【正文】 結(jié)構(gòu) 圖 26 USB總線接口連接外設(shè)結(jié)構(gòu)示意圖 R ou t eHUBF un c t i onHUBF un c t i onHUBPCF un c t i on F un c t i onF un c t i onHUBF un c t i onHUB鍵盤鼠標(biāo)器 游 戲 操 作 桿打印機(jī) 外設(shè)揚聲器調(diào) 制 解 調(diào) 器 電話機(jī)外設(shè) 外設(shè)掃描儀第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 4) SCSI(Small Computer System Interface)總線 SCSI(小型計算機(jī)系統(tǒng)接口 )是計算機(jī)和外設(shè)之間的系統(tǒng)總線標(biāo)準(zhǔn) ， 它是一個通用接口 。 為了實現(xiàn)外圍設(shè)備的統(tǒng)一接口和標(biāo)準(zhǔn)插座， USB被設(shè)計為樹狀連接。該總線的通信速率可達(dá) 12 Mb/s，比傳統(tǒng)的串行通信接口速度高得多。 2) PCI(Peripheral Component Interconnect)總線 PCI總線是外圍部件互連總線，是高性能局部總線，它把高度集成的外圍設(shè)備控制部件和插接卡連接到處理器/存儲器系統(tǒng)上去，可以從 32位升級到 64位，支持多處理器和并發(fā)工作。 第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3. 總線標(biāo)準(zhǔn) 在多媒體計算機(jī)中 ， 普遍采用的總線有 ISA、 PCI、USB、 SCSI和 AGP等總線標(biāo)準(zhǔn) ， 下面分別說明 。 (3) ISA總線控制邏輯通過主板上的片級總線 (X總線 )與時鐘 /日歷 、 ROM BIOS、 鍵盤以及鼠標(biāo)控制器相連 。 (1) ISA總線與低速 I/O設(shè)備連接 。 第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2) PCI總線 (Peripheral Component Interconnect， 外圍部件互連 ) PCI總線的功能如下： (1) 連接高速 I/O設(shè)備模塊 ， 如圖形顯示適配器 、 網(wǎng)絡(luò)接口控制器和硬盤控制器； (2) 上面通過 “ 橋 ” 芯片 (北橋 )與更高速的 CPU總線相連 ， 下面通過 “ 橋 ” 芯片 (南橋 )與較低速的 ISA總線相連； (3) PCI總線采用集中式總線仲裁方式 ， 有專用總線仲裁器； (4) 共有負(fù)載 10個，連接主板芯片算一個負(fù)載，每個PCI擴(kuò)充槽算兩個負(fù)載。 第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 25 Pentium PC總線結(jié)構(gòu)示意圖 P e nt i umC P U芯片可選P C I 總線到 I S A 總線橋芯片與D M A 邏輯中斷電池I S A 總線C P U 總線仲裁P C I 總線62 腳( 長槽 )主存與 C a c he控制器二級 C a c he( 256/ 512 K B )主存 ( D R A M )(4 ～ 128 M B )C P U 總線到P C I 總線芯片C P U 總線P C I 擴(kuò)展槽北橋南橋R O M B I O S( 64/ 128 K B )實時鐘 / 日歷C O M S R A M8402M P U鍵盤鼠標(biāo)控制器鼠標(biāo)鍵盤36 腳( 短槽 )I S A 擴(kuò)展槽120 腳第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1) CPU總線 CPU總線是 64位數(shù)據(jù)線 、 32位地址線的同步總線 ，時鐘頻率為 MHz， 處理器內(nèi)部時鐘是該頻率的倍頻 。 Pentium PC三層多總線結(jié)構(gòu)可分為 CPU總線、 PCI總線和 ISA總線，如圖 25所示。 由于系統(tǒng)總線是在爭用基礎(chǔ)上工作的 ， 當(dāng)總線上連接的模塊太多時 ， 將使總線的通信速度降低 ， 因此 ， 大多數(shù)高檔微機(jī)都采用了多層總線結(jié)構(gòu) 。 指令周期：從取指令開始執(zhí)行至該指令執(zhí)行完畢的時間稱指令周期。 總線周期：指 CPU對存儲器或 I/O端口完成一次讀 /寫操作的時間 ， 也叫機(jī)器周期 ， 一般由兩個或更多機(jī)器周期組成 。 第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3) 總線分組 總線可分三組 ， 即地址線 (AB)， 8位 16位或 32位；數(shù)據(jù)線 (DB)， 16位 、 32位或 64位；控制總線 (CB)， 一般為 16位 。 (3) 數(shù)據(jù)交換階段：主設(shè)備與從設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 。 (1) 總線請求和判決階段：提出使用總線的設(shè)備 (或模塊 )稱為主設(shè)備 (模塊 )， 由總線使用判決機(jī)構(gòu)確定把下一個總線周期分配給優(yōu)先級高的請求源 。 第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2) 總線周期 總線上主從設(shè)備 (或模塊 )之間完成一次信息交換的時間稱為總線操作周期或傳輸周期 。 局部總線是指 CPU內(nèi)部或與存儲器之間交換信息的總線；擴(kuò)展總線則是指 CPU、 存儲器與各類 I/O設(shè)備之間互相連接交換信息的總線 ， 也稱系統(tǒng)總線或 I/O總線 。 第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 總線與接口 總線 1. 總線的基本概念 1) 總線 計算機(jī)總線是連接計算機(jī)內(nèi)各個部件的一組物理信號線 ， 也是計算機(jī)與外部設(shè)備之間傳遞信息的公用通道 。操作系統(tǒng)通過輔助硬件在主存 M和外存中按段、頁或段頁式進(jìn)行調(diào)度管理。 如果 CPU在 Cache中未能獲得所需的程序塊 ， 則主存一邊將相關(guān)的指令和數(shù)據(jù)直接送 CPU運行 ， 一邊按塊傳送Cache， 以供下次 CPU可以在 Cache中直接存取指令和數(shù)據(jù) 。時間局部性是指最近的未來要用到的信息很可能是現(xiàn)正在使用的信息，這主要是程序循環(huán)造成的； 第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 空間局部性是指最近的未來要用到的信息很可能與現(xiàn)在正在使用的信息在程序的空間上是相鄰或相近的，這主要是由于指令通常是順序執(zhí)行的，以及數(shù)據(jù)一般是以向量、陣列、樹形、表格等形式簇聚存儲的，這說明運行程序未來被訪問信息的地址在某種程度上是可以預(yù)測的。在程序運行過程中，為使存儲體系有效工作， CPU總是先在高速緩沖中查尋所需的程序塊。外存儲器作為主存 M的大容量后緩存儲器，使得主存的虛擬容量大大擴(kuò)充，但價格要比內(nèi)存低得多。 第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 24 存儲體系 C P UC a ch eM外存第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 存儲體系由高速緩存 Cache、主存 M和大容量外存儲器組成。 存儲器管理 1. 存儲體系 在價格合理的情況下 ， 高速 、 大容量存儲器無法只靠使用單一種類的存儲器件來實現(xiàn) 。 (2) RAM(Random Access Memory)隨機(jī)存儲器：是計算機(jī)的主存儲器 ， RAM又可分為： 第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) ˙動態(tài) RAM：存儲單元電路以電容為基礎(chǔ) ， 電路簡單 、集成度高 、 功耗小 ， 但必須定時刷新； ˙靜態(tài) RAM：存儲單元電路以雙穩(wěn)態(tài)電路為基礎(chǔ) ， 狀態(tài)穩(wěn)定 ， 只要不掉電 ， 信息不會丟失 。 第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 存儲器 內(nèi)存儲器 內(nèi)存是計算機(jī)的主存儲器 ， 它的速度較高 、 容量有限 、 價格較高 。 第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3) Chromatic Research公司的 Mpact Media Engine Mpact芯片類似于通用 DSP，但實際上是一個專用微處理器。 第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 1) MicroUnity公司的 Media Processor MicroUnity芯片有一個 CISC、 RISC和 DSP技術(shù)結(jié)合的可編程微處理器 ， 它具有優(yōu)化的多媒體和寬帶通信功能 ，時鐘頻率為 300～ 1000 MHz， 帶有信號處理和增強(qiáng)數(shù)字運算能力的 22位指令集；有 1 G b / s I / O 接口的可選MediaBridge高速緩存 ， 與 PCI總線和主存儲器 DRAM連接；還有一個 MediaCodec I/O芯片 ， 它是一個 A/D轉(zhuǎn)換器 ， 提供與寬帶網(wǎng)絡(luò)的接口 ， 大大增強(qiáng)了芯片的通信功能 。 2. 媒體處理器 目前，媒體處理器與通用的 CPU結(jié)合，擴(kuò)展了 CPU的多媒體處理和通信功能。 第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 3) 擴(kuò)充了 57條 MMX指令 這些新增指令包括算術(shù)運算指令 、 比較運算指令 、轉(zhuǎn)換運算指令 、 邏輯運算指令 、 轉(zhuǎn)移運算指令 、 數(shù)據(jù)運算指令 、 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移指令和 MMX TM狀態(tài)置空 (EMMS)指令 。 2) 擴(kuò)充的飽和運算方式 這種運算方式在加減運算指令運算結(jié)果達(dá)到某個值時就不再增加 ， 而保持在這個數(shù)值 。 (4) 四字類型：一個 64位數(shù)據(jù) 。 (2) 緊縮字組類型： 4個 16位字組成的 64位數(shù)據(jù) 。 1) 增加了新的數(shù)據(jù)類型 為了提高音頻信號處理 (8位或 16位字長 )、 彩色圖像處理 (R、 G、 B各 8位字長 )的處理速度 ， MMX技術(shù)定義了3種緊縮型的數(shù)據(jù)類型和 1個 64位字長的類型 ， 它們都是定點整數(shù) 。MMX技術(shù)提供了面向多媒體和通信功能的新特性 ， 同時保持了全部原 Intel系列的體系結(jié)構(gòu) ， 以保證微處理器 、 操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序的向下兼容性 。 這種所謂的多媒體處理器通常是CPU和 DSP(數(shù)字信號處理器 )的混合 ， 它同時把 RISC(精簡指令系統(tǒng)計算機(jī) )、 CISC(復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(jī) )和 DSP技術(shù)綜合在一起 。其設(shè)計原則是： 第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (1) 采用國際標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計原則； (2) 將多媒體和通信功能集中解決； (3) 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和算法相結(jié)合； (4) 把多媒體和通信功能集成到 CPU中去 。有人預(yù)測 ， 未來的個人計算機(jī)將只有三個主要元件 ， 即存儲模塊 、 CPU及一枚執(zhí)行復(fù)雜 I/O處理的芯片 。 第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 多媒體處理器 過去 ， 在計算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮較多的是計算功能 。 ˙PentiumⅡ 是將 Pentium pro和 MMX集成為一體 ，且將一級緩存增加至 16 KB指令 Cache和 16 KB數(shù)據(jù)Cache(總計 32 KB)。當(dāng)然，多處理器系統(tǒng)是一個單指令流多數(shù)據(jù)流計算機(jī)，也是可以支持并行計算的，但它是程序控制順序執(zhí)行，即只有一個控制器，指令順序執(zhí)行，但有多個處理單元，它們并行從(多體 )存儲器取回數(shù)據(jù)，并行計算。 數(shù)據(jù)流計算機(jī)是在數(shù)據(jù)的可用性控制下并行執(zhí)行的 ， 即當(dāng)且僅當(dāng)指令所需要的數(shù)據(jù)可用時 ， 該指令即可執(zhí)行；任何操作都是純函數(shù)操作 。 馮 “ 亂序執(zhí)行 ” 本質(zhì)上就是數(shù)據(jù)流驅(qū)動計算機(jī) ， 它的工作原理與傳統(tǒng)的馮 (4) 采用 3條超標(biāo)量流水線設(shè)計技術(shù) (Pentium只有兩條超標(biāo)量流水線 )， 使 Pentium pro在同一個時鐘周期內(nèi)可以處理 3條指令 。 第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) (3) 具有兩條 64位的數(shù)據(jù)總線 ， 其中一條與內(nèi)存的256 KB二級 Cache相連 ， 稱為后臺總線；另一條對外總線輸出 ， 可與動態(tài) RAM或其他 64位 I/O設(shè)備相連 ， 稱為前臺總線 。 它們的主要性能如下： (1) 64位數(shù)據(jù)總線 ， 32位地址線 ， 尋址 4096 MB(4 GB)。 第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 8. 增強(qiáng)的 64位總線 原 486是 32位數(shù)據(jù)總線 ， 而高檔微機(jī)是 64位總線和32位地址總線 。 (2) 功能冗余校驗：使用兩片 Pentium同時運行 。若預(yù)測到不需進(jìn)行分支轉(zhuǎn)移，預(yù)取就會連續(xù)直線進(jìn)行；若預(yù)測到分支轉(zhuǎn)移，則另一個預(yù)取緩沖寄存器就被允許開始預(yù)取工作，就如同出現(xiàn)了分支轉(zhuǎn)移一樣進(jìn)行預(yù)取。 在 Pentium芯片內(nèi)設(shè)置了兩個指令預(yù)取緩沖寄存器，其中一個以線性順序方式預(yù)取指令代碼。 分支的概率可以統(tǒng)計得出 。 因為后續(xù)指令 i+1和 i+2已經(jīng)進(jìn)入流水線 ， 轉(zhuǎn)移不成功時 ， 流水線會繼續(xù)自然流動 ， 不受影響 。解決這個問題時 ， 可以采用預(yù)測判斷來減小流水線的損失 。 但若這時讓后續(xù)指令等待 ， 就會造成 “ 斷流 ” 。 第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖 23 轉(zhuǎn)移指令的流水執(zhí)行 i ＋ 1轉(zhuǎn) 移 不 成 功 路 徑( 預(yù) 測 路 徑 )i ＋ 2 i ＋ 3 i ＋ 4 i ＋ 5p p ＋ 1 p ＋ 2 p ＋ 3 p ＋ 4轉(zhuǎn) 移 成 功 路 徑ii － 1i － 2第 2章 多媒體計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 流水線方式是指 “ 同時 ” (并發(fā) )解釋多條指令 。 若條件碼成立 ， 程序轉(zhuǎn)移 ， 則順序進(jìn)入流水線的后續(xù)指令將 “ 白費 ” 工作 ， 而需重新取出新的目標(biāo)指令去進(jìn)行分析執(zhí)行 ， 這將造成流水線的斷流 ， 嚴(yán)重影響流水線的速度 。 5. 轉(zhuǎn)移預(yù)測判斷 當(dāng)進(jìn)入流水線的指令是轉(zhuǎn)移指令時 ， 只有指令執(zhí)行到