2011考研組成原理重點總結（三）_跨考網

18．比較硬布線控制器與微程序控制器

硬布線控制器與微程序控制器相比較，除在操作控制信號的形成上有較大的區(qū)別外，其他沒 有本質的區(qū)別。對于實現相同的一條指令，不管是采用硬布線控制還是采用微程序控制技術，都 可以采用多種邏輯設計方案，導致了各種不同的控制器在具體實現方法和手段上的區(qū)別和性能差
異。 硬布線控制與微程序控制的主要區(qū)別可歸納為如下方面：

(1)實現方式

微程序控制器的控制功能是在存放微程序存儲器和存放當前正在執(zhí)行的微指令的寄存器直接 控；MT 實現的，而硬布線控制的功能則由邏輯門組合實現。微程序控制器的電路比較規(guī)整，各 條指令信號的差別集中在控制存儲器的內容上。因此，無論是增加或修改指令都只要增加或修改 控制存儲器內容即可，若控制存儲器是 ROM，則要更換芯片，在設計階段可以先用 RAM 或 EPROM 來實現，驗證正確后或成批生產時，再用 ROM 代替。硬布線控制器的控制信號先用邏 輯式列出，經化簡后用電路來實現，因此，顯得零亂復雜，當需要修改指令或增加指令時就必須 重新設計電路，非常麻煩而且有時甚至無法改變。因此，微操作控制取代了硬布線控制并得到了
廣泛應用，尤其是指令復雜的計算機，一般都采用微程序來實現控制功能。

(2)性能方面 在同樣的半導體工藝條件下，微程序控制的速度比硬布線控制的速度低，因為執(zhí)行每條微程序指令都要從控制存儲器中讀取，影響了速度；而硬布線控制邏輯主要取決于電路延時，因而在 超高速機器中，對影響速度的關鍵部分如核心部件 CPU，往往采用硬布線邏輯實現。近年來， 在一些新型計算機系統(tǒng)中，例如，RISC(精簡指令系統(tǒng)計算機)中，一般都選用硬布線邏輯電路。

19．闡述計算機并行處理形式和流水線的分類

計算機自誕生到現在，人們追求的目標之一是很高的運算速度，因此，并行處理技術便成為計算機發(fā)展的主流。廣義地講，并行性有著兩種含義：一是同時性，指兩個以上事件在同一時刻 發(fā)生；二是并發(fā)性，指兩個以上事件在同一時間間隔內發(fā)生。

計算機的并行處理技術可貫穿于信息加工的各個步驟和階段，概括起來，主要有3種 形 式 ： 時間并行；空間并行和時間并行+空間并行。

(1)時間并行 指時間重疊，在并行性概念中引入時間因素，讓多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同一套硬件設備的各個部分，以加快硬件周轉而贏得速度。時間并行性概念的實現方式就 是采用流水處理部件。這是一種非常經濟而實用的并行技術，能保證計算機系統(tǒng)具有較高的性能 價格比。目前的高性能微型機幾乎無一例外地使用了流水技術。

(2)空間并行 指資源重復，在并行性概念中引入空問因素，以“數量取勝”為原則來大幅度提高計算機的處理速度。大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展為空間并行技術帶來了巨大生機，因而成為目前實現并行處理的一個主要途徑?？臻g并行技術主要體現在多處理器系統(tǒng)和多計算機系統(tǒng)。但是在 單處理器系統(tǒng)中也得到了廣泛應用。

(3)時間并行+空間并行 指時間重疊和資源重復的綜合應用，既采用時間并行性又采用空間并行性。例如，奔騰 CPU采用了超標量流水技術，在一個機器周期中同時執(zhí)行兩條指令，因而既具有時間并行性，又具有 空間并行性。顯然，這種并行技術帶來的高速效益是最好的。

(4)流水線

流水計算機中，CPU 按流水線方式組織，通常由三部分組成：指令部件、指令隊列、執(zhí)行部 件。這3個功能部件可以組成一個3級流水線。計算機的流水處理過程非常類似于工廠中的流水 裝配線。為了實現流水，首先把輸入的任務(或過程)分割為一系列子任務，并使各子任務能在流 水線的各個階段并發(fā)地執(zhí)行。當任務連續(xù)不斷地輸入流水線時，在流水線的輸出端便連續(xù)不斷地

吐出執(zhí)行結果，從而實現了子任務級的并行性。流水線有以下3種分類。

①指令流水線 指指令步驟的并行。將指令流的處理過程劃分為取指令、譯碼、執(zhí)行、寫回等幾個并行處理的過程段。目前，幾乎所有的高性能計算機都采用了指令流水線。

②算術流水線 指運算操作步驟的并行。如流水加法器、流水乘法器、流水除法等?，F代計算機中已廣泛采用了流水的算術運算器。

③處理機流水線 又稱為宏流水線，是指程序步驟的并行。由一串級聯(lián)的處理機構成流水線的各個過程段，每臺處理機負責某一特定的任務。數據流從第一臺處理機輸入，經處理后被送入與
第二臺處理機相 連的緩沖存儲器中。第二臺處理機從該存儲器中取出數據進行處理，然后傳送給第三臺處理機， 如此串聯(lián)下去。隨著高檔微處理芯片的出現，構造處理機流水線將變得容易了。處理機流水線應 用在多機系統(tǒng)中。

20．有哪些總線?

任何一個微處理器都要與一定數量的部件和外圍設備連接，但如果將各部件和每一種外圍設 備都分別用一組線路與 CPU 直接連接，那么連線將會錯綜復雜，甚至難以實現。為了簡化硬件 電路設計、簡化系統(tǒng)結構，常用一組線路，配置以適當的接口電路，與各部件和外圍設備連接， 這組共用的連接線路被稱為總線。采用總線結構便于部件和設備的擴充，尤其制定了統(tǒng)一的總線

標準則容易使不同設備間實現互連。

(1)按相對于 CPU 或其他芯片的位置，總線一般有內部總線、系統(tǒng)總線和外部總線。內部總 線是微機內部各外圍芯片與處理器之間的總線，用于芯片一級的互連；而系統(tǒng)總線是微機中各插件板與系統(tǒng)板之間的總線，用于插件板一級的互連；外部總線則是微機和外部設備之間的總線，
微機作為一種設備，通過該總線和其他設備進行信息與數據交換，它用于設備一級的互連。

(2)按總線功能來劃分又可分為地址總線、數據總線、控制總線三類，我們通常所說的總線都 包括上述三個組成部分。地址總線(ABus)用來傳送地址信息，數據總線(DBus)用來傳送數據信
息，控制總線(CBus)用來傳送各種控制信號。

(3)按其功用來劃分主要有局部總線、系統(tǒng)總線、通信總線3種類型。局部總線是在傳統(tǒng)的 ISA 總線和 CPU 總線之間增加的一級總線或管理層，它的出現是由于電腦軟硬件功能的不斷發(fā)展， 系統(tǒng)原有的 ISA／EISA 等已遠遠不能適應系統(tǒng)高傳輸能力的要求，而成為整個系統(tǒng)的主要瓶頸。 局部總線主要可分為三種：專用局部總線、VI 總線(VESA Local Bus)、PCI(Peripheral Component Interconnect：)總線。前兩種已被淘汰。系統(tǒng)總線是電腦系統(tǒng)內部各部件(插板)之間進行連接和 傳輸信息的一組信號線等。而通信總線是系統(tǒng)之間或微機系統(tǒng)與設備之間進行通信的一組信號
線。

(4)各種總線有：I2C，SPI，SCI，ISA，EISA，VESA，PCI，Compact PCI，RS-232-C，RS-485。IEEE-488，USB，PCI Express，AGP，AMR，CNR，ACR，IEEEl394等。

(5)決定總線性能的主要有總線時鐘頻率(總線的工作頻率，單位 MHz)，總線寬度(數據總線 的位數，單位為 bit 位)和總線傳輸速率(總線帶寬，在總線上每秒鐘傳輸的最大字節(jié)數 MB／s， 每秒處理多少兆字節(jié))。它們的相關計算公式為：傳輸速率一總線時鐘頻率×總線寬度／8。

21．闡述典型總線的特點

(1)ISA、EISA

ISA 總線又稱 AT 總線，是在 PC／AT 微機上所配備的擴展系統(tǒng)總線。
最早的 PC 總線是 IBM 公司1981年在 PC／XT 電腦采用的系統(tǒng)總線，它基于8 bit 的8088處 理器，被稱為 PC 總線或者 PC／XT 總線。在1984年的時候，IBM 推出基于16-bitIntel 80286處 理器的 PC／AT 電腦，系統(tǒng)總線也相應的擴展為16 bit，并被稱呼為 PC／AT 總線。PC／AT 的 擴展總線系統(tǒng)設計的最大速度為8 MHz，比 PC／XT 總線幾乎快了近一倍，而最佳的數據傳輸 率達20 MB／s。不過80286CPU 的執(zhí)行速度更快，因此要增加額外的等待周期，方能使擴展總 線與 CPU 之間進行數據傳輸。為了充分地發(fā)揮80286的優(yōu)良性能，同時又要最大限度地與 PC

／AT 總線兼容，ISA 總線在原 XT 總線的基礎上，又增加了一個36腳的擴展槽，將數據總線擴 展為16位，地址總線擴展為24位，將中斷的數目從8個擴充到15個，并提供了中斷共享功能，而 DMA 通道也由4個擴充到8個。為了開發(fā)與 IBM PC 兼容的外圍設備，行業(yè)內便逐漸確立了以 IBM PC 總線規(guī)范為基礎的 ISA(工業(yè)標準架構：Industry Standard Architecture)總線。

ISA 是8／16 bit 的系統(tǒng)總線，最大傳輸速率僅為8 MB／s，但允許多個 CPU 共享系統(tǒng)資源 。 由于兼容性好，它在上個世紀80年代是被最廣泛采用的系統(tǒng)總線，不過它的弱點也是顯而易見 的，比如傳輸速率過低、CPU 占用率高、占用硬件中斷資源等。后來在 PC’98規(guī)范中，就開始

放棄了 ISA 總線，而 Intel 從 i810芯片組開始，也不再提供對 ISA 接口的支持。 在1988年，康柏、惠普等9個廠商協(xié)同把 ISA 擴展到32-bit，這就是著名的 EISA (Extended

?ISA，擴展 ISA)總線。EISA 總線的工作頻率仍舊僅有8 MHz，并且與8／16 bit 的 ISA 總線完全兼容，由于是32-bit 總線的緣故，帶寬提高了一倍，達到了32 MB／s?？上У氖?，EISA 仍舊由 于速度有限。并且成本過高，在還沒成為標準總線之前，在20世紀90年代初的時候，就被 PCI 總線取代了。

除了一些特殊工業(yè)使用以外，ISA 已經不再使用了，而且現在的主板都不帶 ISA 接口。甚至 在一些設備要用上 ISA 時，系統(tǒng)生產商也不對消費者提及“ISA 總線”這個被遺忘的術語，而稱
它為“舊式總線(Legacy Bus)”。盡管 ISA 已經幾乎沒人使用了，但以它為基礎的其他總線依然被應用。PC／104，一種派生 自 ISA 的擴展接口，目前仍被用于工業(yè)和嵌入式系統(tǒng)，這種接口利用與 ISA 相同的信號傳輸線 連接不同的連接器。IPC 總線在現在的一些主板上取代 ISA 總線，連接一些老式的 I／O 設 備 ； 盡管物理層上與傳統(tǒng)的 ISA 有區(qū)別，但是一般軟件都會把 IPC 看成是 ISA，因此一些 ISA 的缺陷依然存在，比如16 MB 的 DMA 尋址極限。

(2)PCI

PCI 即外設組件互連標準(Peripheral Component Interconnection)，一種由英特爾(Intel)公 司1991年推出的用于定義局部總線的標準。此標準允許在計算機內安裝多達10個遵從 PCI 標準 的擴展卡。最早提出的 PCI 總線工作在33 MHz 頻率之下，傳輸帶寬達到133 MB／s(33 MHz*32 bit／s)，基本上滿足了當時處理器的發(fā)展需要。隨著對更高性能的要求，1993年又提出了64 bit 的 PCI 總線，后來又提出把 PCI 總線的頻率提升到66 MHz。目前廣泛采用的是32一 bit、33 MHz 的 PCI 總線，64 bit 的 PCI 插槽更多是應用于服務器產品。從結構上看，PCI 是在 CPU 和原來 的系統(tǒng)總線之間插入的一級總線，具體由一個橋接電路實現對這一層的管理，并實現上下之間的 接口以協(xié)調數據的傳送。管理器提供信號緩沖，能在高時鐘頻率下保持高性能，社和為顯卡，聲卡，網卡，MODEM 等設備提供連接接口，工作頻率為33 MHz／66 MHz。

PCI 總線系統(tǒng)要求有一個 PCI 控制卡，它必須安裝在一個 PCI 插槽內。這種插槽是目前主 板帶有最多數量的插槽類型，在當前流行的臺式機主板上，ATX 結構的主板一般帶有5～6個 PCI 插槽，而小一點的 MATX 主板也都帶有2～3個 PCI 插槽。根據實現方式不同，PCI 控制器可以 與 CPU 一次交換32位或64位數據，它允許智能 PCI 輔助適配器利用一種總線主控技術與 CPU 并行地執(zhí)行任務。PCI 允許多路復用技術，即允許一個以上的電子信號同時存在于總線之上。

由于 PCI 總線只有133 MB／s 的帶寬，對聲卡、網卡、視頻卡等絕大多數輸入／輸出設備顯 得綽綽有余，但對性能日益強大的顯卡則無法滿足其需求。Intel 在2001年春季的 IDF 上，正式 公布了旨在取代 PCI 總線的第三代 I／O 技術，該規(guī)范由 Intel 支持的 AWG(Arapahoe Working Group)負責制定。2002年4月17日，AWG 正式宣布3GIO1．0規(guī)范草稿制定完畢，并移交 PCI-SIG(PCI 特別興趣小組，PCI-Special Interest：Group)進行審核。

開始的時候大家都以為它會被命名為 Serial PCI(受到串行 ATA 的影響)，但最后卻被正式命 名為 PCI Express，Express 意思是高速、特別快的意思。

2002年7月23日，PCI-SIG 正式公布了 PCI Expressl．0規(guī)范，并于2007年初推出2．0規(guī)范(Spec2．O)，將傳輸率由 PCI Expressl．1的2．5 GB／s 提升到5 GB／s。

(3)AGP

AGP 全稱為加速圖形接口(Accelerated Graphics Port)，1996年由 Intel 提出，是在66 MHz PCI Revision2．1規(guī)范上建立起來的一種顯卡專用接口。推出原因使視頻處理器與系統(tǒng)主內存直 接相連，避免了經過 PCI 總線而造成的系統(tǒng)瓶頸，增加3D 圖形數據傳輸速度。這樣系統(tǒng)主內存 可以與視頻芯片共享，在顯存不足的情況下，調用系統(tǒng)主內存用于存儲紋理。AGP 可把幀緩沖內存更有效地使用，除3D 繪圖外，2D 繪圖的表現也得以加強。

AGP 又分為 AGP1X、AGP2X、AGP4X、AGP8X，AGP Pro 則是 AGP 的改進型，它使工 作站級主板也能利用 AGP 的加速性能，其電力需求較大，長度也比標準的 AGP 卡為長。該種 顯卡多用于電腦輔助設計的繪圖加速上。直至2004年，新版本 AGP 的資料傳輸量為早期版本的
2至8倍，現有版本如下：

AGP2x：使 用32-bit 傳輸通道，時脈66 MHz，透過雙泵增至133 MHz，資料傳輸量為每秒533MB，信號電壓與 AGPlx 相同。

AGP 4x：使用32-hit 傳輸通道，時脈66 MHz，透過四泵增至266 MHz，資料傳輸量為每秒1066 MB，信號電壓1．5 V。

AGP 8x：使用32-bit 傳輸通道，時脈66 MHz，透過八泵增至533 MHz，資料傳輸量為每秒2133 MB，信號電壓0．8 V。

AGP 通常會被視為電腦總線的一種，但這樣的分法嚴格來說是錯誤的，因為一組總線可容 許多個設備共享，而 AGP 卻不是，不能多個插槽共享一組總線。一些主機版設有多條獨立的 AGP
插槽，現時 AGP 正逐漸被 PCI-E 所取代。

(4)PCI Express
PCI Express，簡稱 PCIe 或稱 PCI—Ex，沿用了現有的 PCI 編程概念及通訊標準，是新一 代的總線接口，而采用此類接口的顯卡產品，從2004年下半年開始已經全面面世。早
在2001年的春季“英特爾開發(fā)者論壇”上，英特爾公司就提出了要用新一代的技術取代 PCI 總線和多種芯片的內部連接，并稱之為第三代 I／0總線技術。隨后在2001年底，包括 Intel、AMD、 DELL、IBM 在內的20多家業(yè)界主導公司開始起草新技術的規(guī)范，并在2002年完成，對其正式命
名為 PCI Express。
PCI Express 僅應用于內部互連。由于 PCI Express 是基于現有的 PCI 系統(tǒng)，只需修改物理 層而無須修改軟件就可將現有 PCI 系統(tǒng)轉換為 PCI Express。PCI Express 擁有更快的速率，以
取代幾乎全部現有的內部總線(包括 AGP 和 PCI)。Intel 希望將來能用一個PCI Express 控制器和所有外設交流，取代現有的南橋／北橋方案。

PCI Express 采用了目前業(yè)內流行的點對點串行連接，比起 PCI 以及更早期的計算機總線的 共享并行架構，每個設備都有自己的專用連接，不需要向整個總線請求帶寬，而且可以把數據傳 輸率提高到一個很高的頻率，達到 PCI 所不能提供的高帶寬。相對于傳統(tǒng) PCI 總線在單一時間 周期內只能實現單向傳輸，PCI Express 的雙單工連接能提供更高的傳輸速率和質量，它們之間的差異跟半雙工和全雙工類似。

PCI Express 的接口根據總線位寬不同而有所差異，包括1X、4X、8X 以及16X(2X 模式將 用于內部接口而非插槽模式)。較短的 PCI Express 卡可以插入較長的 PCI Express 插槽中使用。 PCI Express 接口能夠支持熱拔插，這也是個不小的飛躍。PCI Express 卡支持的三種電壓分別 為十3．3 V、3．3 Vaux 以及+12 V。PCI Express x16是專有顯不卡所設計的，用于取代 AGP 接口，能夠提供上行、下行2×4 GB／s 的帶寬，遠遠超過 AGP 8X 的2．1 GB／s 的帶寬。16x
的最大提供功率達到了70 W，比 AGP 8X 接口有了很大的提高。 基本可以滿足未來中高端顯卡的需求。

PCI Express 最大的意義在于它的通用性，不僅可以讓它用于南橋和其他設備的連接，衛(wèi)可 以延伸到芯片組間的連接，甚至也可以用于連接圖形芯片，這樣，整個 I／O 系統(tǒng)重新統(tǒng)一起來 ，
將更進一步簡化計算機系統(tǒng)，增加計算機的可移植性和模塊化。 在2005年，PCI Express 已近乎成為新的個人電腦主板標準。

(5)RS232，RS422，RS485

RS-232-C 標準最初是遠程通信連接數據終端設備 DTE(Data Terminal Equipment)與數據 通信設備 DCE(Data Communication Equipment)而制定的。因此這個標準的制定，并未考慮計 算機系統(tǒng)的應用要求。但目前它又廣泛地被借來用于計算機(更準確地說，是計算機接口)與終端 或外設之間的近端連接標準。顯然，這個標準的有些規(guī)定及和計算機系統(tǒng)是不一致的，甚至是相 矛盾的。有了對這種背景的了解，我們對 RS-232C 標準與計算機不兼容的地方就不難理解了。

RS-232C 標準中所提到的“發(fā)送”和“接收”，都是站在 DTE 立場上，而不是站在 DCE 的立 場來定義的。由于在計算機系統(tǒng)中，往往是 CPU 和 I／O 設備之間傳送信息，兩者都是 DTE，
因此雙方都能發(fā)送和接收。

①RS 一232一 C

RS-232一 C 是美國電子工業(yè)協(xié)會 EIA(E1ectronic Industry Association)制定的一種串行物 理接口標準。RS 是英文“推薦標準”的縮寫，232為標識號，C 表示修改次數。RS-232-C 總線標 準設有25條信號線，包括一個主通道和一個輔助通道。在多數情況下主要使用主通道，對于一
般雙工通信，僅需幾條信號線就可實現，如一條發(fā)送線、一條接收線及一條地線。

RS-232一 C 標準規(guī)定的數據傳輸速率為每秒50、75、100、150、300、600、1200、2400,4800、9600、19200波特。

RS-232-c 標準規(guī)定，驅動器允許有2500 pF 的電容負載，通信距離將受此電容限制，例如， 采用150 pF／m 的通信電纜時，最大通信距離為15 m；若每米電纜的電容量減小，通信距離可 以增加。傳輸距離短的另一原因是 RS-232屬單端信號傳送，存在共地噪聲和不能抑制共模干擾
等問題，因此一般用于20 m 以內的通信。

②RS-485
?
RS-485總線，在要求通信距離為幾十米到上千米時，廣泛采用 RS-485串行總線。RS-485采用平衡發(fā)送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。加上總線收發(fā)器具有高靈敏度，能檢 測低至200 mV 的電壓，故傳輸信號能在千米以外得到恢復。Rs-485采用半雙工工作方式，任何 時候只能有一點處于發(fā)送狀態(tài)，因此，發(fā)送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連 時非常方便，可以省掉許多信號線。應用 RS-485可以聯(lián)網構成分布式系統(tǒng)，其允許最多并聯(lián)32 臺驅動器和32臺接收器。
由于 RS-232-c 接口標準出現較早，難免有不足之處，主要有以下四點：

1．接口的信號電平值較高，易損壞接口電路的芯片，又因為與 TTL 電平不兼容故需使用電 平轉換電路方能與 TTL 電路連接。Ⅱ．傳輸速率較低，在異步傳輸時，波特率為20 Kbps。叭接 口使用一根信號線和一根信號返回線而構成共地的傳輸形式，這種共地傳輸容易產生共模干擾， 所以抗噪聲干擾性弱。Ⅳ．傳輸距離有限，最大傳輸距離標準值為 50英尺，實際上也只能用在
50米左右。
針對 RS-232-C 的不足，于是就不斷出現了一些新的接口標準，．RS--485就是其中之一，它 有以下特點：

a．RS 485的電氣特性：邏輯“1”以兩線問的電壓差為十(2—6)V 表示；邏輯“o”以兩線間的 電壓差為 (2—6)V 表示。接口信號電平比 RS 232-C 降低了，就不易損壞接口電路的芯片，且
該電平與 TTL 電平兼容，可方便與 TTL 電路連接。

b．RS 一485的數據最高傳輸速率為10 Mbps．

c．RS 一485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干能力增強，即抗噪聲干 擾性好。

d．RS 一485接口的最大傳輸距離標準值為4000英尺，實際上可達3000米，另外RS-232-C 接口在總線上只允許連接1個收發(fā)器，即單站能力。而 RS-485接口在總線上是允 許連接多達128個收發(fā)器。即具有多站能力，這樣用戶可以利用單一的 RS-485接口方便地建立
起設備網絡。

因 RS-485接口具有良好的抗噪聲干擾性，長的傳輸距離和多站能力等優(yōu)點就使其成為首選 的串行接口。因為 RS485接口組成的半雙工網絡，一般只需二根連線，所以 RS485接口均采用 屏蔽雙絞線傳輸。RS485接口連接器采用 DB-9的9芯插頭座，與智能終端 RS485接口采用 DB-
9(孔)，與鍵盤連接的鍵盤接口 RS485采用 DB-9(針)。

③RS 一422

RS422總線，RS485和 RS422電路原理基本相同，都是以差動方式發(fā)送和接受，不需要數 字地線。差動工作是同速率條件下傳輸距離遠的根本原因，這正是二者與 RS232的根本區(qū)別，因為 RS232是單端輸入輸出，雙工工作時至少需要數字地線。發(fā)送線和接受線三條線(異步傳輸)，還 可以加其他控制線完成同步等功能。RS422通過兩對雙絞線可以全雙工工作收發(fā)互不影響，而RS485只能半雙工工作，發(fā)收不能同時進行，但它只需要一對雙絞線。RS422和 RS485在19 Kpbs下能傳輸1200米。

(6)IEEEl394

IEEEl394是一種串行接口標準，它允許把電腦、電腦外部設備、各種家電非常簡單地連接 在一起。IEEEl394的原型是運行在 Apple Mac 電腦上的 Fire Wire(火線)，由 IEEE 采用并且重 新進行了規(guī)范。它定義了數據的傳輸協(xié)議及連接系統(tǒng)，可用較低的成本達到較高的性能，以增強 電腦與硬盤、打印機、掃描儀等外設，以及與數碼相機、DVD 播放機、視頻電話等消費性電子

產品的連接能力。由于要求相應的外部設備也具有 IEEEl394接口功能才能連接到1394總線上，所以，直到1995 年，Sony 推出的數碼攝像機加上了1394接口后，它才真正引起人們的廣泛注意。采用1394接口 的數碼攝像機可以毫無延遲地編輯處理影像、聲音數據，其性能得到了增強。數碼相機、DVD 播放機和一般消費性家電產品，如 VCR、HDTV、音響等都可以利用1394接口來互相連接。電 腦的外部設備，例如硬盤、光驅、打印機、掃描儀等，也可利用1394接口來傳輸數據。機外總 線將改變當前電腦本身擁有眾多附加插卡、連接線的現狀，它把各種外設和各種家用電器連接起
來。

IEEEl394有以下特點：

a．采用“級聯(lián)”方式連接各外部設備1394在一個端口上最多可以連接63個設備，設備間采用樹形或菊花鏈結構。設備間電纜的 最大長度是4．5米，采用樹形結構時可達16層，從主機到最末端外設總長可達72米。

b．能夠向被連接的設備提供電源1394的連接電纜(cable)中共有六條芯線。其中兩條線為電 源線，可向被連接的設備提供電源；其他四條線被包裝成兩對雙絞線，用來傳輸信號。電源的電 壓范圍是8～40 V 直流電壓，最大電流1．5 A。像數碼相機等一些低功耗設備可以從總線電纜內 部取得動力，而不必為每一臺設備配置獨立的供電系統(tǒng)。由于1394能夠向設備提供電源，即使
設備斷電或者出現故障也不影響整個網絡的運轉。

c．采用基于內存的地址編碼，具有高速傳輸能力 總線采用64位地址，將資源看做寄存器和內存單元，可以按照 CPU 與內存的傳輸速率進行讀寫操作，因此，具有高速傳輸能力。1394總線的數據傳輸率最高可達400 Mbps，因此，可以適用于各種高速設備。 Ⅳ．采用對等結構(Peer to Peer)
任何兩個支持1394的設備可以直接連接，不需要通過電腦控制，例如在電腦關閉的情況下， 仍可以將 DVD 播放機與數字電視機連接，直接播放光盤節(jié)目。

d．安裝方便且容易使用，允許熱插拔，可即插即用，不必關機即可隨時動態(tài)配置外部設備 。 增加或拆除某外設后，1394會自動調整拓撲結構，重設整個外設的網絡狀態(tài)

(7)USB

1994年，英特爾、康柏、Digital、IBM、微軟、NEC、北電等七家世界著名的計算機和通信 公司成立了 USB(Universal Serial Bus，通用串行總線)論壇，歷時近兩年形成了統(tǒng)一意見，于1995 年11月正式制定出 USB0．9通用串行總線規(guī)范，并在1997年開始有真正符合 USB 技術標準的 外設出現。USBl．1是目前推出的在支持 USB 的計算機與外設上普遍采用的標準。1999年 初 ， 在英特爾開發(fā)者論壇大會上，與會者介紹了 USB2．0規(guī)范，該規(guī)范的支持者除了原有的康柏、 英特爾、微軟和 NEC 四家成員外，還增加了惠普、朗訊和飛利浦三家新成員。USB2．0向下兼 容 USBl．1，數據的傳輸率將達到120 Mbps～240 Mbps，同時支寺寬帶數字攝像設備及下一代 掃描儀、打印機及存儲設備。目前普遍采用的 USBl．1主要應用在中低速外部設備上，它提供 的傳輸速度有低速1．5 Mbps 和全速12 Mbps 兩種，低速支持低速設備，如顯示器、調制解調 器、鍵盤、鼠標、掃描儀、打印機、光驅、磁帶機、軟驅等；全速將支持大范圍的多媒體設備。
USB 的主要特點如下：

a．使用方便

使用 USB 接口可以連接多個不同的設備，支持熱插拔。在軟件方面，為 USB 設計的驅動程 序和應用軟件可以自動啟動，無需用戶干預。uSB 設備也不涉及 IRQ 沖突等問題，它單獨使用 自己的保留中斷，不會同其他設備爭用 PC 機有限的資源，為用戶省去了硬件配置的煩惱。USB
設備能真正做到即插即用。
b．速度加快快速性能是 USB 技術的突出特點之一。USB 接口的最高傳輸率目前可達12 Mbps．比串口 快了整整100倍，比并口也快了十幾倍。今后 USB 的速度還將提高到100 Mbps 以上。

c．連接靈活

USB 接口支持多個不同設備的串行連接，一個 USB 接口理論上可以連接127個 USB 設備。 連接方式也十分靈活，既可以使用串行連接，也可以使用中樞轉接頭(Hub)，把多個設備連接在 一起，再同 PU 機的 USB 口相接。在 USB 方式下，所有的外設都在機箱外連接，不必打開機箱 ； 允許外設熱插拔，而不必關閉主機電源。USB 采用“級聯(lián)”方式，即每個 USB 設備用一個 USB 插頭連接到一個外設的 USB 插座上，而其本身又提供一個 USB 插座供下一個 USB 外設連接用 。 通過這種類似菊花鏈式的連接，一個 USB 控制器可以連接多達127個外設，而每個外設間距離(線纜長度)可達5米。USB 還能智能識別 USB 鏈上外圍設備的接人或拆卸。

d．獨立供電

普遍使用串口、并口的設備都需要單獨的供電系統(tǒng)，而 USB 設備則不需要，因為 USB 接口 提供了內置電源。USB 電源能向低壓設備提供5 V 的電源，因此，新的設備就不需要專門的交
流電源了，從而降低了這些設備的成本，并提高了性價比。

e．支持多媒體

USB 提供了對電話的兩路數據支持，可支持異步以及等時數據傳輸，使電話可與 PC 集成，共享語音郵件及其他特性。USB 還具有高保真音頻。由于 USB 音頻信息生成于計算機外，因而減少了電子噪音干擾聲音質量的機會，從而使音頻系統(tǒng)具有更高的保真度。

USB 和 IEEEl394在功能和設計思想上有許多相似的地方，但是它們的傳輸速率不同，因而 適用范圍也不同。從目前情況看，PC97標準已經納入了 USB 規(guī)范，新的芯片組都支持 USB，
并且越來越多的外設都支持 USB。

22．列舉基本輸入輸出方式，并說明其各自特點 輸入輸出系統(tǒng)的發(fā)展大致分為五種方式，即程序控制的輸入輸出方式(程序查詢方式)、中斷方式，DMA 方式、通道方式和 I／O 處理機等5種方式。

程序查詢方式和程序中斷方式適用于數據傳輸率比較低的外部設備，而 DMA 方式、通道方 式和 I／O 處理機方式適用于數據傳輸率比較高的設備。目前，小型機和微型機大都采用程序查 詢方式、程序中斷方式和 DMA 方式。通道方式、I／O 處理機方式大都用在中、大型計算機中。

為方便，把通道方式和 I／O 處理機方式視為一種方式。

(1)程序查詢方式

程序查詢方式又叫程序控制 I／O 方式。在這種方式中，數據在 CPU 和外部設備之間的傳送 完全靠程序控制，是在 CPU 主動控制下進行的，當輸入／輸出時，CPU 暫停執(zhí)行主程序，轉去 執(zhí)行輸入／輸出的服務程序，根據服務程序中的 I／O 指令進行數據傳送。這是一種最簡單、最 經濟的輸入／輸出方式，它只需很少的硬件，因此幾乎所有的機器都具有程序查詢方式，特別是在微、小型機中，常用程序查詢方式來實現低速設備的輸入輸出管理。

(2)程序中斷方式

“中斷”概念的提出，是計算機系統(tǒng)結構設計中的一個重大變革。在程序中斷方式中，某一外設 的數據準備就緒后，它“主動”向 CPU 發(fā)請求中斷的信號，請求 CPU 暫時中斷目前的工作而進 行數據交換。當 CPU 響應這個中斷時，便暫停運行主程序，并自動轉移到該設備的中斷服務程 序。當中斷服務程序結束以后，CPU 又回到原來的主程序。其原理和調用子程序相仿，不過， 這里要求轉移到中斷服務子程序的請求是由外部設備發(fā)出的。中斷方式特別適合于隨機出現的服 務。

(3)DMA 方式

直接訪問內存 DMA 方式，是一種完全由硬件執(zhí)行 I／O 交換的工作方式。在這種方式中，DMA 控制器從 CPU 中完全接管對總線的控制，數據交換不經過 CPU，而直接在內存儲器和 I／O 設 備之間進行。DMA 方式一般用于高速地傳送成組的數據。DMA 控制器將向內存發(fā)出地址和控制信號、修改地址、對傳送的字的個數計數，并且以中斷方式向 CPU 報告?zhèn)魉筒僮鞯慕Y束。

DMA 方式的主要優(yōu)點是速度快。由于 CPU 根本不參加傳送操作，因此就省去了 CPU 取指 令、取數、送數等操作。在數據傳送過程中，也不像中斷方式那樣，要進行保存現場、恢復現場 之類的工作。內存地址修改、傳送字個數的計數等，也不是由軟件實現，而是由硬件線路直接實
現的。
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(4)通道方式

DMA 控制器的出現已經減輕了 CPU 對數據輸入輸出的控制，使得 CPU 的效率有顯著的提 高。而通道的出現則進一步提高了 CPU 的效率。這是因為通道是一個具有特殊功能的處理器， 它有自己的指令和程序專門負責數據輸入輸出的傳輸控制，而 CPU 將“傳輸控制”的功能下放給 通道后只負責“數據處理”功能。這樣，通道與 CPU 分時使用內存，實現了 CPU 內部運算與 I／O 設備的并行工作。

23．常用的直接存儲器訪問(DMA)方式有哪幾種?它們的工作原理和主要優(yōu)缺點各是什么?

常用的 DMA 方式有如下三種：

(1)周期竊取方式

在每一條指令執(zhí)行結束時，CPU 測試有沒有 DMA 服務申請，如果有，則 CPU 進入一個 DMA 周期。在 DMA 周期中借用 CPU 完成上面所列出的 DMA 工作流程。包括數據和主存地址的傳 送，交換個數計數器中的內容減“l(fā)”，主存地址的增值及一些測試判斷等。周期竊取方式的優(yōu)點 是硬件結構很簡單，比較容易實現。缺點是在數據輸入或輸出過理中實際上占用了 CPU 的時間 。

(2)直接存取方式

DMA 控制器的數據傳送申請直接發(fā)往主存儲器。在得到主存儲器的響應之后，整個 DMA工作流程全部在 DMA 控制器中用硬件完成。直接存取方式的優(yōu)點是數據輸入或輸出過程沒有占 用 CPU 的時間。缺點是硬件結構很復雜，成本較高。

(3)數據塊傳送方式 在設備控制器中設置一個比較大的數據緩沖存儲器，一般要能夠存放下一個數據塊。據交
換以數據塊為單位，并采用程序中斷方式進行。數據塊傳送方式實際上并不是 DMA 方式，只是 它在每次中斷輸入輸出過程中是以數據塊為單位獲得或發(fā)送數據的。

24．從一個中斷源發(fā)出服務請求，到這個中斷服務請求全部處理完成，程序返回到中斷點 所經過的過程稱為中斷處理過程。在一次完整的中斷處理過程中，主要做哪些工作?其中，哪些
必須用硬件實現?哪些必須用軟件實現?哪些既可以用硬件實現也可以用軟件實現?

在一次完整的中斷處理過程中，主要做以下工作：

(1)判斷現行指令執(zhí)行結束，且沒有更緊急的服務請求；

(2)關 CPU 中斷，CPU 不能再響應其他任何中斷源的中斷服務請求；

(3)撤銷設備的中斷服務請求，如果這個中斷源的中斷請求不撤銷的話，那么在 CPU 開中斷 后，它必然將再次請求中斷服務；

(4)保存硬件現場，主要指保存處理機狀態(tài)字 PSW 及堆棧指針 SP 等中的內容；

(5)識別中斷源；

(6)改變設備的屏蔽狀態(tài)；

(7)轉向中斷服務程序人口，一般還要在中斷服務程序中通過軟件才能找到具體中斷源的中 斷服務程序入口；

(8)保存軟件現場，主要指保存將要被中斷服務程序破壞的通用寄存器中的內容等；

(9)開 CPU 中斷，CPU 可以響應其他更高級中斷源的中斷服務請求，中斷源之間可實現中 斷嵌套；

(10)中斷服務；

(11)關 CPU 中斷，CPU 不響應任何中斷源的中斷服務請求。在下一次開 CPU 中斷之前， 正在運行的程序不允許被中斷；

(12)恢復軟件現場，恢復被中斷服務程序破壞的通用寄存器中的內容等；

(13)恢復屏蔽狀態(tài)；

(14)恢復硬件現場，包括恢復處理機狀態(tài)字 PSW 及堆棧指針 SP 等中的內容等，準備返回 中斷點；

(15)開 CPU 中斷，如果用硬件實現，這條指令必須延遲執(zhí)行，要在程序回到中斷點之后才 能實際打開 CPU 的中斷；

(16)返回到中斷點。 其中“保存中斷點”和“轉向中斷服務程序入口”這兩個功能是必須用硬件來實現的。 “中斷服務”和“返回到中斷點”這兩個功能必須用軟件來實現。其他功能既可以用軟件又可以用硬件實現。

25．中斷屏蔽的作用和實現方法是什么? 設置中斷屏蔽有如下3個用處：

(1)在中斷優(yōu)先級已經由硬件確定了的情況下，改變中斷源的中斷服務順序

(2)決定設備是否采用中斷方式工作

(3)在多處理機系統(tǒng)中，可以通過中斷屏蔽，把對外圍設備的輸入輸出服務工作分配到各個 處理機中中斷屏蔽的實現方法主要有兩種：

a.每個或每級中斷源設置一個中斷屏蔽位的方法

中斷屏蔽位可以分布在各個中斷源中，也可以集中在處理機中。在為每個中斷源或每級中斷源設置一個中斷屏蔽位的方法中，中斷優(yōu)先級實際上只在處理機響應中斷源的中斷服務請求時使 用，即在所有請求中斷服務的中斷源中選擇出一個優(yōu)先級最高的中斷源首先為它服務。而處理機 在執(zhí)行中斷源的中斷服務程序時，并沒有優(yōu)先級的區(qū)分。
b.改變處理機優(yōu)先級方法 中斷優(yōu)先級不僅在處理機響應中斷源的中斷服務請求時使用，而且為每個中斷源的中斷服務程序也賦予同樣的中斷優(yōu)先級。正常工作的情況，在各個中斷源的處理機狀態(tài)字中設置的中斷優(yōu) 先級應該與這個中斷源本身的硬件中斷優(yōu)先級相同。這時，處理機響應中斷源的中斷服務請求和 完成中斷服務的過程將嚴格按照中斷源的硬件中斷優(yōu)先級進行。如果要改變中斷源的中斷服務順 序，即在有多個中斷源同時請求中斷服務時，讓某些硬件中斷優(yōu)先級較低的中斷源先得到處理機 的服務，可以通過修改相關中斷源的處理機狀態(tài)字來實現。

26．根據多臺外圍設備共享通道的不同情況，可將通道分為哪幾種類型?各種類型的通道的 工作原理是什么?

(1)字節(jié)多路通道

字節(jié)多路通道(Byte Multiplexer Channel)是一種簡單的共享通道，主要為多臺低速或中速的 外圍設備服務。字節(jié)多路通道采用分時方式工作，依靠它與 CPU 之間的高速數據通路分時為多 臺設備服務。字節(jié)多路通道包含有多個子通道，每個子通道連接一個設備控制器。每個子通道最 少需要有一個字節(jié)緩沖寄存器，一個狀態(tài)／控制寄存器以及指明固定地址的少量硬件。當通道在 邏輯上與某一臺設備連接時，就根據主存數據緩沖區(qū)地址訪問主存儲器，讀出或寫入一個字節(jié)， 并將交換字節(jié)個數減1，將主存數據緩沖區(qū)地址增量至下一個數據的地址。在這些工作都完成之后，就將通道與該設備在邏輯上斷開。

(2)選擇通道

選擇通道(selector Channel)在一段時間內單獨為一臺外圍設備服務，但在不同的時間內仍可 以選擇不同的設備。一旦選中某一設備，通道就進入“忙”狀態(tài)，直到該設備的數據傳輸工作全部 結束為止。選擇通道可以認為是只有一個以成組方式工作的子通道，只有一套完整的硬件，它逐個為幾臺物理上連接的高速外圍設備服務。

(3)數組多路通道 數組多路通道每次選擇一個高速設備后傳送一個數據塊(對于磁盤和磁帶等磁表面存儲器，數據塊大小通常為512個字節(jié))，并輪流為多臺外圍設備服務。數組多路通道可以被看做是以成組方 式工作的高速多路通道。

27．試述靜態(tài)互連網絡和動態(tài)互連網絡的概念以及各自特點

靜態(tài)互連網絡是指在各結點間有專用的連接通路，且在運行中不能改變的網絡。在靜態(tài)互連網絡中，每一個開關元件固定地與一個結點相連，建立該結點與鄰近結點之間的連接通路，直接 實現兩結點之間的通信。這種網絡比較適合于構造通信模式可預測或可用靜態(tài)連接實現的計算機。動態(tài)互連網絡設置有源開關，因而可根據需要借助控制信號對連接通路加以重新組合，實現所要 求的通信模式。

28．并行處理機從結構上可以分為哪幾類？ 并行處理機從結構上可以分為分布式存儲器結構和共享式存儲器結構。分布式存儲器結構

的 SIMD 計算機包含重復設置的多個同樣的處理單元 PE，通過數據尋徑網絡以一 定方式互相 連接。每個 PE 有各自的本地存儲器 LM。在統(tǒng)一的陣列控制部件作用下，實現并行操作。共享 式存儲器結構是一種集中設置存儲器的方案。共享的多體并行存儲器 SM 通過對準網絡與各處理 單元 PE 相連。

29．并行處理機與流水線向量處理機各有什么優(yōu)缺點?

SIMD 計算機利用大量處理單元對向量所包含的各個分量同時進行運算，與流水線向量處理 機相比，SIMD 計算機依靠的并行措施是資源重復，而不是時間重疊；而且它的每個處理單元要 擔負多種處理功能，其效率比多個單功能流水線部件要低一些。所以，只有在硬件價格大幅度下 降，加上系統(tǒng)結構的不斷改進，SIMD 計算機才具有較好的性能價格比。但是，要論提高運算速 度，SIMD 計算機主要依靠增多處理單元的個數，與流水線處理機主要依靠縮短時鐘周期相比， 其提高速度的潛力要大得多；如果有很好的互連網絡相配合，則多處理單元的功能和靈活性將會 更強一些。流水線的向量處理機處理短向量時，流水線建立和排空時間的比例加大；而在 SIMD 計算機中，短向量對速度的影響較小。SIMD 計算機基本上是一臺向量處理專用計算機。流水線 向量處理機接到主機上是為了執(zhí)行主機的一些有關操作或子程序，以此分擔主機的部分功能，從
而提高主機的有效運算速度，它們還不能被認為是系統(tǒng)的主體。

30．MIMD 處理機與 SIMD 處理機相比有哪些特點?

(1)MIMD 處理機有多個控制器，至少有多個指令部件，用以對各個 PE 實現單獨的控制，而 又相互協(xié)調配合。
(2)MIMD 多處理機的外圍設備要能夠被多個 PE 分別調用，因而要通過互連網絡轉接，而不 像并行處理機的外圍設備那樣統(tǒng)一訪問主存儲器進行程序和數組的有規(guī)則的傳送。
(3)并行處理機由于主要完成數組向量運算，它的 PE 和 MM 之間的數據交往是比較有規(guī)則 的，存儲器訪問的地址變換功能下不必要求太高，因而互連網絡的作用主要放在數據對準上，可 以做得比較簡單，但是，多處理機由于互連網絡必須滿足各個 PE 隨機地訪問主存儲器的要求， 所以，連接模式、頻帶和路徑選擇等問題都要復雜得多。存儲映射部件對每一個 PE 也是必需的 。

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