计算机系统结构 第4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。
计算机四级计算机组成原理知识点总结
计算机四级计算机组成原理知识点总结
计算机四级计算机组成原理涉及多个关键知识点，主要包括：
1.**计算机的基本组成**：计算机主要由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。
其中，运算器和控制器合称为中央处理器（CPU）。
2.**指令系统**：指令是计算机执行某种操作的命令，通常由操作码和操作数地址码组成。
指令系统是指一台计算机中所有指令的集合。
指令的长度取决于操作码的长度、操作数地址码的长度和操作数地址的个数，与机器字长没有固定的关系。
指令可以分为零地址指令、一地址指令等多种类型。
3.**计算机硬件层次结构**：计算机硬件层次结构可以分为微程序机器层（M0）、传统机器层（M1）、虚拟机器层（M2）、汇编语言机器层（M3）和高级语言机器层（M4）。
每一层都对应着不同的指令系统和执行方式。
4.**存储系统**：存储系统包括主存储器（内存）和辅助存储器（外存）。
主存储器是计算机直接访问的存储部件，其速度快，但容量小。
辅助存储器则容量大，速度慢，需要通过输入输出设备才能访问。
5.**输入输出系统**：输入输出系统负责计算机与外部世界的联系，包括输入设备和输出设备。
输入设备用于将外部信息输入到计算机中，输出设备用于将计算机的处理结果输出到外部世界。
6.**总线系统**：总线是连接计算机各部件的通信线路，包括数据总线、地址总线和控制总线。
总线系统负责在各部件之间传输数据和控制信号。
以上就是计算机四级计算机组成原理的主要知识点，掌握了这些知识，就能对计算机的基本组成和工作原理有深入的理解。
计算机系统结构复习
n
2
pi (pi 表示第 i 种操作码在程序中出现的概率)
4
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计算机系统结构复习提纲
© 计 081
固定长编码相对于 Huffman 编码的信息冗余量： R 1 必须知道每种操作码在程序中出现的概率
pi log i
1
n
2
pi
log n
2
扩展编码法
Huffman 操作码的主要缺点： 操作码长度很不规整，硬件译码困难 与地址码共同组成固定长的指令比较困难 扩展编码法：由固定长操作码与 Huffman 编码法相结合形成
存在的问题
以硬件为主固件为辅 固件的主要缺点是： 执行速度低。目前，ROM 的速度低于 SRAM 一条机器指令通常要多条微指令解释执行 固件的主要优点是： 便于实现复杂指令，便于修改指令系统 以硬联逻辑为主来实现指令系统 对于少数复杂的指令，目前的许多处理机也用微程序技术实现。 RISC 对编译器造成的困难主要有： (1)必须精心安排每一个寄存器的用法，以便充分发挥每一个通用寄存器的效率，尽量减少访问主存储器的次数。 (2)做数据和控制相关性分析，要调整指令的执行序列，并与硬件相配合实现指令延迟技术和指令取消技术等。 (3)要设计复杂的子程序库，RISC 的子程序库通常要比 CISC 的子程序库大得多。
2. 数据表示的含义及与数据结构的关系
数据表示的定义： 数据表示是指计算机硬件能够直接识别，可以被指令系统直接调用的那些数据类型。 例如：定点、逻辑、浮点、十进制、字符、字符串、堆栈和向量等 数据类型：文件、图、表、树、阵列、队列、链表、栈、向量、串、实数、整数、布尔数、字符等 确定哪些数据类型用数据表示实现，是软件与硬件的取舍问题
计算机系统结构--向量处理机
如果程序的90％是向量运算，10％是标 量运算。则向量平衡点为0.9。硬件利用 率最高。 向量处理机的向量平衡点必须与用户程序 的向量化程度相匹配。 IBM向量计算机的设计思想与上述方法不 同，它维持较低的向量与标量比例，定 在3～5的范围之间。这种做法能够适应 通用应用问题对标量和向量处理要求。
6.2.1 存储器－存储器结构
向量处理机中有多个高速流水线运算部件， 存储器的访问速度是关键 采用多个存储体交叉和并行访问来提高存 储器速度，例如： CRAY-1有64个存储体，每个处理 机访问4个存储体 STAR-100采用32个存储体交叉， 每个存储体并行读出8个64位数据 我国研制的YH-1向量计算机有37个 存储体
把存储器-存储器结构中的缓冲栈改为向量 寄存器，运算部件需要的操作数从向量 寄存器中读取，运算的中间结果也写到 向量寄存器中。 向量寄存器与标量寄存器的主要差别是： 一个向量寄存器能够保存一个向量， 例如：64个64位寄存器。 连续访问一个向量的各个分量。 需要有标量寄存器和地址寄存器等。
采用寄存器-寄存器结构的主要优点：降低 主存储器的流量。 例如：采用寄存器-寄存器结构的 CRAY-1与采用存储器-存储器结构的 STAR-100比较，运算速度高3倍多，而 主存流量低2.5倍。 STAR-100的主存储器流量： 32×8W/1.28us=200MW/S CRAY-1的主存储器流量： 4W/50ns=80MW/S
6.3 向量处理方式
要根据向量运算的特点和向量处理机的 类型选择向量的处理方式。 有三种处理方式： 1．横向处理方式，又称为水平处理方 式，横向加工方式等。向量计算是按 行的方式从左至右横向地进行。 2．纵向处理方式，又称为垂直处理方 式，纵向加工方式等。向量计算是按 列的方式自上而下纵向地进行。 3．纵横处理方式，又称为分组处理方
计算机导论课件-第4章-计算机操作系统概述
4.1 操作系统的功能
2、存储器管理 存储管理主要管理内存资源。当多个程序共享有限的内存
资源时，会有一些问题需要解决，比如，如何为它们分 配内存空间，同时，使用户存放在内存中的程序和数据 彼此隔离、互不侵扰，又能保证在一定条件下共享等问 题，都是存储管理的范围。当内存不够用时，存储管理 必须解决内存的扩充问题，即将内存和外存结合起来管 理，为用户提供一个容量比实际内存大得多的虚拟存储 器。
RTOS设计目标：对外部请求能在严格的时限内作 出响应，有高可靠性和完整性
硬实时任务（Hard Real-time Task） 软实时任务（Soft Real-time Task）
实时操作系统
分类： 第一类：实时过程控制
工业控制，军事控制，... 第二类：实时通信（信息）处理
电讯（自动交换），银行，飞机订票 股市行情
设备驱动程序（Device Drivers）
存储器管理器（Memory Manager）
调度和分派程序（Scheduler and Dispatcher）
5.4 系统的引导
现代操作系统处理的难题(1)
进程（Process）
对正在运行的程序的抽象 一个进程至少包括三部分内容：
一段可执行的程序 程序的相关数据：变量、工作空间和缓冲区等 程序执行的上下文环境，即进程的状态
4.1 操作系统的功能
3、设备管理 操作系统应该向用户提供设备管理。设备
管理是指对计算机系统中所有输入输出设备 (外部设备)的管理。设备管理不仅涵盖了进行 实际I/O操作的设备，还涵盖了诸如设备控制 器、通道等输入输出支持设备。
4.1 操作系统的功能
4、文件管理 系统中的信息资源(如程序和数据)是以文件的形式
计算机组成原理(白中英)
D0
D1
D2
D3
A校验码 B校验码 C校验码 D校验码
系统结构
RAID4
I/O系统
❖ 专用奇偶校验独立存取盘阵列
❖ 数据以块（块大小可变）交叉的方式存于各盘， 奇偶校验信息存在一台专用盘上
数据块
校验码 产生器
A0
A1
A2
A3
B0
B1
B2
B3
C0
C1
C2
C3
D0
D1
D2
D3
A校验码 B校验码 C校验码 D校验码
❖ 只写一次光盘
只写一次光盘（Write Once Only）：可以由用户写入 信息，不过只能写一次，写入后不能修改，可以多次读 出，相当于PROM。在盘片上留有空白区，可以把要修 改和重写的的数据追记在空白区内。
❖ 可檫写式光盘
可檫写式光盘（Rewriteable）：利用磁光效应存取信 息，采纳特殊的磁性薄膜作记录介质，用激光束来记录、 再现和删除信息，又称为磁光盘，类似于磁盘，可以重 复读写。
RAID6
I/O系统
❖ 双维奇偶校验独立存取盘阵列
❖ 数据以块（块大小可变）交叉方式存于各盘， 检、纠错信息均匀分布在全部磁盘上
系统结构
A0 A1 A2
3校验码 D校验码
B0 B1
2校验码 C校验码
B2
C0
1校验码 B校验码
C1 C2
0校验码 A校验码
D1 D2 D3
校验码 产生器
7.7 光盘存储设备
– 正脉冲电流表示“1”，负脉冲电流表示“0”； – 不论记录“0”或“1”，在记录下一信息前，记录电流
恢复到零电流 – 简洁易行，记录密度低，改写磁层上的记录比较困难，
自考《计算机系统结构》第4章精讲
第四章 指令系统的设计原理和风格 本章属重点章。
指令系统是计算机外特性的重要内容，本章主要介绍了两种不同风格的指令系统：RISC和CISC.在学习这两种指令系统之前，我们先了解⼀下什么是指令系统。
⼀、指令系统的设计（领会） 指令系统是指机器所具有的全部指令的集合。
它反映了计算机所拥有的基本功能。
它是机器语⾔程序员所看到的机器的主要属性之⼀。
通常我们说的加法指令、传输数据指令等等就是计算机的指令，这些指令就是告诉计算机从事某⼀特殊运算的代码，⼀种计算机系统确定的这些指令的集合我们就说它是这种机器的指令系统。
那么指令系统的设计要做什么？就是要确定它的指令格式（就是指令有多少位长，哪⼏位表⽰地址，哪⼏位表⽰操作等）、类型（如堆栈型、寄存器型等分类）、操作（⽐如运算、数据传送啊什么的都是指令中要确定的操作）以及操作数的访问⽅式（⼀个指令要访问数据，是按其地址访问还是按内容访问等也要由指令设计来解决）。
我们知道，由多条指令构成的程序是要以⼆进制的形式放到存储器中的，早期的存储器很昂贵，因此导致指令设计者尽量增强⼀条指令的复杂性以减少程序的长度。
还⽤微程序（就是保存在专⽤的存储器中的⼀⼩段程序，运⾏时只要⽤⼀条指令来启动它就可⽤来代替好多条指令）来改进代码密度。
这样的设计倾向形成了⼀种传统的指令设计风格，即认为计算机系统性能的提⾼主要依靠增加指令复杂性及其功能来获取。
这就是称为复杂指令系统（CISC）的设计风格。
我们现在⽤的PC机多是⽤这种设计风格的指令系统，⽐如MMX多媒体扩展指令等，都是增加进去的指令，是复杂指令。
后来，通过测试，这种不断增加指令复杂度的办法并不能使系统性能得到很⼤提⾼，反倒使指令系统实现更困难和费时。
所以在70年代中期⼜出现了另⼀种称为"简化指令系统（RISC）"的设计风格。
它的基本思想是，简单的指令能执⾏得更快以及指令系统只需由使且频率⾼的指令组成。
（插话） 指令系统在设计时，应特别注意的是如何能使编译系统⾼效、简易地将源程序翻译成⽬标代码。
计算机系统结构 第四章(习题解答)
1. 假设一条指令的执行过程分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每一段的时间分别是△t 、2△t 和3△t 。
在下列各种情况下，分别写出连续执行n 条指令所需要的时间表达式。
⑴ 顺序执行方式。
⑵ 仅“取指令”和“执行”重叠。
⑶ “取指令”、“分析”和“执行”重叠。
答：⑴ 顺序执行方式12 ......1 2 12T ＝∑=++n1i i i i )t t t (执行分析取址＝n(△t ＋2△t ＋3△t)＝6n △t⑵ 仅“取指令”和“执行”重叠12 ......1 212T ＝6△t ＋∑=+1-n 1i i i )t t (执行分析＝6△t ＋(n-1)(2△t ＋3△t)＝(5n ＋1)△t⑶ “取指令”、“分析”和“执行”重叠12 34 ......1 2 3 41234△t2△t3△t△t2△t3△t△t2△t3△tT ＝6△t ＋∑=1-n 1i i )t (执行＝6△t ＋(n-1)(3△t)＝(3n ＋3)△t2. 一条线性流水线有4个功能段组成，每个功能段的延迟时间都相等，都为△t 。
开始5个任务，每间隔一个△t 向流水线输入一个任务，然后停顿2个△t ，如此重复。
求流水线的实际吞吐率、加速比和效率。
答：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15...1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 151 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 56 7 8 9 10 11 12 13 14 151 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23我们可以看出，在（7n+1）Δt 的时间内，可以输出5n 个结果，如果指令的序列足够长（n →∞），并且指令间不存在相关，那么，吞吐率可以认为满足：)n (t75t )n /17(5t )1n 7(n 5TP ∞→∆=∆+=∆+=加速比为：)n (720n /17201n 7n 20t )1n 7(t 4n 5S ∞→=+=+=∆+∆⨯=从上面的时空图很容易看出，效率为：)n (75n /1751n 7n 5t )1n 7(4t 4n 5E ∞→=+=+=∆+⨯∆⨯=3. 用一条5个功能段的浮点加法器流水线计算∑==101i i A F 。
计算机组织与系统结构第四章习题答案
第 4 章 习 题 答 案3. 已知某机主存空间大小为64KB ，按字节编址。
要求： （1）若用1K×4位的SRAM 芯片构成该主存储器，需要多少个芯片？ （2）主存地址共多少位？几位用于选片？几位用于片内选址？ （3）画出该存储器的逻辑框图。
参考答案： （1）64KB / 1K×4位 = 64×2 = 128片。
（2）因为是按字节编址，所以主存地址共16位，6位选片，10位片内选址。
（3）显然，位方向上扩展了2倍，字方向扩展了64倍。
下图中片选信号CS 为高电平有效。
A 15A 10A 9A 0D 0D 7……WE…4. 用64K×1位的DRAM 芯片构成256K×8位的存储器。
要求：（1） 计算所需芯片数，并画出该存储器的逻辑框图。
（2） 若采用异步刷新方式，每单元刷新间隔不超过2ms ，则产生刷新信号的间隔是多少时间？若采用集中刷新方式，则存储器刷新一遍最少用多少读写周期？ 参考答案：（1）256KB / 64K×1位 = 4×8 = 32片。
存储器逻辑框图见下页（图中片选信号CS 为高电平有效）。
（2）因为每个单元的刷新间隔为2ms ，所以，采用异步刷新时，在2ms 内每行必须被刷新一次，且仅被刷新一次。
因为DRAM 芯片存储阵列为64K=256×256，所以一共有256行。
因此，存储器控制器必须每隔2ms/256=7.8µs 产生一次刷新信号。
采用集中刷新方式时，整个存储器刷新一遍需要256个存储（读写）周期，在这个过程中，存储器不能进行读写操作。
A 17A 16A 15A 0D 0D 7………5. 用8K×8位的EPROM 芯片组成32K×16位的只读存储器，试问：（1）数据寄存器最少应有多少位？ （2） 地址寄存器最少应有多少位？ （3） 共需多少个EPROM 芯片？ （4） 画出该只读存储器的逻辑框图。
计算机系统结构作业答案
计算机系统结构计算机系统结构作业1第1章计算机系统结构的基本概念一、解释下列术语：计算机系统结构；计算机组成；计算机实现；透明性；系列机；软件兼容；兼容机；模拟；仿真；虚拟机；宿主机；Amdahl定律；CPI；MIPS；MFLOPS。
【答案】计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念。
系统结构定义为由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性，这里的程序设计者所看到的计算机属性是指为机器语言或编译程序设计者所看到的计算机属性，是硬件子系统的概念性结构及其功能特性，它是计算机系统的软、硬件的界面。
计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机实现是指计算机组成的物理实现。
透明性：在计算机技术中，一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，成为透明性现象。
所谓系列机是指在一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。
不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机称为兼容机。
软件兼容：在新的计算机系统出台后，原先已开发的软件仍能继续在升档换代的新型号机器上使用，这就是软件兼容。
系列机方法能够在具有相同系统结构的各种机器之间实现软件移植，为了实现软件在不同系统结构的机器之间的相互移植，可以采用模拟和仿真。
模拟方法是指用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。
仿真是指用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法。
虚拟机是被模拟的机器；宿主机是进行模拟的机器。
Amdahl 定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。
Fe=（改进前可改进部分占用的时间）/（改进前整个任务的执行时间） Se=（改进前可改进部分的执行时间）/（改进后改进部分的执行时间） 则，改进后整个系统加速比为ee e n S F F s /)1(1+-=。
(计算机控制技术)第4章计算机过程输入输出通道
03
输出通道技术
模拟量输出通道
模拟量输出通道的作用是将计 算机输出的数字信号转换为模 拟信号，以驱动各种执行机构
。
常见的模拟量输出通道有电压 输出型和电流输出型两种，它 们通过不同的方式将数字信号
转换为模拟信号。
电压输出型模拟量输出通道的 优点是电路简单、成本低，适 用于输出信号较小、对精度要 求不高的场合。
03
输出通道的驱动能力是指其能够驱动执行机构或控制设备的能力，包 括最大输出电压、最大输出电流等参数。
04
选择具有足够驱动能力的输出通道可以保证系统的正常运行和稳定性。
04
输入输出通道的信号处 理与接口技术
信号的预处理技术
信号的放大与衰减
根据信号的幅度调整，确 保信号在传输过程中保持 稳定。
信号的滤波
去除噪声和其他干扰，提 高信号质量。
信号的整形
将不规则或非标准信号转 换为适合传输和处理的信 号。
信号的转换技术
A/D转换将模拟信号转换为数字信号，源自 于计算机处理。D/A转换
将数字信号转换为模拟信号，便于 实际应用。
光电转换
将光信号转换为电信号，或反之。
信号的传输与接口技术
总线技术
实现多个设备之间的数据传输和通信。
数字量输出通道的作用是将计算机输出的数字 信号转换为控制信号，以驱动各种控制设备。
晶体管输出型数字量输出通道的优点是响应速度 快、驱动能力强，适用于需要快速响应的场合。
输出通道的负载特性与驱动能力
01
输出通道的负载特性是指执行机构或控制设备的输入阻抗、输入电压、 输入电流等参数。
02
了解负载特性有助于选择合适的输出通道类型和规格，以确保系统的 稳定性和可靠性。
计算机基础知识什么是输入输出(IO)操作
计算机基础知识什么是输入输出（IO）操作计算机基础知识：什么是输入输出（IO）操作计算机是一种用于处理数据的工具，而输入输出（IO）操作是计算机与外部世界进行数据交流的方式。
通过输入，我们可以将外部的数据传递给计算机进行处理，而输出则是将计算机处理后的数据传递给外部环境。
在本文中，我们将探讨输入输出操作的基础知识。
一、输入输出（IO）的概念输入输出是计算机与外部环境进行数据交流的方式。
输入是指将外部数据传递给计算机，供计算机进行处理和分析；输出则是将计算机处理后的数据传递给外部环境，供人们观察和使用。
在计算机系统中，输入输出设备起到了极为重要的作用。
例如，键盘、鼠标和触摸屏等输入设备用于接收用户的命令和数据，显示器、打印机等输出设备则用于向用户展示计算机处理的结果。
二、输入输出的分类1. 人机交互输入输出：这种输入输出方式主要是通过外部设备与人进行交互。
例如，使用键盘输入文字、鼠标点击图标进行操作、触摸屏选择菜单等。
同时，显示器将结果输出给人们观察。
2. 设备驱动程序输入输出：这种输入输出方式是通过设备驱动程序进行的。
计算机通过设备驱动程序与各类外部设备进行通信。
例如，打印机通过打印机驱动程序与计算机通信，将计算机处理的文档输出。
3. 文件输入输出：文件是计算机中存储数据的一种形式，也是计算机与外部世界交流的一种方式。
我们可以将数据存储在文件中，进行读取和写入操作。
三、输入输出的基本操作在计算机基础中，我们了解到输入输出操作的基本函数包括读取和写入。
读取是指从外部获取数据并传递给计算机进行处理；写入则是将计算机处理的结果传递给外部。
读取函数的基本形式如下：input(data)：从外部读取数据，存储在变量data中。
写入函数的基本形式如下：output(data)：将变量data中的数据写入外部设备，供外部环境使用。
四、输入输出的应用输入输出操作在计算机中得到了广泛的应用。
以下是一些常见的输入输出操作应用场景：1. 数据采集：许多科学实验、气象观测等需要收集大量外部数据，通过输入输出操作，这些数据可以传递给计算机进行进一步的分析和处理。
计算机组成原理复习
WE
A1
A0
•••
A9
1
CS1
第4章 存储器
*
字扩展（增加存储字的数量）
存储器与 CPU 的连接
MDR
MAR
CPU
主 存
读
数据总线
地址总线
写
第4章 存储器
*
主存和 CPU 的联系
存储器与 CPU 的连接
地址线的连接 数据线的连接 读/写线的连接 片选线的连接 合理选用芯片 其他 时序、负载
总线控制
主要包括两部件：判优控制
01
主设备(模块)：对总线有 控制权
02
从设备(模块)：响应从主设备发来的总线命令
03
总线判优控制 分布式 集中式 计数器定时查询 独立请求方式 链式查询 第3章 系统总线
*
总线控制
通信控制
目的解决通信双方协调配合问题 总线通信的四种方式
同步、异步结合
通信双方由 统一时标 控制数据传送 采用 应答方式 ，没有公共时钟标准
周期挪用
*
真值与机器数
第6章 计算机的运算方法
*
真值 X=-0.11111 机器数 原码 X=1.11111 补码 X=1.00001 反码 X=1.00000 移码 X=0.00001 转换
第4章 存储器
字块2m－1
字块2c-r+1
字块2c-r + 1
字块2c-r
字块2c-r －
字块1
字块0
…
…
…
字块 3
标记
字块 1
标记
字块 2c－1
标记
字块 2
标记
字块 0
标记
字块 2c－2
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。
计算机体系结构第四章练习题参考解答
计算机体系结构第四章练习题参考解答第四章4.52 浮点数系统使⽤的阶码基值r e =2，阶值位数q=2，尾数基值r m =10，尾数位数p ′=1，即按照使⽤的⼆进制位数来说，等价于p=4。
计算在⾮负阶、正尾数、规格化情况下的最⼩尾数值、最⼤尾数值、最⼤阶值、可表⽰的最⼩值和最⼤值及可表⽰数的个数。
解: 最⼩尾数值：r m -1 = 10-1 = 0.1最⼤尾数值：1- r m -p ′ =1-10-1 = 0.9 最⼤阶值：2q -1=3可表⽰数的最⼩值：1×r m -1 = 10-1 = 0.1 可表⽰数的最⼤值：r m 2q-1×（1- r m -p ′）=103（1-10-1）= 900可表⽰数的个数：2q ×r m p ′（r m -1）/r m = 22×101（10-1）/10 = 364.53 ⼀台机器要求浮点数的字长的精度不低于10-7.2，表数的范围正数不⼩于1038，且正负对称。
尾数⽤原码、纯⼩数表⽰，阶码⽤移码、整数表⽰。
设计这种浮点数的格式。
解依题意，取表数范围N =1038，表数精度δ=10-7.2。
由式（4-4）得：37log(log10log 21)log 2q +> = 6.99，上取整，得到阶码字长q=7。
由式（4-5）得：16log1053.2log 2p -->=，上取整，得到尾数字长p=24。
从⽽加上⼀个尾数符号位和⼀个阶码符号位，浮点数的总字长为：p+q+2=24+7+2=33。
实际浮点数总字长应为8的倍数，故取浮点数总字长为40位。
多出的7位可以加到尾数字长p 中⽤于提⾼浮点数的表数精度，也可以加到阶码字长q 中来扩⼤浮点数的表数范围。
暂且让p 增加6位，q 增加1位，即p=30，q=8。
如图4-8所⽰是设计出来的浮点数格式。
图4-8 例4.2浮点数的设计格式4.58 ⽤于⽂字处理的某专⽤机，每个⽂字符⽤4位⼗进制数字（0～9）编码表⽰，空格⽤︼表⽰。
计算机组成原理第4章
数据开关 （11000001）
C1H
打开三 态门 SW_G=0
-1 0 +1 定点小数
器允许的表示范围（溢出）。
补码 纯小数：0≤X<1
总线1 总线2
通用 寄存器
ALU
特殊 寄存器
总线 旁路器
总线3
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4.9 运算器的基本组成与实例
4.9.2 ALU举例 1. ALU电路
ALU即算术逻辑单元，它是既能完成算术运 算又能完成逻辑运算的部件。前面已经讨论过， 无论是加、减、乘、除运算，最终都能归结为加 法运算。因此，ALU的核心首先应当是一个并行 加法器，同时也能执行像“与”、“或”、 “非”、“异或”这样的逻辑运算。由于ALU能 完成多种功能，所以ALU又称多功能函数发生器。
C1=G1+P1C0 C2=G2+P2C1=G2+P2G1+P2P1C0
C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1C0 C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1+P4P3P2P1C0
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C1=G1+P1C0 C2=G2+P2C1 C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1C0 C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1+P4P3P2P1C0
…
…
计算机组成与系统结构
• 比较典型而常用的寻址方式
1．隐含寻址 2．立即寻址 3．直接寻址 4．间接寻址 5．寄存器寻址和寄存器间接寻址 6．相对寻址 7．基址寻址 8．变址寻址 9．块寻址 10．段寻址
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1．隐含寻址
• 不是明显地给出操作数的地址，而是在指 令中隐含着操作数的地址 • 累加寄存器AC对单地址指令格式来说是隐 含地址
• CAI演示
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5．寄存器寻址和寄存器间接寻址
• 寄存器寻址
– 当操作数不放在内存中，而是放在CPU的通 用寄存器中时，可采用寄存器寻址方式 – 此时指令中给出的操作数地址是通用寄存器的 编号 – 指令结构中的RR型指令，就是采用寄存器寻 址方式的例子
• 寄存器间接寻址
– 指令格式中的寄存器内容不是操作数，而是操 作数的地址，该地址指明的操作数在内存中
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9．块寻址
• 在指令中指出数据块的起始地址（首地址） 和数据块的长度（字数或字节数） • 经常用于数据块传送（复制和移动）
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10．段寻址
• 由一个基地址（CPU中的段寄存器）再加 上某些寄存器提供的偏移量来形成实际的 物理地址
– 寄存器-存储器（RS）型指令
• 既要访问内存单元，又要访问寄存器
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4.2.3 指令字长度
• 指令字长度
– 一个指令字中包含二进制代码的位数
• 机器字长
– 计算机能直接处理的二进制数据的位数 – 机器字长通常与主存单元的位数一致
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• 单/半/双字长指令
– 单字长指令
• 指令字长度等于机器字长度的指令
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2．跳跃寻址方式
• 当程序转移执行的顺序时，指令的寻址就采取跳 跃寻址方式
– 所谓跳跃，是指下条指令的地址码不是由程序计数器 给出，而是由本条指令给出
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一个处理机管理多台外围 否 DONE1=1? 设备。处理机采 用 轮流 是 循环测试 方法 ，分时为 从设备缓冲寄存器读一个字符 到主存储器或者从主存储器传 各台外围设备服务。 送一个字符到设备缓冲寄存器 优点： 否 灵活性很好。可以很容 DONE2=1? 易地改变各台外围设备 是 从设备缓冲寄存器读一个字符 的优先级。 到主存储器或者从主存储器传 送一个字符到设备缓冲寄存器 缺点： 不能实现处理机与外围 在程序控制方式中一个处理机管 设备之间并行工作。 理多台外部设备的程序流程图
4.1 输入输出原理
通常把处理机与主存储器之外的部分统称为输 入输出系统，包括输入输出设备、输入输出 接口和输入输出软件等。 实际上，运算器、控制器、主存储器和总线等 也要通过输入输出系统来管理。
4.1.1 输入输出系统的特点 4.1.2 输入输出系统的组织方式 4.1.3 基本输入输出方式
4.1.1 输入输出系统的特点
把7类中断分为5个中断优先级，
从高到低分别是：
(1)紧急的机器检验错误引起的中断 (2)调用管理程序，程序性错误，可以抑制的 机器检验错误引起的中断。 (3)外部事件引起的中断 (4)外围设备的中断 (5)重新启动引起的中断
例如：DEC公司的机器， 其优先级从高到低分别是： (1)总线错误引起的中断 (2)主存刷新中断 (3)指令错误引起的中断 (4)程序跟踪中断 (5)电源掉电中断 (6)在线停机中断 (7)在线事件中断(如实时钟等) (8)外围设备中断 (9)用户程序中断
目前使用的DMA方式实际上有如下三种： (1)周期窃取方式： 在每一条指令执行结束时，CPU测试有没有DMA 服务申请。 借用CPU完成DMA工作流程。包括数据和主存地 址的传送，交换个数计数器减 1 ，主存地址 的增值及一些测试判断等。 周期窃取方式的优点是硬件结构简单，比较容 易实现。 缺点是在数据输入或输出过程种实际上占用了 CPU的时间。
保存软件现场，在中断服务程序中使用的通用 寄存器等 开CPU中断，可以响应更高级别的中断请求 中断服务，执行中断服务程序 关CPU中断 恢复软件现场 恢复屏蔽状态 恢复硬件现场 开CPU中断 返回到中断点
IBM公司的机器，把中断源分为７类： (1)机器检验出错中断。由硬件或软件故障时 产生。 (2)程序性错误引起的中断。 (3)访问管理程序中断。当用户程序执行访管 指令引起的中断。 (4)可以抑制的机器检验错误引起的中断。 (5)外部事件中断。 (6)输入输出中断。 (7)重新启动中断。处理机不能禁止这类中断
2.中断输入输出方式
定义：当出现来自系统外部，机器内部，甚至 处理机本身的任何例外的，或者虽然是事先 安排的，但出现在现行程序的什么地方是事 先不知道的事件时，CPU暂停执行现行程序， 转去处理这些事件，等处理完成后再返回来 继续执行原先的程序。 特点： (1)CPU与外围设备能够并行工作。 (2)能够处理例外事件。 (3)数据的输入和输出都要经过CPU。 (4)用于连接低速外围设备。
主存储器(MM) 存储器总线
IO 处理机 CU CU D D
IO 处理机 CU D D CU D
IO 处理机 CU CU D D D CU D D
IO 总线
CU 是设备控制器，D 是外围设备
输入输出系统的层次结构
4.1.3 基本输入输出方式
1. 程序控制输入输出方式
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
状态驱动输入输出方式、应答输入输出方式、 查询输入输出方式、条件驱动输入输出方式 程序控制输入输出方式的4个特点： (1)何时对何设备进行输入输出操作受CPU控制 (2)CPU要通过指令对设备进行测试才能知道设 备的工作状态。空闲、准备就绪、忙碌等 (3)数据的输入和输出都要经过CPU (4)用于连接低速外围设备，如终端、打印机等
1. 自治控制
输入输出系统是独立于CPU之外的自治系统 处理机与外围设备之间要有恰当的分工
2. 层次结构
最内层是输入输出处理机、输入输出通道等 中间层是标准接口。 标准接口通过设备控制器与输入输出设备连接
3. 分类组织
面向字符的设备，如字符终端、打字机等 面向数据块的设备，如磁盘、磁带、光盘等。
处理机(CPU)
3.直接存储器访问方式
直 接 存 储 器 访 问 方 式 (DMA ： Direct Memory Access) ，主要用来连接高速外围设备。如磁 盘存储器，磁带存储器、光盘辅助存储器， 行式打印机等。
输入设备 ID 主存储器 MM 存储器总线 处理机 CPU 输出设备 OD IO 总线 DMA 方式的数据传送过程
DMA方式具有如下特点： (1)外围设备的访问请求直接发往主存储器， 数据的传送过程不需要CPU的干预。 (2)全部用硬件实现，不需要做保存现场和恢 复现场等工作。 (3)DMA控制器复杂，需要设置数据寄存器、 设备状态控制寄存器、主存地址寄存器、设 备地址寄存器和数据交换个数计数器及控制 逻辑等。 (4)在DMA方式开始和结束时，需要处理机进 行管理。
3.异步性
输入输出设备通常不使用统一的中央时钟，各 个设备按照自己的时钟工作，但又要在某些 时刻接受处理机的控制。 处理机与外围设备之间，外围设备与外围设备 之间能并行工作 针对实时性，采用层次结构的方法， 针对与设备无关性，采用分类处理的方法 针对异步性，采用自治控制的方法，
4.1.2 输入输出系统的组织方式
3.中断优先级
安排中断优先顺序主要由下列因素来决定： 中断源的急迫性。 设备的工作速度。 数据恢复的难易程度。 要求处理机提供的服务量。 中断优先级与中断服务顺序 要求：响应速度快，灵活性好。 做法：由硬件排队器决定中断优先级， 通过软件设置中断屏蔽码改变中断服 务顺序。
例如：在IBM 370系列机中，
(5)由总线产生的中断。输入输出总线出错,存 储总线出错等。 (6)实时过程控制产生的中断。 (7)实时钟的定时中断。 (8)多处理机系统中，从其它处理机发送来的 中断。 (9)程序调试过程中，由断点产生的中断。 (10)硬件故障中断。 (11)电源故障中断。
2.中断源的分类组织
中断源分类组织的目的：在响应中断后能尽快 找到中断入口。 根据中断事件的紧迫程度，中断源工作速度、 性质等进行分类 为每一类中断源分配一个硬件的中断入口，在 进入这个入口之后，再通过软件找到具体的 中断源。 可屏蔽中断与不可屏蔽中断，或称一般中断和 异常中断。
中断请求 主程序 2、3 级 4级
中断服务程序 1级 2级 3级
4级
1级
时间 t 按照中断优先级响应中断请求的例子
4.2.2 中断系统的软硬件分配
有些功能必须用硬件实现，有的功能必须用软 件实现，而大部分功能既可以用硬件实现， 也可以用软件实现。 恰当分配中断系统的软硬件功能，是中断系统 最关键问题
1.中断源的种类
(1)由外围设备引起的中断。低速外围设备每 传送一个字节申请一次中断；高速外围设备 的前、后处理。 (2)由处理机本身产生的中断。如算术溢出， 除数为零，数据校验错等。 (3)由存储器产生的中断。如地址越界、页面 失效、访问存储器超时等。 (4)由控制器产生的中断。如非法指令、堆栈 溢出、时间片到、切换到特权态。
(2)直接存取方式： 整个工作流程全部用硬件完成。 优点与缺点正好与周期窃取方式相反。 (3)数据块传送方式： 在设备控制器中设置一个比较大的数据缓冲存 储器。设备控制器与主存储器之间的数据交 换以数据块为单位，并采用程序中断方式进 行。 采用数据块传送方式的外围设备有软盘驱动器、 行式打印机、激光打印机、卡片阅读机、绘 图仪等。
DMA输出设备的工作流程如下： 把主存地址送入主存地址寄存器，并启动主存 储器，同时将主存地址增值。 将主存数据寄存器中的数据送 DMA 控制器的数 据寄存器。 把数据写到输出介质上（可能要逐个字符输 出）。 把 DMA 控制器内的数据交换个数计数器中的内 容减１。 若交换个数为0，则DMA数据传送过程结束，否 则回到上面。
例4.1：一个处理机在一段时间内只能管理一 台打印机。处理机执行指令的速度为1GIPS， 字长32位，打印机每秒钟100个字符。 解：处理机用一条指令就能向打印机传送4个 字符。因此，处理机的实际利用率只有即4 千万分之一。 100/1094＝0.2510-7
输入设备 ID 处理机 CPU 输出设备 OD 程序控制方式的数据传送过程 主存储器 MM
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DMA输入设备的工作流程如下： 从设备读一个字节到 DMA 控制器中的数据缓冲 寄存器中。 若一个字没有装配满，则返回到上面；若校验 出错，则发中断申请；若一个字已装配满， 则将数据送主存数据寄存器。 把主存地址送主存地址寄存器，并将主存地址 增值。 把DMA控制器内的数据交换个数计数器减１。 若交换个数为0，则DMA数据传送过程结束，否 则回到上面。
4.2 中断系统
4.2.1 中断源的组织 4.2.2 中断系统的软硬件分配 4.2.3 中断源的识别方法 4.2.4 中断现场的保存和恢复 4.2.5 中断屏蔽
4.2.1 中断源的组织
中断系统需要硬件和软件共同来实现。 引起中断的各种事件称为中断源。 中断系统的复杂性实际上主要是由中断源的多 样性引起的。 中断源可以来自系统外部，也可以来自机器内 部，甚至处理机本身。 中断可以是硬件引起的，也可以是软件引起的。 把各种各样的中断源分类、分级组织好，是中 断系统的关键之一。
2.与设备无关性
独立于具体设备的标准接口。例如，串行接口、 并行接口、SCSI（Small Computer System Interface）接口等 计算机系统的使用者，在需要更换外围设备时， 各种不同型号，不同生产厂家的设备都可以 直接通过标准接口与计算机系统连接。 处理机采用统一的硬件和软件对品种繁多的设 备进行管理。 某些计算机系统已经实现了即插即用技术。