计算机组成原理所有概念

1、2022-3-81 选择题选择题 、填空题、简答题、综合题、填空题、简答题、综合题希望大家认真复习，仔细审题，不要提前交卷！希望大家认真复习，仔细审题，不要提前交卷！答题完毕之后，认真检查，开考一个小时之后，答题完毕之后，认真检查，开考一个小时之后，才能交卷！才能交卷！2022-3-82冯冯.诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型 1 1、计算机由、计算机由运算器运算器、存储器存储器、输入输入/ /输出设备输出设备和和控制器控制器组成，组成，并以运算器为中心连接在一起。并以运算器为中心连接在一起。2 2、存储器由一组一维排列、线性编址的存储单元组成，每个、存储器由一组一维排列、线性编址的存储单元组成

2、，每个存储单元的位数是相等且固定的，存储单元按地址访问存储单元的位数是相等且固定的，存储单元按地址访问。3. “3. “程序程序”是由一条一条的指令有序排列而成，而指令由操作是由一条一条的指令有序排列而成，而指令由操作码和地址码两部分组成。码和地址码两部分组成。 操作码规定了该指令的操作类型，地址码指示存储操操作码规定了该指令的操作类型，地址码指示存储操作数和运算结果的存储单元地址，操作数的数据类型由作数和运算结果的存储单元地址，操作数的数据类型由操作码类规定。操作码类规定。2022-3-83冯冯.诺依曼计算机模型诺依曼计算机模型 4 4、指令和数据均采用二进制数表示，并以二进制数形式进、指令

3、和数据均采用二进制数表示，并以二进制数形式进行运算行运算 。5 5、程序（指令）与数据是同等地不加区分地存储在同一个、程序（指令）与数据是同等地不加区分地存储在同一个存储器中存储器中 。 6 6、设置、设置“程序计数器程序计数器PC”来指示下一条将要执行的指令的来指示下一条将要执行的指令的地址。每执行完一条指令，程序计数器就自动加地址。每执行完一条指令，程序计数器就自动加1，指，指向下一条指令的存储单元。向下一条指令的存储单元。2022-3-84 存储程序的思想存储程序的思想 计算机的用途和硬件完全分离：硬件结构采用定性计算机的用途和硬件完全分离：硬件结构采用定性逻辑，提供某些固定不变的功能，

4、通过编制不同的程逻辑，提供某些固定不变的功能，通过编制不同的程序来满足不同用户对计算机的应用需求。序来满足不同用户对计算机的应用需求。 把指令汇总在一起形成一个程序，并将其存储在把指令汇总在一起形成一个程序，并将其存储在计算机中。通过逐条指令执行来完成问题的求解。计算机中。通过逐条指令执行来完成问题的求解。2022-3-85计算机的体系结构计算机的体系结构 指程序员所看到的机器的属性，即机器的概念性指程序员所看到的机器的属性，即机器的概念性结构和功能表现结构和功能表现。 这些属性主要是这些属性主要是指令系统、指令系统、数据表示、中断系统、数据表示、中断系统、寄存器组织等。寄存器组织等。计算机的

5、组成计算机的组成 计算机体系结构的逻辑实现计算机体系结构的逻辑实现计算机的实现计算机的实现 计算机组成的物理实现计算机组成的物理实现2022-3-86可见属性可见属性 可以看见的属性，比如对于汇编语言程序员，指可以看见的属性，比如对于汇编语言程序员，指令集是可见的。令集是可见的。 MARMAR、MDRMDR寄存器寄存器对汇编语言程序员是不可见的，对对汇编语言程序员是不可见的，对汇编语言程序员来说，也是透明的。汇编语言程序员来说，也是透明的。透明属性透明属性 本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在。本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在。数据总线的宽度、微程序数据总线的宽度、微程序

6、对汇编语言程序员、机器语言程序员对汇编语言程序员、机器语言程序员 透明透明 对硬件设计者、计算机维修人员对硬件设计者、计算机维修人员 不透明不透明2022-3-87处理器的组成处理器的组成 处理器的基本组成包括：处理器的基本组成包括：寄存器、运算器和控制器寄存器、运算器和控制器 处理器的内部有大量的寄存器：处理器的内部有大量的寄存器：通用寄存器、基址通用寄存器、基址寄存器、变址寄存器、程序计数器、指令寄存器、状寄存器、变址寄存器、程序计数器、指令寄存器、状态控制字寄存器以及用户透明的态控制字寄存器以及用户透明的MAR、MDR 处理器的所有工作都是在控制单元处理器的所有工作都是在控制单元CU的指

7、挥下完成的指挥下完成的。的。 处理数据的功能单元叫算术逻辑单元处理数据的功能单元叫算术逻辑单元ALU，它的，它的功能是对数据进行各种算术运算或逻辑运算。功能是对数据进行各种算术运算或逻辑运算。2022-3-88处理器的工作过程处理器的工作过程 处理器的主要工作就是周而复始地执行指令，所以处理器的主要工作就是周而复始地执行指令，所以它的基本功能包括取指令、分析指令、取数据、处理它的基本功能包括取指令、分析指令、取数据、处理数据、写回结果。数据、写回结果。 （1）取指令。处理器根据）取指令。处理器根据PC给出的主存地址访问主存给出的主存地址访问主存储器，取出一个标准字长的指令，将其送入处理器内储器

8、，取出一个标准字长的指令，将其送入处理器内部专门存放当前指令的指令寄存器部专门存放当前指令的指令寄存器 IR，然后，然后PC加加1。2022-3-89处理器的工作过程处理器的工作过程 （2）分析指令。处理器将指令寄存器）分析指令。处理器将指令寄存器IR中的操作码部分中的操作码部分取出送入指令译码器（取出送入指令译码器（Decoder）进行译码。根据译码）进行译码。根据译码结果判断出指令的功能（即指令将要执行什么操作）结果判断出指令的功能（即指令将要执行什么操作）、操作数的寻址方式以及操作数的数据类型，形成源、操作数的寻址方式以及操作数的数据类型，形成源操作数或目的操作数的物理地址。操作数或目的

9、操作数的物理地址。（3）取数据。根据源操作数的物理地址访问主存储器，）取数据。根据源操作数的物理地址访问主存储器，取出源操作数。源操作数将被送入处理器内部的数据取出源操作数。源操作数将被送入处理器内部的数据寄存器，如累加器寄存器，如累加器ACC。2022-3-810处理器的工作过程处理器的工作过程 （4）处理数据。处理器将源操作数送入运算器，并根据指）处理数据。处理器将源操作数送入运算器，并根据指令译码结果启动运算器的相应操作对数据进行处理。处令译码结果启动运算器的相应操作对数据进行处理。处理结果存回通用数据寄存器或缓冲寄存器。理结果存回通用数据寄存器或缓冲寄存器。（5）写回结果。如果指令要求

10、将结果写回寄存器或主存储）写回结果。如果指令要求将结果写回寄存器或主存储器，那么处理器将根据目的操作数的地址，将目的操作器，那么处理器将根据目的操作数的地址，将目的操作数写入寄存器或主存储器。数写入寄存器或主存储器。2022-3-811机器周期、时钟周期、主存周期、指令周期机器周期、时钟周期、主存周期、指令周期 处理器每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周期。处理器每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周期。 时钟周期是计算机的基准时钟（一个节拍）。时钟周期是计算机的基准时钟（一个节拍）。 机器周期是所有指令执行过程中的一个基准时间。选取处理机器周期是所有指令执行过程中的一个基准时间。选

11、取处理器访问一次主存的时间器访问一次主存的时间(也称也称主存周期主存周期)作为机器周期。作为机器周期。 2022-3-812指令（操作码和操作数）指令（操作码和操作数） 指令是处理器完成的最小功能单位。所有指令的集指令是处理器完成的最小功能单位。所有指令的集合称为指令集。指令也是计算机体系结构中最重要的合称为指令集。指令也是计算机体系结构中最重要的属性。属性。 指令包括操作码和操作数。指令包括操作码和操作数。 操作码规定了指令所具有的功能。操作码规定了指令所具有的功能。 操作数是指令所要处理的数据。常以数据所在存操作数是指令所要处理的数据。常以数据所在存储单元的地址形式给出。也称储单元的地址形

12、式给出。也称 “指令地址码指令地址码”。 指令格式的特征。指令格式的特征。 每一条指令的机器码每一条指令的机器码（二进制数的编码具有唯一（二进制数的编码具有唯一性）性）2022-3-813 把在同一把在同一CPU周期内并行执行的微操作控制信息，周期内并行执行的微操作控制信息，存储在控制存储器里，称为一条存储在控制存储器里，称为一条微指令微指令（Microinstruction）。它它是微是微命令的组合，微指令存储命令的组合，微指令存储在控制器中的控制存储器中。在控制器中的控制存储器中。2022-3-814 一条机器指令对应一个微程序，微程序由若干条一条机器指令对应一个微程序，微程序由若干条微指

13、令序列组成。微指令序列组成。 从指令与微指令，程序与微程序，地址与微地址从指令与微指令，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者与控制存储器有关。2022-3-815寻址方式寻址方式 所谓寻址方式（所谓寻址方式（Addressing）指的是指令按照何种）指的是指令按照何种方式寻找或访问到所需的操作数或信息。方式寻找或访问到所需的操作数或信息。 寻址方式分为指令寻址和数据寻址。寻址方式分为指令寻址和数据寻址。 指令寻址是为了找到下一条指令；指令寻址是为了找到下一条指令； 数据寻址是为了找到本条指令所需的操作

14、数。数据寻址是为了找到本条指令所需的操作数。 2022-3-816寻址方式寻址方式 对于指令寻址：对于指令寻址：顺序寻址和跳跃寻址。顺序寻址和跳跃寻址。 数据寻址数据寻址（采用不同寻址方式的目的是（采用不同寻址方式的目的是缩短指令字缩短指令字长，扩大寻址空间，提高编程灵活性长，扩大寻址空间，提高编程灵活性 ） l立即数寻址立即数寻址l直接寻址直接寻址l间接寻址间接寻址 l堆栈寻址堆栈寻址 l寄存器寻址寄存器寻址 l寄存器间接寻址寄存器间接寻址 l基址寻址基址寻址 l变址寻址变址寻址 2022-3-817转移指令和子程序调用的区别转移指令和子程序调用的区别 转移指令和子程序的调用都是程序控制类指

15、令，转移指令和子程序的调用都是程序控制类指令，都可以改变程序执行的顺序。都可以改变程序执行的顺序。 转移指令分条件跳转和无条件跳转。改变程序执转移指令分条件跳转和无条件跳转。改变程序执行的顺序，改写程序计数器行的顺序，改写程序计数器PC的值，跳到另外的地方的值，跳到另外的地方去执行另一段程序。去执行另一段程序。不需要对程序的断点进行保护，不需要对程序的断点进行保护，跳转之后，不会回到原来的地方继续执行。跳转之后，不会回到原来的地方继续执行。2022-3-818转移指令和子程序调用的区别转移指令和子程序调用的区别 子程序调用的时候，首先把当前程序的断点保存到子程序调用的时候，首先把当前程序的断点

16、保存到系系统堆栈中统堆栈中，（断点处指令的，（断点处指令的CS：IP）然后由子程序名获得）然后由子程序名获得子程序的入口地址，把子程序的入口地址写入子程序的入口地址，把子程序的入口地址写入PC，从而去，从而去执行子程序中的指令。执行子程序中的指令。 子程序内部最后的一条指令是子程序的返回指令子程序内部最后的一条指令是子程序的返回指令 RET。 其作用就是从堆栈中恢复断点的值，以便程序能从断点处其作用就是从堆栈中恢复断点的值，以便程序能从断点处继续执行。继续执行。2022-3-819指令的流水线技术指令的流水线技术流水线技术：把一个重复的过程分解为若干个子过程，流水线技术：把一个重复的过程分解为

17、若干个子过程，每个子程序可以与其他子过程同时进行。每个子程序可以与其他子过程同时进行。 流水线技术具有如下特点：流水线技术具有如下特点：l流水过程由若干有联系的子过程组成；流水过程由若干有联系的子过程组成；l每个子过程用专用的功能段实现；每个子过程用专用的功能段实现；l各个功能段所需的时间应尽量相等，这个时间一般作各个功能段所需的时间应尽量相等，这个时间一般作为时钟周期。为时钟周期。2022-3-820小端规则和大端规则小端规则和大端规则低地址的单元存放低位字节，高地址的单元存放高位字低地址的单元存放低位字节，高地址的单元存放高位字节节小端规则小端规则低地址的单元存放高位字节，高地址的单元存放

18、低位字低地址的单元存放高位字节，高地址的单元存放低位字节节大端规则大端规则2022-3-821存储器的主要指标存储器的主要指标 存储器的容量、访问速度、成本存储器的容量、访问速度、成本 容量越大越好、访问速度越快越好、成本越容量越大越好、访问速度越快越好、成本越低越好！低越好！ 存储器的组织形式：存储器的组织形式：存储单元数目存储单元数目 存储字长存储字长 如如210 x 8 该存储器有该存储器有 10位地址总线，共有位地址总线，共有1024个存储单元，每个存储单元存储个存储单元，每个存储单元存储8位。位。2022-3-822ROM、RAM ROM只读存储器，掉电后信息可以保留。一只读存储器，

19、掉电后信息可以保留。一般用作系统程序存储。般用作系统程序存储。 RAM随机存储器，一般用作用户程序存储。随机存储器，一般用作用户程序存储。 2022-3-823主存和辅存主存和辅存 能够被处理器直接访问的存储器称为主存储器；能够被处理器直接访问的存储器称为主存储器； 不能被处理器直接访问的存储器称为辅助存储器。不能被处理器直接访问的存储器称为辅助存储器。 2022-3-824存储器访问的局部性原理存储器访问的局部性原理 时间局部性时间局部性是指将要访问的信息就是现在正在访是指将要访问的信息就是现在正在访问的信息。问的信息。空间局部性空间局部性是指将要用到的信息就在正使是指将要用到的信息就在正使

20、用的信息旁边。用的信息旁边。2022-3-825层次结构的存储系统层次结构的存储系统 计算机存储系统的层次结构中，最重要的两个层次计算机存储系统的层次结构中，最重要的两个层次是采用高速缓冲存储器的是采用高速缓冲存储器的“Cache 主存主存”层次层次，以及，以及基于虚拟存储器的基于虚拟存储器的“主存主存 辅存辅存”层次层次。 引入引入Cache的目的是为了解决访问主存速度不够快的目的是为了解决访问主存速度不够快的问题。的问题。 高度缓存高度缓存Cache位于位于CPU和主存储器之间。和主存储器之间。 主存与主存与Cache映射的三种方式：映射的三种方式： 直接映射、相联映射、组相联映射直接映射

21、、相联映射、组相联映射2022-3-826存储器寻址范围存储器寻址范围 某处理器字长某处理器字长32位，其存储容量为位，其存储容量为16MB，若按双字，若按双字编址，它的寻址范围是多少？编址，它的寻址范围是多少？ 解：解： 处理器字长为处理器字长为32位，双字编址，则每个寻址单元位，双字编址，则每个寻址单元存储的二进制数据的位数为存储的二进制数据的位数为64位。位。 总的存储容量为总的存储容量为16MB，则寻址范围为，则寻址范围为 16MB/64=2M2022-3-827存储器的接口电路存储器的接口电路 位的扩展、字扩展、字和位的同时扩展位的扩展、字扩展、字和位的同时扩展 处理器的数据总线宽度

22、大于存储器的数据线宽度，处理器的数据总线宽度大于存储器的数据线宽度，需要进行位的扩展。需要进行位的扩展。 处理器的地址总线宽度大于存储器的地址线宽度，处理器的地址总线宽度大于存储器的地址线宽度，需要进行字的扩展。需要进行字的扩展。2022-3-828IO接口的概念接口的概念 计算机的外设往往不能直接与系统总线相连，需要一计算机的外设往往不能直接与系统总线相连，需要一个中间环节完成数据缓冲、数据格式转换、通信控制、时个中间环节完成数据缓冲、数据格式转换、通信控制、时序和电平匹配等工作，这个中间环节就是接口电路。序和电平匹配等工作，这个中间环节就是接口电路。主机与外设之间设置接口适配电路的原因主机

23、与外设之间设置接口适配电路的原因: 利用接口可实现多台外部设备的选择。利用接口可实现多台外部设备的选择。 通过接口可实现数据缓冲达到速度匹配。通过接口可实现数据缓冲达到速度匹配。 通过接口可实现数据串通过接口可实现数据串-并格式的转换。并格式的转换。 通过接口可实现电平转换。通过接口可实现电平转换。 通过接口可传送控制命令。通过接口可传送控制命令。 通过接口可监视设备的工作状态。通过接口可监视设备的工作状态。2022-3-829IO端口地址端口地址 端口端口是指接口电路中的一些是指接口电路中的一些寄存器寄存器，分别用来存放数，分别用来存放数据信息、控制信息和状态信息，相应的就有数据端口、控据信

24、息、控制信息和状态信息，相应的就有数据端口、控制端口和状态端口。制端口和状态端口。 处理器通过对端口地址的寻址，找到相应的处理器通过对端口地址的寻址，找到相应的IO设备。设备。 对对I/O的编址有两种方式，一种是独立编址的编址有两种方式，一种是独立编址I/O，另一另一种是存储器映象种是存储器映象I/O。2022-3-830中断的概念中断的概念是一个由内外部事件激发来中断当前是一个由内外部事件激发来中断当前正在执行程序而运行另一个处理程序的过程。正在执行程序而运行另一个处理程序的过程。 有些中断是可屏蔽的，有些中断是不可屏蔽的。有些中断是可屏蔽的，有些中断是不可屏蔽的。 2022-3-831中断

25、的执行过程中断的执行过程Step1、保护断点：将断点地址压入堆栈保存，即当前保护断点：将断点地址压入堆栈保存，即当前PC值入栈。值入栈。Step2、关中断：屏蔽其它中断请求信号关中断：屏蔽其它中断请求信号。Step3、保护现场：将中断服务程序使用的所有寄存器内容入栈。保护现场：将中断服务程序使用的所有寄存器内容入栈。Step4、中断处理：执行中断源所要求的中断服务程序。中断处理：执行中断源所要求的中断服务程序。Step5、恢复现场：恢复被使用寄存器的原有内容。恢复现场：恢复被使用寄存器的原有内容。Step6、开中断：允许接受其它中断请求信号。开中断：允许接受其它中断请求信号。Step7、中断返

26、回：执行中断返回：执行IRET指令，栈顶内容指令，栈顶内容PC，程序跳转回程序跳转回断点处。断点处。2022-3-832中断向量表中断向量表 中断向量和向量表对于理解硬件和软件中断是重中断向量和向量表对于理解硬件和软件中断是重要的。中断向量包含中断服务程序的地址。要的。中断向量包含中断服务程序的地址。2022-3-833技术技术 在在DMA控制器的控制，直接完成控制器的控制，直接完成IO与主存储器之间与主存储器之间的数据传送。的数据传送。DMA控制器需要获得对总线的使用权。控制器需要获得对总线的使用权。 DMA方式传送数据时，每传送一个数据就要用方式传送数据时，每传送一个数据就要用 一个一个存

27、储周期。存储周期。2022-3-834电子计算机中数的表示，英文字母汉字的表示电子计算机中数的表示，英文字母汉字的表示 计算机中带符号的数，需要用一个二进制位表示计算机中带符号的数，需要用一个二进制位表示符号，小数点不需要表示出来。符号，小数点不需要表示出来。 通过定点数和浮点数来表示。通过定点数和浮点数来表示。 理解算术运算式，溢出的判断方法。理解算术运算式，溢出的判断方法。 定点数的补码表示方法。定点数的补码表示方法。 一个英文字母用一个字节描述，一个汉字需要两个一个英文字母用一个字节描述，一个汉字需要两个字节表示。字节表示。2022-3-835IEEE 754 标准定义的单精度数标准定义

28、的单精度数 共共32位，位，1位符号位，位符号位，8位指数位，位指数位，23位尾数。位尾数。2022-3-836总线的分类总线的分类 按照总线传输的信息分类：地址总线、数据总线、按照总线传输的信息分类：地址总线、数据总线、控制总线控制总线2022-3-837总线的指标（位宽、工作频率、传输速率）总线的指标（位宽、工作频率、传输速率） 位宽：总线一次同时传送的信息位数或所需的线数。位宽：总线一次同时传送的信息位数或所需的线数。 工作频率：工作频率：控制总线中的时钟信号线所提供的时钟频率。控制总线中的时钟信号线所提供的时钟频率。 传输速率：传输速率：总线在一秒钟内所能稳定传输数据的字节数，总线在一

29、秒钟内所能稳定传输数据的字节数，单位为单位为KB/s或或MB/s 。 总线的最大数据传输速率称为总线的最大数据传输速率称为总线带宽总线带宽。 总线带宽总线位宽总线带宽总线位宽总线工作频率总线工作频率/8 冯冯. .诺依曼体系结构的计算机包括几部分：诺依曼体系结构的计算机包括几部分： 答：运算器、控制器、存储器、输入设备及输出设备。答：运算器、控制器、存储器、输入设备及输出设备。何谓计算机体系结构？计算机组成？计算机实现？何谓计算机体系结构？计算机组成？计算机实现？ 答：计算机体系结构指程序员（主要是指汇编、操作系统答：计算机体系结构指程序员（主要是指汇编、操作系统程序员）所看到的机器的属性，即

30、机器的概念性结构和功程序员）所看到的机器的属性，即机器的概念性结构和功能表现。能表现。 计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现。计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现。 计算机实现是计算机组成的物理实现。计算机实现是计算机组成的物理实现。计算机的主要性能指标是速度。衡量速度的参数有主频、计算机的主要性能指标是速度。衡量速度的参数有主频、 CPICPI、 MIPSMIPS、 MFLOPSMFLOPS。请解释这些参数含义。请解释这些参数含义。答：主时钟的频率（答：主时钟的频率（f f）叫）叫CPUCPU的主频。主频的倒数称为的主频。主频的倒数称为: : CPU CPU时钟周期（时钟周期（T T），即）

31、，即T=1/fT=1/f。 CPI:CPI:表示每条指令周期数，即执行一条指令所需的平均时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。钟周期数。MIPSMIPS：表示每秒钟执行百万条指令数。：表示每秒钟执行百万条指令数。( (定点机速度指标定点机速度指标) )MFLOPSMFLOPS：表示每秒百万次浮点操作次数。：表示每秒百万次浮点操作次数。8 8位补码定点整数的范围是：位补码定点整数的范围是：-128 -128 +127 +127 写出写出8 8位补码位补码(F9)(F9)1616所对应的定点整数十进制真值：所对应的定点整数十进制真值： (F9) (F9)1616 =(1111

32、1001)=(11111001)2 2 真值为：真值为：-(0000111)-(0000111)2 2 = -(7) = -(7)1010写出十进制数写出十进制数17.62517.625所对应的所对应的IEEE 754 IEEE 754 单精度（单精度（3232位）浮点位）浮点机器数。机器数。 17.625 17.625 =10001.101 =1.0001101=10001.101 =1.0001101 2 2+100+100S=0 E=100+01111111=10000011 M=00011010000000000000000S=0 E=100+01111111=10000011 M=0

33、0011010000000000000000 0 10000011 00011010000000000000000 0 10000011 00011010000000000000000 将十进制数将十进制数 -35.875 -35.875 转化为转化为IEEE 754 IEEE 754 标准的标准的3232位单精度位单精度 浮点数。浮点数。 答：答： -35.875= -100011.111 = - 1.00011111 -35.875= -100011.111 = - 1.00011111 2 2+101+101 S=1 S=1 E=101+01111111=10000100 E=101+0

34、1111111=10000100 M=00011111000000000000000 M=00011111000000000000000 浮点数为：浮点数为： 1 10000100 000111110000000000000001 10000100 00011111000000000000000英文字母的编码是什么？占几个字节？英文字母的编码是什么？占几个字节？ 答：答：ASCIIASCII码，用码，用1 1个字节存储。个字节存储。 国标码国标码用于表示用于表示什么？如何表示与存储？什么？如何表示与存储？ 答：用于表示汉字。用答：用于表示汉字。用4 4位位1616进制数字表示，进制数字表示，

35、2 2个字节存储。个字节存储。存储器的主要功能是什么？存储器的主要功能是什么？ 答：存储程序和数据。答：存储程序和数据。计算机字长计算机字长1616位，其存储容量为位，其存储容量为32MB32MB，若按双字，若按双字编址，它的寻址范围是多少？编址，它的寻址范围是多少？ 答：答：(32M(32M 8 8位位)/32)/32位位=8M=8M答：地址线：答：地址线：1616位。位。 数据线：数据线：1616位。位。 答：小端规则答：小端规则 大端规则大端规则3412CDAB00050000510005200053ABCD123400050000510005200053存储器分级的目的是什么？存储器分

36、级的目的是什么？ Cache-Cache-主存存储层次用来解决主存存储层次用来解决什么问什么问题题？ 主存主存- -辅存存储层次用来解决辅存存储层次用来解决什么问题什么问题？答：答：Cache-Cache-主存存储层次用来解决主存速度低的问题，弥补主存存储层次用来解决主存速度低的问题，弥补CPUCPU与与主存在速度上的差异，在主存和主存在速度上的差异，在主存和CacheCache之间增加辅助硬件使主存之间增加辅助硬件使主存和和CacheCache构成一个整体，从构成一个整体，从CPUCPU角度看，角度看，CPUCPU访问访问CacheCache存储系统存储系统时，速度接近时，速度接近Cache

37、Cache速度，而容量是主存容量，价格速度，而容量是主存容量，价格/ /容量比接容量比接近主存。近主存。CacheCache存储系统对系统程序员和应用程序员都是透明的存储系统对系统程序员和应用程序员都是透明的，因为，因为CPUCPU对对CacheCache和主存层次的调度全部由硬件实现。和主存层次的调度全部由硬件实现。 主存主存- -辅存存储层次用来解决主存容量小的问题，在主存和辅存辅存存储层次用来解决主存容量小的问题，在主存和辅存之间增加辅助硬件和辅助软件，使主存和辅存构成一个整体，之间增加辅助硬件和辅助软件，使主存和辅存构成一个整体，扩大程序可访问的存储空间，通过把磁盘空间当作主存空间供扩

38、大程序可访问的存储空间，通过把磁盘空间当作主存空间供程序使用，建立起一个虚拟存储器。程序使用，建立起一个虚拟存储器。存储器扩展技术主要解决什么？什么是位的扩展，什存储器扩展技术主要解决什么？什么是位的扩展，什么是字的扩展？么是字的扩展？ 答：解决芯片容量与系统容量匹配问题。当芯片答：解决芯片容量与系统容量匹配问题。当芯片数据线位数少于系统数据位数时，需要位扩展；单数据线位数少于系统数据位数时，需要位扩展；单芯片地址位数少于系统地址位数时，需要字扩展。芯片地址位数少于系统地址位数时，需要字扩展。提高访存速度可采取哪些措施？提高访存速度可采取哪些措施？ 答答：(1)(1)采用高速器件，比如采用高速

39、器件，比如SDRAMSDRAM、 DDR SDRAMDDR SDRAM、DDR2 SDRAMDDR2 SDRAM 、 DDR3 SDRAMDDR3 SDRAM。 (2)(2)增加高速缓冲存储器增加高速缓冲存储器cache cache 。 (3)(3)并行存储结构等。并行存储结构等。 例：设例：设CPUCPU共有共有1616根地址线和根地址线和8 8根数据线，并用根数据线，并用MREQMREQ作为作为访存控制信号，访存控制信号，WRWR作为读作为读/ /写命令信号写命令信号( (高为读，低为写高为读，低为写) )。设计一个容量为设计一个容量为32KB32KB、地址范围为、地址范围为0000H00

40、00H7FFFH7FFFH的主存的主存储器。说明设计方案。储器。说明设计方案。G1 Y7G2A 译 Y6G2B 码 :AB 器C Y0 SRAM A12A0 CSD7D0 WE解：芯片容量为：芯片容量为：8K8K8bits=8KB8bits=8KB 32KB 32KB容量的存储器需要容量的存储器需要4 4片片8KB8KB存储芯片；存储芯片； 4 4芯片地址分配如下：芯片地址分配如下： 芯片芯片0 0：0000H0000H1FFFH1FFFH 芯片芯片1 1：2000H2000H3FFFH3FFFH 芯片芯片2 2：4000H4000H5FFFH5FFFH 芯片芯片3 3：6000H6000H7

41、FFFH7FFFH 芯片译码地址分配如下：芯片译码地址分配如下： A A1313A A1414A A1515对应对应3-83-8译码器的输入端译码器的输入端ABCABC，Y Y0 0Y Y3 3译码输译码输出分别选择芯片出分别选择芯片0 0芯片芯片3 3的片选的片选CSCS； WRWR输出至存储芯片的输出至存储芯片的WEWE端，端，MREQMREQ直接输出至直接输出至G1G1，反，反相输出至相输出至G2AG2BG2AG2B。主存与主存与CacheCache的地址映射有几种方式？都是什么方式？哪种方式的地址映射有几种方式？都是什么方式？哪种方式比较实用？比较实用？ 答：三种映射方式：全相联映射、

42、直接映射、组相联映射。答：三种映射方式：全相联映射、直接映射、组相联映射。 其中组相联映射融合了前两种映射的优点，最实用。其中组相联映射融合了前两种映射的优点，最实用。主存和辅存在存储程序方面有什么区别？主存和辅存在存储程序方面有什么区别？CPUCPU访问这两种存储器访问这两种存储器的方式是否相同？的方式是否相同？ 答：主存存储正在或将要执行的程序。执行过的程序也可能存答：主存存储正在或将要执行的程序。执行过的程序也可能存放在主存中。主存只能暂时保存程序，断电即消失。放在主存中。主存只能暂时保存程序，断电即消失。 辅存存放暂不执行或不准备执行的程序；可以长久保存。辅存存放暂不执行或不准备执行的

43、程序；可以长久保存。 CPUCPU可以直接访问主存，无需任何软件驱动。但不能直接访问可以直接访问主存，无需任何软件驱动。但不能直接访问辅存，需要操作系统将辅存的内容调入主存方可访问。辅存，需要操作系统将辅存的内容调入主存方可访问。存储器有存储器有2424位地址，位地址，1616位字长。现有芯片位字长。现有芯片512K512K 8 8位，需要如位，需要如何扩展？扩展几片芯片？用几位地址进行片选？何扩展？扩展几片芯片？用几位地址进行片选？答：需要进行答：需要进行字、位扩展；字、位扩展； 扩展芯片数为扩展芯片数为=(16M=(16M 1616位位)/(0.5M)/(0.5M 8 8位位)=32)=3

44、2 2=642=64片片 用用5 5位地址位地址(A23A19)(A23A19)进行片选，使用进行片选，使用532532译码器。译码器。什么是指令系统？为什么说指令系统是计算机中软件什么是指令系统？为什么说指令系统是计算机中软件和硬件分界的接口？和硬件分界的接口？答：一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计答：一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。它就是这台机器的机器语言。在它算机的指令系统。它就是这台机器的机器语言。在它之下是硬件实现电路，之上是各种软件程序实现。所之下是硬件实现电路，之上是各种软件程序实现。所以说指令系统是计算机中软件和硬件分界的接口。以说指令系统是计

45、算机中软件和硬件分界的接口。指令格式分为几个字段，各字段表示什么内容？指令格式分为几个字段，各字段表示什么内容？ 答：指令格式分为操作码和操作数两个字段。答：指令格式分为操作码和操作数两个字段。 操作码操作码OPOP表示该指令应进行什么性质的操作。不同表示该指令应进行什么性质的操作。不同的指令用操作码字段的不同编码来表示，每一种编码代表的指令用操作码字段的不同编码来表示，每一种编码代表一种指令。若操作码字段有一种指令。若操作码字段有n n位，则可表示位，则可表示2 2n n条指令条指令有有2 2n n种不同的基本操作。种不同的基本操作。 操作数表示指令所要处理的数据。常以数据所在单元操作数表示

46、指令所要处理的数据。常以数据所在单元的地址形式给出。也称的地址形式给出。也称 “ “地址码地址码A A”。 操作数的来源通常为一个立即数（在指令代码中直接给操作数的来源通常为一个立即数（在指令代码中直接给出）、寄存器中内容、存储单元的内容或出）、寄存器中内容、存储单元的内容或I/OI/O端口的内端口的内容。容。 操作数为什么又被称为地址码？指令中常用的操作操作数为什么又被称为地址码？指令中常用的操作数的个数是多少？数的个数是多少？答：操作数常以数据所在单元的地址形式给出。所答：操作数常以数据所在单元的地址形式给出。所以又称为地址码以又称为地址码A A。 指令中常用的操作数的个数为指令中常用的操

47、作数的个数为3 3、2 2、1 1、0 0。对。对应的指令称为三地址指令、二地址指令、单地址应的指令称为三地址指令、二地址指令、单地址指令和零地址指令。指令和零地址指令。指令系统中采用不同寻址方式的主要目的是什么？指令系统中采用不同寻址方式的主要目的是什么？答：缩短指令字长，扩大寻址空间，提高编程灵活性答：缩短指令字长，扩大寻址空间，提高编程灵活性 。哪种寻址方式获取操作数的速度最快？哪种寻址方式获取操作数的速度最快？答：立即寻址。答：立即寻址。单地址指令中为了完成两个数的算术运算，除地址码单地址指令中为了完成两个数的算术运算，除地址码指明的一个操作数以外，另一个数常需采用何种寻址方指明的一个

48、操作数以外，另一个数常需采用何种寻址方式？式？答：隐含寻址。答：隐含寻址。说明说明指令寻址。指令寻址。 答：答：顺序寻址、跳跃寻址（相对寻址）。顺序寻址、跳跃寻址（相对寻址）。指出四种不同的寻址方式；说明每种寻址方式操作数指出四种不同的寻址方式；说明每种寻址方式操作数的位置及寻址过程。的位置及寻址过程。答答：(1)(1)立即寻址：操作数在指令中。取出指令立即得到立即寻址：操作数在指令中。取出指令立即得到 操作数。操作数。 (2)(2)寄存器寻址：操作数在寄存器中，指令中给出寄存寄存器寻址：操作数在寄存器中，指令中给出寄存 器地址，用此地址访问寄存器得到操作数。器地址，用此地址访问寄存器得到操作

49、数。 (3)(3)直接寻址：操作数在存储器中，指令中给出存储器直接寻址：操作数在存储器中，指令中给出存储器 地址，用此地址访问存储器得到操作数。地址，用此地址访问存储器得到操作数。 (4) (4)寄存器间接寻址：操作数在存储器中，指令中给出寄存器间接寻址：操作数在存储器中，指令中给出寄存器地址为形式地址，用此地址访问寄存器得到操作数寄存器地址为形式地址，用此地址访问寄存器得到操作数实际地址，再用该地址访问存储器得到操作数。实际地址，再用该地址访问存储器得到操作数。 指令格式如下所示，其中指令格式如下所示，其中OPOP为操作码，试分析为操作码，试分析指令格式的特点。指令格式的特点。 15 9 7

50、 4 3 0 15 9 7 4 3 0解：指令格式的特点为解：指令格式的特点为 （1 1） 单字长（单字长（1616位）二地址指令；位）二地址指令； （2 2） 操作码字段操作码字段OPOP可以指定的可以指定的2 27 7=128=128条指令；条指令； （3 3） 源寄存器和目标寄存器都是通用寄存器（可分别指源寄存器和目标寄存器都是通用寄存器（可分别指定定1616个寄存器），是个寄存器），是RRRR（寄存器（寄存器- -寄存器）型指令，两个寄存器）型指令，两个操作数均在寄存器中；操作数均在寄存器中； （4 4）操作数寻址方式是寄存器寻址。）操作数寻址方式是寄存器寻址。指令结构如下：分析该指令

51、格式及寻址方式指令结构如下：分析该指令格式及寻址方式答：双字长指令，答：双字长指令，OP=6OP=6，最多可定义，最多可定义6464条不同的条不同的指令；指令； 指令类型为指令类型为RSRS型，源操作数采用寄存器寻址型，源操作数采用寄存器寻址，目标，目标 操作数采用变址寻址（操作数在内存，有效操作数采用变址寻址（操作数在内存，有效地址为地址为 变址寄存器内容加上偏移量）。变址寄存器内容加上偏移量）。 1510 7 4 3 0OP源寄存器源寄存器变址寄存器变址寄存器偏移量偏移量(16位位) 机器字长机器字长3232位，主存容量位，主存容量64KB64KB，采用单字长单地址指，采用单字长单地址指

52、令，令，4040条指令，支持直接、立即，变址及相对四种寻址条指令，支持直接、立即，变址及相对四种寻址 方式设计指令格式方式设计指令格式答：40条指令OP需要6位，4种寻址方式需要2位，64KB主 存容量直接地址需要16位。故指令格式可设计如下 X=00，直接寻址，有效地址EA=A； X=01，立即寻址，D为立即数； X=10，变址寻址，EA=(R)+D X=11，相对寻址，EA=(PC)+D 31 26 25 24 23 21 20 16 15 0OPXRA/D 3232位指令，位指令，7070条，双、单、无操作数，设计指令格式条，双、单、无操作数，设计指令格式满足要求。满足要求。答：双操作数

53、指令格式： 单操作数指令格式： 无操作数指令格式：OP寻址寻址RsRdD735512OP寻址寻址RD735 17OP7 基本的指令类型有哪些？基本的指令类型有哪些？答：数据传送类、运算答：数据传送类、运算( (算数、逻辑、移位运算算数、逻辑、移位运算) )类及控制转移类指令。类及控制转移类指令。执行子程序调用的指令时，如何保护断点信息？执行子程序调用的指令时，如何保护断点信息？答：断点信息即答：断点信息即PCPC值，保存到堆栈中。值，保存到堆栈中。比较转移指令和子程序调用指令在功能上的异同点。比较转移指令和子程序调用指令在功能上的异同点。答：答：转移指令和子程序调用指令都属于控制转移类指令；转

54、移指令和子程序调用指令都属于控制转移类指令； 转移指令分为无条件转移和条件转移。转移指令分为无条件转移和条件转移。 无条件转移是将该指令中无条件转移是将该指令中地址字段内容地址字段内容的内容的内容写入写入PCPC中，中，改改变指令执行顺序；变指令执行顺序； 条件转移指令是当条件满足时，计算机把该指令中条件转移指令是当条件满足时，计算机把该指令中地址字段地址字段内容内容直接写入直接写入PCPC中或者与中或者与PCPC中的内容相加后结果中的内容相加后结果写入写入PCPC中；中； 子程序调用是把当前程序的子程序调用是把当前程序的断点断点(PC(PC值值) )保存到系统堆栈中，保存到系统堆栈中，然后由

55、子程序名求得子程序的入口地址，最后把子程序的然后由子程序名求得子程序的入口地址，最后把子程序的入入口地址写入口地址写入PCPC，从而将程序控制转移至被调子程序。，从而将程序控制转移至被调子程序。CPUCPU的主要功能是什么？的主要功能是什么？答：取指令、执行指令。答：取指令、执行指令。 指令控制、操作控制、时间控制、数据加工指令控制、操作控制、时间控制、数据加工CPUCPU的主要组成部分有哪些？的主要组成部分有哪些？答：运算器、控制器、寄存器。答：运算器、控制器、寄存器。CPUCPU内部的主要寄存器有哪些？内部的主要寄存器有哪些？答：地址寄存器、数据寄存器、通用寄存器、状答：地址寄存器、数据寄

56、存器、通用寄存器、状态字寄存器、程序计数器、指令寄存器、基址态字寄存器、程序计数器、指令寄存器、基址寄存器、变址寄存器。寄存器、变址寄存器。什么是指令周期？什么是指令周期？答：答： CPUCPU每取出一条指令并执行这条指令，都要完成每取出一条指令并执行这条指令，都要完成一系列的操作，这一系列操作所需的时间通常叫做一系列的操作，这一系列操作所需的时间通常叫做一个指令周期。一个指令周期。指令周期、机器周期与时钟周期的关系？指令周期、机器周期与时钟周期的关系？答：一个指令周期含有若干个机器周期，一个机器周答：一个指令周期含有若干个机器周期，一个机器周期含有若干个时钟周期。期含有若干个时钟周期。微程序

57、控制器的工作原理是什么？微程序控制器的工作原理是什么？答：答：把操作控制信号编制成微指令，存放到控制存把操作控制信号编制成微指令，存放到控制存储器里，运行时，从控存中取出微指令，产生指储器里，运行时，从控存中取出微指令，产生指令运行所需的操作控制信号。微程序设计技术是令运行所需的操作控制信号。微程序设计技术是用软件方法来设计硬件的技术。用软件方法来设计硬件的技术。控制器存储器的作用是什么？控制器存储器的作用是什么？答：答：存储微指令。存储微指令。什么是微指令？什么是微指令？答：把在同一答：把在同一CPUCPU周期内并行执行的微操作控制信息，存周期内并行执行的微操作控制信息，存储在控制存储器里，

58、称为一条微指令存储微指令。储在控制存储器里，称为一条微指令存储微指令。 一条机器指令对应一个微程序，微程序由若干条微一条机器指令对应一个微程序，微程序由若干条微指令序列组成。指令序列组成。 从指令与微指令，程序与微程序，地从指令与微指令，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。关，后者与控制存储器有关。什么是指令流水？什么是指令流水？答：答：让多个指令的处理过程在时间上相互错开，轮流使用让多个指令的处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套硬件设备的各个部件，以加快硬件周转而赢得速同一套硬件设备的各个部件，以加快硬件周转而赢得速度，实现方式就是采用流水处理部件。度，实现方式就是采用流水处理部件。指令流水中的主要问题