计算机组成原理课后习题及答案

计算机组成原理课后习题及答案CATALOGUE目录计算机系统概述数字逻辑基础计算机中的数据表示运算方法与运算器指令系统与寻址方式中央处理器存储系统输入输出系统01计算机系统概述包括中央处理器、存储器、输入输出设备等，是计算机的物理实体。硬件包括系统软件和应用软件，是计算机的程序和数据。软件是计算机系统的核心软件，负责管理计算机的硬件和软件资源。操作系统计算机系统的组成电子管计算机，出现于20世纪40年代，体积庞大、耗能高、可靠性差。第一代计算机晶体管计算机，出现于20世纪50年代，比电子管计算机体积小、耗能低、可靠性提高。第二代计算机集成电路计算机，出现于20世纪60年代，体积进一步缩小，性能进一步提高。第三代计算机大规模集成电路计算机，出现于20世纪70年代，成为现代计算机的基础。第四代计算机计算机系统的发展历程指计算机完成一项操作所需的时间，包括CPU主频、内存带宽等。运算速度存储容量可靠性可扩展性指计算机存储数据的能力，包括硬盘容量、内存大小等。指计算机在规定时间内完成规定任务的能力，包括平均无故障时间、平均修复时间等。指计算机系统能够适应业务发展和变化的能力，包括硬件和软件的扩展性。计算机系统的性能指标02数字逻辑基础二进制、八进制、十进制和十六进制是常用的数制。每种数制都有其特定的基数和权值规则。原码、反码和补码是计算机中常用的编码方式，用于表示整数和浮点数。此外，还有ASCII码、Unicode码等用于表示字符。数制与编码编码数制逻辑代数基础基本逻辑运算与、或、非是逻辑代数中的基本运算，还有异或、同或等复合逻辑运算。逻辑表达式的化简通过逻辑代数的定律和规则，可以将复杂的逻辑表达式化简为简单的形式，便于分析和设计数字电路。基本逻辑门电路与门、或门、非门是基本的逻辑门电路，还有与非门、或非门等复合逻辑门电路。门电路的特性每种逻辑门电路都有其特定的输入和输出关系，以及传输延迟时间等特性。逻辑门电路03计算机中的数据表示二进制数二进制是计算机内部最基本的数据表示形式，0和1表示不同的数据状态。十六进制数为了方便表示和记忆，有时采用十六进制数来表示数据，用0-9和A-F表示数值。十进制数计算机内部采用二进制表示十进制数，通过不同位数的二进制数来表示不同的十进制数值范围。数值型数据的表示字符编码计算机中采用特定的编码方式来表示字符，如ASCII码和Unicode码，将字符映射为二进制数。图像编码图像在计算机中以像素为单位存储，采用位图或矢量图的方式表示，并通过不同的编码方式压缩存储。音频编码音频在计算机中以波形的方式存储，采用不同的编码方式如MP3、AAC等对波形数据进行压缩和处理。非数值型数据的表示通过在数据中添加一位校验位，使得整个数据中1的个数为偶数（偶校验）或奇数（奇校验），用于检测数据传输过程中的错误。奇偶校验循环冗余校验码是一种利用除法算法检测错误的方法，通过将数据看作一段二进制数，计算出一个余数作为校验码，接收端再根据同样的算法进行计算，如果结果一致则说明数据传输无误。CRC校验数据校验码04运算方法与运算器定点数是一种将数字表示为固定小数点的形式，通常用于计算机内部表示和计算。定点数可以用二进制、十进制或十六进制表示。定点数的表示定点数运算包括加法、减法、乘法和除法等基本算术运算，以及位移、逻辑等位运算。这些运算都是基于二进制位运算实现的。定点数的运算定点数的表示与运算浮点数的表示浮点数是一种表示实数的方法，其精度取决于尾数和指数的位数。浮点数通常用IEEE754标准表示，包括符号位、尾数和指数三个部分。浮点数的运算浮点数运算包括加法、减法、乘法和除法等基本算术运算，以及开方和乘方等运算。这些运算需要考虑到浮点数的精度和舍入误差。浮点数的表示与运算VS运算器是计算机中实现算术和逻辑运算的部件，主要由加法器、寄存器和控制单元组成。加法器用于实现加法、减法和位移等算术运算，寄存器用于暂存操作数和中间结果，控制单元用于控制运算器的操作流程。运算器的设计运算器的设计需要考虑操作数的表示、运算的精度和速度、以及控制单元的设计等因素。为了提高运算速度，可以采用并行处理和流水线等技术。同时，还需要考虑功耗和面积等资源限制因素。运算器的组成运算器的组成与设计05指令系统与寻址方式指令格式与寻址方式概述指令由操作码和地址码组成，操作码指定操作类型，地址码指定操作数所在内存单元的地址。指令格式根据指令地址码字段的不同，可以分为立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址等。寻址方式根据指令地址码字段的不同，计算机系统需要执行不同的操作来获取操作数。数据传送类指令用于在内存单元之间、寄存器之间或内存单元与寄存器之间传输数据。指令的寻址过程数据传送类指令指令的寻址过程与数据传送类指令算术逻辑类指令用于执行算术运算和逻辑运算，如加法、减法、乘法、除法、逻辑与、逻辑或等。算术逻辑类指令位操作类指令用于对二进制位进行操作，如位与、位或、位异或、位取反等。位操作类指令算术逻辑类指令与位操作类指令06中央处理器功能指令控制、操作控制、数据运算、数据存储组成运算器、控制器、寄存器CPU的功能与组成硬连线设计将指令系统中的每条指令用硬件实现，适用于固定功能的专用计算机要点一要点二微程序设计将指令系统中的每条指令用微程序实现，适用于通用计算机CPU的设计方法流水CPU将指令执行过程划分为多个阶段，每个阶段由一个独立的处理单元完成，实现并行处理，提高CPU的执行效率并行处理技术利用多个处理单元同时处理多个任务，提高计算机系统的处理能力流水CPU与并行处理技术07存储系统总结词详细描述总结词详细描述总结词详细描述了解存储器的层次结构是理解计算机如何管理数据的关键。存储器层次结构分为多个层次，包括寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器。每个层次都有其特定的功能和特点，从寄存器到辅助存储器，容量逐渐增大，速度逐渐减慢，价格逐渐降低。理解存储器的层次结构有助于优化程序的性能。通过合理利用不同层次的存储器，可以减少访问辅助存储器的次数，从而提高程序的性能。例如，频繁使用的数据可以存储在高速缓存中，以加快访问速度。了解存储器的层次结构有助于理解计算机的性能瓶颈。当程序访问数据时，如果数据不在高速缓存中，则需要从主存储器中读取，这会导致性能下降。因此，了解存储器的层次结构可以帮助我们识别和解决计算机的性能瓶颈。存储器的层次结构总结词主存储器是计算机的重要组成部分，负责存储程序和数据。详细描述主存储器由多个存储单元组成，每个单元可以存储一个字节或多个字节的数据。这些单元按照地址进行组织，通过地址码来访问。主存储器的容量和速度直接影响计算机的性能。总结词主存储器的设计需要考虑容量、速度和价格等因素。详细描述为了提高计算机的性能，主存储器应具备较大的容量和较快的访问速度。同时，主存储器的价格也需要考虑，以确保计算机的成本效益。因此，主存储器的设计需要在这些因素之间进行权衡。01020304主存储器的组成与设计总结词高速缓冲存储器Cache是一种特殊的存储器，用于提高计算机的内存访问速度。详细描述Cache采用高速的SRAM（静态随机存取存储器）制成，其访问速度比主存储器快得多。当CPU访问内存时，它会先检查所需的数据是否在Cache中。如果数据在Cache中（这种情况称为命中），则直接从Cache中读取数据，否则需要从主存储器中读取数据，并将数据同时存入Cache中（这种情况称为未命中）。通过使用Cache，可以大大减少CPU访问主存储器的次数，从而提高计算机的性能。高速缓冲存储器Cache08输入输出系统I/O接口与I/O设备I/O接口定义I/O接口是计算机与外部设备之间的信息交换通道，它负责将外部设备的输入/输出信号转换成计算机可识别的信号。I/O设备分类常见的I/O设备包括键盘、鼠标、显示器、打印机、扫描仪等输入输出设备。在这种方式下，CPU通过执行I/O指令来控制外部设备的操作，包括启动、停止、数据传输等。程序控制方式在这种方式下，当外部设备完成一项操作后，会向CPU发送中断信号，CPU会暂停当前任务，转去处理该中断信号，处理完毕后再返回原任务继续执行。中断控制方式