計(jì)算機(jī)導(dǎo)論第五章-計(jì)算機(jī)組成

15計(jì)算機(jī)組成ComputerOrganization*2

能夠列出計(jì)算機(jī)的三個子系統(tǒng)；了解中央處理單元（CPU）的作用；了解指令周期的取指令-譯碼-執(zhí)行階段；

描述主存和它的地址空間；

區(qū)分主存和緩存；定義輸入/輸出子系統(tǒng)；

理解子系統(tǒng)間的互相連接，列出不同總線系統(tǒng)；

描述輸入/輸出尋址的不同方法.學(xué)習(xí)目標(biāo)通過學(xué)習(xí)本章，同學(xué)們應(yīng)該能夠:*3馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)：四大部分：算術(shù)邏輯單元、控制單元、存儲器、輸入/輸出單元。數(shù)據(jù)和程序以二進(jìn)制代碼形式存放在存儲器中，存放的位置由地址確定。控制單元根據(jù)存儲器中的指令序列（程序）進(jìn)行工作，并由程序計(jì)數(shù)器控制指令的執(zhí)行。算術(shù)邏輯單元和控制單元是其核心，稱為CPU*4計(jì)算機(jī)的組成部件可以分為三大部分（或子系統(tǒng)）:中央處理單元（CPU）、

主存儲器、輸入/輸出子系統(tǒng)Figure5.1計(jì)算機(jī)硬件（子系統(tǒng)）*5硬件外設(shè)主機(jī)CPU輸入設(shè)備輸出設(shè)備內(nèi)存外存磁盤硬盤光盤軟盤打印機(jī)音箱顯示器掃描儀鍵盤鼠標(biāo)攝像頭數(shù)碼相機(jī)主板*6處理器存儲子系統(tǒng)I/O子系統(tǒng)*7主板內(nèi)存總線插槽接口卡CPU串行接口USB接口芯片組主板是電腦的基板，是CPU、內(nèi)存、顯卡及各種擴(kuò)展卡的載體，是計(jì)算機(jī)各部件的連接工具。主板是否穩(wěn)定關(guān)系著整個電腦是否穩(wěn)定，主板的速度在一定程度上也制約著整機(jī)的速度。*85-1中央處理單元CENTRALPROCESSINGUNIT中央處理單元(CPU)用于數(shù)據(jù)的運(yùn)算.在大多數(shù)體系結(jié)構(gòu)中，它有三個組成部分：算術(shù)邏輯單元(ALU)控制單元寄存器組（

快速存儲單元）*9Figure5.2中央處理單元(CPU)*10算術(shù)邏輯單元Thearithmeticlogicunit(ALU)算術(shù)邏輯單元對數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯、移位和算術(shù)運(yùn)算。

邏輯運(yùn)算：非、與、或、異或移位運(yùn)算：邏輯移位運(yùn)算和算術(shù)移位運(yùn)算。邏輯移位運(yùn)算對無符號整數(shù)進(jìn)行向左或右的移位

算術(shù)移位運(yùn)算對帶符號整數(shù)進(jìn)行向左或右的移位算術(shù)運(yùn)算：第4章已討論整數(shù)和實(shí)數(shù)的算術(shù)運(yùn)算。*11寄存器Registers寄存器是用來臨時(shí)存放數(shù)據(jù)的高速獨(dú)立的存儲單元。CPU的運(yùn)算離不開多個寄存器。數(shù)據(jù)寄存器：越來越多的復(fù)雜運(yùn)算改由硬件設(shè)備實(shí)現(xiàn)（不是使用軟件），所以在計(jì)算機(jī)中使用幾十個寄存器來提高運(yùn)算速度

指令寄存器：CPU的主要職責(zé)是，從內(nèi)存中逐條地取出指令，并將取出的指令存儲在指令寄存器中，解釋并執(zhí)行指令

程序計(jì)數(shù)器：程序計(jì)數(shù)器中保存著當(dāng)前正在執(zhí)行的指令，當(dāng)前指令執(zhí)行完后，計(jì)數(shù)器自動加1，指向下一條指令的內(nèi)存地址*12控制單元ThecontrolunitCPU的第3個部分是控制單元，控制單元控制各個子系統(tǒng)的操作?？刂剖峭ㄟ^從控制單元發(fā)送到其他子系統(tǒng)的信號來進(jìn)行。*135-2主存儲器MAINMEMORY主存儲器是計(jì)算機(jī)的第2個子系統(tǒng)，是存儲單元的集合，每個存儲單元都有唯一的標(biāo)識，稱為地址。數(shù)據(jù)以位組的形式（字words）在內(nèi)存中輸入和輸出。字可以是8位、16位、32位，64位（還在增長）如果字是8位，一般稱1個字節(jié)（byte）字節(jié)在計(jì)算機(jī)科學(xué)中使用相當(dāng)普遍，也稱16位為2個字節(jié)，32位為4個字節(jié)*14Figure5.3主存儲器*15地址空間Addressspace在存儲器中存取每個字都需要有相應(yīng)的標(biāo)識符。盡管程序員使用命名的方式來區(qū)分字（或一組字的集合），但在硬件層次上，每個字都是通過地址來標(biāo)識的。所有在存儲器中標(biāo)識的獨(dú)立的地址單元的總數(shù)，稱為地址空間。例如，一個64KB（216）、字長為1字節(jié)的內(nèi)存的地址空間的范圍為0～65535。*16內(nèi)存地址用無符號二進(jìn)制整數(shù)定義。

i*1716千兆字節(jié)是（）字節(jié)？A、216B、234C、240D、244E、256解：B16千兆＝24×210×220Example5.1*1816T字節(jié)是（）字節(jié)？A、216B、234C、240D、244E、256解：D16T＝24×220×220Example5.2*19Example5.3一臺計(jì)算機(jī)有32MB（兆字節(jié)）內(nèi)存。需要多少位來尋址內(nèi)存中的任意一個字節(jié)？解：32MB，即225(25×220).意味著需要log2225（25位）來標(biāo)識每一個字節(jié)*20Example5.4一臺計(jì)算機(jī)有128MB內(nèi)存。計(jì)算機(jī)字長為8字節(jié)，需要多少位來尋址內(nèi)存中任意一個字？解：128MB，即227。每個字是8字節(jié)(23)，意味著需要224個字，即需要log2224（即24位）來標(biāo)識每一個字。*21如果存儲器地址空間是16MB，字長為8位，那么存取一個字需要多少（）位？A、8B、16C、21D、24E、27解：D16MB＝24×220Example5.5*22Example5.6一臺計(jì)算機(jī)有64MB內(nèi)存。每個字長為4字節(jié)，則在存儲器中對每個字尋址需要多少位？解：64MB，即226。每個字是4字節(jié)(22)，也就意味著有224個字，即需要log2224（即24位）來標(biāo)識每一個字。*23存儲器的類型Memorytypes主要有兩種類型的存儲器:RAM和ROM。隨機(jī)存取存儲器RandomAccessMemory(RAM)只讀存儲器

Read-OnlyMemory(ROM)*24隨機(jī)存取存儲器Randomaccessmemory(RAM)RAM是主存的主要組成部分。在RAM中，可以用存儲單元地址來隨機(jī)存取一個數(shù)據(jù)項(xiàng)，而不需存取位于它前面的所有數(shù)據(jù)項(xiàng)。特性1：可以讀寫RAM，即用戶可以在RAM中寫信息，之后可以方便地通過覆蓋來擦除原有信息。特性2：易失性。當(dāng)系統(tǒng)斷電后，儲存在RAM中的信息被刪除*25

靜態(tài)RAM(SRAM)用觸發(fā)器門電路來保存數(shù)據(jù)，通電時(shí)，數(shù)據(jù)始終存在，不需要刷新。速度快，價(jià)格貴。

動態(tài)RAM(DRAM)使用電容器，充電狀態(tài)為1，放電狀態(tài)為0由于電容器會隨時(shí)間漏掉一部分電，內(nèi)存單元需周期性刷新速度較慢，但價(jià)格便宜隨機(jī)存取存儲器Randomaccessmemory(RAM)*26只讀存儲器Read-onlymemory(ROM)ROM的內(nèi)容是由制造商寫進(jìn)去的特性1：用戶只能讀不能寫。特性2：非易失性。當(dāng)切斷電源后，儲存在ROM中的數(shù)據(jù)不會丟失。通常用來存儲那些關(guān)機(jī)后也不能丟失的程序或數(shù)據(jù)*27可編程只讀存儲器(PROM)：借助特殊設(shè)備可將程序存儲在上面，程序被存儲后，就不能被重寫?？梢杂脕泶鎯σ恍┨囟ǖ某绦蚩刹脸目删幊讨蛔x存儲器(EPROM)：用戶可以對它進(jìn)行編程，但需要特殊儀器對其擦寫，需要拆下來擦除再重新安裝電可擦除的可編程只讀存儲器(EEPROM)：

編程和擦除用電子脈沖即可，無需從計(jì)算機(jī)上拆下來只讀存儲器Read-onlymemory(ROM)*28存儲器的層次結(jié)構(gòu)Memoryhierarchy用戶需要許多存儲器，尤其是速度快且價(jià)格低廉的存儲器。存取速度快的存儲器通常都不便宜。解決的辦法是采用存儲器的層次結(jié)構(gòu)。*29Figure5.4存儲器的層次結(jié)構(gòu)寄存器：速度要求苛刻。高速緩沖存儲器：需經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)主存：大量低速存儲器來存儲不經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)存儲器的層次結(jié)構(gòu)Memoryhierarchy*30高速緩沖存儲器Cachememory高速緩沖存儲器的存取速度要比主存快，但是比CPU及其內(nèi)部的寄存器要慢。高速緩沖存儲器通常容量較小，且常被置于CPU和主存之間。Figure5.5高速緩沖存儲器*31高速緩沖存儲器Cachememory高速緩沖存儲器在任何時(shí)間都包含主存中一部分內(nèi)容的副本，當(dāng)CPU要存取主存中的一個字時(shí)，按步驟進(jìn)行：首先檢查高速緩存；若該字存在，CPU將其復(fù)制；若不存在，CPU從主存中拷貝一份從需要讀取的字開始的數(shù)據(jù)塊，該數(shù)據(jù)塊覆蓋高速緩存的內(nèi)容；CPU存取高速緩沖存儲器并拷貝該字。*32高速緩沖存儲器Cachememory高速緩存存儲容量小、效率卻很高。80-20規(guī)則.據(jù)觀察，通常計(jì)算機(jī)花費(fèi)80％的時(shí)間來讀取20％的數(shù)據(jù)高速緩存，可以存儲這20％的數(shù)據(jù)而使存取至少快80％*3380-20規(guī)則20%的人掌握著世界上80%的財(cái)富，80%的人掌握著世界上20%的財(cái)富；20%的時(shí)間完成全天80%的工作，而另外80%的時(shí)間，卻只收獲了20%的成果；公司20%的員工創(chuàng)造了80%的利潤；80%的人，受人支配；20%的人，支配別人。*345-3輸入/輸出子系統(tǒng)INPUT/OUTPUTSUBSYSTEM第三個子系統(tǒng)是輸入/輸出子系統(tǒng)。

I/O子系統(tǒng)可以使計(jì)算機(jī)與外界通信，并在斷電的情況下，存儲程序和數(shù)據(jù)。輸入/輸出設(shè)備可以分為兩大類:非存儲設(shè)備存儲設(shè)備*35非存儲設(shè)備Non-storagedevices非存儲設(shè)備使得CPU/內(nèi)存可以與外界通信，但它們不能存儲信息。鍵盤和顯示器：鍵盤提供輸入功能，顯示器顯示輸出并同時(shí)響應(yīng)鍵盤的輸入。打印機(jī)：非存儲設(shè)備。用于產(chǎn)生永久記錄的輸出設(shè)備。*36存儲設(shè)備Storagedevices盡管存儲設(shè)備被分為輸入/輸出設(shè)備，但它可以存儲大量的信息以備后用。比主存便宜，且存儲的信息也不易丟失（即使斷電，信息也不會丟失）。也稱為輔助存儲設(shè)備，通常分為兩種：磁介質(zhì)光介質(zhì)

*37硬盤片讀寫磁頭*38Figure5.6磁盤磁介質(zhì)存儲設(shè)備磁介質(zhì)存儲設(shè)備使用磁性來存儲位數(shù)據(jù)一點(diǎn)有磁性則表示1，沒有磁性則表示0磁盤由一張一張磁片疊加而成，這些磁片由薄磁膜封裝。通過讀寫磁頭讀寫磁介質(zhì)表面來進(jìn)行信息讀取和存儲。*39磁盤表面結(jié)構(gòu)：為了將數(shù)據(jù)存儲在磁盤的表面，每個盤面被劃分成磁道，每個磁道分成若干個扇區(qū)。通過間隔隔開。數(shù)據(jù)存?。捍疟P是隨機(jī)存取設(shè)備。數(shù)據(jù)項(xiàng)可以被隨機(jī)存取，不需存取放置在其前的所有其他數(shù)據(jù)。在某一時(shí)間，可以讀取的最小存儲區(qū)域只能是一個扇區(qū)。Figure5.6磁盤*40磁盤性能磁盤性能取決于角速度、尋道時(shí)間、傳送時(shí)間。角速度：磁盤的旋轉(zhuǎn)速度尋道時(shí)間：讀/寫磁頭尋找數(shù)據(jù)所在磁道的時(shí)間傳送時(shí)間：將數(shù)據(jù)從磁盤移到CPU/內(nèi)存所需要的時(shí)間。*41Figure5.7磁帶磁帶磁帶用兩個滾輪承接起來當(dāng)轉(zhuǎn)動的磁帶通過讀/寫磁頭的時(shí)候，就可以通過磁頭來讀寫磁帶上的數(shù)據(jù)。*42磁帶表面結(jié)構(gòu)：磁帶寬度分為9個磁道，8位存儲數(shù)據(jù)，1位錯誤檢測。數(shù)據(jù)存?。喉樞虼嫒≡O(shè)備。讀取指定的塊要按順序通過其前所有的塊。性能：廉價(jià)，速度比磁盤慢，存儲大容量數(shù)據(jù)Figure5.7磁帶*43光存儲設(shè)備光存儲設(shè)備使用光技術(shù)來存儲和讀取數(shù)據(jù)。需要借助激光把轉(zhuǎn)換后的二進(jìn)制數(shù)據(jù)刻在具有反射能力的盤片上。與磁盤相同，光存儲設(shè)備也是以二進(jìn)制數(shù)據(jù)的形式來存儲信息。*44光存儲設(shè)備光存儲是由光盤表面的介質(zhì)影響的光盤上有凹凸不平的小坑，光照射到上面有不同的反射，再轉(zhuǎn)化為0、1的數(shù)字信號，就成了光存儲。為了識別數(shù)據(jù)，光盤上定義激光刻出的坑代表二進(jìn)制的1，而空白處則代表0；也可反過來表示。*45光存儲設(shè)備發(fā)明了CD后，人們利用光存儲設(shè)備來保存音頻信息，現(xiàn)在，人們利用這種技術(shù)來存儲計(jì)算機(jī)上的信息。使用這種技術(shù)的設(shè)備有：只讀光盤（CD-ROM）可刻錄光盤（CD-R）可重寫光盤（CD-RW）數(shù)字多功能光盤（DVD）*46CD-ROMCD-ROM技術(shù)分三步來制造大量光盤：制造主盤：使用高性能紅外激光在涂層上刻寫位模式。使用位模式編程一系列的坑（表示0）和紋間表面（表示1），也可反過來表示。依照主盤做成模盤，坑（洞）由凸起代替；批量生產(chǎn)：溶解的聚碳酸酯樹脂被注入到模盤中，產(chǎn)生像主盤一樣的坑，并把一層薄鋁加到樹脂上，在反射表面加上一層保護(hù)漆和標(biāo)簽。*47CD-ROM讀CD-ROM靠來自光驅(qū)的低能激光束信息。激光束經(jīng)過紋間表面，會被鋁質(zhì)反射層反射；經(jīng)過坑時(shí)會被反射兩次（一次是被坑的邊緣反射，一次被鋁質(zhì)反射層的邊界反射），這兩次反射有破壞性的影響。換言之，驅(qū)動器上的感應(yīng)器：對于紋間表面，應(yīng)探測到多一些的光信號；是坑時(shí)就少一點(diǎn)，這樣才可以讀出記錄在原始主盤上的信息。*48CD-ROMCD-ROM使用與CD相同的技術(shù)，唯一區(qū)別：增強(qiáng)程度不同，CD-ROM更健壯，且糾錯能力較強(qiáng)Figure5.8制造和使用CD-ROM的步驟*49Figure5.9CD-ROM的格式CD-ROM格式基于：使用漢明碼的糾錯技術(shù)將8位數(shù)據(jù)塊轉(zhuǎn)換成14位符號；一個幀由42個符號組成（14bits/符號）；一個扇區(qū)由98個幀組成（2352個byte）。*50速度：CD-ROM驅(qū)動器有不同速度單倍速稱為1x，以此類推驅(qū)動器單倍速的，讀取速度為153600字節(jié)/秒*51CD-ROM應(yīng)用：若有大量的潛在客戶，則制造主盤、模盤、實(shí)際光盤所需的費(fèi)用是可以調(diào)節(jié)的。若大量生產(chǎn)盤片，則這項(xiàng)技術(shù)非常經(jīng)濟(jì)。*52可刻錄光盤CD-RCD-ROM只有在生產(chǎn)商大批量生產(chǎn)時(shí)才合理。CD-R可以讓用戶自己制作一張或更多的盤片，而不必考慮像制作CD-ROM時(shí)的開銷。CD-R非常適合做備份，用戶只需一次寫入信息，就可多次讀取信息，“寫一次、讀多次”。CD-R對制作和發(fā)布少量光盤的用戶很有吸引力，也非常適合于制作檔案文件與備份。*53Figure5.10制作CD-R制造CD-R的技術(shù)與CD-ROM的原理相同，不同之處：a不需要主盤或模盤；b反射層材料用金取代了鋁；c盤片聚碳酸酯樹脂上沒有坑，坑與紋間表面是模擬出來的。d坑由刻錄機(jī)產(chǎn)生的高能激光束在染料層上燒制深色的點(diǎn)來模擬，沒有被激光照射的區(qū)域就是紋間表面。*54可刻錄光盤CD-RCD-R上的信息可以由CD-ROM驅(qū)動器和CD-R驅(qū)動器讀取。任何差別對于驅(qū)動器來說都是透明的。相同的低能激光束經(jīng)過模擬的坑和紋間區(qū)域，對紋間區(qū)域，激光束被反射；對于模擬的坑，點(diǎn)是不透明的，所以激光束不會被反射。CD-R的格式、容量和速度與CD-ROM相同*55可刻錄光盤CD-RW盡管CD-R已經(jīng)很受歡迎，但只能寫一次，為了能夠重寫，出現(xiàn)了可擦寫光盤技術(shù)。寫數(shù)據(jù)：驅(qū)動器使用高能激光束照射合金層，將它從晶體態(tài)轉(zhuǎn)變成

無定型態(tài)，降低反射性。可以模擬CD-ROM盤片上的坑。

讀數(shù)據(jù)：驅(qū)動器使用與CD-ROM和CD-R一樣的低能激光束，來檢測是坑還是紋間表面。擦除數(shù)據(jù)：驅(qū)動器使用中等能量的激光束將坑變成紋間表面，激光束將該點(diǎn)從無定型態(tài)變成晶體態(tài)。*56Figure5.11制作CD-RW制作CD-RW與CD-R的原理相同，不同之處：a使用了銀、錮、銻等合金而不是染料，這種合金有兩種穩(wěn)定狀態(tài)：晶體態(tài)與無定型態(tài)；b驅(qū)動器使用高能激光束在合金上創(chuàng)建模擬的坑（晶體態(tài)變成不定型態(tài)）*57CD-RW的格式、容量、速度與CD-ROM相同，CD-RW技術(shù)比CD-R更有吸引力。但CD-R還是更受歡迎，原因有兩點(diǎn)：CD-R空盤價(jià)格比CD-RW要便宜。CD-R在某些不容改變光盤內(nèi)容的場合更合適，不論是有意還是無意的改變?？煽啼浌獗PCD-RW*58數(shù)字多功能光盤DVDCD-ROM的存儲容量已經(jīng)不能滿足視頻信息存儲的需要，DVD采用類似CD-ROM的技術(shù)，區(qū)別：坑更?。篋VD直徑0.4微米，CD直徑0.8微米磁道間更緊密激光束使用紅激光代替了紅外激光DVD使用1-2個存儲層，且可以是單面或雙面DVD采用MPEG壓縮技術(shù)，一個單面、單層的DVD可存儲133分鐘（2小時(shí)13分）的高品質(zhì)視頻*59*605-4子系統(tǒng)的互連SUBSYSTEMINTERCONNECTION計(jì)算機(jī)的三個子系統(tǒng)（CPU、主存、輸入/輸出）是如何互聯(lián)的？互連扮演著很重要的角色信息需要在這三個子系統(tǒng)中交換*61CPU和存儲器的連接ConnectingCPUandmemoryCPU和內(nèi)存之間通常由總線連接在一起，分別是：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線Figure5.12使用三種總線連接CPU和存儲器*62CPU和存儲器的連接ConnectingCPUandmemory數(shù)據(jù)總線：由多根線組成，每根線上傳送1位數(shù)據(jù)。線的數(shù)量取決于計(jì)算機(jī)字長的大小。如：計(jì)算機(jī)字長是32位，則需要32根數(shù)據(jù)總線，以便同時(shí)傳送32位數(shù)據(jù)。*63CPU和存儲器的連接ConnectingCPUandmemory地址總線：允許訪問存儲器中的每個字，地址總線的線數(shù)取決于存儲空間的大小。若存儲器容量為2n個字，則地址總線一次需要傳送n位的地址數(shù)據(jù)，故需n根線。*64CPU和存儲器的連接ConnectingCPUandmemory控制總線：負(fù)責(zé)在CPU和內(nèi)存之間傳送信息。如：必須有一個代碼從CPU發(fā)往內(nèi)存，用于指定進(jìn)行的操作。取決于計(jì)算機(jī)所需的控制命令總數(shù)，若有2m條控制命令，則控制總線就需要m根*65I/O設(shè)備的連接ConnectingI/OdevicesI/O設(shè)備不能直接與連接CPU和內(nèi)存的總線相連。因?yàn)镮/O設(shè)備與CPU、內(nèi)存的本質(zhì)不同。I/O設(shè)備是機(jī)電、磁性或光學(xué)設(shè)備，然而，CPU、內(nèi)存是電子設(shè)備。與CPU、內(nèi)存相比，I/O設(shè)備的操作速度要慢得多。必須要有中介來處理這種差異。I/O設(shè)備通過輸入/輸出控制器或接口的器件連接到總線上。*66Figure5.13I/O設(shè)備與總線的連接控制器清除了I/O設(shè)備與CPU及內(nèi)存在本質(zhì)上的障礙控制器串行控制器只有一根數(shù)據(jù)線連在設(shè)備上，并行控制器有數(shù)根數(shù)據(jù)線連到設(shè)備上，使得一次能同時(shí)傳送多個位。*67Figure5.14SCSI控制器小型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)接口SCSI（SmallComputerSystemInterface）SCSI是一個8、16或32線的并行接口。提供了菊花鏈連接，鏈的兩端必須有終結(jié)器，每個設(shè)備必須有唯一的地址*68Figure5.15火線控制器火線控制器IEEE1394，俗稱火線接口，主要用于視頻采集高速的串行接口，數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)包的形式傳送。不需要SCSI控制器中那樣的終結(jié)器。*69Figure5.16USB控制器通用串行總線USB控制器（UniversalSerialBUS）USB使用4根線，兩邊長的是電源線，中間短的是數(shù)據(jù)線。通過USB的數(shù)據(jù)是以包的形式傳輸?shù)?，包括：地址部分、控制部分、?shù)據(jù)部分*70輸入/輸出設(shè)備的尋址Addressinginput/outputdevices通常CPU使用相同的總線在主存和輸入/輸出設(shè)備之間讀寫數(shù)據(jù)。唯一的不同是指令。若指令涉及主存中的字，則數(shù)據(jù)會在主存和CPU之間傳送。若指令涉及輸入/輸出設(shè)備，則數(shù)據(jù)會在輸入/輸出設(shè)備和CPU之間傳送。有兩種方法用來對輸入/輸出設(shè)備進(jìn)行尋址：即I/O獨(dú)立尋址和I/O存儲器映射尋址*71I/O獨(dú)立尋址在I/O獨(dú)立尋址中，讀/寫內(nèi)存的指令與讀/寫I/O設(shè)備的指令是完全不同的。每個I/O設(shè)備有自己的地址。I/O設(shè)備的地址可以和內(nèi)存地址交迭而不會產(chǎn)生混淆。*72Figure5.17I/O獨(dú)立尋址I/O獨(dú)立尋址在I/O獨(dú)立尋址中，CPU用來讀/寫內(nèi)存的指令Read/Write，從輸入/輸出設(shè)備中讀寫數(shù)據(jù)Input/Output*73Figure5.18I/O存儲器映射尋址I/O存儲器映射尋址CPU將輸入/輸出控制器中的每個寄存器都看作是內(nèi)存中的某個存儲字優(yōu)點(diǎn)：指令集較小。缺點(diǎn)：輸入/輸出控制器占用了一部分內(nèi)存地址*745-5程序執(zhí)行

PROGRAMEXECUTION通用計(jì)算機(jī)使用一系列指令（程序）來處理數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)通過執(zhí)行程序，將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成輸出數(shù)據(jù)。程序和數(shù)據(jù)都放在內(nèi)存中。在本章最后，將給出假想簡單計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的幾個例子

i*75機(jī)器周期MachinecycleCPU利用重復(fù)的機(jī)器周期來執(zhí)行程序中的指令，一步一條，從開始到結(jié)束。一個簡化的周期包括3步：取指令、譯碼、執(zhí)行取指令：控制單元將下一條要執(zhí)行的指令復(fù)制到指令寄存器IR，并復(fù)制指令地址到程序計(jì)數(shù)器PC，復(fù)制后PC自動加1指向內(nèi)存中下一條指令。譯碼：控制單元負(fù)責(zé)譯碼，生成可以執(zhí)行的二進(jìn)制代碼。執(zhí)行：控制單元發(fā)送任務(wù)命令，例如：從內(nèi)存中加載or輸出數(shù)據(jù)，ALU將兩數(shù)相加。*76機(jī)器周期MachinecycleFigure5.19機(jī)器周期的步驟*77假如1臺計(jì)算機(jī)有16個數(shù)據(jù)寄存器（R0～R15），1024個字的存儲空間，16種不同的指令(如store、add等)，那么下面這條指令需要占多少位空間？STOREMR2解：16種指令，需要4位1024個字的存儲空間，需要10位16個數(shù)據(jù)寄存器，需要4位4+10+4=18位Example5.7*78假如1臺計(jì)算機(jī)有16個數(shù)據(jù)寄存器（R0～R15），1024個字的存儲空間，16種不同的指令，計(jì)算機(jī)中的指令寄存器大小是多少位？解：16種指令，需要4位1024個字的存儲空間，需要10位進(jìn)行尋址16個數(shù)據(jù)寄存器，需要4位4+10+4=18位Example5.8*79假如1臺計(jì)算機(jī)有16個數(shù)據(jù)寄存器（R0～R15），1024個字的存儲空間，16種不同的指令，計(jì)算機(jī)中的程序計(jì)數(shù)器大小是多少位？解：程序計(jì)數(shù)器要求能夠描述內(nèi)存中每個字的內(nèi)存地址，1024個字的存儲空間，需要10位表示Example5.9*80假如1臺計(jì)算機(jī)有16個數(shù)據(jù)寄存器（R0～R15），1024個字的存儲空間，16種不同的指令，如果數(shù)據(jù)和指令使用相同的字長，那么每個數(shù)據(jù)寄存器大小是多少位？解：4+10+4=18位Example5.10*81假如1臺計(jì)算機(jī)有16個數(shù)據(jù)寄存器（R0～R15），1024個字的存儲空間，16種不同的指令，如果數(shù)據(jù)和指令使用相同的字長，數(shù)據(jù)總線多少位？地址總線多少位？控制總線多少位？解：數(shù)據(jù)總線：4+10+4=18位地址總線尋址內(nèi)存中的字：10位控制總線處理所有的指令：4位Example5.11*82輸入/輸出操作Input/outputoperation計(jì)算機(jī)需要通過命令把數(shù)據(jù)從I/O設(shè)備傳到CPU和內(nèi)存。由于I/O設(shè)備的運(yùn)行速度比CPU要慢得多，因此CPU的操作在某種程度上必須和I/O設(shè)備同步。有三種方法被設(shè)計(jì)用于同步，分別為：

程序控制輸入/輸出ProgrammedI/O

中斷控制輸入/輸出InterruptdrivenI/O

直接存儲器存取Directmemoryaccess(DMA)*83CPU等待I/O設(shè)備。CPU和I/O設(shè)備之間的傳輸通過指令實(shí)現(xiàn)，遇到一條I/O指令，則停止工作直到數(shù)據(jù)傳輸完畢。CPU不時(shí)地查詢I/O驅(qū)動器的狀態(tài)缺點(diǎn)：當(dāng)每一個單元數(shù)據(jù)被傳輸時(shí)，CPU都要浪費(fèi)時(shí)間去查詢I/O設(shè)備的狀態(tài)。程序控制輸入/輸出*84Figure5.20程序控制輸入/輸出程序控制輸入/輸出*85首先CPU告知I/O設(shè)備即將開始傳輸CPU不需要不斷地查詢I/O設(shè)備的狀態(tài)，當(dāng)I/O設(shè)備準(zhǔn)備好時(shí)，通知CPU（中斷）在這過程中，CPU還可以做其他工作優(yōu)點(diǎn)：沒有浪費(fèi)CPU。當(dāng)慢速的I/O設(shè)備正在完成一項(xiàng)工作時(shí)，CPU可以做其他工作。中斷控制輸入/輸出*86Figure5.21中斷控制輸入/輸出中斷控制輸入/輸出*87直接存儲器存取用于在高速I/O設(shè)備之間傳輸大量數(shù)據(jù)塊，如磁盤、內(nèi)存（不需要通過CPU的數(shù)據(jù)傳輸）。該方法需要一個DMA控制器來承擔(dān)CPU的一些功能。DMA控制器中有寄存器，可以在內(nèi)存?zhèn)鬏斍昂蟊４鏀?shù)據(jù)。*88直接存儲器存取進(jìn)行I/O操作時(shí)，CPU發(fā)送消息給DMA，之后CPU轉(zhuǎn)向其他工作。消息包括：傳輸類型（輸入or輸出）、內(nèi)存單元起始地址、傳輸字節(jié)數(shù)準(zhǔn)備好傳輸時(shí)，DMA控制器請求CPU的總線使用權(quán)，CPU停止使用總線并轉(zhuǎn)給DMA控制器內(nèi)存和DMA間的數(shù)據(jù)傳輸完成后，CPU繼續(xù)正常工作注意：CPU僅在DMA和內(nèi)存間傳輸數(shù)據(jù)時(shí)才空閑，而不是在設(shè)備為傳輸做準(zhǔn)備時(shí)。*89Figure5.22DMA和一般總線的連接直接存儲器存取*90Figure5.23DMA輸入/輸出直接存儲器存取*915-6簡單計(jì)算機(jī)ASIMPLECOMPUTER為了解釋計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，及它們的指令處理，引入一臺簡單（非真實(shí)的）計(jì)算機(jī)以更好地理解。簡單計(jì)算機(jī)有三個組成部分：CPU、存儲器、輸入/輸出子系統(tǒng)。*92Figure5.30簡單計(jì)算機(jī)的組成*93指令集Instructionset簡單計(jì)算機(jī)具有16條指令集的能力，但我們只使用14條指令每條計(jì)算機(jī)指令由兩部分構(gòu)成：操作碼、操作數(shù)操作碼指明了在操作數(shù)上執(zhí)行的操作類型。每條指令由16位組成，被分成4個4位的域。最左邊的域含有操作碼，其他3個域含有操作數(shù)或操作數(shù)的地址，如圖5-31所示。*94Figure5.31格式和不同指令類型*95處理指令Processingtheinstructions機(jī)器周期三個階段：取指令、