確數(shù)據(jù)前，發(fā)送模塊不應撤除發(fā)送信號。
總線上的主、從模塊通常采用的三種通信方式： 1.同步傳輸
同步傳輸也稱為同步通信方式，是指總線上的各模塊嚴格地在時鐘控制下工作的方式，如圖5-1-2所示。
圖5-1-2 同步傳輸
特點：要求主模塊按嚴格的時間標準發(fā)出地址信號、產(chǎn)生指令，從屬模塊按嚴格的時間標準讀出數(shù)據(jù)或?qū)懭霐?shù)據(jù)。
2.半同步傳輸
半同步傳輸方式是對同步方式的一種改進，如圖5-1-3所示。它保留了同步傳輸?shù)幕咎攸c�？偩�上的各模塊基本上還是在時鐘控制下統(tǒng)一動作，對于快速的從模塊，采用同步方式;但是對于某些不能在規(guī)定時間內(nèi)完成操作的慢速從模塊，可以請求延長操作時間。
圖5-1-3
半同步傳輸
3.異步傳輸
異步傳輸方式也稱為應答方式，如圖5-1-4所示。
圖5-1-4 異步傳輸
進行通信的主、從模塊不受統(tǒng)一的時鐘控制，而是采用“請求”和“應答”信號來協(xié)調(diào)傳輸過程。
三、總線的主要技術參數(shù)
1.總線帶寬
總線帶寬是衡量總線傳輸速度的重要指標，是指單位時間內(nèi)總線上可傳送的數(shù)據(jù)量，一般用每秒鐘傳送的字節(jié)數(shù)來表示，單位為MBps。
2.總線位寬
總線位寬是指總線能同時傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)，即總線寬度，如16位、32位、64位等。在工作頻率一定的條件下，總線的帶寬與總線的位寬成正比。
3.總線的工作頻率
總線的工作頻率也稱為總線的時鐘頻率，單位為MHz。工作頻率越高，總線工作速度越快，總線帶寬也越寬。
總線位寬、工作頻率和總線帶寬間的關系為：
總線帶寬(MBps)=(總線位寬/8)×總線工作頻率(MHz)
例如：32位總線，工作頻率33MHz，則：總線帶寬=(32/8)×33=132(MBps)
5.1.2總線分類及總線標準
一、總線的分類
根據(jù)總線所處的位置和應用場合，總線可分為片內(nèi)總線、片間總線、內(nèi)總線和外總線四級，如圖5-1-5所示。
圖
5-1-5 四級總線示意圖
1.片內(nèi)總線
片內(nèi)總線是位于微處理器或半導體集成芯片(如LSI/VLSI)內(nèi)部，用于連接各部件，如微處理器內(nèi)部ALU和各種寄存器等，進行信息傳送的總線。由于受芯片面積及對外引腳數(shù)的限制，片內(nèi)總線大多采用單總線結(jié)構(gòu)，這有利于芯片集成度和成品率的提高。
2.片間總線
片間總線又稱元件級總線、芯片級總線、片總線或局部總線，是在微型計算機主板、單板機以及其它一些插件板、卡(如各種I/O接口板/卡)等子系統(tǒng)中，連接板/卡上的CPU，RAM，ROM，I/O接口等各種芯片的總線。
3.內(nèi)總線
內(nèi)總線是用來連接微型計算機系統(tǒng)中各功能部件的總線，又稱系統(tǒng)總線或板級總線。系統(tǒng)總線是微型計算機系統(tǒng)中最重要的總線，人們平常所說的微型計算機總線就是指系統(tǒng)總線，如微型計算機總線、AT總線(ISA總線)、PCI總線等。
系統(tǒng)總線又可分為數(shù)據(jù)總線(DB)、地址總線(AB)和控制總線(CB)，如圖5-1-6中所示。
�、� 數(shù)據(jù)總線(DB)：傳送數(shù)據(jù)信息，雙向的三態(tài)總線。數(shù)據(jù)總線的位數(shù)是微型計算機的一個重要指標，通常與微處理器的字長相一致。例如Intel 8086微處理器字長16位，其數(shù)據(jù)總線寬度也是16位。
在計算機中指令代碼、狀態(tài)信息、控制信息都稱為數(shù)據(jù)，都可以通過數(shù)據(jù)總線傳送。 ② 地址總線(AB)：專門傳送地址，單向的三態(tài)總線。地址總線的位數(shù)決定了CPU可直接尋址的內(nèi)存空間大小，一般來說，若地址總線為n位，則可尋址空間為2n字節(jié)。如8位微型計算機的地址總線為16位，則其最大可尋址空間為216=64KB。16位微型機的地址
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