计算机组成原理.doc

一、名词解释1、硬件、软件、固件、工艺制程硬件指看得见，摸得着的组成计算机的有形物体。软件指由二进制机器语言（机器指令）构成的程序集合和二进制机器语言程序正确运行时所需的相关二进制文档和数据（包括系统软件、应用软件）。固件指既有硬件的特征又有软件的功能的器件（它是硬件和软件的接口）。工艺制程在半导体技术中，导线的平面宽度。2、指令流、数据流、仿真、模拟指令流取指周期中从内存读出的信息流（流向控制器）数据流执行周期中从内存读出的信息流（流向运算器）仿真针对两种不同体系结构的计算机而言，若乙机仿真甲机，则要求乙机用微指令来解释甲机的指令。模拟针对两种不同体系结构的计算机而言，若乙机模拟甲机，则要求乙机用指令来解释甲机的指令。3、存贮器、存贮体、主存、辅存存贮器存储器是计算机系统的记忆设备，用来存放程序和数据，是由许多存储单元组成的整体。（包括主存和辅存）存贮体指在主板上需占用一条独立扦糟的存贮器物体，不同型号的存贮体它的宽度也不相同。主存CPU能直接寻址的半导体存贮器（又称为主存贮器，以下简称存贮器）。辅存CPU不能直接寻址的存贮器（又称为辅助存贮器，以下简称辅存）。4、高位优先、低位优先、高位交叉、低位交叉高位优先（又称大数优先）高位数存放在低位存贮地址单元(按书写时人们的习惯)。低位优先（又称小数优先）高位数存放在高位存贮地址单元(Pentium 4取用)。高位交叉（顺序方式）地址寄存器的高位选择模块，低位选择模块中的字。低位交叉（交叉方式）地址寄存器的低位选择模块，高位选择模块中的字。5、存贮系统、存贮体系、相联存贮器、虚拟存贮器存贮系统在多级存贮器层次结构中多种存贮器之间在逻辑上不能构成一个整体。存贮体系在多级存贮器层次结构中多种存贮器之间在逻辑上构成一个整体（对于应用程序员而言）。相联存贮器是一种按内容访问的存贮器，每个存贮单元有匹配电路，可用于cache中查找数据。虚拟存贮器在内存和外存之间建立的层次体系，是的程序能够像访问主存一样访问，主要解决计算机主存容量问题。6、命中率、局部性cache命中率是指在多级层次结构存贮系统中的某一级存贮器来说，要访问的数据正好在这一级的概率。H=Nc（Nc+Nm）注：H是命中率，Nc是Cache访问的总次数，Nm是访问主存的总次数（注：不命中时要访主存）。存贮器访问的局部性在CPU访问存贮器时，无论是取指令或存取数据，所访问的存贮单元都趋于聚集在一个较小的连续单元区域中（根据冯诺依曼机的原理）。这一局部性包括时间上的局部性和空间上的局部性7、存取时间（访问时间）、存贮周期（访问周期）、存贮带宽存取时间（访问时间）指一次读操作命令发出到该操作完成，将数据读出到数据总线上所经历的时间。存贮周期（访问周期）指连续启动两次读操作所需间隔的最小时间。其单位为ns。存贮带宽单位时间里（通常用秒）存贮器所存取的数据量。8、时钟周期、机器周期（CPU周期、FSB周期、存贮周期）、指令周期时钟周期（主频）：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。机器周期：通常把一条指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期完成一个基本操作。指令周期：指取指令、分析指令到执行完该指令所需的全部时间。9、标量流水、超标量流水、MIPS标量流水：只有一条指令流水线超标量流水：具有两条以上的指令流水线MIPS：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数，计算公式：MIPS=指令数（程序时间106）二、简答题1、“透明”和“虚拟”概念有何异同之处？透明计算机应用上所指的透明是指从某一角度看不见的，可忽略的。（事实上存在的东西，但从某个角度看不见的）虚拟本意是“不符合或不一定符合事实的”。在虚拟系统中，用户(程序员)看不到下一层级东西(在多级层次结构计算机体系中)。但如果有需要的话，程序员是可以看到下一层级虚拟机的东西，但看不到实际机器。（事实上不存在的东西，但从某个角度可以看见的，正好与透明相反）2、何为Moore定律？制约其延续的主要因素是什么？有哪些理论依据？延续Moore定律有哪些方法？完整Moore定律有三种表述方法芯片上晶体管的数日大约每1824个月翻一番(假定芯片的价格保持不变)。微处理器的速度大约每1824个月翻一番(假定微处理器的价格保持不变)。芯片的价格数日大约每1824个月下跃48(假定微处理器的速度或芯片上存贮容量相同)。制约其延续的主要因素是工艺制程。延续Moore定律可能的几种方法面对摩尔定律逐渐受阻的现实，业界已从多个角度出发，寻求解决之道。包括从芯片蚀刻工艺入手，旨在将密度更高的电路印刷和蚀刻在表面积不变的硅圆片上，但是其芯片设计思路并未有根本变化，而是继续采用传统方法将越来越多的晶体管集成在芯片上。这一思路有可能使摩尔定律得以延续几年，不过由于不能解决芯片越来越高的功耗和发热等问题，因此不是长久之计。3、存贮器系统和存贮器体系有何异同之处？存贮体系在多级存贮器层次结构中多种存贮器之间在逻辑上构成一个整体（对于应用程序员而言）存贮系统在多级存贮器层次结构中多种存贮器之间在逻辑上不能构成一个整体。4、人们对存贮器有哪些要求？如何才能满足这些要求？要求指标快-存贮器的速度越快越好;大-存贮器的容量越大越好;便宜-存贮器的价格越便宜越好。解决方法和思路1)把多种存贮器（寄存器、Cache、主存、辅存）在多级层次结构中构成一个完整的体系2)在整个存贮体系中形成两个主要的分支由于主存的速度满足不了人们的要求，从而引出了“Cache分支”由于主存的容量满足不了人们的要求，从而引出了“虚拟存贮器分支”。5、何谓进程、线程、多线程、超线程有什么不同的解释和技术？进程进程是一个执行中的程序。系统可以同时创建多个进程（Pentium处理器支持最多32个进程，Pentium 4处理器更多）。也就是说，系统可同时完成多于32个任务。对每一个进程来说，它拥有自已独立的存贮空间、数据等运行中需要的系统资源，它的状态和拥有的资源是完全独立的，例如用浏览器打开一个网页和使用word进行文件编辑，就是两个独立的进程。线程是程序流中（可以是进程，每个进程可能有多个相对独立的指令流）的单一控制流。多线程在一个任务中有多个相对独立的程序（指令流）分时地使用CPU的执行部件（切换），对于多条流水线的情况，也是由其中一个进程（指令流）占用。（主要目的是挖掘操作系统，即软件的潜力）。超线程（Hyper-threading，主要目的是挖掘硬件，尤其是流水线的潜力）有时也叫做并发多线程（并发两个以上事件同一时间间发生P191）。超线程允许不同线程在一个处理器上的不同执行部件（主要是流水线）上并发运行。6、什么是数据表示？什么是数据结构？两者有什么关系？为什么要学习数据结构？数据表示指的是CPU能直接识别、引用和处理的数据类型（如IA32具有的定点数、浮点数、逻辑数、MMX数、SSE2、SSE3等）。数据结构典型的有：串、数组、向量、图、表、队列、树等是用软件的方法把这些CPU不能直接识别、引用和处理的数据类型转换为CPU能直接识别、引用和处理的数据类型。两者的关系对于CPU而言是数的集合。因为计算机（其实是CPU）只能够识别有限的数据类型，而在自然界中存在着大量的CPU不能直接识别的数据，因此要学习数据结构。7、评价计算机性能的指标有哪几个？并简述它们的内涵？吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能处理的信息量。响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。利用率：在给定的时间间隔内系统被实际使用的时间所占的比率，用百分比表示。处理字长：指处理机运算器中一次能完成二进制数运算的位数。总线宽度：一般指CPU中运算器与贮存器之间互连的内部总线二进制位数。存储容量：存储器中所有存贮单元的总数目。存贮器带宽：单位时间内从存贮器读出的二进制数信息量，一般用字节数/秒表示。主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，主时钟不断产生固定频率的时钟，主时钟的频率（f）叫CPU的主频。CPU执行时间：表示CPU执行一般程序所占用的CPU时间，计算公式：CPU执行时间=CPU时钟周期数X CPU时钟周期CPI：表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时钟周期数，计算公式：CPI=执行某段程序所需的CPU时钟周期数程序包含的指令条数MIPS：每秒百万指令数，即单位时间内执行的指令数，计算公式：MIPS=指令数（程序时间106）MFLOPS：每秒百万次浮点操作数，用来衡量机器浮点操作的性能，计算公式：MFLOPS=程序中浮点操作次数（程序时间106）主要的性能指标：处理字长、存储器容量、运算速度8、冯诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些主要组成部分？现代计算机的设计思想有哪些改进？计算机由运算器、控制器、存贮器、输入设备、输出设备这五部分组成指令和数据以同等的地位存放在存贮器内，并且按地址寻址指令与数据均用二进制数来表示指令由操作码和地址码组成。其中，操作码用于表示操作的性质，如加、减等；地址码用于指明操作数在存贮器中的位置。指令在存贮器内是按顺序存放的。一般情况下是顺序执行的，但在特定的条件下，可以根据运算结果或设计的条件来改变执行顺序。机器是以“运算器为中心”，即输入、输出设备与存贮器交换数据必须通过运算器。现代计算机与冯诺依曼型机的主要区别在于把以“运算器为中心”改变为以“存贮器为中心”。9、何谓多模块交叉存贮器？有哪些交叉方式？DDR400存贮器采用了何种交叉技术？多模块交叉存贮器一个由若干个模块线性编址组成的主存储器。高位交叉（顺序方式）地址寄存器的高位选择模块，低位选择模块中的字。低位交叉（交叉方式）地址寄存器的低位选择模块，高位选择模块中的字。DDR400存贮器采用了低位交叉技术。10、扼要阐述显示器设备的主要性能指标和（CRT、LCD、PDP）的工作原理，并指出它们的优缺点。性能指标分辨率：显示器所能显示的像素个数。像素越密，分辨率越高，图象越清晰。它取决于显像管荧光粉的粒度，荧光屏的尺寸以及CRT电子束的聚焦能力。灰度级：像素点的亮暗差别（黑白）颜色的不同（彩色）。灰度级越多，图象层次越清楚越逼真。它取决于每个像素对应的刷新存储器的位数以及CRT本身的性能。刷新：电子束打在荧光粉上引起的发光只能维持几十毫秒的时间。因此必须让电子束反复不断地扫描整个屏幕，该过程称为刷新。刷新频率越高，显示越没有闪烁。CRT工作原理电子枪是显像管的核心，它发出的电子束击中光敏材料（荧光屏），刺激荧光粉就能产生图像。LCD工作原理利用液状晶体在电场作用下的光学表现进行显示。优点：高清晰，高亮度，宽视角，影像逼真，画质细腻而富立体感，轻薄，工作电压低，功耗低，无闪烁，无辐射。缺点：对比度差，视角狭窄，响应速度慢，显示不连贯，有残影，色彩饱和度差，而且对于温度敏感。PDP工作原理是在显示平面上安装数以十万计的等离子管作为发光（像素），每个发光管有两个玻璃电极、内部充满氮、氖等惰性气体，其中一个玻璃电极上涂有三原色荧光粉。当两个电极间加上高电压时，引发惰性气体发电，产生等离子体。等离子体产生紫外线激发涂有荧光粉的电极而发出不同分量的由三原色混合的可见光。优点：轻薄，视角宽，清晰度高，彩色还原性好，响应速度快，不受磁场干扰，无闪烁，纯平面无失真，亮度均匀。缺点：价格贵，高电压、高耗电，亮度衰减。11、分别指出在磁盘存储器的技术中，存储密度、存储容量、平均存取时间、数据传输率的物理意义。存储密度：存储密度分道密度、位密度和面密度。道密度：沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数，单位为道/英寸。位密度：磁道单位长度上能记录的二进制代码位数，单位为位/英寸。面密度：位密度和道密度的乘积，单位为位/平方英寸。存储容量：一个磁盘存储器所能存储的字节总数，称为磁盘存储器的存储容量。存取时间：存取时间是指从发出读写命令后，磁头从某一起始位置移动至新的记录位置，到开始从盘片表面读出或写入信息加上传送数据所需要的时间。数据传输率：磁盘存储器在单位时间内向主机传送数据的字节数，叫数据传输率，传输率与存储设备和主机接口逻辑有关。12、何谓I/O独立编址（使用独立I/O）、I/O统一编址（存贮器映射I/O）？I/O独立编址（使用独立I/O）内存单元和I/O设备地址是分开的，访问内存和访问I/O设备使用不同操作码的指令，即访问I/O设备有专门的I/O指令组。I/O统一编址（存贮器映射I/O）输入/输出设备中的控制寄存器、数据寄存器、状态寄存器等和内存单元一样看待，它们和内存单元联合在一起编排地址。这样就可用访问内存的指令（读、写指令）去访问I/O设备的某个寄存器，因而不需要专门的I/O指令组。13、简述冯诺依曼结构与哈弗机构主要区别。冯诺依曼结构的数据和地址存储器是统一存放的，存储程序按地址顺序执行，而哈弗结构的数据和地址存储器是独立分设的。14、简述计算机系统的工作原理（如以IA-32微机系统为例，从加电开始到进入操作系统的几个重要阶段）。加电POWER GOOD= 0 (逻辑0)CPU reset端使CPU复位。CPU复位，主要寄存器如CS（代码段寄存器）、IP（指令指针）的结果如下：CS = FFFFIP = 0000CS：IP= FFFF0（根据80x86汇编语言可知）C（电容）充电完毕（即CPU复位结束）使POWER GOOD = 1 (逻辑1)CPU reset端CPU根据CS：IP=FFFF0入口连续读取三个字节形成一条无条件转移指令JMP FE05B转入JMP FE05B后执行JMP 00A6正式开始进入ROM BIOS的自诊断程序的入口后继续工作。自诊断完毕进入操作系统状态等待用户使用。15、为何称“电子计算机”？“电子数字计算机”和“电子模拟计算机”有何区别？“电子计算机”与“工艺制程”有何内在联系？电子计算机是用电子驱动控制部件进行运算器的相关运算与操作。电子数字计算机分别用数字0和1、数字计算来表示数据和计算结果。电子模拟计算机分别用电压、电压组合和测量值来表示数据和计算结果。在半导体技术中，导线的平面宽度（工艺制程）越大，说明核心集成电路的耗电量越大。发热量也越高，所以主频应越低。随着工艺制程技术的改进，原有晶体管更大限度地缩小，同样面积内可集成更多的晶体管。但工艺制程技术不可能无限度提高。由于电子通道至少需3个原子宽度=310nm=30nm（纳米）。三、应用题1、阐述页式、段式、段页式虚拟存贮器的基本工作原理。页式大多数系统中，每个进程对应一个页表。页表中对应每一个虚存页面有一个表项，表项的内容包含该虚存页面所在的主存页面的地址（物理页号），以及指示该逻辑页是否已调入主存的有效位。地址变换时，用逻辑页号作为页表内的偏移地址索引页表（将虚页号看作页表数组下标）并找到相应物理页号，用物理页号作为实存地址的高字段，再与虚地址的页内偏移量拼接，就构成完整的物理地址。段式针对每个虚地址，存储管理部件首先以段号s为索引访问段表的第s个表项。若该表项的有效位为1，则将虚地址的段内偏移量d与该表项的段长字段比较：若偏移量较大则说明地址越界，将产生地址越界中断；否则，将该表项的段起止与段内偏移量相加，求得主存实地址并访存。如果该表项的有效位为0，则产生调页中断，从辅存中调入该页，并修改段表。段页式1）由存储管理部件根据基号C找到段表基址寄存器表第c个表项，获得程序C的段表基址SC。再根据段号S(=1)找到程序C段表的第S个表项，得到段S的页表起始地址b。2）根据段内逻辑页号P(=2)检索页表，得到物理页号。3）物理页号与页内地址偏移量拼接即得物理地址。2、计算带宽的常用公式：传输带宽串行传输：W=q/t（其中q要传输的信息总量；t表示一个时钟周期时间；W表示一个存贮周期带宽）计量单位也常用位秒。并行传输：Dr=D /t=D X f（Dr内存带宽；f表示FSB的频率；D表示一个时钟周期传输的信息量；t表示一个时钟周期的时间）计量单位也常用字节秒。m=T/称为交叉存取度（T为存取一个字的存贮周期；为总线传送周期；m为存贮器交叉模块数）交叉存储器读出m个字所需的时间：t1=T+(m-1)顺序存储器读出m个字所需的时间：t2=