计算机系统结构第6章输入输出系统
《计算机组成原理》唐朔飞第二版_笔记
《计算机组成原理》唐朔飞第⼆版_笔记第1章概论1，计算机系统的软硬件概念1）硬件：计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电⼦元器件，各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外部设备等。
2）软件：由⼈们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成，分为系统软件和应⽤软件。
①系统软件⼜称为系统程序，主要⽤来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理的调度，⾼效运⾏。
它包括：标准程序库、语⾔处理程序（编译程序）、操作系统、、服务程序（如诊断、调试、连接程序）、数据库管理系统、⽹络软件等。
②应⽤软件⼜称应⽤程序，它是⽤户根据任务需要所编制的各种程序，如科学计算程序、数据处理程序、过程控制程序、实物管理程序。
2、计算机系统的层次结构：1）硬联逻辑级：第零级是硬联逻辑级，这是计算机的内核，由门，触发器等逻辑电路组成。
2）微程序级：第⼀级是微程序级。
这级的机器语⾔是微指令集，程序员⽤微指令编写的微程序，⼀般是直接由硬件执⾏的。
3）传统机器级：第⼆级是传统机器级，这级的机器语⾔是该机的指令集，程序员⽤机器指令编写的程序可以由微程序进⾏解释。
操作4）系统级：第三级是操作系统级，从操作系统的基本功能来看，⼀⽅⾯它要直接管理传统机器中的软硬件资源，另⼀⽅⾯它⼜是传统机器的延伸。
5）汇编语⾔级：第四级是汇编语⾔级，这级的机器语⾔是汇编语⾔，完成汇编语⾔翻译的程序叫做汇编程序。
6）⾼级语⾔级：第五级是⾼级语⾔级，这级的机器语⾔就是各种⾼级语⾔，通常⽤编译程序来完成⾼级语⾔翻译的⼯作。
7）应⽤语⾔级：第六级是应⽤语⾔级，这⼀级是为了使计算机满⾜某种⽤途⽽专门设计的，因此这⼀级语⾔就是各种⾯向问题的应⽤语⾔。
把计算机系统按功能分为多级层次结构，就是有利于正确理解计算机系统的⼯作过程，明确软件，硬件在计算机系统中的地位和作⽤。
3、计算机组成和计算机体系结构1）计算机体系结构：是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性。
第 6 章 输入输出系统
4. 对I/O系统的基本要求
• ⑴ I/O系统应面向操作系统，对用户透明。 • 例如：如何确定I/O系统的软、硬件功能分 配及操作系统的界面；如何连接外设；如何 建立外设与主存/CPU之间的数据通路；如 何支持I/O操作与其他操作的并行执行。 • ⑵ 尽量减少系统瓶颈，保证系统的信息流 量平衡。 • 信息流量：单位时间内所能传送的信息量。
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目标
(2)信息逐渐稳定。 (4)接收信息。 (5)发出信息，表示 已经接收应答信号。
(8)复位应答信号。
6.2.3 总线的定时与同步方式（略）
• 总线上信号的有效期间由总线的定时信号确定， 总线的定时信号有同步、半同步和异步三种方式。 • ⑴ 同步方式 • 总线的各信号必须在某个时刻发出。 • 在同步方式下，总线上的所有设备的数据传输在 一个共同的时钟信号控制下进行。总线的操作的 所有信号与时钟的关系是固定的，主模块和从模 块之间没有应答信号。 • 同步方式适用于系统中各模块各种总线操作的速 度固定而且一致的场合，如CPU和存储器之间的局 部总线。
第 6 章
输入/输出系统结构
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本章学习内容
• I/O系统的特点及信息控制方式 • 总线及其控制方式 • I/O通道及其控制方式 • I/O处理机
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6.1 I/O系统概述 • 1. I/O系统的主要作用 • ⑴ 选择I/O设备 • ⑵ 控制I/O设备与CPU和主存之间的数 据传送以及对外设进行操作。
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常用的总线释放方式
• ① 用完后立即释放：每次总线操作完成时释放， 下次使用时需重新申请。 • ② 有新请求时释放：有其它模块请求时才释放。 如单机系统中的CPU。 • ③ 强占时释放：当有优先权高的模块请求时释放。 用于强制中断总线上的数据块传输操作。
兰州大学 计算机专业(本科) 计算机体系结构 教学标准
兰州大学计算机科学与技术专业(本科)《计算机体系结构》教学标准目录一. 课程基本信息二. 课程的性质、地位与任务三. 教材与主要参考书四. 计划学时与学时分配五. 课程内容与要求第 1 章计算机设计基础第 2 章指令集的设计第 3 章CPU 的设计第 4 章流水线技术第 5 章存储器层次结构第 6 章计算机输入/输出系统第7 章网络并行计算系统第8 章多处理器计算机结构六. 教学环节七. 实验环节八. 考试要求九. 其它相关说明一. 课程基本信息课程编号：2043061课程名称：计算机体系结构课程英文名称：Computer Architecture课程性质：指定选修课先修课程：数字逻辑；计算机组成原理；概率论与统计；数据结构；操作系统；编译原理。
适用专业：计算机科学与技术专业、通信工程专业开课学期：第七学期学时：72（54）学分：4（3）二. 课程的性质、地位与任务计算机系统结构是计算机科学与技术领域的重要学科，也是高等院校计算机系本科生和研究生学习设计、分析和评价计算机的主干课程。
许多著名的院校作为研究生入学考试课程之一。
该课程以讲授计算机系统结构的基本概念和基本原理为主，而不是完整介绍各种系统结构，即不是以具体的机器为实例进行教学。
在教学中引进定量原理，让学生学会如何测试实际机器，分析实际机器，分析计算机设计中遇到的各种限制因素，培养正确选择各种折衷方案的能力。
强调计算机系统结构与操作系统和编译系统的相互关系，充分反映出计算机系统结构不是单纯的硬件课程，而是硬件和系统软件的结合点，因此本课程不仅适用于培养系统结构和芯片设计工程师和计算机系统工程师，而且也适用于培养编译系统和操作系统工程师。
三. 教材与主要参考书1.教材：《计算机体系结构》石教英等著杭州:浙江大学出版社,1998[1版].2.参考书：①《计算机系统结构—量化研究方法》（第三版）(美)J ohn L.H e nn e ss y D av i dA.P a tt e r s on著郑伟明、汤志忠、汪东升译电子工业出版社,2004[1版].②《高级计算机体系结构》(美)K a i H w a ng著ADVANCED COMPUTER ARCHITECTURE 机械工业出版社,1999[1版].③《计算机系统结构》郑伟民、汤志忠著清华大学出版社,1998[2 版].④《计算机系统结构》李学干著西安电子科技大学出版社,2000[3 版].⑤《计算机体系结构》张晟曦著高等教育出版社,2000[3 版].[21 世纪教材]四.计划学时与学时分配1.教学建议《计算机体系结构》课程分经典教案面授和电子教案面授两种。
计算机体系结构试题及答案
计算机体系结构试题及答案12008年01月23日22:211、计算机高性能发展受益于：(1)电路技术的发展；(2)计算机体系结构技术的发展。
2、层次结构：计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构，每一层以不同的语言为特征。
第六级：应用语言虚拟机-> 第五级：高级语言虚拟机-> 第四级：汇编语言虚拟机-> 第三级：操作系统虚拟机-> 第二级：机器语言(传统机器级) ->第一级：微程序机器级。
3、计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，即概括性结构与功能特性。
For personal use only in study and research; not for commercial use4、透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。
5、Amdahl提出的体系结构是指机器语言级程序员所看见的计算机属性。
6、经典计算机体系结构概念的实质3是计算机系统中软、硬件界面的确定，也就是指令集的设计，该界面之上由软件的功能实现，界面之下由硬件和固件的功能来实现。
7、计算机组织是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机系统的物理实现。
8、计算机体系结构、计算机组织、计算机实现的区别和联系？答：一种体系结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现，体系结构包括对组织与实现的研究。
9、系列机：是指具有相同的体系结构但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。
10、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。
11、兼容机：不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。
12、向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征。
13、当今计算机领域市场可划分为：服务器、桌面系统、嵌入式计算三大领域。
14、摩尔定律：集成电路密度大约每两年翻一番。
15、定量分析技术基础（1）性能的评测：（a）响应时间：从事件开始到结束之间的时间；计算机完成某一任务所花费的全部时间。
精品文档-计算机组成与系统结构(裘雪红)-第6章
第6章 中央处理器(CPU)
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图 6.5 计数型节拍脉冲发生器(节拍数≤16)
第6章 中央处理器(CPU)
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(2) CPU周期(机器周期)信号的产生。若干个节拍组成一个 CPU周期。CPU周期可以设计为定长与不定长两种。
第6章 中央处理器(CPU)
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图 6.6 移位型节拍脉冲发生器(节拍数≤8)
第6章 中央处理器(CPU)
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当连续的某些微操作动作不会相互干扰(可并行执行)时， 为了节省时间，可将其放在同一节拍中完成，如第2、3个微操 作被放在了T2节拍中。也可将第3、4个微操作组合在一起，即
第6章 中央处理器(CPU)
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组合一个微操作序列应遵守两个基本规则: (1) 遵守操作发生的顺序。如微操作AR←PC必须在
第6章 中央处理器(CPU)
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根据对一条指令相应的微操作序列的时序描述方法的不同， 时序产生器有两种设计方法。
一是采用一级时序，即只产生节拍信号，时序产生器可采 用图6.5或图6.6的电路实现。此时，一条指令执行的全过程是 用一个从取指令到执行指令的完整微操作序列来描述的，
而且对这个微操作序列也是从头至尾分配节拍的。
(1) 产生微命令。 (2) 按节拍产生微命令。
第6章 中央处理器(CPU)
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图 6.8 控制器模型
第6章 中央处理器(CPU)
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设计者在设计控制器之前需要做以下工作: (1) 定义计算机基本硬件组成和基本指令系统;
(2) 基于定义的硬件结构，针对每条指令，描述CPU完成的 微操作;
(3) 确定控制单元应该完成的功能，即何时产生何种微命
PCout＝T1＋T5·JZ(相对寻址)·(ZF=1)＋T4·CALL(间接寻 址)＋…(一级时序)
计算机系统结构第6章多指令流多数据流
非远程存储访问模型（NORMA NO-Remote Memory Access ）
M P M M P M P
…
M P P P M
P
消息传递互连网络 （网络、环网、超立方、 立方环等）
P M P M
…
…
M
…
P M
所有存储器都是私有的，仅能由本地存储 器访问 每个结点都是由处理器P、本地存储器M和 （或）I/O设备组成的自治计算机，多个结 点由基于消息传递的互连网络相连 绝大多数NORMA都不支持远程存储器的访 问
对称多处理机系统
对称多处理机的结构
P/C P/C … P/C
总线或交叉开关 SM SM … I/O
SMP结构的特点
对称性
系统中任何处理器都可以访问共享存储器的任何存储 单元和I/O设备，且具有相同的访存时间 共享存储器的所有存储单元都按单一地址空间编址
单一物理地址空间
只需要一个OS副本驻留在共享存储器中，OS可以按工 作负载情况在多个处理器上调度进程，从而易于达到 动态负载平衡和有效利用系统资源
非对称多处理机系统
非均匀存储访问模型（NUMA）
LM1
P1 P2 …
LM2
互 连 网 络
…
LMn
Pn
被共享的存储器在物理上分布在所有的处理器中， 所有本地存储器的集合组成全局地址空间 处理器访问存储器所需的时间不相等 每个处理器可带有私有高速缓存，外设也可以以 某种形式共享
GSM
高速缓存一致性非均匀存储访问模型 （CC-NUMA Cache-Coherent NonUniform Memory Access）
计算机组成原理目录
计算机组成原理目录目录如下：第1篇概论第1章计算机系统概论1.1 计算机系统简介1.1.1 计算机的软硬件概念1.1.2 计算机系统的层次结构1.1.3 计算机组成和计算机体系结构1.2 计算机的基本组成1.2.1 冯·诺依曼计算机的特点1.2.2 计算机的硬件框图1.2.3 计算机的工作步骤1.3 计算机硬件的主要技术指标1.3.1 机器字长1.3.2 存储容量1.3.3 运算速度1.4 本书结构思考题与习题第2章计算机的发展及应用2.1 计算机的发展史2.1.1 计算机的产生和发展2.1.2 微型计算机的出现和发展2.1.3 软件技术的兴起和发展2.2 计算机的应用2.2.1 科学计算和数据处理2.2.2 工业控制和实时控制2.2.3 网络技术的应用2.2.4 虚拟现实2.2.5 办公自动化和管理信息系统2.2.6 CAD/CAM/CIMS2.2.7 多媒体技术2.2.8 人工智能2.3 计算机的展望思考题与习题第2篇计算机系统的硬件结构第3章系统总线3.1 总线的基本概念3.2 总线的分类3.2.1 片内总线3.2.2 系统总线3.2.3 通信总线3.3 总线特性及性能指标3.3.1 总线特性3.3.2 总线性能指标3.3.3 总线标准3.4 总线结构3.4.1 单总线结构3.4.2 多总线结构3.4.3 总线结构举例3.5 总线控制3.5.1 总线判优控制3.5.2 总线通信控制思考题与习题第4章存储器4.1 概述4.1.2 存储器的层次结构4.2 主存储器4.2.1 概述4.2.2 半导体存储芯片简介4.2.3 随机存取存储器4.2.4 只读存储器4.2.5 存储器与CPU的连接4.2.6 存储器的校验4.2.7 提高访存速度的措施4.3 高速缓冲存储器4.3.1 概述4.3.2 Cache—主存地址映射4.3.3 替换策略4.4.1 概述4.4.2 磁记录原理和记录方式4.4.3 硬磁盘存储器4.4.4 软磁盘存储器4.4.5 磁带存储器4.4.6 循环冗余校验码4.4.7 光盘存储器思考题与习题附录4A 相联存储器第5章输入输出系统5.1 概述5.1.1 输入输出系统的发展概况5.1.2 输入输出系统的组成5.1.3 I/O设备与主机的联系方式5.1.4 I/O设备与主机信息传送的控制方式5.2 I/O设备5.2.1 概述5.2.2 输入设备5.2.3 输出设备5.2.4 其他I/O设备5.2.5 多媒体技术5.3 I/O接口5.3.1 概述5.3.2 接口的功能和组成5.3.3 接口类型5.4 程序查询方式5.4.1 程序查询流程5.4.2 程序查询方式的接口电路5.5 程序中断方式5.5.1 中断的概念5.5.2 I/O中断的产生5.5.3 程序中断方式的接口电路5.5.4 I/O中断处理过程5.5.5 中断服务程序的流程5.6 DMA方式5.6.1 DMA方式的特点5.6.2 DMA接口的功能和组成5.6.3 DMA的工作过程5.6.4 DMA接口的类型思考题与习题附录5A ASCⅡ码附录5B BCD码附录5C 奇偶校检码第3篇中央处理器第6章计算机的运算方法6.1 无符号数和有符号数6.1.1 无符号数6.1.2 有符号数6.2 数的定点表示和浮点表示6.2.1 定点表示6.2.2 浮点表示6.2.3 定点数和浮点数的比较6.2.4 举例6.2.5 IEEE754标准6.3 定点运算6.3.1 移位运算6.3.2 加法与减法运算6.3.3 乘法运算6.3.4 除法运算6.4 浮点四则运算6.4.1 浮点加减运算6.4.2 浮点乘除法运算6.4.3 浮点运算所需的硬件配置6.5 算术逻辑单元6.5.1 ALU电路6.5.2 快速进位链思考题与习题附录6A 各种进位制6A.1 各种进位制的对应关系6A.2 各种进位制的转换附录6B 阵列乘法器和阵列除法器附录6C 74181逻辑电路第7章指令系统7.1 机器指令7.1.1 指令的一般格式7.1.2 指令字长7.2 操作数类型和操作类型7.2.1 操作数类型7.2.2 数据在存储器中的存放方式7.2.3 操作类型7.3 寻址方式7.3.1 指令寻址7.3.2 数据寻址7.4 指令格式举例7.4.1 设计指令格式应考虑的各种因素7.4.2 指令格式举例7.4.3 指令格式设计举例7.5 RISC技术7.5.1 RISC的产生和发展7.5.2 RISC的主要特征7.5.3 RISC和CISC的比较思考题与习题第8章 CPU的结构和功能8.1 CPU的结构8.1.1 CPU的功能8.1.2 CPU结构框图8.1.3 CPU的寄存器8.1.4 控制单元和中断系统8.2 指令周期8.2.1 指令周期的基本概念8.2.2 指令周期的数据流8.3 指令流水8.3.1 指令流水原理8.3.2 影响流水线性能的因素8.3.3 流水线性能8.3.4 流水线中的多发技术8.3.5 流水线结构8.4 中断系统8.4.1 概述8.4.2 中断请求标记和中断判优逻辑8.4.3 中断服务程序入口地址的寻找8.4.4 中断响应8.4.5 保护现场和恢复现场8.4.6 中断屏蔽技术思考题与习题第4篇控制单元第9章控制单元的功能9.1 微操作命令的分析9.1.1 取指周期9.1.2 间址周期9.1.3 执行周期9.1.4 中断周期9.2 控制单元的功能9.2.1 控制单元的外特性9.2.2 控制信号举例9.2.3 多级时序系统9.2.4 控制方式9.2.5 多级时序系统实例分析思考题与习题第10章控制单元的设计10.1 组合逻辑设计10.1.1 组合逻辑控制单元框图10.1.2 微操作的节拍安排10.1.3 组合逻辑设计步骤10.2 微程序设计10.2.1 微程序设计思想的产生10.2.2 微程序控制单元框图及工作原理10.2.3 微指令的编码方式10.2.4 微指令序列地址的形成10.2.5 微指令格式10.2.6 静态微程序设计和动态微程序程序设计10.2.7 毫微程序设计10.2.8 串行微程序控制和并行微程序控制10.2.9 微程序设计举例思考题与习题附录10A PC整机介绍10A.1 主板10A.1.1 主板的主要组成部件10A.1.2 CPU芯片及插座(插槽)10A.1.3 内存条插槽10A.1.4 扩展插10A.1.5 配套芯片和器件10A.1.6 主板结构的改进10A.2 芯片组10A.2.1 芯片组的功能10A.2.2 芯片组的组成《计算机组成原理》是2008年1月1日高等教育出版社出版的图书，作者是唐朔飞。
《计算机系统结构》第六章IO系统
Left Symmetric Distribution
• Parity disk = (block number/4) mod 5 • Eliminate the parity disk bottleneck of RAID 4 • Best of large read and large write performance • Can correct any single self-identifying failure • Small logical writes take two physical reads and two physical writes. • Recovering needs reading all nonfailed disks
1. RAID0
– 数据分块，即把数据分布在多个盘上。 – 非冗余阵列、无冗余信息。 – 严格地说，它不属于RAID系列。
A
B
C
D
E
I
F
J
G
K
H
L
M
N
O
etc...
RAID0中的数据映射
逻辑盘 物理盘 0 物理盘 1 物理盘 2 物理盘 3
条带0
条带 1 条带 2 条带 3 条带 4 条带 5 条带 6 条带 7 阵列管理
实时性：在I/O设备提出中断、DMA等请求时，CPU 要及时响应，完成必要的I/O操作或控制。例如： Keyboard、Printer、COM、Mouse、定时器等。 与设备无关性：通过制定统一的接口标准(物理接口、 软件接口)，使得应用程序依据这一接口可以访问或 支持各种I/O设备。
I/O系统的层次结构
独立的地址和 1. 总线的设计 数据总线
数据总线 宽度
第6章-并行输入输出接口
数据
状态 控制
CPU
I/O 接口 „
Rn
外设
图6-1
I/O接口的基本结构
根据I/O接口的功能，接口电路的典型结构如图6-1所示。接口作为 一个“桥梁”，一边连着系统总线，另一边连着外部设备，是CPU与 外设进行信息交换的中转站。
正如上图所示，每个接口部件都包含一组寄存器，CPU与外设之间 进行数据传输时，各种不同的信息（数据信息、状态信息和控制信息） 进入不同的寄存器。
数据总线（DB ） 中央 处理器 CP U 控制总线（C B ） 地址总线（AB ） I/O 接口 I/O 接口
内存储器
I/O 设备
图1-1
I/O 设备
微机系统结构示意图
一. I/O接口的定义
伴随着计算机技术的飞速发展，各种功能繁多的外设不断出现。这些 外设的组成及工作原理千差万别（机械式、电子式、光电式），所采用的 信号形式也各不相同（数字量、模拟量、开关量），工作速度差异也很大 （高速、中速、低速），„ „ 。由于它们的多样性和复杂性，使得这些 外设不可能像存储器那样直接连在系统总线上，CPU也无法直接对所有外 设进行管理与控制。因此，CPU与外设之间必须有某个中间环节，这就是
2. 独立编址方式 这种方式中，内存地址空间和I/O端口地址是相对独立的。比 如在8086/8088CPU中，其内存地址是从00000H～FFFFFH连续的 1M字节，而I/O地址范围从0000H ～FFFFH ，它们相互独立，互不 影响。同时，设置了专门的IN、OUT等I/O指令。 优点： 不占用内存空间；访问I/O端口的指令格式较短，速度 快，程序可读性强。 缺点：需设置专用指令，这些指令功能较弱； CPU的I/O 控制 逻辑相对比较复杂。
操作系统题目第6章
第六章输入输出系统1、通过硬件和软件的功能扩充，把原来独占的设备改造成若干用户共享的设备，这种设备称为（）。
A、存储设备B、系统设备C、虚拟设备D、用户设备2、CPU输出数据的速度远远高于打印机的打印速度，为解决这一矛盾，可采用（）。
A、并行技术 B.通道技术C、缓冲技术D、虚存技术3、为了使多个进程能有效的同时处理I/O，最好使用（）结构的缓冲技术。
A、缓冲池B、单缓冲区C、双缓冲区D、循环缓冲区4、磁盘属于①（），信息的存取是以②（）单位进行的，磁盘的I/O控制主要采取③（）方式，打印机的I/O控制主要采取③（）方式。
①A、字符设备 B、独占设备 C、块设备D、虚存设备②A、位(bit) B、字节C、桢D、固定数据块③A、循环测试 B、程序中断 C、DMA D、SPOOLing5、下面关于设备属性的论述中正确的为（）。
A、字符设备的一个基本特征是不可寻址的，即能指定输入时的源地址和输出时的目标地址B、共享设备必须是可寻址的和可随机访问的设备C、共享设备是指在同一时刻内，允许多个进程同时访问的设备D、在分配共享设备和独占设备时，都可能引起进程死锁6、下面关于虚拟设备的论述中，正确的是（）。
A、虚拟设备是指允许用户使用比系统中具有的物理设备更多的设备B、虚拟设备是指把一个物理设备变成多个对应的逻辑设备C、虚拟设备是指允许用户以标准化方式来使用物理设备D、虚拟设备是指允许用户程序不必全部装入内存便可使用系统中的设备7、通道是一种特殊①（），具有②（）能力，它用于实现③（）之间的信息传输。
①A、I/O设备B、设备控制器C、处理机D、I/O控制器②A、执行I/O指令集 B、执行CPU指令集C、传输I/O指令D、运行I/O进程③A、内存与外设B、CPU与外设C、内存与外存D、CPU与外存8、为实现设备分配，应为每类设备设置一张①（），在系统中配置一张①（），为实现设备的独立性，系统中应设置一张②（）。
①A、设备控制表B、控制器控制表C、系统设备表D、设备分配表②A、设备开关表B、I/O请求表C、系统设备表D、逻辑设备表9、下面不适合于磁盘调度算法的是（）。
计算机组成原理第2版高教唐朔飞
输入设备
运算器
输出设备
控制器
完整ppt课件
指挥程序 运行
11
冯·诺依曼计算机硬件框图
1.2
输入设备
存储器 运算器
输出设备
控制器
完整ppt课件
12
二、计算机硬件框图
1.2
1. 以存储器为中心的计算机硬件框图
控制器
数据 输入设备
程序
存储器
计算 输出设备
结果
运算器
完整ppt课件
13
2.现代计算机硬件框图
虚拟机器 M3 虚拟机器 M2
虚拟机器
机器语言
实际机器 M1
微指令系统
微程序机器 M0
完整ppt课件
7
虚拟机器 M4
虚拟机器 M3
软 件 虚拟机器 M2
用编译程序翻译 成汇编语言程序
用汇编程序翻译 成机器语言程序
1.1
用机器语言解释操作系统
硬 实际机器 M1
用微指令解释机器指令
件
微程序机器 M0
由硬件直接执行微指令
1.2
ACC MQ ALU
X
运算器
指令
减M
初态 ACC [M]
[ACC]-[X]
被减数 X ACC
完整ppt课件
23
③ 乘法操作过程
1.2
AC0 C MQ
AALUU
X
运算器
指令
乘M
初态 ACC [M]
[ACC]
0
[X]×[MQ]
完整ppt课件
被乘数 MQ X
ACC MQ ALU
X
运算器
ACC
MQ
加法 被加数 和
பைடு நூலகம்
(完整word版)计算机系统结构
完成以下带队号的题√. 各章所占试题的比例第一章 30％第二章 10% 第三章 30%第五章10％第六章10% 第七章10％所用教材计算机系统结构张晨曦第一章计算机体系结构的基本概念√1. 解释下列术语：层次结构翻译解释体系结构透明性系列机软件兼容兼容机计算机组成计算机实现并行性时间重迭资源重复资源共享同构型多处理机异构型多处理机紧密耦合响应时间测试程序大概率事件优先系统加速比Amdahl 定律程序的局部性原理CPI√2。
传统的存储程序计算机的主要特征是什么?存在的主要问题是什么?我们目前的计算机系统是如何改进的？√3。
假设在某程序的执行过程中，浮点操作时间占整个执行时间的10% ，现希望对浮点操作加速. （1）设对浮点操作的加速比为Sf。
画出程序总加速比Sp和Sf之间的关系曲线;（2)请问程序的最大加速比可达多少?√4。
计算机系统中有三个部件可以改进方法，这三个部件的部件加速比如下：部件加速比1 = 30部件加速比2 = 20部件加速比3 = 10（1）如果部件1和部件2的可改进比例均为30％,那么当部件3的可改进比例为多少时，系统加速比才可以达到10?（2）如果三个部件的可改进比例分别为30%、30％和20%，三个部件同时改进，那么系统中不可加速部分的执行时间在总执行时间中占的比例是多少?(3）如果相对某个测试程序三个部件的可改进比例分别为20％、20%和70％，要达到最好改进效果，仅对一个部件改进时,要选择那个部件?如果允许改进两个部件，又如何选择？第二章计算机指令集结构设计1. 解释下列术语堆栈型机器累加器型机器通用寄存器型机器有效地址√CISC√RISC指令集结构的正交特性2。
堆栈型机器、累加器型机器和通用寄存器型机器各自有什么优缺点？3。
常见的三种类型的通用寄存器型机器的优缺点有哪些？4. 指令集结构设计所涉及的内容有哪些？√ 5. 简述CISC指令集结构功能设计的主要目标。
从当前的计算机技术观点来看，CISC 指令集结构的计算机有什么缺点?√6。
计算机组成原理考研指定教材习题解答
计算机组成原理考研指定教材习题解答《计算机组成原理》考研指定教材习题解答李淑芝欧阳城添江西理⼯⼤学计算机科学与技术教研室2013.9⽬录第1章计算机系统概论 (1)第2章计算机的发展及应⽤ (6)第3章系统总线 (8)第4章存储器 (13)第5章输⼊输出系统 (32)第6章计算机的运算⽅法 (44)第7章指令系统 (65)第8章 CPU的结构和功能 (70)第9章控制单元的功能 (78)第10章控制单元的设计 (85)第1章计算机系统概论1.1 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：计算机系统由硬件和软件两⼤部分组成。
硬件即指计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电⼦元器件，各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外设等。
软件是看不见摸不着的，由⼈们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成，⽤来充分发挥硬件功能，提⾼机器⼯作效率，便于⼈们使⽤机器，指挥整个计算机硬件系统⼯作的程序、资料、数据集合。
硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺⼀不可，因此同样重要。
1.2 如何理解计算机系统的层次结构？解：（1）第⼀级：实际机器M1 (机器语⾔机器)，机器语⾔程序直接在M1上执⾏；（2）第⼆级：虚拟机器M2（汇编语⾔机器），将汇编语⾔程序先翻译成机器语⾔程序，再在M1-上执⾏；（3）第三级：虚拟机器M3(⾼级语⾔机器)，将⾼级语⾔程序先翻译成汇编语⾔程序，再在M2、M1（或直接到M1）上执⾏；（4）第零级：微程序机器M0（微指令系统），由硬件直接执⾏微指令。
（5）实际上，实际机器M1和虚拟机器M2之间还有⼀级虚拟机，它是由操作系统软件构成，该级虚拟机⽤机器语⾔解释操作系统。
（6）虚拟机器M3还可以向上延伸，构成应⽤语⾔虚拟系统。
1.3 说明⾼级语⾔、汇编语⾔和机器语⾔的差别及联系。
解：机器语⾔由0、1代码组成，是机器能识别的⼀种语⾔。
⽤机器语⾔编写程序时要求程序员对他们所使⽤的计算机硬件及其指令系统⼗分熟悉，编写程序难度很⼤，操作过程也极易出错。
计算机组成与系统结构第六章答案
第六章中央处理器2. 简单回答下列问题。
（参考答案略）（1）CPU的基本组成和基本功能各是什么？（2）取指令部件的功能是什么？（3）控制器的功能是什么？（4）为什么对存储器按异步方式进行读写时需要WMFC信号？按同步方式访问存储器时，CPU如何实现存储器读写？（5）单周期处理器的CPI是多少？时钟周期如何确定？为什么单周期处理器的性能差？元件在一个指令周期内能否被重复使用？为什么？（6）多周期处理器的设计思想是什么？每条指令的CPI是否相同？为什么在一个指令周期内某个元件可被重复使用？（7）单周期处理器和多周期处理器的控制逻辑设计的差别是什么？（8）硬布线控制器和微程序控制器的特点各是什么？（9）为什么CISC大多用微程序控制器实现，RISC大多用硬布线控制器实现？（10）水平型微指令和垂直型微指令的基本概念和优缺点是什么？（11）CPU检测内部异常和外部中断的方法有什么不同？3. 在书中图6.9中，假定总线传输延迟和ALU运算时间分别是20ps和200ps，寄存器建立时间为10ps，寄存器保持时间为5ps，寄存器的锁存延迟（Clk-to-Q time）为4ps，控制信号的生成延迟（Clk-to-signal time）为7ps，三态门接通时间为3ps，则从当前时钟到达开始算起，完成以下操作的最短时间是多少？（1）将数据从一个寄存器传送到另一个寄存器（2）将程序计数器PC加1参考答案：（1）寄存器的锁存延迟与控制信号的生成延迟的时间重叠，且Clk-to-signal time> Clk-to-Q time，所以完成寄存器传送的时间延迟为：7+3+20+10=40ps。
（2）分两个阶段：PC+1→Z ：7+3+20+200+10=240ps；Z→PC：7+3+20+10==40ps寄存器保持时间用来作为时间约束。
4. 图6.30给出了某CPU内部结构的一部分，MAR和MDR直接连到存储器总线（图中省略）。
计算机系统结构 第六章练习答案
第六章向量处理机．在大型数组的处理中常常包含向量计算，按照数组中各计算相继的次序，我们可以1把向量处理方法分为哪三种类型？纵横处理方式纵向处理方式,横向处理方式,横向处理方式：向量计算是按行的方式从左至右横向的进行纵向处理方式：向量计算是按列的方式自上而下纵向的进行纵横处理方式：横向处理和纵向处理相结合的方式．解释下列与向量处理有关的术语。
2为了使向量硬件设备和标量设备的利用率相等，一个程序）向量和标量的平衡点：（1中向量代码所占的百分比）用户代码的向量化比值：用户代码可向量化的部分占全部的比重2（将标量运算进行向量化或者将向量运算进行适当的修改3）向量化编译器或量化器：（使之能够进入向量处理进行向量处理的编译器3．简要叙述提高向量处理机性能的常用技术1）链接技术（2）向量循环或分段开采技术（3）向量递归技术（4）稀疏矩阵的处理技术（4．下述的几个需要解决的问题中，那个是向量处理机所最需要关心的？计算机指令的优化技术A.设计满足运算器带宽要求的存储器B.如何提高存储器的利用率，增加存储器系统的容量C.纵横处理方式的划分问题D.速度，1Mflops假设系统在向量模式下面能够达到9Mflops,在标量模式下能够达到5.而代码的90%是向量运算，10%是标量运算，这样花在两种模式上的计算时间相等。
那么向量平衡点是：A.0.1 一个程序中向量代码所占的百分比D.以上都不是6.查看下面三条指令：V3←AV2←V0+V1V4←V2*V3假设向量长度小于64,且前后其他的指令均没有相关性，数据进入和流出每个功能部件，包括访问存储器都需要一拍的时间，假设向量的长度为N。
三条指令全部采用串行的方法，那么执行的时间是：+20 +21+22 +237．下面一组向量操作能分成几个编队？假设每种流水功能部件只有一个。
LV V1,Rx ;取向量MULTSV V2,F0,V1 ;向量和标量相乘Y取向量; ,Ry V3 LVADDV V4,V2,V3 ;加法SV Ry,V4 ;存结果可以划分成四个编队：（1）LV （2）MULTSV LV （3）ADDV （4）SV8.在一台向量处理机上实现A=B×s操作，其中A和 B是长度为200的向量，s是一个标量。
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线
基于通道总线的I/O系 统结构
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总
同步通信和异步通信 总线的连接方式 双总线结构
线
三总线结构
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通道处理机
通道处理机是一个独立于CPU的专门I/O控制 的处理机，控制设备与内存直接进行数据交 换。 有自己的通道命令，可由CPU执行相应指令 来启动通道，并在操作结束时向CPU发出中 断信号。
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独立磁盘冗余阵列RAID
RAID的关键技术是对多台磁盘机进行数据的 同步控制 冗余纠错与容错能力对提高磁盘系统的平均 无故障时间非常重要 RAID的一个主要措施是建立起热备份（hot spare）的冗余磁盘 从RAID 0到RAID 6这7种基本的RAID级别。 不同RAID级别代表着不同的存储性能、数据 安全性和存储成本
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独立磁盘冗余阵列RAID
RAID 各级别的比较
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通道处理机
三种基本输入/输出方式存在的问题
CPU 的输入/输出负担很重
通道的主要功能
（1）接受CPU 的指令，按指令要求与指定的外围设备进行通信； （2）从内存读取属于该通道的指令，执行通道程序； （3）检查外围设备的工作状态，是正常还是故障； （4）组织外围设备和内存之间进行数据传送，并根据需要提供数据缓存 的空间，以及提供数据存入内存的地址和传送的数据量； （5）在数据传输过程中完成必要的格式转换； （6）从外围设备得到设备的状态信息，形成并保存为通道本身的状态信 息，根据要求将这些状态信息送到内存的指定单元，供CPU 使用； （7）指定传送工作结束时要进行的操作； （8）将外围设备的中断请求和通道本身的中断请求，按序及时报告CPU
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计算机系统结构
第六章 输入输出系统
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输入输出系统概述
输入/输出系统是计算机系统中最具多样性和 复杂性的部分 。 输入/输出系统的复杂性一般隐藏在操作系统 之中。 输入/输出系统的特点集中反映在异步性、实 时性和与设备无关性上。
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计算机系统结构-王雁东
外围处理机
输入/输出处理机的组织形式
多个输入/输出处理机从功能分工 以输入/输出处理机作为主处理机 采用与主处理机相同型号的处理机作为输入/输出处理机 采用廉价的微处理机来专门承担输入/输出任务
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外围处理机
输入输出处理机实例
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I/O性能评测
I/O系统的可靠性、可用性和可信性
反映外设可靠性能的参数有：可靠性（reliability） 、可用性（availability）和可信性（dependability ）。 系统的可靠性是指系统从某个初始参考点开始一直连 续提供服务的能力，它通常用平均无故障时间（Mea n Time To Failure，MTTF）来衡量。 系统中断服务的时间用平均修复时间（Mean Time T o Repair，MTTR）来衡量。
中断方式 DMA方式
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总
线
总线，就是指能为多个功能部件服务的一组信息传输线 ，它是计算机中系统与系统之间或者各部件之间进行信息 传送的公共通路。总线和与其相配合的附属控制电路统称 为总线系统。 专用总线和非专用总线
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总
基于PCI总线的I/O系统
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M TTF
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I/O性能评测
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I/O性能评测
I/O子系统性能衡量
衡量的标准包括：计算机上能连接什么样的I/O设备 ，能连接多少I/O设备。此外，衡量输入/输出设备特 性的指标还有访问时间、数据传送时间和出错率。
队列 生产者 服务器
简单的生产者—服务器模型
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I/O性能评测
并行I/O基本原理
在串行I/O无法满足性能需求的情况，通过多个I/O 通道并行访问多个磁盘的方法就成了很自然的想法 ，即并行I/O技术
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I/O性能评测
排队论简介
基于I/O事件的可能性特征以及I/O资源的共享性，我们可以给出一系 列 的简单法则来计算整个I/O系统的响应时间和吞吐率。这部分的研 究称为排队论（queuing theory）。
字节多路通道连接P 台设备，每台设备都传送n 个字节：
TS：设备选择时间。TD：传送一个字节的时间。 Ti：第i个数据的传输，i=1，2，…，n。 总共所需要的时间：TBYTE =（TS+TD）·P·n
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通道处理机
选择通道
连接P台设备，每台设备都传送n个字节：
TS：设备选择时间。 TD：通道传送传送一个字节的时间。 总共所需要的时间：
输入输出系统概述
异步性
数据缓冲 数据传输匹配
实时性
处理机必须实时地按照不同设备所要求的传送方式和传 送速率为输入/输出设备服务
与设备无关性
为了能够适应各种外设的要求，需要制定统一的独立于 具体设备的接口标准，包括物理接口和软件接口，使得 应用程序可以依据这一接口访问或支持各种I/O设备。
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I/O性能评测
I/O系统的可靠性、可用性和可信性
系统的可用性是指系统正常工作的时间在连续两次 正常服务间隔时间中所占的比率。
可用性= M TTF M TTR
MTTF+MTTR 通常可以用平均失效间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）来代替。 系统的可信性是指服务的质量，即在多大程度上可以 合理地认为服务是可靠的。可信性与可靠性和可用性 不同，它是不可以度量的。
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独立磁盘冗余阵列RAID
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独立磁盘冗余阵列RAID
RAID 6：高效容错的磁盘阵列
采用两级数据冗余和新的数据编码以解决数据恢复问题，其最大特 点是能实现两个磁盘容错，即有两个磁盘出故障时仍能正常工作。
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独立磁盘冗余阵列RAID
RAID 2：采用汉明码纠错冗余的磁盘阵列
它将数据按位交叉，分别写入不同的磁盘中，成倍地提高了数据传 输速率。阵列中专门设置了几个磁盘存放汉明码纠错信息，访问时 进行按位的出错校验。它比镜像磁盘阵列的冗余度小，但增加了汉 明码的编码和解码开销，一般适合大量顺序数据访问。
RAID 3：采用奇偶校验冗余的磁盘阵列
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通道处理机
通道的工作过程
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通道处理机
通道的种类
字节多路通道 选择通道 数组多路通道
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通道处理机
字节多路通道
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通道处理机
选择通道
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通道处理机
通道中的数据传送过程
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通道处理机
数组多路通道
连接P台设备，每台设备都传送n个字节：
TS：设备选择时间。k：一个数据块中的字节个数。 TD：通道传送传送一个字节的时间。 K: 数据库的大小。 Ti：通道传送第i次数据块所用的时间，其中i=1，2，…，n/k。 总共所需要的时间： TBLOCK=
还有一些基本RAID级别的组合形式，如RAID l0、RAID 0l、RAID 50 RAID l0是先组织成镜像备份的RAID l，再将 两个RAID l组织成扩展容量的RAID 0。RAID 01则先组织成RAID 0，再组成RAID l。
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独立磁盘冗余阵列RAID
I/O性能评测
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I/O性能评测
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独立磁盘冗余阵列RAID
RAID是“Redundant Array of Independent Disk”的缩写，中文意思是独立冗余磁盘阵列 冗余磁盘阵列技术诞生于1987年，由美国加 州大学伯克利分校提出 RAID的采用为存储系统带来巨大利益，其中 提高传输速率和提供容错功能是最大的优点
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通道处理机
通道流量分析
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通道处理机
为了保证通道能够正常工作，不丢失数据，各种通 道的实际流量应该不大于通道的最大流量，即满足 下列不等式关系：
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通道处理机
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外围处理机
输入/输出处理机是能够独立承担输入/输出工 作的处理机。 输入/输出处理机又称为外围处理机、I/O处理 机、IOP、PPU
RAID 3 存在的最大一个不足是校验盘很容易成为整个系统的瓶颈 。对于那些经常需要执行大量写入操作的应用来说，校验盘的负载 将会很大，无法满足程序的运行速度，从而导致整个RAID 系统性 能的下降。因此，RAID 3 更适合于那些写操作较少、读操作较多 的应用环境，例如数据库和Web 服务器等。
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到达
离开
把I/O系统视为黑盒
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I/O性能评测
Little定律 系统平均任务数＝到达速率×平均响应时间
系统平均任务数 Time 总和 Time 观察