計算機組成原理復習(縮略版)

2023/2/61考試題型選擇題30分填空題20分

簡答題40分綜合題10分希望大家認真復習，仔細審題，不要提前交卷！2023/2/62主要內容（電子計算機的基本結構）馮.諾依曼計算機模型

1、計算機由運算器、存儲器、輸入/輸出設備和控制器組成，并以運算器為中心連接在一起。2、存儲器由一組一維排列、線性編址的存儲單元組成，每個存儲單元的位數(shù)是相等且固定的，存儲單元按地址訪問。3.“程序”是由一條一條的指令有序排列而成，而指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼規(guī)定了該指令的操作類型，地址碼指示存儲操作數(shù)和運算結果的存儲單元地址，操作數(shù)的數(shù)據(jù)類型由操作碼類規(guī)定。2023/2/63馮.諾依曼計算機模型

4、指令和數(shù)據(jù)均采用二進制數(shù)表示，并以二進制數(shù)形式進行運算。5、程序（指令）與數(shù)據(jù)是同等地不加區(qū)分地存儲在同一個存儲器中。6、設置“程序計數(shù)器PC”來指示下一條將要執(zhí)行的指令的地址。每執(zhí)行完一條指令，程序計數(shù)器就自動加1，指向下一條指令的存儲單元。主要內容（電子計算機的基本結構）2023/2/64計算機的體系結構指程序員所看到的機器的屬性，即機器的概念性結構和功能表現(xiàn)。這些屬性主要是指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示、中斷系統(tǒng)、寄存器組織等。計算機的組成計算機體系結構的邏輯實現(xiàn)計算機的實現(xiàn)

計算機組成的物理實現(xiàn)主要內容（電子計算機的基本結構）2023/2/65可見屬性可以看見的屬性，比如對于匯編語言程序員，指令集是可見的。

MAR、MDR寄存器對匯編語言程序員是不可見的，對匯編語言程序員來說，也是透明的。透明屬性本來存在的事物或屬性，從某種角度看似乎不存在。數(shù)據(jù)總線的寬度、微程序對匯編語言程序員、機器語言程序員透明對硬件設計者、計算機維修人員不透明主要內容（電子計算機的基本結構）2023/2/66主要內容（處理器）處理器的組成

處理器的基本組成包括：寄存器、運算器和控制器處理器的內部有大量的寄存器：通用寄存器、基址寄存器、變址寄存器、程序計數(shù)器、指令寄存器、狀態(tài)控制字寄存器以及用戶透明的MAR、MDR處理器的所有工作都是在控制單元CU的指揮下完成的。處理數(shù)據(jù)的功能單元叫算術邏輯單元ALU，它的功能是對數(shù)據(jù)進行各種算術運算或邏輯運算。2023/2/67主要內容（處理器）處理器的工作過程

處理器的主要工作就是周而復始地執(zhí)行指令，所以它的基本功能包括取指令、分析指令、取數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)、寫回結果。（1）取指令。處理器根據(jù)PC給出的主存地址訪問主存儲器，取出一個標準字長的指令，將其送入處理器內部專門存放當前指令的指令寄存器IR，然后PC加1。2023/2/68主要內容（處理器）機器周期、時鐘周期、主存周期、指令周期

處理器每取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時間叫指令周期。時鐘周期是計算機的基準時鐘（一個節(jié)拍）。機器周期是所有指令執(zhí)行過程中的一個基準時間。選取處理器訪問一次主存的時間(也稱主存周期)作為機器周期。2023/2/69主要內容（處理器）指令（操作碼和操作數(shù)）

指令是處理器完成的最小功能單位。所有指令的集合稱為指令集。指令也是計算機體系結構中最重要的屬性。

指令包括操作碼和操作數(shù)。操作碼規(guī)定了指令所具有的功能。操作數(shù)是指令所要處理的數(shù)據(jù)。常以數(shù)據(jù)所在存儲單元的地址形式給出。也稱“指令地址碼”。

指令格式的特征。

每一條指令的機器碼（二進制數(shù)的編碼具有唯一性）2023/2/610主要內容（處理器）

把在同一CPU周期內并行執(zhí)行的微操作控制信息，存儲在控制存儲器里，稱為一條微指令（Microinstruction）。它是微命令的組合，微指令存儲在控制器中的控制存儲器中。2023/2/611主要內容（處理器）

一條機器指令對應一個微程序，微程序由若干條微指令序列組成。從指令與微指令，程序與微程序，地址與微地址的一一對應關系來看，前者與內存儲器有關，后者與控制存儲器有關。2023/2/612主要內容（處理器）尋址方式所謂尋址方式（Addressing）指的是指令按照何種方式尋找或訪問到所需的操作數(shù)或信息。

尋址方式分為指令尋址和數(shù)據(jù)尋址。指令尋址是為了找到下一條指令；數(shù)據(jù)尋址是為了找到本條指令所需的操作數(shù)。

2023/2/613主要內容（處理器）尋址方式對于指令尋址：順序尋址和跳躍尋址。

數(shù)據(jù)尋址（采用不同尋址方式的目的是縮短指令字長，擴大尋址空間，提高編程靈活性）

立即數(shù)尋址直接尋址間接尋址堆棧尋址

寄存器尋址寄存器間接尋址基址尋址變址尋址

2023/2/614主要內容（處理器）轉移指令和子程序調用的區(qū)別轉移指令和子程序的調用都是程序控制類指令，都可以改變程序執(zhí)行的順序。轉移指令分條件跳轉和無條件跳轉。改變程序執(zhí)行的順序，改寫程序計數(shù)器PC的值，跳到另外的地方去執(zhí)行另一段程序。不需要對程序的斷點進行保護，跳轉之后，不會回到原來的地方繼續(xù)執(zhí)行。2023/2/615主要內容（處理器）轉移指令和子程序調用的區(qū)別子程序調用的時候，首先把當前程序的斷點保存到系統(tǒng)堆棧中，（斷點處指令的CS：IP）然后由子程序名獲得子程序的入口地址，把子程序的入口地址寫入PC，從而去執(zhí)行子程序中的指令。子程序內部最后的一條指令是子程序的返回指令

RET。其作用就是從堆棧中恢復斷點的值，以便程序能從斷點處繼續(xù)執(zhí)行。2023/2/616主要內容（處理器）指令的流水線技術流水線技術：把一個重復的過程分解為若干個子過程，每個子程序可以與其他子過程同時進行。

流水線技術具有如下特點：流水過程由若干有聯(lián)系的子過程組成；每個子過程用專用的功能段實現(xiàn)；各個功能段所需的時間應盡量相等，這個時間一般作為時鐘周期。2023/2/617主要內容（處理器）小端規(guī)則和大端規(guī)則低地址的單元存放低位字節(jié)，高地址的單元存放高位字節(jié)——小端規(guī)則低地址的單元存放高位字節(jié)，高地址的單元存放低位字節(jié)——大端規(guī)則2023/2/618主要內容（存儲器）ROM、RAMROM只讀存儲器，掉電后信息可以保留。一般用作系統(tǒng)程序存儲。

RAM隨機存儲器，一般用作用戶程序存儲。

2023/2/619主要內容（存儲器）存儲器訪問的局部性原理時間局部性是指將要訪問的信息就是現(xiàn)在正在訪問的信息。空間局部性是指將要用到的信息就在正使用的信息旁邊。2023/2/620主要內容（存儲器）層次結構的存儲系統(tǒng)計算機存儲系統(tǒng)的層次結構中，最重要的兩個層次是采用高速緩沖存儲器的“Cache主存”層次，以及基于虛擬存儲器的“主存輔存”層次。

引入Cache的目的是為了解決訪問主存速度不夠快的問題。高度緩存Cache位于CPU和主存儲器之間。

主存與Cache映射的三種方式：直接映射、相聯(lián)映射、組相聯(lián)映射2023/2/621主要內容（存儲器）存儲器尋址范圍某處理器字長32位，其存儲容量為16MB，若按雙字編址，它的尋址范圍是多少？解：處理器字長為32位，雙字編址，則每個尋址單元存儲的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)為64位?？偟拇鎯θ萘繛?6MB，則尋址范圍為

16MB/64=2M2023/2/622主要內容（存儲器）存儲器的接口電路

位的擴展、字擴展、字和位的同時擴展

處理器的數(shù)據(jù)總線寬度大于存儲器的數(shù)據(jù)線寬度，需要進行位的擴展。處理器的地址總線寬度大于存儲器的地址線寬度，需要進行字的擴展。2023/2/623主要內容（輸入輸出接口與中斷系統(tǒng)）IO接口的概念

計算機的外設往往不能直接與系統(tǒng)總線相連，需要一個中間環(huán)節(jié)完成數(shù)據(jù)緩沖、數(shù)據(jù)格式轉換、通信控制、時序和電平匹配等工作，這個中間環(huán)節(jié)就是接口電路。主機與外設之間設置接口適配電路的原因:利用接口可實現(xiàn)多臺外部設備的選擇。通過接口可實現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖達到速度匹配。通過接口可實現(xiàn)數(shù)據(jù)串-并格式的轉換。通過接口可實現(xiàn)電平轉換。通過接口可傳送控制命令。通過接口可監(jiān)視設備的工作狀態(tài)。2023/2/624主要內容（輸入輸出接口與中斷系統(tǒng)）中斷的執(zhí)行過程Step1、保護斷點：將斷點地址壓入堆棧保存，即當前PC值入棧。Step2、關中斷：屏蔽其它中斷請求信號。Step3、保護現(xiàn)場：將中斷服務程序使用的所有寄存器內容入棧。Step4、中斷處理：執(zhí)行中斷源所要求的中斷服務程序。Step5、恢復現(xiàn)場：恢復被使用寄存器的原有內容。Step6、開中斷：允許接受其它中斷請求信號。Step7、中斷返回：執(zhí)行IRET指令，棧頂內容→PC，程序跳轉回斷點處。2023/2/625主要內容（輸入輸出接口與中斷系統(tǒng)）中斷向量表

中斷向量和向量表對于理解硬件和軟件中斷是重要的。中斷向量包含中斷服務程序的地址。2023/2/626主要內容（輸入輸出接口與中斷系統(tǒng)）ＤＭＡ技術

在DMA控制器的控制，直接完成IO與主存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送。DMA控制器需要獲得對總線的使用權。DMA方式傳送數(shù)據(jù)時，每傳送一個數(shù)據(jù)就要用一個存儲周期。2023/2/627主要內容（信息的表示）電子計算機中數(shù)的表示，英文字母漢字的表示

計算機中帶符號的數(shù)，需要用一個二進制位表示符號，小數(shù)點不需要表示出來。通過定點數(shù)和浮點數(shù)來表示。理解算術運算式，溢出的判斷方法。

定點數(shù)的補碼表示方法。一個英文字母用一個字節(jié)描述，一個漢字需要兩個字節(jié)表示。2023/2/628主要內容（信息的表示）IEEE754標準定義的單精度數(shù)共32位，1位符號位，8位指數(shù)位，23位尾數(shù)。2023/2/629主要內容（總線技術）總線的分類

按照總線傳輸?shù)男畔⒎诸悾旱刂房偩€、數(shù)據(jù)總線、控制總線馮.諾依曼體系結構的計算機包括幾部分：答：運算器、控制器、存儲器、輸入設備及輸出設備。何謂計算機體系結構？計算機組成？計算機實現(xiàn)？答：計算機體系結構指程序員（主要是指匯編、操作系統(tǒng)程序員）所看到的機器的屬性，即機器的概念性結構和功能表現(xiàn)。計算機組成是計算機體系結構的邏輯實現(xiàn)。計算機實現(xiàn)是計算機組成的物理實現(xiàn)。計算機的主要性能指標是速度。衡量速度的參數(shù)有主頻、CPI、MIPS、MFLOPS。請解釋這些參數(shù)含義。答：主時鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。主頻的倒數(shù)稱為:CPU時鐘周期（T），即T=1/f。

CPI:表示每條指令周期數(shù)，即執(zhí)行一條指令所需的平均時鐘周期數(shù)。MIPS：表示每秒鐘執(zhí)行百萬條指令數(shù)。(定點機速度指標)MFLOPS：表示每秒百萬次浮點操作次數(shù)。8位補碼定點整數(shù)的范圍是：-128+127

寫出8位補碼(F9)16所對應的定點整數(shù)十進制真值：(F9)16

=(11111001)2真值為：-(0000111)2=-(7)10寫出十進制數(shù)17.625所對應的IEEE754單精度（32位）浮點機器數(shù)。17.625

=10001.101=1.00011012+100S=0E=100+01111111=10000011M=0001101000000000000000001000001100011010000000000000000

將十進制數(shù)-35.875轉化為IEEE754標準的32位單精度浮點數(shù)。答：

-35.875=-100011.111=-1.000111112+101

S=1E=101+01111111=10000100M=00011111000000000000000

浮點數(shù)為：

11000010000011111000000000000000英文字母的編碼是什么？占幾個字節(jié)？答：ASCII碼，用1個字節(jié)存儲。

國標碼用于表示什么？如何表示與存儲？答：用于表示漢字。用4位16進制數(shù)字表示，2個字節(jié)存儲。存儲器的主要功能是什么？答：存儲程序和數(shù)據(jù)。計算機字長16位，其存儲容量為32MB，若按雙字編址，它的尋址范圍是多少？答：(32M8位)/32位=8M某SRAM芯片，其存儲容量為64K×16位，該芯片的地址線和數(shù)據(jù)線數(shù)目各為多少？答：地址線：16位。數(shù)據(jù)線：16位。

按照小端及大端存放規(guī)則，寫出數(shù)據(jù)ABCD1234H在連續(xù)4個內存單元（00050H00053H）中的存放結果。

答：小端規(guī)則大端規(guī)則3412CDAB00050000510005200053ABCD123400050000510005200053存儲器分級的目的是什么？Cache-主存存儲層次用來解決什么問題？主存-輔存存儲層次用來解決什么問題？答：Cache-主存存儲層次用來解決主存速度低的問題，彌補CPU與主存在速度上的差異，在主存和Cache之間增加輔助硬件使主存和Cache構成一個整體，從CPU角度看，CPU訪問Cache存儲系統(tǒng)時，速度接近Cache速度，而容量是主存容量，價格/容量比接近主存。Cache存儲系統(tǒng)對系統(tǒng)程序員和應用程序員都是透明的，因為CPU對Cache和主存層次的調度全部由硬件實現(xiàn)。

主存-輔存存儲層次用來解決主存容量小的問題，在主存和輔存之間增加輔助硬件和輔助軟件，使主存和輔存構成一個整體，擴大程序可訪問的存儲空間，通過把磁盤空間當作主存空間供程序使用，建立起一個虛擬存儲器。存儲器擴展技術主要解決什么？什么是位的擴展，什么是字的擴展？

答：解決芯片容量與系統(tǒng)容量匹配問題。當芯片數(shù)據(jù)線位數(shù)少于系統(tǒng)數(shù)據(jù)位數(shù)時，需要位擴展；單芯片地址位數(shù)少于系統(tǒng)地址位數(shù)時，需要字擴展。提高訪存速度可采取哪些措施？答：(1)采用高速器件，比如SDRAM、DDRSDRAM、DDR2SDRAM、DDR3SDRAM。

(2)增加高速緩沖存儲器cache。

(3)并行存儲結構等。例：設CPU共有16根地址線和8根數(shù)據(jù)線，并用MREQ作為訪存控制信號，WR作為讀/寫命令信號(高為讀，低為寫)。設計一個容量為32KB、地址范圍為0000H～7FFFH的主存儲器。說明設計方案。G1Y7G2A譯

Y6G2B

碼:AB器CY0

SRAM

A12…A0CSD7…D0WE解：芯片容量為：8K×8bits=8KB32KB容量的存儲器需要4片8KB存儲芯片；

4芯片地址分配如下：芯片0：0000H～1FFFH

芯片1：2000H～3FFFH

芯片2：4000H～5FFFH

芯片3：6000H～7FFFH

芯片譯碼地址分配如下：

A13A14A15對應3-8譯碼器的輸入端ABC，Y0～Y3譯碼輸出分別選擇芯片0～芯片3的片選CS；

WR輸出至存儲芯片的WE端，MREQ直接輸出至G1，反相輸出至G2AG2B。主存與Cache的地址映射有幾種方式？都是什么方式？哪種方式比較實用？

答：三種映射方式：全相聯(lián)映射、直接映射、組相聯(lián)映射。其中組相聯(lián)映射融合了前兩種映射的優(yōu)點，最實用。主存和輔存在存儲程序方面有什么區(qū)別？CPU訪問這兩種存儲器的方式是否相同？答：主存存儲正在或將要執(zhí)行的程序。執(zhí)行過的程序也可能存放在主存中。主存只能暫時保存程序，斷電即消失。輔存存放暫不執(zhí)行或不準備執(zhí)行的程序；可以長久保存。

CPU可以直接訪問主存，無需任何軟件驅動。但不能直接訪問輔存，需要操作系統(tǒng)將輔存的內容調入主存方可訪問。指令格式分為幾個字段，各字段表示什么內容？答：指令格式分為操作碼和操作數(shù)兩個字段。操作碼OP表示該指令應進行什么性質的操作。不同的指令用操作碼字段的不同編碼來表示，每一種編碼代表一種指令。若操作碼字段有n位，則可表示2n條指令—有2n種不同的基本操作。操作數(shù)表示指令所要處理的數(shù)據(jù)。常以數(shù)據(jù)所在單元的地址形式給出。也稱“地址碼A”。操作數(shù)的來源通常為一個立即數(shù)（在指令代碼中直接給出）、寄存器中內容、存儲單元的內容或I/O端口的內容。

操作數(shù)為什么又被稱為地址碼？指令中常用的操作數(shù)的個數(shù)是多少？答：操作數(shù)常以數(shù)據(jù)所在單元的地址形式給出。所以又稱為地址碼A。指令中常用的操作數(shù)的個數(shù)為3、2、1、0。對應的指令稱為三地址指令、二地址指令、單地址指令和零地址指令。指令系統(tǒng)中采用不同尋址方式的主要目的是什么？答：縮短指令字長，擴大尋址空間，提高編程靈活性。哪種尋址方式獲取操作數(shù)的速度最快？答：立即尋址。單地址指令中為了完成兩個數(shù)的算術運算，除地址碼指明的一個操作數(shù)以外，另一個數(shù)常需采用何種尋址方式？答：隱含尋址。說明指令尋址。答：順序尋址、跳躍尋址（相對尋址）。指出四種不同的尋址方式；說明每種尋址方式操作數(shù)的位置及尋址過程。答：(1)立即尋址：操作數(shù)在指令中。取出指令立即得到操作數(shù)。

(2)寄存器尋址：操作數(shù)在寄存器中，指令中給出寄存器地址，用此地址訪問寄存器得到操作數(shù)。

(3)直接尋址：操作數(shù)在存儲器中，指令中給出存儲器地址，用此地址訪問存儲器得到操作數(shù)。(4)寄存器間接尋址：操作數(shù)在存儲器中，指令中給出寄存器地址為形式地址，用此地址訪問寄存器得到操作數(shù)實際地址，再用該地址訪問存儲器得到操作數(shù)。

指令格式如下所示，其中OP為操作碼，試分析指令格式的特點。1597430OP—源寄存器目標寄存器解：指令格式的特點為（1）單字長（16位）二地址指令；（2）操作碼字段OP可以指定的27=128條指令；（3）源寄存器和目標寄存器都是通用寄存器（可分別指定16個寄存器），是RR（寄存器-寄存器）型指令，兩個操作數(shù)均在寄存器中；（4）操作數(shù)尋址方式是寄存器尋址?；镜闹噶铑愋陀心男?？答：數(shù)據(jù)傳送類、運算(算數(shù)、邏輯、移位運算)類及控制轉移類指令。執(zhí)行子程序調用的指令時，如何保護斷點信息？答：斷點信息即PC值，保存到堆棧中。比較轉移指令和子程序調用指令在功能上的異同點。答：轉移指令和子程序調用指令都屬于控制轉移類指令；轉移指令分為無條件轉移和條件轉移。無條件轉移是將該指令中地址字段內容的內容寫入PC中，改變指令執(zhí)行順序；條件轉移指令是當條件滿足時，計