软件评测师考试考点分析与真题详解(最新版).doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流软件评测师考试考点分析与真题详解(最新版).精品文档.软件评测师考试考点分析与真题详解（最新版）第1章计算机系统构成及硬件基础知识1.1 中央处理器现有的计算机（包括单片机、个人计算机、超级计算机）基本都是冯诺依曼结构，这种结构将计算机分解成运算器、控制器、存储器、输入/输出设备，不加区别地将指令和数据存储在存储器中，指令、数据、存储地址都以二进制数表示。计算机运行时，执行的是存储器中的指令。由程序计数器来控制指令的执行。1.1.1中央处理器简介中央处理器是计算机的控制、运算中心，它主要通过总线和其他设备进行联系。另外，在嵌入系统设计中，外部

2、设备也常常直接接到中央处理器（CPU）的外部输入/输出（I/O）脚的中断脚上。中央处理器的类型和品种异常丰富，各种中央处理器的性能也差别很大，有不同的内部结构、不同的指令系统。但由于它们都是基于冯诺依曼结构，基本部分组成相似。1运算器运算器的主要功能是在控制器的控制下完成各种算术运算、逻辑运算和其他操作。一个计算过程需要用到加法器/累加器、数据寄存器或其他寄存器、状态寄存器等。加法是加法运算器的基本功能，在大多数的中央处理器中，其他计算也是经过变换后使用的，一个位加法的逻辑图如图1-1所示。图1-1 位加逻辑图其中：lXi、Yi是加数和被加数；lCi+1是低位进位；lCi是进位；lZi是和。为

3、完成多位数据加法，可以通过增加电路和部件，简单的加法器能够变成串行、并行加法器，超前进位加法器等。运算器的位数，即运算器一次能对多少位的数据做加法，是衡量中央处理器的一个重要指标。2控制器控制器是中央处理器的核心，它控制和协调整个计算机的动作。控制通常需要程序计数器、指令寄存器、指令译码器、定时与控制电路，以及脉冲源、中断等共同完成，如图1-2所示。图1-2 控制器组成中央处理器中各组件介绍如下。（1）指令寄存器（Instruction Register，IR）：显然，中央处理器即将执行的操作码表存放在这里。（2）指令译码器（Instruction Decoder，ID）：将操作码解码，告诉中

4、央处理器该做什么。（3）定时与控制电路（Programmable Logic Array，PLA）：用来产生各种微操作控制信号。（4）程序计数器（Program Counter，PC）：程序计数器中存放的是下一条指令的地址。由于多数情况下程序是顺序执行的，所以程序计数器设计成能自动加1的装置。当出现转移指令时，就需重填程序计数器。程序计数器可能是下一条指令的绝对地址，也可能是相对地址，即地址偏移量。（5）标志寄存器（Flags Register，FR）：这个寄存器通常记录运算器的重要状态或特征，典型的是是否溢出，结果为0，被0除等。这个寄存器的每一位表示一个特征。标志寄存器的典型应用是作为跳转

5、指令的判断条件。（6）堆栈和堆栈指针：堆栈可以是一组寄存器或在存储器内的特定区域。由于寄存器数量总是有限的，所以大多数系统采用了使用存储器的软件堆栈。堆栈顶部的指针称为堆栈指针。3寄存器组上面提及的程序计数器、标志寄存器等为专用寄存器，它们有特定的功能和用途。通用寄存器的功能由程序指令决定，最常见的应用是放置计算的中间结果，减少对存储器的访问次数。通常寄存器的宽度是和运算器的位数相一致的。1.1.2时序产生器和控制方式为了使得计算机各部件同步工作，计算机中都有一个脉冲源，通常是晶振。这个脉冲源产生主振脉冲，主振脉冲的时间间隔为主振周期，即时钟周期。中央处理器执行指令的时间（包括取址）为指令周期

6、，由于指令可能有不同的复杂度，所以每种指令的指令周期可能不同。CPU周期也称为机器周期，一般是从内存中读一个指令的最短时间。CPU周期又由若干个时钟周期组成，如图1-3所示。图1-3 一个指令周期通常把CPU执行指令的各个微操作遵循的时间顺序称为时序。时序图是形象表示信号线上信息变化的时间序列的图形。组合逻辑控制和微过程控制是两种基本的控制方式。1组合逻辑控制组合逻辑控制器是使用专用门的逻辑电路。它的实现有硬件接线控制和可编程逻辑阵列两种：硬件连线法最直接，可以用较少的组件实现最快的速度，但是如果要更改，只有重新设计；可编程逻辑阵列采用低成本大规模集成电路的方式。组合逻辑控制灵活性很差，在复杂

7、指令系统计算机中难以处理不断增加的复杂指令，但是它使用电子组件少，在采用精简指令集的计算机中发挥了很大作用。2微过程控制为提高控制的灵活性，许多中央处理器采用微过程控制的控制方法，先看几个概念。（1）微程序：微程序对应一条机器指令，若干个微指令序列形成一段微程序。而微指令又可细分为若干微操作，控制内存是存放微程序的地方。（2）微操作：它是最基本的操作，可分为兼容性微操作和不兼容性微操作，两种微操作的区别在于该微操作是否能在一个CPU周期内并行执行。（3）微指令格式：操作控制字段顺序控制字段前半部分存放对各种控制门进行激活或关闭的控制信息，后半部分是后续微指令的地址，这实现了数据结构中的单相列表

8、。操作控制字段的格式有两种。（1）水平型微指令：操作控制字段的每一位控制不同的控制门，可以在一个微指令中定义，执行多个并行的微操作优点是效率高、灵活，执行时间短。（2）垂直型微指令：和水平型相比，其格式要短，一条微指令包括的微操作少，只有12个，由于其指令字短，所以比较容易掌握。在实践中也常常使用混合型微指令，即水平型微指令和垂直型微指令的混合。1.2输入/输出及其控制人们曾经在科幻作品中有大胆的设想：玻璃瓶中的大脑，如果科技发达到能给玻璃瓶中的大脑施加视觉、听觉、触觉等信号，这个大脑能够意识到自己是在玻璃瓶中，而不是在现实中吗？借助于输入/输出设备，我们才能“操纵计算机”和“知道它在工作”。

9、1.2.1输入/输出设备一览计算机的输入/输出设备品种繁多，主要有以下几种。（1）纸带机、卡片机。它们都是“古代”大型计算机的输入设备，机器指令以打孔等方式存在于纸带、卡片上，由纸带机和卡片机输入计算机。（2）键盘、鼠标。嵌入式系统中键盘往往简化成少数的几个键，和鼠标在本质上并没有区别，键盘负责输入字符，鼠标负责指示位置，进行选择或点取等操作。手写笔是鼠标的扩展，使用时需要识别软件的支持。（3）显示器。嵌入式系统中的显示器往往简化为小屏幕LCD（Liquid Crystal Display，液晶显示器）或数码管，显示器向着越来越大、越来越清晰的方面发展，现在，CRT（Cathode Ray T

10、ube，阴极射线管）显示器逐渐淘汰，液晶显示器占主流地位。触摸屏实际上是显示器和鼠标的结合。（4）外存。外存是主存的辅助和延伸，有软盘、硬盘、光存储器、磁带机、闪存等。（5）打印机。它将人们需要的结果在纸面上输出。打印机有针打、喷墨、激光打印机几种类型。绘图仪是一种特殊的打印机，专门用于大幅图形的精确输出。（6）图形图像摄影输入设备。这些是新兴的输入设备，包括扫描仪、数码相机、数字摄像机等。这些设备能够把图像摄影等信息输入计算机，极大地丰富了个人计算机在普通家庭的应用。图形图像已经形成了标准接口，软件通过这个标准接口，能同各种不同的图像输入设备进行交互。数字摄像机通过USB（Universal

11、 Serial Bus，通用串行总线）、1394或者专用的视频捕捉设备和个人计算机交互。1.2.2输入/输出控制器由于外设的复杂多样性（控制方式、数据传输速率、数据格式也各不相同），同时不断有新的类型的外设出现，这使得很难使用中央处理器和它们直接打交道。另外，这些外设的数据传送速度往往远远低于系统总线的速度，不适合把它们直接挂在系统总线上。输入/输出控制器协调和控制数据的输入/输出，具体功能：缓冲锁存数据、地址译码、传递命令、码制转换、电平转换等，如图1-4所示。图1-4 输入输出控制器组成（1）数据寄存器：CPU或外设数据的缓冲。（2）状态寄存器：向中央处理器指示控制器和外设的状态。（3）控

12、制寄存器：由中央处理器写入该输入/输出控制器的识别指令，指示输入/输出控制器去和外设交互，将数据寄存器的内容写入外设，或者将外设的数据写入数据寄存器，并将此过程的状态写入状态寄存器。（4）控制电路：是输入/输出控制的核心，负责输入/输出控制器的行为。1.2.3外设的识别计算机程序要访问外设，从输入/输出控制器组成图中可以看出，中央处理器需要访问输入/输出控制器的各种寄存器，这个识别是通过地址总线和接口电路的地址译码器来实现的，可以有不同的外设编址方式。1独立编址方式在这种方式下，输入/输出地址和主存地址是分开的。从电路上说，有分离的输入/输出读写控制线；从指令上说，有专门的输入/输出控制指令。

13、这些指令常常以汇编指令的方式提供，往往是和具体的中央处理器密切相关的，这对程序的可移植性造成了影响，如表1-1所示。表1-1 个人计算机部分输入/输出地址表2统一编址方式与独立编址不同，统一编址方式中输入/输出地址是主存地址中的一部分，访问输入/输出寄存器和访问主存的方法是一样的，不需要单独的指令。这种方式能有效地降低软件编程的复杂度，在许多计算机，特别是嵌入式系统中得到了广泛的认可和应用，也称为地址映像。在统一编址方式编程过程中，需要注意的是程序优化带来的负面影响。对外设的操作往往需要一个过程，可能会对同一个地址多次写不同的值；在编译器看来，这种多次对一个变量的赋值是属于优化范围的，编译器通

14、常会忽略掉前面的赋值语句，只保留它认为“有效的”赋值语句。这时就需要选择合适的编译选项告诉编译器停止这样的优化。统一编址方式不但会将内存地址和I/O地址统一编址，也会将各种存储器统一编址。1.2.4外设的访问1程序查询方式这是最简单的方式，也是简单系统（外设种类和数目有限、数据传输速度较低的系统）中常用的方式。这种方式使中央处理器定时查询外设的状态，如果发现某个外设就绪，就开始和该外设进行输入/输出操作和处理，如图1-5所示。图1-5 程序查询和中断方式当存在多个外设时，中央处理器有串行和并行两种查询方式。串行查询是每次查询一个外设；并行则是将多个外设的状态位集中成一个专用端口，这样中央处理器

15、一次查询即可得到多个外设的状态。程序查询方式的缺点：当输入/输出控制器和外设交换数据时，中央处理器必须等待。这种等待对于许多系统而言是无法容忍的。2中断方式使用中断方式，可以克服查询方式低效的问题。当中央处理器执行到输入/输出请求指令时，向输入/输出控制器发出相应指令后，中央处理器并不等待，而是继续执行其他操作。此时，输入/输出控制器负责和外设进行通信，当数据从其数据寄存器写到外设后或者外设的数据写入其数据寄存器后，输入/输出控制器向中央处理器发出中断请求，中央处理器响应中断，并进行相应的处理。注意，由于输入/输出控制器数据寄存器大小的限制，一次输入/输出请求往往要经过多次的中断过程才能够完成

16、。由于中央处理器无须等待输入/输出控制器和外设的数据交换，因而提高了整个系统的效率。中断方式已经得到了普遍的应用。1）中断的基本概念中断并不只用于输入/输出系统中，中断系统是计算机的基本结构。中断系统的出现，是现代计算机功能强大的标志。顾名思义，中断就是打断中央处理器正在执行的工作，让中央处理器去处理其他更加重要或者更为紧急的任务。发起中断的事务称为中断源，中断源包括I/O设备、实时时钟、故障源、软件中断等。中断系统使得中央处理器摆脱了只能按照指令顺序执行的束缚，让计算在并行性、分时操作、故障处理等方面更加强大。按照中断源来区分，中断可以分为内部中断和外部中断。内部中断是中央处理器内部产生的中

17、断，在个人计算机中，内部中断又分为溢出中断、除法错中断、断点中断、软件中断及单步中断，其中可以使用软件中断实现操作系统功能调用和BIOS（Basic Input Output System，基本输入/输出系统）调用，也可以使用单步中断实现程序的调试。与之相对应的是外部中断，中断源来自于中央处理器之外。而外部中断按照中央处理器的响应可以分为可屏蔽中断和非屏蔽中断。非屏蔽中断是中央处理器一定要响应的中断，通常是计算机发生了紧急情况，如掉电等。可屏蔽中断大多数是外设和时钟中断，在计算机处理一些不应该打断的任务时，可以通过屏蔽位来禁止响应这些中断。2）中断处理过程中央处理器收到中断请求后，如果是当前允

18、许的中断，那么要停止正在执行的代码，并把内部寄存器入栈，这个过程不能被再次打断，所以在保护现场的开始要先关中断，保护完后再开中断。这个过程应该尽量短，以避免错过了其他中断。这个过程消耗的时间称为中断响应时间。然后开始执行中断处理程序，中断处理程序常常比较简单，通常是设置一些标志位，做一些简单的数据处理，而让其他更耗时的处理在非中断程序中完成。中断处理程序完成后，需要将刚才保存的现场恢复，把入栈的寄存器出栈，继续执行被中断的程序。整个过程消耗的时间称为中断处理时间，当然对于这个时间，不同的中断、不同的应用差别比较大，而且也不是一味求短，实际编写时要考虑中断处理的重要程度。现在大多数中央处理器都支

19、持多级中断，即在进行中断处理程序时，还可以响应其他中断，形成中断嵌套。3）中断的判断当有多个中断源时，常用的处理方式有以下几种。（1）每个中断源使用自己的中断请求信号线和中央处理器相连，这种方式适用于中断源不是很多的情况，而中央处理器的外部中断引脚是有限的。（2）统一的中断请求：由中央处理器使用专门程序依次判断是哪个中断源的请求，通过查询的次序，可以实现中断的优先级控制。（3）硬件查询法：有一条中断确认信号链和输入/输出设备相连，某个外设发出中断请求后，中断确认信号开始在各外设间传递，发出中断请求的外设响应这个信号，如图1-6所示。图1-6 中断方式的判断（4）总线仲裁：在这种方式中，外设必须

20、先得到总线控制权，发出中断请求，最后将设备号通过数据总线发给中央处理器。由总线仲裁机制决定可以发信号的外设。（5）中断向量表：中断向量表是一张不同中断处理程序入口地址的表格，用这种机制，每个中断源有不同的“中断号”，即中断向量。中央处理器收到中断信号，并根据中断号查中断向量表，以得到该中断处理程序的入口地址。3DMA方式DMA（Direct Memory Access，直接存储器存取）方式可以使得数据从输入/输出模块到主存的传输过程中，无须中央处理器的中转。这个工作转移给了DMA控制器（DMAC）来完成，这种方式可以达到高速的数据传输。1）DMAC控制器DMAC也能访问系统总线，能够独立访问主

21、存（这两个特点使得DMAC完成主存和输入/输出设备之间的数据交换），如图1-7所示。图1-7 DMAC示意图DMA中断控制示意图如图1-8所示。图1-8 DMA中断控制地址寄存器是内存地址，每传递一个数据，将这个寄存器加1，长度寄存器值减1。当长度寄存器为0时，发给中断机构完成信号，通知中央处理器进行后续处理。当中央处理器执行到输入/输出请求时，向DMA控制器发出相应指令，DMA控制器首先判断外设是否可用。如果可用，填充地址寄存器、长度寄存器等，向中央处理器发出总线请求信号，申请总线的处理权。中央处理器收到总线请求信号，让出总线控制权，然后DMA控制器将数据在外设和内存指定区域之间进行传送。而

22、长度寄存器保存的值随着数据的传送不断减小，当减小到0时，通过中断机构向中央处理器发出中断请求，中央处理器响应中断，对内存中的数据进行后续的处理。2）DMA传送过程的总线占有方式在DMA传输过程中，中央处理器停止访问主存，只进行一些与总线无关的内部操作。这种方法常用于高速的输入/输出设备。这种方式的优点是减少系统总线控制权的交换次数，实现简单；缺点在于这样的结果往往使中央处理器在DMA过程中无所事事。时间轮转片法：这种方法按照一定时间间隔，将总控制权分别轮换着交给中央处理器和DMA。这样中央处理器不会停止工作，但往往外设的速度低，可能使得DMAC的某些时间空转。就效率而言，仍然不高。借用周期法：

23、这是时间轮转片法的改进，即当有DMA操作时，DMAC控制总线访问内存，其他时间总线的控制权在中央处理器，它适合于外设速度远低于总线速度的高速主机。这种方式由于要判断DMAC是否需要使用总线，所以实现起来要比前面两者要复杂。3）DMA方式和中断方式的区别DMA方式使用到了中断，但是DMA和中断的输入/输出方式是有很大区别的。最根本的区别在于，使用中断方式时，主存和输入/输出控制器之间的数据传送仍然需要用中央处理器操作，需要使用中央处理器的寄存器等资源，如图1-9所示。图1-9 DMA与中断方式的区别同时，由于输入/输出控制器的数据寄存器大小有限，所以一个数据传送过程往往需要多次，这样中断发生也就

24、很频繁。由于中断调用过程使用了中央处理器的资源，所以中央处理器必须保护现场，使得在相当程度上增加了处理时间。而在DMA传送过程中，虽然DMA控制器需要暂停中央处理器的执行，以达到控制总线的目的，但是这种暂停是机器周期的中断，而且这个暂停中央处理器不需要保护现场，没有切换任务的操作。当数据传送完成后，才有一个中断，通知中央处理器进行数据传送的后续工作。DMA方式提供了比中断方式更好的并行性，如表1-2所示。表1-2 DMA方式和中断方式的比较4信道方式比DMA方式更进一步的是信道方式。与DMA方式相比，通常信道方式的控制器是一个有自身指令结构的处理器，有自己的简单指令系统。通过执行程序，它能够有

25、更强的处理能力，可以同时控制多种外设。1.2.5常见输入/输出接口1磁盘接口（1）IDE（Integrated Drive Electronics，集成驱动电子）接口，这个接口是个人计算机必备的。由于普通IDE容量不超过528MB，现在用的是增强型EIDE，数据传输率有UDMA-33、UDMA-66、UDMA-133等，32位数据带宽可连4个IDE设备。（2）SCSI（Small Computer System Interface，小型计算机系统接口），它并非只为外存储器而设计，放在这里介绍是因为它最常用于小型机，作为服务器和工作站上的外存储器接口，事实上，也有一些其他外设（如某些扫描仪等）也

26、使用SCSI接口。SCSI有多个版本，带宽和数据传输率也不断上升，其中Fast SCSI-II带宽为16位，传输速率为20Mb/s，而Fast/Wide SCSI II的性能指标是它的一倍。SCSI更可以称为一种总线，可以以雏菊链形式接入多个外设，这些外设被分配唯一的标号，既可以相互交换数据，也可以和主存交换数据。2串行接口和并行接口串行接口是一次发送一位信息，而并行接口则每次发送多位信息。并行接口必须使用多条数据线，适用于短距离的高速连接，而串行接口的实现比较复杂。串行接口有两种方式：同步通信和异步通信。异步通信接口传送数据时有确定的起始位、数据位、停止位，必要时还有检验位。可以有长度位，也

27、可以只用停止位；同步传输只有数据位，没有起始位等额外开销，但接口两方的时钟要求一致。3PC Card接口原来的PCMCIA（Personal Computer Memory Card International Association）是一种笔记本上常见的接口，特点是体积小、扩展灵活。现常见于笔记本电脑外接存储器、传真/调制解调器卡、网卡等扩展的接口。4USB接口个人计算机对外标准接口曾经只有串口和并口，这两种接口的速度及性能都难以适应新设备的发展，于是出现了USB和1394两种接口。USB系统永远是以个人计算机为主站，而连接到主站的都称为设备，这是和串口不同的地方。USB接口的特点包括：（1

28、）通过Hub可以扩展连接到127的外设。（2）速度快，USB 1.0的传输速率为1.2Mb/s，USB2.0的传输速率为480Mb/s，USB3.0的传输速率为4.8Gb/s。（3）设备安装配制容易，不必开机箱，也不必考虑中断等因素。（4）支持热拔插。由于以上特点，USB已经成为个人计算机标准接口之一。51394接口1394接口广泛用于娱乐性外设，如数字摄像机等，串行接口传输速率可达400Mb/s，新的标准是800Mb/s。1394使用雏菊链，一个端口可支持63个外设口，而且使用桥互联的方式，以树型结构配制，可支持高达6 022个设备。在许多方面，如支持热拔插、外设容易安装及配置等，USB和1

29、394有相似的地方，这也使得这两种接口有一定的竞争关系。由于USB实现简单，在PC上发展势头很猛，而1394接口制定本就是以“高速”为核心的，能出色地实现人们对影音方面大容量、高速度的需求，这两种接口在未来的一段时间内仍然会在各种应用领域里相互竞争。1.2.6联机、脱机和假脱机联机操作是输入/输出操作在计算机直接控制下进行的。联机时，操作者“正在”使用计算机资源。脱机操作是输入/输出操作在要进行操作的计算机以外的设备上进行，在需要时再送计算机处理。假脱机（Spooling）是指输入/输出不直接送往输入/输出设备或计算机，而是先送到外存储器，典型的例子是打印。联机、脱机和假脱机的行为，不仅仅用于

30、输入/输出系统，事实上，许多大型的高负荷软件系统设计都会利用这些技术。1.3总线结构、指令流和数据流本节简单介绍计算机中的总线结构、指令流和数据流等方面的基础知识。1.3.1三态门三态门的结构如图1-10所示。（a）（b）图1-10 三态门结构和0、1两个状态的门电路相比，三状态增加了一个高阻状态，又称为“悬空”、“断开”等。这个状态实际上意味着什么也得不到，实现三状态的逻辑电路称为三态门。如图1-10所示，当E=1时，图1-10（a）中D0= D1，而1-10（b）图则D0和D1为反相。E=0时，D0为高阻状态。在电路设计中，也可把E=1作为高阻状态。这里的E对于能否输出显得非常重要，在作为

31、总线结构的关键原件时，就称为“总线有效信号”。1.3.2总线总线在前面已经略有提及，它是计算机中各部件相连的通信线。通过总线，各部件之间可以相互通信，而不是每两个部件之间相互直连，减小了计算机体系结构的设计成本，有利于新模块的扩展，如图1-11所示。从中央处理器到外设，总线可以分为4类。（1）中央处理器内部总线。这是内部各部件之间的信息传送线，如寄存器与寄存器之间、各寄存器与运算器之间的信息传送线。（2）部件内总线。一块插卡的内部总线，又称为片级总线，像显卡、多功能卡等插卡都使用了部件内总线，实现本卡上的各种芯片的互连。（3）系统总线。系统总线是计算机系统内各功能部件（如中央处理器、存储器、外

32、设等）之间相互连接的总线。从位置上说，它一般位于计算机系统的底板上。从功能上说，它可以分为以下几种。数据总线：一般是由三态门控制的双向数据信道，中央处理器通过数据总线和主存、外设交换数据。地址总线：常常由三态门控制的单向数据信道，由中央处理器“点名”取数的位置。控制总线：用来传递控制信号。如读/写信号、中断请求、复位等信号。（4）外总线。它是计算机系统之间，或者是计算机和其他设备通信的总线。图1-11 总线图1.3.3常见的个人计算机系统总线的比较最早的PC/XT电脑采用的是系统总线，它是基于8位的8088 处理器，被称为PC总线或者PC/XT总线。1984年，出现了基于16位Intel 80

33、286处理器的PC/AT 电脑，系统总线也相应地扩展为16位，并被称为PC/AT 总线。以上两种总线规范为基础的ISA（Industry Standard Architecture，工业标准架构）总线，方便开发与个人计算机兼容的外围设备。ISA 是8/16位的系统总线，最大传输速率为8Mb/s，允许多个CPU 共享系统资源。由于兼容性好，它在20世纪80年代得到了广泛采用，其缺点是传输速率过低、CPU占用率高、占用硬件中断资源等。当出现了32位外部总线的386DX处理器之后，ISA的宽度就成为严重的瓶颈，并影响到处理器性能的发挥。新的EISA（Extended ISA，扩展ISA）总线是为适应

34、32位中央处理器而制定的。EISA 总线的工作频率仍旧是8MHz，并且与8/16位的ISA总线完全兼容，带宽提高了一倍，传输速率达到了32Mb/s。为了解决ISA和EISA速度慢的问题，出现了32位的PCI（周边组件互连）总线。最初PCI 总线工作在33MHz 频率之下，传输带速率到了133Mb/s（33MHz32位/8）；后来又提出了64位的PCI 总线，并把PCI 总线的频率提升到66MHz100MHz，甚至更高。PCI不像ISA总线那样，把地址寻址和数据读写控制信号都交给微处理器来处理，而是独立于处理器，采用了独特的中间缓冲器设计，可将显示卡、声卡、网卡、硬盘控制器等高速的外围设备直接挂

35、在CPU总线上。这样就打破了瓶颈，使得CPU 的性能得到充分发挥。PCI总线还具有能自动识别外设、与处理器和存储器子系统完全并行操作的能力，具有隐含的中央仲裁系统，采用多路复用方式（地址线和数据线）减少了引脚数，支持64位寻址，完全的多总线主控能力，提供地址和数据的奇偶校验等特点。PCI的缺点是存在中断共享冲突，只能支持有限数量的设备等问题，可支持10台外设后来3D显示卡的迅猛发展，让PCI总线吃紧，就出现了作为PCI 总线的补充AGP 总线。AGP（Accelerated Graphics Port，加速图形接口）接口，为显示卡专用，工作频率为66MHz，是PCI的两倍，带宽相应地增加到26

36、6MB/s。后来的AGP 2X、AGP4X、AGP8X，以及AGP16X，传输速率达到了4.2GB/s。3大总线的比较如表1-3所示。表1-3 3大总线对比1.3.4总线仲裁如前所述，总线由多个部件和设备共享，必须有一个总线控制机构，对总线的使用进行合理分配和管理，以避免使用过程中发生冲突。在DMA方式中，我们已经提到过DMA控制器和中央处理器之间需要交换控制权。显然当有多个设备请求总线时，总线管理机构必须对这些设备访问总线的优先级进行判断，并把总线的控制权交给合适的设备。而同时请求总线的其他设备，则必须等待。按照总线仲裁控制机构的位置，总线控制方式分为集中式控制和分布式控制。集中式和分布式这

37、两个词我们能够在许多地方看到，如分布式数据库、分布式网络、分布式计算等，在软件方面也大量在研究集中和分布的问题。从辩证的观点来说，两者各有千秋，不过是在不同的发展阶段、不同的软硬件成本、不同的开发成本上的不断比较和更新。分布式总线控制常用于称为现场总线的工业控制应用中，其监视、控制设备相对简单。集中式控制的总线控制逻辑常常用在中央处理器，所有需要使用总线的设备必须向总线控制器提出请求，等待总线控制器将总线的控制权交给自己，才开始相应的工作。当多个设备请求总线控制权时，总线控制器必须采用某种方式来进行仲裁，常见的有3种仲裁方式。1链式查询方式链式查询方式如图1-12所示。图1-12 链式查询在图

38、1-12中，总线控制器和设备之间有3根信号线。（1）总线请求：当总线请求有效时，表示至少有一个设备在请求使用总线。（2）总线忙：当总线忙有效时，表示总线正在被系统中某个设备使用。在这种情况下，总线请求的信号是不会被总线控制器响应的。（3）总线批准：当总线批准有效时，表示总线控制器响应总线请求，总线可以被使用。当某个设备需要使用总线时，发出总线请求信号，如果此时总线空闲（总线忙、信号为无效的情况），总线控制器响应该总线请求信号，并发出总线批准信号，这个信号按照次序经过每一个设备。对于某个设备而言，收到总线批准信号，如果自身没有发出总线请求信号，就把总线批准信号向下一个设备传递，直到传递到一个发出

39、总线请求信号的设备。这个设备停止传递总线请求信号，并获得总线的使用权。如果这个设备后面的设备也发出过总线请求信号，那个设备得不到总线批准信号，当然也就无法使用总线。这样在硬件结构上实现了总线使用的优先级。链式查询方法的优点是实现简单，容易扩充。但是优先级固定，不能更改，而且可能出现低优先级的设备长时间无法得到总线控制权的情况。2计数器定时查询方式这是一种可以灵活改变设备优先级的方式，如图1-13所示。图1-13 计数器定时查询方式与链式查询方式相比，计数器定时查询方式没有了总线批准信号线，取而代之的是定时器查询计数。当总线控制器收到总线请求时，如果总线空闲，则启动计数器，开始计数；当定时查询计

40、数信号线上的计数值和请求总线的设备一致的时候，该设备就置总线忙，并获得总线控制权。总线控制器收到总线忙，则计数停止。这种方式利用计数器的起始值来获得设备的优先级，如果每一次计数都从0开始，那么优先级划分和链式是相同的；如果每次从上次停止的位置开始计数，则各设备的优先级相同。如果由程序控制计数器的初值，就能动态地改变各设备的优先级，从而提高系统的灵活性。3独立请求方式和上面两种方式不同，独立请求方式中每个设备有专门的信号线，而不是所有的设备共享信号线，如图1-14所示。这个和中断中的第一种是不是很像？独立请求方式以增加控制线数和硬件电路为代价来得到响应时间短的优点，以硬件的增加来提高速度的方法读

41、者应该见过很多了。同时总线控制器可以由程序控制响应这些请求，可以灵活地制定优先级，能够动态地改变优先级。取得控制权的设备称为主设备，总线的控制权决定之后，主设备就开始和另外一个设备开始通过总线进行数据通信，这个设备称为从设备。一个设备在这次是主设备，下一次可能是从设备。图1-14 独立请求方式1.3.5指令流、数据流和计算机的分类我们先学习两个定义。（1）指令流：机器执行的指令序列。（2）数据流：由指令流调用的数据序列，包括输入数据和中间结果。1根据多倍性的分类按照计算机同时处于一个执行阶段的指令或数据的最大可能个数，人们把计算机分成4种，如表1-4所示。表1-4 指令流的分类（1）SISD（

42、单指令流单数据流）：这是最简单的方式，计算机每次处理一条指令，并只对一个操作部件分配数据。一般认为流水线技术的计算机仍然属于SISD。（2）SIMD（单指令流多数据流）：具备SIMD的常常是并行处理机，这种处理机具备多个处理单元，每次都执行同样的指令，对不同的数据单元进行处理。这种计算机非常适合处理矩阵计算等。（3）MISD（多指令流单数据流）：这种处理方式比较难以想象，有多个处理单元，同时执行不同的指令，针对的是单一数据。但有资料认为，流水线处理机中每个数据由不同操作部件对之进行处理。（4）MIMD（多指令流多数据流）：这是一种全面的并行处理机，典型的机型是多处理机。这种计算机的设计和控制都

43、很复杂。2按照程序流程机制的分类具体的介绍如下。1）控制流计算机这是通常见到的计算机，使用程序计数器来确定下一条指令的地址。指令程序流由程序员直接控制，其主存是共享的，存储区可以被多指令修改，容易产生数据相关性，对并行性不利。2）数据流计算机在冯诺依曼体系中，计算机是指令流驱动的，而数据流则是处于被动地位的，这看起来合理，但在某些时候也不尽然。与指令流相对的是数据流驱动，即一旦数据准备好，则立即开始执行相关的指令。非冯诺依曼体系仍然在探索中，但对冯诺依曼体系的改良也有相当好的成果，即流水线技术和并行计算机。在数据流计算机中，数据不在共享的存储器中，而是在指令间传送，成为令牌。当需要使用该数据的

44、指令收到令牌，开始执行之后，该令牌即消失，执行的指令将执行的结果数据当做新的令牌发送。这种方式不再需要程序计数器、共享的存储器，但是需要检测数据可用性的专门部件，建立、识别、处理数据令牌标记，需要时间和空间开销。在其他方面，数据流计算机还有一些困难需要克服：在数据流计算机中由于没有程序计数器，使得程序的调试和诊断变得困难；没有共享的存储器，也就无法控制其分配，无法支持数组、递归等操作。3）归约机归约机（Reductions Machine）又称为需求驱动，是由对一个操作结果的需求而启动的。归约机采用一种“惰性计算”的方式，操作只有在另一条指令需要这个操作的结果时才执行。比如在计算5（6210）

45、时，归约机并非先去计算62，而是先计算整个算式，碰到（6210）再启动一个过程去计算它，最后需要计算62，计算后一层层退回，得到整个算术式的值。由于需求驱动可减少那些不必要的求值操作，可以提高系统效率。归约机是一种面向函数式的语言，或以函数式语言为机器语言的机器，要有函数定义存储器和表达式存储；操作和数据合并存储。它需要大容量物理存储器并采用大虚拟存储容量的虚拟存储器，来满足对动态存储分配和大容量的存储空间的需求。1.4存储器系统计算机采用多级存储器体系，以确保能够获得尽可能高的存取速率，同时保持较低的成本。存储器体系包括寄存器、Cache、主存储器、磁盘存储器、光盘存储器、磁带存储器等，这些

46、存储器从前到后，价格逐渐降低，容量和访问时间则逐渐增加。存储器中数据常用的存取方式有顺序存取、直接存取、随机存取和相联存取等4种。（1）顺序存取：存储器的数据以记录的形式进行组织。对数据的访问必须按特定的线性顺序进行。磁带存储器采用顺序存取的方式。（2）直接存取：与顺序存取相似，直接存取也使用一个共享的读写装置对所有的数据进行访问。但是每个数据块都拥有唯一的地址标识，读写装置可以直接移动到目的数据块所在的位置进行访问。存取时间也是可变的，磁盘存储器采用直接存取的方式。（3）随机存取：存储器的每一个可寻址单元都具有自己唯一的地址和读写装置，系统可以在相同的时间内对任意一个存储单元的数据进行访问，

47、而与先前的访问序列无关。主存储器采用随机存取的方式。（4）相联存取：相联存取也是一种随机存取的形式，但是选择某一单元进行读写取决于其内容而不是其地址。与普通的随机存取方式一样，每个单元都有自己的读写装置，读写时间也是一个常数。使用相联存取方式，可以对所有的存储单元的特定位进行比较，选择符合条件的单元进行访问。为了提高地址映射的速度，Cache采取相联存取的方式。存储器系统的性能主要由存取时间、存储器带宽、存储器周期和数据传输率等衡量。1.4.1主存储器主存储器也就是我们简称的主存或内存，根据工艺和技术不同，可分为下列几种。（1）RAM（Random Access Memory，随机访问存储器）：RAM存储器既可以写入，也可以读出，但断电后信息无法保存，因此只能用于暂存数据。RAM又可分为 DRAM和 SRAM两种。DRAM（Dynamic RAM，动态RAM）：信息会随时间逐渐消失，因此需要定时对其进行刷新，维持信息不丢失。SRAM（Static RAM，静态RAM）：在不断电的情况下信息能够一直保持，不会丢失。DRAM的密度大于 SRAM且更加便宜；但SRAM速度快，电路简单（无须刷新电路），然而容量小，价格高。（2）ROM（Read Only Memory，只读存储器）：即只读存储器，信息已固化在存储器中。ROM出厂时其内容由厂家用掩膜技术（Mask）写好