Chapter 5計算機組織課件

六十算械概言俞第二版

FoundationsofComputerScience

Chapter5M"算檄系且微

歐克善局

情成一部^算械的元件可顯分成三彳固主要的分^或子系統(tǒng):

中央虞理罩元、主舒意醴和輸入事俞出（I/O）子系稅

Stttl

輸入/事俞出子系統(tǒng)

H5.1^算械硬醴（子系統(tǒng)）

@熙「睛局p.98

5.1中央慮理單元

小中央理單兀（centralprocessingunit；CPU）幸丸行^料的

算。在大部分的架橫中CPU有三彳固部分：算所暹物軍元

、控制軍元，和一^快速^存位置的暫存器。

暫存器

/4?-'on±oaa----

算怵J誕帽單兀

中央慮理罩元（CPU）

H5.2中央JM理罩元（CPU）

@熙「睛局p.98

算所暹幅覃元

小算所暹幅軍元(arithmeticlogicunit；ALU)幸丸行料的暹

幅、移位和算所建算。

暫存器

中暫存器(registers)是快速的蜀立儲存位置，可以暫畤保存

^料。需要多槿暫存器以便"肋CPU的建算。

中料暫存器：在今日，福十算械使用位於CPU內(nèi)部的數(shù)十彳固

暫存器來加速其^算，保存其中^結(jié)果。

中指令暫存器：CPU福己，|意醴中一彳固接一他地■取指令，

信者存在指令暫存器(instructionregister)中,解礁指令，#

且幸丸行指令。

中程式^^器：祿己金條目前正在幸丸行的指令，在幸丸行^指令之彳受

，此^^器曾遮增以便指到祿己，1意醴內(nèi)下一他指令的位址。

@熙「睛局p.99

控制罩元

電控制軍元(controlunit)控制每(固子系統(tǒng)的^作，藉由^虢

優(yōu)控制軍元俾送到其他子系統(tǒng)來連到控制。

5.2

中主祿己T意醴(mainmemory)是^算檄中第二彳固主要的子系統(tǒng)

(H5.3)。它是由大量的信者存位置所方同成，每一位置具有

一彳固唯一^別礁，耦卷位址。資料以成^的位元形式傅入和

傅出^意鸛耦懸字吊盤(word)o

中字組卷8位元，刖穗卷位元位元^(byte)一前］在^

算械科暈中是共通的。

@熙「睛局p.100

位址一A00000000000111001011001100內(nèi)容（值）

00000000010000001111001101

00000000101110101011101100

■?

■?

■?

11111111110000001011111100

Etlti

H5.3主福己卜意醴

@熙「睛局p.100

位址空冏

中要存取信己，卜意醴中一他字^需要一^^別礁。雖隹然程式1殳^者

使用一彳固名耦來信戢別一彳固字^（或大量的字彳同），在硬醴的

盾次，每一他字^是用一彳固位址來加以^別。

畬祿己，卜意醴中唯一可^別位置的系圖數(shù)量耦卷位址空^（address

space）,例如，一彳固信己，卜意醴具有64K位元^和一彳固位元*同

大小的字彳比其位址空圉是徙0到65,535。

中假言殳一部^算械有64K位元*住位址可表示成輾虢整數(shù)

（不畬有^的位址）。換言之，第一他位置就是位址

0000000000000000（位址0）,而最彳爰一彳固位址就是

1111111111111111（位址65535）o

@熙「睛局p.100

表5.1i己I、意醴罩位

覃位位元黜［正碓數(shù)目近似值

kilobyte210(1024)bytes103bytes

megabyte220(1,048,576)bytes106bytes

gigabyte230(1,073,741,824)bytes109bytes

terabyte240bytes1012bytes

@熙「睛局p.100

、靶例5.1

一部^算械有32MB(百離位元*同)的信己，|、意醴。需要多少彳固位元

來定址信己意醴中每一彳固位元*同?

解答

25520

言已卜意醴位址空^^32MB,或2(2X2)O道表示需要

25

log22,或25彳固位元來定址每一彳固位元方同。

@熙「睛局p.101

地例5.2

一部^算械有128MB的祿己，卜意醴，此^算械中每一字^^8彳固

位元

需要多少位元來定址信己，卜意醴中每一彳固字*同？

解答

標(biāo)己，卜意醴位址空^^128MB,表示是2\然而每一彳固字^是8

(23)位元*也表示有2?4彳固字方也道表示需要log?%,或24

彳固

位元來定址每一彳固字方同。

@熙「睛局p.101

雨槿主要的舒意醴分別是：RAM和ROM。

RAM

中隨械存取標(biāo)己'1'意醴(randomaccessmemory；RAM)橫成后十

算械中大部分的主信己，1意醴。要國別RAM和ROM就在於

RAM可以被^取輿癮入。RAM的另一彳固特性是它具有揮強

性；如果雷:月窗雷:源MijMtn(程式或^料)曾被清

除。RAM技析分成麗大：SRAM和DRAMo

@熙「睛局p.101

SRAM

中靜熊RAM(staticRAM；SRAM)技淅使用俾統(tǒng)的正反

保存^料，只要雷:源是犬熊，^^料是被保存的，

而且不需要更新信己，卜意醴位置。SRAM速度快但僵格曷:S。

DRAM

殺重力熊RAM(dynamicRAM；DRAM)技析使用雷:容來做

資料信者存，如果雷:容是克溫雷:的，1;如果雷:容未

克雷；o0因懸雷:容曹隨畤漏失雷:荷，所以

DRAM1己，卜意醴軍元需要遇期性地加以更新。DRAM速度慢

但僵格便宜。

@熙「睛局p.102

ROM

中唯■靛己T意醴(read-onlymemory；ROM)的內(nèi)容是由契造

商所癮入；CPU允信午^出其內(nèi)容但是不能癮入ROM中。

其侵黑占懸它是非揮強性的——如果^用雷：月留，其內(nèi)容漢有被

清除。通常，它是用於程式或宜料一定不可以被清除或更改

，甚至是揩雷:月留尼曷留。例如，有些雷:月窗具有ROM保存有■

助程式，用於^^畤幸丸行。

PROM

去可程式夫見普J(rèn)唯I簫己T意醴(programmableread-onlymemory；

PROM)是ROM的鹿型，逅槿型式的意醴在雷:月窗奘^畤

是空白的，使用者可以用特殊^儒揩程式儲存於其中。富程

式存入彳麥就如同ROM一般不能被覆嘉，此一特性允^使用

者儲存特殊程式於PROM中。

@熙「睛局p.102

EPROM

中可清除可程式化唯原言三己］意醴(erasableprogrammableread-

onlymemory；EPROM)是PROM的鹿型，它可由使用者

作程式祝副，但是它也可以用一槿11用紫外光的特殊祿殳儒加

以清除，要清除EPROM必須揩EPROM除移除輿重新

安裝。

EEPROM

中雷:屋可清除可程式化唯■靛己I意醴(electricallyerasable

programmableread-onlymemory；EEPROM)是EPROM

的建型，它可藉由雷:子服衡來加以程式化和清除，而不需優(yōu)

雷:月窗中移除。

@熙「睛局p.102

中趣少量的高速|(zhì)己，卜意醴在速度具'決定性的地方，CPU內(nèi)部的暫

存器即腐此

中逋量的中速信己，1意醴來信者存畤常存取的^料，快取信己，卜意醴即腐

此糠

中大量的低速|(zhì)己，|意醴來信者存不常存取的^料，主信己，1、意醴即腐此

@熙「睛局p.103

H5.4

回叫;睛局p.103

快取祿己，卜意醴

中快取信己，上意醴(cachememory)比主常已卜意醴快，但是比CPU

及其內(nèi)部的暫存器慢。快取信己卜意醴通常數(shù)量少，加置於CPU

典主標(biāo)己，卜意醴之

中快取信己，卜意醴在任何畤刻均包含部分主祿己，1、意醴的儒分。富CPU

需要存取主信己，卜意醴中一他字^畤，它遵循下列程序：

1.CPU橫■快取祿己卜意醴。

2.如果此字組存在，CPU拷具此字組；若不存在，MOCPU

存取主標(biāo)出1意醴，而且烤同一現(xiàn)優(yōu)所要求的字始之主福出1意

此國瑰取代快取言己卜意醴中先前的內(nèi)容。

3.CPU存取快取舒意醴加且烤具此字微

@熙「睛局p.103

中央慮理軍元

ilBtttl

快取^巾意醴

ffl5.5快取福印、意醴

@熙「睛局p.103

中懸什麼快取祿當(dāng)意醴畬如此有效率，即使只有少量的快取信己，|意

醴。答案在於「80-20法期」。根獴覲察，大部分的雷:月窗主

要花費百分之八十的畤^在存取只有百分之二十的^料，操

言之，相同的資料被重禊地存取?？烊〉摷?，卜意醴利用其快速特

性，可以保有此百分之二十的資料，使得存取加快至少百分

之八十的畤

@熙「睛局p.104

5.3輸入輸出子系統(tǒng)

中祿十算械中第三彳固主要子系統(tǒng)是一群后殳彳蒲的集合耦卷輸入翰

出子系統(tǒng)(input/output(I/O)subsystem)。此子棄魂竟允言午三十

算械典外界通信人以及即使雷:源尼曷^畤可以得者存程式和^料。

輸入輸出^^可分成雨大：非信者存性輿信者存性

中非得者存性1殳儒(nonstoragedevice)允信午CPt/M己T意H輿外

界通信人但是它憑不能僖者存^料。

中刖槿比敕常見的非信者存性翰入翰出^儒卷犍黑和簧幕。犍

(keyboard)提供輸入功能；簧幕(monitor)IM示事俞出

而且同畤回鷹在姓坐上所輸人的字母。腐於型的其他^

儒遢有滑鼠、搐槨等。

@熙「睛局p.104

中印表械(printer)是■生永久系己金條的輸出祿殳儒。印表檄'是非

信者存性^^。

中信者存性1殳儒(storagedevice)雖隹然端^^I/O1殳彳蒲，可以

^存大量的^福人加於之彳麥再度取回。但它伸肚在|出1意醴便

宜，而且其內(nèi)容是非揮會性的——富雷:源尼肆^寺不畬被清除。

它憑有畤候被耦卷本甫肋信者存言殳儒，可以揩其分^^磁性或光

^的^彳蒲。

畬磁性儲存^^使用磁化來信者存^料的位元。如果一彳固位置被

磁化，刖代表1；如果漢有被磁化，即代表0。

回熙「睛局p.105

⑥磁碟(magneticdisk)是由一彳固或多彳固碟片逐一堆疊而齊也成。

碟片壅上一屑磁性薄膜，利用每一他碟片之磁化表面上的

M?M(read/writehead),揩於碟片表面加以信者存及取回

O

中表面留亂方澈：每一彳固表面分成會午多磁til(track),而每一磁

tfl分成后午多磁顯(sector)o磁孰被磁隙(intertrack

gap)隔斷而磁顯被磁隙(intersectorgap)隔

中資料存?。捍诺梢暰硪婚入S械存取^儒，一次所能存取的

最小^存顯域卷一他磁顯。一彳固^料國現(xiàn)可以儲存在一彳固或

多彳固磁顯，而且取回畤不需取回碟片中其f余的^^九

@熙「睛局p.105

磁摩廠）磁IS

碟片

碟片

磁

^隙

a.磁碟械b.磁事九和磁IE

H5.6磁碟

@熙「睛局p.105

中效能：磁碟的效能取'決於黑'項因素：醇速、搜尊畤^和臂移

畤臂速(rotationalspeed)定羲磁碟旋傅多快。搜尊畤

(seektime)定羲移事力^^^到所要的信者存料磁軌所需

之畤傅移疇(transfertime)定羲優(yōu)磁碟上移重力資料

到CPIV^，|意醴所需之畤

@熙「睛局p.106

電磁帶(magnetictape)有各式各檬的尺寸，常兄的一槿是在

半英寸塑||錯子壅上一屑厚的磁膜。磁帶架^於雨彳固情本由上

,富磁帶深巡^畤，用一彳固^^來^取或癮入

中表面方同彳默：磁帶的霓度分成九他磁軌；磁軌中的每一位置可

以儲存1彳固位元的^哥L九彳固垂直黑占可以儲存一彳固位元^的

8他位元宜哥\,加上一彳固錯^偵測的位元。

中^料存?。捍艓Э梢暰硪婚妊虼嫒儒，要取回磁帶上特

定的顯現(xiàn)，需要悔現(xiàn)之前所有的顯現(xiàn)。

中效能：速度比磁碟慢，但是比敕便宜。王兄在，大家使用磁帶

來儒份大量的^料。

@熙「睛局p.106

磁帶搭軸

磁?Ht鬼[St鬼

U

n-

磁事九9

a.磁帶檄b,表面系且微

ffl5.7碟錯

@熙「睛局p.106

畬光^^者存信殳儒(opticalstoragedevices)是一槿相富新的技

林使用雷射光來信者存和取回^料。光暈信者存技析的使用是

在信者存磬音^料的CD(compactdisk)會明之彳麥，現(xiàn)在，

在雷：月窗中使用相同的技析來信者存^制1使用此技所的^有

CD-ROM.CD-R、CD-RW和DVDo

@熙「睛局p.106

CD-ROM

華唯^光碟（compactdiskread-onlymemory；CD-ROM）使

用奧音槳CD相同的技所。

中■生：CD-ROM技所使用三彳固步驟來■生大量光碟片：

a.母片（masterdisk）是以高功率缸外光雷射■生位元I集式

在生度膜的塑上而裝成。雷射揩位元檬式醇操成一序列的凹

洞（pit）（洞）和平地（land）（蛹同）。凹洞通常表示

0,而平地通常表示1。然而適只是慣例，是可以調(diào)擦的。

其他檄'制使用臂操（凹洞到平地或是平地到凹洞）來表示

1,而用漢有醇操表示0。

b.模版優(yōu)母片契作而來，在模版中，凹洞用凸土鬼取代。

@熙「睛局p.107

H5.8CD-ROM的■生典使用

@熙「睛局p.107

c.巾等熔化的聚碳酸■樹脂(polycarbonateresin)射入模版

中，以■生輿母片相同的凹洞。再打等一11非常薄的^(作懸

反射眉)加到聚碳酸■之上。在之上，有一屑用漆作

的保而且加上檄截。每一彳固碟片的■生只有重禊此一

步驟。

中^?。篊D-ROM使用低功率雷射光束來加以^取，此雷射

光束^^平地畤曾被金昌眉表面所反射。富遇到凹洞畤曾反射

雨次，一次是由凹洞遏界所造成，而另一次是由金昌盾遏界所

造成。造雨次反射具有破壤性效X因卷所逗攆的凹洞深度

硼好懸光束波片的四分之一。如果^位置是平地的卷舌，感測

器畬檢測到敕多的光；如果是凹洞，刖畬檢測到敕少的光。

@熙「睛局p.107

中格式：CD-ROM的宜料格式依擄

a.W8位元的資料顯境醇換成14位元的符虢（symbol）

,使用一槿穗卷澳明礁（Hammingcode）的至箭具更正E%。

b.每一他框架（frame）由42他符虢所^成（14位元符

虢）。

c.每一他磁顯由98他框架所^成（2352位元*同）。

中速度：CD-ROM光碟械具有不㈣的速度。罩倍速耦懸

lx,每秒^取多逵153,600位元方乩

中）1用：生■費用包含型造母片、模版和^除碟片，如果碟片

是大量生?，刖具有悔酒效益。

@熙「睛局p.108

□位元系且（8位元）

||符虢（14位元）

||||???|||框架（42符虢）

磁［S（98框架）

H5.9CD-ROM格式

@熙「睛局p.108

表5.2CD-ROM速度

速度資料傅翰率近似值

IX153,600bytespersecond150KB/S

2X307,200bytespersecond300KB/s

4X614,400bytespersecond600KB/s

6X921,600bytespersecond900KB/s

8X1,228,800bytespersecond1.2MB/s

12X1,843,200bytespersecond1.8MB/S

16X2,457,600bytespersecond2.4MB/s

24X3,688,400bytespersecond3.6MB/s

32X4,915,200bytespersecond4.8MB/s

40X6,144,000bytespersecond6MB/s

@熙「睛局p.108

CD-R

中可靖金條光碟(compactdiskrecordable；CD-R)允信午使用者

-生一片或多片的光碟，而不必^檐■生CD-ROM所包含

之費用。道在契作儒分畤特別有用。CD-R有畤候耦卷一嘉

多星亶(writeonce,readmany；WORM)。

中■生：CD-R技析使用奧CD-ROM相同的原即■生光碟片

O

以下列出其差昊慮：

a.漢有母片或模版。

b.反射11用黃金取代^來契造。

@熙「睛局p.109

C.在聚碳酸■上漢有^除的凹洞（洞）；凹洞和平地只是模

Wo要模悔凹洞和平地，需要多一^^似照相所用材料的

II外染料，加在反射屑輿聚碳酸■之

d.由CD燃金條械所■生的高功率雷射束造成染料上的一彳固黑

黑占，改螳其化^^造來?；诎级?，未被雷射束擎中的顯域即

懸平地。

中^?。篊D-R可以被CD-ROM械器或CD-R檄器^取。

中格式輿速度：CD-R的格式、容量及速度，者B和CD-ROM

相同。

mfg用：CD-R道1直技徜譚寸於想要■生輿供愿少量光碟片的人

來就：，是非常具有吸引力的。竽寸於契作文件■案輿儒分也非

常有用。

@熙「睛局p.109

染料

雷射檢測器雷射光源

H5.10裂作CD-R

@熙「睛局p.109

CD-RW

中一槿新型的碟片，稽卷可覆嘉光碟（compactdisk

rewritable；CD-RW）,有畤又稽熟可清除光碟。

中■生：CD-RW技所使用輿CD-R相同的原刖來■生光碟片

O

以下列出其差巽慮：

a.CD-RW技析使用金艮?、^和確的合金取代染料，此合金

具有雨他穩(wěn)定狀熊：結(jié)晶性（透明）和輾結(jié)晶性（不透明）。

b.此檄器使用高功率雷射來■生合金中模疑的凹洞（揩它優(yōu)

結(jié)晶性改建成輾結(jié)晶性）。

@熙「睛局p.110

mHIX：此檄器使用如CD-ROM和CD-R相同形式的低功

率雷射光束，來橫■凹洞和平地。

中清除：此械器使用中功率雷射光束揩凹洞改建成平地，此光

束揩一彳固位置優(yōu)輾結(jié)晶狀熊改建成結(jié)晶狀也

中格式和速度：CD-RW的格式、容量和速度都輿CD-ROM

相同。

牛愿用：此技析■到比CD-R技析更具有吸引力。

@熙「睛局p.110

合金

雷射檢測器雷射光源

H5.11裂作CD-RW

@熙「睛局p.110

DVD

電市埸上最新的光暈祿己，卜意醴信者存信殳儒是數(shù)位多功能光碟

(digitalversatiledisk；DVD)o它使用奧CD-ROM相同

的技析，除了下列的差累之虞：

a.DVD的凹洞敕小：直徑0.4微米取代CD所用的0.8

微米。

b.磁孰彼此^更懸接近。

c.光束用系工光雷射取代系工外樂泉雷射。

d.DVD使用一至雨H的祿己金條而且可以是覃面或曼面。

@熙「睛局p.lll

中容量：

表5.3DVD容量

特性容量

罩面罩眉4.7GB

罩面曼眉8.5GB

曼面罩眉9.4GB

矍面曼眉17GB

mffi?：DVD技所使用MPEG來作屢縮，道表示一片罩面罩

屑的DVD能■保存133分/童高解析度的祝福及其亦包含了

磬音和字幕。

m用：DVD的高容量吸引了^多需要儲存大量^料的愿用。

@熙「睛局p.lll

5.4子系統(tǒng)之互速

速接CPU

mCPU奧祿己卜意醴通常由三^^路速接，每一半同務(wù)泉路耦懸隆流排

（bus）:資料12流排、位址OS流排和控制OS流排。

菅料OS流擾

中^料OS流排（databus）^路的數(shù)目取'決於1十算械所使用字

^的大小，如果字^是32位元（4位元,同）,刖需要32

脩^路的^料隆流排，因此一彳固32位元的字^可以同日寺停

送。

@熙「睛局p.lll

H5.12使用三流排速接CPU

@熙「睛局p.ni

位址健流排

中位址OS流排(addressbus)允信午存取|己，|意醴中特定的字為也

位址12流排^路的數(shù)目取、決於標(biāo)己1意醴位址空如果次己，卜意醴

有2」固字彳比位址OS流排必須有n保^路。

控制隆流排

畬控制OS流排(controlbus)在CPU輿祿己，|意醴之^^送聊給

inU控制OS流排所使用的^路數(shù)目取'決於標(biāo)十算檄所需要的

命令之穗遞攵量，如果一屆十算械有2"“固控制勃作，即控制OS

流排需要m保余泉路。

@熙「睛局p.112

速結(jié)I/O

mi/o1殳儒不能直接速接到CPU和信己卜意醴的OS流排上，。I/O

il作的速度也速比CPU/^，I意醴慢，因此，需要一彳固媒

介來虞理中^的差昊。i/o1殳由翰入輸出控制器

(input/outputcontroller)或介面(interface)而速接到［M流

排上，每一彳固I/O1殳儒有一彳固特殊的控制器。

中控制器或介面憫禱了I/OCPU和信己，卜意醴之性的

差昇?？刂破骺梢允谴谢蚣恿心壳坝休潞弥乜刂破髟?/p>

使用中。IS在最常兄的是SCSI、FireWire和USBo

@熙「睛局p.112

CPU

H5.13速接I/O^^到IS流排

@熙「睛局p.112

SCSI

中小型重月母系統(tǒng)介面(smallcomputersysteminterface；

SCSI)最初是由Macintosh雷:月留於1984年所會展，今日

它已^被使用於^多系統(tǒng)之中。

mSCSI具有8、16或32保余泉路的加列介面，SCSI介面提

供雕菊^式(daisychained)的速接。雒菊^的雨端必須加上

-4固稀卷子咨端雷:阻的特殊^^來加以阻隔，而且每一

必須有一彳固唯一的位址(目檄ID)o

@熙「睛局p.113

CPU

SCSI

控制器

—冬端t阻

ID=5ID=3ID=4ID=2

磁帶系冬端重阻

磁碟械CD-ROMESti

[ffl5.14SCSI控制器

@熙「睛局p.113

FireWire

mIEEE檄型1394定羲一彳固串列介面通穗懸火樂泉

(FireWire)o它是一彳固以封包停送資料的高速串列介面，

最高停送速率可逵50MB/sec,在最近的版本甚至是其雨倍

的速率。

中它可以用雕菊^方式或樹狀速結(jié)方式(只用一僚速系/泉)速

接多逵63彳固祿殳儒，它不需要像SCSI控制器中使用方底端雷:

阻。

@熙「睛局p.113

CPUlettw

FireWire

捕瞄器控制器印表檄

磁碟檄磁帶械CD-ROMDVD數(shù)位相械

H5.15FireWire控制器

@熙「睛局p.114

USB

中通用串列IS流排（UniversalSerialBus；USB）是一彳固串列

控制器，用來速接慢速和快速的割靖到圓窗造流怫

mUSB控制器也穗卷根集樂泉器（roothub）。USB-2（USB

2.0版）容^多逵127他信殳儒使用一槿^似樹狀技析速接到

USB控制器，其中控制器視懸樹根，集^器卷中^^黑占，而

^端^黑占。此控制器（根集^器）奧其他集^器之差

昇在於此控制器知道在樹狀結(jié)橫中其他集^器的存在，但其

他集^器卷被重髭殳儒，只能曾罩地停遮宜料。

@熙「睛局p.113

CPU8B1SS1

ffl5.16USB控制器

@熙「睛局p.114

mI殳儒可以很容易地優(yōu)樹狀^^中移除或加入，而不必尼曷^雷:

月留雷:源，道耦卷可熱插拔(hot-swappable)。富一他集^器

優(yōu)系統(tǒng)中被移除畤，速結(jié)到此集^器的所有^^和其他集彳泉

器也一僑被移除。

中USB使用一彳固四^的排?泉其中(+5伏特奧接地)

用來提供雷:源*臺低耗雷1殳彳篇例如建坐或滑鼠；高耗雷1殳儒

需要速接到II外雷:源。集^器優(yōu)os流排取得雷:源加能提供雷:

源彳合低耗雷1殳儒。另外雨修^觥交在一起以降低轆用來

停遮資料、位址和控制虢。

@熙「睛局p.115

令USB-2提供三槿資料傅翰率：L5Mbps（每秒百離位元）、

12Mbps和480Mbpso

⑥^料在USB上以封包形式俾遮。每他的包包含位址部分

第殳^^別符虢）、控制部分和停遮到后始殳儒的部分^料。

所有曾收到相同的封包，但是只有具有封包中所定羲

的位址之^儒曾接受常亥封包。

@歐克善局p.115

定址事俞人事前出梳殳儒

殺CPU通常使用相同的逼流排蔣亶取或富入瓷料到主割意醴和

I/O如果指令叁考到標(biāo)出1意醴中的字組，刖^料的傅翰是

在主福出1意醴輿CPU之鼠如果指令指定一彳固本俞入輸出■殳儒

,刖^料的傅翰是在輸入輸出^^輿CPU之虞理輸入

輸出^^的定址有雨槿方法：蜀立式I/O輿言己卜意醴卻1央

I/O。

@熙「睛局p.115

蜀立式I/O

殺在鬼立式I/O(isolatedI/O)的方法中，用言己|意醴

的指令完全不同於用來^嘉翰入輸出^儒的指令。逅些指

令有^控制、^取和嘉入輸入輸出^儒。每一他輸入

輸出^^有自己的位址，翰入輸出位址可以輿祿己，卜意醴的位址

重疊而不曾模棱雨可，因卷指令本身就不相同。例如，CPU

使用命令「Read101」^取信己，卜意醴字^101,也可以使用命

令rinput101J^^取事俞人本俞出信殳儒101o

@熙「睛局p.115

CPU

101

控制器

H5.17蜀立式I/O定址

@熙「睛局p.l16

意醴到映i/o

中在標(biāo)己I'意醴軻映I/O(memory-mappedI/O)的方法

中，CPU揩輸入輸出控制器中的每一他暫存器視卷信日|意醴

的字系也換言之，CPU加漢有不同的指令來辨別優(yōu)春已卜意醴或

是輸入輸出^^傅翰資料。例如，只有一彳固rReadJ指令

中福出1意醴軻映I/O*小熊的侵黑占是指令數(shù)量敕少，所有1出I意醴指

令可以被事俞入輸出^^使用；其缺黑占是祿己，1意醴的部分位址空

^被配置余合輸入輸出控制器中的暫存器。

@熙「睛局p.l16

控制器

H5.18|已卜意醴軻映I/O定址

@熙「睛局p.l16

5.5程式之宰丸行

中在今日，通用型^算檄、使用一^指令穗懸程式來虞理瓷料。

^算檄'幸丸行程式以便優(yōu)輸入的資料■生出輸出的資料，程式

輿^料雨者均信者存在|己，卜意醴之中。

mCPU使用重禊的械器遇期(machinecycles)來幸丸行程式中

的指令，一彳固接一彳固地^^始到結(jié)束。一彳固曾化的遇期由三

彳固P皆段所系同成：履取、解礁和幸丸行。

畬在履取(fetch)的P皆段中，控制軍元命令系統(tǒng)禊裂下一彳固指

令到CPU的指令暫存器中，要被禊裂指令的位址是存在程

式^^器中。在禊裂之彳身程式^^器曾遮增以便指到標(biāo)出卜意

醴中的下一彳固指令。

@熙「睛局p.117

H5.19遇期的步驟

@熙「睛局p.117

中遇期中第二彳固隋段是解礁（decode）P皆段。富指令被■取到

指令暫存器彳身曾由控制軍元加以解碣。此解礁P皆段的結(jié)果

是招由系統(tǒng)幸丸行某一^算的二迤位礁。

中在指令解碉之彳身控制罩元送出工作命令到CPU中的^成

元件。例如，控制軍元能告知系統(tǒng)優(yōu)胡意醴載入（1亶?。┮?/p>

^料J瓦或CPU告知ALU揩刖彳固輸入暫存器的內(nèi)容相加

,她且揩結(jié)果放入輸出暫存器中，道就是幸丸行（execute）步

牌。

@熙「睛局p.117

mCPU的建作必須以某槿方法奧小俞入輸出^^連到同步。已

司整有三槿方法被信殳祿十來逵成同步：程式化I/O、中斷膽事力

I/O及直接意存取(DMA)。

程式化I/O

中在程式化I/O(programmedI/O)的方法中，同步是非常曾

軍的。I/O^^奧CPU之^的菅料俾送是由程式中的指令

所完成，富CPU幸丸行一他I/O指令，直到^料停送完成之

前CPU不作任何事力作。CPU不郃常地檢■I/O1殳彳蒲的狀

熊：如果^儒已^^儒好停送，刖資料就停送到CPU。

@熙「睛局p.118

程式中

下一指令

H5.20程式化I/O

@熙「睛局p.118

中斷馳勃I/O

中在中重力I/O(interrupt-drivenI/O)的方法中，CPU通

知I/O1殳儒即揩會生資料俾送，富I/O1殳儒已舉儒好畤曾通

知(中新)CPUO

中在此方法之中，CPU畤^未被浪費掉——富慢速I/OI殳儒

正在完成工作期CPU能■幸丸行其他工作。

@熙「睛局p.118

@熙「睛局p.119

直接祿出卜意醴存取

中第三彳固俾輸資料的方法是直接后己，卜意醴存取(directmemory

access；DMA)o此方法直接傅翰一大展現(xiàn)的^料於高速

I/O例如磁碟和信由意醴之而且^料俾翰不^謾

CPU,適需要一彳固DMA控制器來此馨CPU的某些功能。

DMA控制器具有暫存器，以便在福出1意醴傅翰之前輿之彳受保存

一彳固國土鬼的資料。

中使用此方法做一他I/O勃作，CPU要停送一彳固信息系合

DMA。此信息包含有傅事俞^型便俞入或本俞出)、郎出1意醴位置

之起始位址，和要俾翰的位元^數(shù)目，然彳麥CPU可以做其

他工作。

@熙「睛局p.119

CPUletssi

磁碟

H5.22DMA速接到一般El流排

@熙「睛局p.120

1\

^始—遇到I/O指令

做其他事但、

登出I/O命令

畬盛督中i斤

中新（DMA津倩做資料傅事俞）

釋放隆流排存取，

等待

5J等待DMA完成

中斷（DMA完成資料傅事俞）

程式中

停止

下一指令H5.23DMA事俞人本俞出

@熙「睛局p.120

5.6雨槿不同的架情

CISC

mCISC(彝音sisk)表示禊巢隹指令集雷:月窗(complex

instructionsetcomputer；CISC)。CISC具有一彳固大的指令

集，包括禊轆的指令。在CISC雷:月窗上擺嘉程式比在其他^

^的雷:月惜要容易得多，因熟豺於曾軍或禊巢隹的工作都只要一

他指令即可。

中指令集的禊轆度造成了CPU的雷:路及控制罩元非常福?佬

CISC架橫的信殳^者已^找出解'決方法來降低其禊生隹度：程式

規(guī)副分雨彳固陷段完成。

@熙「睛局p.121

mCPU只幸丸行曾罩的微建算(microoperation),一彳固穆轆指

令先醇換成一^曾軍的微^算，再由CPU加以幸丸行。因此

需要增加一他特殊官日意醴耦卷微信川意醴(micromemory),

以保存指令集中每一他禊轆指令的一^微^算。道槿使用微

建算的程式規(guī)剝的形式耦卷微程式規(guī)副

(microprogramming)。

mCISC架情的缺黑占之一是微程式規(guī)副所需的醺外畤^輿存取微

信己，|意醴的畤

@熙「睛局p.121

RISC

mRISC(彝音risk)表示精曾指令集雷:膈(reduced

instructionsetcomputer；RISC)。RISC背彳麥的策略是要具

有一彳固小的指令集以便軌行最少篡攵目的曾軍^算，而禊轆指

令是用曾單指令的子集合加以模悔。

中在RISC雷:月留上度癮程式比在另一槿1殳|十的雷:月留要更加困

以及更加耗日寺，肉卷大部分的禊轆指令是用曾軍指令模雅得

到的。

@熙「睛局p.121

管^^理

中代的^算械使用一槿耦懸管彳泉慮理(pipelining)的技析來

增迤其■量(throughput；軍位畤^內(nèi)所幸丸行指令的穗遞攵

量)。道他想法是基於如果控制罩元能■同畤幸丸行二或三彳固

P皆段，即下一指令可以在前一指令完成之前就^始幸丸行。

中@5.24bII示管吊疑慮理如何能?增迤^算械的■量，第一他

^算檄在特定期^內(nèi)平均要幸丸行9他陷段，而管樂泉化的^算

械在相同的畤冏內(nèi)可以幸丸行24彳固陷段。如果假信殳每彳固陷段

使用相同的畤^量，即第一彳固^算械完成了9/3=3他指令

,而第二彳固^算械完成了24/3=8他指令，■量因而增加了

8/3或266%。

@熙「睛局p.121

指令1指令2指令3

K------------------HH--------------------------AK------------------H

擷取1解礁幸丸行擷取II解碣1幸丸行擷取解碼1幸丸行1

日寺^