計算機組成原理複習（第二版）唐朔飛編著（轉載請註明出處---https://www.cnblogs.com/qingl）

計算機組成原理（第2版）唐朔飛編著（轉載請註明出處---https://www.cnblogs.com/qingl）

第一章

 

1.2. 如何理解計算機的層次結構？

答：

虛擬機器M4（高級語言機器）：用編譯程序翻譯成彙編語言程序。

虛擬機器M3（彙編語言機器）：用匯編程序翻譯成機器語言程序。

虛擬機器M2（操做系統機器）：用機器語言解釋操做系統。

傳統機器M1（機器語言機器）：用微程序解釋機器指令。

微程序機器M0（微指令系統）：由硬件直接執行微指令。

 

1.5. 馮•諾依曼計算機的特色是什麼？

答：

l   計算機由運算器、控制器、存儲器、輸入設備、輸出設備五大部件組成；

l   指令和數據以同等地位存放於存儲器內，並可按地址訪問；

l   指令和數據均用二進制表示；

l   指令由操做碼、地址碼兩大部分組成，操做碼用來表示操做的性質，地址碼用來表示操做數在存儲器中的位置；

l   指令在存儲器中順序存放，一般自動順序取出執行；

l   機器以運算器爲中心（原始馮•諾依曼機）。

 

1.6. 畫出計算機硬件組成框圖，說明各部件的做用及計算機硬件的主要技術指標。

答：

計算機硬件組成框圖以下：

 

 

     各部件的做用以下：

     控制器：控制、指揮程序和數據的輸入、運行以及處理運算結果。

     運算器：完成算術運算和邏輯運算，並將運算的中間結果暫時存在運算器內。

     存儲器：存放數據和程序。

     輸入設備：將人們熟悉的信息形式轉換爲機器能識別的信息形式。

     輸出設備：將機器運算結果轉換爲人們熟悉的信息形式。

     計算機硬件的主要技術指標有：

     機器字長：指CPU一次能處理數據的位數。

　  存儲容量：指能存儲信息的最大容量，一般以字節數來衡量。通常包含主存容量和輔存容量。

　  運算速度：現廣泛採用單位時間內執行指令的平均條數來衡量。

 

 

1.8. 解釋下列英文縮寫的中文含義：

CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS

答：

CPU：Central Processing Unit，中央處理機（器），是計算機硬件的核心部件，主要由運算器和控制器組成。

 

PC：Program Counter，程序計數器，其功能是存放當前欲執行指令的地址，並可自動計數造成下一條指令地址。

 

IR：Instruction Register，指令寄存器，其功能是存放當前正在執行的指令。

 

CU：Control Unit，控制單元（部件），爲控制器的核心部件，其功能是產生微操做命令序列。

 

ALU：Arithmetic Logic Unit，算術邏輯運算單元，爲運算器的核心部件，其功能是進行算術、邏輯運算。

 

ACC：Accumulator，累加器，是運算器中既能存放運算前的操做數，又能存放運算結果的寄存器。

 

MQ：Multiplier-Quotient Register，乘商寄存器，乘法運算時存放乘數、除法時存放商的寄存器。

 

X：在此表示操做數寄存器，即運算器中工做寄存器之一，用來存放操做數；

 

MAR：Memory Address Register，存儲器地址寄存器，在主存中用來存放欲訪問的存儲單元的地址。

 

MDR：Memory Data Register，存儲器數據緩衝寄存器，在主存中用來存放從某單元讀出、或要寫入某存儲單元的數據。

 

I/O：Input/Output Equipment，輸入/輸出設備，爲輸入設備和輸出設備的總稱，用於計算機內部和外界信息的轉換與傳送。

 

MIPS：Million Instruction Per Second，每秒執行百萬條指令數，爲計算機運算速度指標的一種計量單位。

 

CPI：Cycle Per Instruction，執行一條指令所需的時鐘週期數。

 

FLOPS：Floating Point Operation Per Second，浮點運算次數每秒。

 

1.10. 指令和數據都存於存儲器中，計算機如何區分它們？

答：

計算機區分指令和數據有如下2種方法：

l   經過不一樣的時間段來區分指令和數據，即在取指令階段（或取指微程序）取出的爲指令，在執行指令階段（或相應微程序）取出的即爲數據。

l   經過地址來源區分，由PC提供存儲單元地址的取出的是指令，由指令地址碼部分提供存儲單元地址的取出的是操做數。

 

 

第三章

 

3.1. 什麼是總線？總線傳輸有何特色？爲了減輕總線負載，總線上的部件應具有什麼特色？

答：

總線是鏈接多個部件的信息傳輸線，是各部件共享的傳輸介質。

特色是：在某一時刻，只容許有一個部件向總線發送信息，而多個部件能夠同時從總線上接收相同的信息。

爲了減輕總線負載，總線上的部件應經過三態驅動緩衝電路與總線連通。

 

3.4. 爲何要設置總線判優控制？常見的集中式總線控制有幾種？各有何特色？哪一種方式響應時間最快？哪一種方式對電路故障最敏感？

答：

總線判優控制解決多個部件同時申請總線時的使用權分配問題；

常見的集中式總線控制有三種：鏈式查詢、計數器定時查詢、獨立請求方式；

鏈式查詢：連線簡單，易於擴充，對電路故障最敏感；

計數器定時查詢：優先級設置較靈活，對故障不敏感，但增長了控制線數，控制也較複雜；

獨立請求方式：響應速度快，優先次序控制靈活，但控制線數量多，總線控制複雜。

 

3.6. 試比較同步通訊和異步通訊。

答：

同步通訊：由統一時鐘控制數據傳送，控制方式簡單，靈活性差，當系統中各部件工做速度差別較大時，總線工做效率明顯降低。通常用於總線長度較短，各部件存取時間比較一致的場合。

異步通訊：不禁統一時鐘控制數據傳送，部件間採用應答方式進行聯繫，控制方式較同步複雜，靈活性高，適合在系統中各部件工做速度差別較大時採用。

 

3.8. 爲何說半同步通訊同時保留了同步通訊和異步通訊的特色？

答：

半同步通訊既能像同步通訊那樣由統一時鐘控制，又能像異步通訊那樣容許傳輸時間不一致，於是工做效率也介於二者之間。

 

3.9. 分離式通信有何特色，主要用於什麼系統？

答：

特色：

（1）各模塊欲佔用總線使用權都必須提出申請；

（2）在獲得總線使用權後，主模塊在先定的時間內向對方傳送信息，採用同步方式傳送，再也不等待對方的回答信號；

（3）各模塊在準備數據的過程當中都不佔用總線，使總線可接受其它模塊的請求；

（4）總線被佔用時都在作有效工做，不存在空閒等待時間，充分利用了總線的佔用，從而實現了總線在多個主、從模塊間進行信息交叉重疊並行傳送。

分離式通信主要用於大型計算機系統。

 

3.10. 什麼是總線標準？爲何要設置總線標準？你知道目前流行的總線標準有哪些？什麼叫plug and play？哪些總線有這一特色？

答：

總線標準：系統與各模塊，模塊與模塊之間的一個互聯的標準界面。

主要爲了解決不一樣廠家各種模塊化產品的兼容問題；

目前流行的總線標準有：ISA、EISA、PCI等；

plug and play：即插即用，USB、PCI等具備此功能。

 

3.13. 什麼是總線的數據傳輸速率，它與哪些因素有關？

答：

即總線帶寬，指單位時間內總線上傳輸數據的位數，一般用每秒傳輸信息的字節數來衡量。

它與總線寬度和總線頻率有關，總線寬度越寬，頻率越快，數據傳輸率越高。

 

 

第四章

 

4.3. 存儲器的層次結構主要體如今什麼地方？爲何要分這些層次？計算機如何管理這些層次？

答：

存儲器的層次結構主要體如今 緩存-主存 和 主存-輔存 這兩個存儲層次上。

緩存-主存 層次主要解決CPU和主存速度不匹配的問題。

主存-輔存 層次主要解決存儲系統的容量問題。

綜合上述兩個存儲層次的做用，從整個存儲系統來看，就達到了速度快、容量大、位價低的優化效果。

主存與緩存之間的信息調度功能所有由硬件和操做系統自動完成。而主存與輔存層次的調度目前普遍採用虛擬存儲技術實現。

 

4.4. 說明存取週期和存取時間的區別。

答：

存取週期：存儲器進行連續兩次獨立的存儲器操做所需的最小間隔時間。

存取時間：啓動一次存儲器操做到完成該操做所需的所有時間。

一般存儲週期大於存取時間。

 

4.9. 什麼叫刷新？爲何要刷新？說明刷新有幾種方法。

答：

刷新：對動態RAM按期進行的信息所有重寫過程；

刷新緣由：某些存儲單元長期得不到訪問，其存儲單元內的原信息會慢慢消失；

經常使用的刷新方法有三種：集中刷新、分散刷新、異步刷新。

集中刷新：在規定的一個刷新週期內，對所有存儲單元集中一段時間逐行進行刷新，存在CPU訪存「死區」。

分散刷新：對每行存儲單元的刷新分散到每一個存取週期內完成。

異步刷新：是前兩種方式的結合，它既可縮短「死時間」，又充分利用最大刷新間隔爲2 ms的特色。

 

4.25. 什麼是「程序訪問的局部性」？存儲系統中哪一級採用了程序訪問的局部性原理？

答：

CPU從主存取指令或取數據，在必定時間內，只是對主存局部地址區域的訪問。

存儲系統中 緩存-主存 層次和 主存-輔存 層次均採用了程序訪問的局部性原理。

 

4.33．簡要說明提升訪存速度可採起的措施。

答：

（1）採用高速元件。例如採用高性能存儲芯片。

（2）採用層次結構。

（3）調整主存結構。如採用單體多字系統或採用多體並行系統。

 

 

第五章

 

5.1.  I/O設備有哪些編址方式？各有何特色？

答：

統一編址：佔用了存儲空間，減小了主存容量，但無須專用的I/O指令

不統一編址：又叫獨立編址，不佔用存儲空間，故不影響主存容量，但需設I/O專用指令。

 

5.10. 什麼是I/O接口，與端口有何區別？爲何要設置I/O接口？I/O接口如何分類？

答：

I/O接口一般是指主機與I/O設備之間設置的一個硬件電路及其相應的軟件控制，而端口是指接口電路中的一些寄存器。

設置I/O接口的理由：

1）經過接口可實現I/O設備的選擇

2）。。。。可實現數據緩衝

3）。。。。可實現數據串 - 並格式的轉換

4）。。。。可傳送命令

5）經過接口可監視設備的工做狀態

按數據傳送方式分類：並行接口和串行接口。

按功能選擇的靈活性分類：可編程接口和不可編程接口。

按通用性分類：通用接口和專用接口。

按數據傳送的控制方式分類：程序型接口和DMA型接口。

 

5.11簡述I/O接口的功能和基本組成

答：

功能：

1）  選址功能

2）  傳送命令的功能

3）  傳送數據的功能

4）  反映I/O設備工做狀態的功能

I/O接口的基本組成包括命令寄存器、命令譯碼器、數據緩衝寄存器、狀態標誌觸發器和屏蔽觸發器等。

 

5.14. 在什麼條件下，I/O設備能夠向CPU提出中斷請求？

答：

若I/O設備未被屏蔽（MASK=0），且當I/O設備工做已完成時（D=1），則中斷查詢信號將INTR置「1」，表示I/O設備向CPU發出中斷請求，該信號可送至排隊器進行優先級判斷。

 

5.16. 在什麼條件和什麼時間，CPU能夠響應I/O的中斷請求？

答：

當容許中斷觸發器EINT=1，且至少有一箇中斷請求被查到，則在一條指令執行完時，響應中斷。

 

 5.35. 試從5個方面比較程序中斷方式和DMA方式的區別。

答：

1）  數據傳送：程序中斷方式靠程序傳送，DMA方式靠硬件傳送。

2）  CPU響應時間：程序中斷方式是在一條指令執行結束時響應，而DMA方式可在指令週期內的任一存取週期結束時響應。

3）  程序中斷方式有處理異常事件的能力，DMA方式則沒有。

4）  程序中斷方式須要中斷現行程序，故須要保護現場；DMA方式不中斷現行程序，無須保護現場。

5）  DMA的優先級比程序中斷方式的優先級高。

 

 

第六章

 

6.5. 已知[x]_補，求[x]_原和x。

     [x1]_補 = 1.1100;  [x2]_補 = 1.1001;  [x3]_補 = 0.1110;   [x4]_補 = 1.0000;

     [x5]_補 = 1,0101;  [x6]_補 = 1,1100;  [x7]_補 = 0,0111;   [x8]_補 = 1,0000;

解：

[x]_補與[x]_原、x的對應關係以下：

[x]補	1.1100	1.1001	0.1110	1.0000	1,0101	1,1100	0,0111	1,0000
[x]原	1.0100	1.0111	0.1110	無	1,1011	1,0100	0,0111	無
x	-0.0100	-0.0111	0.1110	-1	-1011	-100	0,0111	-10000

 

6.10. 在整數定點機中，設機器數採用1位符號位，寫出±0的原碼、補碼、反碼和移碼，得出什麼結論？

解：

0的機器數形式以下：（假定機器數共8位，含1位符號位在內）

真值	原碼	補碼	反碼	移碼
+0	0 000 0000	0 000 0000	0 000 0000	1 000 0000
-0	1 000 0000	0 000 0000	1 111 1111	1 000 0000

結論：0的原碼和反碼分別有+0和-0兩種形式，補碼和移碼只有一種形式，且補碼和移碼數值位相同，符號位相反。

 

6.15. 什麼是機器零？若要求全0表示機器零，浮點數的階碼和尾數應採起什麼機器數形式？    

答：

機器零指機器數所表示的零的形式。

它與真值零的區別是：機器零在數軸上表示爲「0」點及其附近的一段區域，即在計算機中小到機器數的精度達不到的數均視爲「機器零」，而真零對應數軸上的一點（0點）。若要求用「全0」表示浮點機器零，則浮點數的階碼應用移碼、尾數用補碼錶示。

 

 

第七章

 

7.21比較RISC和CISC

答：

與CISC機相比，RISC機的主要優勢以下：

1）  充分利用VLSI芯片的面積

2）  提升計算機運算速度

3）  便於設計，可下降成本，提升可靠性

4）  有效支持高級語言程序

5）  簡化了指令系統，指令數量少，但較難以兼容老機器

 

 

第八章

 

8.9 當遇到什麼狀況時流水線將受阻？舉例說明。

答：

流水線受阻通常有三種狀況：結構相關、數據相關和控制相關。

1）  結構相關是 多條指令進入流水線後， 硬件資源知足不了指令重疊執行的要求時產生的。

2）  數據相關是 指令在流水線中重疊執行時，當後繼指令須要用到前面指令的執行結果時發生的。

3）  控制相關是 當流水線遇到分支指令和其餘改變PC值得指令時引發的。

 

 

第九章

 

9.3. 什麼是指令週期、機器週期和時鐘週期？三者有何關係？

答：

指令週期：CPU取出並執行一條指令所需的所有時間；

機器週期：以訪問一次存儲器的時間定爲基準時間，這個基準時間就是機器週期。

時鐘週期：也稱爲振盪週期，定義爲時鐘脈衝的倒數。

指令週期一般用若干個機器週期表示，而機器週期又包含若干個時鐘週期。

 

9.9. 試比較同步控制、異步控制和聯合控制的區別。

答：

同步控制：任何一條指令或指令中任何一個微操做的執行都是事先肯定的，而且都受統一基準時標的時序信號控制。

異步控制：不存在基準時標信號，沒有固定的週期節拍和嚴格的時鐘同步。

聯合控制：同步控制和異步控制相結合就是聯合控制方式。這種方式對各類不一樣指令的微操做實行大部分統1、小部分區別對待的方法。

 

 

第十章

 

10.10. 微指令的操做控制有幾種編碼方式？各有何特色？哪種控制速度最快？

答：

1）直接編碼方式：含義清晰、速度快，但控存容量極大。

2）字段直接編碼方式：縮短了微指令的長度，但執行速度稍慢。

3）字段間接編碼方式：進一步縮短了微指令字長，但削弱了並行控制能力。

4）混合編碼：直接編碼和字段編碼的混合。

5）其餘。。

 

10.17. 解釋機器指令、微指令、微程序、毫微指令和毫微程序以及它們之間的對應關係。

答：

機器指令：由「0」，「1」代碼組成，能被機器直接運行。

微指令：用來解釋機器指令。

微程序：微指令的有序集合。一條機器指令的功能由一段微程序來實現。

毫微指令：用來解釋微指令的。

毫微程序：用來解釋微程序的。毫微程序由毫微指令組成。