计算机组成原理第7章 系统总线
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7.在浮点加法运算中，完整的操作步骤是对阶。尾数相加、结果规格化、舍入、溢出检查。
8.定点运算器中一般包括ALU、寄存器、对路选择器、移位器和数据通路。
9.ALU的基本逻辑结构是快速进位加法器，它比行波进位加法器优越，具有先行进位逻辑，不仅可以实现高速运算，还能完成逻辑运算。
10.浮点运算器由阶码运算器和尾数运算器组成，它们都是定点运算器，尾数运算器要求能进行加、减、乘、除运算。
18.一条机器指令由一段微指令构成的微程序来解释执行；微指令可由一系列微命令组成。
19.控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，通常把这种控制命令叫做微命令。而执行部件接受此控制命令后进行的操作叫做微操作。
20.一条微指令可划分为微命令字段和控制字段；微指令的基本格式可分为水平型和垂直型。
12.虚拟存储器管理的基本方法有页式、段式和段页式三种。
13.在虚拟存储器中，一般采用全相联地址映像方法和LRU更新策略。
14.虚拟存储器中，程序正在执行时，由操作系统完成地址映像。
15.在磁表面存储器中，调频制(FM)记录方式目前主要用于单密度磁盘存储器，改进调频制(MFM)记录方式主要用于双密度磁盘存储器，而在磁带存储器中一般采用调相制(PE)和成组编码(GCR)记录方式。
21.由于数据通路之间的结构关系，微操作可分为相容性和相斥性两种;
在同一微周期中不可能同时出现的微命令，称之为互斥的微命令。
在同一微周期中可以同时出现的微命令，称之为相容的微命令。
22.在微指令的字段编码中，操作控制字段的分段必须遵循的原则包括：
把互斥性的微命令分在同一段内。
一般每个小段要留出一个状态0，表示不操作。
1.-1的补码定点整数表示时为1...1，用定点小数表示时为1...0。
计算机组成原理(华科版)第七章 输入输出系统
第七章 输入输出系统
5. 外围处理机方式(Peripheral Processor Unit—PPU) 外围处理机的结构更接近于一般的处理机，甚至 就是一般小型通用计算机。它可完成I/O通道所要完 成的I/O控制，还可完成码制变换、格式处理、数据 块的检错、纠错等操作。它可具有相应的运算处理 部件、缓冲部件，还可形成I/O程序所必须的程序转 移等操作。它可简化设备控制器，而且可用它作为 维护、诊断、通信控制、系统工作情况显示和人机 联系的工具。 外围处理机基本上独立于主机工作。在多数系 统中，设置多台外围处理机，分别承担I/O控制、通 信、维护诊断等任务。有了外围处理机后，计算机 系统结构有了质的飞跃，由功能集中式发展为功能 分散的分布式系统。
2
计算机组成原理
第七章 输入输出系统
7.1 信息交换的控制方式
信息交换的控制方式一般分为5种类型。
1. 程序查询方式(Programmed Direct Control) 这种方式又称为程序直接控制方式，是指信息交 换的控制完全由主机执行程序来实现。当主机执行到 某条指令时，发出询问信号，读取设备的状态，并根 据设备状态，决定下一步操作，这样要花费很多时间 用于查询和等待，效率大大降低。这种控制方式用于 早期的计算机。现在，除了在微处理器或微型机的特 殊应用场合，为了求得简单而采用外，一般不采用了。
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计算机组成原理
第七章 输入输出系统
I/O 控制方式
主要由程序实现
主要由附加硬件实现
程序 查询方式
程序 中断方式
DMA方式
通道方式
PPU 方式
图 7.1
外围设备的 I/O 方式
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计算机组成原理
第七章 输入输出系统
计算机组成原理第7,9章作业
习题八8.1 解释下列名词系统总线三态门总线事务总线复用突发传输总线仲裁数据传输模式总线事务分离波特率8.2简要回答下列问题4)集中式总线控制方下，确定总线使用权优先级的方法有哪几种？各有什么特点？5)影响总线性能的因素有哪些?6)什么是突发传输模式?采用突发传输模式有什么优点?8.5有4个设备A、B、C、D的响应优先权为D>B>A>C，画出串行链式排队电路。
8.6 有4个设备A、B、C、D的响应优先权为A>B>C>D，试画出独立请求方式的排队电路。
8.7假定有一个具有以下性能的系统1)存储器和总线系统支持大小为4-16个32位字的数据块访问;2)总线的时钟周期频率为200MHZ，总线宽度为64位，每64位数据的传输需要一个时钟周期，向存储器发送一个地址需要一个时钟周期；每个总线操作之间需要2个总线周期(设一次存储之前总线总是处于空闲状态);3)对最初的4个字的访问时间为200ns,随后的4个字能在20ns的时内被读取,假定总线传输数据的操作可以与读下4个字的操作重叠进行。
读操作中，分别用4个字的数据块和16个字的数据块传输256个数据，计算机两种情况下总线传输的带宽和每秒中总线事务的次数。
（说明：一个总线传输操作包含一个地址和紧随其后的数据）习题九9.1解释下列名词中断中断处理优先级中断屏蔽多重中断中断向量中断响应优先级中断隐指令9.2 简要回答下列问题1)什么是接口?它有哪些功能?5)比较单级中断和多重中断处理流程的异同点.6)中断隐指令完成什么功能?7)为什么在保护现场和恢复现场的过程中,CPU必须关中断?9.4 设某机有5级中断；L0，L1，L2，L3，L4，其中断响应优先次序为：L0最高，L1次之，L4最低。
现在要求将中断处理次序改为L1->L3->L0->l4->L2，试问：(1)表9.4所示的中断屏蔽字该如何设置(“0”表示允许中断，“1”表示中断屏蔽)?(2)若这5级中断同时都发出中断请求，按更改后的次序画出进入各级中断处理程序的过程示意图。
计算机组成原理第七章课件(白中英版)
刷新和扫描
刷新：使电子束不断地重复扫描整个屏幕的过程 不感到闪烁的刷新频率：＞30次/秒 模拟电视标准：每秒刷新50帧图像 光栅扫描：光栅扫描是从上至下顺序 扫描整个屏幕
逐行扫描 隔行扫描
扫描频率：完成一帧所花时 间的倒数，也叫刷新频率 ( 每 个像素在一秒内被刷新次数) 刷新频率越高、图像越稳定，感觉越舒服
A3 B3 C3 D3
A校验码 B校验码 C校验码 D校验码
RAID5
I/O系统
块交叉分布式奇偶校验盘阵列 数据以块交叉的方式存于各盘，无专用冗余盘， 奇偶校验信息均匀分布在所有磁盘上
校验码 产生器
A0 A1 A2 A3
4校验码
B0 B1 B2
3校验码
C0 C1
2校验码
D0
1校验码
0校验码
E1 E2 E3 E4
磁盘存储器的主要技术指标 （4/4）
• 误码率：是衡量出错概率的参数，等于出错位数与读写总 信息位数之比。 • 价格：通常用位价格来比较各种外存储器。位价格是用设 备价格除以存储器二进制位总容量。 • 一个常识： 每面信息量=每道信息量柱面数 =每道信息量道密度（外半径-内半径） 总容量=每面信息量面数
系统结构
RAID0
I/O系统
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 E I
B F J
C G K
D H L
M
系统结构
N
O
etc...
RAID1
I/O系统
亦称镜像盘，使用双备份磁盘 每当数据写入一个磁盘时，将该数据也写到另 一个冗余盘，形成信息的两份复制品
计算机组成原理第七章单元测试(含答案)
第七章、系统总线
系统总线测试
1、从信息流的传送效率来看，（）工作效率最低。
A、三总线系统
B、单总线系统
C、双总线系统
D、多总线系统
2、系统总线地址的功能是（）。
A、选择主存单元地址
B、选择进行信息传输的设备
C、选择外存地址
D、指定主存和I / O设备接口电路的地址
3、计算机使用总线结构的主要优点是便于实现积木化，同时（）。
A、减少了信息传输量
B、提高了信息传输的速度
C、减少了信息传输线的条数
D、加重了CPU的工作量
4、IEEE1394的高速特性适合于新型高速硬盘和多媒体数据传送，它的数据传输率最高可以达到（）。
A、100 Mb/秒
B、200 Mb/秒
C、400 Mb/秒
D、300 Mb/秒
5、异步控制常用于（）作为其主要控制方式。
A、在单总线结构计算机中访问主存与外围设备时
B、微型机的CPU中
C、硬布线控制器中
D、微程序控制器中
6、当采用（）对设备进行编址情况下，不需要专门的I/O指令。
A、统一编址法
B、单独编址法
C、两者都是
D、两者都不是
参考答案如下：
1。
计算机组成原理习题答案第七章
１．控制器有哪几种控制方式？各有何特点？解：控制器的控制方式可以分为３种：同步控制方式、异步控制方式和联合控制方式。
同步控制方式的各项操作都由统一的时序信号控制，在每个机器周期中产生统一数目的节拍电位和工作脉冲。
这种控制方式设计简单，容易实现；但是对于许多简单指令来说会有较多的空闲时间，造成较大数量的时间浪费，从而影响了指令的执行速度。
异步控制方式的各项操作不采用统一的时序信号控制，而根据指令或部件的具体情况决定，需要多少时间，就占用多少时间。
异步控制方式没有时间上的浪费，因而提高了机器的效率，但是控制比较复杂。
联合控制方式是同步控制和异步控制相结合的方式。
２．什么是三级时序系统？解：三级时序系统是指机器周期、节拍和工作脉冲。
计算机中每个指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期划分为若干个节拍，每个节拍中设置一个或几个工作脉冲。
３．控制器有哪些基本功能？它可分为哪几类？分类的依据是什么？解：控制器的基本功能有：（１）从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置。
（２）对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。
（３）指挥并控制CPU 、主存和输入输出设备之间的数据流动。
控制器可分为组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型３类，分类的依据在于控制器的核心———微操作信号发生器（控制单元CU）的实现方法不同。
４．中央处理器有哪些功能？它由哪些基本部件所组成？解：从程序运行的角度来看，CPU 的基本功能就是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的控制。
对于冯? 诺依曼结构的计算机而言，数据流是根据指令流的操作而形成的，也就是说数据流是由指令流来驱动的。
５．中央处理器中有哪几个主要寄存器？试说明它们的结构和功能。
解：CPU 中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终结果及控制、状态信息的，它可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。
通用寄存器可用来存放原始数据和运算结果，有的还可以作为变址寄存器、计数器、地址指针等。
《计算机组成原理》第7章：存储系统
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7.1 存储系统概论
所谓速度，通常用存取时间(访问时间)和存取周期 来表示。存取时间是指从启动一次存取操作到完成 该操作所经历的时间；存取周期是指对存储器进行 连续两次存取操作所需要的最小时间间隔。由于有 些存储器在一次存取操作后需要有一定的恢复时间， 所以通常存取周期大于或等于取数时间。单位容量 的价格是指每位的价格。数据传输率是指在单位时 间内可以存取的二进制信息的位数，在数值上等于 存储器总线宽度除以存取周期，所以又可称为存储 器总线带宽或频宽。除此之外，存储器件还有一个 十分重要的性能，就是它是否是挥发性的。
图7-6 2114的读/写周期波形图
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7.2.2 静态MOS RAM芯片举例
4. 静态存储器的组织 1)位扩展
图7-7 位扩展连接方式
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性 能 存储信息 破坏性读出 需要刷新 行列地址 运行速度
SRAM 触发器 否 否 同时送 快 电容 是 需要 分两次送 慢
DRAM
集成度
发热量 存储成本
低
大 高
高
小 低
表7-1 静态存储器和动态存储器性能比较
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7.2 主 存 储 器
7.2.1 7.2.2 7.2.3 7.2.4 7.2.5 7.2.6 7.2.7
基本概念 静态MOS RAM芯片举例 动态MOS RAM 2164芯片 动态MOS RAM 4116芯片 动态RAM的刷新 只读存储器举例 主存储器与CPU的连接
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7.2.2 静态MOS RAM芯片举例
3. 读写时序 为了使芯片正常工作，必须按所要求的时序关系 提供地址信息、数据信息和有关控制信号，2114 的读/写周期波形图如图7-6所示。 1) 读周期 2) 写周期
计算机组成原理第7章系统总线课件
7.1.1 总线的基本概念
总线宽度:指一次并行传输的信息位数。 总线频率:指总线工作时每秒内能传输数据的次数。 传输率:指每秒能够传输的字节数，用MB/s表示。
传输率和总线宽度、总线频率之间的关系是： 传输率=总线宽度／8×总线频率
7.1 总线概述
7.1.2 总线的工作原理
总线是以分时的方法来为多个部件服务的，但是在任意时刻只 为某两个部件或设备所占用。当总线上的一个部件要与另一个部件 进行通信时，首先应该发出总线请求信号。在某一时刻，可能会有 多个部件同时要求使用总线，总线控制机构根据一定的判决原则， 决定首先由哪个部件使用总线。只有获得了总线控制权的部件，才 能开始传送数据。此时发送信息的总线主部件分时的将信息发往总 线，再由总线将这些信息同时发往各个接收信息的总线从部件。究 竟哪个部件接收信息，是由获得总线控制权的总线主部件给出的地 址信息经过译码之后产生的控制信号来决定。
7.1.3 总线的结构
7.1.4 总线的分类
指令系 统
吞吐量
最大存储 容量
分类
7.2 总线的控制与通信
7.2.1 总线的控制
总线在任意时刻只被某两个部件或设备所占用。当总线 上的一个部件要与另一个部件进行通信时，首先应该发出总 线请求信号。在某一时刻，可能会有多个部件同时要求使用 总线，总线控制机构根据一定的判决原则，决定首先由哪个 部件使用总线。只有获得了总线控制权的部件，才能开始传 送数据。获得总线控制权的部件被称为主部件，主部件一旦 获得总线控制权后，就立即开始向另一个部件进行一次信息 传送。负责接收信息的部件被称为从部件。
计数器的初始值还可以由程序来设置，这就可以方便地改变优先 次序，增加系统的灵活性。
7.2 总线的控制与通信
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7.1.3 总线的结构
7.1.4 总线的分类
指令系 统
吞吐量
最大存储 容量
分类
7.2 总线的控制与通信
7.2.1 总线的控制
总线在任意时刻只被某两个部件或设备所占用。当总线 上的一个部件要与另一个部件进行通信时，首先应该发出总 线请求信号。在某一时刻，可能会有多个部件同时要求使用 总线，总线控制机构根据一定的判决原则，决定首先由哪个 部件使用总线。只有获得了总线控制权的部件，才能开始传 送数据。获得总线控制权的部件被称为主部件，主部件一旦 获得总线控制权后，就立即开始向另一个部件进行一次信息 传送。负责接收信息的部件被称为从部件。
7.2 总线的控制与通信
7.2.1 总线的控制
总 线 控 制 器
部件/设备1 部件/设备2
部件/设备n
7.2 总线的控制与通信
7.2.1 总线的控制
每次计数可以从0开始，也可以从上次计数的中止点开始。如果 从0开始，各部件的优先次序和链式查询方式相同，优先级的次 序是固定的。
如果从中止点开始，即为循环优先级，各个部件使用总线的级别 相等。
7.1 总线概述
7.1.2 总线的工作原理
总线是以分时的方法来为多个部件服务的，但是在任意时刻只 为某两个部件或设备所占用。当总线上的一个部件要与另一个部件 进行通信时，首先应该发出总线请求信号。在某一时刻，可能会有 多个部件同时要求使用总线，总线控制机构根据一定的判决原则， 决定首先由哪个部件使用总线。只有获得了总线控制权的部件，才 能开始传送数据。此时发送信息的总线主部件分时的将信息发往总 线，再由总线将这些信息同时发往各个接收信息的总线从部件。究 竟哪个部件接收信息，是由获得总线控制权的总线主部件给出的地 址信息经过译码之后产生的控制信号来决定。
对比以上3种方式，可见链式查询方式所需的控制线数最少，仅用 两根线确定总线控制权属于哪个设备；独立请求方式最多，需要 采用2n根线；而计数器查询方式居中，对于n个部件的系统，共需 要Log2n根定时查询计数线。
7.2 总线的控制与通信
7.2.2 总线的通信
是指 系统采用 一个统一 的时钟信 号来协调 发送和接 收双方的 传送定时 关系。
本章给出计算机信息传输通道中的硬件、 软件解决方案、实现方法和相关协议等的基础 理论、方法。
7.1 总线概述
7.1.1 总线的基本概念
总线宽度:指一次并行传输的信息位数。 总线频率:指总线工作时每秒内能传输数据的次数。 传输率:指每秒能够传输的字节数，用MB/s表示。
传输率和总线宽度、总线频率之间的关系是： 传输率=总线宽度／8×总线频率
7.1 总线概述
7.1.3 总线的结构
系统总线
……
CPU
主存
I/O设备
适配器
I/O设备 适配器
7.1 总线概述
7.1.3 总线的结构
系统总线
CPU 存储总线 主存
……
I/O设备 适配器
I/O设备 适配器
7.1 总线概述
7.1.3 总线的结构
7.1 总线概述
7.1.3 总线的结构
7.1 总线概述
计数器的初始值还可以由程序来设置，这就可以方便地改变优先 次序，增加系统的灵活性。
7.2 总线的控制与通信
7.2.1 总线的控制
BR1
BG1
总
设备/部件 1
设备/部件 2
BR2
线
BG2
控
制
器
…
设备/部件
n
BRn
BGn DB AB
7.2 总线的控制与通信
7.2.1 总线的控制
优点是响应时间快，即为确定优先响应设备所花费的时间少，不 用逐个查询设备，然而这是以增加控制线数和硬件电路为代价的。
7.3 总线接口
7.3.1 总线接口的概念
并串行传送
当信息在总线上以并串行方式传送时，如果一个数据 字由两个字节组成，那么传送一个字节时采用并行方式， 而字节之间采用串行方式。
分时传送有两种概念。一是在分时传送信息时，总线
不明确区分哪些是数据线，哪些是地址线，而是统一用来
传送数据或地址信息。分时传送的另一个概念是共享总线
7.2 总线的控制与通信
7.2.1 总线的控制
DB
AB
总
BS
线
控
BR
制
器 部件/设备 部件/设备
部件/设备
1
2
…
n
BG
7.2 总线的控制与通信
7.2.1 总线的控制
链式查询方式的优先次序是由BG线上串接部件的先后位置来决 定的，在查询链中，离总线控制器最近的设备具有最高优先权。
链式查询的优点是只用很少几根线就能按一定的优先次序来实现 总线控制，并很容易扩充。缺点是对查询链的故障很敏感，如果 第i个部件中的查询链电路有故障，那么第i个以后的部件都不能 工作。另外，因为查询的优先级是固定的。
7.2.2 总线的通信
不互锁 请求”信号和“回答”信号都有一定的时间宽度， “请求”信号的撤销和“回答”信号的撤销没有直接的联 系，如下图所示。
请求
回答
7.2 总线的控制与通信
7.2.2 总线的通信
半互锁 “请求”信号的撤销取决于接收到“回答”信号，而 “回答”信号的撤销由目的部件自己决定，如图所示。
7.2 总线的控制与通信
7.2.2 总线的通信
半互锁
不互锁 异步 方式
全互锁
异步方式也称为应答方式。在 这种方式下，没有公用的时钟，也 没有固定的时间间隔，完全依靠传 送双方相互制约的“握手”信号来 实现定时控制。
异步方式根据“请求”和“回 答”信号的撤销是否互锁，分3种情 况。
7.2 总线的控制与通信
7.3 总线接口
7.3.1 总线接口的概念
并行传送 用并行方式传送二进制信息时，对每个数据位都需要 单独的一条传输线，信息由多少二进制位组成，就需要多 少条传输线，从而使得二进制数0或1在不同的线上同时进 行传送。如果要传送的数据由8位二进制位组成，那么就 要使用8条线组成的扁平电缆，每一条线分别代表了二进 制数的不同位值。
7.2 总线的控制与通信
7.2.2 总线的通信
全互锁 “请求”信号的撤销取决于“回答”信号的来到，而 “请求”信号的撤销又导致“回答”信号的撤销，如图所 示。
7.3 总线接口
7.3.1 总线接口的概念
串行传送 当信息以串行方式传送时，只有一条传输线，且采用 脉冲信号传送。使用串行方式传送时，按顺序来传送表示 一个数码的所有二进制位的脉冲信号，每次一位，通常以 第一个脉冲信号表示数码的最低有效位，最后一个脉冲信 号表示数码的最高有效位。