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出门在外也不愁第1章&计算机基础(2)
【考点七】控制器
在CPU中的位置中央处理器(CPU)由两个主要部分--控制器及运算器组成。其中程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器等组成了控制器。它是对计算机发布命令的"决策机构"，协调和指挥整个计算机系统的操作，因此，它处于CPU中极其重要的位置。在CPU中，除算术逻辑单元(ALU)及累加器外，尚有下列逻辑部件：
(1)缓冲寄存器(DR)缓冲寄存器用来暂时存放由内存储器读出的一条指令或一个数据字；反之，当向内存存入一条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在这里。缓冲寄存器的作用是：
①作为CPU和内存、外部设备之间信息传送的中转站；
②补偿CPU和内存、外部设备之间在操作速度上的差别；
③在单累加器结构的运算器中，缓冲寄存器还可兼作为操作数寄存器。
(2)指令寄存器(IR)
指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。指令划分为操作码和地址码字段，它们由二进制数字组成。为执行任何给定的指令，必须对操作码进行译码，以便指出所要求的操作。
指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。操作码一经译码后，即可向操作控制器发出具体操作的特定信号。
(3)程序计数器(PC)
为了保证程序能够连续地执行下去，CPU必须具有某些手段来确定下一条指令的地址。而程序计数器(PC)正是起到这种作用，所以通常又称其为指令计数器。
(4)地址寄存器
(AR)地址寄存器用来保存当前CPU所要访问的内存单元的地址。由于在内存和CPU之间存在着操作速度上的差别，所以必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到内存读/写操作完成为止。
(5)累加寄存器(AC)
累加寄存器AC通常简称为累加器。它的功能是：当运算器的算术/逻辑单元(ALU)执行全部算术和逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。例如，在执行一个加法前，先将一个操作数暂时存放在AC中，再从存放中取出另一个操作数，然后同AC的内容相加，所得结果送回AC中，而AC中原有的内容随即被破坏。顾名思义，累加寄存器用来暂时存放ALU运算的结果信息。显然，运算器中至少要有一个累加寄存器。
由于运算器的结构不同，可采用多个累加寄存器。
(6)状态寄存器(SR)
状态寄存器保存由算术指令和逻辑指令运行或测试结果建立的各种状态码内容。
(7)操作控制器
操作控制器的功能，就是根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地建立数据通路，从而完成取指令和执行指令的控制。
根据设计方法不同，操作控制器可分为组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型三种。第一种称为常规控制器，它是采用组合逻辑技术来实现的；第二种称为微程序控制器，它是采用存储逻辑来实现的；第三种称为PLA控制器，它是吸收前两种的设计思想来实现的。
(8)时序产生器
CPU中除了操作控制器外，还必须有时序产生器，因为计算机高速地进行工作，每一动作的时间是非常严格的，不能有任何差错。时序产生器的作用，就是对各种操作实施时间上的控制。
2.控制器的组成
运算器包括ALU、累加器、数据缓冲寄存器和状态寄存器，而控制器的核心是操作控制器，围绕它的有程序计数器(PC)、指令寄存器(IR)、指令译码器(ID)和时序产生器。
【考点八】存储器
1.存储器的基本组成及其读写操作
(1)存储器的基本组成部分
主存储器由存储体、地址译码电路、驱动电路、读写电路和控制电路等组成。主存储器主要功能是：
①存储体：是信息存储的集合体，由某种存储介质按一定结构组成的存储单元的集合。通常是二维阵列组织，是可供CPU和计算机其他部件访问的地址空间。
②地址寄存器、译码电路与驱动器：即寻址系统，将CPU确定的地址先送至地址寄存器中，然后根据译码电路找到应访问的存储单元。在存储与译码器之间的驱动器的功能是减轻译码线驱动负载能力。由于一条译码线需要与它控制的所有存储单元相联，其负载很大。需要增加驱动器，以译码线连接驱动器的输入端，由驱动器的输出端控制连接在译码线上的所有存储单元。
③读写电路与数据寄存器：根据CPU的命令，将数据从数据寄存器中写入存储体中特定的存储单元或将存储体中指定单元的内容读到数据寄存器中。
④控制电路：接收CPU传来的控制命令，经过控制电路一系列的处理，产生一组时序信号控制存储器的操作。
在存储器的组成中，存储体是核心，其余部分是存储的外围线路。不同的存储器都是由这几部分组成，只是在选用不同的存储介质和不同的存取方式时，各部分的结构与工作方式略有变化。
(2)存储体阵列
计算机存储器中存储的是"0"和"1"的信息，每一个能存取一位二进制并能保持两种状态的元件称为记忆元件。若干记忆元件组成存储单元，一个存储单元能够存取一个或几个字节的二进制信息。每个存储单元都有一个地址编号，用以唯一标识存储单元的位置。信息按地址存入指定的存储单元中，按地址从指定的存储单元中取出。存储单元的集合称为存储体。由于存储体中存储单元的每个二进制位必须并行工作，因此将存储单元按其地址的顺序组成存储阵列。
(3)存储器的地址译码系统
CPU要访问存储单元的地址由地址总线输入到地址寄存器中。地址译码器将地址转换为对应地址线(字线)上的控制信号，以表示选中某一单元，并驱动相应的读写电路，完成对存储单元的读写操作。
地址译码为两种方式：一种是单译码方式，仅有一个译码器。译码器输出的每条译码线对应一个存储单元。如地址位数N=10，即译码器可以有210=1024种状态，对应有1024条译码线(字线)即1024个存储单元。另外一种是双译码方式，将译码器分成X向和Y向两个译码器，通过双译码器的相互作用确定存储单元的地址。
设地址长度n仍为10，将其中的前5位输入到X地址译码器中，译出X0到X31译码线，分别选择0～31行。将后5位输入到Y地址译码器中译出Y0到Y31译码线，分别选择0～31列。X向译码器和Y向译码器引出的地址线都是25=32条。若采用X向和Y向交叉选择，可以选择从存储单元(0，0)至(31，31)共25&25=1024个存储单元地址。即同样可以提供1024种状态，而地址线只需要64条，比单译码器节省93.75%的地址线。
(4)存储器的读写操作在
CPU向存储体发生读操作命令时，首先由CPU将相应存储单元的地址码送至地址寄存器中；地址译码器将地址寄存器中的地址编码译成相应地址线(字线)的高电位，标志指定的存储单元；然后在CPU的统一控制下，由控制电路将读命令转换成读写电路的操作，执行将指定存储单元的内容传送到数据寄存器的操作，完成了整个存储器读的操作。存储器写的操作与读的操作相类似。
不同类型的存储器根据其特点有不同的读写操作控制电路、控制机构、读写电路及地址译码器，但它们的基本操作原理大同小异。
2.RAM的结构、组织及其应用
半导体存储器有体积小、存取速度快、生产制造易于自动化等特点，其性能价格比远远高于磁芯存储器，因而得到广泛的应用。
半导体存储器的种类很多，就其制造工艺可以分成双极型半导体存储器和金属-氧化物-半导体存储器(简称MOS型存储器)。MOS型存储器按其工作状态又可以分为静态和动态两种。
动态存储器必须增设恢复信息的电路，外部线路复杂。但其内部线路简单，集成度高，价格较静态存储器便宜。因此经常用做大容量的RAM。
静态存储器和动态存储器的主要差别在于：静态存储器存储的信息不会自动消失，而动态存储器存储的信息需要在再生过程的帮助下才能保持。但无论双极型或MOS型存储器，其保持的信息将随电源的撤消而消失。
(1)RAM的组织
半导体RAM芯片是在半导体技术和集成电路工艺支持下的产物。一般计算机中使用的RAM芯片均是有自己的存储体阵列、译码电路、读写控制电路和I/O电路。
①RAM的并联
为扩展存储器的字长，可以采用并联存储器芯片的方式实现。
②RAM的串联
为扩展存储器的存储单元数量，可以采用多个芯片地址串联的方式解决。
③地址复用的RAM组织
随着大规模集成电路技术的发展，使得一块存储器芯片能够容纳更多的内容。其所需地址线随之增加，为了保持芯片的外部封装不变，一般采用地址复用的技术，采用地址分批送入的结构保证不增加芯片的地址引脚。
(2)RAM的实际应用
由于一个存储器的芯片一般不能满足使用的要求，所以通常将若干个存储器芯片按串联和并联的两种方式相结合连接，组成一定容量和位数的存储器。
如果设计的存储器容量有x字，字长为y，而采用的芯片为N&M位。要组成满足字长要求的存储器所需芯片数为：y/M。根据容量要求，组成要求容量的RAM所需芯片数为：(x/N)&(y/M)。
3.ROM的工作原理及其应用
使用时只读出不写入的存储器称为只读存储器(ROM)。ROM中的信息一旦写入就不能进行修改，其信息断电之后也仍然保留。一般用于存放微程序、固定子程序、字母符号阵列等信息。
ROM和RAM相比，使用时不需写入、再生和刷新等操作，所以其电路比较简单，但同样有地址译码器、数据读出电路等。制作ROM的半导体材料有二极管、MOS电路和双极型晶体管等。因制造工艺和功能不同，一般分为普通ROM、可编程ROM(PROM)、可擦写可编程ROM(EPROM)和电可擦写可编程ROM(EEPROM)等。
(1)ROM的工作原理
一般的ROM使用掩模ROM。这类ROM由生产厂家做成，用户不能加以修改。掩模ROM的特点是其存储内容出厂时由生产厂家一次制成，用户不能对其内容进行修改，而依赖于生产厂家，这种RAM适用于定型批量制作。在实际使用过程中，部分用户希望自己根据需要填写ROM的内容，因此产生可编程ROM(PROM)。PROM与掩模ROM的主要区别是PROM在出厂时其内容均为"0"或"1"，用户在使用前按照自己的需要利用工具将编码写入PROM中，一次写入不可修改。PROM的使用相当于由用户RAM生产中的最后一道工序--向RAM中写入编码，其余同掩模RAM的使用完全相同。
(2)EPROM和EEPROM的工作原理
为了适应程序调试的要求，针对一般PROM的不可修改特性，设计出可以多次擦写的可编程ROM(EPROM)。其特点是可以根据用户的要求用工具擦去RAM中原有的存储内容，重新写入新的编码。擦除和写入可以根据用户的要求用工具擦去RAM中原有的存储内容，重新写入新的编码。擦除和写入可以多次进行，其信息的内容同样不会因断电而丢失。最常见的EPROM是UVEPROM，其存储元件常用浮置栅型MOS管组成。出厂时全部置"0"或"1"，由用户通过高压脉冲写入信息。擦写时通过其外部的一个石英玻璃窗，利用紫外线的照射，使浮栅上的电荷获得高能而泄漏，恢复原有的全"0"或"1"状态，允许用户重新写入信息。平时窗口上必须贴有不透明胶纸，以防光线进入而造成信息流失。
另有一种EPROM是通过电气方法擦除其中的已有内容，也称为电可擦写可编程ROM(EEPROM)。
4.外存储器的工作原理
外存储器是指那些不能被CPU直接访问的，读取速度较内存慢，容量比内存大，通常用来存放不常用的程序和数据的存储器。磁带、磁盘存储器是现今最常用的外存，因其利用磁表面介质存储数据，通常也称为磁表面存储器。而光盘是外存发展的方向，有必要了解它们的原理和应用。
(1)磁盘存储器
磁盘存储器具有容量大，存取速度高(相对其他种类外存储器)的特点，因而在各种类型的计算机中普遍被用做主要的外存储器。磁盘存储器避免了磁带存储的缺点。磁盘存储器将磁性材料涂粘在以某种材料为主的盘形圆片上，用若干封闭的圆形磁道代替了磁带的长形磁道。使用时，通过磁盘面的高速旋转代替磁带的直线运动，减少寻找特定位置的时间。
磁盘存储器由磁盘、磁头、定位系统和传动系统等部分组成，一般也将这些部件统称为磁盘驱动器。根据盘片的基本组成材料将磁盘分为硬盘和软盘两种。所谓硬盘是指由金属材料制成一定厚度的盘片基体，这些盘片一般组合成盘片组构成硬盘驱动器的存储主体。
软盘和硬盘盘片记录信息的方式相同，都是将每个盘面由外向内分成若干个磁道，每个磁道也划分为多个扇区，信息以扇区为单位存储。
扇区是磁盘存放信息的最小物理单位。扇区包括头空、序标、数据区、检验字段和尾空等几个部分。通常对磁盘进行的所谓格式化操作就是在磁盘上划分磁道、扇区及扇区内各特定区域，刚出厂的磁盘上没有这些划分，所以必须在格式化后才能使用。
磁盘区域的划分随计算机系统而不同，其存储容量也有较大的差别。但可以通过查阅计算机系统相应的说明掌握磁盘容量的数据。计算一个磁盘容量的公式是：
磁盘存储容量=盘面数&每盘面磁道数&每磁道扇区数&每扇区存储容量
(2)光盘存储器
所谓光盘(CD)是利用光学原理读写信息的存储器。由于光盘的容量大、速度较快、不易受干扰等特点，光盘的应用愈来愈广泛。
光盘系统一般是由光学、电气和机械部件组成。
从结构上看光盘存储器同磁盘存储基本相同，两者均有存储信息的盘片、机械驱动部件、定位部件和读写机构。不同的是后者利用磁性原理存储信息，利用磁头存取信息；而前者是利用光学原理存储信息并用光学读写头来存取这些信息。
光盘本身是靠盘面上一些能够影响光线反射的表面特征存储信息，例如现在常用的只读光盘(CD-ROM)上利用光盘表面的凹凸不平表示"0"和"1"。以CD-ROM为例，读取数据时，由机械驱动部件和定位部件负责确定读取的位置。激光器发出激光经光学线路至聚焦透镜射向光盘表面，表面的凹凸不平造成反射光的变化，利用数据光检测器将这些变化转换为数据"0"和"1"的电信号传输到数据输出端，整个读取工作完成。其他类型光盘的写入过程大体与此相同，唯一的差别是数据自数据输入端传来。
一般将光盘存储器分为只读式(readonly)、一次写入式(writeonce)和可擦式(erasable)或可逆式(reversible)三种。只读式光盘利用材料表面的凹凸不平的特征记录信息，在出厂前由生产厂家将有关信息存放到光盘上。对于一次写入式光盘，用户可以利用会聚的激光束在光盘表面照射使材料发生永久性变化而记录信息。这种光盘现已普遍用于多媒体系统。可擦式光盘利用激光在磁性材料上或相变材料上实现信息的存储和擦除。
光盘存储器的记录密度高，存储容量大，一片5.25英寸大小的一次写入式光盘可以存储680MB的信息，其容量远远大于外形同样大小的软磁盘。光盘信息的保存时间也比磁盘的长。目前影响光盘普遍应用的主要原因是光盘存储器的读写速度慢和光盘驱动器的成本高。随着技术的进步，以上问题是可以解决的。因此光盘存储器有广泛的应用前景。
5.虚拟存储的概念、作用和工作过程
(1)虚拟存储的概念、作用
一般将由主存和部分辅存组成的存储结构称为虚拟存储器，其对应的存储地址称为虚拟地址(逻辑地址)，其对应的存储容量称为虚拟容量。将实际主存地址称为物理地址或实地址，主存的容量称为实存容量。
当用虚拟地址访问主存时，系统首先查看所用虚拟地址对应的单元内容是否已装入主存。如果在主存中，可以通过辅助软、硬件自动把虚拟地址变成主存的物理地址后，对主存相应单元进行访问。如果不在主存中，通过辅助的软、硬件将虚拟地址对应的内容调入主存中，然后再进行访问。因此，对虚拟存储器的每次访问都必须进行虚实地址的变换。
虚拟存储器的作用是扩大整个主存的容量，允许在程序中使用比主存容量大得多的虚拟存储器。同时可以减轻人们编程中对程度进行分块的苦恼，从而提高软件开发的效率。虚拟存储器是实现利用小容量的主存运行大规模的程序的一种有效的办法。尽管实现虚拟存储要增加一些额外的投资和软件开销，虚拟存储技术在各种计算机系统中仍得到了广泛的应用。
虚拟存储器必须建立在主存-辅存结构上，但一般的主存-辅存系统并不一定是虚拟存储器，虚拟存储器与一般的主存-辅存系统的本质区别是：
①虚拟存储器允许人们使用比主存容量大得多的地址空间来访问主存，非虚拟存储器最多只允许人们使用主存的整个空间，一般只允许使用操作系统分配的主存中的某一部分空间。
②虚拟存储器每次访问主存时必须进行虚、实地址的变换，而非虚拟存储系统则不必变换。
(2)虚拟存储的工作原理
虚拟存储技术，实际上是将编写程序时所用的虚拟地址(逻辑地址)转换成较小的物理地址。在程序运行时随时进行这种变换。为了便于主存与辅存之间信息的交换，虚拟存储器一般采用二维或三维的复合地址格式。采用二维地址格式时，将整个存储器划分为若干页(或段)，每个页(或段)又包括若干存储单元。采用三维地址格式时将整个存储空间分为若干段，每段分为若干页，每页又包括若干存储单元。根据地址格式不同，虚拟存储器分为：页式虚拟存储器、段式虚拟存储器和段页式虚拟存储器。
在虚拟存储器中逻辑地址与物理地址之间的对应称为地址映象。通常有三种地址映象的方式：全相联映象、直接映象和组相联映象。
①全相联映象
任一逻辑页能映象到实际主存的任意页面位置称为全相联映象，通常利用页表法进行地址间的变换。
②直接映象
每个逻辑页只能映象到一个特定页面的方式称为直接映象。如主存实际有2P页，虚拟存储器的逻辑空间有2P页，则将逻辑空间按物理空间大小分为2P-P块，块内各页只能映象到主存的相应页中。即所有各块的第0页对应主存的第0页，各块的第n页对应主存的第n页。若程序需要轮流使用第i块和第j块的第m页，只能将两页交替在主存和辅存之间调入调出，形成存储页面的"抖动"。
③组相联映象
组相联映象方法是先按直接映象方法将虚拟存储空间(逻辑空间)分成若干块，在主存和逻辑空间中的各块内划分为若干组，每个组间按直接映象方法控制。可以这样理解，如果将组相联映象方法中的组按直接映象方法的页来看待，组相联方法与直接映象方法相同，逻辑空间各组内的页只能与对应的物理空间组相联。但在组内各页与物理空间的页面之间采用全相联映象方法处理。因此，可以认为组相联映象是全相联映象和直接映象方法的结合。
6.缓冲技术使用
缓冲技术就是为缓解慢速设备对整个计算机系统速度的影响，在计算机的某些部件中划定一块区域，模拟慢速设备的操作，将对慢速设备的操作先存放在此区域中，其他部件完成这一操作后可以继续其他工作，而慢速设备可以用自己的速度逐渐完成相应的操作。做为中间缓冲的区域称为缓冲区，相应的技术称为缓冲技术。
在整个存储体系的组织中，缓冲技术成为解决容量与速度之间矛盾的主要方法。实际上在计算机系统中缓冲技术解决了许多难题，促进了计算机系统的发展。在存储体系中，缓冲技术主要体现在Cache的应用和磁盘缓冲的使用。
(1)Cache的原理和作用
Cache的工作原理基于对大量典型程序运行实例的分析。分析结果表明，在较短的时间间隔内，由程序产生的地址往往集中在存储器逻辑地址空间很小的范围内。指令地址的分布又是连续的，加上循环程序和子程序段的重复执行，对这些地址的访问自然具有时间上集中分布的倾向。这种对局部范围的存储器地址频繁访问，对此范围外的地址访问甚少的现象称为程序访问的局部性。程序访问的局部性为Cache的引入提供了理论依据。
Cache是缓冲技术在存储体系中的一个具体应用。Cache处于主存与CPU之间，负责解决主存与CPU之间速度的协调问题。Cache中存放着主存的一部分副本(主存中的部分内容)，当存储器接到有关读取指令时，先在Cache中查找此信息是否存在，若有则不经主存直接从Cache中取出；否则直接从主存中取出，同时写入Cache，以备再次使用。当向存储器写入内容时，由辅助硬件采用各种方法保证主存中的内容同Cache中的内容保持一致。
为保证写入时两者内容一致的方法有：①将内容同时写入主存和Cache；②数据仅写入主存，若Cache中有此内容则将其释放；③数据只写入Cache，在规定的时候将修改过的Cache的内容写入主存。
Cache的主要特点是：①存取速度快，一般Cache的速度完全可以跟上CPU的运算速度；②存储量小，由于Cache的速度快，其价格也相当昂贵，因此为保证整个存储器的性能价格比，一般采用适当容量的Cache，其容量小于主存。
(2)磁盘缓冲技术
磁盘缓冲技术的目的是减少由于主、辅存之间的速度差异对计算机总体性能的影响。磁盘是存储系统中的辅助部分，其主要作用是用来存储不常用的数据和程序等信息，减轻对主存容量的需求压力。由于磁盘中的信息不能被计算机的其他部件直接调用，因此在信息的输入/输出过程中必须在主存中开辟一定的空单位和为与磁盘上信息交换的中间过渡区域称为磁盘缓冲区。如从键盘(输入设备)向磁盘中输入一个信息，此信息必须通过总线先输入到主存中的特定区域中，通过程序控制将信息存放到主存中对应于磁盘输入/输出的一个特定区域内，然后将此信息转存到磁盘上。一般将主存中对应于磁盘的特定区域称为磁盘缓冲区。
为了提高磁盘的读写速度，操作系统一般根据程序运行的需要设置磁盘缓冲区的大小及输入/输出操作。同Cache技术相类似，不立即覆盖磁盘缓冲区的内容，当系统需要继续读入磁盘中的信息时，首先检查磁盘缓冲区中是否有所需要的信息，若有则直接使用，否则根据信息的位置将磁盘上特定扇区的内容调入磁盘缓冲区后再加以使用。这样可以提高磁盘的信息读取速度，减少因磁盘存取速度慢对系统整体性能的影响。
【考点九】输入与输出系统
1.输入输出系统的发展
输入输出系统的发展大致分为五种方式，即程序控制的输入输出方式、中断方式，DMA方式、输入/输出通道方式和I/O处理机等五种方式。
程序查询方式和程序中断方式适用于数据传输率比较低的外部设备。而DMA方式、通道方式和I/O处理机方式适用于数据传输率比较高的设备。目前，小型机和微型机大都采用程序查询方式、程序中断方式和DMA方式。通道方式I/O处理机方式大都用在中、大型计算机中。为了介绍方便，我们把通道方式和I/O处理机方式视为一种方式。
2.程序查询方式
程序查询方式又叫程序控制I/O方式。在这种方式中，数据在CPU和外部设备之间的传送完全靠计算机程序控制，是在CPU主动控制下进行的，当输入/输出时，CPU暂停执行主程序，转去执行输入/输出的服务程序，根据服务程序中的I/O指令进行数据传送。
这是一种最简单、最经济的输入/输出方式。它只需很少的硬件，因此几乎所有的机器都具有程序查询方式。特别是在微、小型机中，常用程序查询方式来实现低速设备的输入输出管理。
3.程序中断方式
"中断"概念的提出，是计算机系统结构设计中的一个重大变革。在程序中断方式中，某一外设的数据准备就绪后，它"主动"向CPU发请求中断的信号，请求CPU暂时中断目前的工作而进行数据交换。当CPU响应这个中断时，便暂停运行主程序，并自动转移到该设备的中断服务程序。当中断服务程序结束以后，CPU又回到原来的主程序。其原理和调用子程序相仿，不过，这里要求转移到中断服务子程序的请求是由外部设备发出的。中断方式特别适合于随机出现的服务。
(1)DMA方式的基本概念
直接访问内存DMA方式，是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。在这种方式中，DMA控制器从CPU中完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存储器和I/O设备之间进行。DMA方式一般用于高速地传送成组的数据。DMA控制器将向内存发出地址和控制信号、修改地址、对传送的字的个数计数，并且以中断方式向CPU报告传送操作的结束。
DMA方式的主要优点是速度快。由于CPU根本不参加传送操作，因此就省去了CPU取指令、取数、送数等操作。在数据传送过程中，也不象中断方式那样，要进行保存现场、恢复现场之类的工作。内存地址修改、传送字个数的计数等，也不是由软件实现，而是用硬件线路直接实现的。
DMA的种类很多，但各种DMA至少能执行以下一些基本操作：
①从外部设备发出DMA请求；
②CPU响应请求，把CPU工作改成DMA操作方式，DMA控制器从CPU接管总线的控制；
③由DMA控制器对内存寻址，即决定数据传送的内存单元首地址及数据传送个数的计数，并执行数据传送的操作；
④向CPU报告DMA操作的结束。
(2)DMA技术的出现，使得外部设备可以通过DMA控制器直接访问内存，与此同时，CPU可以继续执行程序。那么DMA控制器与CPU怎样分时使用内存呢?通常采用以下三种方法：
①停止CPU访问；
②周期挪用；
③DMA与CPU交替访问。
(3)基本的DMA控制器
一个DMA控制器实际上是采用DMA方式的外部设备与系统总线之间的接口电路。这个接口电路是在中断接口的基础上再加DMA机构组成。习惯上将DMA方式的接口电路称为DMA控制器。
①内存地址计数器
用于存放内存中要交换的数据地址。在DMA传送前，需通过程序将数据在内存中的起始位置(首地址)送到内存地址计数器。而当DMA传送时，每交换一次数据，将地址计数器加"1"，从而以增量方式给出内存中要交换的一批数据的地址。
②字计数器
用于记录传送数据块的长度(多少字数)。其内容也是在数据传送之间由程序预置，交换的字数通常以补码形式表示。在DMA传送时，每传送一个字，字计数器就加"1"，当计数器溢出即最高位产生进位时，表示这批数据传送完毕，于是引起DMA控制器向CPU发出中断信号。
③数据缓冲寄存器
用于暂存每次传送的数据(一个字)。当输入时，由设备(如磁盘)送往数据缓冲寄存器，再由缓冲寄存器通过数据总线送到内存。反之，输出时，由内存通过数据总线送到数据缓冲寄存器，然后再送到设备。
④"DMA请求"标志
每当设备准备好一个数据字后给出一个控制信号，使"DMA"请求标志置"1"。该标志置位后向"控制/状态"逻辑发出DMA请求，后者又向CPU发出总线使用权的请求(HOLD)，CPU响应此请求后发回响应信号HLDA，"控制/状态"逻辑接收此信号后发出DMA响应信号，使"DMA请求"标志复位，为交换下一个字做好准备。
⑤"控制/状态"逻辑
它由控制和时序电路，以及状态标志等组成，用于修改内存地址计数器和字计数器，指定传送类型(输入输出)，并对"DMA请求"信号和CPU响应信号进行协调和同步。
⑥中断机构
当字计数器溢出时(全0)，意味着一组数据交换完毕，由溢出信号触发中断机构，向CPU提出中断报告。这里的中断与前面介绍的I/O中断所采用的技术相同，但中断的目的不同，前面是为了数据的输入或输出，而这里是为了报告一组数据传送结束。因此它们是I/O系统中不同的中断事件。
5.通道方式
(1)通道的功能
DMA控制器的出现已经减轻了CPU对数据输入输出的控制，使得CPU的效率有显著的提高。而通道的出现则进一步提高了CPU的效率。这是因为通道是一个特殊功能的处理器，它有自己的指令和程序专门负责数据输入输出的传输控制，而CPU将"传输控制"的功能下放给通道后只负责"数据处理"功能。这样，通道与CPU分时使用内存，实现了CPU内部运算与I/O设备的并行工作。
通道的基本功能是执行通道指令、组织外部设备和内存进行数据传输，按I/O指令要求启动外部设备，向CPU报告中断等，具体有以下五项任务：
①接受CPU的I/O指令，按指令要求与指定的外部设备进行通信；
②从内存选取属于该通道程序的通道指令，经译码后向设备控制器和设备发送各种命令；
③组织外部设备和内存之间进行数据传送，并根据需要提供数据中间缓存的空间，以及提供数据存入内存的地址和传送的数据量；
④从外部设备得到设备的状态信息，形成并保存通道本身的状态信息，根据要求将这些状态信息送到内存的指定单元，供CPU使用；
⑤将外部设备的中断请求和通道本身的中断请求，按次序及时报告CPU。
(2)通道类型
根据通道的工作方式，通道可分为：
①选择通道。
②数组多路通道。
③字节多路通道。
④通道适配器。
6.外部设备
外部设备分为输入设备、输出设备、输入输出兼用设备、外存设备、数据通信设备和过程控制设备等。
①输入设备
②输出设备
③汉字设备
④数据通信设备
⑤过程控制设备
【考点十】微处理器
1.微处理器芯片发展简史多年来，微处理器的主流芯片一直是Intel体系结构的80x86芯片以及奔腾芯片。下表，给出微处理器发展的时间表。
微处理器芯片发展年表
年份 芯片名称 位 说明
300个晶体管，45条指令，时钟频率低于1MHz
3 500个晶体管，能处理字符型数据
6 000个晶体管，时钟频率2 MHz
1974 Motorola
000个晶体管，用于小型商业机器与汽车控制
1975 Zilog Z80 8 8
500个晶体管，时钟频率2.5MHz,配备CP/M操作系统
000个晶体管，组成Apple
II,创立了个人计算概念
2.9万个晶体管，采用80x86指令集
2.9万个晶体管，组成IBM-PC/DOS个人电脑
1979 MC 68000 32
6.8万个晶体管，组成Macintosh,成为GUI象征
13.4万个晶体管，时钟频率8-12MHz，有保护模式、虚存管理
27.5万个晶体管，时钟频率20MHz，4GB空间，Windows出现
1986 MIPS R2000 32
18.5万个晶体管，第一个商用RISC芯片
1987 Sun SPARC 32 5万个晶体管，定义了RISC工作站
120万个晶体管，内置浮点处理与高速缓存
1993 经典奔腾 32
310万个晶体管，双整数单浮点，同时执行两条指令
1993 PowerPC 601 32
280万个晶体管，首批可乱序执行，组成高档Mac
1995 高能奔腾 32
550万个晶体管，同时执行3条指令
1997 多能奔腾 32
450万个晶体管，增加了57条多媒体指令集
1997 奔腾2 32
750万个晶体管，时钟频率233MHz～400MHz
1999 奔腾3 32 950万至2 900万个晶体管，450MHz～1GHz
1999 安腾 64
宣布为IA-64的品牌名称，用于服务器与工作站
2000 奔腾4 32 4 200万个晶体管，时钟频率突破2
GHz,采用NetBurst
2.奔腾芯片的技术特点
(1)超标量(superscalar)技术
通过内置多条流水线来同时执行多个处理，其实质是以空间换取时间。
(2)超流水线(superpipeline)技术
超流水线是通过细化流水、提高主频，使得在一个机器周期内完成一个甚至多个操作，其实质是以时间换取空间。
(3)分支预测
在流水线运行时，总是希望预取到的指令恰好是处理器将要执行的指令。
(4)双Cache的哈佛结构：指令与数据分开
经典奔腾有两个8KB(可扩充为12KB)的超高速缓存，一个用于缓存指令，一个用于缓存数据，这就大大提高了访问Cache的命中率，从而不必去搜寻整个存储器，就能得到所需的指令与数据。这种把指令与数据分开存取的结构称为哈佛结构。
(5)固化常用指令
奔腾把常用指令改用硬件实现，不再使用微代码操作，以使指令的运行速度能进一步加快。
(6)增强的64位数据总线
奔腾的内部总线是32位的，但它与存储器之间的外部总线增为64位。如果采用突发模式，还可以在一个总线周期装入256位的数据，这就大大提高了指令与数据的供给能力。它还使用了总线周期通道技术，能在第一周期完成之前就开始第二周期，从而使内存子系统有更多的时间对地址进行译码。
(7)采用PCI标准的局部总线
PCI标准有更多的优越性，它能容纳更先进的硬件设计，支持多处理、多媒体以及数据量很大的应用。
(8)错误检测及功能冗余校验技术
奔腾具有内部错误检测功能和功能冗余校验技术。前者可以在内部多处设置偶校验，以保证数据传送的正确；后者能通过比较双工系统的运算结果，判断系统是否出现异常操作，并提出报告。
(9)内建能源效率技术
当系统不进行工作时，自动进入低耗电的睡眠模式，而只需毫秒级的时间，系统就能恢复到全速状态。
(10)支持多重处理
多重处理是指多CPU系统，它是高速并行处理技术中最常用的体系结构之一。
3.安腾芯片的技术特点
从奔腾到安腾(Itanium),标志着英特尔体系结构从IA-32向1A-64的推进。安腾是64位芯片，主要用于服务器和工作站。
安腾采用了超越CISC与RISC的最新设计理念EPIC，即简明并行指令计算(Explicitly
Parallel Instruction
Computing)技术。它基于推理、预测、简明并行性等创新特性，实现了更高的指令级的并行性，使安腾能同时完成20个操作或交易，从而能够提供高端企业级用户所需服务器的一流性能。
【考点十一】主机板与插卡的组成
1.主机板的组成
主机板简称主板(mainboard)或母板(motherboard)，它是计算机主机的主要部件。通常，主板由5部分组成：CPU、存储器、总线、插槽以及电源。通常，电源在主板上只是一个插座，电源电路不在板上。
2.主机板的种类
①按CPU芯片分类，如486主板、奔腾主板、奔腾IV主板等。②按CPU插座分类，如Socket
7主板、Slot
1主板等。③按主板的规格分类，如AT主板、Baby-AT主板、ATX主板等。④按存储器容量分类，如16MB主板、32MB主板、64MB主板等。⑤按芯片集分类，如TX主板、LX主板、BX主板等。⑥按是否即插即用分类：如PnP主板、非PnP主板等。⑦按系统总线的带宽分类，如66MHz主板、100MHz主板等。⑧按数据端口分类，如SCSI主板、EDO主板、AGP主板等。⑨按扩展槽分类，如EISA主板、PCI主板、USB主板等。⑩按生产厂家分类，如联想主板、华硕主板、海洋主板等。
3.网络卡简介
网络卡也称为适配器卡(adapter
card)。它插在主板的扩展槽内，一方面与计算机连接，另一方面与传输电缆连接。其主要功能是：
(1)实现与主机总线的通信连接，解释并执行主机的控制命令。(2)实现数据链路层的功能，如形成数据帧、差错校验、发送接收等。(3)实现物理层的功能，如对发送信号的传输驱动、对进来信号的侦听与接收、对数据的缓存以及串行并行转换等。在高集成化的主板中，常常把网络卡集成在板上，而不再有单独的网卡。
【考点十二】多媒体技术基础
图形、声音和视频信息在计算机内的表示，多媒体计算机的组成，多媒体技术的应用与前景
1.计算机多媒体技术的特点
计算机多媒体(Multimedia)技术是指在计算机中集成了文字、声音、图形、图像、视频、动画等多种信息媒体的技术。计算机多媒体技术的特点在于信息媒体的多样性、集成性和交互性。特别是交互性，这是计算机多媒体技术独具魅力的特点。
2.计算机图形学
研究几何图形或矢量图形在计算机中的表示、处理和生成的方法是计算机图形学的任务。建立物体或场景的几何模型有3种：线框模型、面模型和体模型。计算机图形学的应用领域很广，包括计算机辅助设计和辅助制造、地理信息系统、军事系统、计算机动画、计算可视化技术和电子出版业等等。
3.图像信息的表示
在计算机中，图像由若干离散的像点(即像素或像元，Pixel)组成，图像的颜色或灰度数目，可用2n表示，此处n就称为图像深度。
一幅图像的数据量=图像宽度&图像高度&图像深度/8(字节数)
例如：尺寸为536色(深度为16)的一幅图像所具有的数据量为：
/8=1536KB=MB=1.5MB
4.超文本与超媒体
超文本(Hypertext)是一种非线性的文本结构，也可以说是一种先进的电子信息管理技术。基于超文本的WWW信息服务技术在因特网上取得了巨大的成功，用户只需点击小的鼠标，便可漫游全球。显然，被链接结点的信息并不限于文字，还包括图像、图形、声音、动画、动态视频等多媒体信息，这就是所谓的超媒体。
5.多媒体计算机
在硬件方面，多媒体计算机必须配置声卡(声音的数字化及音频输出适配器)、音箱适配器、CD-ROM光盘驱动器和高质量的显示卡与显示器。早期曾用视频卡来实现图像的压缩与解压，现在，由于CPU性能的提高，已可用软件来实现相应的功能。
在软件方面需要有支持多媒体功能的操作系统，需要有对声音与图像进行采集和处理的软件，需要有制作多媒体的软件，需要有播放多媒体作品的软件。
6.声音的数字化
声音数字化的过程包括采样、A/D转换、编码和数据压缩。采样率通常是44.1kHz，22.05kHz或11.025kHz，采样率越高，信号失真越小，但数据量越大。A/D转换的位数通常有8位和16位之分，位数越多，噪音越小。声音数字化后产生的文件称为波形文件。
MIDI(Musical Instrument Digital
Interface)是乐器数字接口的英文缩写，通过MIDI键盘，可将弹奏的乐曲以MIDI的形式输入计算机，MIDI文件是记录音乐乐谱、产生合成音乐的文件，其数据量比波形文件小得多，但尚不能表示语言。
8.视频信息
视频信息是指活动图像，典型的是576行、65536种彩色、25帧/秒的电视图像。由于连续播放时，数据量特别大，必须进行压缩才能在计算机中实现。VCD光盘采用MPEG-1标准压缩，每张VCD盘可存放74分钟的电视节目。DVD光盘采用MPEG-2标准压缩，可存放2小时以上高清晰度的电视节目。
9.多媒体技术的应用
多媒体技术对传统的信息领域将会带来很大的变化，特别是对于出版业、广播与电视业、通信业将会带来全新的革命性的变化。
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