(二) 指令的尋址方式
1. 有效地址的概念
操作數的真實地址稱為有效地址,記做EA,它是尋址方式和形式地址共同來決定的.
2. 數據尋址和指令尋址
尋址方式是指確定本條指令的數據地址以及下一條將要執行的指令的地址,與硬體結構密切相關,尋址方式分為指令尋址和數據尋址兩大類
指令尋址分為順序尋址和跳躍尋址兩種.
順序尋址可以通過程序計數器PC加1自動形成下一條指令的地址,跳躍尋址則通過轉移類指令實現,是通過對PC的運算得到新的下一條指令的地址.
3. 常見尋址方式
1)立即尋址
所需的操作數由指令的地址碼部分直接給出,就稱為立即數(或直接數)尋址方式.這種方式的特點是取指時,操作碼和一個操作數同時被取出,不必再次訪問存儲器,提高了指令的執行速度.但是由於這一操作數是指令的一部分,不能修改,而一般情況下,指令所處理的數據都是在不斷變化的(如上條指令的執行結果作為下條指令的操作數),故這種方式只能適用於操作數固定的情況.通常用於給某一寄存器或存儲器單元賦初值或提供一個常數等.(圖中「#」表示立即尋址的標記,A的位數限制了這類指令所能表述的立即數的範圍)
2)直接尋址
指令的地址碼部分給出操作數在存儲器中的地址.
3)隱含尋址
操作數的地址隱含在操作碼或者某個寄存器中.
4)間接尋址
在尋址時,有時根據指令的地址碼所取出的內容既不是操作數,也不是下一條要執行的指令,而是操作數的地址或指令的地址,這種方式稱為間接尋址或間址.
5)寄存器尋址
計算機的中央處理器一般設置有一定數量的通用寄存器,用以存放操作數,操作數的地址或中間結果.假如指令地址碼部分給出某一通用寄存器地址,而且所需的操作數就在這一寄存器中,則稱為寄存器尋址.通用寄存器的數量一般在幾個至幾十個之間,比存儲單元少很多,因此地址碼短,而且從寄存器中存取數據比從存儲器中存取快得多,所以這種方式可以縮短指令長度,節省存儲空間,提高指令的執行速度,在計算機中得到廣泛應用.
6)寄存器間接尋址 EA = ( Ri) 有效地址在寄存器中
寄存器中給出的是操作數的地址,因此還需要訪問一次存儲器才能得到操作數.
7)基址尋址
在計算機中設置一個專用的基址寄存器,或由指令指定一個通用寄存器為基址寄存器.操作數的地址由基址寄存器的內容和指令的地址碼A相加得到
8)變址尋址
指令地址碼部分給出的地址A和指定的變址寄存器X的內容通過加法器相加,所得的和作為地址從存儲器中讀出所需的操作數.這是幾乎所有計算機都採用的一種尋址方式.
9)相對尋址
把程序計數器PC的內容(即當前執行指令的地址)與指令的地址碼部分給出的位移量(disp)之和作為操作數的地址或轉移地址,稱為相對尋址.
主要用於轉移指令,執行本條指令後,將轉移到(PC)＋disp,(PC)為程序計數器的內容.相對尋址有兩個特點:
1〉轉移地址不是固定的,它隨著PC值的變化而變化,並且總是與PC相差一個固定值disp,因此無論程序裝人存儲器的任何地方,均能正確運行,對浮動程序很適用.
2〉位移量可正,可負,通常用補碼表示.如果位移量為n位,則這種方式的尋址範圍在
(PC)-2n-1 ～(PC)+2n-1-1之間
計算機的程序和數據一般是分開存放的,程序區在程序執行過程中不允許修改.在程序與數據分區存放的情況下,不用相對尋址方式來確定操作數地址.
10)堆棧尋址
在一般計算機中,堆棧主要用來暫存中斷和子程序調用時現場數據及返回地址,用於訪問堆棧的指令只有壓入(即進棧)和彈出(即退棧)兩種,它們實際上是一種特殊的數據傳送指令:
壓入指令(PUSH)是把指定的操作數送入堆棧的棧頂;
彈出指令(POP)的操作剛好相反,是把棧頂的數據取出,送到指令所指定的目的地.
一般的計算機中,堆棧從高地址向低地址擴展,即棧底的地址總是大於或等於棧頂的地址(也有少數計算機剛好相反)當執行壓入操作時,首先把堆棧指針(SP)減量(減量的多少取決於壓入數據的字節數,若壓入一個字節,則減1;若壓入兩個字節,則減2,以此類推),然後把數據送人SP所指定的單元;當執行彈出操作時,首先把sp所指定的單元(即棧頂)的數據取出,然後根據數據的大小(即所佔的字節數)對SP增量.
設計指令格式應考慮的各種因素
指令系統集中反映了機器的性能,又是程式設計師編程的依據,高檔機必須能兼容低檔機的程序運行,稱之為「向上兼容」.
指令格式集中體現了指令系統的功能.為此,在確定指令系統時,必須從以下幾個方面綜合考慮.
① 操作類型：包括指令數及操作的難易程度
② 數據類型：確定哪些數據類型可以參加操作
③ 指令格式：包括指令字長、操作碼位數、地址碼位數、地址個數、尋址方式類型、以及指令字長和操作碼位數是否可變等.
④ 尋址方式：包括指令和操作數具體有哪些尋址方式.
⑤ 寄存器個數：寄存器的多少直接影響指令的執行時間.
(三) CISC和RISC的基本概念
1．CISC(複雜指令集計算機)
隨著VLSI技術的發展,計算機的硬體成本不斷下降,軟體成本不斷提高,使得人們熱衷於在指令系統中增加更多的指令和複雜的指令,來提高作業系統的效率,並儘量縮短指令系統與高級語言的語義差別,以便於高級語言的編譯和降低軟體成本.
另外,為了做到程序兼容,同一系列計算機的新機器和高檔機的指令系統只能擴充而不能減去任意一條,因此,促使指令系統越來越複雜,某些計算機的指令多達幾百條.例如,DEC公司的VAX 11/780計算機有303條指令,18種尋址方式,我們稱這些計算機為複雜指令系統計算機(complex instruction set computer,簡稱CISC).Intel公司的180X86微處理器,IBM公司的大,中計算機均為CISC.
2．RISC(簡單指令集計算機)
(1)RISC的產生
1975年IBM公司開始研究指令的合理性問題,IBM的John cocke 提出了RISC的想法. 對CISC的測試表明:
最長使用的是一些簡單指令,佔指令總數的20%,但在程序中出現的頻率卻佔80%. 而佔20%的複雜指令,為實現其功能而設計的微程序代碼卻佔總代碼的80%.CISC研製時間長,成本高,難於實現流水線;因此出現了RIC技術.
計算機執行程序所需的時間P可用下式表述：
P=I×C×T
其中,I是高級語言程序編譯後在機器上運行的機器指令數；C為執行每條機器指令所需的平均機器周期；T是每個機器周期的執行時間.
(2)RISC的特點
(3)RISC的發展
1983年,一些中小型公司開始推出RISC產品,由於其高性能價格比,市場佔有率不斷提高.1987年SUN公司用SPARC晶片構成工作站;目前一些大公司,IBM,DEC,Intel,Motorola以將部分力量轉移到RISC方面.
(4)CISC機與RISC機的主要特徵對比
五, 中央處理器(CPU)
(一) CPU的功能和基本結構
CPU主要是由運算器和控制器組成,由於運算器(實現算術運算和邏輯運算)部分在第二部分介紹過,所以本節主要介紹控制器的組成和工作原理.
1．控制器的功能
計算機對信息進行處理(或計算)是通過程序的執行而實現的,程序是完成某個確定算法的指令序列,要預先存放在存儲器中.控制器的作用是控制程序的執行,它必須具有以下基本功能:
1)．取指令
2)．分析指令
3)．執行指令
計算機不斷重複順序執行上述三種基本操作:取指,分析,執行;再取指,再分析,再執行,如此循環,直到遇到停機指令或外來的幹預為止.
4)．控制程序和數據的輸入與結果輸出
根據程序的安排或人的幹預,在適當的時候向輸入輸出設備發出一些相應的命令來完成I/O功能,這實際上也是通過執行程序來完成的.
5)．對異常情況和某些請求的處理
當機器出現某些異常情況,諸如算術運算的溢出和數據傳送的奇偶錯等;或者某些外來請求,諸如磁碟上的成批數據需送存儲器或程式設計師從鍵盤送入命令等,此時由這些部件或設備發出:
(1)「中斷請求」信號.
(2)DMA請求信號.
2．控制器的組成
根據對控制器功能分析,得出控制器的基本組成如下:
1)．程序計數器(PC)
即指令地址寄存器.在某些計算機中用來存放當前正在執行的指令地址;而在另一些計算機中則用來存放即將要執行的下一條指令地址;而在有指令預取功能的計算機中,一般還需要增加一個程序計數器用來存放下一條要取出的指令地址.
有兩種途徑來形成指令地址,其一是順序執行的情況,通過程序計數器加「1」形成下一條指令地址(如存儲器按字節編址,而指令長度為4個字節,則加「4」).其二是遇到需要改變順序執行程序的情況,一般由轉移類指令形成轉移地址送往程序計數器,作為下一條指令的地址.
2)．指令寄存器(IR)
用以存放當前正在執行的指令,以便在指令執行過程中,控制完成一條指令的全部功能.
3). 指令解碼器或操作碼解碼器
對指令寄存器中的操作碼進行分析解釋,產生相應的控制信號.
在執行指令過程中,需要形成有一定時序關係的操作控制信號序列,為此還需要下述組成部分.
4)．脈衝源及啟停線路
脈衝源產生一定頻率的脈衝信號作為整個機器的時鐘脈衝,是機器周期和工作脈衝的基準信號,在機器剛加電時,還應產生一個總清信號(reset).啟停線路保證可靠地送出或封鎖時鐘脈衝,控制時序信號的發生或停止,從而啟動機器工作或使之停機.
5)．時序控制信號形成部件
當機器啟動後,在CLK時鐘作用下,根據當前正在執行的指令的需要,產生相應的時序控制信號,並根據被控功能部件的反饋信號調整時序控制信號.例如,當執行加法指令時,若產生運算溢出的異常情況,一般不再執行將結果送入目的寄存器(或存儲單元)的操作,而發出中斷請求信號,轉入中斷處理;又如執行條件轉移指令時,根據不同的條件產生不同的控制信號,從而進入適當的程序分支.
(二) 指令執行過程
1．指令執行的時序
計算機工作的過程是取指令,分析指令,執行指令三個基本動作的重複.考慮到所有的器件中(寄存器,存儲器)存儲器的速度最慢,因此,取最慢的器件工作時間(周期)作為整個工作的最長同步標準.
計算機的工作時序是按照存儲器的工作周期劃分的.每個存儲器工作周期又稱為機器周期.因此,每個機器周期至少完成一個基本操作.一般最長的操作是訪問存儲器(讀/寫),這個時間也用於訪問外設接口(寄存器).如果,某個操作,比如利用運算器執行一次運算,如果不訪問存儲器,即使佔用的時間很短,但是,也必須為其劃分一個機器周期.因此,機器周期是計算時序劃分的最大單位.
現在我們為計算機的執行時間進行最基本的劃分:由於計算機不斷地重複執行每個指令,所以,我們將執行的時間劃分為一條一條指令執行所佔用的時間,如下:
我們將每指令佔用的時間稱為指令周期.由於每條指令的功能不一樣,因此執行的時間也不同,指令周期長短不一樣.
而每條指令的執行,又可以是取指令,分析指令,執行指令.由於取指令必須訪問存儲器,所以佔用一個機器周期.分析指令是由指令解碼電路完成的,所佔用的時間極短,無需分配一個完整的機器周期.一般是在取指周期後期(結束之前的很短時間內)就可以完成.指令的執行較為複雜:可能不訪問存儲器;訪問一次存儲器;訪問兩次存儲器等.因此,可能是一個機器周期到幾個機器周期.
因此,每條指令的執行過程如下:
第一個機器周期總是取指周期,而指令的地址總是從PC中獲得,當發出讀取存儲器命令後,指令總是從數據總線DB送回,CPU接受到指令之後,將指令放在指令寄存器IR之中.指令在IR中一直保留到取下一條指令為止.
第二個機器周期開始,根據指令有所不同:
執行一次ALU運算:分配一個機器周期.
執行訪問一次存儲器:分配一個機器周期.
所以,根據指令執行的不同情況,將會得到不同指令執行所佔用的機器周期.
根據每個機器周期完成的任務不同,我們將每個機器周期按照任務命名.如同用取指周期命名第一個機器周期一樣.
2．指令執行過程舉例
假設指令格式如下:
rs,rd,rsl為通用寄存器地址;imm(或disp)為立即數(或位移量).
加法指令功能:將寄存器(rs)中的一個數與存儲器中的一個數(其地址為(rsl)＋disp)相加,結果放在寄存器rd中,rs與rd為同一寄存器.
加法指令完成以下操作:
①取指周期
從存儲器取指令,送入指令寄存器,並進行操作碼解碼(分析指令).
程序計數器加1,為下一條指令作好準備.
控制器發出的控制信號:PC→AB,W/R=0,M/IO=1;DB→IR;PC＋1.
②計算地址周期
計算數據地址,將計算得到的有效地址送地址寄存器AR.
控制器發出的控制信號:rsl→GR,(rsl)→ALU,disp→ALU(將rsl的內容與disp送ALU);「+」(加法命令送ALU);ALU→AR(有效地址送地址寄存器).
③取數周期
到存儲器取數.
控制器發出的控制信號:AR→AB,W/R=0,M/IO=1;DB→DR(將地址寄存器內容送地址總線,同時發訪存讀命令,存儲器讀出數據送數據總線後,打入數據寄存器).
④執行周期
進行加法運算,結果送寄存器,並根據運算結果置狀態位N,Z,V,C.
控制器送出的控制信號:rs,rd→GR, (rs)→ALU,DR→ALU(兩個源操作數送ALU);
ALU→rd(運算結果送寄存器rd)
(三) 數據通路的功能和基本結構
CPU的數據通路是連接CPU內部各個部件以及和CPU外部個部件之間的數據和控制信號的連接關係圖.
數據通路的基本結構:
(四) 控制器的功能和工作原理
1. 硬布線控制器
控制器控制信號的產生是採用邏輯電路,也稱組合邏輯電路控制方式. 「時序控制信號形成部件」是由硬邏輯布線完成的.實際設計中,需要幾十~幾百條指令,確定每條指令所需的機器周期,將情況相同的指令歸併在一起,列出表達式,畫出邏輯圖.
(1)時序與節拍
每一步由一個機器周期來完成,假設採用4個機器周期,總之,需要4個不同的信號輸出,代表4個不同的周期.
(2)操作碼解碼器
指令的操作碼部分指出本指令將執行什麼指令,如加法,減法等.對於不同的指令,採用不同的代碼表示.
(3)操作控制信號的產生
以加法指令為例,加法指令的完成是由4個機器周期cy1,cy2,cy3,cy4組成,分別是取指,計算地址,取數,計算4個機器周期.
將所有的機器周期的操作控制信號的邏輯表達式全部寫出來,就會得到各個操作控制信號的所有表達式,再將這些表達式安每個操作控制信號組合起來,就得到某個操作控制信號的表達式.
取指周期需要產生的操作控制信號如下:
PC→AB=cy1 ;將PC送地址總線
ADS=cy1·T1 ;存儲器地質有效
M/IO=cy1 ;存儲器操作
W/R=cy1 ;讀操作
DB→IR=cy1 ;將讀出的結果送IR
PC+1=cy1 ;將程序計數器加1
計算地址周期cy2需要完成有效地址((rs1)+Disp)的計算.產生的操作控制信號如下:
rs1→GR=加法指令·cy2 ;送通用寄存器地址
(rs1)→ALU=加法指令·cy2 ;通用寄存器送ALU
Disp→ALU=加法指令·cy2 ;偏移量送ALU
「+」=加法指令·cy2 ;ALU執行加法操作
ALU→AR=加法指令·cy2 ;運算結果送地址總線
例如,「+」操作控制信號在加法指令的cy2(計算有效地址)和cy4(操作數相加)時需要;減法指令的cy2(計算有效地址)時需要;轉移指令的cy2(計算有效地址)時需要;….
所以,「+」操作控制信號的邏輯表達式如下:
「+」=加法指令·(cy2+cy4)+減法指令·cy2+轉移指令·cy2+…
設機器有7位操作碼(OP0～OP6),假設加法指令的操作碼為0001100,形成的加法指令信號的邏輯表達式為:
加法指令= OP0OP1OP2OP3OP4OP5OP6
如,某機器128條指令,用7位操作碼(OP0～OP6),如果其中有16條算術邏輯運算指令,可以將這些指令的3位操作碼都設計相同的編碼,如OP0OP1OP2= 001,而其他位OP3～OP6編碼表示16個不同的指令.
設命令A是所有算術邏輯運算在cy2周期需要產生的,邏輯表達式:
A=加法指令·cy2+減法指令·cy2+邏輯加指令·cy2+…
=(加法指令·+減法指令+邏輯加指令+…)·cy2
= OP0·OP1·OP2·cy2
只需要一個與門,就可實現命令A.
2. 微程序控制器
(1)微程序,微指令和微命令
在計算機中,一條指令的功能是通過按一定次序執行一系列基本操作完成的,這些基本操作稱為微操作.例如,前面講到的加法指令,分成四步(取指令,計算地址,取數,加法運算)完成,每一步實現若干個微操作.實現這些微操作的控制命令就是微命令.
微操作是指最基本的,不可再分的操作,如前面提到的:
PC→AB; W/R=0; DB→IR等.
PC→AB等就是微命令.
微指令:在微程序控制的計算機中,將由同時發出的控制信號所執行的一組微操作稱為微指令,所以微指令就是把同時發出的控制信號的有關信息匯集起來而形成的.將一條指令分成若干條微指令,按次序執行這些微指令,就可以實現指令的功能.組成微指令的微操作又稱微命令.
微程序:計算機的程序由指令序列構成,而計算機每條指令的功能均由微指令序列解釋完成,這些微指令序列的集合就叫做微程序.
(2)微指令的編碼方式;
1)直接控制法
在微指令的控制欄位中,每一位代表一個微命令,在設計微指令時,是否發出某個微命令,只要將控制欄位中相應位置成「1」或「0」,這樣就可打開或關閉某個控制門,這就是直接控制法.
2)欄位直接編譯法
在計算機中的各個控制門,在任一微周期內,不可能同時被打開,而且大部分是關閉的(相應的控制位為「0」).所謂微周期,指的是一條微指令所需的執行時間.如果有若干個(一組)微命令,在每次選擇使用它們的微周期內,只有一個微命令起作用,那麼這若干個微命令是互斥的.
選出互斥的微命令,並將這些微命令編成一組,成為微指令字的一個欄位,用二進位編碼來表示, 就是欄位直接編譯法.
3)欄位間接編譯法
欄位間接編譯法是在欄位直接編譯法的基礎上,進一步縮短微指令字長的一種編譯法. 如果在欄位直接編譯法中,還規定一個欄位的某些微命令,要兼由另一欄位中的某些微命令來解釋,稱為欄位間接編譯法.
(3)微地址的形式方式.
1)微程序入口地址的形成
<1>一級轉移方式
當操作碼的位數與位置固定時,可直接使操作碼與入口地址的部分位對應.
<2>多級轉移方式
先按照指令類型標誌轉移到某條微指令,以區分出是哪一大類,然後可以進一步按指令操作碼轉移,區分出是該指令中的哪一類具體操作.
2)微程序後繼地址的形成
<1>以增量方式產生後繼微地址.
在順序執行微指令時,後繼微地址由現行微地址加上一個增量(通常為1)形成的;而在非順序執行時則要產生一個轉移微地址.
<2>增量與下址欄位結合產生後繼微地址
將微指令的下址欄位分成兩部分:轉移控制欄位BCF和轉移地址欄位BAF,當微程序實現轉移時,將BAF送PC,否則順序執行下一條微指令(PC＋1).
(五) 指令流水線
1. 指令流水線的基本概念
(1)流水線基本原理
流水線技術是一種顯著提高指令執行速度與效率的技術.方法是:指令取指完成後,不等該指令執行完畢即可取下一條指令.
如果把一條指令的解釋過程進一步細分,例如,把分析,執行兩個過程分成取指,解碼,執行,訪存和寫回寄存器五個子過程,並用五個子部件分別處理這五個子過程.
這樣只需在上一指令的第一子過程處理完畢進入第二子過程處理時,在第一子部件中就開始對第二條指令的第一子過程進行處理.隨著時間推移,這種重疊操作最後可達到五個子部件同時對五條指令的子過程進行操作.
指令六級流水時序
(2)影響流水線性能的因素
在流水線中會出現三種相關,影響流水線的暢通流動,這三種相關是結構相關,數據相關和控制相關.
結構相關是當多條指令進人流水線後,硬體資源滿足不了指令重疊執行的要求時產生的.
數據相關是指令在流水線中重疊執行時,當後繼指令需要用到前面指令的執行結果時發生的.
控制相關是當流水線遇到分支指令和其他改變PC值的指令時引起的.
(3)流水線性能
流水線的性能通常用吞吐率,加速比和效率3項指標來衡量.
1)吞吐率
在指令流水線中,吞吐率是指單位時間內流水線所完成的指令或輸出結果的數量.
2)加速比
流水線的加速比是指m段流水線的速度與等功能的非流水線的速度之比.
3)效率
效率是指流水線中個功能段的利用率.
2. 超標量和動態流水線的基本概念
(1) 超標量
在超標量的處理器結構中,整數和浮點數運算,裝入,存儲以及條件轉移等普通操作指令可以同時啟動並獨立執行.
超標量流水CPU是指集成了多條流水線結構的CPU,當流水線滿載時,每個時鐘周期可以完成一條以上的指令.
(2) 動態流水線
流水線按功能可分成單功能流水線和多功能流水線兩種.
單功能流水線只完成一種功能.如浮點加法或乘法流水線.
多功能流水線則可完成多種功能,它允許在不同時間,甚至同一時間內在流水線內連接不同功能段的子集來實現不同功能.
流水線按工作方式可分為靜態流水線和動態流水線兩種.
在靜態流水線中,同一時間內它只能以一種功能方式工作.它可以是單功能的,也可以是多功能的.當是多功能流水線時,則從一種功能方式變為另一種功能方式時,必須先排空流水線,然後為另一種功能設置初始條件後方可使用.顯然,不希望這種功能的轉換頻繁的發生,否則將嚴重影響流水線的處理效率.
動態流水線則允許在同一時間內將不同的功能段連接成不同的功能子集(前提條件是功能部件的使用不發生衝突),以完成不同的運算功能.顯然,動態流水線必是多功能流水線,而單功能流水線則必是靜態的.
六, 總線
(一) 總線概述
1. 總線的基本概念
總線是連接各個部件的信息傳輸線,是各個部件共享的傳輸介質,總線上信息的傳送分為串行和並行傳輸
按照系統總線傳輸信息的不同
2. 總線的分類
1)片內總線:晶片內部的總線
2)系統總線:計算機各部件之間 的信息傳輸線
數據總線:雙向 與機器字長,存儲字長有關
地址總線:單向 與存儲地址, I/O地址有關
控制總線:部分出部分入 控制器控制所有部件
3)通信總線:用於 計算機系統之間 或 計算機系統,與其他系統(如控制儀表,移動通信等)之間的通信
傳輸方式:串行通信總線和並行通信總線
3. 總線的組成及性能指標
總線的結構通常分為單總線結構和多總線結構.
單總線結構是將CPU,主存,I/O設備(通過I/O接口)都掛在一組總線上.
多總線結構的特點是將速度較低的I/O設備從單總線上分離出來,形成主總線與I/O設備總線分開的結構.
總線的性能指標
1)總線寬度:數據總線的根數
2)總線帶寬:數據傳輸率
3)時鐘同步/異步:總線上的數據與時鐘同步的稱為同步總線,與時鐘不同步的稱為異步總線
4)總線復用:一條信號線上分時傳送兩種信號.
5)信號線數:地址總線,數據總線和控制總線三種總線數的總和.
6)總線控制方式:包括突發工作,自動配置,總裁方式,邏輯方式,技術方式等.
7)其他指標:負載能力,電源電壓,總線寬度能否擴展等.
(二) 總線仲裁
由於總線上連接著多個部件,何時由哪個部件發送信息,如何定時,如何防止信息丟失,如何避免多個設備同時發送,如何規定接收部件等一系列問題都需要總線控制器統一管理,主要包括總線的判優控制(仲裁邏輯)和通信控制.
總線仲裁邏輯可分為集中式和分布式兩種,前者將控制邏輯集中在一處(如在CPU中),後者將控制邏輯分散在總線的各個部件之上.
1. 集中仲裁方式
集中仲裁方式有三種:
(1)鏈式查詢
當一個或多個設備同時發出總線使用請求信號BR時,中央仲裁器發出的總線授權信號BG沿著菊花鏈串行的從一個設備依次傳送到下一個設備,到達離出發點最近的發出總線請求的設備之後就不再往下傳.
(2)計數器定時查詢
總線上個設備通過總線請求信號BR,發出請求,中央仲裁器接收到請求信號後,在總線忙信號BS為「0」的情況下,讓計數器開始計數,計數值通過一組地址線發往各設備.每個設備有一個地址判別電路,如果地址線上的計數值與總線請求設備地址一致,則該設備對BS線置「1」,表示該設備獲得了總線使用權,同時中止計數查詢.
(3)獨立請求方式
每個連接到總線的設備都有一組單獨的總線請求信號BRi與總線授權信號BGi.每個設備請求使用總線時,它們各自發出自己的總線請求信號.中央仲裁器中設置了一個專門的排隊電路,由它根據一定的優先次序決定優先響應哪個設備的請求,然後給該設備總線授權信號BGi
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,而是讓各個主設備功能模塊都有自己的仲裁號和仲裁電路.需要使用總線時,各個設備的功能模塊將自己唯一的仲裁號發送到共享的總線上,各自的仲裁電路再將從仲裁總線上獲得的仲裁號和自己的仲裁號相對比,獲勝的仲裁號將保留在仲裁總線上,相應設備的總線請求獲得響應.
(三) 總線操作和定時
目前在總線上的操作主要有以下幾種:
1)讀和寫
讀是將從設備(如存儲器)中的數據讀出並經總線傳輸到主設備(如CPU);寫是主設備到從設備的數據傳輸過程.
2)塊傳送
主設備給出要傳輸的數據塊的起始地址後,就可以利用總線對固定長度的數據一個接一個的讀出或寫入.
3)寫後讀或讀後寫
主設備給出地址一次,就可以進行先寫後讀或者先讀後寫操作,先讀後寫往往用於校驗數據的正確性,先寫後讀往往用於多道程序的對共享存儲資源的保護.
4)廣播和廣集
主設備同時向多個從設備傳輸數據的操作模式稱為廣播.廣集操作和廣播操作正好相反,它將從多個從設備的數據在總線上完成AND或OR操作,常用於檢測多個中斷源.
所謂定時,是指事件出現在總線上的時間關係.總線常用的定時協議有同步定時方式和異步定時方式
1. 同步定時方式
同步定時方式要求所有的模塊由統一的始終脈衝進行操作的控制,各模塊的所有動作均在時鐘周期的開始產生,並且多數動作在一個時鐘周期內完成.
2. 異步定時方式
異步定時方式是一種應答方式或者互鎖機制的定時方式.對於異步操作,操作的發生由主設備或從設備的的特定信號來確定.總線上一個事件的發生取決於前一個事件的發生,雙方互相提供聯絡信號.
(四) 總線標準
總線標準就是系統與各模塊,模塊與模塊之間的一個互連的標準界面.
目前流行的總線標準有以下幾種:
1．系統總線
1)ISA----工業標準體系(Industry Standard Architecture),它是最早出現的微型計算機總線標準,應用在IBM的AT機上.直到現在,微型計算機主板或工作站主板上還保留有少量的ISA擴展槽.
2) EISA----擴展工業標準體系(Extended Industry Standard Architecture),主要用於286微機.EISA對ISA完全兼容.
3) VESA----視頻電子標準協會(Video Electronic Standard Association),是按照局部總線標準設計的一種開放總線,只適合於486的一種過渡標準,已淘汰.
4) PCI----外圍設備互聯(Peripheral Component Interconnection),PCI局部總線是高性能的32位或64位總線,它是專門為高集成度的外圍部件,擴充插板和處理器/存儲器系統而設計的互連機制.
5)AGP----是一種新型的視頻接口的技術標準,專用於連接主存和圖形存儲器.AGP總線寬32位,時鐘頻率66MHz,能以133MHz工作,最高的傳輸速率可達533Mbps.
2．設備總線
1)IDE----集成驅動電子設備(Integrated Drive Electronics),它是一種在主機處理器和磁碟驅動器之間廣泛使用的集成總線.絕大部分PC的硬碟和相當數量的CD-ROM驅動器都是通過這種接口和主機連接的.
2)SCSI----小型計算機系統接口(Small Computer System Interface),現在這種接口不再局限於將各種設備與小型計算機直接連接起來,它已經成為各種計算機(包括工作站,小型機,甚至大型機)的系統接口.
3)RS-232----(Recommended Standard-232C),是由美國電子工業協會EIA(Electronic Industries Association)推薦的一種串行通信總線標準.
4) USB----USB(Universal Serial Bus)接口基於通用的連接技術,可實現外設的簡單快速連接,已達到方便用戶,降低成本,擴展微機連接外設範圍的目的.
七, 輸入輸出(I/O)系統
(一) I/O系統基本概念
除了CPU存儲器兩大模塊之外,計算機硬體系統的第三個關鍵部分就是輸入輸出模塊,也稱輸入輸出系統.輸入輸出系統的發展概況
1)早期 分散連接,CPU 和 I/O設備 串行 工作,程序查詢方式
2)接口模塊和 DMA 階段 總線連接,CPU 和 I/O設備 並行 工作,中斷方式和DMA 方式
3)具有通道結構的階段
4)具有 I/O 處理機的階段
輸入輸出系統應該由I/O軟體和I/O硬體兩部分組成
I/O軟體
(1) I/O 指令 CPU 指令的一部分
(2) 通道指令 通道自身的指令
指出數組的首地址、傳送字數、操作命令
如 IBM/370 通道指令為 64 位
2. I/O 硬體
設備 I/O 接口
設備 設備控制器 通道
輸入輸出系統軟體的主要任務是：
①何將用戶編制的程序(或數據)輸入至主機內；
②如何將運算結果輸送給用戶；
③如何實現I/O系統與主機工作的協調等.
I/O設備與主機的聯繫方式
1．I/O編址方式
通常將I/O設備碼視為地址碼,對I/O地址碼的編址可採用兩種方式：
統一編址 用取數、存數指令
就是將I/O地址看作是存儲器地址的一部分.如在64K地址的存儲空間中,劃出8K地址作為I/O的地址,.凡是在這8K地址範圍內的訪問,就是對 I/O的訪問,所用的指令與訪存指令相似.
不統一編址 有專門的 I/O 指令
就是指I/O地址和存儲器地址是分開的,所有對I/O的訪問必須有專用的I/O指令.
顯然統一編址佔用了存儲空間,減少了主存容量,但無需專用的I/O指令.不統一編址由於不佔用主存空間,故不影響主存容量,但需設 I/O專用指令.因此,設計機器時,需根據實際情況權衡考慮選取何種編址方式.
2．設備尋址 用設備選擇電路識別是否被選中
由於每臺設備都賦予一個設備號,因此,當要啟動某一設備時,可由I/O指令的設備碼欄位直接指出該設備的設備號. 通過接口電路中的設備選擇電路,便可選中要交換信息的設備.
3．傳送方式
並行傳送
串行傳送
4．聯絡方式 三種聯絡方式
(1)立即響應方式
(2)異步工作採用應答信號聯絡
(3)同步工作採用同步時標聯絡
5．I/O與主機的連接方式
I/O設備與主機的連接方式通常有兩種：輻射式和總線式.
採用輻射式連接方式時,要求每臺 I/O設備都有一套控制線路和一組信號線,因此所用的器件和連線較多,對 I/O設備的增刪都比較困難.這種連接方式大多出現在計算機發展的初期階段.
圖5.2所示的是總線連接方式,通過一組總線(包括地址線,數據線,控制線等),將所有的I/O設備與主機連接.這種連接方式是現代大多數計算機系統所採用的方式.
為了進一步提高CPU的工作效率,又出現了DMA(Direct Memory Access)技術,其特點是I/O 與主存之間有一條直接數據通路,I/O設備可以與主存直接交換信息,使CPU 在I/O與主存交換信息時,能繼續完成自身的工作,故其資源利用率得到了進一步的提高.
(二) 外部設備
1. 輸入設備:鍵盤,滑鼠
(1) 鍵盤
鍵盤是目前應用最普遍的一種輸入設備,與CRT顯示器組成終端設備.
鍵盤是由一組排列成陣列形式的按鍵開關組成的,每按下一個鍵,產生一個相應的字符代碼(每個按鍵的位置碼),然後將它轉換成ASCII碼或其他碼,送主機.目前常用的標準鍵盤有101個鍵,它除了提供通常的ASCII字符以外,還有多個功能鍵(由軟體系統定義功能),光標控制鍵(上,下,左,右移動等)與編輯鍵(插入或消去字符)等.
(2)滑鼠
機械式: 金屬球 電位器,
光電式: 光電轉換器
2. 輸出設備:顯示器,印表機
(1)顯示器
顯示器分類:
按器件分:CRT顯示器; Cathode Ray Tube陰極射線管
LED顯示器; Light Emitting Diode發光二極體
等離子體顯示器 PDP Plasma Display Panel,中文叫等離子顯示器
按顯示內容分:字符顯示器;字符發生器 通過字符發生器在CRT上顯示字符.
圖形顯示器;主觀圖像 用點,線(直線和曲線),面(平面和曲面)組合成平面或立體圖形的顯示設備.主要用於計算機輔助設計和計算機輔助製造等.
圖像顯示器; 客觀圖像 圖像顯示器所顯示的圖像(如遙感圖形,醫學圖像,自然景物,新聞圖片等)通常來自客觀世界,又被稱為客觀圖像.圖像顯示器是把由計算機處理後的圖像(數字圖像)以點陣的形式顯示出來,通常以光柵掃描方式,其分別率可達256x256像素,或者512x512像素,也可以與圖形顯示器兼容,其分別率可達到1024x1024像素,灰度等級可達64至256級.
按設備功能分:普通顯示器;僅供顯示,也稱監視器.
顯示終端;顯示器和鍵盤組成的輸入輸出設備.
(2)印表機
印表機分類
3. 外存儲器:硬碟存儲器,磁碟陣列,光碟存儲器
(1)硬碟存儲器
1)性能指標
外存設備的主要技術指標
<1>存儲密度
<2>存儲容量
<3>尋址時間
<4>數據傳輸率
<5>誤碼率
<6>價格
2)硬磁碟存儲器的類型
<1> 固定磁頭和移動磁頭
固定磁頭的磁碟存儲器,其磁頭位置固定不動,磁碟上的每一個磁軌都對應著一個磁頭,碟片也不可更換,其特點是省去了磁頭沿著碟片徑向運動所需的尋道時間,存取速度快,只要磁頭進入工作狀態即可以進行讀寫操作.
移動磁頭的磁碟存儲器在存取數據時,磁頭在盤面上作徑向運動,這類存儲器可以由一個碟片組成,也可以由多個碟片裝在一個同心的主軸上,每個紀錄面各有一個磁頭.
<2> 可換盤和固定盤
可換盤磁碟存儲器是指碟片可脫機保存,這種磁碟可在互為兼容的磁碟存儲器間交換數據,便於擴大存儲容量.
固定盤磁碟存儲器是指磁碟不能從驅動器上取下,更換時要把整個頭盤組合體一起更換.
3)硬磁碟存儲器的磁軌記錄格式
一個具有n個碟片的磁碟組,可將n個面上的同一半徑的磁軌看成一個圓柱面,這些磁軌存儲的信息稱為柱面信息.盤面又分為若干個扇區,每條磁軌有被分割為若干個扇段,數據在碟片上的布局如圖所示:
因此,尋制用的磁碟地址應該由頭號,磁軌號,盤面號,扇段號等欄位組成,也可將扇段號用扇區號代替.
(2)磁碟陣列
1)廉價冗餘磁碟陣列(RAID-Redundant Arrays of Inexpensive Disk)
其原理是將並行處理原理引入磁碟系統.它採用低成本的小溫盤,使多臺磁碟構成同步化的磁碟陣列,數據展開存儲在多臺磁碟上,提高了數據傳輸的帶寬,並利用冗餘技術提高可靠性,類似於存儲器中的多體交叉技術.
磁碟陣列還具有容量大,數據傳輸速率高,功耗低,體積小,成本低和便於維護等優點,其發展前途十分光明.同步磁碟陣列的關鍵技術是對多臺磁碟機進行同步控制,包括採用緩衝器使數據同步.
2)RAID分類
工業界公認的標準有6級別,分別為RAID0～RAID5:
RAID-0級採用無冗餘無校驗的數據分塊技術.
RAID-1級採用磁碟鏡像陣列技術.
RAID-2級採用海明糾錯碼的磁碟陣列,通過增加校驗磁碟實現單糾錯雙檢錯功能.
RAID-3級是採用奇偶校驗冗餘的磁碟陣列,它也採用數據位交叉,陣列中只用一個校驗盤.
RAID-4級是一種獨立傳送磁碟陣列,它採用數據塊交叉,用一個校驗盤.
RAID-5也是一種獨立傳送磁碟陣列,它採用數據塊交叉和分布的冗餘校驗,將數據和校驗位都分布在各磁碟中,沒有專門的奇偶校驗驅動器.
(3)光碟存儲器
(1)光碟存儲器
光碟存儲器利用雷射束在介質表面燒蝕凹坑存儲信息.根據雷射束及其反射光的強弱不同,完成信息的讀和寫.
光碟存儲器稱光碟,是目前廣泛使用的一種外存儲器,更是多媒體計算機不可缺少的設備.它以介質材料的光學性質(如反射率,偏振方向)的變化來表示所存儲信息的「1」和「0」.其突出的優點是,雷射束可以聚焦到1μm以下,記錄密度可達645Mb/i2.
光碟的種類根據光碟的可讀寫性分為只讀光碟,寫一次/多次讀光碟和可重寫光碟.
(2)CD-ROM光碟
<1>光碟的信息記錄方式
光碟的信息記錄方式以凹坑方式永久性存儲.當雷射束聚焦點照射在兩個凹坑之間的盤面上時大部分光將返回,而照在凹坑上時將發生衍射,反射率低,將反射光的光強變化在轉換成電信號,即可讀出記錄信息.
<2>光碟的扇區數據結構
光道上劃分出一個個的扇區,這是光碟最小的可尋址單元.扇區結構如圖所示:
由圖可見,光碟扇區分為4個區域.2個全0位元組和10個全1位元組組成的同步(SYNC)區,標誌著扇區的開始.4位元組的扇區標示(ID)區用於說明此扇區的地址和工作模式.光碟的扇區標誌地址以分(MN),秒(SC)和分數秒(FR,1/75s)時間值為地址.
(三) I/O接口(I/O控制器)
1. I/O接口的功能和基本結構
1)I/O接口的基本功能是:
(1)實現設備的選擇
(2)實現數據緩衝達到速度匹配
(3)實現數據串並格式轉換
(4)實現電平轉換
(5)傳送控制命令
(6)反映設備的狀態(「忙」,「就緒」,「中斷請求」)
2)接口的基本組成
2. I/O埠及其編址
CPU採用2種方法訪問I／O設備,也稱2種不同的I／O埠編址方法:
(1)專門的I／O指令
例如,指令:IN完成輸入,指令OUT完成輸出操作.指令的地址碼欄位指出輸入輸出設備的設備代碼.
由相應的控制信號(如M／IO#)來區分CPU執行的是什麼指令.
(2)利用訪問存儲器指令完成I／O功能
從主存的地址空間中分出一部分地址碼作為I／O的設備代碼,當訪問到這些地址時,表示被訪的不是主存儲器,而是I／O設備埠.沒有控制信號區分存儲器和埠,採用的是將該段地址解碼輸出連接到外設的埠.
(四) I/O方式(
I/O設備與主機信息傳送的控制方式
)
1. 程序查詢方式
程序查詢方式的核心問題是每時每刻需要不斷查詢I/O設備是否準備好.CPU不斷地詢問外設是否準備好:如果準備好,CPU執行IO操作;否則,CPU一直等待.CPU大部分時間處於等待狀態,利用率不高.
2. 程序中斷方式
(1)中斷的基本概念
計算機在執行程序的過程中,當出現異常情況或者特殊情況時,CPU停止當前程序的運行,轉向對這些異常情況或者特殊情況的處理,處理結束之後再返回到現行程序的間斷處繼續運行,該過程就是中斷.
(2)中斷響應過程
當多個中斷源向CPU提出中斷請求時,CPU在任何一個時刻只能接受一個中斷源的請求,所以,當多個中斷源同時請求時,CPU必須對各個中斷源的請求進行排隊,且只能接受級別最高的中斷源的請求,不允許低級別的中斷源中斷正在運行的中斷服務程序.
每個設備都配備一個中斷請求觸發器和中斷屏蔽觸發器,當中斷請求觸發器為「1」時,表示該設備向CPU提出中斷請求,如果中斷屏蔽觸發器為「1」時,表示該設備被屏蔽,即封鎖其中斷源的請求.
當多個中斷源同時向CPU提出請求,CPU需要對這些中斷源的請求進行排隊,也稱中斷判優,有兩種判優的方法:
1)查詢法
由測試程序按一定優先排隊次序檢查各個設備的「中斷觸發器」(或稱為中斷標誌),當遇到第一個「1」標誌時,即找到了優先進行處理的中斷源,通常取出其設備碼,根據設備碼轉入相應的中斷服務程序.
2)串行排隊鏈法
由硬體組成一個串行的優先鏈,稱作排隊鏈.
一旦CPU確定接受某個中斷源的請求,就需要執行該設備的中斷服務程序,因此需要找到中斷服務程序的入口地址.入口地址的尋找可以用軟體或硬體的方法實現.硬體向量法就是通過向量地址來尋找設備的中斷服務程序的入口地址.中斷向量地址形成部件可以通過向接受請求的中斷源發送中斷響應信號,然後由被響應的設備回送設備碼,根據設備碼來產生中斷向量地址.
(3)中斷處理過程
中斷處理過程可分以下幾個步驟:
1)關中斷
進入不可再次響應中斷的狀態,由硬體自動實現.因為接下去要保存斷點,保存現場.在保存現場過程中,即使有更高級的中斷源申請中斷,CPU也不應該響應;否則,如果現場保存不完整,在中斷服務程序結束之後,也就不能正確地恢復現場並 繼續執行現行程序.
2)保存斷點和現場.
為了在中斷處理結束後能正確地返回到中斷點,在響應中斷時,必須把當前的程序計數器PC中的內容(即斷點)保存起來.
現場信息一般指的是程序狀態字,中斷屏蔽寄存器和CPU中各寄存器的內容.
3)判別中斷源,轉向中斷服務程序.
在多個中斷源同時請求中斷的情況下,本次實際響應的只能是優先權最高的那個中斷源.所以,需進一步判別中斷源,並轉入相應的中斷服務程序入口.
4)開中斷.
因為接下去就要執行中斷服務程序,開中斷將允許更高級中斷請求得到響應,實現中斷嵌套.
5)執行中』斷服務程序.
不同中斷源的中斷服務程序是不同的,實際有效的中斷處理工作是在此程序段中實現的.
6)退出中斷.
在退出時,又應進入不可中斷狀態,即關中斷,恢復現場,恢復斷點,然後開中斷,返回原程序執行.
(4)多重中斷和中斷屏蔽的概念.
多重中斷是指在處理某一個中斷過程又發生了新的中斷請求,從而中斷該服務程序的執行,又轉去進行新的中斷處理.這種重疊處理中斷的現象又稱為中斷嵌套.
中斷屏蔽
當產生中斷請求後,用程序方式有選擇地封鎖部分中斷,而允許其餘部分中斷仍得到響立,稱為中斷屏蔽.
實現方法是為每個中斷源設置一個中斷屏蔽觸發器來屏蔽該設備的中斷請求.具體說,用程序方法將該觸發器置「1」,則對應的設備中斷被封鎖,若將其置「0」,才允許該設備的中斷請求得到響應.由各設備的中斷屏蔽觸發器組成中斷屏蔽寄存器.
3. DMA方式
DMA是I／O設備與主存儲器之間由硬體組成的直接數據通路,用於高速I／O設備與主存之間的成組數據傳送.
數據傳送是在DMA控制器控制下進行的,由DMA控制器給出當前正在傳送的數據字的主存地址,並統計傳送數據的個數以確定一組數據的傳送是否已結束.在主存中要開闢連續地址的專用緩衝器,用來提供或接收傳送的數據.在數據傳送前和結束後要通過程序或中斷方式對緩衝器和DMA控制器進行預處理和後處理.
(1)DMA控制器的組成;
1)主存地址寄存器(MAR) 寄存器初始值為主存緩衝區的首地址.
2)外圍設備地址寄存器(ADR ) 該寄存器存放I／O設備的設備碼,具體內容取決於I／O設備的數據格式和地址字編址方式.
3)字數計數器(WC) 該計數器對傳送數據的總字數進行統計 .
4)控制與狀態寄存器(CSR) 該寄存器用來存放控制字和狀態字.
5)數據緩衝寄存器(DBR) 該寄存器用來暫存I／O設備與主存傳送的數據.
6)中斷機構 當字計數器溢出(全「0」)時,表示一批數據交換完成,由「溢出信號」通過中斷機構向CPU提出中斷請求,請求CPU作DMA操作後處理.
(2)DMA傳送過程.
1)DMA預處理
在進行DMA數據傳送之前要用程序做一些必要的準備工作.先由CPU執行幾條輸入輸出指令,測試設備狀態,向DMA控制器的設備地址寄存器中送入設備地址並啟動設備,在主存地址寄存器中送入交換數據的主存起始地址,在數據字數寄存器中送入交換的數據個數.在這些工作完成之後,CPU繼續執行原來的程序.
2)DMA控制I/O設備與主存之間的數據交換
I/O設備啟動後,若為輸入數據,則要進行以下操作:
<1>從輸入介質讀入一個字到數據緩衝寄存器DBR中.
<2>向CPU發DMA請求,在取得總線控制權後,將DBR中的數據送人主存的數據寄存器.
<3>將DMA中的MAR內容送主存的地址寄存器,啟動寫操作,將數據寫入主存.
<4>將WC內容減1,將MAR的內容加1,給出下一個字的地址.
<5>判斷WC是否為「0」,若不是,說明還有數據需要傳送,檢查無錯後準備下一字的輸入.若WC為0,表明一組數據已傳送完畢,此時應置結束標誌,向CPU發中斷請求.
3) CPU中斷原程序進行後處理
若需繼續交換數據,則又要對DMA控制器進行初始化;若不需交換數據,則停止外設;若為出錯,則轉錯誤診斷及處理程序.