计算机组成原理课后答案(第二版)-唐朔飞-第九章

计算机组成原理课后答案(第二版)-唐朔飞-第九章CATALOGUE目录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01绪论计算机的硬件组成01包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五个基本部分。计算机的体系结构02指计算机系统的组织结构和功能分配，包括指令系统、数据表示、寻址方式、中断系统、存储系统、I/O系统等方面的设计。计算机组成与体系结构的关系03计算机组成是实现计算机体系结构的基础，而计算机体系结构是计算机组成的抽象和表示。计算机组成与体系结构

计算机发展历程及趋势计算机发展历程经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路等五个发展阶段。计算机发展趋势未来计算机将朝着巨型化、微型化、网络化、智能化和多媒体化等方向发展。计算机发展对社会的影响计算机的普及和应用已经深刻地改变了人们的生产和生活方式，推动了社会的进步和发展。010405060302学习目的：掌握计算机组成原理的基本概念、基本原理和设计方法，培养分析和设计计算机系统的能力。学习要求掌握计算机系统的基本组成和工作原理；理解计算机指令系统、存储系统和I/O系统的设计原理和实现方法；了解计算机新技术的发展动态和应用前景；具备分析和解决计算机系统设计和应用问题的能力。本课程学习目的和要求02数据的表示和运算数制与编码数制的基本概念包括进制、基数、位权等。二进制、十进制和十六进制数的表示方法掌握各种数制数的书写规则和相互转换方法。二进制数的算术运算包括二进制数的加、减、乘、除等基本运算。编码的基本概念理解编码的含义和分类，如原码、反码、补码等。掌握定点数的小数点和数值部分的表示方法。定点数的表示方法定点数的运算定点数的表示范围包括定点数的加、减、乘、除等基本运算，以及溢出判断和处理方法。理解定点数能够表示的最大值和最小值，以及精度问题。030201定点数的表示和运算浮点数的运算包括浮点数的加、减、乘、除等基本运算，以及规格化处理和舍入误差分析。浮点数的表示范围和精度理解浮点数能够表示的最大值、最小值和精度问题。浮点数的表示方法掌握浮点数的阶码、尾数和符号位的表示方法。浮点数的表示和运算03ALU的性能指标了解ALU的性能指标，如运算速度、功耗和可靠性等。01ALU的基本功能掌握ALU能够完成的算术和逻辑运算功能，如加、减、与、或、非等。02ALU的组成和工作原理理解ALU的内部组成和工作流程，如基本运算器、寄存器组和控制逻辑等。算术逻辑单元(ALU)03存储器层次结构层次化结构的优点通过将不同速度和容量的存储器组合在一起，可以优化性能并降低成本。数据的局部性原理程序在执行时往往呈现出时间局部性和空间局部性，这是层次化存储结构设计的基础。存储器的三个主要层次主存储器、高速缓冲存储器和辅助存储器，它们在速度、容量和价格上有所不同。存储器的层次化结构123主存储器是计算机系统中的主要存储部件，用于存放程序和数据。主存储器的作用主存储器通过数据总线、地址总线和控制总线与CPU相连。主存储器与CPU的连接方式主存储器的性能指标包括存储容量、存取时间、存储周期和存储器带宽等。主存储器的性能指标主存储器与CPU的连接Cache的作用Cache是位于CPU和主存储器之间的一种高速小容量存储器，用于存放CPU最近访问过的数据和指令，以减少CPU对主存储器的访问次数，提高程序的执行速度。Cache的工作原理Cache采用了一种叫做“映射”的技术，将主存中的块映射到Cache中的块。当CPU需要访问主存时，首先检查所需的块是否在Cache中。如果在，则直接从Cache中读取，这被称为“命中”；如果不在，则需要从主存中读取并放入Cache中，这被称为“未命中”。Cache的性能指标Cache的性能指标包括命中率、未命中率和访问时间等。高速缓冲存储器(Cache)虚拟存储器是一种抽象层次的存储器，它允许程序像访问连续的物理内存一样访问内存，而实际上程序可能分布在多个不连续的物理内存区域中。虚拟存储器的概念虚拟存储器通过内存管理单元(MMU)和页表等机制实现地址映射和页面置换等功能。虚拟存储器的实现方式虚拟存储器可以扩大程序的寻址空间，提高内存的利用率，同时实现程序的保护和共享等功能。虚拟存储器的优点虚拟存储器04指令系统包括操作码、地址码等部分，用于标识指令的操作和操作数的地址。指令的基本格式指令字长是指一条指令所占的位数，与计算机的字长有关。指令字长包括立即数、寄存器名、内存地址等多种格式，用于满足不同的寻址方式和操作需求。指令的扩展格式指令格式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指令集举例存储指令逻辑指令将寄存器中的数据存储到内存中。进行与、或、非等逻辑运算。加载指令算术指令转移指令将内存中的数据加载到寄存器中。进行加、减、乘、除等算术运算。改变程序的执行流程，跳转到指定地址执行。RISC（ReducedInstructionSetComputer）即精简指令集计算机，是一种执行较少类型计算机指令的微处理器。RISC技术的主要特点包括：指令集简单、固定长度、流水线技术等，旨在提高处理器的执行效率和性能。与CISC（ComplexInstructionSetComputer）即复杂指令集计算机相比，RISC技术具有更高的执行效率和更低的功耗，因此在嵌入式系统、移动设备等领域得到了广泛应用。RISC技术05中央处理器(CPU)功能CPU是计算机的核心部件，负责执行程序中的指令，进行算术和逻辑运算，控制数据的传输和处理等。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，运算器负责执行算术和逻辑运算；控制器负责控制指令的执行和数据的传输；寄存器组用于暂存数据和地址等信息。CPU的功能和基本结构根据程序计数器(PC)的值从内存中取出指令，并放入指令寄存器(IR)中。取指将程序计数器加1，指向下一条要执行的指令。更新PC对指令寄存器中的指令进行译码，确定操作数的地址和操作码。分析根据操作码和操作数的地址，执行相应的操作，如算术运算、逻辑运算、数据传输等。执行将执行结果写回到寄存器或内存中。写回0201030405指令执行过程数据通路是CPU中执行指令的核心路径，负责数据的传输、处理和存储等操作。功能数据通路主要由运算器、寄存器组、数据总线和控制信号等部件组成。其中，运算器负责数据的算术和逻辑运算；寄存器组用于暂存数据和地址等信息；数据总线用于在CPU内部传输数据；控制信号用于控制数据通路的各个部件协同工作。基本结构数据通路的功能和基本结构功能控制器是CPU中的指挥中心，负责控制指令的执行、数据的传输和处理等操作。工作原理控制器根据程序计数器(PC)的值从内存中取出指令，并对指令进行译码。然后，根据译码结果生成相应的控制信号，控制数据通路中的各个部件协同工作，完成指令的执行。同时，控制器还负责处理异常和中断等事件。控制器的功能和工作原理硬布线控制器硬布线控制器采用固定逻辑电路实现控制信号的产生，具有速度快、效率高的优点。但是，硬布线控制器的设计和实现比较复杂，且不够灵活。微程序控制器微程序控制器采用微程序实现控制信号的产生。微程序是一组微指令的集合，每个微指令对应一个基本的微操作。微程序控制器通过执行微程序来实现对复杂指令的控制，具有设计简单、易于实现和修改的优点。但是，微程序控制器的速度相对较慢。硬布线控制器和微程序控制器06总线总线是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。总线定义按数据传送方式可分为并行传输总线和串行传输总线；按连接部件不同可分为片内总线、系统总线和通信总线。总线的分类包括总线宽度、总线带宽、总线复用、信号线数、总线接口、总线控制方式和其他指标等。总线的性能指标总线概述总线仲裁的定义当多个主设备同时竞争总线控制权时，需要采用某种机制来裁决，这就是总线仲裁。总线仲裁的方式包括集中式仲裁和分布式仲裁两种方式。集中式仲裁将所有对总线的请求集中到一个特定的裁决器中，由裁决器进行裁决；分布式仲裁则是由各个主设备自己通过某种协议来裁决。常见的总线仲裁算法包括先来先服务、优先级仲裁、循环仲裁等。总线仲裁包括读操作、写操作和广播操作等。读操作是指从从设备上读取数据；写操作是指将数据写入从设备；广播操作是指主设备向所有从设备发送数据。总线操作包括同步定时和异步定时两种方式。同步定时采用统一的时钟信号来协调发送和接收双方的传输定时关系；异步定时则采用应答方式来实现传输定时。总线定时总线操作和定时PCI总线的特点包括高性能、高可靠性、可扩展性、即插即用和低成本等。PCI总线的定义PCI总线是一种高性能的32位或64位局部总线，用于连接高速的I/O设备和主机。PCI总线的应用广泛应用于计算机内部的局部总线，连接各种高速I/O设备，如显卡、声卡、网卡等。总线标准举例(PCI总线)07输入/输出(I/O)系统是计算机与外部世界交换信息的操作，包括从外部设备读取数据和向外部设备发送数据。输入/输出操作计算机与外部设备通信的接口，每个端口都有一个唯一的地址，用于识别不同的设备。I/O端口CPU执行输入/输出操作的指令，包括读指令和写指令。I/O指令I/O系统基本概念字符设备以字符为单位进行数据传输的设备，如键盘、打印机等。块设备以数据块为单位进行数据传输的设备，如磁盘、光盘等。网络设备用于网络通信的设备，如网卡、路由器等。外部设备连接主机和外部设备，实现数据缓冲、电平转换、信号匹配等功能。I/O接口功能控制和管理I/O操作的硬件设备，包括芯片或电路板等。I/O控制器将I/O端口地址转换为相应的设备选择信号和操作控制信号。I/O端口地址译码I/O接