计算机组成原理复习题

计算机组成原理复习计算机系统概述数据的表示和运算存储器层次结构指令系统中央处理器(CPU)总线输入/输出(I/O)系统计算机系统概述01计算机发展历程第一代计算机（1946-1957）电子管时代，使用真空电子管作为逻辑元件，体积庞大、耗电量高、可靠性差。第二代计算机（1958-1964）晶体管时代，使用晶体管作为逻辑元件，体积减小、耗电量降低、可靠性提高。第三代计算机（1965-1970）集成电路时代，使用中小规模集成电路作为逻辑元件，体积进一步减小、性能进一步提高。第四代计算机（1971年至今）大规模和超大规模集成电路时代，使用大规模和超大规模集成电路作为逻辑元件，体积更小、性能更强、价格更低。高级语言级别高级语言源程序经过编译或解释得到的机器语言程序或汇编语言程序。汇编语言级别汇编语言源程序经过汇编得到的机器语言程序，与机器语言程序一一对应。操作系统级别操作系统程序在机器指令系统之上，实现操作系统功能。微程序机器级别微指令由硬件直接执行，微程序由微指令构成，用于描述机器指令。传统机器级别用微程序解释机器指令系统，该级别实现的是计算机的传统定义。计算机系统层次结构机器字长指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。字长越长，数的表示范围越大，精度也越高。存储容量包括主存容量和辅存容量，主存容量通常以字节为单位来衡量，辅存容量通常以字节或位为单位来衡量。运算速度用每秒钟所能执行的指令条数来表示，单位为MIPS（百万条指令/秒）。影响运算速度的因素包括主频、存取周期、CPI（每条指令所需时钟周期数）等。计算机性能指标数据的表示和运算02数制的基本概念常见数制数制间的转换编码方式数制与编码包括进制、基数、位权等。掌握不同数制间的转换方法，如二进制与十进制、八进制与二进制等。二进制、八进制、十进制和十六进制。了解原码、反码、补码等编码方式及其特点。定点数的概念小数点位置固定的数。定点数的表示了解定点数在计算机中的表示方法，如定点整数和定点小数。定点数的运算掌握定点数的加、减、乘、除等基本运算，以及溢出处理和移位操作。定点数的表示和运算03浮点数的运算掌握浮点数的加、减、乘、除等基本运算，以及规格化处理和舍入误差分析。01浮点数的概念小数点位置可变的数。02浮点数的表示了解浮点数的表示方法，包括阶码和尾数。浮点数的表示和运算实现算术运算和逻辑运算。ALU的功能包括加、减、乘、除等基本运算及其实现原理。算术运算包括与、或、非等基本逻辑运算及其实现原理。逻辑运算了解ALU的内部结构，如加法器、移位器、寄存器等。ALU的组成算术逻辑单元(ALU)存储器层次结构03存储器的分类按存储介质可分为半导体存储器、磁表面存储器、光表面存储器；按存取方式可分为随机存取存储器（RAM）、顺序存取存储器（SAM）、直接存取存储器（DAM）、按内容可寻址的存储器（CAM）。存储器的性能指标存储容量、存取时间、存储周期、存储器带宽。存储器的分类与性能指标RAM（RandomAccessMemory，随机…可读可写，断电后信息丢失，如计算机内存。RAM又可分为静态RAM（StaticRAM/SRAM）和动态RAM（DynamicRAM/DRAM）。要点一要点二ROM（Read-OnlyMemory，只读存储器）只读不写或不易写入，断电后信息不丢失，如计算机BIOS芯片。ROM又可分为可编程ROM（PROM）、可擦除可编程ROM（EPROM）和电可擦除可编程ROM（EEPROM）。主存储器：RAM和ROM123局部性原理，包括时间局部性和空间局部性。Cache的基本原理由Cache存储体、地址转换部件和替换部件组成。Cache的组织结构读操作先判断数据是否在Cache中，若在则直接读取，若不在则进行替换；写操作有写直达法和写回法两种方式。Cache的读写操作高速缓冲存储器(Cache)虚拟存储器是一种存储管理技术，它允许程序使用比物理内存更大的内存空间。虚拟存储器的概念通过请求分页或请求分段技术实现，将程序的一部分装入内存，其余部分留在外存，当需要时再调入内存。虚拟存储器的实现当内存空间不足时，需要将某些页面调出内存，常用的页面置换算法有先进先出算法（FIFO）、最近最久未使用算法（LRU）、最佳置换算法（OPT）等。页面置换算法虚拟存储器指令系统04指令格式与寻址方式指令格式指令由操作码和地址码两部分组成，操作码指明操作的性质，地址码表示操作数的地址或立即数。寻址方式包括立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址等多种方式，用于确定操作数的有效地址。指令分类根据指令的功能和性质，可分为数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、程序控制指令等。指令功能数据传送指令用于在寄存器与存储器之间或寄存器与寄存器之间传送数据；算术运算指令用于执行加、减、乘、除等算术运算；逻辑运算指令用于执行与、或、非等逻辑运算；程序控制指令用于改变程序执行的顺序。指令的分类与功能指令系统复杂，指令条数多，寻址方式多，可编程性强，但执行速度慢。CISC（复杂指令集计算机）指令系统简单，指令条数少，寻址方式少，可编程性较差，但执行速度快。RISC（精简指令集计算机）CISC和RISC指令系统取指从存储器中取出指令，放入指令寄存器。译码将指令寄存器中的操作码译码，确定操作的性质和操作数的地址。执行根据译码结果，执行相应的操作。写回将执行结果写回到寄存器或存储器中。指令的执行过程中央处理器(CPU)05执行算术和逻辑运算运算器控制器寄存器组CPU内部总线控制计算机各部件协同工作暂存数据和指令连接各部件，实现数据传CPU的功能和组成VS完成一条指令所需的时间，包括取指、译码、执行和写回等阶段机器周期CPU执行最基本操作的时间单位，通常与主频相关指令周期指令周期与机器周期微程序存储在控制存储器中的一系列微指令，用于实现指令的功能微指令控制计算机各部件执行微操作的命令微地址微指令在控制存储器中的地址微程序控制器通过硬件电路实现控制功能，速度快但灵活性差硬布线逻辑输出的控制信号，用于控制计算机各部件的操作硬布线逻辑控制信号硬布线控制器将一条指令的执行过程划分为多个阶段，每个阶段由不同的硬件部件同时执行，提高CPU的吞吐率在一个时钟周期内同时发射多条指令，进一步提高CPU的性能流水线与超标量技术超标量技术流水线技术总线06总线定义总线（Bus）是计算机各种功能部件之间传送信息的公共通信干线，它是由导线组成的传输线束，按照计算机所传输的信息种类，计算机的总线可以划分为数据总线、地址总线和控制总线，分别用来传输数据、数据地址和控制信号。总线分类根据总线所处位置的不同，总线可分为片内总线和系统总线。系统总线根据传输信息内容的不同又可分为数据总线、地址总线和控制总线。总线概述与分类总线通信与仲裁方式总线上的主设备和从设备之间可以通过总线进行双向通信，通信过程包括寻址阶段、数据传输阶段和结束阶段。总线通信当多个主设备同时请求使用总线时，需要一种仲裁机制来决定哪个主设备优先获得总线的使用权。常见的仲裁方式有集中式仲裁和分布式仲裁两种。仲裁方式常见总线标准计算机中常用的总线标准有ISA总线、EISA总线、VESA总线和PCI总线等。其中，PCI总线是目前应用最广泛的计算机总线之一。接口电路接口电路是连接计算机各部件与总线的桥梁，它负责将部件的数据格式转换为总线上传输的数据格式，同时提供必要的控制信号和时序。常见总线标准与接口电路评价一个总线的性能主要有以下几个指标：总线的带宽（即数据传输速率）、总线的位宽（即数据总线的位数）、总线的工作频率和总线的负载能力等。总线性能指标随着计算机技术的不断发展，未来总线技术将朝着更高的带宽、更低的延迟、更智能的管理和更广泛的应用领域等方向发展。同时，随着物联网、云计算等技术的兴起，总线技术也将面临新的挑战和机遇。未来发展总线性能指标与未来发展输入/输出(I/O)系统07负责计算机与外部设备之间的数据传输和控制的系统。I/O系统定义包括I/O接口、I/O设备、I/O控制逻辑和I/O数据缓冲等部分。I/O系统组成通常包括启动、检查、传送和结束等步骤。I/O操作过程I/O系统基本概念与组成I/O接口功能实现计算机与外设之间的数据传输和控制，提供缓冲和暂存功能，以及进行信号转换和电平匹配等。I/O接口类型根据数据传输方式可分为并行接口和串行接口；根据信号电平可分为TTL接口和RS-232接口等。I/O接口功能与类型程序查询方式中断控制方式DMA控制方式I/O控制方式及特点比较通过程序不断查询I/O设备的状态，直到设备准备好数据或完成操作。这种方式简单但效率低下。当I/O设备准备好数据或完成操作时，通过中断请求通知CPU进行处理。这种方式提高了CPU的利用率，但需要处理中断开销。通过专门的DMA控制器直接控制内存与I/O设备之间的数据传输，无需CPU干预。这种方式传输速度快，但需要额外的硬件支持。打印机将计算机内部的文档或图像信息转换为纸质输出。性能指标包括打印速度、打印精度、耗材成本和可维护性等