计算机组成原理面试题简答题汇总.pdf

一 计算机硬件系统组成的基本概念 1 什么是计算机系统 说明计算机系统的层次结构 计算机系统包括硬件和软件 从计算机系统的层次结构来看 它通常可以分为五个以上的层 次 在每一层上都能进行程序设计 由下至上可排序为 第一级微程序机器级 微指令硬件 直接执行 第二级传统机器级 用微程序解释机器指令 第三级操作系统级 一般用及其语 言程序解释作业控制语句 第四级汇编语言级 这一级由汇编语言支持和执行 第五级高级 语言级 采用高级语言 由各种高级语言编译程序支持和执行 还可以有第六级 应用语言 机器级 采用各种面向问题的应用语言 2 冯诺依曼结构计算机的特点是什么 它有哪些局限性 冯诺依曼结构计算机是一种典型的计算机组织结构 将计算机硬件分为运算器 存储器 控 制器 输入部件和输出部件 采用存储程序的工作方式 冯诺依曼结构计算机的主要外部特 征是 1 指令和数据都以字的方式存放在相同的存储器中 没有区别 由计算机的状态来确定从 存储器独处的字是指令还是数据 指令送往控制单元译码 数据送往运算器进行运算 2 指令顺序串行地执行 并由控制单元集中控制 采用一个PC计数器对指令进行寻址 3 存储器是一个单元定长的一维线性空间 4 使用低级机器语言 数据以二级制形式表示 指令中包括操作码和地址码两部分 操作 数的编码格式从数据本身不能进行区别 5 单处理机结构 以运算器为中心 只有一个数据流和指令流 冯诺依曼结构计算机的局限性在于它的并行性十分有限 不适合于人工智能和模式识别等应 用场合 3 计算机内部有哪两种信息流 它们之间有什么关系 计算机内部有控制信息流和数据信息流 控制信息包括指令信息 状态信息和时序信息 这 些信息的组合产生各类控制信号 对数据信息进行加工处理 并控制数据信息的流向 实现 计算机的各项功能 4 计算机采用什么计数制 为什么 计算机采用二进制计数制 这种计数制便于物理器件实现 如半导体存储器中输出元件的 导通与截止 瓷表面存储器中磁化单元的磁化方向 光存储器中金属存储面上凹坑的有无等 都可用来表示二级制数的0 和 1 5 简述运算器和控制器的主要功能 运算器的主要功能是完成算数运算和逻辑运算 控制器的主要功能是对指令译码 并产生相 应的控制信号 6 简述输入设备和输出设备的基本功能 输入设备将人们书序的信息 数字 字符 文字 图形 图像 声音 形式转换成计算机能 接受并识别的信息 二进制信息 形式 输出设备则将计算机内部信息形式转换成人们熟悉 的信息形式 7 算术运算和逻辑运算个包括那些运算操作 算术运算对数据进行算数操作 包括加减乘除四则运算和数据格式转换 逻辑运算按位对数 据进行与或非异或和移位等操作 8 机器语言 汇编语言 高级语言有何区别 机器语言是一种用二进制代码表示的计算机语言 机器可以直接执行用机器语言编写的程 序 汇编语言是一种用助记符表示的与机器语言一一对应的语言 用汇编语言编写的程序需 经过汇编后才能执行 高级语言是一种接近人类自然语言的与计算机结构无关的语言 用高 级语言编写的程序要经过解释和编译才能执行 9 什么是指令 什么是程序 指令是机器完成某种操作的命令 典型的指令包括操作码和地址码两部分 操作码用来指出 执行什么操作 如加 传送 地址码用来指出操作数在什么地方 程序是有序指令的集合 用来解决某一特定问题 10 存储器中存储的数据和指令是怎么区分的 在存储程序的计算机中 指令和数据都是以二进制的形式存放在存储器中 从存储器中存储 的内容本身看不出它是指令还是数据 因为它们都是二进制代码 计算机在读取指令时把从 存储器中读到的信息都看作是指令 而在读取数据时则把从存储器中读到的信息都看作是操 作数 所以为了不产生混乱 在进行汇编程序设计时要注意区分存储器中的信息是程序还是 数据 而用高级语言设计程序一般不会产生上述问题 有些计算机程序是专门对程序进行操 作的 如编译程序和汇编程序 所以指令也可以是计算机的操作对象 有时我们把存储在计 算机中的指令和数据统称为数据 因为它们都是存储在存储器中的二进制代码 都可以作为 指令的操作对象 11 寄存器的功能是什么 寄存器在运算时用于保存运算数据和中间运算结果 以提高运算速度 此外 寄存器还可以 存放指令 指令地址 程序运行状态等 寄存器还可以作为数据缓存 12 编译程序和解释程序的区别是什么 编译程序和解释程序的作用都是将高级语言程序转换成机器语言程序 但转换的过程不同 编译程序在编译时先检验程序错误 进行结构分析后转换成中间代码 然后将中间代码转换 为机器指令代码 最后还需执行机器指令 这种方法编译时间长 运行速度块 解释程序前 线检查错误 然后边解释边执行 这种方法简单 但运行速度慢 主要用于调试程序 13 什么是存储单元 单元地址 存储体 存储容量 存储单元是存储器的基本存储单位 用于存放一个字信息 可以使指令或数据 对存储单元 用二进制统一编号 编号就是单元地址 信息存储按地址进行 存储体是计算机系统存储器 的基本组成单位 计算机系统最少应有一个存储体 存储体应有课运行程序的基本容量 主 要是数据位数应等于系统数据总线的宽度 存储单元的总数称为存储容量 14 什么是机器字长 指令字长 存储字长 机器字长是指CPU一次能处理数据的位数 通常与CPU的寄存器位数有关 指令字长是指 计算机指令中二进制代码的总位数 存储字长是指存储单元中存放二进制代码的总位数 三 者可以相当也可以不等 视不同机器而定 15 计算机的硬件指标有哪些 1 机器字长 CPU一次能处理的数据的位数 通常与CPU寄存器的位数有关 2 存储容量 包括主存容量和辅存容量 是存放二进制代码的总和 可用位 Bit 或字节 Byte 来衡量 3 运算速度 可用MIPS 每秒执行的百万条指令数 CPI 没执行一条指令所需的时钟周期 数 或 FLOPS 每秒浮点运算次数 来衡量运算速度 16 有人说计算机指令的功能越强则计算机的性能越高 请对这个问题提出你的看法 不对 计算机指令的功能强并不意味着计算机的性能高 计算机系统的性能取决于程序中指 令的数量和每条指令执行时所需的时间 指令的功能强可减少程序中指令的数量 但也可能 使得每条指令的平均执行时间延长 17 为什么说计算机硬件和软件在逻辑上是等价的 用硬件实现的功能 在原理上可以用软件实现 用软件实现的功能 在原理上也可以用硬件 来实现 这就是硬件和软件的等价性 例如 硬件可以直接做乘法运算 也可以通过软件用 相加和移位的方式实现乘法运算 运行软件可以控制计算机的运行 但也可以把软件固化在 ROM 芯片中 如BIOS 在开机过程中由硬件直接运行 二 计算机中的信息表示 1 什么是大数端存储方式 什么是小数端存储方式 当数据的位数超过一个字节时 将低位字节存放在低位地址的存储方式为小数端存储方式 将高低位字节存放在高位地址的存储方式为大数端存储方式 2 试比较定点带符号数在计算机内的四种表示方式 带符号数在计算机内部的表示方式有原码 反码 补码和移码 原码表示方法简单易懂 实现乘除法预算简单 但用它实现加减法运算比较复杂 补码的特点是加减法运算规则简单 正负数的处理方式一致 反码通常只用来计算补码 由于用发麻运算不方便 因此发麻在计算机中没得到实际应用 移码由于保持了数据原有的大小顺序 便于进行比较操作 因此常用语浮点数中的阶码 使 用比较方便 3 试述浮点规格化的目的和方法 浮点的规格化是为了使浮点数尾数的最高数值位为有效位 当尾数用补码表示时 若符号位 与小数点后第一位不相等 则被定义为已规格化数 若则便是非规格化数 通过规格化 可 以保证运算数据的精度 3 什么是计算机系统硬件与软件之间的界面 其主要功能是什么 从程序的编制与执行的角度来看 指令规定了计算机的操作类型及操作数地址 它们是产生 各种控制信息的基础 另外 从硬件设计的角度看 在设计计算机时先要确定其硬件能够直 接执行哪些操作 表现为一组指令的集合 称之为该计算机的指令系统 因此 指令系统体 现了一台计算机的软硬件界面 指令系统包含若干指令 它规定了计算机功能的强弱及硬件 复杂程度 4 简述指令字长 存储字长和机器字长的定义 指令字长为机器指令所包含的二进制代码位数 存储字长为存储单元中二进制数的位数 及 其子长为运算器一次运算的二进制位数 5 什么叫指令地址 形式地址 有效地址 指令地址 指令在内存中的地址 形式地址 指令地址字段给出的地址 有效地址 形式地 址经一定的运算而得到的操作数的实际地址 6 什么是助记符 为什么要用助记符编写程序 用一些比较容易记忆的文字符号来表示指令中的操作码和操作数 这种符号称为助记符 助 记符比较接近人类语言 因此程序编写比较容易 指令短 便于阅读 而用二进制代码编写 程序则较复杂 指令长 阅读也较困难 8 RISC指令系统具有哪些主要特点 RISC指令系统通过简化指令 使计算机的结构更加简单合理 并通过减少指令执行周期数的 途径 达到提高机器速度的目的 其特点如下 1 选取使用频度较高的一些简单指令 复杂指令的功能由执行频度高的简单指令组合来实 现 2 指令长度固定 指令格式和寻址方式种类少 3 CPU中通用寄存器数量多 大多数指令操作都在寄存器之间进行 只有取数 LOAD 和存 数 STORE 指令访问存储器 4 采用流水线技术们大部分指令在一个时钟周期内完成 5 控制器采用组合逻辑控制 不用微程序控制 6 采用优化编译程序 9 数据的寻址方式有哪几种 最常使用的寻址方式是哪一种 数据的寻址方式有 按地址查找 按内容查找 按顺序查找等 其中按地址查找的寻址方式 最为普遍 10 比较寄存器寻址和寄存器间址的区别 寄存器寻址 寄存器中存放的就是操作数 寄存器间址 寄存器中存放的是操作数的地址 操作数在内存中 寄存器寻址访问操作数的速度比寄存器间接寻址访问操作数的速度快 11 在寄存器 寄存器型 寄存器 存储器型和存储器 存储器型三类指令中 哪类指令的执行 时间最长 哪类指令的执行时间最短 为什么 寄存器 寄存器型执行速度最快 存储器 存储器型最慢 因为前者操作数均在寄存器中 后 者操作室在存储器中 而访问一次存储器所需的时间一般比访问一次寄存器所需时间长 12 选择寻址方式时主要考虑哪些因素 选择寻址方式时主要考虑以下因素 1 应与数据的表示相配合 能方便地存取各种数据 2 应根据指令系统及各种寻址方式的特点和相互组合的可能性进行选择 3 考虑实现上的有限性和可能性 4 还应使地址码尽可能短 存取的空间尽可能大 使用方便 13 在指令格式中指明寻址方式有几种方法 寻址方式在指令格式中的表示方法通常有两种 1 由不同的操作码指明操作数的不同寻址方式 操作码指明法 2 在指令格式中增设寻址特征位指明寻址方式 寻址方式位法 14 在各类寻址方式中 哪类寻址方式最快 哪类寻址方式最慢 为什么 在各类寻址方式中 立即寻址方式最快 因为它不需要寻址 可从指令中直接获得操作数 复合寻址方式最慢 因为它不但要进行运算 执行 PC D或 Ri D 操作 而且需要两次访问 存储器才能获得操作数 15 简述相对寻址的特点 相对寻址方式中 操作数的地址是程序计数器PC的值加上偏移量形成的 是一种特殊的变 址寻址方式 偏移量用补码表示 可正可负 相对寻址方式可用较短的地址访问内存 16 转子指令执行时应执行哪些操作 子程序中的返回指令应执行哪些操作 转子指令保存返回地址有三种方式 1 用子程序的第一个字单元存放返回地址 这种方法允许多重转子 但不允许子程序的递 归和联锁递归 2 用寄存器存放返回地址 这种方法可以支持多重转子及递归 但是子程序实现比较复杂 3 用堆栈保存返回地址 这种方法支持多重转子和递归 是目前广泛采用的方法 17 若按指令功能分类 则指令系统可分为哪几类指令 按指令功能分 可分为数据传送类指令 算 逻运算类指令 程控类指令和I O 类指令等 这是最常用的分类方法 三 CPU子系统 1 CPU有哪些功能 画出其内部组成框图 并说明图中每个部件的作用 CPU具有控制程序的顺序执行 产生完成每条指令所需的控制命令 对各种操作实施时间上的控制 对数据进行算数和逻辑以及处理中断 等功能 其框图如图所示 图中寄存器包括转用寄存器 如程序计数器CPU ADD 寄存器 指令寄存器 堆栈指示器 存储器地址寄存器 存储器数据寄存器 中断系统微命令发生器 状态指令寄存器等 以及通用寄存器 存放操作数 控制单元生成各控制总线数据总线地址总线 种微操作命令序列 ALU完成算数和逻辑运算 中断系统用于处理各种中断 2 控制器由哪些部件构成 它有哪些基本功能 控制器由程序计数器 PC 指令寄存器 IR 指令译码器 地址译码器 微操作产生部件 时序发生器和中断机构等组成 它的基本功能如下 1 取指令 根据PC内容 从存储器指定单元取出指令后传送到IR 并修改PC内容 指向 下一条执行 2 分析指令 对指令操作码进行译码 产生各种微操作控制信号 3 执行指令 根据操作码指定的操作性质实现操作目的 4 处理中断请求 包括故障中断和外设请求 3 与组合逻辑控制器相比 微程序控制器有哪些优点 组合逻辑控制器速度较快 但控制较复杂 且功能扩展较难 与组合逻辑控制器相比 微程 序控制器具有鬼整形 可维护性的优点 它是一种利用软件方法设计硬件的技术 可实现复 杂指令的操作控制 另外 微程序设计便于计算机功能的扩充 可较方便地增加和修改指令 只需要增加或修改一些微程序 4 试说明机器指令与微指令的关系 1 一条机器指令对应一段微程序 这段微程序是由若干条微指令序列组成的 因此 一条 机器指令的功能是由若干条微指令组成的序列来实现的 简言之 一条机器指令所完成 的操作划分成若干条微指令来完成 由微指令进行解释和执行 2 从指令与微指令 程序与微程序 地址与微地址的一一对应关系来看 前者与内存储器 有关 后者与控制存储器有关 3 每一个 CPU周期对应一条微指令 5 试从通路连接选择结构 数据流动方向 对处理型操作及简单传送操作的支持力度等方面 比较带多路选择器的运算器和带输入锁存器的运算器各自特点 带多路选择器的运算器中 数据通路 没个寄存器有单独的数据通路与多路选择器连接 数 据流动方向 CPU 内部总线是一组单向传送的数据线 将ALU 的运算结构送往各寄存器 对运算型指令的支持较强 可同时将两个操作数送达ALU 但是寄存器间数据传送需要通过 ALU中转 带输入锁存器的运算器中 数据通路 寄存器组采用小规模告诉存储器结构 通过总线与 ALU输入端的锁存器连接 数据流动方向 CPU内部总线是一组双向传送的数据线 对于运 算型指令 由于寄存器组每次只能通过总线向ALU 提供一个操作数 因此需要在ALU 输入 端设置锁存器 暂存操作数 6 存储器中有若干数据类型 指令代码 运算数据 堆栈数据 字符代码和BCD码 计算 机如何区别这些代码 CPU在取指阶段从存储器取出的信息为指令代码 CPU在执行阶段从存储器中取出的可以是 运算数据 字符代码和BCD 代码 具体是哪一种信息与指令的操作码有关 凡是根据堆栈 指示器 SP所指示的地址访存时所获得的数据即为堆栈数据 7 计算机时序控制方式分为哪两大类 试比较它们的优缺点 计算机中的时序控制方式分为同步控制和异步控制两大类 同步控制方式是指用统一发出的 时序信号对各项操作进行同步控制 在同步控制方式中 操作时间被划分为许多长度固定的 时间段 每个时间段完成一步操作 如一次访存操作 其特点是始终周期一旦确定 便固定 不变 各步操作之间的衔接由时间段的自动切换来控制 异步控制方式是指各项操作不受统 一时序信号的约束 而是根据实际操作安排不同的时间 各操作之间的衔接 各部件之间的 数据传送采用异步应答方式 其特点是没有统一的时钟周期划分和同步定时脉冲 同步控制方式的优点是时序关系简单 时序划分规整 控制不复杂 控制部件在结构上易于 集中设计方便 缺点是在时间的安排上可能不合理 对时间的利用不经济 异步控制方式的优点是时间安排紧凑 合理 能按不同部件 不同设备的实际需要分配时间 缺点是控制比较复杂 应用场合 一般地 在CPU 或者设备内部的操作中普遍采用同步控制方式 在连接CPU 主存和外部设备的系统上 有的采用同步方式 有的采用异步方式来控制总线数据传送操作 8 简要叙述三种不同的判断溢出的方法 注明表达式中参数的含义 补码加减法中一个重要问题是溢出判断 共有三种方法 对于两数A S AAn 1An 2 A0 B SBB n 1Bn 2 B0 方法一 溢出 S ASBSf SASBSf 其中 表示S f结果的符号位 方法一 溢出 C f C 其中 Cf表示符号位产生的进位 C表示数值为最高位产生的进 位 方法三 将符号位扩展为双符号位 则结果的符号位为 Sf1 Sf2 有 溢出 Sf1 Sf2 9 采用双符号位的溢出判别逻辑的判别方法是什么 该方法相对但符号位的溢出判别方法有 哪些优点 将符号位扩展为双符号位 则结果的符号位为Sf1 Sf2 有 溢出 S f1 Sf2 相对但符号 位溢出判别方法 该方法简单可靠 10 试论述浮点加减运算的对阶过程中 为什么要使小的阶码向大的阶码对齐 反过来有何 不可 对阶的原则 小阶向大阶看齐 对阶的原因 如果大阶向小阶看齐 随阶码的值减少 为保持数的值不变 则尾数必须左移 相应位数 有可能发生符号位及尾数高位丢失的错误 这是不允许的 而增大小阶码同时尾 数右移 有可能发生尾数低位的丢失 这只影响精度 不会产生错误 11 由于浮点数的表示范围宽广 在实际应用中很少出现溢出 仅在理论上的两种极端情况 下 才可能出现上溢和下溢 试述这两种情况 上溢 同号数相加 其中一数的绝对值很大 阶码已达到正最大 而和的绝对值大于1 则 尾数需要右规 阶码加 1 超出了阶码的最大表示范围 此时称为上溢 运算结果错误 CPU 报错停机 并置程序状态字寄存器 中溢出标志位为1 下溢 异号数相加前 两数的绝对值很小 使阶码达到负绝对值最大 且两数相差很小 相 加后需左规 则尾数左规时 阶码减小 超出了阶码表示的最小的负数 此时称为下溢 一 般当做机器零处理 计算机不报错 12 试论证在浮点除法运算中 为什么经过 尾数调整 的操作后 其结果就必定是规格化 结果 尾数调整是指检测被除数尾数的绝对值是否小于除数尾数的绝对值 以确保商的尾数为小 数 如果不是 则被除数尾数右移一位 并相应的调整其阶码 由于两操作数均已是规格化 数 即 M 1 2 相除后期商 结果尾数 的绝对值必然大于等于1 2 不需要左规 在进 行 尾数调整后 商 结果尾数 的绝对值必然小于1 不需要左规 所以按照上述操作 产生的商不需要进行规格化处理 13 浮点加减运算为什么首先要对阶 对阶的原则是什么 对阶时 对其尾数和阶码分别进 行什么操作 对阶的目的 使被加数 或被减数 X和加数 或减数 Y的小数点对齐 即是其阶码相等 对阶原则 小阶向大阶看齐 对阶的方法 阶码小的数每次阶码加1 尾数右移1 位 直到两数的阶码相等 14 画出指令周期的流程图 分别说明图中的每个子周期的作用 图 3 10 是指令周期的流程图 取指周期完成取指令和分析指令的操作 间址周期用于取操 15 中断周期前和中断周期后各是CPU的什么工作周期 中断周期完成什么操作 CPU中断周期前为执行周期 中断周期后为取指周期 中断周期完成下列操作 保存程序断 点 硬件关中断 将向量地址送至程序计数器 硬件向量法 或将中断识别程序入口地址送 至程序计数器 软件查询法 16 微程序控制的基本思想是什么 把指令执行所需要的所有控制信号存放在控制存储器中 需要时从这个存储器中读取 也就 是把操作控制信号编成微指令 存放到一个专门的存储器中 这样 指令的控制器设计就变 成微程序设计 从而可用类似于软件技术来设计控制器部件 17 微程序控制器的特点是什么 微程序控制器具有较强的灵活性 因为微程序容易修改 从而可方便地实现新功能 增加新 指令 但是微程序控制器在执行每条指令时都要访问存储控制存储器若干次 控制存储器的 速度就成了系统工作速度的关键 与组合电路的控制器比较 微程序的控制器具有规整性 可维护性等优点 它一种利用软件方法来设计硬件的技术 18 微指令编码有哪三种方式 微指令格式有哪几种 微程序控制器有哪些特点 微指令编码方式有直接表示法 编码表示法 混合表示法 微指令的格式大体分成两类 水 平型微指令和垂直型微指令 水平型微指令分为全水平型微指令 字段编码的水平型微指令 直接和编码相混合的微指令 微程序控制器具有规整性 可维护性和灵活性的优点 可实现 复杂指令的操作控制 使得在计算机中可以较方便地增加和修改指令 甚至可以实现其他计 算机的指令 19 什么是流水指令 画出指令二级流水和四级流水的示意图 它们中哪个更能提高处理器 的速度 为什么 指令流水就是改变各条指令按顺序串行 执行的规则 使机器在执行上一条指令 的同时 取出下一条指令 图3 11 a 和 b 分别是指令的二级流水和四级流水示 意图 把指令周期划分得更细 使更多 的指令在同一时期内执行 更能提高处 理器速度 故四级流水比二级流水的处 理速度高 数的有效地址 执行周期完成执行指令的操作 中 断周期是用当CPU响应中断时 由中断隐指令完成 保护程序断点 硬件关中断和将向量地址送PC 硬 件向量法 的操作 20 当遇到什么情况时 流水线会受阻 举例说明 流水线受阻一般有三种情况 1 在指令重叠执行过程中 硬件资源满足不了指令重叠执行的要求 发生资源冲突 如在 同一时间 几条重叠执行的指令分别要取指令 取操作数和存结果 都需要访存 就会发生 访存冲突 2 在程序的相邻指令之间出现了某种关联 如当一条指令需要用到前面指令的执行结果 而这些指令均在流水线中重叠执行 就会引起数据相关 3 当流水线遇到分支指令时 如一条指令要等前一条 或几条 指令作出转移方向的决定 后 才能进入流水线时 便发生控制相关 21 指令流水线和运算流水线结构有何共同之处 指令流水线和运算流水线的共同点是 由于相邻两段在执行不同的操作 所需的时间可能不 相同 因此在相邻两段之间必须设置锁存器或寄存器 以保证在一个时钟周期内流水各段的 输出信号不变 22 简述指令周期 机器周期 时钟周期的定义和他们之间的关系 从一条指令到启动到下一条指令启动的时间间隔称为指令周期 完成指令中一个步骤所需的 时间称为机器周期 完成一条微指令所需的时间称为时钟周期 一个指令周期包含若干个机 器周期 如取指令周期 取操作数周期和运算周期 一个机器周期包含个若干个时钟周期 若干条微指令实现指令中一个步骤的功能 23 PSW是什么 它存放在哪 作用是什么 PSW是程序状态字 存放在程序状态字寄存器SR中 它表示程序运行时的运行结果特征和 处理器的状态 为指令运行提供必要的条件 24 什么是CPU时序 它是如何产生的 有什么作用 时序就是时间序列 CPU 时序就是CPU 在执行一条指令时所需要的时间序列 这个时间序 列可用时序发生器产生的一组时序信号来标志 将时序信号产生的一系列脉冲与电位 送至 各操作部件 对控制信号进行定时控制 25 指令执行过程应该如何划分 指令的各阶段决定了哪些周期时间 一条指令的执行过程可分为取指令 指令译码 取操作数和执行指令等步骤 指令译码与取 操作数可以并行操作 因此将指令执行过程分为取指令 取操作数和执行指令阶段 由于大 多数指令有两个操作数 因此取操作数阶段分为取源操作数阶段和取目的操作数阶段 每个 阶段对应一个机器周期 为了便于控制 取最长的机器周期作为计算机标准机器周期 26 指令周期结束操作包含哪些内容 为什么要做结束操作 指令周期结束操作包括停机 电源失效 DMA 请求和中断请求的处理 结束操作是维持正 常的指令循环所必需的 CPU在运行程序时 可能会出现各种事件和异常情况 若不自动处 理 则指令的循环无法正常执行 因此必须事先考虑当出现事件或异常情况时的处理方法 安排控制流程 在指令结束时予以判断和处理 维持指令的正常循环 27 指令和数据以什么方式存放在存储器中 计算机如何区分这些代码 指令和数据不加区分的以二进制代码的方式存放在存储器中 在取指令阶段 根据PC中的 地址 从存储器中取出来的是指令 它被传送到指令寄存器IR 中 在取操作数阶段 根据 寻址方式获得操作数的地址 从存储器中取出来的是数据 根绝指令操作意图 操作数被传 送到 ALU参加运算 或者被传送到寄存器或存储器中 28 水平型微指令与垂直型微指令各有什么特点 水平型指令的字长较长 在一条微指令中定义了较多的微操作 因此编制的微程序较短 可 用较少的微指令实现机器指令的功能 它可以直接控制操作对象 具有效率高 速度快 灵 活性强 控制简单的特点 微程序设计较复杂 但硬件实现较简单 垂直型微指令的结构类 似于机器指令的结构 微操作码需经过译码后再控制操作对象 因此速度较慢 另外 在一 条微指令中只能定义一种微操作 使得指令规范 功能简单 字长较短 编制的微程序较长 微程序设计简单 但硬件控制较复杂 29 微指令的编码方式有哪几种 各种编码方式的优缺点各是什么 微指令有以下几种编码方式 1 直接表示法 微操作码中的每一位表示一种微操作 这种方法简单 但微指令字长较长 编码效率较低 2 编码表示法 将微操作码分段编码 将相容性微操作放在不同的段中 而将相斥性微操 作放在同一段中 每段包含若干位 用不同的码点表示不同的微操作 这种方法微指令字长 较短 编码效率高 但执行速度较慢 且需要增加译码器 3 混合表示法 结合前两种方法 将一些速度要求高 或者与其他微操作都相容的微操作 用直接表示法表示 而将其他微操作以编码表示法表示 四 存储子系统 1 解释下列术语 存储元 存储单元 单元地址 存储体 存储容量 存储器 存储元 存储器最小组成单元 它的作用是用来存放一位二进制代码 0 或者 1 任何具有 两个未定状态 双稳态 的物理器件都可用来做存储元 存储单元 在存储器中有大量的存储元 把他们按相同的位数划分为组 组内所有的存储元 同时进行读出或写入操作 这样的一组存储元称为一个存储单元 一个存储单元通常可以存 放一个字或若干个字节 存储单元是CPU访问存储器的基本单位 单元地址 存储器中存储单元的编号叫做单元地址 在按地址访问的存储器中 单元地址与 存储单元是一一对应的 是存储单元的唯一标志 存储体 存储单元的集合组成存储体 存储体是存放二进制信息的地方 它具有读取 写入 和保持 记忆 的功能 存储容量 存储器可以容纳的二进制信息的总量称为存储容量 其单位是字节 Byte 或者 字 Word 常用的单位符号还有KB MB GB TB 存储器 计算机系统的重要组成部分 是计算机系统中的记忆设备 用来存放程序和数据 有了存储器 计算机系统就具有了记忆功能 从而将用户信息存放到计算机中 使计算机可 以脱离人工干预 自动地进行作业 2 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 所谓程序访问的局部性 即程序执行时对存储器的访问是不均匀的 这是由于指令和数据在 主存的地址分布不是随机的 而是相对地簇聚 存储系统的Cache 主存级和主存 辅存级 都用到了程序访问的局部性原理 对 Cache 主存级而言 把 CPU最近期执行的程序放在容 量较小 速度较高的Cache中 对主存 辅存级而言 把程序中访问频率高 比较活跃的部 分放在主存中 这样既提高了访存的速度也扩大了存储器的容量 3 是说明存储系统是如何满足计算机系统对存储器高速度 大容量 低成本的要求的 随着计算机技术的广泛应用及科学技术的发展 任何计算机系统对存储器的要求都是高速 度 大容量 低成本 然而这三项指标是相互矛盾的 在目前的工艺技术条件下不可能同时 满足 为了解决这个矛盾 逐渐形成了分级的存储体系 各级存储器采用不同容量 不同速 度 性能上互补的存储器构成一个存储系统的整体 各级存储器之间在必要时需要进行信息 交换 从而满足不同应用的需求 现在广泛采用的是三级的层次结构 告诉缓冲存储器 Cache 主存储器 辅助存储器 这三级存储器不是孤立的部件 而是构成了一个整体 主存和 Cache之间的信息交换由专门的部件 辅助部件 控制进行 因为其速度要求高 辅 助硬件通常采用组合逻辑实现 从CPU的角度来看 主存和Cache层次的速度接近Cache 容量是主存的容量 而位成本也接近于主存 因此可以解决速度和成本的矛盾 主存和辅存 之间信息交换通过辅助软硬件实现 通过软硬件结合 把主存和辅存统一成为一个整体 构 成主存和辅存层次 从整体上来看其速度解决于主存 但容量是辅存的容量 而位成本也接 近于廉价的辅存的平均价格 因此可以解决容量和成本的矛盾 这样 用户就可使用一个容 量很大 取决于辅存 价格低廉 接近于辅存 而速度很高 主要取决于Cache 的存储 系统 从而满足高速 大容量 低成本的要求 4 请说明三级存储体系分别由哪些部分组成 并且比较 Cache 主存 和 主存 辅存 这两个 存储层次的相同点和不同点 三级存储体系由Cache存储器 主存和辅存构成 在Cache 主存之间 主存和辅存之间分 别有软硬件和辅助软件负责信息的调度 以便各级存储器能共组成有机的三级存储体系 Cache和主存构成了系统的内存 而主存和辅存依靠辅助软硬件支持构成了虚拟存储器 在 三级存储体系中 Cache 主存和主存 辅存这两个存储层次有如下两个相同点 1 出发点相同 二者都是为了提高存储系统的性能价格比而构造的层次性存储体系 都力 图使存储系统的性能接近高速存储器 而价格接近于低速存储器 2 原理相同 都是利用了程序运行时的局部性原理把最近常用的信息快从相对较慢 而大 容量的存储器调入到相对高速而容量较小的存储器 Cache 主存和主存 辅存这两个存储层次有如下四个不同点 1 目的不同 Cache主要解决主存与CPU的速度差异问题 而虚存就性能价格比提高而言主 要是解决存储容量的问题 另外还包括存储管理 主存分配和存储保护等方面 2 数据通路不同 CPU与 Cache和主存之间均有直接访问通路 Cache不命中时可以直接访 问主存 而虚存中 辅存与主存之间不存在直接的数据通路 当主存不命中时只能通过调进 解决 即把CPU要用的程序从辅存调进主存 3 透明性不同 Cache的管理完全由硬件完成 对系统程序和应用程序均透明 而虚存管理 由软件 操作系统 和硬件共同完成 对系统程序不透明 对应于程序透明 段式和段页式 管理对应用程序半透明 4 未命中时的损失不同 由于主存的存取时间是Cache的存取时间的5 10 倍 而辅存的存 取时间通常是主存的上千倍 故主存未命中时系统的性能损失要远大于Cache未命中时的损 失 5 与EPROM相比 闪存有哪些优缺点 与 EPROM相比 闪存的优点是存储容量大 可达2MB 数据可在线更新 且更新较方便 缺点是无法保障数据安全 容易遭受病毒攻击 6 主存和辅存的速度指标有何不同 为什么会有这些不同 主存的速度指标用存取周期表示 辅存的速度指标 以磁盘为例 一般包括寻找 寻道 时 间 等待时间和数据传输时间三个量 因为主存是随机存取存储器 所以存取周期不随存储 单元的地址不同而改变 而磁盘存储器属磁表面存储器 其存取周期与存储单元的位置有关 不同位置所需的寻道时间和等待时间 在磁道上找到制定扇区位置所需的时间 不同 故不 能以一个物理量来衡量 7 辅存的技术指标一般包括哪些 辅存的技术指标一般包括以下几个方面 1 记录密度 分道密度和位密度两种 2 存储容量 盘面数 每个盘面的磁道数 每个磁道记录的二进制代码数 3 平均访盘时间 包括寻道时间 等待时间和传送时间 4 数据传送速率 每秒钟内存入或读出二进制代码的位数 5 误码率 出错信息位数和独处信息的总位数之比 8 存储器有哪些分类方法 它们是怎样分类的 按存储器在计算机中的作用分类 可分为 1 高速暂存存储器 2 高速缓冲存储器 3 主存储器 4 辅助存储器 5 其他功能的存储器 按存储介质分类 可分为 1 半导体存储器 2 磁表面存储器 3 光盘存储器 按存储方式分类 可分为 1 只读存储器 2 随机存取存储器 3 直接存取存储器 4 顺序存取 存储器 5 按内容寻址存储器 按信息的可保存性分类 可分为 1 挥发性存储器和非挥发性存储器 2 破坏性读出存储器 和非破坏性读出存储器 9 试比较RAM和ROM RAM 是随机存取存储器 在程序的执行过程中既可以读出又可以写入 ROM 是只读存储器 在程序的执行过程中只能读出信息 不能写入信息 10 CPU访问存储器的平均时间与那些因素有关 由公式 Ta H Tc 1 H Tm 可以看出 Cache 和主存的存取周期直接影响CPU的平均访 存时间 而命中率也是影响Cache 主存系统速度的原因之一 命中率越高 平均访存时间 就越接近与Cache的存取速度 而影响命中率的因素包括Cache的替换策略 Cache的写操 作策略 Cache的容量 Cache 的组织方式 块的大小以及所运行的程序的特性 还包括控 制 Cache 的复制硬件的调度方式 如果实现信息调度功能的辅助硬件能够事先预测CPU 未 来可能需要访问的内容 就可以把有用的信息事先调入Cache 从而提高命中率 而扩大 Cache的存储容量可以尽可能多地装入有用信息 减少主从主存替换的次数 同样能提高命 中率 但是 Cache 的容量收到性能价格比的限制 加大容量会使成本增加 致使Cache 主存系统的平均位价格上升 所以虽然提高命中率能够提高平均速度 但提高命中率会受到 多种因素的制约 11 动态存储器为什么需要刷新 怎样进行刷新 动态存储器一句栅极电容上有无电荷来表示信息1 和 0 由于电路中存在漏电流 电容上的电 荷会逐渐泄漏 因此必须在电荷未消失之前予以补充 这一过程称为刷新 刷新过程是一个 数据的读 写过程 将信息读出 放大后再写回存储元 对栅极电容进行充电 12 什么是存储器的刷新 刷新有哪些典型的方式 每种刷新方式的特点是什么 动态随机存储器利用存储元中的栅极电容存储电荷 电容上有电荷表明存放数据1 无电荷 表明存放数据0 由于存储元电路存在漏电流 使栅极电容上的电荷流失 因此必须每隔一 段时间对存储体中的所有记忆单元的栅极电容补充电荷 这个过程称为刷新 有三种典型的刷新控制方式 1 集中刷新方式 在最大刷新时间间隔内 前一段时间进行读 写 保持 后一段时间集中进 行刷新 这种方式的主要缺点是在集中刷新这段时间内不能进行存取访问 称为死区 2 分散刷新方式 这种方式把CPU 对内存的存取周期扩展为两倍 前半段用来进行读 写 保持 后半段作为刷新时间 因刷新过于频繁 故影响子系统的速度 但它不存在死区 这 种方式不适合高速内存 3 异步刷新方式 将以上两种方式结合起来就形成了异步刷新方式 首先用最大刷新时间 间隔除以要刷新的行数 然后将每段时间分割成两部分 前半部分用于读 写 保持 后一小 段用于刷新 这样既保证了内存的刷新 又没有明显的死区 13 比较DRAM与SRAM的异同 相同点 动态随机存储器 DRAM 与静态随机存储器 SRAM 都是存放二进制数据的物理 器件 读 写方式大致相同 都属于随机存储器 即在程序的执行过程中即可读出又可写入 信息 它们都属于一会发行存储器 断电后信息将丢失 不同点 SRAM由双稳态触发器存储信息 只要电源不掉电 信息就不丢失 DRAM 靠电容 存储点和原理存储信息 即使电源不掉电 由于电容要放电 信息也会丢失 需要定期刷新 另外 DRAM 成本较低 存取速度较慢 因此一般用大容量存储器 SRAM成本较高 存取速 度较快 一般用于小容量存储器 14 简述主存储器的基本结构 举例说明存储器的工作过程 主存储器由存储矩阵 寻址系统 读写系统和时序控制线路组成 存储矩阵亦称存储体 存储阵列 它是存储i 欣喜地物理器件 是存储单元的集合 由存储位元构成 因存储介质 存取方式和存储功能不同 因此其组织形式也存在很大差别 寻址系统由存储地址寄存器 MAR 地址译码器和地址驱动器三部分构成 I O 或 CPU访存时 先将访存地址送MAR 经 地址译码器找到被访问的存储单元 最后由地址驱动器驱动该存储单元以实现读 写 读 写系统包括存储缓冲寄存器MBR 读出和写入线路 读出根据访存的读命令 通过读出线路将由寻址确定的存储单元内容读出送MBR 以供 I O 或 CPU 使用 若是破坏性读出 还应启动写入线路将信息重写回单元 写入时先将要写入 的数据送MBR 根据写命令 通过写入线路 将MBR内容写入由寻址确定的存储单元 时 序控制线路包括控制触发器 各种门电路和延迟线等 接收I O 中 CPU的启动 读写 清除 等命令 产生一些列时序控制主存储器完成读 写命令 以存储器读为例说明存储器的工作过程 首先由选址机构选中存储体 地址总线此时给出要 访问的存储单元的地址 并将该地址放在地址寄存器MAR 中 MAR 中的地址经过译码才能 够访问存储体中的单元 地址驱动的作用是为了解决徐那只信号在存储体内的衰减问题 存 储体在读 写电路的控制下 将对应存储单元中的内容读出 并将结果放在数据缓存寄存器 MBR 中 MBR 中的数据在控制线路的作用下交给数据总线 15 半导体存储器的性能参数有哪些 主存的存储容量指的是主存所能容纳的二进制位个数的总和 即构成主存的存储位元的总 和 存储容量等于存储单元个数与每个存储存储单元包含的存储位元个数之积 存取时间 指的是从启动一次存储器操作到完成该操作所用时间 存取周期 指的是连续两次启动同一存储器进行存取操作所需的最小时间间隔 可靠性通常 用平均无故障时间来衡量 表示两次故障之间的平均时间间隔 功耗与集成度 功耗反映了存储器件耗电多少 集成度标示单个存储芯片的存储容量 一般 希望功耗小 集成度高 但两者是矛盾的 必须进行折中 性能价格比 性能主要包括存储容量 存储周期 存取时间和可靠性等 价格包括存储芯片 和外围电路的成本 通常要求性能价格比要高 存取宽度 CPU或 I O 一次访存可存取的数据位数或字节数 16 NRZ NRZI FM MFM是哪四种记录方式 其写入电流波形有何特点 NRZ是不归零制 见变就翻 其特点是磁头线圈中始终有电流 正向电流代表 1 负向电 流代表 0 NRZ 1是不归零 1 见 1 就翻转 其特点是磁头线圈中始终有电流 写 1 时改变电流方向 写 0 时电流方向不变 FM 是调频制 其特点是写 1 时在存储元的起始和中间位置均要改变电流方向 写 0 时只 在存储元起始位置改变电流方向 MFM 是改进调频制 其特点是保留记录 1 时在存储元的中间位置改变电流方向 而且不论 写 0 或写 1 在存储元的起始位置均不改变电流方向 只有在连续记录两个或两个以上 的 0 时 才在两个存储元之间改变电流方向 17 简述主存与高速缓存之间的地址映射方式 主存与高速缓存之间的地址映射方式有直接映射 全相联映射和组相连映射 直接映射方式 下主存中的块只能映射到高速缓存中的指定块 直接映射的地址转换速度快 但块的冲突概 率较高 在大容量高速Cache系统中使用直接映射方式 既可以发挥Cache的高速度 又可 以减少块的冲突概率 全相联映射下主存中的块可以映射到高速缓存中的任意块 而组相连 映射是二者的组合 它将主存与高速缓存分组 组间采用直接映射 组内采用全相联映射 组相连映射和全相联映射速度较低 通常适合于小容量Cache 18 高速缓存的设计应解决什么问题 高速缓冲存储器的设计主要解决下列问题 1 地址映射方法 它确定主存地址与高速缓存地址的映射关系 映射以块为单位 2 高速缓存的置换策略 高速缓存装满后在调入新的数据块之前必须将高速缓存中的某一 块置换出去 应根据一定的算法予以置换 3 数据的更新策略 决定在执行写操作时 是否在写高速缓存的同时写主存 此外还需考 虑高速缓存的容量和块的容量等问题 19 简述高速缓存的替换方法 带有高速缓存的存储系统中 访问主存时数据将同时写入高速缓存 若高速缓存已满则需做 替换 用新的数据替换原来的数据 替换哪个数据块是替换算法应考虑的问题 目前常用的 替换算法有随机发 用随机发生器随机选择块号 先进先出法 淘汰最先进入的块 和近 期最少使用法 淘汰长时间不使用的块 20 段式虚拟存储器地址变换过程中所用的段表包括哪些内容 每一道程序 或一个用户 一个进程等 由一张段表控制 每个程序段在段表中占一行 主 要包括段号 或段名 该程序段的长度 在主存中的起始地址等三个字段 其中 如果第 一个字段用段号而不用段名表示 而且几段号是连续的 则这一个字段可以省掉 只要根据 段表中的另外两个字段 该程序段在主存中的起始地址和段的长度 就可以把该程序段唯 一地映射到主存储器的确定位置中 另外 根据需要还可以在段表中增加其他信息 如指出 该程序段的访问方式 可读可写 只读 某些用户可写 只能执行等 是否已经装入主存 的标志 该段程序是否被修改过的标志灯 不过 增加的这些字段在地址映射过程中用不上 的 可以用于地址变换过程中 21 Cache与虚拟存储器在原理和功能等方面有何相同和不同之处 二者的原理是相同的 都是基于程序的局部性原理 二者在功能上的相同点是为了提高存储 系统的性能价格比 不同点是Cache 主存层次主要是为了提高存储系统的访问速度 Cache 是的设置是为了弥补CPU 与主存之间的速度差异 主存 辅存层次是为了扩大存储系统的 容量 辅助存储器作为主存的后援存储器 提供位价格较低的海量存储设备 22 为什么多体交叉存储器可以提高访问速度 多体交叉存储器由多个相互独立 容量相同的存储体构成 每个存储体有独立的读 写电路 地址寄存器和数据寄存器 CPU可以在同一个存储周期内分时访问这些存储体 当连续访问 的存取单元在不同的存储体中时可获得较快的访问速度 23 相连存储器的基本组成是什么 有什么优缺点 相连存储器除具有和RAM 一样的随机读 写和保持功能外 还具有比较功能 可按信息内容 寻址 存储器查询速度快 缺点是需要额外的控制电路 相连存储器由输入寄存器IR 屏蔽 寄存器 MR 时序控制和存储体等基本部分组成 五 I O 子系统及输入输出设备 1 计算机采用总线结构有何优点 计算机中采用总线结构便于故障诊断与维护 便于模块化结构设计和简化系统设计 便于系 统扩展和升级 便于生产各种兼容的软硬件 2 什么是总线标准 为什么要制定总线标准 总线标准是国际公布或推荐的互联各个模块的标准 这个标准为各模块互联提供一个标准界 面 接口 这个界面对它两端的模块都是透明的 即界面的任一方只需根据总线标准的要 求来完成自身一方接口的功能 而不必考虑对方与界面的接口方式 制定总线标准使得系统设计简化 便于模块生产批量化 确保其性能的稳定 质量可靠 实 现可移植化 便于维护等 较好地解决了系统 模块 设备与总线之间不适应 不通用及不 匹配等问题 3 什么是总线通信控制 为什么需要总线通信控制 总线通信主要解决通信双反如何获知传输开始和传输结束 以及通信双方如何协调配合 因为总线是众多