計算機組成原理與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

復(fù)習(xí)第1章概述1.1計算機系統(tǒng)的基本組成及其層次結(jié)構(gòu)

理解1.2計算機的體系結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)

理解1.3計算機發(fā)展進(jìn)步與拓展應(yīng)用的歷程

一般了解

復(fù)習(xí)第2章數(shù)字電路基礎(chǔ)和計算機中的邏輯部件2.1數(shù)字電路基礎(chǔ)

一般了解半導(dǎo)體材料和晶體二極管簡介，2雙極型三極管的結(jié)構(gòu)及其伏安特性，MOS管的結(jié)構(gòu)及其伏安特性2.2基本邏輯門和布爾代數(shù)知識基礎(chǔ)

理解最基本的邏輯門電路，布爾代數(shù)知識基礎(chǔ)2.3組合邏輯電路及其應(yīng)用

重點掌握基本邏輯門，三態(tài)門，數(shù)據(jù)選擇器，譯碼器和編碼器，組合邏輯電路應(yīng)用舉例2.4時序邏輯電路及其應(yīng)用

重點掌握基本R\|S觸發(fā)器，D型觸發(fā)器與寄存器、計數(shù)器器件，時序邏輯電路應(yīng)用舉例2.5現(xiàn)場可編程器件及其應(yīng)用

一般了解現(xiàn)場可編程器件概述，通用可編程器件GAL20V8的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其編程使用2.6幾個專用功能器件和存儲器芯片的引腳圖

一般了解

復(fù)習(xí)第3章數(shù)據(jù)表示、數(shù)據(jù)運算算法和邏輯電路實現(xiàn)3.1數(shù)字化信息編碼的概念和二進(jìn)制編碼知識

理解數(shù)字化信息編碼的概念，二進(jìn)制編碼和碼制轉(zhuǎn)換，檢錯糾錯碼3.2數(shù)據(jù)表示——常用的信息編碼

重點掌握邏輯類型數(shù)據(jù)的表示，字符類型數(shù)據(jù)的表示，數(shù)值類型數(shù)據(jù)的表示

3.3二進(jìn)制數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼與運算算法

重點掌握原碼、反碼、補碼的定義，補碼加、減運算規(guī)則和電路實現(xiàn)，原碼一位乘法的實現(xiàn)算法和電路實現(xiàn)，原碼一位除法的實現(xiàn)算法和電路實現(xiàn)，補碼一位乘法、除法和其他快速乘除法的實現(xiàn)思路復(fù)習(xí)第4章計算機中的運算器部件4.1運算器部件概述

理解4.2定點運算器部件的功能、組成與設(shè)計

重點掌握定點運算器部件概述，位片結(jié)構(gòu)的運算器芯片Am2901，教學(xué)計算機運算器的設(shè)計與實現(xiàn)實例4.3浮點運算與浮點運算器

一般了解浮點數(shù)的運算規(guī)則，浮點運算器舉例4.4當(dāng)前流行的計算機中的運算器部件概述

一般了解

復(fù)習(xí)第5章指令、指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計5.1指令格式和指令系統(tǒng)概述

重點掌握操作碼的組織與編碼，有關(guān)操作數(shù)的個數(shù)、來源、去向和地址安排，關(guān)于指令的分類5.2尋址方式概述與應(yīng)用實例

重點掌握基本尋址方式概述，尋址方式應(yīng)用舉例5.3指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計舉例

理解教學(xué)計算機的指令系統(tǒng)說明，教學(xué)計算機的匯編程序設(shè)計舉例復(fù)習(xí)第6章計算機的控制器部件6.1控制器的功能、組成與指令執(zhí)行步驟

重點掌握控制器部件的功能及其組成，指令的執(zhí)行步驟6.2硬連線控制器部件

重點掌握硬連線控制器的組成和運行原理簡介，教學(xué)計算機的硬連線控制器的組成、設(shè)計與實現(xiàn)實例6.3微程序控制器部件

重點掌握微程序控制器的基本組成和工作原理，微程序設(shè)計中的下地址形成邏輯的硬件技術(shù)，教學(xué)計算機微程序控制器的組成、設(shè)計與實現(xiàn)實例復(fù)習(xí)第7章多級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)概述和主存儲器7.1多級結(jié)構(gòu)的存儲器系統(tǒng)概述

理解7.2主存儲器部件的組成與設(shè)計

重點掌握主存儲器概述，動態(tài)存儲器的記憶原理和讀寫過程，靜態(tài)存儲器的存儲原理和芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)7.3教學(xué)計算機的內(nèi)存儲器實例

理解7.4提高存儲器系統(tǒng)性能的可行途徑

理解復(fù)習(xí)第8章高速緩沖存儲器和虛擬存儲器8.1高速緩沖存儲器

重點掌握高速緩沖存儲器的運行原理，高速緩沖存儲器的3種映像方式，高速緩沖存儲器使用中的幾個問題8.2虛擬存儲器部件

重點掌握虛擬存儲器概述，段式存儲管理，頁式存儲管理復(fù)習(xí)第9章輔助存儲器設(shè)備與磁盤陣列技術(shù)9.1外部存儲設(shè)備概述

理解9.2磁盤設(shè)備的組成與運行原理

一般了解9.3光盤設(shè)備的組成與運行原理

一般了解9.4磁盤陣列技術(shù)與容錯支持

一般了解

復(fù)習(xí)第10章輸入輸出設(shè)備10.1輸入輸出設(shè)備概述

理解設(shè)備簡介，點陣式設(shè)備運行原理概述，10.2顯示器設(shè)備的組成和運行原理

重點掌握顯示器設(shè)備概述，CRT陰極射線管的組成和運行原理，CRT字符顯示器的組成和運行原理，CRT圖形顯示器，液晶顯示器的組成和運行原理，計算機終端10.3打印機設(shè)備的組成與運行原理

重點掌握針式打印機的組成及其打印過程，噴墨打印機的組成及其打印過程，激光打印機的組成及其打印過程10.4計算機的輸入設(shè)備

重點掌握計算機鍵盤的組成和運行原理，鼠標(biāo)設(shè)備復(fù)習(xí)第11章輸入輸出系統(tǒng)11.1計算機輸入輸出系統(tǒng)概述

理解11.2計算機總線的功能與組成

重點掌握計算機總線概述，計算機總線構(gòu)成，總線仲裁和數(shù)據(jù)傳輸控制，教學(xué)計算機的總線系統(tǒng)實例11.3輸入輸出接口概述

重點掌握計算機輸入輸出接口的基本功能，通用可編程接口的一般組成，串行接口實例11.4常用的輸入輸出方式概述

重點掌握常用的輸入輸出方式，中斷的概念和中斷處理過程，DMA的概念和DMA處理過程復(fù)習(xí)第12章流水線技術(shù)12.1流水線的基本概念

理解流水線簡介，流水線的表示方法，流水線的特點，流水線的分類方法12.2流水線的性能指標(biāo)

理解流水線的吞吐率，流水線的加速比，流水線的效率，流水線的最佳段數(shù)12.3DLX指令集與DLX流水線

一般了解DLX指令集結(jié)構(gòu)介紹，DLX的一種簡單實現(xiàn)，DLX流水線的實現(xiàn)原理12.4流水線中的相關(guān)問題

理解結(jié)構(gòu)相關(guān)，數(shù)據(jù)相關(guān)，控制相關(guān)，12.5指令級并行技術(shù)

一般了解基本概念，多指令發(fā)射技術(shù)復(fù)習(xí)第13章并行計算機體系結(jié)構(gòu)13.1計算機體系結(jié)構(gòu)概述

理解計算機體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展，計算機體系結(jié)構(gòu)的分類13.2并行計算機系統(tǒng)概述

一般了解并行計算機系統(tǒng)分類，并行性、可擴展性和可編程性，13.3并行計算機系統(tǒng)的設(shè)計問題

理解并行計算機系統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，并行計算機系統(tǒng)的性能問題，并行計算機系統(tǒng)的軟件問題13.4SIMD計算機簡介

一般了解陣列處理機，向量處理機13.5共享內(nèi)存的多處理機系統(tǒng)

一般了解一致性內(nèi)存訪問的UMA多處理機系統(tǒng)，非一致性內(nèi)存訪問的NUMA多處理機系統(tǒng)13.6基于消息傳遞的多計算機系統(tǒng)

一般了解大規(guī)模并行處理機，工作站集群，消息傳遞軟件包邏輯加運算邏輯或用運算符號“+”表示運算規(guī)則 0+0=0 0+1=1 1+0=1 1+1=1真值表邏輯乘運算邏輯與用運算符號“·”表示運算規(guī)則： 0·0=0 0·1=0 1·0=0 1·1=1真值表：邏輯非運算將1變成0，將0變成1。表示為真值表運算法則運算法則例:寫出下列真值表的邏輯表達(dá)式

答：基本門電路門電路實現(xiàn)邏輯運算的數(shù)字電路輸入端和輸出端有兩種狀態(tài)分別表示邏輯1和邏輯0。MOS場效應(yīng)晶體管基本的門電路符號三態(tài)門高阻狀態(tài)輸出控制功能三態(tài)門的用途直接連接到公共信號線路總線雙向連接總線邏輯門電路的分類組合邏輯電路不具備記憶功能建立在簡單邏輯門基礎(chǔ)上可以用真值表和邏輯表達(dá)式表示時序邏輯電路具有記憶功能電路的輸出取決于輸入狀況和電路的狀態(tài)建立在觸發(fā)器的基礎(chǔ)上寄存器計數(shù)器觸發(fā)器一種具有記憶功能的電路有兩個穩(wěn)定的電路狀態(tài)建立在R-S鎖存器(latch)的基礎(chǔ)上半加器分為半加器和全加器兩種半加器有兩個輸入端和兩個輸出端半加器的邏輯表達(dá)式：全加器進(jìn)位輸入Ci，進(jìn)位輸出Co。邏輯表達(dá)式：寄存器（Register）由多個D觸發(fā)器構(gòu)成可以存放一個完整的二進(jìn)制數(shù)據(jù)通常用一個名字表示如R1、R2對寄存器內(nèi)容的操作移位、計數(shù)、清除、裝入寄存器的數(shù)據(jù)傳輸并行輸入并行輸出R1

R2R2

R1R1R2編碼器編碼的信息與譯碼的信息2n個輸入信號的編碼器有n個輸出信號輸入信號中只有一個是有效的電平譯碼器n個輸入信號的譯碼器有2n個輸出信號每個輸出信號對應(yīng)于n個輸入信號的一種編碼輸出信號中只有一個處于有效狀態(tài)通常還有一個輸出許可信號（EN）數(shù)據(jù)選擇器根據(jù)選擇信號從多個輸入端中選擇一個作為輸出有n個選擇信號的數(shù)據(jù)選擇器從2n個輸入數(shù)據(jù)線中選擇一個作為輸出邏輯表達(dá)式：功能表計算機的硬件結(jié)構(gòu)基本概念A(yù)LU存儲器（讀、寫、訪問）容量（字、字節(jié)）字長指令程序CPU主機總線計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概論一、概念

計算機實現(xiàn)Implementation器件選擇，機械、封裝、印板、機箱、電源、冷卻設(shè)計

計算機組成Organization邏輯設(shè)計

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Architecture外特性設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的研究范圍新型系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計并行性數(shù)據(jù)流推理機神經(jīng)網(wǎng)性能成本評價運算速度存儲容量I/O帶寬外特性指令系統(tǒng)數(shù)據(jù)表示尋址方式寄存器集界面設(shè)計確定硬件功能數(shù)制二進(jìn)制數(shù)采用2個計數(shù)符號計數(shù)規(guī)則：逢2進(jìn)一一個n位的二進(jìn)制數(shù)x0x1…xn-2xn-1代表的數(shù)值為：x0*2n-1+x1*

2n-2+…+xn-2*

21+xn-1*

20

數(shù)制轉(zhuǎn)換將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成八進(jìn)制數(shù)從小數(shù)點的位置開始每三位一組分別轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的八進(jìn)制數(shù)的計數(shù)符號不足三位時補0將二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)四位一組進(jìn)行轉(zhuǎn)換例0010101102=1268=5616數(shù)制轉(zhuǎn)換將八進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)從小數(shù)點的位置開始每一位八進(jìn)制數(shù)分別轉(zhuǎn)換成三位二進(jìn)制數(shù)將十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)整數(shù)部分采用除2取余法小數(shù)部分采用乘2取整法x02n-1+x12n-2+…+xn-221+xn-120

將1810表示成二進(jìn)制數(shù)解：根據(jù)上述轉(zhuǎn)換方法的轉(zhuǎn)換過程為：189 0 (18除以2得9，余0)4 1 (9除以2得4，余1)2 0 (4除以2得2，余0)1 0 (2除以2得1，余0)0 1 (1除以2得0，余1)可得到結(jié)果為10010

將十進(jìn)制數(shù)0.81轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)解：轉(zhuǎn)換的過程是：

0.81

1.62 取1 (0.81乘以2得1.62)

1.24 取1 (0.62乘以2得1.24)

0.48 取0 (0.24乘以2得0.48)

0.96 取0 (0.48乘以2得0.96)

1.92 取1 (0.96乘以2得1.92)得結(jié)果為0.11001機器數(shù)計算機中表示的二進(jìn)制數(shù)據(jù)真值一個機器數(shù)所代表的實際數(shù)值定點數(shù)定點整數(shù)定點小數(shù)定點數(shù)的編碼機器數(shù)無符號數(shù)半字、字、雙倍字、四倍字有符號數(shù)原碼、反碼、補碼、移碼1位符號位原碼表示法編碼方法符號位加數(shù)值位正數(shù)符號位為0負(fù)數(shù)符號位為1求值方法x=(-1)x0(x12n-1+…xn-12+xn)數(shù)值范圍-2n+1≤x≤2n-1原碼表示法零有兩種表示方式例設(shè)x=1010，y=-1010，求[x]原和[y]原解： [x]原=01010 [y]原=11010例設(shè)x=0.1010，y=-0.1010，求[x]原和[y]原解： [x]原=0.1010 [y]原=1.1010補碼表示法補碼編碼0010-0011=1111，表示負(fù)1符號位零的表示數(shù)據(jù)表示范圍： -2n≤x≤2n-1編碼方法一正數(shù)的補碼在其二進(jìn)制代碼前加上符號位0負(fù)數(shù)的補碼是將二進(jìn)制代碼前加0后按位取反，然后在最低位上加1。反碼表示法編碼方法正數(shù)的反碼與原碼相同負(fù)數(shù)的反碼是將二進(jìn)制位按位取反數(shù)值范圍 -2n

+1≤x≤2n-1定點小數(shù)-1+2-n

≤x≤1-2-n零有兩個編碼：000…0和111…1反碼表示法例設(shè)x=1010，y=-1010，求[x]反和[y]反。解： [x]反=01010 [y]反=10101移碼表示法編碼方法[x]移=2n+x數(shù)值范圍-2n≤x≤2n-1符號位：1表示正號，0代表負(fù)號0有惟一的編碼保持了數(shù)據(jù)原有的大小順序定點小數(shù)沒有移碼定義移碼表示法例設(shè)x=1010，y=-1010，求[x]移和[y]移。解： [x]移=10000+1010=11010 [y]移=10000+(-1010)=100000-01010=00110二-十進(jìn)制編碼直接在計算機中表示十進(jìn)制數(shù)編碼的方法對每一位十進(jìn)制數(shù)用四個二進(jìn)制位編碼表示BCD碼(binarycodeddecimal)用4位編碼中的剩余6個代碼表示符號編碼方案8421編碼2421編碼余3碼(excess-3code)格雷碼(Graycode)非數(shù)值數(shù)據(jù)的編碼1.西文字符的編碼ASCII碼2.漢字的編碼輸入碼數(shù)字編碼、拼音碼和字形碼機內(nèi)碼用于漢字信息存儲、交換、檢索等操作檢錯碼和糾錯碼能夠發(fā)現(xiàn)某些錯誤或具有自動糾錯能力的數(shù)據(jù)編碼在代碼中增加冗余位以使代碼具有某種特征分組碼卷積碼奇偶校驗碼奇校驗：

xk+1=x1+x2+…+xk

+1mod2偶校驗：

xk+1=x1+x2+…+xk

mod2例：偶校驗

000000000 000100011 001000101定點數(shù)的加減運算一、補碼加法根據(jù)補碼加法公式，補碼可以直接相加。[x]補+[y]補=[x+y]補 (mod2)二、補碼減法根據(jù)補碼減法公式，補碼可以直接相減。[x-y]補=[x]補-[y]補=[x]補+[-y]補(mod2)定點數(shù)的加減運算例子例

x=0.1010，y=-0.0011，用補碼的加法求x+y。解：[x]補=0.1010，[y]補=1.1101[x]補+[y]補=0.1010+1.1101=0.0111x+y=0.0111例

x=0.1001，y=-0.0011，用補碼的減法求x-y。解：[x]補=0.1001，[y]補=1.1101，[-y]補=0.0011[x]補-[y]補=[x]補+[-y]補=0.1001+0.0011=0.1100x-y=0.1100加減運算電路邏輯運算按位運算：分別考慮每一位信息按位的邏輯與、邏輯或、邏輯非例：x=10100001，y=10011011

x+y=10111011

x·y=10000001邏輯運算移位運算算術(shù)移位邏輯移位循環(huán)移位左移右移運算器中的寄存器組單端口寄存器組運算器中的寄存器組多端口寄存器組存儲器芯片分類RAMSRAMStaticrandomaccessmemoryDRAMDynamicrandomaccessmemoryROMReadonlymemory靜態(tài)存儲器芯片動態(tài)存儲器芯片存儲器的基本組織位擴展芯片的地址線數(shù)：18存儲器的結(jié)構(gòu)256Kx32容量：1MBCPU的有效地址位數(shù)：20位字節(jié)地址00123456712891011256kx1256kx1……256kx1字?jǐn)U展字位擴展例設(shè)有一個具有20位地址和8位字長的存儲器，問

(1)該存儲器能存儲多少字節(jié)的信息？

(2)如果存儲器由256K×1位的RAM芯片組成，需要多少片芯片？

(3)需要多少位地址作為芯片選擇？解：(1)存儲器的容量為220B=1MB(2)需要的芯片數(shù)為8×4=32片(3)4倍字?jǐn)U展 需要log24=2條地址線作為芯片選擇 地址線中的18位用于作為各芯片的地址信號。例設(shè)有若干片256K×8位的SRAM芯片，采用字?jǐn)U展方法構(gòu)成2048KB的存儲器，問

(1)需要多少片RAM芯片？

(2)該存儲器需要多少地址位？

(3)畫出該存儲器與CPU連接的結(jié)構(gòu)圖，設(shè)CPU的接口信號有地址信號、數(shù)據(jù)信號、控制信號MREQ#和R/W#。

(4)給出地址譯碼器的邏輯表達(dá)式。解：(1)需要2048K/256K=8片SRAM芯片； (2)需要21條地址線，高3位用于芯片選擇，低18位作為每個存儲器芯片的地址輸入。 (3)該存儲器與CPU連接的結(jié)構(gòu)圖如下：例設(shè)有若干片256K×8位的SRAM芯片，采用字?jǐn)U展方法構(gòu)成2048KB的存儲器，問

(1)需要多少片RAM芯片？

(2)該存儲器需要多少地址位？

(3)畫出該存儲器與CPU連接的結(jié)構(gòu)圖，設(shè)CPU的接口信號有地址信號、數(shù)據(jù)信號、控制信號MREQ#和R/W#。

(4)給出地址譯碼器的邏輯表達(dá)式。例某計算機的主存地址空間中，從地址000016到3FFF16為ROM存儲區(qū)域，從400016到5FFF16為保留地址區(qū)域，暫時不用，從600016到FFFF16為RAM地址區(qū)域。RAM的控制信號為CS#和WE#，CPU的地址線為A15~A0，數(shù)據(jù)線為8位的線路D7~D0，控制信號有讀寫控制R/W#和訪存請求MREQ#，要求：

(1)畫出地址譯碼方案

(2)如果ROM和RAM存儲器芯片都采用8K×1的芯片，試畫出存儲器與CPU的連接圖。

(3)如果ROM存儲器芯片采用8K×8的芯片，RAM存儲器芯片采用4K×8的芯片，試畫出存儲器與CPU的連接圖。

(4)如果ROM存儲器芯片采用16K×8的芯片，RAM存儲器芯片采用8K×8的芯片，試畫出存儲器與CPU的連接圖。(1)畫出地址譯碼方案解：(1)

(2)如果ROM和RAM存儲器芯片都采用8K×1的芯片，試畫出存儲器與CPU的連接圖。解：(2)8KB的存儲區(qū)域可以用8片存儲器芯片構(gòu)成一組實現(xiàn)。8K×1的存儲器芯片的地址線需要13條，即A12~0。(3)如果ROM存儲器芯片采用8K×8的芯片，RAM存儲器芯片采用4K×8的芯片，試畫出存儲器與CPU的連接圖。

解：（3）(4)如果ROM存儲器芯片采用16K×8的芯片，RAM存儲器芯片采用8K×8的芯片，試畫出存儲器與CPU的連接圖。解：（4）例某計算機系統(tǒng)的主存采用32位字節(jié)地址空間和64位數(shù)據(jù)線訪問存儲器，若使用64M位的DRAM芯片組成該機所允許的最大主存空間，并采用內(nèi)存條的形式，問：

(1)若每個內(nèi)存條為64M×32位，共需多少內(nèi)存條？

(2)每個內(nèi)存條內(nèi)共有多少片DRAM芯片？

(3)主存共需多少DRAM芯片？

(4)CPU如何有選擇地訪問各內(nèi)存條？

解：(1)主存最大空間為232=4GB，每個內(nèi)存條的容量為64×4B=256MB，主存需要的內(nèi)存條數(shù)量為4GB/256MB=16條。 (2)每個芯片的容量為8MB，內(nèi)存條需要的芯片數(shù)量為256MB/8MB=32片。 (3)整個主存需要的內(nèi)存芯片數(shù)量是16×32=512片。 (4)由于CPU字長為64位，內(nèi)存條需要進(jìn)行位擴展，即2個32位的內(nèi)存條構(gòu)成一組64位的存儲單元組，16個內(nèi)存條構(gòu)成8組，為選擇這8組內(nèi)存條，CPU地址中需要用最高3位地址作為產(chǎn)生選擇信號的地址碼。存儲器的工作周期SRAM時序讀周期：地址有效

CS有效

數(shù)據(jù)輸出

CS復(fù)位

地址撤銷寫周期：地址有效

CS有效

數(shù)據(jù)有效

CS復(fù)位（數(shù)據(jù)輸入）

地址撤銷提高存儲器工作速度的技術(shù)速度指標(biāo)周期時間訪問時間吞吐率（帶寬）提高速度的技術(shù)1.芯片技術(shù)2.結(jié)構(gòu)技術(shù)訪存的局部性訪存局部性時間局部性空間局部性層次化結(jié)構(gòu)cache主存輔存

Cache基本概念命中、命中率、失效、失效率、塊、命中訪問時間、失效訪問時間(misspenalty)

Cache設(shè)計問題地址映象替換策略更新策略容量地址映象與變換

1.直接映象1.直接映象（續(xù)）塊地址的概念存儲容量、塊數(shù)、塊容量與地址格式中區(qū)號、塊號、塊內(nèi)地址位數(shù)的關(guān)系。訪問cache1.直接映象（續(xù)）例設(shè)有一個cache的容量為2K字，每個塊為16字，求

(1)該cache可容納多少個塊？

(2)如果主存的容量是256K字，則有多少個塊？

(3)主存的地址有多少位？cache地址有多少位？

(4)在直接映像方式下，主存中的第i塊映像到cache中哪一個塊中？

(5)進(jìn)行地址映像時，存儲器的地址分成哪幾段？各段分別有多少位？解：(1)cache中有2048/16=128個塊。(2)主存有256K/16=16384個塊。(3)主存容量為256K=218字，字地址有18位。 cache容量為2K=211字，字地址為11位。(4)在直接映像方式下，主存中的第i塊映像到cache中第imod128個塊中。(5)區(qū)號7位，塊號為7位，塊內(nèi)字地址為4位。區(qū)號塊號塊內(nèi)地址114182.全相聯(lián)映像2.全相聯(lián)映像（續(xù)）N=區(qū)內(nèi)塊數(shù)，陰影區(qū)表示查找范圍全相聯(lián)映像的實現(xiàn)2.全相聯(lián)映像（續(xù)）3.組相聯(lián)映像n路組相聯(lián)：組內(nèi)有n塊3.組相聯(lián)映像（續(xù)）N=區(qū)內(nèi)塊數(shù)，陰影區(qū)表示查找范圍，根據(jù)組號在塊表中尋找組，組內(nèi)相聯(lián)查找。組相聯(lián)映像的實現(xiàn)區(qū)號組號塊號塊內(nèi)組相聯(lián)映像的實現(xiàn)3.組相聯(lián)映像（續(xù)）例：設(shè)有8個塊，分成2個組3.組相聯(lián)映像（續(xù)）例：設(shè)有8個塊，分成4個組替換策略及更新策略替換策略隨機法先進(jìn)先出法近期最少使用法近期最久未使用法替換策略及更新策略（續(xù)）

先進(jìn)先出替換策略替換策略及更新策略（續(xù)）

近期最久未使用替換策略虛擬存儲器作用分隔地址空間解決主存的容量問題程序的重定位與cache的區(qū)別替換策略實現(xiàn)方式虛擬存儲器分類頁式段式段頁式頁式虛擬存儲器頁、頁框架、基號、頁表、虛頁號頁式虛擬存儲器（續(xù)） 與塊表的區(qū)別：基號，表長，查找方式，裝入位 問題：頁表過長例：某計算機的頁式虛存管理中采用長度為32字的頁面。頁表內(nèi)容如下表所示，求當(dāng)CPU程序按下列2進(jìn)制虛擬字地址訪存時產(chǎn)生的實際字地址。

(1)00001101

(2)10000000

(3)00101000

答：頁面長度為32字，則頁內(nèi)地址5位，8位地址碼中的高3位為虛頁號，從表中查出2位實頁號，與頁內(nèi)地址合并構(gòu)成7位實際物理內(nèi)存的地址。

(1)虛頁號為000，查得實頁號01，與頁內(nèi)地址01101合并，得0101101。

(2)虛頁號為100，查得實頁號10，與頁內(nèi)地址00000合并，得1000000。

(3)虛頁號為001，查得該頁未裝入內(nèi)存，沒有相應(yīng)的內(nèi)存地址。

段式虛擬存儲器段表：段基址、段長、裝入位、訪問方式段頁式虛擬存儲器指令的格式指令格式：操作碼，地址碼一、操作碼opcode 固定長度操作碼：便于譯碼，擴展性差 可變長度操作碼：能縮短指令平均長度二、地址碼addressingcode 零地址指令，如NOP,CLR

一地址指令，如INCR1

二地址指令，如ADDR1,R2

三地址指令，如ADDR1,R2,R3尋址方式立即數(shù)2024/10/18設(shè)某臺計算機有100條指令，

(1)采用固定長度操作碼編碼，試設(shè)計其操作碼的編碼。

(2)假如這100條指令中有10條指令的使用概率達(dá)到90%，其余90條指令的使用概率為10%。試采用不等長編碼設(shè)計操作碼。

解：(1)采用固定長度操作碼編碼時，需要7位操作碼。取其中的100個代碼作為指令操作碼，可以用0000000到1100011之間的代碼代表100條指令，即 0000000 指令0的操作碼 0000001 指令1的操作碼 … 1100011 指令99的操作碼剩下從1100100到1111111共28個代碼可用于增加新指令，每條指令的操作碼的長度都是7。2024/10/18設(shè)某臺計算機有100條指令，

(1)采用固定長度操作碼編碼，試設(shè)計其操作碼的編碼。

(2)假如這100條指令中有10條指令的使用概率達(dá)到90%，其余90條指令的使用概率為10%。試采用不等長編碼設(shè)計操作碼。

(2)用4位代碼對10條常用指令進(jìn)行編碼，用8位代碼對90條不常用代碼進(jìn)行編碼，即 0000 指令0的操作碼 0001 指令1的操作碼 … 1000 指令8的操作碼 1001 指令9的操作碼 10100000 指令10的操作碼 10100001 指令11的操作碼 … 11111001 指令99的操作碼指令操作碼的平均長度為 4×90%+8×10%=4.4位比等長編碼的7位小。2024/10/18

數(shù)據(jù)的類型及其存儲方式

操作數(shù)的類型

整型數(shù)、單精度和雙精度浮點數(shù)、字符型數(shù)據(jù)長度：單字節(jié)、雙字節(jié)、字、雙字、四倍字

操作數(shù)的存儲方式

大數(shù)端(bigEndian)和小數(shù)端(littleEndian)CPUByte3Byte2Byte1Byte0寄存器存儲器Byte2Byte1Byte0Byte3字不對齊方式下的存儲器訪問節(jié)省空間訪存速度慢接口復(fù)雜尋址方式

1.隱含方式 如ADDA中的累加器 2.立即數(shù)方式 如INT#3 3.寄存器方式 如INCR1操作數(shù)4.直接尋址如INC1000操作數(shù)尋址方式尋址方式

5.寄存器間接 如INC(R1)

A操作數(shù)尋址方式

6.存儲器間接如INC(1000)A操作數(shù)尋址方式

7.相對尋址

如INC8(PC)操作數(shù)尋址方式

8.變址和基址尋址

如INC8(R1)

變址尋址：便于數(shù)組訪問基址尋址：可擴大尋址范圍，可實現(xiàn)程序浮動I操作數(shù)尋址方式

9.

復(fù)合尋址

如INC8(PC+R1)、INC(R1)(1000)例一條雙字長的指令存儲在地址為W的存儲器中。指令的地址字段位于地址為W+1處，用Y表示。在指令執(zhí)行中使用的操作數(shù)存儲在地址為Z的位置。在一個變址寄存器中包含X的值。試敘述Z是怎樣根據(jù)其他地址計算得到的，假定尋址方式為 (1)直接尋址 (2)間接尋址 (3)相對尋址 (4)變址尋址尋址方式

解：(1)在直接尋址方式下，Z=Y。(2)在存儲器間接尋址方式下，Z=(Y)。(3)在相對尋址方式下，Z=W+Y+2。(4)在變址尋址方式下，Z=X+Y。尋址方式

指令格式的設(shè)計

操作碼的編碼霍夫曼編碼頻率相關(guān)編碼方法前綴碼采用霍夫曼樹擴展霍夫曼編碼法

減少操作碼長度數(shù)量擴展霍夫曼編碼確定不同的編碼長度在滿足長度數(shù)量限制的條件下，可以有多種不同長度的選擇方案，需要進(jìn)行比較才能選出最佳的編碼長度選擇根據(jù)長度進(jìn)行編碼編碼時將使用概率較高的指令操作碼用較短的編碼表示，使用概率較低指令的操作碼用較長的編碼表示；盡量將較多的指令操作碼采用較短的編碼，充分利用短小的編碼。操作碼的編碼例某計算機有10條指令，它們的使用頻率分別為0.30,0.20,0.16,0.09,0.08,0.07,0.04,0.03,0.02,0.01(1)用霍夫曼編碼對它們的操作碼進(jìn)行編碼，并計算平均代碼長度。(2)用擴展霍夫曼編碼法對操作碼進(jìn)行編碼，限兩種操作碼長度，并計算平均代碼長度。答：(1)霍夫曼樹如下：霍夫曼編碼的結(jié)果以及各編碼的長度如下所示：0.300.200.160.090.080.070.040.030.020.011101101001100110000001000010000010000002233444566平均代碼長度為(0.30+0.20)×2+(0.16+0.09)×3+(0.08+0.07+0.04)×4+0.03×5+(0.02+0.01)×6=1+0.75+0.76+0.15+0.18=2.84(2)用擴展霍夫曼編碼法對操作碼進(jìn)行編碼，限兩種操作碼長度，并計算平均代碼長度。(2)采用長度為2和長度為4兩種編碼：0.300.200.160.090.080.070.040.030.020.01000110001001101010111100110111101111平均代碼長度為(0.30+0.20)×2+(1-0.30-0.20)×4=3.0地址碼的設(shè)計根據(jù)指令進(jìn)行調(diào)整綜合考慮操作碼與地址碼根據(jù)地址碼數(shù)量調(diào)整操作碼的長度保證指令長度為字長或字節(jié)的整數(shù)倍指令的訪存類型堆棧型累加器型通用寄存器型寄存器-寄存器型寄存器存儲器型存儲器-存儲器型指令系統(tǒng)的歷史與發(fā)展

RISC與CISC早期CISC設(shè)計風(fēng)格的主要特點：指令系統(tǒng)復(fù)雜指令數(shù)多尋址方式多指令格式多絕大多數(shù)指令需要多個時鐘周期才能執(zhí)行完成各種指令都可訪問存儲器采用微程序控制有專用寄存器難以用優(yōu)化編譯生成高效的目標(biāo)代碼程序CISC和RISCRISC技術(shù)的主要特征

簡化的指令系統(tǒng)指令數(shù)較少基本尋址方式少指令格式少以寄存器－寄存器方式工作以流水方式工作可在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行完畢使用較多的通用寄存器以減少訪存不設(shè)置或少設(shè)置專用寄存器采用由陣列邏輯實現(xiàn)的組合電路控制器不用或少用微程序采用優(yōu)化編譯技術(shù)保證流水線暢通對寄存器分配進(jìn)行優(yōu)化RISC的設(shè)計思想將不是最頻繁使用的功能由軟件實現(xiàn)簡化硬件可使其執(zhí)行得更快指令應(yīng)簡單若增加一條使機器周期時間延長10%的指令，則該指令必須至少能減少10%的執(zhí)行周期數(shù)固定格式的指令和流水線操作存儲器日趨價廉、高速，時空關(guān)系的權(quán)衡應(yīng)少計較空間容量，而應(yīng)突出指令執(zhí)行速度的因素。基本概念CPU的基本構(gòu)成控制器，運算器，寄存器，[cache]，[MMU],[外設(shè)接口]寄存器的類型指令寄存器(IR)程序計數(shù)器(PC)數(shù)據(jù)寄存器(DR)地址寄存器(AR)狀態(tài)寄存器(SR)數(shù)據(jù)通路數(shù)據(jù)總線（單總線，雙總線，多總線）專用通路（如MIPS）總線結(jié)構(gòu)的CPU控制信號：IRin： IR的輸入控制IRout: IR的輸出控制PCin：PC的輸入控制PCout: PC的輸出控制PC+1: PC計數(shù)更新控制R0out：R1的輸出控制R0in： R1的輸入控制…Yin： Y的輸入控制Zin: Z的輸入控制Zout: Z的輸出控制ADD: ALU加法操作控制

硬連線控制器框圖環(huán)形脈沖發(fā)生器

微程序控制器

1.微程序和微指令基本概念：控制字，微指令，微程序，微操作，控制存儲器，微地址微程序控制方法：把指令執(zhí)行所需要的所有控制信號存放在控制存儲器中，需要時從這個存儲器中讀取。微指令的構(gòu)成：操作控制部分，順序控制部分微程序控制的特點：靈活性好，速度慢2.微程序控制器原理3.微指令編碼

1.微指令編碼控制字編碼 相容性和相斥性 (1)直接表示法 (2)編碼表示法 (3)混合表示法4.微地址的形成方法

計數(shù)器方式

增量方式用mPC4.微地址的形成方法

(2)斷定方式4.微地址的形成方法

(3)結(jié)合方式指令流水技術(shù)流水工作方式：將一個計算任務(wù)細(xì)分成若干個子任務(wù)，每個子任務(wù)由專門的部件處理，多個計算任務(wù)依次進(jìn)行并行處理。流水周期

退耦流水線流水線的性能吞吐率單位時間內(nèi)流水線能處理的任務(wù)數(shù)量最大吞吐率與實際吞吐率加速比流水方式的工作速度與等效的順序工作方式時間的比值時空圖指令的流水執(zhí)行的要求1.指令長度應(yīng)當(dāng)盡量相同2.指令格式應(yīng)當(dāng)簡單3.限制訪存操作4.盡量使操作數(shù)在存儲器中對齊存儲指令流水線的相關(guān)性1.資源相關(guān)（結(jié)構(gòu)相關(guān)）流水執(zhí)行的多條指令同時使用同一個部件2.數(shù)據(jù)相關(guān)流水執(zhí)行的多條指令訪問相同的數(shù)據(jù)RAW、WAR、WAW3.控制相關(guān)。轉(zhuǎn)移指令引起的相關(guān)險象hazard真相關(guān)反相關(guān)輸出相關(guān)名字相關(guān)指令流水線的數(shù)據(jù)相關(guān)消除數(shù)據(jù)相關(guān)影響的方法停頓編譯檢測相關(guān)專用通路解決數(shù)據(jù)相關(guān)性的方法

——流水線的停頓指令流水線的資源相關(guān)典型指令流水線的特點流水線分為IF、ID、EX、MEM、WB五個等長的時間階段轉(zhuǎn)移指令在第二個階段被識別從而可確定如何取下一條指令沒有相關(guān)專用通路一個時鐘周期內(nèi)只能啟動執(zhí)行一條指令一個時鐘周期內(nèi)只能寫回一條指令讀操作數(shù)從指令譯碼時開始讀到為止串行傳輸波特率與比特率同步與異步單工、半雙工、全雙工例在一個串行傳輸系統(tǒng)中，每秒可傳輸100個數(shù)據(jù)幀，每個數(shù)據(jù)幀包含1個起始位、8個數(shù)據(jù)位和2個結(jié)束位，試求其波特率和比特率。解：在每個幀中有1個起始位、8個數(shù)據(jù)位和2個結(jié)束位，總共11位，那么波特率就是11×100=1100bps因為每個幀中的數(shù)據(jù)位為8位，所以比特率為8×100=800bps并行傳輸每個數(shù)據(jù)位都需要單獨一條傳輸線并串行的傳輸方式猝發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸模式帶寬例在一個32位總線中，時鐘頻率為33MHz，總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹芷谑?個時鐘周期傳輸4個字的數(shù)據(jù)塊。 (1)問總線的數(shù)據(jù)傳輸率是多少？ (2)為了提高數(shù)據(jù)傳輸率，將總線的數(shù)據(jù)線改為8個字的塊，使得總線在11個時鐘周期傳輸8個字的數(shù)據(jù)塊，問這時總線的數(shù)據(jù)傳輸率是多少？ (3)如果不改變數(shù)據(jù)塊的大小，而是將時鐘頻率加倍，問這時總線的數(shù)據(jù)傳輸率是多少？

解：1) 每個字為32位，總線在7個時鐘周期傳輸了16個字節(jié)，傳輸率為:

R=16B/7×33MHz=75.43×106 B/S(2)總線在11個時鐘周期傳輸了32個字節(jié)，傳輸率為:

R=32B/11×33MHz=96×106 B/S(3)時鐘頻率變?yōu)?6MHz，傳輸率為:

R=16B/7×66MHz=150.86×106 B/S復(fù)合傳輸總線復(fù)用總線的定時1.同步方式 串行同步：信號編碼 并行同步：專用時鐘信號線 優(yōu)點：時序關(guān)系簡單，實現(xiàn)簡單。 缺點：在設(shè)備速度不一致時按最壞情況確定，不能太長。 實例：EIDE硬盤接口2.異步方式串行異步通信：起始檢測并行異步通信：握手信號非互鎖：全互鎖：（四邊沿協(xié)議）2.異步方式(續(xù))3.半同步方式例在一個采用100MHz時鐘的總線中，采用了塊傳輸方式以支持塊長為4個字的cache，每字的長度為4個字節(jié)。(1)對于讀操作，訪問順序是1個周期接受地址，2個周期延遲，4個周期用于傳輸4個字。問讀操作的總線數(shù)據(jù)傳輸速率是多少？(2)對于寫操作，訪問順序是1個周期接受地址，1個周期延遲，4個周期用于傳輸4個字。問寫操作的總線數(shù)據(jù)傳輸速率是多少？(3)如果總線的數(shù)據(jù)傳輸中80%為讀操作，20%為寫操作，問總線的平均數(shù)據(jù)傳輸速率是多少？解(1)讀操作時總線周期為1+2+4=7個時鐘周期，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為4×4=16字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸速率為 16×100M/7=228.57MB/s(2)寫操作時總線周期為1+1+4=6個時鐘周期，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為4×4=16字節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸速率為 16×100M/6=267.67MB/s(3)總線的平均數(shù)據(jù)傳輸速率是 0.8×228.57+0.2×266.67 =182.856+53.334=236.19MB/s總線控制主模塊與從模塊總線事務(wù)請求裁決地址數(shù)據(jù)釋放總線請求和裁決1.集中式裁決 鏈?zhǔn)讲樵兛偩€請求和裁決1.集中式裁決計數(shù)器定時總線請求和裁決1.集中式裁決獨立請求總線接口為什么要用總線接口？總線接口的基本功能(1)控制(2)數(shù)據(jù)緩沖(3)狀態(tài)設(shè)置(4)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

并－串轉(zhuǎn)換或串－并轉(zhuǎn)換(5)整理

在數(shù)據(jù)傳輸過程中更新字計數(shù)器(6)程序中斷1.串行總線接口通用異步接收器/發(fā)送器(UART)：串行接收方式1.起始位檢測：m倍取樣2.數(shù)據(jù)位取樣：隔m個采樣周期后取樣一次，共n次3.停止位檢測：隔m個采樣周期后取樣并檢測接口結(jié)構(gòu)接口結(jié)構(gòu)出錯標(biāo)志 1.奇偶錯誤 2.幀錯誤 3.溢出(丟失)錯誤(overrunerror)串行接口實例：EIA-232FIFO的邏輯框圖

例用異步串行傳輸方式發(fā)送十六進(jìn)制數(shù)8A16，數(shù)據(jù)位為8位，奇校驗位一位，停止位一位，請畫出波形圖。

2.并行總線接口功能部件系統(tǒng)時鐘驅(qū)動器電壓控制模塊總線主設(shè)備總線從設(shè)備總線請求部件中斷處理部件總線仲裁器中斷部件外圍設(shè)備接口的結(jié)構(gòu)接口地址并行接口的例子PCI接口

輸入輸出設(shè)備的類型和尋址

輸入輸出設(shè)備的類型1.輸出設(shè)備顯示器CRT液晶等離子體打印設(shè)備繪圖儀CRT顯示器——字符的顯示CRT顯示器——光柵掃描打印設(shè)備擊打式串行、行式點陣針式、字模式非擊打式噴墨激光熱轉(zhuǎn)印擊打式打印機——點陣針式 3.繪圖儀平臺式滾筒式2.輸入設(shè)備——鍵盤2.輸入設(shè)備——鼠標(biāo)器2.輸入設(shè)備——觸摸屏電阻式觸摸屏INT0#SS#SCKMISOMOSIPENIRQ#Y+CS#X+DCLKY-DOUTX-DINMotorolaMMC2107ADS78462.輸入設(shè)備——掃描儀

輸入輸出設(shè)備的類型和尋址

輸入輸出設(shè)備的尋址統(tǒng)一編址法存儲器映像的外設(shè)尋址將接口中的控制寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和內(nèi)存單元一樣看待接口與存儲器采用不同的地址可以利用訪存指令進(jìn)行輸入輸出操作單獨編址法兩個地址空間訪問存儲器和訪問外圍設(shè)備采用不同的指令外設(shè)的尋址地址空間存儲器地址空間I/O地址空間0M-1M+N-10M-10N-1設(shè)備0設(shè)備1設(shè)備n-1設(shè)備0設(shè)備1設(shè)備n-1統(tǒng)一編址法單獨編址法兩套地址線一套地址線實現(xiàn)輸入輸出數(shù)據(jù)傳送的方式程序控制方式程序查詢中斷直接存儲器訪問(DMA)方式通道方式程序控制方式程序查詢信號傳輸過程中斷方式一、基本概念在發(fā)生了一個外部的事件時調(diào)用相應(yīng)的處理程序的過程中斷服務(wù)程序中斷服務(wù)程序與中斷時CPU正在運行的程序是相互獨立的相互不傳遞數(shù)據(jù)。中斷處理中的問題： (1)設(shè)備識別方式 (2)中斷處理程序入口地址的形成 (3)中斷裁決 (4)中斷屏蔽2.中斷響應(yīng)過程簡單的中斷處理過程關(guān)中斷（屏蔽中斷）保存現(xiàn)場識別中斷形成服務(wù)程序入口地址執(zhí)行服務(wù)程序恢復(fù)現(xiàn)場開中斷設(shè)備的識別——問題1CPU輪詢CPU依次發(fā)出不同設(shè)備的識別號相應(yīng)的設(shè)備做出回答中斷向量由設(shè)備主動向CPU發(fā)出識別信息入口地址形成——問題2根據(jù)輪詢結(jié)果形成固定的入口地址中斷向量表根據(jù)識別號檢索入口地址通常位于內(nèi)存起始處3.中斷裁決——問題3三種方式：鏈?zhǔn)讲樵儶毩⒄埱蠓纸M鏈?zhǔn)?.中斷裁決——問題3三種方式：鏈?zhǔn)讲樵儶毩⒄埱蠓纸M鏈?zhǔn)?.中斷裁決——問題3三種方式：鏈?zhǔn)讲樵儶毩⒄埱蠓纸M鏈?zhǔn)?.中斷屏蔽——問題4多重中斷中斷服務(wù)程序也可以被中斷中斷嵌套實現(xiàn)方法一給CPU及中斷請求都設(shè)置優(yōu)先級多級中斷響應(yīng)過程關(guān)中斷保存現(xiàn)場識別中斷形成服務(wù)程序入口地址開中斷執(zhí)行服務(wù)程序關(guān)中斷恢復(fù)現(xiàn)場開中斷5.中斷輸入輸出接口

直接訪存數(shù)據(jù)傳輸方式與輸入輸出通道方式

DMA方式的基本概念

目的減少大批量數(shù)據(jù)傳輸時CPU的開銷。方法采用專用部件生成訪存地址并控制訪存過程。傳輸過程：預(yù)處理數(shù)據(jù)傳輸后處理

DMA傳送方式

問題訪存沖突解決方法CPU等待DMADMA乘存儲器空閑時訪問存儲器周期挪用cyclestealingCPU與DMA交替訪問存儲器透明方式

基本的DMA控制器

DMA與CPU的連接

通道方式

通道是一個具有輸入輸出處理器控制的輸入輸出部件。通道控制器有自己的指令，即通道命令，能夠根據(jù)程序控制多個外部設(shè)備并提供了DMA共享的功能。一、通道的類型 1.選擇通道 2.數(shù)組多路通道 3.字節(jié)多路通道2.通道的功能性能指標(biāo)：流量（吞吐率）字節(jié)多路通道的極限流量應(yīng)大于所接外設(shè)的字節(jié)傳送速率之和其他兩種通道的極限流量應(yīng)大于所接外設(shè)中字節(jié)傳送速率最大的設(shè)備通道的功能：1.接受CPU的指令2.讀取并執(zhí)行通道程序3.控制數(shù)據(jù)傳送4.讀取外設(shè)的狀態(tài)信息并提供給CPU5.發(fā)出中斷請求

輸入輸出接口與總線

輸入輸出接口

人機界面開關(guān)、按鍵和穿孔紙帶

數(shù)據(jù)終端

圖形輸入輸出設(shè)備

語音輸入輸出、筆輸入、三維圖形輸出

輸入輸出總線

1.EIA-232-D25條信號線數(shù)據(jù)發(fā)送TxD數(shù)據(jù)接收RxD請求發(fā)送RTSRequesttoSend允許發(fā)送CTSCleartoSend數(shù)據(jù)終端就緒DTRDataTerminalReady數(shù)據(jù)集就緒DSRDataSetReady載波檢測CDCarryDetect流量控制數(shù)據(jù)傳輸EIA-232-D信號定義EIA-232-D接口的連接最簡連接標(biāo)準(zhǔn)并行端口(SPP)傳統(tǒng)的I/O接口面臨的挑戰(zhàn)傳輸性能比較低不能滿足多媒體信息的傳輸要求不支持即插即用不支持熱插拔每個設(shè)備接口的地址空間太小接口的成本較高每個設(shè)備需要有一條中斷請求線主機接口數(shù)量眾多使得接插件占用較大的機箱面積USB的技術(shù)優(yōu)勢采用了消息分組產(chǎn)生中斷請求的方式外圍設(shè)備不需要占用一條中斷請求線采用4條線的串行口接口的體積很小減小主機和設(shè)備上對設(shè)備接口的物理尺寸需求接口的成本低多種傳輸功能可代替?zhèn)鹘y(tǒng)的許多種總線和設(shè)備接口包括鍵盤口、鼠標(biāo)口、音頻口、顯示器的視頻口、游戲口等等使得主機的接口種類和數(shù)量大大減少可消除主機背后種類繁多的數(shù)據(jù)線支持設(shè)備的熱插拔使得系統(tǒng)增加和拔除外圍設(shè)備時不需要關(guān)機和重新啟動系統(tǒng)可向設(shè)備供電3.USB總線

即插即用自動配置自動識別外圍設(shè)備連接關(guān)系4種數(shù)據(jù)傳輸方式針對配置、命令以及狀態(tài)信息的控制傳輸針對電話機和其他對時間極為敏感的事實傳輸針對操縱桿、鼠標(biāo)器和鍵盤的中斷傳輸針對打印機、掃描以及數(shù)字相機的批傳輸4針的接插件2條信號線和2條電源線電源線采用5伏電壓USBUSBUSB的4種數(shù)據(jù)傳輸方式

控制傳輸針對配置、命令以及狀態(tài)信息數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗及重傳機制勻時傳輸，針對音頻/視頻媒體信息流不進(jìn)行錯誤檢測中斷傳輸針對操縱桿、鼠標(biāo)器和鍵盤實際上采用輪詢方式實現(xiàn)批量（bulk）傳輸針對存儲設(shè)備、打印機、掃描儀以及數(shù)字相機對時間要求不高4.磁盤接口

5.SCSI總線特點從通道發(fā)展而來傳輸速度快靈活性好適用于各種外設(shè)設(shè)備獨立性采用高級命令系統(tǒng)6.PCI總線主要特點采用猝發(fā)傳輸方式速度較高64位可擴展隱含式裁決可靠性高地址、命令和數(shù)據(jù)校驗三個地址空間內(nèi)存、I/O和配置自動配置用PCI總線構(gòu)成的系統(tǒng)互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)一維二維多維動態(tài)網(wǎng)絡(luò)單級多級控制方式集中控制分布控制傳遞方式單播多播廣播鏈路類型共享鏈路專用鏈路實現(xiàn)方式片內(nèi)網(wǎng)絡(luò)板內(nèi)網(wǎng)絡(luò)機架內(nèi)網(wǎng)絡(luò)機架間網(wǎng)絡(luò)互連網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信方式電路交換串行并行單字猝發(fā)復(fù)用消息轉(zhuǎn)發(fā)尋徑算法routingalgorithms二、互連網(wǎng)絡(luò)的特性互連網(wǎng)絡(luò)特性連接性阻塞沖突規(guī)整性靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)度直徑帶寬總和aggregatebandwidth對分帶寬bisectionbandwidth靜態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)全互連網(wǎng)絡(luò)fullyconnectednetwork度=N-1直徑=1鏈路數(shù)=N(N-1)/2優(yōu)點：結(jié)點間通信距離短缺點：成本高，實現(xiàn)困難一、總線型網(wǎng)絡(luò)單總線結(jié)構(gòu)singlebus 度=1分時使用 優(yōu)點結(jié)構(gòu)簡單成本低廉容易實現(xiàn) 缺點使用沖突一、總線型網(wǎng)絡(luò)多總線結(jié)構(gòu)度=總線數(shù)多級總線結(jié)構(gòu)分級的多總線結(jié)構(gòu)二維總線結(jié)構(gòu)總線的分割二、環(huán)型網(wǎng)絡(luò)單環(huán)網(wǎng)絡(luò)singleringx

(x

1)modN直徑=?度=?尋徑算法簡單，可同時傳送多個信息，吞吐率比單總線高。雙環(huán)網(wǎng)絡(luò)：增加吞吐率和可靠性。層次多環(huán)網(wǎng)絡(luò)：可靠性較高。帶弦環(huán)型網(wǎng)絡(luò)：以環(huán)為基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成三、二維網(wǎng)格型網(wǎng)絡(luò)mesh度=4直徑=2(n-1)對分帶寬=n鏈路總數(shù)=？優(yōu)點：尋址簡單，度不變?nèi)秉c：流量不對稱，伸縮性差絞帶環(huán)、雙絞螺面、帶環(huán)網(wǎng)格和閉合螺面網(wǎng)格的推廣：網(wǎng)孔形絞帶環(huán)雙絞螺面閉合螺面四、立方體網(wǎng)絡(luò)二進(jìn)制超立方體binaryhypercube度為n直徑k=n=log2N優(yōu)點結(jié)點間的通信距離較短尋徑算法簡單缺點可擴充性差度隨N的增加而增大四、立方體網(wǎng)絡(luò)帶環(huán)立方體網(wǎng)絡(luò)Cubeconnectedcycle度=3總結(jié)點數(shù)N=n2n鏈路總數(shù)=3N/2優(yōu)點度固定為3直徑較小缺點環(huán)成為瓶頸尋徑算法較復(fù)雜四、立方體網(wǎng)絡(luò)一般化的超立方體網(wǎng)絡(luò)generalizedhypercube采用混合基數(shù)制表示結(jié)點的地址每一維的基數(shù)為Mi，1≤i≤n，節(jié)點總數(shù)N=。結(jié)點的度d為各維鏈路數(shù)之和總的鏈路數(shù)為L=N*d/2直徑D=k=n四、立方體網(wǎng)絡(luò)超矩形網(wǎng)絡(luò)hyper-rectangularx’i=(xi±1)modMi每一維內(nèi)環(huán)形連接度=2n直徑d=鏈路總數(shù)L=nN結(jié)點總數(shù)N=單級動態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)一、網(wǎng)絡(luò)的互連函數(shù)互連函數(shù)端口地址的一個一到一的映射表示方法函數(shù)表示法用f(x)表示互連函數(shù)表格表示法循環(huán)表示法如(01)(23)(45)(67)圖形表示法用連線表示映射關(guān)系常見的基本互連函數(shù)：

(1)恒等置換identitypermutation

I(x)=x(0)(1)(2)(3)(4)...(N-1)常見的基本互連函數(shù)：

(2)交換置換exchangepermutationE(xn-1xn-2…x1x0)=xn-1xn-2…x1例(01)(23)(45)(67)常見的基本互連函數(shù)：

方體置換cubepermutationCk(xn-1xn-2…xk+1

xk

xk-1…x1x0)=xn-1xn-2…xk+1

xk-1…x1x0C1: (02)(13)(46)(57)C2: (04)(15)(26)(37)常見的基本互連函數(shù)：

均勻洗牌perfectshufflepermutationσ(xn-1xn-2…x1x0)

=xn-2xn-3…x1x0xn-1例： (0)(124)(365)(7)常見的基本互連函數(shù)：

逆洗牌reverseshuffleσ-1(xn-1xn-2…x1x0)=x0xn-1xn-2…x1例(0)(142)(356)(7)二、常用單級網(wǎng)絡(luò)單級動態(tài)網(wǎng)絡(luò)的一般模型循環(huán)網(wǎng)循環(huán)網(wǎng)循環(huán)網(wǎng)衡量動態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)的因素連接特性要好能實現(xiàn)的互連函數(shù)要多網(wǎng)絡(luò)延遲要短開關(guān)設(shè)備量要少控制方法要簡單便于用集成電路實現(xiàn)二、常用單級網(wǎng)絡(luò)交叉開關(guān)crossbar非阻塞扇出：N步數(shù)：1二、常用單級網(wǎng)絡(luò)洗牌交換網(wǎng)絡(luò)Shuffle-Exchange一次洗牌，一次交換多級動態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)多級動態(tài)網(wǎng)參數(shù)開關(guān)元件2x2,4x4,axb連接模式恒等、洗牌、蝶式控制方式級控、部分級控、單元控制Ω網(wǎng)絡(luò)開關(guān)元件：四功能連接模式：輸入與級間洗牌，輸出恒等控制方式：單元控制尋徑算法：目標(biāo)地址開關(guān)元件直通時實現(xiàn)恒等置換：sss(x2x1x0)=ss(x1x0x2)=s(x0x2x1)=x2x1x0七、樹型網(wǎng)絡(luò)特點：雙向，單邊分類：二叉，三叉，四叉等二叉數(shù)度d=3直徑=2log2N尋徑簡單、伸縮性好無冗余通路，容錯能力差（對分帶寬=1）超樹hypertree并行計算機系統(tǒng)分類向量機系統(tǒng)流水式向量機系統(tǒng)陣列式向量機系統(tǒng)多處理機系統(tǒng)共享存儲器型消息傳遞型并行性的層次操作級流水?dāng)?shù)據(jù)并行指令級相關(guān)性分析指令調(diào)度循環(huán)級展開推測執(zhí)行路徑調(diào)度線程級并行多線程、多核與多處理器數(shù)據(jù)緩存的一致性同步與互斥的有效性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類Flyn分類向量流水部件級流水一條指令完成大量計算對應(yīng)于一個循環(huán)每個數(shù)據(jù)元素的計算與其他數(shù)據(jù)元素?zé)o關(guān)適合于深度流水訪存按一定模式一次訪問大量數(shù)據(jù)向量流水計算機向量流水計算機的例子Cray-1陣列并行計算機系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)分布式存儲器集中式存儲器運行方式用一條指令同時對許多運算單元中的數(shù)據(jù)進(jìn)行運算基本構(gòu)成控制單元CU執(zhí)行串行指令，并行指令廣播各個PE；處理單元PE以同步方式執(zhí)行指令存儲器模塊互連網(wǎng)絡(luò)IN集中式控制，并行電路交換陣列并行指令向量運算，數(shù)據(jù)尋徑，屏蔽操作陣列并行計算機系統(tǒng)陣列并行計算機系統(tǒng)特點專用應(yīng)用算法相關(guān)適合于規(guī)則數(shù)據(jù)運算不適合于條件分支程序發(fā)展緩慢的原因指令廣播瓶頸數(shù)據(jù)歸約相關(guān)性存儲器速度難以提高多處理機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)多處理機系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分類UMAtightlycoupledSMPsymmetricalmultiprocessornonSMPNUMADSMMPPlooselycoupledUMAUniformmemoryaccess可編程性兼容性簡單的程序設(shè)計模型通信開銷小

可擴展性共享存儲器結(jié)構(gòu)使得存儲器成為瓶頸

訪存速度要求每個數(shù)據(jù)都來自共享的存儲器

UMA的實現(xiàn)集中式存儲器問題訪存沖突網(wǎng)絡(luò)帶寬解決方案多體交叉本地指令存儲器本地cacheNUMADSMdistributedsharedmemory用硬件機制將分布的存儲器構(gòu)成一個邏輯上統(tǒng)一的共享存儲器cache及其一致性問題CC-NUMAcachecoherentNUMACOMAcacheonlymemoryaccessMPPmassivelyparallelprocessors大規(guī)模并行處理機系統(tǒng)消息傳遞顯式數(shù)據(jù)交換程序設(shè)計較難NUMA的實現(xiàn)分布式存儲器本地存儲器延遲較小擴展性較好性價比高數(shù)據(jù)一致性問題編程復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)處理器（IXP2400）消息傳遞型多處理機系統(tǒng)通過消息傳遞進(jìn)行通信數(shù)據(jù)訪問遠(yuǎn)程過程調(diào)用RPC顯式消息傳遞操作通過消息傳遞進(jìn)行同步硬件簡單可伸縮性好MPP程序設(shè)計困難典型例題某計算機中各類指令的平均執(zhí)行時間及相應(yīng)使用頻率如下表所示： 設(shè)時鐘頻率為100MHz，問： (1)該機平均指令執(zhí)行速度。 (2)如果將算術(shù)運算指令的執(zhí)行速度提高一倍，平均指令執(zhí)行速度為多少？ (3)在(2)的基礎(chǔ)上，如果乘除指令的平均周期延長一倍，則平均指令執(zhí)行速度為多少？答：(1)按調(diào)和平均計算

R平均= 按算術(shù)平均計算

R平均=(1×30%+1/1.5×40%+1/2.0×20%+1/10.0×5%+1/4.0×5%)×108 =0.671666666667×108典型例題(2)按調(diào)和平均計算

R平均=1/1.7×10-8=0.5882352941176×108 按算術(shù)平均計算

R平均=(1×30%+2/1.5×40%+1/2.0×20%+1/10.0×5%+1/4.0×5%)×108=0.95×108(3)按調(diào)和平均計算

R平均=1/2.2×108=0.4545454545455×108 按算術(shù)平均計算R平均=(1×30%+2/1.5×40%+1/2.0×20%+1/20.0×5%+1/4.0×5%)×108 =0.9483×10-8典型例題寫出下列二進(jìn)制數(shù)的原碼、反碼、補碼和移碼 (1)11010100 (2)0.1010000 (3)-10101100 (4)-0.0110000答：(1)[x]原=011010100 [x]反=011010100 [x]補=011010100 [x]移=111010100 (2)[x]原=0.1010000 [x]反=0.1010000 [x]補=0.1010000 [x]移無定義 (3)[x]原=110101100 [x]反=101010011 [x]補=101010100 [x]移=001010100 (4)[x]原=1.0110000 [x]反=1.1001111 [x]補=1.1010000 [x]移無定義典型例題已知下列[x]補和[y]補的值，求[x+y]補和[x-y]補 (1)[x]補=0.11011，[y]補=0.00011 (2)[x]補=0.10111，[y]補=1.00101 (3)[x]補=1.01010，[y]補=1.10001答：(1)[x+y]補=0.11110,[x-y]補=0.11000 (2)[x+y]補=1.11100,[x-y]補=1.10010(溢出) (3)[x+y]補=0.11011(溢出),[x-y]補=1.11001典型例題已知x和y的二進(jìn)制值，用原碼恢復(fù)余數(shù)法計算[x/y]原。 (1)x=1010，y=0011答：(1)[x]原=01010，[y]原=00011，[-y]補=11101

結(jié)果：[x/y]原=00011典型例題用64×1位的SRAM芯片設(shè)計一個總?cè)萘繛?024字節(jié)的16位存儲器，畫出邏輯圖并指出所需的所有輸入和輸出信號，要求該存儲器既能以字節(jié)方式訪問，又能以16位的字方式訪問。答:用BE1,BE0信號區(qū)分高低字節(jié)，地址A9-A7經(jīng)譯碼后選片用，地址A6-A1作為芯片的地址輸入．如下圖所示：典型例題一臺計算機的主存容量為1MB，字長為32位，cac