计算机组成原理复习(缩略版)

2023/2/61考试题型选择题30分填空题20分

简答题40分综合题10分希望大家认真复习，仔细审题，不要提前交卷！2023/2/62主要内容（电子计算机的基本结构）冯.诺依曼计算机模型

1、计算机由运算器、存储器、输入/输出设备和控制器组成，并以运算器为中心连接在一起。2、存储器由一组一维排列、线性编址的存储单元组成，每个存储单元的位数是相等且固定的，存储单元按地址访问。3.“程序”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。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操作码类规定。2023/2/63冯.诺依曼计算机模型

4、指令和数据均采用二进制数表示，并以二进制数形式进行运算。5、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。6、设置“程序计数器PC”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1，指向下一条指令的存储单元。主要内容（电子计算机的基本结构）2023/2/64计算机的体系结构指程序员所看到的机器的属性，即机器的概念性结构和功能表现。这些属性主要是指令系统、数据表示、中断系统、寄存器组织等。计算机的组成计算机体系结构的逻辑实现计算机的实现

计算机组成的物理实现主要内容（电子计算机的基本结构）2023/2/65可见属性可以看见的属性，比如对于汇编语言程序员，指令集是可见的。

MAR、MDR寄存器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。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。数据总线的宽度、微程序对汇编语言程序员、机器语言程序员透明对硬件设计者、计算机维修人员不透明主要内容（电子计算机的基本结构）2023/2/66主要内容（处理器）处理器的组成

处理器的基本组成包括：寄存器、运算器和控制器处理器的内部有大量的寄存器：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CU的指挥下完成的。处理数据的功能单元叫算术逻辑单元ALU，它的功能是对数据进行各种算术运算或逻辑运算。2023/2/67主要内容（处理器）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。（1）取指令。处理器根据PC给出的主存地址访问主存储器，取出一个标准字长的指令，将其送入处理器内部专门存放当前指令的指令寄存器IR，然后PC加1。2023/2/68主要内容（处理器）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。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。选取处理器访问一次主存的时间(也称主存周期)作为机器周期。2023/2/69主要内容（处理器）指令（操作码和操作数）

指令是处理器完成的最小功能单位。所有指令的集合称为指令集。指令也是计算机体系结构中最重要的属性。

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“指令地址码”。

指令格式的特征。

每一条指令的机器码（二进制数的编码具有唯一性）2023/2/610主要内容（处理器）

把在同一CPU周期内并行执行的微操作控制信息，存储在控制存储器里，称为一条微指令（Microinstruction）。它是微命令的组合，微指令存储在控制器中的控制存储器中。2023/2/611主要内容（处理器）

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。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。2023/2/612主要内容（处理器）寻址方式所谓寻址方式（Addressing）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。

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；数据寻址是为了找到本条指令所需的操作数。

2023/2/613主要内容（处理器）寻址方式对于指令寻址：顺序寻址和跳跃寻址。

数据寻址（采用不同寻址方式的目的是缩短指令字长，扩大寻址空间，提高编程灵活性）

立即数寻址直接寻址间接寻址堆栈寻址

寄存器寻址寄存器间接寻址基址寻址变址寻址

2023/2/614主要内容（处理器）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令，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。改变程序执行的顺序，改写程序计数器PC的值，跳到另外的地方去执行另一段程序。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。2023/2/615主要内容（处理器）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系统堆栈中，（断点处指令的CS：IP）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PC，从而去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

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继续执行。2023/2/616主要内容（处理器）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，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：流水过程由若干有联系的子过程组成；每个子过程用专用的功能段实现；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。2023/2/617主要内容（处理器）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节——小端规则低地址的单元存放高位字节，高地址的单元存放低位字节——大端规则2023/2/618主要内容（存储器）ROM、RAMROM只读存储器，掉电后信息可以保留。一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。

2023/2/619主要内容（存储器）存储器访问的局部性原理时间局部性是指将要访问的信息就是现在正在访问的信息。空间局部性是指将要用到的信息就在正使用的信息旁边。2023/2/620主要内容（存储器）层次结构的存储系统计算机存储系统的层次结构中，最重要的两个层次是采用高速缓冲存储器的“Cache主存”层次，以及基于虚拟存储器的“主存辅存”层次。

引入Cache的目的是为了解决访问主存速度不够快的问题。高度缓存Cache位于CPU和主存储器之间。

主存与Cache映射的三种方式：直接映射、相联映射、组相联映射2023/2/621主要内容（存储器）存储器寻址范围某处理器字长32位，其存储容量为16MB，若按双字编址，它的寻址范围是多少？解：处理器字长为32位，双字编址，则每个寻址单元存储的二进制数据的位数为64位。总的存储容量为16MB，则寻址范围为

16MB/64=2M2023/2/622主要内容（存储器）存储器的接口电路

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大于存储器的数据线宽度，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，需要进行字的扩展。2023/2/623主要内容（输入输出接口与中断系统）IO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。主机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。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-并格式的转换。通过接口可实现电平转换。通过接口可传送控制命令。通过接口可监视设备的工作状态。2023/2/624主要内容（输入输出接口与中断系统）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PC值入栈。Step2、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。Step4、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。Step6、开中断：允许接受其它中断请求信号。Step7、中断返回：执行IRET指令，栈顶内容→PC，程序跳转回断点处。2023/2/625主要内容（输入输出接口与中断系统）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要的。中断向量包含中断服务程序的地址。2023/2/626主要内容（输入输出接口与中断系统）ＤＭＡ技术

在DMA控制器的控制，直接完成IO与主存储器之间的数据传送。DMA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一个存储周期。2023/2/627主要内容（信息的表示）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符号，小数点不需要表示出来。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。

定点数的补码表示方法。一个英文字母用一个字节描述，一个汉字需要两个字节表示。2023/2/628主要内容（信息的表示）IEEE754标准定义的单精度数共32位，1位符号位，8位指数位，23位尾数。2023/2/629主要内容（总线技术）总线的分类

按照总线传输的信息分类：地址总线、数据总线、控制总线冯.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。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。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。计算机的主要性能指标是速度。衡量速度的参数有主频、CPI、MIPS、MFLOPS。请解释这些参数含义。答：主时钟的频率（f）叫CPU的主频。主频的倒数称为:CPU时钟周期（T），即T=1/f。

CPI: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。MIPS：表示每秒钟执行百万条指令数。(定点机速度指标)MFLOPS：表示每秒百万次浮点操作次数。8位补码定点整数的范围是：-128+127

写出8位补码(F9)16所对应的定点整数十进制真值：(F9)16

=(11111001)2真值为：-(0000111)2=-(7)10写出十进制数17.625所对应的IEEE754单精度（32位）浮点机器数。17.625

=10001.101=1.00011012+100S=0E=100+01111111=10000011M=0001101000000000000000001000001100011010000000000000000

将十进制数-35.875转化为IEEE754标准的32位单精度浮点数。答：

-35.875=-100011.111=-1.000111112+101

S=1E=101+01111111=10000100M=00011111000000000000000

浮点数为：

11000010000011111000000000000000英文字母的编码是什么？占几个字节？答：ASCII码，用1个字节存储。

国标码用于表示什么？如何表示与存储？答：用于表示汉字。用4位16进制数字表示，2个字节存储。存储器的主要功能是什么？答：存储程序和数据。计算机字长16位，其存储容量为32MB，若按双字编址，它的寻址范围是多少？答：(32M8位)/32位=8M某SRAM芯片，其存储容量为64K×16位，该芯片的地址线和数据线数目各为多少？答：地址线：16位。数据线：16位。

按照小端及大端存放规则，写出数据ABCD1234H在连续4个内存单元（00050H00053H）中的存放结果。

答：小端规则大端规则3412CDAB00050000510005200053ABCD123400050000510005200053存储器分级的目的是什么？Cache-主存存储层次用来解决什么问题？主存-辅存存储层次用来解决什么问题？答：Cache-主存存储层次用来解决主存速度低的问题，弥补CPU与主存在速度上的差异，在主存和Cache之间增加辅助硬件使主存和Cache构成一个整体，从CPU角度看，CPU访问Cache存储系统时，速度接近Cache速度，而容量是主存容量，价格/容量比接近主存。Cache存储系统对系统程序员和应用程序员都是透明的，因为CPU对Cache和主存层次的调度全部由硬件实现。

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。提高访存速度可采取哪些措施？答：(1)采用高速器件，比如SDRAM、DDRSDRAM、DDR2SDRAM、DDR3SDRAM。

(2)增加高速缓冲存储器cache。

(3)并行存储结构等。例：设CPU共有16根地址线和8根数据线，并用MREQ作为访存控制信号，WR作为读/写命令信号(高为读，低为写)。设计一个容量为32KB、地址范围为0000H～7FFFH的主存储器。说明设计方案。G1Y7G2A译

Y6G2B

码:AB器CY0

SRAM

A12…A0CSD7…D0WE解：芯片容量为：8K×8bits=8KB32KB容量的存储器需要4片8KB存储芯片；

4芯片地址分配如下：芯片0：0000H～1FFFH

芯片1：2000H～3FFFH

芯片2：4000H～5FFFH

芯片3：6000H～7FFFH

芯片译码地址分配如下：

A13A14A15对应3-8译码器的输入端ABC，Y0～Y3译码输出分别选择芯片0～芯片3的片选CS；

WR输出至存储芯片的WE端，MREQ直接输出至G1，反相输出至G2AG2B。主存与Cache的地址映射有几种方式？都是什么方式？哪种方式比较实用？

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。主存和辅存在存储程序方面有什么区别？CPU访问这两种存储器的方式是否相同？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。

CPU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。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。操作码OP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，每一种编码代表一种指令。若操作码字段有n位，则可表示2n条指令—有2n种不同的基本操作。操作数表示指令所要处理的数据。常以数据所在单元的地址形式给出。也称“地址码A”。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I/O端口的内容。

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？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A。指令中常用的操作数的个数为3、2、1、0。对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。哪种寻址方式获取操作数的速度最快？答：立即寻址。单地址指令中为了完成两个数的算术运算，除地址码指明的一个操作数以外，另一个数常需采用何种寻址方式？答：隐含寻址。说明指令寻址。答：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的位置及寻址过程。答：(1)立即寻址：操作数在指令中。取出指令立即得到操作数。

(2)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。

(3)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。(4)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OP为操作码，试分析指令格式的特点。1597430OP—源寄存器目标寄存器解：指令格式的特点为（1）单字长（16位）二地址指令；（2）操作码字段OP可以指定的27=128条指令；（3）源寄存器和目标寄存器都是通用寄存器（可分别指定16个寄存器），是RR（寄存器-寄存器）型指令，两个操作数均在寄存器中；（4）操作数寻址方式是寄存器寻址。基本的指令类型有哪些？答：数据传送类、运算(算数、逻辑、移位运算)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？答：断点信息即PC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。答：转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。无条件转移是将该指令中地址字段内容的内容写入PC中，改变指令执行顺序；条件转移指令是当条件满足时，计