【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 址區(qū)號(hào)比較相同，則主存塊號(hào)與塊內(nèi)地址成Cache地址，不相同，則換頁(yè)。優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單，速度快；缺點(diǎn)：沖突率高。組相聯(lián)映射將Cache各塊分組，主存以Cache大小分區(qū)，區(qū)下分組，組下分塊。組間采用直接映像，組內(nèi)采用全相聯(lián)映像。2) Cache的讀寫：讀操作：訪存時(shí)，一方面主存地址送主存，啟動(dòng)讀主存，另一方面地址送Cache映象成Cache地址。從Cache頁(yè)中讀取內(nèi)容，并將相應(yīng)的Cache標(biāo)記與主存地址中的主存頁(yè)標(biāo)記進(jìn)行比較，如果二者相同，則表示訪問(wèn)Cache命中，讀出數(shù)據(jù)送往CPU，不等主存讀操作結(jié)束，就可以繼續(xù)下一次訪存操作。如果標(biāo)記不符合，或是按映像方式搜索完畢仍未找到相符的Cache標(biāo)志，表明本次訪問(wèn)Cache失敗，則從主存讀出數(shù)據(jù)送CPU，偶爾一次不命中，不一定立即替換，一般是在命中率變低時(shí)才考慮替換，如果替換，則以頁(yè)為單位整頁(yè)替換，并相應(yīng)修改Cache標(biāo)記。寫操作：寫回法(標(biāo)志替換法)。在數(shù)據(jù)回寫的時(shí)候，只寫入Cache，同時(shí)在Cache塊中設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位，標(biāo)志位為1表示有數(shù)據(jù)寫回此Cache塊，當(dāng)此Cache塊被替換的時(shí)候?qū)懭胫鞔?，但是如果在替換時(shí)，恰好主存沒(méi)有此Cache塊(先被虛擬存儲(chǔ)器替換)，則出錯(cuò)。這種方式不在Cache操作過(guò)程中插入寫主存操作，保持程序的運(yùn)行速度。寫直達(dá)法。寫入Cache同時(shí)寫入主存，但有些寫入是多余的。這種方式保持了Cache與主存的一致性。本章思考題1. 計(jì)算機(jī)中哪些部件可用于存儲(chǔ)信息？2. 說(shuō)明存取周期和存取時(shí)間的區(qū)別。3. 存儲(chǔ)器層次結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在什么地方，為什么要分這些層次？4. 什么叫刷新，為什么進(jìn)行刷新？5. 什么是存儲(chǔ)器的帶寬。第五章 輸入輸出系統(tǒng)教學(xué)時(shí)數(shù)：8學(xué)時(shí)教學(xué)目的與要求：使學(xué)生了解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中常用I/O設(shè)備的基本接口，主要技術(shù)指標(biāo)，工作原理等知識(shí)，重點(diǎn)I/O設(shè)備與CPU傳輸數(shù)據(jù)的三種方式。教學(xué)重點(diǎn)：程序查詢方式和中斷方式的工作原理、基本接口。教學(xué)難點(diǎn)：DMA的傳送方式及傳送過(guò)程。第一節(jié) I/O設(shè)備輸入輸出系統(tǒng)包括輸入輸出設(shè)備、設(shè)備控制器以及同輸入輸出操作有關(guān)的硬件與軟件。如：鍵盤—輸入設(shè)備，8042—設(shè)備控制器，8255—相關(guān)硬件，int9—相關(guān)軟件。第二節(jié) I/O接口1. 輸入輸出設(shè)備編址方式：輸入輸出設(shè)備的編址方式分為兩種：獨(dú)立I/O編址、(與內(nèi)存)統(tǒng)一編址。如PC機(jī)采用前者，IN AL，60H；讀入掃描碼2. 輸入輸出數(shù)據(jù)傳送的控制方式：(1) 程序直接控制方式(2) 程序中斷傳送方式(3) 直接存儲(chǔ)器存取(DMA)傳送方式(4) 通道控制方式(5) I/O處理機(jī)第三節(jié) 程序查詢方式程序直接控制方式主機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸由程序來(lái)控制，在程序中安排一段由輸入輸出指令和其他指令組成的程序段直接控制外設(shè)的工作。程序直接控制方式分為無(wú)條件傳送方式和有條件(查詢)傳送方式。無(wú)條件傳送：外設(shè)與CPU之間的工作關(guān)系、動(dòng)作時(shí)間固定，所以可以采用無(wú)條件傳送。查詢：傳送數(shù)據(jù)之前先由程序?qū)ν庠O(shè)狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足時(shí)，傳送數(shù)據(jù)。(說(shuō)明：與外設(shè)相關(guān)的芯片有狀態(tài)寄存器和控制寄存器，狀態(tài)寄存器提供芯片的狀態(tài)，即外設(shè)的狀態(tài)，常常依靠IN指令把外設(shè)芯片的狀態(tài)讀入CPU來(lái)進(jìn)行查詢方式的數(shù)據(jù)傳送，CPU發(fā)給外設(shè)芯片的控制命令常常依靠OUT指令送入控制寄存器，使外設(shè)按照CPU的要求工作。第四節(jié) 程序中斷方式程序中斷傳送方式1) 中斷：在計(jì)算機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，如果發(fā)生某種隨機(jī)事態(tài)，CPU將暫停執(zhí)行現(xiàn)行程序，轉(zhuǎn)去執(zhí)行中斷處理程序，為該事態(tài)服務(wù)，并在服務(wù)完畢后自動(dòng)恢復(fù)原程序的執(zhí)行。中斷的定義包含了程序切換與隨機(jī)性兩個(gè)概念。中斷的實(shí)質(zhì)是一種程序切換過(guò)程。轉(zhuǎn)子程序也是一種程序切換，但區(qū)別在于中斷是隨機(jī)切換，而轉(zhuǎn)子程序的切換不是隨機(jī)的。2) 中斷方式的應(yīng)用(1) 以中斷方式管理中低速I/O操作，使CPU與外設(shè)并行工作(2) 軟中斷(3) 故障處理：掉電、校驗(yàn)錯(cuò)、軟件故障、溢出(4) 實(shí)時(shí)處理：通過(guò)定時(shí)器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)(5) 多機(jī)通信：依靠中斷通信(6) 人機(jī)對(duì)話：3) 程序中斷與簡(jiǎn)單中斷程序中斷：中斷發(fā)生之后執(zhí)行一段程序簡(jiǎn)單中斷：中斷發(fā)生之后不執(zhí)行程序，只是讓出幾個(gè)CPU周期，如DMA中斷第五節(jié) DMA方式1. 直接存儲(chǔ)器存取(DMA)傳送方式對(duì)于高速外設(shè)的成批信息交換通常采用DMA方式。在DMA方式中數(shù)據(jù)交換不是由CPU執(zhí)行程序來(lái)完成，而是由DMA控制器控制，如軟盤操作。DMA方式分為三種：CPU暫停、CPU周期竊取、CPU與IO交替訪問(wèn)存儲(chǔ)器2. 通道控制方式DMA可以處理大批數(shù)據(jù)，但是對(duì)外設(shè)的管理仍由CPU承擔(dān)，為能更好的發(fā)揮CPU效率，設(shè)置新硬件通道。通道是專門執(zhí)行輸入輸出操作的處理機(jī)，它獨(dú)立的對(duì)輸入輸出操作進(jìn)行管理。當(dāng)CPU執(zhí)行I/O指令時(shí)，CPU不執(zhí)行輸入輸出操作，只啟動(dòng)通道執(zhí)行輸入輸出操作，并將控制權(quán)轉(zhuǎn)給通道。3. 主機(jī)與外設(shè)間的連接模式總線型在這種結(jié)構(gòu)中，CPU通過(guò)系統(tǒng)總線與外設(shè)相連，各外設(shè)通過(guò)各自的接口直接與公共的系統(tǒng)總線相連。CPU經(jīng)過(guò)地址鎖存器向系統(tǒng)總線發(fā)出地址代碼，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)緩沖器向系統(tǒng)總線發(fā)出或接收數(shù)據(jù)代碼，經(jīng)過(guò)總線控制器發(fā)出或接收控制信號(hào)。如果CPU暫時(shí)放棄對(duì)系統(tǒng)總線的控制，則有關(guān)的輸出端呈高阻態(tài)，即與總線脫鉤。此結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于擴(kuò)展，易于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)：信息吞吐量有限。輻射型在這種結(jié)構(gòu)中，各外設(shè)和主機(jī)之間有各自獨(dú)立的數(shù)據(jù)通路，因而形成以主機(jī)為中心向各設(shè)備輻射的星型連接?，F(xiàn)在多采用CPU通過(guò)系統(tǒng)總線連接一個(gè)多口接口卡，由多口接口卡分別連接外設(shè)。各外設(shè)之間不能直接傳送信息，它只能把信息通過(guò)接口送入主機(jī)，再由主機(jī)送別的外設(shè)。優(yōu)點(diǎn)：各外設(shè)各自獨(dú)立，相互干擾小；缺點(diǎn)：不能實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間直接通信。通道控制方式通道是一種專門負(fù)責(zé)管理輸入輸出操作的控制器，它執(zhí)行一種通道程序。CPU啟動(dòng)通道后可以并行地執(zhí)行自身的程序，而通道則執(zhí)行通道程序，或以DMA方式實(shí)現(xiàn)主存與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)直傳，或讓數(shù)據(jù)輸入CPU或從CPU輸出。這就使CPU從繁重的I/0操作中解脫出來(lái)，發(fā)揮其高速處理的優(yōu)勢(shì)，讓CPU的處理與通道管理下的I/0操作并行地進(jìn)行。從連接角度看，主機(jī)一般通過(guò)單獨(dú)的數(shù)據(jù)通路分別連接數(shù)目有限的通道，各通道再用總線結(jié)構(gòu)通過(guò)接口連接外設(shè)，可稱為四級(jí)連接模式，即主機(jī)通道I/O接口或設(shè)備控制器外圍設(shè)備。通道的概念具有較大彈性，在邏輯劃分與功能上可作多種變化。有的系統(tǒng)讓通道控制器位于CPU之中，稱為結(jié)合型通道；有的系統(tǒng)則讓它獨(dú)立于CPU之外，稱為獨(dú)立型通道。通道執(zhí)行的通道程序，可以放在主存中，與CPU共享主存；也可以自帶局部存儲(chǔ)器存放通道程序。它的功能可以只負(fù)責(zé)管理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入輸出，也可以發(fā)展為實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的預(yù)處理，變成輸入輸出處理機(jī)。輸入輸出處理機(jī)(IOP)方式IOP比通道具有更強(qiáng)的獨(dú)立性與通用性，它的功能與CPU類似，只是專用化，面向輸入輸出管理及相應(yīng)的處理。IOP有自己的指令系統(tǒng)，可以編制自己的程序；通過(guò)執(zhí)行程序?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立于CPU的輸入輸出操作。在大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，主機(jī)通過(guò)專門的數(shù)據(jù)通路與IOP連接，IOP通過(guò)總線再與外圍設(shè)備連接。高檔微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也采用輸入輸出處理器，將IOP集成在一塊芯片中。這種IOP芯片與CPU一起掛接在系統(tǒng)總線上，可共享主存。當(dāng)CPU進(jìn)行輸入輸出時(shí)，將任務(wù)寫入存儲(chǔ)器的一個(gè)特殊區(qū)域中，然后通知IOP。IOP從該區(qū)域中獲知CPU的要求，并執(zhí)行程序，完成指定的輸入輸出操作，然后用某些約定的特征信息或以中斷請(qǐng)求信號(hào)通知CPU。本章思考題1. I/O設(shè)備有哪些編址方式，各有何特點(diǎn)？2. I/O設(shè)備與主機(jī)交換信息時(shí)，共有哪幾種控制方式？簡(jiǎn)述特點(diǎn)。3. 圖形顯示和圖像顯示有何區(qū)別？4. 中斷向量通過(guò)什么總線送至什么地方？為什么？5. 試從5個(gè)方向比較程序中斷方式和DMA方式的區(qū)別。第六章 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算方法教學(xué)時(shí)數(shù)：8學(xué)時(shí)教學(xué)目的與要求：使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)系統(tǒng)信息的表示方法、基本邏輯運(yùn)算和四則運(yùn)算，理解運(yùn)算的實(shí)現(xiàn)方法，信息的流動(dòng)方式，運(yùn)算器部件的組成結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法。教學(xué)重點(diǎn)：計(jì)算機(jī)信息的表示方法、定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的四則運(yùn)算。教學(xué)難點(diǎn)：原碼一位串行乘法算法乘法器、浮點(diǎn)乘除運(yùn)算算法。第一節(jié) 無(wú)符號(hào)數(shù)及有符號(hào)數(shù)1. 機(jī)器數(shù)機(jī)器數(shù)包括原碼、反碼、補(bǔ)碼和移碼。1) 原碼是一種機(jī)器數(shù)的表示法。它約定：對(duì)于一個(gè)正數(shù)，用“0”表示它的符號(hào)，后面的數(shù)值部分就是它的二進(jìn)制數(shù)；對(duì)于一個(gè)負(fù)數(shù)，用“1”表示它的符號(hào)，后面的數(shù)值部分就是它的二進(jìn)制數(shù)。2) 反碼是一種機(jī)器數(shù)的表示法。它約定：對(duì)于一個(gè)正數(shù)，用“0”表示它的符號(hào)，后面的數(shù)值部分就是它的二進(jìn)制數(shù)；對(duì)于一個(gè)負(fù)數(shù)，用“1”表示它的符號(hào)，后面的數(shù)值部分就是它的二進(jìn)制數(shù)(即原碼)逐位變反(即“0” 變“1” ，“1”變“0” )。3) 補(bǔ)碼是一種機(jī)器數(shù)的表示法。它約定：對(duì)于一個(gè)正數(shù)，用“0”表示它的符號(hào)，后面的數(shù)值部分就是它的二進(jìn)制數(shù)；對(duì)于一個(gè)負(fù)數(shù)，用“1”表示它的符號(hào)，后面的數(shù)值部分就是它的二進(jìn)制數(shù)(即原碼)逐位變反，然后加1。對(duì)負(fù)的補(bǔ)碼進(jìn)行還原的時(shí)候，數(shù)值位仍然采用逐位變反，然后加1的方法。對(duì)于一個(gè)四位的二進(jìn)制數(shù)來(lái)說(shuō)，變反意味著用一個(gè)最大的四位二進(jìn)制數(shù)來(lái)減此二進(jìn)制數(shù)，Z=0010，Z變反即 11110010=1101；變反加1，可以表示成 11110010+1=100000010=1110。對(duì)于同一個(gè)數(shù)進(jìn)行兩次變反加1，就可表示成：10000(100000010)= 1000010000+0010=0010 由此可知，對(duì)于同一個(gè)數(shù)進(jìn)行兩次變反加1，就可還原原來(lái)的數(shù)，所以補(bǔ)碼還原仍是采用變反加1的方法。4) 移碼是一種機(jī)器數(shù)的表示法。它約定：對(duì)于一個(gè)正數(shù)，用“1”表示它的符號(hào)，后面的數(shù)值部分就是它的二進(jìn)制數(shù)；對(duì)于一個(gè)負(fù)數(shù)，用“0”表示它的符號(hào)，后面的數(shù)值部分就是它的二進(jìn)制數(shù)(即原碼)逐位變反，然后加1 (移碼和補(bǔ)碼在符號(hào)上是相反的)。移碼還原只能先把它變成補(bǔ)碼，再還原。注意：對(duì)于原碼00000和10000都表示十進(jìn)制的“0”，對(duì)于反碼00000和11111都表示十進(jìn)制的“0”，而對(duì)于補(bǔ)碼00000 表示“0” ，而10000表示絕對(duì)值最大的負(fù)數(shù)(16)，同理對(duì)于移碼10000 表示“0” ，而00000表示絕對(duì)值最大的負(fù)數(shù)(16)。注2：對(duì)于原碼，反碼和補(bǔ)碼可以表示整數(shù)也可以表示小數(shù)，而移碼只能表示整數(shù)，移碼只用于浮點(diǎn)數(shù)的階碼表示。第二節(jié) 數(shù)的定點(diǎn)表示及浮點(diǎn)表示1. 定點(diǎn)數(shù)定點(diǎn)數(shù)表示法約定：機(jī)器在運(yùn)算過(guò)程中，所有數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)位置固定不變，小數(shù)點(diǎn)的位置由系統(tǒng)設(shè)計(jì)者指定一個(gè)不變的位置，它不占二進(jìn)制的一位，而是隱含在機(jī)器數(shù)中的某個(gè)位置上。事實(shí)上，不論是定點(diǎn)小數(shù)還是定點(diǎn)整數(shù)都不能直接表示表示：+11．11如果出現(xiàn)此種情況那么 11．11=22*0．1111=22*1111．0此時(shí)用定點(diǎn)數(shù)來(lái)表示數(shù)據(jù)必須另外加入一個(gè)比例因子，以便正確說(shuō)明記錄的數(shù)據(jù)。用定點(diǎn)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算處理的機(jī)器稱定點(diǎn)機(jī)。2. 浮點(diǎn)數(shù)將定點(diǎn)數(shù)所需的比例因子引入數(shù)據(jù)表示中，形成了浮點(diǎn)數(shù)。浮點(diǎn)數(shù)由階數(shù)和尾數(shù)兩部分構(gòu)成。浮點(diǎn)數(shù)的形式如下：N = 177。R177。E * M其中R為階碼的底，可以為16等等，E為階碼，M為尾數(shù)。通常，描述一個(gè)浮點(diǎn)數(shù)需要考慮以下六個(gè)參數(shù)(1) 尾數(shù)值：包括采用什么碼制(原碼、反碼、補(bǔ)碼，常采用原碼或補(bǔ)碼)，采用什么數(shù)制(小數(shù)、整數(shù)，常采用小數(shù))(2) 階值：包括采用什么碼制(補(bǔ)碼、移碼，常采用移碼)，采用什么數(shù)制(一般采用整數(shù))(3) 尾數(shù)的基：尾數(shù)采用二進(jìn)制、四進(jìn)制、8進(jìn)制、16進(jìn)制、10進(jìn)制(4) 階的基：目前采用的只有二進(jìn)制(5) 尾數(shù)的長(zhǎng)度(6) 階的長(zhǎng)度浮點(diǎn)數(shù)的表示形式為：數(shù)符階符階碼數(shù)值(尾數(shù))浮點(diǎn)數(shù)的表示法有很多，我們以以下四種加以說(shuō)明：原碼表示法：階和尾全是原碼；反碼表示法：階和尾全是反碼；補(bǔ)碼表示法：階和尾全是補(bǔ)碼；階移尾補(bǔ)表示法：階為移碼，尾為補(bǔ)碼；在表示浮點(diǎn)數(shù)的時(shí)候，為了充分利用尾數(shù)的有效位數(shù)，提高數(shù)據(jù)精度需要采用規(guī)格化表示，所以約定浮點(diǎn)數(shù)的尾數(shù)的數(shù)值最高位一定是有效的數(shù)據(jù)。對(duì)于原碼表示的浮點(diǎn)數(shù)，尾數(shù)的數(shù)值最高位為1，表示規(guī)格化；對(duì)于反碼、補(bǔ)碼表示的浮點(diǎn)數(shù)，符號(hào)位與尾數(shù)的數(shù)值最高位不一致，表示規(guī)格化。對(duì)于一個(gè)數(shù)V，如果出現(xiàn)VX，我們稱之為(正)上溢；如果出現(xiàn)VZ，我們稱之為(負(fù))上溢；如果出現(xiàn)WVY，我們稱之為下溢；出現(xiàn)上溢現(xiàn)象要進(jìn)行相應(yīng)的溢出處理，出現(xiàn)下溢現(xiàn)象則把結(jié)果直接看做是0 (階、尾數(shù)全0)。當(dāng)浮點(diǎn)數(shù)的位數(shù)越多，它可以表示的范圍就越大。數(shù)據(jù)精度：指一個(gè)數(shù)的有效位數(shù)。定點(diǎn)數(shù)的精度為16，浮點(diǎn)數(shù)為11。而在計(jì)算機(jī)中使用最多的是IEEE754標(biāo)準(zhǔn)。第三節(jié) 定點(diǎn)運(yùn)算1. 原碼，反碼和補(bǔ)碼、移碼的運(yùn)算1) 原碼運(yùn)算：加法：同符號(hào)相加或是異符號(hào)相減，保留符號(hào)，真值相加。減法：異符號(hào)相加或是同符號(hào)相減，符號(hào)與絕對(duì)值大的數(shù)保持一致，真值相減。2) 反碼運(yùn)算：只有加法運(yùn)算，符號(hào)參與運(yùn)算3) 補(bǔ)碼運(yùn)算：只有加法運(yùn)算，符號(hào)參與運(yùn)算4) 移碼運(yùn)算：移碼加減移碼運(yùn)算，然后修正。2. 定點(diǎn)數(shù)運(yùn)算的溢出處理1) 溢出現(xiàn)象。對(duì)于定點(diǎn)數(shù)的加減運(yùn)算來(lái)說(shuō)，實(shí)際上可以分為兩類：同號(hào)加(加)和異號(hào)加(減)。同號(hào)相加的時(shí)會(huì)產(chǎn)生結(jié)果不正確的現(xiàn)象，其原因是由于正確的結(jié)果超過(guò)了數(shù)據(jù)所能夠表示的范圍，故爾稱之為溢出現(xiàn)象，異號(hào)相加是不會(huì)出現(xiàn)溢出現(xiàn)象的。2) 溢出的判別(1) 由于溢出現(xiàn)象只出現(xiàn)在同號(hào)相加，其現(xiàn)象為正加正得負(fù)或是負(fù)加負(fù)得正，也可以表述為：當(dāng)符號(hào)相同的兩個(gè)數(shù)相加時(shí)，如果結(jié)果的符號(hào)與加數(shù)(或被加數(shù))的符號(hào)不同時(shí)，則為溢出。(2) 當(dāng)兩個(gè)數(shù)相加，如果 C CF ，則為溢出。溢出標(biāo)志為 F = C ⊕ CF其中C為數(shù)值位的進(jìn)位，CF為符號(hào)位的進(jìn)位。(3) 采用雙符號(hào)位。即用00表示正數(shù)，用11表示負(fù)數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)01時(shí)是正溢，出現(xiàn)1