计算机系统结构 第4章 输入输出系统

《计算机组成原理》唐朔飞第⼆版_笔记第1章概论1，计算机系统的软硬件概念1）硬件：计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电⼦元器件，各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外部设备等。

2）软件：由⼈们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成，分为系统软件和应⽤软件。

①系统软件⼜称为系统程序，主要⽤来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理的调度，⾼效运⾏。

它包括：标准程序库、语⾔处理程序（编译程序）、操作系统、、服务程序（如诊断、调试、连接程序）、数据库管理系统、⽹络软件等。

②应⽤软件⼜称应⽤程序，它是⽤户根据任务需要所编制的各种程序，如科学计算程序、数据处理程序、过程控制程序、实物管理程序。

2、计算机系统的层次结构：1）硬联逻辑级：第零级是硬联逻辑级，这是计算机的内核，由门，触发器等逻辑电路组成。

2）微程序级：第⼀级是微程序级。

这级的机器语⾔是微指令集，程序员⽤微指令编写的微程序，⼀般是直接由硬件执⾏的。

3）传统机器级：第⼆级是传统机器级，这级的机器语⾔是该机的指令集，程序员⽤机器指令编写的程序可以由微程序进⾏解释。

操作4）系统级：第三级是操作系统级，从操作系统的基本功能来看，⼀⽅⾯它要直接管理传统机器中的软硬件资源，另⼀⽅⾯它⼜是传统机器的延伸。

5）汇编语⾔级：第四级是汇编语⾔级，这级的机器语⾔是汇编语⾔，完成汇编语⾔翻译的程序叫做汇编程序。

6）⾼级语⾔级：第五级是⾼级语⾔级，这级的机器语⾔就是各种⾼级语⾔，通常⽤编译程序来完成⾼级语⾔翻译的⼯作。

7）应⽤语⾔级：第六级是应⽤语⾔级，这⼀级是为了使计算机满⾜某种⽤途⽽专门设计的，因此这⼀级语⾔就是各种⾯向问题的应⽤语⾔。

把计算机系统按功能分为多级层次结构，就是有利于正确理解计算机系统的⼯作过程，明确软件，硬件在计算机系统中的地位和作⽤。

3、计算机组成和计算机体系结构1）计算机体系结构：是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性。

计算机四级计算机组成原理知识点总结
计算机四级计算机组成原理涉及多个关键知识点，主要包括：
1.**计算机的基本组成**：计算机主要由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。

其中，运算器和控制器合称为中央处理器（CPU）。

2.**指令系统**：指令是计算机执行某种操作的命令，通常由操作码和操作数地址码组成。

指令系统是指一台计算机中所有指令的集合。

指令的长度取决于操作码的长度、操作数地址码的长度和操作数地址的个数，与机器字长没有固定的关系。

指令可以分为零地址指令、一地址指令等多种类型。

3.**计算机硬件层次结构**：计算机硬件层次结构可以分为微程序机器层（M0）、传统机器层（M1）、虚拟机器层（M2）、汇编语言机器层（M3）和高级语言机器层（M4）。

每一层都对应着不同的指令系统和执行方式。

4.**存储系统**：存储系统包括主存储器（内存）和辅助存储器（外存）。

主存储器是计算机直接访问的存储部件，其速度快，但容量小。

辅助存储器则容量大，速度慢，需要通过输入输出设备才能访问。

5.**输入输出系统**：输入输出系统负责计算机与外部世界的联系，包括输入设备和输出设备。

输入设备用于将外部信息输入到计算机中，输出设备用于将计算机的处理结果输出到外部世界。

6.**总线系统**：总线是连接计算机各部件的通信线路，包括数据总线、地址总线和控制总线。

总线系统负责在各部件之间传输数据和控制信号。

以上就是计算机四级计算机组成原理的主要知识点，掌握了这些知识，就能对计算机的基本组成和工作原理有深入的理解。

第四章　指令系统的设计原理和风格 本章属重点章。

指令系统是计算机外特性的重要内容，本章主要介绍了两种不同风格的指令系统：RISC和CISC.在学习这两种指令系统之前，我们先了解⼀下什么是指令系统。

⼀、指令系统的设计（领会） 指令系统是指机器所具有的全部指令的集合。

它反映了计算机所拥有的基本功能。

它是机器语⾔程序员所看到的机器的主要属性之⼀。

通常我们说的加法指令、传输数据指令等等就是计算机的指令，这些指令就是告诉计算机从事某⼀特殊运算的代码，⼀种计算机系统确定的这些指令的集合我们就说它是这种机器的指令系统。

那么指令系统的设计要做什么？就是要确定它的指令格式（就是指令有多少位长，哪⼏位表⽰地址，哪⼏位表⽰操作等）、类型（如堆栈型、寄存器型等分类）、操作（⽐如运算、数据传送啊什么的都是指令中要确定的操作）以及操作数的访问⽅式（⼀个指令要访问数据，是按其地址访问还是按内容访问等也要由指令设计来解决）。

我们知道，由多条指令构成的程序是要以⼆进制的形式放到存储器中的，早期的存储器很昂贵，因此导致指令设计者尽量增强⼀条指令的复杂性以减少程序的长度。

还⽤微程序（就是保存在专⽤的存储器中的⼀⼩段程序，运⾏时只要⽤⼀条指令来启动它就可⽤来代替好多条指令）来改进代码密度。

这样的设计倾向形成了⼀种传统的指令设计风格，即认为计算机系统性能的提⾼主要依靠增加指令复杂性及其功能来获取。

这就是称为复杂指令系统（CISC）的设计风格。

我们现在⽤的PC机多是⽤这种设计风格的指令系统，⽐如MMX多媒体扩展指令等，都是增加进去的指令，是复杂指令。

后来，通过测试，这种不断增加指令复杂度的办法并不能使系统性能得到很⼤提⾼，反倒使指令系统实现更困难和费时。

所以在70年代中期⼜出现了另⼀种称为"简化指令系统（RISC）"的设计风格。

它的基本思想是，简单的指令能执⾏得更快以及指令系统只需由使且频率⾼的指令组成。

（插话） 指令系统在设计时，应特别注意的是如何能使编译系统⾼效、简易地将源程序翻译成⽬标代码。

1. 假设一条指令的执行过程分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每一段的时间分别是△t 、2△t 和3△t 。

在下列各种情况下，分别写出连续执行n 条指令所需要的时间表达式。

⑴ 顺序执行方式。

⑵ 仅“取指令”和“执行”重叠。

⑶ “取指令”、“分析”和“执行”重叠。

答：⑴ 顺序执行方式12 ......1 2 12T ＝∑=++n1i i i i )t t t (执行分析取址＝n(△t ＋2△t ＋3△t)＝6n △t⑵ 仅“取指令”和“执行”重叠12 ......1 212T ＝6△t ＋∑=+1-n 1i i i )t t (执行分析＝6△t ＋(n-1)(2△t ＋3△t)＝(5n ＋1)△t⑶ “取指令”、“分析”和“执行”重叠12 34 ......1 2 3 41234△t2△t3△t△t2△t3△t△t2△t3△tT ＝6△t ＋∑=1-n 1i i )t (执行＝6△t ＋(n-1)(3△t)＝(3n ＋3)△t2. 一条线性流水线有4个功能段组成，每个功能段的延迟时间都相等，都为△t 。

开始5个任务，每间隔一个△t 向流水线输入一个任务，然后停顿2个△t ，如此重复。

求流水线的实际吞吐率、加速比和效率。

答：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15...1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 151 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 1 2 3 4 56 7 8 9 10 11 12 13 14 151 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23我们可以看出，在（7n+1）Δt 的时间内，可以输出5n 个结果，如果指令的序列足够长（n →∞），并且指令间不存在相关，那么，吞吐率可以认为满足：)n (t75t )n /17(5t )1n 7(n 5TP ∞→∆=∆+=∆+=加速比为：)n (720n /17201n 7n 20t )1n 7(t 4n 5S ∞→=+=+=∆+∆⨯=从上面的时空图很容易看出，效率为：)n (75n /1751n 7n 5t )1n 7(4t 4n 5E ∞→=+=+=∆+⨯∆⨯=3. 用一条5个功能段的浮点加法器流水线计算∑==101i i A F 。

第 4 章 习 题 答 案3. 已知某机主存空间大小为64KB ，按字节编址。

要求： （1）若用1K×4位的SRAM 芯片构成该主存储器，需要多少个芯片？ （2）主存地址共多少位？几位用于选片？几位用于片内选址？ （3）画出该存储器的逻辑框图。

参考答案： （1）64KB / 1K×4位 = 64×2 = 128片。

（2）因为是按字节编址，所以主存地址共16位，6位选片，10位片内选址。

（3）显然，位方向上扩展了2倍，字方向扩展了64倍。

下图中片选信号CS 为高电平有效。

A 15A 10A 9A 0D 0D 7……WE…4. 用64K×1位的DRAM 芯片构成256K×8位的存储器。

要求：（1） 计算所需芯片数，并画出该存储器的逻辑框图。

（2） 若采用异步刷新方式，每单元刷新间隔不超过2ms ，则产生刷新信号的间隔是多少时间？若采用集中刷新方式，则存储器刷新一遍最少用多少读写周期？ 参考答案：（1）256KB / 64K×1位 = 4×8 = 32片。

存储器逻辑框图见下页（图中片选信号CS 为高电平有效）。

（2）因为每个单元的刷新间隔为2ms ，所以，采用异步刷新时，在2ms 内每行必须被刷新一次，且仅被刷新一次。

因为DRAM 芯片存储阵列为64K=256×256，所以一共有256行。

因此，存储器控制器必须每隔2ms/256=7.8µs 产生一次刷新信号。

采用集中刷新方式时，整个存储器刷新一遍需要256个存储（读写）周期，在这个过程中，存储器不能进行读写操作。

A 17A 16A 15A 0D 0D 7………5. 用8K×8位的EPROM 芯片组成32K×16位的只读存储器，试问：（1）数据寄存器最少应有多少位？ （2） 地址寄存器最少应有多少位？ （3） 共需多少个EPROM 芯片？ （4） 画出该只读存储器的逻辑框图。

计算机系统结构计算机系统结构作业1第1章计算机系统结构的基本概念一、解释下列术语：计算机系统结构；计算机组成；计算机实现；透明性；系列机；软件兼容；兼容机；模拟；仿真；虚拟机；宿主机；Amdahl定律；CPI；MIPS；MFLOPS。

【答案】计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念。

系统结构定义为由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性，这里的程序设计者所看到的计算机属性是指为机器语言或编译程序设计者所看到的计算机属性，是硬件子系统的概念性结构及其功能特性，它是计算机系统的软、硬件的界面。

计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

计算机实现是指计算机组成的物理实现。

透明性：在计算机技术中，一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，成为透明性现象。

所谓系列机是指在一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。

不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机称为兼容机。

软件兼容：在新的计算机系统出台后，原先已开发的软件仍能继续在升档换代的新型号机器上使用，这就是软件兼容。

系列机方法能够在具有相同系统结构的各种机器之间实现软件移植，为了实现软件在不同系统结构的机器之间的相互移植，可以采用模拟和仿真。

模拟方法是指用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。

仿真是指用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法。

虚拟机是被模拟的机器；宿主机是进行模拟的机器。

Amdahl 定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。

Fe=（改进前可改进部分占用的时间）/（改进前整个任务的执行时间） Se=（改进前可改进部分的执行时间）/（改进后改进部分的执行时间） 则，改进后整个系统加速比为ee e n S F F s /)1(1+-=。

计算机基础知识什么是输入输出（IO）操作计算机基础知识：什么是输入输出（IO）操作计算机是一种用于处理数据的工具，而输入输出（IO）操作是计算机与外部世界进行数据交流的方式。

通过输入，我们可以将外部的数据传递给计算机进行处理，而输出则是将计算机处理后的数据传递给外部环境。

在本文中，我们将探讨输入输出操作的基础知识。

一、输入输出（IO）的概念输入输出是计算机与外部环境进行数据交流的方式。

输入是指将外部数据传递给计算机，供计算机进行处理和分析；输出则是将计算机处理后的数据传递给外部环境，供人们观察和使用。

在计算机系统中，输入输出设备起到了极为重要的作用。

例如，键盘、鼠标和触摸屏等输入设备用于接收用户的命令和数据，显示器、打印机等输出设备则用于向用户展示计算机处理的结果。

二、输入输出的分类1. 人机交互输入输出：这种输入输出方式主要是通过外部设备与人进行交互。

例如，使用键盘输入文字、鼠标点击图标进行操作、触摸屏选择菜单等。

同时，显示器将结果输出给人们观察。

2. 设备驱动程序输入输出：这种输入输出方式是通过设备驱动程序进行的。

计算机通过设备驱动程序与各类外部设备进行通信。

例如，打印机通过打印机驱动程序与计算机通信，将计算机处理的文档输出。

3. 文件输入输出：文件是计算机中存储数据的一种形式，也是计算机与外部世界交流的一种方式。

我们可以将数据存储在文件中，进行读取和写入操作。

三、输入输出的基本操作在计算机基础中，我们了解到输入输出操作的基本函数包括读取和写入。

读取是指从外部获取数据并传递给计算机进行处理；写入则是将计算机处理的结果传递给外部。

读取函数的基本形式如下：input(data)：从外部读取数据，存储在变量data中。

写入函数的基本形式如下：output(data)：将变量data中的数据写入外部设备，供外部环境使用。

四、输入输出的应用输入输出操作在计算机中得到了广泛的应用。

以下是一些常见的输入输出操作应用场景：1. 数据采集：许多科学实验、气象观测等需要收集大量外部数据，通过输入输出操作，这些数据可以传递给计算机进行进一步的分析和处理。

计算机组成原理考研指定教材习题解答《计算机组成原理》考研指定教材习题解答李淑芝欧阳城添江西理⼯⼤学计算机科学与技术教研室2013.9⽬录第1章计算机系统概论 (1)第2章计算机的发展及应⽤ (6)第3章系统总线 (8)第4章存储器 (13)第5章输⼊输出系统 (32)第6章计算机的运算⽅法 (44)第7章指令系统 (65)第8章 CPU的结构和功能 (70)第9章控制单元的功能 (78)第10章控制单元的设计 (85)第1章计算机系统概论1.1 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：计算机系统由硬件和软件两⼤部分组成。

硬件即指计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电⼦元器件，各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外设等。

软件是看不见摸不着的，由⼈们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成，⽤来充分发挥硬件功能，提⾼机器⼯作效率，便于⼈们使⽤机器，指挥整个计算机硬件系统⼯作的程序、资料、数据集合。

硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺⼀不可，因此同样重要。

1.2 如何理解计算机系统的层次结构？解：（1）第⼀级：实际机器M1 (机器语⾔机器)，机器语⾔程序直接在M1上执⾏；（2）第⼆级：虚拟机器M2（汇编语⾔机器），将汇编语⾔程序先翻译成机器语⾔程序，再在M1-上执⾏；（3）第三级：虚拟机器M3(⾼级语⾔机器)，将⾼级语⾔程序先翻译成汇编语⾔程序，再在M2、M1（或直接到M1）上执⾏；（4）第零级：微程序机器M0（微指令系统），由硬件直接执⾏微指令。

（5）实际上，实际机器M1和虚拟机器M2之间还有⼀级虚拟机，它是由操作系统软件构成，该级虚拟机⽤机器语⾔解释操作系统。

（6）虚拟机器M3还可以向上延伸，构成应⽤语⾔虚拟系统。

1.3 说明⾼级语⾔、汇编语⾔和机器语⾔的差别及联系。

解：机器语⾔由0、1代码组成，是机器能识别的⼀种语⾔。

⽤机器语⾔编写程序时要求程序员对他们所使⽤的计算机硬件及其指令系统⼗分熟悉，编写程序难度很⼤，操作过程也极易出错。

计算机体系结构第四章练习题参考解答第四章4.52 浮点数系统使⽤的阶码基值r e =2，阶值位数q=2，尾数基值r m =10，尾数位数p ′=1，即按照使⽤的⼆进制位数来说，等价于p=4。

计算在⾮负阶、正尾数、规格化情况下的最⼩尾数值、最⼤尾数值、最⼤阶值、可表⽰的最⼩值和最⼤值及可表⽰数的个数。

解: 最⼩尾数值：r m -1 = 10-1 = 0.1最⼤尾数值：1- r m -p ′ =1-10-1 = 0.9 最⼤阶值：2q -1=3可表⽰数的最⼩值：1×r m -1 = 10-1 = 0.1 可表⽰数的最⼤值：r m 2q-1×（1- r m -p ′）=103（1-10-1）= 900可表⽰数的个数：2q ×r m p ′（r m -1）/r m = 22×101（10-1）/10 = 364.53 ⼀台机器要求浮点数的字长的精度不低于10-7.2，表数的范围正数不⼩于1038，且正负对称。

尾数⽤原码、纯⼩数表⽰，阶码⽤移码、整数表⽰。

设计这种浮点数的格式。

解依题意，取表数范围N =1038，表数精度δ=10-7.2。

由式（4-4）得：37log(log10log 21)log 2q +> = 6.99，上取整，得到阶码字长q=7。

由式（4-5）得：16log1053.2log 2p -->=，上取整，得到尾数字长p=24。

从⽽加上⼀个尾数符号位和⼀个阶码符号位，浮点数的总字长为：p+q+2=24+7+2=33。

实际浮点数总字长应为8的倍数，故取浮点数总字长为40位。

多出的7位可以加到尾数字长p 中⽤于提⾼浮点数的表数精度，也可以加到阶码字长q 中来扩⼤浮点数的表数范围。

暂且让p 增加6位，q 增加1位，即p=30，q=8。

如图4-8所⽰是设计出来的浮点数格式。

图4-8 例4.2浮点数的设计格式4.58 ⽤于⽂字处理的某专⽤机，每个⽂字符⽤4位⼗进制数字（0～9）编码表⽰，空格⽤︼表⽰。