計算機組成原理復習材料

1、 承載教育理想 傳播文都精神- PAGE 42 - 文都教育在線：- PAGE 25 -計算機組成原理【考查目標】1. 理解單處理器計算機系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構(gòu)以及相互連接方式，具有完整的計算機系統(tǒng)的整機概念。2. 理解計算機系統(tǒng)層次化結(jié)構(gòu)概念，熟悉硬件與軟件之間的界面，掌握指令集體系結(jié)構(gòu)的基本知識和基本實現(xiàn)方法。3. 能夠運用計算機組成的基本原理和基本方法，對有關(guān)計算機硬件系統(tǒng)中的理論和實際問題進行計算、分析，并能對一些基本部件進行簡單設計。一、 計算機系統(tǒng)概述（一） 計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)1. 計算機硬件的基本組成計算機硬件主要指計算機的實體部分，通常有運算器、控制器、存儲器、輸

2、入和輸出五部分。CPU是指將運算器和控制器集成到一個電路芯片中。2. 計算機軟件的分類計算機軟件按照面向?qū)ο蟮牟煌煞謨深悾合到y(tǒng)軟件：用于管理整個計算機系統(tǒng)，合理分配系統(tǒng)資源，確保計算機正常高效地運行，這類軟件面向系統(tǒng)。應用軟件：是面向用戶根據(jù)用戶的特殊要求編制的應用程序，這類軟件通常實現(xiàn)用戶的某類要求。3. 計算機的工作過程（1）計算機的工作過程就是執(zhí)行指令的過程 指令由操作碼和操作數(shù)組成：操作碼地址碼 操作碼指明本指令完成的操作 地址碼指明本指令的操作對象（2）指令的存儲 指令按照存儲器的地址順序連續(xù)的存放在存儲器中。（3）指令的讀取 為了紀錄程序的執(zhí)行過程，需要一個記錄讀取指令地址的寄存

3、器，稱為指令地址寄存器，或者程序計數(shù)器。指令的讀取就可以根據(jù)程序計數(shù)器所指出的指令地址來決定讀取的指令，由于指令通常按照地址增加的順序存放，故此，每次讀取一條指令之后，程序計數(shù)器加一就為讀取下一條指令做好準備。（4）執(zhí)行指令的過程 在控制器的控制下，完成以下三個階段任務:1）取指令階段 按照程序計數(shù)器取出指令，程序計數(shù)器加一2）指令譯碼階段 分析操作碼，決定操作內(nèi)容，并準備操作數(shù)3）指令執(zhí)行階段 執(zhí)行操作碼所指定內(nèi)容（二） 計算機性能指標1. CPU時鐘周期、主頻、CPI、CPU執(zhí)行時間（1） CPU時鐘周期：機器主頻的倒數(shù)，Tc（2）主頻：CPU工作主時鐘的頻率，機器主頻Rc（3）CPI：執(zhí)

4、行一條指令所需要的平均時鐘周期（4）CPU執(zhí)行時間：TCPU=InCPITC In執(zhí)行程序中指令的總數(shù) CPI執(zhí)行每條指令所需的平均時鐘周期數(shù) TC時鐘周期時間的長度MIPS、MFLOPS2. 機器字長3. 存儲容量二、 數(shù)據(jù)的表示和運算（一） 數(shù)制與編碼1. 進位計數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換1）進位計數(shù)制進位計數(shù)制是指按照進位制的方法表示數(shù)，不同的數(shù)制均涉及兩個基本概念：基數(shù)和權(quán)。 基數(shù)：進位計數(shù)制中所擁有數(shù)字的個數(shù)。權(quán)：每位數(shù)字的值等于數(shù)字乘以所在位數(shù)的相關(guān)常數(shù)，這個常數(shù)就是權(quán)。任意一個R進制數(shù)X，設整數(shù)部分為n位，小數(shù)部分為m位，則X可表示為：Xan-1rn-1 + an-2rn-2 + + a0

5、r0 + a-1r-1 + a-2r-2 + + a-mr-m(X)r = 2）不同數(shù)制間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 （1）二、八、十六進制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制數(shù) 利用上面講到的公式： (N)2=Di2i 、(N)8=Di8i、 (N)16=Di16i、進行計算。（2）十進制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)通常要對一個數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進行處理，各自得出結(jié)果后再合并。對整數(shù)部分，一般采用除2取余數(shù)法，其規(guī)則如下：將十進制數(shù)除以2，所得余數(shù)（0或1）即為對應二進制數(shù)最低位的值。然后對上次所得商除以2，所得余數(shù)即為二進制數(shù)次低位的值，如此進行下去，直到商等于0為止，最后得的余數(shù)是所求二進制數(shù)最高位的值。對小數(shù)部分，一般用乘2取

6、整數(shù)法，其規(guī)則如下：將十進制數(shù)乘以2，所得乘積的整數(shù)部分即為對應二進制小數(shù)最高位的值，然后對所余數(shù)的小數(shù)部分部分乘以2，所得乘積的整數(shù)部分為次高位的值，如此進行下去，直到乘積的小數(shù)部分為0，或結(jié)果已滿足所需精度要求為止。（3）二進制數(shù)、八進制數(shù)和十六進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換八進制數(shù)和十六進制數(shù)是從二進制數(shù)演變而來的：由3位二進制數(shù)組成1位八進制數(shù)；由4位二進制數(shù)組成1位十六進制數(shù)。對于一個兼有整數(shù)和小數(shù)部分的數(shù)以小數(shù)點為界，小數(shù)點前后的數(shù)分別分組進行處理，不足的位數(shù)用0補足。對整數(shù)部分將0補在數(shù)的左側(cè)，對小數(shù)部分將0補在數(shù)的右側(cè)。這樣數(shù)值不會發(fā)生差錯。2. 真值和機器數(shù)真值：數(shù)據(jù)的數(shù)值通常以正(+)負

7、(-)號后跟絕對值來表示，稱之為“真值”。 機器數(shù)：在計算機中正負號也需要數(shù)字化，一般用0表示正號，1表示負號。把符號數(shù)字化的數(shù)成為機器數(shù)。3. 校驗碼數(shù)據(jù)校驗碼是一種常用的帶有發(fā)現(xiàn)某些錯誤或自動改錯能力的數(shù)據(jù)編碼方法。其實現(xiàn)原理，是加進一些冗余碼，使合法數(shù)據(jù)編碼出現(xiàn)某些錯誤時，就成為非法編碼。 這樣，可以通過檢測編碼的合法性來達到發(fā)現(xiàn)錯誤的目的。合理地安排非法編碼數(shù)量和編碼規(guī)則，可以提高發(fā)現(xiàn)錯誤的能力，或達到自動改正錯誤的目的。 碼距： 碼距根據(jù)任意兩個合法碼之間至少有幾個二進制位不相同而確定的，僅有一位不同，稱其碼距為1。 偶校驗：增加位的0或1要保證整個編碼中1的個數(shù)為偶數(shù)個。 海明校驗

8、碼它的實現(xiàn)原理，是在數(shù)據(jù)中加入幾個校驗位，并把數(shù)據(jù)的每一個二進制位分配在幾個奇偶校驗組中。當某一位出錯就會引起有關(guān)的幾個校驗組的值發(fā)生變化，這不但可以發(fā)現(xiàn)出錯，還能指出是哪一位出錯，為自動糾錯提供了依據(jù)。 假設校驗位的個數(shù)為r，則它能表示2r個信息，用其中的一個信息指出“沒有錯誤”，其余2r-1個信息指出錯誤發(fā)生在哪一位。然而錯誤也可能發(fā)生在校驗位，因此只有k=2r-1-r個信息能用于糾正被傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)，也就是說要滿足關(guān)系：2r=k+r+1 （二） 定點數(shù)的表示和運算1. 定點數(shù)的表示1）無符號數(shù)的表示 無符號數(shù)就是指正整數(shù)，機器字長的全部位數(shù)均用來表示數(shù)值的大小，相當于數(shù)的絕對值。 對于字

9、長為n+1位的無符號數(shù)的表示范圍為： 0-2n+1-12）帶符號數(shù)的表示 帶符號數(shù)是指在計算機中將數(shù)的符號數(shù)碼化。在計算機中，一般規(guī)定二進制的最高位為符號位，最高位為“”表示該數(shù)為正，為“”表示該數(shù)為負。這種在機器中使用符號位也被數(shù)碼化的數(shù)稱為機器數(shù)。 根據(jù)符號位和數(shù)值位的編碼方法不同，機器數(shù)分為原碼、補碼和反碼。（1）原碼表示法機器數(shù)的最高位為符號位，0表示正數(shù)，1表示負數(shù)，數(shù)值跟隨其后，并以絕對值形式給出。這是與真值最接近的一種表示形式。 原碼的定義： （2）補碼表示法機器數(shù)的最高位為符號位，0表示正數(shù)，1表示負數(shù)，其定義如下： （3）反碼表示法 機器數(shù)的最高位為符號，0表示正數(shù)，1表示負

10、數(shù)。反碼的定義： 2. 定點數(shù)的運算1）定點數(shù)的位移運算左移，絕對值擴大；右移，絕對值縮小。算術(shù)移位規(guī)則符號位不變碼制添補代碼正數(shù)0負數(shù)原0補右移添0左移添1反1算術(shù)移位和邏輯移位的區(qū)別：算術(shù)移位：帶符號數(shù)移位；邏輯移位：無符號數(shù)移位；2）補碼定點數(shù)的加/減運算；(1) 加法 整數(shù) A補 + B補= A+B補（mod 2n+1）小數(shù) A補 + B補= A+B補（mod 2）(2) 減法 整數(shù) A補 - B補= A+(-B)補=A補 + -B補（mod 2n+1）小數(shù) A補 - B補= A+(-B)補=A補 + -B補（mod 2）無需符號判定，連同符號位一起相加，符號位產(chǎn)生的進位自然丟掉3）定

11、點數(shù)的乘/除運算補碼兩位乘法根據(jù)前述的布斯算法，將兩步合并成一步，即可推導出補碼兩位乘的公式。Yn-i-1 Yn-i Yn-i+1Pi+2補 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 +0， 右移2位 +X補， 右移2位 +X補， 右移2位 +2X補，右移2位 -2X補，右移2位 -X補， 右移2位 -X補， 右移2位 +0， 右移2位 求部分積的次數(shù)和右移操作的控制問題。 當乘數(shù)由1位符號位和以n（奇數(shù)）位數(shù)據(jù)位組成時，求部分積的次數(shù)為（1n）2，而且最后一次的右移操作只右移一位。 若數(shù)值位本身為偶數(shù)n，可采用下述兩種方法之一：可在乘數(shù)的

12、最后一位補一個0，乘數(shù)的數(shù)據(jù)位就成為奇數(shù)，而且其值不變，求部分積的次數(shù)為1+(n+l)/2，即n/21，最后一次右移操作也只右移一位。乘數(shù)增加一位符號位，使總位數(shù)仍為偶數(shù)，此時求部分積的次數(shù)為n/2+1，而且最后一次不再執(zhí)行右移操作。（3）補碼除法加減交替法當余數(shù)為正時，商上1，求下一位商的辦法，余數(shù)左移一位，再減去除數(shù)；當余數(shù)為負時，商上0，求下一位商的辦法，余數(shù)左移一位，再加上除數(shù)。定點補碼一位除法（加減交替法）1如果被除數(shù)與除數(shù)同號，用被除數(shù)減去除數(shù)；若兩數(shù)異號，被除數(shù)加上除數(shù)。如果所得余數(shù)與除數(shù)同號商上1，否則，商上0，該商為結(jié)果的符號位。2求商的數(shù)值部分。如果上次商上1，將除數(shù)左移一

13、位后減去除數(shù)；如果上次商上0，將余數(shù)左移一位后加除數(shù)。然后判斷本次操作后的余數(shù)，如果余數(shù)與除數(shù)同號商上1，如果余數(shù)與除數(shù)異號商上0。如此重復執(zhí)行n-1次（設數(shù)值部分n位）。3商的最后一位一般采用恒置1的辦法，并省略了最低+1的操作。此時最大的誤差為2-n。5）溢出概念和判別方法當運算結(jié)果超出機器數(shù)所能表示的范圍時，稱為溢出。顯然，兩個異號數(shù)相加或兩個同號數(shù)相減，其結(jié)果是不會溢出的。僅當兩個同號數(shù)相加或者兩個異號數(shù)相減時，才有可能發(fā)溢出的情況，一旦溢出，運算結(jié)果就不正確了，因此必須將溢出的情況檢查出來。判別方法有三種：1當符號相同的兩數(shù)相加時，如果結(jié)果的符號與加數(shù)（或被加數(shù)）不相同，則為溢出。2

14、當任意符號兩數(shù)相加時，如果C=Cf，運算結(jié)果正確，其中C為數(shù)值最高位的進位，Cf為符號位的進位。如果CCf ，則為溢出，所以溢出條件=CCf 。3采用雙符號fs2fs1。正數(shù)的雙符號位為00，負數(shù)的雙符號位為11。符號位參與運算，當結(jié)果的兩個符號位甲和乙不相同時，為溢出。所以溢出條件= fs2fs1 ，或者溢出條件= fs2fs1 + fs2fs1（三） 浮點數(shù)的表示和運算1. 浮點數(shù)的表示1）浮點數(shù)的表示范圍；浮點數(shù)是指小數(shù)點位置可浮動的數(shù)據(jù)，通常以下式表示： N=MRE其中，N為浮點數(shù)，M為尾數(shù)，E為階碼，R稱為“階的基數(shù)（底）”，而且R為一常數(shù)，一般為2、8或16。在一臺計算機中，所有數(shù)

15、據(jù)的R都是相同的，于是不需要在每個數(shù)據(jù)中表示出來。因此，浮點數(shù)的機內(nèi)表示一般采用以下形式：浮點數(shù)的機內(nèi)表示一般采用以下形式：MsEM 1位 n+1位 m位Ms是尾數(shù)的符號位，設置在最高位上。E為階碼，有n+1位，一般為整數(shù)，其中有一位符號位，設置在E的最高位上，用來表正階或負階。M為尾數(shù)，有m位，由Ms和M組成一個定點小數(shù)。Ms=0，表示正號，Ms=1，表示負。為了保證數(shù)據(jù)精度屬數(shù)通常用規(guī)格化形式表示：當R2，且尾數(shù)值不為0時，其絕對值大于或等于(0.5)10。對非規(guī)格化浮點數(shù)，通過將尾數(shù)左移或右移，并修改階碼值使之滿足規(guī)格化要求。2）IEEE754標準根據(jù)IEEE 754國際標準，常用的浮點

16、數(shù)有兩種格式：（1）單精度浮點數(shù)（32位），階碼8位，尾數(shù)24位（內(nèi)含：位符號位）。（2）雙精度浮點數(shù)（64位），階碼11位，尾數(shù)53位（內(nèi)含：位符號位）。單精度格式32位，階碼為8位，尾數(shù)為23位。另有一位符號位S，處在最高位。由于IEEE754標準約定在小數(shù)點左部有一位隱含位，從而實際有效位數(shù)為24位。這樣使得尾數(shù)的有效值變?yōu)?.M 。例如，最小為x1.00,，最大為x1.11。規(guī)格化表示。故小數(shù)點左邊的位橫為1，可省去。 階碼部分采用移碼表示，移碼值127，1到254經(jīng)移碼為-126到+127。S(1位) E(8位) M(23位) N(共32位) 符號位 0 0 0 符號位 0 不等于0

17、 (-1)S2-126(0.M) 為非規(guī)格化數(shù) 符號位 1到254之間 - (-1)S2E-127(1.M) 為規(guī)格化數(shù) 符號位 255不等于0 NaN(非數(shù)值) 符號位 2550 無窮大 0 有了精確的表示，無窮大也明確表示。對于絕對值較小的數(shù)，可以采用非規(guī)格化數(shù)表示，減少下溢精度損失。非規(guī)格化數(shù)的隱含位是0，不是1。2. 浮點數(shù)的加/減運算加減法執(zhí)行下述五步完成運算：1）“對階”操作比較兩浮點數(shù)階碼的大小，求出其差E，保留其大值E，E=max(Ex, Ey)。當E0時，將階碼小的尾數(shù)右移E位，并將其階碼加上E，使兩數(shù)的階碼值相等。2）尾數(shù)加減運算 執(zhí)行對階之后，兩尾數(shù)進行加減操作。3）規(guī)格

18、化操作 規(guī)格化的目的是使得尾數(shù)部分的絕對值盡可能以最大值的形式出現(xiàn)。4）舍入 在執(zhí)行右規(guī)或者對階時，尾數(shù)的低位會被移掉，使數(shù)值的精度受到影響，常用“0”舍“1”入法。當移掉的部分最高位為1時，在尾數(shù)的末尾加1，如果加1后又使得尾數(shù)溢出，則要再進行一次右規(guī)。5）檢查階碼是否溢出 階碼溢出表示浮點數(shù)溢出。在規(guī)格化和舍入時都可能發(fā)生溢出，若階碼正常，加/減運算正常結(jié)束。若階碼下溢，則設置機器運算結(jié)果為機器零，若上溢，則設置溢出標志。三、 存儲器層次機構(gòu)（一） 存儲器的分類1. 按存儲介質(zhì)分類 1）半導體存儲器 2）磁表面存儲器 3）磁芯存儲器 4）光盤存儲器2. 按存取方式分類 1）隨機存儲器 2）

19、只讀存儲器 3）串行訪問存儲器3. 按在計算機中的作用分類存儲器主存閃速存儲器(Flash Memory)輔存緩存（Cache）只讀存儲器（ROM）靜態(tài)RAM動態(tài)RAM隨機存儲器（RAM）MROMPROMEPROMEEPROM磁盤磁帶光盤（二） 存儲器的層次化結(jié)構(gòu)寄存器緩存主存磁盤磁帶 存儲器有3個重要的指標：速度、容量和每位價格，一般來說，速度越快，位價越高；容量越大，位價越低，容量大，速度就越低。上述三者的關(guān)系用下圖表示：存儲系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在緩存-主存-輔存這兩個存儲層次上，如下圖所示：CPU 緩存主存輔存（三） 半導體隨機存取存儲器1. SRAM存儲器的工作原理1）靜態(tài)存儲單元SR

20、AM靜態(tài)存儲單元的每個存儲位需要四到六個晶體管組成。比較典型的是六管存儲單元，即一個存儲單元存儲一位信息“0”或“1”。靜態(tài)存儲單元保存的信息比較穩(wěn)定，信息為非破壞性讀出，故不需要重寫或者刷新操作；另一方面，其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、速度較快，但其占用元件較多，占硅片面積大，且功耗大，所以集成度不高。靜態(tài)隨機存儲單元2. DRAM存儲器的工作原理1）動態(tài)存儲單元常見的動態(tài)RAM存儲單元有三管式和單管式兩種，它們的共特點是靠電容存儲電荷的原理來寄存信息。若電容上存有足夠的電荷表示“”，電容上無電荷表示“0”。電容上的電荷一般只能維持1-2ms，因此即使電源不掉電，電容上的電荷會自動消失。因此，為保證

21、信息的不丟失，必須在2ms之內(nèi)就要對存儲單元進行一次恢復操作，這個過程稱為再生或者刷新。與靜態(tài)RAM相比，動態(tài)RAM具有集成度更高、功耗更低等特點，目前被各類計算機廣泛使用。三管動態(tài)RAM基本單元單管動態(tài)RAM基本單元（四） 只讀存儲器前面介紹的DRAM和SRAM均為可任意讀寫的隨機存儲器，當?shù)綦姇r，所存儲的內(nèi)容消失，所以是易失性存儲器。只讀存儲器，即使停電，所存儲的內(nèi)容也不丟失。根據(jù)半導體制造工藝的不同，可分為ROM，PROM，EPROM，E2ROM和Flash Memory1. 只讀存儲器（ROM） 掩模式ROM由芯片制造商在制造時寫入內(nèi)容，以后只能讀而不能再寫入。其基本存儲原理是以元件的

22、“有無”來表示該存儲單元的信息（“1”或“0”），可以用二極管或晶體管作為元件，顯而易見，其存儲內(nèi)容是不會改變的。2. 可編程序的只讀存儲器（PROM） PROM可由用戶根據(jù)自己的需要來確定ROM中的內(nèi)容，常見的熔絲式PROM是以熔絲的通和斷開來表示所存的信息為“1”或“0”。剛出廠的產(chǎn)品，其熔絲是全部接通的。根據(jù)需要斷開某些單元的熔絲（寫入）。顯而易見，斷開后的熔絲是不能再接通了，因而一次性寫入的存儲器。掉電后不會影響其所存儲的內(nèi)容。3. 可擦可編程序的只讀存儲器（EPROM）為了能修改ROM中的內(nèi)容，出現(xiàn)了EPROM。利用浮動柵MOS電路保存信息，信息的改寫用紫外線照射即可擦除。4. 可電

23、擦可編程序只讀存儲器（E2PROM） E2PROM的編程序原理與EPROM相同，但擦除原理完全不同，重復改寫的次數(shù)有限制（因氧化層被磨損），一般為10萬次。 其讀寫操作可按每個位或每個字節(jié)進行，類似SRAM，但每字節(jié)的寫入周期要幾毫秒，比SRAM長得多。E2PROM每個存儲單元采則2個晶體管。其柵極氧化層比EPROM薄，因此具有電擦除功能。 5. 快除讀寫存儲器（Flash Memory） F1ash Memory是在EPROM與E2PROM基礎上發(fā)展起來的，其讀寫過程和E2PROM不同，F(xiàn)1ash Memory的讀寫操作一般是以塊為單位。（五） 主存儲器與CPU的連接1個存儲器的芯片的容量是

24、有限的，它在字數(shù)或字長方面與實際存儲器的要求都有很大差距，所以需要在字向和位向進行擴充才能滿足需要。根據(jù)存儲器所需的存儲容量和所提供的芯片的實際容量，可以計算出總的芯片數(shù)。一個存儲器的容量為MN位，若使用LK位存儲器芯片，那么，這個存儲器共需要M/LN/K存儲器芯片。1位擴展 位擴展指的是用多個存儲器器件對字長進行擴充。位擴展的連接方式是將多片存儲器的地址、片選己、讀寫控制端R/W可相應并聯(lián)，數(shù)據(jù)端分別引出。2）字擴展 字擴展指的是增加存儲器中字的數(shù)量。 靜態(tài)存儲器進行字擴展時，將各芯片的地址線、數(shù)據(jù)線、讀寫控制線相應并聯(lián)，而由片選信號來區(qū)分各芯片的地址范圍。 3）字位擴展 實際存儲器往往需要

25、字向和位向同時擴充。（六） 高速緩沖存儲器（Cache）1. 程序訪問的局部性從大量的統(tǒng)計中得到的一個規(guī)律是，程序中對于存儲空間90%的訪問局限于存儲空間的10%的區(qū)域中，而另外10%的訪問則分布在存儲空間的其余90%的區(qū)域中。這就是通常說的局部性原理。訪存的局部性規(guī)律包括兩個方面：時間局部性：如果一個存儲項被訪問，則可能該項會很快被再次訪問。 空間局部性：如果一個存儲項被訪問，則該項及其鄰近的項也可能很快被訪問。2. Cache的基本工作原理Cache通常由兩部分組成，塊表和快速存儲器。其工作原理是：處理機按主存地址訪問存儲器，存儲器地址的高段通過主存-Cache地址映象機構(gòu)借助查表判定該地

26、址的存儲單元是否在Cache中，如果在，則Cache命中，按Cache地址訪問Cache。否則，Cache不命中，則需要訪問主存，并從主存中調(diào)入相應數(shù)據(jù)塊到Cache中，若Cache中已寫滿，則要按某種算法將Cache中的某一塊替換出去，并修改有關(guān)的地址映象關(guān)系。從這個工作原理我們可以看出，它已經(jīng)涉及到了兩個問題。首先是定位、然后是替換的問題。Cache的存在對程序員是透明的。其地址變換和數(shù)據(jù)塊的替換算法均由硬件實現(xiàn)。通常Cache被集成到CPU內(nèi)以提高訪問速度。3. Cache和主存之間的映射方式因為處理機訪問都是按主存地址訪問的，而Cache的空間遠小于主存，如何知道這一次的訪問內(nèi)容是不是

27、在Cache中，在Cache中的哪一個位置呢? 這就需要地址映象，即把主存中的地址映射成Cache中的地址。讓Cache中一個存儲塊(空間)與主存中若干塊相對應，如此，訪問一個主存地址時，就可以對應地知道在cache中哪一個地址了。地址映象的方法有三種：直接映象、全相聯(lián)映象和組相聯(lián)映象。 直接映象就是將主存地址映象到Cache中的一個指定地址。任何時候，主存中存儲單元的數(shù)據(jù)只能調(diào)入到Cache中的一個位置，這是固定的，若這個位置已有數(shù)據(jù)，則產(chǎn)生沖突，原來的塊將無條件地被替換出去。直接映射全相聯(lián)映象就是任何主存地址可映象到任何Cache地址的方式。在這種方式下，主存中存儲單元的數(shù)據(jù)可調(diào)入到Cac

28、he中的任意位置。只有在Cache中的塊全部裝滿后才會出現(xiàn)塊沖突。全相連映射組相聯(lián)映象指的是將存儲空間的頁面分成若干組，各組之間的直接映象，而組內(nèi)各塊之間則是全相聯(lián)映象。組相聯(lián)映射4. Cache寫策略對Cache的寫操作，情況比讀操作要復雜一些。由于寫入Cache時，并沒有寫入主存，因此就出現(xiàn)Cache和主存數(shù)據(jù)不一致的情況。 如何處理Cache和主存不一致的方法就稱為更新策略。更新策略 思想 優(yōu)點 缺點 寫回法 是指在CPU執(zhí)行寫操作時，信息只寫入Cache中，僅當需要替換時，才將改寫過的Cache塊先送回主存(寫回)，然后再調(diào)塊（設置dirty位） 有利于省去許多將中間結(jié)果寫入主存的無謂

29、開銷。 需設修改位增加Cache的復雜性 全寫法(寫直達法) 在寫操作時，將數(shù)據(jù)同時寫入Cache和主存 實現(xiàn)開銷小、簡單 為了寫中間結(jié)果浪費了不少時間 另外，當寫不命中時(也就是寫Cache塊時，這塊早被人替換出去而在Cache中找不到時)是不是要把這塊再取回Cache中，有兩個解決方法：不按寫分配法，就是直接寫到主存里，不再把該地址對應的塊調(diào)回Cache中。按寫分配法，就是寫到主存，而且把這一塊從主存中調(diào)入到Cache。一般寫回法用按寫分配法，全寫法則采用不按寫分配。四、 指令系統(tǒng)（一） 指令格式1. 指令的基本格式計算機是通過執(zhí)行指令來處理各種數(shù)據(jù)的。為了指出數(shù)據(jù)的來源、操作結(jié)果的去向及

30、所執(zhí)行的操作，一條指令必須包含下列信息： （1）操作碼，具體說明了操作的性質(zhì)及功能。 （2）操作數(shù)的地址。 （3）操作結(jié)果的存儲地址。 （4）下一條指令的地址。 從上述分析可知，一條指令實際上包括兩種信息即操作碼和地址碼。操作碼（operation code）用來表示該指令所要完成的操作（如加、減、乘、除、數(shù)據(jù)傳送等），其長度取決于指令系統(tǒng)中的指令條數(shù)。地址碼用來描述該指令的操作對象，或者直接給出操作數(shù)或者指出操作數(shù)的存儲器地址或寄存器地址（即寄存器名）。2. 定長操作碼指令格式1）零地址指令OPCODE格式：OPCODE操作碼指令中只有操作碼，而沒有操作數(shù)或沒有操作數(shù)地址。這種指令有兩種可能

31、：（1）無需任何操作數(shù)，如空操作指令，停機指令等。（2）所需的操作數(shù)是默認的。如堆棧結(jié)構(gòu)計算機的運算指令，所需的操作數(shù)默認在堆棧中，由堆棧指針SP隱含指出，操作結(jié)果仍然放回堆棧中。又如Intel 8086的字符串處理指令，源、目的操作數(shù)分別默認在源變址寄存器SI和目的變址寄存器DI所指定的存儲器單元中。2）一地址指令OPCODEA格式：OPCODE操作碼A操作數(shù)的存儲器地址或寄存器名指令中只給出一個地址，該地址既是操作數(shù)的地址，又是操作結(jié)果的存儲地址。如加1，減1和移位等單操作數(shù)指令均采用這種格式，對這一地址所指定的操作數(shù)執(zhí)行相應的操作后，產(chǎn)生的結(jié)果又存回該地址中。在某些字長較短的微型機中（如

32、早期的Z80，Intel8080，MC6800等），大多數(shù)算術(shù)邏輯指令也采用這種格式，第一個源操作數(shù)由地址碼A給出，第二個源操作數(shù)在一個默認的寄存器中，運算結(jié)果仍送回到這個寄存器中，替換了原寄存器內(nèi)容，通常把這個寄存器稱累加器。3）二地址指令OPCODEA1A2格式：OPCODE操作碼 A1第一個源操作數(shù)的存儲器地址或寄存器地址。 A2第二個源操作數(shù)和存放操作結(jié)果的存儲器地址或寄存器地址。這是最常見的指令格式，兩個地址指出兩個源操作數(shù)地址，其中一個還是存放結(jié)果的目的地址。對兩個源操作數(shù)進行操作碼所規(guī)定的操作后，將結(jié)果存入目的地址，在本例中即為A2指定的地址4）三地址指令OPCODEA1A2A3

33、格式：OPCODE操作碼 A1第一個源操作數(shù)的存儲器地址或寄存器地址 A2第二個源操作數(shù)的存儲器地址或寄存器地址 A3操作結(jié)果的存儲器地址或寄存器地址其操作是對A1，A2指出的兩個源操作數(shù)進行操作碼（OPCODE）所指定的操作，結(jié)果存入A3中。5）多地址指令在某些性能較好的大、中型機甚至高檔小型機中，往往設置一些功能很強的，用于處理成批數(shù)據(jù)的指令，如字符串處理指令，向量、矩陣運算指令等。為了描述一批數(shù)據(jù)，指令中需要多個地址來指出數(shù)據(jù)存放的首地址、長度和下標等信息3. 擴展操作碼指令格式設某機器的指令長度為16位，包括4位基本操作碼字段和三個4位地址字段，其格式下：OPCODE(4)A1(4)A

34、2(4)A3(4)4位基本操作碼有16個碼點（即有16種組合），若全部用于表示三地址指令，則只有16條。但是，若三地址指令僅需15條，兩地址指令需15條，一地址指令需15條，零地址指令需16條，共61條指令，應如何安排操作碼？顯然，只有4位基本操作碼是不夠的，必須將操作碼的長度向地址碼字段擴展才行。一種可供擴展的方法和步驟如下：（1）15條三地址指令的操作碼由4位基本操作碼從00001110給出，剩下一個碼點1111用于把操作碼擴展到A1，即4位擴展到8位；（2）15條二地址指令的操作碼由8位操作碼從1111000011111110給出，剩下一個碼點11111111用于把操作碼擴展到A2，即從

35、8位擴展到12位；（3）15條一地址指令的操作碼由12位操作碼從111111110000111111111110給出，剩下的一個碼點111111111111用于把操作碼擴展到A3，即從12位擴展到16位；（4）16條零地址指令的操作碼由16位操作碼從11111111111100001111111111111111給出。（二） 指令的尋址方式1. 有效地址的概念操作數(shù)的真實地址稱為有效地址，記做EA，它是尋址方式和形式地址共同來決定的。2. 數(shù)據(jù)尋址和指令尋址尋址方式是指確定本條指令的數(shù)據(jù)地址以及下一條將要執(zhí)行的指令的地址，與硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，尋址方式分為指令尋址和數(shù)據(jù)尋址兩大類指令尋址分為順序

36、尋址和跳躍尋址兩種。順序?qū)ぶ房梢酝ㄟ^程序計數(shù)器PC加1自動形成下一條指令的地址，跳躍尋址則通過轉(zhuǎn)移類指令實現(xiàn)，是通過對PC的運算得到新的下一條指令的地址。3. 常見尋址方式1）立即尋址所需的操作數(shù)由指令的地址碼部分直接給出，就稱為立即數(shù)（或直接數(shù)）尋址方式。這種方式的特點是取指時，操作碼和一個操作數(shù)同時被取出，不必再次訪問存儲器，提高了指令的執(zhí)行速度。但是由于這一操作數(shù)是指令的一部分，不能修改，而一般情況下，指令所處理的數(shù)據(jù)都是在不斷變化的（如上條指令的執(zhí)行結(jié)果作為下條指令的操作數(shù)），故這種方式只能適用于操作數(shù)固定的情況。通常用于給某一寄存器或存儲器單元賦初值或提供一個常數(shù)等。2）直接尋址指令

37、的地址碼部分給出操作數(shù)在存儲器中的地址。3）隱含尋址操作數(shù)的地址隱含在操作碼或者某個寄存器中。4）間接尋址 在尋址時，有時根據(jù)指令的地址碼所取出的內(nèi)容既不是操作數(shù)，也不是下一條要執(zhí)行的指令，而是操作數(shù)的地址或指令的地址，這種方式稱為間接尋址或間址。5）寄存器尋址計算機的中央處理器一般設置有一定數(shù)量的通用寄存器，用以存放操作數(shù)、操作數(shù)的地址或中間結(jié)果。假如指令地址碼部分給出某一通用寄存器地址，而且所需的操作數(shù)就在這一寄存器中，則稱為寄存器尋址。通用寄存器的數(shù)量一般在幾個至幾十個之間，比存儲單元少很多，因此地址碼短，而且從寄存器中存取數(shù)據(jù)比從存儲器中存取快得多，所以這種方式可以縮短指令長度、節(jié)省存

38、儲空間，提高指令的執(zhí)行速度，在計算機中得到廣泛應用。6）寄存器間接尋址寄存器中給出的是操作數(shù)的地址，因此還需要訪問一次存儲器才能得到操作數(shù)。7）基址尋址在計算機中設置一個專用的基址寄存器，或由指令指定一個通用寄存器為基址寄存器。操作數(shù)的地址由基址寄存器的內(nèi)容和指令的地址碼A相加得到 8）變址尋址指令地址碼部分給出的地址A和指定的變址寄存器X的內(nèi)容通過加法器相加，所得的和作為地址從存儲器中讀出所需的操作數(shù)。這是幾乎所有計算機都采用的一種尋址方式。9）相對尋址把程序計數(shù)器PC的內(nèi)容（即當前執(zhí)行指令的地址）與指令的地址碼部分給出的位移量（disp）之和作為操作數(shù)的地址或轉(zhuǎn)移地址，稱為相對尋址。 主要

39、用于轉(zhuǎn)移指令，執(zhí)行本條指令后，將轉(zhuǎn)移到（PC）disp，（PC）為程序計數(shù)器的內(nèi)容。相對尋址有兩個特點： 1轉(zhuǎn)移地址不是固定的，它隨著PC值的變化而變化，并且總是與PC相差一個固定值disp，因此無論程序裝人存儲器的任何地方，均能正確運行，對浮動程序很適用。 2位移量可正、可負，通常用補碼表示。如果位移量為n位，則這種方式的尋址范圍在 (PC)-2n-1 (PC)+2n-1-1之間 計算機的程序和數(shù)據(jù)一般是分開存放的，程序區(qū)在程序執(zhí)行過程中不允許修改。在程序與數(shù)據(jù)分區(qū)存放的情況下，不用相對尋址方式來確定操作數(shù)地址。10）堆棧尋址在一般計算機中，堆棧主要用來暫存中斷和子程序調(diào)用時現(xiàn)場數(shù)據(jù)及返回地

40、址，用于訪問堆棧的指令只有壓入（即進棧）和彈出（即退棧）兩種，它們實際上是一種特殊的數(shù)據(jù)傳送指令：壓入指令（PUSH）是把指定的操作數(shù)送入堆棧的棧頂;彈出指令（POP）的操作剛好相反，是把棧頂?shù)臄?shù)據(jù)取出，送到指令所指定的目的地。一般的計算機中，堆棧從高地址向低地址擴展，即棧底的地址總是大于或等于棧頂?shù)牡刂罚ㄒ灿猩贁?shù)計算機剛好相反）當執(zhí)行壓入操作時，首先把堆棧指針（SP）減量（減量的多少取決于壓入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，若壓入一個字節(jié)，則減1；若壓入兩個字節(jié)，則減2，以此類推），然后把數(shù)據(jù)送人SP所指定的單元；當執(zhí)行彈出操作時，首先把sp所指定的單元（即棧頂）的數(shù)據(jù)取出，然后根據(jù)數(shù)據(jù)的大?。此嫉淖止?jié)數(shù)

41、）對SP增量。五、 中央處理器（CPU）（一） CPU的功能和基本結(jié)構(gòu)CPU主要是由運算器和控制器組成，由于運算器部分在第二部分介紹過，所以本節(jié)主要介紹控制器的組成和工作原理。1控制器的功能計算機對信息進行處理（或計算）是通過程序的執(zhí)行而實現(xiàn)的，程序是完成某個確定算法的指令序列，要預先存放在存儲器中?？刂破鞯淖饔檬强刂瞥绦虻膱?zhí)行，它必須具有以下基本功能：1）取指令2）分析指令3）執(zhí)行指令計算機不斷重復順序執(zhí)行上述三種基本操作：取指、分析、執(zhí)行；再取指、再分析、再執(zhí)行，如此循環(huán)，直到遇到停機指令或外來的干預為止。4）控制程序和數(shù)據(jù)的輸入與結(jié)果輸出根據(jù)程序的安排或人的干預，在適當?shù)臅r候向輸入輸出設

42、備發(fā)出一些相應的命令來完成I/O功能，這實際上也是通過執(zhí)行程序來完成的。5）對異常情況和某些請求的處理當機器出現(xiàn)某些異常情況，諸如算術(shù)運算的溢出和數(shù)據(jù)傳送的奇偶錯等；或者某些外來請求，諸如磁盤上的成批數(shù)據(jù)需送存儲器或程序員從鍵盤送入命令等，此時由這些部件或設備發(fā)出： （1）“中斷請求”信號。（2）DMA請求信號。2控制器的組成根據(jù)對控制器功能分析，得出控制器的基本組成如下：1）程序計數(shù)器（PC）即指令地址寄存器。在某些計算機中用來存放當前正在執(zhí)行的指令地址；而在另一些計算機中則用來存放即將要執(zhí)行的下一條指令地址；而在有指令預取功能的計算機中，一般還需要增加一個程序計數(shù)器用來存放下一條要取出的指

43、令地址。有兩種途徑來形成指令地址，其一是順序執(zhí)行的情況，通過程序計數(shù)器加“1”形成下一條指令地址（如存儲器按字節(jié)編址，而指令長度為4個字節(jié)，則加“4”）。其二是遇到需要改變順序執(zhí)行程序的情況，一般由轉(zhuǎn)移類指令形成轉(zhuǎn)移地址送往程序計數(shù)器，作為下一條指令的地址。2）指令寄存器（IR）用以存放當前正在執(zhí)行的指令，以便在指令執(zhí)行過程中，控制完成一條指令的全部功能。3). 指令譯碼器或操作碼譯碼器對指令寄存器中的操作碼進行分析解釋，產(chǎn)生相應的控制信號。在執(zhí)行指令過程中，需要形成有一定時序關(guān)系的操作控制信號序列，為此還需要下述組成部分。4)脈沖源及啟停線路脈沖源產(chǎn)生一定頻率的脈沖信號作為整個機器的時鐘脈沖

44、，是機器周期和工作脈沖的基準信號，在機器剛加電時，還應產(chǎn)生一個總清信號（reset）。啟停線路保證可靠地送出或封鎖時鐘脈沖，控制時序信號的發(fā)生或停止，從而啟動機器工作或使之停機。5)時序控制信號形成部件當機器啟動后，在CLK時鐘作用下，根據(jù)當前正在執(zhí)行的指令的需要，產(chǎn)生相應的時序控制信號，并根據(jù)被控功能部件的反饋信號調(diào)整時序控制信號。例如，當執(zhí)行加法指令時，若產(chǎn)生運算溢出的異常情況，一般不再執(zhí)行將結(jié)果送入目的寄存器（或存儲單元）的操作，而發(fā)出中斷請求信號，轉(zhuǎn)入中斷處理；又如執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令時，根據(jù)不同的條件產(chǎn)生不同的控制信號，從而進入適當?shù)某绦蚍种?。（二?指令執(zhí)行過程1指令執(zhí)行的時序 計算機

45、工作的過程是取指令、分析指令、執(zhí)行指令三個基本動作的重復。六、 總線（一） 總線概述1. 總線的基本概念總線是連接各個部件的信息傳輸線，是各個部件共享的傳輸介質(zhì)，總線上信息的傳送分為串行和并行傳輸。2. 總線的分類1）片內(nèi)總線：芯片內(nèi)部的總線2）系統(tǒng)總線：計算機各部件之間 的信息傳輸線數(shù)據(jù)總線：雙向 與機器字長、存儲字長有關(guān)地址總線：單向 與存儲地址、 I/O地址有關(guān)控制總線：部分出部分入 控制器控制所有部件3）通信總線：用于 計算機系統(tǒng)之間 或 計算機系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)（如控制儀表、移動通信等）之間的通信傳輸方式：串行通信總線和并行通信總線3. 總線的組成及性能指標總線的結(jié)構(gòu)通常分為單總線結(jié)構(gòu)

46、和多總線結(jié)構(gòu)。單總線結(jié)構(gòu)是將CPU、主存、I/O設備（通過I/O接口）都掛在一組總線上。多總線結(jié)構(gòu)的特點是將速度較低的I/O設備從單總線上分離出來，形成主總線與I/O設備總線分開的結(jié)構(gòu)?？偩€的性能指標1）總線寬度：數(shù)據(jù)總線的根數(shù)2）總線帶寬：數(shù)據(jù)傳輸率3）時鐘同步/異步：總線上的數(shù)據(jù)與時鐘同步的稱為同步總線，與時鐘不同步的稱為異步總線4）總線復用：一條信號線上分時傳送兩種信號。5）信號線數(shù)：地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線三種總線數(shù)的總和。6）總線控制方式：包括突發(fā)工作、自動配置、總裁方式、邏輯方式、技術(shù)方式等。7）其他指標：負載能力、電源電壓、總線寬度能否擴展等。（二） 總線仲裁由于總線上連接著

47、多個部件，何時由哪個部件發(fā)送信息，如何定時，如何防止信息丟失，如何避免多個設備同時發(fā)送，如何規(guī)定接收部件等一系列問題都需要總線控制器統(tǒng)一管理，主要包括總線的判優(yōu)控制（仲裁邏輯）和通信控制?？偩€仲裁邏輯可分為集中式和分布式兩種，前者將控制邏輯集中在一處（如在CPU中），后者將控制邏輯分散在總線的各個部件之上。1. 集中仲裁方式集中仲裁方式有三種：（1）鏈式查詢當一個或多個設備同時發(fā)出總線使用請求信號BR時，中央仲裁器發(fā)出的總線授權(quán)信號BG沿著菊花鏈串行的從一個設備依次傳送到下一個設備，到達離出發(fā)點最近的發(fā)出總線請求的設備之后就不再往下傳。（2）計數(shù)器定時查詢總線上個設備通過總線請求信號BR，發(fā)出

48、請求，中央仲裁器接收到請求信號后，在總線忙信號BS為“0”的情況下，讓計數(shù)器開始計數(shù)，計數(shù)值通過一組地址線發(fā)往各設備。每個設備有一個地址判別電路，如果地址線上的計數(shù)值與總線請求設備地址一致，則該設備對BS線置“1”，表示該設備獲得了總線使用權(quán)，同時中止計數(shù)查詢。（3）獨立請求方式每個連接到總線的設備都有一組單獨的總線請求信號BRi與總線授權(quán)信號BGi。每個設備請求使用總線時，它們各自發(fā)出自己的總線請求信號。中央仲裁器中設置了一個專門的排隊電路，由它根據(jù)一定的優(yōu)先次序決定優(yōu)先響應哪個設備的請求，然后給該設備總線授權(quán)信號BGi2. 分布仲裁方式同集中式仲裁相比，分布式仲裁不需要中央仲裁器，而是讓各

49、個主設備功能模塊都有自己的仲裁號和仲裁電路。需要使用總線時，各個設備的功能模塊將自己唯一的仲裁號發(fā)送到共享的總線上，各自的仲裁電路再將從仲裁總線上獲得的仲裁號和自己的仲裁號相對比，獲勝的仲裁號將保留在仲裁總線上，相應設備的總線請求獲得響應。（三） 總線操作和定時目前在總線上的操作主要有以下幾種：1）讀和寫 讀是將從設備（如存儲器）中的數(shù)據(jù)讀出并經(jīng)總線傳輸?shù)街髟O備（如CPU）；寫是主設備到從設備的數(shù)據(jù)傳輸過程。2）塊傳送 主設備給出要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)塊的起始地址后，就可以利用總線對固定長度的數(shù)據(jù)一個接一個的讀出或?qū)懭搿?）寫后讀或讀后寫 主設備給出地址一次，就可以進行先寫后讀或者先讀后寫操作，先讀后寫

50、往往用于校驗數(shù)據(jù)的正確性，先寫后讀往往用于多道程序的對共享存儲資源的保護。4）廣播和廣集 主設備同時向多個從設備傳輸數(shù)據(jù)的操作模式稱為廣播。廣集操作和廣播操作正好相反，它將從多個從設備的數(shù)據(jù)在總線上完成AND或OR操作，常用于檢測多個中斷源。所謂定時，是指事件出現(xiàn)在總線上的時間關(guān)系?？偩€常用的定時協(xié)議有同步定時方式和異步定時方式1. 同步定時方式同步定時方式要求所有的模塊由統(tǒng)一的始終脈沖進行操作的控制，各模塊的所有動作均在時鐘周期的開始產(chǎn)生，并且多數(shù)動作在一個時鐘周期內(nèi)完成。2. 異步定時方式異步定時方式是一種應答方式或者互鎖機制的定時方式。對于異步操作，操作的發(fā)生由主設備或從設備的的特定信號

51、來確定?？偩€上一個事件的發(fā)生取決于前一個事件的發(fā)生，雙方互相提供聯(lián)絡信號。（四） 總線標準總線標準就是系統(tǒng)與各模塊、模塊與模塊之間的一個互連的標準界面。目前流行的總線標準有以下幾種：1系統(tǒng)總線1）ISA工業(yè)標準體系（Industry Standard Architecture），它是最早出現(xiàn)的微型計算機總線標準，應用在IBM的AT機上。直到現(xiàn)在，微型計算機主板或工作站主板上還保留有少量的ISA擴展槽。2） EISA擴展工業(yè)標準體系（Extended Industry Standard Architecture），主要用于286微機。EISA對ISA完全兼容。3） VESA視頻電子標準協(xié)會（Vi

52、deo Electronic Standard Association），是按照局部總線標準設計的一種開放總線，只適合于486的一種過渡標準，已淘汰。4） PCI外圍設備互聯(lián)（Peripheral Component Interconnection），PCI局部總線是高性能的32位或64位總線，它是專門為高集成度的外圍部件、擴充插板和處理器/存儲器系統(tǒng)而設計的互連機制。5）AGP是一種新型的視頻接口的技術(shù)標準，專用于連接主存和圖形存儲器。AGP總線寬32位，時鐘頻率66MHz，能以133MHz工作，最高的傳輸速率可達533Mbps。2設備總線1）IDE集成驅(qū)動電子設備（Integrated D

53、rive Electronics），它是一種在主機處理器和磁盤驅(qū)動器之間廣泛使用的集成總線。絕大部分PC的硬盤和相當數(shù)量的CD-ROM驅(qū)動器都是通過這種接口和主機連接的。2）SCSI小型計算機系統(tǒng)接口（Small Computer System Interface），現(xiàn)在這種接口不再局限于將各種設備與小型計算機直接連接起來，它已經(jīng)成為各種計算機（包括工作站、小型機、甚至大型機）的系統(tǒng)接口。3）RS-232（Recommended Standard-232C），是由美國電子工業(yè)協(xié)會EIA（Electronic Industries Association）推薦的一種串行通信總線標準。4) USB

54、USB（Universal Serial Bus）接口基于通用的連接技術(shù)，可實現(xiàn)外設的簡單快速連接，已達到方便用戶、降低成本、擴展微機連接外設范圍的目的。七、 輸入輸出（I/O）系統(tǒng)（一） I/O系統(tǒng)基本概念除了CPU存儲器兩大模塊之外，計算機硬件系統(tǒng)的第三個關(guān)鍵部分就是輸入輸出模塊，也稱輸入輸出系統(tǒng)。輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展概況1）早期分散連接，CPU 和 I/O設備 串行 工作，程序查詢方式2）接口模塊和 DMA 階段總線連接，CPU 和 I/O設備 并行 工作，中斷方式和DMA 方式3）具有通道結(jié)構(gòu)的階段4）具有 I/O 處理機的階段（二） 外部設備1. 輸入設備：鍵盤、鼠標2. 輸出設備：顯

55、示器、打印機3. 外存儲器：硬盤存儲器、磁盤陣列、光盤存儲器（1）硬盤存儲器1）性能指標存儲密度 道密度 Dt，位密度 Db存儲容量 C = n k s尋址時間 尋道時間 + 等待時間輔存的速度=尋址時間+磁頭讀寫時間數(shù)據(jù)傳輸率Dr = Db V誤碼率出錯信息位數(shù)與讀出信息的總位數(shù)之比。2）硬磁盤存儲器的類型 固定磁頭和移動磁頭 固定磁頭的磁盤存儲器，其磁頭位置固定不動，磁盤上的每一個磁道都對應著一個磁頭，盤片也不可更換，其特點是省去了磁頭沿著盤片徑向運動所需的尋道時間，存取速度快，只要磁頭進入工作狀態(tài)即可以進行讀寫操作。移動磁頭的磁盤存儲器在存取數(shù)據(jù)時，磁頭在盤面上作徑向運動，這類存儲器可以

56、由一個盤片組成，也可以由多個盤片裝在一個同心的主軸上，每個紀錄面各有一個磁頭。 可換盤和固定盤可換盤磁盤存儲器是指盤片可以脫機保存，這種磁盤可以在互為兼容的磁盤存儲器之間交換數(shù)據(jù)，便于擴大存儲容量。固定盤磁盤存儲器是指磁盤不能從驅(qū)動器上取下，更換時要把整個頭盤組合體一起更換。3）硬磁盤存儲器的磁道記錄格式一個具有n個盤片的磁盤組，可將n個面上的同一半徑的磁道看成一個圓柱面，這些磁道存儲的信息稱為柱面信息。盤面又分為若干個扇區(qū)，每條磁道有被分割為若干個扇段，數(shù)據(jù)在盤片上的布局如圖所示：因此，尋制用的磁盤地址應該由頭號、磁道號、盤面號、扇段號等字段組成，也可將扇段號用扇區(qū)號代替。（三） I/O接口

57、（I/O控制器）1. I/O接口的功能和基本結(jié)構(gòu)1）I/O接口的基本功能是：（1）實現(xiàn)設備的選擇（2）實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖達到速度匹配（3）實現(xiàn)數(shù)據(jù)串并格式轉(zhuǎn)換（4）實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換（5）傳送控制命令（6）反映設備的狀態(tài)（“忙”、“就緒”、“中斷請求”）2）接口的基本組成IO接口的基本組成2. I/O端口及其編址CPU采用2種方法訪問IO設備，也稱2種不同的IO端口編址方法：（1）專門的IO指令 例如，指令：IN完成輸入，指令OUT完成輸出操作。指令的地址碼字段指出輸入輸出設備的設備代碼。 由相應的控制信號（如MIO#）來區(qū)分CPU執(zhí)行的是什么指令。（2）利用訪問存儲器指令完成IO功能 從主存的地址空間中

58、分出一部分地址碼作為IO的設備代碼，當訪問到這些地址時，表示被訪的不是主存儲器，而是IO設備端口。 沒有控制信號區(qū)分存儲器和端口，采用的是將該段地址譯碼輸出連接到外設的端口。（四） I/O方式1. 程序查詢方式程序查詢方式的核心問題是每時每刻需要不斷查詢I/O設備是否準備好。CPU不斷地詢問外設是否準備好：如果準備好，CPU執(zhí)行IO操作；否則，CPU一直等待。CPU大部分時間處于等待狀態(tài)，利用率不高。2. 程序中斷方式（1）中斷的基本概念計算機在執(zhí)行程序的過程中，當出現(xiàn)異常情況或者特殊情況時，CPU停止當前程序的運行，轉(zhuǎn)向?qū)@些異常情況或者特殊情況的處理，處理結(jié)束之后再返回到現(xiàn)行程序的間斷處繼

59、續(xù)運行，該過程就是中斷。（2）中斷響應過程當多個中斷源向CPU提出中斷請求時，CPU在任何一個時刻只能接受一個中斷源的請求，所以，當多個中斷源同時請求時，CPU必須對各個中斷源的請求進行排隊，且只能接受級別最高的中斷源的請求，不允許低級別的中斷源中斷正在運行的中斷服務程序。每個設備都配備一個中斷請求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器，當中斷請求觸發(fā)器為“1”時，表示該設備向CPU提出中斷請求，如果中斷屏蔽觸發(fā)器為“1”時，表示該設備被屏蔽，即封鎖其中斷源的請求。當多個中斷源同時向CPU提出請求，CPU需要對這些中斷源的請求進行排隊，也稱為中斷判優(yōu)，有兩種判優(yōu)的方法：1）查詢法由測試程序按一定優(yōu)先排隊次序檢

60、查各個設備的“中斷觸發(fā)器”（或稱為中斷標志），當遇到第一個“1”標志時,即找到了優(yōu)先進行處理的中斷源，通常取出其設備碼，根據(jù)設備碼轉(zhuǎn)入相應的中斷服務程序。2）串行排隊鏈法由硬件組成一個串行的優(yōu)先鏈，稱作排隊鏈。 一旦CPU確定接受某個中斷源的請求，就需要執(zhí)行該設備的中斷服務程序，因此需要找到中斷服務程序的入口地址。入口地址的尋找可以用軟件或硬件的方法實現(xiàn)。硬件向量法就是通過向量地址來尋找設備的中斷服務程序的入口地址。中斷向量地址形成部件可以通過向接受請求的中斷源發(fā)送中斷響應信號，然后由被響應的設備回送設備碼，根據(jù)設備碼來產(chǎn)生中斷向量地址。（3）中斷處理過程中斷處理過程可分以下幾個步驟：1）關(guān)中