杏彩体育平台计算机科学导论：第五章 计算机组成

　　杏彩体育平台计算机科学导论：第五章 计算机组成在存储器中存取每个字都需要有相应的标识符。尽管程序员使用命名的方式来区分字(或一组字的集合)， 但在硬件层次上，

　　注意这些专用术语可能有误导，好像以10的幂的形式来近似表示字节数， 而实际上字节的数目是2的幂。采用2的幂形式为单位使得寻址更为方便。

　　由于计算机都是以位模式存储数并进行运算，因此地址本身也是用位模式表示的。 如果一个内存是64K($2^{16}$)，字长为1字节，那么就需要16位的位模式来确定地址。

　　地址用无符号整数表示(不用负的地址)。换言之，起始地址通常是0(地址0)， 最后一个地址通常是1(地址65535)。

　　如果一个计算机有N个字的存储空间，那就需要有 $log_2 N$ 位的无符号整数来确定一个存储单元。

　　随机存取存储器(RAM)是计算机中主存的主要组成部分。在随机存取设备中， 可以使用存储单元地址来随机存取一个数据项，而不需要存取位于它前面的所有数据项。

　　RAM的另一个特点是易失性。当系统断电后，信息（程序或数据)将丢失。 换句话说，当计算机断电后,存储在RAM中的信息将被删除。

　　通常用来存储那些关机后也不能丢失的程序或数据。 例如，用ROM来存储那些在开机时运行的程序。

　　计算机用户需要许多存储器，尤其是速度快且价格低廉的存储器。 但这种要求并不总能得到满足。存取速度快的存储器通常都不便宜。 因此需要寻找一种折中的办法。解决的办法是采用如下的存储器层次结构

　　计算机中的第三个子系统是称为输入/输出（I/O)子系统的一系列设备。 这个子系统可以使计算机与外界通信，并在断电的情况下存储程序和数据。 输人/输出设备可以分为两大类: 非存储设备 和 存储设备。

　　两个最常见的非存储输入/输出设备是键盘和监视器。键盘提供输入功能; 监视器显示输出并同时响应键盘的输入。程序、命令和数据的输人或输出都是 通过字符串进行的。字符则是通过字符集（如ASCII码)进行编码。 此类中其他的设备有鼠标、操纵杆等。

　　打印机是一种用于产生永久性记录的输出设备。它是非存储设备， 因为要打印的材料不能够直接由打印机输入计算机中，而且也不能再次利用， 除非有人通过打字或扫描的方式再次输入计算机中。

　　尽管存储设备被分为 输人/输出设备，但它可以存储大量的信息以备后用。 它们要比主存便宜得多，而且存储的信息也不易丢失(即使断电信息也不会丢失)。 有时称它们为辅助存储设备，通常分为磁介质和光介质两种。

　　磁盘是由一张一张的磁片叠加而成的。这些磁片由薄磁膜封装起来。 信息是通过盘上每一个磁片的读/写磁头读写磁介质表面来进行读取和存储的。

　　光存储设备是一种新技术，它使用光（激光）技术来存储和读取数据。 在发明了CD(光盘)后人们利用光存储技术来保存音频信息。现在，相同的技术(稍作改进) 被用于存储计算机上的信息。 常见的光盘分为如下几类

　　它们三者之间在内部是如何连接的，内部连接扮演着很重要的角色， 因为信息需要在这三个子系统中交换。

　　允许访问存储器中的某个字，地址总线的线数取决于存储空间的大小。 如果存储器容量为 $2^n$ 个字，那么地址总线一次需要传送n位的地址数据。 因此它需要n根线。

　　在中央处理器和内存之间传送信息。例如，必须有一个代码从CPU发往内存， 用于指定进行的是读操作还是写操作。控制总线的线数取决于计算机所需要的控制命令的总数。

　　不能够直接与连接CPU和内存的总线相连。因为输入/输出设备的本质与CPU和内存的本质不同，输入/输出设备都是些机电、磁性或光学设备

　　CPU和内存是电子设备。与CPU和内存相比，输入/输出设备的操作速度要慢得多。 因此必须要有中介来处理这种差异，输入/输出设备 是通过一种被称为输入/输出 或接口的器件连接到总线上的。每一个 输入/输出设备 都有一个特定的

　　，或者说接口，清除了 输入/输出设备 与 CPU及内存 在本质上的障碍。 可以是串行或并行的设备。

　　(根集线器)能感知到树中其他集线器的存在而其他集线器是被动的设备，不能感知它下面的集线器。它们只是简单地传送数据。

　　之间读写数据。唯一的不同是指令。如果指令涉及主存中的字，那么数据会在 主存和CPU之间传送。

　　的指令是完全不同的。有专门的指令完成对输入/输出设备的测试、控制以及读写操作。每个输人/输出设备有自己的地址。 因为指令的不同，所以

　　可以和内存地址重叠而不会产生混淆。例如，CPU可以使用读命令Read 101来从内存中读取字

　　。 它也可以使用输入命令Input 101来从地址端口为101的输入/输出设备中读取数据。 这里不会发生混淆，因为Read指令是规定从内存中读取数据， 而Input指令则是规定从输入/输出设备中读取数据。>

　　中的每一个寄存器都看作 内存中的某个存储字。换言之，CPU没有不同的指令用来表示是从内存或是 从输人/输出设备传送数据。例如，在指令集中只有一条Read指令， 如果地址指定的是内存中的某个单元，则从内存中读取数据。 如果地址指定的是输人/输出设备中的某个寄存器，那么就从寄存器中读取数据。存储器映射的

　　， 所有对内存的操作指令都同样适合于输入/输出设备，其缺点是输入/输出占用了一部分内存地址。

　　5.5.1 机器周期CPU利用重复的机器周期来执行程序中的指令，一步一条，从开始到结束。 一个简化的

　　中。 被复制的指令地址保存在程序计数器(PC)中。复制完成后，程序计数器自动加1指向内存 中的下一条指令。译码: 解析指令，产生一系列系统可以执行的二进制代码机器周期的第二阶段是译码阶段。当指令置于指令寄存器后，该指令将由

　　让算术逻辑单元将两个输人寄存器中的内容相加并将结果保存在输出寄存器。 这就是执行阶段。5.5.2 输入输出操作计算机需要通过命令把数据从IO设备传输 到

　　的操作在某种程度上必须 和输入/输出设备同步。有三种方法被设计用于同步，分别为 * 程序控制输入/输出

　　停止工作直到数据传输完成。CPU不时地查询IO设备的状态: 1. 如果设备做好了传输准备,那么数据将被传送到

　　设备即将开始传输， 但是CPU并不需要不停地查询I/O设备的状态。当IO设备准备好时， 它通知(中断)CPU。在这过程中，CPU还可以做其他工作。 例如,运行其他程序，从其他的I/O设备 读入或传出数据>

　　可以做其他工作。注意，像程序控制IO一样,这种方法也在IO设备 和CPU之间传输数据。数据在输入操作后被传送到内存，在输出操作前则是从内存中取出。直接存储器存取(DMA)第三种传输数据的方法是直接存储器存取(

　　I/O设备间传输大量的数据块例如磁盘、内存(不需要通过CPU的数据传输)。 这种方法需要一个DMA来承担

　　的一些功能。DMA中有寄存器，可以在内存传输前后保存数据块。DMA与数据、地址和控制总线的连接情况如下图。>

　　。 这信息包括传输类型(输入或输出)、内存单元的起始地址以及传输的字节数。 之后CPU就可做其他的工作。>

　　停止使用总线并转交给DMA使用。 在内存和DMA间的数据传输完成后，CPU继续进行正常操作。CPU仅当在DMA和内存 间传输数据时才空闲, 而不是在设备为传输数据做准备时。

　　。 *设计策略: 使用大量的指令，包括复杂指令优点: 程序设计更容易，每个简单的或复杂的任务都有一条对应的指令

　　三个阶段早期计算机，每条指令的这三个阶段需要串行完成。现代计算机使用称为流水线的技术来改善吞吐量(在单位时间内完成的指令总数)

　　的计算机。 这个思想称为并行处理。像流水线一样，并行处理能改善吞吐量。并行处理可能发生在数据流、指令流或两者都有。计算机的组织（从数据处理来看)可以分成

　　控制单元、一个算术逻辑单元 和一个内存单元。指令被顺序执行， 每条指令可以存取数据流中的一个或多个数据项。>

　　控制单元、多个处理单元和一个内存单元。所有处理器单元从控制单元接收相同的指令， 但在不同的数据项上操作。>

　　。 假定整数是二进制补码格式。在数学上，这个操作表示为:$$ C=A+B $$为了用简单计算机解决这个问题，有必要把前面两个整数存放在寄存器中(例如 R0 和 R1)。 操作的结果存放在第三个寄存器中(例如 R2)。ALU只能操作那些存储在

　　中只有有限的寄存器。 如果数据项的数量很大，杏彩注册并且它们在程序执行过程中应该保留在计算机中， 比较好的方法是把它们存储在内存中，临时地把它们调入寄存器中。这样我们假定前两个整数存储在内存单元$(40){16}$和$(41){16}$。 结果应该被存储在内存单元$(42)_{16}$中。这就意味着两个整数需要被调入CPU中， 结果需要被存储在内存中。因此，杏彩平台完成这个简单加法的简单程序需要