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课程：计算机组成原理、操作系统、计算机网络

计算机总线

总线的概述

总线的例子

• USB:通用串行总线(Universal Serial Bus)
  • 提供了对外连接的接口
  • 不同设备可以通过USB接口进行连接
  • 连接的标准，促使外围设备接口的统一
• PCI总线：外置显卡插在此处
• ISA总线
• ThunderBolt总线（苹果电脑的总线）

总线的作用

• 总线是为解决不同设备之间的通信问题
• 没有总线

  

• 有总线

  

总线的分类

片内总线

• 芯片内部的总线
• 可连接寄存器与寄存器、寄存器与控制器、运算器等
• 高集成度芯片内部的信息传输线，大大简化芯片内的电路结构

系统总线

• 连接计算机各种设备的总线

  

数据总线

• 双向传输各个部件的数据信息
• 数据总线的位数（总线宽度）是数据总线的重要参数，一般与CPU位数相同

地址总线

• 指定源数据或目的数据在内存中的地址，如果地址总线位数=n，则寻址范围为0~2^n
• 地址总线的位数与存储单元有关

控制总线

• 控制总线是用来发出各种控制信号的传输线
• 控制信号经由控制总线从一个组件发给另外一个组件
• 控制总线可以监视不同组件之间的状态（就绪/未就绪）

总线的仲裁

为什么需要总线的仲裁？

• 假设主存需要和硬盘、I/O设备交换数据，硬盘和I/O设备均已准备就绪，总线应该由哪个使用，需要仲裁器解决这个矛盾问题，否则会引起设备之间的冲突
• 仲裁器是为了解决总线使用权的冲突问题

总线的仲裁方法

链式查询

• 假设设备2需要使用总线，设备2通过仲裁控制线向仲裁控制器发送总线使用的请求
• 仲裁控制器接收到请求后，发出允许使用的信号
• 信号会通过链式优先进入设备1，如果设备1不需要使用的话，会进入设备2，设备2拿到信号后就可以使用总线
• 如果设备1和设备2均发送使用请求，则会按照链式顺序依次使用总线

链式查询的优缺点

• 好处：电路复杂度低，仲裁方式简单
• 坏处：
  • 优先级低的设备难以获得总线的使用权
  • 对电路的故障敏感

计时器定时查询

• 仲裁控制器对设备编号并使用计数器累计计数
• 接收到仲裁信号后，往所有设备发出当前计数值
• 计数值与设备编号一致则获得总线使用权

独立请求

• 每个设备均有总线独立连接仲裁器
• 设备可单独向仲裁器发送请求和接收请求
• 当同时收到多个请求信号，仲裁器有权按照优先级分配使用权

独立请求的优缺点

• 好处：响应速度快，优先顺序可动态改变
• 坏处：设备连线多，总线控制复杂

计算机的输入输出设备

常见的输入输出设备

字符输入设备：键盘

• 薄膜键盘
• 机械键盘

图形输入设备

• 鼠标
• 数位板：输入板和压感笔，常用于绘图设计创作
• 扫描仪：将图形信息转换为数字信号

图像输出设备

• 显示器
• 打印机
• 投影仪

输入输出接口的通用设计

数据线

• 是I/O设备与主机之间进行数据交换的传送线
• 单向传输数据线
• 双向传输数据线

状态线

• I/O设备状态向主机报告的信号线
• 查询设备是否已经正常连接并就绪
• 查询设备是否已经被占用

命令线

• CPU向设备发送命令的信号线
• 发送读写信号
• 发送启动停止信号

设备选择线

• 主机选择I/O设备进行操作的信号线
• 对连在总线上的设备进行选择

CPU与I/O设备的通信

程序中断

• 当外围I/O设备就绪时，向CPU发出中断信号
• CPU有专门的电路响应中断信号，响应中断不会立即执行，有一定的响应时间
• 程序中断提供低速设备通知CPU的一种异步方式
• CPU可以高速运转同时兼顾低速设备的响应，如果频繁打断CPU，会降低CPU使用效率

DMA(直接存储器访问)

• DMA直接连接主存与I/O设备
• DMA工作时不需要CPU参与

计算机存储器概览

存储器的分类

按存储介质分类

• 半导体存储器
  • 内存
  • U盘
  • 固态硬盘
• 磁存储器
  • 磁带
  • 磁盘

按存取方式分类

• 随机存储器（RAM）
  • 随机读取
  • 与位置无关
• 串行存储器
  • 与位置有关
  • 按顺序查找
• 只读存储器（ROM）
  • 只读不写

存储器的层次结构

• 容量+价格=>位价：每比特位价格

缓存-主存层次

• 原理：局部性原理
  • 局部性原理是指CPU访问存储器时，无论是存取指令还是存取数据，所访问的存储单元都趋于聚集在一个较小的连续区域中

    

• 实现：在CPU与主存之间增加一层速度快（容量小）的Cache
• 目的：解决主存速度不足的问题

主存-辅存层次

• 原理：局部性原理
• 实现：主存之外增加辅助存储器（磁盘、SD卡、U盘等）
• 目的：解决主存容量不足的问题

计算机的主存储器与辅助存储器

主存储器--内存

• RAM(随机存取存储器：Random Access Memory)
• RAM通过电容存储数据，必须隔一段时间刷新一次
• 如果断电，那么一段时间后将丢失所有数据

• 32位系统：最多只能支持4GB内存，因为地址总线只有32位，即2^32 = 4 x 2^30 = 4GB
• 64位系统：最多能支持2^34GB内存，即2^64 = 2^34 x 2^30 = 2^34GB

辅助存储器--磁盘

• 表面是可磁化的硬磁特性材料
• 移动磁头径向运动读取磁道信息

磁盘的调度算法

• 先来先服务算法
• 按顺序访问进程的磁道读写需求

  

• 最短寻道时间算法
  • 与磁头当前的位置有关
  • 优先访问离磁头最近的磁道

    

• 扫描算法（电梯算法）
  • 每次只往一个方向运动
  • 到达一个方向需要服务的尽头再反方向移动

    

• 循环扫描算法

  

计算机的高速缓存

高速缓存的工作原理

• 字：是指存放在一个存储单元中的二进制代码组合
• 字块：存储在连续的存储单元中被看做是一个单元的一组字

主存的存储结构

• 假设一个字有32位

  

字的地址表示：

缓存的存储结构

• 缓存和主存存储的逻辑结构类似
• 缓存的容量较小
• 缓存的速度更快

缓存的性能指标

• 命中率

  

• 访问效率

  

高速缓存的替换策略

• 高速缓存的替换时机，缓存中没有数据，需要从主存载入所需数据

高速缓存的替换策略

• 随机算法
• 先进先出算法（FIFO）
  • 把高速缓存看做是一个先进先出的队列，优先替换最先进入队列的字块
• 最不经常使用算法（LFU）
  • 优先淘汰最不经常使用的字块
  • 需要额外的空间记录字块的使用频率
• 最近最少使用算法（LRU）
  • 优先淘汰一段时间内没有使用的字块
  • 有多种实现方法，一般使用双向链表
  • 把当前访问节点置于链表前面（保证链表头结点是最近使用的）
  • 需要淘汰的话就在链表尾部去掉就好了

计算机的指令系统

机器指令的形式

• 机器指令主要由两部分组成：操作码字段、地址码字段

操作码字段

• 操作码指明指令所要完成的操作
• 操作码的位数反映了机器的操作种类，比如操作码有8位，则最多就有2^8 = 256种操作

地址码字段

• 地址码直接给出操作数或者操作数的地址
• 分三地址指令、二地址指令和一地址指令
  • 三地址指令

    

  • 二地址指令

    

  • 一地址指令

    

  • 零地址指令，在机器指令中无地址码，即空操作、停机操作、中断返回操作等

机器指令的操作类型

数据传输

• 寄存器之间、寄存器与存储单元、存储单元之间传送（存储单元可以是主存，高速缓存或者辅存）
• 数据读写、交换地址数据、清零置一等操作

算术逻辑操作

• 操作数之间的加减乘除运算
• 操作数的与或非等逻辑位运算

移位操作

• 数据左移（乘2）、数据右移（除2）
• 完成数据在算术逻辑单元的必要操作

控制指令

• 等待指令、停机指令、空操作指令、中断指令等

机器指令的寻址方式

指令寻址

• 顺序寻址
• 跳跃寻址

数据寻址

• 立即寻址：指令直接获得操作数，无需访问存储器
• 直接寻址：直接给出操作数在主存的地址，寻找操作数简单，无需计算数据地址
• 间接寻址：指令地址码给出的是操作数地址的地址，需要访问一次或多次主存来获取操作数

三种数据寻址的优缺点

计算机的控制器

程序计数器

• 程序计数器用来存储下一条指令的地址
• CPU会循环从程序计数器中拿出指令
• 当指令被拿出时，指向下一条指令

时序发生器

• 电气工程领域，用于发送时序脉冲
• CPU依据不同的时序脉冲有节奏的进行工作

指令译码器

• 指令译码器是控制器的主要部件之一
• 计算机指令由操作码和地址码组成
• 翻译操作码对应的操作以及控制传输地址码对应的数据

指令寄存器

• 指令寄存器是控制器的主要部件之一
• 缓存从主存或高速缓存取的计算机指令

主存地址寄存器

• 保存当前CPU正要访问的内存单元的地址

主存数据寄存器

• 保存当前CPU正要读或写的主存数据

通用寄存器

• 用于暂时存放或传送数据或指令
• 可保存ALU(算术逻辑单元)的运算中间结果
• 容量比一般专用寄存器要大

计算机的运算器

数据缓冲器

• 分为输入缓冲和输出缓冲
• 输入缓冲暂时存放外设送过来的数据
• 输出缓冲暂时存放送往外设的数据

ALU

• ALU:算术逻辑单元，是运算器的主要组成
• 常见的位运算（左右移，与或非等）
• 算术运算（加减乘除等）

状态字寄存器

• 存放运算状态（条件码、进位、溢出、结果正负等）
• 存放运算控制信息（调试跟踪标记为、允许中断位等）

通用寄存器

• 用于暂时存放或传送数据或指令
• 可保存ALU(算术逻辑单元)的运算中间结果
• 容量比一般专用寄存器要大