*written by PeterAlbus，Copyright © 2021 - SHOU 1951123 Hong Wu* --- # 第一章 计算机系统概论 ### 1.1 计算机系统简介 #### 1.1.1 计算机的软硬件概念 计算机系统由“硬件”和“软件”两大部分组成。 > **硬件**是指计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各类电子元器件，各类光、电、机设备的事物组成，如主机、外部设备等。 > 所谓**软件**，它看不见摸不着，由人们实现编制的具有各类特殊功能的程序组成。 计算机的软件又可以分为两大类：系统软件和应用软件。 #### 1.1.2 计算机的层次结构 ![五级层次结构](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_01.png) ### 1.2 计算机的基本组成 #### 1.2.1 冯诺依曼计算机的特点 + 由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成 + 指令和数据以同等地位存放于存储器内 + 指令和数据均用二进制表示 + 指令由操作码和地址码组成，操作码表示操作性质，地址码表示操作数位置 + 指令在存储器内按顺序存放，通常按顺序执行，特定条件下也可改变执行顺序 + 机器以**运算器**为中心 #### 1.2.2 现代计算机硬件框图 + 以**存储器**为中心 ![存储器为中心](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_03.png) + 运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内 + 存储器用来存放数据和程序 + 控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果 + 输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式 + 输出设备可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式 ![现代计算机硬件框图](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_02.png) ### 1.3 计算机硬件的主要技术指标 + 机器字长 + 存储容量 + 运算速度 --- # 第二章 计算机的发展及应用 ### 2.1 计算机的发展史 #### 2.1.1 计算机的产生和发展 + 第一台电子计算机：1946 美国 ENIAC + 现代计算机产生的驱动力：需求+技术发展 + 硬件技术的发展： 电子管(第一代计算机)→晶体管(第二代计算机)→中小规模集成电路(第三代计算机,几十/上百个元件)→大规模集成电路(上千个元件)→超大规模集成电路(一片IC芯片上能容纳数万个以上元件) 计算机的更新换代以**电子器件**为依据 #### 2.1.2 微型计算机的出现和发展 微处理器芯片 1971年(4位、8位、...、64位) 存储器芯片 1970年 Moore定律：微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番 #### 2.1.3 软件计数的兴起和发展 ##### 1.各种语言 机器语言-面向机器 汇编语言-面向机器 高级语言-面向问题 + FORTRAN 科学计算 + PASCAL 结构化程序设计 + C++ 面向对象 + Java 适应网络环境 ##### 2.系统软件 + **语言处理程序**：汇编程序，编译程序，解释程序 + **操作系统**：DOS UNIX Windows + **服务型程序**：装配 调试 诊断 排错 + **数据库管理系统**：DB和DBMS + **网络软件** ##### 3.软件发展的特点 + 开发周期长 + 制作成本昂贵 + 检测软件产品质量的特殊性 ### 2.2 计算机的应用 + 科学计算和数据处理 + 工业控制和实时控制 + 网络技术 + 电子商务 + 网络教育 + 虚拟现实 + 办公自动化和管理信息系统 + CAD(Computer Aided Desgine)/CAM(Computer Aided Manufacturing)/CIMS(Computer Intergrated Manufacturing System) + 多媒体技术 + 人工智能 ### 2.3 计算机的展望 替代传统的硅芯片：光计算机、DNA生物计算机、量子计算机 --- # 第三章 系统总线 ### 3.1 总线的基本概念 > **总线**(bus)是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的信息传输介质。 使用总线的原因：I/O设备不断增多，人们希望随时增添或减撤设备**。** **总线结构的举例**： + 单总线结构框图 ![单总线](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_04.png) + 存储器为中心的双总线 ![双总线](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_05.png) ### 3.2 总线的分类 + 片内总线：芯片内部的总线 + 系统总线：计算机各部位之间的信息传输线 + 数据总线：双向，与机器字长，存储字长有关 + 地址总线：单向，与存储地址，I/O地址有关 + 控制总线：有出(存储器读写、总线允许、中断确认)、有入(中断请求、总线请求) + 通信总线：用于计算机系统之间或计算机系统与其他系统之间的通信 传输方式： + 串行通信总线 + 并行通信总线 ### 3.3 总线特性及性能指标 #### 3.3.1 总线特性 总线的物理实现：印制在电路板上 ![总线物理实现](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_06.png) + 机械特性：尺寸、形状、管脚数及排列顺序 + 电气特性：传输方向和有效的电平范围 + 功能特性：每根传输线的功能(地址、数据、控制) + 时间特性：任意一根线在什么时间内有效 #### 3.3.2 总线的性能指标 + **总线宽度**：数据线根数 + **总线带宽**：每秒传输的最大字节数(MBps) + **时钟同步/异步**：同步/不同步 + **总线复用**：地址线与数据线服用 + **信号线数**：地址线、数据线和控制线的综合 + **总线控制方式**：并发、自动、仲裁、逻辑、计数 + 其他指标：**负载能力** #### 3.3.3 总线标准 > **总线标准**，可视为系统与各模块，模块与各模块之间的一个互联的标准界面。 采用总线标准可以为计算机接口的软硬件设计提供方便。 流行的总线标准： + ISA + EISA + VESA(LV-BUS) + PCI + AGP + RS-232 + USB ### 3.4 总线结构 + 单总线结构：已在-3.1 总线的基本概念-处展示 这类总线通常被小型或微型计算机使用 + 多总线结构 + 双总线结构 ![总线结构](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_07.png) + 三总线结构 ![总线结构](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_08.png) + 三总线结构的又一形式 ![总线结构](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_09.png) + 四总线结构 ![总线结构](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_10.png) + 总线结构举例(P55) + 传统卫星总线结构 + VL-BUS局部总线结构 + PCI总线结构 + 多层PCI总线结构 ### 3.5 总线控制 #### 3.5.1 总线判优控制 > 总线上的设备分为主设备和从设备。 > > **主设备**：对总线有控制权。 > > **从设备**：响应从设备发来的总线命令 > > 当多个主设备要使用总线时，就由总线控制器的**判优**、仲裁逻辑按一定的优先等级顺序确定哪个主设备能使用总线。 总线判优控制 + 集中式 + 链式查询 + 离控制部件最近的设备有最高的优先权 + 对电路故障敏感 + 使用2根线确定总线控制权 + 计数器定时查询 + 计数可以从0开始，也可以从上次结束的地方开始(会导致优先级不同) + 电路故障不如链式查询敏感，但增加了设备地址线，控制也较复杂 + 使用$log_2n$条线确定总线控制权 + 独立请求方式 + 响应速度快，优先次序灵活 + 控制线数量多，控制也更复杂 + 使用2n根线确定总线控制权 + 分布式 ![总线判优控制](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_11.png) #### 3.5.2 总线通信控制 + **目的**：解决通信双方协调配合问题 + 总线传输周期： + 申请分配阶段：主模块申请，总线仲裁 + 寻址阶段：主模块向从模块给出地址和命令 + 传数阶段：主模块和从模块交换数据 + 结束阶段：主模块撤销有关信息 + 总线通信的四种方式 + 同步通信：由统一时标控制数据传送 + 异步通信：允许各模块速度的不一致性 + 不互锁：从设备没有反馈 + 半互锁：等待从设备有反馈后主设备才能撤销请求 + 全互锁：等待从设备有反馈后主设备才能撤销请求，等待主设备撤销请求后才能撤销回答 + 半同步通信：若检测到WAIT信号，插入时钟(等待)周期(同步、异步结合) + 分离式通信：充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力 + 子周期1：主模块申请占用总线，使用后放弃总线使用权 + 子周期2：从模块申请占用总线传输数据 前三种通信的共同点： + 首先申请总线 + 主模块通过总线向从模块发送请求 + 从模块准备数据 + 从模块传输数据 在准备数据时总线空闲 分离式通信： 各模块有权申请占用总线 异步通信 各模块准备数据时都不占用总线 **充分提高了总线的有效占用** --- # 第四章 存储器 ### 4.1 概述 #### 4.1.1 存储器的分类 ##### 1.按存储介质分类 + **半导体存储器** TTL,MOS (易失) + **磁表面存储器** 磁头,载磁体 (非易失) + **磁芯存储器** 硬磁材料,环状元件 (非易失) + **光盘存储器** 激光,磁光材料 (非易失) ##### 2.按存取方式分类 + 存取时间与物理地址无关(随机访问) + 随机存储器 + 只读存储器 + 存取时间与物理地址有关(串行访问) + 顺序存储存储器 磁带 + 直接存取存储器 磁盘 ##### 3.按在计算机中的作用分类 + 主存储器 + RAM + 静态RAM + 动态RAM + ROM + MROM(掩模式只读存储器) + PROM(可编程只读存储器) + EPROM(可擦编程只读存储器) + EEPROM(带电可擦可编程只读存储器) + Flash Memory + 高速缓冲存储器(Cache) + 辅助存储器 #### 4.1.2 存储器的层次结构 ##### 1.存储器三个重要特性的关系 ![三个重要特性的关系](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_12.png) ##### 2.缓存-主存层次和主存-辅存层次 缓存-主存：速度 主存-辅存：容量 ### 4.2 主存储器 #### 4.2.1 概述 ##### 1.主存的基本组成 ![主存的基本组成](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_13.png) ##### 2.主存和CPU的联系 ![主存和CPU的联系](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_14.png) ##### 3.主存中存储单元地址的分配 > 字节：8位二进制数 > > 字：根据机器字长不同，用n个字节表示一个字 + 一个字中的高位字节地址表示字地址 | 字地址 | 字节地址 | 字节地址 | 字节地址 | 字节地址 | | :----: | :------: | :------: | :------: | :------: | | 0 | 0 | 1 | 2 | 3 | | 4 | 4 | 5 | 6 | 7 | | 8 | 8 | 9 | 10 | 11 | + 一个字中的低位字节地址表示字地址 | 字地址 | 字节地址 | 字节地址 | | :----: | :------: | :------: | | 0 | 1 | 0 | | 2 | 3 | 2 | | 4 | 5 | 4 | 按字寻址，需要拿出n根地址线(2^n=字节数目)，其余位标识字地址，寻址范围为2^(地址线数目-n) ##### 4.主存的技术指标 + 存储容量 + 存储速度 + 存取时间 + 存取周期：连续两次独立的存储器操作所需的最小间隔时间 + 存储器的带宽 位/秒 #### 4.2.2 半导体存储芯片简介 ##### 1.基本结构 ![半导体存储芯片](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_15.png) ``` 芯片容量=2^地址线条数*数据线位数 ``` 片选线CS/CE,读写控制线WE(Write Enable),OE(Output Enable) 上划线代表：低电平有效 ##### 2.半导体存储芯片的译码驱动方式 + 线选法：仅一个地址译码器，选择对应的字线，容量大时不合适 + 重合法： ![重合法](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_16.png) #### 4.2.3 随机存取存储器(RAM) ##### 1.静态RAM(SRAM) > 静态RAM使用触发器原理储存信息，在掉电时丢失全部信息。 + 基本电路 ![RAM1](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_17.png) + 读操作 ![RAM2](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_18.png) + 写操作 ![RAM3](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_19.png) + 静态RAM读、写时序 ![RAM4](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_20.png) ![RAM5](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_21.png) ##### 2.动态RAM(DRAM) > 动态RAM靠电容存储电荷的原理储存信息，电容上有足够电荷表示1，无足够电荷则表示0。电荷不能长久维持，因此必须在2ms内对所有存储单元恢复一次原状态，这个过程称为再生或刷新。 基本单元电路： ![RAM6](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_22.png) 读出信息与原存信息相反 写入信息与输入信息相同 + 动态RAM刷新 刷新与行地址有关 + 集中刷新：每隔一段时间刷新全部 + 分散刷新：一个存取周期包含读写+刷新 + 异步刷新：每隔一段时间刷新一行，可将刷新安排在指令译码阶段 ##### 3.动态RAM和静态RAM的比较 目前，动态RAM的应用比静态RAM广得多。 | | DRAM | SRAM | | -------- | ------ | ------ | | 存储原理 | 电容 | 触发器 | | 刷新 | 有 | **无** | | 集成度 | **高** | 低 | | 芯片引脚 | **少** | 多 | | 功耗 | **小** | 大 | | 价格 | **低** | 高 | | 速度 | 慢 | **快** | #### 4.2.4 只读存储器(ROM) ##### 1.掩模ROM(MROM) 行列选择线交叉处有MOS管为1，否则为0 ##### 2.PROM(一次性编程) 通过熔丝，熔丝断为0，未断为1 ##### 3.EPROM(多次性编程) N型沟道浮动栅MOS电路：写入：电压，擦除：紫外线 ##### 4.EEPROM(多次性编程) + 电可擦写 + 局部擦写 + 全部擦写 ##### 5.Flash Memory(闪速型存储器) 比EEPROM快，具备RAM功能 #### 4.2.5 存储器与CPU的连接 ##### 1.存储器容量的扩展 + 位扩展(增加存储字长) 用2片1K\*4位的存储芯片组成1K\*8位的存储器 + 字扩展 用2片1K\*8位的存储芯片组成2K\*8位的存储器 + 字、位扩展 上面两者结合而成 ##### 2.存储器与CPU的连接 + 地址线的连接 + 数据线的连接 + 读/写命令线的连接 + 片选线的连接 + 合理选择存储芯片 + 其他：时序、负载 参考书P94 例4.1/4.2 #### 4.2.6 存储器的校验 ##### 1.编码的最小距离 > 编码的最小距离，是指在一种编码系统中，任意两组合法代码之间二进制位数的最少差异。 例如，假如一个编码系统，合法编码有1111,1100,0000,则最小编码距离为2。 编码的纠错、检错能力与编码的最小距离有关。 设L为编码的最小距离，D为检测错误的位数，C为纠正错误的位数，则： ```c L-1=D+C(D>=C) ``` ##### 2.汉明码 > “汉明码”是一种“错误纠正码”，可以用来检测并且纠正数据从发送端发往接收端中发生的错误 汉明码是具有一位纠错能力的编码。 若原值有n位，汉明码的组成需要添加k位检测位 $$ 2^k \geq n+k+1 $$ 检测位的位置为2^i(i=0,1,2,3...) 添加检测位后分组，每个检测位对应第(i+1)组： + 对于检测位2^i，将所有数的位置转换为2进制 + 如有7位数字，则分别为001位、010位、011位.... + 将所有第i+1位为1的数字分到该组，如检测为为2^0=1，则001,011,101,111(第1，3，5，7个数)属于该组 分组后进行校验，分为奇校验与偶校验 对每组进行检测，要求每组的数字之和为奇数/偶数(对于二进制来说，即拥有奇数/偶数个1)(可通过对所有数进行异或运算，若结果为0则为偶数，结果为1则为奇数) 若检测出错，通过找到多个出错的组的公共位即可找到出错的位置 #### 4.2.7 提高访存速度的措施 + 采用高速器件 + 采用层次结构Cache-主存 + 调整主存结构 + 单体多字系统 + 多体并行系统 + 高位交叉 各个体并行工作 + 低位交叉 在不改变存储器周期的前提下，增加存储器带宽 + 存储器控制部件 + 高性能存储芯片 + SDRAM CPU无需等待，在系统时钟的控制下进行读出和写入 + RDRAM 主要解决了存储器带宽问题 + 带Cache的DRAM ### 4.3 高速缓冲器 #### 4.3.1 概述 ##### 1.问题的提出 避免CPU“空等”的现象 解决CPU和DRAM的速度差异 ![CACHE](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_23.png) ##### 2.Cache的工作原理 + 主存和缓存按块存储，块的到校相同 + 命中与未命中 + 命中：主存块调入缓存，主存块与缓存建立了对应关系 + 用 标记记录 与某缓存块建立了对应关系的 主存块号 + 未命中：未建立对应关系 + 命中率 + CPU欲访问的信息在Cache中的比率 + 命中率 与 Cache 的 **容量** 与 **块长** 有关 + Cache-主存系统的效率 $$ e=\frac{访问Cache的时间}{平均访问时间} $$ ##### 3.Cache的基本结构 ![Cache结构](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_24.png) ##### 4.Cache的读写操作 + 读： ![CACHE读](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_25.png) + 写：保证CACHE和主存的一致性 + 写直达法 写操作时既写入Cache又写入主存 写操作时间就是访问主存的时间，更新策略容易时间 + 写回法 只写入Cache，写操作时间就是访问Cache的时间 Cache被替换的块需要写回主存，增加了Cache 的复杂性 ##### 5.Cache的改进 + 增加Cache级数 + 统一缓存和分立缓存 #### 4.3.2 Cache-主存地址的映射 ##### 1.直接映射 每个缓存块对应多个主存块 缓存标记储存的主存块，比较器检测是否命中 ##### 2.全相联映射 主存中的任意一块可以映射到缓存中的任意一块 ##### 3.组相联映射 某一主存块可以映射到缓存的某一组的任意一块(直接映射和全相联映射介个) #### 4.3.3 替换算法 + FIFO + LRU ### 4.4 辅助存储器 + 特点：不直接与CPU交换信息 + 硬磁盘 + 软盘 + 光盘 --- # 第五章 输入输出系统 ### 5.1 概述 #### 5.1.1 输入输出系统的发展概况 + 早期：分散连接，CPU和I/O设备串行工作，程序查询方式 + 接口模块和DMA阶段 + 总线连接 + CPU和I/O设备并行工作 + 中断方式 + DMA方式 + 具有通道结构的阶段 + 具有I/O处理机的阶段 #### 5.1.2 输入输出系统的组成 + I/O软件 + I/O指令 CPU指令的一部分 + 通道指令 通道自身的指令 + I/O硬件 + 设备-I/O接口 + 设备-设备控制器-通道 #### 5.1.3 I/O设备与主机的联系方式 + I/O设备编址方式 + 统一编址 用取数、存数指令 + 不统一编址 有专门的I/O指令 + 设备选址 用设备选择电路识别是否被选中 + 传送方式 + 串行 + 并行 + 联络方式 + 立即响应 + 异步工作采用应答信号 + 同步工作采用同步时标 + 连接方式 + 辐射式连接 每个设备都配有一套控制线路和一组信号线 不便于增删设备 + 总线连接 便于增删设备 #### 5.1.3 I/O设备与主机信息传送的控制方式 + 程序查询方式：CPU和I/O串行工作，踏步等待 + 程序中断方式：CPU和I/O设备并行工作 + I/O准备：CPU完成自身任务 + 与主机交换信息：CPU暂停先行程序 + DMA方式：CPU和I/O设备并行工作 + 主存和I/O之间有一条直接数据通道 + 不中断现有程序 + 周期挪用 ![三种方式的比较](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_26.png) ### 5.2 I/O设备 #### 5.2.1 概述 > 中央处理器和主存构成了主机，除主机外的大部分硬件设备都可称为I/O设备或外部设备，或外围设备，简称外设。 外部设备大致分为3类： + **人机交互设备：**键盘、鼠标、打印机、显示器 + **计算机信息存储设备：**磁盘、光盘、磁带 + **机-机通信设备：**调制解调器等 #### 5.2.2 输入设备 + 键盘 + 按键 + 判断哪个键被按下 + 将此键翻译成ASCII码 + 鼠标 + 机械式 金属球，电位器 + 光电式 光电转换器 + 触摸屏 #### 5.2.3 输出设备 + 显示器 + 字符显示 字符发生器 + 图形显示 主观图像 + 图像显示 客观图像 + 打印机 + 击打式 点阵式 + 非击打式 激光、喷墨 #### 5.2.4 其他I/O设备 + A/D,D/A转换器(数字/模拟信号转换器) + 终端-由键盘和显示器组成 + 汉字处理 #### 5.2.5 多媒体技术 > 多媒体（Multimedia）是多种[媒体]()的[综合]()，一般包括文本，声音和图像等多种媒体形式。 > > 在计算机系统中，多媒体指组合两种或两种以上媒体的一种人机交互式[信息交流]()和[传播媒体]()。使用的媒体包括文字、图片、照片、声音、动画和影片，以及程式所提供的互动功能。 + 多媒体计算机的关键技术 + 视频和音频数据的压缩与解压缩技术 + 多媒体专用芯片 + 大容量存储器 + 适用于多媒体技术的软件 ### 5.3 I/O接口 #### 5.3.1 概述 为什么要放置接口？ + 实现设备的选择 + 实现数据缓冲达到速度匹配 + 实现数据串——并格式转换 + 实现电平转换 + 传送控制命令 + 反映设备的状态 #### 5.3.2 接口的功能和组成 ##### 1. 总线连接方式的I/O接口电路 + 设备选择线 + 数据线 + 命令线 + 状态线 ![I/O接口电路](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_27.png) ##### 2.接口的功能和组成 | 功能 | 组成 | | :----------: | :---------------: | | 选址 | 设备选择电路 | | 传送命令 | 命令寄存器/译码器 | | 传送数据 | 数据缓冲寄存器 | | 反映设备状态 | 设备状态标记 | + 完成触发器D + 工作触发器B + 中断请求触发器INTR + 屏蔽触发器MASK #### 5.3.3 接口类型 + 按数据传送方式分类 + 并行接口 + 串行接口 + 按选择的灵活性 + 可编程接口 + 不可编程接口 + 通用性 + 通用接口 + 专用接口 + 控制方式(程序查询方式没有接口) + 中断接口 + DMA接口 ### 5.4 程序查询方式 #### 5.4.1 程序查询流程 单个和多个设备的程序查询流程： ![程序查询流程](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_28.png) #### 5.4.2 程序流程 ![程序流程](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_29.png) #### 5.4.3 接口电路 ![接口电路](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_30.png) ### 5.5 程序中断方式 #### 5.4.1 中断的概念 > **中断**是指计算机运行过程中，出现某些意外情况需主机干预时，机器能自动停止正在运行的程序并转入处理新情况的程序，处理完毕后又返回原被暂停的程序继续运行。 #### 5.4.2 中断的产生 CPU启动I/O设备后，继续执行主设备，I/O设备在数据准备完成后发起中断，CPU处理I/O。 CPU与I/O设备并行工作 #### 5.4.3 程序中断方式接口电路 ##### 1. 配置中断请求触发器(INTR)和中断屏蔽触发器(MASK) INTR=1 CPU发起中断请求 MASK=1 中断被屏蔽 D: 完成触发器，代表I/O准备完成 ##### 2.排队器 + 硬件：在CPU内或接口电路中 + 软件 ##### 3.中断向量地址形成部件 + 由软件产生 + 硬件向量法：硬件产生向量地址，再由向量地址找到入口地址 ##### 4.程序中断方式接口电路的基本组成 ![三种方式的比较](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_31.png) #### 5.4.4 I/O中断处理过程 + CPU响应中断的条件和时间 + 条件：EINT允许中断触发器=1 + 时间：D=1且MASK=0 在每条指令执行阶段的结束前CPU发送中断查询信号(INTR置1) #### 5.4.5 中断服务程序的流程 ##### 1.流程 + 保护现场 + 程序断点的保护 + 寄存器内容的保护 + 中断服务 + 恢复现场 + 中断返回 ##### 2.单重中断和多重中断 单重中断：不允许中断现行的中断服务程序 多重中断：允许级别更高的中断源中断现行的中断服务车光绪 ### 5.6 DMA方式 #### 5.6.1 DMA方式的特点 + DMA通过DMA接口与主存直接交换数据，而不需要经过CPU + DMA与主存交换数据的三种方式 + 停止CPU访问主存：控制简单、CPU处于不工作状态、未充分发挥CPU对主存的利用率 + 周期挪用：DMA请求时CPU没有访存则成功，DMA与CPU同时请求访存时优先DMA，否则等待CPU + DMA与CPU交替访问：工作周期中专为DMA分出时间，不需要建立申请和归还总线的使用权 #### 5.6.2 DMA接口的功能和组成 ##### 1.DMA接口功能 + 向CPU申请DMA传送 + 处理总线控制权的转交 + 管理系统总线、控制数据传送 + 确定数据传送的首地址和长度 + DMA传送结束时，给出完成信号 ##### 2.DMA接口组成 ![DMA](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_32.png) #### 5.6.3 DMA的工作过程 ##### 1.DMA传送过程 + 预处理 + 数据传送 + 后处理 + 校验数据正确性 + 是否继续使用DMA + **由中断服务程序完成** ##### 2.DMA接口与系统的连接方式 + 具有公共请求线的DMA请求 + 独立的DMA请求 ##### 3.DMA方式与程序中断方式的比较 | | 中断方式 | DMA方式 | | ------------ | ------------ | ------------ | | 数据传送 | 程序 | 硬件 | | 响应时间 | 指令执行结束 | 存取周期结束 | | 处理异常情况 | 能 | 不能 | | 中断请求 | 传送数据 | 后处理 | | 优先级 | 低 | 高 | #### 5.6.4 DMA接口的类型 + 选择型：物理上连接多个设备，逻辑上只连接一个 + 多路型：物理上连接多个，逻辑上也允许多个同时工作 + 原理：并发 --- # 第六章 计算机的运算方法 ### 6.1 无符号数和有符号数 #### 6.1.1 无符号数 寄存器的位数反映无符号数二点表示范围 8位：0~255 16位：0~65535 #### 6.1.2 有符号数 ##### 1.机器数与真值 | 真值 | 机器数 | | :-----: | :----------------------: | | +0.1011 | 0,1011[小数点在符号位后] | | -1100 | 1,1100[小数点在末尾] | ##### 2.原码表示法 整数： $$ \begin{equation}[x]_原= \begin{cases} 0,x& 2^n>x \geq 0 \\ 2^n-x& 0\geq x >-2^n \end{cases} \end{equation} $$ 小数： $$ \begin{equation}[x]_原= \begin{cases} x& 1>x \geq 0 \\ 1-x& 0\geq x >-1 \end{cases} \end{equation} $$ 即正数符号位为0，负数符号位为1，用逗号将符号位和数值部分隔开 原码的特点：简单、直观 但用原码对负数作加法时会出现问题 解决方法：找一个与负数等价的正数来代替这个负数 ##### 3.补码表示法 + 一个负数加上 “模” 即得该负数的补数 + 一个正数和一个负数互为补数时，它们绝对值之和即为 模 数 + 正数的补数即为其本身 整数（n为整数位数）： $$ \begin{equation}[x]_补= \begin{cases} 0,x& 2^n>x \geq 0 \\ 2^{n+1}+x& 0\geq x >-2^n \end{cases} \end{equation} $$ 小数： $$ \begin{equation}[x]_补= \begin{cases} x& 1>x \geq 0 \\ 2+x& 0\geq x >-1 \end{cases} \end{equation} $$ **求补码的快捷方式**：真值为负时，补码=原码除符号位外每位取反，末尾+1 ##### 4.反码表示法 负数的原码：符号位外每一位都取反 ##### 5.三种机器数的总结 + 最高位为符号位 + 对于整数，原码=补码=反码 + 对于负数，符号位为1，其数值部分： + 原码取反+1→补码 + 原码取反→反码 ##### 6.移码表示法 补码难以判断其真值大小：补码的符号位取反 $$ [x]_移=2^n+x (x^n>x \geq -2^n) $$ 最小真值的移码为全0 ### 6.2 数的定点表示和浮点表示 #### 6.2.1 定点表示 小数点按约定方式标出 #### 6.2.2 浮点表示 浮点数的一般形式： $$ N=S \times r^j $$ S：尾数，j阶码，r基数(数值) 计算机中r取2的n次方 当r=2时： $$ N=11.0101=0.110101 \times 2^{10} $$ ——规格化数 计算机中：S存小数，可正可负，j存整数，可正可负 + 浮点数的表示形式 由j阶码和S尾数共同表示 阶码包括阶符和阶码的数值部分，尾数同理，包含数符和尾数的数值部分 阶码的位数反映浮点数的表示范围 尾数的尾数反映浮点数的精度 + 浮点数的表示范围 + 上溢：阶码>最大阶码 + 下溢：阶码<最小阶码 按照**机器零**处理 + 浮点数的规格化形式 + r=2 尾数最高位为1 + r=4 尾数最高2位不全为0 + r=8 尾数最高3位不全为0 r越大，浮点数表示范围越大，浮点数精度降低 + 机器零： + 阶码用移码，尾数用补码表示时，机器零才为：0,0000;0,00000 ### 6.3 定点运算 #### 6.3.1 移位运算 + 移位的意义：与加减和配合实现乘除运算 左移：绝对值扩大 右移：绝对值缩小 + 算数移位规则 符号位不变 正数移位：填补代码0 负数移位： + 原码：添补0 + 反码：添补1 + 补码：右移添0，左移添1、 + 算数移位和逻辑移位的区别：算术移位考虑符号位、补反码，逻辑移位不考虑 #### 6.3.2 加减法运算 ##### 1.补码加减运算 连同符号位一起加，符号位产生的进位自然丢掉 ##### 2.溢出判断 + 一位符号位判断溢出：参加运算的两个数符号位相同，其结果的符号与原操作数不同，即为溢出 + 两位符号位判断溢出：结果符号位不同即为溢出 #### 6.3.3 乘法运算 ##### 1.分析笔算乘法 + 符号位单独处理 + 乘数的某一位决定是否加被乘数 + 4个位积一起相加——难以实现 + 乘积的尾数扩大一倍 ##### 2.改进 + 每一位乘法运算转化为加法运算后，右移一位 总结：乘法运算可以用加法和移位实现 ##### 3.原码乘法 乘积的符号位单独处理 数值部分为绝对值相乘 + 原码一位乘 + 原码两位乘 ##### 4.补码乘法 + 被乘数任意，乘数为正 同原码乘，但加和移位按补码规则运算，乘积的符号自然形成 + 被乘数任意，乘数为负 乘数[y]补去掉符号位，其余同上 最后加上[-x]补校正 + Booth算法：初始时在乘数右边增加一个辅助位，根据当前位和辅助位两位判断： + 00/11，不加，移位 + 01，+[x]补，移位 + 10，+[-x]补，移位 #### 6.3.4 除法运算 + 符号位异或形成 + `abs(x)-abs(y)>0`上商1，反之上商0 + 余数左移一位，低位补0，减除数 + 1倍字长加法器 + 在寄存器最末尾上商 恢复余数法/加减交替法 ### 6.4 浮点四则运算 #### 6.4.1 浮点加减运算 对阶：求阶差，使小数点位置看齐(阶数小的向阶数大的看齐) 尾数求和 + 规格化数的判断： + 原码：第一数位为1 + 补码：符号位和第一数位不同 舍入： 对阶右规的过程中尾数末尾可能丢失，需要考虑舍入 + 0舍置1法 + 恒置1法 --- # 第七章 机器指令 ### 7.1 机器指令 #### 7.1.1 指令的一般格式 \[操作码字段\]\[地址码字段\] ##### 1.操作码 反映机器做什么操作 + 长度固定 + 长度可变 + 扩展操作码技术：操作码的位数随着地址数的减少而增加 + 4位、8位操作码分别对应15条n地址、n-1地址指令 ##### 2.地址码 + 四地址 + 第一操作数地址 + 第二操作数地址 + 结果地址 + 下一条指令地址 4次访存 + 三地址 + 使用PC代替下一条指令地址 + 第一第二操作数地址及结果地址 4次访存 + 二地址 + 使用某一操作数地址代替结果地址，结果存于操作数 + 结果存于ACC则仅需3次访存 4次访存 + 一地址 + 使用ACC代替某一操作数 2次访存 + 零地址 + 无地址码 #### 7.1.2 指令字长 指令字长决定于 + 操作码的长度 + 操作数地址的长度 + 操作数地址的个数 指令字长固定：指令字长=存储字长 指令字长可变：按字节的倍数变化 ### 7.2 操作数类型和操作种类 #### 7.2.1 操作数类型 + 地址 无符号整数 + 数字 定点数、浮点数、十进制数 + 字符 ASCII + 逻辑数 逻辑运算 #### 7.2.2 数据在存储值中的存放方式 + 字地址为低字节地址 + 字地址为高字节地址 #### 7.2.3 操作类型 ##### 1.数据传送 从寄存器/存储器到存储器/寄存器 例如：MOVE/STORE/LOAD/PUSH/POP ##### 2.算数逻辑操作 加减乘除与非... 例：ADD SUB MUL DIV INC DEC CMP AND OR NOT XOR ##### 3.移位操作 算术移位，逻辑移位，循环移位 ##### 4.转移 无条件转移：JMP 条件转移：JZ,JO,JC,SKP 调用和返回(CALL,RETURN) 陷阱与陷阱指令：意外事故的中断，一般由CPU自动产生并执行(隐指令) ##### 5.输入输出 ### 7.3 寻址方式 > **寻址**：确定本条指令的操作数地址，下一条欲执行指令的指令地址 寻址方式：指令寻址、数据寻址 #### 7.3.1 指令寻址 顺序：PC+1→PC 跳跃：由转移指令给出 #### 7.3.2 数据寻址 | 操作码 | 寻址特征 | 形式地址A | | ------ | -------- | --------- | > 形式地址：指令字中的地址 > > 有效地址：操作数的真实地址 约定指令字长=存储字长=机器字长 ##### 1.立即寻址 形式地址就是操作数 ##### 2.直接寻址 有效地址由形式地址直接给出，访问一次存储器 ##### 3.隐含寻址 操作数地址隐含在操作码中，如ADD的一个操作数隐含在ACC中 ##### 4.间接寻址 `EA=*A`，有效地址由形式地址间接提供，访存2次(一次间址)或多次(多次间址) 可以扩大寻址范围，便于编制程序 ##### 5.寄存器寻址 有效地址即为寄存器编号 ##### 6.寄存器间接寻址 有效地址在寄存器中，便于编制循环程序 ##### 7.基址寻址 EA=(BR)+A,BR为基址寄存器 也可采用通用寄存器作为基址寄存器，寄存器需要用户指定 BR不变，A可变 ##### 8.变址寻址 EA=(IX)+A 执行过程中A不变，IX可变 便于处理数组问题 ##### 9.相对寻址 EA=(PC)+A A是相对于当前指令的位移量 广泛用于转移指令 ##### 10.堆栈寻址 栈顶地址由SP指出 ### 7.4 指令格式举例 #### 7.4.1 设计指令格式时应考虑的各种因素 + 指令系统的兼容性(向上兼容) + 其他因素 + **操作类型** 包括指令个数以及操作的难易程度 + **数据类型** 确定哪些数据类型可参与操作 + **指令格式** 指令字长是否固定 + **寻址方式** 指令寻址 + **寄存器个数** 寄存器多少影响指令执行时间 #### 7.4.2 指令格式举例 + PDP-8 指令字长固定为12位 + PDD-11 指令字长有16位、32位、48位3种 + IBM 360 + INTEL 8086 ### 7.4 RISC技术 #### 7.4.1 RISC的产生和发展 RISC(Reduced Instuction Set Computer) CISC(Complex Instruction Set Computer) 80-20规律：80%的语句仅仅使用20%的计算机指令 能否使用这20%组合成不常用的剩余指令 #### 7.4.2 RISC的主要特征 + 选用一些简单指令 + 长度固定、寻址方式少、指令格式种类少 + 只有LOAD/STORE访存 + CPU中有多个通用寄存器 + 采用流水技术，一个时钟周期内完成一条指令 + 采用组合逻辑实现控制器 + 采用优化的编译程序 #### 7.4.3 CISC的主要特征 + 复杂庞大 + 长度不固定，格式种类多 + 访存指令不受限制 + CPU中有专用寄存器 + 大多数指令需要多个时钟周期执行完毕 + 采用微程序控制器 + 难以用优化编译生成高效代码 #### 7.4.4 RISC和CISC的比较 + RISC更能充分利用VLSI芯片的面积 + RISC更能提高计算机速度，便于实现指令流水 + RISC便于设计，降低成本提高可靠性 + RISC有利于编译程序优化 + RISC**不易**实现指令程序兼容 --- # 第八章 CPU的结构和功能 ### 8.1 CPU的结构 #### 8.1.1 CPU的功能 + 控制器 + 取指令 + 分析指令 + 执行指令，发出操作命令 + 控制程序输入以及结构的输出 + 总线管理 + 处理异常情况和特殊请求 + 运算器 + 实现算数运算和逻辑运算 #### 8.1.2 CPU结构框图 指令控制 PC,IR 操作控制、时间控制 CU,时序电路 数据加工 ALU,寄存器 处理中断 中断系统 ![CPU结构框图](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_33.png) #### 8.1.3 CPU的寄存器 + 用户可见寄存器 + 通用寄存器 + 数据寄存器 + 地址寄存器 + 条件码寄存器 + 控制和状态寄存器 + 控制寄存器 PC MAR M MDR IR 控制CPU操作,其中MAR,MDR,IR用户不可见,PC用户可见 + 状态寄存器 #### 8.1.4 控制单元CU和中断系统 + CU 产生全部指令的微操作命令序列 + 组合逻辑设计 + 微程序设计 + 中断系统 #### 8.1.5 ALU 参见第六章 ### 8.2 指令周期 #### 8.2.1 指令周期的基本概念 > **指令周期**：取出并执行一条指令所需的全部时间 完成一条指令： + 取指、分析：取指周期 + 执行：执行周期 每条指令的指令周期不同 指令周期还可以加入：间址周期(间接寻址)、终端周期 + CPU工作周期的标志 四种性质： + 取指令 取指周期 + 取地址 间址周期 + 取操作数 执行周期 + 存程序断点 中断周期 #### 8.2.2 指令周期的数据流 + 取指周期 ![](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_34.png) + 间址周期 ![](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_35.png) + 执行周期——不同指令数据流不同 + 中断周期 ![](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_36.png) ### 8.3 指令流水 #### 8.3.1 如何提高机器速度 + 提高访存速度 高速芯片 Cache 多体并行 + 提高I/O和主机之间的传送速度 中断-DMA-通道-I/O处理机-多总线 + 提高运算器速度 + 提高整机处理能力 + 高速器件 + 改进系统结构，开发系统的并行性 #### 8.3.2 系统的并行性 + 并行的概念 > **并发**：两个或两个以上的事件在同一时间段发生 > > **同时**：两个或两个以上的事件同一时刻发生 + 并行性的等级 + 过程级 粗粒度 软件实现 + 指令级 细粒度 硬件实现 #### 8.3.3 指令流水原理 ##### 1.指令的串行执行 取指令1-执行指令1-取指令2-... 总有一个部件空闲 ##### 2.指令的二级流水 | 取指令1 | 执行指令1 | | | | ------- | --------- | --------- | --------- | | | 取指令2 | 执行指令2 | | | | | 取指令3 | 执行指令3 | 取指和执行上时间重叠，指令周期减半 ##### 3.影响指令流水效率加倍的因素 + 指令时间>取指事件 + 条件转移指令对流水有影响：必须等待上条指令执行完成才能确定下一条指令 ##### 4.指令的六级流水 ![db_01.png (1806×755)](http://47.117.160.245:8080/pictrue/private/co_37.png) #### 8.3.4 影响指令流水线性能的因素 + 结构相关：不同指令争用同一功能产生资源冲突 解决方法 + 停顿 + 数据存储器和指令存储器分开 + 指令预取技术 + 数据相关：不同指令重叠操作，可能改变操作数的读写访问顺序 解决方法 + 后推法 + 采用旁路技术 + 控制相关：由转移指令引起 #### 8.3.5 流水线性能 + 吞吐率：单位时间内流水线完成指令或输出结果的数量 最大吞吐率：1/每段流水线时间 实际吞吐率(连续处理n条指令)：n/(流水线段数\*流水线时间+(n-1)\*流水线时间) + 加速比：流水线的速度与等功能的非流水线速度之比 设m段流水线上完成n条指令：nm/(m+n-1) + 效率：流水线中各功能段的利用率 由于流水线有 建立时间 和 排空时间 因此各功能段的 设备不可能 一直 处于 工作 状态 效率=流水线各段处于工作时间的时空区/流水线总的时空区=mnt/m(m+n-1)t #### 8.3.6 流水线的多发技术 + 超标量技术：并发多条独立指令 + 超流水线技术：一个时钟周期内再分段 + 超长指令字技术：编译程序挖掘潜在并行性，多条指令并行 #### 8.3.7 流水线结构 + 指令流水线结构 + 完成一条指令分7段：取指令、指令译码、地址形成、取操作数、操作执行、回写结果、修改指令指针 + 理想情况下7级流水的速度是不使用的7倍 + 运算流水线 + 浮点加减运算分为对阶、尾数求和、规格化三段 + 分段原则：每段操作时间尽量一致 ### 8.4 中断系统 #### 8.4.1 概述 + 引起中断的各种因素 + 人为设置的中断 + 程序型事故 + 硬件故障 + I/O设备 + 外部设备(键盘中断) + 中断系统需解决的问题 + 中断源如何向CPU提出请求 + 同时提出请求如何处理 + CPU什么条件下,WHEN,HOW,响应中断 + 如何保护现场 + 如何寻找入口地址 + 如何恢复现场，返回 + 处理中断中如何处理新的中断 #### 8.4.2 中断请求标记和中断判优逻辑 ##### 1.中断请求标记INTR 一个请球源一个INTR 多个INTR组成中断请求标记寄存器 + INTR可以分散在中断源的接口电路中 + 也可以集中在CPU中断系统内 ##### 2.中断判优逻辑 + 硬件实现：排队器 + 软件实现：程序查询 #### 8.4.3 中断服务程序入口的寻找 + 硬件向量法 + 软件查询法 #### 8.4.4 中断响应 ##### 1.中断响应的条件 允许中断触发器EINT=1 ##### 2.响应中断的时间 指令执行周期结束时刻CPU发送查询信号 ##### 3.中断隐指令 + 保护程序断点 + 寻找服务程序入口地址 + 硬件关中断 #### 8.4.5 保护现场和恢复现场 + 保护现场 + 断点：中断隐指令完成 + 寄存器内容：中断服务程序完成 + 恢复现场：中断服务程序完成 #### 8.4.6 中断屏蔽技术 > **多重中断**：如果CPU在执行某一中断服务程序过程中,又遇到了新的更高级的中断请求,CPU暂停原中断的处理,而转去处理新的中断,待处理完毕后,再返回继续处理原来的中断,这种中断称为多重中断,也称中断嵌套。 + 实现多重中断的条件 + 提前设置开中断指令 + 优先级别高的中断有权中断优先级别低的中断源 + 屏蔽技术 + 屏蔽触发器MASK + 屏蔽字 + 屏蔽技术可改变优先处理等级 + 可以人为地屏蔽某个中断源地请求，便于程序控制