計(jì)算機(jī)組成原理重點(diǎn)整理(白中英版)(共21頁)
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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 浮點(diǎn)存儲(chǔ): 1.若浮點(diǎn)數(shù)x的754標(biāo)準(zhǔn)存儲(chǔ)格式為()16,求其浮點(diǎn)數(shù)的十進(jìn)制數(shù)值。 解:將16進(jìn)制數(shù)展開后,可得二制數(shù)格式為 0 100 00010011 0110 0000 0000 0000 0000 S 階碼(8位) 尾數(shù)(23位) 指數(shù)e=階碼-127=-==(3)10 包括隱藏位1的尾數(shù) 1.M=1.011 0110 0000 0000 0000 0000=1. 于是有 x=(-1)S1.M2e=+(1.)23=+1011.011
2、=(11.375)10 2. 將數(shù)(20.59375)10轉(zhuǎn)換成754標(biāo)準(zhǔn)的32位浮點(diǎn)數(shù)的二進(jìn)制存儲(chǔ)格式。 解:首先分別將整數(shù)和分?jǐn)?shù)部分轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù): 20.59375=10100.10011 然后移動(dòng)小數(shù)點(diǎn),使其在第1,2位之間 10100.10011=1.24 e=4于是得到: S=0, E=4+127=131, M= 最后得到32位浮點(diǎn)數(shù)的二進(jìn)制存儲(chǔ)格式為: =(41A4C000)16 3. 假設(shè)由S,E,M三個(gè)域組成的一個(gè)32位二進(jìn)制字所表示的非零規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)x,真值表示為(非IEEE754標(biāo)準(zhǔn)):x=(-1
3、)s(1.M)2E-128 問:它所表示的規(guī)格化的最大正數(shù)、最小正數(shù)、最大負(fù)數(shù)、最小負(fù)數(shù)是多少? (1)最大正數(shù) 0 1111 1111 111 1111 1111 1111 1111 1111 x=[1+(1-2-23)]2127 (2)最小正數(shù) 000 000 000 000 000 000 000 000 00 x=1.02-128 (3)最小負(fù)數(shù) 111 111 111 111 111 111 111 111 11 x=-[1+(1-2-23)]2127 (4)最大負(fù)數(shù) 100 000 000 000 000 000 000 000 00 x
4、=-1.02-128 4.用源碼陣列乘法器、補(bǔ)碼陣列乘法器分別計(jì)算xXy。 (1)x=11000 y=11111 (2) x=-01011 y=11001 (1)原碼陣列 x = 0.11011, y = -0.11111 符號(hào)位: x0⊕y0 = 0⊕1 = 1 [x]原 = 11011, [y]原 = 11111 1 1 0 1 1 * 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0
5、 1 0 0 0 1 0 1 [x*y]原 = 1, 11 0100 0101 帶求補(bǔ)器的補(bǔ)碼陣列 [x]補(bǔ) = 0 11011, [y]補(bǔ) = 1 00001 乘積符號(hào)位單獨(dú)運(yùn)算0⊕1=1 1 1 0 1 1 * 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 尾數(shù)部分算前求補(bǔ)輸出│X│=11011,│y│=11111 XY=-0. (2) 原碼陣列
6、x = -0.11111, y = -0.11011 符號(hào)位: x0⊕y0 = 1⊕1 = 0 [x]補(bǔ) = 11111, [y]補(bǔ) = 11011 1 1 1 1 1 *1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 [x*y]補(bǔ) = 0,11010,00101 帶求補(bǔ)器的補(bǔ)碼陣列 [x]補(bǔ) = 1 00001, [y]補(bǔ) = 1 00101 乘積符號(hào)位單獨(dú)運(yùn)算1⊕1=0
7、 尾數(shù)部分算前求補(bǔ)輸出│X│=11111,│y│=11011 1 1 1 1 1 *1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 XY=0. 5. 計(jì)算浮點(diǎn)數(shù)x+y、x-y x = 2-101*(-0.), y = 2-100*0. [x]浮= 11011,-0. [y]浮= 11100,0. Ex-Ey = 11011+00100 = 11111
8、[x]浮= 11100,1.(0) x+y 1 1. 1 1 0 1 0 1 + 0 0. 0 1 0 1 1 0 0 0. 0 0 1 0 1 1 規(guī)格化處理: 0. 階碼 11010 x+y= 0.*2-6 x-y 1 1.1 1 0 1 0 1 + 1 1.1 0 1 0 1 0 1 1.0 1 1 1 1 1 規(guī)格化處理: 1. 階碼 11100
9、x-y=-0.*2-4 6. 設(shè)過程段 Si所需的時(shí)間為τi,緩沖寄存器的延時(shí)為τl,線性流水線的時(shí)鐘周期定義為 τ=max{τi}+τl=τm+τl 流水線處理的頻率為 f=1/τ。 一個(gè)具有k 級(jí)過程段的流水線處理 n 個(gè)任務(wù)需要的時(shí)鐘周期數(shù)為Tk=k+(n-1), 所需要的時(shí)間為: T=Tk τ 而同時(shí),順序完成的時(shí)間為:T=nkτ k級(jí)線性流水線的加速比: *Ck = TL = nk Tk k+(n-1) 內(nèi)部存儲(chǔ)器 *閃存:高性能、低功耗、高可靠性以及移動(dòng)性 編程操作:實(shí)際上是寫操作。所有存儲(chǔ)元的原始
10、狀態(tài)均處“1”狀態(tài),這是因?yàn)椴脸僮鲿r(shí)控制柵不加正電壓。編程操作的目的是為存儲(chǔ)元的浮空柵補(bǔ)充電子,從而使存儲(chǔ)元改寫成“0”狀態(tài)。如果某存儲(chǔ)元仍保持“1”狀態(tài),則控制柵就不加正電壓。如圖(a)表示編程操作時(shí)存儲(chǔ)元寫0、寫1的情況。實(shí)際上編程時(shí)只寫0,不寫1,因?yàn)榇鎯?chǔ)元擦除后原始狀態(tài)全為1。要寫0,就是要在控制柵C上加正電壓。一旦存儲(chǔ)元被編程,存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)可保持100年之久而無需外電源。 讀取操作:控制柵加上正電壓。浮空柵上的負(fù)電荷量將決定是否可以開啟MOS晶體管。如果存儲(chǔ)元原存1,可認(rèn)為浮空柵不帶負(fù)電,控制柵上的正電壓足以開啟晶體管。如果存儲(chǔ)元原存0,可認(rèn)為浮空柵帶負(fù)電,控制柵上的正電壓不足以克
11、服浮動(dòng)?xùn)派系呢?fù)電量,晶體管不能開啟導(dǎo)通。當(dāng)MOS晶體管開啟導(dǎo)通時(shí),電源VD提供從漏極D到源極S的電流。讀出電路檢測到有電流,表示存儲(chǔ)元中存1,若讀出電路檢測到無電流,表示存儲(chǔ)元中存0,如圖(b)所示。 擦除操作:所有的存儲(chǔ)元中浮空柵上的負(fù)電荷要全部洩放出去。為此晶體管源極S加上正電壓,這與編程操作正好相反,見圖(c)所示。源極S上的正電壓吸收浮空柵中的電子,從而使全部存儲(chǔ)元變成1狀態(tài)。 *cache:設(shè)存儲(chǔ)器容量為32字,字長64位,模塊數(shù)m=4,分別用順序方式和交叉方式進(jìn)行組織。存儲(chǔ)周期T=200ns,數(shù)據(jù)總線寬度為64位,總線傳送周期=50ns。若連續(xù)讀出4個(gè)字,問順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)
12、器的帶寬各是多少? 解:順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器連續(xù)讀出m=4個(gè)字的信息總量都是: q=64b4=256b 順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器連續(xù)讀出4個(gè)字所需的時(shí)間分別是: t2=mT=4200ns=800ns=810-7s t1=T+(m-1)=200ns+350ns=350ns=3510-7s 順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器的帶寬分別是: W2=q/t2=256b(810-7)s=320Mb/s W1=q/t1=256b(3510-7)s=730Mb/s *CPU執(zhí)行一段程序時(shí),cache完成存取的次數(shù)為1900次,主存完成存取的次數(shù)為100次,已知cache存取周期為50n
13、s,主存存取周期為250ns,求cache/主存系統(tǒng)的效率和平均訪問時(shí)間。 解: h=Nc/(Nc+Nm)=1900/(1900+100)=0.95 r=tm/tc=250ns/50ns=5 e=1/(r+(1-r)h)=1/(5+(1-5)0.95=83.3% ta=tc/e=50ns/0.833=60ns *存儲(chǔ)器:已知某64位機(jī)主存采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器,其地址碼為26位,若使用256K16位的DRAM芯片組成該機(jī)所允許的最大主存空間,并選用模塊板結(jié)構(gòu)形式,問: (1) 每個(gè)模塊板為1024K64位,共需幾個(gè)模塊板? (2) 個(gè)模塊板內(nèi)共有多少DRAM芯片?
14、 (3)主存共需多少DRAM芯片? CPU如何選擇各模塊板? (1) (2) 每個(gè)模塊要16個(gè)DRAM芯片 (3)64*16 = 1024塊 由高位地址選模塊 *用16K8位的DRAM芯片組成64K32位存儲(chǔ)器,要求: (1) 畫出該存儲(chǔ)器的組成邏輯框圖。 (2) 設(shè)存儲(chǔ)器讀/寫周期為0.5μS, CPU在1μS內(nèi)至少要訪問一次。試問采用哪種刷新方式比較合理?兩次刷新的最大時(shí)間間隔是多少?對(duì)全部存儲(chǔ)單元刷新一遍所需的實(shí)際刷新時(shí)間是多少? 解:(1)根據(jù)題意,存儲(chǔ)總?cè)萘繛?4KB,故地址總線需16位。現(xiàn)使用16K*8位DRAM芯片,共需16片。芯片本身地址線占14位,所以采
15、用位并聯(lián)與地址串聯(lián)相結(jié)合的方法來組成整個(gè)存儲(chǔ)器,其組成邏輯圖如圖所示,其中使用一片2:4譯碼器。 (2)根據(jù)已知條件,CPU在1us內(nèi)至少訪存一次,而整個(gè)存儲(chǔ)器的平均讀/寫周期為0.5us,如果采用集中刷新,有64us的死時(shí)間,肯定不行如果采用分散刷新,則每1us只能訪存一次,也不行所以采用異步式刷新方式。假定16K*1位的DRAM芯片用128*128矩陣存儲(chǔ)元構(gòu)成,刷新時(shí)只對(duì)128行進(jìn)行異步方式刷新,則刷新間隔為2ms/128 = 15.6us,可取刷新信號(hào)周期15us。刷新一遍所用時(shí)間=15us128=1.92ms 指令系統(tǒng) *某計(jì)
16、算機(jī)字長16位,主存容量為64K字,采用單字長單地址指令,共有40條指令,試采用直接、立即、變址、相對(duì)四種尋址方式設(shè)計(jì)指令格式。 解:40條指令需占用操作碼字段(OP)6位,這樣指令余下長度為10位。為了覆蓋主存640K字的地 址空間,設(shè)尋址模式(X)2位,形式地址(D)8位,其指令格式如下: 尋址模式定義如下: X= 0 0 直接尋址 有效地址 E=D(直接尋址為256個(gè)存儲(chǔ)單元) X= 0 1 立即尋址 D字段為操作數(shù) X= 1 0 變址尋址 有效地址 E= (RX)+D (可尋址64K個(gè)存儲(chǔ)單元) X= 1 1 相對(duì)尋址 有效地址
17、E=(PC)+D (可尋址64K個(gè)存儲(chǔ)單元) 其中RX為變址寄存器(16位),PC為程序計(jì)數(shù)器(16位),在變址和相對(duì)尋址時(shí),位移量D可正可負(fù)。 四、CPU *微指令:直接表示法特點(diǎn): 這種方法結(jié)構(gòu)簡單,并行性強(qiáng),操作速度快,但是微指令字太長,若微命令的總數(shù)為N個(gè),則微指令字的操作控制字段就要有N位。另外,在N個(gè)微命令中,有許多是互斥的,不允許并行操作,將它們安排在一條微指令中是毫無意義的,只會(huì)使信息的利用率下降。 *編碼表示法特點(diǎn):可以避免互斥,使指令字大大縮短,但增加了譯碼電路,使微程序的執(zhí)行速度減慢 * 編碼注意幾點(diǎn):字段編碼法中操作控制字段并非是任意的,必須要遵
18、循如下的原則: ①把互斥性的微命令分在同一段內(nèi),兼容性的微命令分在不同段內(nèi)。這樣不僅有助于提高信息的利用率,縮短微指令字長,而且有助于充分利用硬件所具有的并行性,加快執(zhí)行的速度。 ②應(yīng)與數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。 ③每個(gè)小段中包含的信息位不能太多,否則將增加譯碼線路的復(fù)雜性和譯碼時(shí)間。 ④一般每個(gè)小段還要留出一個(gè)狀態(tài),表示本字段不發(fā)出任何微命令。因此當(dāng)某字段的長度為三位時(shí),最多只能表示七個(gè)互斥的微命令,通常用000表示不操作。 *水平型微指令和垂直型微指令的比較 (1)水平型微指令并行操作能力強(qiáng),效率高,靈活性強(qiáng),垂直型微指令則較差。 (2)水平型微指令執(zhí)行一條指令的時(shí)間短,垂直
19、型微指令執(zhí)行時(shí)間長。 (3)由水平型微指令解釋指令的微程序,有微指令字較長而微程序短的特點(diǎn)。垂直型微指令則相反。 (4)水平型微指令用戶難以掌握,而垂直型微指令與指令比較相似,相對(duì)來說,比較容易掌握。 *微地址寄存器有6位(μA5-μA0),當(dāng)需要修改其內(nèi)容時(shí),可通過某一位觸發(fā)器的強(qiáng)置端S將其置“1”?,F(xiàn)有三種情況: (1)執(zhí)行“取指”微指令后,微程序按IR的OP字段(IR3-IR0)進(jìn)行16路分支; (2)執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令微程序時(shí),按進(jìn)位標(biāo)志C的狀態(tài)進(jìn)行2路分支; (3)執(zhí)行控制臺(tái)指令微程序時(shí),按IR4,IR5的狀態(tài)進(jìn)行4路分支。 請(qǐng)按多路轉(zhuǎn)移方法設(shè)計(jì)微地址轉(zhuǎn)移邏輯
20、。 答:按所給設(shè)計(jì)條件,微程序有三種判別測試,分別為P1,P2,P3。 由于修改μA5-μA0內(nèi)容具有很大靈活性,現(xiàn)分配如下: (1)用P1和IR3-IR0修改μA3-μA0; (2)用P2和C修改μA0; (3)用P3和IR5,IR4修改μA5,μA4。 另外還要考慮時(shí)間因素T4(假設(shè)CPU周期最后一個(gè)節(jié)拍脈沖),故轉(zhuǎn)移邏輯表達(dá)式如下: μA5=P3IR5T4 μA4=P3IR4T4 μA3=P1IR3T4 μA2=P1IR2T4 μA1=P1IR1T4 μA0=P1IR0T4+P2CT4 由于從觸發(fā)器強(qiáng)置端修改,故前5個(gè)表達(dá)式可用“
21、與非”門實(shí)現(xiàn),最后一個(gè)用“與或非”門實(shí)現(xiàn)。 *某機(jī)有8條微指令I(lǐng)1-I8,每條微指令所包含的微命令控制信號(hào)如下表所示。 a-j分別對(duì)應(yīng)10種不同性質(zhì)的微命令信號(hào)。假設(shè)一條微指令的控制字段為8位,請(qǐng)安排微指 令的控制字段格式。 解:經(jīng)分析,(d, i, j)和(e, f, h)可分別組成兩個(gè)小組或兩個(gè)字段,然后進(jìn)行譯碼,可得六個(gè)微命令信號(hào),剩下的a, b, c, g四個(gè)微命令信號(hào)可進(jìn)行直接控制,其整個(gè)控制字段組成如下: *流水線(IF Instruction Fetch取指 ID Instruction Decode指令譯碼 EX Execution執(zhí)
22、行 WB 結(jié)果寫回) *今有4級(jí)流水線分別完成取值、指令譯碼并取數(shù)、運(yùn)算、送結(jié)果四步操作, 今假設(shè)完成各步操作的時(shí)間依次為100ns,100ns,80ns,50ns。 請(qǐng)問:(1)流水線的操作周期應(yīng)設(shè)計(jì)為多少? (2)若相鄰兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān),而且在硬件上不采取措施,那么第二條指令要推遲多少時(shí)間進(jìn)行。 (3)如果在硬件設(shè)計(jì)上加以改進(jìn),至少需推遲多少時(shí)間? 解: (1)流水線的操作周期應(yīng)按各步操作的最大時(shí)間來考慮,即流水線時(shí)鐘周期性 (2)遇到數(shù)據(jù)相關(guān)時(shí),就停頓第2條指令的執(zhí)行,直到前面指令的結(jié)果已經(jīng)產(chǎn)生,因此至少需要延遲2個(gè)時(shí)鐘周期。
23、 (3)如果在硬件設(shè)計(jì)上加以改進(jìn),如采用專用通路技術(shù),就可使流水線不發(fā)生停頓。 五、總線總線定義:總線是構(gòu)成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的互聯(lián)機(jī)構(gòu),是多個(gè)系統(tǒng)功能部件之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送的公共通路。借助于總線連接,計(jì)算機(jī)在各系統(tǒng)功能部件之間實(shí)現(xiàn)地址、數(shù)據(jù)和控制信息的交換,并在爭用資源的基礎(chǔ)上進(jìn)行工作。 總線分類: 內(nèi)部總線:CPU內(nèi)部連接各寄存器及運(yùn)算器部件之間的總線。 系統(tǒng)總線:CPU和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中其他高速功能部件相互連接的總線。 I/O總線:CPU和中低速I/O設(shè)備相互連接的總線。 總線特性: 物理特性:總線的物理連接方式(根數(shù)、插頭、插座形狀、引腳排列方式等)。 功能特性:每根線的功能。電氣特性
24、:每根線上信號(hào)的傳遞方向及有效電平范圍。時(shí)間特性:規(guī)定了每根總線在什么時(shí)間有效。 總線帶寬:總線帶寬定義為總線本身所能達(dá)到的最高傳輸速率,它是衡量總線性能的重要指標(biāo)。 cpu 北橋 pci 南橋 isa 之間相互連通 通過橋CPU總線、系統(tǒng)總線和高速總線彼此相連。橋?qū)嵸|(zhì)上是一種具有緩沖、轉(zhuǎn)換、控制功能的邏輯電路。 多總線結(jié)構(gòu)體現(xiàn)了高速、中速、低速設(shè)備連接到不同的總線上同時(shí)進(jìn)行工作,以提高總線的效率和吞吐量,而且處理器結(jié)構(gòu)的變化不影響高速總線。 整個(gè)總線分為:數(shù)據(jù)傳送總線:由地址線、數(shù)據(jù)線、控制線組成。其結(jié)構(gòu)與簡單總線相似,但一般是32條地址線,32或64條數(shù)據(jù)線。為了減少布線,64位
25、數(shù)據(jù)的低32位數(shù)據(jù)線常常和地址線采用多路復(fù)用方式。仲裁總線:包括總線請(qǐng)求線和總線授權(quán)線。中斷和同步總線:用于處理帶優(yōu)先級(jí)的中斷操作,包括中斷請(qǐng)求線和中斷認(rèn)可線。公用線:包括時(shí)鐘信號(hào)線、電源線、地線、系統(tǒng)復(fù)位線以及加電或斷電的時(shí)序信號(hào)線等。 接口的典型功能:控制、緩沖、狀態(tài)、轉(zhuǎn)換、整理、程序中斷。 總線的傳輸過程:串行傳送:使用一條傳輸線,采用脈沖傳送。主要優(yōu)點(diǎn)是只需要一條傳輸線,這一點(diǎn)對(duì)長距離傳輸顯得特別重要,不管傳送的數(shù)據(jù)量有多少,只需要一條傳輸線,成本比較低廉。缺點(diǎn)就是速度慢。并行傳送:每一數(shù)據(jù)位需要一條傳輸線,一般采用電位傳送。分時(shí)傳送:總線復(fù)用或是共享總線的部件分時(shí)使用總線。 *
26、總線的信息傳送過程:請(qǐng)求總線、總線仲裁、尋址、信息傳送、狀態(tài)返回。 總線數(shù)據(jù)傳送模式:讀、寫操作:讀操作是由從方到主方的數(shù)據(jù)傳送;寫操作是由主方到從方的數(shù)據(jù)傳送。塊傳送操作:只需給出塊的起始地址,然后對(duì)固定塊長度的數(shù)據(jù)一個(gè)接一個(gè)地讀出或?qū)懭?。?duì)于CPU(主方)存儲(chǔ)器(從方)而言的塊傳送,常稱為猝發(fā)式傳送,其塊長一般固定為數(shù)據(jù)線寬度(存儲(chǔ)器字長)的4倍。寫后讀、讀修改寫操作:這是兩種組合操作。只給出地址一次(表示同一地址),或進(jìn)行先寫后讀操作,或進(jìn)行先讀后寫操作。廣播、廣集操作:一般而言,數(shù)據(jù)傳送只在一個(gè)主方和一個(gè)從方之間進(jìn)行。但有的總線允許一個(gè)主方對(duì)多個(gè)從方進(jìn)行寫操作,這種操作稱為廣播。與廣
27、播相反的操作稱為廣集,它將選定的多個(gè)從方數(shù)據(jù)在總線上完成AND或OR操作,用以檢測多個(gè)中斷源。 菊花鏈方式優(yōu)先級(jí)判決邏輯電路圖 獨(dú)立請(qǐng)求方式優(yōu)先級(jí)判別邏輯電路圖 *橋:在PCI總線體系結(jié)構(gòu)中有三種橋。其中HOST橋又是PCI總線控制器,含有中央仲裁器。橋起著重要的作用,它連接兩條總線,使彼此間相互通信。橋又是一個(gè)總線轉(zhuǎn)換部件,可以把一條總線的地址空間映射到另一條總線的地址空間上,從而使系統(tǒng)中任意一個(gè)總線主設(shè)備都能看到同樣的一份地址表。 橋本身的結(jié)構(gòu)可以十分簡單,如只有信號(hào)緩沖能力和信號(hào)電平轉(zhuǎn)換邏輯,也可以相當(dāng)復(fù)雜,如有規(guī)程轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)快存、裝拆數(shù)據(jù)等。 *(1)某總線在一
28、個(gè)總線周期中并行傳送4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù),假設(shè)一個(gè)總線周期等于一個(gè)總線時(shí)鐘周期,總線時(shí)鐘頻率為33MHz,總線帶寬是多少? (2)如果一個(gè)總線周期中并行傳送64位數(shù)據(jù),總線時(shí)鐘頻率升為66MHz,總線帶寬是多少? 解:(1)設(shè)總線帶寬用Dr表示,總線時(shí)鐘周期用T=1/f表示,一個(gè)總線周期傳送的數(shù)據(jù)量用D表示,根據(jù)定義可得 Dr=D/T=D(1/T)=Df=4B33106/s=132MB/s (2)64位=8B Dr=Df=8B66106/s=528MB/s *總線的一次信息傳送過程大致分哪幾個(gè)階段?若采用同步定時(shí)協(xié)議,請(qǐng)畫出 讀數(shù)據(jù)的同步時(shí)序圖。 總線的一次信息傳送過程,
29、大致可分為:請(qǐng)求總線,總線仲裁,尋址,信息傳送,狀態(tài)返回。 20. 70*8 = 560MHz/s *總線仲裁:按照總線仲裁電路的位置不同,仲裁方式分為集中式和分布式兩種。 集中式仲裁有三種:鏈?zhǔn)讲樵兎绞剑弘x中央仲裁器最近的設(shè)備具有最高優(yōu)先權(quán),離總線控制器越遠(yuǎn),優(yōu)先權(quán)越低。優(yōu)點(diǎn):只用很少幾根線就能按一定優(yōu)先次序?qū)崿F(xiàn)總線控制,并且這種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)很容易擴(kuò)充設(shè)備。缺點(diǎn):是對(duì)詢問鏈的電路故障很敏感,優(yōu)先級(jí)固定。計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式:總線上的任一設(shè)備要求使用總線時(shí),通過BR線發(fā)出總線請(qǐng)求。中央仲裁器接到請(qǐng)求信號(hào)以后,在BS線為“0”的情況下讓計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)值通過一組地址線發(fā)向各設(shè)備。每個(gè)
30、設(shè)備接口都有一個(gè)設(shè)備地址判別電路,當(dāng)?shù)刂肪€上的計(jì)數(shù)值與請(qǐng)求總線的設(shè)備地址相一致時(shí),該設(shè)備 置“1”BS線,獲得了總線使用權(quán),此時(shí)中止計(jì)數(shù)查詢。 每次計(jì)數(shù)可以從“0”開始,也可以從中止點(diǎn)開發(fā)始。如果從“0”開始,各設(shè)備的優(yōu)先次序與鏈?zhǔn)讲樵兎ㄏ嗤?,?yōu)先級(jí)的順序是固定的。如果從中止點(diǎn)開始,則每個(gè)設(shè)備使用總線的優(yōu)級(jí)相等??煞奖愕母淖儍?yōu)先級(jí)。獨(dú)立請(qǐng)求方式:每一個(gè)共享總線的設(shè)備均有一對(duì)總線請(qǐng)求線BRi和總線授權(quán)線BGi。當(dāng)設(shè)備要求使用總線時(shí),便發(fā)出該設(shè)備的請(qǐng)求信號(hào)。總線仲裁器中有一個(gè)排隊(duì)電路,它根據(jù)一定的優(yōu)先次序決定首先響應(yīng)哪個(gè)設(shè)備的請(qǐng)求,給設(shè)備以授權(quán)信號(hào)BGi。獨(dú)立請(qǐng)求方式的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間快,即確定優(yōu)先
31、響應(yīng)的設(shè)備所花費(fèi)的時(shí)間少,用不著一個(gè)設(shè)備接一個(gè)設(shè)備地查詢。其次,對(duì)優(yōu)先次序的控制相當(dāng)靈活。它可以預(yù)先固定,例如BR0優(yōu)先級(jí)最高,BR1次之…BRn最低;也可以通過程序來改變優(yōu)先次序;還可以用屏蔽(禁止)某個(gè)請(qǐng)求的辦法,不響應(yīng)來自無效設(shè)備的請(qǐng)求。因此當(dāng)代總線標(biāo)準(zhǔn)普遍采用獨(dú)立請(qǐng)求方式。 優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間快,即確定優(yōu)先響應(yīng)的設(shè)備所花費(fèi)的時(shí)間少。對(duì)優(yōu)先次序的控制也是相當(dāng)靈活的。 分布式仲裁:不需要中央仲裁器,而是多個(gè)仲裁器競爭使用總線。當(dāng)它們有總線請(qǐng)求時(shí),把它們唯一的仲裁號(hào)發(fā)送到共享的仲裁總線上,每個(gè)仲裁器將仲裁總線上得到的號(hào)與自己的號(hào)進(jìn)行比較。如果仲裁總線上的號(hào)大,則它的總線請(qǐng)求不予響應(yīng),并撤消它
32、的仲裁號(hào)。最后,獲勝者的仲裁號(hào)保留在仲裁總線上。顯然,分布式仲裁是以優(yōu)先級(jí)仲裁策略為基礎(chǔ)。 *總線仲裁某CPU采用集中式仲裁方式,使用獨(dú)立請(qǐng)求與菊花鏈查詢相結(jié)合的二維總線控制結(jié)構(gòu)。每一對(duì)請(qǐng)求線BRi和授權(quán)線BGi組成一對(duì)菊花鏈查詢電路。每一根請(qǐng)求線可以被若干個(gè)傳輸速率接近的設(shè)備共享。當(dāng)這些設(shè)備要求傳送時(shí)通過BRi線向仲裁器發(fā)出請(qǐng)求,對(duì)應(yīng)的BGi線則串行查詢每個(gè)設(shè)備,從而確定哪個(gè)設(shè)備享有總線控制權(quán)。請(qǐng)分析說明圖6.14所示的總線仲裁時(shí)序圖。 解:從時(shí)序圖看出,該總線采用異步定時(shí)協(xié)議。 當(dāng)某個(gè)設(shè)備請(qǐng)求使用總線時(shí),在該設(shè)備所屬的請(qǐng)求線上發(fā)出申請(qǐng)信號(hào)BRi(1)。 CPU按優(yōu)先原則同意
33、后給出授權(quán)信號(hào)BGi作為回答(2)。 BGi鏈?zhǔn)讲樵兏髟O(shè)備,并上升從設(shè)備回答SACK信號(hào)證實(shí)已收到BGi信號(hào)(3)。 CPU接到SACK信號(hào)后下降BG作為回答(4)。 在總線“忙”標(biāo)志BBSY為“0”情況該設(shè)備上升BBSY,表示該設(shè)備獲得了總線控制權(quán),成為控制總線的主設(shè)備(5)。 在設(shè)備用完總線后,下降BBSY和SACK(6) 釋放總線。 在上述選擇主設(shè)備過程中,可能現(xiàn)行的主從設(shè)備正在進(jìn)行傳送。此時(shí)需等待現(xiàn)行傳送結(jié)束,即現(xiàn)行主設(shè)備下降BBSY信號(hào)后(7),新的主設(shè)備才能上升BBSY,獲得總線控制權(quán)。 *分布式仲裁示意圖 (1)所有參與本次競爭的各主設(shè)備將設(shè)備競爭號(hào)CN取反后
34、打到仲裁總線AB上,以實(shí)現(xiàn)“線或”邏輯。AB線低電平時(shí)表示至少有一個(gè)主設(shè)備的CNi為1,AB線高電平時(shí)表示所有主設(shè)備的CNi為0。 (2)競爭時(shí)CN與AB逐位比較,從最高位(b7)至最低位(b0)以一維菊花鏈方式進(jìn)行,只有上一位競爭得勝者Wi+1位為1。當(dāng)CNi=1,或CNi=0且ABi為高電平時(shí),才使Wi位為1。若Wi=0時(shí),將一直向下傳遞,使其競爭號(hào)后面的低位不能送上AB線。 (3)競爭不到的設(shè)備自動(dòng)撤除其競爭號(hào)。在競爭期間,由于W位輸入的作用,各設(shè)備在其內(nèi)部的CN線上保留其競爭號(hào)并不破壞AB線上的信息。 (4)由于參加競爭的各設(shè)備速度不一致,這個(gè)比較過程反復(fù)(自動(dòng))進(jìn)行,才有最后
35、穩(wěn)定的結(jié)果。競爭期的時(shí)間要足夠,保證最慢的設(shè)備也能參與競爭。 *總線周期類型 PCI總線周期由當(dāng)前被授權(quán)的主設(shè)備發(fā)起。PCI支持任何主設(shè)備和從設(shè)備之間點(diǎn)到點(diǎn)的對(duì)等訪問,也支持某些主設(shè)備的廣播讀寫。 存儲(chǔ)器讀/寫總線周期 存儲(chǔ)器寫和使無效周期 特殊周期 配置讀/寫周期 *PCI總線周期的操作過程有如下特點(diǎn): (1)采用同步時(shí)序協(xié)議??偩€時(shí)鐘周期以上跳沿開始,半個(gè)周期高電平,半個(gè)周期低電平??偩€上所有事件,即信號(hào)電平轉(zhuǎn)換出現(xiàn)在時(shí)鐘信號(hào)的下跳沿時(shí)刻,而對(duì)信號(hào)的采樣出現(xiàn)在時(shí)鐘信號(hào)的上跳沿時(shí)刻。 (2)總線周期由被授權(quán)的主方啟動(dòng),以幀F(xiàn)RAME#信號(hào)變?yōu)橛行碇甘疽粋€(gè)總線
36、周期的開始。 (3)一個(gè)總線周期由一個(gè)地址期和一個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù)期組成。在地址期內(nèi)除給出目標(biāo)地址外,還在C/BE#線上給出總線命令以指明總線周期類型。 (4)地址期為一個(gè)總線時(shí)鐘周期,一個(gè)數(shù)據(jù)期在沒有等待狀態(tài)下也是一個(gè)時(shí)鐘周期。一次數(shù)據(jù)傳送是在掛鉤信號(hào)IRDY#和TRDY#都有效情況下完成,任一信號(hào)無效(在時(shí)鐘上跳沿被對(duì)方采樣到),都將加入等待狀態(tài)。 (5)總線周期長度由主方確定。在總線周期期間FRAME#持續(xù)有效,但在最后一個(gè)數(shù)據(jù)期開始前撤除。即以FRAME#無效后,IRDY#也變?yōu)闊o效的時(shí)刻表明一個(gè)總線周期結(jié)束。由此可見,PCI的數(shù)據(jù)傳送以猝發(fā)式傳送為基
37、本機(jī)制,單一數(shù)據(jù)傳送反而成為猝發(fā)式傳送的一個(gè)特例。并且PCI具有無限制的猝發(fā)能力,猝發(fā)長度由主方確定,沒有對(duì)猝發(fā)長度加以固定限制。 (6)主方啟動(dòng)一個(gè)總線周期時(shí)要求目標(biāo)方確認(rèn)。即在FRAME#變?yōu)橛行Ш湍繕?biāo)地址送上AD線后,目標(biāo)方在延遲一個(gè)時(shí)鐘周期后必須以DEVSEL#信號(hào)有效予以響應(yīng)。否則,主設(shè)備中止總線周期。 (7)主方結(jié)束一個(gè)總線周期時(shí)不要求目標(biāo)方確認(rèn)。目標(biāo)方采樣到FRAME#信號(hào)已變?yōu)闊o效時(shí),即知道下一數(shù)據(jù)傳送是最后一個(gè)數(shù)據(jù)期。目標(biāo)方傳輸速度跟不上主方速度,可用TRDY#無效通知主方加入等待狀態(tài)時(shí)鐘周期。當(dāng)目標(biāo)方出現(xiàn)故障不能進(jìn)行傳輸時(shí),以STOP#信號(hào)有效通知主方中止總
38、線周期。 六、外圍設(shè)備 *磁盤組有6片磁盤,每片有兩個(gè)記錄面,最上最下兩個(gè)面不用。存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)徑22cm,外徑33cm,道密度為40道/cm,內(nèi)層位密度400位/cm,轉(zhuǎn)速6000轉(zhuǎn)/分。問: (1)共有多少柱面? (2)盤組總存儲(chǔ)容量是多少? (3)數(shù)據(jù)傳輸率多少? (4)采用定長數(shù)據(jù)塊記錄格式,直接尋址的最小單位是什么?尋址命令中如何表示磁盤地址? (5)如果某文件長度超過一個(gè)磁道的容量,應(yīng)將它記錄在同一個(gè)存儲(chǔ)面上,還是記錄在同一個(gè)柱面上? 解:(1)有效存儲(chǔ)區(qū)域=16.5-11=5.5(cm) 因?yàn)榈烂芏?40道/cm,所以4055=220道,即220個(gè)圓柱
39、面。 (2)內(nèi)層磁道周長為2πR=23.1411=69.08(cm) 每道信息量=400位/cm69.08cm=27632位=3454B 每面信息量=3454B220=B 盤組總?cè)萘?B10=B (3)磁盤數(shù)據(jù)傳輸率Dr=rN N為每條磁道容量,N=3454B r為磁盤轉(zhuǎn)速,r=6000轉(zhuǎn)/60秒=100轉(zhuǎn)/秒 Dr=rN=1003454B=B/s (4)采用定長數(shù)據(jù)塊格式,直接尋址的最小單位是一個(gè)記錄塊(一個(gè)扇區(qū)),每個(gè)記錄塊記錄固定字節(jié)數(shù)目的信息,在定長記錄的數(shù)據(jù)塊中,活動(dòng)頭磁盤組的編址方式可用如下格式: 此地址格式表示有4臺(tái)磁盤(2位),每臺(tái)有16個(gè)記
40、錄面/盤面(4位),每面有256個(gè)磁道(8位),每道有16個(gè)扇區(qū)(4位)。 (5)如果某文件長度超過一個(gè)磁道的容量,應(yīng)將它記錄在同一個(gè)柱面上,因?yàn)椴恍枰匦抡业?,?shù)據(jù)讀/寫速度快。 *某磁盤存貯器轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn) / 分,共有4個(gè)記錄面,每毫米5道,每道記錄信息為12288字節(jié),最小磁道直徑為230mm,共有275道。問: (1) 磁盤存貯器的容量是多少? (2) 最高位密度與最低位密度是多少? (3) 磁盤數(shù)據(jù)傳輸率是多少? (4) 平均等待時(shí)間是多少? (5) 給出一個(gè)磁盤地址格式方案。 解: (1) 每道記錄信息容量 = 12288字節(jié) 每個(gè)記錄面信息容量 = 275122
41、88字節(jié) 共有4個(gè)記錄面,所以磁盤存儲(chǔ)器總?cè)萘繛?: 4 27512288字節(jié) = 字節(jié) (2) 最高位密度D1按最小磁道半徑R1計(jì)算(R1 = 115mm): D1 = 12288字節(jié) / 2πR1 = 17字節(jié) / mm 最低位密度D2按最大磁道半徑R2計(jì)算: R2 = R1 + (275 5) = 115 + 55 = 170mm D2 = 12288字節(jié) / 2πR2 = 11.5 字節(jié) / mm (3) 磁盤傳輸率 C = r N r = 3000 / 60 = 50 周 / 秒 N = 12288字節(jié)(信
42、道信息容量) C = r N = 50 12288 = 字節(jié) / 秒 (4)平均等待時(shí)間 = 1/2r = 1 / (250) = 10毫秒 (5) 此地址格式表示有4臺(tái)磁盤,每臺(tái)有4個(gè)記錄面,每個(gè)記錄面最多可容納512個(gè)磁道,每道有16個(gè)扇區(qū)。 *有一臺(tái)磁盤機(jī),其平均尋道時(shí)間為了30ms,平均旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間為120ms,數(shù)據(jù)傳輸速率為500B/ms,磁盤機(jī)上存放著1000件每件3000B 的數(shù)據(jù)?,F(xiàn)欲把一件數(shù)據(jù)取走,更新后在放回原地,假設(shè)一次取出或?qū)懭胨钑r(shí)間為: 平均尋道時(shí)間+平均等待時(shí)間+數(shù)據(jù)傳送時(shí)間 另外,使用CPU更新信息所需時(shí)間為4ms,
43、并且更新時(shí)間同輸入輸出操作不相重疊。 試問: ?。?) 盤上全部數(shù)據(jù)需要多少時(shí)間? ?。?) 若磁盤及旋轉(zhuǎn)速度和數(shù)據(jù)傳輸率都提高一倍,更新全部數(shù)據(jù)需要多少間? 解:(1)磁盤上總數(shù)據(jù)量 = 10003000B = B 讀出全部數(shù)據(jù)所需時(shí)間為 B 500B / ms = 6000ms 重新寫入全部數(shù)據(jù)所需時(shí)間 = 6000ms 所以,更新磁盤上全部數(shù)據(jù)所需的時(shí)間為 : 2(平均找道時(shí)間 + 平均等待時(shí)間 + 數(shù)據(jù)傳送時(shí)間 )+ CPU更新時(shí)間 = 2(30 + 120 + 6000)ms + 4ms = 12304ms (2) 磁
44、盤機(jī)旋轉(zhuǎn)速度提高一倍后,平均等待時(shí)間為60ms; 數(shù)據(jù)傳輸率提高一倍后,數(shù)據(jù)傳送時(shí)間變?yōu)椋? B 1000B / ms = 3000ms 更新全部數(shù)據(jù)所需時(shí)間為: 2 (30 + 60 + 3000)ms + 4ms = 6184ms *刷新:電子束打在熒光粉上引起的發(fā)光只能維持幾十毫秒的時(shí)間。因此必須讓電子束反復(fù)不斷地掃描整個(gè)屏幕,該過程稱為刷新。刷新頻率越高,顯示越?jīng)]有閃爍。50Hz(至少) 刷新存儲(chǔ)器(視頻存儲(chǔ)器、顯存):為刷新提供信號(hào)的存儲(chǔ)器。容量取決于分辨率和灰度級(jí)。M=rC *刷存的重要性能指標(biāo)是它的帶
45、寬。實(shí)際工作時(shí)顯示適配器的幾個(gè)功能部分要爭用刷存的帶寬。假定總帶寬的50%用于刷新屏幕,保留50%帶寬用于其他非刷新功能。 (1)若顯示工作方式采用分辨率為1024768,顏色深度為3B,幀頻(刷新速率)為72Hz,計(jì)算刷存總帶寬應(yīng)為多少? (2)為達(dá)到這樣高的刷存帶寬,應(yīng)采取何種技術(shù)措施? 解:(1)∵ 刷新所需帶寬=分辨率每個(gè)像素點(diǎn)顏色深度刷新速率 ∴ 10247683B72/s=KB/s=162MB/s 刷存總帶寬應(yīng)為162MB/s100/50=324MB/s (2)為達(dá)到這樣高的刷存帶寬,可采用如下技術(shù)措施: ①使用高速的DRAM芯片組成刷存;
46、 ② 刷存采用多體交叉結(jié)構(gòu); ③刷存至顯示控制器的內(nèi)部總線寬度由32位提高到64位,甚至128位 ; ④刷存采用雙端口存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu),將刷新端口與更新端口分開。 *刷新存儲(chǔ)器的重要性能指標(biāo)是它的帶寬。若顯示工作方式采用分辨率為1024768,顏色深度為24位,幀頻(刷新速率)為72HZ,求: ?。?)刷新存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量是多少? ?。?)刷新存儲(chǔ)器的貸款是多少? 解:(1)因?yàn)樗⑿麓鎯?chǔ)器所需存儲(chǔ)容量 = 分辨率 每個(gè)像素點(diǎn)顏色深度 ∴ 1024 768 3B ≈ 4MB ?。?)因?yàn)樗⑿滤鑾?= 分辨率 每個(gè)像素點(diǎn)顏色深度 刷新速度 ∴ 1024
47、 768 3B 72 / S = KB / S ≈ 162MB / S 七、輸入輸出 *中斷執(zhí)行過程:1.關(guān)中斷 2.保存現(xiàn)場 3.判別中斷條件轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)程序 4.開中斷 5.執(zhí)行中斷服務(wù)程序 6.關(guān)中斷 7.恢復(fù)現(xiàn)場 8.開中斷 9.返回 *中斷:參見圖所示的二維中斷系統(tǒng)。請(qǐng)問: (1)在中斷情況下,CPU和設(shè)備的優(yōu)先級(jí)如何考慮?請(qǐng)按降序排列各設(shè)備的中斷優(yōu)先級(jí)。 (2)若CPU現(xiàn)執(zhí)行設(shè)備B的中斷服務(wù)程序,IM2,IM1,IM0的狀態(tài)是什么?如果CPU執(zhí)行設(shè) 備D的中斷服務(wù)程序,IM2,IM1,IM0的狀態(tài)又是什么? (3)每一級(jí)的IM能否對(duì)某個(gè)優(yōu)先級(jí)的個(gè)別設(shè)備
48、單獨(dú)進(jìn)行屏蔽?如果不能,采取什么辦法可達(dá)到目的? (4)假如設(shè)備C一提出中斷請(qǐng)求,CPU立即進(jìn)行響應(yīng),如何調(diào)整才能滿足此要求? 解:(1)在中斷情況下,CPU的優(yōu)先級(jí)最低。各設(shè)備的優(yōu)先次序是:A→B→C→ D→E→F→G→H→I→CPU。 (2)執(zhí)行設(shè)備B的中斷服務(wù)程序時(shí)IM2IM1IM0=111;執(zhí)行設(shè)備D的中斷服務(wù)程序時(shí),IM2IM1IM0=011。 (3)每一級(jí)的IM標(biāo)志不能對(duì)某個(gè)優(yōu)先級(jí)的個(gè)別設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)屏蔽??蓪⒔涌谥械腅I(中斷允許)標(biāo)志清“0”,它禁止設(shè)備發(fā)出中斷請(qǐng)求。 (4)要使設(shè)備C的中斷請(qǐng)求及時(shí)得到響應(yīng),可將設(shè)備C從第2級(jí)取出來,單獨(dú)放在第3級(jí)上,使第3級(jí)
49、的優(yōu)先級(jí)最高,即令I(lǐng)M3=0即可。 *參見例1所示的系統(tǒng),只考慮A,B,C三個(gè)設(shè)備組成的單級(jí)中斷結(jié)構(gòu),它要求CPU在執(zhí)行完當(dāng)前指令時(shí)對(duì)中斷請(qǐng)求進(jìn)行服務(wù)。假設(shè):(1)CPU“中斷批準(zhǔn)”機(jī)構(gòu)在響應(yīng)一個(gè)新的 中斷之前,先要讓被中斷的程序的一條指令一定要執(zhí)行完畢;(2)TDC為查詢鏈中每個(gè)設(shè)備的延遲時(shí)間;(3)TA,TB,TC分別為設(shè)備A,B,C的服務(wù)程序所需的執(zhí)行時(shí)間; (4)TS,TR為保存現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場所需的時(shí)間;(5)主存工作周期為TM。 試問:就這個(gè)中斷請(qǐng)求環(huán)境來說,系統(tǒng)在什么情況下達(dá)到中斷飽和? 解:中斷處理流程,并假設(shè)執(zhí)行一條指令的時(shí)間也為TM。如果三個(gè)設(shè)備同時(shí)發(fā)出中斷請(qǐng)求,
50、那么依次分別處理設(shè)備A、設(shè)備B、設(shè)備C的時(shí)間如下: tA = 2TM + TDC + TS + TA + TR tB = 2TM + 2TDC + TS + TB + TR tC = 2TM + 3TDC + TS + TC + TR 處理三個(gè)設(shè)備所需的總時(shí)間為:T=tA+tB+tC T是達(dá)到中斷飽和的最小時(shí)間,即中斷極限頻率為:f=1/T *1394總線:串行接口標(biāo)準(zhǔn)IEEE1394 IEEE 1394是一種高速串行I/O標(biāo)準(zhǔn)接口。各被連接裝置的關(guān)系是平等的,不用PC介入也能自成系統(tǒng)。這意味著1394在家電等消費(fèi)類設(shè)備的連接應(yīng)用方面有很好的前景。 (1)數(shù)據(jù)傳送的高速性 (2)數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時(shí)性 (3)體積小易安裝,連接方便 *協(xié)議集: 專心---專注---專業(yè)
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