计算机组成原理课后答案(第二版)-唐朔飞-第十章

计算机组成原理课后答案(第二版)_唐朔飞_第十章目录计算机系统概述指令系统CPU的结构和功能存储器系统输入输出系统计算机系统性能评价01计算机系统概述计算机系统的物理实体，包括中央处理器、存储器、输入输出设备等。硬件软件操作系统计算机系统的程序和数据，包括系统软件和应用软件。管理和控制计算机系统资源的软件，是用户和计算机之间的接口。030201计算机系统的基本组成计算机系统的物理硬件，包括中央处理器、存储器、输入输出设备等。硬件层管理和控制计算机系统资源的软件，包括进程管理、内存管理、文件管理等。操作系统层直接面向用户的软件，为用户提供各种应用服务。应用软件层计算机系统的层次结构计算机从内存中取出指令并执行，包括取指、解码、执行等阶段。指令执行过程计算机对数据进行输入、存储、处理和输出等操作。数据处理过程将程序和数据存放在内存中，由操作系统负责管理和调度。存储程序工作方式计算机的工作过程02指令系统是用来描述程序的指令，由操作码和地址码组成。指令是计算机中所有指令的集合，是计算机硬件与软件之间的接口。指令系统随着计算机技术的发展，指令系统也在不断发展和完善。指令系统的发展根据不同的分类标准，可以将指令系统分为不同的类型，如复杂指令系统（CISC）和精简指令系统（RISC）。指令系统的分类指令系统的基本概念指令格式是指令的组成形式，包括操作码和地址码两部分。表示指令的操作性质和功能，如加、减、乘、除等。表示操作数的地址，可以是寄存器、内存单元或输入/输出端口等。是指令中操作码和地址码所占的位数。指令格式操作码地址码指令长度间接寻址操作数是间接给出的，地址码指向一个内存单元，该单元的内容作为操作数的地址。内存寻址操作数在内存单元中，地址码指定内存单元的地址。寄存器寻址操作数在寄存器中，地址码指定寄存器的名称。寻址方式是指确定操作数所在位置的方法。立即寻址操作数的值就在操作码中，没有地址码。寻址方式用于在寄存器之间、寄存器和内存单元之间传送数据。数据传送类指令用于完成输入/输出操作、中断处理等系统控制功能。系统控制类指令用于执行加、减、乘、除等算术运算。算术运算类指令用于执行逻辑与、逻辑或、逻辑异或等逻辑运算。逻辑运算类指令用于改变程序执行的顺序，如无条件转移、条件转移等。控制转移类指令0201030405指令的功能和类型03CPU的结构和功能

CPU的基本结构运算器执行算术和逻辑运算操作，包括加、减、乘、除、与、或、非等基本运算。控制器负责控制指令的执行顺序，协调运算器和其他部件的工作。寄存器存储运算结果和中间结果，以及控制信号等数据。指令执行按照程序指令的顺序执行操作。数据处理执行算术和逻辑运算，处理数据。控制信号协调其他部件的工作，确保指令正确执行。CPU的功能时序系统产生各种时钟信号，控制指令的执行顺序。微操作序列发生器根据控制单元发出的控制信号，生成一系列微操作序列，控制CPU各部件的具体动作。控制单元根据指令操作码生成相应的控制信号，协调各部件的工作。控制器的组成与实现04存储器系统寄存器位于CPU内部，速度最快，容量最小，一般用来暂存中间操作结果。寄存器高速缓存是位于CPU和主存之间的规模较小但速度很高的存储器，用来存放CPU经常访问的指令和数据。高速缓冲存储器主存是计算机系统中的主要存储器，用于存放操作系统、应用程序和数据等。主存储器外存是计算机系统中的辅助存储器，如硬盘、光盘等，容量大，价格便宜，但访问速度较慢。外存储器存储器系统的层次结构分类容量速度价格主存储器01020304主存储器可以分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。主存的容量通常以字节为单位，常见的容量有1MB、2GB、4TB等。主存的存取速度受到芯片结构、工艺和操作方式等因素的影响，通常比外存快。主存的单位容量价格比外存高。高速缓冲存储器工作原理高速缓存利用程序局部性原理，将CPU近期访问的指令和数据预先取到高速缓存中，以便提高访问速度。命中率高速缓存的命中率是指CPU访问的数据在高速缓存中命中的概率，一般要求达到90%以上。容量高速缓存的容量通常为几十KB至几百KB。替换策略当高速缓存已满时，需要替换其中的内容，常见的替换策略有最近最少使用（LRU）算法等。分类容量速度价格外存储器外存储器可以分为磁表面存储器和光存储器两类。外存的访问速度比主存慢得多，但比磁盘快。外存的容量通常很大，常见的有1TB、2TB、4TB等。外存的单位容量价格比主存便宜得多。05输入输出系统I/O设备是指与计算机主机相连的各种外部设备，如显示器、键盘、鼠标、打印机等。它们是计算机系统的重要组成部分，负责与外部环境进行信息交互。I/O接口是指计算机主机与外部设备之间的连接部件。它负责将外部设备的信号传输到主机内部，并将主机的信号传输到外部设备。常见的I/O接口有串口、并口、USB接口等。I/O设备与I/O接口在这种方式下，每一个I/O设备都有自己的地址码，通过地址码来识别和访问不同的设备。这种方式需要占用大量的地址线，但可以实现灵活的访问控制。独立编址在这种方式下，所有的I/O设备都统一编入内存地址空间，作为内存单元来访问。这种方式可以减少地址线的数量，但访问控制相对固定。统一编址I/O设备的编址方式程序查询方式在这种方式下，CPU通过不断地查询I/O设备的状态来了解数据传输的进度。当数据传输完成或发生错误时，CPU会得到通知并进行相应的处理。这种方式简单但效率较低。中断方式在这种方式下，当数据传输完成或发生错误时，I/O设备会向CPU发送中断信号，CPU会暂停当前的工作，转去处理中断事件。这种方式可以提高CPU的利用率。I/O数据传输控制方式06计算机系统性能评价通过运行一系列标准化的测试用例，评估计算机在不同场景下的性能表现。基准测试模拟高负载或极端条件下的性能表现，以检测计算机的稳定性和可靠性。压力测试将不同型号、配置的计算机进行性能对比，以评估其优劣。对比测试根据测试结果，对计算机硬件和软件进行优化，以提高性能。性能调优计算机性能测试ABCD运算速度指计算机执行算术和逻辑操作的速度，通常以每秒执行的指令数（MIPS）或每秒浮点运算次数（FLOPS）来衡量。数据