计算机系统组成与工作原理
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中断处理流程
非预料事件 CPU处理流程 中断服务程序 外部设备 中断服务 子程序 CPU 现行 主程序 启 动
中 断 请 求
中 断 响 应
中 断 启 请 动 中 求 断 返 回
中 断 响 应
启 动
中 断 返 回
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先查询外设状态；若传输条件不满足时，CPU等 待直到条件满足
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解决了CPU与外设之间的同步问题，可靠性高 CPU利用率低，低优先级外设可能无法及时得到响应
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4 中断系统
中断的概念：CPU在执行现行程序时，为处理一 些紧急发生的情况，暂时停止当前程序，转而对 该紧急事件进行处理，并在处理完后返回正常程 序的过程 包括CPU内部配置的中断机构、外设接口中设计 的中断控制器及各类中断服务子程序 可以实现实时故障处理，实时响应外设的处理
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四级存储系统
寄存器：CPU内部高速访问，直接与指令执行相关
数据寄存器：各种运算的操作数 控制寄存器：取指令时需要的存储单元地址
高速缓存：CPU的高速访问，一般为SRAM
有时分为二级结构，一级在CPU内部，二级在CPU外部
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2.2 计算机组成原理
Computer organization：主要关注体系结构中 各操作单元的功能实现及互联
计算机系统各模块连接的总线结构
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有多个主设备，总线控制器用于协调(仲裁)主设备对总线 的请求 仲裁总线包括总线请求线和总线授权线； 中断和同步总线用于处理带优先级的中断操作，包括中断 请求线和中断认可线 公用线包括时钟、电源/地、系统复位等
时序控制部件：产生各种周期的节拍，包含一
个脉冲源和一组计数分频逻辑
时序：指令周期、工作周期和时钟周期
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2 数据通道（运算器）
组成：ALU+寄存器+内部总线
功能：基本的二进制算术、逻辑及移位
运算 根据运算结果设置状态标志（进/借位、 溢出等）； 特性：
数据通路宽度：即字长，CPU单次传送和处 理数据的能力。 数据通路周期：ALU运算并将保存结果的过 程
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CPU内典型的数据通路
ALU的实现： (1)由基本门电路实现 全加器； (2)由n位全加器构成 n位并行加法器； (3)以加法器为核心， 通过扩展输入选择 逻辑实现其它基本 算术和逻辑运算
ALU功能描述
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2.2.3 存储器
双极型： 存取速度快，但集成度低，一般用于大型 计算机或高速微机的Cache；
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不同点
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3. 输入/输出子系统
计算机与直接相联的外围设备进行数据交换的过 程通常称为输入/输出(In/Out)，而与远方设备进 行数据交换的过程习惯上称为数据通信(data communication)
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第2章 计算机系统组成与工作原理（10课时）
2.3.3 总线仲裁（掌握）
1．串行仲裁 2．并行仲裁 3．混合仲裁
2.3.4 总线带宽（掌握） 2.3.5 总线时序（掌握）
1．同步总线时序 2．异步总线时序 3．半同步总线时序 1．传输方向 2．传输距离 3．传输速率 4．差错控制 5．传输时序
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指令集设计的考虑因素
根据应用初拟出指令的分类和具体的指令； 编写出针对该指令系统的各种高级语言编译程序；
对多种算法程序进行模拟测试，确认指令系统的 操作码和寻址方式的效能是否都比较高； 用硬件实现高频使用的指令，软件实现低频使用 指令
2.1.1
1．CPU指令集 2．存储器子系统 3．输入/输出子系统 4．程序控制方式 5．中断控制方式 6．中断系统 7．中断处理过程 8．DMA控制方式 9．I/O处理机
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第2章 计算机系统组成与工作原理（10课时）
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多级存储器体系结构
总线
CPU
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Cache
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主存
外存接口
外存
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small endianness
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S0~S3选择具 体操作类型； M逻辑运算/算 术运算；Cn进 /借位。“H”高 电平，“L”低 电平，“+”逻 辑运算“与” 移位运算功能， G移位使能； S0~S3选择具 体操作类型； M进/借位是否 参与移位 移位功能通常 由ALU的输出 端寄存器完成
需求驱动、模式驱动等其它驱动方式
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1. CPU指令集
计算机是不断执行程序的过程，程序是指 令的有序集合 指令集结构(ISA，Instruction Set Architecture)：是体系结构的主要内容之 一，其功能设计是确定软硬件的功能分配 考虑因素：速度、成本和灵活性 实现方式：硬件、软件 优化策略：RISC、CISC 实现内容：数据类型、指令功能、指令 格式、寻址方式
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2 计算机存储系统
存储器需考虑的主要因素
速度、容量、成本
一般系统的存储器结构
内存：半导体存储器，临时性存储，解决速度
问题 外存：磁盘、磁带、光盘等，较长时间存储， 解决容量问题
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工作原理：存储程序/指令(控制)驱动
计算机开始工作后，在不需要人工干预的情况下由控 制器自动、高速地依次从存储器中取出指令并加以执 行
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2.1.2 冯· 诺依曼体系结构
CPU指令集：指令功能、指令格式、寻址方式 存储器子系统：分层结构(寄存器、缓存、主 存、辅存) 输入/输出子系统：总线/接口+多种I/O方 式 改变串行执行模式，发展并行技术 改变控制驱动方式，发展数据驱动、
2.2 计算机组成原理（3课时，掌握）
2.2.1 总线与接口 2.2.2 CPU组织
1．控制单元 2．数据通路
1．存储原理 2．存取方式 3．主存组织形式
2.2.3 存储器组织
2.2.4 输入/输出组织
2.3 计算机互连结构（4课时）
2.3.1 总线要素（理解） 2.3.2 总线组织（理解）
DMA控制
DMA特点：数据不通过CPU，而由DMAC直 接完成存储单元或IO端口之间的数据传送 程序/中断控制方式：以CPU为控制中心 I/O处理机：采用专用计算机（通道Channel、 外围处理机PPU）来负责I/O工作 智能终端、智能外设：多处理器分布处理
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四级存储系统
主存：DRAM(存储数据和临时调入的程序)、 FLASH(存储引导程序、固化程序(固件))，占 用寻址空间
编址方式：字节编址
信息存放方式：大/小端(big/small
endianness)系
统
辅存：磁盘、光盘。文件/块存储，虚拟存储 介质 均衡速度、容量、成本、长期存储等要求而分 级
现代计算机系统的总线结构
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各部件通过总线连接时需要通过接口
接口一般具备的主要功能：
信号格式转换功能：电平转换、A/D转换、串/并转换、 宽度变换 寻址功能：接口必须能对总线送来的地址信号进行译 码确定是否参与数据传输 时序配合功能：设备与总线时序不同时，需要接口电 路进行时序转换 错误检测功能：在很多情况下，系统还需要接口能够 检测和纠正信息传输过程中引入的错误。 通信联络控制功能：如果需要，接口应能完成总线与 设备之间的通信挂钩任务，如中断方式下的中断请求/ 应答过程
