计算机组成原理110章总结Word文档格式.docx

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将人们熟悉的信息形式转换成计算机可以接受并识别的信息形式的设备。

输出设备：

将计算机处理的结果（二进制信息）转换成人类或其它设备可以接收和识别的信息形式的设备。

计算机系统的主要技术指标有：

机器字长：

指CPU一次能处理的数据的位数。

通常与CPU的寄存器的位数有关，字长越长，数的表示范围越大，精度也越高。

机器字长也会影响计算机的运算速度。

数据通路宽度：

数据总线一次能并行传送的数据位数。

存储容量：

指能存储信息的最大容量，通常以字节来衡量。

一般包含主存容量和辅存容量。

运算速度：

通常用MIPS（每秒百万条指令）、MFLOPS（每秒百万次浮点运算）或CPI（执行一条指令所需的时钟周期数）来衡量。

CPU执行时间是指CPU对特定程序的执行时间。

主频：

机器内部主时钟的运行频率，是衡量机器速度的重要参数。

吞吐量：

指流入、处理和流出系统的信息速率。

它主要取决于主存的存取周期。

响应时间：

计算机系统对特定事件的响应时间，如实时响应外部中断的时间等。

7.解释下列概念：

主机、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长。

P9-10

主机：

是计算机硬件的主体部分，由CPU和主存储器MM合成为主机。

CPU：

中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成；

（早期的运算器和控制器不在同一芯片上，现在的CPU内除含有运算器和控制器外还集成了CACHE）。

主存：

计算机中存放正在运行的程序和数据的存储器，为计算机的主要工作存储器，可随机存取；

由存储体、各种逻辑部件及控制电路组成。

存储单元：

可存放一个机器字并具有特定存储地址的存储单位。

存储元件：

存储一位二进制信息的物理元件，是存储器中最小的存储单位，又叫存储基元或存储元，不能单独存取。

存储字：

一个存储单元所存二进制代码的逻辑单位。

存储字长：

一个存储单元所存储的二进制代码的总位数。

存储器中可存二进制代码的总量；

（通常主、辅存容量分开描述）。

机器字长：

指CPU一次能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。

指令字长：

机器指令中二进制代码的总位数。

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

全面的回答应分英文全称、中文名、功能三部分。

CentralProcessingUnit，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：

ProgramCounter，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：

InstructionRegister，指令寄存器，其功能是存放当前正在执行的指令。

CU：

ControlUnit，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：

ArithmeticLogicUnit，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-QuotientRegister，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：

MemoryAddressRegister，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：

MemoryDataRegister，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/Outputequipment，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：

MillionInstructionPerSecond，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。

9.画出主机框图，

10.指令和数据都存于存储器中，计算机如何区分它们？

计算机区分指令和数据有以下2种方法：

●通过不同的时间段来区分指令和数据，即在取指令阶段（或取指微程序）取出的为指令，在执行指令阶段（或相应微程序）取出的即为数据。

●通过地址来源区分，由PC提供存储单元地址的取出的是指令，由指令地址码部分提供存储单元地址的取出的是操作数。

第2章计算机的发展及应用

1.通常计算机的更新换代以什么为依据？

P22

主要以组成计算机基本电路的元器件为依据，如电子管、晶体管、集成电路等。

2.举例说明专用计算机和通用计算机的区别。

按照计算机的效率、速度、价格和运行的经济性和实用性可以将计算机划分为通用计算机和专用计算机。

通用计算机适应性强，但牺牲了效率、速度和经济性，而专用计算机是最有效、最经济和最快的计算机，但适应性很差。

例如个人电脑和计算器。

3.什么是摩尔定律？

该定律是否永远生效？

为什么？

P23，否，P36

第3章系统总线

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？

P41.总线是一种能由多个部件分时共享的公共信息传送线路。

总线传输的特点是：

某一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，但多个部件可以同时从总线上接收相同的信息。

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。

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？

按照连接部件的不同，总线可以分为片内总线、系统总线和通信总线。

系统总线是连接CPU、主存、I/O各部件之间的信息传输线。

系统总线按照传输信息不同又分为地址线、数据线和控制线。

地址线是单向的，其根数越多，寻址空间越大，即CPU能访问的存储单元的个数越多；

数据线是双向的，其根数与存储字长相同，是机器字长的整数倍。

3.常用的总线结构有几种？

不同的总线结构对计算机的性能有什么影响？

举例说明。

略。

见P52-55。

4.为什么要设置总线判优控制？

常见的集中式总线控制有几种？

各有何特点？

哪种方式响应时间最快？

哪种方式对电路故障最敏感？

总线判优控制解决多个部件同时申请总线时的使用权分配问题；

常见的集中式总线控制有三种：

链式查询、计数器定时查询、独立请求；

特点：

链式查询方式连线简单，易于扩充，对电路故障最敏感；

计数器定时查询方式优先级设置较灵活，对故障不敏感，连线及控制过程较复杂；

独立请求方式速度最快，但硬件器件用量大，连线多，成本较高。

5.解释下列概念：

总线宽度、总线带宽、总线复用、总线的主设备（或主模块）、总线的从设备（或从模块）、总线的传输周期和总线的通信控制。

P46。

总线宽度：

通常指数据总线的根数；

总线带宽：

总线的数据传输率，指单位时间内总线上传输数据的位数；

总线复用：

指同一条信号线可以分时传输不同的信号。

总线的主设备（主模块）：

指一次总线传输期间，拥有总线控制权的设备（模块）；

总线的从设备（从模块）：

指一次总线传输期间，配合主设备完成数据传输的设备（模块），它只能被动接受主设备发来的命令；

总线的传输周期：

指总线完成一次完整而可靠的传输所需时间；

总线的通信控制：

指总线传送过程中双方的时间配合方式。

6.试比较同步通信和异步通信。

同步通信：

指由统一时钟控制的通信，控制方式简单，灵活性差，当系统中各部件工作速度差异较大时，总线工作效率明显下降。

适合于速度差别不大的场合。

异步通信：

指没有统一时钟控制的通信，部件间采用应答方式进行联系，控制方式较同步复杂，灵活性高，当系统中各部件工作速度差异较大时，有利于提高总线工作效率。

7.画图说明异步通信中请求与回答有哪几种互锁关系？

见P61-62，图3.86。

8.为什么说半同步通信同时保留了同步通信和异步通信的特点？

半同步通信既能像同步通信那样由统一时钟控制，又能像异步通信那样允许传输时间不一致，因此工作效率介于两者之间。

9.分离式通讯有何特点，主要用于什么系统？

分离式通讯的特点是：

（1）各模块欲占用总线使用权都必须提出申请；

（2）在得到总线使用权后，主模块在先定的时间内向对方传送信息，采用同步方式传送，不再等待对方的回答信号；

（3）各模块在准备数据的过程中都不占用总线，使总线可接受其它模块的请求；

（4）总线被占用时都在做有效工作，或者通过它发送命令，或者通过它传送数据，不存在空闲等待时间，充分利用了总线的占用，从而实现了总线在多个主、从模块间进行信息交叉重叠并行传送。

分离式通讯主要用于大型计算机系统。

10.为什么要设置总线标准？

你知道目前流行的总线标准有哪些？

什么叫plugandplay？

哪些总线有这一特点？

总线标准的设置主要解决不同厂家各类模块化产品的兼容问题；

目前流行的总线标准有：

ISA、EISA、PCI等；

plugandplay：

即插即用，EISA、PCI等具有此功能。

13.什么是总线的数据传输率，它与哪些因素有关？

总线数据传输率即总线带宽，指单位时间内总线上传输数据的位数，通常用每秒传输信息的字节数来衡量。

它与总线宽度和总线频率有关，总线宽度越宽，频率越快，数据传输率越高。

14.设总线的时钟频率为8MHZ，一个总线周期等于一个时钟周期。

如果一个总线周期中并行传送16位数据，试问总线的带宽是多少？

由于：

f=8MHz,T=1/f=1/8M秒，一个总线周期等于一个时钟周期

所以：

总线带宽=16/（1/8M）=128Mbps

15.在一个32位的总线系统中，总线的时钟频率为66MHZ，假设总线最短传输周期为4个时钟周期，试计算总线的最大数据传输率。

若想提高数据传输率，可采取什么措施？

总线传输周期=4*1/66M秒

总线的最大数据传输率=32/（4/66M）=528Mbps

若想提高数据传输率，可以提高总线时钟频率、增大总线宽度或者减少总线传输周期包含的时钟周期个数。

16.在异步串行传送系统中，字符格式为：

1个起始位、8个数据位、1个校验位、2个终止位。

若要求每秒传送120个字符，试求传送的波特率和比特率。

一帧包含：

1+8+1+2=12位

故波特率为：

（1+8+1+2）*120=1440bps

比特率为：

8*120=960bps

第4章存储器

1.解释概念：

主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、FlashMemory。

主存储器，用于存放正在执行的程序和数据。

CPU可以直接进行随机读写，访问速度较高。

辅存：

辅助存储器，用于存放当前暂不执行的程序和数据，以及一些需要永久保存的信息。

Cache：

高速缓冲存储器，介于CPU和主存之间，用于解决CPU和主存之间速度不匹配问题。

RAM：

半导体随机存取存储器，主要用作计算机中的主存。

SRAM：

静态半导体随机存取存储器。

DRAM：

动态半导体随机存取存储器。

ROM：

掩膜式半导体只读存储器。

由芯片制造商在制造时写入内容，以后只能读出而不能写入。

PROM：

可编程只读存储器，由用户根据需要确定写入内容，只能写入一次。

EPROM：

紫外线擦写可编程只读存储器。

需要修改内容时，现将其全部内容擦除，然后再编程。

擦除依靠紫外线使浮动栅极上的电荷泄露而实现。

EEPROM：

电擦写可编程只读存储器。

CDROM：

只读型光盘。

FlashMemory：

闪速存储器。

或称快擦型存储器。

2.计算机中哪些部件可以用于存储信息？

按速度、容量和价格/位排序说明。

计算机中寄存器、Cache、主存、硬盘可以用于存储信息。

按速度由高至低排序为：

寄存器、Cache、主存、硬盘；

按容量由小至大排序为：

按价格/位由高至低排序为：

寄存器、Cache、主存、硬盘。

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？

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.说明存取周期和存取时间的区别。

存取周期和存取时间的主要区别是：

存取时间仅为完成一次操作的时间，而存取周期不仅包含操作时间，还包含操作后线路的恢复时间。

即：

存取周期=存取时间+恢复时间

5.什么是存储器的带宽？

若存储器的数据总线宽度为32位，存取周期为200ns，则存储器的带宽是多少？

存储器的带宽指单位时间内从存储器进出信息的最大数量。

存储器带宽=1/200ns×

32位=160M位/秒=20MB/秒=5M字/秒

注意：

字长32位，不是16位。

（注：

1ns=10-9s）

7.一个容量为16K×

32位的存储器，其地址线和数据线的总和是多少？

当选用下列不同规格的存储芯片时，各需要多少片？

1K×

4位，2K×

8位，4K×

4位，16K×

1位，4K×

8位，8K×

8位

地址线和数据线的总和=14+32=46根；

选择不同的芯片时，各需要的片数为：

4：

（16K×

32）/（1K×

4）=16×

8=128片

2K×

8：

32）/（2K×

8）=8×

4=32片

4K×

32）/（4K×

4）=4×

8=32片

16K×

1：

32）/（16K×

1）=1×

32=32片

32）/（4K×

8）=4×

4=16片

8K×

32）/（8K×

8）=2×

4=8片

8.试比较静态RAM和动态RAM。

（参看课件）

9.什么叫刷新？

为什么要刷新？

说明刷新有几种方法。

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。

10.半导体存储器芯片的译码驱动方式有几种？

半导体存储器芯片的译码驱动方式有两种：

线选法和重合法。

线选法：

地址译码信号只选中同一个字的所有位，结构简单，费器材；

重合法：

地址分行、列两部分译码，行、列译码线的交叉点即为所选单元。

这种方法通过行、列译码信号的重合来选址，也称矩阵译码。

可大大节省器材用量，是最常用的译码驱动方式。

11.一个8K×

8位的动态RAM芯片，其内部结构排列成256×

256形式，存取周期为0.1μs。

试问采用集中刷新、分散刷新和异步刷新三种方式的刷新间隔各为多少？

采用分散刷新方式刷新间隔为:

2ms，其中刷新死时间为：

256×

0.1μs=25.6μs

采用分散刷新方式刷新间隔为：

（0.1μs+×

0.1μs）=51.2μs

采用异步刷新方式刷新间隔为:

2ms

12.画出用1024×

4位的存储芯片组成一个容量为64K×

8位的存储器逻辑框图。

要求将64K分成4个页面，每个页面分16组，指出共需多少片存储芯片。

设采用SRAM芯片，则：

总片数=（64K×

8位）/（1024×

4位）=64×

2=128片

题意分析：

本题设计的存储器结构上分为总体、页面、组三级，因此画图时也应分三级画。

首先应确定各级的容量：

页面容量=总容量/页面数=64K×

8/4=16K×

8位，4片16K×

8字串联成64K×

组容量=页面容量/组数 

=16K×

8位/16=1K×

8位，16片1K×

8位字串联成16K×

组内片数=组容量/片容量=1K×

8位/1K×

4位=2片，两片1K×

4位芯片位并联成1K×

24.一个4体低位交叉的存储器，假设存储周期为T，CPU每隔1/4存取周期启动一个存储体，试问依次访问64个字需多少个存取周期？

4体低位交叉的存储器的总线传输周期为τ，τ=T/4，依次访问64个字所需时间为：

t=T+（64-1）τ=T+63T/4=16.75T

25.什么是“程序访问的局部性”？

存储系统中哪一级采用了程序访问的局部性原理？

程序运行的局部性原理指：

在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问；

在空间上，这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区；

在访问顺序上，指令顺序执行比转移执行的可能性大（大约5:

1）。

存储系统中Cache-主存层次和主存-辅存层次均采用了程序访问的局部性原理。

计算机中设置Cache的作用是解决CPU和主存速度不匹配问题。

不能将Cache的容量扩大取代主存，原因是:

（1）Cache容量越大成本越高，难以满足人们追求低价格的要求；

（2）如果取消主存，当CPU访问Cache失败时，需要将辅存的内容调入Cache再由CPU访问，造成CPU等待时间太长，损失更大。

27.Cache做在CPU芯片内有什么好处？

将指令Cache和数据Cache分开又有什么好处？

Cache做在CPU芯片内主要有下面几个好处：

（1）可提高外部总线的利用率。

因为Cache在CPU芯片内，CPU访问Cache时不必占用外部总线。

（2）Cache不占用外部总线就意味着外部总线可更多地支持I/O设备与主存的信息传输，增强了系统的整体效率。

（3）可提高存取速度。

因为Cache与CPU之间的数据通路大大缩短,故存取速度得以提高。

将指令Cache和数据Cache分开有如下好处：

1）可支持超前控制和流水线控制，有利于这类控制方式下指令预取操作的完成。

2）指令Cache可用ROM实现，以提高指令存取的可靠性。

3）数据Cache对不同数据类型的支持更为灵活，既可支持整数（例32位），也可支持浮点数据（如64位）。

补充：

Cache结构改进的第三个措施是分级实现，如二级缓存结构，即在片内Cache（L1）和主存之间再设一个片外Cache（L2），片外缓存既可以弥补片内缓存容量不够大的缺点，又可在主存与片内缓存间起到平滑速度差的作用，加速片内缓存的调入调出速度。

33．简要说明提高访存速度可采取的措施。

提高访存速度可采取三种措施：

（1）采用高速器件。

即采用存储周期短的芯片，可提高访存速度。

（2）采用Cache。

CPU最近要使用的信息先调入Cache，而Cache的速度比主存快得多，这样CPU每次只需从Cache中读写信息，从而缩短访存时间，提高访存速度。

（3）调整主存结构。

如采用单体多字或采用多体结构存储器。

38.磁盘组有6片磁盘，最外两侧盘面可以记录，存储区域内径22cm，外径33cm，道密度为40道/cm，内层密度为400位/cm，转速3600转/分，问：

（1）共有多少存储面可用？

（2）共有多少柱面？

（3）盘组总存储容量是多少？

（4）数据传输率是多少？

（1）共有：

6×

2=12个存储面可用。

（2）有效存储区域=（33-22）/2=5.5cm

柱面数=40道/cm×

5.5=220道

（3）内层道周长=×

22=69.08cm

道容量=400位/cm×

69.08cm=3454B

面容量=3454B×

220道=759，880B

盘组总容量=759，880B×

12面=9，118，560B

（4）转速=3600转/60秒=60转/秒

数据传输率=3454B×

60转/秒=207，240B/S

39.某磁盘存储器转速为3000转/分，共有4个记录盘面，每毫米5道，每道记录信息12288字节，最小磁道直径为230mm，共有275道，求：

（1）磁盘存储