【计算机组成原理】重点总结(详版)
【計(jì)算機(jī)組成原理】復(fù)習(xí)
【考查目標(biāo)】
一、 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概述
（一） 計(jì)算機(jī)發(fā)展歷程
第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer）誕生于1946年的美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)。ENIAC用了18000電子管、1500繼電器、重30噸、占地170m3、耗電140kw、每秒計(jì)算5000次加法。馮?諾依曼（VanNeumann）首次提出存儲(chǔ)程序的概念，將數(shù)據(jù)和程序一起放在存儲(chǔ)器中，使得編程更加方便。50多年來(lái)，雖然對(duì)馮?諾依曼機(jī)進(jìn)行了很多改革，但結(jié)構(gòu)變化不大，仍然稱為馮?諾依曼機(jī)。
一般把計(jì)算機(jī)的發(fā)展分為四個(gè)階段：
第一代（1946-50‘s后期）：電子管計(jì)算機(jī)時(shí)代；
第二代（50‘s中期-60’s后期）：晶體管計(jì)算機(jī)時(shí)代；
第三代（60‘s中期-70’s前期）：集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代；
第四代（70‘s初-）：大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)時(shí)代。
（二） 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)
1. 計(jì)算機(jī)硬件的基本組成
計(jì)算機(jī)硬件主要指計(jì)算機(jī)的實(shí)體部分，通常有運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入和輸出五部分。
CPU是指將運(yùn)算器和控制器集成到一個(gè)電路芯片中。
2. 計(jì)算機(jī)軟件的分類
計(jì)算機(jī)軟件按照面向?qū)ο蟮牟煌煞謨深?#xff1a;
系統(tǒng)軟件：用于管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，合理分配系統(tǒng)資源，確保計(jì)算機(jī)正常高效地運(yùn)行，這類軟件面向系統(tǒng)。
應(yīng)用軟件：是面向用戶根據(jù)用戶的特殊要求編制的應(yīng)用程序，這類軟件通常實(shí)現(xiàn)用戶的某類要求。
3. 計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程
（1）計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程就是執(zhí)行指令的過(guò)程
指令由操作碼和操作數(shù)組成：
操作碼 地址碼
（2）指令的存儲(chǔ)
指令按照存儲(chǔ)器的地址順序連續(xù)的存放在存儲(chǔ)器中。
（3）指令的讀取
為了紀(jì)錄程序的執(zhí)行過(guò)程，需要一個(gè)記錄讀取指令地址的寄存器，稱為指令地址寄存器，或者程序計(jì)數(shù)器。指令的讀取就可以根據(jù)程序計(jì)數(shù)器所指出的指令地址來(lái)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(jì)數(shù)器加一就為讀取下一條指令做好準(zhǔn)備。
（4）執(zhí)行指令的過(guò)程
在控制器的控制下，完成以下三個(gè)階段任務(wù):
1）取指令階段
按照程序計(jì)數(shù)器取出指令，程序計(jì)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(zhǔn)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
4. 計(jì)算機(jī)性能指標(biāo)
4.1 吞吐量、響應(yīng)時(shí)間
（1) 吞吐量：單位時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)輸出數(shù)量。
（2) 響應(yīng)時(shí)間：從事件開(kāi)始到事件結(jié)束的時(shí)間，也稱執(zhí)行時(shí)間。
4.2 CPU時(shí)鐘周期、主頻、CPI、CPU執(zhí)行時(shí)間
（1） CPU時(shí)鐘周期：機(jī)器主頻的倒數(shù)，Tc
（2）主頻：CPU工作主時(shí)鐘的頻率，機(jī)器主頻Rc
（3）CPI：執(zhí)行一條指令所需要的平均時(shí)鐘周期
（4）CPU執(zhí)行時(shí)間：
TCPU=In×CPI×TC
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(shí)鐘周期數(shù)
TC時(shí)鐘周期時(shí)間的長(zhǎng)度
4.3 MIPS、MFLOPS
（1）MIPS：
Te：執(zhí)行該程序的總時(shí)間
In：執(zhí)行該程序的總指令數(shù)
Rc：時(shí)鐘周期Tc的到數(shù)
MIPS只適合評(píng)價(jià)標(biāo)量機(jī)，不適合評(píng)價(jià)向量機(jī)。標(biāo)量機(jī)執(zhí)行一條指令，得到一個(gè)運(yùn)行結(jié)果。而向量機(jī)執(zhí)行一條指令，可以得到多個(gè)運(yùn)算結(jié)果。
（2） MFLOPS：
MFLOPS(Million Floating Point Operations Per Second)
MFLOPS=Ifn/(Te×106)
Ifn：程序中浮點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算次數(shù)
MFLOPS測(cè)量單位比較適合于衡量向量機(jī)的性能。一般而言，同一程序運(yùn)行在不同的計(jì)算機(jī)上時(shí)往往會(huì)執(zhí)行不同數(shù)量的指令數(shù)，但所執(zhí)行的浮點(diǎn)數(shù)個(gè)數(shù)常常是相同的。
二、 數(shù)據(jù)的表示和運(yùn)算
（一） 數(shù)制與編碼
1. 進(jìn)位計(jì)數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換
1）進(jìn)位計(jì)數(shù)制
進(jìn)位計(jì)數(shù)制是指按照進(jìn)位制的方法表示數(shù)，不同的數(shù)制均涉及兩個(gè)基本概念：基數(shù)和權(quán)。
基數(shù)：進(jìn)位計(jì)數(shù)制中所擁有數(shù)字的個(gè)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(gè)常數(shù)就是權(quán)。
任意一個(gè)R進(jìn)制數(shù)X，設(shè)整數(shù)部分為n位，小數(shù)部分為m位，則X可表示為：
X＝an-1rn-1 + an-2rn-2 + ┅ + a0r0 + 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(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)
利用上面講到的公式：
(N)2=∑Di?2i 、(N)8=∑Di?8i、 (N)16=∑Di?16i、進(jìn)行計(jì)算。
（2）十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)
通常要對(duì)一個(gè)數(shù)的整數(shù)部分和小數(shù)部分分別進(jìn)行處理，各自得出結(jié)果后再合并。
對(duì)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(jìn)制數(shù)除以2，所得余數(shù)（0或1）即為對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)最低位的值。然后對(duì)上次所得商除以2，所得余數(shù)即為二進(jìn)制數(shù)次低位的值，如此進(jìn)行下去，直到商等于0為止，最后得的余數(shù)是所求二進(jìn)制數(shù)最高位的值。
對(duì)小數(shù)部分，一般用乘2取整數(shù)法，其規(guī)則如下：
將十進(jìn)制數(shù)乘以2，所得乘積的整數(shù)部分即為對(duì)應(yīng)二進(jìn)制小數(shù)最高位的值，然后對(duì)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(jìn)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(jìn)制數(shù)、八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換
八進(jìn)制數(shù)和十六進(jìn)制數(shù)是從二進(jìn)制數(shù)演變而來(lái)的：
由3位二進(jìn)制數(shù)組成1位八進(jìn)制數(shù)；
由4位二進(jìn)制數(shù)組成1位十六進(jìn)制數(shù)。
對(duì)于一個(gè)兼有整數(shù)和小數(shù)部分的數(shù)以小數(shù)點(diǎn)為界，小數(shù)點(diǎn)前后的數(shù)分別分組進(jìn)行處理，不足的位數(shù)用0補(bǔ)足。
對(duì)整數(shù)部分將0補(bǔ)在數(shù)的左側(cè)，對(duì)小數(shù)部分將0補(bǔ)在數(shù)的右側(cè)。這樣數(shù)值不會(huì)發(fā)生差錯(cuò)。
2. 真值和機(jī)器數(shù)
真值：數(shù)據(jù)的數(shù)值通常以正(+)負(fù)(-)號(hào)后跟絕對(duì)值來(lái)表示，稱之為?真值?。
機(jī)器數(shù)：在計(jì)算機(jī)中正負(fù)號(hào)也需要數(shù)字化，一般用0表示正號(hào)，1表示負(fù)號(hào)。把符號(hào)數(shù)字化的數(shù)成為機(jī)器數(shù)。
3. BCD碼
在計(jì)算機(jī)中采用4位二進(jìn)制碼對(duì)每個(gè)十進(jìn)制數(shù)位進(jìn)行編碼。4位二進(jìn)制碼有16種不同的組合，從中選出10種來(lái)表示十進(jìn)制數(shù)位的0～9，用0000，0001，…，1001分別表示0，1，…，9，每個(gè)數(shù)位內(nèi)部滿足二進(jìn)制規(guī)則，而數(shù)位之間滿足十進(jìn)制規(guī)則，故稱這種編碼為?以二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制（binary coded decima1，簡(jiǎn)稱BCD）碼?。
在計(jì)算機(jī)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)BCD碼算術(shù)運(yùn)算，要對(duì)運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行修正，對(duì)加法運(yùn)算的修正規(guī)則是：
如果兩個(gè)一位BCD碼相加之和小于或等于(1001)2，即(9)10，不需要修正；
如相加之和大于或等于(1010)2，或者產(chǎn)生進(jìn)位，要進(jìn)行加6修正，如果有進(jìn)位，要向高位進(jìn)位。
4. 字符與字符串
在計(jì)算機(jī)中要對(duì)字符進(jìn)行識(shí)別和處理，必須通過(guò)編碼的方法，按照一定的規(guī)則將字符用一組二進(jìn)制數(shù)編碼表示。字符的編碼方式有多種，常見(jiàn)的編碼有ASCII碼、EBCDIC碼等。
1）ASCII碼
ASCII碼用7位二進(jìn)制表示一個(gè)字符，總共128個(gè)字符元素，包括10個(gè)十進(jìn)制數(shù)字（0-9）、52個(gè)英文字母（A-Z和a-z）、34專用符號(hào)和32控制符號(hào)。
2）EBCDIC碼為Extended Binary Coded Decimal Interchange Code的簡(jiǎn)稱，它采用8位來(lái)表示一個(gè)字符。
3）字符串的存放
向量存儲(chǔ)法：字符串存儲(chǔ)時(shí)，字符串中的所有元素在物理上是鄰接的。
串表存儲(chǔ)法：字符串的每個(gè)字符代碼后面設(shè)置一個(gè)鏈接字，用于指出下一個(gè)字符的存儲(chǔ)單元的地址。
5. 校驗(yàn)碼
數(shù)據(jù)校驗(yàn)碼是一種常用的帶有發(fā)現(xiàn)某些錯(cuò)誤或自動(dòng)改錯(cuò)能力的數(shù)據(jù)編碼方法。其實(shí)現(xiàn)原理，是加進(jìn)一些冗余碼，使合法數(shù)據(jù)編碼出現(xiàn)某些錯(cuò)誤時(shí)，就成為非法編碼。
這樣，可以通過(guò)檢測(cè)編碼的合法性來(lái)達(dá)到發(fā)現(xiàn)錯(cuò)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(cuò)誤的能力，或達(dá)到自動(dòng)改正錯(cuò)誤的目的。
碼距： 碼距根據(jù)任意兩個(gè)合法碼之間至少有幾個(gè)二進(jìn)制位不相同而確定的，僅有一位不同，稱其碼距為1。
1）奇偶校驗(yàn)碼
它的實(shí)現(xiàn)原理，是使碼距由1增加到2。若編碼中有1位二進(jìn)制數(shù)出錯(cuò)了，即由1變成0，或者由0變成1。這樣出錯(cuò)的編碼就成為非法編碼，就可以知道出現(xiàn)了錯(cuò)誤。在原有的編碼之上再增加一位校驗(yàn)位，原編碼n位，形成新的編碼為n+1 位。增加的方法有2種：
奇校驗(yàn)：增加位的0或1要保證整個(gè)編碼中1的個(gè)數(shù)為奇數(shù)個(gè)。
偶校驗(yàn)：增加位的0或1要保證整個(gè)編碼中1的個(gè)數(shù)為偶數(shù)個(gè)。
2）海明校驗(yàn)碼
它的實(shí)現(xiàn)原理，是在數(shù)據(jù)中加入幾個(gè)校驗(yàn)位，并把數(shù)據(jù)的每一個(gè)二進(jìn)制位分配在幾個(gè)奇偶校驗(yàn)組中。當(dāng)某一位出錯(cuò)就會(huì)引起有關(guān)的幾個(gè)校驗(yàn)組的值發(fā)生變化，這不但可以發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)，還能指出是哪一位出錯(cuò)，為自動(dòng)糾錯(cuò)提供了依據(jù)。
假設(shè)校驗(yàn)位的個(gè)數(shù)為r，則它能表示2r個(gè)信息，用其中的一個(gè)信息指出?沒(méi)有錯(cuò)誤?，其余2r-1個(gè)信息指出錯(cuò)誤發(fā)生在哪一位。然而錯(cuò)誤也可能發(fā)生在校驗(yàn)位，因此只有
k=2r-1-r個(gè)信息能用于糾正被傳送數(shù)據(jù)的位數(shù)，也就是說(shuō)要滿足關(guān)系：
2r>=k+r+1
3）CRC校驗(yàn)碼
CRC校驗(yàn)碼一般是指k位信息之后拼接r位校驗(yàn)碼。關(guān)鍵問(wèn)題是如何從k位信息方便地得到r位校驗(yàn)碼，以如何從位k+r信息碼判斷是否出錯(cuò)。
將帶編碼的k位有效信息位組表達(dá)為多項(xiàng)式：
M(x)=Ck-1xk-1+ Ck-2xk-2 + ┅ + Cixi + C1x + C0
式Ci中為0或1.
若將信息位左移r位，則可表示為多項(xiàng)式M(x).xr。這樣就可以空出r位，以便拼接r位校驗(yàn)位。
CRC碼是用多項(xiàng)式M(x).xr除以生成多項(xiàng)式G(x)所得的余數(shù)作為校驗(yàn)碼的。為了得到r位余數(shù)，G(x)必須是r+1位。
設(shè)所得的余數(shù)表達(dá)式為R(x)，商為Q(x)。將余數(shù)拼接在信息位組左移r位空出的r位上，就構(gòu)成了CRC碼，這個(gè)碼的可用多項(xiàng)式表達(dá)為：
M(x)·xr+R(x)=[Q(x)·G(x)+R(x)]+R(x)
=[Q(x)·G(x)]+[R(x)+R(x)]
=Q(x)·G(x)
因此，所得CRC碼可被G(x)表示的數(shù)碼除盡。
將收到的CRC碼用約定的生成多項(xiàng)式G(x)去除，如果無(wú)錯(cuò)，余數(shù)應(yīng)為0，有某一位出錯(cuò)，余數(shù)不為0.
（二） 定點(diǎn)數(shù)的表示和運(yùn)算
1. 定點(diǎn)數(shù)的表示
1）無(wú)符號(hào)數(shù)的表示
無(wú)符號(hào)數(shù)就是指正整數(shù)，機(jī)器字長(zhǎng)的全部位數(shù)均用來(lái)表示數(shù)值的大小，相當(dāng)于數(shù)的絕對(duì)值。
對(duì)于字長(zhǎng)為n+1位的無(wú)符號(hào)數(shù)的表示范圍為：
0-2n+1-1
2）帶符號(hào)數(shù)的表示
帶符號(hào)數(shù)是指在計(jì)算機(jī)中將數(shù)的符號(hào)數(shù)碼化。在計(jì)算機(jī)中，一般規(guī)定二進(jìn)制的最高位為符號(hào)位，最高位為??表示該數(shù)為正，為??表示該數(shù)為負(fù)。這種在機(jī)器中使用符號(hào)位也被數(shù)碼化的數(shù)稱為機(jī)器數(shù)。
根據(jù)符號(hào)位和數(shù)值位的編碼方法不同，機(jī)器數(shù)分為原碼、補(bǔ)碼和反碼。
（1）原碼表示法
機(jī)器數(shù)的最高位為符號(hào)位，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)，數(shù)值跟隨其后，并以絕對(duì)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(bǔ)碼表示法
機(jī)器數(shù)的最高位為符號(hào)位，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)，其定義如下：
（3）反碼表示法
機(jī)器數(shù)的最高位為符號(hào)，0表示正數(shù)，1表示負(fù)數(shù)。反碼的定義：
2. 定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算
1）定點(diǎn)數(shù)的位移運(yùn)算
左移，絕對(duì)值擴(kuò)大；右移，絕對(duì)值縮小。
算術(shù)移位規(guī)則
符號(hào)位不變
碼制 添補(bǔ)代碼
正數(shù) 0
負(fù)數(shù) 原 0
補(bǔ) 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(hào)數(shù)移位；
邏輯移位：無(wú)符號(hào)數(shù)移位；
2）原碼定點(diǎn)數(shù)的加/減運(yùn)算；
對(duì)原碼表示的兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行加減運(yùn)算時(shí)，計(jì)算機(jī)的實(shí)際操作是加還是減，不僅取決指令中的操作碼，還取決于兩個(gè)操作數(shù)的符號(hào)。而且運(yùn)算結(jié)果的符號(hào)判斷也較復(fù)雜。
例如，加法指令指示做（＋A）＋（－B）由于一操作數(shù)為負(fù)，實(shí)際操作是做減法（＋A）-（+B），結(jié)果符號(hào)與絕對(duì)值大的符號(hào)相同。同理，在減法指令中指示做（＋A）－（－B）實(shí)際操作做加法（＋A）＋（＋B），結(jié)果與被減數(shù)符號(hào)相同。由于原碼加減法比較繁瑣，相應(yīng)地需要由復(fù)雜的硬件邏輯才能實(shí)現(xiàn)，因此在計(jì)算機(jī)中很少被采用。
3）補(bǔ)碼定點(diǎn)數(shù)的加/減運(yùn)算；
(1) 加法
整數(shù) [A]補(bǔ) + [B]補(bǔ)= [A+B]補(bǔ)（mod 2n+1）
小數(shù) [A]補(bǔ) + [B]補(bǔ)= [A+B]補(bǔ)（mod 2）
(2) 減法
整數(shù) [A]補(bǔ) - [B]補(bǔ)= [A+(-B)]補(bǔ)=[A]補(bǔ) + [-B]補(bǔ)（mod 2n+1）
小數(shù) [A]補(bǔ) - [B]補(bǔ)= [A+(-B)]補(bǔ)=[A]補(bǔ) + [-B]補(bǔ)（mod 2）
無(wú)需符號(hào)判定，連同符號(hào)位一起相加，符號(hào)位產(chǎn)生的進(jìn)位自然丟掉
4）定點(diǎn)數(shù)的乘/除運(yùn)算
（1）一位乘法
<1>原碼定點(diǎn)一位乘法
兩個(gè)原碼數(shù)相乘，其乘積的符號(hào)為相乘兩數(shù)的異或值，數(shù)值兩數(shù)絕對(duì)值之積。
設(shè) [X]原=X0 X1 X2 …Xn
[Y]原=Y0 Y1 Y2 …Yn
[X·Y]原=[X]原·[Y]原
= (X0⊕Y0)∣(X1 X2 …Xn)·(Y1 Y2 …Yn)
符號(hào)∣表示把符號(hào)位和數(shù)值鄰接起來(lái)。
<2>定點(diǎn)補(bǔ)碼一位乘法
有的機(jī)器為方便加減法運(yùn)算，數(shù)據(jù)以補(bǔ)碼形式存放。乘法直接用補(bǔ)碼進(jìn)行，以減少轉(zhuǎn)換次數(shù)。具體規(guī)則如下：
[X·Y]補(bǔ)=[X]補(bǔ)（－Y0 + 0. Y1 Y2… Yn ）
<3>布斯法
“布斯公式”：
在乘數(shù)Yn后添加Yn+1=0。按照Yn+1 ，Yn相鄰兩位的三種情況，其運(yùn)算規(guī)則如下：
（1） Yn+1 ，Yn =0（ Yn+1 Yn =00或11），部分積加0，右移1位;
（2） Yn+1 ，Yn =1（ Yn+1 Yn =10） ，部分積加[X]補(bǔ)，右移1位；
（3） Yn+1 ，Yn =-1（ Yn+1 Yn =01） ，部分積加[－X]補(bǔ)，右移1位
最后一步不移位。
（2）兩位乘法
<1>原碼兩位乘法，因此實(shí)際操作用Yi-1、Yi、C三位來(lái)控制，運(yùn)算規(guī)則如下
Yi-1 Yi C 操作
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 0→C +X， 右移2位 0→C +X， 右移2位 0→C +2X，右移2位 0→C +2X，右移2位 0→C -X， 右移2位 1→C -X， 右移2位 1→C +0， 右移2位 1→C
<2>補(bǔ)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(dǎo)出補(bǔ)碼兩位乘的公式。
Yn-i-1 Yn-i Yn-i+1 [Pi+2]補(bǔ)
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(bǔ)， 右移2位 +[X]補(bǔ)， 右移2位 +2[X]補(bǔ)，右移2位 -2[X]補(bǔ)，右移2位 -[X]補(bǔ)， 右移2位 -[X]補(bǔ)， 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(wèn)題。
當(dāng)乘數(shù)由1位符號(hào)位和以n（奇數(shù)）位數(shù)據(jù)位組成時(shí)，求部分積的次數(shù)為（1＋n）／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：
①可在乘數(shù)的最后一位補(bǔ)一個(gè)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/2＋1，最后一次右移操作也只右移一位。
②乘數(shù)增加一位符號(hào)位，使總位數(shù)仍為偶數(shù)，此時(shí)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(bǔ)碼除法
<1>定點(diǎn)原碼一位除法
1>恢復(fù)余數(shù)法
被除數(shù)（余數(shù)）減去除數(shù)，如果為0或者為正值時(shí)，上商為1，不恢復(fù)余數(shù)；如果結(jié)果為負(fù)，上商為0，再將除數(shù)加到余數(shù)中，恢復(fù)余數(shù)。余數(shù)左移1位。
2>加減交替法
當(dāng)余數(shù)為正時(shí)，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(dāng)余數(shù)為負(fù)時(shí)，商上0，求下一位商的辦法，余數(shù)左移一位，再加上除數(shù)。
<2>定點(diǎn)補(bǔ)碼一位除法（加減交替法）
1〉如果被除數(shù)與除數(shù)同號(hào)，用被除數(shù)減去除數(shù)；若兩數(shù)異號(hào)，被除數(shù)加上除數(shù)。如果所得余數(shù)與除數(shù)同號(hào)商上1，否則，商上0，該商為結(jié)果的符號(hào)位。
2〉求商的數(shù)值部分。如果上次商上1，將除數(shù)左移一位后減去除數(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(hào)商上1，如果余數(shù)與除數(shù)異號(hào)商上0。如此重復(fù)執(zhí)行n-1次（設(shè)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(shí)最大的誤差為2-n。
5）溢出概念和判別方法
當(dāng)運(yùn)算結(jié)果超出機(jī)器數(shù)所能表示的范圍時(shí)，稱為溢出。顯然，兩個(gè)異號(hào)數(shù)相加或兩個(gè)同號(hào)數(shù)相減，其結(jié)果是不會(huì)溢出的。僅當(dāng)兩個(gè)同號(hào)數(shù)相加或者兩個(gè)異號(hào)數(shù)相減時(shí)，才有可能發(fā)溢出的情況，一旦溢出，運(yùn)算結(jié)果就不正確了，因此必須將溢出的情況檢查出來(lái)。判別方法有三種：
1〉當(dāng)符號(hào)相同的兩數(shù)相加時(shí)，如果結(jié)果的符號(hào)與加數(shù)（或被加數(shù)）不相同，則為溢出。
2〉當(dāng)任意符號(hào)兩數(shù)相加時(shí)，如果C=Cf，運(yùn)算結(jié)果正確，其中C為數(shù)值最高位的進(jìn)位，Cf為符號(hào)位的進(jìn)位。如果C≠Cf ，則為溢出，所以溢出條件=C⊕Cf 。
3〉采用雙符號(hào)fs2fs1。正數(shù)的雙符號(hào)位為00，負(fù)數(shù)的雙符號(hào)位為11。符號(hào)位參與運(yùn)算，當(dāng)結(jié)果的兩個(gè)符號(hào)位甲和乙不相同時(shí)，為溢出。所以溢出條件= fs2⊕fs1 ，或者溢出條件= fs2fs1 + fs2fs1
（三） 浮點(diǎn)數(shù)的表示和運(yùn)算
1. 浮點(diǎn)數(shù)的表示
1）浮點(diǎn)數(shù)的表示范圍；
浮點(diǎn)數(shù)是指小數(shù)點(diǎn)位置可浮動(dòng)的數(shù)據(jù)，通常以下式表示：
N=M·RE
其中，N為浮點(diǎn)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(tái)計(jì)算機(jī)中，所有數(shù)據(jù)的R都是相同的，于是不需要在每個(gè)數(shù)據(jù)中表示出來(lái)。因此，浮點(diǎn)數(shù)的機(jī)內(nèi)表示一般采用以下形式：
浮點(diǎn)數(shù)的機(jī)內(nèi)表示一般采用以下形式：
Ms E M
1位 n+1位 m位
Ms是尾數(shù)的符號(hào)位，設(shè)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(hào)位，設(shè)置在E的最高位上，用來(lái)表正階或負(fù)階。
M為尾數(shù)，有m位，由Ms和M組成一個(gè)定點(diǎn)小數(shù)。Ms=0，表示正號(hào)，Ms=1，表示負(fù)。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(dāng)R＝2，且尾數(shù)值不為0時(shí)，其絕對(duì)值大于或等于(0.5)10。對(duì)非規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)，通過(guò)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(biāo)準(zhǔn)
根據(jù)IEEE 754國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，常用的浮點(diǎn)數(shù)有兩種格式：
（1）單精度浮點(diǎn)數(shù)（32位），階碼8位，尾數(shù)24位（內(nèi)含：位符號(hào)位）。
（2）雙精度浮點(diǎn)數(shù)（64位），階碼11位，尾數(shù)53位（內(nèi)含：位符號(hào)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(hào)位S，處在最高位。
由于IEEE754標(biāo)準(zhǔn)約定在小數(shù)點(diǎn)左部有一位隱含位，從而實(shí)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x1.0…0,，最大為x1.1…1。規(guī)格化表示。故小數(shù)點(diǎn)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(hào)位 0 0 0
符號(hào)位 0 不等于0 (-1)S·2-126·(0.M) 為非規(guī)格化數(shù)
符號(hào)位 1到254之間 - (-1)S·2E-127·(1.M) 為規(guī)格化數(shù)
符號(hào)位 255 不等于0 NaN(非數(shù)值)
符號(hào)位 255 0 無(wú)窮大
0 有了精確的表示，無(wú)窮大也明確表示。對(duì)于絕對(duì)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(diǎn)數(shù)的加/減運(yùn)算
加減法執(zhí)行下述五步完成運(yùn)算：
1）“對(duì)階”操作
比較兩浮點(diǎn)數(shù)階碼的大小，求出其差ΔE，保留其大值E，E=max(Ex, Ey)。當(dāng)ΔE≠0時(shí)，將階碼小的尾數(shù)右移ΔE位，并將其階碼加上ΔE，使兩數(shù)的階碼值相等。
2）尾數(shù)加減運(yùn)算
執(zhí)行對(duì)階之后，兩尾數(shù)進(jìn)行加減操作。
3）規(guī)格化操作
規(guī)格化的目的是使得尾數(shù)部分的絕對(duì)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(duì)階時(shí)，尾數(shù)的低位會(huì)被移掉，使數(shù)值的精度受到影響，常用“0”舍“1”入法。當(dāng)移掉的部分最高位為1時(shí)，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(jìn)行一次右規(guī)。
5）檢查階碼是否溢出
階碼溢出表示浮點(diǎn)數(shù)溢出。在規(guī)格化和舍入時(shí)都可能發(fā)生溢出，若階碼正常，加/減運(yùn)算正常結(jié)束。若階碼下溢，則設(shè)置機(jī)器運(yùn)算結(jié)果為機(jī)器零，若上溢，則設(shè)置溢出標(biāo)志。
（四） 算術(shù)邏輯單元ALU
1. 串行加法器和并行加法器
1）串行進(jìn)位加法器
并行加法器可以同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的各位進(jìn)行相加，一般用n個(gè)全加器來(lái)實(shí)現(xiàn)2個(gè)操作數(shù)的各位同時(shí)向加。其操作數(shù)的各位是同時(shí)提供的，由于進(jìn)位是逐位形成，低位運(yùn)算所產(chǎn)生的進(jìn)位會(huì)影響高位的運(yùn)算結(jié)果。
串行進(jìn)位（也稱波形進(jìn)位）加法器，邏輯電路比較簡(jiǎn)單，但是最高位的加法運(yùn)算，一定要等到所有低位的加法完成之后才能進(jìn)行，低位的進(jìn)位要逐步的傳遞到高位，逐級(jí)產(chǎn)生進(jìn)位，因此運(yùn)算速度比較慢。
2）并行進(jìn)位加法器
為了提高運(yùn)算速度，減少延遲時(shí)間，可以采用并行進(jìn)位法，也叫提前進(jìn)位或先行進(jìn)位。
全加器中，輸入Ai 、Bi、Ci-1，輸出：
Si = Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1
Ci = Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1+Ai Bi Ci-1 = Ai Bi + (Ai+Bi)Ci-1
進(jìn)位產(chǎn)生函數(shù)：Gi = Ai Bi
進(jìn)位傳遞函數(shù)：Pi = Ai+Bi
Ci = Gi + Pi Ci-1
C4 = G4 + P4G3 + P4P3G2 + P4P3P2G1 + P4P3P2P1C0
并行進(jìn)位加法器的運(yùn)算速度很快，形成最高進(jìn)位輸出的延遲時(shí)間很短，但是以增加硬件邏輯線路為代價(jià)。對(duì)于長(zhǎng)字長(zhǎng)的加法器，往往將加法器分成若干組，在組內(nèi)采用并行進(jìn)位，組間則采用串行進(jìn)位或并行進(jìn)位，由此形成多種進(jìn)位結(jié)構(gòu)。
（1）單級(jí)先行進(jìn)位
單級(jí)先行進(jìn)位方式將n位字長(zhǎng)分為若干組，每組內(nèi)采用并行進(jìn)位方式，組與組之間冊(cè)采用串行進(jìn)位方式。
（2）多級(jí)先行進(jìn)位
多級(jí)先行進(jìn)位在組內(nèi)和組間都采用先行進(jìn)位方式。
16位單級(jí)先行進(jìn)位加法器
2. 算術(shù)邏輯單元ALU的功能和機(jī)構(gòu)
ALU部件是運(yùn)算器中的主要組成部分，又稱為多功能函數(shù)發(fā)生器，主要用于完成各種算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算。
ALU的算術(shù)運(yùn)算部件包含加法器、減法器、乘法器、除法器、增量器（+1）、減量器（-1）、BCD碼運(yùn)算器等組件。
ALU的主要工作是根據(jù)CPU的指令要求執(zhí)行各種指定的運(yùn)算，如加法、減法、乘法、除法、比較、邏輯移位等操作。
通用寄存器組是一組存取速度最快的存儲(chǔ)器，用于保存參加運(yùn)算的操作數(shù)和中間結(jié)果。訪問(wèn)寄存器無(wú)需高速緩存，也不需要運(yùn)行總線周期，因此指令的執(zhí)行速度很快。幾乎所有的指令都要將寄存器指定為一個(gè)操作數(shù)，有些指令還要求將操作數(shù)存放在專用的寄存器中。
專用寄存器通常用于表示CPU所處于某種系統(tǒng)狀態(tài)，ALU中有兩個(gè)重要的狀態(tài)寄存器：指令指針寄存器IP（即程序計(jì)數(shù)器PC）和標(biāo)志寄存器FLAGS。
三、 存儲(chǔ)器層次機(jī)構(gòu)
（一） 存儲(chǔ)器的分類
1）半導(dǎo)體存儲(chǔ)器
2）磁表面存儲(chǔ)器
3）磁芯存儲(chǔ)器
4）光盤(pán)存儲(chǔ)器
1）隨機(jī)存儲(chǔ)器
2）只讀存儲(chǔ)器
3）串行訪問(wèn)存儲(chǔ)器
（二） 存儲(chǔ)器的層次化結(jié)構(gòu)
存儲(chǔ)器有3個(gè)重要的指標(biāo)：速度、容量和每位價(jià)格，一般來(lái)說(shuō)，速度越快，位價(jià)越高；容量越大，位價(jià)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(chǔ)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在緩存-主存-輔存這兩個(gè)存儲(chǔ)層次上，如下圖所示：
（三） 半導(dǎo)體隨機(jī)存取存儲(chǔ)器
1. SRAM存儲(chǔ)器的工作原理
1）靜態(tài)存儲(chǔ)單元
SRAM靜態(tài)存儲(chǔ)單元的每個(gè)存儲(chǔ)位需要四到六個(gè)晶體管組成。比較典型的是六管存儲(chǔ)單元，即一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)一位信息“0”或“1”。靜態(tài)存儲(chǔ)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(xiě)或者刷新操作；另一方面，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jī)存儲(chǔ)單元
2. DRAM存儲(chǔ)器的工作原理
1）動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)單元
常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)RAM存儲(chǔ)單元有三管式和單管式兩種，它們的共特點(diǎn)是靠電容存儲(chǔ)電荷的原理來(lái)寄存信息。若電容上存有足夠的電荷表示“”，電容上無(wú)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(huì)自動(dòng)消失。因此，為保證信息的不丟失，必須在2ms之內(nèi)就要對(duì)存儲(chǔ)單元進(jìn)行一次恢復(fù)操作，這個(gè)過(guò)程稱為再生或者刷新。與靜態(tài)RAM相比，動(dòng)態(tài)RAM具有集成度更高、功耗更低等特點(diǎn)，目前被各類計(jì)算機(jī)廣泛使用。
三管動(dòng)態(tài)RAM基本單元
單管動(dòng)態(tài)RAM基本單元
（四） 只讀存儲(chǔ)器
前面介紹的DRAM和SRAM均為可任意讀／寫(xiě)的隨機(jī)存儲(chǔ)器，當(dāng)?shù)綦姇r(shí)，所存儲(chǔ)的內(nèi)容消失，所以是易失性存儲(chǔ)器。只讀存儲(chǔ)器，即使停電，所存儲(chǔ)的內(nèi)容也不丟失。根據(jù)半導(dǎo)體制造工藝的不同，可分為ROM，PROM，EPROM，E2ROM和Flash Memory
掩模式ROM由芯片制造商在制造時(shí)寫(xiě)入內(nèi)容，以后只能讀而不能再寫(xiě)入。其基本存儲(chǔ)原理是以元件的“有／無(wú)”來(lái)表示該存儲(chǔ)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(jiàn)，其存儲(chǔ)內(nèi)容是不會(huì)改變的。
PROM可由用戶根據(jù)自己的需要來(lái)確定ROM中的內(nèi)容，常見(jiàn)的熔絲式PROM是以熔絲的通和斷開(kāi)來(lái)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(kāi)某些單元的熔絲（寫(xiě)入）。顯而易見(jiàn)，斷開(kāi)后的熔絲是不能再接通了，因而一次性寫(xiě)入的存儲(chǔ)器。掉電后不會(huì)影響其所存儲(chǔ)的內(nèi)容。
為了能修改ROM中的內(nèi)容，出現(xiàn)了EPROM。利用浮動(dòng)?xùn)臡OS電路保存信息，信息的改寫(xiě)用紫外線照射即可擦除。
E2PROM的編程序原理與EPROM相同，但擦除原理完全不同，重復(fù)改寫(xiě)的次數(shù)有限制（因氧化層被磨損），一般為10萬(wàn)次。
其讀寫(xiě)操作可按每個(gè)位或每個(gè)字節(jié)進(jìn)行，類似SRAM，但每字節(jié)的寫(xiě)入周期要幾毫秒，比SRAM長(zhǎng)得多。E2PROM每個(gè)存儲(chǔ)單元采則2個(gè)晶體管。其柵極氧化層比EPROM薄，因此具有電擦除功能。
F1ash Memory是在EPROM與E2PROM基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，其讀寫(xiě)過(guò)程和E2PROM不同，F1ash Memory的讀寫(xiě)操作一般是以塊為單位。
（五） 主存儲(chǔ)器與CPU的連接
1個(gè)存儲(chǔ)器的芯片的容量是有限的，它在字?jǐn)?shù)或字長(zhǎng)方面與實(shí)際存儲(chǔ)器的要求都有很大差距，所以需要在字向和位向進(jìn)行擴(kuò)充才能滿足需要。根據(jù)存儲(chǔ)器所需的存儲(chǔ)容量和所提供的芯片的實(shí)際容量，可以計(jì)算出總的芯片數(shù)。一個(gè)存儲(chǔ)器的容量為M×N位，若使用L×K位存儲(chǔ)器芯片，那么，這個(gè)存儲(chǔ)器共需要M/L×N/K存儲(chǔ)器芯片。
1．位擴(kuò)展
位擴(kuò)展指的是用多個(gè)存儲(chǔ)器器件對(duì)字長(zhǎng)進(jìn)行擴(kuò)充。位擴(kuò)展的連接方式是將多片存儲(chǔ)器的地址、片選己、讀寫(xiě)控制端R/W可相應(yīng)并聯(lián)，數(shù)據(jù)端分別引出。
2）字?jǐn)U展
字?jǐn)U展指的是增加存儲(chǔ)器中字的數(shù)量。
靜態(tài)存儲(chǔ)器進(jìn)行字?jǐn)U展時(shí)，將各芯片的地址線、數(shù)據(jù)線、讀寫(xiě)控制線相應(yīng)并聯(lián)，而由片選信號(hào)來(lái)區(qū)分各芯片的地址范圍。
3）字位擴(kuò)展
實(shí)際存儲(chǔ)器往往需要字向和位向同時(shí)擴(kuò)充。
（六） 雙口RAM和多模塊存儲(chǔ)器
1.雙端口存儲(chǔ)器
雙端口存儲(chǔ)器是一種具有兩個(gè)單獨(dú)的讀/寫(xiě)端口及控制電路的存儲(chǔ)器，通過(guò)增加一個(gè)讀/寫(xiě)端口，雙端口存儲(chǔ)器擴(kuò)展了存儲(chǔ)器的的信息交換能力。
2.多模塊存儲(chǔ)器
為了解決CPU與主存儲(chǔ)器之間的速度匹配問(wèn)題，在高速存儲(chǔ)器中，普遍采用并行主存系統(tǒng)。即利用類似存儲(chǔ)器擴(kuò)展（位擴(kuò)展、字?jǐn)U展、字位擴(kuò)展）的方法，將n個(gè)字長(zhǎng)為W位的存儲(chǔ)器并行連接，構(gòu)建一個(gè)更大的存儲(chǔ)器。并行主存有單體多字方式、多體并行方式和多體交叉方式。
（七） 高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）
1. 程序訪問(wèn)的局部性
從大量的統(tǒng)計(jì)中得到的一個(gè)規(guī)律是，程序中對(duì)于存儲(chǔ)空間90%的訪問(wèn)局限于存儲(chǔ)空間的10%的區(qū)域中，而另外10%的訪問(wèn)則分布在存儲(chǔ)空間的其余90%的區(qū)域中。這就是通常說(shuō)的局部性原理。訪存的局部性規(guī)律包括兩個(gè)方面：
時(shí)間局部性：如果一個(gè)存儲(chǔ)項(xiàng)被訪問(wèn)，則可能該項(xiàng)會(huì)很快被再次訪問(wèn)。
空間局部性：如果一個(gè)存儲(chǔ)項(xiàng)被訪問(wèn)，則該項(xiàng)及其鄰近的項(xiàng)也可能很快被訪問(wèn)。
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(chǔ)器。其工作原理是：處理機(jī)按主存地址訪問(wèn)存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器地址的高段通過(guò)主存-Cache地址映象機(jī)構(gòu)借助查表判定該地址的存儲(chǔ)單元是否在Cache中，如果在，則Cache命中，按Cache地址訪問(wèn)Cache。否則，Cache不命中，則需要訪問(wèn)主存，并從主存中調(diào)入相應(yīng)數(shù)據(jù)塊到Cache中，若Cache中已寫(xiě)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(gè)工作原理我們可以看出，它已經(jīng)涉及到了兩個(gè)問(wèn)題。首先是定位、然后是替換的問(wèn)題。
Cache的存在對(duì)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(shí)現(xiàn)。通常Cache被集成到CPU內(nèi)以提高訪問(wèn)速度。
3. Cache和主存之間的映射方式
因?yàn)樘幚頇C(jī)訪問(wèn)都是按主存地址訪問(wèn)的，而Cache的空間遠(yuǎn)小于主存，如何知道這一次的訪問(wèn)內(nèi)容是不是在Cache中，在Cache中的哪一個(gè)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(gè)存儲(chǔ)塊(空間)與主存中若干塊相對(duì)應(yīng)，如此，訪問(wèn)一個(gè)主存地址時(shí)，就可以對(duì)應(yīng)地知道在cache中哪一個(gè)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(gè)指定地址。任何時(shí)候，主存中存儲(chǔ)單元的數(shù)據(jù)只能調(diào)入到Cache中的一個(gè)位置，這是固定的，若這個(gè)位置已有數(shù)據(jù)，則產(chǎn)生沖突，原來(lái)的塊將無(wú)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(chǔ)單元的數(shù)據(jù)可調(diào)入到Cache中的任意位置。只有在Cache中的塊全部裝滿后才會(huì)出現(xiàn)塊沖突。
全相連映射
組相聯(lián)映象指的是將存儲(chǔ)空間的頁(yè)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中主存塊的替換算法
在直接映象方式下，不存在塊替換的算法，因?yàn)槊恳粔K的位置映象是固定的，需要哪一塊數(shù)據(jù)就可直接確定地將該塊數(shù)據(jù)調(diào)入上層確定位置。而其他兩種映象就存在替換策略的問(wèn)題，就是要選擇替換到哪一個(gè)Cache塊。即替換算法。
思想 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)
隨機(jī)算法RAND 用軟的或硬的隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生上層中要被替換的頁(yè)號(hào) 簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn) 沒(méi)有利用上層存儲(chǔ)器使用的"歷史信息"，沒(méi)有反映等程序局部性，命中率低。
先進(jìn)先出FIFO 選擇最早裝入上層的頁(yè)作為被替換的頁(yè) 實(shí)現(xiàn)方便，利用了主存歷史的信息 不能正確反映程序局部性原理，命中率不高，可能出現(xiàn)一種異常現(xiàn)象。
近期最少使用法LRU 選擇近期最少訪問(wèn)的頁(yè)作為被替換的頁(yè) 比較正確反映程序局部性，利用訪存的歷史信息，命中率較高 實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜
優(yōu)化替換算法OPT 將未來(lái)近期不用的頁(yè)換出去 命中率最高，可作為衡量其他替換算法的標(biāo)準(zhǔn) 不現(xiàn)實(shí)，只是一種理想算法
5. Cache寫(xiě)策略
對(duì)Cache的寫(xiě)操作，情況比讀操作要復(fù)雜一些。由于寫(xiě)入Cache時(shí)，并沒(méi)有寫(xiě)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(diǎn) 缺點(diǎn)
寫(xiě)回法 是指在CPU執(zhí)行寫(xiě)操作時(shí)，信息只寫(xiě)入Cache中，僅當(dāng)需要替換時(shí)，才將改寫(xiě)過(guò)的Cache塊先送回主存(寫(xiě)回)，然后再調(diào)塊（設(shè)置dirty位） 有利于省去許多將中間結(jié)果寫(xiě)入主存的無(wú)謂開(kāi)銷(xiāo)。 需設(shè)修改位增加Cache的復(fù)雜性
全寫(xiě)法(寫(xiě)直達(dá)法) 在寫(xiě)操作時(shí)，將數(shù)據(jù)同時(shí)寫(xiě)入Cache和主存 實(shí)現(xiàn)開(kāi)銷(xiāo)小、簡(jiǎn)單 為了寫(xiě)中間結(jié)果浪費(fèi)了不少時(shí)間
另外，當(dāng)寫(xiě)不命中時(shí)(也就是寫(xiě)Cache塊時(shí)，這塊早被人替換出去而在Cache中找不到時(shí))是不是要把這塊再取回Cache中，有兩個(gè)解決方法：
? 不按寫(xiě)分配法，就是直接寫(xiě)到主存里，不再把該地址對(duì)應(yīng)的塊調(diào)回Cache中。
? 按寫(xiě)分配法，就是寫(xiě)到主存，而且把這一塊從主存中調(diào)入到Cache。
一般寫(xiě)回法用按寫(xiě)分配法，全寫(xiě)法則采用不按寫(xiě)分配。
（八） 虛擬存儲(chǔ)器
1. 虛擬存儲(chǔ)器的基本概念
虛擬存儲(chǔ)器是主存的擴(kuò)展，虛擬存儲(chǔ)器的空間大小取決于計(jì)算機(jī)的訪存能力而不是實(shí)際外存的大小，實(shí)際存儲(chǔ)空間可以小于虛擬地址空間。從程序員的角度看，外存被看作邏輯存儲(chǔ)空間，訪問(wèn)的地址是一個(gè)邏輯地址(虛地址)，虛擬存儲(chǔ)器使存儲(chǔ)系統(tǒng)既具有相當(dāng)于外存的容量又有接近于主存的訪問(wèn)速度。
虛擬存儲(chǔ)器的訪問(wèn)也涉及到虛地址與實(shí)地址的映象、替換算法等，這與Cache中的類似，前面我們講的地址映象以塊為單位，而在虛擬存儲(chǔ)器中，地址映象以頁(yè)為單位。設(shè)計(jì)虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)需考慮的指標(biāo)是主存空間利用率和主存的命中率。
虛擬存儲(chǔ)器與Cache存儲(chǔ)器的管理方法有許多相同之處，它們都需要地址映象表和地址變換機(jī)構(gòu)。但是二者也是不同的。
虛擬存儲(chǔ)器的三種不同管理方式：按存儲(chǔ)映象算法，分為段式、頁(yè)式和段頁(yè)式等，這些管理方式的基本原理是類似的。
2. 頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器
頁(yè)式管理:是把虛擬存儲(chǔ)空間和實(shí)際空間等分成固定大小的頁(yè)，各虛擬頁(yè)可裝入主存中的不同實(shí)際頁(yè)面位置。頁(yè)式存儲(chǔ)中，處理機(jī)邏輯地址由虛頁(yè)號(hào)和頁(yè)內(nèi)地址兩部分組成，實(shí)際地址也分為頁(yè)號(hào)和頁(yè)內(nèi)地址兩部分，由地址映象機(jī)構(gòu)將虛頁(yè)號(hào)轉(zhuǎn)換成主存的實(shí)際頁(yè)號(hào)。
頁(yè)式管理用一個(gè)頁(yè)表，包括頁(yè)號(hào)、每頁(yè)在主存中起始位置、裝入位等。頁(yè)表是虛擬頁(yè)號(hào)與物理頁(yè)號(hào)的映射表。頁(yè)式管理由操作系統(tǒng)進(jìn)行，對(duì)應(yīng)用程序員的透明的。
3. 段式虛擬存儲(chǔ)器
段式管理: 把主存按段分配的存儲(chǔ)管理方式。它是一種模塊化的存儲(chǔ)管理方式，每個(gè)用戶程序模塊可分到一個(gè)段，該程序模塊只能訪問(wèn)分配給該模塊的段所對(duì)應(yīng)的主存空間。段長(zhǎng)可以任意設(shè)定，并可放大和縮小。
系統(tǒng)中通過(guò)一個(gè)段表指明各段在主存中的位置。段表中包括段名(段號(hào))、段起點(diǎn)、裝入位和段長(zhǎng)等。段表本身也是一個(gè)段。段一般是按程序模塊分的。
4. 段頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器
段頁(yè)式管理:是上述兩種方法的結(jié)合，它將存儲(chǔ)空間按邏輯模塊分成段，每段又分成若干個(gè)頁(yè)，訪存通過(guò)一個(gè)段表和若干個(gè)頁(yè)表進(jìn)行。段的長(zhǎng)度必須是頁(yè)長(zhǎng)的整數(shù)倍，段的起點(diǎn)必須是某一頁(yè)的起點(diǎn)。
5. TLB（快表）
在虛擬存儲(chǔ)器中進(jìn)行地址變換時(shí)，需要虛頁(yè)號(hào)變換成主存中實(shí)頁(yè)號(hào)的內(nèi)部地址變換，這一般通過(guò)查內(nèi)頁(yè)表實(shí)現(xiàn)。當(dāng)表中該頁(yè)對(duì)應(yīng)的裝入位為真時(shí)，表示該頁(yè)在主存中，可按主存地址問(wèn)主存；如果裝入位為假時(shí)，表示該頁(yè)不在存儲(chǔ)器中，就產(chǎn)生頁(yè)失效中斷，需從外存調(diào)入頁(yè)。
中斷處理時(shí)先通過(guò)外部地址變換，一般通過(guò)查外頁(yè)表，將虛地址變換為外存中的實(shí)際地址，到外存中去選頁(yè)，然后通過(guò)I/0通道調(diào)入內(nèi)存。當(dāng)外存頁(yè)面調(diào)入主存中時(shí)還存在一個(gè)頁(yè)面替換略的問(wèn)題。
提高頁(yè)表的訪問(wèn)速度是提高地址變換速度的關(guān)鍵。因?yàn)?#xff0c;每次訪存都要讀頁(yè)表，如果頁(yè)存放在主存中，就意味著訪存時(shí)間至少是兩次訪問(wèn)主存的時(shí)間，這樣查表的代價(jià)大大。只有內(nèi)部地址變換速度提高到使訪問(wèn)主存的速度接近于不采用虛擬存儲(chǔ)器時(shí)的訪主存速度時(shí)，虛擬存儲(chǔ)器才能實(shí)用。
根據(jù)訪存的局部性，表內(nèi)各項(xiàng)的使用的概率不是均勻分布的。在一段時(shí)間內(nèi)，可能只用表中的很少幾項(xiàng)，因此應(yīng)重點(diǎn)提高使用概率高的這部分頁(yè)表的訪問(wèn)速度，可用快速硬件構(gòu)成全表小得多的部分表格，而將整個(gè)表格放在主存中，這就引出了快表和慢表的概念和技術(shù)。這樣，虛地址到實(shí)地址的變換方法如后圖所示。
查表時(shí)，根據(jù)虛頁(yè)表同時(shí)查找快表和慢表，當(dāng)在快表中查到該虛頁(yè)號(hào)時(shí)，就能很快找到對(duì)應(yīng)的實(shí)頁(yè)號(hào)，將其送入主存實(shí)地址寄存器，同時(shí)使慢表的查找作廢，這時(shí)主存的訪問(wèn)速度沒(méi)降低多少。
如果在快表中查不到，則經(jīng)過(guò)一個(gè)訪主存的時(shí)間延遲后，將從慢表中查到的實(shí)頁(yè)送入實(shí)地址寄存器，同時(shí)將此虛頁(yè)號(hào)和對(duì)應(yīng)的實(shí)頁(yè)號(hào)送入快表，這里也涉及到用一個(gè)替換算法從快表中替換出一行。
快表的存在對(duì)所有的程序員都是透明的。
四、 指令系統(tǒng)
（一） 指令格式
計(jì)算機(jī)是通過(guò)執(zhí)行指令來(lái)處理各種數(shù)據(jù)的。為了指出數(shù)據(jù)的來(lái)源、操作結(jié)果的去向及所執(zhí)行的操作，一條指令必須包含下列信息：
（1）操作碼，具體說(shuō)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(chǔ)地址。
（4）下一條指令的地址。
從上述分析可知，一條指令實(shí)際上包括兩種信息即操作碼和地址碼。
操作碼（operation code）用來(lái)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(zhǎng)度取決于指令系統(tǒng)中的指令條數(shù)。
地址碼用來(lái)描述該指令的操作對(duì)象，或者直接給出操作數(shù)或者指出操作數(shù)的存儲(chǔ)器地址或寄存器地址（即寄存器名）。
1）零地址指令
OPCODE
格式：
OPCODE–操作碼
指令中只有操作碼，而沒(méi)有操作數(shù)或沒(méi)有操作數(shù)地址。這種指令有兩種可能：
（1）無(wú)需任何操作數(shù)，如空操作指令，停機(jī)指令等。
（2）所需的操作數(shù)是默認(rèn)的。如堆棧結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算指令，所需的操作數(shù)默認(rèn)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(rèn)在源變址寄存器SI和目的變址寄存器DI所指定的存儲(chǔ)器單元中。
2）一地址指令
OPCODE A
格式：
OPCODE–操作碼
A–操作數(shù)的存儲(chǔ)器地址或寄存器名
指令中只給出一個(gè)地址，該地址既是操作數(shù)的地址，又是操作結(jié)果的存儲(chǔ)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(duì)這一地址所指定的操作數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的操作后，產(chǎn)生的結(jié)果又存回該地址中。
在某些字長(zhǎng)較短的微型機(jī)中（如早期的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(gè)源操作數(shù)由地址碼A給出，第二個(gè)源操作數(shù)在一個(gè)默認(rèn)的寄存器中，運(yùn)算結(jié)果仍送回到這個(gè)寄存器中，替換了原寄存器內(nèi)容，通常把這個(gè)寄存器稱累加器。
3）二地址指令
OPCODE A1 A2
格式：
OPCODE–操作碼
A1–第一個(gè)源操作數(shù)的存儲(chǔ)器地址或寄存器地址。
A2–第二個(gè)源操作數(shù)和存放操作結(jié)果的存儲(chǔ)器地址或寄存器地址。
這是最常見(jiàn)的指令格式，兩個(gè)地址指出兩個(gè)源操作數(shù)地址，其中一個(gè)還是存放結(jié)果的目的地址。對(duì)兩個(gè)源操作數(shù)進(jìn)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
OPCODE A1 A2 A3
格式：
OPCODE–操作碼
A1–第一個(gè)源操作數(shù)的存儲(chǔ)器地址或寄存器地址
A2–第二個(gè)源操作數(shù)的存儲(chǔ)器地址或寄存器地址
A3–操作結(jié)果的存儲(chǔ)器地址或寄存器地址
其操作是對(duì)A1，A2指出的兩個(gè)源操作數(shù)進(jìn)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(jī)甚至高檔小型機(jī)中，往往設(shè)置一些功能很強(qiáng)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(yùn)算指令等。
為了描述一批數(shù)據(jù)，指令中需要多個(gè)地址來(lái)指出數(shù)據(jù)存放的首地址、長(zhǎng)度和下標(biāo)等信息
設(shè)某機(jī)器的指令長(zhǎng)度為16位，包括4位基本操作碼字段和三個(gè)4位地址字段，其格式下：
OPCODE(4) A1(4) A2(4) A3(4)
4位基本操作碼有16個(gè)碼點(diǎn)（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(yīng)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(zhǎng)度向地址碼字段擴(kuò)展才行。
一種可供擴(kuò)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0000～1110給出，剩下一個(gè)碼點(diǎn)1111用于把操作碼擴(kuò)展到A1，即4位擴(kuò)展到8位；
（2）15條二地址指令的操作碼由8位操作碼從11110000～11111110給出，剩下一個(gè)碼點(diǎn)11111111用于把操作碼擴(kuò)展到A2，即從8位擴(kuò)展到12位；
（3）15條一地址指令的操作碼由12位操作碼從111111110000～111111111110給出，剩下的一個(gè)碼點(diǎn)111111111111用于把操作碼擴(kuò)展到A3，即從12位擴(kuò)展到16位；
（4）16條零地址指令的操作碼由16位操作碼從1111111111110000～1111111111111111給出。
（二） 指令的尋址方式
操作數(shù)的真實(shí)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(lái)決定的。
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?qū)ぶ泛吞S尋址兩種。
順序?qū)ぶ房梢酝ㄟ^(guò)程序計(jì)數(shù)器PC加1自動(dòng)形成下一條指令的地址，跳躍尋址則通過(guò)轉(zhuǎn)移類指令實(shí)現(xiàn)，是通過(guò)對(duì)PC的運(yùn)算得到新的下一條指令的地址。
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(diǎn)是取指時(shí)，操作碼和一個(gè)操作數(shù)同時(shí)被取出，不必再次訪問(wèn)存儲(chǔ)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(chǔ)器單元賦初值或提供一個(gè)常數(shù)等。
2）直接尋址
指令的地址碼部分給出操作數(shù)在存儲(chǔ)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(gè)寄存器中。
4）間接尋址
在尋址時(shí)，有時(shí)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(jì)算機(jī)的中央處理器一般設(shè)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(gè)至幾十個(gè)之間，比存儲(chǔ)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(chǔ)器中存取快得多，所以這種方式可以縮短指令長(zhǎng)度、節(jié)省存儲(chǔ)空間，提高指令的執(zhí)行速度，在計(jì)算機(jī)中得到廣泛應(yīng)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(wèn)一次存儲(chǔ)器才能得到操作數(shù)。
7）基址尋址
在計(jì)算機(jī)中設(shè)置一個(gè)專用的基址寄存器，或由指令指定一個(gè)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(guò)加法器相加，所得的和作為地址從存儲(chǔ)器中讀出所需的操作數(shù)。這是幾乎所有計(jì)算機(jī)都采用的一種尋址方式。
9）相對(duì)尋址
把程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容（即當(dāng)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(duì)尋址。
主要用于轉(zhuǎn)移指令，執(zhí)行本條指令后，將轉(zhuǎn)移到（PC）＋disp，（PC）為程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容。相對(duì)尋址有兩個(gè)特點(diǎn)：
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(gè)固定值disp，因此無(wú)論程序裝人存儲(chǔ)器的任何地方，均能正確運(yùn)行，對(duì)浮動(dòng)程序很適用。
2〉位移量可正、可負(fù)，通常用補(bǔ)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(jì)算機(jī)的程序和數(shù)據(jù)一般是分開(kāi)存放的，程序區(qū)在程序執(zhí)行過(guò)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(duì)尋址方式來(lái)確定操作數(shù)地址。
10）堆棧尋址
在一般計(jì)算機(jī)中，堆棧主要用來(lái)暫存中斷和子程序調(diào)用時(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及返回地址，用于訪問(wèn)堆棧的指令只有壓入（即進(jìn)棧）和彈出（即退棧）兩種，它們實(shí)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(jì)算機(jī)中，堆棧從高地址向低地址擴(kuò)展，即棧底的地址總是大于或等于棧頂?shù)牡刂?#xff08;也有少數(shù)計(jì)算機(jī)剛好相反）當(dāng)執(zhí)行壓入操作時(shí)，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(gè)字節(jié)，則減1；若壓入兩個(gè)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(dāng)執(zhí)行彈出操作時(shí)，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)的大小（即所占的字節(jié)數(shù)）對(duì)SP增量。
（三） CISC和RISC的基本概念
1．CISC（復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）
隨著VLSI技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)的硬件成本不斷下降，軟件成本不斷提高，使得人們熱衷于在指令系統(tǒng)中增加更多的指令和復(fù)雜的指令，來(lái)提高操作系統(tǒng)的效率，并盡量縮短指令系統(tǒng)與高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)義差別，以便于高級(jí)語(yǔ)言的編譯和降低軟件成本。
另外，為了做到程序兼容，同一系列計(jì)算機(jī)的新機(jī)器和高檔機(jī)的指令系統(tǒng)只能擴(kuò)充而不能減去任意一條，因此，促使指令系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，某些計(jì)算機(jī)的指令多達(dá)幾百條。例如，DEC公司的VAX 11/780計(jì)算機(jī)有303條指令，18種尋址方式，我們稱這些計(jì)算機(jī)為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（complex instruction set computer，簡(jiǎn)稱CISC）。Intel公司的180X86微處理器，IBM公司的大、中計(jì)算機(jī)均為CISC。
2．RISC（簡(jiǎn)單指令集計(jì)算機(jī)）
（1）RISC的產(chǎn)生
1975年IBM公司開(kāi)始研究指令的合理性問(wèn)題，IBM的John cocke 提出了RISC的想法。 對(duì)CISC的測(cè)試表明：
最長(zhǎng)使用的是一些簡(jiǎn)單指令，占指令總數(shù)的20%，但在程序中出現(xiàn)的頻率卻占80%。 而占20%的復(fù)雜指令，為實(shí)現(xiàn)其功能而設(shè)計(jì)的微程序代碼卻占總代碼的80%。CISC研制時(shí)間長(zhǎng)、成本高、難于實(shí)現(xiàn)流水線；因此出現(xiàn)了RIC技術(shù)。
（2）RISC的特點(diǎn)
1）優(yōu)先選取使用頻率最高的一些簡(jiǎn)單指令；
2）指令長(zhǎng)度固定；
3）只有取數(shù)/存數(shù)指令（load/store）訪問(wèn)內(nèi)存；
4）CPU中的寄存器數(shù)量很多；
5）大部分指令在一個(gè)或小于一個(gè)機(jī)器周期完成；
6）硬布線控制邏輯為主，不用或少用微碼控制；
7）一般用高級(jí)語(yǔ)言編程，特別重視編譯優(yōu)化，以減少程序執(zhí)行時(shí)間。
（3）RISC的發(fā)展
1983年，一些中小型公司開(kāi)始推出RISC產(chǎn)品，由于其高性能價(jià)格比，市場(chǎng)占有率不斷提高。1987年SUN公司用SPARC芯片構(gòu)成工作站；目前一些大公司，IBM、DEC、Intel、Motorola以將部分力量轉(zhuǎn)移到RISC方面。
（4）CISC機(jī)與RISC機(jī)的主要特征對(duì)比
CISC RISC
指令系統(tǒng) 指令數(shù) 指令格式 指令字長(zhǎng) 尋址方式 可訪問(wèn)指令 各種指令使用頻率 各種指令執(zhí)行時(shí)間 復(fù)雜、龐大 一般大于200 一般大于4 一般大于4 不固定 不加限制 相差很大 相差很大 簡(jiǎn)單、精簡(jiǎn) 一般小于100 一般小于4 一般小于4 固定32位 只有LOAD/STORE指令 相差不大 絕大多數(shù)在一個(gè)機(jī)器周期完成
優(yōu)化編譯實(shí)現(xiàn) 很難 較容易
程序源代碼長(zhǎng)度 較短 較長(zhǎng)
控制邏輯實(shí)現(xiàn)方式 絕大多數(shù)為微程序控制 絕大多數(shù)為硬連線控制
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(yùn)算器和控制器組成，由于運(yùn)算器部分在第二部分介紹過(guò)，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(jì)算機(jī)對(duì)信息進(jìn)行處理（或計(jì)算）是通過(guò)程序的執(zhí)行而實(shí)現(xiàn)的，程序是完成某個(gè)確定算法的指令序列，要預(yù)先存放在存儲(chǔ)器中。控制器的作用是控制程序的執(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(jì)算機(jī)不斷重復(fù)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(jī)指令或外來(lái)的干預(yù)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(yù)，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候向輸入輸出設(shè)備發(fā)出一些相應(yīng)的命令來(lái)完成I/O功能，這實(shí)際上也是通過(guò)執(zhí)行程序來(lái)完成的。
5）．對(duì)異常情況和某些請(qǐng)求的處理
當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)某些異常情況，諸如算術(shù)運(yùn)算的溢出和數(shù)據(jù)傳送的奇偶錯(cuò)等；或者某些外來(lái)請(qǐng)求，諸如磁盤(pán)上的成批數(shù)據(jù)需送存儲(chǔ)器或程序員從鍵盤(pán)送入命令等，此時(shí)由這些部件或設(shè)備發(fā)出：
（1）“中斷請(qǐng)求”信號(hào)。
（2）DMA請(qǐng)求信號(hào)。
2．控制器的組成
根據(jù)對(duì)控制器功能分析，得出控制器的基本組成如下：
1）．程序計(jì)數(shù)器（PC）
即指令地址寄存器。在某些計(jì)算機(jī)中用來(lái)存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令地址；而在另一些計(jì)算機(jī)中則用來(lái)存放即將要執(zhí)行的下一條指令地址；而在有指令預(yù)取功能的計(jì)算機(jī)中，一般還需要增加一個(gè)程序計(jì)數(shù)器用來(lái)存放下一條要取出的指令地址。
有兩種途徑來(lái)形成指令地址，其一是順序執(zhí)行的情況，通過(guò)程序計(jì)數(shù)器加“1”形成下一條指令地址（如存儲(chǔ)器按字節(jié)編址，而指令長(zhǎng)度為4個(gè)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(jì)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(dāng)前正在執(zhí)行的指令，以便在指令執(zhí)行過(guò)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(duì)指令寄存器中的操作碼進(jìn)行分析解釋，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)。
在執(zhí)行指令過(guò)程中，需要形成有一定時(shí)序關(guān)系的操作控制信號(hào)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(hào)作為整個(gè)機(jī)器的時(shí)鐘脈沖，是機(jī)器周期和工作脈沖的基準(zhǔn)信號(hào)，在機(jī)器剛加電時(shí)，還應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)總清信號(hào)（reset）。啟停線路保證可靠地送出或封鎖時(shí)鐘脈沖，控制時(shí)序信號(hào)的發(fā)生或停止，從而啟動(dòng)機(jī)器工作或使之停機(jī)。
5)．時(shí)序控制信號(hào)形成部件
當(dāng)機(jī)器啟動(dòng)后，在CLK時(shí)鐘作用下，根據(jù)當(dāng)前正在執(zhí)行的指令的需要，產(chǎn)生相應(yīng)的時(shí)序控制信號(hào)，并根據(jù)被控功能部件的反饋信號(hào)調(diào)整時(shí)序控制信號(hào)。例如，當(dāng)執(zhí)行加法指令時(shí)，若產(chǎn)生運(yùn)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(chǔ)單元）的操作，而發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，轉(zhuǎn)入中斷處理；又如執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)，根據(jù)不同的條件產(chǎn)生不同的控制信號(hào)，從而進(jìn)入適當(dāng)?shù)某绦蚍种А?br /> （二） 指令執(zhí)行過(guò)程
1．指令執(zhí)行的時(shí)序
計(jì)算機(jī)工作的過(guò)程是取指令、分析指令、執(zhí)行指令三個(gè)基本動(dòng)作的重復(fù)。考慮到所有的器件中（寄存器、存儲(chǔ)器）存儲(chǔ)器的速度最慢，因此，取最慢的器件工作時(shí)間（周期）作為整個(gè)工作的最長(zhǎng)同步標(biāo)準(zhǔn)。
計(jì)算機(jī)的工作時(shí)序是按照存儲(chǔ)器的工作周期劃分的。每個(gè)存儲(chǔ)器工作周期又稱為機(jī)器周期。因此，每個(gè)機(jī)器周期至少完成一個(gè)基本操作。一般最長(zhǎng)的操作是訪問(wèn)存儲(chǔ)器（讀/寫(xiě)），這個(gè)時(shí)間也用于訪問(wèn)外設(shè)接口（寄存器）。如果，某個(gè)操作，比如利用運(yùn)算器執(zhí)行一次運(yùn)算，如果不訪問(wèn)存儲(chǔ)器，即使占用的時(shí)間很短，但是，也必須為其劃分一個(gè)機(jī)器周期。因此，機(jī)器周期是計(jì)算時(shí)序劃分的最大單位。
現(xiàn)在我們?yōu)橛?jì)算機(jī)的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行最基本的劃分：由于計(jì)算機(jī)不斷地重復(fù)執(zhí)行每個(gè)指令，所以，我們將執(zhí)行的時(shí)間劃分為一條一條指令執(zhí)行所占用的時(shí)間，如下：
執(zhí)行指令1 執(zhí)行指令2 執(zhí)行指令3 執(zhí)行指令4 執(zhí)行指令5
我們將每指令占用的時(shí)間稱為指令周期。由于每條指令的功能不一樣，因此執(zhí)行的時(shí)間也不同，指令周期長(zhǎng)短不一樣。
而每條指令的執(zhí)行，又可以是取指令，分析指令，執(zhí)行指令。由于取指令必須訪問(wèn)存儲(chǔ)器，所以占用一個(gè)機(jī)器周期。分析指令是由指令譯碼電路完成的，所占用的時(shí)間極短，無(wú)需分配一個(gè)完整的機(jī)器周期。一般是在取指周期后期（結(jié)束之前的很短時(shí)間內(nèi)）就可以完成。指令的執(zhí)行較為復(fù)雜：可能不訪問(wèn)存儲(chǔ)器；訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器；訪問(wèn)兩次存儲(chǔ)器等。因此，可能是一個(gè)機(jī)器周期到幾個(gè)機(jī)器周期。
因此，每條指令的執(zhí)行過(guò)程如下：
取指周期 執(zhí)行周期1 執(zhí)行周期2 執(zhí)行周期3 執(zhí)行周期4
第一個(gè)機(jī)器周期總是取指周期，而指令的地址總是從PC中獲得，當(dāng)發(fā)出讀取存儲(chǔ)器命令后，指令總是從數(shù)據(jù)總線DB送回，CPU接受到指令之后，將指令放在指令寄存器IR之中。指令在IR中一直保留到取下一條指令為止。
第二個(gè)機(jī)器周期開(kāi)始，根據(jù)指令有所不同：
執(zhí)行一次ALU運(yùn)算：分配一個(gè)機(jī)器周期。
執(zhí)行訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器：分配一個(gè)機(jī)器周期。
所以，根據(jù)指令執(zhí)行的不同情況，將會(huì)得到不同指令執(zhí)行所占用的機(jī)器周期。
根據(jù)每個(gè)機(jī)器周期完成的任務(wù)不同，我們將每個(gè)機(jī)器周期按照任務(wù)命名。如同用取指周期命名第一個(gè)機(jī)器周期一樣。
2．指令執(zhí)行過(guò)程舉例
假設(shè)指令格式如下：
操作碼 rs,rd rs1 imm(Disp)
rs，rd，rsl為通用寄存器地址；imm（或disp）為立即數(shù)（或位移量）。
加法指令功能：將寄存器（rs）中的一個(gè)數(shù)與存儲(chǔ)器中的一個(gè)數(shù)（其地址為（rsl）＋disp）相加，結(jié)果放在寄存器rd中,rs與rd為同一寄存器。
加法指令完成以下操作:
①取指周期
從存儲(chǔ)器取指令，送入指令寄存器，并進(jìn)行操作碼譯碼（分析指令）。
程序計(jì)數(shù)器加1，為下一條指令作好準(zhǔn)備。
控制器發(fā)出的控制信號(hào)：PC→AB，W/R=0，M/IO=1；DB→IR；PC＋1。
②計(jì)算地址周期
計(jì)算數(shù)據(jù)地址，將計(jì)算得到的有效地址送地址寄存器AR。
控制器發(fā)出的控制信號(hào)：rsl→GR，（rsl）→ALU，disp→ALU（將rsl的內(nèi)容與disp送ALU）；“+”（加法命令送ALU）；ALU→AR（有效地址送地址寄存器）。
③取數(shù)周期
到存儲(chǔ)器取數(shù)。
控制器發(fā)出的控制信號(hào)：AR→AB，W/R=0，M/IO=1；DB→DR（將地址寄存器內(nèi)容送地址總線，同時(shí)發(fā)訪存讀命令，存儲(chǔ)器讀出數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線后，打入數(shù)據(jù)寄存器）。
④執(zhí)行周期
進(jìn)行加法運(yùn)算，結(jié)果送寄存器，并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果置狀態(tài)位N，Z，V，C。
控制器送出的控制信號(hào)：rs,rd→GR， （rs）→ALU，DR→ALU（兩個(gè)源操作數(shù)送ALU）；
ALU→rd（運(yùn)算結(jié)果送寄存器rd）
（三） 數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構(gòu)
CPU的數(shù)據(jù)通路是連接CPU內(nèi)部各個(gè)部件以及和CPU外部個(gè)部件之間的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的連接關(guān)系圖。
（四） 控制器的功能和工作原理
1. 硬布線控制器
控制器控制信號(hào)的產(chǎn)生是采用邏輯電路，也稱組合邏輯電路控制方式。 “時(shí)序控制信號(hào)形成部件”是由硬邏輯布線完成的。實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要幾十~幾百條指令，確定每條指令所需的機(jī)器周期，將情況相同的指令歸并在一起，列出表達(dá)式，畫(huà)出邏輯圖。
（1）時(shí)序與節(jié)拍
每一步由一個(gè)機(jī)器周期來(lái)完成，假設(shè)采用4個(gè)機(jī)器周期，總之，需要4個(gè)不同的信號(hào)輸出，代表4個(gè)不同的周期。
（2）操作碼譯碼器
指令的操作碼部分指出本指令將執(zhí)行什么指令，如加法、減法等。對(duì)于不同的指令，采用不同的代碼表示。
（3）操作控制信號(hào)的產(chǎn)生
以加法指令為例，加法指令的完成是由4個(gè)機(jī)器周期cy1、cy2、cy3、cy4組成，分別是取指、計(jì)算地址、取數(shù)、計(jì)算4個(gè)機(jī)器周期。
將所有的機(jī)器周期的操作控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式全部寫(xiě)出來(lái)，就會(huì)得到各個(gè)操作控制信號(hào)的所有表達(dá)式，再將這些表達(dá)式安每個(gè)操作控制信號(hào)組合起來(lái)，就得到某個(gè)操作控制信號(hào)的表達(dá)式。
取指周期需要產(chǎn)生的操作控制信號(hào)如下：
PC→AB=cy1 ；將PC送地址總線
ADS=cy1·T1 ；存儲(chǔ)器地質(zhì)有效
M/IO=cy1 ；存儲(chǔ)器操作
W/R=cy1 ；讀操作
DB→IR=cy1 ；將讀出的結(jié)果送IR
PC+1=cy1 ；將程序計(jì)數(shù)器加1
計(jì)算地址周期cy2需要完成有效地址（(rs1)+Disp）的計(jì)算。產(chǎn)生的操作控制信號(hào)如下：
rs1→GR=加法指令·cy2 ；送通用寄存器地址
(rs1)→ALU=加法指令·cy2 ；通用寄存器送ALU
Disp→ALU=加法指令·cy2 ；偏移量送ALU
“+”=加法指令·cy2 ；ALU執(zhí)行加法操作
ALU→AR=加法指令·cy2 ；運(yùn)算結(jié)果送地址總線
例如，“+”操作控制信號(hào)在加法指令的cy2（計(jì)算有效地址）和cy4（操作數(shù)相加）時(shí)需要；減法指令的cy2（計(jì)算有效地址）時(shí)需要；轉(zhuǎn)移指令的cy2（計(jì)算有效地址）時(shí)需要；…。
所以，“+”操作控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式如下：
“+”=加法指令·（cy2+cy4）+減法指令·cy2+轉(zhuǎn)移指令·cy2+…
設(shè)機(jī)器有7位操作碼（OP0～OP6），假設(shè)加法指令的操作碼為0001100，形成的加法指令信號(hào)的邏輯表達(dá)式為：
加法指令= OP0OP1OP2OP3OP4OP5OP6
如，某機(jī)器128條指令，用7位操作碼（OP0～OP6），如果其中有16條算術(shù)邏輯運(yùn)算指令，可以將這些指令的3位操作碼都設(shè)計(jì)相同的編碼，如OP0OP1OP2= 001，而其他位OP3～OP6編碼表示16個(gè)不同的指令。
設(shè)命令A(yù)是所有算術(shù)邏輯運(yùn)算在cy2周期需要產(chǎn)生的，邏輯表達(dá)式：
A=加法指令·cy2+減法指令·cy2+邏輯加指令·cy2+…
=（加法指令·+減法指令+邏輯加指令+…）·cy2
= OP0·OP1·OP2·cy2
只需要一個(gè)與門(mén)，就可實(shí)現(xiàn)命令A(yù)。
2. 微程序控制器
（1）微程序、微指令和微命令
在計(jì)算機(jī)中，一條指令的功能是通過(guò)按一定次序執(zhí)行一系列基本操作完成的，這些基本操作稱為微操作。例如，前面講到的加法指令，分成四步（取指令、計(jì)算地址、取數(shù)、加法運(yùn)算）完成，每一步實(shí)現(xiàn)若干個(gè)微操作。實(shí)現(xiàn)這些微操作的控制命令就是微命令。
微操作是指最基本的、不可再分的操作，如前面提到的：
PC→AB; W/R=0; DB→IR等。
PC→AB等就是微命令。
微指令：在微程序控制的計(jì)算機(jī)中，將由同時(shí)發(fā)出的控制信號(hào)所執(zhí)行的一組微操作稱為微指令，所以微指令就是把同時(shí)發(fā)出的控制信號(hào)的有關(guān)信息匯集起來(lái)而形成的。將一條指令分成若干條微指令，按次序執(zhí)行這些微指令，就可以實(shí)現(xiàn)指令的功能。組成微指令的微操作又稱微命令。
微程序：計(jì)算機(jī)的程序由指令序列構(gòu)成，而計(jì)算機(jī)每條指令的功能均由微指令序列解釋完成，這些微指令序列的集合就叫做微程序。
（2）微指令的編碼方式；
1）直接控制法
在微指令的控制字段中，每一位代表一個(gè)微命令，在設(shè)計(jì)微指令時(shí)，是否發(fā)出某個(gè)微命令，只要將控制字段中相應(yīng)位置成“1”或“0”，這樣就可打開(kāi)或關(guān)閉某個(gè)控制門(mén)，這就是直接控制法。
2）字段直接編譯法
在計(jì)算機(jī)中的各個(gè)控制門(mén)，在任一微周期內(nèi)，不可能同時(shí)被打開(kāi)，而且大部分是關(guān)閉的（相應(yīng)的控制位為“0”）。所謂微周期，指的是一條微指令所需的執(zhí)行時(shí)間。如果有若干個(gè)（一組）微命令，在每次選擇使用它們的微周期內(nèi)，只有一個(gè)微命令起作用，那么這若干個(gè)微命令是互斥的。
選出互斥的微命令，并將這些微命令編成一組，成為微指令字的一個(gè)字段，用二進(jìn)制編碼來(lái)表示， 就是字段直接編譯法。
3）字段間接編譯法
字段間接編譯法是在字段直接編譯法的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步縮短微指令字長(zhǎng)的一種編譯法。 如果在字段直接編譯法中，還規(guī)定一個(gè)字段的某些微命令，要兼由另一字段中的某些微命令來(lái)解釋，稱為字段間接編譯法。
（3）微地址的形式方式。
1）微程序入口地址的形成
<1>一級(jí)轉(zhuǎn)移方式
當(dāng)操作碼的位數(shù)與位置固定時(shí)，可直接使操作碼與入口地址的部分位對(duì)應(yīng)。
<2>多級(jí)轉(zhuǎn)移方式
先按照指令類型標(biāo)志轉(zhuǎn)移到某條微指令，以區(qū)分出是哪一大類，然后可以進(jìn)一步按指令操作碼轉(zhuǎn)移，區(qū)分出是該指令中的哪一類具體操作。
2）微程序后繼地址的形成
<1>以增量方式產(chǎn)生后繼微地址。
在順序執(zhí)行微指令時(shí)，后繼微地址由現(xiàn)行微地址加上一個(gè)增量（通常為1）形成的；而在非順序執(zhí)行時(shí)則要產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)移微地址。
<2>增量與下址字段結(jié)合產(chǎn)生后繼微地址
將微指令的下址字段分成兩部分：轉(zhuǎn)移控制字段BCF和轉(zhuǎn)移地址字段BAF，當(dāng)微程序?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)移時(shí)，將BAF送μPC，否則順序執(zhí)行下一條微指令（μPC＋1）。
（五） 指令流水線
1. 指令流水線的基本概念
（1）流水線基本原理
流水線技術(shù)是一種顯著提高指令執(zhí)行速度與效率的技術(shù)。方法是：指令取指完成后，不等該指令執(zhí)行完畢即可取下一條指令。
如果把一條指令的解釋過(guò)程進(jìn)一步細(xì)分，例如，把分析、執(zhí)行兩個(gè)過(guò)程分成取指、譯碼、執(zhí)行、訪存和寫(xiě)回寄存器五個(gè)子過(guò)程，并用五個(gè)子部件分別處理這五個(gè)子過(guò)程。
這樣只需在上一指令的第一子過(guò)程處理完畢進(jìn)入第二子過(guò)程處理時(shí)，在第一子部件中就開(kāi)始對(duì)第二條指令的第一子過(guò)程進(jìn)行處理。隨著時(shí)間推移，這種重疊操作最后可達(dá)到五個(gè)子部件同時(shí)對(duì)五條指令的子過(guò)程進(jìn)行操作。
（2）影響流水線性能的因素
在流水線中會(huì)出現(xiàn)三種相關(guān)，影響流水線的暢通流動(dòng)，這三種相關(guān)是結(jié)構(gòu)相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān)。
結(jié)構(gòu)相關(guān)是當(dāng)多條指令進(jìn)人流水線后，硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求時(shí)產(chǎn)生的。
數(shù)據(jù)相關(guān)是指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，當(dāng)后繼指令需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果時(shí)發(fā)生的。
控制相關(guān)是當(dāng)流水線遇到分支指令和其他改變PC值的指令時(shí)引起的。
（3）流水線性能
流水線的性能通常用吞吐率、加速比和效率3項(xiàng)指標(biāo)來(lái)衡量。
1）吞吐率
在指令流水線中，吞吐率是指單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的指令或輸出結(jié)果的數(shù)量。
2）加速比
流水線的加速比是指m段流水線的速度與等功能的非流水線的速度之比。
3）效率
效率是指流水線中個(gè)功能段的利用率。
2. 超標(biāo)量和動(dòng)態(tài)流水線的基本概念
(1) 超標(biāo)量
在超標(biāo)量的處理器結(jié)構(gòu)中，整數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算、裝入、存儲(chǔ)以及條件轉(zhuǎn)移等普通操作指令可以同時(shí)啟動(dòng)并獨(dú)立執(zhí)行。
超標(biāo)量流水CPU是指集成了多條流水線結(jié)構(gòu)的CPU，當(dāng)流水線滿載時(shí)，每個(gè)時(shí)鐘周期可以完成一條以上的指令。
(2) 動(dòng)態(tài)流水線
流水線按功能可分成單功能流水線和多功能流水線兩種。
單功能流水線只完成一種功能。如浮點(diǎn)加法或乘法流水線。
多功能流水線則可完成多種功能，它允許在不同時(shí)間，甚至同一時(shí)間內(nèi)在流水線內(nèi)連接不同功能段的子集來(lái)實(shí)現(xiàn)不同功能。
流水線按工作方式可分為靜態(tài)流水線和動(dòng)態(tài)流水線兩種。
在靜態(tài)流水線中，同一時(shí)間內(nèi)它只能以一種功能方式工作。它可以是單功能的，也可以是多功能的。當(dāng)是多功能流水線時(shí)，則從一種功能方式變?yōu)榱硪环N功能方式時(shí)，必須先排空流水線，然后為另一種功能設(shè)置初始條件后方可使用。顯然，不希望這種功能的轉(zhuǎn)換頻繁的發(fā)生，否則將嚴(yán)重影響流水線的處理效率。
動(dòng)態(tài)流水線則允許在同一時(shí)間內(nèi)將不同的功能段連接成不同的功能子集（前提條件是功能部件的使用不發(fā)生沖突），以完成不同的運(yùn)算功能。顯然，動(dòng)態(tài)流水線必是多功能流水線，而單功能流水線則必是靜態(tài)的。
六、 總線
（一） 總線概述
1. 總線的基本概念
總線是連接各個(gè)部件的信息傳輸線，是各個(gè)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(jì)算機(jī)各部件之間 的信息傳輸線
數(shù)據(jù)總線：雙向 與機(jī)器字長(zhǎng)、存儲(chǔ)字長(zhǎng)有關(guān)
地址總線：單向 與存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間 或 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)（如控制儀表、移動(dòng)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(biāo)
總線的結(jié)構(gòu)通常分為單總線結(jié)構(gòu)和多總線結(jié)構(gòu)。
單總線結(jié)構(gòu)是將CPU、主存、I/O設(shè)備（通過(guò)I/O接口）都掛在一組總線上。
多總線結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是將速度較低的I/O設(shè)備從單總線上分離出來(lái)，形成主總線與I/O設(shè)備總線分開(kāi)的結(jié)構(gòu)。
總線的性能指標(biāo)
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(shí)鐘同步/異步：總線上的數(shù)據(jù)與時(shí)鐘同步的稱為同步總線，與時(shí)鐘不同步的稱為異步總線
4）總線復(fù)用：一條信號(hào)線上分時(shí)傳送兩種信號(hào)。
5）信號(hào)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(dòng)配置、總裁方式、邏輯方式、技術(shù)方式等。
7）其他指標(biāo)：負(fù)載能力、電源電壓、總線寬度能否擴(kuò)展等。
（二） 總線仲裁
由于總線上連接著多個(gè)部件，何時(shí)由哪個(gè)部件發(fā)送信息，如何定時(shí)，如何防止信息丟失，如何避免多個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)送，如何規(guī)定接收部件等一系列問(wèn)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。
總線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(gè)部件之上。
1. 集中仲裁方式
集中仲裁方式有三種：
（1）鏈?zhǔn)讲樵?/strong>
當(dāng)一個(gè)或多個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)出總線使用請(qǐng)求信號(hào)BR時(shí)，中央仲裁器發(fā)出的總線授權(quán)信號(hào)BG沿著菊花鏈串行的從一個(gè)設(shè)備依次傳送到下一個(gè)設(shè)備，到達(dá)離出發(fā)點(diǎn)最近的發(fā)出總線請(qǐng)求的設(shè)備之后就不再往下傳。
（2）計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢
總線上個(gè)設(shè)備通過(guò)總線請(qǐng)求信號(hào)BR，發(fā)出請(qǐng)求，中央仲裁器接收到請(qǐng)求信號(hào)后，在總線忙信號(hào)BS為“0”的情況下，讓計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值通過(guò)一組地址線發(fā)往各設(shè)備。每個(gè)設(shè)備有一個(gè)地址判別電路，如果地址線上的計(jì)數(shù)值與總線請(qǐng)求設(shè)備地址一致，則該設(shè)備對(duì)BS線置“1”，表示該設(shè)備獲得了總線使用權(quán)，同時(shí)中止計(jì)數(shù)查詢。
（3）獨(dú)立請(qǐng)求方式
每個(gè)連接到總線的設(shè)備都有一組單獨(dú)的總線請(qǐng)求信號(hào)BRi與總線授權(quán)信號(hào)BGi。每個(gè)設(shè)備請(qǐng)求使用總線時(shí)，它們各自發(fā)出自己的總線請(qǐng)求信號(hào)。中央仲裁器中設(shè)置了一個(gè)專門(mén)的排隊(duì)電路，由它根據(jù)一定的優(yōu)先次序決定優(yōu)先響應(yīng)哪個(gè)設(shè)備的請(qǐng)求，然后給該設(shè)備總線授權(quán)信號(hào)BGi
2. 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，而是讓各個(gè)主設(shè)備功能模塊都有自己的仲裁號(hào)和仲裁電路。需要使用總線時(shí)，各個(gè)設(shè)備的功能模塊將自己唯一的仲裁號(hào)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(hào)和自己的仲裁號(hào)相對(duì)比，獲勝的仲裁號(hào)將保留在仲裁總線上，相應(yīng)設(shè)備的總線請(qǐng)求獲得響應(yīng)。
（三） 總線操作和定時(shí)
目前在總線上的操作主要有以下幾種：
1）讀和寫(xiě)
讀是將從設(shè)備（如存儲(chǔ)器）中的數(shù)據(jù)讀出并經(jīng)總線傳輸?shù)街髟O(shè)備（如CPU）；寫(xiě)是主設(shè)備到從設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。
2）塊傳送
主設(shè)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(duì)固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)一個(gè)接一個(gè)的讀出或?qū)懭搿?br /> 3）寫(xiě)后讀或讀后寫(xiě)
主設(shè)備給出地址一次，就可以進(jìn)行先寫(xiě)后讀或者先讀后寫(xiě)操作，先讀后寫(xiě)往往用于校驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性，先寫(xiě)后讀往往用于多道程序的對(duì)共享存儲(chǔ)資源的保護(hù)。
4）廣播和廣集
主設(shè)備同時(shí)向多個(gè)從設(shè)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(gè)從設(shè)備的數(shù)據(jù)在總線上完成AND或OR操作，常用于檢測(cè)多個(gè)中斷源。
所謂定時(shí)，是指事件出現(xiàn)在總線上的時(shí)間關(guān)系。總線常用的定時(shí)協(xié)議有同步定時(shí)方式和異步定時(shí)方式
1. 同步定時(shí)方式
同步定時(shí)方式要求所有的模塊由統(tǒng)一的始終脈沖進(jìn)行操作的控制，各模塊的所有動(dòng)作均在時(shí)鐘周期的開(kāi)始產(chǎn)生，并且多數(shù)動(dòng)作在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。
2. 異步定時(shí)方式
異步定時(shí)方式是一種應(yīng)答方式或者互鎖機(jī)制的定時(shí)方式。對(duì)于異步操作，操作的發(fā)生由主設(shè)備或從設(shè)備的的特定信號(hào)來(lái)確定。總線上一個(gè)事件的發(fā)生取決于前一個(gè)事件的發(fā)生，雙方互相提供聯(lián)絡(luò)信號(hào)。
（四） 總線標(biāo)準(zhǔn)
總線標(biāo)準(zhǔn)就是系統(tǒng)與各模塊、模塊與模塊之間的一個(gè)互連的標(biāo)準(zhǔn)界面。
目前流行的總線標(biāo)準(zhǔn)有以下幾種：
1．系統(tǒng)總線
1）ISA----工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系（Industry Standard Architecture），它是最早出現(xiàn)的微型計(jì)算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用在IBM的AT機(jī)上。直到現(xiàn)在，微型計(jì)算機(jī)主板或工作站主板上還保留有少量的ISA擴(kuò)展槽。
2） EISA----擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系（Extended Industry Standard Architecture），主要用于286微機(jī)。EISA對(duì)ISA完全兼容。
3） VESA----視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（Video Electronic Standard Association），是按照局部總線標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的一種開(kāi)放總線，只適合于486的一種過(guò)渡標(biāo)準(zhǔn)，已淘汰。
4） PCI----外圍設(shè)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(mén)為高集成度的外圍部件、擴(kuò)充插板和處理器/存儲(chǔ)器系統(tǒng)而設(shè)計(jì)的互連機(jī)制。
5）AGP----是一種新型的視頻接口的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，專用于連接主存和圖形存儲(chǔ)器。AGP總線寬32位，時(shí)鐘頻率66MHz，能以133MHz工作，最高的傳輸速率可達(dá)533Mbps。
2．設(shè)備總線
1）IDE----集成驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備（Integrated Drive Electronics），它是一種在主機(jī)處理器和磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器之間廣泛使用的集成總線。絕大部分PC的硬盤(pán)和相當(dāng)數(shù)量的CD-ROM驅(qū)動(dòng)器都是通過(guò)這種接口和主機(jī)連接的。
2）SCSI----小型計(jì)算機(jī)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(shè)備與小型計(jì)算機(jī)直接連接起來(lái)，它已經(jīng)成為各種計(jì)算機(jī)（包括工作站、小型機(jī)、甚至大型機(jī)）的系統(tǒng)接口。
3）RS-232----（Recommended Standard-232C），是由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA（Electronic Industries Association）推薦的一種串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)。
4) USB----USB（Universal Serial Bus）接口基于通用的連接技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)外設(shè)的簡(jiǎn)單快速連接，已達(dá)到方便用戶、降低成本、擴(kuò)展微機(jī)連接外設(shè)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(chǔ)器兩大模塊之外，計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的第三個(gè)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(shè)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(shè)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(jī)的階段
（二） 外部設(shè)備
1. 輸入設(shè)備：鍵盤(pán)、鼠標(biāo)
（1） 鍵盤(pán)
鍵盤(pán)是目前應(yīng)用最普遍的一種輸入設(shè)備，與CRT顯示器組成終端設(shè)備。
鍵盤(pán)是由一組排列成陣列形式的按鍵開(kāi)關(guān)組成的，每按下一個(gè)鍵，產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的字符代碼（每個(gè)按鍵的位置碼），然后將它轉(zhuǎn)換成ASCII碼或其他碼，送主機(jī)。目前常用的標(biāo)準(zhǔn)鍵盤(pán)有101個(gè)鍵，它除了提供通常的ASCII字符以外，還有多個(gè)功能鍵（由軟件系統(tǒng)定義功能）、光標(biāo)控制鍵（上、下、左、右移動(dòng)等）與編輯鍵（插入或消去字符）等。
（2）鼠標(biāo)
機(jī)械式： 金屬球 電位器，
光電式： 光電轉(zhuǎn)換器
2. 輸出設(shè)備：顯示器、打印機(jī)
（1）顯示器
顯示器分類：
按器件分：CRT顯示器；
LED顯示器；
等離子體顯示器。
按顯示內(nèi)容分：字符顯示器；
圖形顯示器；
圖像顯示器。
按設(shè)備功能分：普通顯示器；僅供顯示，也稱監(jiān)視器。
顯示終端；顯示器和鍵盤(pán)組成的輸入輸出設(shè)備。
1） 字符顯示：字符發(fā)生器
通過(guò)字符發(fā)生器在CRT上顯示字符。
2） 圖形顯示：主觀圖像
用點(diǎn)、線（直線和曲線）、面（平面和曲面）組合成平面或立體圖形的顯示設(shè)備。主要用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造等。
3） 圖像顯示：客觀圖像
圖像顯示器所顯示的圖像（如遙感圖形、醫(yī)學(xué)圖像、自然景物、新聞圖片等）通常來(lái)自客觀世界，又被稱為客觀圖像。圖像顯示器是把由計(jì)算機(jī)處理后的圖像（數(shù)字圖像）以點(diǎn)陣的形式顯示出來(lái)，通常以光柵掃描方式，其分別率可達(dá)256x256像素，或者512x512像素，也可以與圖形顯示器兼容，其分別率可達(dá)到1024x1024像素，灰度等級(jí)可達(dá)64至256級(jí)。
（2）打印機(jī)
打印機(jī)分類：
按印字原理分：
打擊式：點(diǎn)陣式打印機(jī)；
非打擊式：激光、靜電、噴墨等。
按工作方式分：
串行打印機(jī)，逐字打印；
行式打印機(jī)，逐行打印。
1）點(diǎn)陣式打印機(jī)
點(diǎn)陣針式打印機(jī)的印字原理是由打印針（鋼針）印出nxm個(gè)點(diǎn)陣組成字符或圖形。西文字符點(diǎn)陣有5x7、7x7、7x9、9x9幾種，漢字點(diǎn)陣有16x16、24x24、32x32、48x48幾種。
打印頭中的鋼針數(shù)與打印機(jī)的型號(hào)有關(guān)，有7針、9針，也有雙列14（2x7）針或雙列24（2x12）針。
2） 激光打印機(jī)
激光打印機(jī)采用了激光技術(shù)和照相技術(shù)，印字的質(zhì)量最好，在各個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中被廣泛采用。
激光打印機(jī)完成打印操作的基本工作過(guò)程大致是：充電→曝光→顯影→轉(zhuǎn)印→分離→定影→放電、清潔。
3） 噴墨打印機(jī)
噴墨打印機(jī)是串行非打擊式打印機(jī)，印字原理是將墨水噴射到普通打印紙上。若采用紅、綠、藍(lán)三色噴墨頭，便可實(shí)現(xiàn)彩色打印。
噴墨打印機(jī)按照噴墨方式分為連續(xù)式和隨機(jī)式兩大類。連續(xù)噴射方式是給墨水加壓，使墨水流通過(guò)噴嘴連續(xù)噴射而粒子化。隨機(jī)式是指墨水只有在打印需要時(shí)才噴射，所以又稱為按需打印式。目前，隨機(jī)式噴墨打印機(jī)采用的噴墨技術(shù)主要有壓電式和氣泡式。
3. 外存儲(chǔ)器：硬盤(pán)存儲(chǔ)器、磁盤(pán)陣列、光盤(pán)存儲(chǔ)器
（1）硬盤(pán)存儲(chǔ)器
1）性能指標(biāo)
<1>存儲(chǔ)密度
道密度 Dt，位密度 Db
<2>存儲(chǔ)容量
C = n × k × s
<3>尋址時(shí)間
尋道時(shí)間 + 等待時(shí)間
輔存的速度=尋址時(shí)間+磁頭讀寫(xiě)時(shí)間
<4>數(shù)據(jù)傳輸率
Dr = Db × V
<5>誤碼率
出錯(cuò)信息位數(shù)與讀出信息的總位數(shù)之比。
2）硬磁盤(pán)存儲(chǔ)器的類型
<1> 固定磁頭和移動(dòng)磁頭
固定磁頭的磁盤(pán)存儲(chǔ)器，其磁頭位置固定不動(dòng)，磁盤(pán)上的每一個(gè)磁道都對(duì)應(yīng)著一個(gè)磁頭，盤(pán)片也不可更換，其特點(diǎn)是省去了磁頭沿著盤(pán)片徑向運(yùn)動(dòng)所需的尋道時(shí)間，存取速度快，只要磁頭進(jìn)入工作狀態(tài)即可以進(jìn)行讀寫(xiě)操作。
移動(dòng)磁頭的磁盤(pán)存儲(chǔ)器在存取數(shù)據(jù)時(shí)，磁頭在盤(pán)面上作徑向運(yùn)動(dòng)，這類存儲(chǔ)器可以由一個(gè)盤(pán)片組成，也可以由多個(gè)盤(pán)片裝在一個(gè)同心的主軸上，每個(gè)紀(jì)錄面各有一個(gè)磁頭。
<2> 可換盤(pán)和固定盤(pán)
可換盤(pán)磁盤(pán)存儲(chǔ)器是指盤(pán)片可以脫機(jī)保存，這種磁盤(pán)可以在互為兼容的磁盤(pán)存儲(chǔ)器之間交換數(shù)據(jù)，便于擴(kuò)大存儲(chǔ)容量。
固定盤(pán)磁盤(pán)存儲(chǔ)器是指磁盤(pán)不能從驅(qū)動(dòng)器上取下，更換時(shí)要把整個(gè)頭盤(pán)組合體一起更換。
3）硬磁盤(pán)存儲(chǔ)器的磁道記錄格式
一個(gè)具有n個(gè)盤(pán)片的磁盤(pán)組，可將n個(gè)面上的同一半徑的磁道看成一個(gè)圓柱面，這些磁道存儲(chǔ)的信息稱為柱面信息。盤(pán)面又分為若干個(gè)扇區(qū)，每條磁道有被分割為若干個(gè)扇段，數(shù)據(jù)在盤(pán)片上的布局如圖所示：
因此，尋制用的磁盤(pán)地址應(yīng)該由頭號(hào)、磁道號(hào)、盤(pán)面號(hào)、扇段號(hào)等字段組成，也可將扇段號(hào)用扇區(qū)號(hào)代替。
（2）磁盤(pán)陣列
1）廉價(jià)冗余磁盤(pán)陣列（RAID-Redundant Arrays of Inexpensive Disk）
其原理是將并行處理原理引入磁盤(pán)系統(tǒng)。它采用低成本的小溫盤(pán)，使多臺(tái)磁盤(pán)構(gòu)成同步化的磁盤(pán)陣列，數(shù)據(jù)展開(kāi)存儲(chǔ)在多臺(tái)磁盤(pán)上，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸?#xff0c;并利用冗余技術(shù)提高可靠性，類似于存儲(chǔ)器中的多體交叉技術(shù)。
磁盤(pán)陣列還具有容量大、數(shù)據(jù)傳輸速率高、功耗低、體積小、成本低和便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展前途十分光明。同步磁盤(pán)陣列的關(guān)鍵技術(shù)是對(duì)多臺(tái)磁盤(pán)機(jī)進(jìn)行同步控制，包括采用緩沖器使數(shù)據(jù)同步。
2）RAID分類
工業(yè)界公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)有6級(jí)別，分別為RAID0～RAID5:
RAID-0級(jí)采用無(wú)冗余無(wú)校驗(yàn)的數(shù)據(jù)分塊技術(shù)。
RAID-1級(jí)采用磁盤(pán)鏡像陣列技術(shù)。
RAID-2級(jí)采用海明糾錯(cuò)碼的磁盤(pán)陣列，通過(guò)增加校驗(yàn)磁盤(pán)實(shí)現(xiàn)單糾錯(cuò)雙檢錯(cuò)功能。
RAID-3級(jí)是采用奇偶校驗(yàn)冗余的磁盤(pán)陣列，它也采用數(shù)據(jù)位交叉，陣列中只用一個(gè)校驗(yàn)盤(pán)。
RAID-4級(jí)是一種獨(dú)立傳送磁盤(pán)陣列，它采用數(shù)據(jù)塊交叉，用一個(gè)校驗(yàn)盤(pán)。
RAID-5也是一種獨(dú)立傳送磁盤(pán)陣列，它采用數(shù)據(jù)塊交叉和分布的冗余校驗(yàn)，將數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位都分布在各磁盤(pán)中，沒(méi)有專門(mén)的奇偶校驗(yàn)驅(qū)動(dòng)器。
（3）光盤(pán)存儲(chǔ)器
（1）光盤(pán)存儲(chǔ)器
光盤(pán)存儲(chǔ)器利用激光束在介質(zhì)表面上燒蝕凹坑存儲(chǔ)信息。根據(jù)激光束及其反射光的強(qiáng)弱不同，可以完成信息的讀和寫(xiě)。
光盤(pán)存儲(chǔ)器稱光盤(pán)，是目前廣泛使用的一種外存儲(chǔ)器，更是多媒體計(jì)算機(jī)不可缺少的設(shè)備。它以介質(zhì)材料的光學(xué)性質(zhì)（如反射率、偏振方向）的變化來(lái)表示所存儲(chǔ)信息的“1”和“0”。其突出的優(yōu)點(diǎn)是，激光束可以聚焦到1μm以下，記錄密度可達(dá)645Mb/i2。
光盤(pán)的種類根據(jù)光盤(pán)的可讀寫(xiě)性分為只讀光盤(pán)、寫(xiě)一次/多次讀光盤(pán)和可重寫(xiě)光盤(pán)。
（2）CD-ROM光盤(pán)
<1>光盤(pán)的信息記錄方式
光盤(pán)的信息記錄方式以凹坑方式永久性存儲(chǔ)。當(dāng)激光束聚焦點(diǎn)照射在兩個(gè)凹坑之間的盤(pán)面上時(shí)大部分光將返回，而照在凹坑上時(shí)將發(fā)生衍射，反射率低，將反射光的光強(qiáng)變化在轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，即可讀出記錄信息。
<2>光盤(pán)的扇區(qū)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
光道上劃分出一個(gè)個(gè)的扇區(qū)，這是光盤(pán)最小的可尋址單元。扇區(qū)結(jié)構(gòu)如圖所示：
由圖可見(jiàn)，光盤(pán)扇區(qū)分為4個(gè)區(qū)域。2個(gè)全0字節(jié)和10個(gè)全1字節(jié)組成的同步（SYNC）區(qū)，標(biāo)志著扇區(qū)的開(kāi)始。4字節(jié)的扇區(qū)標(biāo)示（ID）區(qū)用于說(shuō)明此扇區(qū)的地址和工作模式。光盤(pán)的扇區(qū)標(biāo)志地址以分（MN）、秒（SC）和分?jǐn)?shù)秒（FR，1/75s）時(shí)間值為地址。
（三） I/O接口（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(shí)現(xiàn)設(shè)備的選擇
（2）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖達(dá)到速度匹配
（3）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串并格式轉(zhuǎn)換
（4）實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換
（5）傳送控制命令
（6）反映設(shè)備的狀態(tài)（“忙”、“就緒”、“中斷請(qǐng)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(wèn)I／O設(shè)備，也稱2種不同的I／O端口編址方法：
（1）專門(mén)的I／O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(shè)備的設(shè)備代碼。
由相應(yīng)的控制信號(hào)（如M／IO#）來(lái)區(qū)分CPU執(zhí)行的是什么指令。
（2）利用訪問(wèn)存儲(chǔ)器指令完成I／O功能
從主存的地址空間中分出一部分地址碼作為I／O的設(shè)備代碼，當(dāng)訪問(wèn)到這些地址時(shí)，表示被訪的不是主存儲(chǔ)器，而是I／O設(shè)備端口。
沒(méi)有控制信號(hào)區(qū)分存儲(chǔ)器和端口，采用的是將該段地址譯碼輸出連接到外設(shè)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(wèn)題是每時(shí)每刻需要不斷查詢I/O設(shè)備是否準(zhǔn)備好。CPU不斷地詢問(wèn)外設(shè)是否準(zhǔn)備好：如果準(zhǔn)備好，CPU執(zhí)行IO操作；否則，CPU一直等待。CPU大部分時(shí)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(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的過(guò)程中，當(dāng)出現(xiàn)異常情況或者特殊情況時(shí)，CPU停止當(dāng)前程序的運(yùn)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)行程序的間斷處繼續(xù)運(yùn)行，該過(guò)程就是中斷。
（2）中斷響應(yīng)過(guò)程
當(dāng)多個(gè)中斷源向CPU提出中斷請(qǐng)求時(shí)，CPU在任何一個(gè)時(shí)刻只能接受一個(gè)中斷源的請(qǐng)求，所以，當(dāng)多個(gè)中斷源同時(shí)請(qǐng)求時(shí)，CPU必須對(duì)各個(gè)中斷源的請(qǐng)求進(jìn)行排隊(duì)，且只能接受級(jí)別最高的中斷源的請(qǐng)求，不允許低級(jí)別的中斷源中斷正在運(yùn)行的中斷服務(wù)程序。
每個(gè)設(shè)備都配備一個(gè)中斷請(qǐng)求觸發(fā)器和中斷屏蔽觸發(fā)器，當(dāng)中斷請(qǐng)求觸發(fā)器為“1”時(shí)，表示該設(shè)備向CPU提出中斷請(qǐng)求，如果中斷屏蔽觸發(fā)器為“1”時(shí)，表示該設(shè)備被屏蔽，即封鎖其中斷源的請(qǐng)求。
當(dāng)多個(gè)中斷源同時(shí)向CPU提出請(qǐng)求，CPU需要對(duì)這些中斷源的請(qǐng)求進(jìn)行排隊(duì)，也稱為中斷判優(yōu)，有兩種判優(yōu)的方法：
1）查詢法
由測(cè)試程序按一定優(yōu)先排隊(duì)次序檢查各個(gè)設(shè)備的“中斷觸發(fā)器”（或稱為中斷標(biāo)志），當(dāng)遇到第一個(gè)“1”標(biāo)志時(shí),即找到了優(yōu)先進(jìn)行處理的中斷源，通常取出其設(shè)備碼，根據(jù)設(shè)備碼轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。
2）串行排隊(duì)鏈法
由硬件組成一個(gè)串行的優(yōu)先鏈，稱作排隊(duì)鏈。
一旦CPU確定接受某個(gè)中斷源的請(qǐng)求，就需要執(zhí)行該設(shè)備的中斷服務(wù)程序，因此需要找到中斷服務(wù)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(shí)現(xiàn)。硬件向量法就是通過(guò)向量地址來(lái)尋找設(shè)備的中斷服務(wù)程序的入口地址。中斷向量地址形成部件可以通過(guò)向接受請(qǐng)求的中斷源發(fā)送中斷響應(yīng)信號(hào)，然后由被響應(yīng)的設(shè)備回送設(shè)備碼，根據(jù)設(shè)備碼來(lái)產(chǎn)生中斷向量地址。
（3）中斷處理過(guò)程
中斷處理過(guò)程可分以下幾個(gè)步驟：
1）關(guān)中斷
進(jìn)入不可再次響應(yīng)中斷的狀態(tài)，由硬件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。因?yàn)榻酉氯ヒ４鏀帱c(diǎn)，保存現(xiàn)場(chǎng)。在保存現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程中，即使有更高級(jí)的中斷源申請(qǐng)中斷，CPU也不應(yīng)該響應(yīng)；否則，如果現(xiàn)場(chǎng)保存不完整，在中斷服務(wù)程序結(jié)束之后，也就不能正確地恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)并 繼續(xù)執(zhí)行現(xiàn)行程序。
2）保存斷點(diǎn)和現(xiàn)場(chǎng)
為了在中斷處理結(jié)束后能正確地返回到中斷點(diǎn)，在響應(yīng)中斷時(shí)，必須把當(dāng)前的程序計(jì)數(shù)器PC中的內(nèi)容（即斷點(diǎn)）保存起來(lái)。
現(xiàn)場(chǎng)信息一般指的是程序狀態(tài)字，中斷屏蔽寄存器和CPU中各寄存器的內(nèi)容。
3）判別中斷源，轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序
在多個(gè)中斷源同時(shí)請(qǐng)求中斷的情況下，本次實(shí)際響應(yīng)的只能是優(yōu)先權(quán)最高的那個(gè)中斷源。所以，需進(jìn)一步判別中斷源，并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的中斷服務(wù)程序入口。
4）開(kāi)中斷
因?yàn)榻酉氯ゾ鸵獔?zhí)行中斷服務(wù)程序，開(kāi)中斷將允許更高級(jí)中斷請(qǐng)求得到響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)中斷嵌套。
5）執(zhí)行中’斷服務(wù)程序
不同中斷源的中斷服務(wù)程序是不同的，實(shí)際有效的中斷處理工作是在此程序段中實(shí)現(xiàn)的。
6）退出中斷
在退出時(shí)，又應(yīng)進(jìn)入不可中斷狀態(tài)，即關(guān)中斷，恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)、恢復(fù)斷點(diǎn)，然后開(kāi)中斷，返回原程序執(zhí)行。
（4）多重中斷和中斷屏蔽的概念
多重中斷是指在處理某一個(gè)中斷過(guò)程又發(fā)生了新的中斷請(qǐng)求，從而中斷該服務(wù)程序的執(zhí)行，又轉(zhuǎn)去進(jìn)行新的中斷處理。這種重疊處理中斷的現(xiàn)象又稱為中斷嵌套。
中斷屏蔽
當(dāng)產(chǎn)生中斷請(qǐng)求后，用程序方式有選擇地封鎖部分中斷，而允許其余部分中斷仍得到響立，稱為中斷屏蔽。
實(shí)現(xiàn)方法是為每個(gè)中斷源設(shè)置一個(gè)中斷屏蔽觸發(fā)器來(lái)屏蔽該設(shè)備的中斷請(qǐng)求。具體說(shuō)，用程序方法將該觸發(fā)器置“1”，則對(duì)應(yīng)的設(shè)備中斷被封鎖，若將其置“0”，才允許該設(shè)備的中斷請(qǐng)求得到響應(yīng)。由各設(shè)備的中斷屏蔽觸發(fā)器組成中斷屏蔽寄存器。
3. DMA方式
DMA是I／O設(shè)備與主存儲(chǔ)器之間由硬件組成的直接數(shù)據(jù)通路，用于高速I(mǎi)／O設(shè)備與主存之間的成組數(shù)據(jù)傳送。
數(shù)據(jù)傳送是在DMA控制器控制下進(jìn)行的，由DMA控制器給出當(dāng)前正在傳送的數(shù)據(jù)字的主存地址，并統(tǒng)計(jì)傳送數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)以確定一組數(shù)據(jù)的傳送是否已結(jié)束。在主存中要開(kāi)辟連續(xù)地址的專用緩沖器，用來(lái)提供或接收傳送的數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)傳送前和結(jié)束后要通過(guò)程序或中斷方式對(duì)緩沖器和DMA控制器進(jìn)行預(yù)處理和后處理。
（1）DMA控制器的組成；
1）主存地址寄存器（MAR）
寄存器初始值為主存緩沖區(qū)的首地址。
2）外圍設(shè)備地址寄存器（ADR ）
該寄存器存放I／O設(shè)備的設(shè)備碼，具體內(nèi)容取決于I／O設(shè)備的數(shù)據(jù)格式和地址字編址方式。
3）字?jǐn)?shù)計(jì)數(shù)器（WC）
該計(jì)數(shù)器對(duì)傳送數(shù)據(jù)的總字?jǐn)?shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì) 。
4）控制與狀態(tài)寄存器（CSR）
該寄存器用來(lái)存放控制字和狀態(tài)字。
5）數(shù)據(jù)緩沖寄存器（DBR）
該寄存器用來(lái)暫存I／O設(shè)備與主存?zhèn)魉偷臄?shù)據(jù)。
6）中斷機(jī)構(gòu)
當(dāng)字計(jì)數(shù)器溢出（全“0”）時(shí)，表示一批數(shù)據(jù)交換完成，由“溢出信號(hào)”通過(guò)中斷機(jī)構(gòu)向CPU提出中斷請(qǐng)求，請(qǐng)求CPU作DMA操作后處理。
（2）DMA傳送過(guò)程
1）DMA預(yù)處理
在進(jìn)行DMA數(shù)據(jù)傳送之前要用程序做一些必要的準(zhǔn)備工作。先由CPU執(zhí)行幾條輸入輸出指令，測(cè)試設(shè)備狀態(tài)，向DMA控制器的設(shè)備地址寄存器中送入設(shè)備地址并啟動(dòng)設(shè)備，在主存地址寄存器中送入交換數(shù)據(jù)的主存起始地址，在數(shù)據(jù)字?jǐn)?shù)寄存器中送入交換的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。在這些工作完成之后，CPU繼續(xù)執(zhí)行原來(lái)的程序。
2）DMA控制I/O設(shè)備與主存之間的數(shù)據(jù)交換
I/O設(shè)備啟動(dòng)后，若為輸入數(shù)據(jù)，則要進(jìn)行以下操作：
<1>從輸入介質(zhì)讀入一個(gè)字到數(shù)據(jù)緩沖寄存器DBR中。
<2>向CPU發(fā)DMA請(qǐng)求，在取得總線控制權(quán)后，將DBR中的數(shù)據(jù)送人主存的數(shù)據(jù)寄存器。
<3>將DMA中的MAR內(nèi)容送主存的地址寄存器，啟動(dòng)寫(xiě)操作，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入主存。
<4>將WC內(nèi)容減1，將MAR的內(nèi)容加1，給出下一個(gè)字的地址。
<5>判斷WC是否為“0”，若不是，說(shuō)明還有數(shù)據(jù)需要傳送，檢查無(wú)錯(cuò)后準(zhǔn)備下一字的輸入。若WC為0，表明一組數(shù)據(jù)已傳送完畢，此時(shí)應(yīng)置結(jié)束標(biāo)志，向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求。
3) CPU中斷原程序進(jìn)行后處理
若需繼續(xù)交換數(shù)據(jù)，則又要對(duì)DMA控制器進(jìn)行初始化；若不需交換數(shù)據(jù)，則停止外設(shè)；若為出錯(cuò)，則轉(zhuǎn)錯(cuò)誤診斷及處理程序。
（3）DMA三種工作方式：
1）CPU暫停方式
主機(jī)響應(yīng)DMA請(qǐng)求后，讓出存儲(chǔ)總線，直到一組數(shù)據(jù)傳送完畢后，DMA控制器才把總線控制權(quán)交還給CPU。
2）CPU周期竊取方式
DMA控制器與主存儲(chǔ)器之間傳送一個(gè)數(shù)據(jù)，占用（竊取）一個(gè)或幾個(gè)CPU周期，即CPU暫停工作一個(gè)或幾個(gè)周期，然后繼續(xù)執(zhí)行程序。
3）CPU和DMA交替工作方式
當(dāng)CPU的工作周期比主存訪問(wèn)時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，使用這種方式。這種方式不需要總線使用權(quán)的申請(qǐng)、建立和歸還過(guò)程。將CPU周期分成C1和C2兩個(gè)周期，其中C1專門(mén)用于給DMA訪問(wèn)主存，C2提供給CPU訪問(wèn)主存。總線使用權(quán)通過(guò)C1和C2分別控制。CPU和DMA各自有自己的訪問(wèn)地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器和讀寫(xiě)信號(hào)。
4. 通道方式
I/O通道是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中代替CPU管理控制外設(shè)的獨(dú)立部件，是一種能執(zhí)行有限I/O指令集合–通道命令的I/O處理機(jī)。
在通道控制方式下，一個(gè)主機(jī)可以連接幾個(gè)通道。每個(gè)通道又可連接多臺(tái)I/O設(shè)備，這些設(shè)備可具有不同速度，可以是不同種類。這種輸入輸出系統(tǒng)增強(qiáng)了主機(jī)與通道操作的并行能力以及各通道之間、同一通道的各設(shè)備之間的并行操作能力。同時(shí)也為用戶提供了增減外圍設(shè)備的靈活性。
采用通道方式組織輸入輸出系統(tǒng)，多使用主機(jī)-通道-設(shè)備控制器- I/0設(shè)備四級(jí)連接方式。通道通過(guò)執(zhí)行通道程序?qū)嵤?duì)I/O系統(tǒng)的統(tǒng)一管理和控制，因此，它是完成輸入輸出操作的主要部件。在CPU啟動(dòng)通道后，通道自動(dòng)地去內(nèi)存取出通道指令并執(zhí)行指令。直到數(shù)據(jù)交換過(guò)程結(jié)束向CPU發(fā)出中斷請(qǐng)求，進(jìn)行通道結(jié)束處理工作。
I/O通道的種類：
根據(jù)多臺(tái)設(shè)備共享通道的不同情況，可將通道分為三類：字節(jié)多路通道、選擇通道和數(shù)組多路通道。
（1）字節(jié)多路通道(低速、分時(shí))
字節(jié)多路通道（multiplexor channel）是一種簡(jiǎn)單的共享通道，在時(shí)間分割的基礎(chǔ)上，服務(wù)于多臺(tái)低速和中速面向字符的外圍設(shè)備。
字節(jié)多路通道包括多個(gè)子通道，每個(gè)子通道服務(wù)于一個(gè)設(shè)備控制器，可以獨(dú)立地執(zhí)行通直指令。每個(gè)子通道都需要有字符緩沖寄存器、I/O請(qǐng)求標(biāo)志/控制寄存器、主存地址寄存器和字節(jié)計(jì)數(shù)寄存器。而所有子通道的控制部分是公共的，由所有子通道所共享。通常，每個(gè)通道的有關(guān)指令和參量存放在主存固定單元中。當(dāng)通道在邏輯上與某一設(shè)備連通時(shí)，將這些指令和參量取出來(lái)，送入公共控制部分的寄存器中使用。
字節(jié)多路通道要求每種設(shè)備分時(shí)占用一個(gè)很短的時(shí)間片，不同的設(shè)備在各自分得的時(shí)間片內(nèi)與通道建立傳輸連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。
（2）選擇通道（高速、獨(dú)占）
選擇通道每次只能從所連接的設(shè)備中選擇一臺(tái)I/O設(shè)備的通道程序，此刻該通道程序獨(dú)占了整個(gè)通道。當(dāng)它與主存交換完數(shù)據(jù)后，才能轉(zhuǎn)去執(zhí)行另一個(gè)設(shè)備的通道程序，為另一臺(tái)設(shè)備服務(wù)。因此，連接在選擇通道上的若干設(shè)備，只能依次使用通道與主存?zhèn)魉蛿?shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳送是以成組（數(shù)據(jù)塊）方式進(jìn)行，每次傳送一個(gè)數(shù)據(jù)塊，因此，傳送速率很高。選擇通道多適合于快速設(shè)備（磁盤(pán)），這些設(shè)備相鄰字之間的傳送空閑時(shí)間極短。
（3）數(shù)組多路通道（綜合）
數(shù)組多路通道把字節(jié)多路通道和選擇通道的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。它有多個(gè)子通道，既可以執(zhí)行多路通道程序，像字節(jié)多路通道那樣、所有子通道分時(shí)共享總通道；又可以用選擇通道那樣的方式傳送數(shù)據(jù)。
數(shù)組多路通道具有多路并行操作能力，又具有很高的數(shù)據(jù)傳送速率，贏得了吞吐率的較大提高。它的缺點(diǎn)是增加了控制的復(fù)雜性。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的【计算机组成原理】重点总结(详版)的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
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