計算機組成原理答疑--來源於南京大學課件

1.數據通路寬度、機器字長、「字」寬、存儲單元寬度、編址單位、總線寬度、指令字長各指什麼？它們之間有何關係?

答：在計算機內部，有指令和數據兩大類信息。指令和數據都以二進制形式存放在存儲器中，運行程序時，須要把指令和數據從存儲器讀出，經過總線傳輸到CPU，而後，CPU再經過執行指令來對操做數進行相應的運算，最後把結果數據送到寄存器或存儲器中。因此，在設計或使用計算機過程當中，要涉及到：指令和數據在存儲器中按什麼長度存放；寫入或讀出時按什麼長度存取；在總線上傳輸時同時傳送多少位；數據和指令送到CPU後，在CPU的寄存器中按多少位存放；在運算器中按多少位運算；等等問題。於是出現瞭如下一些概念，它們的定義和關係以下：

「數據通路」是指數據在CPU中所通過的路徑，連同路徑上的部件，包括：通用寄存器、多路選擇器、符號擴展器、零擴展器、ALU、移位寄存器等。這些部件的寬度和數據傳送的路徑寬度都是一致的，這個一致的寬度就是數據通路的寬度。CPU中有定點運算器和浮點運算器，於是，相對應的就有定點運算器的數據通路和浮點運算器數據通路。二者的寬度不一樣，浮點運算器的數據通路要寬的多。

「機器字長」是計算機的一個很是重要的指標。一般稱32位機器或64位機器，就是指機器的字長是32位或64位。通常狀況下，機器字長定義爲CPU中在同一時間內一次可以處理的二進制數的位數，實際上就是CPU中數據通路的位數。由於機器字長與內存單元的地址位數有關，而地址計算是在定點運算器中進行的。因此，通常把定點運算器的數據通路寬度定爲機器字長。

在計算機中，「字」的概念常常出現。一個「字」的寬度並不等於機器字長。「字」做爲機器中全部信息寬度的計量單位，對於某個系列機來講，其字寬老是固定的。例如，在80x86系列中，一個字的寬度爲16位，所以，32位是雙字，64位是四字。在IBM303X系列中，一個字的寬度爲32位，因此16位爲半字，32位爲單字、64位爲雙字。

「存儲單元」指存儲器中具備相同地址的若干個存儲元件（或稱存儲元、存儲基元、記憶單元）構成的一個存儲單元中的二進制代碼，其寬度等於一個編址單位的長度，能夠是8位、16位、32位等。如今，大多數計算機是按字節編址的，即：每個字節（8位）有一個地址，編址單位就是一個字節，因此一個存儲單元的寬度（位數）是8位。因而可知，一個數據（如：32位整數、32位浮點數或64位浮點數等）可能佔多個存儲單元。一次從存儲器讀出或寫入的信息也可能有多個存儲單元。

「指令字長」指指令的位數。有定長指令字機器和不定長指令字機器。定長指令字機器中全部指令的位數是相同的，目前定長指令字大可能是32位指令字。不定長指令字機器的指令有長有短，但每條指令的長度通常都是8的倍數。因此，一個指令字在存儲器中存放時，可能佔用多個存儲單元；從存儲器讀出並經過總線傳輸時，可能分屢次進行，也可能一次讀多條指令。

 

第一章 計算機系統概論

本章主要對計算機系統做了概述性的說明，指出了「計算機組成原理」課程的內容在整個計算機系統中的位置。主要內容包括：

(1) 計算機系統的組成：分軟件和硬件兩部分。硬件和軟件的界面是指令系統。

(2) 計算機系統的層次結構：

①從機器使用者的角度來講，粗分爲應用軟件、系統軟件和硬件三個層次。

②從程序設計員和機器硬件設計者的角度來講，細分爲：高級語言虛擬機、彙編語言虛擬機、操做系統虛擬機、機器語言機器、微程序機器。

(3) 硬件和軟件的相互關係：

①二者相輔相成，缺一不可。

②二者都用來實現邏輯功能，同一功能可用硬件實現，也可用軟件實現。

(4) 馮諾依曼計算機結構的特色：

①有運算器、控制器、存儲器、輸入、輸出五大部分組成。

②指令和數據用二進制表示，二者形式上沒有差異。

③指令和數據存放在存儲器中，按地址訪問。

④指令由操做碼和地址碼組成，操做碼指定操做性質，地址碼指定操做數地址。

⑤採用「存儲程序控制」方式進行工做。

(5) 計算機硬件的基本組成和功能：

①運算器用來進行各類算術邏輯運算。

②控制器用來執行指令，送出操做控制信號，

③存儲器用來存放指令和數據。

④輸入和輸出設備用來實現計算機和用戶之間的信息交換。

(6) 計算機的工做過程：

①用某種語言（高級語言或低級語言）編制程序，稱爲源程序。

②用語言處理程序（編譯程序或彙編程序）將源程序翻譯成機器語言目標程序。

③啓動目標程序，將所含的指令和數據裝入內存。

④從第一條指令開始執行：取指令、指令譯碼、取操做數，運算、送結果、PC指向下一條指令。

⑤重複第 = 4 \* GB3 ④步，周而復始地執行指令，直到程序所含指令所有執行完。

(7) 計算機系統性能評價指標：

①機器字長：CPU一次能處理數據的位數，通常以定點運算器數據通路寬度爲準。

②運行速度：

a)主頻：CPU主脈衝的時鐘頻率。

b)CPI：執行一條指令所需的CPU主脈衝時鐘個數。

c)定點指令執行速度：每秒鐘執行多少百萬條定點指令數（MIPS）。

d)浮點操做運算速度：每秒鐘執行多少浮點數操做（FLOPS）。

③存儲容量：

a)主存容量：包含RAM和ROM兩部分。以單元個數x存儲單元寬度或字節數來表示。

b)輔存容量：磁盤容量，以字節爲單位，如：80GB。