计算机组成原理第7章

第七章输入输出系统第一节基本的输入输出方式一、外围设备的寻址1．统一编址：将输入输出设备中控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等与内存单元一样看待，将它们和内存单元联合在一起编排地址，用访问内存的指令来访问输入输出设备接口的某个寄存器，从而实现数据的输入输出。

2．单独编址：将输入输出设备中控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器单独编排地址，用专门的控制信号进行输入输出操作。

3．CPU与外围设备进行通信有三种类型：（1）CPU向外围设备发出操作控制命令。

（2）外围设备向CPU提供状态信息。

（3）数据在CPU与外围设备之间的传递。

历年真题1．对外设统一编址是指给每个外设设置一个地址码。

（2002年）【分析】CPU与外设之间的信息传送是通过硬件接口来实现的，各种外设的硬件接口上又都包含有多个寄存器，如控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等。

统一编址是将外设接口上的各种寄存器等同于内存储器的存储单元，通过使用访问内存单元的指令来访问外设接口上的各个寄存器，这样就可以使用访存指令来访问外设，输入输出操作简单，程序设计比较简便。

由于外设接口上的寄存器种类和数量通常不止一个，所以一个外设至少对应一个以上的内存地址。

【答案】对外设统一编址是将外设接口上的寄存器等同内存单元，给每个外设设置至少一个地址码。

二、外围设备的定时1．外围设备的定时方式有异步传输方式和同步定时方式两种。

2．实现输入输出数据传输的方式主要有：程序控制方式、直接存储访问（DMA）方式、通道方式。

程序控制方式又可分为程序查询方式和中断方式两种。

历年真题1．对I/O数据传送的控制方式，可分为程序中断控制方式和独立编址传送控制方式两种。

（2001年）【分析】对1/O数据传送的控制方式，可分为程序直接控制方式、程序中断控制方式、DMA控制方式、通道控制方式等。

程序中断控制方式只是其中的一种方法，独立编址是指对1/O设备的控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等单独进行地址编排，使用专门的指令对其进行操作，可用在各种数据传送的控制方式中。

计算机组成原理第七章首先，让我们来看看CPU的组成部分。

一个典型的CPU由控制器（Control Unit）和算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，简称ALU）组成。

控制器负责指令的解码和执行，而ALU负责处理数据的运算和逻辑操作。

此外，CPU还包括寄存器、时钟和总线等重要的组件。

在CPU的工作过程中，指令周期是一个非常关键的概念。

指令周期是指执行一条指令所需的时间，它通常包括取指令、译码、执行和访存等阶段。

指令周期的长度取决于CPU的设计和时钟频率等因素。

为了提高CPU的运行效率，指令流水线（Instruction Pipeline）被引入到CPU的设计中。

指令流水线将指令的执行过程分为多个阶段，并在每个阶段同时执行不同指令的不同阶段。

这样可以提高指令的吞吐量和CPU的性能。

然而，指令流水线也会带来一些问题，比如数据冒险（Data Hazard）和控制冒险（Control Hazard）。

数据冒险是指由于数据相关性引起的指令执行顺序的问题，而控制冒险是指由于分支指令的执行带来的指令流程的问题。

为了解决这些问题，CPU引入了数据前推（Data Forwarding）和分支预测（Branch Prediction）等技术。

除了指令流水线，中断处理也是CPU设计中的一个重要问题。

中断是指CPU在执行指令的过程中，由外部设备或程序发出的中断请求信号。

CPU在接收到中断信号后，会暂停当前的指令执行，保存当前的上下文，然后处理中断请求。

处理完中断后，CPU会恢复之前的指令执行。

最后，超标量技术是一种用于提高CPU性能的技术。

超标量CPU可以同时执行多条指令，以提高指令的吞吐量和CPU的性能。

它通过增加ALU、寄存器和流水线等资源来实现。

总的来说，计算机组成原理第七章主要介绍了CPU的设计和工作原理。

通过学习这一章，我们可以了解到CPU的组成部分、指令周期、指令流水线、中断处理和超标量技术等关键概念。

7.1 什么叫机器指令？什么叫指令系统？为什么说指令系统与机器指令的主要功能以及与硬件结构之间存在着密切的关系？机器指令：是CPU能直接识别并执行的指令，它的表现形式是二进制编码。

机器指令通常由操作码和操作数两部分组成。

指令系统：计算机所能执行的全部指令的集合，它描述了计算机内全部的控制信息和“逻辑判断”能力。

指令系统是计算机硬件和软件的接口部分，是全部机器指令的集合。

7.2 什么叫寻址方式？为什么要学习寻址方式？寻址方式：指确定本条指令的数据地址以及下一条将要执行的指令地址的方法，它与硬件结构紧密相关，而且直接影响指令格式和指令功能。

学习寻址方式，是为了找到指令中参与操作的数据，然后根据指令，得出结果。

7.3什么是指令字长、机器字长和存储字长？指令字长：是指机器指令中二进制代码的总位数。

指令字长取决于从操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数。

不同的指令的字长是不同的。

机器字长：是指计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（整数运算即定点整数运算）。

机器字长也就是运算器进行定点数运算的字长，通常也是CPU内部数据通路的宽度。

即字长越长，数的表示范围也越大，精度也越高。

机器的字长也会影响机器的运算速度。

存储字长：一个存储单元存储一串二进制代码（存储字），这串二进制代码的位数称为存储字长，存储字长可以是8位、16位、32位等。

7.6 某指令系统字长为16位，地址码取4位，提出一种方案，使该指令系统有8条三地址指令、16条二地址指令、100条一地址指令。

解：三地址指令格式如下：4 4 4 4OP A1 A2 A3指令操作码分配方案如下：4位OP0000，……， A1,A2,A3:8条三地址指令0111，1000，0000，……，……， A2，A3:16条二地址指令1000，1111，1001，0000，0000，……，……，……， A3:100条一地址指令1001，0110，0011，1001，0110，0100，……，……，……，冗余编码1001，1111，1111，可用来扩充一、零地址指令条数1010，……，冗余编码1111，可用来扩充三、二、一、零地址指令条数7.7 设指令字长为16位，采用扩展操作码技术，每个操作数的地址为6位。