计算机原理复习

1、计算机原理复习1.存储器是计算机中用以存放原始数据、程序以及中间运算结果的设备。2.存储器分成一个个单元，每个单元有自己的编号，称为该单元的地址。3.一条指令通常分成两部分：操作码和地址码。4.促成计算机的基本部件有中央处理器CPU（控制器和运算器）、存储器、输入输出设备。5.储存器又分为主存储器和辅助存储器。6.总线分为：地址总线（A bus）、数据总线（D bus）、控制总线（C bus）。7.冯.诺依曼机的特点：（1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五部分组成。（2）采用存储程序的方式，程序和数据放在同一存储器中，由指令组成的程序可以修改。（3）数据以二进制码表示。（4

2、）指令由操作码和地址码组成。（5）指令在存储器中按执行顺序存放，由指令计数器指明要执行的指令所在的单元地址，一般按顺序递增。（6）机器以运算器为中心，数据传送都经过运算器。8.电子计算机发展的四个阶段：第一代 电子管时代(1946-1958)；第二代 晶体管时代(1958-1965)；第三代 中小规模集成电路时代(1965-1970)；第四代 大规模集成电路时代(1971至今)。9.CPU包括：运算器、控制器、寄存器。10.存储器在内存中，所以，寄存器的速度比存储器快。11.例如:一个十进制数123.45的表示： 123.45 =1×（10的二次幂）+ 2×（10的一次幂）

3、+ 3×（10的零次幂）+ 4×（10的负一次幂）+ 5×（10的负二次幂）12. 例如十六进制数 (2C7.1F)16的表示： (2C7.1F)16=2×（16的二次幂）+ 12×(16的一次幂)+ 7×(16的零次幂)+ 1×(16的负一次幂)+( 15×16的负二次幂)13. 例如:写出二进制数(1101.01)2,八进制数(237)8,十六进制数(10D)16的十进制数? (1101.01)2=1×（2的三次幂）+1×（2的2次幂）+0×（2的1次幂）+1×（2的0次

4、幂）+ 0×（2的-1次幂）+1×（2的-2 次幂）=8+4+1+0.25=13.25(237)8=2×（8的2次幂）+3×（2的1次幂）+7×（2的0 次幂）=128+24+7=159(10D)16=1×（16的2次幂）+13×（16的0次幂）=256+13=26914. 例如：用基数除法将(327)10转换成二进制数 先将二进制数各位的权写出来： 327 256，128，64，32，16，8，4，2，1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 答案：(327)10 =(101000111) 215.例如:将十进制数(0.81

5、25) 10 转换成二进制小数. 解： 整数部分2 ×0.8125=1.625 12 ×0.625=1.25 12 × 0.25=0.5 02 ×0.5=1 1(0.8125) 10 =(0.1101) 216.先将二进制数各位的权写出来： 198.375256，128，64，32，16，8，4，2，1，0.5, 0.25, 0.125, 0.0625, . 1 1 0 0 0 1 1 0. 0 1 1198.375=（11000110.011）217. 二进制转换成八进制： 例：(10110111 .01101) 2 二进制: 010 ,110 , 1

6、11 . 011 , 010 （从小数点开始，左右各三位为一组，不够的补零） 八进制: 2 6 7 . 3 2 (10110111.01101) 2 =(267.32)818. 八进制转换二进制： 例如: (123.46 ) 8=(001,010,011 .100,110 ) 2 =(1010011.10011)219. 二进制转换成十六进制： 例：(110110111 .01101) 2 二进制: 0001 ,1011 , 0111 . 0110 ,1000（从小数点开始，左右各四位为一组，不够的补零） 十六进制: 1 B 7 . 6 8 (10110111.01101) 2 =(1B7.6

7、8)1620.例如: (7AC.DE ) 16 （把十六进制转换成二进制，只需要顺序将每一位写四位即可）=(0111,1010,1100.1101,1110 ) 2 =(11110101100 .1101111 )221.机器数：符号数码化的数称为机器数如 ：X=01011（第一位的"0"代表正号） Y=11011（第一位的"1"代表负号）22.二进制：B 八进制：O 十进制：D 十六进制：H23.余3码编码规则:在8421码基础上加3。24.格雷码编码规则：任何两个相邻编码只有一位二进制位不同。优点：构成计数器时译码波形好。25.机器数：计算机中表示的

8、带符号的二进制数。26.真值：机器数所代表的实际值。27.机器数常用的有三种表示方法：即原码、补码、反码，另有一种移码。28.原码表示法用“0”表示正号，用“1”表示负号。29.+0原 =00000000 ; -0原 =10000000 +0补=-0补=0.0000000 +0反=0.0000000 -0反=1.1111111 +0移=-0移=10000030.正数的补码：本身。 负数的补码：符号位为 1，数值部分取反加 1。例如：X1 =+ 0.1011011 X2 = - 0.1011011 X1补=01011011 X2补=2+X=2+(-0.1011011)=1.010010131.

9、正数的反码表示：与原、补码相同。 负数的反码表示：符号位为1。 数值部分：将原码的数值按位取反。32.X1=+0.1011011 , X1 反 =0.1011011 X2= -0.1011011 , X2 反 =1.010010033.求移码：先求补码，然后只将补码的符号位取反即可。 X1 = 0101 0101 X1补=0101 0101 X1移=1101 0101 X2 =-0101 0101 X2补=1010 1011 X2移=0010 101134. 已知X补，求-X补？ 将X补连同符号位取反，末位加1。35.求移码？例：X=+1011 X补=01011 X移=11011X=-1011

10、 X补=10101 X移=0010136. 正数的补码、原码、反码都相同；负数的补码为符号位不变，其余各位按位取反，末位加1；补码转换成原码：正数的补码等于原码；负数的原码为，符号位不变，其余各位按位取反，末位加1。由补码求原码正数 : X补=X原负数 : 符号不变，其余各位取反，末位加1。例：X= -0.1 0 0 1 0 0 1 X补= 1. 0 1 1 0 1 1 1 X原= 1. 1 0 0 1 0 0 137. X补+Y补 = X+Y补 （两个补码的和等于和的补码）38. 例2.14：X=0.1010,Y=0.0101,求X+Y X+Y补= X补+Y补 = 0.1010 + 0.01

11、01 =0.1111 X=0.1010,Y=-0.0101,求X+Y补 X+Y补= X补+Y补 = 0.1010 + 1.1011 =0. 010139. XY补= X补+ -Y补 将Y 补的各个位（连同符号位）均取反，然后最低位加1，即可得到-Y补 例：X=+0.0110, Y=-0.1011 X补= 0.0110 -X补= 1.1010 Y补 =1.0101 -Y补=0.101140.什么情况下会产生溢出？ （1）相同符号数相减，相异符号数相加不会产生溢出。 （2）两个相同符号数相加，其结果符号与被加数相反则产生溢出； （3）两个相异符号数相减，其运算结果符号与被减数相同，否则产生溢出。4

12、1. 浮点数的组成部分：Ms（尾数的符号位）、E（阶码）、M（尾数）、基数42. 只有改变进位逐位传送的路径，才能提高加法器工作速度。解决办法之一是采用“超前进位产生电路”来同时形成各位进位，从而实行快速加法。我们称这种加法器为超前进位加法器。43. 定义: Pi=Xi+Yi (称为进位传递函数) Gi=Xi·Yi (称为进位产生函数) 44. ALU是一种功能较强的组合逻辑电路。它能进行多种算术运算和逻辑运算。ALU的基本逻辑结构是超前进位加法器。45. 移码的特点：（1）最高位为符号位，1表示正号，0表示负号；（2）在计算机中移码只进行加减运算。46. 乘以2表示向左移；除以2表

13、示向右移。47. 定点数一位乘法 第三章 3.3 X正负任意，Y为正数：X·Y补 = X补· Y补 X正负任意,Y为负数 ：X·Y补 = X补· Y补+-X补 -X补的求法：X补连同符号位取反，末位加1。48.定点运算部件组成：ALU、寄存器、移位电路、计数器、门电路等。49.码距:任意两个合法码之间至少有几个二进制位不同.有一位不同，码距就为1.50.常用的数据校验码有奇偶校验码,海明校验码和循环校验码。51.例：已知 X=0.1011 Y=-0.0101则 X补=0.1011 -X补=1.0101 1/2X补=0.0101（1） 右移一位1/4X补=

14、0.0010(11) 右移两位2-X补=0.1010 左移一位，溢出Y补=1.1011 -Y补=0.01011/2Y补=1.1101(1) 右移一位1/4Y补=1.1110(11) 右移一位2-Y补=0.101052. X+Y补=X补+Y补 X-Y补=X补+-Y补53. 存储器存储的是程序和数据。54. 存储系统：包括存储器以及管理存储器的软硬件和相应的设备.55. 计算机执行的程序和数据均放在存储器中。56. 主存储器的分类：按读写性质分：随机读写存储器（RAM）断电信息消失；只读存储器（ROM）断电信息不消失。57. 主存容量和计算机的地址总线的根数有关。58. 主要技术指标有:主存容量,

15、存储器存储时间和存储周期.59. 存储容量(memory capacity)：存放信息的总数，通常以字(word,字寻址)或字节 (Byte,字节寻址)为单位表示存储单元的总数.微机中都以字节寻址,常用单位为KB、MB、GB、TB。60. 存储器存储时间(memory access time)：启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。61. 存储周期(memory cycle time)：连续启动两次独立的存储器操作所需间隔的最小时间.62. 指令中地址码的位数决定了主存储器的可直接寻址的最大空间。63. 随机访问时，访问时间与存储器的物理位置无关。64. 存储器中用地址来区分不同存储单元

16、。65. 主存储器用来暂时存储CPU正在使用的指令和数据,它和CPU的关系最为密切。CPU通过使用AR（地址寄存器）和DR（数码寄存器）和总线与主存进行数据传送。66. 第四章 4.4 的图 主存储器与CPU的联系。67.静态存储器SRAM：只要不断电，信息是不会丢失的。 功耗较大,速度快,作Cache。动态存储器DRAM：需要不断给电容充电才能是信息保持。 功耗较小，容量大,速度较快,作主存。68. 再生（刷新）：为保证DRAM存储信息不遭破坏，必须在电荷漏掉以前，进行充电，以恢复原来的电荷，这一充电过程称为再生或刷新。 SRAM是以双稳态电路为存储单元的，因此不需刷新。69. 非易失性半导

17、体存储器：只读存储器(ROM)；可编程序的只读存储器(PROM)；可擦除可编程序的只读存储器（EPROM）；可电擦可编程序只读存储器（EEPROM）；快擦除读写存储器（Flash Memory）70. 主存储器:计算机中存放当前正在执行的程序和其使用数据的存储器. 存储器的地址:对存储单元进行顺序编号. 地址空间:地址长度所限定能访问的存储单元数目.71. 位扩展：指的是用多个存储器器件对字长进行扩展。 位扩展连接方式：并联 字扩展指的是：增加存储器中字的数量。字扩展连接方式：并联 （都是并联）72. 例：用4个16K ´ 8位芯片组成64K´8位的存储器。73. 如果一个

18、存储容量为M *N位，所用芯片规格为L*K位，那么这个存储器共用M/L *´N/K个芯片。例如：要组成16M *8位的存储器系统，需多少片4M *1位的芯片？ 16M/4M *8/1= 32片若有芯片规格为1M *8位则需16M/1M *8/8= 16片74. 主存储器和CPU的链接是靠总线支持的。75. 主存储器和CPU的关系最为密切。76. 计算机系统主要由硬件和软件组成，硬件就是CUP、存储器、外设等，软件就则是便于用户实际应用而开发各种程序。软件的设计基础就是计算机的指令系统。77. 计算机的性能与它设置的指令系统有很大关系，而指令系统的设置又与机器的硬件结构有关。78. 一

19、条指令必须包含：（1）操作 码；（2）操作数地址；（3）操作结果的存储地址；（4）下一条指令的地址。79. 一条指令实际上包括两种信息即可：操作码和地址码。80. 指令字：代表指令的一组二进制代码信息；指令长度：指令字中二进制代码的位数。81. 程序顺序执行时，下一条指令的地址由程序计数器PC给出；反之由指令给出。82. 计算机中指令和数据都是以二进制码的形式存储的。但是，指令的地址是由程序计数器(PC)规定的；而数据的地址是由指令规定的。83. 指令操作码的位数限制指令系统中完成操作的指令条数。若操作码长度为K,最多有2k条不同指令。84. 固定格式操作码的指令示例：如果需要三地址、二地址、

20、一地址指令各15条、零地址指令16条，如何安排操作码呢？15条三地址指令的操作码为：0000 111015条二地址指令的操作码为：1111 0000 1111 111015条一地址指令的操作码为：11111111 0000 11111111 111016条零地址指令的操作码为：11111111111100001111111111111111可变格式操作码的指令示例：再如：同样情况下用可变格式操作码分别形成三地址指令15条、二地址指令14条、一地址指令31条和零地址指令16条。按要求得到结果之一如下： 15条三地址为： 0000 1110 14条二地址为：11110000 11111101 31

21、条一地址为：11111100000 111111111110 16条零地址为：11111111111100001111111111111111 85. 机器字长是指计算机能直接处理的二进制数据的位数，它与计算机的功能和用途有很大的关系，是计算机的一个重要技术指标。86. 地址码长度决定了指令直接寻址能力。87. 指令字长度是指一个指令字中包含二进制代码的位数。如指令字长度等于机器字长度的指令，称为单字长指令。88. 指令的长度主要取决于操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数。89. 寻址方式归结为立即寻址、直接寻址、间接寻址、变址寻址以及相对寻址等几种寻址方式，或者这几种方式的组合与

22、变形。90. MOV AX，0110H （直接寻址）91. （寄存器寻址）MOV AX，BX 其中BX为源操作数地址，AX为目的操作数地址，操作的结果为将BX中的数据传送（拷贝）到AX中。92. （寄存器间接寻址） MOV AX，BX93. （立即寻址）MOV AX，1AH的结果：（ AX ） 1AH94. 指令的长度与机器的字长没有固定的关系，既可以小于或等于机器字长，也可以大于机器字长。95. 数据传送指令：用以实现寄存器与寄存器之间(MOV AX,BX)；寄存器与内存单元之间(MOV 0001H,AX)96. 数据传送指令一次可以传送一个数据或一批数据.97. 由于堆栈具有先进后出的性质

23、,因而在中断、子程序调用过程中用于保存返回地址、状态标志及现场信息。98. 精简指令系统计算机(RISC；复杂指令系统计算机(CISC)99. 调用与转移指令的区别：调用需要保留返回地址。100. RISC（精简指令系统计算机）的特点：（1）、仅选使用频率高的一些简单指令和很有用但不复杂指令，指令条数少。（2）、指令长度固定，指令格式少，寻址方式少（3）、只有取数/存数指令访问存储器，其余指令都在寄存器中进行，即限制内存访问（4）、CPU中通用寄存器数量相当多；大部分指令都在一个机器周期内完成。（5）、以硬布线逻辑为主，不用或少用微程序控制（6）、特别重视编译工作，以简单有效的方式支持高级语言

24、，减少程序执行时间101. 5. 8 Pentium微处理器指令系统简介 （课件上的 了解熟悉）102.汇编语言主要有三个缺点：（1）基本操作简单,编程工作量大（2）可读性差（3）可移植性差.103.高级语言有二个缺点：（1）.必须由编译程序翻译成机器语言,翻译后占内存多,执行速度慢.（2）.不能访问机器硬件资源.104.中央处理部件（CPU）是计算机系统的核心部件，包括运算器和控制器两大部分。 105.CPU的功能：指令控制（控制计算机按顺序执行指令）、操作控制（控制微操作信号的产生、传送）、时间控制（对各种操作实施时间上的控制）、数据加工（对数椐进行算术、逻辑运算）、异常处理。106.CP

25、U内任何两个部件之间传送数据都是通过总线实现的。107.处理指令和中断是CPU最主要的功能。108.CPU的组成：运算器、控制器、寄存器、CPU内部数据通道。109.控制器的功能：取指令、分析指令、执行指令、控制程序和数据的输入与结果的输出、对异常情况和某些请求的处理。110.控制器的组成：程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）；指令译码器或操作码译码器、脉冲源及启停线路、时序控制信号形成部件。111.时序控制方式：同步控制方式、异步控制方式、联合控制方式。112.不同的指令占用不同的时钟周期数目。113.指令周期：读取并执行一条指令所需的时间 机器周期（CPU): 在组合逻辑控制器中，常将指

26、令周期划分为若干个工作阶段，每个阶段称为一个机器周期。 时钟周期（节拍）：通常将机器周期分成若干个相等的时间段，每个时间段完成一项或几项微操作，这个时间段叫做节拍（时钟周期）。 时钟周期长度等于CPU执行一次加法或依次数据传送时间。工作脉冲（定时脉冲）：工作脉冲是最基本的定时信号，对某些微操作定时。114. 微操作：完成指令功能所需的一系列基本操作。115. 微指令：同时发出的控制信号所执行的一组微操作。组成微指令的微操作又叫微命令。一条指令的实现，可由执行若干条微指令来完成。116. 微程序：完成指令功能所需的微指令序列的集合。117. 控制存储器：存放微程序与下址的存储器。一般用ROM。1

27、18. 微指令格式：可分成两大类:水平型微指令,垂直型微指令。119. 水平型微指令与垂直型微指令的比较：水平型微指令执行效率高，灵活性强，微程序短，而垂直型微指令则并行操作能力差；水平型微指令执行一条指令时间短,而垂直型微指令则较长；水平型微指令字较长,但微程序较短；水平型微指令用户较难掌握,而垂直型微指令相对容易。120. 立即寻址 MOV AX , 3069H 寄存器寻址 MOV AL , BH 直接寻址 MOV AX , 2000H 寄存器间接寻址 MOV AX , BX 寄存器相对寻址 MOV AX , COUNT SI 基址变址寻址 MOV AX , BP DI 相对基址变址寻址

28、MOV AX , MASK BX SI 121. 例题：加法指令ADD R0，(R1)的微操作序列？ FT P0 PC->BUS,BUS->MAR,READ,CLEAR LA,1->C0，ADD,ALU->LT P1 LT->BUS,BUS->PC,WAIT P2 MDR->BUS,BUS->IR P3 1->ST （FT部分，无论指令多复杂，其微操作序列不变） ST P0 R0->BUS,BUS->SR P1 空操作 P2 空操作 P3 1->DT DT P0 R1->BUS,BUS->MAR,READ,WA

29、IT P1 MDR->BUS,BUS->LA P2 空操作 P3 1->ET ET P0 SR->BUS,ADD,ALU->LT P1 LT->BUS,BUS->MDR,WRITE,WAIT P2 空操作 P3 END122. 计算机的主频周期：时钟周期123. 计算机主频越快，速度不一定快。124. 信息流包括：控制流和数据流。125. PC（程序计数器）：用来存放即将要执行的下一条指令地址，或当前正在执行的指令地址，或存放下一条要取出的指令地址。126. 控制器的作用：协调并控制计算机的各个部件执行程序的指令序列。127. 随机存储器RAM；只读存

30、储器ROM. 停电后RAM中的内容消失，ROM内容不消失。128. CPU比输入输出设备快得多。129. 产生控制信号一般有两种方法：微程序控制；硬布线控制。130. 微指令分成两部分：控制字段和下址字段。131. 流水线的深度并不是越深越好。132. 衡量存储器有三个指标:容量、速度和价格/位。133. 串行存储器又可以分为：顺序存取存储器（如：磁带）；直接存取存储器（如：磁盘）134. 为解决主存CPU之间的速度差异，在CPU和主存之间设置Cache.135. 现代计算机的典型存储结构：cache-主存-辅存。136. 根据局部性原理，可以在主存和CPU之间设置一个高速度的容量相对较小的存

31、储器，即Cache。137. Cache存储器中保存的字块是主存中的字块的副本。138. 三级结构的存储器系统运行的原则 一致性原则：同一个信息会同时存放在几个级别的存储器中，此时，这一信息在几个级别的存储器中必须保持相同的值。139. Cache 的容量和块的大小是影响cache 效率的重要因素。140. 命中率：CPU所要的访问信息在cache中的比率。失效率： CPU所要的访问信息不在cache中的比率。141.设NC表示Cache完成存取的总次数， Nm表示主存完成存取的总次数，h定义为命中率，则有 h= NC/(NC+ Nm) 若tc表示命中时Cache的访问时间，tm表示未命中时主

32、存的访问时间，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+ta)142. 设r=tm/tc表示主存慢于Cache的倍率，e表示访问效率则有:e=tc/ta143. 为提高访问效率，h 接近1好。144. 影像：直接映像、全相联映像、组相联映像。145. 替换算法：先进先出（FIFO）算法和近期最少使用（LRU-least recently used）算法。 FIFO算法总是把一组中最先调入 cache存储器的字块替换出去，它不需要随时记录各个字块的使用情况，所以实现容易开销小 LRU算法是把一组中近期最少使用的字块替换出去。 另外还有一种随

33、机替换法（RAND），这种算法不考虑使用情况，在组内随机选择一块来替换。 146. 片内cache的读取速度要比片外Cache快得多，因为片内cache放在CPU内，片外Cache放在CPU外。147. 指令Cache只读不写，其控制比数据Cache简单。148. 例题：CPU执行一段程序时，Cache完成存取的次数为1900次，主存完成存取的次数为100次，已知Cache存取周期为50ns,主存存取周期为250ns,求Cache/主存系统的效率和平均访问时间？149. 解：h=NC/(NC+ Nm)=1900/(1900+100)=0.95 r=tm/tc=250ns/50ns=5 e=1/r+(1-r)h=1/5+(1-5)*0.95=83.3% ta=tc/e=50ns/0.833=60ns150. CPU访问I/O设备有两种寻址方式: （1）专设I/O指令 (I/O设备独立编址) （2）利用访存指令完成