计算机硬件结构及原理
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【教学内容及地位、作用】
【教学目标】
1. 认识计算机总线、运算器、存储器、控制器等重要的计算机硬件。 2. 了解常见总线(PCI、AGP等)的特点、运算器的种类和结构特征。
? 能领会总线的操作过程;
? 能理解单总线结构、双总线结构和三总线结构定点运算器的结构特征。
3. 知道计算机的主要硬件结构及其原理。
? 知道数据总线、地址总线和控制总线及总线性能指标;
? 知道ALU、RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、Cache、PC、IR、AR、DR。
4. 掌握存储器扩展、存储系统的层次结构、控制器的组成及工作原理。
? 能进行简单存储器的扩展设计;
? 能理解Cache、虚拟存储器的作用，会进行地址映像;
? 能理解控制器的结构及工作原理，熟记8086CPU的内部寄存器及功能。
【教学重点、难点】
1.总线的作用及工作原理。 2.ALU及定点运算器。
3.存储器扩展及存储技术的实现。
4.8086CPU。
5.1 总 线
5.1.1 总线原理及三态门
总线：是计算机系统各部件(也称模块)之间传送信息的公共通道，由若干条通信线和起驱动、隔离作用的三态门组成。
总线传输的原则：同一时刻只允许传输1个信号，否则会出现信号冲突(即信号叠加)，导致信息传输错误。总线为所连接的多个部件服务的方法是分时传输。
部件与总线的连接：通过三态门来控制。图5-1-1是总线与三态门的连接图。
图5-1-1 总线与三态门的连接
总线连接包括两个层次：
① 物理连接：机械和电气方面的`连接，是指采用什么样的电缆和连接器，总线的驱动能力和传输距离，传输线的屏蔽、接地和抗干扰技术等。
② 逻辑连接：主要解决基本信息的缓冲与锁存、总线握手和总线裁决等问题，也即总线时序和总线使用权分配的问题。
总线请求：总线在使用时须先由具有总线申请权的主模块向总线控制器件发出请求。主模块是指具有控制功能的模块，如CPU或DMAC(DMA控制器);受控的模块为从属模块，如存储器或I/O接口。只有主模块才能发出使用总线请求。
微型计算机采用总线结构的优点：采用总线结构之后，使系统中各功能部件间的相互关系转变为各部件面向总线的单一关系。一个部件(功能板/卡)只要符合总线标准，就可以连接到采用这种总线标准的系统中，也即总线标准化使微机系统成为一个开放的体系结构。
① 简化了系统结构。
② 便于采用模块结构设计方法，简化了软、硬件的设计。 ③ 便于系统的扩充和升级。
④ 便于故障诊断和维修，同时也降低了成本。
一、总线的操作过程
挂在总线上的各模块是通过总线进行信息交换，即数据传输的，完成一次数据传输要经历以下四个阶段。
1.总线请求和仲裁阶段
当系统总线上接有多个总线主模块时，需要使用总线的主模块向总线提出申请，由总线
仲裁机构确定后，把下一个传输周期的总线使用权交给申请的主模块。
2.寻址阶段
获得总线控制权的主模块，通过地址总线发出本次打算访问的从模块的地址及有关操作命令，通过译码使被访问的从属模块被选中，从而开始启动。
3.数据传送阶段
主模块和从属模块进行数据交换。 4.结束阶段
主、从模块的有关信息均从总线上撤除，让出总线，以便其它模块继续使用。
二、总线的通信方式
总线上的主、从模块间进行数据传送称为通信。为了保证通信的可靠性，主、从模块间至少应满足下述关系：发送模块在开始发送数据时，接收模块应做好接收的准备。在接收模块没有接收到准确数据前，发送模块不应撤除发送信号。
总线上的主、从模块通常采用的三种通信方式： 1.同步传输
同步传输也称为同步通信方式，是指总线上的各模块严格地在时钟控制下工作的方式，如图5-1-2所示。
图5-1-2 同步传输
特点：要求主模块按严格的时间标准发出地址信号、产生指令，从属模块按严格的时间标准读出数据或写入数据。
2.半同步传输
半同步传输方式是对同步方式的一种改进，如图5-1-3所示。它保留了同步传输的基本特点。总线上的各模块基本上还是在时钟控制下统一动作，对于快速的从模块，采用同步方式;但是对于某些不能在规定时间内完成操作的慢速从模块，可以请求延长操作时间。
图5-1-3
半同步传输
3.异步传输
异步传输方式也称为应答方式，如图5-1-4所示。
图5-1-4 异步传输
进行通信的主、从模块不受统一的时钟控制，而是采用“请求”和“应答”信号来协调传输过程。
三、总线的主要技术参数
1.总线带宽
总线带宽是衡量总线传输速度的重要指标，是指单位时间内总线上可传送的数据量，一般用每秒钟传送的字节数来表示，单位为MBps。
2.总线位宽
总线位宽是指总线能同时传送的数据位数，即总线宽度，如16位、32位、64位等。在工作频率一定的条件下，总线的带宽与总线的位宽成正比。
3.总线的工作频率
总线的工作频率也称为总线的时钟频率，单位为MHz。工作频率越高，总线工作速度越快，总线带宽也越宽。
总线位宽、工作频率和总线带宽间的关系为：
总线带宽(MBps)=(总线位宽/8)×总线工作频率(MHz)
例如：32位总线，工作频率33MHz，则：总线带宽=(32/8)×33=132(MBps)
5.1.2总线分类及总线标准
一、总线的分类
根据总线所处的位置和应用场合，总线可分为片内总线、片间总线、内总线和外总线四级，如图5-1-5所示。
图
5-1-5 四级总线示意图
1.片内总线
片内总线是位于微处理器或半导体集成芯片(如LSI/VLSI)内部，用于连接各部件，如微处理器内部ALU和各种寄存器等，进行信息传送的总线。由于受芯片面积及对外引脚数的限制，片内总线大多采用单总线结构，这有利于芯片集成度和成品率的提高。
2.片间总线
片间总线又称元件级总线、芯片级总线、片总线或局部总线，是在微型计算机主板、单板机以及其它一些插件板、卡(如各种I/O接口板/卡)等子系统中，连接板/卡上的CPU，RAM，ROM，I/O接口等各种芯片的总线。
3.内总线
内总线是用来连接微型计算机系统中各功能部件的总线，又称系统总线或板级总线。系统总线是微型计算机系统中最重要的总线，人们平常所说的微型计算机总线就是指系统总线，如微型计算机总线、AT总线(ISA总线)、PCI总线等。
系统总线又可分为数据总线(DB)、地址总线(AB)和控制总线(CB)，如图5-1-6中所示。
① 数据总线(DB)：传送数据信息，双向的三态总线。数据总线的位数是微型计算机的一个重要指标，通常与微处理器的字长相一致。例如Intel 8086微处理器字长16位，其数据总线宽度也是16位。
在计算机中指令代码、状态信息、控制信息都称为数据，都可以通过数据总线传送。 ② 地址总线(AB)：专门传送地址，单向的三态总线。地址总线的位数决定了CPU可直接寻址的内存空间大小，一般来说，若地址总线为n位，则可寻址空间为2n字节。如8位微型计算机的地址总线为16位，则其最大可寻址空间为216=64KB。16位微型机的地址