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1、计算机系统知识计算机系统知识第1页，本讲稿共116页2022/11/292第2页，本讲稿共116页考试内容说明：考试内容说明：“I”、“II”和和“III”表示掌握或熟悉表示掌握或熟悉的程度。的程度。“I”是指对所列知识要理解其内容及含义（理是指对所列知识要理解其内容及含义（理解）。解）。“II”指在有关问题中能直接使用（一般应用）指在有关问题中能直接使用（一般应用）。“III”是指对所列知识要理解其确切含义及与是指对所列知识要理解其确切含义及与其他知识的联系，能够进行叙述和解释，并能其他知识的联系，能够进行叙述和解释，并能在实际问题的分析、综合、推理和判断等过程在实际问题的分析、综合、推理和
2、判断等过程中运用（综合应用）中运用（综合应用）2022/11/293第3页，本讲稿共116页考试科目考试科目1：计算机与网络知识：计算机与网络知识1、计算机系统知识、计算机系统知识1.1硬件知识硬件知识1.2操作系统知识操作系统知识1.3系统管理系统管理2022/11/294第4页，本讲稿共116页1.1硬件知识硬件知识1.1.1计算机组成计算机组成1.1.2存储器存储器1.1.3输入输出结构和设备输入输出结构和设备返回2022/11/295第5页，本讲稿共116页1.1.1计算机组成计算机组成计算机部件（运算器、控制器、存储器、计算机部件（运算器、控制器、存储器、I/O设备）设备）（I）指令
3、系统（指令的分类、操作码、寻址方指令系统（指令的分类、操作码、寻址方式、式、CISC、RISC)（I）处理器的性能处理器的性能（I）返回2022/11/296第6页，本讲稿共116页中央处理器的构成中央处理器的构成2022/11/297第7页，本讲稿共116页运算器运算器运算器是计算机中执行各种运算器是计算机中执行各种算术和逻辑运算术和逻辑运算算操作的部件。操作的部件。运算器由：算术逻辑单元（运算器由：算术逻辑单元（ALU）、累加器、）、累加器、状态寄存器、通用寄存器组等组成。状态寄存器、通用寄存器组等组成。2022/11/298第8页，本讲稿共116页运算器运算器加法是运算器的基本功能，在大
4、多数的处理器中，其他计算加法是运算器的基本功能，在大多数的处理器中，其他计算都是经过都是经过变换变换后进行的。后进行的。A、B是加数和被加数是加数和被加数Cin是低位进位是低位进位Cout是进位是进位S是和是和为完成为完成多位多位数据加法，可以通过增加电路和部件，使简数据加法，可以通过增加电路和部件，使简单的加法器变为串行、并行加法器或超前进位加法器等。单的加法器变为串行、并行加法器或超前进位加法器等。2022/11/299第9页，本讲稿共116页控制器控制器2022/11/2910第10页，本讲稿共116页控制器控制器指令寄存器（指令寄存器（InstructionRegister，IR）指令
5、寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从内存取到数据寄存器（一条指令时，先把它从内存取到数据寄存器（DR）中，）中，然后再传送至然后再传送至IR。指令划分为操作码和地址码字段。指令划分为操作码和地址码字段。为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试，以为了执行任何给定的指令，必须对操作码进行测试，以便识别所要求的操作。便识别所要求的操作。指令译码器指令译码器就是做这项工作的。就是做这项工作的。指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码后，即可向操作控
6、制器发出具体操作的特操作码一经译码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。定信号。2022/11/2911第11页，本讲稿共116页控制器控制器程序计数器（程序计数器（ProgramCounter，PC）为了保证程序为了保证程序(在操作系统中理解为进程在操作系统中理解为进程)能能够连续地执行下去，够连续地执行下去，CPU必须具有某些手必须具有某些手段来段来确定下一条指令的地址确定下一条指令的地址。而程序计数。而程序计数器正是起到这种作用，所以通常又称为指器正是起到这种作用，所以通常又称为指令计数器。令计数器。返回2022/11/2912第12页，本讲稿共116页指令系统指令系统指令的分类：
7、指令的分类：数据传送类指令数据传送类指令datatransfer算术运算类指令算术运算类指令arithmetic逻辑类指令逻辑类指令logical数据变换类指令数据变换类指令conversion控制权转移类指令控制权转移类指令transferofcontrol系统控制类指令系统控制类指令systemcontrol输入输出类指令输入输出类指令I/O2022/11/2913第13页，本讲稿共116页指令系统指令系统指令的格式指令的格式:操作码操作码/一个包含一个包含N位的操作码最多能表示位的操作码最多能表示2的的N次方条指令次方条指令地址码地址码零地址指令的指令字中只有操作码零地址指令的指令字中只
8、有操作码一地址指令常驻机构称为单操作指令一地址指令常驻机构称为单操作指令二地址指令常和为双操作指令二地址指令常和为双操作指令三地址指令字中有三个操作字地址三地址指令字中有三个操作字地址A1,A3,A3(A1)op(A2)-A32022/11/2914第14页，本讲稿共116页指令系统指令系统指令的寻址方式指令的寻址方式:顺序寻址顺序寻址，programcount跳跃寻址跳跃寻址，由本指令给出下一条指令地址，指，由本指令给出下一条指令地址，指令系统中的各种条件指令和无条件转移指令是令系统中的各种条件指令和无条件转移指令是为了实现指令的跳跃寻址而设置为了实现指令的跳跃寻址而设置2022/11/29
9、15第15页，本讲稿共116页指令系统指令系统操作数寻址方式操作数寻址方式:隐含寻址隐含寻址立即寻址立即寻址直接寻址直接寻址间接寻址间接寻址寄存器寻址寄存器寻址寄存器间接寻址寄存器间接寻址相对寻址相对寻址基址寻址基址寻址变址寻址变址寻址堆栈寻址堆栈寻址2022/11/2916第16页，本讲稿共116页指令系统指令系统复杂指令集计算机（复杂指令集计算机（CISC）系统在系统在80%的时间里执行的是的时间里执行的是20%的指令的指令精简指令系统计算机（精简指令系统计算机（RISC）采用硬件布线逻辑控制采用硬件布线逻辑控制大量的通用寄存器大量的通用寄存器普遍采用流水线技术普遍采用流水线技术大多采用缓
10、存技术大多采用缓存技术对编译器要求较高对编译器要求较高2022/11/2917第17页，本讲稿共116页指令系统指令系统从软件角度来看，从软件角度来看，CISC运行的则是我们所熟识的运行的则是我们所熟识的DOS、Windows操作系统。而且它拥有大量的应用操作系统。而且它拥有大量的应用程序。因为全世界有程序。因为全世界有65%以上的软件厂商都理为基以上的软件厂商都理为基于于CISC体系结构的体系结构的PC及其兼容机服务的，象赫赫及其兼容机服务的，象赫赫有名的有名的Microsoft就是其中的一家。而就是其中的一家。而RISC在此方在此方面却显得有些势单力薄。虽然在面却显得有些势单力薄。虽然在R
11、ISC上也可运行上也可运行DOS、Windows，但是需要一个翻译过程，所以运，但是需要一个翻译过程，所以运行速度要慢许多。行速度要慢许多。2022/11/2918第18页，本讲稿共116页指令系统指令系统从硬件角度来看从硬件角度来看CISC处理的是不等长指令集，它必处理的是不等长指令集，它必须对不等长指令进行分割，因此在执行单一指令的时须对不等长指令进行分割，因此在执行单一指令的时候需要进行较多的处理工作。而候需要进行较多的处理工作。而RISC执行的是等长执行的是等长精简指令集，精简指令集，CPU在执行指令的时候速度较快且性能在执行指令的时候速度较快且性能稳定。因此稳定。因此在并行处理方面在
12、并行处理方面RISC明显优于明显优于CISC，RISC可同时执行多条指令，它可将一条指令分割成若干个进程可同时执行多条指令，它可将一条指令分割成若干个进程或线程，交由多个处理器同时执行。由于或线程，交由多个处理器同时执行。由于RISC执行的是执行的是精简指令集，所以它的制造工艺简单且成本低廉。精简指令集，所以它的制造工艺简单且成本低廉。返回2022/11/2919第19页，本讲稿共116页处理器的性能处理器的性能影响处理器性能的因素影响处理器性能的因素基本字长基本字长数据通路宽度数据通路宽度指令系统指令系统时钟频率时钟频率流水线技术流水线技术内部数据内部数据/指令缓存指令缓存2022/11/2
13、920第20页，本讲稿共116页处理器的性能处理器的性能对处理器性能的评价对处理器性能的评价直接给出处理器每条指令的执行时间，或者是直接给出处理器每条指令的执行时间，或者是指令系统中的指令执行时间的某种加权评价，指令系统中的指令执行时间的某种加权评价，也可以计算处理器每秒能执行多少个加法指令。也可以计算处理器每秒能执行多少个加法指令。1MIPS指的是处理器每秒能完成指的是处理器每秒能完成1106条指令条指令改进的方法：改进的方法：1，等效指令速度法；，等效指令速度法；2，数据处理速度法；，数据处理速度法；3，核心程序法。，核心程序法。返回2022/11/2921第21页，本讲稿共116页1.1
14、.2存储器存储器存储介质（半导体存储器、磁存储器、光存储介质（半导体存储器、磁存储器、光存储器）存储器）（I）主存（类型、容量和性能）主存（类型、容量和性能）（I）主存配置（交叉存取、多级主存）主存配置（交叉存取、多级主存）（I）辅存（容量、性能）辅存（容量、性能）（I）存储系统（虚拟存储器、高速缓存）存储系统（虚拟存储器、高速缓存）（I）返回2022/11/2922第22页，本讲稿共116页存储介质存储介质按存储介质的材料分类有半导体存储器、按存储介质的材料分类有半导体存储器、磁表面存储器和光存储器。磁表面存储器和光存储器。半导体存储器采用半导体器件制成，主存半导体存储器采用半导体器件制成，
15、主存储器属于半导体存储器；软盘存储器、硬储器属于半导体存储器；软盘存储器、硬盘存储器和磁带存储器等属于磁表面存储盘存储器和磁带存储器等属于磁表面存储器；器；CD-ROM属于光存储器。属于光存储器。2022/11/2923第23页，本讲稿共116页存储介质存储介质按存储器的工作方式分类有随机读写存储按存储器的工作方式分类有随机读写存储器、顺序读写存储器和只读存储器等。器、顺序读写存储器和只读存储器等。随机读写存储器可以按照要求对存储器中随机读写存储器可以按照要求对存储器中的指定单元或指定区域进行读写；顺序读的指定单元或指定区域进行读写；顺序读写存储器只能按某一运动方向查找信息，写存储器只能按某一
16、运动方向查找信息，然后再读定信息；只读存储器的特点是只然后再读定信息；只读存储器的特点是只能读出不能写入。能读出不能写入。2022/11/2924第24页，本讲稿共116页存储介质存储介质按照多层次存储系统的概念，计算机的存按照多层次存储系统的概念，计算机的存储系统由高速缓冲存储器（储系统由高速缓冲存储器（Cache）、随机）、随机存储器（存储器（RAM）、只读存储器（）、只读存储器（ROM）、软）、软盘存储器、光盘存储器和磁带存储器等组盘存储器、光盘存储器和磁带存储器等组成。成。Cache、RAM和和ROM组成主存储器，组成主存储器，其余的存储器组成辅助存储器。其余的存储器组成辅助存储器。返
17、回2022/11/2925第25页，本讲稿共116页主存主存主存储器一般采用半导体存储器，与辅助存储器相比有容量小、主存储器一般采用半导体存储器，与辅助存储器相比有容量小、读写速度快、价格高等特点。可分为：读写速度快、价格高等特点。可分为：1、RAM：可随机读写，断电后数据不能保存，可分为：可随机读写，断电后数据不能保存，可分为DRAM和和SRAM两种。两种。DRAM：数据会随时间逐渐丢失，需要定时对其进行刷新，维：数据会随时间逐渐丢失，需要定时对其进行刷新，维持数据不丢失。持数据不丢失。SRAM：在不断电的情况下数据能够一直保持而不会丢失。：在不断电的情况下数据能够一直保持而不会丢失。DRA
18、M密度较大，相对便宜；密度较大，相对便宜；SRAM速度快，电路简单，但容速度快，电路简单，但容量小，价格高。量小，价格高。2022/11/2926第26页，本讲稿共116页主存主存2、ROM：只读存储器，出厂时厂家用掩膜技术将：只读存储器，出厂时厂家用掩膜技术将数据固化在存储器中，只能读出，不能改写，一般数据固化在存储器中，只能读出，不能改写，一般用于存放系统程序用于存放系统程序BIOS和用于微程序控制。和用于微程序控制。3、PROM：可编程：可编程ROM，出厂后用户可利用特殊电，出厂后用户可利用特殊电子设备进行一次写入操作。子设备进行一次写入操作。4、EPROM：可擦除的：可擦除的ROM，内
19、容既可以读，也可以，内容既可以读，也可以改写，但是在一次改写操作前需用紫外线照射改写，但是在一次改写操作前需用紫外线照射1520分钟以擦去所有信息，然后再写入。分钟以擦去所有信息，然后再写入。2022/11/2927第27页，本讲稿共116页主存主存5、E2PROM：电可擦除：电可擦除EPROM，在写操，在写操作前无需擦除旧内容，能够直接对指定的作前无需擦除旧内容，能够直接对指定的字节或块进行改写，只是所需的时间远远字节或块进行改写，只是所需的时间远远大于读操作所需时间，集成度也较低。大于读操作所需时间，集成度也较低。6、闪存（、闪存（FlashMemory）：其性能介于）：其性能介于EPRO
20、M和和E2PROM之间，可使用电信号进之间，可使用电信号进行擦除，速度快于行擦除，速度快于EPROM，但还不能进行，但还不能进行字节级别的删除操作。字节级别的删除操作。2022/11/2928第28页，本讲稿共116页主存主存7、相联存储器（、相联存储器（CAM）：基于数据内容进行访问的存）：基于数据内容进行访问的存储设备。储设备。写入数据时，写入数据时，CAM能够自动选择一个未用的空单元进行存储；能够自动选择一个未用的空单元进行存储；当要读出数据时，不用给出存储单元的地址，而是直接给出该数当要读出数据时，不用给出存储单元的地址，而是直接给出该数据或该数据的一部分内容。据或该数据的一部分内容。
21、CAM对所有的存储单元中的数据同时进行比较并标记出对所有的存储单元中的数据同时进行比较并标记出符合条件的所有数据以供读取，由于比较是同时、并行的，符合条件的所有数据以供读取，由于比较是同时、并行的，所以这种基于数据内容进行读写的机制，其速度比基于地所以这种基于数据内容进行读写的机制，其速度比基于地址进行读写的方式快许多。址进行读写的方式快许多。2022/11/2929第29页，本讲稿共116页主存性能主存性能主存储器的性能指标主要是存储容量、存取时间、存储周期和存储器主存储器的性能指标主要是存储容量、存取时间、存储周期和存储器带宽。带宽。存放一个机器字的存储单元，通常称为存放一个机器字的存储单
22、元，通常称为字存储单元字存储单元，相应的单，相应的单元地址叫元地址叫字地址字地址。而存放一个字节的单元，称为。而存放一个字节的单元，称为字节存储单元字节存储单元，相，相应的地址称为应的地址称为字节地址字节地址。如果计算机中可编址的最小单位是字存。如果计算机中可编址的最小单位是字存储单元，则该计算机称为储单元，则该计算机称为按字寻址按字寻址的计算机。如果计算机中可编址的计算机。如果计算机中可编址的最小单位是字节，则该计算机称为的最小单位是字节，则该计算机称为按字节寻址按字节寻址的计算机。的计算机。一个机一个机器字可以包含数个字节器字可以包含数个字节，至今一个存储单元也可包含数个能够，至今一个存储
23、单元也可包含数个能够单独编址的字节地址。例如，一个单独编址的字节地址。例如，一个16位二进制的字存储单元可存放位二进制的字存储单元可存放两个字节，可以按字地址寻址，也可以按字节地址寻址。当用字节地两个字节，可以按字地址寻址，也可以按字节地址寻址。当用字节地址寻址时，址寻址时，16位的存储单元占两个字节地址。位的存储单元占两个字节地址。2022/11/2930第30页，本讲稿共116页主存性能主存性能在一个存储器中可以容纳的在一个存储器中可以容纳的存储单元总数存储单元总数通常称为该存储器通常称为该存储器的存储容量。的存储容量。存储容量越大，能存储的信息就越多。存储容量常用字数或字节存储容量越大，
24、能存储的信息就越多。存储容量常用字数或字节数（数（B）来表示，如）来表示，如64K字、字、512KB、64MB。外存中为了表示。外存中为了表示更大的存储容量，采用更大的存储容量，采用GB、TB等单位。其中，等单位。其中，1KB=210B、1MB=220B、1GB=230B、1TB=240B。B表示字节，一个字节表示字节，一个字节定义为定义为8个二进制位，所以计算机中一个字的字长通常是个二进制位，所以计算机中一个字的字长通常是8的倍的倍数。存储容量这一概念反映了存储空间的大小。数。存储容量这一概念反映了存储空间的大小。2022/11/2931第31页，本讲稿共116页主存性能主存性能存取时间存取
25、时间又称存储器访问时间，是指从启动一次存储器操又称存储器访问时间，是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。具体讲，从一次读操作命令作到完成该操作所经历的时间。具体讲，从一次读操作命令发出到该操作完成，将数据读入数据缓冲寄存器为止所经历发出到该操作完成，将数据读入数据缓冲寄存器为止所经历的时间，即为存储器存取时间。的时间，即为存储器存取时间。存储周期存储周期是指连续启动两次读操作所需间隔的最小时间。通是指连续启动两次读操作所需间隔的最小时间。通常，存储周期略大于存取时间，其时间单位为常，存储周期略大于存取时间，其时间单位为ns。存储器带宽存储器带宽是单位时间里存储器所存取的信息量，通常
26、以是单位时间里存储器所存取的信息量，通常以bps或或Bps作为度量单位。带宽是衡量数据传输速率的重要技术指标。作为度量单位。带宽是衡量数据传输速率的重要技术指标。返回2022/11/2932第32页，本讲稿共116页主存配置主存配置交叉存取（交叉存取（Inter-Leaving）是指一种并行操作的内存存取，内存被）是指一种并行操作的内存存取，内存被分为一系列的簇，有多少个簇就叫做几路交叉存取。在交叉存取分为一系列的簇，有多少个簇就叫做几路交叉存取。在交叉存取方式中，内存是被分在不同的块中，方式中，内存是被分在不同的块中，只要读写操作是要在两个块中只要读写操作是要在两个块中进行的，它们就可以同时
27、进行。进行的，它们就可以同时进行。多级存储层次：由若干个采用不同实现技术的存储器构成的多级存储层次：由若干个采用不同实现技术的存储器构成的存储器系统，存储器系统，各存储器处在离各存储器处在离CPU不同距离的层次上，使得靠近不同距离的层次上，使得靠近CPU的存储器速度较快，容量较小的存储器速度较快，容量较小。整个存储系统的速度接近。整个存储系统的速度接近与离与离CPU最近的存储器的速度，而容量和每位价格接近于最低层最近的存储器的速度，而容量和每位价格接近于最低层次的容量和价格。次的容量和价格。2022/11/2933第33页，本讲稿共116页主存配置主存配置返回2022/11/2934第34页，
28、本讲稿共116页辅存辅存与主存储器相比，它的特点是与主存储器相比，它的特点是存储容量大、成本低、存取速度存储容量大、成本低、存取速度慢，以及可以永久地脱机保存信息慢，以及可以永久地脱机保存信息。主要有以下。主要有以下4种。种。磁表面存储器磁表面存储器磁表面存储器的优点为存储容量大、单位价格低、记录介质可以重复磁表面存储器的优点为存储容量大、单位价格低、记录介质可以重复使用、记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档、非破坏使用、记录信息可以长期保存而不丢失，甚至可以脱机存档、非破坏性读出，读出时不需要再生信息。磁表面存储器的缺点是存取速度较性读出，读出时不需要再生信息。磁表面存储器的缺点是
29、存取速度较慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。慢，机械结构复杂，对工作环境要求较高。2022/11/2935第35页，本讲稿共116页辅存辅存磁表面存储器又可分为磁表面存储器又可分为磁带存储器磁带存储器和和磁盘存储器磁盘存储器两大类。磁带两大类。磁带存储器是一种顺序存取的设备，存取时间较长，但存储容量大，便于存储器是一种顺序存取的设备，存取时间较长，但存储容量大，便于携带，价格便宜，是一种主要的辅助存储器。磁带的内容由磁带机进携带，价格便宜，是一种主要的辅助存储器。磁带的内容由磁带机进行读写，按磁带机的读写方式分为启停式和数据流式两种。行读写，按磁带机的读写方式分为启停式和数据流式两种。磁盘
30、存储器的主要指标包括存储密度、存储容量、存取时间及数据传磁盘存储器的主要指标包括存储密度、存储容量、存取时间及数据传输率。输率。2022/11/2936第36页，本讲稿共116页辅存辅存存储密度。存储密度分道密度、位密度和面密度。存储密度。存储密度分道密度、位密度和面密度。道密度道密度是是指沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道指沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道/英寸。英寸。位密度位密度是是磁道单位长度上能记录的二进制代码位数。单位为位磁道单位长度上能记录的二进制代码位数。单位为位/英寸。英寸。面密度面密度是位密度和道密度的乘积，单位为位是位密度和道密度的乘积，单位为位/平方英寸
31、。平方英寸。存储容量。一个磁盘存储器所能存储的字节总数，称为磁盘存储存储容量。一个磁盘存储器所能存储的字节总数，称为磁盘存储器的存储容量。存储容量有格式化容量和非格式化容量之分。器的存储容量。存储容量有格式化容量和非格式化容量之分。格格式化容量式化容量是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，也是指按照某种特定的记录格式所能存储信息的总量，也就是用户可以真正使用的容量。就是用户可以真正使用的容量。非格式化容量非格式化容量是磁记录表面可以是磁记录表面可以利用的磁化单元总数。格式化容量一般是非格式化容量的利用的磁化单元总数。格式化容量一般是非格式化容量的60%70%。2022/11/2937第
32、37页，本讲稿共116页辅存辅存平均存取时间平均存取时间。存取时间是指从发出读写命令后。磁头从某一。存取时间是指从发出读写命令后。磁头从某一起始位置移动至新的记录位置，到开始从盘片表而读出或写入信起始位置移动至新的记录位置，到开始从盘片表而读出或写入信息所需要的时间。这段时间由两个数值决定，一个是将磁头定位息所需要的时间。这段时间由两个数值决定，一个是将磁头定位至所要求的磁道所需的时间，称为定位时间或寻道时间；另一个至所要求的磁道所需的时间，称为定位时间或寻道时间；另一个是寻道完成后至磁道上需要访问的信息到达磁头下的时间，称为是寻道完成后至磁道上需要访问的信息到达磁头下的时间，称为等待时间，这
33、两个时间都是随机变化的，因此往往使用平均值来等待时间，这两个时间都是随机变化的，因此往往使用平均值来表示。平均存取时间等于平均寻道时间与平均等待时间之和。平表示。平均存取时间等于平均寻道时间与平均等待时间之和。平均寻道时间是最大寻道时间与最小寻道时间的平均值，目前平均均寻道时间是最大寻道时间与最小寻道时间的平均值，目前平均寻道时间为寻道时间为10ms20ms。平均等待时间和磁盘转速有关，它用磁。平均等待时间和磁盘转速有关，它用磁盘旋转一周所需时间的一半来表示。目前固定磁盘转速高达盘旋转一周所需时间的一半来表示。目前固定磁盘转速高达6000转转/分，故平均等待时间为分，故平均等待时间为5ms。2
34、022/11/2938第38页，本讲稿共116页辅存辅存数据传输率数据传输率。磁盘存储器在单位时间内向主机传送数。磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，叫数据传输率，传输率与存储设备和主机据的字节数，叫数据传输率，传输率与存储设备和主机接口逻辑有关。从主机接口逻辑考虑，应有足够快的传接口逻辑有关。从主机接口逻辑考虑，应有足够快的传送速度向设备接收送速度向设备接收/发送信息。从存储设备考虑，假设磁发送信息。从存储设备考虑，假设磁盘旋转速度为盘旋转速度为n转转/秒，每条磁道容量为秒，每条磁道容量为N个字节，则数个字节，则数据传输率据传输率Dr=nN（Bps）。也可以写成）。也可以写成Dr=
35、Dv（Bps），其中），其中D为位密度，为位密度，v为磁盘旋转的为磁盘旋转的线速度。目前磁盘存储器的数据传输率可达几十兆线速度。目前磁盘存储器的数据传输率可达几十兆Bps。2022/11/2939第39页，本讲稿共116页辅存辅存例题：假设一个有例题：假设一个有3个盘片的硬盘，共有个盘片的硬盘，共有4个记录面，转个记录面，转速为速为7200转转/分，盘面有效记录区域的外直径为分，盘面有效记录区域的外直径为30cm，内直径为，内直径为10cm，记录位密度为，记录位密度为250位位/mm，磁道密度，磁道密度为为8道道/mm，每磁道分，每磁道分16个扇区，每扇区个扇区，每扇区512个字节，个字节，则
36、该硬盘的非格式化容量和格式化容量约为则该硬盘的非格式化容量和格式化容量约为，数据传输速率约为，数据传输速率约为。若一个文件超出一个磁道。若一个文件超出一个磁道容量，剩下的部分存于容量，剩下的部分存于。返回2022/11/2940第40页，本讲稿共116页高速缓存高速缓存Cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU和主存之间和主存之间速度不匹配而采用的一项重要技术。速度不匹配而采用的一项重要技术。Cache是介于是介于CPU和主存和主存之间的小容量存储器，但存取速度比主存快。之间的小容量存储器，但存取速度比主存快。能高速地向能高速地向CPU提供指令和数据，从而
37、加快了程序的执行提供指令和数据，从而加快了程序的执行速度。从功能上看，它是主存的缓冲存储器，由高速的速度。从功能上看，它是主存的缓冲存储器，由高速的SRAM组成。组成。当前随着半导体器件集成度的进一步提高，当前随着半导体器件集成度的进一步提高，Cache已放已放入到入到CPU中，其工作速度接近中，其工作速度接近CPU的速度，从而能组成两级的速度，从而能组成两级以上的以上的Cache系统。系统。2022/11/2941第41页，本讲稿共116页高速缓存高速缓存Cache工作原理要求它尽量保存最新数据。如何选取就工作原理要求它尽量保存最新数据。如何选取就涉及到替换策略，又称替换算法。通过硬件实现的
38、常用涉及到替换策略，又称替换算法。通过硬件实现的常用算法主要有以下算法主要有以下3种。种。先进先出（先进先出（FIFO）算法）算法近期最少使用（近期最少使用（LRU）算法）算法随机替换随机替换返回2022/11/2942第42页，本讲稿共116页1.1.3输入输出结构和设备输入输出结构和设备中断、中断、DMA、通道、通道、SCSI（II）I/0接口（接口（RS232、USB、IEEE1394、红外线接口）红外线接口）（I）输入输出设备类型和特征输入输出设备类型和特征（I）返回2022/11/2943第43页，本讲稿共116页I/O接口接口计算机系统所配置的外部设备，类型繁多，数量不同。它们不计
39、算机系统所配置的外部设备，类型繁多，数量不同。它们不仅在工作速度上与中央处理器差别极大，而且在数据表示的形仅在工作速度上与中央处理器差别极大，而且在数据表示的形式上与计算机内部形式也不一致，每一个外部设备都是一个独式上与计算机内部形式也不一致，每一个外部设备都是一个独立的部件。因此，要实现外部设备与主机之间的连接和信息交立的部件。因此，要实现外部设备与主机之间的连接和信息交换，必须经过一个数据转换和传输的设备。这种设备通常称为换，必须经过一个数据转换和传输的设备。这种设备通常称为I/O接口（接口（Interface）。）。I/O接口的主要功能有地址译码、交换数据、控制和状态信息、支持接口的主要
40、功能有地址译码、交换数据、控制和状态信息、支持主机不同的传送方法、支持主机传送的不同控制方法、提供主机和外主机不同的传送方法、支持主机传送的不同控制方法、提供主机和外部设备所需缓冲、暂存和驱动能力、数据格式转换、编码与译码、信部设备所需缓冲、暂存和驱动能力、数据格式转换、编码与译码、信号变换等。号变换等。2022/11/2944第44页，本讲稿共116页外设的访问外设的访问中断方式：是指在计算机执行期间，系统内发生任中断方式：是指在计算机执行期间，系统内发生任何非寻常的或非预期的急需处理事件，使得何非寻常的或非预期的急需处理事件，使得CPU暂暂时中断当前正在执行的程序而转去执行相应的时间时中断
41、当前正在执行的程序而转去执行相应的时间处理程序。待处理完毕后又返回原来被中断处继续处理程序。待处理完毕后又返回原来被中断处继续执行或调度新的进程执行的过程。执行或调度新的进程执行的过程。中断可分为中断可分为内部中断内部中断和和外部中断外部中断。内部中断是中央处。内部中断是中央处理器内部产生的中断，外部中断则来自处理器外部，理器内部产生的中断，外部中断则来自处理器外部，可分为可分为可屏蔽中断可屏蔽中断和和非屏蔽中断非屏蔽中断。2022/11/2945第45页，本讲稿共116页外设的访问外设的访问中断过程：中断过程：中断请求中断请求中断承认中断承认中断响应中断响应断点恢复与返回断点恢复与返回202
42、2/11/2946第46页，本讲稿共116页外设的访问外设的访问中断的判断（多个中断源）中断的判断（多个中断源）每个中断源使用自己的中断请求信号线与处理器相连每个中断源使用自己的中断请求信号线与处理器相连统一的中断请求，由处理器自行判断统一的中断请求，由处理器自行判断硬件查询法，发生中断的设备响应中断确认信号硬件查询法，发生中断的设备响应中断确认信号总线仲裁，外设中断需先取得总线控制权总线仲裁，外设中断需先取得总线控制权中断向量表：中断向量表是一张关于不同中断处理程序入口地址中断向量表：中断向量表是一张关于不同中断处理程序入口地址的表格，每个中断源有不同的的表格，每个中断源有不同的“中断号中断
43、号”，即中断向量。，即中断向量。2022/11/2947第47页，本讲稿共116页外设的访问外设的访问DMA方式：方式：直接存储器存取工作方式。在直接存储器存取工作方式。在DMA方式方式下，外设通过下，外设通过DMA控制器向控制器向CPU提出接管总线控制权提出接管总线控制权的总线要求，的总线要求，CPU在当前的总线周期结束后，响应在当前的总线周期结束后，响应DMA请求，并把总线控制权交给请求，并把总线控制权交给DMA控制器。在控制器。在DMA控制器的管理下，外设和寄存器之间就可以直接进控制器的管理下，外设和寄存器之间就可以直接进行数据交换。行数据交换。2022/11/2948第48页，本讲稿共
44、116页DMA方式方式CPUDMAC内 存外 设DMA请求DREQDMA响应DACK总线2022/11/2949第49页，本讲稿共116页外设的访问外设的访问DMA工作过程如下：工作过程如下：向向CPU申请申请DMA传送；传送；获获CPU允许后，允许后，DMA控制器接管系统总线的控控制器接管系统总线的控制权；制权；在在DMA控制器的控制下，在存储器和外部设备控制器的控制下，在存储器和外部设备之间直接进行数据传送，在传送过程中不需要之间直接进行数据传送，在传送过程中不需要中央处理器的参与。开始时需提供要传送的数中央处理器的参与。开始时需提供要传送的数据的起始地址和数据长度。据的起始地址和数据长度
45、。传送结束后，向传送结束后，向CPU返回返回DMA操作完成信号。操作完成信号。2022/11/2950第50页，本讲稿共116页外设的访问外设的访问通道：通道：通道通道是一种通过执行通道程序管理是一种通过执行通道程序管理I/O操作的控制器，它使主机操作的控制器，它使主机（CPU和内存）与和内存）与I/O操作之间达到更高的并行程度。由于它的操作之间达到更高的并行程度。由于它的任务是管理实现输入任务是管理实现输入/输出操作，提供一种传送通道，所以将输出操作，提供一种传送通道，所以将这种部件称作这种部件称作“通道通道”。CPU把数据传输功能下放给通道，把数据传输功能下放给通道，通道与通道与CPU分时
46、使用内存，实现分时使用内存，实现CPU与外设的并行工作。与外设的并行工作。通道控制器通道控制器是一个有自身指令结构的处理器，有自己简单的指是一个有自身指令结构的处理器，有自己简单的指令系统，有更强的处理能力，可以同时控制多种外设。令系统，有更强的处理能力，可以同时控制多种外设。2022/11/2951第51页，本讲稿共116页外设的访问外设的访问SCSI：SCSI接口就是指接口就是指SmallComputerSystemInterface(小小型计算机系统接口型计算机系统接口)，是一种连结主机和外围设备的接，是一种连结主机和外围设备的接口，支持包括磁盘驱动器、磁带机、光驱、扫描仪在口，支持包括
47、磁盘驱动器、磁带机、光驱、扫描仪在内的多种设备。它由内的多种设备。它由SCSI控制器进行数据操作，控制器进行数据操作，SCSI控制器相当于一块小型控制器相当于一块小型CPU，有自己的命令集，有自己的命令集和缓存和缓存。2022/11/2952第52页，本讲稿共116页外设的访问外设的访问SCSI的优点的优点SCSI可支持多个设备可支持多个设备SCSI还允许在对一个设备传输据的同时，另一还允许在对一个设备传输据的同时，另一个设备对其进行数据查找个设备对其进行数据查找SCSI占用占用CPU极低，在多任务系统中占有着明极低，在多任务系统中占有着明显的优势显的优势数据传输速率较高数据传输速率较高202
48、2/11/2953第53页，本讲稿共116页I/O接口接口RS-232：严格地讲，严格地讲，RS-232接口是接口是DTE（数据终端设备）和（数据终端设备）和DCE（数据通信设备）之间的一个接口，（数据通信设备）之间的一个接口，DTE包括包括计算机、终端、串口打印机等设备。计算机、终端、串口打印机等设备。DCE通常只有通常只有调制解调器（调制解调器（MODEM）和某些交换机）和某些交换机COM口。口。2022/11/2954第54页，本讲稿共116页I/O接口接口个人计算机对外标准接口原来只有串口和并口，这个人计算机对外标准接口原来只有串口和并口，这两种接口的速度和性能都难以适应新设备的发展，
49、两种接口的速度和性能都难以适应新设备的发展，于是有了于是有了USB和和1394两种接口。两种接口。USB接口有如下特点：接口有如下特点：通过集线器可以扩展连接到通过集线器可以扩展连接到127个外设个外设速度快，速度快，USB2.0已达到已达到480Mb/s设备安装配置容易设备安装配置容易支持热拔插支持热拔插2022/11/2955第55页，本讲稿共116页I/O接口接口1394接口：是一种串行接口，速度可达接口：是一种串行接口，速度可达400Mb/s，新的标，新的标准是准是800Mb/s，可支持的设备数量更多。，可支持的设备数量更多。USB接口和接口和1394接口在很多方面很相似。由于接口在很
50、多方面很相似。由于USB的实的实现简单，在现简单，在PC上发展迅猛，而上发展迅猛，而1394接口以接口以“高速高速”为核心，为核心，能出色地满足人们对影音方面大容量、高速度的要求。能出色地满足人们对影音方面大容量、高速度的要求。2022/11/2956第56页，本讲稿共116页I/O接口接口红外接口红外接口红外接口英文简称为红外接口英文简称为IrDA，是，是InfraredDataAssociation（红（红外线数据标准协会）的英文缩写，外线数据标准协会）的英文缩写，IrDA红外接口是一种红外线红外接口是一种红外线无线传输协议以及基于该协议的无线传输接口。支持无线传输协议以及基于该协议的无线