CPU对I/O设备的控制方式、计算机存储体系及寻址范围详解

CPU对I/O设备的控制方式

CPU对I/O设备的控制方式主要有以下几种：

程序查询方式: CPU通过程序不断地查询I/O设备的状态，等待设备就绪后再进行数据传输。这种方式的缺点是CPU需要花费大量时间进行查询，效率较低。
中断方式: I/O设备在完成任务后向CPU发出中断请求，CPU响应中断请求，停止当前任务并转向中断处理程序，进行相应的I/O操作。中断方式可以提高CPU的利用率，但是需要额外的中断处理程序。
DMA方式: DMA控制器负责直接将I/O设备的数据传输到内存中，CPU只需发出DMA命令，然后可以继续执行其他任务。DMA方式可以大大提高数据传输速度，减轻CPU的负担。

计算机的存储体系

计算机的存储体系主要包括三个层次：主存储器、辅助存储器和高速缓存。

主存储器: 是计算机中最重要的存储设备，用于存储正在运行的程序和数据。主存储器的读写速度非常快，但存储容量有限，且需要持续供电才能保持数据的存储。
辅助存储器: 包括硬盘、光盘、U盘等设备，用于长期存储大量的程序和数据。辅助存储器的存储容量较大，但读写速度较慢。
高速缓存: 是一种特殊的存储器，位于CPU和主存储器之间，用于存储最近被频繁使用的数据和指令。高速缓存的读写速度非常快，可以大大提高计算机的运行速度。

寻址范围计算

已知CPU有32根数据线和20根地址线，存储器的容量为100MB，试分别计算按字和按字节寻址时的寻址范围。

按字寻址: 每个地址对应一个字（32位），因此寻址范围为： 2^20 = 1,048,576字即，从地址0到地址1,048,575，共计1,048,576个字。
按字节寻址: 每个地址对应一个字节（8位），因此寻址范围为： 2^20 × 4 = 4,194,304字节即，从地址0到地址4,194,303，共计4,194,304个字节。

指令流水线时序

若指令4级（取指FL,指令译码DI,取操作数FO,执行指令EI），绘制指令流水线时序图。

以下是指令流水线时序图：

 FL       DI       FO       EI
|---------|--------|--------|---------|   -> 时钟周期
|         |        |        |         |
|    IF   |   ID   |   EX   |   WB    |
|         |        |        |         |
|---------|--------|--------|---------|