計算機組成原理課后答案(第二版)-唐朔飛-第十章

計算機組成原理課后答案(第二版)_唐朔飛_第十章目錄計算機系統(tǒng)概述指令系統(tǒng)CPU的結(jié)構(gòu)和功能存儲器系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)計算機系統(tǒng)性能評價01計算機系統(tǒng)概述計算機系統(tǒng)的物理實體，包括中央處理器、存儲器、輸入輸出設(shè)備等。硬件軟件操作系統(tǒng)計算機系統(tǒng)的程序和數(shù)據(jù)，包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。管理和控制計算機系統(tǒng)資源的軟件，是用戶和計算機之間的接口。030201計算機系統(tǒng)的基本組成計算機系統(tǒng)的物理硬件，包括中央處理器、存儲器、輸入輸出設(shè)備等。硬件層管理和控制計算機系統(tǒng)資源的軟件，包括進程管理、內(nèi)存管理、文件管理等。操作系統(tǒng)層直接面向用戶的軟件，為用戶提供各種應(yīng)用服務(wù)。應(yīng)用軟件層計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計算機從內(nèi)存中取出指令并執(zhí)行，包括取指、解碼、執(zhí)行等階段。指令執(zhí)行過程計算機對數(shù)據(jù)進行輸入、存儲、處理和輸出等操作。數(shù)據(jù)處理過程將程序和數(shù)據(jù)存放在內(nèi)存中，由操作系統(tǒng)負責(zé)管理和調(diào)度。存儲程序工作方式計算機的工作過程02指令系統(tǒng)是用來描述程序的指令，由操作碼和地址碼組成。指令是計算機中所有指令的集合，是計算機硬件與軟件之間的接口。指令系統(tǒng)隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，指令系統(tǒng)也在不斷發(fā)展和完善。指令系統(tǒng)的發(fā)展根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，可以將指令系統(tǒng)分為不同的類型，如復(fù)雜指令系統(tǒng)（CISC）和精簡指令系統(tǒng)（RISC）。指令系統(tǒng)的分類指令系統(tǒng)的基本概念指令格式是指令的組成形式，包括操作碼和地址碼兩部分。表示指令的操作性質(zhì)和功能，如加、減、乘、除等。表示操作數(shù)的地址，可以是寄存器、內(nèi)存單元或輸入/輸出端口等。是指令中操作碼和地址碼所占的位數(shù)。指令格式操作碼地址碼指令長度間接尋址操作數(shù)是間接給出的，地址碼指向一個內(nèi)存單元，該單元的內(nèi)容作為操作數(shù)的地址。內(nèi)存尋址操作數(shù)在內(nèi)存單元中，地址碼指定內(nèi)存單元的地址。寄存器尋址操作數(shù)在寄存器中，地址碼指定寄存器的名稱。尋址方式是指確定操作數(shù)所在位置的方法。立即尋址操作數(shù)的值就在操作碼中，沒有地址碼。尋址方式用于在寄存器之間、寄存器和內(nèi)存單元之間傳送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳送類指令用于完成輸入/輸出操作、中斷處理等系統(tǒng)控制功能。系統(tǒng)控制類指令用于執(zhí)行加、減、乘、除等算術(shù)運算。算術(shù)運算類指令用于執(zhí)行邏輯與、邏輯或、邏輯異或等邏輯運算。邏輯運算類指令用于改變程序執(zhí)行的順序，如無條件轉(zhuǎn)移、條件轉(zhuǎn)移等。控制轉(zhuǎn)移類指令0201030405指令的功能和類型03CPU的結(jié)構(gòu)和功能

CPU的基本結(jié)構(gòu)運算器執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算操作，包括加、減、乘、除、與、或、非等基本運算?？刂破髫撠?zé)控制指令的執(zhí)行順序，協(xié)調(diào)運算器和其他部件的工作。寄存器存儲運算結(jié)果和中間結(jié)果，以及控制信號等數(shù)據(jù)。指令執(zhí)行按照程序指令的順序執(zhí)行操作。數(shù)據(jù)處理執(zhí)行算術(shù)和邏輯運算，處理數(shù)據(jù)?？刂菩盘枀f(xié)調(diào)其他部件的工作，確保指令正確執(zhí)行。CPU的功能時序系統(tǒng)產(chǎn)生各種時鐘信號，控制指令的執(zhí)行順序。微操作序列發(fā)生器根據(jù)控制單元發(fā)出的控制信號，生成一系列微操作序列，控制CPU各部件的具體動作?？刂茊卧鶕?jù)指令操作碼生成相應(yīng)的控制信號，協(xié)調(diào)各部件的工作。控制器的組成與實現(xiàn)04存儲器系統(tǒng)寄存器位于CPU內(nèi)部，速度最快，容量最小，一般用來暫存中間操作結(jié)果。寄存器高速緩存是位于CPU和主存之間的規(guī)模較小但速度很高的存儲器，用來存放CPU經(jīng)常訪問的指令和數(shù)據(jù)。高速緩沖存儲器主存是計算機系統(tǒng)中的主要存儲器，用于存放操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)等。主存儲器外存是計算機系統(tǒng)中的輔助存儲器，如硬盤、光盤等，容量大，價格便宜，但訪問速度較慢。外存儲器存儲器系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)分類容量速度價格主存儲器01020304主存儲器可以分為隨機存取存儲器（RAM）和只讀存儲器（ROM）。主存的容量通常以字節(jié)為單位，常見的容量有1MB、2GB、4TB等。主存的存取速度受到芯片結(jié)構(gòu)、工藝和操作方式等因素的影響，通常比外存快。主存的單位容量價格比外存高。高速緩沖存儲器工作原理高速緩存利用程序局部性原理，將CPU近期訪問的指令和數(shù)據(jù)預(yù)先取到高速緩存中，以便提高訪問速度。命中率高速緩存的命中率是指CPU訪問的數(shù)據(jù)在高速緩存中命中的概率，一般要求達到90%以上。容量高速緩存的容量通常為幾十KB至幾百KB。替換策略當(dāng)高速緩存已滿時，需要替換其中的內(nèi)容，常見的替換策略有最近最少使用（LRU）算法等。分類容量速度價格外存儲器外存儲器可以分為磁表面存儲器和光存儲器兩類。外存的訪問速度比主存慢得多，但比磁盤快。外存的容量通常很大，常見的有1TB、2TB、4TB等。外存的單位容量價格比主存便宜得多。05輸入輸出系統(tǒng)I/O設(shè)備是指與計算機主機相連的各種外部設(shè)備，如顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)、打印機等。它們是計算機系統(tǒng)的重要組成部分，負責(zé)與外部環(huán)境進行信息交互。I/O接口是指計算機主機與外部設(shè)備之間的連接部件。它負責(zé)將外部設(shè)備的信號傳輸?shù)街鳈C內(nèi)部，并將主機的信號傳輸?shù)酵獠吭O(shè)備。常見的I/O接口有串口、并口、USB接口等。I/O設(shè)備與I/O接口在這種方式下，每一個I/O設(shè)備都有自己的地址碼，通過地址碼來識別和訪問不同的設(shè)備。這種方式需要占用大量的地址線，但可以實現(xiàn)靈活的訪問控制。獨立編址在這種方式下，所有的I/O設(shè)備都統(tǒng)一編入內(nèi)存地址空間，作為內(nèi)存單元來訪問。這種方式可以減少地址線的數(shù)量，但訪問控制相對固定。統(tǒng)一編址I/O設(shè)備的編址方式程序查詢方式在這種方式下，CPU通過不斷地查詢I/O設(shè)備的狀態(tài)來了解數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪M度。當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成或發(fā)生錯誤時，CPU會得到通知并進行相應(yīng)的處理。這種方式簡單但效率較低。中斷方式在這種方式下，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完成或發(fā)生錯誤時，I/O設(shè)備會向CPU發(fā)送中斷信號，CPU會暫停當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)去處理中斷事件。這種方式可以提高CPU的利用率。I/O數(shù)據(jù)傳輸控制方式06計算機系統(tǒng)性能評價通過運行一系列標(biāo)準(zhǔn)化的測試用例，評估計算機在不同場景下的性能表現(xiàn)。基準(zhǔn)測試模擬高負載或極端條件下的性能表現(xiàn)，以檢測計算機的穩(wěn)定性和可靠性。壓力測試將不同型號、配置的計算機進行性能對比，以評估其優(yōu)劣。對比測試根據(jù)測試結(jié)果，對計算機硬件和軟件進行優(yōu)化，以提高性能。性能調(diào)優(yōu)計算機性能測試ABCD運算速度指計算機執(zhí)行算術(shù)和邏輯操作的速度，通常以每秒執(zhí)行的指令數(shù)（MIPS）或每秒浮點運算次數(shù)（FLOPS）來衡量。數(shù)據(jù)