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*written by PeterAlbus，Copyright © 2021 - SHOU 1951123 Hong Wu*
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# 第一章 计算机系统概论
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### 1.1 计算机系统简介
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#### 1.1.1 计算机的软硬件概念
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计算机系统由“硬件”和“软件”两大部分组成。
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> **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。
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> 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。
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计算机的软件又可以分为两大类：系统软件和应用软件。
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#### 1.1.2 计算机的层次结构
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### 1.2 计算机的基本组成
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#### 1.2.1 冯诺依曼计算机的特点
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+ 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
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+ 指令和数据以同等地位存放于存储器内
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+ 指令和数据均用二进制表示
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+ 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
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+ 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
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+ 机器以**运算器**为中心
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#### 1.2.2 现代计算机硬件框图
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+ 以**存储器**为中心
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+ 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
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+ 存储器用来存放数据和程序
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+ 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
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+ 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
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+ 输出设备可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式
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### 1.3 计算机硬件的主要技术指标
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+ 机器字长
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+ 存储容量
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+ 运算速度
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# 第二章 计算机的发展及应用
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### 2.1 计算机的发展史
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#### 2.1.1 计算机的产生和发展
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+ 第一台电子计算机：1946 美国 ENIAC
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+ 现代计算机产生的驱动力：需求+技术发展
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+ 硬件技术的发展：
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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)
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计算机的更新换代以**电子器件**为依据
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#### 2.1.2 微型计算机的出现和发展
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微处理器芯片 1971年(4位、8位、...、64位)
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存储器芯片 1970年
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Moore定律：微芯片上集成的晶体管数目每三年翻两番
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#### 2.1.3 软件计数的兴起和发展
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##### 1.各种语言
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机器语言-面向机器
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汇编语言-面向机器
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高级语言-面向问题
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+ FORTRAN 科学计算
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+ PASCAL 结构化程序设计
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+ C++ 面向对象
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+ Java 适应网络环境
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##### 2.系统软件
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+ **语言处理程序**：汇编程序，编译程序，解释程序
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+ **操作系统**：DOS UNIX Windows
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+ **服务型程序**：装配 调试 诊断 排错
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+ **数据库管理系统**：DB和DBMS
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+ **网络软件**
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##### 3.软件发展的特点
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+ 开发周期长
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+ 制作成本昂贵
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+ 检测软件产品质量的特殊性
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### 2.2 计算机的应用
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+ 科学计算和数据处理
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+ 工业控制和实时控制
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+ 网络技术
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+ 电子商务
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+ 网络教育
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+ 虚拟现实
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+ 办公自动化和管理信息系统
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+ CAD(Computer Aided Desgine)/CAM(Computer Aided Manufacturing)/CIMS(Computer Intergrated Manufacturing System)
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+ 多媒体技术
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+ 人工智能
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### 2.3 计算机的展望
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替代传统的硅芯片：光计算机、DNA生物计算机、量子计算机
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# 第三章 系统总线
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### 3.1 总线的基本概念
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> **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。
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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**。**
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**总线结构的举例**：
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+ 单总线结构框图
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+ 存储器为中心的双总线
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### 3.2 总线的分类
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+ 片内总线：芯片内部的总线
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+ 系统总线：计算机各部位之间的信息传输线
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+ 数据总线：双向，与机器字长，存储字长有关
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+ 地址总线：单向，与存储地址，I/O地址有关
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+ 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)
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+ 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
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传输方式：
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+ 串行通信总线
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+ 并行通信总线
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### 3.3 总线特性及性能指标
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#### 3.3.1 总线特性
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总线的物理实现：印制在电路板上
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+ 机械特性：尺寸、形状、管脚数及排列顺序
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+ 电气特性：传输方向和有效的电平范围
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+ 功能特性：每根传输线的功能(地址、数据、控制)
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+ 时间特性：任意一根线在什么时间内有效
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#### 3.3.2 总线的性能指标
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+ **总线宽度**：数据线根数
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+ **总线带宽**：每秒传输的最大字节数(MBps)
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+ **时钟同步/异步**：同步/不同步
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+ **总线复用**：地址线与数据线服用
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+ **信号线数**：地址线、数据线和控制线的综合
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+ **总线控制方式**：并发、自动、仲裁、逻辑、计数
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+ 其他指标：**负载能力**
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#### 3.3.3 总线标准
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> **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。
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采用总线标准可以为计算机接口的软硬件设计提供方便。
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流行的总线标准：
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+ ISA
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+ EISA
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+ VESA(LV-BUS)
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+ PCI
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+ AGP
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+ RS-232
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+ USB
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### 3.4 总线结构
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+ 单总线结构：已在-3.1 总线的基本概念-处展示
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这类总线通常被小型或微型计算机使用
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+ 多总线结构
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+ 双总线结构
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+ 三总线结构
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+ 三总线结构的又一形式
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+ 四总线结构
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+ 总线结构举例(P55)
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+ 传统卫星总线结构
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+ VL-BUS局部总线结构
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+ PCI总线结构
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+ 多层PCI总线结构
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### 3.5 总线控制
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#### 3.5.1 总线判优控制
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> 总线上的设备分为主设备和从设备。
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>
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> **主设备**：对总线有控制权。
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>
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> **从设备**：响应从设备发来的总线命令
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>
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> 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。
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总线判优控制
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+ 集中式
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+ 链式查询
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+ 离控制部件最近的设备有最高的优先权
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+ 对电路故障敏感
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+ 使用2根线确定总线控制权
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+ 计数器定时查询
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+ 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)
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+ 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
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+ 使用$log_2n$条线确定总线控制权
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+ 独立请求方式
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+ 响应速度快，优先次序灵活
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+ 控制线数量多，控制也更复杂
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+ 使用2n根线确定总线控制权
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+ 分布式
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#### 3.5.2 总线通信控制
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+ **目的**：解决通信双方协调配合问题
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+ 总线传输周期：
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+ 申请分配阶段：主模块申请，总线仲裁
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+ 寻址阶段：主模块向从模块给出地址和命令
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+ 传数阶段：主模块和从模块交换数据
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+ 结束阶段：主模块撤销有关信息
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+ 总线通信的四种方式
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+ 同步通信：由统一时标控制数据传送
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+ 异步通信：允许各模块速度的不一致性
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+ 不互锁：从设备没有反馈
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+ 半互锁：等待从设备有反馈后主设备才能撤销请求
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+ 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
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+ 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)
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+ 分离式通信：充分挖掘系统总线每个瞬间的潜力
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+ 子周期1：主模块申请占用总线，使用后放弃总线使用权
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+ 子周期2：从模块申请占用总线传输数据
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前三种通信的共同点：
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+ 首先申请总线
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+ 主模块通过总线向从模块发送请求
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+ 从模块准备数据
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+ 从模块传输数据
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在准备数据时总线空闲
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分离式通信：
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各模块有权申请占用总线
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异步通信
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各模块准备数据时都不占用总线
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**充分提高了总线的有效占用**
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# 第四章 存储器
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### 4.1 概述
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#### 4.1.1 存储器的分类
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##### 1.按存储介质分类
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+ **半导体存储器** TTL,MOS (易失)
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+ **磁表面存储器** 磁头,载磁体 (非易失)
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+ **磁芯存储器** 硬磁材料,环状元件 (非易失)
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+ **光盘存储器** 激光,磁光材料 (非易失)
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##### 2.按存取方式分类
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+ 存取时间与物理地址无关(随机访问)
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+ 随机存储器
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+ 只读存储器
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+ 存取时间与物理地址有关(串行访问)
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+ 顺序存储存储器 磁带
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+ 直接存取存储器 磁盘
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##### 3.按在计算机中的作用分类
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+ 主存储器
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+ RAM
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+ 静态RAM
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+ 动态RAM
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+ ROM
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+ MROM(掩模式只读存储器)
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+ PROM(可编程只读存储器)
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+ EPROM(可擦编程只读存储器)
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+ EEPROM(带电可擦可编程只读存储器)
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+ Flash Memory
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+ 高速缓冲存储器(Cache)
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+ 辅助存储器
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#### 4.1.2 存储器的层次结构
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##### 1.存储器三个重要特性的关系
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##### 2.缓存-主存层次和主存-辅存层次
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缓存-主存：速度
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主存-辅存：容量
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### 4.2 主存储器
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#### 4.2.1 概述
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##### 1.主存的基本组成
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##### 2.主存和CPU的联系
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##### 3.主存中存储单元地址的分配
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> 字节：8位二进制数
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>
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> 字：根据机器字长不同，用n个字节表示一个字
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+ 一个字中的高位字节地址表示字地址
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| 字地址 | 字节地址 | 字节地址 | 字节地址 | 字节地址 |
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| :----: | :------: | :------: | :------: | :------: |
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| 0 | 0 | 1 | 2 | 3 |
|
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| 4 | 4 | 5 | 6 | 7 |
|
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| 8 | 8 | 9 | 10 | 11 |
|
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+ 一个字中的低位字节地址表示字地址
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| 字地址 | 字节地址 | 字节地址 |
|
|
|
| :----: | :------: | :------: |
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|
|
| 0 | 1 | 0 |
|
|
|
| 2 | 3 | 2 |
|
|
|
| 4 | 5 | 4 |
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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)
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##### 4.主存的技术指标
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+ 存储容量
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+ 存储速度
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+ 存取时间
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+ 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
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+ 存储器的带宽 位/秒
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#### 4.2.2 半导体存储芯片简介
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##### 1.基本结构
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```
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芯片容量=2^地址线条数*数据线位数
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```
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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
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##### 2.半导体存储芯片的译码驱动方式
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+ 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
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+ 重合法：
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#### 4.2.3 随机存取存储器(RAM)
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##### 1.静态RAM(SRAM)
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> 静态RAM使用触发器原理储存信息，在掉电时丢失全部信息。
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+ 基本电路
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+ 读操作
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+ 写操作
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+ 静态RAM读、写时序
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##### 2.动态RAM(DRAM)
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> 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。
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基本单元电路：
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读出信息与原存信息相反
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写入信息与输入信息相同
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+ 动态RAM刷新
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刷新与行地址有关
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+ 集中刷新：每隔一段时间刷新全部
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+ 分散刷新：一个存取周期包含读写+刷新
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+ 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
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##### 3.动态RAM和静态RAM的比较
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目前，动态RAM的应用比静态RAM广得多。
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| | DRAM | SRAM |
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| -------- | ------ | ------ |
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| 存储原理 | 电容 | 触发器 |
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| 刷新 | 有 | **无** |
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| 集成度 | **高** | 低 |
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| 芯片引脚 | **少** | 多 |
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| 功耗 | **小** | 大 |
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| 价格 | **低** | 高 |
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| 速度 | 慢 | **快** |
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#### 4.2.4 只读存储器(ROM)
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##### 1.掩模ROM(MROM)
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行列选择线交叉处有MOS管为1，否则为0
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##### 2.PROM(一次性编程)
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通过熔丝，熔丝断为0，未断为1
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##### 3.EPROM(多次性编程)
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N型沟道浮动栅MOS电路：写入：电压，擦除：紫外线
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##### 4.EEPROM(多次性编程)
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+ 电可擦写
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+ 局部擦写
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+ 全部擦写
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##### 5.Flash Memory(闪速型存储器)
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比EEPROM快，具备RAM功能
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#### 4.2.5 存储器与CPU的连接
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##### 1.存储器容量的扩展
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+ 位扩展(增加存储字长)
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用2片1K\*4位的存储芯片组成1K\*8位的存储器
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+ 字扩展
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用2片1K\*8位的存储芯片组成2K\*8位的存储器
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+ 字、位扩展
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上面两者结合而成
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##### 2.存储器与CPU的连接
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+ 地址线的连接
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+ 数据线的连接
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+ 读/写命令线的连接
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+ 片选线的连接
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+ 合理选择存储芯片
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+ 其他：时序、负载
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参考书P94 例4.1/4.2
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#### 4.2.6 存储器的校验
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##### 1.编码的最小距离
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> 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。
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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。
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编码的纠错、检错能力与编码的最小距离有关。
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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：
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```c
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L-1=D+C(D>=C)
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```
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##### 2.汉明码
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> “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
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汉明码是具有一位纠错能力的编码。
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若原值有n位，汉明码的组成需要添加k位检测位
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$$
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2^k \geq n+k+1
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$$
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检测位的位置为2^i(i=0,1,2,3...)
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添加检测位后分组，每个检测位对应第(i+1)组：
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+ 对于检测位2^i，将所有数的位置转换为2进制
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+ 如有7位数字，则分别为001位、010位、011位....
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+ 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
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分组后进行校验，分为奇校验与偶校验
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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)
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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
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#### 4.2.7 提高访存速度的措施
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+ 采用高速器件
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+ 采用层次结构Cache-主存
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+ 调整主存结构
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+ 单体多字系统
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+ 多体并行系统
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+ 高位交叉 各个体并行工作
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+ 低位交叉 在不改变存储器周期的前提下，增加存储器带宽
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+ 存储器控制部件
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+ 高性能存储芯片
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+ SDRAM CPU无需等待，在系统时钟的控制下进行读出和写入
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+ RDRAM 主要解决了存储器带宽问题
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+ 带Cache的DRAM
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### 4.3 高速缓冲器
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#### 4.3.1 概述
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##### 1.问题的提出
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避免CPU“空等”的现象
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解决CPU和DRAM的速度差异
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##### 2.Cache的工作原理
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+ 主存和缓存按块存储，块的到校相同
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+ 命中与未命中
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+ 命中：主存块调入缓存，主存块与缓存建立了对应关系
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+ 用 标记记录 与某缓存块建立了对应关系的 主存块号
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+ 未命中：未建立对应关系
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+ 命中率
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+ CPU欲访问的信息在Cache中的比率
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+ 命中率 与 Cache 的 **容量** 与 **块长** 有关
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+ Cache-主存系统的效率
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$$
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e=\frac{访问Cache的时间}{平均访问时间}
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$$
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##### 3.Cache的基本结构
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##### 4.Cache的读写操作
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+ 读：
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+ 写：保证CACHE和主存的一致性
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+ 写直达法
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写操作时既写入Cache又写入主存
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写操作时间就是访问主存的时间，更新策略容易时间
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+ 写回法
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只写入Cache，写操作时间就是访问Cache的时间
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Cache被替换的块需要写回主存，增加了Cache 的复杂性
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##### 5.Cache的改进
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+ 增加Cache级数
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+ 统一缓存和分立缓存
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#### 4.3.2 Cache-主存地址的映射
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##### 1.直接映射
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每个缓存块对应多个主存块
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缓存标记储存的主存块，比较器检测是否命中
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##### 2.全相联映射
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主存中的任意一块可以映射到缓存中的任意一块
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##### 3.组相联映射
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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)
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#### 4.3.3 替换算法
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+ FIFO
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+ LRU
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### 4.4 辅助存储器
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+ 特点：不直接与CPU交换信息
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+ 硬磁盘
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+ 软盘
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+ 光盘
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# 第五章 输入输出系统
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### 5.1 概述
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#### 5.1.1 输入输出系统的发展概况
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+ 早期：分散连接，CPU和I/O设备串行工作，程序查询方式
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+ 接口模块和DMA阶段
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+ 总线连接
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+ CPU和I/O设备并行工作
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+ 中断方式
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+ DMA方式
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+ 具有通道结构的阶段
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+ 具有I/O处理机的阶段
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#### 5.1.2 输入输出系统的组成
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+ I/O软件
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+ I/O指令 CPU指令的一部分
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+ 通道指令 通道自身的指令
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+ I/O硬件
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+ 设备-I/O接口
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|
+ 设备-设备控制器-通道
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#### 5.1.3 I/O设备与主机的联系方式
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+ I/O设备编址方式
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+ 统一编址 用取数、存数指令
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+ 不统一编址 有专门的I/O指令
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+ 设备选址
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用设备选择电路识别是否被选中
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+ 传送方式
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+ 串行
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+ 并行
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+ 联络方式
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+ 立即响应
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+ 异步工作采用应答信号
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+ 同步工作采用同步时标
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+ 连接方式
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+ 辐射式连接
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每个设备都配有一套控制线路和一组信号线
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不便于增删设备
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+ 总线连接
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便于增删设备
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#### 5.1.3 I/O设备与主机信息传送的控制方式
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+ 程序查询方式：CPU和I/O串行工作，踏步等待
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|
+ 程序中断方式：CPU和I/O设备并行工作
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+ I/O准备：CPU完成自身任务
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+ 与主机交换信息：CPU暂停先行程序
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+ DMA方式：CPU和I/O设备并行工作
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|
+ 主存和I/O之间有一条直接数据通道
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+ 不中断现有程序
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+ 周期挪用
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### 5.2 I/O设备
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#### 5.2.1 概述
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> 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。
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外部设备大致分为3类：
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+ **人机交互设备：**键盘、鼠标、打印机、显示器
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+ **计算机信息存储设备：**磁盘、光盘、磁带
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+ **机-机通信设备：**调制解调器等
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#### 5.2.2 输入设备
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+ 键盘
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+ 按键
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+ 判断哪个键被按下
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+ 将此键翻译成ASCII码
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+ 鼠标
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+ 机械式 金属球，电位器
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+ 光电式 光电转换器
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+ 触摸屏
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#### 5.2.3 输出设备
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+ 显示器
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+ 字符显示 字符发生器
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+ 图形显示 主观图像
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+ 图像显示 客观图像
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+ 打印机
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+ 击打式 点阵式
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+ 非击打式 激光、喷墨
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#### 5.2.4 其他I/O设备
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+ A/D,D/A转换器(数字/模拟信号转换器)
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+ 终端-由键盘和显示器组成
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+ 汉字处理
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#### 5.2.5 多媒体技术
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> 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。
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>
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> 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。
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+ 多媒体计算机的关键技术
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+ 视频和音频数据的压缩与解压缩技术
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+ 多媒体专用芯片
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+ 大容量存储器
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+ 适用于多媒体技术的软件
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### 5.3 I/O接口
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#### 5.3.1 概述
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为什么要放置接口？
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+ 实现设备的选择
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+ 实现数据缓冲达到速度匹配
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+ 实现数据串——并格式转换
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+ 实现电平转换
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+ 传送控制命令
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+ 反映设备的状态
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#### 5.3.2 接口的功能和组成
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##### 1. 总线连接方式的I/O接口电路
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+ 设备选择线
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+ 数据线
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+ 命令线
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+ 状态线
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##### 2.接口的功能和组成
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| 功能 | 组成 |
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| :----------: | :---------------: |
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| 选址 | 设备选择电路 |
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| 传送命令 | 命令寄存器/译码器 |
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| 传送数据 | 数据缓冲寄存器 |
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| 反映设备状态 | 设备状态标记 |
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+ 完成触发器D
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+ 工作触发器B
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+ 中断请求触发器INTR
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+ 屏蔽触发器MASK
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|
#### 5.3.3 接口类型
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+ 按数据传送方式分类
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+ 并行接口
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+ 串行接口
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+ 按选择的灵活性
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+ 可编程接口
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+ 不可编程接口
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+ 通用性
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+ 通用接口
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+ 专用接口
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+ 控制方式(程序查询方式没有接口)
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+ 中断接口
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+ DMA接口
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### 5.4 程序查询方式
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#### 5.4.1 程序查询流程
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单个和多个设备的程序查询流程：
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#### 5.4.2 程序流程
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#### 5.4.3 接口电路
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### 5.5 程序中断方式
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#### 5.4.1 中断的概念
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> **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。
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#### 5.4.2 中断的产生
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|
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。
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CPU与I/O设备并行工作
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#### 5.4.3 程序中断方式接口电路
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##### 1. 配置中断请求触发器(INTR)和中断屏蔽触发器(MASK)
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INTR=1 CPU发起中断请求
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MASK=1 中断被屏蔽
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D: 完成触发器，代表I/O准备完成
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##### 2.排队器
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+ 硬件：在CPU内或接口电路中
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+ 软件
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##### 3.中断向量地址形成部件
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+ 由软件产生
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+ 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
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##### 4.程序中断方式接口电路的基本组成
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#### 5.4.4 I/O中断处理过程
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+ CPU响应中断的条件和时间
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+ 条件：EINT允许中断触发器=1
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+ 时间：D=1且MASK=0
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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)
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#### 5.4.5 中断服务程序的流程
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##### 1.流程
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+ 保护现场
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+ 程序断点的保护
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+ 寄存器内容的保护
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+ 中断服务
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+ 恢复现场
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+ 中断返回
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##### 2.单重中断和多重中断
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单重中断：不允许中断现行的中断服务程序
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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
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### 5.6 DMA方式
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#### 5.6.1 DMA方式的特点
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+ DMA通过DMA接口与主存直接交换数据，而不需要经过CPU
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+ DMA与主存交换数据的三种方式
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+ 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
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|
+ 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
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|
|
+ 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
|
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|
#### 5.6.2 DMA接口的功能和组成
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##### 1.DMA接口功能
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|
|
+ 向CPU申请DMA传送
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+ 处理总线控制权的转交
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|
+ 管理系统总线、控制数据传送
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|
+ 确定数据传送的首地址和长度
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|
+ DMA传送结束时，给出完成信号
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|
##### 2.DMA接口组成
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|
#### 5.6.3 DMA的工作过程
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|
##### 1.DMA传送过程
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|
+ 预处理
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+ 数据传送
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|
+ 后处理
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+ 校验数据正确性
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|
+ 是否继续使用DMA
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+ **由中断服务程序完成**
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##### 2.DMA接口与系统的连接方式
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|
+ 具有公共请求线的DMA请求
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|
+ 独立的DMA请求
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##### 3.DMA方式与程序中断方式的比较
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| | 中断方式 | DMA方式 |
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| ------------ | ------------ | ------------ |
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| 数据传送 | 程序 | 硬件 |
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| 响应时间 | 指令执行结束 | 存取周期结束 |
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|
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| 处理异常情况 | 能 | 不能 |
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|
|
| 中断请求 | 传送数据 | 后处理 |
|
|
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| 优先级 | 低 | 高 |
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|
#### 5.6.4 DMA接口的类型
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|
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|
+ 选择型：物理上连接多个设备，逻辑上只连接一个
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|
+ 多路型：物理上连接多个，逻辑上也允许多个同时工作
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|
+ 原理：并发
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---
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|
# 第六章 计算机的运算方法
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### 6.1 无符号数和有符号数
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#### 6.1.1 无符号数
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|
寄存器的位数反映无符号数二点表示范围
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8位：0~255
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16位：0~65535
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#### 6.1.2 有符号数
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##### 1.机器数与真值
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| 真值 | 机器数 |
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| :-----: | :----------------------: |
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| +0.1011 | 0,1011[小数点在符号位后] |
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| -1100 | 1,1100[小数点在末尾] |
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##### 2.原码表示法
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整数：
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$$
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\begin{equation}[x]_原=
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\begin{cases}
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|
0,x& 2^n>x \geq 0 \\
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|
|
2^n-x& 0\geq x >-2^n
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|
\end{cases}
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|
|
\end{equation}
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$$
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小数：
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$$
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|
|
\begin{equation}[x]_原=
|
|
|
\begin{cases}
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|
x& 1>x \geq 0 \\
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|
|
1-x& 0\geq x >-1
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|
|
\end{cases}
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|
\end{equation}
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$$
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|
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
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原码的特点：简单、直观
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但用原码对负数作加法时会出现问题
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解决方法：找一个与负数等价的正数来代替这个负数
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##### 3.补码表示法
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+ 一个负数加上 “模” 即得该负数的补数
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+ 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
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+ 正数的补数即为其本身
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整数（n为整数位数）：
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$$
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\begin{equation}[x]_补=
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\begin{cases}
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|
0,x& 2^n>x \geq 0 \\
|
|
|
2^{n+1}+x& 0\geq x >-2^n
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|
|
\end{cases}
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|
|
\end{equation}
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|
$$
|
|
|
小数：
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|
$$
|
|
|
\begin{equation}[x]_补=
|
|
|
\begin{cases}
|
|
|
x& 1>x \geq 0 \\
|
|
|
2+x& 0\geq x >-1
|
|
|
\end{cases}
|
|
|
\end{equation}
|
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|
$$
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|
|
**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
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##### 4.反码表示法
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负数的原码：符号位外每一位都取反
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##### 5.三种机器数的总结
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+ 最高位为符号位
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+ 对于整数，原码=补码=反码
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+ 对于负数，符号位为1，其数值部分：
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+ 原码取反+1→补码
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+ 原码取反→反码
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##### 6.移码表示法
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补码难以判断其真值大小：补码的符号位取反
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$$
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|
[x]_移=2^n+x (x^n>x \geq -2^n)
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$$
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|
最小真值的移码为全0
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### 6.2 数的定点表示和浮点表示
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#### 6.2.1 定点表示
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小数点按约定方式标出
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#### 6.2.2 浮点表示
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|
浮点数的一般形式：
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$$
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N=S \times r^j
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$$
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S：尾数，j阶码，r基数(数值)
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计算机中r取2的n次方
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当r=2时：
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$$
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N=11.0101=0.110101 \times 2^{10}
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|
$$
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|
——规格化数
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计算机中：S存小数，可正可负，j存整数，可正可负
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+ 浮点数的表示形式
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由j阶码和S尾数共同表示
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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
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阶码的位数反映浮点数的表示范围
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尾数的尾数反映浮点数的精度
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+ 浮点数的表示范围
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+ 上溢：阶码>最大阶码
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+ 下溢：阶码<最小阶码 按照**机器零**处理
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+ 浮点数的规格化形式
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+ r=2 尾数最高位为1
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+ r=4 尾数最高2位不全为0
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+ r=8 尾数最高3位不全为0
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|
r越大，浮点数表示范围越大，浮点数精度降低
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+ 机器零：
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+ 阶码用移码，尾数用补码表示时，机器零才为：0,0000;0,00000
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### 6.3 定点运算
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#### 6.3.1 移位运算
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|
+ 移位的意义：与加减和配合实现乘除运算
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左移：绝对值扩大
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右移：绝对值缩小
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+ 算数移位规则
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|
符号位不变
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正数移位：填补代码0
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负数移位：
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+ 原码：添补0
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+ 反码：添补1
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+ 补码：右移添0，左移添1、
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|
+ 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
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#### 6.3.2 加减法运算
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##### 1.补码加减运算
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|
连同符号位一起加，符号位产生的进位自然丢掉
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##### 2.溢出判断
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+ 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
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|
+ 两位符号位判断溢出：结果符号位不同即为溢出
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#### 6.3.3 乘法运算
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##### 1.分析笔算乘法
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+ 符号位单独处理
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+ 乘数的某一位决定是否加被乘数
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+ 4个位积一起相加——难以实现
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+ 乘积的尾数扩大一倍
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##### 2.改进
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+ 每一位乘法运算转化为加法运算后，右移一位
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|
总结：乘法运算可以用加法和移位实现
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##### 3.原码乘法
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乘积的符号位单独处理
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数值部分为绝对值相乘
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+ 原码一位乘
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+ 原码两位乘
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##### 4.补码乘法
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+ 被乘数任意，乘数为正
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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
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+ 被乘数任意，乘数为负
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乘数[y]补去掉符号位，其余同上
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最后加上[-x]补校正
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+ 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：
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+ 00/11，不加，移位
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|
+ 01，+[x]补，移位
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+ 10，+[-x]补，移位
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#### 6.3.4 除法运算
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+ 符号位异或形成
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+ `abs(x)-abs(y)>0`上商1，反之上商0
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+ 余数左移一位，低位补0，减除数
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+ 1倍字长加法器
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+ 在寄存器最末尾上商
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恢复余数法/加减交替法
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### 6.4 浮点四则运算
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#### 6.4.1 浮点加减运算
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对阶：求阶差，使小数点位置看齐(阶数小的向阶数大的看齐)
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尾数求和
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+ 规格化数的判断：
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+ 原码：第一数位为1
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+ 补码：符号位和第一数位不同
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舍入：
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对阶右规的过程中尾数末尾可能丢失，需要考虑舍入
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+ 0舍置1法
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+ 恒置1法
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# 第七章 机器指令
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### 7.1 机器指令
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#### 7.1.1 指令的一般格式
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\[操作码字段\]\[地址码字段\]
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##### 1.操作码 反映机器做什么操作
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+ 长度固定
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+ 长度可变
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+ 扩展操作码技术：操作码的位数随着地址数的减少而增加
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+ 4位、8位操作码分别对应15条n地址、n-1地址指令
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##### 2.地址码
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+ 四地址
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+ 第一操作数地址
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+ 第二操作数地址
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+ 结果地址
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+ 下一条指令地址
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4次访存
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+ 三地址
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+ 使用PC代替下一条指令地址
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+ 第一第二操作数地址及结果地址
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4次访存
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+ 二地址
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+ 使用某一操作数地址代替结果地址，结果存于操作数
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+ 结果存于ACC则仅需3次访存
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4次访存
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+ 一地址
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+ 使用ACC代替某一操作数
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2次访存
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+ 零地址
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+ 无地址码
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#### 7.1.2 指令字长
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指令字长决定于
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+ 操作码的长度
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+ 操作数地址的长度
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+ 操作数地址的个数
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指令字长固定：指令字长=存储字长
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指令字长可变：按字节的倍数变化
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### 7.2 操作数类型和操作种类
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#### 7.2.1 操作数类型
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+ 地址 无符号整数
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+ 数字 定点数、浮点数、十进制数
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+ 字符 ASCII
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+ 逻辑数 逻辑运算
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#### 7.2.2 数据在存储值中的存放方式
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+ 字地址为低字节地址
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+ 字地址为高字节地址
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#### 7.2.3 操作类型
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##### 1.数据传送
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从寄存器/存储器到存储器/寄存器
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例如：MOVE/STORE/LOAD/PUSH/POP
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##### 2.算数逻辑操作
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加减乘除与非...
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例：ADD SUB MUL DIV INC DEC CMP AND OR NOT XOR
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##### 3.移位操作
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算术移位，逻辑移位，循环移位
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##### 4.转移
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无条件转移：JMP
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条件转移：JZ,JO,JC,SKP
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调用和返回(CALL,RETURN)
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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)
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##### 5.输入输出
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### 7.3 寻址方式
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> **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
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寻址方式：指令寻址、数据寻址
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#### 7.3.1 指令寻址
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顺序：PC+1→PC
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跳跃：由转移指令给出
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#### 7.3.2 数据寻址
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| 操作码 | 寻址特征 | 形式地址A |
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| ------ | -------- | --------- |
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> 形式地址：指令字中的地址
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>
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> 有效地址：操作数的真实地址
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约定指令字长=存储字长=机器字长
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##### 1.立即寻址
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形式地址就是操作数
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##### 2.直接寻址
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有效地址由形式地址直接给出，访问一次存储器
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##### 3.隐含寻址
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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
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##### 4.间接寻址
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|
`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)
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可以扩大寻址范围，便于编制程序
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##### 5.寄存器寻址
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有效地址即为寄存器编号
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##### 6.寄存器间接寻址
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有效地址在寄存器中，便于编制循环程序
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##### 7.基址寻址
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|
EA=(BR)+A,BR为基址寄存器
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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
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BR不变，A可变
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##### 8.变址寻址
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EA=(IX)+A
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执行过程中A不变，IX可变
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便于处理数组问题
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##### 9.相对寻址
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EA=(PC)+A
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A是相对于当前指令的位移量
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广泛用于转移指令
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##### 10.堆栈寻址
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栈顶地址由SP指出
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### 7.4 指令格式举例
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#### 7.4.1 设计指令格式时应考虑的各种因素
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+ 指令系统的兼容性(向上兼容)
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+ 其他因素
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+ **操作类型** 包括指令个数以及操作的难易程度
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+ **数据类型** 确定哪些数据类型可参与操作
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+ **指令格式** 指令字长是否固定
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|
+ **寻址方式** 指令寻址
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|
+ **寄存器个数** 寄存器多少影响指令执行时间
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#### 7.4.2 指令格式举例
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+ PDP-8 指令字长固定为12位
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+ PDD-11 指令字长有16位、32位、48位3种
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+ IBM 360
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+ INTEL 8086
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### 7.4 RISC技术
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#### 7.4.1 RISC的产生和发展
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RISC(Reduced Instuction Set Computer)
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CISC(Complex Instruction Set Computer)
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80-20规律：80%的语句仅仅使用20%的计算机指令
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能否使用这20%组合成不常用的剩余指令
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#### 7.4.2 RISC的主要特征
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+ 选用一些简单指令
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+ 长度固定、寻址方式少、指令格式种类少
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+ 只有LOAD/STORE访存
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+ CPU中有多个通用寄存器
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+ 采用流水技术，一个时钟周期内完成一条指令
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|
+ 采用组合逻辑实现控制器
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+ 采用优化的编译程序
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#### 7.4.3 CISC的主要特征
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|
+ 复杂庞大
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+ 长度不固定，格式种类多
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|
+ 访存指令不受限制
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|
+ CPU中有专用寄存器
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|
+ 大多数指令需要多个时钟周期执行完毕
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|
+ 采用微程序控制器
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+ 难以用优化编译生成高效代码
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#### 7.4.4 RISC和CISC的比较
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+ RISC更能充分利用VLSI芯片的面积
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+ RISC更能提高计算机速度，便于实现指令流水
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|
+ RISC便于设计，降低成本提高可靠性
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|
|
+ RISC有利于编译程序优化
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|
+ RISC**不易**实现指令程序兼容
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|
---
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|
# 第八章 CPU的结构和功能
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### 8.1 CPU的结构
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#### 8.1.1 CPU的功能
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|
+ 控制器
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+ 取指令
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+ 分析指令
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+ 执行指令，发出操作命令
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+ 控制程序输入以及结构的输出
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+ 总线管理
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+ 处理异常情况和特殊请求
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+ 运算器
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+ 实现算数运算和逻辑运算
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#### 8.1.2 CPU结构框图
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指令控制 PC,IR
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操作控制、时间控制 CU,时序电路
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数据加工 ALU,寄存器
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处理中断 中断系统
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#### 8.1.3 CPU的寄存器
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+ 用户可见寄存器
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+ 通用寄存器
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+ 数据寄存器
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+ 地址寄存器
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+ 条件码寄存器
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+ 控制和状态寄存器
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+ 控制寄存器
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PC MAR M MDR IR
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控制CPU操作,其中MAR,MDR,IR用户不可见,PC用户可见
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+ 状态寄存器
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#### 8.1.4 控制单元CU和中断系统
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+ CU 产生全部指令的微操作命令序列
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+ 组合逻辑设计
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+ 微程序设计
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+ 中断系统
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#### 8.1.5 ALU
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参见第六章
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### 8.2 指令周期
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#### 8.2.1 指令周期的基本概念
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> **指令周期**：取出并执行一条指令所需的全部时间
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完成一条指令：
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+ 取指、分析：取指周期
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+ 执行：执行周期
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每条指令的指令周期不同
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指令周期还可以加入：间址周期(间接寻址)、终端周期
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+ CPU工作周期的标志
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四种性质：
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+ 取指令 取指周期
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+ 取地址 间址周期
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+ 取操作数 执行周期
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+ 存程序断点 中断周期
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#### 8.2.2 指令周期的数据流
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+ 取指周期
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+ 间址周期
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+ 执行周期——不同指令数据流不同
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+ 中断周期
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### 8.3 指令流水
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#### 8.3.1 如何提高机器速度
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+ 提高访存速度
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高速芯片 Cache 多体并行
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+ 提高I/O和主机之间的传送速度
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中断-DMA-通道-I/O处理机-多总线
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+ 提高运算器速度
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+ 提高整机处理能力
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+ 高速器件
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+ 改进系统结构，开发系统的并行性
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#### 8.3.2 系统的并行性
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+ 并行的概念
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> **并发**：两个或两个以上的事件在同一时间段发生
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>
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> **同时**：两个或两个以上的事件同一时刻发生
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+ 并行性的等级
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+ 过程级 粗粒度 软件实现
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+ 指令级 细粒度 硬件实现
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#### 8.3.3 指令流水原理
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##### 1.指令的串行执行
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取指令1-执行指令1-取指令2-...
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总有一个部件空闲
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##### 2.指令的二级流水
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| 取指令1 | 执行指令1 | | |
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| ------- | --------- | --------- | --------- |
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| | 取指令2 | 执行指令2 | |
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| | | 取指令3 | 执行指令3 |
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取指和执行上时间重叠，指令周期减半
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##### 3.影响指令流水效率加倍的因素
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+ 指令时间>取指事件
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+ 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
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##### 4.指令的六级流水
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#### 8.3.4 影响指令流水线性能的因素
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+ 结构相关：不同指令争用同一功能产生资源冲突
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解决方法
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+ 停顿
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+ 数据存储器和指令存储器分开
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+ 指令预取技术
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+ 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
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解决方法
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+ 后推法
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+ 采用旁路技术
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+ 控制相关：由转移指令引起
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#### 8.3.5 流水线性能
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+ 吞吐率：单位时间内流水线完成指令或输出结果的数量
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最大吞吐率：1/每段流水线时间
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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)
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+ 加速比：流水线的速度与等功能的非流水线速度之比
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设m段流水线上完成n条指令：nm/(m+n-1)
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+ 效率：流水线中各功能段的利用率
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由于流水线有 建立时间 和 排空时间
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因此各功能段的 设备不可能 一直 处于 工作 状态
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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
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#### 8.3.6 流水线的多发技术
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+ 超标量技术：并发多条独立指令
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+ 超流水线技术：一个时钟周期内再分段
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+ 超长指令字技术：编译程序挖掘潜在并行性，多条指令并行
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#### 8.3.7 流水线结构
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+ 指令流水线结构
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+ 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
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+ 理想情况下7级流水的速度是不使用的7倍
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+ 运算流水线
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+ 浮点加减运算分为对阶、尾数求和、规格化三段
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+ 分段原则：每段操作时间尽量一致
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### 8.4 中断系统
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#### 8.4.1 概述
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+ 引起中断的各种因素
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+ 人为设置的中断
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+ 程序型事故
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+ 硬件故障
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+ I/O设备
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+ 外部设备(键盘中断)
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+ 中断系统需解决的问题
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+ 中断源如何向CPU提出请求
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+ 同时提出请求如何处理
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+ CPU什么条件下,WHEN,HOW,响应中断
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+ 如何保护现场
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+ 如何寻找入口地址
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+ 如何恢复现场，返回
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+ 处理中断中如何处理新的中断
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#### 8.4.2 中断请求标记和中断判优逻辑
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##### 1.中断请求标记INTR
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一个请球源一个INTR
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多个INTR组成中断请求标记寄存器
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+ INTR可以分散在中断源的接口电路中
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+ 也可以集中在CPU中断系统内
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##### 2.中断判优逻辑
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+ 硬件实现：排队器
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+ 软件实现：程序查询
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#### 8.4.3 中断服务程序入口的寻找
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+ 硬件向量法
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+ 软件查询法
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#### 8.4.4 中断响应
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##### 1.中断响应的条件
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允许中断触发器EINT=1
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##### 2.响应中断的时间
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指令执行周期结束时刻CPU发送查询信号
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##### 3.中断隐指令
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+ 保护程序断点
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+ 寻找服务程序入口地址
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+ 硬件关中断
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#### 8.4.5 保护现场和恢复现场
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+ 保护现场
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+ 断点：中断隐指令完成
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+ 寄存器内容：中断服务程序完成
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+ 恢复现场：中断服务程序完成
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#### 8.4.6 中断屏蔽技术
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> **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。
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+ 实现多重中断的条件
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+ 提前设置开中断指令
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+ 优先级别高的中断有权中断优先级别低的中断源
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+ 屏蔽技术
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+ 屏蔽触发器MASK
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+ 屏蔽字
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+ 屏蔽技术可改变优先处理等级
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+ 可以人为地屏蔽某个中断源地请求，便于程序控制
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