【重学计算机】计算机组成原理

迷南。 2023-01-01 03:41 167阅读 0赞

**目录**

一、计算机系统概论

二、数据表示

三、运算方法与运算器

四、存储系统

五、指令系统

六、中央处理器

七、总线

八、输入输出系统

--------------------

## 一、计算机系统概论 ##

**1. 冯诺依曼计算机组成**

*  主机（cpu+内存），外设（输入设备+输出设备+外存），总线（地址总线+数据总线+控制总线）

**2. 计算机层次结构**

*  应用程序-高级语言-汇编语言-操作系统-指令集架构层-微代码层-硬件逻辑层

**3. 计算机性能指标**

*  **非时间指标**
    
     *  【字长】机器一次能处理的二进制位数 ，常见的有32位或64位
     *  【总线宽度】数据总线一次能并行处理的最大信息位数，一般指运算器与存储器之间的数据总线的位数
     *  【主存容量】主存的大小
     *  【存储带宽】单位时间内与主存交换的二进制位数 B/s
 *  **时间指标**
    
     *  【主频f】时钟震荡的频率 Hz；【时钟周期T】时钟震荡一次的时间 t
     *  【外频】cpu与主板之间同步的时钟频率，系统总线的工作频率；【倍频】主频与外频的倍数 =主频/外频
     *  【CPI】clock cycles per instruction，执行一条指令需要的周期数（平均）
     *  【MIPS】million instructions per second，每秒执行的指令总条数 MIPS= f / CPI （忽略单位）

## 二、数据表示 ##

**1. 基本概念**

*  **真值**：+0101，-0100
 *  **机器数**： \[x\]原=0101

**2. 几种机器数**

*  **原码**：x = -0101，\[x\]原 = 1101
 *  **反码**：x = -0101，\[x\]反 = 1010
 *  **补码**：x = -0101，\[x\]补 = 1011
 *  **移码**：x = -0101，\[x\]移 = 2^n + x = 0011

> PS：这里说说对补码与移码自己的理解。补码是为了化减法为加法方便计算机设计运算，移码是为了方便比较大小，用在浮点数的阶码中。
> 
> 补码——**任何一个有模的系统中，减法都可以通过加其补码来表示**。最简单的例子就是以12为模的钟表，比如现在是3点，那么**-5个小时**就等于**+7个小时**，都是10点。这里7就是5的补码。
> 
> 移码——数据对应关系一次挪动一下位置，使得看起来小的数真值也小。比如原本0000表示0，现在表示-128，然后0001表示-127，一直到1111表示+127，这样就方便比较了。

**3. 定点数与浮点数**

**定点数**：小数点固定 x.xxxxxx，表示范围受限，忘掉它吧

**浮点数**：数的范围和精度分别表示。

**一般格式** ：EEEE......EMMM.......M，E部分是**阶码**（数的范围i），M部分是**尾数**（数的精度）。缺点：阶码和尾数位数不固定，太灵活了

**IEEE754格式**：跟我背下来----

32位的是（单精度）：1位符号位S + 8位偏指数E + 23位有效尾数M，偏移值为127。

64位的是（双精度）：1位符号位S + 11位偏指数E + 52位有效尾数M，偏移值为1023。

真值就是（32位为例） N = (-1)^S \* 2^(E-127) \* 1.M

**浮点数的特殊情况**：

E=0,M=0：机器零

E=255,M=0：无穷大，对应于x/0

E=255,M!=0：非数值NaN，对应0/0

ps：附上一份IEEE754文档：[https://files.cnblogs.com/files/flashsun/7542008-2008.pdf][https_files.cnblogs.com_files_flashsun_7542008-2008.pdf]

**4. 数据校验**

*  **基本原理**：增加冗余码
 *  **码距**：合法编码之间不同二进制位数的最小值
 *  **码距与检错、纠错能力**：
    
     *  码距 d>=e+1：检查e个错误
     *  码距 d>=2t+1：纠正t个错误
     *  码距 d>=e+t+1：同时检查e个错误，并纠正t个错误。（e>=t）

PS：这里说下我的理解，增加码距就是增加非法编码的数量，看到非法编码就算**检查出错误了**，而非法编码距离哪个合法编码比较进就认为正确的应该是什么（简单理解，可参考下面的图），也就是可以**纠正错误**。这里看到过一个好的几何理解图，仔细品味下：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2NodWl4dWUyNA_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

举个例子：比如一共有8位，码距为1则检查不出任何错误，因为所有编码都是合法编码。如果码距为2，那合法编码应该像 00000000，00000011，00001100，00001111这样，那如果出现00000001这样的非法编码就出错了，可检查一位错，但如果两位同时错了，则有可能又跳到另一个合法编码上了，就检查不出2位错。

那如果码距是3，那合法编码应该像 00000000，00000111，00111000，00111111 这样，那如果出现一位错 00000001，或者两位错00000011，都是非法编码，都能检查出错误，并且此时可以纠正00000001为00000000，纠正00000011为00000111。但是三位同时错就检查不出了。

**常见校验策略**：奇偶校验，CRC校验，海明校验

ps：海明编码最强视频演示教程：[https://www.youtube.com/watch?v=373FUw-2U2k][https_www.youtube.com_watch_v_373FUw-2U2k]

## 三、运算方法与运算器 ##

**1. 定点数运算及溢出**

**定点数加减法**：减法化加法，用补码直接相加，忽略进位

**溢出**：运算结果超出了某种数据类型的表示范围

**溢出检测方法**：统一思想概括为**正正得负或负负得正则溢出**，正负或负正不可能溢出

**方法1**：V = XYS + XYS（XY为两个加数的符号位，S为结果的符号位，\_表示非），那么V = 1则为溢出

**方法2**：V = C0 ⊕ C1（C0是最高数据位产生的进位，C1是符号位产生的进位），那么V = 1则为溢出

**方法3**：V = Xf1 ⊕ Xf2（数据采用变型补码 Xf1Xf2 X0X1X2X3...  ）

PS：以上方法都是利用正正得负负负得正则溢出为出发点的电路设计

**2. 补码一位乘法——Booth算法**

\[x·y\]补　= \[x\]补·( -y0＋∑ yi2-i )

= \[*x*\]补·\[ - *y*0 + *y*12-1 + *y*22-2 + … + *yn*2-*n*\]

= \[*x*\]补·\[ - *y*0 + (*y*1 - *y*12-1) + (*y*22-1 - *y*22-2) + … + (*yn*2-(*n*\-1) - *yn*2-*n*)\]

= \[*x*\]补·\[(*y*1 - *y*0) + (*y*2 - *y*1) 2-1 + … + (*yn* - *yn*\-1) 2-(*n*\-1) + (0 - *yn*)2-*n*\]

总结起来设计数字电路的规则就是：

*  为00或者为11的时候，直接右移一位
 *  为01的时候，加x的补，然后右移一位
 *  为10的时候，加-x的补，然后右移一位

PS：其实第一行和最后一行都能设计数字电路，为什么要从第一个式子推到最后一个式子呢？原因有两点：

1）二进制中如果有0，可以不进行运算

2）如果有连续的1可以减少计算次数，比如 a \* 001111100 = a \* (010000000 - 0000000100)

所以每次判断 yn+1 - yn就可以减少计算次数了

参考：[https://www.cnblogs.com/xisheng/p/9260861.html][https_www.cnblogs.com_xisheng_p_9260861.html]

**3. 定点数除法** --- 略，没找到好的资料

**4. 浮点数加减法**

**　　**（1）求阶差，阶码小的对齐大的

（2）尾数加减

（3）结果规格化

## 四、存储系统 ##

**1. 存储系统层次结构**

**主存速度缓慢的原因**：主存增速与CPU不同步，执行指令期间多次访问主存

**主存容量不足的原因**：

*  存在制约主存容量的技术因素：如由CPU、主板等相关技术指标规定了主存容量
 *  应用对主存容量需求不断扩大：window98 -- 8M，windows 8 -- 1G

-----> **存储体系结构化层次**：  CPU -- Cache1 -- Cache2（解决速度） -- 主存 -- 辅存（解决容量）

**存储体系结构化层次理论基础**：

*  **时间局部性**：程序体现为循环结构
 *  **空间局部性**：程序体现为顺序结构

**2. 主存中的数据组织**

**存储字长**：主存的一个存储单元所包含的二进制位数，目前大多数计算机主存按字节编址，主要由32为和64位

**数据存储与边界的关系**：

*  按边界对齐的数据存储，未按边界对齐的数据存储
 *  边界对齐与存储地址的关系：（32位为例）

1.  **双字长**边界对齐：起始地址最末三位为000（8字节整数倍）
2.  **单字长**边界对齐：起始地址最末二位为00（4字节整数倍）
3.  **半字长**边界对齐：起始地址最末一位为0（2字节整数倍）

**大端与小端存储方式**：

*  **大端**：最高字节地址是数据地址（0123存成0123）
 *  **小端**：最低字节地址是数据地址（0123存成3210）

**3. 存储器分类**

*  **SRAM存储器**：存取速度快，但集成度低，功耗大，做缓存
 *  **DRAM存储器**：存取速度慢，但集成度高，功耗低，做主存

DRAM刷新方式：集中刷新、分散刷新、异步刷新

**4. 主存容量的扩展**

*  **位扩展法**：8K \* 8位 --> 8K \* 32位
 *  **字扩展法**：8K \* 8位 --> 32K \* 8位
 *  **字位同时扩展法**：8K \* 8位 --> 32K \* 32位

**5. Cache的基本原理**

*  **cache的工作过程**
    
     *  **数据**：cpu与cache交换字，cache与内存交换块
     *  **读**：命中，不命中
     *  **写**：写穿策略，写回策略
 *  **写策略**
    
     *  **写穿策略**（write through）：同时写缓存和内存，好像**穿过缓存**一样。若不命中，先写到主存中，并选择性地同时分配到缓存中（写分配/非写分配）
     *  **写回策略**（write back）：写到缓存后不管了，只有当缓存的内容替换回主存时再管，需有脏位。好像**隔段时间后再写回**到主存中一样
 *  **地址映射机制**
    
     *  **相联存储器**：地址本身包含着位置啊可比较的信息啊等内容信息，可根据区分地址内容进行寻址
     *  **主存地址** = 块地址 + 块内偏移地址 = （Tag + Index） + 块内偏移地址
     *  **cache结构**
        
         *  好多行，每行与主存块大小相等
         *  每行 = tag + data + valid + dirty
     *  **三种映射方式**
        
         *  **全相联：**cache行号 = random（内存块号）
         *  **直接相联：**cache行号 = 内存块号 % cache行数
         *  **组相联：**两者结合。8行1路组相联就是全相联，8行8路组相联就是直接相联
 *  **替换算法**
    
     *  先进先出法-FIFO
     *  最近最不经常使用法-LFU
     *  近期最少使用法-LRU
     *  随机替换法

**6. 虚拟存储器**

*  **解决问题**：主存容量不足。希望向程序员提供更大（比主存大）的编程空间
 *  **分类**：页式，段式，段页式
 *  **页式实现方式**：MMU（Memory Management Unit） + 页表 + TLB（Transaction Lookaside Buffer：地址转换后备缓冲器）
 *  **页式转换过程**：虚拟地址 = 虚拟页号 + 页内偏移 ==> 物理页号 + 页内偏移

**7. RAID**

*   *  **概念**：独立磁盘构成的具有冗余能力的阵列（Redundant Arrays Independent Disks）
     *  **核心技术**：使用异或运算恢复数据 （x⊕y = z  --> x = y⊕z）
     *  **分类**：
        
         *  **RAID0**：条带均匀分布
            
            <table> 
             <tbody> 
              <tr> 
               <td>磁盘0</td> 
               <td>磁盘1</td> 
               <td>磁盘2</td> 
               <td>磁盘3</td> 
              </tr> 
              <tr> 
               <td>D0</td> 
               <td>D1</td> 
               <td>D2</td> 
               <td>D3</td> 
              </tr> 
              <tr> 
               <td>D4</td> 
               <td>D5</td> 
               <td>D6</td> 
               <td>D7</td> 
              </tr> 
              <tr> 
               <td>D8</td> 
               <td>D9</td> 
               <td>D10</td> 
               <td>D11</td> 
              </tr> 
             </tbody> 
            </table>
         *  **RAID1**：以镜像为冗余方式
            
            <table> 
             <tbody> 
              <tr> 
               <td>磁盘0</td> 
               <td>磁盘1</td> 
              </tr> 
              <tr> 
               <td>D0</td> 
               <td>D0</td> 
              </tr> 
              <tr> 
               <td>D1</td> 
               <td>D1</td> 
              </tr> 
              <tr> 
               <td>D2</td> 
               <td>D2</td> 
              </tr> 
             </tbody> 
            </table>
         *  **RAID3/4**：有校验盘
            
            <table> 
             <tbody> 
              <tr> 
               <td>磁盘0</td> 
               <td>磁盘1</td> 
               <td>磁盘2</td> 
               <td>校验磁盘</td> 
              </tr> 
              <tr> 
               <td>D0</td> 
               <td>D1</td> 
               <td>D2</td> 
               <td>P0</td> 
              </tr> 
              <tr> 
               <td>D3</td> 
               <td>D4</td> 
               <td>D5</td> 
               <td>P1</td> 
              </tr> 
              <tr> 
               <td>D6</td> 
               <td>D7</td> 
               <td>D8</td> 
               <td>P2</td> 
              </tr> 
             </tbody> 
            </table>
         *  **RAID5**：校验信息分布式
            
            <table> 
             <tbody> 
              <tr> 
               <td>磁盘0</td> 
               <td>磁盘1</td> 
               <td>磁盘2</td> 
               <td>磁盘3</td> 
              </tr> 
              <tr> 
               <td>D0</td> 
               <td>D1</td> 
               <td>D2</td> 
               <td>P0</td> 
              </tr> 
              <tr> 
               <td>D3</td> 
               <td>D4</td> 
               <td>P1</td> 
               <td>P5</td> 
              </tr> 
              <tr> 
               <td>D6</td> 
               <td>P2</td> 
               <td>D7</td> 
               <td>D8</td> 
              </tr> 
              <tr> 
               <td>P3</td> 
               <td>D9</td> 
               <td>D10</td> 
               <td>D11</td> 
              </tr> 
             </tbody> 
            </table>
         *  **RAID10/01**：10是先镜像再条带化，01是先条带化再镜像
         *  **RAID50**：先RAID5，再条带化

## 五、指令系统 ##

**1. 指令系统基本概念**

*  **指令集**：一台机器所有指令的集合。**系列机**（同一公司不同时期生产）；**兼容机**（不同公司生产）
 *  **指令字长**：指令中包含的二进制位数，有**等长指令**、**变长指令**。
 *  **指令分类**
    
     *  **根据层次结构**：高级、汇编、机器、微指令
     *  **根据地址码字段个数**：零、一、二、三地址指令
     *  **根据操作数物理位置**
        
         *  存储器-存储器（SS）
         *  寄存器-寄存器（RR）
         *  寄存器-存储器（RS）
     *  **根据指令功能**：传送、算术运算、位运算、控制转移
 *  **指令格式**：操作码+数据源+寻址方式

**2. 寻址方式**

*  **指令寻址方式：**顺序寻址，跳跃寻址
 *  **操作数寻址方式**：
    
     *  **立即数寻址**：地址码字段是操作数本身 MOV AX, 200H
     *  **寄存器寻址**：地址码字段是寄存器地址 MOV AX, BX
     *  **直接寻址**：地址码字段是内存地址 MOV AX, \[200H\]
     *  **间接寻址**：地址码字段是内存地址的地址 MOV AX, I\[200H\]
     *  **寄存器间接寻址**：地址码字段是存内存地址的寄存器地址 MOV AX, \[BX\]
     *  **相对寻址**：操作数地址 + 当前PC的值
     *  **基址寻址**：操作数地址 + 基址寄存器的值（一段程序中不变） MOV AX, 32\[B\]
     *  **变址寻址**：操作数地址 + 变址寄存器的值（随程序不断变化） MOV AX, 32\[SI\]

**3. MIPS**

*  **三种指令格式**
    
     *  **R型指令：**
        
        <table> 
         <tbody> 
          <tr> 
           <td>6bits</td> 
           <td>5bits</td> 
           <td>5bits</td> 
           <td>5bits</td> 
           <td>5bits</td> 
           <td>6bits</td> 
          </tr> 
          <tr> 
           <td>000000</td> 
           <td>Rs</td> 
           <td>Rt</td> 
           <td>Rd</td> 
           <td>shamt</td> 
           <td>funct</td> 
          </tr> 
         </tbody> 
        </table>
     *  **I型指令：**
        
        <table> 
         <tbody> 
          <tr> 
           <td>6bits</td> 
           <td>5bits</td> 
           <td>5bits</td> 
           <td>16bits</td> 
          </tr> 
          <tr> 
           <td>OP</td> 
           <td>Rs</td> 
           <td>Rt</td> 
           <td>立即数</td> 
          </tr> 
         </tbody> 
        </table>
     *  **J型指令：**
        
        <table> 
         <tbody> 
          <tr> 
           <td>6bits</td> 
           <td>26bits</td> 
          </tr> 
          <tr> 
           <td>OP</td> 
           <td>立即数</td> 
          </tr> 
         </tbody> 
        </table>

## 六、中央处理器 ##

**1. CPU的组成与功能**

![6cbc21c0e20550b09d8637e3d262b6b4.png][]

**2. 数据通路**

*  **概念**：执行部件间传送信息的路径，分共享通路（总线）和专用通路
 *  **抽象模型**：时钟驱动下，A --> 组合逻辑 --> B
 *  **D触发器定时模型**：
    
     *  时钟触发前要稳定一段时间：建立时间（Setup Time）
     *  时钟触发后要稳定一段时间：保持时间（Hold Time）
     *  时钟触发到输出稳定的时间：触发器延迟（Clk\_to\_Q）
     *  **与时钟周期的关系**：
        
         *  时钟周期 > Clk\_to\_Q + 关键路径时延 + Setup Time
         *  Clk\_to\_Q + 最短路径时延 > Hold Time

**3. 指令周期**

*   **指令执行的一般流程**

![bb6b7dea350e4013b460ee899c7ae140.png][]

*  **基本概念** 
    
     *  **时钟周期** = 节拍脉冲 = 震荡周期
     *  **机器周期** = CPU周期 = 从主存读取一条指令的最短时间
     *  **指令周期** = 从主存读指令并执行指令的时间

![a5afdacb098b52d4f1c81185eea54dd6.png][]

*  **指令时间控制**：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td><strong>机器周期数</strong></td> 
   <td><strong>节拍数</strong></td> 
   <td><strong>同步方式</strong></td> 
   <td><strong>实践</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>定长指令周期</strong></td> 
   <td>不变</td> 
   <td>不变</td> 
   <td>按机器周期</td> 
   <td>mips单周期</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>变长指令周期</strong></td> 
   <td>变</td> 
   <td>变</td> 
   <td>按时钟周期</td> 
   <td>mips多周期</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

![81504e431581a2bb5c08410978fcf5ce.png][]

**4. CPU设计**

**　　**略，详情请参见[《自制CPU系列》][CPU]

## 七、总线 ##

**1. 系统总线的特性及应用**

*  **总线概念**：将计算机系统中各部件连接起来
 *  **总线分类**：（外部/内部，系统/非系统，串行/并行，同步/异步...）
    
     *  **按用途分类**：
        
         *  **存储总线**：cpu与存储器
         *  **系统总线**：连接存储总线和IO总线的中间总线
         *  **IO总线**：连接外部设备
     *  **按位置分类**：
        
         *  **外部总线**：USB，火线（IEEE1394）
         *  **内部总线**：PCI（连网卡），AGB（连显卡）
         *  （芯）**片内总线**：AMBA（ARM处理器）
     *  **按组成分类**
        
         *  **数据总线**：传数据，双向三态
         *  **地址总线**：传地址，单向三态
         *  **控制总线**：控制信号和时序信号
         *  **电源线和地线**：略

**2. 总线性能和总线事物**

*  **总线的性能参数**
    
     *  **总线频率**：总线工作速率f，单位是MHz
     *  **总线宽度**：数据总线的宽度w，单位是bit
     *  **总线传输速率**：总线传输数据量BW，单位是MB/s。BW = w / 8 \* f
 *  **总线事务**
    
     *  **概念**：从请求总线到完成使用的操作序列（请求 - 裁决 - 地址传输 - 数据传输 - 总线释放）
     *  **角色**：主设备（CPU，DMA）和从设备
     *  **四个阶段**：请求与仲裁 - 传输 - 寻址 - 结束
     *  **常见总线操作**：读，写，读修改写，写后读，块操作

**3. 总线连接方式**

*  **单总线结构**

![9f50cf56bfd2488a19a0ffc1e55d23fd.png][]

*  **双总线结构**

![8757a411eab4923e8034b094c7ab1182.png][]

*  **多总线结构**

![82584f07e1976ca153711cdce235bb90.png][]

*  **总线桥**：不同速率总线之间的连接，起速度缓冲、电平转换、控制协议转换的作用
    
     *  多级总线结构（南北桥）

![449fa443e7fee9f592c3b859c110521c.png][]

*   *  单总线结构

![d26b09606eaa40c0cf51215319a2060f.png][]

*  **总线结构对系统性能的影响**

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>&nbsp;</td> 
   <td><strong>多总线</strong></td> 
   <td><strong>单总线</strong></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>对最大存储容量</strong></td> 
   <td>不影响</td> 
   <td>因要与io共享内存，影响</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>对指令系统</strong></td> 
   <td>增加IO指令</td> 
   <td>无IO指令</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td><strong>对吞吐量</strong></td> 
   <td>大</td> 
   <td>小</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**4. 总线仲裁和数据传输方式**

*  **菊花链式串行总线仲裁**：简单，只要有一个主设备占用总线，其他就占不了
 *  **集中式并行总线仲裁**：
    
     *  **固定优先级策略**：优先级高的主设备，总会优先控制总线权
     *  **轮叫式策略**：皇帝轮流做
     *  **LRG策略**：最近获得控制权的，再获得控制权的优先级高（经常用的就更容易获得总线控制权）

**5. 总线标准**

*   *  **概念**：计算机各部件之间利用总线传输信息应遵守的协议和规范，包括硬件和软件两部分
     *  **常见的总线标准**
        
         *  **机箱内部总线：**
            
             *  **ISA - EISA - VESA**
                
                 *  **ISA（Industrial Standard Architecture）**：最早指定的总线技术标准，总线宽度8/16位，频率5-8MHz，带宽5-8MB/s
                 *  **EISA**：宽度变成32位
                 *  **VESA**：宽度变成64位
             *  **PCI（PCIe） - AGP**
                
                 *  主要用于系统总线和IO总线，取代ISA
                 *  地址总线和数据总线分时复用，支持即插即用（自动寻找驱动程序）
                 *  32/64位，133/264MB/s
         *  **机箱外部总线：**
            
             *  USB等...

## 八、输入输出系统 ##

**1. 输入输出系统概述**

*  **组成**：外设、接口、总线、管理软件
 *  **基本功能**
    
     *  完成计算机内外的信息传递
     *  保证CPU正确选择输出设备
     *  利用缓冲等，实现主机与外设的速度匹配
 *  **特点：**异步性、实时性、设备无关性
 *  **输入过程：**CPU把地址值放入总线 --> CPU等候设备数据有效 --> CPU从总线读入数据存入寄存器
 *  **输出过程：**CPU把地址值放入总线 --> CPU把数据值放入总线 --> 设备等数据有效取走数据
 *  **IO系统性能**：存储IO、通信IO
    
     *  **连接特性**：哪些设备可以和IO相连
     *  **IO系统容量**：IO系统可以容纳的设备数
     *  **响应时间**：从用户输入命令到得到结果所花的时间（s）
     *  **吞吐率**：单位时间完成的IO操作次数（用IOP表示）

**2. 输入输出方式**

*  **无条件IO方式**：执行IO指令时，CPU默认外设已经准备就绪，外设很难满足这一点
 *  **程序控制IO方式**：执行IO指令时，先获取设备状态（设备状态寄存器），决定下一步操作（程序决定）
    
     *  数据要经过CPU，CPU还要浪费大量时间查询设备状态
 *  **中断IO方式**：外设主动通知CPU接收或输出数据，有实时性
 *  **DMA方式**：由硬件执行IO，外设准备好后通知DMA，DMA接管总线，完成数据交换
    
     *  既有中断的优点，又降低了服务的开销
 *  **通道和IO处理机方式**：外设种类很多速度差别很大，将外设管理工作从CPU总分离出来
    
     *  通道本身就是个简单的CPU，执行IO指令的处理机
     *  IO处理机是通道的进一步发展，更像一个CPU了

**3. 中断请求与响应**

*  **概念**：CPU由内部外部事件引起CPU中断正在运行的程序，具有随机性（符合输入输出系统特性）
 *  **作用**：主机与外设并行；故障处理；实时处理
 *  **类型**：
    
     *  **内部中断**（软件、异常）
     *  **外部中断**（可屏蔽中断INTR、不可屏蔽中断NMI）
 *  **基本功能**：
    
     *  **中断信号的保持与清除**：通过寄存器存起来，处理完清零
     *  **中断优先级**：硬件响应优先序、软件服务优先序（中断服务程序开头，设置自己的中断屏蔽位）
     *  **中断源识别**：系统分配给每个中断源的代号（中断号），中断号获取可以用硬件或软件方式
     *  **中断处理**：
        
         *  **响应**：每执行完一条指令，就会判断是否有中断请求
         *  **处理**：保存断点（返回地址）、执行中断程序、返回断点
     *  **中断控制**：
        
         *  **中断触发方式**：指外设以什么逻辑信号去申请中断（边沿触发、电平触发）
         *  **中断排队方式**：按优先级、循环轮流排队
         *  **中断嵌套**：中断正在执行的中断程序，不可屏蔽中断不能嵌套
         *  **中断屏蔽**：处理器内部有个触发器，“1”时才会响应外部中断

![3d40fdc8c1f3d235ed4a137a0605ed19.png][]

**4. DMA方式**

*  **原理**：数据传送不经过CPU，由DMA控制器实现内存和外设、外设和外设之间的直接快速传递
 *  **系统构成**：
    
     *  **DMA作为主设备之一**
     *  ![b93192ae6e608b74ea57a46fa0de8c83.png][]
     *  **DMA与IO接口集成**
     *  ![92f6354201450e7ba4abd72f653e3951.png][]
     *  **DMA提供专门IO总线**
     *  ![cdb5c896a5797ecbdfbf7f33123e4983.png][]
 *  **DMA的两种工作状态**：被动态（未获得总线控制权，受CPU控制）、主动态（获得总线控制权）
 *  **传输步骤**：
    
     *  **申请**：一个设备接口试图通过总线向另一个设备发送数据，先向CPU发送DMA信号
     *  **响应**：CPU收到DMA信号，当前总线周期结束后，按DMA信号优先级响应相应的DMA控制器
     *  **数据传送**：DMA收到CPU响应，获得总线控制权，开始直接数据传送
     *  **传送结束**：设备向CPU发送DMA结束信号，交换总线控制权
 *  **DMA操作类型**：
    
     *  **数据传送**：源地址数据传到目的地址
     *  **数据校验**：不传输，只校验某数据块内部的每个字节
     *  **数据检索**：不传输，只在制定内存区域内查找某个关键字或某几个数据位是否存在
 *  **DMA操作方式**：
    
     *  **单字节传输模式**：每次DMA操作传送一个字节
     *  **块传输模式**：每次传送多个字节，有个当前字节计数器，+1 +1 +1
     *  **请求传输模式**：DMA控制器询问外设，当外设请求信号无效时，暂停传输（不释放总线）；再次有效再继续传输
     *  **级联传输模式**：多个DMA级联，分布式
 *  **DMA传输模式**：
    
     *  **停止CPU访问内存**：传输速率高的设备传输时有优势
     *  **周期挪用**：DMA挪用一个或几个内存周期。若此时CPU不需要访存则不冲突，若冲突则DMA优先
     *  **DMA与CPU交替访存**：直接交替访存，不需要浪费时间

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