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計算機硬件結構及原理
計算機硬件結構及原理是什么呢?就跟隨百分網小編一起去了解下吧，想了解更多相關信息請持續關注我們應屆畢業生考試網!
【教學內容及地位、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、運算器的種類和結構特征。
? 能領會總線的操作過程;
? 能理解單總線結構、雙總線結構和三總線結構定點運算器的結構特征。
3. 知道計算機的主要硬件結構及其原理。
? 知道數據總線、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、存儲系統的層次結構、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;
? 能理解控制器的結構及工作原理，熟記8086CPU的內部寄存器及功能。
【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。
4.8086CPU。
5.1 總 線
5.1.1 總線原理及三態門
總線：是計算機系統各部件(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動、隔離作用的三態門組成。
總線傳輸的原則：同一時刻只允許傳輸1個信號，否則會出現信號沖突(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：通過三態門來控制。圖5-1-1是總線與三態門的連接圖。
圖5-1-1 總線與三態門的連接
總線連接包括兩個層次：
① 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，總線的驅動能力和傳輸距離，傳輸線的屏蔽、接地和抗干擾技術等。
② 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的主模塊向總線控制器件發出請求。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。只有主模塊才能發出使用總線請求。
微型計算機采用總線結構的優點：采用總線結構之后，使系統中各功能部件間的相互關系轉變為各部件面向總線的單一關系。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中，也即總線標準化使微機系統成為一個開放的體系結構。
① 簡化了系統結構。
② 便于采用模塊結構設計方法，簡化了軟、硬件的設計。 ③ 便于系統的擴充和升級。
④ 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，即數據傳輸的，完成一次數據傳輸要經歷以下四個階段。
1.總線請求和仲裁階段
當系統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
仲裁機構確定后，把下一個傳輸周期的總線使用權交給申請的主模塊。
2.尋址階段
獲得總線控制權的主模塊，通過地址總線發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.數據傳送階段
主模塊和從屬模塊進行數據交換。 4.結束階段
主、從模塊的有關信息均從總線上撤除，讓出總線，以便其它模塊繼續使用。
二、總線的通信方式
總線上的主、從模塊間進行數據傳送稱為通信。為了保證通信的可靠性，主、從模塊間至少應滿足下述關系：發送模塊在開始發送數據時，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據前，發送模塊不應撤除發送信號。
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出地址信號、產生指令，從屬模塊按嚴格的時間標準讀出數據或寫入數據。
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。它保留了同步傳輸的基本特點。總線上的各模塊基本上還是在時鐘控制下統一動作，對于快速的從模塊，采用同步方式;但是對于某些不能在規定時間內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、從模塊不受統一的時鐘控制，而是采用“請求”和“應答”信號來協調傳輸過程。
三、總線的主要技術參數
1.總線帶寬
總線帶寬是衡量總線傳輸速度的重要指標，是指單位時間內總線上可傳送的數據量，一般用每秒鐘傳送的字節數來表示，單位為MBps。
2.總線位寬
總線位寬是指總線能同時傳送的數據位數，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
根據總線所處的位置和應用場合，總線可分為片內總線、片間總線、內總線和外總線四級，如圖5-1-5所示。
圖
5-1-5 四級總線示意圖
1.片內總線
片內總線是位于微處理器或半導體集成芯片(如LSI/VLSI)內部，用于連接各部件，如微處理器內部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的限制，片內總線大多采用單總線結構，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)等子系統中，連接板/卡上的CPU，RAM，ROM，I/O接口等各種芯片的總線。
3.內總線
內總線是用來連接微型計算機系統中各功能部件的總線，又稱系統總線或板級總線。系統總線是微型計算機系統中最重要的總線，人們平常所說的微型計算機總線就是指系統總線，如微型計算機總線、AT總線(ISA總線)、PCI總線等。
系統總線又可分為數據總線(DB)、地址總線(AB)和控制總線(CB)，如圖5-1-6中所示。
① 數據總線(DB)：傳送數據信息，雙向的三態總線。數據總線的位數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，其數據總線寬度也是16位。
在計算機中指令代碼、狀態信息、控制信息都稱為數據，都可以通過數據總線傳送。 ② 地址總線(AB)：專門傳送地址，單向的三態總線。地址總線的位數決定了CPU可直接尋址的內存空間大小，一般來說，若地址總線為n位，則可尋址空間為2n字節。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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