一：计算机的部件

1.描述计算机系统的两种方法：

描述每个部件的外部操作，即它与其他部件之间交换数据和控制信号。

描述互连结构和管理互连结构所要求的控制。

2.假设我们构造了一个通用的算数逻辑单元，这一组部件只要根据提供给它的控制信号和数据就可以完成相应的处理功能。在最初的设想中，我们的计算机系统需要特定的单元接受数据完成处理并输出；而现在我们的计算机系统需要接收控制信号和数据完成处理并输出。所以我们对新的程序，只需要提供它的控制信号和数据即可，而不需要重新连接新的硬件构成新的计算机专能部件。

3.如何提供控制信号？

       整个程序是有多个步骤构成，对某些数据执行相应的算数/逻辑运算，每一步都需要一组控制信号。因此，我们可以为每一组控制信号提供一个唯一的代码，并未通用硬件增加能够接收代码和产生控制信号的部分。

4.系统的两个主要部分：指令解释器、算术逻辑功能模块。但我们需要数据的输入，也会产生数据的输出，所以还要有I/O部件。同时，一个程序不是顺序执行的，输入的数据也不是顺序的使用的，所以我们还要有一个可以临时存储指令和数据的部件---存储器/主存。

5.CPU含有以下这些寄存器：

存储器地址寄存器：存储下一次读/写指定存储器的地址。

存储器缓冲寄存器：容纳写到内存/从内存接收的数据。

I/O地址寄存器：指定特定的I/O设备。

I/O缓冲寄存器：用于I/O模块和CPU之间的数据交换。

6.I/O模块包含内存缓冲器：暂存I/O数据，直到它们被发送出去。

二：计算机的功能

1.指令的读取和执行

指令周期的开始，处理器从存储器中取指令。PC（寄存器）：包含下一条指令的地址。

读取的指令被装到指令寄存器IR中。这些指令的操作归为4类：

       ** 处理器--存储器：数据可从处理器传送到存储器或从存储器传到处理器。

       ** 处理器--I/O：通过处理器和I/O模块之间的传输，数据可传送到或来自外部设备。

       ** 数据处理：处理器可对数据执行一些算术或逻辑操作。

       ** 控制：指令可以用来改变执行顺序。

2.中断：计算机提供的一种机制，其他模块可以通过此机制终端处理器的正常处理。

下面是中断的分类：    

  提供中断的目的：提高处理效率。因为大部分的外设比处理器慢很多，如果我们的处理器暂停在等待外设的信号来决定执行什么指令，那么这段暂停的时间，处理器可能可以处理几百个甚至几千个的指令。显然这是对处理器使用的巨大浪费。

3.中断和指令周期：

例如：当外部设备准备好接收服务时，即当它准备从处理器中接受更多的数据时，外部设备的I/O模块发送中断请求信号给处理器。处理器通过挂起当前程序的操作，跳转服务于某个特定I/O设备的程序来响应，这个程序被称为中断处理程序。并且，在设备服务完后，恢复原来的执行。

为了适应中断，将中断周期加入指令周期。在中断周期中，处理器检查是否有中断信号，如果有中断信号，则将当前执行的程序挂起，并保存其状态，并执行新的服务。如果没有中断信号就继续正常执行。

中断出现时，处理器会执行如下操作：<1>：挂起当前程序，保存其状态。即保存下一条将执行的指令的地址以及任何与处理器当前活动相关的数据。<2>：将程序计数器设为中断处理程序的地址。

4.多重中断：

多重中断的两种处理方法：<1>：在中断处理过程中禁止其他中断。<2>：定义中断的优先级，且允许优先级高的中断引起低级中断处理程序本身被中断。

禁止其他中断：意味着处理器可以并且将忽视中断处理请求信号。这种中断方法的优点是：简单有效，因为中断严格按照顺序处理。缺点是：没有考虑到相对的优先级和时间紧迫的需要。

5.I/O功能：I/O模块可以直接和处理器交换数据，也可以直接和存储器交换数据。

6.互连结构：各种模块的通路的集合。它的设计取决于模块之间所必须进行的交换。

7.总线互连：总线是连接两个或多个设备的通信通道。总线的关键特征：共享传输介质。可以多个设备同时利用总线上的数据。但是只能一个设备成功的利用总线进行数据信号的发送。因为如果总线上同时有多个数据信号，那么它们会产生重叠，引起混淆。

8.总线的结构：

数据线：提供系统模块间传送数据的路径，这些线组合到一起被称为数据总线。

地址线：用于指定数据总线上数据的来源和去向。

控制线：用来控制对数据线和地址线的存储和使用。

9.一些典型的控制信号：

存储器写：引起总线上数据写入被寻址的单元

存储器读：引起寻址单元的数据放到总线上

I/O写：引起总线上数据输出到被寻址的I/O端口

I/O读：使被寻址的I/O端口数据放到总线上

传输响应：表示数据已经从总线上接收，或已经将数据放到了总线上

总线请求：表示模块对总线的控制

总线允许：表示发出的请求某块已经被允许控制总线

中断请求：表示某个中断正悬而未决

中断响应：表示未决的中断请求被响应

时钟：用于同步操作

复位：初始化所有模块

10：总线的层次结构：

总线上的设备越多，总线越长，传输延迟就越大。

传输请求接近总线容量时，总线会成为瓶颈。通过提高总线数据传输率或使用更宽的总线使得这个问题可以得到一定程度的缓解。

所以计算机系统采用多总线，通常布局为层次结构。

11.传统总线结构：局部总线连接处理器和高速缓存，用于支持一个或多个局部设备。高速缓存的使用：避免了处理器对主存储器的频繁访问。将I/O控制器连接到系统总线上是可行的，但是效率相对较低。更高效的方法是：使用一个或多个扩展的总线。系统总线与挂在扩展总线上的I/O控制器之间的数据传输可以通过扩展总线接口来进行缓冲。这种方案支持了更加广泛的I/O设备，同时将存储器与处理器的传输与I/O的传输相隔开。

12.传统的总线结构比较有效，但是在性能越来越高的I/O设备面前显得力不从心。因此业界采用的普遍方法是：构造与系统其余部分紧密集成的高速总线，而它要求一个在处理器总线和高速总线的桥。----中间层方案。

好处是：高速总线使高需求设备与处理器有更紧密地集成，同时独立于处理器。因此不同的处理器和高速总线速度及信号线定义都可以兼容，处理器结构的变化不会影响高速总线，反之亦然。

13.总线设计的要素：

类型：专用、复用

仲裁方法：集中式、分布式

时序：同步、异步

总线宽度：地址、数据

数据传输类型：读、写、读-修改-写、写-写后读

14.功能专用：使用分立专用的地址线和数据线。例如：使用地址有效控制线，表示总线传输的是地址，等各个部件取用总线上的地址并进行相应的操作后，地址从总线上撤销，相同的总线用于数据的传送。这种将相同的线用于多种目的的方法称为分时复用。

分时复用的有点：使用布线少，节省了空间和成本。缺点：每个模块需要更加复杂的控制电路，性能可能会降低，因为总线的特定事件不能同时发生。

15.同步时序：总线上的事件由时钟决定。异步时序：总线的上一个事件的发生取决于前一个事件的发生。

16.外设部件互连（PCI）：总线是一种高带宽、独立于处理器总线，能作为中间层或外层设备总线。同其他总线规范相比，PCI为高速I/O子系统提供了更好的性能。

思考题

1.计算机指令指定的功能通常分为几类？

答：4类。处理器--存储器之间的数据传送、处理器--I/O之间的数据传送、数据处理、控制。

2.列出并简要定义指令执行的可能状态。

答：1.取指令周期：处理器从存储器中取指令。PC（寄存器）：包含下一条指令的地址。2.执行周期：执行指令

3.列出并简要说明多重中断的2种处理方法。

答：1.禁止中断：当处理器此时正在处理中断程序时，处理器能够忽视其他的中断信号。等到正在处理的中断程序处理完后，又恢复到可以接收中断信号的状态。

4.计算机互连结构（总线）必须支持何种类型的传送？

答：专用和复用

5.与单总线相比，使用多总线有什么好处？

答：多总线采用层次式结构，能够增大传输数据的带宽，增大数据传送效率。同时能够连接更多的部件，降低了数据传送的延迟。

6.列出并简明定义PCI信号线的功能组。

答：。。。。。P59