計算機組成原理復習

1、 1.1 計算機系統(tǒng)簡介計算機系統(tǒng)簡介 1.4 本書結構本書結構 1.3 計算機硬件的主要技術指標計算機硬件的主要技術指標 1.2 計算機的基本組成計算機的基本組成 由具有各類特殊功能由具有各類特殊功能 的信息（程序）組成的信息（程序）組成 1. 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng) 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng) 計算機的實體，計算機的實體， 如主機、外設等如主機、外設等 一、一、 計算機的軟硬件概念計算機的軟硬件概念 硬件硬件 軟件軟件 1. 計算機由五大部件組成計算機由五大部件組成 3. 指令和數(shù)據(jù)用二進制表示指令和數(shù)據(jù)用二進制表示 4. 指令由操作碼和地址碼組成指令由操作碼和地址碼組成 6. 以運算器為中心以運

2、算器為中心 2. 指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲器，指令和數(shù)據(jù)以同等地位存于存儲器， 可按地址尋訪可按地址尋訪 5. 存儲程序存儲程序 一、馮馮諾依曼計算機的特點諾依曼計算機的特點 5. 存儲程序存儲程序 存儲體存儲體 大樓大樓 存儲單元存儲單元 存放一串二進制代碼存放一串二進制代碼 存儲字存儲字 存儲單元中二進制代碼的組合存儲單元中二進制代碼的組合 存儲字長存儲字長 存儲單元中二進制代碼的位數(shù)存儲單元中二進制代碼的位數(shù) 每個存儲單元賦予一個地址號每個存儲單元賦予一個地址號 按地址尋訪按地址尋訪 存儲單元存儲單元 存儲元件存儲元件 （0/1） 房間房間 床位床位（無人 （無人/ / 有人）有人）

3、 ( (1) )存儲器的基本組成存儲器的基本組成 MDR 主存儲器主存儲器 存儲體存儲體 MAR 2. .計算機的解題過程計算機的解題過程 MAR MDR 存儲器地址寄存器存儲器地址寄存器, ,反映存儲單元的個數(shù)反映存儲單元的個數(shù) 存儲器數(shù)據(jù)寄存器存儲器數(shù)據(jù)寄存器, ,反映存儲字長反映存儲字長 ( (1) )存儲器的基本組成存儲器的基本組成 ( (2) )控制器的基本組成控制器的基本組成 取指令取指令 分析指令分析指令 執(zhí)行指令執(zhí)行指令 PC IR CU 取指取指 執(zhí)行執(zhí)行 PC 存放當前欲執(zhí)行指令的地址，存放當前欲執(zhí)行指令的地址， IR 存放當前欲執(zhí)行的指令存放當前欲執(zhí)行的指令 訪存訪存 訪

4、存訪存 完成完成 一條一條 指令指令 CU 控制單元控制單元 1. .機器字長機器字長 2. .運算速度運算速度 CPU 一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù) 與與 CPU 中的中的 寄存器位數(shù)寄存器位數(shù) 有關有關 = = n i = =1 fi tiTM吉普森法吉普森法 主頻主頻 每秒執(zhí)行百萬條指令每秒執(zhí)行百萬條指令MIPS 執(zhí)行一條指令所需時鐘周期數(shù)執(zhí)行一條指令所需時鐘周期數(shù) CPI 每秒浮點運算次數(shù)每秒浮點運算次數(shù)FLOPS 221 = = 256 KB 2 13 = = 1 KB 如如 3. .存儲容量存儲容量 主存容量主存容量 輔存容量輔存容量 存儲單元個數(shù)存儲單元個數(shù) 存儲字長

5、存儲字長 字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù) 字節(jié)數(shù)字節(jié)數(shù) 80 GB 如如 MAR MDR 容量容量 10 8 16 32 存放二進制信息的總位數(shù)存放二進制信息的總位數(shù) 1K = 210 1B = 23b 1GB = 230b 1 K 8位位 64 K 32位位 3.1 總線的基本概念總線的基本概念 3.2 總線的分類總線的分類 3.3 總線特性及性能指標總線特性及性能指標 3.4 總線結構總線結構 3.5 總線控制總線控制 一、什么是總線一、什么是總線 總線是連接各個部件的信息傳輸線，是總線是連接各個部件的信息傳輸線，是 各個部件共各個部件共 享的傳輸介質(zhì)。享的傳輸介質(zhì)。 二、總線的特點二、總線的特點 在任何時

6、刻，只允許有一個部件向總線發(fā)送信息，在任何時刻，只允許有一個部件向總線發(fā)送信息， 而多個部件可以同時從總線上接收相同的信息。而多個部件可以同時從總線上接收相同的信息。 1. .片內(nèi)總線片內(nèi)總線 2. .系統(tǒng)總線系統(tǒng)總線 芯片內(nèi)部芯片內(nèi)部 的總線的總線 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 地址總線地址總線 控制總線控制總線 雙向雙向 與機器字長、存儲字長有關與機器字長、存儲字長有關 單向單向 與存儲地址、與存儲地址、 I/O地址有關地址有關 有出有出 有入有入 計算機各部件之間計算機各部件之間 的信息傳輸線的信息傳輸線 存儲器讀、存儲器寫存儲器讀、存儲器寫 總線允許、中斷確認總線允許、中斷確認 中斷請求、總線請求

7、中斷請求、總線請求 3. .通信總線通信總線 串行通信總線串行通信總線 并行通信總線并行通信總線 傳輸方式傳輸方式 用于用于 計算機系統(tǒng)之間計算機系統(tǒng)之間 或或 計算機系統(tǒng)計算機系統(tǒng) 與其他系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如控制儀表、移動通信等）（如控制儀表、移動通信等） 之間的通信之間的通信 1. 機械特性機械特性 2. 電氣特性電氣特性 3. 功能特性功能特性 4. 時間特性時間特性 二、總線特性二、總線特性 尺寸尺寸、形狀、形狀、管腳數(shù)管腳數(shù)及及排列順序排列順序 傳輸方向傳輸方向 和有效的和有效的 電平電平 范圍范圍 每根傳輸線的每根傳輸線的 功能功能 信號的信號的 時序時序 關系關系 地址地址 數(shù)據(jù)數(shù)

8、據(jù) 控制控制 三、總線的性能指標三、總線的性能指標 1. 總線寬度總線寬度 2. 總線帶寬總線帶寬 3. 時鐘同步時鐘同步/異步異步 4. 總線復用總線復用 5. 信號線數(shù)信號線數(shù) 6. 總線控制方式總線控制方式 7. 其他指標其他指標 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 的根數(shù)的根數(shù) 每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)（每秒傳輸?shù)淖畲笞止?jié)數(shù)（MBps） 同步同步、不同步不同步 地址線地址線 與與 數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 復用復用 地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線的 總和總和 負載能力負載能力 并發(fā)、自動、仲裁、邏輯、計數(shù)并發(fā)、自動、仲裁、邏輯、計數(shù) 一、總線判優(yōu)控制一、總線判優(yōu)控制 總線判優(yōu)控制總線判優(yōu)控制 分布式分布式

9、集中式集中式 主設備主設備(模塊模塊)對總線有對總線有 控制權控制權 從設備從設備(模塊模塊)響應響應 從主設備發(fā)來的總線命令從主設備發(fā)來的總線命令 1. 基本概念基本概念 鏈式查詢鏈式查詢 計數(shù)器定時查詢計數(shù)器定時查詢 獨立請求方式獨立請求方式 1. 鏈式查詢方式鏈式查詢方式 特點：容易擴充，對電路故障敏感特點：容易擴充，對電路故障敏感 2. 計數(shù)器定時查詢方式計數(shù)器定時查詢方式 特點：優(yōu)先級可以改變，使用總線機會均特點：優(yōu)先級可以改變，使用總線機會均 等等 3. 獨立請求方式獨立請求方式 特點：響應速度快，優(yōu)先次序控制靈活特點：響應速度快，優(yōu)先次序控制靈活 二、總線通信控制二、總線通信控制

10、 1. 目的目的 2. 總線傳輸周期總線傳輸周期 主模塊申請主模塊申請，總線仲裁決定，總線仲裁決定 主模塊向從模塊主模塊向從模塊 給出地址給出地址 和和 命令命令 主模塊和從模塊主模塊和從模塊 交換數(shù)據(jù)交換數(shù)據(jù) 主模塊主模塊 撤消有關信息撤消有關信息 申請分配階段申請分配階段 尋址階段尋址階段 傳數(shù)階段傳數(shù)階段 結束階段結束階段 解決通信雙方解決通信雙方 協(xié)調(diào)配合協(xié)調(diào)配合 問題問題 由由 統(tǒng)一時標統(tǒng)一時標 控制數(shù)據(jù)傳送控制數(shù)據(jù)傳送 充分充分 挖掘挖掘 系統(tǒng)系統(tǒng) 總線每個瞬間總線每個瞬間 的的 潛力潛力 同步通信同步通信 異步通信異步通信 半同步通信半同步通信 分離式通信分離式通信 3. 總線通

11、信的四種方式總線通信的四種方式 采用采用 應答方式應答方式 ，沒有公共時鐘標準，沒有公共時鐘標準 同步同步、異步結合異步結合 4.1 概述概述 4.2 主存儲器主存儲器 4.3 高速緩沖存儲器高速緩沖存儲器 4.4 輔助存儲器輔助存儲器 一、存儲器分類一、存儲器分類 1. 按存儲介質(zhì)分類按存儲介質(zhì)分類 (1) 半導體存儲器半導體存儲器 (2) 磁表面存儲器磁表面存儲器 (3) 磁芯存儲器磁芯存儲器 (4) 光盤存儲器光盤存儲器 易失易失TTL 、MOS 磁頭、載磁體磁頭、載磁體 硬磁材料、環(huán)狀元件硬磁材料、環(huán)狀元件 激光、磁光材料激光、磁光材料 非非 易易 失失 (1) 存取時間與物理地址無關

12、（隨機訪問）存取時間與物理地址無關（隨機訪問） 順序存取存儲器順序存取存儲器 磁帶磁帶 2. 按存取方式分類按存取方式分類 (2) 存取時間與物理地址有關（串行訪問）存取時間與物理地址有關（串行訪問） 隨機存儲器隨機存儲器 只讀存儲器只讀存儲器 直接存取存儲器直接存取存儲器 磁盤磁盤 在程序的執(zhí)行過程中在程序的執(zhí)行過程中 可可 讀讀 可可 寫寫 在程序的執(zhí)行過程中在程序的執(zhí)行過程中 只只 讀讀 磁盤、磁帶、光盤磁盤、磁帶、光盤 高速緩沖存儲器（高速緩沖存儲器（Cache） Flash Memory 存存 儲儲 器器 主存儲器主存儲器 輔助存儲器輔助存儲器 MROM PROM EPROM EEP

13、ROM RAM ROM 靜態(tài)靜態(tài) RAM 動態(tài)動態(tài) RAM 3. 按在計算機中的作用分類按在計算機中的作用分類 高高 低低 小小 大大 快快 慢慢 輔存輔存 寄存器寄存器 緩存緩存 主存主存 磁盤磁盤 光盤光盤 磁帶磁帶 光盤光盤 磁帶磁帶 速度速度容量容量 價格價格 位位 1. 存儲器三個主要特性的關系存儲器三個主要特性的關系 二、存儲器的層次結構二、存儲器的層次結構 CPU CPU 主機主機 緩存緩存CPU主存主存輔存輔存 2. 緩存緩存 主存層次和主存主存層次和主存 輔存層次輔存層次 緩存緩存主存主存輔存輔存主存主存 虛擬存儲器虛擬存儲器 10 ns20 ns200 nsms 虛地址虛地

14、址 邏輯地址邏輯地址 實地址實地址 物理地址物理地址 主存儲器主存儲器 （速度）（速度）（容量）（容量） 一、概述一、概述 1. 主存的基本組成主存的基本組成 存儲體存儲體 驅(qū)動器驅(qū)動器 譯碼器譯碼器 MAR 控制電路控制電路 讀讀 寫寫 電電 路路 MDR 地址總線地址總線 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 讀讀寫寫 2. 主存和主存和 CPU 的聯(lián)系的聯(lián)系 MDR MAR CPU主主 存存 讀讀 數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線 地址總線地址總線 寫寫 設地址線設地址線 24 根根按按 字節(jié)字節(jié) 尋址尋址 按按 字字 尋址尋址若字長為若字長為 16 位位 按按 字字 尋址尋址若字長為若字長為 32 位位 3. 主存中存儲

15、單元地址的分配主存中存儲單元地址的分配 224 = 16 M 8 M 4 M 尋址范圍：尋址范圍： (2) 存儲速度存儲速度 4. 主存的技術指標主存的技術指標 (1) 存儲容量存儲容量 (3) 存儲器的帶寬存儲器的帶寬 主存主存 存放二進制代碼的總位數(shù)存放二進制代碼的總位數(shù) 讀出時間讀出時間 寫入時間寫入時間 存儲器的存儲器的 訪問時間訪問時間 存取時間存取時間 存取周期存取周期 讀周期讀周期 寫周期寫周期 連續(xù)兩次獨立的存儲器操作連續(xù)兩次獨立的存儲器操作 （讀或?qū)懀┧璧模ㄗx或?qū)懀┧璧?最小間隔時間最小間隔時間 位位/秒秒 芯片容量芯片容量 二、半導體存儲芯片簡介二、半導體存儲芯片簡介

16、1. 半導體存儲芯片的基本結構半導體存儲芯片的基本結構 譯譯 碼碼 驅(qū)驅(qū) 動動 存存 儲儲 矩矩 陣陣 讀讀 寫寫 電電 路路 1K4位位 16K1位位 8K8位位 片選線片選線 讀讀/寫控制線寫控制線 地地 址址 線線 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 線線 地址線地址線（單向）（單向）數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線（雙向）（雙向） 104 141 138 二、半導體存儲芯片簡介二、半導體存儲芯片簡介 1. 半導體存儲芯片的基本結構半導體存儲芯片的基本結構 譯譯 碼碼 驅(qū)驅(qū) 動動 存存 儲儲 矩矩 陣陣 讀讀 寫寫 電電 路路 片選線片選線 讀讀/寫控制線寫控制線 地地 址址 線線 數(shù)數(shù) 據(jù)據(jù) 線線 片選線片選線 讀讀/寫控制線寫

17、控制線（低電平寫（低電平寫 高電平讀）高電平讀） （允許讀）（允許讀） CSCE WE （允許寫）（允許寫）WEOE 存儲芯片構成存儲器存儲芯片構成存儲器 用用 16K 1位位 的存儲芯片組成的存儲芯片組成 64K 8位位 的存儲器的存儲器 32片片 （6464K K 8 8 ）（ 16K 16K 1 1）=32=32片片 (1) 動態(tài)動態(tài) RAM 2. 動態(tài)動態(tài) RAM ( DRAM ) 采用電容存儲電荷來表示信息，所以必須采用電容存儲電荷來表示信息，所以必須 刷新才能保持信息。刷新才能保持信息。 刷新的周期為刷新的周期為2ms (4) 動態(tài)動態(tài) RAM 刷新刷新 集中刷新集中刷新（ 存在存

18、在“死區(qū)死區(qū)” ） 分散刷新分散刷新（無無 “死區(qū)死區(qū)” ） 分散刷新與集中刷新相結合（異步刷新）分散刷新與集中刷新相結合（異步刷新） （ “死區(qū)死區(qū)”很短很短 ） 3. 動態(tài)動態(tài) RAM 和靜態(tài)和靜態(tài) RAM 的比較的比較 DRAMSRAM 存儲原理存儲原理 集成度集成度 芯片引腳芯片引腳 功耗功耗 價格價格 速度速度 刷新刷新 電容電容觸發(fā)器觸發(fā)器 高高低低 少少多多 小小大大 低低高高 慢慢快快 有有無無 主存主存 緩存緩存 四、只讀存儲器（四、只讀存儲器（ROM） 1. 掩模掩模 ROM ( MROM ) 2. PROM (一次性編程一次性編程) 3. EPROM (多次性編程多次性編

19、程 ) 4. EEPROM (多次性編程多次性編程 ) 用用 1K 4位位 存儲芯片組成存儲芯片組成 1K 8位位 的存儲器的存儲器？片？片 五、存儲器與五、存儲器與 CPU 的連接的連接 1. 存儲器容量的擴展存儲器容量的擴展 (1) 位擴展位擴展（增加存儲字長）（增加存儲字長） 10根地址線根地址線 8根數(shù)據(jù)線根數(shù)據(jù)線 D D D 0 4 7 9 A A 0 21142114 CS WE 2片片 (2) 字擴展（增加存儲字的數(shù)量）字擴展（增加存儲字的數(shù)量） 用用 1K 8位位 存儲芯片組成存儲芯片組成 2K 8位位 的存儲器的存儲器 11根地址線根地址線 8根數(shù)據(jù)線根數(shù)據(jù)線 ？片？片2片片

20、 1K 8 8位位1K 8 8位位 D7 D0 WE A1 A0 A9 CS0 A10 1 CS1 (3) 字、位擴展字、位擴展 用用 1K 4位位 存儲芯片組成存儲芯片組成 4K 8位位 的存儲器的存儲器 8根數(shù)據(jù)線根數(shù)據(jù)線 12根地址線根地址線 WE A8 A9 A0 . D7 D0 A11 A10 CS0CS1CS2CS3 片選片選 譯碼譯碼 1K41K41K41K41K41K41K41K4 ？片？片8片片 2. 存儲器與存儲器與 CPU 的連接的連接 (1) 地址線的連接地址線的連接 (2) 數(shù)據(jù)線的連接數(shù)據(jù)線的連接 (3) 讀讀/寫命令線的連接寫命令線的連接 (4) 片選線的連接片選

21、線的連接 (5) 合理選擇存儲芯片合理選擇存儲芯片 (6) 其他其他 時序、負載時序、負載 l地址線的連接：地址線的連接：CPU的地址線數(shù)一般比的地址線數(shù)一般比 存儲芯片的地址線數(shù)要多，通常將存儲芯片的地址線數(shù)要多，通常將CPU 地址線的低位與存儲芯片的地址線相連，地址線的低位與存儲芯片的地址線相連， 而高位可作存儲芯片擴充用或者其他如而高位可作存儲芯片擴充用或者其他如 片選信號等。片選信號等。 l數(shù)據(jù)線的連接：數(shù)據(jù)線的連接：CPU的數(shù)據(jù)線數(shù)與存儲的數(shù)據(jù)線數(shù)與存儲 芯片的數(shù)據(jù)線數(shù)不一定相等，必須對存芯片的數(shù)據(jù)線數(shù)不一定相等，必須對存 儲芯片進行位擴展。保證其數(shù)據(jù)位數(shù)與儲芯片進行位擴展。保證其數(shù)

22、據(jù)位數(shù)與 CPU的數(shù)據(jù)線數(shù)相等的數(shù)據(jù)線數(shù)相等 l讀寫控制線的連接：讀寫控制線的連接：CPUCPU讀寫控制線與存讀寫控制線與存 儲芯片讀寫控制線可以直接相連，高電儲芯片讀寫控制線可以直接相連，高電 平為讀平為讀, ,低電平為低電平為“寫寫”。 l片選線的連接：一般與片選線的連接：一般與CPUCPU訪存控制和訪存控制和 CPUCPU地址線有關，用地址線有關，用CPUCPU的高地址和訪存的高地址和訪存 控制信號共同產(chǎn)生存儲器的片選信號?？刂菩盘柟餐a(chǎn)生存儲器的片選信號。 這是由譯碼器來完成。這是由譯碼器來完成。 l合理選擇存儲芯片：通常選用合理選擇存儲芯片：通常選用ROMROM存放系存放系 統(tǒng)程序和

23、常量等，統(tǒng)程序和常量等，RAMRAM存放用戶程序。存放用戶程序。 六、存儲器的校驗六、存儲器的校驗 1.漢明碼漢明碼是具有一位糾錯能力的編碼是具有一位糾錯能力的編碼 2 . 漢明碼的組成漢明碼的組成 3. 漢明碼的糾錯過程漢明碼的糾錯過程 七、提高訪存速度的措施七、提高訪存速度的措施 采用高速器件采用高速器件 調(diào)整主存結構調(diào)整主存結構 采用層次結構采用層次結構 Cache 主存主存 一、概述一、概述 1. 問題的提出問題的提出 解決解決CPU 和主存（和主存（DRAM）的速度差異的速度差異 理論基礎：程序訪問的局部性原理理論基礎：程序訪問的局部性原理 2. Cache 的工作原理的工作原理 主

24、存和緩存的存儲塊的大小相同主存和緩存的存儲塊的大小相同 (3) Cache 的命中率的命中率 CPU 欲訪問的信息在欲訪問的信息在 Cache 中的中的 比率比率 命中率命中率 與與 Cache 的的 容量容量 與與 塊長塊長 有關有關 (4) Cache 主存系統(tǒng)的效率主存系統(tǒng)的效率 效率效率 e 與與 命中率命中率 有關有關 設設 Cache 命中率命中率 為為 h，訪問訪問 Cache 的時間為的時間為 tc ， 訪問 訪問 主存主存 的時間為的時間為 tm 則則 e = 100% tc h tc+ (1h) tm 訪問訪問 Cache 的時間的時間 平均訪問時間平均訪問時間 e = 1

25、00% 二、二、Cache 主存的地址映射主存的地址映射 1. 直接映射直接映射 每個緩存塊每個緩存塊 i 可以和可以和 若干若干 個個 主存塊主存塊 對應對應 每個主存塊每個主存塊 j 只能和只能和 一一 個個 緩存塊緩存塊 對應對應 2. 全相聯(lián)映射全相聯(lián)映射 主存主存 中的中的 任一塊任一塊 可以映射到可以映射到 緩存緩存 中的中的 任一塊任一塊 主存字塊標記主存字塊標記 字塊內(nèi)地址字塊內(nèi)地址 主存地址主存地址 m = t + c 位位b位位 組組Cache 字塊內(nèi)地址字塊內(nèi)地址組地址組地址主存字塊標記主存字塊標記 s = t + r 位位q = cr 位位b 位位 主存地址主存地址 m

26、 位位 共共 Q 組組，每組內(nèi)兩塊（，每組內(nèi)兩塊（r = 1) 某一主存塊某一主存塊 j 按模按模 Q 映射到映射到 緩存緩存 的第的第 i 組組中的中的 任一塊任一塊 i = j mod Q 3. 組相聯(lián)映射組相聯(lián)映射 一、概述一、概述 1. 特點特點不直接與不直接與 CPU 交換信息交換信息 2. 磁表面存儲器的技術指標磁表面存儲器的技術指標 道密度道密度 Dt位密度位密度 Db C = n k s 尋道時間尋道時間 + 等待時間等待時間 (1) 記錄密度記錄密度 (2) 存儲容量存儲容量 (3) 平均尋址時間平均尋址時間 (4) 數(shù)據(jù)傳輸率數(shù)據(jù)傳輸率 (5) 誤碼率誤碼率 輔存的速度輔存

27、的速度 尋址時間尋址時間 磁頭讀寫時間磁頭讀寫時間 Dr = Db V 出錯信息位數(shù)與讀出信息的總位數(shù)之比出錯信息位數(shù)與讀出信息的總位數(shù)之比 5.6 DMA方式方式 5.5 程序中斷方式程序中斷方式 5.4 程序查詢方式程序查詢方式 5.3 I/O接口接口 5.2 外部設備外部設備 5.1 概述概述 二、輸入輸出系統(tǒng)的組成二、輸入輸出系統(tǒng)的組成 1. I/O 軟件軟件 (1) I/O 指令指令 (2) 通道指令通道指令 CPU 指令的一部分指令的一部分 通道自身的指令通道自身的指令 指出數(shù)組的首地址、傳送字數(shù)、操作命令指出數(shù)組的首地址、傳送字數(shù)、操作命令 如如 IBM/370 通道指令為通道指

28、令為 64 位位 2. I/O 硬件硬件 設備設備I/O 接口接口 設備設備設備控制器設備控制器通道通道 操作碼操作碼命令碼命令碼設備碼設備碼 四、四、I/O設備與主機信息傳送的控制方式設備與主機信息傳送的控制方式 1. 程序查詢方式程序查詢方式 CPU 和和 I/O 串行工作串行工作 2. 程序中斷方式程序中斷方式 CPU 和和 I/O 并行工作并行工作 3. DMA 方式方式CPU 和和 I/O 并行工作并行工作 I/O 中斷處理過程中斷處理過程 1. CPU 響應中斷的條件和時間響應中斷的條件和時間 (1) 條件條件 (2) 時間時間 允許中斷觸發(fā)器允許中斷觸發(fā)器 EINT = 1 用用

29、 開中斷開中斷 指令將指令將 EINT 置置 “1” 在每條指令執(zhí)行階段的結束前在每條指令執(zhí)行階段的結束前 中斷向量地址中斷向量地址得到中斷服務程序的得到中斷服務程序的入口地址入口地址 程序中斷方式程序中斷方式 五、中斷服務程序流程五、中斷服務程序流程 1. 中斷服務程序的流程中斷服務程序的流程 (1) 保護現(xiàn)場保護現(xiàn)場 (2) 中斷服務中斷服務 (3) 恢復現(xiàn)場恢復現(xiàn)場 (4) 中斷返回中斷返回 2. 單重中斷和多重中斷單重中斷和多重中斷 不允許中斷不允許中斷 現(xiàn)行的現(xiàn)行的 中斷服務程序中斷服務程序 單重單重 中斷中斷 多重多重 中斷中斷 允許級別更高允許級別更高 的中斷源的中斷源 中斷中斷

30、 現(xiàn)行的現(xiàn)行的 中斷服務程序中斷服務程序 區(qū)別：開中斷的位置區(qū)別：開中斷的位置 2. DMA 與主存交換數(shù)據(jù)的三種方式與主存交換數(shù)據(jù)的三種方式 (1) 停止停止 CPU 訪問主存訪問主存 (2) 周期挪用（或周期竊取）周期挪用（或周期竊?。?(3) DMA 與與 CPU 交替訪問交替訪問 6.1 無符號數(shù)和有符號數(shù)無符號數(shù)和有符號數(shù) 6.3 定點運算定點運算 6.2 數(shù)的定點表示和浮點表示數(shù)的定點表示和浮點表示 6.4 浮點四則運算浮點四則運算 6.5 算術邏輯單元算術邏輯單元 一、無符號數(shù)一、無符號數(shù) 寄存器的位數(shù)寄存器的位數(shù) 反映無符號數(shù)的表示范圍反映無符號數(shù)的表示范圍 帶符號的數(shù)帶符號的

31、數(shù) 符號數(shù)字化的數(shù)符號數(shù)字化的數(shù) 真值真值 機器數(shù)機器數(shù) 1. 機器數(shù)與真值機器數(shù)與真值 二、有符號數(shù)二、有符號數(shù) + 0.1011 0 1011 小數(shù)點的位置小數(shù)點的位置 2. 原碼原碼 (1) 定義定義 + 0原 原 - 0原原 (2) 0的表示的表示 (4) 求補碼的快捷方式求補碼的快捷方式 當真值為當真值為 負負 時，時，補碼補碼 可用可用 原碼除符號位外原碼除符號位外 每位取反，末位加每位取反，末位加 1 求得求得 當真值為當真值為 負負 時，時，原碼原碼 可用可用 補碼除符號位外補碼除符號位外 每位取反，末位加每位取反，末位加 1 求得求得 1補 補 = 2 + x = 10.00

32、00 1.0000 = 1.0000 + 0補 補 = 0補補(2) 0的表示的表示 4. 反碼反碼 (1) 定義定義 + 0反 反 0反反 (2) 0的表示的表示 三種機器數(shù)的小結三種機器數(shù)的小結 對于對于正數(shù)正數(shù)，原碼原碼 = 補碼補碼 = 反碼反碼 對于對于負數(shù)負數(shù) ，符號位為符號位為 1，其其 數(shù)值部分數(shù)值部分 原碼除符號位外每位取反末位加原碼除符號位外每位取反末位加 1 補碼補碼 原碼除符號位外每位取反原碼除符號位外每位取反 反碼反碼 最高位最高位為為符號位符號位，書寫上用，書寫上用“,”（整數(shù)）（整數(shù)） 或或“.”（小數(shù)）將數(shù)值部分和符號位隔開（小數(shù)）將數(shù)值部分和符號位隔開 例例6

33、.11 00000000 00000001 00000010 01111111 10000000 10000001 11111101 11111110 11111111 128 129 -0 -1 -128 -127 -127 -126 二進制代碼二進制代碼 無符號數(shù)無符號數(shù) 對應的真值對應的真值 原碼對應原碼對應 的真值的真值 補碼對應補碼對應 的真值的真值 反碼對應反碼對應 的真值的真值 0 1 2 127 253 254 255 -125 -126 -127 -3 -2 -1 -2 -1 -0 +0 +1 +2 +127 +0 +1 +2 +127 +0 +1 +2 +127 +0 設機

34、器數(shù)字長為設機器數(shù)字長為 8 位（其中位為符號位）位（其中位為符號位） 對于整數(shù)，當其分別代表無符號數(shù)、原碼、補碼和對于整數(shù)，當其分別代表無符號數(shù)、原碼、補碼和 反碼時，對應的真值范圍各為多少？反碼時，對應的真值范圍各為多少？ 解：解： 已知已知 y補 補 求 求 y補 補 即得即得 y補 補 y補 補連同符號位在內(nèi)， 連同符號位在內(nèi)，每位取每位取 反，末位加反，末位加 1 1 5. 移碼表示法移碼表示法 補碼與移碼只差一個符號位補碼與移碼只差一個符號位 +0移 移 = 0移移 最小真值的移碼為全最小真值的移碼為全 0 用移碼表示浮點數(shù)的階碼用移碼表示浮點數(shù)的階碼 - 1 0 0 0 0 0

35、- 1 1 1 1 1 - 1 1 1 1 0 - 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 + 0 0 0 0 1 + 0 0 0 1 0 + 1 1 1 1 0 + 1 1 1 1 1 真值真值 x ( n = 5 )x補 補 x移 移 x 移 移對應的 對應的 十進制整數(shù)十進制整數(shù) (3) 真值、補碼和移碼的對照表真值、補碼和移碼的對照表 0 1 2 31 32 33 34 62 63 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1

36、 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0- 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 + 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 01 0 0 0 0 0 小數(shù)點按約定方式標出小數(shù)點按約定方式標出 一、定點表示一、定點表示 Sf S1S2 Sn 數(shù)符數(shù)符 數(shù)值部分數(shù)值部分 小數(shù)點位置小數(shù)點位置 Sf S1S2 Sn 數(shù)符數(shù)符 數(shù)值部分數(shù)值部分 小數(shù)點位置小數(shù)點位置

37、 或或 定點機定點機小數(shù)定點機小數(shù)定點機整數(shù)定點機整數(shù)定點機 原碼原碼 補碼補碼 反碼反碼 (1 2-n) +(1 2-n)(2n 1) +( 2n 1) 1 +(1 2-n) 2n +( 2n 1) (1 2-n) +(1 2-n)(2n 1) +( 2n 1) 1. 浮點數(shù)的表示形式浮點數(shù)的表示形式 Sf 代表浮點數(shù)的符號代表浮點數(shù)的符號 n 其位數(shù)反映浮點數(shù)的精度其位數(shù)反映浮點數(shù)的精度 m 其位數(shù)反映浮點數(shù)的表示范圍其位數(shù)反映浮點數(shù)的表示范圍 jf 和和 m 共同表示小數(shù)點的實際位置共同表示小數(shù)點的實際位置 jf j1 j2 jm Sf S1 S2 Sn j 階碼階碼S 尾數(shù)尾數(shù) 階符階

38、符 數(shù)符數(shù)符 階碼的階碼的 數(shù)值部分數(shù)值部分 尾數(shù)的數(shù)值部分尾數(shù)的數(shù)值部分 小數(shù)點位置小數(shù)點位置 2. 浮點數(shù)的表示范圍浮點數(shù)的表示范圍 2( 2m1)( 1 2n) 2( 2m1)2n 2( 2m1)( 1 2n) 2( 2m1)2n 最小負數(shù)最小負數(shù) 最大負數(shù)最大負數(shù) 最大正數(shù)最大正數(shù) 最小正數(shù)最小正數(shù) 負數(shù)區(qū)負數(shù)區(qū)正數(shù)區(qū)正數(shù)區(qū)下溢下溢 0 上溢上溢上溢上溢 215 ( 1 2-10) 2-15 2-10 215 ( 1 2-10) 設設 m = 4 n =10 上溢上溢 階碼階碼 最大階碼最大階碼 下溢下溢 階碼階碼 1） 時，需時，需 右規(guī)右規(guī) 尾數(shù)右移一位尾數(shù)右移一位，階碼加階碼加

39、1 4. 舍入舍入 在在 對階對階 和和 右規(guī)右規(guī) 過程中，可能出現(xiàn)過程中，可能出現(xiàn) 尾數(shù)末位丟失尾數(shù)末位丟失 引起誤差，需考慮舍入引起誤差，需考慮舍入 (1) 0 舍舍 1 入法入法 (2) 恒置恒置 “1” 法法 5. 溢出判斷溢出判斷 7.1 機器指令機器指令 7.2 操作數(shù)類型和操作類型操作數(shù)類型和操作類型 7.3 尋址方式尋址方式 7.4 指令格式舉例指令格式舉例 7.5 RISC 技術技術 一、指令的一般格式一、指令的一般格式 操作碼字段操作碼字段 地址碼字段地址碼字段 1. 操作碼操作碼 反映機器做什么操作反映機器做什么操作 2. 地址碼地址碼 反映機器操作的對象反映機器操作的對象 二、指令字長二、指令字長 指令字長決定于指令字長決定于 操作碼的長度操作碼的長度 指令字長指令字長 = 存儲字長存儲字長 操作數(shù)地址的長度操作數(shù)地址的長度 操作數(shù)地址的個數(shù)操作數(shù)地址的個數(shù) 指令字長指令字長 固定固定 尋址方式尋址方式 確定確定 本條指令本條指令 的的 操作數(shù)地址操作數(shù)地址 下一條下一條 欲執(zhí)行欲執(zhí)行 指令指令 的的 指令地址指令地址 指令尋址指令尋址 數(shù)據(jù)尋址數(shù)據(jù)尋址 尋址方式尋址方式 二、二、RISC 的主要特征的主要特征 選用使用頻度較高的一些選用使用頻度較高的一些 簡單指令簡