Chapter 5计算机组织课件

六十算械概言俞第二版

FoundationsofComputerScience

Chapter5M"算檄系且微

欧克善局

情成一部^算械的元件可显分成三彳固主要的分^或子系统:

中央虞理罩元、主舒意醴和输入事俞出（I/O）子系税

Stttl

输入/事俞出子系统

H5.1^算械硬醴（子系统）

@熙「睛局p.98

5.1中央虑理单元

小中央理单兀（centralprocessingunit；CPU）幸丸行^料的

算。在大部分的架横中CPU有三彳固部分：算所暹物军元

、控制军元，和一^快速^存位置的暂存器。

暂存器

/4»-'on±oaa----

算怵J诞帽单兀

中央虑理罩元（CPU）

H5.2中央JM理罩元（CPU）

@熙「睛局p.98

算所暹幅覃元

小算所暹幅军元(arithmeticlogicunit；ALU)幸丸行料的暹

幅、移位和算所建算。

暂存器

中暂存器(registers)是快速的蜀立储存位置，可以暂畤保存

^料。需要多槿暂存器以便"肋CPU的建算。

中料暂存器：在今日，福十算械使用位於CPU内部的数十彳固

暂存器来加速其^算，保存其中^结果。

中指令暂存器：CPU福己，|意醴中一彳固接一他地■取指令，

信者存在指令暂存器(instructionregister)中,解礁指令，#

且幸丸行指令。

中程式^^器：禄己金条目前正在幸丸行的指令，在幸丸行^指令之彳受

，此^^器曾遮增以便指到禄己，1意醴内下一他指令的位址。

@熙「睛局p.99

控制罩元

电控制军元(controlunit)控制每(固子系统的^作，藉由^虢

优控制军元俾送到其他子系统来连到控制。

5.2

中主禄己T意醴(mainmemory)是^算檄中第二彳固主要的子系统

(H5.3)。它是由大量的信者存位置所方同成，每一位置具有

一彳固唯一^别礁，耦卷位址。资料以成^的位元形式傅入和

傅出^意鹳耦悬字吊盘(word)o

中字组卷8位元，刖穗卷位元位元^(byte)一前］在^

算械科晕中是共通的。

@熙「睛局p.100

位址一A00000000000111001011001100内容（值）

00000000010000001111001101

00000000101110101011101100

■・

■•

■・

11111111110000001011111100

Etlti

H5.3主福己卜意醴

@熙「睛局p.100

位址空冏

中要存取信己，卜意醴中一他字^需要一^^别礁。虽隹然程式1殳^者

使用一彳固名耦来信戢别一彳固字^（或大量的字彳同），在硬醴的

盾次，每一他字^是用一彳固位址来加以^别。

畲禄己，卜意醴中唯一可^别位置的系图数量耦卷位址空^（address

space）,例如，一彳固信己，卜意醴具有64K位元^和一彳固位元*同

大小的字彳比其位址空圉是徙0到65,535。

中假言殳一部^算械有64K位元*住位址可表示成辗虢整数

（不畲有^的位址）。换言之，第一他位置就是位址

0000000000000000（位址0）,而最彳爰一彳固位址就是

1111111111111111（位址65535）o

@熙「睛局p.100

表5.1i己I、意醴罩位

覃位位元黜［正碓数目近似值

kilobyte210(1024)bytes103bytes

megabyte220(1,048,576)bytes106bytes

gigabyte230(1,073,741,824)bytes109bytes

terabyte240bytes1012bytes

@熙「睛局p.100

、靶例5.1

一部^算械有32MB(百离位元*同)的信己，|、意醴。需要多少彳固位元

来定址信己意醴中每一彳固位元*同?

解答

25520

言已卜意醴位址空^^32MB,或2(2X2)O道表示需要

25

log22,或25彳固位元来定址每一彳固位元方同。

@熙「睛局p.101

地例5.2

一部^算械有128MB的禄己，卜意醴，此^算械中每一字^^8彳固

位元

需要多少位元来定址信己，卜意醴中每一彳固字*同？

解答

标己，卜意醴位址空^^128MB,表示是2\然而每一彳固字^是8

(23)位元*也表示有2?4彳固字方也道表示需要log?%,或24

彳固

位元来定址每一彳固字方同。

@熙「睛局p.101

雨槿主要的舒意醴分别是：RAM和ROM。

RAM

中随械存取标己'1'意醴(randomaccessmemory；RAM)横成后十

算械中大部分的主信己，1意醴。要国别RAM和ROM就在於

RAM可以被^取舆瘾入。RAM的另一彳固特性是它具有挥强

性；如果雷:月窗雷:源MijMtn(程式或^料)曾被清

除。RAM技析分成丽大：SRAM和DRAMo

@熙「睛局p.101

SRAM

中静熊RAM(staticRAM；SRAM)技淅使用俾统的正反

保存^料，只要雷:源是犬熊，^^料是被保存的，

而且不需要更新信己，卜意醴位置。SRAM速度快但僵格曷:S。

DRAM

杀重力熊RAM(dynamicRAM；DRAM)技析使用雷:容来做

资料信者存，如果雷:容是克温雷:的，1;如果雷:容未

克雷；o0因悬雷:容曹随畤漏失雷:荷，所以

DRAM1己，卜意醴军元需要遇期性地加以更新。DRAM速度慢

但僵格便宜。

@熙「睛局p.102

ROM

中唯■靛己T意醴(read-onlymemory；ROM)的内容是由契造

商所瘾入；CPU允信午^出其内容但是不能瘾入ROM中。

其侵黑占悬它是非挥强性的——如果^用雷：月留，其内容汉有被

清除。通常，它是用於程式或宜料一定不可以被清除或更改

，甚至是揩雷:月留尼曷留。例如，有些雷:月窗具有ROM保存有■

助程式，用於^^畤幸丸行。

PROM

去可程式夫见普J唯I箫己T意醴(programmableread-onlymemory；

PROM)是ROM的鹿型，逅槿型式的意醴在雷:月窗奘^畤

是空白的，使用者可以用特殊^儒揩程式储存於其中。富程

式存入彳麦就如同ROM一般不能被覆嘉，此一特性允^使用

者储存特殊程式於PROM中。

@熙「睛局p.102

EPROM

中可清除可程式化唯原言三己］意醴(erasableprogrammableread­

onlymemory；EPROM)是PROM的鹿型，它可由使用者

作程式祝副，但是它也可以用一槿11用紫外光的特殊禄殳儒加

以清除，要清除EPROM必须揩EPROM除移除舆重新

安装。

EEPROM

中雷:屋可清除可程式化唯■靛己I意醴(electricallyerasable

programmableread-onlymemory；EEPROM)是EPROM

的建型，它可藉由雷:子服衡来加以程式化和清除，而不需优

雷:月窗中移除。

@熙「睛局p.102

中趣少量的高速|己，卜意醴在速度具'决定性的地方，CPU内部的暂

存器即腐此

中逋量的中速信己，1意醴来信者存畤常存取的^料，快取信己，卜意醴即腐

此糠

中大量的低速|己，|意醴来信者存不常存取的^料，主信己，1、意醴即腐此

@熙「睛局p.103

H5.4

回叫;睛局p.103

快取禄己，卜意醴

中快取信己，上意醴(cachememory)比主常已卜意醴快，但是比CPU

及其内部的暂存器慢。快取信己卜意醴通常数量少，加置於CPU

典主标己，卜意醴之

中快取信己，卜意醴在任何畤刻均包含部分主禄己，1、意醴的儒分。富CPU

需要存取主信己，卜意醴中一他字^畤，它遵循下列程序：

1.CPU横■快取禄己卜意醴。

2.如果此字组存在，CPU拷具此字组；若不存在，MOCPU

存取主标出1意醴，而且烤同一现优所要求的字始之主福出1意

此国瑰取代快取言己卜意醴中先前的内容。

3.CPU存取快取舒意醴加且烤具此字微

@熙「睛局p.103

中央虑理军元

ilBtttl

快取^巾意醴

ffl5.5快取福印、意醴

@熙「睛局p.103

中悬什麽快取禄当意醴畲如此有效率，即使只有少量的快取信己，|意

醴。答案在於「80-20法期」。根獴觐察，大部分的雷:月窗主

要花费百分之八十的畤^在存取只有百分之二十的^料，操

言之，相同的资料被重禊地存取。快取禄己，卜意醴利用其快速特

性，可以保有此百分之二十的资料，使得存取加快至少百分

之八十的畤

@熙「睛局p.104

5.3输入输出子系统

中禄十算械中第三彳固主要子系统是一群后殳彳蒲的集合耦卷输入翰

出子系统(input/output(I/O)subsystem)。此子弃魂竟允言午三十

算械典外界通信人以及即使雷:源尼曷^畤可以得者存程式和^料。

输入输出^^可分成雨大：非信者存性舆信者存性

中非得者存性1殳儒(nonstoragedevice)允信午CPt/M己T意H舆外

界通信人但是它凭不能僖者存^料。

中刖槿比敕常见的非信者存性翰入翰出^儒卷犍黑和簧幕。犍

(keyboard)提供输入功能；簧幕(monitor)IM示事俞出

而且同畤回鹰在姓坐上所输人的字母。腐於型的其他^

儒遢有滑鼠、搐椁等。

@熙「睛局p.104

中印表械(printer)是■生永久系己金条的输出禄殳儒。印表檄'是非

信者存性^^。

中信者存性1殳儒(storagedevice)虽隹然端^^I/O1殳彳蒲，可以

^存大量的^福人加於之彳麦再度取回。但它伸肚在|出1意醴便

宜，而且其内容是非挥会性的——富雷:源尼肆^寺不畲被清除。

它凭有畤候被耦卷本甫肋信者存言殳儒，可以揩其分^^磁性或光

^的^彳蒲。

畲磁性储存^^使用磁化来信者存^料的位元。如果一彳固位置被

磁化，刖代表1；如果汉有被磁化，即代表0。

回熙「睛局p.105

⑥磁碟(magneticdisk)是由一彳固或多彳固碟片逐一堆叠而齐也成。

碟片壅上一屑磁性薄膜，利用每一他碟片之磁化表面上的

M?M(read/writehead),揩於碟片表面加以信者存及取回

O

中表面留乱方澈：每一彳固表面分成会午多磁til(track),而每一磁

tfl分成后午多磁显(sector)o磁孰被磁隙(intertrack

gap)隔断而磁显被磁隙(intersectorgap)隔

中资料存取：磁碟可视卷一槿随械存取^儒，一次所能存取的

最小^存显域卷一他磁显。一彳固^料国现可以储存在一彳固或

多彳固磁显，而且取回畤不需取回碟片中其f余的^^九

@熙「睛局p.105

磁摩厂）磁IS

碟片

碟片

磁

^隙

a.磁碟械b.磁事九和磁IE

H5.6磁碟

@熙「睛局p.105

中效能：磁碟的效能取'决於黑'项因素：醇速、搜尊畤^和臂移

畤臂速(rotationalspeed)定羲磁碟旋傅多快。搜尊畤

(seektime)定羲移事力^^^到所要的信者存料磁轨所需

之畤傅移畴(transfertime)定羲优磁碟上移重力资料

到CPIV^，|意醴所需之畤

@熙「睛局p.106

电磁带(magnetictape)有各式各檬的尺寸，常兄的一槿是在

半英寸塑||错子壅上一屑厚的磁膜。磁带架^於雨彳固情本由上

,富磁带深巡^畤，用一彳固^^来^取或瘾入

中表面方同彳默：磁带的霓度分成九他磁轨；磁轨中的每一位置可

以储存1彳固位元的^哥L九彳固垂直黑占可以储存一彳固位元^的

8他位元宜哥\,加上一彳固错^侦测的位元。

中^料存取：磁带可视卷一槿循序存取^儒，要取回磁带上特

定的显现，需要悔现之前所有的显现。

中效能：速度比磁碟慢，但是比敕便宜。王兄在，大家使用磁带

来儒份大量的^料。

@熙「睛局p.106

磁带搭轴

磁®Ht鬼[St鬼

U

n-

磁事九9

a.磁带檄b,表面系且微

ffl5.7碟错

@熙「睛局p.106

畲光^^者存信殳儒(opticalstoragedevices)是一槿相富新的技

林使用雷射光来信者存和取回^料。光晕信者存技析的使用是

在信者存磬音^料的CD(compactdisk)会明之彳麦，现在，

在雷：月窗中使用相同的技析来信者存^制1使用此技所的^有

CD-ROM.CD-R、CD-RW和DVDo

@熙「睛局p.106

CD-ROM

华唯^光碟（compactdiskread-onlymemory；CD-ROM）使

用奥音桨CD相同的技所。

中■生：CD-ROM技所使用三彳固步骤来■生大量光碟片：

a.母片（masterdisk）是以高功率缸外光雷射■生位元I集式

在生度膜的塑上而装成。雷射揩位元檬式醇操成一序列的凹

洞（pit）（洞）和平地（land）（蛹同）。凹洞通常表示

0,而平地通常表示1。然而适只是惯例，是可以调擦的。

其他檄'制使用臂操（凹洞到平地或是平地到凹洞）来表示

1,而用汉有醇操表示0。

b.模版优母片契作而来，在模版中，凹洞用凸土鬼取代。

@熙「睛局p.107

H5.8CD-ROM的■生典使用

@熙「睛局p.107

c.巾等熔化的聚碳酸■树脂(polycarbonateresin)射入模版

中，以■生舆母片相同的凹洞。再打等一11非常薄的^(作悬

反射眉)加到聚碳酸■之上。在之上，有一屑用漆作

的保而且加上檄截。每一彳固碟片的■生只有重禊此一

步骤。

中^取：CD-ROM使用低功率雷射光束来加以^取，此雷射

光束^^平地畤曾被金昌眉表面所反射。富遇到凹洞畤曾反射

雨次，一次是由凹洞遏界所造成，而另一次是由金昌盾遏界所

造成。造雨次反射具有破壤性效X因卷所逗撵的凹洞深度

硼好悬光束波片的四分之一。如果^位置是平地的卷舌，感测

器畲检测到敕多的光；如果是凹洞，刖畲检测到敕少的光。

@熙「睛局p.107

中格式：CD-ROM的宜料格式依掳

a.W8位元的资料显境醇换成14位元的符虢（symbol）

,使用一槿穗卷澳明礁（Hammingcode）的至箭具更正E%。

b.每一他框架（frame）由42他符虢所^成（14位元符

虢）。

c.每一他磁显由98他框架所^成（2352位元*同）。

中速度：CD-ROM光碟械具有不㈣的速度。罩倍速耦悬

lx,每秒^取多逵153,600位元方乩

中）1用：生■费用包含型造母片、模版和^除碟片，如果碟片

是大量生・，刖具有悔酒效益。

@熙「睛局p.108

□位元系且（8位元）

||符虢（14位元）

||||・・・|||框架（42符虢）

磁［S（98框架）

H5.9CD-ROM格式

@熙「睛局p.108

表5.2CD-ROM速度

速度资料傅翰率近似值

IX153,600bytespersecond150KB/S

2X307,200bytespersecond300KB/s

4X614,400bytespersecond600KB/s

6X921,600bytespersecond900KB/s

8X1,228,800bytespersecond1.2MB/s

12X1,843,200bytespersecond1.8MB/S

16X2,457,600bytespersecond2.4MB/s

24X3,688,400bytespersecond3.6MB/s

32X4,915,200bytespersecond4.8MB/s

40X6,144,000bytespersecond6MB/s

@熙「睛局p.108

CD-R

中可靖金条光碟(compactdiskrecordable；CD-R)允信午使用者

­生一片或多片的光碟，而不必^檐■生CD-ROM所包含

之费用。道在契作儒分畤特别有用。CD-R有畤候耦卷一嘉

多星亶(writeonce,readmany；WORM)。

中■生：CD-R技析使用奥CD-ROM相同的原即■生光碟片

O

以下列出其差昊虑：

a.汉有母片或模版。

b.反射11用黄金取代^来契造。

@熙「睛局p.109

C.在聚碳酸■上汉有^除的凹洞（洞）；凹洞和平地只是模

Wo要模悔凹洞和平地，需要多一^^似照相所用材料的

II外染料，加在反射屑舆聚碳酸■之

d.由CD燃金条械所■生的高功率雷射束造成染料上的一彳固黑

黑占，改螳其化^^造来模悔凹洞，未被雷射束擎中的显域即

悬平地。

中^取：CD-R可以被CD-ROM械器或CD-R檄器^取。

中格式舆速度：CD-R的格式、容量及速度，者B和CD-ROM

相同。

mfg用：CD-R道1直技徜谭寸於想要■生舆供愿少量光碟片的人

来就：，是非常具有吸引力的。竽寸於契作文件■案舆儒分也非

常有用。

@熙「睛局p.109

染料

雷射检测器雷射光源

H5.10裂作CD-R

@熙「睛局p.109

CD-RW

中一槿新型的碟片，稽卷可覆嘉光碟（compactdisk

rewritable；CD-RW）,有畤又稽熟可清除光碟。

中■生：CD-RW技所使用舆CD-R相同的原刖来■生光碟片

O

以下列出其差巽虑：

a.CD-RW技析使用金艮•、^和确的合金取代染料，此合金

具有雨他稳定状熊：结晶性（透明）和辗结晶性（不透明）。

b.此檄器使用高功率雷射来■生合金中模疑的凹洞（揩它优

结晶性改建成辗结晶性）。

@熙「睛局p.110

mHIX：此檄器使用如CD-ROM和CD-R相同形式的低功

率雷射光束，来横■凹洞和平地。

中清除：此械器使用中功率雷射光束揩凹洞改建成平地，此光

束揩一彳固位置优辗结晶状熊改建成结晶状也

中格式和速度：CD-RW的格式、容量和速度都舆CD-ROM

相同。

牛愿用：此技析■到比CD-R技析更具有吸引力。

@熙「睛局p.110

合金

雷射检测器雷射光源

H5.11裂作CD-RW

@熙「睛局p.110

DVD

电市埸上最新的光晕禄己，卜意醴信者存信殳儒是数位多功能光碟

(digitalversatiledisk；DVD)o它使用奥CD-ROM相同

的技析，除了下列的差累之虞：

a.DVD的凹洞敕小：直径0.4微米取代CD所用的0.8

微米。

b.磁孰彼此^更悬接近。

c.光束用系工光雷射取代系工外乐泉雷射。

d.DVD使用一至雨H的禄己金条而且可以是覃面或曼面。

@熙「睛局p.lll

中容量：

表5.3DVD容量

特性容量

罩面罩眉4.7GB

罩面曼眉8.5GB

曼面罩眉9.4GB

矍面曼眉17GB

mffi®：DVD技所使用MPEG来作屡缩，道表示一片罩面罩

屑的DVD能■保存133分/童高解析度的祝福及其亦包含了

磬音和字幕。

m用：DVD的高容量吸引了^多需要储存大量^料的愿用。

@熙「睛局p.lll

5.4子系统之互速

速接CPU

mCPU奥禄己卜意醴通常由三^^路速接，每一半同务泉路耦悬隆流排

（bus）:资料12流排、位址OS流排和控制OS流排。

菅料OS流扰

中^料OS流排（databus）^路的数目取'决於1十算械所使用字

^的大小，如果字^是32位元（4位元,同）,刖需要32

脩^路的^料隆流排，因此一彳固32位元的字^可以同日寺停

送。

@熙「睛局p.lll

H5.12使用三流排速接CPU

@熙「睛局p.ni

位址健流排

中位址OS流排(addressbus)允信午存取|己，|意醴中特定的字为也

位址12流排^路的数目取、决於标己1意醴位址空如果次己，卜意醴

有2」固字彳比位址OS流排必须有n保^路。

控制隆流排

畲控制OS流排(controlbus)在CPU舆禄己，|意醴之^^送聊给

inU控制OS流排所使用的^路数目取'决於标十算檄所需要的

命令之穗递攵量，如果一届十算械有2"“固控制勃作，即控制OS

流排需要m保余泉路。

@熙「睛局p.112

速结I/O

mi/o1殳儒不能直接速接到CPU和信己卜意醴的OS流排上，。I/O

il作的速度也速比CPU/^，I意醴慢，因此，需要一彳固媒

介来虞理中^的差昊。i/o1殳由翰入输出控制器

(input/outputcontroller)或介面(interface)而速接到［M流

排上，每一彳固I/O1殳儒有一彳固特殊的控制器。

中控制器或介面悯祷了I/OCPU和信己，卜意醴之性的

差昇。控制器可以是串列或加列目前有萋好重控制器在

使用中。IS在最常兄的是SCSI、FireWire和USBo

@熙「睛局p.112

CPU

H5.13速接I/O^^到IS流排

@熙「睛局p.112

SCSI

中小型重月母系统介面(smallcomputersysteminterface；

SCSI)最初是由Macintosh雷:月留於1984年所会展，今日

它已^被使用於^多系统之中。

mSCSI具有8、16或32保余泉路的加列介面，SCSI介面提

供雕菊^式(daisychained)的速接。雒菊^的雨端必须加上

-4固稀卷子咨端雷:阻的特殊^^来加以阻隔，而且每一

必须有一彳固唯一的位址(目檄ID)o

@熙「睛局p.113

CPU

SCSI

控制器

—冬端t阻

ID=5ID=3ID=4ID=2

磁带系冬端重阻

磁碟械CD-ROMESti

[ffl5.14SCSI控制器

@熙「睛局p.113

FireWire

mIEEE檄型1394定羲一彳固串列介面通穗悬火乐泉

(FireWire)o它是一彳固以封包停送资料的高速串列介面，

最高停送速率可逵50MB/sec,在最近的版本甚至是其雨倍

的速率。

中它可以用雕菊^方式或树状速结方式(只用一僚速系/泉)速

接多逵63彳固禄殳儒，它不需要像SCSI控制器中使用方底端雷:

阻。

@熙「睛局p.113

CPUlettw

FireWire

捕瞄器控制器印表檄

磁碟檄磁带械CD-ROMDVD数位相械

H5.15FireWire控制器

@熙「睛局p.114

USB

中通用串列IS流排（UniversalSerialBus；USB）是一彳固串列

控制器，用来速接慢速和快速的割靖到圆窗造流怫

mUSB控制器也穗卷根集乐泉器（roothub）。USB-2（USB

2.0版）容^多逵127他信殳儒使用一槿^似树状技析速接到

USB控制器，其中控制器视悬树根，集^器卷中^^黑占，而

^端^黑占。此控制器（根集^器）奥其他集^器之差

昇在於此控制器知道在树状结横中其他集^器的存在，但其

他集^器卷被重髭殳儒，只能曾罩地停遮宜料。

@熙「睛局p.113

CPU8B1SS1

ffl5.16USB控制器

@熙「睛局p.114

mI殳儒可以很容易地优树状^^中移除或加入，而不必尼曷^雷:

月留雷:源，道耦卷可热插拔(hot-swappable)。富一他集^器

优系统中被移除畤，速结到此集^器的所有^^和其他集彳泉

器也一侨被移除。

中USB使用一彳固四^的排・泉其中(+5伏特奥接地)

用来提供雷:源*台低耗雷1殳彳篇例如建坐或滑鼠；高耗雷1殳儒

需要速接到II外雷:源。集^器优os流排取得雷:源加能提供雷:

源彳合低耗雷1殳儒。另外雨修^觥交在一起以降低辘用来

停遮资料、位址和控制虢。

@熙「睛局p.115

令USB-2提供三槿资料傅翰率：L5Mbps（每秒百离位元）、

12Mbps和480Mbpso

⑥^料在USB上以封包形式俾遮。每他的包包含位址部分

第殳^^别符虢）、控制部分和停遮到后始殳儒的部分^料。

所有曾收到相同的封包，但是只有具有封包中所定羲

的位址之^儒曾接受常亥封包。

@欧克善局p.115

定址事俞人事前出梳殳儒

杀CPU通常使用相同的逼流排蒋亶取或富入瓷料到主割意醴和

I/O如果指令叁考到标出1意醴中的字组，刖^料的傅翰是

在主福出1意醴舆CPU之鼠如果指令指定一彳固本俞入输出■殳儒

,刖^料的傅翰是在输入输出^^舆CPU之虞理输入

输出^^的定址有雨槿方法：蜀立式I/O舆言己卜意醴却1央

I/O。

@熙「睛局p.115

蜀立式I/O

杀在鬼立式I/O(isolatedI/O)的方法中，用言己|意醴

的指令完全不同於用来^嘉翰入输出^儒的指令。逅些指

令有^控制、^取和嘉入输入输出^儒。每一他输入

输出^^有自己的位址，翰入输出位址可以舆禄己，卜意醴的位址

重叠而不曾模棱雨可，因卷指令本身就不相同。例如，CPU

使用命令「Read101」^取信己，卜意醴字^101,也可以使用命

令rinput101J^^取事俞人本俞出信殳儒101o

@熙「睛局p.115

CPU

101

控制器

H5.17蜀立式I/O定址

@熙「睛局p.l16

意醴到映i/o

中在标己I'意醴轲映I/O(memory-mappedI/O)的方法

中，CPU揩输入输出控制器中的每一他暂存器视卷信日|意醴

的字系也换言之，CPU加汉有不同的指令来辨别优春已卜意醴或

是输入输出^^傅翰资料。例如，只有一彳固rReadJ指令

中福出1意醴轲映I/O*小熊的侵黑占是指令数量敕少，所有1出I意醴指

令可以被事俞入输出^^使用；其缺黑占是禄己，1意醴的部分位址空

^被配置余合输入输出控制器中的暂存器。

@熙「睛局p.l16

控制器

H5.18|已卜意醴轲映I/O定址

@熙「睛局p.l16

5.5程式之宰丸行

中在今日，通用型^算檄、使用一^指令穗悬程式来虞理瓷料。

^算檄'幸丸行程式以便优输入的资料■生出输出的资料，程式

舆^料雨者均信者存在|己，卜意醴之中。

mCPU使用重禊的械器遇期(machinecycles)来幸丸行程式中

的指令，一彳固接一彳固地^^始到结束。一彳固曾化的遇期由三

彳固P皆段所系同成：履取、解礁和幸丸行。

畲在履取(fetch)的P皆段中，控制军元命令系统禊裂下一彳固指

令到CPU的指令暂存器中，要被禊裂指令的位址是存在程

式^^器中。在禊裂之彳身程式^^器曾遮增以便指到标出卜意

醴中的下一彳固指令。

@熙「睛局p.117

H5.19遇期的步骤

@熙「睛局p.117

中遇期中第二彳固隋段是解礁（decode）P皆段。富指令被■取到

指令暂存器彳身曾由控制军元加以解碣。此解礁P皆段的结果

是招由系统幸丸行某一^算的二迤位礁。

中在指令解碉之彳身控制罩元送出工作命令到CPU中的^成

元件。例如，控制军元能告知系统优胡意醴载入（1亶取）一

^料J瓦或CPU告知ALU揩刖彳固输入暂存器的内容相加

,她且揩结果放入输出暂存器中，道就是幸丸行（execute）步

牌。

@熙「睛局p.117

mCPU的建作必须以某槿方法奥小俞入输出^^连到同步。已

司整有三槿方法被信殳禄十来逵成同步：程式化I/O、中断胆事力

I/O及直接意存取(DMA)。

程式化I/O

中在程式化I/O(programmedI/O)的方法中，同步是非常曾

军的。I/O^^奥CPU之^的菅料俾送是由程式中的指令

所完成，富CPU幸丸行一他I/O指令，直到^料停送完成之

前CPU不作任何事力作。CPU不郃常地检■I/O1殳彳蒲的状

熊：如果^儒已^^儒好停送，刖资料就停送到CPU。

@熙「睛局p.118

程式中

下一指令

H5.20程式化I/O

@熙「睛局p.118

中断驰勃I/O

中在中重力I/O(interrupt-drivenI/O)的方法中，CPU通

知I/O1殳儒即揩会生资料俾送，富I/O1殳儒已举儒好畤曾通

知(中新)CPUO

中在此方法之中，CPU畤^未被浪费掉——富慢速I/OI殳儒

正在完成工作期CPU能■幸丸行其他工作。

@熙「睛局p.118

@熙「睛局p.119

直接禄出卜意醴存取

中第三彳固俾输资料的方法是直接后己，卜意醴存取(directmemory

access；DMA)o此方法直接傅翰一大展现的^料於高速

I/O例如磁碟和信由意醴之而且^料俾翰不^谩

CPU,适需要一彳固DMA控制器来此馨CPU的某些功能。

DMA控制器具有暂存器，以便在福出1意醴傅翰之前舆之彳受保存

一彳固国土鬼的资料。

中使用此方法做一他I/O勃作，CPU要停送一彳固信息系合

DMA。此信息包含有傅事俞^型便俞入或本俞出)、郎出1意醴位置

之起始位址，和要俾翰的位元^数目，然彳麦CPU可以做其

他工作。

@熙「睛局p.119

CPUletssi

磁碟

H5.22DMA速接到一般El流排

@熙「睛局p.120

1\

^始—遇到I/O指令

做其他事但、

登出I/O命令

畲盛督中i斤

中新（DMA津倩做资料傅事俞）

释放隆流排存取，

等待

5J等待DMA完成

中断（DMA完成资料傅事俞）

程式中

停止

下一指令H5.23DMA事俞人本俞出

@熙「睛局p.120

5.6雨槿不同的架情

CISC

mCISC(彝音sisk)表示禊巢隹指令集雷:月窗(complex

instructionsetcomputer；CISC)。CISC具有一彳固大的指令

集，包括禊辘的指令。在CISC雷:月窗上摆嘉程式比在其他^

^的雷:月惜要容易得多，因熟豺於曾军或禊巢隹的工作都只要一

他指令即可。

中指令集的禊辘度造成了CPU的雷:路及控制罩元非常福?佬

CISC架横的信殳^者已^找出解'决方法来降低其禊生隹度：程式

规副分雨彳固陷段完成。

@熙「睛局p.121

mCPU只幸丸行曾罩的微建算(microoperation),一彳固穆辘指

令先醇换成一^曾军的微^算，再由CPU加以幸丸行。因此

需要增加一他特殊官日意醴耦卷微信川意醴(micromemory),

以保存指令集中每一他禊辘指令的一^微^算。道槿使用微

建算的程式规剥的形式耦卷微程式规副

(microprogramming)。

mCISC架情的缺黑占之一是微程式规副所需的醺外畤^舆存取微

信己，|意醴的畤

@熙「睛局p.121

RISC

mRISC(彝音risk)表示精曾指令集雷:膈(reduced

instructionsetcomputer；RISC)。RISC背彳麦的策略是要具

有一彳固小的指令集以便轨行最少篡攵目的曾军^算，而禊辘指

令是用曾单指令的子集合加以模悔。

中在RISC雷:月留上度瘾程式比在另一槿1殳|十的雷:月留要更加困

以及更加耗日寺，肉卷大部分的禊辘指令是用曾军指令模雅得

到的。

@熙「睛局p.121

管^^理

中代的^算械使用一槿耦悬管彳泉虑理(pipelining)的技析来

增迤其■量(throughput；军位畤^内所幸丸行指令的穗递攵

量)。道他想法是基於如果控制罩元能■同畤幸丸行二或三彳固

P皆段，即下一指令可以在前一指令完成之前就^始幸丸行。

中@5.24bII示管吊疑虑理如何能•增迤^算械的■量，第一他

^算檄在特定期^内平均要幸丸行9他陷段，而管乐泉化的^算

械在相同的畤冏内可以幸丸行24彳固陷段。如果假信殳每彳固陷段

使用相同的畤^量，即第一彳固^算械完成了9/3=3他指令

,而第二彳固^算械完成了24/3=8他指令，■量因而增加了

8/3或266%。

@熙「睛局p.121

指令1指令2指令3

K------------------HH--------------------------AK------------------H

撷取1解礁幸丸行撷取II解碣1幸丸行撷取解码1幸丸行1

日寺^