计算机组成及体系结构知识点

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1、 计算机组成与体系结构知识点计算机组成与体系结构知识点 1.总线和输入输出系统总线和输入输出系统: 1 总线 总线是构成计算机系统的互连机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通 路。借助于总线连接，计算机在各系统功能部件之间实现地址、数据和控制信息的交换，并 在争用资源的基础上进行工作。 2 总线特性 总线特性包括：物理特性：描述总线的物理连接方式（电缆式、主板式、背板式） ； 功能特性：描述总线中每一根线的功能； 电气特性：定义每一根线上信号的传递方向、传递方式（单端方式或差 分方式等） ，以及有效电平范围； 时间特性：定义了总线上各信号的时序关系。 3 总线标准化 为了使不同厂家生

2、产的相同功能部件可以互换使用，就需要进行系统总线的标准化工 作， 总线的标准化有利于系统的可扩展性。 标准化工作一般由国际标准化组织负责进行定义 或推荐， 从总线特性上进行规范， 标准化总线种类繁多， 例： ISA 总线、 PCI 总线、 Futurebus+ 总线等。 4. 总线带宽 总线带宽是衡量总线性能的重要指标， 定义了总线本身所能达到的最高传输速率 （但实 际带宽会受到限制） ，单位： 兆字节每秒（MB/s） 。 5接口 接口是连接两个部件的逻辑电路，适配器就是一种典型的接口。计算机接口的主要功 能是：实现高速 CPU 与低速外设之间工作速度上的匹配和同步，并完成计算机与和外设之 间

3、的所有数据传送和控制。 接口的作用可归纳为： （1） 实现数据缓冲，使主机与外设在工作速度上达到匹配； （2） 实现数据格式的转换； （3） 提供外设和接口的状态； （4） 实现主机与外设之间的通讯联络控制。 6设置接口的必要性 由于 I/O 设备在结构和工作原理上与主机有很大的差异，主要为： （1） 传送速度的匹配问题； （2） 时序的配合问题； （3） 信息表示格式上的一致性问题； （4） 信息类型及信号电平匹配问题。 为了协调这些差异，需加入接口电路，接口在这里起一个转换器的作用。 7接口的典型功能 接口通常具有：控制、缓冲、状态、转换、整理、程序中断功能。 8设备编址方法 统一编址：

4、将 I/O 设备与内存统一编址，占有同一个地址空间。以地址区分访问外设 或存储器，不需专门的 I/O 指令。但占有了一部分内存空间。 单独编址： 将 I/O 设备与内存单独变址，分别占有两个不同的地址空间。 由执行不同的指令区分访问内存或外设，所以需 I/O 指令。 9并行传送 并行传送每传送一位数据需要一条传输线， 一般采用电位传送方式进行数据传送。 当采 用并行传送 方式时，主机与接口、接口与外设之间，都是以一个字或一个字节的各位同时进行处理的方 式完成信息传递工作的，即每次传送一个字或一个字节的全部代码。 10串行传送 串行传送即使用一条传输线， 采用脉冲传送方式进行数据传送。 串行接口

5、中必须设置具 有移位功能的数据缓冲寄存器，以实现数据格式的串-并转换。当采用串行传送方式时，接 口与 I/O 设备之间通过一根数据传输线按位依次传送数据， 而接口主机之间仍按照并行的方 式实行数据传递。 串行传送的主要优点是只需要一条传输线， 这对长距离传输降低成本尤为重要。 缺点就 是传送速度慢。 11分时传送 分时传送即指总线复用或是共享总线的部件分时使用总线。 12. 波特率 波特是信号传输速度的单位，波特率等于每秒内线路状态的改变次数。标准波特率有： 1200、2400、4800、9600、19200 等，1200 波特率即指信号能在 1 秒钟内改变 1200 次值。 二进制系统中，信

6、息的最小单位是比特，仅当每个信号元素代表一比特信息时，波特率 才等于比特率。 13总线仲裁 当多个主设备同时争用总线控制权时，由总线仲裁部件以优先权或公平策略进行仲裁， 授权于其中的一个主设备总线的控制权。 仲裁方式： （1）集中式仲裁方式： 链式查询方式； 计数器定时查询方式； 独立请求方式； （2）分布式仲裁方式。 14总线定时 总线的一次信息传送过程分为五个阶段：请求总线、总线仲裁、寻址目的地址、信息传 送、状态返回。为同步主方、从方的操作，必须制定定时协议。 定时方式： （1）同步定时：事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定； （2）异步定时：采用应答方式进行总线传输控制。 15总

7、线数据传送模式 大多支持四类数传模式： （1） 读、写操作： 读操作，即从方到主方的数据传送； 写操作，即主方到从方的数据传送； （2） 块传送操作： 即猝发式传送，只需给出块的起始地址，然后对固定 长度的数据 一个接一个地读出或写入； （3）写后读、读修改写操作：只给出一次地址，连续进行操作。前者用于校验；后 者用于多道程序系统中对共享存储资源的保护； （4）广播、广集操作： 广播，即一个主方对多个从方进行写操作； 广集，即与广播相反的操作。 16总线类型 总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共 通路。 总线可分以下类型： 内部总线：CPU 内部连接各寄存器

8、及运算器部件之间的总线； 系统总线：即外部总线，CPU 和计算机系统中其他高速功能部件相互连接的总 线； I/O总线：连接中低速 I/O 设备的总线； 通信总线：多个计算机之间相互连接的通信线路。 17.总线的连接方式 总线的连接方式对计算机系统性能起着十分重要的作用。 单机系统中总线结构的基本类型： 单总线：使用一条单一的系统总线来连接 CPU、内存和 I/O 设备，各部件分时使 用总线交换信息，要求各部件高速运行。 优点：简单，易于扩充； 缺点：总线共用，易阻塞。 双总线：在 CPU 和主存之间专门设置了一组高速的存储总线。 优点：既保持了单总线的优点，又使 CPU 能够通过专用总线与存储

9、器 高速交换信息； 缺点：增加了一定的硬件代价。 三总线：在双总线的基础上增加了 I/O 总线 优点：合理发挥各总线作用； 缺点：增加了硬件代价。 多总线：如下图所示，将速度相近的部件与设备连于同一类性能的总线，充分发 挥总线效能。总体上提高了系统性能。 CPU Bus：连接 CPU 和存储器的高速总线，减轻系统总线的负担； PCI Bus：用于连接高速的 I/O 设备； Expansion Bus：ISA/EISA/MCA 总线，连接中、低速 I/O 设备； Bridge: 各总线通过“桥“芯片连成总体。 Bridge/Memory Controlle-北桥 Expansion Bus Br

10、idge-南桥 18. I/O 设备必须通过接口连于总线 (总线的概念和结构形态) 接口 接口也称适配器，以实现高速 CPU 与低速外设之间，工作速度上的匹配和同步，并 完成计算机与和外设之间的所有数据传送和控制。 接口的作用可归纳为： （1） 实现数据缓冲，使主机与外设在工作速度上达到匹配； （2） 实现数据格式的转换； （3） 提供外设和接口的状态； （4） 实现主机与外设之间的通讯联络控制。 19.设置接口的必要性 由于 I/O 设备在结构和工作原理上与主机有很大的差异，主要为： （1） 传送速度的匹配问题； （2） 时序的配合问题； （3） 信息表示格式上的一致性问题； （4） 信息类

11、型及信号电平匹配问题。 总线结构对计算机系统性能的影响 对最大存储容量和指令系统的主要影响体现在主存与外设的编址方式上。 对吞吐量的影响主要体现在数据的传输方式上。 20.总线的内部结构 Pentium 机总线结构 1Pentium 机采用多总线结构，总线分为三层：CPU 总线、PCI 总线和 ISA 总线。 （1）CPU 总线： 连接 CPU 和存储器 总线时钟频率为为 66.6MHz； （2）PCI 总线： 连接高速 I/O 设备 总线时钟频率为 33.3MHz，带宽 132MB/s（32 位） 、264MB/s（64 位） 总线采用集中式仲裁方式，有专用的 PCI 总线仲裁器； （3）I

12、SA 总线： 连接低速的 I/O 设备 支持 7 级 DMA 通道和 15 级可屏蔽中断。 21总线间利用“桥“芯片沟通，连成整体 “ 桥“芯片 功能： 信号速度缓冲； 电平转换 控制协议的转换 种类： 北桥：连接 CPU 总线-PCI 总线 南桥：连接 PCI 总线-ISA 总线 总线概述 1.总线的分类 1.按总线连接的部件，可将总线分： （1）芯片内总线。连接芯片内总线的总线，例如 CPU 内部总线。芯片内总线结构简单，传 输距离很短，传输速度很高。 系统总线。系统总线指在一个计算机系统内连接 CPU、主存、IO 接口等部件的总线。系统 总线包括地址、数据和控制信号三类传输线，以及电源线

13、。系统总线的连接距离较短，传输 较快。 外总线。外总线则是多台计算机之间，或计算机与一些智能设备之间的连接总线。一般仅有 数据线及简单的控制信号线，数据线的数据通路宽度较窄。外总线的传输距离一般较远，速 度较低。 （2）按传送方向，可将总线分为： 单向总线。数据只能延一个方向传送，只能一个设备发送另一个设备接收。 双向总线。数据可以向两个方向传送，一个设备既可从总线上接收信息，也可向总线上发送 信息。 （3）按照数据传送格式，可将总线分为： 并行总线。并行总线中的数据线有多根，可同时传送多个二进制位，通常将数据总线上可同 时传送的二进制位数称为数据通路宽度。系统总线一般是并行总线，其数据通路宽

14、度多与 CPU 一致，并为字节（8 位）的整数倍。 串行总线。串行总线中的数据线只有一根，只能串行地逐位传送数据或有两根数据线，分别 实现两个方向的数据传输。外总线较多采用串行总线，以节省通信线路的成本、实现远距离 传输，显然串行总线传输速度低于并行总线。 （4）按时序控制方式，可将总线分为： 同步总线，同步总线设置有统一的时钟信号，进行数据传送时，手法双方严格遵循这个时钟 信号。同步总线应用于总线上各部件间工作表达方式差异较小的场合，其控制较简单，但时 间利用率可能不高。 异步总线。异步总线在数据传送时，没有统一的时信号，采用应答方式工作。当各部件共走 速度差异较大时多采用异步总线，传输时间

15、可以根据需要能短则短，需长则长，因而时间利 用率很高，但相应的控制较复杂。 准同步总线。这种总线实际上采用同步异步相结合的方法，在计算机系统中，总线周期包含 若干时钟周期，但时钟周期数可根据需要，基本总线周期含有时钟的周期数最少(通常根据 CPU 方向内存的需要而定)，当外部电路能在基本周期内完成总线传时。它实际上是按标准 的同步方式工作。当某个部件印速度较低，而不能再基本周期内完成数据传送时，就发出一 个“等待”信号，总线周期则按时钟周期为单位地延长，直至“等待”信号撤销，总线周期才告 结束。这样，总线传送仍以时钟周期为同步定时信号，但每次包含的时钟数可以不同，它既 有同步总线控制简单的优点

16、，又具有异步总线时间利用率高的优点。 3.总线标准化 早期计算机生产厂家生产的计算机系统中， 其总线只供自己和少数配套厂家使用， 相互间缺 乏互换性，阻碍了计算机的推广。随着微型计算机技术的发展和普及，对标准化的需求日益 增强，许多厂家都采用了开放式策略，明确定义并公开总线标准，使其他厂家也能按此标准 生产各种插件与配套产品。 下面介绍一些常用的总线标准 S-100，总线（IEEE696） ，适用于 8080、Z80 等微机（已经不用） Multibus 总线（IEEE796） ，这是由 Intel 公司开发的、适于多种 CPU，可组成多机系统。现 已发展为 32 位总线 Multibus-2(IEEE1296)（已经不用） Future bus(IEEE896.1),一种高速的 32 位总线。 VME 总线（IEEE1000）