計算機導(dǎo)論第五章-計算機組成

15計算機組成ComputerOrganization*2

能夠列出計算機的三個子系統(tǒng)；了解中央處理單元（CPU）的作用；了解指令周期的取指令-譯碼-執(zhí)行階段；

描述主存和它的地址空間；

區(qū)分主存和緩存；定義輸入/輸出子系統(tǒng)；

理解子系統(tǒng)間的互相連接，列出不同總線系統(tǒng)；

描述輸入/輸出尋址的不同方法.學(xué)習(xí)目標通過學(xué)習(xí)本章，同學(xué)們應(yīng)該能夠:*3馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的要點：四大部分：算術(shù)邏輯單元、控制單元、存儲器、輸入/輸出單元。數(shù)據(jù)和程序以二進制代碼形式存放在存儲器中，存放的位置由地址確定?？刂茊卧鶕?jù)存儲器中的指令序列（程序）進行工作，并由程序計數(shù)器控制指令的執(zhí)行。算術(shù)邏輯單元和控制單元是其核心，稱為CPU*4計算機的組成部件可以分為三大部分（或子系統(tǒng)）:中央處理單元（CPU）、

主存儲器、輸入/輸出子系統(tǒng)Figure5.1計算機硬件（子系統(tǒng)）*5硬件外設(shè)主機CPU輸入設(shè)備輸出設(shè)備內(nèi)存外存磁盤硬盤光盤軟盤打印機音箱顯示器掃描儀鍵盤鼠標攝像頭數(shù)碼相機主板*6處理器存儲子系統(tǒng)I/O子系統(tǒng)*7主板內(nèi)存總線插槽接口卡CPU串行接口USB接口芯片組主板是電腦的基板，是CPU、內(nèi)存、顯卡及各種擴展卡的載體，是計算機各部件的連接工具。主板是否穩(wěn)定關(guān)系著整個電腦是否穩(wěn)定，主板的速度在一定程度上也制約著整機的速度。*85-1中央處理單元CENTRALPROCESSINGUNIT中央處理單元(CPU)用于數(shù)據(jù)的運算.在大多數(shù)體系結(jié)構(gòu)中，它有三個組成部分：算術(shù)邏輯單元(ALU)控制單元寄存器組（

快速存儲單元）*9Figure5.2中央處理單元(CPU)*10算術(shù)邏輯單元Thearithmeticlogicunit(ALU)算術(shù)邏輯單元對數(shù)據(jù)進行邏輯、移位和算術(shù)運算。

邏輯運算：非、與、或、異或移位運算：邏輯移位運算和算術(shù)移位運算。邏輯移位運算對無符號整數(shù)進行向左或右的移位

算術(shù)移位運算對帶符號整數(shù)進行向左或右的移位算術(shù)運算：第4章已討論整數(shù)和實數(shù)的算術(shù)運算。*11寄存器Registers寄存器是用來臨時存放數(shù)據(jù)的高速獨立的存儲單元。CPU的運算離不開多個寄存器。數(shù)據(jù)寄存器：越來越多的復(fù)雜運算改由硬件設(shè)備實現(xiàn)（不是使用軟件），所以在計算機中使用幾十個寄存器來提高運算速度

指令寄存器：CPU的主要職責(zé)是，從內(nèi)存中逐條地取出指令，并將取出的指令存儲在指令寄存器中，解釋并執(zhí)行指令

程序計數(shù)器：程序計數(shù)器中保存著當(dāng)前正在執(zhí)行的指令，當(dāng)前指令執(zhí)行完后，計數(shù)器自動加1，指向下一條指令的內(nèi)存地址*12控制單元ThecontrolunitCPU的第3個部分是控制單元，控制單元控制各個子系統(tǒng)的操作?？刂剖峭ㄟ^從控制單元發(fā)送到其他子系統(tǒng)的信號來進行。*135-2主存儲器MAINMEMORY主存儲器是計算機的第2個子系統(tǒng)，是存儲單元的集合，每個存儲單元都有唯一的標識，稱為地址。數(shù)據(jù)以位組的形式（字words）在內(nèi)存中輸入和輸出。字可以是8位、16位、32位，64位（還在增長）如果字是8位，一般稱1個字節(jié)（byte）字節(jié)在計算機科學(xué)中使用相當(dāng)普遍，也稱16位為2個字節(jié)，32位為4個字節(jié)*14Figure5.3主存儲器*15地址空間Addressspace在存儲器中存取每個字都需要有相應(yīng)的標識符。盡管程序員使用命名的方式來區(qū)分字（或一組字的集合），但在硬件層次上，每個字都是通過地址來標識的。所有在存儲器中標識的獨立的地址單元的總數(shù)，稱為地址空間。例如，一個64KB（216）、字長為1字節(jié)的內(nèi)存的地址空間的范圍為0～65535。*16內(nèi)存地址用無符號二進制整數(shù)定義。

i*1716千兆字節(jié)是（）字節(jié)？A、216B、234C、240D、244E、256解：B16千兆＝24×210×220Example5.1*1816T字節(jié)是（）字節(jié)？A、216B、234C、240D、244E、256解：D16T＝24×220×220Example5.2*19Example5.3一臺計算機有32MB（兆字節(jié)）內(nèi)存。需要多少位來尋址內(nèi)存中的任意一個字節(jié)？解：32MB，即225(25×220).意味著需要log2225（25位）來標識每一個字節(jié)*20Example5.4一臺計算機有128MB內(nèi)存。計算機字長為8字節(jié)，需要多少位來尋址內(nèi)存中任意一個字？解：128MB，即227。每個字是8字節(jié)(23)，意味著需要224個字，即需要log2224（即24位）來標識每一個字。*21如果存儲器地址空間是16MB，字長為8位，那么存取一個字需要多少（）位？A、8B、16C、21D、24E、27解：D16MB＝24×220Example5.5*22Example5.6一臺計算機有64MB內(nèi)存。每個字長為4字節(jié)，則在存儲器中對每個字尋址需要多少位？解：64MB，即226。每個字是4字節(jié)(22)，也就意味著有224個字，即需要log2224（即24位）來標識每一個字。*23存儲器的類型Memorytypes主要有兩種類型的存儲器:RAM和ROM。隨機存取存儲器RandomAccessMemory(RAM)只讀存儲器

Read-OnlyMemory(ROM)*24隨機存取存儲器Randomaccessmemory(RAM)RAM是主存的主要組成部分。在RAM中，可以用存儲單元地址來隨機存取一個數(shù)據(jù)項，而不需存取位于它前面的所有數(shù)據(jù)項。特性1：可以讀寫RAM，即用戶可以在RAM中寫信息，之后可以方便地通過覆蓋來擦除原有信息。特性2：易失性。當(dāng)系統(tǒng)斷電后，儲存在RAM中的信息被刪除*25

靜態(tài)RAM(SRAM)用觸發(fā)器門電路來保存數(shù)據(jù)，通電時，數(shù)據(jù)始終存在，不需要刷新。速度快，價格貴。

動態(tài)RAM(DRAM)使用電容器，充電狀態(tài)為1，放電狀態(tài)為0由于電容器會隨時間漏掉一部分電，內(nèi)存單元需周期性刷新速度較慢，但價格便宜隨機存取存儲器Randomaccessmemory(RAM)*26只讀存儲器Read-onlymemory(ROM)ROM的內(nèi)容是由制造商寫進去的特性1：用戶只能讀不能寫。特性2：非易失性。當(dāng)切斷電源后，儲存在ROM中的數(shù)據(jù)不會丟失。通常用來存儲那些關(guān)機后也不能丟失的程序或數(shù)據(jù)*27可編程只讀存儲器(PROM)：借助特殊設(shè)備可將程序存儲在上面，程序被存儲后，就不能被重寫?？梢杂脕泶鎯σ恍┨囟ǖ某绦蚩刹脸目删幊讨蛔x存儲器(EPROM)：用戶可以對它進行編程，但需要特殊儀器對其擦寫，需要拆下來擦除再重新安裝電可擦除的可編程只讀存儲器(EEPROM)：

編程和擦除用電子脈沖即可，無需從計算機上拆下來只讀存儲器Read-onlymemory(ROM)*28存儲器的層次結(jié)構(gòu)Memoryhierarchy用戶需要許多存儲器，尤其是速度快且價格低廉的存儲器。存取速度快的存儲器通常都不便宜。解決的辦法是采用存儲器的層次結(jié)構(gòu)。*29Figure5.4存儲器的層次結(jié)構(gòu)寄存器：速度要求苛刻。高速緩沖存儲器：需經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)主存：大量低速存儲器來存儲不經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)存儲器的層次結(jié)構(gòu)Memoryhierarchy*30高速緩沖存儲器Cachememory高速緩沖存儲器的存取速度要比主存快，但是比CPU及其內(nèi)部的寄存器要慢。高速緩沖存儲器通常容量較小，且常被置于CPU和主存之間。Figure5.5高速緩沖存儲器*31高速緩沖存儲器Cachememory高速緩沖存儲器在任何時間都包含主存中一部分內(nèi)容的副本，當(dāng)CPU要存取主存中的一個字時，按步驟進行：首先檢查高速緩存；若該字存在，CPU將其復(fù)制；若不存在，CPU從主存中拷貝一份從需要讀取的字開始的數(shù)據(jù)塊，該數(shù)據(jù)塊覆蓋高速緩存的內(nèi)容；CPU存取高速緩沖存儲器并拷貝該字。*32高速緩沖存儲器Cachememory高速緩存存儲容量小、效率卻很高。80-20規(guī)則.據(jù)觀察，通常計算機花費80％的時間來讀取20％的數(shù)據(jù)高速緩存，可以存儲這20％的數(shù)據(jù)而使存取至少快80％*3380-20規(guī)則20%的人掌握著世界上80%的財富，80%的人掌握著世界上20%的財富；20%的時間完成全天80%的工作，而另外80%的時間，卻只收獲了20%的成果；公司20%的員工創(chuàng)造了80%的利潤；80%的人，受人支配；20%的人，支配別人。*345-3輸入/輸出子系統(tǒng)INPUT/OUTPUTSUBSYSTEM第三個子系統(tǒng)是輸入/輸出子系統(tǒng)。

I/O子系統(tǒng)可以使計算機與外界通信，并在斷電的情況下，存儲程序和數(shù)據(jù)。輸入/輸出設(shè)備可以分為兩大類:非存儲設(shè)備存儲設(shè)備*35非存儲設(shè)備Non-storagedevices非存儲設(shè)備使得CPU/內(nèi)存可以與外界通信，但它們不能存儲信息。鍵盤和顯示器：鍵盤提供輸入功能，顯示器顯示輸出并同時響應(yīng)鍵盤的輸入。打印機：非存儲設(shè)備。用于產(chǎn)生永久記錄的輸出設(shè)備。*36存儲設(shè)備Storagedevices盡管存儲設(shè)備被分為輸入/輸出設(shè)備，但它可以存儲大量的信息以備后用。比主存便宜，且存儲的信息也不易丟失（即使斷電，信息也不會丟失）。也稱為輔助存儲設(shè)備，通常分為兩種：磁介質(zhì)光介質(zhì)

*37硬盤片讀寫磁頭*38Figure5.6磁盤磁介質(zhì)存儲設(shè)備磁介質(zhì)存儲設(shè)備使用磁性來存儲位數(shù)據(jù)一點有磁性則表示1，沒有磁性則表示0磁盤由一張一張磁片疊加而成，這些磁片由薄磁膜封裝。通過讀寫磁頭讀寫磁介質(zhì)表面來進行信息讀取和存儲。*39磁盤表面結(jié)構(gòu)：為了將數(shù)據(jù)存儲在磁盤的表面，每個盤面被劃分成磁道，每個磁道分成若干個扇區(qū)。通過間隔隔開。數(shù)據(jù)存?。捍疟P是隨機存取設(shè)備。數(shù)據(jù)項可以被隨機存取，不需存取放置在其前的所有其他數(shù)據(jù)。在某一時間，可以讀取的最小存儲區(qū)域只能是一個扇區(qū)。Figure5.6磁盤*40磁盤性能磁盤性能取決于角速度、尋道時間、傳送時間。角速度：磁盤的旋轉(zhuǎn)速度尋道時間：讀/寫磁頭尋找數(shù)據(jù)所在磁道的時間傳送時間：將數(shù)據(jù)從磁盤移到CPU/內(nèi)存所需要的時間。*41Figure5.7磁帶磁帶磁帶用兩個滾輪承接起來當(dāng)轉(zhuǎn)動的磁帶通過讀/寫磁頭的時候，就可以通過磁頭來讀寫磁帶上的數(shù)據(jù)。*42磁帶表面結(jié)構(gòu)：磁帶寬度分為9個磁道，8位存儲數(shù)據(jù)，1位錯誤檢測。數(shù)據(jù)存取：順序存取設(shè)備。讀取指定的塊要按順序通過其前所有的塊。性能：廉價，速度比磁盤慢，存儲大容量數(shù)據(jù)Figure5.7磁帶*43光存儲設(shè)備光存儲設(shè)備使用光技術(shù)來存儲和讀取數(shù)據(jù)。需要借助激光把轉(zhuǎn)換后的二進制數(shù)據(jù)刻在具有反射能力的盤片上。與磁盤相同，光存儲設(shè)備也是以二進制數(shù)據(jù)的形式來存儲信息。*44光存儲設(shè)備光存儲是由光盤表面的介質(zhì)影響的光盤上有凹凸不平的小坑，光照射到上面有不同的反射，再轉(zhuǎn)化為0、1的數(shù)字信號，就成了光存儲。為了識別數(shù)據(jù)，光盤上定義激光刻出的坑代表二進制的1，而空白處則代表0；也可反過來表示。*45光存儲設(shè)備發(fā)明了CD后，人們利用光存儲設(shè)備來保存音頻信息，現(xiàn)在，人們利用這種技術(shù)來存儲計算機上的信息。使用這種技術(shù)的設(shè)備有：只讀光盤（CD-ROM）可刻錄光盤（CD-R）可重寫光盤（CD-RW）數(shù)字多功能光盤（DVD）*46CD-ROMCD-ROM技術(shù)分三步來制造大量光盤：制造主盤：使用高性能紅外激光在涂層上刻寫位模式。使用位模式編程一系列的坑（表示0）和紋間表面（表示1），也可反過來表示。依照主盤做成模盤，坑（洞）由凸起代替；批量生產(chǎn)：溶解的聚碳酸酯樹脂被注入到模盤中，產(chǎn)生像主盤一樣的坑，并把一層薄鋁加到樹脂上，在反射表面加上一層保護漆和標簽。*47CD-ROM讀CD-ROM靠來自光驅(qū)的低能激光束信息。激光束經(jīng)過紋間表面，會被鋁質(zhì)反射層反射；經(jīng)過坑時會被反射兩次（一次是被坑的邊緣反射，一次被鋁質(zhì)反射層的邊界反射），這兩次反射有破壞性的影響。換言之，驅(qū)動器上的感應(yīng)器：對于紋間表面，應(yīng)探測到多一些的光信號；是坑時就少一點，這樣才可以讀出記錄在原始主盤上的信息。*48CD-ROMCD-ROM使用與CD相同的技術(shù)，唯一區(qū)別：增強程度不同，CD-ROM更健壯，且糾錯能力較強Figure5.8制造和使用CD-ROM的步驟*49Figure5.9CD-ROM的格式CD-ROM格式基于：使用漢明碼的糾錯技術(shù)將8位數(shù)據(jù)塊轉(zhuǎn)換成14位符號；一個幀由42個符號組成（14bits/符號）；一個扇區(qū)由98個幀組成（2352個byte）。*50速度：CD-ROM驅(qū)動器有不同速度單倍速稱為1x，以此類推驅(qū)動器單倍速的，讀取速度為153600字節(jié)/秒*51CD-ROM應(yīng)用：若有大量的潛在客戶，則制造主盤、模盤、實際光盤所需的費用是可以調(diào)節(jié)的。若大量生產(chǎn)盤片，則這項技術(shù)非常經(jīng)濟。*52可刻錄光盤CD-RCD-ROM只有在生產(chǎn)商大批量生產(chǎn)時才合理。CD-R可以讓用戶自己制作一張或更多的盤片，而不必考慮像制作CD-ROM時的開銷。CD-R非常適合做備份，用戶只需一次寫入信息，就可多次讀取信息，“寫一次、讀多次”。CD-R對制作和發(fā)布少量光盤的用戶很有吸引力，也非常適合于制作檔案文件與備份。*53Figure5.10制作CD-R制造CD-R的技術(shù)與CD-ROM的原理相同，不同之處：a不需要主盤或模盤；b反射層材料用金取代了鋁；c盤片聚碳酸酯樹脂上沒有坑，坑與紋間表面是模擬出來的。d坑由刻錄機產(chǎn)生的高能激光束在染料層上燒制深色的點來模擬，沒有被激光照射的區(qū)域就是紋間表面。*54可刻錄光盤CD-RCD-R上的信息可以由CD-ROM驅(qū)動器和CD-R驅(qū)動器讀取。任何差別對于驅(qū)動器來說都是透明的。相同的低能激光束經(jīng)過模擬的坑和紋間區(qū)域，對紋間區(qū)域，激光束被反射；對于模擬的坑，點是不透明的，所以激光束不會被反射。CD-R的格式、容量和速度與CD-ROM相同*55可刻錄光盤CD-RW盡管CD-R已經(jīng)很受歡迎，但只能寫一次，為了能夠重寫，出現(xiàn)了可擦寫光盤技術(shù)。寫數(shù)據(jù)：驅(qū)動器使用高能激光束照射合金層，將它從晶體態(tài)轉(zhuǎn)變成

無定型態(tài)，降低反射性?？梢阅MCD-ROM盤片上的坑。

讀數(shù)據(jù)：驅(qū)動器使用與CD-ROM和CD-R一樣的低能激光束，來檢測是坑還是紋間表面。擦除數(shù)據(jù)：驅(qū)動器使用中等能量的激光束將坑變成紋間表面，激光束將該點從無定型態(tài)變成晶體態(tài)。*56Figure5.11制作CD-RW制作CD-RW與CD-R的原理相同，不同之處：a使用了銀、錮、銻等合金而不是染料，這種合金有兩種穩(wěn)定狀態(tài)：晶體態(tài)與無定型態(tài)；b驅(qū)動器使用高能激光束在合金上創(chuàng)建模擬的坑（晶體態(tài)變成不定型態(tài)）*57CD-RW的格式、容量、速度與CD-ROM相同，CD-RW技術(shù)比CD-R更有吸引力。但CD-R還是更受歡迎，原因有兩點：CD-R空盤價格比CD-RW要便宜。CD-R在某些不容改變光盤內(nèi)容的場合更合適，不論是有意還是無意的改變?？煽啼浌獗PCD-RW*58數(shù)字多功能光盤DVDCD-ROM的存儲容量已經(jīng)不能滿足視頻信息存儲的需要，DVD采用類似CD-ROM的技術(shù)，區(qū)別：坑更?。篋VD直徑0.4微米，CD直徑0.8微米磁道間更緊密激光束使用紅激光代替了紅外激光DVD使用1-2個存儲層，且可以是單面或雙面DVD采用MPEG壓縮技術(shù)，一個單面、單層的DVD可存儲133分鐘（2小時13分）的高品質(zhì)視頻*59*605-4子系統(tǒng)的互連SUBSYSTEMINTERCONNECTION計算機的三個子系統(tǒng)（CPU、主存、輸入/輸出）是如何互聯(lián)的？互連扮演著很重要的角色信息需要在這三個子系統(tǒng)中交換*61CPU和存儲器的連接ConnectingCPUandmemoryCPU和內(nèi)存之間通常由總線連接在一起，分別是：數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線Figure5.12使用三種總線連接CPU和存儲器*62CPU和存儲器的連接ConnectingCPUandmemory數(shù)據(jù)總線：由多根線組成，每根線上傳送1位數(shù)據(jù)。線的數(shù)量取決于計算機字長的大小。如：計算機字長是32位，則需要32根數(shù)據(jù)總線，以便同時傳送32位數(shù)據(jù)。*63CPU和存儲器的連接ConnectingCPUandmemory地址總線：允許訪問存儲器中的每個字，地址總線的線數(shù)取決于存儲空間的大小。若存儲器容量為2n個字，則地址總線一次需要傳送n位的地址數(shù)據(jù)，故需n根線。*64CPU和存儲器的連接ConnectingCPUandmemory控制總線：負責(zé)在CPU和內(nèi)存之間傳送信息。如：必須有一個代碼從CPU發(fā)往內(nèi)存，用于指定進行的操作。取決于計算機所需的控制命令總數(shù)，若有2m條控制命令，則控制總線就需要m根*65I/O設(shè)備的連接ConnectingI/OdevicesI/O設(shè)備不能直接與連接CPU和內(nèi)存的總線相連。因為I/O設(shè)備與CPU、內(nèi)存的本質(zhì)不同。I/O設(shè)備是機電、磁性或光學(xué)設(shè)備，然而，CPU、內(nèi)存是電子設(shè)備。與CPU、內(nèi)存相比，I/O設(shè)備的操作速度要慢得多。必須要有中介來處理這種差異。I/O設(shè)備通過輸入/輸出控制器或接口的器件連接到總線上。*66Figure5.13I/O設(shè)備與總線的連接控制器清除了I/O設(shè)備與CPU及內(nèi)存在本質(zhì)上的障礙控制器串行控制器只有一根數(shù)據(jù)線連在設(shè)備上，并行控制器有數(shù)根數(shù)據(jù)線連到設(shè)備上，使得一次能同時傳送多個位。*67Figure5.14SCSI控制器小型計算機系統(tǒng)接口SCSI（SmallComputerSystemInterface）SCSI是一個8、16或32線的并行接口。提供了菊花鏈連接，鏈的兩端必須有終結(jié)器，每個設(shè)備必須有唯一的地址*68Figure5.15火線控制器火線控制器IEEE1394，俗稱火線接口，主要用于視頻采集高速的串行接口，數(shù)據(jù)采用數(shù)據(jù)包的形式傳送。不需要SCSI控制器中那樣的終結(jié)器。*69Figure5.16USB控制器通用串行總線USB控制器（UniversalSerialBUS）USB使用4根線，兩邊長的是電源線，中間短的是數(shù)據(jù)線。通過USB的數(shù)據(jù)是以包的形式傳輸?shù)?，包括：地址部分、控制部分、?shù)據(jù)部分*70輸入/輸出設(shè)備的尋址Addressinginput/outputdevices通常CPU使用相同的總線在主存和輸入/輸出設(shè)備之間讀寫數(shù)據(jù)。唯一的不同是指令。若指令涉及主存中的字，則數(shù)據(jù)會在主存和CPU之間傳送。若指令涉及輸入/輸出設(shè)備，則數(shù)據(jù)會在輸入/輸出設(shè)備和CPU之間傳送。有兩種方法用來對輸入/輸出設(shè)備進行尋址：即I/O獨立尋址和I/O存儲器映射尋址*71I/O獨立尋址在I/O獨立尋址中，讀/寫內(nèi)存的指令與讀/寫I/O設(shè)備的指令是完全不同的。每個I/O設(shè)備有自己的地址。I/O設(shè)備的地址可以和內(nèi)存地址交迭而不會產(chǎn)生混淆。*72Figure5.17I/O獨立尋址I/O獨立尋址在I/O獨立尋址中，CPU用來讀/寫內(nèi)存的指令Read/Write，從輸入/輸出設(shè)備中讀寫數(shù)據(jù)Input/Output*73Figure5.18I/O存儲器映射尋址I/O存儲器映射尋址CPU將輸入/輸出控制器中的每個寄存器都看作是內(nèi)存中的某個存儲字優(yōu)點：指令集較小。缺點：輸入/輸出控制器占用了一部分內(nèi)存地址*745-5程序執(zhí)行

PROGRAMEXECUTION通用計算機使用一系列指令（程序）來處理數(shù)據(jù)。計算機通過執(zhí)行程序，將輸入數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成輸出數(shù)據(jù)。程序和數(shù)據(jù)都放在內(nèi)存中。在本章最后，將給出假想簡單計算機執(zhí)行程序的幾個例子

i*75機器周期MachinecycleCPU利用重復(fù)的機器周期來執(zhí)行程序中的指令，一步一條，從開始到結(jié)束。一個簡化的周期包括3步：取指令、譯碼、執(zhí)行取指令：控制單元將下一條要執(zhí)行的指令復(fù)制到指令寄存器IR，并復(fù)制指令地址到程序計數(shù)器PC，復(fù)制后PC自動加1指向內(nèi)存中下一條指令。譯碼：控制單元負責(zé)譯碼，生成可以執(zhí)行的二進制代碼。執(zhí)行：控制單元發(fā)送任務(wù)命令，例如：從內(nèi)存中加載or輸出數(shù)據(jù)，ALU將兩數(shù)相加。*76機器周期MachinecycleFigure5.19機器周期的步驟*77假如1臺計算機有16個數(shù)據(jù)寄存器（R0～R15），1024個字的存儲空間，16種不同的指令(如store、add等)，那么下面這條指令需要占多少位空間？STOREMR2解：16種指令，需要4位1024個字的存儲空間，需要10位16個數(shù)據(jù)寄存器，需要4位4+10+4=18位Example5.7*78假如1臺計算機有16個數(shù)據(jù)寄存器（R0～R15），1024個字的存儲空間，16種不同的指令，計算機中的指令寄存器大小是多少位？解：16種指令，需要4位1024個字的存儲空間，需要10位進行尋址16個數(shù)據(jù)寄存器，需要4位4+10+4=18位Example5.8*79假如1臺計算機有16個數(shù)據(jù)寄存器（R0～R15），1024個字的存儲空間，16種不同的指令，計算機中的程序計數(shù)器大小是多少位？解：程序計數(shù)器要求能夠描述內(nèi)存中每個字的內(nèi)存地址，1024個字的存儲空間，需要10位表示Example5.9*80假如1臺計算機有16個數(shù)據(jù)寄存器（R0～R15），1024個字的存儲空間，16種不同的指令，如果數(shù)據(jù)和指令使用相同的字長，那么每個數(shù)據(jù)寄存器大小是多少位？解：4+10+4=18位Example5.10*81假如1臺計算機有16個數(shù)據(jù)寄存器（R0～R15），1024個字的存儲空間，16種不同的指令，如果數(shù)據(jù)和指令使用相同的字長，數(shù)據(jù)總線多少位？地址總線多少位？控制總線多少位？解：數(shù)據(jù)總線：4+10+4=18位地址總線尋址內(nèi)存中的字：10位控制總線處理所有的指令：4位Example5.11*82輸入/輸出操作Input/outputoperation計算機需要通過命令把數(shù)據(jù)從I/O設(shè)備傳到CPU和內(nèi)存。由于I/O設(shè)備的運行速度比CPU要慢得多，因此CPU的操作在某種程度上必須和I/O設(shè)備同步。有三種方法被設(shè)計用于同步，分別為：

程序控制輸入/輸出ProgrammedI/O

中斷控制輸入/輸出InterruptdrivenI/O

直接存儲器存取Directmemoryaccess(DMA)*83CPU等待I/O設(shè)備。CPU和I/O設(shè)備之間的傳輸通過指令實現(xiàn)，遇到一條I/O指令，則停止工作直到數(shù)據(jù)傳輸完畢。CPU不時地查詢I/O驅(qū)動器的狀態(tài)缺點：當(dāng)每一個單元數(shù)據(jù)被傳輸時，CPU都要浪費時間去查詢I/O設(shè)備的狀態(tài)。程序控制輸入/輸出*84Figure5.20程序控制輸入/輸出程序控制輸入/輸出*85首先CPU告知I/O設(shè)備即將開始傳輸CPU不需要不斷地查詢I/O設(shè)備的狀態(tài)，當(dāng)I/O設(shè)備準備好時，通知CPU（中斷）在這過程中，CPU還可以做其他工作優(yōu)點：沒有浪費CPU。當(dāng)慢速的I/O設(shè)備正在完成一項工作時，CPU可以做其他工作。中斷控制輸入/輸出*86Figure5.21中斷控制輸入/輸出中斷控制輸入/輸出*87直接存儲器存取用于在高速I/O設(shè)備之間傳輸大量數(shù)據(jù)塊，如磁盤、內(nèi)存（不需要通過CPU的數(shù)據(jù)傳輸）。該方法需要一個DMA控制器來承擔(dān)CPU的一些功能。DMA控制器中有寄存器，可以在內(nèi)存?zhèn)鬏斍昂蟊４鏀?shù)據(jù)。*88直接存儲器存取進行I/O操作時，CPU發(fā)送消息給DMA，之后CPU轉(zhuǎn)向其他工作。消息包括：傳輸類型（輸入or輸出）、內(nèi)存單元起始地址、傳輸字節(jié)數(shù)準備好傳輸時，DMA控制器請求CPU的總線使用權(quán)，CPU停止使用總線并轉(zhuǎn)給DMA控制器內(nèi)存和DMA間的數(shù)據(jù)傳輸完成后，CPU繼續(xù)正常工作注意：CPU僅在DMA和內(nèi)存間傳輸數(shù)據(jù)時才空閑，而不是在設(shè)備為傳輸做準備時。*89Figure5.22DMA和一般總線的連接直接存儲器存取*90Figure5.23DMA輸入/輸出直接存儲器存取*915-6簡單計算機ASIMPLECOMPUTER為了解釋計算機的體系結(jié)構(gòu)，及它們的指令處理，引入一臺簡單（非真實的）計算機以更好地理解。簡單計算機有三個組成部分：CPU、存儲器、輸入/輸出子系統(tǒng)。*92Figure5.30簡單計算機的組成*93指令集Instructionset簡單計算機具有16條指令集的能力，但我們只使用14條指令每條計算機指令由兩部分構(gòu)成：操作碼、操作數(shù)操作碼指明了在操作數(shù)上執(zhí)行的操作類型。每條指令由16位組成，被分成4個4位的域。最左邊的域含有操作碼，其他3個域含有操作數(shù)或操作數(shù)的地址，如圖5-31所示。*94Figure5.31格式和不同指令類型*95處理指令Processingtheinstructions機器周期三個階段：取指令、