第6章并行计算机的同步与通信
计算机组成原理第六章课件白中英版
66MHz的Pentium，基本非流水线总线周期
64÷2×66×106 bps＝264 MB/S
66MHz的Pentium，2-1-1-1猝发读周期
32÷5×66×106 B/S＝422.4 MB/S
【例1】(1)某总线在一个总线周期中并行传送4个字 节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期， 总线时钟频率为33MHz，则总线带宽是多少?
STROBE*（选通）信号
•输出低有效，才能使打印机接收数据
ACK*（响应）信号
•打印机接收数据结束回送负脉冲响应信号
BUSY（忙状态）信号
•打印机忙于处理接收到的数据，不能接收新的数据
6.3.3 总线数据传送模式
读数据传送：数据由从设备到主设备 写数据传送：数据由主设备到从设备 猝发传送（数据块传送）
演示
每个数据位都需要单独一条传输线。二进制数 “0”或“1”在不同的线上同时进行传送
串行通信
串行通信：将数据分解成二进制位用一条信号 线，一位一位顺序传送的方式
串行通信的优势：用于通信的线路少，因而在 远距离通信时可以极大地降低成本
通信协议（通信规程）：收发双方共同遵守
解决传送速率、信息格式、位同步、字符同步、 数据校验等问题
发送8位数据：59H＝01011001B，偶校验、两个停止位
6.3.1 总线的仲裁
主设备(Master)：控制总线完成数据传输 从设备(Slave)：被动实现数据交换 总线仲裁：决定当前控制总线的主设备
•集中仲裁：中央仲裁器负责 •分布仲裁：比较各个主设备仲裁号决定
某一时刻，只能有一个主设备控制总线， 其它设备此时可以作为从设备
计算机组成原理(简答题)
计算机组成原理(简单题)第一章概论1、计算机的应用领域：科学计算、数据处理、实时控制、辅助设计、通信和娱乐。
2、计算机的基本功能：存储和处理外部信息，并将处理结果向外界输出。
3、数字计算机的硬件由：运算器、控制器、存储器、输入单元和输出单元。
4、软件可以分成系统软件和应用软件。
其中系统软件包括：操作系统、诊断程序、编译程序、解释程序、汇编程序和网络通信程序。
5、计算机系统按层次进行划分，可以分成，硬件系统、系统软件和应用软件三部分。
6、计算机程序设计语言可以分成：高级语言、汇编语言和机器语言。
第二章数据编码和数据运算1、什么是定点数？它有哪些类型？答：定点数是指小数点位置固定的数据。
定点数的类型有定点整数和定点小数。
2、什么是规格化的浮点数？为什么要对浮点数进行规格化？答：规格化的浮点数是指规定尾数部分用纯小数来表示，而且尾数的绝对值应大于或等于1/R并小于等于1。
在科学计数法中，一个浮点数在计算机中的编码不唯一，这样就给编码带来了很大的麻烦，所有在计算机中要对浮点数进行规格化。
3、什么是逻辑运算？它有哪些类型？答：逻辑运算时指把数据作为一组位串进行按位的运算方式。
基本的逻辑运算有逻辑或运算、逻辑与运算和逻辑非运算。
4、计算机中是如何利用加法器电路进行减法运算的？答：在计算机中可以通过将控制信号M设置为1，利用加法器电路来进行减法运算。
第三章存储系统1、计算机的存储器可以分为哪些类型？答：计算机的存储器分成随机存储器和只读存储器。
2、宽字存储器有什么特点？答：宽字存储器是将存储器的位数扩展到多个字的宽度，访问存储器时可以同时对对个字进行访问，从而提高数据访问的吞吐量。
3、多体交叉存储器有什么特点？答：多体交叉存储器是由对个相互独立的存储体构成。
每个存储器是一个独立操作的单位，有自己的操作控制电路和存放地址的寄存器，可以分别进行数据读写操作，各个存储体的读写过程重叠进行。
4、什么是相联存储器？它有什么特点？答：相联存储器是一种按内容访问的存储器。
微机第6章并行通信和串行通信
(3)异步传送：5~8位/字符，时钟速率为通信波 特率的1、16或64倍
(4)可自动产生、检测和处理终止字符， 可产生1、1.5或2位的停止位
(5)波特率在同步方式时为0～64Kbps， 异步方式时为0～19.2Kbps
(6)全双工、双缓冲器发送器和接收器
3. 信号传输方式（续）
常用的调制方式有三种： 调幅、调频和调相，分别如下图所示。
4. 调制解调器
• 调制（Modulating）
– 把数字信号转换为电话线路传送的模拟信号
• 解调（Demodulating）
– 将电话线路的模拟信号转换为数字信号
• 调制解调器MODEM
– 具有调制和解调功能的器件合制在一个装置
与并行相比串行通信的特点
将数据分解成二进制位用一条信号线， 既传送数据信息，又传送控制信息
要求数据格式固定，分为异步和同步数 据格式
串行通信中对信号的逻辑定义与TTL不 兼容，需进行逻辑关系和逻辑电平转换
串行传送信息的速率需要控制，要求双 方约定通信传输的波特率
6.4 可编程并行通信接口芯片8255A
3．端口C的使用较特殊，除工作在方式0作为数据端 口之外，当工作在方式1和方式2时，它的大部分 引脚被用作联络信号，端口C还可以进行按位置位 /复位操作
二．8255A的编程结构
8255A由以下几部分组成：见图 1．三个数据端口A，B，C 这三个端口均可看作是I/O 口，但它们的结构和功能也 稍有不同。 A口：是一个独立的8位I/O 口，它的内部有对数据
字符速率与波特率两者关系
字符速率：每秒钟传输的字符数。 波特率：指单位时间内传送二进制数据的 位数。单位为：b/s
微机原理与接口技术_第6章 IO接口
三、I/O端口编址 （续） 2.I/O独立编址(续)
缺点： 专用I/O指令增加指令系统复杂性，且I/O指 令类型少，程序设计灵活性较差； 要求处理器提供MEMR#/MEMW#和IOR#/IOW#两 组控制信号，增加了控制逻辑的复杂性。
三、I/O端口编址 （续）
PC系列微机I/O端口访问 1.I/O端口地址空间
程序控制方式
程序控制方式是指CPU与外设之间的数据传送由程序 控制完成。 程序控制方式又分为无条件传送和条件传送两种 1.无条件传送方式（同步传送） 特点：输入时假设外设已准备好，输出时假设外设 空闲。 要求：输入接口加缓冲器，输出接口加锁存器。 应用：对简单外设的操作。
1. 无条件传送方式（同步传送） 输入接口的设计要求:
寻 址 确定输入端口地址 AB、M/ IO、ALE、DT/R 等待数据输入 等待数据输入 输入缓冲器 读入数据 输入缓冲器 DB CPU
一、 I/O 接口的功能 （续）
3. I/O接口应具有的功能（解决的方案）
1） 设置数据缓冲器以解决两者速度差异所带来的 不协调问题； 输出时： CPU DB 锁存器 输出设备数据线
以上三类信息分别通过各自的寄存器和相应的控制逻辑 来完成信息的传送。通常将这类寄存器和相应的控制逻辑称 为I/O端口。CPU与一个外设之间通常有三个端口。数据端口 (输入/输出)；状态端口；控制端口。
二、I/O接口的一般结构 （续） I/O接口组成：接口由接口硬件和接口软件组成。 1.接口硬件
接口
这类接口面对总线，因此要使用三态输出器件； 对于输入信号有记忆功能的一般使用三态门； 对于输入信号无记忆功能的一般还要增加锁存功能；
1. 无条件传送方式（同步传送）
第6章6.2节 UART串行接口
4. 多机通信
图6-9多机通信连接图
6．2．4 串行口应用举例
例1、用两片8位串入并出移位寄存器74HC164扩展16位输 出接口。 图6-10是利用74HC164扩展的16位发光二极管接口电路。 编程使这16个发光二极管交替为间隔点亮状态，循环交 替时间为2秒钟。 。
解：
图6-10 利用串行口扩展输出接口
发送操作：数据写入发送缓冲寄存器SBUF （99H），串行口即把数据以设定的波特率从 TXD端送出（低位在前பைடு நூலகம்， 发送完后置中断标 志TI=1。 MOV TMOD, #data MOV SBUF, #data JNB TI, $ CLR TI RET
接收操作：REN是串行口接收器允许接收控制位。 当RI=0，软件置REN为1时，即开始从RXD端以设定 的波特率输入数据（低位在前）， 当接收到数据 时，置中断标志RI=1。
图6-7
通信方式示意图
4. 通信协议 计算机之间进行数据传输时的一些约定，包括通信方 式、帧格式、波特率、命令码的约定等 。
6．2．2 80C51串行口简介 80C51串行口简介
1. 串行口结构与工作原理
80C51的串行口是一个可编程的全双工 串行通信接口，通过软件编程它可以做通 用异步接收和发送器UART（Universal Asynchronous Receiver／Transmitter）， 也可做同步移位寄存器用。其帧格式可设 置8位、10位或11位，并能设置不同的波特 率 。
6．2 UART串行接口 UART串行接口
教学目的：了解80C51系列单片机UART串行接口的结 构、原理及应用；能够采用查询方式进行串行通信。 教学重点：1. UART串行接口的工作原理； 2. UART串行接口的4种工作方式的编 程、应用。 教学难点：1 .多机通信方式 2. 波特率值的设置
全站仪的数据通信
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6．１ 数据通信的概念
• ６.１.３ 数据通信参数
• 串口通信参数指的是比特率、数据位、奇偶校验位和停止位。为了实 现全站仪与计算机之间正常通信，全站仪与计算机两端的通信参数设 置必须一致。
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６．２ 全站仪与计算机的数据通信
• （１１）选取需在文本文件中存储的数据（执行“编辑”→“全选” 命令后，单击左键或者在窗口内按住左键下拉并找到文件）。
• （１２）执行“编辑”→“复制”命令后，单击，将所选数据复制至 剪贴板。
• （１３）执行“文件”→“退出”命令后单击，在提示“已处于连接 状态，确实要断开吗？”和“保存会话结果‘***’？”时，分别单 击“是”按钮退出连接操作并存储超级终端过程文件。
• （１４）执行“开始”→“程序”→“附件”→“写字板”命令，单 击左键。
• （１５）在“写字板”下执行“编辑”→“粘贴”命令后单击，将剪 贴板中的复制数据粘贴到写字板下。
• （１６）执行“文件”→“另存为”命令后单击，输入文件名，将“ 存为类型”框设为“文本文档”，然后保存。
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６．２ 全站仪与计算机的数据通信
位地在一条信号线上传送的。这种方式传输速度慢，但设备要求简单 ，价格低廉，由于是在一条线上传输，每一个二进制数无论传输快慢 ，最终均能组成完整而准确的信息，信号质量高，是常用的信息交换 方法。串行通信适用于对通信速度要求不是很高的设备，如数字化仪 、全站仪、ＧＰＳ以及鼠标等。 • 串行通信有两种工作方式，即同步传输和异步传输。同步传输是指每 一个数据位都以相同的时间间隔发送，而接收时也以发送相同的时间 间隔接收每一位信息。同步传输较异步传输速度快，但是由于同步传 输要求使用时钟来实现发送端与接收端的同步，故硬件较复杂。全站 仪传输数据量不大，常采用串行异步传输方式。
第6章作业参考答案
9
三、简答题
3.1 8255A的方式选择控制字和端口C置0/置1控制字都是写 入控制端口的，8255A是怎样识别的？ 解：通过最高位识别，D7=1，为方式选择控制字；D7=0， 为端口C置0/置1控制字。
率因子为16，则波特率为
。 （A）
A. 1200 B. 2400 C. 9600
D. 19200
5
二、判断对错，对的打“√”，错的打“χ”
2.1 锁存器即可作为输出接口，又可作为输入接口使用。 （×）
2.2 CPU送给8255A的控制字，以及输入数据和输出数据都通过 8255A内的数据总线缓冲器传送。 （ √ ）
B. -5V~+5V
C. -15V~+15V D. 0~+15V
1.16 异步串行通信中，常采用波特率的16倍频作为接收时钟，
其目的是
。 （B）
A. 提高采样精度 B. 识别正确的起始位 C. 提高接收速率 4
1.17 在异步串行输入/输出接口中，实现并行数据与串行数 据的转换的主要功能部件是 。（A）
2.6 利用8255A的C口按位置位/复位功能，一次可使C口的几 位同时置1或置0。 （×）
2.7所谓并行接口和串行接口，顾名思义，就是指I/O接口与
CPU和外设之间的通信方式都是一个为并行，一个为串行。 （×）
6
2.8 8255A工作于方式2时，C口的8条线均不能用于输入/输 出。 （×）
3
1.12 两台PC机通过其串行口直接通信时，通常只使用
三
根信号线。（A）
A. TXD、RXD和GND
第6章(1)计算机网络概述
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网络体系结构：指计算机网络的各个层和在各层上使用的全部协议。
网络体系结构定义了一个框架，它使这些用不同媒介连接起来的不同 设备和网络系统在不同的应用环境下可实现互操作，并满足各种业务的需 求。任何厂商的任何产品、以及任何技术只要遵守这个空间的行为规则， 就能够在其中生存并发展。
网络体系结构采用分层处理方法解决问题，把复杂的网络互联问题划 分为若干个较小的、单一的问题，在不同层上予以解决。
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接口：
每层都是建筑在它的前一层的基础上，每层间有相应的通信协议，相 邻层之间的通信约束称为接口。 接口用于说明上层如何使用下层的服务。
服务：
在分层处理后，相似的功能出现在同一层内，每一层仅与其相邻上、 下层通过接口通信，该层使用下层提供的服务，并向上层提供服务。
服务用于说明某一层为上一层提供一些什么功能。
上、下层之间的关系是下层对上层服务，上层是下层的用户。
30
相关国际机构简介： 在计算机网络标准领域中，有各种类型的组织参与标准的指定和推广。
1.国际标准领域： 国际标准组织 ISO (International Organization for Standardization) 各国标准化团体组成的世界性的联合会。 位于瑞士的日内瓦，有100多个国家加入。 美国国家标准化协会 ANSI (American National Standards Institute) 国家性民间组织，ANSI标准常常被ISO采纳为国际标准 电子及电气工程师协会 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) 国际性的电子技术与信息科学工程师的协会，是世界上最大的专业技 术组织之一，拥有来自175个国家的36万会员(到2005年)。
第6章 串行接口
5--8位
一个字符包括4个部分
奇偶校验位
停止位
1位
1位、1位半、2位 “1”有效
所以，一个字符由10个，10个半，11个位构成。
起始位 …
D0
D1
DN
奇偶校验位
停止位
图6-1
异步通信的字符格式
在异步通信时，通信双方必须事先约定。 （1）字符格式。 双方要事先约定数据位的位数、 奇偶校验形式及起始位和停止位的位数。 例如：用ASCⅡ码通信，有效数据为7位，加一个奇 偶校验位、一个起始位和一个停止位共10位。 （2）波特率（Baud rate）。波特率就是传送速率， 即每秒传送的二进制位数。单位为bit/s或波特。 波特率与字符的传送速率之间的关系为： 波特率= 一个字符的二进制编码位数*字符数/秒. 要求发送端与接收端的波特率必须一致。 假设：数据传送率是120字符/s，每个字符格式包含十 个代码位（一个起始位、一个终止位、8个数据 位），波特率为： 10×120=1200bit/s=1200波特
TI：发送中断标志。 在一帧数据发送结束时由硬件置位。 TI=1表示“发送缓冲器已空”，通知CPU可以 发送下一帧数据。 TI位可作为查询；也可作为中断申请标志位。 TI不会自动复位，必须由软件清0。 RI：接收中断标志。 在接收到一帧有效数据后由硬件置位。 RI=1表示一帧数据接收完毕，并已装入接收缓 冲器中，即表示’’接收缓冲器以满’’，通 知CPU可取走该数据。 该位可作为查询，也可作为中断申请标志位。 同样RI不会自动复位，必须由软件清0。
51系列单片机串行口的结构 51系列单片机串行口的控制 波特率设计
6．2．1 89C51单片机串行口的结构
第六章总线(含练习题)
6.2 总线结构
系统总线
IOP (通道)
CPU 存储 总线
主存
I/O总线
I/O接口
…
I/O接口
I/O设备 1
…
I/O设备 n
三总线结构框图
多用于大、中型计算机系统； 可发展为多总线结构。 系统吞吐能力强； 以硬件为代价。
第六章 总线
6.3 总线控制 • 解决总线结构必须面对的两个问题— 一是总线争用时的仲裁； 二是通信的双方如何在时间上协调。 • 具体完成这些任务的是总线控制器。 6.3.1 总线判优控制 一、主设备和从设备的概念 • 按总线上所连接的设备对总线有无控 制功能分— • 主设备(主方、主模块)：
6.3 总线控制
• 优先次序体现在距离集中仲裁器的远 近； • 具体的查询电路略(见第八章)。 ( 3 )链式查询的特点 • 需要很少的信号线可以完成按既定优 先次序的总线仲裁； • 易于扩充设备； • 故障敏感； • 优先级安排可能造成低级别设备总是 用不上总线。
思考：计数器定时查询6.3 2.计数器定时查询方式中控制线的条数--
6.1 总线概述
教材P.213/185【例1】( 1 )某总线在一个总 线周期中并行传送4个字节的数据，假 设一个总线周期等于一个时钟周期，总 线时钟频率是33MHz，总线带宽是多 少？ 解答：用Dr表示总线带宽；总线时钟周期 为T=1/f；一个总线周期传送的数据量表 示为D；依据定义有： Dr=D/T=D×f=4B×33×106/s =132MB/s (若一个总线周期由4个T构成，总线带宽 是多少？)
6.3 总线控制
6.3 总线控制
例2：在异步串行传输系统中，若字符格 式为：1个起始位、8个数据位、1个奇 校验位、1个终止位，假设波特率为 1200bps，求这时的比特率。 解答： • 比特率为— 1200×（8/11）=872.73比特
通信技术基础习题答案
通信技术基础习题答案第⼀章习题1、试举出若⼲个模拟信号与数字信号的例⼦。
答：模拟信号：语⾳信号等数字信号：计算机处理数据等。
2、请说明有线电视、市内电话、调频⼴播、移动电话、校园⽹等通信系统各使⽤哪些信道。
答：有线电视：同轴电缆市内电话：双绞线调频⼴播：⽆线信道移动电话：⽆线信道校园⽹：双绞线、同轴电缆或光纤3、试述通信系统的组成。
答：通信系统包括五个组成部分：1）信源；2）发送设备；3）接收设备；4）信宿；5）信道。
4、⼀个有10个终端的通信⽹络，如果采⽤⽹型⽹需要⽤到多少条通信链路？如果采⽤星型⽹需要有多少条通信链路？答：⽹状⽹：45条；星状⽹：10条5、试述传码率，传信率，误码率，误信率的定义，单位。
并说明⼆进制和多进制时码元速率和信息速率的相互关系。
答：1）传码率是指单位时间内通信系统传送的码元数⽬，单位为“波特”或“B”。
2）传信率也称为⽐特率（bit rate），是指单位时间内通信系统所传送的信息量，单位为“bit/s”或“bps”。
3）误码率就是码元在传输系统中被传错的概率，Pe=传输中的误码/所传输的总码数。
4）误信率是指发⽣差错的信息量在信息传输总量中所占的⽐例，Peb=系统传输中出错的⽐特数/系统传输的总⽐特数。
r=Rmlog2m（bit/s）式中，r为传信率，Rm为m进制的传码率。
6、描述点对点通信的⼏种⽅式。
答：对于点对点之间的通信，按消息传送的⽅向与时间，通信⽅式可分为单⼯通信、半双⼯通信及全双⼯通信三种。
7、线路交换与分组交换的区别在哪⾥？各有哪些优点？答：线路交换：⽹上的交换设备根据⽤户的拨号建⽴⼀条确定的路径，并且在通信期间保持这条路径，从被呼⽤户摘机建⽴通话开始到⼀⽅挂机为⽌，这条线路⼀直为该⽤户所占⽤。
线路交换的很⼤⼀个优点是实时性好。
分组交换：分组交换是⼀种存储与转发的交换⽅式，很适合于数据通信。
它将信息分成⼀系列有限长的数据包，并且每个数据包都有地址，⽽且序号相连。
计算机组成原理习题答案6
第6章习题参考答案1．比较单总线、多总线结构的性能特点。
答：单总线结构：它是用单一的系统总线连接整个计算机系统的各大功能部件，各大部件之间的所有的信息传送都通过这组总线。
其结构如图所示。
单总线的优点是允许I/O设备之间或I/O设备与内存之间直接交换信息，只需CPU分配总线使用权，不需要CPU干预信息的交换。
所以总线资源是由各大功能部件分时共享的。
单总线的缺点是由于全部系统部件都连接在一组总线上，所以总线的负载很重，可能使其吞吐量达到饱和甚至不能胜任的程度。
故多为小型机和微型机采用。
CPU内存设备接口设备接口…系统总线多总线结构：多总线结构是通过桥、CPU总线、系统总线和高速总线彼此相连，各大部件的信息传送不是只通过系统总线；体现了高速、中速、低速设备连接到不同的总线上同时进行工作，以提高总线的效率和吞吐量，而且处理器结构的变化不影响高速总线。
2．说明总线结构对计算机系统性能的影响。
答：(1)简化了硬件的设计。
从硬件的角度看，面向总线是由总线接口代替了专门的I/O接口，由总线规范给出了传输线和信号的规定，并对存储器、I/O设备和CPU如何挂在总线上都作了具体的规定，所以，面向总线的微型计算机设计只要按照这些规定XXXCPU插件、存储器插件以及I/O插件等，将它们连入总线即可工作，而不必考虑总线的详细操作。
(2)简化了系统结构。
整个系统结构清晰，连线少，底板连线可以印刷化。
(3)系统扩充性好。
一是规模扩充，二是功能扩充。
规模扩充仅仅需要多插一些同类型的插件；功能扩充仅仅需要按总线标准设计一些新插件。
插件插入机器的位置往往没有严格的限制。
这就使系统扩充既简单又快速可靠，而且也便于查错。
(4)系统更新性能好。
因为CPU、存储器、I/O接口等都是按总线规约挂到总线上的，因而只要总线设计恰当，可以随时随着处理器芯片以及其他有关芯片的进展设计新的插件，新的插件插到底板上对系统进行更新，而这种更新只需更新需要更新的插件，其他插件和底板连线一般不需更改。
实时操作系统考试复习内容
第一章嵌入式系统导论1、RTOS指的是什么？嵌入式系统的定义是什么？P2RTOS指的是嵌入式实时操作系统（Real Time Operating System）。
嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
2、按嵌入式软件结构分类，嵌入式系统可分为哪几类？P9循环轮询系统、前后台系统、单处理器多任务系统、多处理器多任务系统第三章嵌入式软件系统1、什么是“零拷贝”（零复制）技术？P71-72所谓“零拷贝”技术，是指TCP/IP协议栈没有用于各层间数据传递的缓冲区，协议栈各层间传递的都是数据指针，只有当数据最终要被驱动程序发送出去或是被应用程序取走时，才进行真正的数据搬移。
2、（并发，多任务多操作系统）目前操作系统的体系结构有哪些？单块结构、层次结构、客户/服务器（微内核）结构。
第四章嵌入式实时内核基础1、中断响应时间、中断延迟时间的概念是什么？什么是响应性？P126、P124、P94中断响应时间是指从中断发生到开始执行用户中断服务程序的第一条指令之间的时间。
中断延迟时间是指从中断发生到系统获知中断，并且开始执行中断服务程序所需要的最大滞后时间。
响应性是指识别外部事件，并服务该事件。
中断延迟时间=最大关中断时间+中断嵌套时间+硬件开始处理中断到开始执行ISR第一条指令之间的时间最大关中断时间=MAX[MAX(内核关中断时间)，MAX（应用关中断时间）]中断响应时间=中断延迟+保存CPU内部寄存器的时间中断响应时间（抢占式调度）=中断延迟+保存CPU内部寄存器的时间+内核中断服务程序入口函数的执行时间2、可抢占内核与抢占式调度的概念分别是什么？P97可抢占内核：即使正在执行的是内核服务函数，也能响应中断，并且中断服务程序退出时能进行任务重新调度。
如果有优先级更高的任务就绪，就立即让高优先级任务运行，不要求回到被中断的任务，将未完成的系统调用执行完。
第6章计算机网络与通信
苏州大学
4．码分多路复用
码分多路复用（CDM）是一种真正的动态复用技术，它既共享信道频 率，也共享时间。 码分多路复用技术的原理是每比特时间被分成m个更短的时间槽，称 为码片，一般每比特有64或128个码片，每个通道被指定一个唯一的 m位的代码或码片序列。当发送“1”时站点就发送码片序列，发送 “0”时就发送码片序列的反码。当两个或多个站点同时发送时，各路 数据在信道中被线性相加。为了便于从信道中分离出各路信号，各个 站点的码片序列是相互正交的。 码分多路复用是一种用于移动通信系统的新技术，笔记本电脑和掌上 电脑等移动性计算机的联网通信就使用该技术。
（2）误码率
误码率是指二进制比特流在数据传输系统中被传错的概率，是衡量通信系统可靠性的重要指标。 误码率的计算公式为： 误码率=接收时出错的比特数/发送的总比特数 在计算机网络中，一般要求误码率低于10-6，即百万分之一
（3）带宽
带宽是信道能传输的信号的频率宽度，是信号的最高频率和最低频率之差。在一定程度上体现了 信道的传输性能。 一般来说，信道的带宽越大，其传输速率也越高。
苏州大学
6.1.3数据编码技术
数据编码是将数据表示成合适的信号形式，以便于数据的传输和处理 计算机网络中主要采用两种数据编码技术：模拟数据编码方法和数字 数据编码方法
苏州大学
1．模拟数据编码方法
模拟数据编码方法就是把数字信号转换为模拟信号的编码方法。 由于导体存在电阻，电信号直接传输的距离有限。但研究发现，高频 振荡的正弦波信号在长距离通信中能够比其他信号传送得更远，因此 ，人们利用这种高频正弦波作为载波，携带信息进行传送 。 信息传输时，利用信源信号去调整（改变）载波的某个参数（幅度、 频率或相位），这个过程称为“调制”。经过调制后的载波携带着被 传输的信号在信道中进行长距离传输，到达目的地后，接收方再把载 波携带的信号检测出来恢复为原始的信号，这个过程称为“解调” 。 调制的基本思想是把数字信号的“0”和“1”用某种载波（正弦波）的 变化表示，常用的调制方式有移幅键控法ASK（调幅）、移频键控法 FSK（调频）和移相键控法PSK（调相） 。
第6章三菱FX2系列PLC的通信
6.2.1 PLC与计算机之间的通信 5
读命令后面的四个字符“00A0”代表了PLC输出线圈Y0 的首地址，首地址后面的两个字符“02”表示所要读取 字节的个数。在这个例子中是要读取两个字节的数据（ Y0到Y7以及Y10到Y17）。在ETX后面的是两个字节长 度的校验和，校验和的计算是从读命令（CMD0）到 ETX之间的所有字符和的最低八位，包括读命令和ETX 字符。在这个例子中，校验和的计算应该如下所示：
20
6.2.2 PLC与PLC之间的通信 5 2．通信系统的操作 主站和从站间的通讯可以是100/100点的ON/OFF信号和 10字/10字的16位数据。用于通信的辅助继电器是M800 ～M999，数据寄存器是D490～D509。 在图6.11中，如果主站想要将某些输入的ON/OFF状态 让从站知道，可以将这些ON/OFF状态存放到辅助继电 器M800～M899中。同样的，从站可以将传送给主站的 ON/OFF状态存放到辅助继电器M900～M999中。 看如图6.13例子。主站输入线圈X000～X007状态相应 传送到辅助继电器M800～M807，从站在M800～M807 中读这些状态，然后将其输出到Y000～Y007。主站中 D0和D2的和被存放在数据寄存器D490中，从站读后，
6.2.1 PLC与计算机之间的通信 1
执行的命令输入到上位机，由上位机回传给PLC。上位 机通常都是通用计算机，主要完成数据传输、处理、显 示和打印，监视工作状态，网络通信和编制PLC程序。 而PLC仍然是面向现场和设备，进行实时控制。 1．通信接口与模块 小型PLC上都有RS-422A或RS-232C的通信接口，而 在中大型的PLC上都有专用的通信模块。PLC与上位机 的连接可以直接使用适配电缆，如图6.8所示。
第6章--串行接口及串行通信技术
第 n字 符 帧 8位 数 据
停 奇偶 止 校验 位
D7 0/1 1 0 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 0/1 1
空闲位 111
第 n＋ 1字 符 帧
起
始 位
8位 数 据
0 D0 D1 …
图6.3 异步通信帧格式
第9章 串行接口及串行通信技术
(1) 起始位：在没有数据传送时，通信线上处于逻 辑“1”状态,当信号变为0时表示起始位。
实际用户并不一定用到RS- 232C标准的全部信号 线，常常使用9针非标准连接器替代25针连接器，称 为DB-9。
第9章 串行接口及串行通信技术
方向 到DCE 到DTE 到DTE 到DTE
到DCE 到DCE 到DTE 到DTE 到DCE 到DCE
名称
第2路发送数据 发送时钟
第2路接收数据 接收时钟 未用
例：当约定为奇校验时，数据中“1”的个数与校验位“1”的个数 之和应为奇数；当约定为偶校验时，数据中“1”的个数与校验位“1” 的个数之和应为偶数。接收方与发送方的校验装置和方式应一致。接 收字符时，对“1”的个数进行校验，若二者不一致，则说明传输数据 过程中出现了差错。
第9章 串行接口及串行通信技术
同时传送的通信方法，如图6.1所示。 特点：传输控制简单、速度快。但距离长时传输线多，成本高。
2）串行通信 串行通信是指构成信息的二进制字符的各位数据一位一位顺序地
传送的通信方式，如图6.2所示。 特点：传输控制复杂、速度慢，但传输线少，成本低。
第9章 串行接口及串行通信技术
P0.7
微型 计算机 (89C51)
把数字信号转换成模拟信号，然后送到通信线路上去。 2）解调器
微型计算机技术及应用(第四版)习题(作业)
第一章微型计算机概述1.1微处理器、微型计算机和微型计算机系统三者之间有什么不同？1.2CPU在内部结构上由哪几部分组成？CPU应具备哪些主要功能？1.3控制总线传输的信号大致有哪几种？第二章 8086微处理器2.1总线接口部件有哪些功能？请逐一进行说明。
2.28086的总线接口部件由哪几部分组成？2.3段寄存器CS=1200H，指令指针寄存器IP=FF00H，此时，指令的物理地址为多少？指向这一物理地址的CS值和IP值是唯一的吗？2.48086的执行部件有什么功能？由哪几部分组成？2.5状态标志和控制标志有何不同？程序中是怎样利用这两类标志的？8086的状态标志和控制标志分别有哪些？2.6总线周期的含义是什么？8086/8088的基本总线周期由几个时钟组成？如一个CPU的时钟频率为24MHz，那么，它的一个时钟周期为多少？一个基本总线周期为多少？如主频为15MHz呢？2.7在总线周期的T1、T2、T3、T4状态，CPU分别执行什么动作？什么情况下需要插入等待状态T W？T W在哪儿插入？怎样插入？2.88086和8088是怎样解决地址线和数据线的复用问题的？ALE信号何时处于有效电平？2.9在编写程序时，为什么通常总要用开放中断指令来设置中断允许标志？2.108086最多可有多少个中断？按照产生中断的方法分为哪两大类？2.11非屏蔽中断有什么特点？可屏蔽中断有什么特点？分别用在什么场合？2.12什么叫中断向量？它放在那里？对应于1CH的中断向量存放在哪里？如果1CH的中断处理子程序从5110H:2030H开始，则中断向量应怎样存放？2.13软件中断有哪些特点？在中断处理子程序和主程序的关系上，软件中断和硬件中断有什么不同之处？2.148086存储空间最大为多少？怎样用16位寄存器实现对20位地址的寻址？第五章微型计算机和外设的数据传输5.1外部设备为什么要通过接口电路和主机系统相连？存储器需要接口电路和总线相连吗？为什么？5.2接口电路的作用是什么？按功能可分为几类？5.3数据信息有哪几类？举例说明它们各自的含义。
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15
互连网络的消息传递通信方式
电路交换circuit switching
问题：冲突多，利用率低
16
互连网络的消息传递通信方式
虚拟切换virtual cut-through
问题：缓存多
flits
17
互连网络的消息传递通信方式
21
解：（1）
任务在单个核的计算机上运行时间为12秒； 在双核计算机上的运行时间为1+10/2+1 =
7秒，加速比为12/7 = 1.71； 在4核计算机上的运行时间为1+10/4+1 =
4.5秒，加速比为12/4.5 = 2.67； 在8核计算机上的运行时间为1+10/8+1 =
3.25秒，加速比为12/3.25 = 3.69； 在16核计算机上的运行时间为1+10/16+1
当一个线程拥有一个锁而被切换出去时其他的线程 如果需要同一个锁的话都不能运行下去
其他线程都围着拥有锁的线程团团转
死锁Deadlock
锁的拥有和依赖关系形成一个环
10
死锁及其解决
死锁的原因
对资源（锁）的访问是独占的 线程在已经持有一个资源时继续请求其他资源 所有线程都不放弃已经持有的资源 线程对资源的请求形成一个环
CPU 0读，CPU 1读，CPU 2读，CPU 1替换，CPU 0写
试写出每次访问后该块的有效指示位段的变化情况，假设一致性 操作采用写无效策略。
事件 初始 CPU 0读 CPU 1读 CPU 2读 CPU 1替换 CPU 0写
指示状态位段 0000 0001 0011 0111 0101 0001
32
例6-4
在一个共享L2 cache的双核处理器芯片中，两 个L1 cache通过片内总线与L2 cache连接，并 采用MESI协议保持一致性。假设L1 cache各 有4个块，采用全相联地址映像和LRU替换策 略，每个块的初始状态都是无效的。在以下读 访问块地址序列下，试画出两个L1 cache中块 的分配情况，并标出每个块的状态。
线程之间对共享变量的不同的读-写和写-写访问顺序导致 不同的程序执行结果
源自线程间的数据相关性
并行计算机的通信方式
共享存储器 互连网络的消息传递
3
共享存储器通信
共享变量 最简单的通信方式 没有同步功能
信号（signal） 一个二进制变量 可以表示条件、状态、锁和其它同步信息 不能传递数据内容
常见的互斥机制
锁 信号量 临界区
5
共享存储器通信
锁
一种互斥变量 一次只能被一个线程获得
信号量
通过PV操作在线程间传递同步信息
原子操作
P操作将一个变量减1
减后的变量小于0时线程被阻塞
V操作将一个变量加1
加后的变量大于或等于0时释放一个线程
6
共享存储器通信
临界区
短小的、不能被中断的程序段 进入的线程数量是有限制的 通常只允许一个线程进入临界区 可以采用锁机制来实现
输带宽 通信延迟
发送的时间开销 信号传输时间 传输持续时间 接收方的时间开销 通信延迟隐藏能力 通信时间与计算时间或者其他通信时间的重叠程度
20
例6-2
1个计算任务在单个核的计算机上运行的启动时间为1 秒，运算时间为10秒，数据结果汇总的时间为1秒。 如果将该计算任务放在多核处理器的计算机上运行， 将运算部分分解成多个线程并行执行。
读写锁 多读单写锁
限制写操作只能由一个线程执行
用于对共享变量的读写操作 自旋锁
非阻塞的锁 用于多处理机系统和多核系统
9
阻塞型锁机制的问题
优先级的颠倒priority inversion
当一个低优先级的线程占用了一个锁之后，需要同 一个锁的高优先级线程就只能等待。
护航Convoying
RH 修改
RME WH
WH
旨在修改的读
WH
填充 cache 行
SHR
共享 RH
SHR
独占 RH
31
例6-3
设单总线连接的两个CPU中采用MESI协议进行一致性操作，初始 时某cache块都在无效状态，然后两个CPU对该存储块分别进行如 下操作：
CPU A读，CPU B读，CPU A写，CPU B读，CPU B写
试写出每次访问后两个块的状态变化情况。
事件 初始 CPU A读 CPU B读 CPU A写 CPU B读 CPU B写
状态A 无效 独占 共享 修改 共享 无效
状态B 无效（I） 无效（I） 共享（S） 无效（I） 共享（S） 修改（M）
说明 数据未装入 读操作cache失效，装入 读操作cache失效，装入后共享 写操作命中 读操作失效，装入 写操作命中
虫孔寻径wormhole
问题：死锁和活锁
18
互连网络的消息传递通信方式
虫孔寻径与存储转发的比较
N1 N2 N3 N4
结点 序列
N1 N2 N3 N4
结点 序列
(a) 存储转发
时间
图 10-4
(b) 虫孔寻径 多机系统数据通信方式的例子
时间
19
互连网络的消息传递通信方式
衡量指标 通信带宽
单位时间能够传输的数据量 取决于处理器的通信处理吞吐率、存储器的吞吐率和互连网络的传
总线监测
每个处理器的cache中设置一个监测部件
监测总线上的写操作 根据监测的情况改变本地cache块的状态
无效、修改、独占、共享
监测条件
主存中有一个单元被其他处理器所修改 而这个单元在本地cache中也有一个副本
对于写更新方法
拥有数据最新版本的cache需向其他cache提供数据块内容 阻止其他处理器从共享存储器的读操作
第6章 并行计算机的同步与 通信
计算机系统结构 胡越明 计算机系
1
Agenda
6.1 并行计算机系统的通信 6.2 Cache与存储器数据一致性 6.3 并行计算机的同步 6.4 并行计算机程序设计
2
6.1 并行计算机系统的通信
并行计算机对程序的要求
代码的可重入 并行线程之间的竞态现象
cpu1 cpu2
cache1 cache2
Main memory
28
总线监测
写无效方式 多次写操作时只需一次invalidate 对于整个cache数据块进行
写更新方式 对于数据块中的个别字进行 读操作的命中率高 所有写操作通过总线写入所以相关的其他cache中
写操作的开销较大
29
7锁ຫໍສະໝຸດ 两个基本的原子操作Acquire
原子地等待锁的状态变成打开的状态 将打开的锁状态变成关闭的状态
这时该线程获得了锁
Release
原子地将锁的状态从关闭状态变成打开的状态
这时线程释放了锁
8
锁的类型
互斥量 用PV操作上锁和解锁 有阻塞 可以加上时间属性
递归锁 可以递归地获得的锁 用于递归程序
B 核块地址 B核L1 cache
操作
0 0E
I I I 装入
2 0S 2E
I I 装入
7 0S 2E 7E
I 装入
8 0S 2E 7S 8E 装入
9 9E 2E 7S 8S 替换
2 9E 2E 7S 8S 命中
0 9E 2E 0S 8S 替换
34
目录表法
全映射
每个快表目录项包含N个指示位段
N为系统中处理器的个数
30
MESI协议
RH: 读命中 RM S: 读 失 效 ， 共 享 RM E:读 失 效 ， 独 占 WH: 写命中 WM: 写失效 SHR: 读时检测命中 SHW :写 时 检 测 命 中 或
旨在修改的读 浊行复制回来
无效事务
无效
SHW RMS
S H W (burst) WM
SHR SHW
SHW
A核：1，0，6，7，8，0，1 B核：0，2，7，8，9，2，0
33
解
A核块地址 A核L1 cache
操作
1 1E
I I I 装入
0 1E 0S
I I 装入
6 1E 0S 6E
I 装入
7 1E 0S 6E 7S 装入
8 8S 0S 6E 7S 替换
0 8S 0S 6E 7S 命中
1 8S 0S 1E 7S 替换
= 2.63秒，加速比为12/2.63 = 4.56。
22
解：（2）
任务在单个核的计算机上没有通信时间，运行时间为12秒；
在双核计算机上的通信时间为10.1，运行时间为
1+10/2+1+0.1 = 7.1秒，加速比为12/7.1 = 1.69；
在4核计算机上的通信时间为60.1=0.6，运行时间为
1+10/4+1+0.6 = 5.1秒，加速比为12/5.1 = 2.35；
在8核计算机上的通信时间为280.1=2.8，运行时间为
1+10/8+1+2.8 = 6.05秒，加速比为12/6.05 = 1.98；
在16核计算机上的通信时间为1200.1=12，运行时间为
1+10/16+1+12 = 14.63秒，加速比为12/14.63 = 0.82，即比单核
数据包
数据传输的物理单位
寻径信息 序号 数据内容 校验位 协议号 时间戳
• 存储转发
• store-and-forward
• 电路交换
• circuit switching
• 虚拟切换
• virtual cut-through