計算機組成原理-第四版練習(xí)題

計算機組成原理-第四版練習(xí)題目錄計算機系統(tǒng)概述數(shù)據(jù)的表示和運算存儲器層次結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)中央處理器(CPU)總線輸入/輸出(I/O)系統(tǒng)01計算機系統(tǒng)概述組成計算機由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。硬件系統(tǒng)包括運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部分；軟件系統(tǒng)包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。分類按照處理數(shù)據(jù)的形態(tài)，計算機可分為數(shù)字計算機、模擬計算機和混合計算機；按照使用范圍，計算機可分為通用計算機和專用計算機；按照規(guī)模和處理能力，計算機可分為巨型機、大型機、中型機、小型機和微型機。計算機的組成與分類第一代計算機（1946-1957）：電子管時代，采用電子管作為基本元件，體積大、功耗高、可靠性差。第三代計算機（1965-1970）：中小規(guī)模集成電路時代，采用中小規(guī)模集成電路作為基本元件，進一步提高了計算機的可靠性和性能。第四代計算機（1971年至今）：大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路時代，采用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路作為基本元件，使得計算機的體積進一步減小、功耗進一步降低、性能進一步提高。第二代計算機（1958-1964）：晶體管時代，采用晶體管作為基本元件，體積減小、功耗降低、可靠性提高。計算機的發(fā)展歷程0102微程序機器級這是計算機系統(tǒng)的最底層，包括硬件邏輯電路和微程序。微程序是存儲在控制存儲器中的程序，用于解釋和執(zhí)行機器指令。傳統(tǒng)機器級這一層包括傳統(tǒng)機器級上的軟件和硬件。軟件包括操作系統(tǒng)、編譯器和匯編器等；硬件包括CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備等。操作系統(tǒng)級操作系統(tǒng)是計算機系統(tǒng)中的一個重要層次，它提供了對計算機硬件和軟件資源的抽象和管理。操作系統(tǒng)通過提供系統(tǒng)調(diào)用接口，使得應(yīng)用程序可以使用計算機系統(tǒng)的各種資源。匯編語言級匯編語言是接近于機器語言的低級語言，它用助記符來表示操作碼和操作數(shù)。匯編語言程序需要通過匯編器轉(zhuǎn)換成機器語言程序才能執(zhí)行。高級語言級高級語言是面向用戶的編程語言，它提供了更加接近人類思維方式的編程方式。高級語言程序需要通過編譯器或解釋器轉(zhuǎn)換成機器語言程序才能執(zhí)行。030405計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)02數(shù)據(jù)的表示和運算123計算機內(nèi)部采用二進制數(shù)制，即基數(shù)為2的數(shù)制，其基本運算規(guī)則包括加法、減法、乘法和除法。二進制數(shù)制為了簡化二進制數(shù)的書寫和閱讀，常采用十六進制數(shù)制，即基數(shù)為16的數(shù)制，用0-9和A-F表示數(shù)值。十六進制數(shù)制用4位二進制數(shù)表示1位十進制數(shù)，稱為BCD編碼或二-十進制編碼，常用于數(shù)字系統(tǒng)中。BCD編碼數(shù)制與編碼定點數(shù)是指小數(shù)點位置固定的數(shù)，分為定點整數(shù)和定點小數(shù)兩種。在計算機中，定點數(shù)常用補碼形式表示。定點數(shù)的運算包括加法、減法、乘法和除法。在運算過程中，需要考慮溢出、精度損失等問題。定點數(shù)的表示和運算定點數(shù)的運算定點數(shù)的表示浮點數(shù)的表示浮點數(shù)是指小數(shù)點位置可變的數(shù)，由尾數(shù)和階碼兩部分組成。在計算機中，浮點數(shù)常用IEEE754標準表示。浮點數(shù)的運算浮點數(shù)的運算包括加法、減法、乘法和除法。在運算過程中，需要考慮對階、尾數(shù)相加/減、規(guī)格化、舍入等問題。浮點數(shù)的表示和運算ALU是計算機中的核心部件之一，負責(zé)執(zhí)行各種算術(shù)和邏輯運算，如加、減、乘、除、與、或、非等。ALU的功能ALU通常由加法器、減法器、移位器、比較器等基本邏輯電路組成，可以完成多種復(fù)雜的運算操作。ALU的組成ALU廣泛應(yīng)用于各種計算機系統(tǒng)中，是實現(xiàn)計算機各種復(fù)雜功能的基礎(chǔ)部件之一。ALU的應(yīng)用算術(shù)邏輯單元(ALU)03存儲器層次結(jié)構(gòu)存儲器的分類與性能指標存儲器的分類按照存儲介質(zhì)的不同，存儲器可以分為半導(dǎo)體存儲器、磁表面存儲器和光存儲器。存儲器的性能指標存儲器的性能指標包括存儲容量、存取時間、存儲周期和存儲器帶寬。主存儲器的定義主存儲器，也稱為內(nèi)存，是計算機系統(tǒng)中的主要存儲部件，用于存放正在運行的程序和數(shù)據(jù)。主存儲器的分類主存儲器可以按照讀寫功能分為隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。主存儲器的性能指標主存儲器的性能指標包括存儲容量、存取時間、存儲周期和存儲器帶寬等。主存儲器030201輔助存儲器的定義輔助存儲器，也稱為外存，是計算機系統(tǒng)中用于長期保存信息的部件，通常用于存放不經(jīng)常訪問的數(shù)據(jù)和程序。輔助存儲器的分類輔助存儲器可以按照存儲介質(zhì)的不同分為磁表面存儲器、光存儲器和半導(dǎo)體存儲器等。輔助存儲器的性能指標輔助存儲器的性能指標包括存儲容量、數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)訪問時間和數(shù)據(jù)可靠性等。輔助存儲器Cache存儲器的定義Cache存儲器是位于CPU和主存之間的一種高速緩沖存儲器，用于存放CPU最近訪問過的數(shù)據(jù)和指令。Cache存儲器的分類Cache存儲器可以按照映射方式分為直接映射Cache、全相聯(lián)映射Cache和組相聯(lián)映射Cache。Cache存儲器的性能指標Cache存儲器的性能指標包括Cache命中率、Cache訪問時間和Cache容量等。其中，Cache命中率是指CPU訪問Cache時能夠找到所需數(shù)據(jù)的概率，是衡量Cache性能的重要指標之一。010203Cache存儲器04指令系統(tǒng)03地址碼指明操作數(shù)在存儲器中的地址或寄存器名01指令的基本格式操作碼+地址碼02操作碼指明指令要完成的操作類型，如加、減、乘、除等指令格式立即尋址操作數(shù)就在指令中，緊跟在操作碼后面，作為指令一部分存放在內(nèi)存的代碼段中，該操作數(shù)為立即數(shù)，這種尋址方式稱為立即尋址方式。存儲單元的有效地址EA（即操作數(shù)的有效地址）直接由指令給出。操作數(shù)所在內(nèi)存單元的地址通過存儲器間接給出。操作數(shù)包含在寄存器中，寄存器的名稱由指令指定。操作數(shù)所在內(nèi)存單元的地址通過寄存器間接給出。直接尋址寄存器尋址寄存器間接尋址間接尋址尋址方式加法指令將兩個操作數(shù)相減，結(jié)果存放在指定的寄存器或內(nèi)存中。減法指令乘法指令除法指令01020403將兩個操作數(shù)相除，結(jié)果存放在指定的寄存器或內(nèi)存中。將兩個操作數(shù)相加，結(jié)果存放在指定的寄存器或內(nèi)存中。將兩個操作數(shù)相乘，結(jié)果存放在指定的寄存器或內(nèi)存中。指令集舉例RISC基于加載/存儲架構(gòu)，指令集簡單、規(guī)整，只有Load/Store指令可以訪問內(nèi)存，其余指令的操作都在寄存器之間進行。指令集復(fù)雜、龐大，各種指令都可以直接訪問內(nèi)存，包括算術(shù)運算、邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、程序控制等。RISC采用簡單、規(guī)整的指令集，使得處理器設(shè)計更加簡單、高效；而CISC則采用復(fù)雜、龐大的指令集，雖然提供了更高的編程靈活性，但也增加了處理器設(shè)計的復(fù)雜性和成本。CISCRISC與CISC的比較精簡指令集計算機(RISC)與復(fù)雜指令集計算機(CISC)05中央處理器(CPU)CPU是計算機的核心部件，負責(zé)執(zhí)行程序中的指令，進行算術(shù)和邏輯運算，控制數(shù)據(jù)的傳輸和處理等。功能CPU主要由運算器、控制器和寄存器組等部件組成。其中，運算器負責(zé)執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算；控制器負責(zé)控制指令的執(zhí)行和數(shù)據(jù)的傳輸；寄存器組用于暫存數(shù)據(jù)和指令。基本組成CPU的功能和基本組成取指根據(jù)程序計數(shù)器(PC)的值從存儲器中取出指令，并放入指令寄存器(IR)。分析對指令寄存器中的指令進行譯碼，確定操作數(shù)的地址和操作性質(zhì)。執(zhí)行根據(jù)分析結(jié)果，從存儲器或寄存器中取出操作數(shù)，進行運算或數(shù)據(jù)傳輸?shù)炔僮鳌懟貙⑦\算結(jié)果寫回到寄存器或存儲器中，并更新程序計數(shù)器的值。指令執(zhí)行過程數(shù)據(jù)通路是CPU中執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算的部件，負責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸、處理和存儲等操作。功能數(shù)據(jù)通路主要由算術(shù)邏輯單元(ALU)、寄存器組、數(shù)據(jù)總線和控制信號等部件組成。其中，ALU負責(zé)執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算；寄存器組用于暫存數(shù)據(jù)和指令；數(shù)據(jù)總線用于在CPU內(nèi)部傳輸數(shù)據(jù)；控制信號用于控制數(shù)據(jù)通路的操作。基本組成數(shù)據(jù)通路的功能和基本組成控制器的功能和工作原理控制器是CPU中的指揮中心，負責(zé)控制指令的執(zhí)行、數(shù)據(jù)的傳輸和處理等操作，確保計算機按照程序的要求正確運行。功能控制器根據(jù)程序計數(shù)器(PC)的值從存儲器中取出指令，并放入指令寄存器(IR)。然后對指令進行譯碼，產(chǎn)生相應(yīng)的微操作控制信號。這些控制信號按照一定的時序關(guān)系作用于CPU的各個部件，控制它們完成指令規(guī)定的操作。同時，控制器還負責(zé)處理中斷和異常等事件，確保計算機的穩(wěn)定運行。工作原理06總線總線定義總線是連接計算機各部件的一組物理信號線，用于在部件之間傳輸數(shù)據(jù)?？偩€分類根據(jù)傳輸內(nèi)容的不同，總線可分為數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線?？偩€性能指標總線的性能指標包括總線寬度、總線帶寬、總線時鐘頻率等?？偩€概述

總線仲裁仲裁定義當(dāng)多個部件同時請求使用總線時，需要一種機制來決定哪個部件優(yōu)先獲得總線的使用權(quán)，這種機制稱為總線仲裁。仲裁方式常見的仲裁方式有集中式仲裁和分布式仲裁。集中式仲裁由中央仲裁器負責(zé)決定總線使用權(quán)，而分布式仲裁則由各部件自行協(xié)商決定。仲裁算法常見的仲裁算法有先來先服務(wù)（FCFS）、優(yōu)先級仲裁、輪轉(zhuǎn)法等。總線操作包括讀操作和寫操作。讀操作是從總線上讀取數(shù)據(jù)，寫操作是將數(shù)據(jù)寫入總線?？偩€操作同步定時是指所有部件都在統(tǒng)一的時鐘信號控制下進行讀寫操作。這種方式下，總線的使用效率高，但需要精確的時鐘同步。同步定時異步定時是指各部件在各自獨立的時鐘信號控制下進行讀寫操作。這種方式下，總線的使用效率相對較低，但不需要精確的時鐘同步。異步定時總線操作和定時010203ISA總線ISA（IndustryStandardArchitecture）總線是一種早期的計算機總線標準，用于連接CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備等。由于其傳輸速度較慢，現(xiàn)已被更先進的總線標準所取代。PCI總線PCI（PeripheralComponentInterconnect）總線是一種高性能、高擴展性的計算機總線標準，廣泛應(yīng)用于各種計算機系統(tǒng)中。PCI總線支持即插即用和自動配置功能，使得設(shè)備的添加和移除更加便捷。USB總線USB（UniversalSerialBus）總線是一種通用的串行總線標準，用于連接計算機與外部設(shè)備。USB總線具有傳輸速度快、支持熱插拔、易于擴展等優(yōu)點，已成為現(xiàn)代計算機系統(tǒng)中不可或缺的一部分?？偩€標準舉例07輸入/輸出(I/O)系統(tǒng)輸入/輸出操作計算機與外部設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸操作，包括輸入操作和輸出操作。I/O設(shè)備與計算機進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐獠吭O(shè)備，如鍵盤、鼠標、顯示器、打印機等。I/O端口計算機與外部設(shè)備連接時用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌冢譃椴⑿卸丝诤痛卸丝趦煞N。I/O系統(tǒng)基本概念將計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息以圖像或文字的形式展現(xiàn)出來，有CRT和LCD兩種類型。顯示器計算機的基本輸入設(shè)備之一，用于輸入字符、數(shù)字和控制命令。鍵盤通過檢測鼠標的移動和點擊來輸入命令或選擇對象，是現(xiàn)代計算機不可或缺的輸入設(shè)備之一。鼠標將計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)信息以紙質(zhì)形式輸出，有針式打印機、噴墨打印機和激光打印機等多種類型。打印機外部設(shè)備I/O接口的功能根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式的不同，可分為并行接口和串行接口；根據(jù)信號電平的不同，可分為TTL接口和RS-232接口等。I/O接口的類型I/O接口的組成包括數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和控制寄存器，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存、狀態(tài)檢測和控制命令的發(fā)送。在計算機和外部設(shè)備之間建立聯(lián)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸