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文檔簡介

計(jì)算機(jī)組成原理所有概念計(jì)算機(jī)組成原理所有概念計(jì)算機(jī)組成原理所有概念2020/11/262主要內(nèi)容(電子計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu))馮.諾依曼計(jì)算機(jī)模型1、計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲器、輸入/輸出設(shè)備和控制器組成,并以運(yùn)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(gè)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(yùn)算結(jié)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。2020/11/142024/10/182主要內(nèi)容(電子計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu))馮.諾依曼計(jì)算機(jī)模型

1、計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲器、輸入/輸出設(shè)備和控制器組成,并以運(yùn)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(gè)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(yùn)算結(jié)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。2020/11/142024/10/183馮.諾依曼計(jì)算機(jī)模型

4、指令和數(shù)據(jù)均采用二進(jìn)制數(shù)表示,并以二進(jìn)制數(shù)形式進(jìn)行運(yùn)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(gè)存儲器中。6、設(shè)置“程序計(jì)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(jì)數(shù)器就自動加1,指向下一條指令的存儲單元。主要內(nèi)容(電子計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu))2020/11/142024/10/184

存儲程序的思想

計(jì)算機(jī)的用途和硬件完全分離:硬件結(jié)構(gòu)采用定性邏輯,提供某些固定不變的功能,通過編制不同的程序來滿足不同用戶對計(jì)算機(jī)的應(yīng)用需求。

把指令匯總在一起形成一個(gè)程序,并將其存儲在計(jì)算機(jī)中。通過逐條指令執(zhí)行來完成問題的求解。主要內(nèi)容(電子計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu))2020/11/142024/10/185計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)指程序員所看到的機(jī)器的屬性,即機(jī)器的概念性結(jié)構(gòu)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(jì)算機(jī)的組成計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)主要內(nèi)容(電子計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu))2020/11/142024/10/186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?qū)傩?,從某種角度看似乎不存在。數(shù)據(jù)總線的寬度、微程序?qū)R編語言程序員、機(jī)器語言程序員透明對硬件設(shè)計(jì)者、計(jì)算機(jī)維修人員不透明主要內(nèi)容(電子計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu))2020/11/142024/10/187主要內(nèi)容(處理器)處理器的組成

處理器的基本組成包括:寄存器、運(yùn)算器和控制器處理器的內(nèi)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(jì)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(shù)邏輯單元ALU,它的功能是對數(shù)據(jù)進(jìn)行各種算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算。2020/11/142024/10/188主要內(nèi)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(fù)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(jié)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)字長的指令,將其送入處理器內(nèi)部專門存放當(dāng)前指令的指令寄存器IR,然后PC加1。2020/11/142024/10/189主要內(nèi)容(處理器)處理器的工作過程

(2)分析指令。處理器將指令寄存器IR中的操作碼部分取出送入指令譯碼器(Decoder)進(jìn)行譯碼。根據(jù)譯碼結(jié)果判斷出指令的功能(即指令將要執(zhí)行什么操作)、操作數(shù)的尋址方式以及操作數(shù)的數(shù)據(jù)類型,形成源操作數(shù)或目的操作數(shù)的物理地址。(3)取數(shù)據(jù)。根據(jù)源操作數(shù)的物理地址訪問主存儲器,取出源操作數(shù)。源操作數(shù)將被送入處理器內(nèi)部的數(shù)據(jù)寄存器,如累加器ACC。2020/11/142024/10/1810主要內(nèi)容(處理器)處理器的工作過程

(4)處理數(shù)據(jù)。處理器將源操作數(shù)送入運(yùn)算器,并根據(jù)指令譯碼結(jié)果啟動運(yùn)算器的相應(yīng)操作對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。處理結(jié)果存回通用數(shù)據(jù)寄存器或緩沖寄存器。(5)寫回結(jié)果。如果指令要求將結(jié)果寫回寄存器或主存儲器,那么處理器將根據(jù)目的操作數(shù)的地址,將目的操作數(shù)寫入寄存器或主存儲器。2020/11/142024/10/1811主要內(nèi)容(處理器)機(jī)器周期、時(shí)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(shí)間叫指令周期。時(shí)鐘周期是計(jì)算機(jī)的基準(zhǔn)時(shí)鐘(一個(gè)節(jié)拍)。機(jī)器周期是所有指令執(zhí)行過程中的一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間。選取處理器訪問一次主存的時(shí)間(也稱主存周期)作為機(jī)器周期。2020/11/142024/10/1812主要內(nèi)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(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)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(jī)器碼(二進(jìn)制數(shù)的編碼具有唯一性)2020/11/142024/10/1813主要內(nèi)容(處理器)

把在同一CPU周期內(nèi)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。2020/11/142024/10/1814主要內(nèi)容(處理器)

一條機(jī)器指令對應(yīng)一個(gè)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(yīng)關(guān)系來看,前者與內(nèi)存儲器有關(guān),后者與控制存儲器有關(guān)。2020/11/142024/10/1815主要內(nèi)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)。

2020/11/142024/10/1816主要內(nèi)容(處理器)尋址方式對于指令尋址:順序?qū)ぶ泛吞S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(kuò)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

2020/11/142024/10/1817主要內(nèi)容(處理器)轉(zhuǎn)移指令和子程序調(diào)用的區(qū)別轉(zhuǎn)移指令和子程序的調(diào)用都是程序控制類指令,都可以改變程序執(zhí)行的順序。轉(zhuǎn)移指令分條件跳轉(zhuǎn)和無條件跳轉(zhuǎn)。改變程序執(zhí)行的順序,改寫程序計(jì)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(diǎn)進(jìn)行保護(hù),跳轉(zhuǎn)之后,不會回到原來的地方繼續(xù)執(zhí)行。2020/11/142024/10/1818主要內(nèi)容(處理器)轉(zhuǎn)移指令和子程序調(diào)用的區(qū)別子程序調(diào)用的時(shí)候,首先把當(dāng)前程序的斷點(diǎn)保存到系統(tǒng)堆棧中,(斷點(diǎn)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(nèi)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(fù)斷點(diǎn)的值,以便程序能從斷點(diǎn)處繼續(xù)執(zhí)行。2020/11/142024/10/1819主要內(nèi)容(處理器)指令的流水線技術(shù)流水線技術(shù):把一個(gè)重復(fù)的過程分解為若干個(gè)子過程,每個(gè)子程序可以與其他子過程同時(shí)進(jìn)行。

流水線技術(shù)具有如下特點(diǎn):流水過程由若干有聯(lián)系的子過程組成;每個(gè)子過程用專用的功能段實(shí)現(xiàn);各個(gè)功能段所需的時(shí)間應(yīng)盡量相等,這個(gè)時(shí)間一般作為時(shí)鐘周期。2020/11/142024/10/1820主要內(nèi)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2020/11/142024/10/1821主要內(nèi)容(存儲器)存儲器的主要指標(biāo)

存儲器的容量、訪問速度、成本

容量越大越好、訪問速度越快越好、成本越低越好!存儲器的組織形式:存儲單元數(shù)目

存儲字長如210x8該存儲器有10位地址總線,共有1024個(gè)存儲單元,每個(gè)存儲單元存儲8位。2020/11/142024/10/1822主要內(nèi)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(jī)存儲器,一般用作用戶程序存儲。

2020/11/142024/10/1823主要內(nèi)容(存儲器)主存和輔存

能夠被處理器直接訪問的存儲器稱為主存儲器;不能被處理器直接訪問的存儲器稱為輔助存儲器。

2020/11/142024/10/1824主要內(nèi)容(存儲器)存儲器訪問的局部性原理時(shí)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??臻g局部性是指將要用到的信息就在正使用的信息旁邊。2020/11/142024/10/1825主要內(nèi)容(存儲器)層次結(jié)構(gòu)的存儲系統(tǒng)計(jì)算機(jī)存儲系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)中,最重要的兩個(gè)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2020/11/142024/10/1826主要內(nèi)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(gè)尋址單元存儲的二進(jìn)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=2M2020/11/142024/10/1827主要內(nèi)容(存儲器)存儲器的接口電路

位的擴(kuò)展、字?jǐn)U展、字和位的同時(shí)擴(kuò)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(jìn)行位的擴(kuò)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(jìn)行字的擴(kuò)展。2020/11/142024/10/1828主要內(nèi)容(輸入輸出接口與中斷系統(tǒng))IO接口的概念

計(jì)算機(jī)的外設(shè)往往不能直接與系統(tǒng)總線相連,需要一個(gè)中間環(huán)節(jié)完成數(shù)據(jù)緩沖、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、通信控制、時(shí)序和電平匹配等工作,這個(gè)中間環(huán)節(jié)就是接口電路。主機(jī)與外設(shè)之間設(shè)置接口適配電路的原因:利用接口可實(shí)現(xiàn)多臺外部設(shè)備的選擇。通過接口可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖達(dá)到速度匹配。通過接口可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)串-并格式的轉(zhuǎn)換。通過接口可實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。通過接口可傳送控制命令。通過接口可監(jiān)視設(shè)備的工作狀態(tài)。2020/11/142024/10/1829主要內(nèi)容(輸入輸出接口與中斷系統(tǒng))IO端口地址端口是指接口電路中的一些寄存器,分別用來存放數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)信息,相應(yīng)的就有數(shù)據(jù)端口、控制端口和狀態(tài)端口。

處理器通過對端口地址的尋址,找到相應(yīng)的IO設(shè)備。

對I/O的編址有兩種方式,一種是獨(dú)立編址I/O,另一種是存儲器映象I/O。2020/11/142024/10/1830主要內(nèi)容(輸入輸出接口與中斷系統(tǒng))中斷的概念中斷(Interrupt)是一個(gè)由內(nèi)外部事件激發(fā)來中斷當(dāng)前正在執(zhí)行程序而運(yùn)行另一個(gè)處理程序的過程。

有些中斷是可屏蔽的,有些中斷是不可屏蔽的。

2020/11/142024/10/1831主要內(nèi)容(輸入輸出接口與中斷系統(tǒng))中斷的執(zhí)行過程Step1、保護(hù)斷點(diǎn):將斷點(diǎn)地址壓入堆棧保存,即當(dāng)前PC值入棧。Step2、關(guān)中斷:屏蔽其它中斷請求信號。Step3、保護(hù)現(xiàn)場:將中斷服務(wù)程序使用的所有寄存器內(nèi)容入棧。Step4、中斷處理:執(zhí)行中斷源所要求的中斷服務(wù)程序。Step5、恢復(fù)現(xiàn)場:恢復(fù)被使用寄存器的原有內(nèi)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(nèi)容→PC,程序跳轉(zhuǎn)回?cái)帱c(diǎn)處。2020/11/142024/10/1832主要內(nèi)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(wù)程序的地址。2020/11/142024/10/1833主要內(nèi)容(輸入輸出接口與中斷系統(tǒng))DMA技術(shù)

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(quán)。DMA方式傳送數(shù)據(jù)時(shí),每傳送一個(gè)數(shù)據(jù)就要用一個(gè)存儲周期。2020/11/142024/10/1834主要內(nèi)容(信息的表示)電子計(jì)算機(jī)中數(shù)的表示,英文字母漢字的表示

計(jì)算機(jī)中帶符號的數(shù),需要用一個(gè)二進(jìn)制位表示符號,小數(shù)點(diǎn)不需要表示出來。通過定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)來表示。理解算術(shù)運(yùn)算式,溢出的判斷方法。

定點(diǎn)數(shù)的補(bǔ)碼表示方法。一個(gè)英文字母用一個(gè)字節(jié)描述,一個(gè)漢字需要兩個(gè)字節(jié)表示。2020/11/142024/10/1835主要內(nèi)容(信息的表示)IEEE754標(biāo)準(zhǔn)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)。2020/11/142024/10/1836主要內(nèi)容(總線技術(shù))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2020/11/142024/10/1837主要內(nèi)容(總線技術(shù))總線的指標(biāo)(位寬、工作頻率、傳輸速率)

位寬:總線一次同時(shí)傳送的信息位數(shù)或所需的線數(shù)。

工作頻率:控制總線中的時(shí)鐘信號線所提供的時(shí)鐘頻率。傳輸速率:總線在一秒鐘內(nèi)所能穩(wěn)定傳輸數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù),單位為KB/s或MB/s

總線的最大數(shù)據(jù)傳輸速率稱為總線帶寬。總線帶寬=總線位寬×總線工作頻率/8

2020/11/14馮.諾依曼體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)包括幾部分:答:運(yùn)算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備及輸出設(shè)備。何謂計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)?計(jì)算機(jī)組成?計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)?答:計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)指程序員(主要是指匯編、操作系統(tǒng)程序員)所看到的機(jī)器的屬性,即機(jī)器的概念性結(jié)構(gòu)和功能表現(xiàn)。計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。2020/11/14計(jì)算機(jī)的主要性能指標(biāo)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(shí)鐘的頻率(f)叫CPU的主頻。主頻的倒數(shù)稱為:CPU時(shí)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(shí)鐘周期數(shù)。MIPS:表示每秒鐘執(zhí)行百萬條指令數(shù)。(定點(diǎn)機(jī)速度指標(biāo))MFLOPS:表示每秒百萬次浮點(diǎn)操作次數(shù)。2020/11/148位補(bǔ)碼定點(diǎn)整數(shù)的范圍是:-128+127

寫出8位補(bǔ)碼(F9)16所對應(yīng)的定點(diǎn)整數(shù)十進(jìn)制真值:(F9)16

=(11111001)2真值為:-(0000111)2=-(7)10寫出十進(jìn)制數(shù)17.625所對應(yīng)的IEEE754單精度(32位)浮點(diǎn)機(jī)器數(shù)。17.625

=10001.101=1.0001101

2+100S=0E=100+01111111=10000011M=0001101000000000000000001000001100011010000000000000000

2020/11/14將十進(jìn)制數(shù)-35.875轉(zhuǎn)化為IEEE754標(biāo)準(zhǔn)的32位單精度浮點(diǎn)數(shù)。答:

-35.875=-100011.111=-1.00011111

2+101

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

浮點(diǎn)數(shù)為:

110000100000111110000000000000002020/11/14英文字母的編碼是什么?占幾個(gè)字節(jié)?答:ASCII碼,用1個(gè)字節(jié)存儲。

國標(biāo)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(jìn)制數(shù)字表示,2個(gè)字節(jié)存儲。2020/11/14存儲器的主要功能是什么?答:存儲程序和數(shù)據(jù)。計(jì)算機(jī)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。

2020/11/14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(gè)內(nèi)存單元(00050H

00053H)中的存放結(jié)果。

答:小端規(guī)則大端規(guī)則3412CDAB00050000510005200053ABCD1234000500005100052000532020/11/14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(bǔ)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(gòu)成一個(gè)整體,從CPU角度看,CPU訪問Cache存儲系統(tǒng)時(shí),速度接近Cache速度,而容量是主存容量,價(jià)格/容量比接近主存。Cache存儲系統(tǒng)對系統(tǒng)程序員和應(yīng)用程序員都是透明的,因?yàn)镃PU對Cache和主存層次的調(diào)度全部由硬件實(shí)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(gòu)成一個(gè)整體,擴(kuò)大程序可訪問的存儲空間,通過把磁盤空間當(dāng)作主存空間供程序使用,建立起一個(gè)虛擬存儲器。2020/11/14存儲器擴(kuò)展技術(shù)主要解決什么?什么是位的擴(kuò)展,什么是字的擴(kuò)展?

答:解決芯片容量與系統(tǒng)容量匹配問題。當(dāng)芯片數(shù)據(jù)線位數(shù)少于系統(tǒng)數(shù)據(jù)位數(shù)時(shí),需要位擴(kuò)展;單芯片地址位數(shù)少于系統(tǒng)地址位數(shù)時(shí),需要字?jǐn)U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(jié)構(gòu)等。2020/11/14例:設(shè)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(shè)計(jì)一個(gè)容量為32KB、地址范圍為0000H~7FFFH的主存儲器。說明設(shè)計(jì)方案。G1Y7G2A譯

Y6G2B

碼:AB器CY0

SRAM

A12…A0CSD7…D0WE2020/11/14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(yīng)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。2020/11/14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(shí)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(diǎn),最實(shí)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?qū)⒁獔?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(shí)保存程序,斷電即消失。輔存存放暫不執(zhí)行或不準(zhǔn)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(qū)動。但不能直接訪問輔存,需要操作系統(tǒng)將輔存的內(nèi)容調(diào)入主存方可訪問。2020/11/14

一臺計(jì)算機(jī)按字節(jié)尋址,其內(nèi)存為16M。數(shù)據(jù)塊的大小是32個(gè)字節(jié),Cache的大小是8K字節(jié)。采用八路組相聯(lián)映射,給出內(nèi)存地址為560800H地址對應(yīng)的標(biāo)記、組號和字號。解:主存16M,地址總線是24位。每個(gè)數(shù)據(jù)塊32個(gè)字節(jié),2的5次方等于32。塊大小=行大小=2w個(gè)字節(jié)=32=25w=5Cache中的組數(shù)=8k/(32x8)=25

標(biāo)記大小位=24-5-5=14

標(biāo)記14位組號5位字號5位2020/11/14

一臺計(jì)算機(jī)按字節(jié)尋址,其內(nèi)存為16M。數(shù)據(jù)塊的大小是32個(gè)字節(jié),Cache的大小是8K字節(jié)。采用八路組相聯(lián)映射,給內(nèi)存地址為560800H地址對應(yīng)的標(biāo)記、組號和字號。解:560800H=010101100000100000000000

字號=00000=00H

組號=00000=00H

標(biāo)記=01010110000010=1582H

2020/11/14存儲器有24位地址,16位字長?,F(xiàn)有芯片512K8位,需要如何擴(kuò)展?擴(kuò)展幾片芯片?用幾位地址進(jìn)行片選?

答:需要進(jìn)行字、位擴(kuò)展;

擴(kuò)展芯片數(shù)為=(16M16位)/(0.5M8位)=322=64片

用5位地址(A23—A19)進(jìn)行片選,使用5—32譯碼器。

2020/11/14什么是指令系統(tǒng)?為什么說指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)中軟件和硬件分界的接口?答:一臺計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合,稱為這臺計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。它就是這臺機(jī)器的機(jī)器語言。在它之下是硬件實(shí)現(xiàn)電路,之上是各種軟件程序?qū)崿F(xiàn)。所以說指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)中軟件和硬件分界的接口。2020/11/14指令格式分為幾個(gè)字段,各字段表示什么內(nèi)容?答:指令格式分為操作碼和操作數(shù)兩個(gè)字段。操作碼OP表示該指令應(yīng)進(jìn)行什么性質(zhì)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(gè)立即數(shù)(在指令代碼中直接給出)、寄存器中內(nèi)容、存儲單元的內(nèi)容或I/O端口的內(nèi)容。

2020/11/14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(gè)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(gè)數(shù)為3、2、1、0。對應(yīng)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。2020/11/14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(kuò)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(gè)數(shù)的算術(shù)運(yùn)算,除地址碼指明的一個(gè)操作數(shù)以外,另一個(gè)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?qū)ぶ?、跳躍尋址(相對尋址)。2020/11/14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(shí)際地址,再用該地址訪問存儲器得到操作數(shù)。2020/11/14

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(diǎn)。1597430OP—源寄存器目標(biāo)寄存器解:指令格式的特點(diǎn)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(biāo)寄存器都是通用寄存器(可分別指定16個(gè)寄存器),是RR(寄存器-寄存器)型指令,兩個(gè)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。2020/11/14指令結(jié)構(gòu)如下:分析該指令格式及尋址方式答:雙字長指令,OP=6,最多可定義64條不同的指令;指令類型為RS型,源操作數(shù)采用寄存器尋址,目標(biāo)操作數(shù)采用變址尋址(操作數(shù)在內(nèi)存,有效地址為變址寄存器內(nèi)容加上偏移量)。15107430OP源寄存器變址寄存器偏移量(16位)2020/11/14

機(jī)器字長32位,主存容量64KB,采用單字長單地址指令,40條指令,支持直接、立即,變址及相對四種尋址方式設(shè)計(jì)指令格式答:40條指令OP需要6位,4種尋址方式需要2位,64KB主存容量直接地址需要16位。故指令格式可設(shè)計(jì)如下

X=00,直接尋址,有效地址EA=A;

X=01,立即尋址,D為立即數(shù);X=10,變址尋址,EA=(R)+D

X=11,相對尋址,EA=(PC)+D

3126252423212016150OPXRA/D2020/11/14

32位指令,70條,雙、單、無操作數(shù),設(shè)計(jì)指令格式滿足要求。答:雙操作數(shù)指令格式:單操作數(shù)指令格式:無操作數(shù)指令格式:OP尋址RsRdD735512OP尋址RD73517OP7

2020/11/14基本的指令類型有哪些?答:數(shù)據(jù)傳送類、運(yùn)算(算數(shù)、邏輯、移位運(yùn)算)類及控制轉(zhuǎn)移類指令。執(zhí)行子程序調(diào)用的指令時(shí),如何保護(hù)斷點(diǎn)信息?答:斷點(diǎn)信息即PC值,保存到堆棧中。2020/11/14比較轉(zhuǎn)移指令和子程序調(diào)用指令在功能上的異同點(diǎn)。答:轉(zhuǎn)移指令和子程序調(diào)用指令都屬于控制轉(zhuǎn)移類指令;轉(zhuǎn)移指令分為無條件轉(zhuǎn)移和條件轉(zhuǎn)移。無條件轉(zhuǎn)移是將該指令中地址字段內(nèi)容的內(nèi)容寫入PC中,改變指令執(zhí)行順序;條件轉(zhuǎn)移指令是當(dāng)條件滿足時(shí),計(jì)算機(jī)把該指令中地址字段內(nèi)容直接寫入PC中或者與PC中的內(nèi)容相加后結(jié)果寫入PC中;子程序調(diào)用是把當(dāng)前程序的斷點(diǎn)(PC值)保存到系統(tǒng)堆棧中,然后由子程序名求得子程序的入口地址,最后把子程序的入口地址寫入PC,從而將程序控制轉(zhuǎn)移至被調(diào)子程序。2020/11/14CPU的主要功能是什么?答:取指令、執(zhí)行指令。指令控制、操作控制、時(shí)間控制、數(shù)據(jù)加工CPU的主要組成部分有哪些?答:運(yùn)算器、控制器、寄存器。CPU內(nèi)部的主要寄存器有哪些?答:地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、通用寄存器、狀態(tài)字寄存器、程序計(jì)數(shù)器、指令寄存器、基址寄存器、變址寄存器。2020/11/14什么是指令周期?答:CPU每取出一條指令并執(zhí)行這條指令,都要完成一系列的操作,這一系列操作所需的時(shí)間通常叫做一個(gè)指令周期。指令周期、機(jī)器周期與時(shí)鐘周期的關(guān)系?答:一個(gè)指令周期含有若干個(gè)機(jī)器周期,一個(gè)機(jī)器周期含有若干個(gè)時(shí)鐘周期。2020/11/14微程序控制器的工作原理是什么?答:把操作控制信號編制成微指令,存放到控制存儲器里,運(yùn)行時(shí),從控存中取出微指令,產(chǎn)生指令運(yùn)行所需的操作控制信號。微程序設(shè)計(jì)技術(shù)是用軟件方法來設(shè)計(jì)硬件的技術(shù)??刂破鞔鎯ζ鞯淖饔檬鞘裁??答:存儲微指令。2020/11/14什么是微指令?答:把在同一CPU周期內(nèi)并行執(zhí)行的微操作控制信息,存儲在控制存儲器里,稱為一條微指令存儲微指令。一條機(jī)器指令對應(yīng)一個(gè)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(yīng)關(guān)系來看,前者與內(nèi)存儲器有關(guān),后

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