计算机组成原理-第28讲(习题)

计算机组成原理-第28讲(习题)绪论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)系统绪论01输入设备、输出设备、存储器、运算器和控制器。计算机的五大部件冯·诺依曼体系结构和哈佛体系结构。计算机的体系结构微程序机器级别、传统机器语言级别、操作系统级别、汇编语言级别、高级语言级别和应用语言级别。计算机的层次结构计算机组成与体系结构机器字长数据通路宽度存储容量运算速度计算机性能指标指计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。存储器可以容纳的二进制信息量，通常用字节数或字数×字长的形式来表示。数据总线一次所能并行传送信息的位数。用每秒钟所能执行的指令条数来表示，单位一般用MIPS（百万条指令/秒）。深入理解计算机组成原理中的基本概念和原理，如计算机的层次结构、指令系统、存储系统、中央处理器等。掌握基本概念和原理通过大量的习题和模拟试题来巩固和加深对知识点的理解和掌握。做习题和模拟试题认真阅读教材和参考书，理解其中的重点和难点，形成自己的知识体系。阅读教材和参考书与同学和老师进行讨论和交流，分享学习心得和体会，互相帮助，共同提高。参加讨论和交流复习方法数据的表示和运算02数制与编码包括进制、基数、位权等。二进制、八进制、十进制和十六进制。掌握不同数制间的转换方法，如二进制与十进制、八进制与十六进制之间的转换。了解原码、反码、补码等编码方式及其特点。数制的基本概念常见数制数制间的转换编码方式了解定点数的表示方法，包括无符号数和有符号数的表示。定点数的表示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等。定点数的运算定点数的表示和运算了解浮点数的表示方法，包括阶码和尾数的表示。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处理等。浮点数的表示和运算浮点数的运算浮点数的表示了解ALU的基本功能，包括算术运算和逻辑运算。ALU的基本功能ALU的组成ALU的工作原理了解ALU的组成结构，包括算术逻辑部件、寄存器组和控制电路等。掌握ALU的工作原理，包括指令译码、操作数获取、运算执行和结果写回等过程。030201算术逻辑单元(ALU)存储器层次结构03位于CPU内部，速度最快，容量最小，用于暂存指令和数据。寄存器高速缓存（Cache）主存储器（内存）外存储器（辅存）位于CPU和主存之间，速度较快，容量较小，用于存放CPU近期可能用到的数据和指令。位于CPU之外，速度较慢，容量较大，用于存放程序和数据。位于主机之外，速度最慢，容量最大，用于长期保存信息。存储器的层次化结构用于传送主存单元的地址。地址总线用于在CPU与主存之间传送数据。数据总线用于传送控制信号，如读/写命令、片选信号等。控制总线主存储器与CPU的连接Cache的工作原理01基于程序访问的局部性原理，将近期可能用到的数据和指令存放在Cache中，以减少对主存的访问次数。Cache的命中与未命中02当CPU需要的数据或指令在Cache中时称为命中，否则称为未命中。命中时直接从Cache中读取数据或指令，未命中时需要从主存中读取并放入Cache中。Cache的替换策略03当Cache已满且需要放入新的数据时，需要替换出其中的某个数据。常见的替换策略有先进先出（FIFO）、最近最少使用（LRU）等。高速缓冲存储器(Cache)虚拟存储器是一种扩大内存容量的技术，它将内存和外存结合起来使用，使得程序可以像访问内存一样访问外存中的数据。虚拟存储器的概念虚拟存储器通过地址映射和页面置换等技术实现。地址映射将程序的逻辑地址转换为物理地址；页面置换则用于管理内存和外存之间的数据交换。虚拟存储器的实现虚拟存储器可以扩大内存容量、提高内存利用率、实现内存保护等。同时，由于程序可以分段装入内存，因此可以实现程序的并发执行和多道程序设计等。虚拟存储器的优点虚拟存储器指令系统04

指令格式操作码指定指令要进行的操作类型，如加、减、乘、除等。地址码指定操作数的地址或立即数，可以是寄存器、内存地址或立即数本身。指令长度一条指令所占用的位数，与机器字长有关。立即寻址操作数就在指令中，紧跟在操作码后面，作为指令一部分存放在内存的代码段中，该操作数为立即数，这种寻址方式称为立即寻址方式。存储单元的有效地址EA（即操作数的有效地址）直接由指令给出。操作数所在内存单元的地址通过存储器间接给出。操作数包含在寄存器中，寄存器的名称由指令指定。操作数所在内存单元的地址通过寄存器间接给出。直接寻址寄存器寻址寄存器间接寻址间接寻址寻址方式乘法指令将两个操作数相乘，结果存放在指定的寄存器或内存中。加法指令将两个操作数相加，结果存放在指定的寄存器或内存中。减法指令将两个操作数相减，结果存放在指定的寄存器或内存中。除法指令将两个操作数相除，结果存放在指定的寄存器或内存中。跳转指令根据条件跳转到指定地址执行代码。指令集举例指令集小而简单、采用加载/存储结构、大量使用寄存器、寻址方式简单、使用固定长度的指令格式等。RISC技术特点包括提高了处理器的性能、降低了功耗、减少了芯片面积和成本等。RISC技术的优点包括RISC技术中央处理器(CPU)05功能CPU是计算机的运算核心和控制核心，负责执行各种算术和逻辑运算，以及控制和管理计算机的各种资源。基本结构CPU主要由运算器、控制器和寄存器组等部件组成。其中，运算器负责执行各种算术和逻辑运算；控制器负责控制和管理计算机的各种资源，包括取指、译码、执行等过程；寄存器组用于暂存数据和指令。CPU的功能和基本结构取指译码执行写回指令执行过程01020304控制器从存储器中取出指令，放入指令寄存器。指令译码器对指令进行译码，确定操作性质和操作数地址。运算器根据译码结果，执行相应的操作。将运算结果写回到寄存器或存储器中。功能数据通路是CPU中执行指令的核心路径，负责数据的传输、处理和存储。基本结构数据通路主要由总线、寄存器、算术逻辑单元（ALU）等部件组成。其中，总线用于在CPU内部传输数据；寄存器用于暂存数据和指令；ALU负责执行各种算术和逻辑运算。数据通路的功能和基本结构功能控制器是CPU的指挥中心，负责控制和管理计算机的各种资源，确保指令的正确执行和数据的正确传输。工作原理控制器通过取指、译码、执行等过程，控制CPU按照程序的要求正确执行指令。同时，控制器还负责处理中断和异常事件，确保计算机的稳定运行。在控制器的指挥下，CPU的各个部件协同工作，完成各种复杂的计算任务。控制器的功能和工作原理总线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。总线概述123物理特性、机械特性、功能特性、电气特性总线特性单总线结构、多总线结构总线结构总线宽度、标准传输率、时钟同步/异步、总线复用、信号线数、总线控制方式、其他指标总线性能指标总线概述总线仲裁集中式仲裁链式查询、计数器定时查询、独立请求方式分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个设备或模块都有自己的仲裁号和仲裁器通信双方由统一时标控制数据传送称为同步通信。在同步通信中，通信双方必须保持严格的同步，即必须在规定的时间内完成规定的操作。同步定时方式异步通信是指通信中两个字符（8位）之间的时间间隔是不固定的，而在一个字符内各位的时间间隔是固定的。异步定时方式总线操作和定时EISA总线扩展工业标准结构（EISA,ExtendedIndustryStandardArchitecture）总线是1988年由Compaq和9个主要厂商协同提出的32位总线标准。ISA总线工业标准体系结构（ISA,IndustryStandardArchitecture）是IBMPC/AT机所采用的总线结构。PCI总线PCI（PeripheralComponentInterconnect）总线是当前最流行的总线之一，它是由Intel公司推出的一种局部总线。总线标准举例输入/输出(I/O)系统07I/O设备的定义输入/输出设备是计算机与外部世界交互的接口，用于接收用户输入的数据和命令，或向用户显示处理结果。I/O操作的特点I/O操作通常比CPU速度慢，因此CPU需要等待I/O操作的完成。此外，I/O操作通常是异步的，即CPU不会一直等待I/O操作，而是继续执行其他任务。I/O接口的作用I/O接口是连接CPU和I/O设备的桥梁，它负责数据的传输和控制信号的传递。I/O系统基本概念中断的定义中断是指CPU在执行程序时，由于某种原因需要暂停当前程序的执行，转而执行另一段程序，这段程序通常用于处理突发事件或异常情况。中断处理的过程当中断发生时，CPU保存当前程序的执行上下文（如程序计数器、寄存器状态等），然后跳转到中断处理程序。中断处理程序执行完毕后，CPU恢复保存的上下文并继续执行原程序。中断的类型根据中断的来源和性质，可以将中断分为外部中断（由外部设备触发）、内部中断（由CPU内部异常触发）和软件中断（由程序主动触发）。中断处理DMA的定义DMA（DirectMemoryAccess）是一种允许外部设备和内存直接进行数据传输的技术，无需CPU的干预。DMA传输的过程在DMA传输中，外部设备通过DMA控制器直接访问内存，将数据从设备传输到内存或从内存传输到设备。DMA控制器负责控制数据传输的过程，包括地址管理、数据传输和错误检测等。DMA的优点DMA传输可以减轻CPU的负担，提高数据传输的效率。同时，由于DMA传输直接在内存和设备之间进行，避免了数据在CPU和内存之间的频繁拷贝，从而提高了系统的整体性能。010203DMA传I/O接口I/O接口是连接CPU和I