計算機組成與體系結(jié)構 課件 05輸入輸出系統(tǒng)、06信息表示

輸入/輸出系統(tǒng)計算機組成與體系結(jié)構外圍設備與輸入輸出系統(tǒng)系統(tǒng)互連存儲器接口外圍設備CPU輸入/輸出系統(tǒng)輸入輸出接口

命令寄存器和命令譯碼器

設備選擇電路

設備狀態(tài)標記

數(shù)據(jù)緩沖寄存器DBR

控制邏輯電路I/O接口外部設備數(shù)據(jù)線命令狀態(tài)數(shù)據(jù)線命令線狀態(tài)線CPU地址線為什么要使用接口各種外設使用不同的操作方法，控制邏輯差異很大外設的數(shù)據(jù)傳送速度一般比存儲器或處理器慢外設經(jīng)常使用與處理器不同的數(shù)據(jù)格式和字長接口的主要功能控制和定時處理器通信設備通信數(shù)據(jù)緩沖檢錯接口的分類按數(shù)據(jù)傳送方式分類并行/串行按主機訪問I/O設備的控制方式分類程序查詢、中斷、DMA、通道按功能選擇的靈活性分類可編程/不可編程按通用性分類通用/專用按輸入輸出的信號分類數(shù)字/模擬接口與端口接口(interface)：端口+控制邏輯電路端口(port)：接口中可被訪問的寄存器控制邏輯數(shù)據(jù)端口狀態(tài)端口命令端口端口接口外設的識別與端口編址統(tǒng)一編址方式獨立編址方式0FFFFFHEFFFFHF0000H內(nèi)存地址（共960KB）端口地址（共64KB）0FFFFFH內(nèi)存地址（共1MB）端口地址（共64KB）0FFFFH輸入輸出方式程序查詢方式程序中斷方式直接存儲器存?。―MA）方式I/O通道控制方式這些輸入輸出方式采用的是同步時序還是異步時序？程序查詢方式程序直接控制數(shù)據(jù)傳送的分類：無條件傳送：I/O端口總是準備好接收主機的輸出數(shù)據(jù)，或總是準備好向主機輸入數(shù)據(jù)，只適用于一些簡單設備；程序查詢方式：可適用于大多數(shù)的低速外設程序查詢的基本思想CPU在程序中查詢外設的工作狀態(tài)，來保證數(shù)據(jù)傳送的正確進行程序查詢方式的工作過程取外設狀態(tài)傳送一次數(shù)據(jù)傳送完否？外設準備就緒？預置傳送參數(shù)結(jié)束YNNY啟動外設修改傳送參數(shù)程序查詢方式接口A7～A0三態(tài)緩沖器（1）EN輸入設備STBIBF鎖存器（8）CP。三態(tài)緩沖器（8）ENReadyQDRCP &地址譯碼+5VD7～D0RDM/IO&程序查詢方式總結(jié)程序查詢方式的優(yōu)點對接口要求低，實現(xiàn)成本低。程序查詢方式的缺點在查詢過程中，CPU長期處于踏步等待狀態(tài)，使系統(tǒng)效率大大降低CPU在一段時間內(nèi)只能和一臺外設交換信息，其他設備不能同時工作不能發(fā)現(xiàn)和處理預先無法估計的錯誤和異常情況適用性分析適用與少量、低速設備之間的信息交換，因此常用于結(jié)構簡單、造價低的計算機中。程序中斷方式程序中斷方式的基本思想實現(xiàn)主動權的變化中斷方式的基本工作過程中斷方式的設計要素外設通過什么機制向CPU發(fā)出中斷請求？中斷請求的傳送CPU什么時候可以去響應中斷？中斷響應時刻CPU如何處理多個設備同時發(fā)送的中斷請求？中斷判優(yōu)

CPU如何定位發(fā)出中斷請求的設備？中斷源的尋找CPU如何找到并轉(zhuǎn)向中斷服務程序？中斷處理CPU在為設備服務完成后，如何返回原來執(zhí)行的程序？中斷現(xiàn)場保護與中斷返回簡單中斷方式簡單中斷處理流程相關術語中斷系統(tǒng)如何構成？中斷隱指令與指令相同嗎？向量中斷與中斷服務程序入口有什么關系？中斷現(xiàn)場包括什么？中斷的類型外部中斷：由計算機外設發(fā)出的中斷請求內(nèi)部中斷：CPU內(nèi)部異常引發(fā)的中斷軟件中斷/自陷：不是真正的中斷，只是可被調(diào)用執(zhí)行的一般程序多重（級）中斷中斷嵌套中斷系統(tǒng)需要做哪些改進？中斷接口中斷飽和與中斷的局限性中斷飽和：由于CPU每次處理中斷都需要一定的時間執(zhí)行中斷服務程序，當中斷過于頻繁而超過了CPU的處理速度時，就會發(fā)生中斷飽和現(xiàn)象，結(jié)果是導致外設的數(shù)據(jù)丟失中斷方式的局限性：中斷方式需要程序切換，會帶來額外開銷（保存現(xiàn)場、恢復現(xiàn)場），導致數(shù)據(jù)傳輸率不高；采用執(zhí)行指令的方式與外設進行信息交換效率并不高，每次數(shù)據(jù)傳輸需要取指令、執(zhí)行指令的過程；可能出現(xiàn)中斷飽和現(xiàn)象，不適合與高速外設進行信息交換。中斷方式是一種以軟件為主的控制方式，信息傳送需要占用CPU資源。DMA方式它使內(nèi)存與CPU的固定聯(lián)系脫鉤。內(nèi)存既可被CPU訪問，又可被外設訪問；在數(shù)據(jù)塊傳送時，內(nèi)存地址的確定、傳送數(shù)據(jù)的計數(shù)等都用硬件電路直接實現(xiàn)；內(nèi)存中要開辟專用緩沖區(qū)，及時供給和接收外設的數(shù)據(jù)；DMA傳送速度快，CPU和外設并行工作，提高了系統(tǒng)的效率；DMA在傳送開始前要通過程序進行預處理，結(jié)束后要通過中斷方式進行后處理。DMA方式與中斷方式的區(qū)別中斷方式是程序切換，需要保護和恢復現(xiàn)場；而DMA方式除了開始和結(jié)尾時，不占用CPU的任何資源。對中斷請求的響應只能發(fā)生在每條指令執(zhí)行完畢時；而對DMA請求的響應可以發(fā)生在每個機器周期結(jié)束時。中斷傳送過程需要CPU的干預；而DMA傳送過程不需要CPU的干預，故數(shù)據(jù)傳送速率非常高，適合于高速外設的成組數(shù)據(jù)傳送。DMA請求的優(yōu)先級高于中斷請求。中斷方式具有對異常事件的處理能力、而DMA方式僅局限于完成傳送信息塊的I/O操作。DMA接口/控制器的基本組成DMA的傳輸方法DMA傳輸過程通道方式通道方式出現(xiàn)的原因DMA方式只能進行簡單的數(shù)據(jù)傳輸，這在某些場合下是不夠的DMA傳送方式在預處理和后處理階段仍需要CPU的大量介入，因此不適合連接大量的外圍設備通道控制方式與DMA方式的區(qū)別通過執(zhí)行通道程序，通道具有更強的獨立處理數(shù)據(jù)輸入輸出的功能一個通道可以同時控制許多臺同類或不同類的設備通道的典型使用方式通道的類型選擇通道(SelectorChannel)字節(jié)多路通道(ByteMultiplexorChannel)數(shù)組多路通道(BlockMultiplexorChannel)通道的工作過程分析總結(jié)采用哪種信息交換方式有利于計算機整體效率的提高？提高效率的關鍵是什么？效率的提高對接口有什么要求？信息表示計算機組成與體系結(jié)構編碼數(shù)值、文字、符號、語音和圖形等統(tǒng)稱信息，在計算機內(nèi)部，信息都必須用數(shù)字化的形式被存儲、加工和傳送，不同信息要通過編碼來表示數(shù)字化信息編碼的二個要素少量簡單的基本符號一定的組合規(guī)則數(shù)值數(shù)據(jù)的表示只用r個基本符號(例如0,1,2,…r-1)通過排列起來的符號串表示數(shù)值，r

稱為該數(shù)制的基。數(shù)值N的表示

N=Dm-1Dm-2

…D1D0D-1D-2

…D-k有權

的基r數(shù)制

每個Di（-k≤i≤m-1）的單位值都賦以固定的值Wi，則稱Wi為該位的權。

N

代表的實際值可表示為：

基r數(shù)制若逢r

進位，有Wi=ri

，則N代表一個數(shù)值

r

是這個數(shù)制的基

i

表示這些符號排列的位號Di

是位序號為i的位上的一個符號ri

是位序號為i的位上的一個1代表的值Di×ri

是第i位的符號所代表的實際值∑表示對m+k位的值求累加和稱此數(shù)制為r進位數(shù)制，簡稱r進制。最常用的有二進制、八進制、十六進制和十進制這4種。數(shù)值在計算機中表示應考慮要表示數(shù)的類型可能遇到的數(shù)值范圍數(shù)值精確度數(shù)據(jù)存儲和處理所需要的硬件代價數(shù)值在計算機中表示的特點二進制表示數(shù)據(jù)的編碼化正負號的數(shù)字化小數(shù)點位置的約定數(shù)據(jù)有模計算機中的數(shù)值數(shù)據(jù)定點數(shù)定點整數(shù)定點小數(shù)浮點數(shù)二-十進制數(shù)（BCD）有權碼：8421(最常用)、2421、5421……無權碼：余3碼、格雷碼……數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼二進制數(shù)值數(shù)據(jù)的類型二進制表示的定點整數(shù)、小數(shù)和浮點數(shù)數(shù)值數(shù)據(jù)編碼目標能方便統(tǒng)一地表示正數(shù)、零和負數(shù)，并且盡可能有利于簡化對它們實現(xiàn)算術運算用到的規(guī)則數(shù)據(jù)符號的正與負，可用一位二進制的0和1兩個狀態(tài)加以表示，數(shù)據(jù)數(shù)值用多位二進制表示常用的編碼方案原碼表示、補碼表示、反碼表示真值與機器數(shù)+0.1011+1100–

1100–0.1011帶符號的數(shù)符號數(shù)字化的數(shù)真值（人）

機器數(shù)（計算機）

01011

11011

01100

11100小數(shù)點的位置

一個數(shù)據(jù)的實際值被稱為數(shù)的真值，機器數(shù)是指對數(shù)據(jù)符號位完成數(shù)字化處理后的機內(nèi)表示。原碼(truecode)表示法定點整數(shù)定點小數(shù)定點整數(shù)定點小數(shù)原碼與真值之間的映射三位定點整數(shù)原碼表示數(shù)的范圍是-3~+3，其機器碼為000~111原碼的性質(zhì)原碼的最高位表示符號，0位為正，1為負；0在原碼表示中不唯一，有＋0、－0之分；n位原碼總共有2n種編碼，共可表示2n－1個數(shù)，因為0用了兩個編碼；負數(shù)的原碼大于正數(shù)的原碼原碼的實質(zhì)是表示數(shù)值的絕對值，因此由真值轉(zhuǎn)換為原碼的方法是：將＋寫成0，－寫成1，數(shù)值位不變原碼表示法的優(yōu)缺點優(yōu)點直觀便于實現(xiàn)乘、除法運算缺點加減運算時既要考慮數(shù)的符號，又要考慮幅值0有兩種表示有模運算所謂有模運算是指在一定數(shù)值范圍內(nèi)進行的運算有模運算實例：鐘表計算機中的運算是有模運算嗎？在有模運算中，用模減一個數(shù)的結(jié)果被稱為該數(shù)的補數(shù)，減一個數(shù)等于加上該數(shù)對模的補數(shù)在補碼表示法中，正數(shù)用本身來代表，而負數(shù)用其補數(shù)來代表補碼(complementalcode)表示法定點整數(shù)定點小數(shù)也被稱為對“2”的補碼two’scomplement求負數(shù)補碼的方法符號位置1，其余各位0變1，1變0，然后在最末位上加1；從低位向高位找到第一個1，這個1和右邊各位的0保持不變，左邊的各高位按位取反補碼與真值之間的映射三位定點整數(shù)補碼表示數(shù)的范圍是-4~+3，其機器碼為000~111補碼的性質(zhì)最高位表示符號，0位為正，1為負；0的表示唯一，即編碼為全0的情況；補碼表示法比原碼表示法多表示一個數(shù)據(jù)，即最小的負數(shù)；負數(shù)補碼值大于正數(shù)補碼值；補碼算術右移時，要將符號位復制；補碼算術左移時，末位補0即可；定點整數(shù)補碼位數(shù)擴展時，要將符號位向左復制；定點小數(shù)補碼進行位數(shù)擴展時，只需要在原機器碼后補0即可其他定點數(shù)的機器碼反碼（對“1”的補碼，one’scomplement）正數(shù)的反碼等于其原碼，而負數(shù)的反碼則可以通過保留其符號位，將原碼的數(shù)值位取反得到。移碼（或增碼，Offsetbinary）是一種將全0碼映射為最小負值、全1碼映射為最大正值的編碼方案移碼沒有統(tǒng)一的標準移碼主要用于表示浮點數(shù)的階碼，在浮點數(shù)運算中有優(yōu)勢浮點表示法的原理階符階碼數(shù)符尾數(shù)基本思想：科學計數(shù)法解決的問題：擴大固定二進制位表示數(shù)的范圍基本結(jié)構：階符、階碼、數(shù)符、尾數(shù)浮點數(shù)的規(guī)格化浮點數(shù)的標準IEEE754標準浮點數(shù)018931符號位S偏移階碼E尾數(shù)M01111263符號位S偏移階碼E尾數(shù)MIEEE754的特殊值0階碼與0尾數(shù)一起表示正零或負零，取決于它的符號位全1階碼與0尾數(shù)一起表示正無窮大或負無窮大，取決于它的符號位0階碼與非0尾數(shù)一起表示一個反規(guī)格化（Denormalized）數(shù)全1階碼與非0尾數(shù)一起給出NaN值，它意味著不是一個數(shù)（NotaNumber）0的表示+∞和-∞“非數(shù)”非規(guī)格化數(shù)非規(guī)格化數(shù)例：非IEEE754浮點數(shù)IBM370的短浮點數(shù)格式中，總位數(shù)為32位，左邊第一位（b0）為數(shù)符，隨后7位（b1～b7）為階碼，用移碼表示，偏置常數(shù)為64，右邊24位（b8～b31）為6位十六進制原碼小數(shù)表示的尾數(shù)，采用規(guī)格化形式。(-260.125)10=(-000100000100.0010)2=(-104.2)16=(-0.1042)16×163符號位為1，階為3，用7位移碼表示為：64+3=(1000011)2。該數(shù)的浮點數(shù)表示的前面8位為11000011，對應的十六進制為C3H。尾數(shù)部分的6位十六進制數(shù)為：104200H。該數(shù)的浮點數(shù)表示為：C3104200H。定點和浮點表示法的比較哪種表示法表示數(shù)值的范圍更大？與定點表示法相比，浮點表示法能表示更多的數(shù)值嗎？哪種表示法表示數(shù)值的精度更高？字符、圖形、圖像、聲音……非數(shù)值數(shù)據(jù)的表示ASCII碼字符集漢字字形碼圖形圖像聲音非數(shù)值數(shù)據(jù)的二值化數(shù)據(jù)類型典型代表二值化方法有窮集合文字、符號等編碼矢量圖形AI(AdobeIllustrator)、SVG等坐標、數(shù)學公式點陣數(shù)據(jù)BMP（位圖）、PNG（無損壓縮位圖）、JPG（有損壓縮位圖）等矩陣模擬數(shù)據(jù)聲音、電壓、電流等采樣、量化、編碼無窮集合實數(shù)、自然語言等？檢錯糾錯碼檢錯糾錯碼帶有發(fā)現(xiàn)某些錯誤，甚至帶有一定自動改錯能力的數(shù)據(jù)編碼方法碼距（最小碼距）合理增大碼距，能提高發(fā)現(xiàn)錯誤的能力分類數(shù)據(jù)校驗碼奇偶校驗碼、Hamming、CRC糾錯編碼常用的檢錯糾錯碼奇偶校驗碼：用于并行數(shù)據(jù)傳送中海明校驗碼：用于并行數(shù)據(jù)傳送中循環(huán)冗余校驗碼：用于串行數(shù)據(jù)傳送中一般而言，信息位為k位，增加r位冗余位，構成n＝k＋r位碼字若希望用r個監(jiān)督關系式產(chǎn)生的r個校正因子來區(qū)分無錯和在碼字中的n個不同位置的一位錯，則要求：

2r≥n＋1或者2r≥k＋r＋1注:(n=k+r)如果用k＝4為例來說明，要滿足上述不等式，則r＞3假設取r＝3則n＝k＋r＝7，即在4位信息位a6a5a4a3后面加上3位冗余位a2a1a0，構成7位碼字a6a5a4a3a2a1a0

a2、

a1和a0分別由4位信息位中某幾位半加得到校驗時，a2、

a1和a0

就分別和這些位半加構成三個不同的監(jiān)督關系式。規(guī)定：無錯時，這三個關系式的值S2、S1和S0全為“0”若a2錯，則S2＝1，而S1

＝S0＝0；若a1錯，則S1＝1，而S2＝S0＝0；若a0錯，則S0＝1，而S2＝S1＝0。S2S1S0這三個校正因子其它4種編碼值可用來區(qū)分a6a5a4a3一位錯，該對應關系可以規(guī)定下表S2S1S0000

001

010100011101110111

錯碼位置 無a0a1a2a3a4a5a6由表可見，a2、a4、a5或a6的一位錯都應使S2＝1，由此得到監(jiān)督關系式：S2

＝a2＋a4＋a5＋a6同理還有：

S1

＝a1＋a3＋a5＋a6S0

＝a0＋a3＋a4＋a6S2S1S0000001010100011101110111錯碼位置無a0a1a2a3a4a5a6在發(fā)送端編碼時，信息位a6a5a4和a3的值取決于輸入信號，是隨機值。冗余位a2a1和a0的值應根據(jù)信息位的取值按監(jiān)督關系式來決定，便上述三式中的S2S1

和S0

取值為零，即：

a2＋a4＋a5

＋a6

＝0 a1＋a3

＋a5

＋a6

＝0 a0

＋a3

＋a4

＋a6

＝0由此可求得：

a2＝a4＋a5＋a6 a1＝a3＋a5＋a6 a0＝a3＋a4＋a6已知信息位后，按此三式即可算出各冗余位。a6a5a4a3a2ala0a6a5a4a3a2ala00000000100011100010111001100001010110100100011110101100101001101100001010110111010100110011111010001110001111111對于各種信息位算出的冗余位如表：在接收端收到每個碼字后，按監(jiān)督關系式算出S2、S1和S0，若全為“0”則認為無錯。若不全為“0”，在一位錯的情況下，可查表來判定是哪一位錯，從而糾正之。例如碼字0010101傳輸中發(fā)生一位錯，在接收端收到的為0011101，代入監(jiān)督關系式：

S2

＝a2＋a4十a(chǎn)5十a(chǎn)6 S1

＝a1＋a3十a(chǎn)5十a(chǎn)6 S0

＝a0＋a3十a(chǎn)4十a(chǎn)6可算得S2＝0、S1＝1和S0

＝1，由表：S2S1S0000

001

010100011101110111

錯碼位置 無a0a1a2a3a4a5a6可查得S2S1和S0

＝011對應于a3錯，因而可將0011101糾正為0010101。上述海明碼的編碼效率為4／7。若K＝7，按2r≥k十r＋1可算得r至少為4，此時編碼效率為7／11。結(jié)論：信息位長度越長時編碼效率越高。S2S1S0000001010100011101110111錯碼位置無a0a1a2a3a4a5a6CRC應用CRC的主要特點檢錯能力極強開銷很小易于實現(xiàn)ARJ,LHA,ZIP等壓縮軟件采用的是CRC-32；GIF,TIFF等圖像存儲格式；所有鏈路層或網(wǎng)絡接口層協(xié)議中，例如HDLC、DDCMP等眾多領域。應用范圍廣CRC原理將待發(fā)送的位串看成系數(shù)為0或1的多項式；收發(fā)雙方約定一個生成多項式G(x)（其最高階和最低階系數(shù)必須為1），發(fā)送方用位串及G(x)進行某種運算得到校驗和，并在幀的末尾加上校驗和，使帶校驗和的幀的多項式能被G(x)整除;接收方收到后，用G(x)除多項式，若有余數(shù)，則傳輸有錯。CRC校驗和計算法1.若生成多項式G(x)為r階(即r＋1位位串)，原幀為m位，其多項式為M(x)，則在原幀后面添加r個0，即循環(huán)左移r位，幀成為m+r位，相應多項式成為xrM(x);2.按模2除法用G(x)對應的位串去除對應于xrM(x)的位串,得余數(shù)R(x)；3.按模2減法(即模2加)從對應于xrM(x)