计算机组成原理（三）
C、中断设备向量地址形成部件
- 在排队器处理完毕之后，所有的INTER线（仅有一条是低电平）经过设备向量地址形成部件后，设备向量地址形成部件给出中断响应程序首地址，CPU在收到中断指令后，根据提供的中断程序首地址从主存中取出指令，进行执行，下图是主存和向量地址在主存中的位置：
D、综上我们可以给出一个中断响应方式I/O的接口较完整的结构
地址线经过设备选择电路发出设备选择信号----> 启动命令经过命令译码器后令D（完成触发器）为0，B（状态触发器）为1----> B向设备发出启动命令，设备开始启动 --->设备工作结束返回数据到DBR，同时改变B和D为0和1---> D为1后，和MASK（屏蔽触发器）一起经过与非门和非门，将电流输送到INTR----> 多个INTR（同时工作）经过排队器排队后，输送到设备编码器--->设备编码器，给出中断程序首地址---> CPU收到中断指令之后开始执行中断程序。
（四）I/O 中断处理过程
A、EINT（允许中断触发器）
默认EINT为0，不允许执行中断程序，当CPU查询到有中断指令且优先级高于现执行程序，则将EINT调为1，开始执行中断程序，执行完毕后调用指令恢复，或者物理硬件反弹。
B、中断执行的时间点
在一条指令执行阶段结束前，CPU会检测是否有中断指令，如果有就开始执行中断程序
十三、中断服务程序的流程
（一）流程概览
A、执行保护程序，在中断之前，保存程序执行断点（依靠隐指令执行，隐指令就是硬件自动调用，程序无法调用），同时将程序需要用到的寄存器中的值保存起来，等待中断程序执行完毕之后，原程序恢复执行
这里保存原程序数据的方法有很多种，包括使用入栈指令将数据压入保护程序、或者将数据保存到其他暂时空闲的寄存器，或者保存到主存之中。
B、中断服务，执行中断服务指令（不同I/O接口会有不同的中断服务）
C、执行中断服务完毕后，执行出栈指令，恢复原程序数据。
D、执行中断返回指令，继续执行原程序
（二）单重中断和多重中断
A、单重中断：当有中断程序正在执行时，如果有优先级更高的中断请求，仍然执行本中断程序。
B、多重中断：当有中断程序正在执行时，如果有优先级更高的中断请求，允许程序被中断后执行新的中断程序。
C、两重中断的区别：
- 在红框框起来的位置我们看到单重中断是在设备服务完成后，才打开中断允许（开中断），然后中断返回，而多重中断是在进入中断服务后，保护完现场（将寄存器中需要的数据存入其他位置）直接打开中断允许，允许其他中断请求继续中断。
（三）总揽优劣
宏观上看，I/O接口和CPU是并行工作的，主要体现在（I/O接口在启动外部设备时，CPU仍然在运行主程序）
从微观上看，当外部设备准备完成后，还是要通过中断指令占用CPU，主进程还是要被搁置，故又是串行化的，还显劣势。
十四、DMA方式（直接存储器访问）
（一）DMA方式和程序中断、查询方式的数据通路的不同
DMA方式将CPU从外部设备和主存的数据交换中解脱出来。从前面我们可以知道，程序查询方式和程序中断方式都必须要用CPU一个寄存器作为媒介，传递数据，这样CPU就参与到外部设备和主存的数据交换中，严重浪费CPU的性能。
- 从图中可以看出DMA方式可以直接将外部设备和主存构成通路，实现内外数据的直接传递，解放了CPU这一宝贵资源。
（二）DMA与主存交换数据的三种方式
A、方式一：直接占用主存和总线使用权
这种方式虽然简单，但是有很大弊端。当DMA占用主存后，CPU因为失去主存占有权，就处于不工作状态或保持状态（指令缓冲区中有指令但无法从主存中获取想要的数据），DMA占用主存后，因为数据的传输不是一次传输完成的，而是要一次一次传输，所以中间有很长时间，DMA方式是对主存的占用是处于空闲状态的，这严重浪费了CPU的性能。
B、方式二：周期窃取（周期挪用）
这种方式是DMA在数据准备好后，发出总线占用请求，占用总线一个访存周期，数据传输完毕后，放弃总线使用权，还给CPU，这样就充分利用了总线和主存，减少了主存对CPU性能的消耗。
在DMA发出总线占用请求时会出现三种情况：1、总线闲置，直接占用 2、CPU正在占用主线，要等待CPU数据访存完毕。 3、CPU和DMA同时申请占用，则CPU要让出主线占用权（因为DMA通常连接的都是高速外部设备，如果等待时间过长，容易造成数据丢失。）
下面是这种方式的时间对比图：
C、DMA与CPU交替访问
我们将DMA和CPU分成等分的工作周期，DMA和CPU交替占用工作周期进行工作。这样做避免了DMA和CPU频繁交换总线和主存的占用权（提出占用申请和返回同意申请也是需要时间的），这样也就节省了一些时间（这样不需要申请占用和归还主线及主存的使用权）
（三）DMA接口的组成
A、DMA接口要实现的功能
- 向CPU申请DMA传送。
- 处理总线 控制权转交工作
- 管理系统总线、控制数据传送
- 确定数据传送的首地址和长度，修正传送过程中数据的地址和长度。
- 当DMA传送结束时，给出操作完成信号。
B、DMA的组成
分析：
- 三个组件AR（传送首地址寄存器）、WC（是字节数，会存一次不能传完全部数据，该寄存器用来记录已经传完的数据）、DAR（外部设备编号寄存器，用来确认是否是该DMA对应的外部设备）
- BR（数据缓冲，用来咱存数据）、中断机构是在数据传送完毕（WC归零）时，中断机构在数据缓冲完毕后发出中断请求，结束数据传送。
- DMA逻辑控制单元，用来控制整个DMA电路的调换，同时负责发出设备启动请求和设备启动反馈等。
分析数据输入过程
设备将数据存入BR---> 然后向控制逻辑单元发出请求信号---> 控制单元收到请求信号后，发出总线占用请求--->如果CPU未占用，则获得总线控制权 (CPU给出总线允许信号HLDA）---->AR接入总线中的地址线生效，存入位置被选中---->控制单元返回DMA正在传输数据的信号给外部设备--->控制单元控制数据线将BR中数据根据AR提供的地址，存入主存当中--->储存完毕后增加WC（字计数器）的值，改变AR（使指向下一个地址）--->最后检查WC，中断机构根据自身中断触发器判断是否发出停止DMA服务的请求信号（中断请求）。
C、CPU参与下的DMA数据传送过程
CPU预处理阶段，其会将DMA所需要的连接的设备码（DAR）发送到DMA的DAR寄存器、将主存首地址（AR）发送到DMA寄存器、将WC发送到WC寄存器中；上面用作DMA的初始化前提；
DMA数据传送阶段：首先发出总线占用请求，判断是否可占用--->如果可占用，首先将自身AR保存的主存地址发到总线--->然后将数据送I/O设备（或主存）--->单次数据传送完毕后，修改AR指向下一个要保存（或取出）的内存单元，修改字计数器 --->最后检查字计数器看数据是否全部传输完成--->如果没有就再次进行传送数据流程，如果已经结束，就向CPU申请程序中断
后处理阶段：CPU收到DMA程序中断指令之后，执行中断服务程序，结束DMA的工作状态。
- 后处理是在DMA发出程序中断指令后，CPU执行中断服务程序时要进行的过程，包括三个方面：
- 验证存入主存中数据的准确性
- 检查是否还需要DMA服务
- 验证数据存入或取出过程是否出现错误
（四）DMA接口与系统的连接细节
A、具有公共请求线的DMA请求
多个DMA接口共享一条DMA请求线连接到CPU，当CPU收到DMA请求时，会按DMA响应电路依次查看接口是否发出DMA请求，先查询到的接口获得总线访问权限。（离CPU越近的DMA接口越占优势。
B、具有独立请求线的DMA请求
这种方式每个接口都有一个独立的请求线，这样CPU在收到请求后，根据自己的算法或优先级设置给出主存和总线控制权限（通过响应线来响应） ，这种方式更加灵活。
（五）程序中断方式和DMA方式的对比
| 程序中断方式 | DMA方式 | |
| 数据传送 | 程序（CPU调用指令来传送） | 硬件（由DMA中控制单元控制传送） |
| 响应时间 | 一个指令执行完毕 | 一个存储周期（CPU一个存储周期后即可获得主存和总线的控制权） |
| 处理异常情况 | 能（中断程序出错后亦可以被中断） | 不能（数据传输过程，由硬件控制，没有中断机制） |
| 中断请求目的 | 为了执行中断程序传递数据 | 为了执行中断程序，进行数据传递完毕后的后处理工作 |
| 优先级 | 低（中断方式一般连接低速设备） | 高（DMA方式，一般连接高速外部设备） |
（六）DMA接口的分类
A、选择型（多个外部设备对接一个DMA接口）
当CPU需要外部设备输入或输出时，在预指令执行阶段，将选择的设备的设备码存入DMA的设备地址寄存器中---->这样在DMA启动的时候，就只有一台外部设备能够进行数据交互。
- 可见选择型是物理上多个设备同时连接，逻辑上仅能有一台设备实现交互。
B、多路型（有多个DMA接口分别对应一个外部设备）
- 每个子通道就是一个DMA，所有的子通道组成一个通道，通道仅有一个数据通路和数据缓冲连接。
- 每个子通道都有自己的字节缓冲，当CPU执行到数据输入输出指令的时候，将同时需要输入或输出的多个设备地址号发送到不同的子通道上，每个子通道连接一个外部设备，启动后可以同时从多台外部设备中读入数据到对应的字节缓冲中（此时可以看作多个接口和设备同时工作）
- 当每个子通道数据准备完成后，将数据加入数据缓冲时，在主存看来还是仅面对一个通道来进行数据交换。
C、多路型的工作原理和时间空余
- 上图时同时连接了三台设备，三台设备每次占用总线指令发出时间间隔分别为30微秒，45微秒，150微秒。
- 任何一台设备占用总线后传输数据只需要5微秒。
- 现在三台设备中打印机率先发出总线和主存占用指令，占用主存和总线，用5微秒实现数据传输；然后稍等一会儿磁带和磁盘同时也请求总线占用，（遵循快速设备优先原则）先用5微秒响应磁盘的请求，然后再用5微秒处理磁带的数据传输。即使这样依然还剩余大量空余时间，这些时间没有被充分利用起来。
数字（计算机中的数据表示）
十四、计算机的运算方法
（一）无符号数和有符号数（原码方式表示）
A、无符号数
根据存储单元给定位数决定无符号数位数，如果是在寄存器中保存，那么寄存器的长度就反映了其能储存的数据范围，如给定寄存器位数为8位，那么数据范围就是0-255（8个0---8个1）；
B、有符号数
我们需要一位用0/1来代表正号和负号，还需要一位来代表小数位置（小数没有固定硬件表示）
如： +1101 机器码就是 01101； -1101 机器码就是 11101；+0.1101 机器码就表示为 0 1101（紫色代表小数占用位）； -0.1101 机器码表示就是 1 1101（紫色表示小数位）； +1101就表示为 01101 这种情况，就是整数，小数位在最后。
C、原码表示法
- 上面的方式都用最高位作为数的符号位，所以假如整数的二进制表示是n位，原值是x，则x的计算机表示[x]，三者满足下列关系。
- 当x为正数时，增加符号位为0，其他位是x（真值）的绝对值，那么绝对值占用位的能够储存的数字范围为2^n>x>=0,区间为何是左开右闭，因为数字位的最高位（n）最大为1，所以永远无法达到2^n；
- 当x为负数时，增加符号为1，其他位为x，则计算机中表示为1 + x的绝对值，即1-x，因为符号位位1，所以如果符号为算入数据位则范围为[2^(n+1),2^(n+1)+2^n);
- 小数（绝对值小于1的数）
- 小数转换为原码，只需要将最开始的小数点前面的0作为符号位即可，小数位在符号位之后。
- 注意用原码表示法的话，0是有正负的，如果原码是0，000则为正零，1，0000则为负零（在数据位为4位时是如此）
C、原码表示法的优势和不足
优势：表示简单易懂；
不足：造成计算单元更复杂，比如同样是加法运算，就分为下面四种情况
| 加法运算可能情况 | 结果 |
|---|---|
| 两个正整数 | 加法 正数 |
| 一正一负 | 减法，根据绝对值情况而定，结果可正可负 |
| 两负 | 加法 负数 |
| 一负一正 | 减法 等同于第二种情况 |
这中情况的出现时因为加数有可能是负数导致的，那我们有没有一个数能够代替负数等价地去直接进行加法运算呢？
补码表示法解决了这个问题。
（二）无符号数和有符号数（补码方式表示）
A、补码的概念
- 由钟表引入
钟表只有12个小时，指针会不断旋转指向不同的值，这时如果我们这时时针指向6，那么我们要让6变为3有两种方法：
- 时针逆时针旋转3个小时
- 时针顺时针旋转9个小时
- 我们抽象概念知，12是模的话，一旦超过12就进行取模运算，得到结果。这样就实现了：6+9=15 和 6-3=3 最终结果就相等；我们把9和-3这样两个数其绝对值的和为12的数就称为互补数，通过这个技巧我们就能实现将正负数变为统一加法操作。
B、计算机实现补码
- 条件设置：计算机底层我们用四位结构来储存数据，我们在四位储存+1011，我们要让其变为0000也有两种方式：
- 1011-1011=0000；
- 1011+0101=0000；
- 为什么1011+ 0101 =0000？
- 1011+0101=10000，但是因为储存数据的位数只有四位，结果最高位的1超出四位，故数据位还是0000，所以就实现了1011 - 1011 = 1011 + 0101 =0的效果。
- 我们同样可以将-1011和1011这两个数看作互补数， 又因为1011 + 0101 = 10000，所以我们知道他们的模数为2^4=16,模数为16。
- 如此我们就可以实现将本来的正负数相加变为两个整数相加。如假设存储数据位还是4位，那么-101=+011 （mod=2^3),-0.1011=+1.0101(mod=2^1);
- 根据3我们可以知道下面几个结论：
- mod（模数）= 2^n(n为数据存储单元的位数）；
- 要想得到一个数的互补数，需要每位取反加一，如+1011 ==》 -0100 ==〉 -0101，故+1011的互补数
C、发现规律，总结公式
+1011的补码是+1011 + 10000 = 11011，因为四个数据位，还是1011（正数的补码是其本身）。
-1011的补码是-1011 + 10000 = 0101（负数的补码是正数）
为了区分到底是负数还是正数的补码，我们在他们前面加上0或1来区分（0为正数的补码，1为负数的补码）
我们用2^5来计算两个数的补码： 100000 -1011 = 010101，因仅保留五位，故为1,0101；100000 + 1011 = 101011，因为是保留五位，故为0,1011。
可见最高位是1则是负数的补数，最高位是0则是正数的补数，故可得出如下公式：
整数补码公式：
小数补码公式及例子：
这里注意如果x为-1.0000时，其补码为1.0000，不能表示原码，因为1占用了符号位。
D、求补码的快捷方式
正整数：例如+1011 求其补码只需要将+变为0即可==》01011
负整数：例如-1011求其补码，先将-变为1，再将后面数值位取反后+1==〉 10101
原理：正常来讲：100000 - 1011 = 11111 + 1 - 1011 = 11111 - 1011 + 1;
正小数[0,1): 如 +0.1011，直接将+变为0作为符号位，小数点紧跟后面即为0.1011；
原理：10.0000 + 0.1011 = 10.1011 因位数仅5位，固为0.1011；
负小数(-1,0]:如 -0.1011 ，直接将-变为1作为符号位，小数点后取反加一，1.0101；
原理：10.0000 - 0.1011 =1.1111 -0.1011 + 1 = 1.0101;
E、补码和原码之间的转换
真值为负时，只需要将[x]补 保留符号位不变，其他取反加一，得到[x]原，例如0,1011（补码） ==》0,0101(原码）
真值为正时，原码与补码完全相同。
+0和-0的补码相同，原码不同。
原理：例如真值为+0.0000 补码为 0.0000，因为0.0000 + 10.0000 =10.0000（截去1，还是原值），负0同理。
（三）无符号数和有符号数（反码方式表示）
A、反码是什么？
反码获取只需要将原码符号位保留不变，正整数反码跟原码相同，负整数保留符号位不变，其他位取反（不用加1）
B、整数补码公式
因为不用加1，相当于模数减1。
C、小数补码公式
例子：-0.1010的反码：（2-2^(-4))-0.1010= 1.1111 - 0.1010 = 1.0101;(实际就是x的补码的最后一位减1）
D、+0和-0的原码和反码不一样
（四）三种表示方式总结
- 符号位和数值位在书写时用“,”或“.”隔开；
- 对于正数：其补码=原码=反码；
- 对于负数：其符号位为1。数值部分取反加1得到补码；数值部分不变得到原码；数值部分取反得到反码；
（五）原码、补码、反码表示范围（以8位数据为例）
取个别值分析：
- 补码10000000，其对应原码是100000000，一共九位，所以真值为2^8=128,又因为符号位为1，所以达到了用8位表达了-128的效果。
- 反码10000000，其对应原码为11111111，所以表示真值为-127。
（六）[y]补 和[-y]补的关系推导（例题）
设：[y]补 =y0.y1 y2 y3 y4....
情况一：[y]补 =0.y1 y2 y3 y4...
[y]补 =[y]原 ===>y = 0.y1 y2 y3 y4... ===> -y=-0.y1 y2 y3 y4 y5...
===>[-y]补=1.y1 y2 y3... + 2^n;（ 字体表示取反）
情况二：[y]补 =1.y1 y2 y3 y4...
[y]原=[y]补 （排斥符号位）取反末位加1 = 1.y1 y2 y3... + 2^n
===> y=-(0.y1 y2 y3... + 2^n )==> -y=0.y1 y2 y3... + 2^n
===再次数值位取反===>[-y]补 = 0.y1 y2 y3 y4 y5... + 2^n
（七）无符号数和有符号数（移码表示方式）
A、为什么要出现移码？
- 因为真值转换为补码后，无法准确判断原值大小，所以要引入移码。
- 下表是一个补码和原值对照表
| 十进制 | 二进制 | 补码 |
| +21 | +10101 | 0,01011 |
| -21 | -10101 | 1,01011 |
| +31 | +11111 | 0,00001 |
| -31 | -11111 | 1,00001 |
0,01011 < 1,01011 (错误）因为+21 > -21; 0,00001 < 1,00001 因为+31 > -31;
B、移码的计算公式
- 不区分正负值，暂时不能处理小数的移码。n为数值位数，x为真值
- 举例：
- 真值x为+10100，那么[x]移=2^5 + 10100 = 1,10100；
- 真值x为-10100，那么[x]移 = 2^5 -10100 = 11111 - 10100 + 1 =01011 + 1 = 01100;前面加上一位符号位0,01100。
我们可以发现，正数的符号识别位为1，负数的识别位为0。这样就是解决了大小比较问题。
C、移码和补码的比较
| 十进制 二进制 | 补码 | 移码 |
| +21 +10101 | 0,01011 | 1,01011 |
| -21 -10101 | 1,01011 | 0,01011 |
| +31 +11111 | 0,00001 | 1,00001 |
| -31 -11111 | 1,00001 | 0,00001 |
- 我们发现补码与移码只差一个符号位（符号位相反）
D、移码和补码对照表
- 可以看到-100000的移码是将-100000向右移动了2^5位，用000000来表示（含一个符号位）
- 移码的特点：
- 移码为全零时，表示数据位表示的最小值
- +0和-0的移码相同都是 2^n + 0 = 2^n(n表示数据位数）
- 用移码表示浮点数的阶码非常容易判断浮点数阶码的大小（阶码马上会学到！）