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计算机组成原理(概念)

1.5. 冯?诺依曼计算机的特点是什么?

解:冯?诺依曼计算机的特点是:P8

计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成;

指令和数据以同同等地位存放于存储器内,并可以按地址访问;

指令和数据均用二进制表示;

指令由操作码、地址码两大部分组成,操作码用来表示操作的性质,地址码用来表示操作数在存储器中的位置;

指令在存储器中顺序存放,通常自动顺序取出执行;

机器以运算器为中心(原始冯?诺依曼机)。

1.8. 解释下列英文缩写的中文含义:

CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS

解:全面的回答应分英文全称、中文名、功能三部分。

CPU:Central Processing Unit,中央处理机(器),是计算机硬件的核心部件,主要由运算器和控制器组成。

PC:Program Counter,程序计数器,其功能是存放当前欲执行指令的地址,并可自动计数形成下一条指令地址。

IR:Instruction Register,指令寄存器,其功能是存放当前正在执行的指令。

CU:Control Unit,控制单元(部件),为控制器的核心部件,其功能是产生微操作命令序列。

ALU:Arithmetic Logic Unit,算术逻辑运算单元,为运算器的核心部件,其功能是进行算术、逻辑运算。

ACC:Accumulator,累加器,是运算器中既能存放运算前的操作数,又能存放运算结果的寄存器。

MQ:Multiplier-Quotient Register,乘商寄存器,乘法运算时存放乘数、除法时存放商的寄存器。

X:此字母没有专指的缩写含义,可以用作任一部件名,在此表示操作数寄存器,即运算器中工作寄存器之一,用来存放操作数;

MAR:Memory Address Register,存储器地址寄存器,在主存中用来存放欲访问的存储单元的地址。

MDR:Memory Data Register,存储器数据缓冲寄存器,在主存中用来存放从某单元读出、或要写入某存储单元的数据。

I/O:Input/Output equipment,输入/输出设备,为输入设备和输出设备的总称,用于计算机内部和外界信息的转换与传送。

MIPS:Million Instruction Per Second,每秒执行百万条指令数,为计算机运算速度指标的一种计量单位。

3.1. 什么是总线?总线传输有何特点?为了减轻总线负载,总线上的部件应具备什么特点?

答:P41.总线是多个部件共享的传输部件。(总线是连接多个部件的信息传输线,是各部件共享的传输介质。)

总线传输的特点是:某一时刻只能有一路信息在总线上传输,即分时使用。

为了减轻总线负载,总线上的部件应通过三态驱动缓冲电路与总线连通。

3.2.总线如何分类?什么是系统总线?系统总线又分为几类,它们各有何作用,是单向的

还是双向的,它们与机器字长、存储字长、存储单元有何关系?

解:总线按数据传输方式分为并行传输总线和串行传输总线;按使用范围分为计算机(包括外设)总线、测控总线、网络通信总线;按连接部件分为片内总线、系统总线、通信总线。

系统总线是指CPU、主存、I/O设备(通过I/O接口)各大部件之间的信息传输线。系统总线按传输信息的不同分为数据总线、地址总线、控制总线。

数据总线:用来传输各功能部件之间的数据信息,是双向传输总线,其位数与机器字长、存储字长有关,一般为8位、16位或32位,如果数据总线的宽度为8位,指令字长为16位,那么CPU在取指阶段必须两次访问主存。

地址总线:主要用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址或I/O设备的地址,单向传输,其位数与存储单元的个数有关,若地址线为20根,则对应的存储单元个数为2(20)。

控制总线:用来发出各种控制信号的传输线,单向传输。

4.1.解释概念:主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。

解:主存(主存储器)、辅存(辅助存储器)、Cache(高速缓冲存储器)、RAM(随机存储器)、SRAM (静态RAM)、DRAM(动态RAM)、ROM(只读存储器)、PROM(可编程只读存储器)、EPROM(可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(用电可擦除可编程只读存储器)、CDROM、Flash Memory(闪速存储器)。

4.3. 存储器的层次结构主要体现在什么地方?为什么要分这些层次?计算机如何管理这些层次?

答:存储器的层次结构主要体现在Cache-主存和主存-辅存这两个存储层次上。

Cache-主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用,即从整体运行的效果分析,CPU 访存速度加快,接近于Cache的速度,而寻址空间和位价却接近于主存。

主存-辅存层次在存储系统中主要起扩容作用,即从程序员的角度看,他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存,而速度接近于主存。

综合上述两个存储层次的作用,从整个存储系统来看,就达到了速度快、容量大、位价低的优化效果。

主存与CACHE之间的信息调度功能全部由硬件自动完成。而主存与辅存层次的调度目前广泛采用虚拟存储技术实现,即将主存与辅存的一部分通过软硬结合的技术组成虚拟存储器,程序员可使用这个比主存实际空间(物理地址空间)大得多的虚拟地址空间(逻辑地址空间)编程,当程序运行时,再由软、硬件自动配合完成虚拟地址空间与主存实际物理空间的转换。因此,这两个层次上的调度或转换操作对于程序员来说都是透明的。

4.9. 什么叫刷新?为什么要刷新?说明刷新有几种方法。

解:刷新:对DRAM定期进行的全部重写过程;

刷新原因:因电容泄漏而引起的DRAM所存信息的衰减需要及时补充,因此安排了定期刷新操作;

常用的刷新方法有三种:集中式、分散式、异步式。

集中式:在最大刷新间隔时间内,集中安排一段时间进行刷新,存在CPU访存死时间。

分散式:在每个读/写周期之后插入一个刷新周期,无CPU访存死时间。

异步式:是集中式和分散式的折衷。

5.1. I/O有哪些编址方式?各有何特点?

解:常用的I/O编址方式有两种: I/O与内存统一编址和I/O独立编址;

特点: I/O与内存统一编址方式的I/O地址采用与主存单元地址完全一样的格式,I/O设备和主存占用同一个地址空间,CPU可像访问主存一样访问I/O设备,不需要安排专门的I/O指令。 I/O独立编址方式时机器为I/O设备专门安排一套完全不同于主存地址格式的地址编码,此时I/O地址与主存地址是两个独立的空间,CPU需要通过专门的I/O指令来访问I/O地址空间。

5.3. I/O设备与主机交换信息时,共有哪几种控制方式,简述它们的特点。

解:共有5种控制方式:程序查询方式、程序中断方式、直接存储器存取方式(DMA)、I/O 通道方式、I/O处理机方式。

程序查询方式:使CPU和I/O设备处于串行工作状态,CPU的工作效率不高。

程序中断方式:CPU执行程序与I/O设备做准备是同时进行的,使CPU的资源得到了充分的利用,提高CPU的工作效率。

DMA方式:主存与I/O设备之间有一条数据通路,在其交换信息时无需调用中断服务程序,进一步提高CPU资源利用率。

5.11 简述I/O接口的功能和基本组成。

解:选址功能、传送命令的功能、传送数据的功能、反映I/O设备工作状态的功能。

计算机组成原理(概念)

5.1

6. 在什么条件和什么时间,CPU可以响应I/O的中断请求?

解:CPU响应I/O中断请求的条件和时间是:当中断允许状态为1(EINT=1),且至少有一个中断请求被查到,则在一条指令执行完时,响应中断。

7.2. 什么叫寻址方式?为什么要学习寻址方式?

解:寻址方式是指确定本条指令的数据地址以及下一条将要执行的指令地址的方法,它与硬件结构紧密相关,而且直接影响指令格式和指令功能。

7.3. 什么是指令字长、机器字长和存储字长?

解:指令字长:一个指令字中包含二进制代码的位数。机器字长:是指计算机能直接处理的二进制数据的位数。存储字长:一个存储单元存储一串二进制代码(存储字)的位数。

7.9. 试比较间接寻址和寄存器间接寻址。

答:寄存器间接寻址,有效地址放在存放在寄存器中,比间接寻址少了访存一次。

7.10. 试比较基址寻址和变址寻址。

解: 1)都可有效地扩大指令寻址范围。

2)基址寻址时,基准地址由基址寄存器给出,地址的改变反映在位移量A的取值上;变址寻址时,基准地址由A给出,地址的改变反映在变址值的自动修改上,变址值由变址寄存器给出。

3)基址寄存器内容通常由系统程序设定,变址寄存器内容通常由用户设定。

4)基址寻址适用于程序的动态重定位,变址寻址适用于数组或字符串处理,适用场合不同。

7.20. 什么是RISC,简述它的主要特点。

解:RISC即精简指令系统计算机。

特点:1、让复杂的指令功能由频度高的简单指令的组合来实现;

2、指令长度固定、指令格式种类少,寻址方式种类少;

3、只有取数/存数指令访问存储器,其余指令的操作都在寄存器内完成;

4、CPU中有多个通用寄存器;

5、采用流水线技术,大部分指令在一个时钟周期内完成;

6、控制器采用组合逻辑控制,不用微程序控制;

7、采用优化的编译编译程序。

7.21. 比较RISC和CISC。

解:同RISC比较,CISC的指令系统复杂庞大,各种指令使用频度相差很大;指令字长不固定,指令格式多,寻址方式多;可以访存的指令不受限制;CPU中没有专用寄存器;绝大多数指令需要多个时钟周期方可执行完毕;采用微程序控制器;难以用优化编译生成高效的目标代码。

8.1. CPU有哪些功能?画出其结构框图并简要说明各个部件的作用。

解:CPU必须具有控制程序的顺序执行(指令控制)、产生完成每条指令所需的控制命令(操作控制)、对各种操作加以时间上的控制(时序控制)、对数据进行算术运算和逻辑运算(数据加工)以及处理中断等功能。参考P338图8.2。

8.2. 什么是指令周期?指令周期是否有一个固定值?为什么?

解:指令周期是指取出并执行完一条指令所需的时间。

由于计算机中各种指令执行所需的时间差异很大,因此为了提高CPU运行效率,即使在同步控制的机器中,不同指令的指令周期长度都是不一致的,也就是说指令周期对于不同的指令来说不是一个固定值。

8.18 什么是中断隐指令,有哪些功能?

解:中断隐指令即在机器指令系统中没有的指令,它是CPU在中断周期内由硬件自动完成的一条指令。

功能:保护程序断点;寻找中断服务程序的入口地址;关中断。

9.3. 什么是指令周期、机器周期和时钟周期?三者有何关系?

答:CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周期;

机器周期是在同步控制的机器中,执行指令周期中一步相对完整的操作(指令步)所需时间,通常安排机器周期长度等于主存周期;

时钟周期是指计算机主时钟的周期时间,它是计算机运行时最基本的时序单位,对应完成一个微操作所需时间,通常时钟周期等于计算机主频的倒数。