计算机组成原理复习要点及答案.docx

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计算机组成原理复习要点及答案

计算机组成原理课程复习要点

1、总线、时钟周期、机器周期、机器字长、存储字长、存储容量、立即寻址、直接寻址、MDR、MAR等基本概念。

总线：

连接多个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。

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

分为片内总线，系统总线和通信总线。

时钟周期：

也称为振荡周期，定义为时钟频率的倒数。

时钟周期是计算机中最基本的、最小的时间单位。

在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。

机器周期：

完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。

一般情况下，一个机器周期由若干个S周期（状态周期）组成

存储容量：

存储容量是指存储器可以容纳的二进制信息量，用存储器中存储地址寄存器MAR的编址数与存储字位数的乘积表示。

即：

存储容量=存储单元个数*存储字长

立即寻址：

立即寻址的特点是操作数本身设在指令字内，即形式地址A不是操作数的地址，而是操作数本身，又称之为立即数。

数据是采用补码的形式存放的把“#”号放在立即数前面，以表示该寻址方式为立即寻址。

直接寻址：

在指令格式的地址字段中直接指出操作数在内存的地址ID。

在指令执行阶段对主存只访问一次。

计算机系统：

由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。

计算机硬件：

指计算机中的电子线路和物理装置。

计算机软件：

计算机运行所需的程序及相关资料。

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：

一个存储单元所存二进制代码的位数。

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：

一条指令的二进制代码位数。

CPU：

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。

2、机器指令的执行过程，CPU工作周期的划分。

机器指令的执行过程：

取指令→分析指令→执行指令。

CPU工作周期划分为：

取指周期（取指令）、间址周期（取地址）、执行周期（取操作数）、中断周期（存程序断点）。

3、同步通信、异步通信的基本概念，工作特征，及应用场合。

同步通信：

通信双方由统一时标控制数据传送。

时标通常由CPU的总线控制部件发出，也可以由各部分的各自的时序发生器发出，但必须由总线控制部件发出的时钟信号对它们进行同步。

优点是规定明确、统一，模块间的配合简单一致。

缺点是主、从模块时间配合属于强制性“同步”，必须在限定时间类完成规定的要求。

同步通信一般用于总线长度较短、各部件存取时间比较一致的场合。

在同步通信的总线系统中，总线传输周期越短，数据线的位数越多，直接影响总线的数据传输率。

异步通信：

通信双方由不同时标控制数据传送。

没有公共的时间标准，采用应答方式（不互锁、半互锁、全互锁三种类型）。

异步串行通信的数据传送率用波特率来衡量。

波特率是指单位时间内传送二进制数据的位数，单位用bps（位/秒）表示，记做波特。

异步通信一般应用于并行传送或串行传送。

4、微程序控制器、硬连接控制器的基本概念及应用场合。

微程序控制器：

采用微程序控制方式的控制器称为微程序控制器。

所谓微程序控制方式是指微命令不是由组合逻辑电路产生的，而是由微指令译码产生。

一条机器指令往往分成几步执行，将每一步操作所需的若干位命令以代码形式编写在一条微指令中，若干条微指令组成一段微程序，对应一条机器指令。

硬连接控制器：

硬连线控制器，是由基本逻辑电路组成的，对指令中的操作码进行译码，并产生相应的时序控制信号的部件，又称组合逻辑控制器。

硬连线控制器由指令部件、地址部件、时序部件、操作控制部件和中断控制部件等组成。

5、I/O编址的基本概念，编址方式，以及它们的特点和要求。

I/O编址：

存储器是由一个个存储单元构成的，为了对存储器进行有效的管理，就需要对各个存储单元编上号，即给每个单元赋予一个地址码，这叫编址。

经编址后，存储器在逻辑上便形成一个线性地址空间。

编址方式：

1）统一编址：

将I/O地址看作是存储器地址的一部分。

占用了存储空间，减少了主存容量，但无需专用的I/O指令。

2）不统一编址：

I/O地址和存储器地址是分开的，所有对I/O设备的访问必须有专用的I/O指令。

不占用主存空间，故不影响主存容量，但需要I/O专用指令。

6、指令周期、机器周期、时钟周期的划分及相互关系。

指令周期：

取指周期{PC→MAR→地址线；1→R；M（MAR）→MDR；MDR→IR；OP（IR）→CU；（PC）+1→PC}

间址周期{Ad（IR）→MAR；1→R；M（MAR）→MDR；

MDR→Ad（IR）}

执行周期{

1、非访存指令：

清除累加指令CLA（0→ACC）

累加器取反指令COM（

→ACC）

算数右移一位指令SHR（L（ACC）→R（ACC），

　　　　　　ＡＣＣ０→ＡＣＣ０）

　　　　　　　　　　　　　　循环左移一位指令ＣＳＬ（L（ACC）→R（ACC）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ＡＣＣ０→ＡＣＣ０）

　　　　　　　　　　　　　　　停机指令ＳＴＰ（０→Ｇ）

　　　　　　　　　２、访存指令：

　　　　　　　　　　　（１）加法指令ＡＤＤ　Ｘ：

　　　　　　　　　　　　　　Ａｄ（ＩＲ）→ＭＡＲ；

　　　　　　　　　　　　　　１→Ｒ；

　　　　　　　　　　　　　　M（MAR）→MDR；

　　　　　　　　　　　　　　（ＡＣＣ）＋（ＭＤＲ）→ＭＤＲ；

　　　　　　　　　　　　另外：

ＡＤＤ　AXBX：

在该指令执行阶段无需访存，只需完成（AX）+（BX）→AX的操作；

（2）存数指令STAX：

Ad（IR）→MAR；

1→W；

ACC→MDR；

MDR→M（MAR）；

（3）取数指令LDAX；

Ad（IR）→MAR；

1→R；

M（MAR）→MDR；

MDR→ACC；

3、转移类指令：

（1）无条件转移指令JMPX：

Ad（IR）→PC；

（2）条件转移指令BANX；

指令地址（累加器结果A0=1）为负：

程序按原顺序执行；

累加器结果不为负（A0=0）：

A0*Ad（IR）+A0*（PC）→PC

}

机器周期：

确定机器周期时，通常需要分析机器指令的执行步骤及每一步所需的时间，以最复杂指令功能所需的时间为基准。

访存一次存储器的时间即为机器周期。

时钟周期：

在一个机器周期里可以完成若干个微操作，每个微操作度需要一定的时间，可用时钟信号来控制产生每一个微操作命令。

机器周期、时钟周期和节拍的关系：

指令周期、机器周期、节拍和时钟周期的关系：

7、总线的基本概念，工作特点，对部件分时共享使用的要求。

总线：

连接多个部件的信息传输线，是各个部件共享的传输介质。

总线上信息的传送有并行和串行两种。

总线分为片内总线、系统总线（地址总线、数据总线、控制总线）和通信总线三种。

分时和共享是总线的两个基本特性。

总线特点：

机械特性（尺寸、形状、管脚数　及　排列顺序）

电气特性（传输方向和有效的电平范围）

功能特性（每根传输线的功能）

时间特性（信号的时序关系）

共享：

多个部件连接在同一组总线上，各部件间相互交换的信息可以通过这组总线传送。

分时：

同一时刻只能在一对部件之间传送信息，系统中多个部件不能同时传送信息。

8、存储器的基本概念，主要性能指标及相关概念。

存储器分类：

按存储介质分类（半导体（易失）、磁表面、磁芯、光盘存储器）

按存取方式分类：

存取时间和物理地址无关（随机访问）：

随机存储器、只读存储器。

存取时间和物理地址有关（串行访问）：

顺序存取、直接存储器。

按计算机中的作用分类：

主存（RAM，ROM）、闪存、高速缓冲存储器（Cache）、辅助存储器（磁盘，磁带、光盘）

地址线是单向输入的，其位数与芯片容量有关。

数据线是双向的，其位数与芯片可读出或写入的数据位有关。

数据线的位数与芯片容量也有关。

存储器主要性能指标：

9、计算机存储系统分层结构的概念、特征和优点。

存储器存储系统层次结构：

缓存-主存层次主要解决CPU和主存速度不匹配的问题，从而提高访存速度。

由于缓存的容量小，因此需要不断的将主存的内容调入缓存，使缓存中原来的信息被替换掉。

主存-辅存层次主要解决系统的容量问题。

他们之间的数据调动是由硬件和操作系统共同完成的。

10、刷新的基本概念、要求、实质、基本方法。

动态RAM要考电容存储电荷的原理来存储信息。

电容上的电荷一般只能维持1~2ms，因此即使电源不掉电，信息也会自动消失。

为此，必须在2ms内对其所有存储单元回复一次原状态，这个过程称为再生或刷新。

刷新的过程实质上是先将原信息读出，再有刷新放大器形成原信息并重新写入的再生过程

刷新是一行行进行的，必须在刷新周期内，有专用的刷新电路来完成对基本单元电路的逐行刷新，才能保证动态RAM内的信息不丢失。

刷新的三种方式：

集中刷新：

集中刷新是在规定的一个刷新周期内，对全部存储单元集中在一段时间逐行进行刷新，此刻必须停止读/写操作。

（存在死区（存取周期*行数），死亡时间率（行数/存取周期数*100%））；

分散刷新：

对每行存储单元的刷新分散到每个存取周期内完成。

（无死区，系统速度降低，扩大了存取周期）

异步刷新：

是以上两种方式的结合，可以缩短“死时间”，又充分利用最大刷新间隔2ms的特点。

11、计算机I/O控制方式，中断方式与DMA方式的特征及异同。

控制方式：

程序查询方式：

由CPU通过程序不断查询I/O设备是否已做好准备，从而控制I/O设备与主机交换信息。

程序中断方式、DMA方式。

程序中断方式的特征：

CPU在I/O设备运行过程中，遇到断点则转向中断服务程序，中断服务程序结束后返回断点处继续执行。

不会出现“踏步”现象。

DMA方式：

I/O设备能直接与主存交换信息，无需调用中断服务程序，因而不占用CPU，提高了CPU的资源利用率。

在DMA窃取周期存取周期时，CPU尚能继续作内部操作。

12、接口的基本概念，常用接口的分类方式及应用。

接口：

两个系统或两个部件之间的交接部分，它既可以是两种设备之间的连接电路哦，也可以是两个软件之间的共同逻辑边界。

端口：

接口电路中的一些寄存器。

（数据，信息，状态）

接口的功能和组成：

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。

接口类型：

1）按数据传输方式：

并行接口和串行接口。

2）按功能选择的灵活性分类：

可编程接口（接口功能机操作方式程序可控）和不可编程接口（接口功能机操作方式程序不可控，硬连线逻辑可控）。

3）通用性分类：

通用接口和专用接口。

4）数据的传输控制方式：

程序型接口和DMA接口。

13、补码加减运算方法及过程。

三种机器数的特点和转换方式：

三种机器数的最高位均为符号位。

符号位和数值部分之间可以用“.”（对于小数）或“，”（对于整数）隔开。

【1】当真值为正时，原码、补码和反码的表示形式均相同。

即符号位用“0”表示，数值部分与真值相同。

例如：

真值：

18

原码：

0,10010

补码：

0,10010

反码：

0,10010

【2】当真值为负时，原码、补码和反码的表示形式不同，但是其符号位都用“1”表示，而数值部分补码是原码的“求反加1”，反码是原码的“每位求反”。

例如：

真值：

-18

原码：

1,10010

补码：

1,01110

反码：

1,01101

【注意】已知[y]补,求[-y]补。

[y]补连同符号位在内的每位取反，末位加1，即可得[-y]补。

【移码】一个真值的移码和补码仅差一个符号位，若将补码的符号位由“0”改为“1”，或从“1”改为“0”，即可得该真值的移码。

-18的移码为：

0,01110

补码加减运算公式

可见，无论操作数是正还是负，在做补码加减法时，只需数值部分连同符号位一起相加，符号位产生的进位自然丢掉

【例如】

14、溢出的基本概念，以及判定方法。

（1）用一位符号位判断溢出：

对于加法，只有在正数加正数和负数加负数的两种情况下才可能出现溢出，符号不同的两个数相加是不会出现溢出的。

对于减法，只有在正数减负数或者负数减正数两种情况下才可能出现溢出，符号相同的两个数相减是不会溢出的。

所以，不论是作加法还是作减法，只要实际参加操作的两个数（减法时即为被减数和“求补”以后的减数）符号相同，结果又与原操作数的符号不同，即为溢出。

（2）用两位符号位判断溢出：

在用变形补码作加法时，2位符号位要连同数值部分一起参加运算，而且高位符号位产生的进位自动丢失，便可得正确的结果。

变形补码判断溢出的原则是：

当2位符号位不同时，表示溢出，否则，无溢出。

不论是否发生溢出，高位（第一位）符号位永远代表真正的符号位。

根据符号位的正负，判断是否为正负溢出。

15、原码一位乘法的基本方法及计算过程。

0.1101*0.1011的具体过程：

16、存储器的字位扩展的概念和方法，存储器设计的基本过程。

（1）位扩展：

位扩展是指增加存储字长，例如：

2片1K*4位的芯片可以组成1K*8位（1K代表10根地址线，8位代表8根数据线）的存储器。

如图：

位扩展指的是芯片的除数据线以外的其它线都分别连接在一起，其中的各芯片的数据线分别与CPU的数据线相连接，不重复。

（2）字扩展：

字扩展是指增加存储器字的数量。

例如2片1K*8位的存储芯片可组成一个2K*8位（11根地址线，8根数据线）的存储器，即存储字增加了一倍。

如图：

数据线、地址线和

分别都相连，

中间隔着一个与非门相连。

（3）字、位扩展：

既增加存储字长，又增加存储字数量。

例如8片1K*4位的芯片组成4K*8位（12根地址线，8根数据线）的存储器。

如图所示：

存储器设计的基本过程：

（课本p94例4.1，P95例4.2）

1）根据题目的地址范围写出相应的二进制地址码。

2）根据地址范围的容量以及该范围在计算机系统中的作用，选择存储芯片。

3）分配CPU的地址线。

4）片选信号的形成。

17、计算机主频、周期、速度等基本概念，以及相关计算。

主频也叫时钟频率，单位是MHz，用来表示CPU的运算速度。

CPU的工作频率（主频）包括两部分：

外频与倍频，两者的乘积就是主频。

另外主频=1/时钟周期；

时钟周期也称为振荡周期，定义为时钟频率的倒数。

时钟周期是计算机中最基本的、最小的时间单位。

在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。

时钟周期=1/主频。

主频/MIPS=每秒运行的时钟周期。

18、Cache的基本概念，工作原理，以及相关计算。

1）由主存地址映射到Cache地址称为地址映射。

地址映射方式有直接映射（固定映射关系）、全相联映射（灵活性大的映射关系）、组相联映射（上述两种映射的折中）。

（p120~p122所有例题）

2）工作原理：

3）命中与未命中：

缓存共有C块，主存共有M块M>>C

命中：

主存块调入缓存，主存块与缓存块建立了对应关系，并用标记记录与某缓存块建立了对应关系的主存块号。

未命中：

主存块未调入缓存，主存块与缓存块未建立对应关系。

Cache的容量与块长是影响Cache效率的重要因素，通常用“命中率”来衡量Cache的效率。

命中率是指CPU要访问的信息已在Cache内的比率。

在一个程序执行期间，设Nc为访问Cache的命中次数，Nm为访问主存的次数，则命中率h为：

设tc为命中时Cache的访问时间，tm为未命中的主存访问时间，1-h表示未命中率，则Cache-主存系统的平均访问时间ta为：

ta=htc+（1-h）tm

一、填空：

用e表示访问效率：

答：

月相从新月开始，然后是峨眉月、上弦月、满月、下弦月、峨眉月。

可见，为提高访问效率，命中率h越接近1越好。

（P1114.7）

19、

20、8、晶体的形状多种多样，但都很有规则。

有的是立方体，有的像金字塔，有的像一簇簇的针……有的晶体较大，肉眼可见，有的较小，要在放大镜或显微镜下才能看见。

计算机数据通路结构及微指令控制流程。

答：

①可以节约能源；②减少对环境的污染；③降低成本。

计算机数字系统中，各个子系统通过数据总线连接形成的数据传送路径称为数据通路。

数据通路的设计直接影响到控制器的设计，同时也影响到数字系统的速度指标和成本。

如图所示：

数据通路结构图

13、清洁的自来水被用来洗脸、刷牙、洗衣、拖地后就成了污水。

微程序控制的基本思想：

6、重新使用是指多次或用另一种方法来使用已用过的物品，它也是减少垃圾的重要方法。

是仿照通常的解题程序的方法，把操作控制信号编成所谓的“微指令”，存放到一个只读存储器里．当机器运行时，一条又一条地读出这些微指令，从而产生全机所需要的各种操作控制信号，使相应部件执行所规定的操作.

　　采用微程序控制方式的控制器称为微程序控制器。

所谓微程序控制方式是指微命令不是由组合逻辑电路产生的，而是由微指令译码产生。

一条机器指令往往分成几步执行，将每一步操作所需的若干位命令以代码形式编写在一条微指令中，若干条微指令组成一段微程序，对应一条机器指令。

在设计CPU时，根据指令系统的需要，事先编制好各段微程序，且将它们存入一个专用存储器（称为控制存储器）中。

微程序控制器由指令寄存器IR、程序计数器PC、程序状态字寄存器PSW、时序系统、控制存储器CM、微指令寄存器以及微地址形成电路。

微地址寄存器等部件组成。

执行指令时，从控制存储器中找到相应的微程序段，逐次取出微指令，送入微指令寄存器，译码后产生所需微命令，控制各步操作完成

工作原理图：

2、在加热的过程中，蜡烛发生了什么变化？

（P29）

1、世界是由物质构成的。

我们身边的书、橡皮、电灯、大树、动物、植物包括我们自己都是由物质构成的。

12、放大镜和显微镜的发明，大大扩展了我们的视野，让我们走进微小世界，让我们看到了微生物和细胞。

微程序控制单元的基本组成：

【注意】多看看课本和老师的ppt总是没有坏处的！

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