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1、 计 算 机 组 成 原 理 一、计算机系统概述（-）计算机发展历程第一台电子计算机 E N I A C （E l e c t r o n i c N u me r i c a l I n t e g r a t o r A n d C o mp u t e r）诞生于1 94 6 年的美国宾夕法尼亚大学。E N I A C 用了 1 80 0 0 电子管、1 5 0 0 继电器、重 3 0 吨、占地1 7 0 m3、耗 电 1 4 0 k w、每秒计算5 0 0 0 次加法。冯诺 依 曼（V a n N e u ma n n）首次提出存储程序的概念，将数据和程序一起放在存储器中，使得编程更加
2、方便。5 0 多年来，虽然对冯诺依曼机进行了很多改革，但结构变化不大，仍然称为冯诺依曼机。一般把计算机的发展分为四个阶段：第 一 代（1 94 6-5 0 s 后期）：电子管计算机时代;第 二 代（50 中 期-6 0,s 后期）：晶体管计算机时代；第 三 代（6 0 s 中期-7 0 s 前期）：集成电路计算机时代；第 四 代（7 0 s 初-）：大规模集成电路计算机时代。（-）计算机系统层次结构1 .计算机硬件的基本组成计算机硬件主要指计算机的实体部分，通常有运算器、控制器、存储器、输入和输出五部分。C PU 是指将运算器和控制器集成到一个电路芯片中。2 .计算机软件的分类计算机软件按照面
3、向对象的不同可分两类：系统软件：用于管理整个计算机系统，合理分配系统资源，确保计算机正常高效地运行，这类软件面向系统。应用软件：是面向用户根据用户的特殊要求编制的应用程序，这类软件通常实现用户的某类要求。3 .计算机的工作过程（1）计算机的工作过程就是执行指令的过程指令由操作码和地址码组成：操作码地址码操作码指明本指令完成的操作地址码指明本指令的操作对象（2）指令的存储指令按照存储器的地址顺序连续的存放在存储器中。（3）指令的读取为了纪录程序的执行过程，需要一个记录读取指令地址的寄存器，称为指令地址寄存器，或者程序计数器。指令的读取就可以根据程序计数器所指出的指令地址来决定读取的指令，由于指令
4、通常按照地址增加的顺序存放，故此，每次读取一条指令之后，程序计数器加一就为读取下一条指令做好准备。（4）执行指令的过程在控制器的控制下，完成以下三个阶段任务：1)取指令阶段按照程序计数器取出指令，程序计数器加一2)指令译码阶段分析操作码，决定操作内容，并准备操作数3)指令执行阶段执行操作码所指定内容(三)计算机性能指标1.吞吐量、响应时间(1)吞吐量：单位时间内的数据输出数量。(2)响应时间：从事件开始到事件结束的时间，也称执行时间。2.CP U时钟周期、主频、CP I、CP U执行时间(1)CP U时钟周期：机器主频的倒数，T c(2)主频：CP U工作主时钟的频率，机器主频Rc(3)CP
5、I：执行一条指令所需要的平均时钟周期(4)CP U执行时间：T CP U=I n 义 CP I X TQI n 执行程序中指令的总数CP I 执行每条指令所需的平均时钟周期数TC时钟周期时间的长度3.M I P S、M FL O P S(1)M I P S：M I P S(M illio n I n s t r u ct io n s P er Seco n d)M I P S=I n/(T eX 1 06)=I n/(I n X CP I X T cX 1 06)=Rc/(CP I X 1 06)T e：执行该程序的总时间I n：执行该程序的总指令数Rc：时钟周期T c的到数M I P S只
6、适合评价标量机，不适合评价向量机。标量机执行一条指令，得到一个运行结果。而向量机执行一条指令，可以得到多个运算结果。(2)M FL O P S：M FL O P S(M illio n Flo at in g P o in t O p er at io n s P er Seco n d)M FL O P S=I fn/(T eX 1 06)I fn：程序中浮点数的运算次数M FL O P S测量单位比较适合于衡量向量机的性能。一般而言，同一程序运行在不同的计算机上时往往会执行不同数量的指令数，但所执行的浮点数个数常常是相同的o-2-数据的表示和运算(-)数制与编码1 .进位计数制及其相互转换
7、1)进位计数制进位计数制是指按照进位制的方法表示数，不同的数制均涉及两个基本概念：基数和权。基数：进位计数制中所拥有数字的个数。权：每位数字的值等于数字乘以所在位数的相关常数，这个常数就是权。任意一个R 进制数X,设整数部分为n 位，小数部分为m 位，则 X 可表示为：X=an_jrn-+an-2 rn-2 +-+agr +a _ 2r+-+a_mr-n i(X)r =Vf=n-l2)不同数制间的数据转换(1)二、八、十六进制数转换成十进制数利用上面讲到的公式：(N)2=D i 3、(N)8=E D i 8 (N)1 6=E D i 1 6 k 进行计算。(2)十进制数转换成二进制数通常要对一
8、个数的整数部分和小数部分分别进行处理，各自得出结果后再合并。对整数部分，一般采用除2取余数法，其规则如下：将十进制数除以2,所得余数(0或 1)即为对应二进制数最低位的值。然后对上次所得商除以2,所得余数即为二进制数次低位的值，如此进行下去，直到商等于0 为止，最后得的余数是所求二进制数最高位的值。对小数部分，一般用乘2 取整数法，其规则如下：将十进制数乘以2,所得乘积的整数部分即为对应二进制小数最高位的值，然后对所余数的小数部分部分乘以2,所得乘积的整数部分为次高位的值，如此进行下去，直到乘积的小数部分为0,或结果已满足所需精度要求为止。(3)二进制数、八进制数和十六进制数之间的转换八进制数
9、和十六进制数是从二进制数演变而来的：由 3 位二进制数组成1 位八进制数；由 4位二进制数组成1 位十六进制数。对于一个兼有整数和小数部分的数以小数点为界，小数点前后的数分别分组进行处理，不足的位数用0 补足。对整数部分将0 补在数的左侧，对小数部分将0 补在数的右侧。这样数值不会发生差错。2 .真值和机器数真值：数据的数值通常以正(+)负(-)号后跟绝对值来表示，称 之 为“真值”。机器数：在计算机中正负号也需要数字化，一般用0表示正号，1 表示负号。把符号数字化的数成为机器数。3 .B C D 码在计算机中采用4位二进制码对每个十进制数位进行编码。4位二进制码有1 6 种不同的组合,从中选
10、出1 0 种来表示十进制数位的0-9,用 0 0 0 0,0 0 0 1,，中0 1 分别表示0,1,9,每个数位内部满足二进制规则，而数位之间满足十进制规则，故称这种编码为“以二进制编码的十进制(b ina r y c o d ed d ec ima l,简称B C D)码”。在计算机内部实现B C D码算术运算，要对运算结果进行修正，对加法运算的修正规则是:如果两个一位B C D码相加之和小于或等于(1 0 0 1)2,即(9)1 0,不需要修正；如相加之和大于或等于(1 0 1 0)2,或者产生进位，要进行加6 修正，如果有进位，要向高位进位。4 .字符与字符串在计算机中要对字符进行识别
11、和处理，必须通过编码的方法，按照一定的规则将字符用 组二进制数编码表示。字符的编码方式有多种，常见的编码有A S C H 码、EB C DI C 码等。1)A S C I I 码A S C H 码用7 位二进制表示一个字符，总共1 2 8 个字符元素，包括1 0 个十进制数字(0-9)、5 2 个英文字母(A-Z 和 a-z)、3 4 专用符号和3 2 控制符号。2)EB C DI C 码为 Ext end ed B ina r y C o d ed Dec ima l I nt er c h a ng e C o d e 的简称，它采用8 位来表示一个字符。3)字符串的存放向量存储法：字符串
12、存储时，字符串中的所有元素在物理上是邻接的。串表存储法：字符串的每个字符代码后面设置一个链接字，用于指出下一个字符的存储单元的地址。5 .校验码数据校验码是一种常用的带有发现某些错误或自动改错能力的数据编码方法。其实现原理，是加进一些冗余码，使合法数据编码出现某些错误时，就成为非法编码。这样，可以通过检测编码的合法性来达到发现错误的H 的。合理地安排非法编码数量和编码规则，可以提高发现错误的能力，或达到自动改正错误的目的。码距：码距根据任意两个合法码之间至少有几个二进制位不相同而确定的，仅有一位不同，称其码距为屋1)奇偶校验码它的实现原理，是使码距由1 增加到2。若编码中有1 位二进制数出错了
13、，即 由 1 变成0,或者山0变 成 1。这样出错的编码就成为非法编码，就可以知道出现了错误。在原有的编码之上再增加一位校验位，原编码n 位，形成新的编码为n+1 位。增加的方法有2 种：奇校验：增加位的0 或 1 要保证整个编码中1 的个数为奇数个。偶校验：增加位的0 或 1 要保证整个编码中1 的个数为偶数个。2)海明校验码它的实现原理，是在数据中加入几个校验位，并把数据的每一个二进制位分配在几个奇偶校验组中。当某一位出错就会引起有关的几个校验组的值发生变化，这不但可以发现出错，还能指出是哪位出错，为自动纠错提供了依据。假设校验位的个数为r,则它能表示2 r 个信息，用其中的一个信息指出“
14、没有错误”，其余2 1 1 个信息指出错误发生 在 哪 一位。然而错误也可能发生在校验位，因此只有k=2 r-l-r 个信息能用于纠正被传送数据的位数，也就是说要满足关系：2r=k+r+l3)C R C 校验码C R C 校验码一般是指k 位信息之后拼接r 位校验码。关键问题是如何从k 位信息方便地得到r 位校验码，以如何从位k+r 信息码判断是否出错。将带编码的k 位有效信息位组表达为多项式：M(x)=C k-i x k T+Ck_2xk-2+Q x i +C l x +Co式 C i 中为0或 1.若将信息位左移r 位，则可表示为多项式M(x).x r。这样就可以空出r位，以便拼接r-4-
15、位校验位。C R C 码是用多项式M(x).x r 除以生成多项式G(x)所得的余数作为校验码的。为了得到r位余数，G(x)必须是r+1 位。设所得的余数表达式为R(x),商为Q(x)。将余数拼接在信息位组左移r 位空出的r 位,就构成了 C R C 码，这个码的可用多项式表达为：M (x)x r+R(x)=Q(x)G(x)+R(x)+R(x)=Q(x)G(x)+R(x)+R(x)=Q (x)G(x)因此，所得C R C 码可被G(x)表示的数码除尽。将收到的C R C 码用约定的生成多项式G(x)去除，如果无错，余数应为0,有某一位出错，余数不为0.(-)定点数的表示和运算1.定点数的表示1
16、)无符号数的表示无符号数就是指正整数，机器字长的全部位数均用来表示数值的大小，相当于数的绝对值。对于字长为n+1 位的无符号数的表示范围为：0-2n+1-l2)带符号数的表示带符号数是指在计算机中将数的符号数码化。在计算机中，一般规定二进制的最高位为符号位，最高位为”表示该数为正，为 表 示 该 数 为 负。这种在机器中使用符号位也被数码化的数称为机器数。根据符号位和数值位的编码方法不同，机器数分为原码、补码和反码。(1)原码表示法机器数的最高位为符号位，0表示正数，1 表示负数，数值跟随其后，并以绝对值形式给出。这是与真值最接近的一种表示形式。原码的定义：H x；o X 1 X 原=1-X
17、=1+I X 1;-1 X 0(2)补码表示法机器数的最高位为符号位，0 表示正数，I 表示负数，其定义如下:X;0 X 1 X 补=2+X =2-X;-X 0(3)反码表示法机器数的最高位为符号，0 表示正数，1 表示负数。反码的定义：L X,0X 1 X 反=|2-2-H+X;-l X c010+x,右移2位0-C011+2X,右移2位o-*c100+2X,右移2位0-c101-x,右移2位l-C110-x,右移2位1-C111+0,右移2位1-C求部分积的次数和右移操作的控制问题。Yn i-1Yn-iYn-i+1Pi+2补000+0,右移2位001+X补，右移2位010+X补，右移2位0
18、11+2 X补，右移2位100-2 X补，右移2位101TX补，右移2位110-X补，右移2位111+0,右移2位当乘数由1位符号位和以n(奇数)位数据位组成时，求部分积的次数为(1+n)/2,而且最后一次的右移操作只右移一位。若数值位本身为偶数n,可采用下述两种方法之一：可在乘数的最后一位补一个0,乘数的数据位就成为奇数，而且其值不变，求部分积的次数 为l+(n+l)/2,即n/2+l,最后一次右移操作也只右移一位。乘数增加一位符号位，使总位数仍为偶数，此时求部分积的次数为n/2+l,而且最后一次不再执行右移操作。(3)补码除法 1 定点原码一位除法1恢复余数法被除数(余数)减去除数，如果为
19、。或者为正值时，上商为1,不恢复余数；如果结果为负，上商为0,再将除数加到余数中，恢复余数。余数左移1位。2 加减交替法当余数为正时，商 上1,求下一位商的办法，余数左移一位，再减去除数；当余数为负时，商上0,求下一位商的办法，余数左移一位，再加上除数。2定点补码一位除法(加减交替法)1如果被除数与除数同号，用被除数减去除数；若两数异号，被除数加上除数。如果所得余数与除数同号商上1,否则，商上0,该商为结果的符号位。2 求商的数值部分。如果上次商上1,将除数左移一位后减去除数；如果上次商上0,将余数左移一位后加除数。然后判断本次操作后的余数，如果余数与除数同号商上1,如果余数与除数异号商上0。
20、如此重复执行n-1 次（设数值部分n 位）。3 商的最后一位一般采用恒置1 的办法，并省略了最低+1 的操作。此时最大的误差为2 F。5）溢出概念和判别方法当运算结果超出机器数所能表示的范围时，称为溢出。显然，两个异号数相加或两个同号数相减，其结果是不会溢出的。仅当两个同号数相加或者两个异号数相减时，才有可能发溢出的情况，一 旦 溢出，运算结果就不正确了，因此必须将溢出的情况检查出来。判别方法有三种：0 当符号相同的两数相加时，如果结果的符号与加数（或被加数）不相同，则为溢出。2）当任意符号两数相加时，如果C=Cf,运算结果正确，其中C 为数值最高位的进位，Cf 为符号位的进位。如果CWCf
21、,则为溢出，所以溢出条件=C Cf 。3）采用双符号f s 2 f s l。正数的双符号位为0 0,负数的双符号位为1 1。符号位参与运算，当结果的两个符号位甲和乙不相同时，为溢出。所以溢出条件=f s 2 f s l ,或者溢出条件=f s 2 f s l +f s 2 f s l（三）浮点数的表示和运算1 .浮点数的表示1）浮点数的表示范围；浮点数是指小数点位置可浮动的数据，通常以下式表示：N=M R E其中，N为浮点数，M为尾数，E为阶码，R称 为“阶的基数（底）”，而 且 R为一常数，一般为2、8 或 1 6。在一台计算机中，所有数据的R都是相同的，于是不需要在每个数据中表示出来。因此
22、，浮点数的机内表示一般采用以下形式：浮点数的机内表示般采用以下形式：M sEM1 位 n+1 位 m位M s 是尾数的符号位，设置在最高位上。E为阶码，有 n+1 位，一般为整数，其中有一位符号位，设置在E的最高位上，用来表正阶或负阶。M为尾数，有 m位，由 M s 和 M组成一个定点小数。M s=0,表示正号，M s=l,表示负。为了保证数据精度属数通常用规格化形式表示：当 R=2,且尾数值不为0时，其绝对值大于或等于（0.5）1 0。对非规格化浮点数，通过将尾数左移或右移，并修改阶码值使之满足规格化要求。2 ）IE E E 7 5 4 标准根 据 IE E E 7 5 4 国际标准，常用的
23、浮点数有两种格式：（1）单精度浮点数（3 2 位），阶码8 位，尾数2 4 位（内含：位符号位）。（2）双精度浮点数（6 4 位），阶 码 1 1 位，尾 数 5 3 位（内含：位符号位）。单精度格式3 2 位，阶码为8 位，尾数为2 3 位。另有一位符号位S,处在最高位。由于IE E E 7 5 4 标准约定在小数点左部有一位隐含位，从而实际有效位数为2 4 位。这样使得尾数的有效值变为LM。例如，最小为xl.O 0,最大为xl.l 1。规格化表示。故小数点左边的位横为1,可省去。阶码部分采用移码表示，移码值1 2 7,1 到 2 5 4 经移码为-1 2 6 至 肝1 2 7。-8-S(1
24、 位)E（8 位）M(23 位)N （共 32位）符号位000符号位0不等于0(-DS 2-126 (0.M)为非规格化数符号位1 到 254之间-(-DS-2E-127 (1.M)为规格化数符号位255不等于0NaN（非数值）符号位2550无穷大0 有了精确的表示，无穷大也明确表示。对于绝对值较小的数，可以采用非规格化数表示，减少下溢精度损失。非规格化数的隐含位是0,不 是 1。2.浮点数的加/减运算加减法执行下述五步完成运算：1）“对阶”操作比较两浮点数阶码的大小，求出其差 ,保留其大值E,E=max（Ex,Ey）当 AE#0时，将阶码小的尾数右移AE位，并将其阶码加上A E,使两数的阶码
25、值相等。2）尾数加减运算执行对阶之后，两尾数进行加减操作。3）规格化操作规格化的目的是使得尾数部分的绝对值尽可能以最大值的形式出现。4）舍入在执行右规或者对阶时，尾数的低位会被移掉，使数值的精度受到影响，常 用“0”舍“1”入法。当移掉的部分最高位为1 时，在尾数的末尾加1,如果加1 后又使得尾数溢出，则要再进行一次右规。5）检查阶码是否溢出阶后溢出表示浮点数溢出。在规格化和舍入时都可能发生溢出，若阶码正常，力 口/减运算正常结束。若阶码下溢，则设置机器运算结果为机器零，若上溢，则设置溢出标志。（四）算术逻辑单元ALU1.串行加法器和并行加法器1）串行进位加法器并行加法器可以同时对数据的各位进
26、行相加，一般用n 个全加器来实现2 个操作数的各位同时向加。其操作数的各位是同时提供的，由于进位是逐位形成，低位运算所产生的进位会影响高位的运算结果。串行进位（也称波形进位）加法器，逻辑电路比较简单，但是最高位的加法运算，一定要等到所有低位的加法完成之后才能进行，低位的进位要逐步的传递到高位，逐级产生进位，因此运算速度比较慢。串行进位加法器2）并行进位加法器为了提高运算速度，减少延迟时间，可以采用并行进位法，也叫提前进位或先行进位。全加器中，输入Ai、B i、C i-1,输出：S i =A i B i C i-l+A i B i C i-l+A i B i C i-l+A i B i C i-
27、1C i =A i B i C i-l+A i B i C i-l+A i B i C i-l+A i B i C i-1 =A i B i +(A i+B i)C i-l进位产生函数：G i =A i B i进位传递函数：P i =A i+B iC i =G i +P i C i-1C 4 =G 4 +P 4 G 3 +P 4 P 3 G 2 +P 4 P 3 P 2 G 1 +P 4 P 3 P 2 P 1 C 0并行进位加法器的运算速度很快，形成最高进位输出的延迟时间很短，但是以增加硬件逻辑线路为代价。对于长字长的加法器，往往将加法器分成若干组，在组内采用并行进位，组间则采用串行进位或并
28、行进位，由此形成多种进位结构。（1）单级先行进位单级先行进位方式将n位字长分为若干组，每组内采用并行进位方式，组与组之间册采用串行进位方式。（2）多级先行进位多级先行进位在组内和组间都采用先行进位方式。1 6 位单级先行进位加法器2.算术逻辑单元A L U 的功能和机构A L U 部件是运算器中的主要组成部分，又称为多功能函数发生器，主要用于完成各种算术运算和逻辑运算。A L U 的算术运算部件包含加法器、减法器、乘法器、除法器、增量器（+1）、减量器（-1）、B C D 码运算器等组件。A L U 的主要工作是根据C P U 的指令要求执行各种指定的运算，如加法、减法、乘法、除法、比较、逻辑
29、移位等操作。-10-通用寄存器组是一组存取速度最快的存储器，用于保存参加运算的操作数和中间结果。访问寄存器无需高速缓存，也不需要运行总线周期，因此指令的执行速度很快。几乎所有的指令都要将寄存器指定为一个操作数，有些指令还要求将操作数存放在专用的寄存器中。专用寄存器通常用于表示CPU所处于某种系统状态，ALU中有两个重要的状态寄存器：指令指针寄存器IP（即程序计数器PC）和标志寄存器FLAGS。三、存储器层次机构（-）存储器的分类1.按存储介质分类1）半 导 体 存 储 器2）磁表面存储器 3）磁芯存储器 4）光盘存储器2.按存取方式分类1）随机存储器 2）只读存储器 3）串行访问存储器3.按在
30、计算机中的作用分类存储器随机存储器（RAM）y主 存 y 上 只读存储器（ROM）Y静态RAM动态RAMMROMPROMEPROMEEPROM闪速存储器（Flash Memory）磁盘磁带光盘 一级转移方式当操作码的位数与位置固定时，可直接使操作码与入口地址的部分位对应。2 多级转移方式先按照指令类型标志转移到某条微指令，以区分出是哪一大类，然后可以进一步按指令操作码转移，区分出是该指令中的哪一类具体操作。2）微程序后继地址的形成以增量方式产生后继微地址。在顺序执行微指令时，后继微地址由现行微地址加上一个增量（通常为1）形成的；而在非顺序执行时则要产生一个转移微地址。增量与下址字段结合产生后继
31、微地址将微指令的下址字段分成两部分：转移控制字段BCF和转移地址字段BAE,当微程序实现转移时，将 BAF送 NPC,否则顺序执行下一条微指令（NPC+1）。-28-(五)指令流水线1.指令流水线的基本概念(1)流水线基本原理流水线技术是一种显著提高指令执行速度与效率的技术。方法是：指令取指完成后，不等该指令执行完毕即可取下一条指令。如果把一条指令的解释过程进一步细分，例如，把分析、执行两个过程分成取指、译码、执行、访存和写回寄存器五个子过程，并用五个子部件分别处理这五个子过程。这样只需在上一指令的第一子过程处理完毕进入第二子过程处理时.，在第一子部件中就开始对第二条指令的第一子过程进行处理。
32、随着时间推移，这种重叠操作最后可达到五个子部件同时对五条指令的子过程进行操作。间间元时时单I 1|2|3|4|5|6|7|8|9|10|11|12|13|14|指令指令指令指令指令指令指令指令23456789DIFICODIFIFOCODIFIEIFOCODIWOI*1FO!w pEIWOCOFOEIWODICODIFOCODIEIFOCODIFIWOEIFOCODIWOEIFOCOWOEIFOWOElWO指令六级流水时序(2)影响流水线性能的因素在流水线中会出现三种相关，影响流水线的畅通流动，这三种相关是结构相关、数据相关和控制相关。结构相关是当多条指令进人流水线后，硬件资源满足不了指令重叠
33、执行的要求时产生的o数据相关是指令在流水线中堂叠执行时，当后继指令需要用到前面指令的执行结果时发生的。控制相关是当流水线遇到分支指令和其他改变PC值的指令时引起的。(3)流水线性能流水线的性能通常用吞吐率、加速比和效率3项指标来衡量。1)吞吐率在指令流水线中，吞吐率是指单位时间内流水线所完成的指令或输出结果的数量。2)加速比流水线的加速比是指m段流水线的速度与等功能的非流水线的速度之比。3)效率效率是指流水线中个功能段的利用率。2.超标量和动态流水线的基本概念(1)超标量在超标量的处理器结构中，整数和浮点数运算、装入、存储以及条件转移等普通操作指令可以同时启动并独立执行。超标量流水CPU是指集
34、成了多条流水线结构的CPU,当流水线满载时，每个时钟周期可以完成条以上的指令。(2)动态流水线流水线按功能可分成单功能流水线和多功能流水线两种。单功能流水线只完成一种功能。如浮点加法或乘法流水线。多功能流水线则可完成多种功能，它允许在不同时间，甚至同一时间内在流水线内连接不同功能段的子集来实现不同功能。流水线按工作方式可分为静态流水线和动态流水线两种。在静态流水线中，同一时间内它只能以一种功能方式工作。它可以是单功能的，也可以是多功能的。当是多功能流水线时，则从种功能方式变为另种功能方式时，必须先排空流水线，然后为另一种功能设置初始条件后方可使用。显然，不希望这种功能的转换频繁的发生，否则将严
35、重影响流水线的处理效率。动态流水线则允许在同一时间内将不同的功能段连接成不同的功能子集(前提条件是功能部件的使用不发生冲突)，以完成不同的运算功能。显然，动态流水线必是多功能流水线，而单功能流水线则必是静态的。-30-六、总线（-）总线概述1.总线的基本概念总线是连接各个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质，总线上信息的传送分为串行和并行传输。2.总线的分类1）片内总线：芯片内部的总线2）系统总线：计算机各部件之间的信息传输线数据总线：双 向 与 机 器 字 长、存储字长有关地址总线：单 向 与 存 储 地 址、I/O地址有关控制总线：部分出部分入控制器控制所有部件3）通信总线：用于计算
36、机系统之间或计算机系统，与其他系统（如控制仪表、移动通信等）之间的通信传输方式：串行通信总线和并行通信总线3.总线的组成及性能指标总线的结构通常分为单总线结构和多总线结构。单总线结构是将CPU、主存、I/O设 备（通 过I/O接口）都挂在一组总线上。多总线结构的特点是将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来，形成主总线与I/O设备总线分开的结构。总线的性能指标1）总线宽度：数据总线的根数2）总线带宽：数据传输率3）时钟同步/异步：总线上的数据与时钟同步的称为同步总线，与时钟不同步的称为异步总线4）总线复用：一条信号线上分时传送两种信号。5）信号线数：地址总线、数据总线和控制总线三种总线数的总和
37、。6）总线控制方式：包括突发工作、自动配置、总裁方式、逻辑方式、技术方式等。7）其他指标：负载能力、电源电压、总线宽度能否扩展等。（-）总线仲裁由于总线上连接着多个部件，何时由咖个部件发送信息，如何定时，如何防止信息丢失，如何避免多个设备同时发送，如何规定接收部件等一系列问题都需要总线控制器统一管理，主要包括总线的判优控制（仲裁逻辑）和通信控制。总线仲裁逻辑可分为集中式和分布式两种，前者将控制逻辑集中在一处（如在CPU中）,后者将控制逻辑分散在总线的各个部件之上。1.集中仲裁方式集中仲裁方式有三种：（1）链式查询当一个或多个设备同时发出总线使用请求信号BR时，中央仲裁器发出的总线授权信号BG沿
38、着菊花链串行的从一个设备依次传送到下个设备，到达离出发点最近的发出总线请求的设备之后就不再往下传。总线控制部件BRI/O接口0I/O接口1.I/O接口数据线地址线(a)链式查询方式(2)计数器定时查询总线上个设备通过总线请求信号BR,发出请求，中央仲裁器接收到请求信号后，在总线忙信号BS为“0”的情况下，让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发往各设备。每个设备有一个地址判别电路，如果地址线上的计数值与总线请求设备地址一致，则该设备对BS线置“1”，表示该设备获得了总线使用权，同时中止计数查询。总线控制部件BSBR数据线地址线设备地址线I/O接口0I/O接口1I/O接口”(b),计数器定时查询
39、方式(3)独立请求方式每个连接到总线的设备都有组单独的总线请求信号BRi与总线授权信号BGi。每个设备请求使用总线时，它们各自发出自己的总线请求信号。中央仲裁器中设置了一个专门的排队电路，由它根据一定的优先次序决定优先响应哪个设备的请求，然后给该设备总线授权信号BGi总线控制北地址线数据线(c)独立请求方式I/O接口0I/O接口-32-2.分布仲裁方式同集中式仲裁相比，分布式仲裁不需要中央仲裁器，而是让各个主设备功能模块都有自己的仲裁号和仲裁电路。需要使用总线时，各个设备的功能模块将自己唯一的仲裁号发送到共享的总线上，各自的仲裁电路再将从仲裁总线上获得的仲裁号和自己的仲裁号相对比，获胜的仲裁号
40、将保留在仲裁总线上，相应设备的总线请求获得响应。(三)总线操作和定时目前在总线上的操作主要有以下几种：1)读和写读是将从设备(如存储器)中的数据读出并经总线传输到主设备(如C P U)；写是主设备到从设备的数据传输过程。2)块传送主设备给出要传输的数据块的起始地址后，就可以利用总线对固定长度的数据一个接一个的读出或写入。3)写后读或读后写主设备给出地址一次，就可以进行先写后读或者先读后写操作，先读后写往往用于校验数据的正确性，先写后读往往用于多道程序的对共享存储资源的保护。4)广播和广集主设备同时向多个从设备传输数据的操作模式称为广播。广集操作和广播操作正好相反，它将从多个从设备的数据在总线上
41、完成A N D 或 O R 操作，常用于检测多个中断源。所谓定时，是指事件出现在总线上的时间关系。总线常用的定时协议有同步定时方式和异步定时方式1 .同步定时方式同步定时方式要求所有的模块山统一的始终脉冲进行操作的控制，各模块的所有动作均在时钟周期的开始产生，并且多数动作在一个时钟周期内完成。2 .异步定时方式异步定时方式是一种应答方式或者互锁机制的定时方式。对于异步操作，操作的发生由主设备或从设备的的特定信号来确定。总线上一个事件的发生取决于前个事件的发生,双方互相提供联络信号。(四)总 线 标 准总线标准就是系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。目前流行的总线标准有以下几种：1
42、.系统总线1)I S A 工业标准体系(I nd u s t r y S t and ar d A r c h i t e c t u r e),它是最早出现的微型计算机总线标准，应用在I B M的 A T 机上。直到现在，微型计算机主板或工作站主板上还保留有少量的I S A 扩展槽。2)E I S A-扩展工业标准体系(E x t e nd e d I nd u s t r y S t and ar d A r c h i t e c t u r e),主要用于 2 8 6 微机。E I S A 对 I S A 完全兼容。3)VE S A-视频电子标准协会(Vi d e o E l e c
43、t r oni c S t and ar d A s s oc i at i on),是按照局部总线标准设计的一种开放总线，只适合于4 8 6 的一种过渡标准，已淘汰。4)PC I 外围设备互联(Pe r i ph e r al C om pone nt I nt e r c onne c t i on),PC I 局部总线是高性能的32 位 或 6 4 位总线，它是专门为高集成度的外围部件、扩充插板和处理器/存储器系统而设计的互连机制。5)A G P是一种新型的视频接口的技术标准，专用于连接主存和图形存储器。A G P总线宽32 位，时钟频率6 6 MH z,能 以 133MH z 工作,最
44、高的传输速率可达5 33Mb ps。2.设备总线1)IDE 集成驱动电子设备(Integrated Drive Electronics),它是一种在主机处理器和磁盘驱动器之间广泛使用的集成总线。绝大部分P C 的硬盘和相当数量的CD-ROM驱动器都是通过这种接口和主机连接的。2)SCSI-小型计算机系统接口(Small Computer System Interface),现在这种接口不再局限于将各种设备与小型计算机直接连接起来，它已经成为各种计算机(包括工作站、小型机、甚至大型机)的系统接口。3)RS-232-(Recommended Standard-232C),是由美国电子工业协会 EI
45、A(ElectronicIndustries Association)推荐的一种串行通信总线标准。4)USB-USB(Universal Serial Bus)接口基于通用的连接技术，可实现外设的简单快速连接，已达到方便用户、降低成本、扩展微机连接外设范围的目的。-34-七、输 入 输 出（I/O）系统（-）I/O 系统基本概念除了 C P U 存储器两大模块之外，计算机硬件系统的第三个关键部分就是输入输出模块,也称输入输出系统。输入输出系统的发展概况1）早期分散连接，C P U 和 I/O 设备 串行工作，程序查询方式2）接口模块和D M A 阶段总线连接，C P U 和 I/O 设备 并行
46、工作，中断方式和D M A 方式3）具有通道结构的阶段4）具 有 I/O 处理机的阶段（二）外部设备1 .输入设备：键盘、鼠标（）键盘键盘是目前应用最普遍的一种输入设备，与 C R T显示器组成终端设备.键盘是由一组排列成阵列形式的按键开关组成的，每按下个键，产生一个相应的字符 代 码（每个按键的位置码），然后将它转换成A S C I I 码或其他码，送主机。目前常用的标准键盘有1 0 1 个键，它除了提供通常的A S C H 字符以外，还有多个功能键（由软件系统定义功能）、光标控制键（上、下、左、右移动等）与编辑键（插入或消去字符）等。（2）鼠标机械式：金 属 球 电 位 器，光电式：光电转
47、换器2 .输出设备：显示器、打印机（1）显示器显示器分类：按器件分：C R T显示器；LE D 显示器；等离子体显示器。按显示内容分：字符显示器；图形显示器；图像显示器。按设备功能分：普通显示器；仅供显示，也称监视器。显示终端；显示器和键盘组成的输入输出设备。1）字符显示：字符发生器通过字符发生器在C R T上显示字符。2）图形显示：主观图像用点、线（直线和曲线）、面（平面和曲面）组合成平面或立体图形的显示设备。主要用于计算机辅助设计和计算机辅助制造等。3）图像显示：客观图像图像显示器所显示的图像（如遥感图形、医学图像、自然景物、新闻图片等）通常来自客观世界，又被称为客观图像。图像显示器是把山
48、计算机处理后的图像（数字图像）以点阵的形式显示出来，通常以光栅扫描方式，其分别率可达2 56 x 2 56 像素，或者51 2 x 51 2 像素，也可以与图形显示器兼容，其分别率可达到1 0 2 4 x 1 0 2 4 像素，灰度等级可达6 4 至 2 56 级。(2)打印机打印机分类：按印字原理分：打击式：点阵式打印机；非打击式：激光、静电、喷墨等。按工作方式分：串行打印机，逐字打印；行式打印机，逐行打印。1)点阵式打印机点阵针式打印机的印字原理是由打印针(钢针)印出n x m 个点阵组成字符或图形。西文字符点阵有5 x 7、7x 7、7x 9、9x 9几种，汉字点阵有1 6 x 1 6、
49、2 4 x 2 4、3 2 x 3 2、4 8x 4 8几种。打印头中的钢针数与打印机的型号有关，有 7 针、9 针，也有双列1 4 (2 x 7)针或双列2 4 (2 x 1 2)针。2)激光打印机激光打印机采用了激光技术和照相技术，印字的质量最好，在各个计算机系统中被广泛采用。激光打印机完成打印操作的基本工作过程大致是：充电一曝光一显影一转印一分离一定影一放电、清洁。3)喷墨打印机喷墨打印机是串行非打击式打印机，印字原理是将墨水喷射到普通打印纸匕若采用红、绿、蓝三色喷墨头，便可实现彩色打印。喷墨打印机按照喷墨方式分为连续式和随机式两大类。连续喷射方式是给墨水加压，使墨水流通过喷嘴连续喷射而
50、粒子化。随机式是指墨水只有在打印需要时才喷射，所以又称为按需打印式。目前，随机式喷墨打印机采用的喷墨技术主要有压电式和气泡式。3.外存储器：硬盘存储器、磁盘阵列、光盘存储器(1)硬盘存储器1)性能指标 1 存储密度道 密 度 a，位 密 度D o 2 存储容量C-n X k X s 3 寻址时间寻道时间+等待时间辅存的速度=寻址时间+磁头读写时间 4 数据传输率Dr=D o X.V 5 误码率出错信息位数与读出信息的总位数之比。2)硬磁盘存储器的类型 1 固定磁头和移动磁头固定磁头的磁盘存储器，其磁头位置固定不动，磁盘上的每一个磁道都对应着一个磁头，盘片也不可更换，其特点是省去了磁头沿着盘片径