计算机组成与设计第三版第四章课后答案

计算机组成与设计第三版第四章课后答案目录第四章概述与重点回顾逻辑设计基础时序逻辑电路存储器层次结构输入输出系统互连网络与总线结构复习策略与备考建议01第四章概述与重点回顾章节主要内容计算机算术运算的基本原理和实现方法算术逻辑单元(ALU)的设计和实现溢出检测和处理方法定点数和浮点数的表示方法、运算规则及其特点理解定点数和浮点数的表示方法、运算规则及其特点，以及它们在实际应用中的优缺点熟悉算术逻辑单元(ALU)的设计和实现，包括其基本功能、组成结构、工作原理等掌握基本的计算机组成和设计原理，包括计算机的五大部件、指令系统、控制器设计等了解溢出检测和处理方法，包括溢出的概念、类型、检测方法以及常用的处理方法掌握计算机算术运算的基本原理和实现方法，包括二进制数的加减乘除运算、逻辑运算等重点知识点梳理主要包括选择题、填空题、简答题和计算题等。其中，选择题和填空题主要考察学生对知识点的掌握程度；简答题则需要学生简要概括相关知识点；计算题则需要学生进行具体的计算和分析。习题类型本章课后习题的难度适中，既有对基础知识的考察，也有一些需要学生进行深入思考和计算才能得出正确答案的题目。总体来说，只要学生认真听讲、复习相关知识点并完成课后作业，就能够较好地掌握本章内容。难度分析课后习题类型及难度分析02逻辑设计基础逻辑变量只有两种取值，即0和1，而逻辑函数描述的是输入与输出之间的逻辑关系。逻辑变量与逻辑函数包括与（AND）、或（OR）、非（NOT）三种基本逻辑运算。基本逻辑运算如交换律、结合律、分配律等，以及代入规则、反演规则等。逻辑代数的基本定律和规则逻辑代数基本概念门电路的基本概念门电路是实现基本逻辑运算的电路，根据逻辑功能可分为与门、或门、非门等。门电路的符号与特性各种门电路都有相应的电路符号，其特性包括输入与输出之间的逻辑关系、电压传输特性等。CMOS门电路CMOS门电路具有低功耗、高噪声容限、宽工作电压范围等优点，在现代集成电路中广泛应用。门电路及其特性组合逻辑电路的分析方法通过分析电路的逻辑功能，得出输入与输出之间的逻辑关系，进而列出真值表、逻辑表达式等。组合逻辑电路的设计方法根据实际需求，选择合适的逻辑器件，设计出满足要求的组合逻辑电路。同时需要考虑电路的可靠性、可维护性等因素。组合逻辑电路的基本概念组合逻辑电路是由门电路组成的，其输出仅取决于当前输入信号的逻辑电路。组合逻辑电路分析与设计03时序逻辑电路触发器的基本工作原理触发器是一种具有记忆功能的，能够根据输入信号的不同进行状态转换的逻辑单元。它有两个稳定状态，分别表示二进制数0和1，在无外界信号作用时，触发器能保持原有状态不变。触发器的分类根据逻辑功能不同，触发器可分为RS触发器、JK触发器、D触发器和T触发器等。触发器的应用触发器在数字系统中有着广泛的应用，如用于构成寄存器、计数器和时序控制电路等。触发器原理及应用寄存器的基本工作原理寄存器是一种能够暂存二进制数据的逻辑单元，它可以接收数据输入，并在需要时将数据输出。寄存器通常由触发器构成，具有数据保持和并行输入/输出等功能。移位寄存器是一种特殊的寄存器，它除了具有普通寄存器的功能外，还能在时钟信号的控制下，将数据在寄存器内部进行左移或右移操作。寄存器和移位寄存器在数字系统中有着广泛的应用，如用于数据的暂存、传输和处理等。移位寄存器的工作原理寄存器和移位寄存器的应用寄存器与移位寄存器计数器与定时器定时器的工作原理定时器是一种能够产生定时或延时控制的逻辑单元，它通常由计数器和比较器等构成。当定时器接收到启动信号后，开始计数操作，当计数值达到预设值时，输出控制信号。计数器的基本工作原理计数器是一种能够累计输入脉冲个数的逻辑单元，它通常由触发器和门电路构成。当输入脉冲到来时，计数器进行计数操作，并将计数值以二进制数的形式输出。计数器和定时器的应用计数器和定时器在数字系统中有着广泛的应用，如用于频率测量、时间控制、信号分频和波形产生等。04存储器层次结构主存储器概述及分类主存储器概述主存储器是计算机系统中的核心部件之一，用于存储和访问程序和数据。它具有高速、随机访问和可编程等特点，为处理器提供快速的数据和指令访问。主存储器分类根据存储介质和访问方式的不同，主存储器可分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两大类。RAM允许在任意位置读写数据，而ROM则只能读取预先写入的数据。Cache是一种高速缓冲存储器，位于主存储器和处理器之间，用于暂时存储处理器频繁访问的数据和指令。通过减少处理器对主存储器的访问次数，Cache可以提高计算机系统的性能。Cache存储器原理Cache广泛应用于计算机系统的各个层次，包括L1、L2、L3等多级Cache。各级Cache的容量、速度和访问策略不同，以满足不同应用场景下的性能需求。Cache存储器应用Cache存储器原理及应用虚拟存储器概念虚拟存储器是一种抽象化的计算机存储系统，它允许程序以逻辑地址空间的形式访问内存，而无需关心物理内存的分配和管理。虚拟存储器通过将逻辑地址空间映射到物理地址空间，实现了内存的高效使用和程序的隔离。虚拟存储器实现虚拟存储器的实现涉及到内存管理单元（MMU）、页表、缺页中断等关键技术。MMU负责将逻辑地址转换为物理地址，页表用于记录逻辑页与物理页之间的映射关系，缺页中断则用于处理当程序访问未分配的物理内存时的情况。虚拟存储器概念及实现05输入输出系统I/O接口功能与类型01I/O接口功能02数据缓冲和锁存功能。此功能是解决速度匹配问题。由数据锁存器或缓冲器完成。接收和执行CPU命令的功能。此功能是解决相应的控制问题。由接口电路中的控制寄存器完成。03I/O接口功能与类型信号电平转换功能。此功能是解决信号匹配问题。由接口电路完成电平转换。数据格式变换功能。此功能是解决传递数据交换问题。由接口电路中移位寄存器完成。I/O接口功能与类型并行接口和串行接口。按数据传送方式分类通用接口和专用接口。按通用性分类I/O接口功能与类型按I/O接口在系统中的位置分类本地接口和远程接口。按I/O接口控制的设备数分类单设备接口和多设备接口。按I/O接口与主机的连接方式分类辐射式和总线式。按I/O接口的功能选择分类基本功能和选择功能。VS在中断服务程序中，为了保护中断现场（即CPU主要寄存器中的内容）期间不被新的中断所打断，必须关中断，从而保证被中断的程序在中断服务程序执行完毕之后能接着正确地执行下去。保存断点为了保证在中断服务程序执行完毕后能正确地返回到原来的程序，必须将原来的程序的断点（即程序计数器PC的内容）保存起来。可以存入堆栈，也可以存入指定单元。关中断中断处理过程及优先级管理中断处理过程及优先级管理010203优先级管理中断优先级的确定原则为1.优先级高的中断可以打断优先级低的中断，而优先级低的中断不能打断优先级高的中断。中断处理过程及优先级管理2.若出现多个同一优先级的中断同时请求，则CPU通过内部硬件查询电路或软件查询来确定首先响应哪一个中断请求。3.当CPU正在执行某中断服务程序时，若出现了更高优先级的中断请求，则CPU能立即停止当前中断服务程序的执行，转去响应更高优先级的中断请求。待高优先级的中断处理完后，再返回被低优先级中断打断的程序断点处继续执行。此过程称为中断嵌套，也称为多重中断或嵌套中断。中断处理过程及优先级管理停止CPU访问内存方式当外设需要传送一组数据时，由DMA控制器向CPU发一个停止信号，要求CPU放弃地址线、数据线和有关控制线的使用权。DMA控制器获得总线控制权以后，开始进行数据传送，在数据传送结束后DMA控制器通知CPU可以使用内存，并把总线控制权交还给CPU。显然，这种方式在数据传送过程中要占用CPU时间。要点一要点二周期挪用（或周期窃取）方式在这种方式中，每当I/O设备发出DMA请求时，I/O设备便挪用或窃取总线占用权一个或几个主存周期。由于CPU和DMA控制器交替使用主存，所以这种方式既不需要停止CPU操作，也不需要改变CPU的工作方式，工作效率高，但实现起来比较复杂，对主存存取的控制逻辑增加了额外的开销，所以这种方法较少用。DMA传输方式及其特点DMA传输方式及其特点DMA与CPU交替访问方式：不需要总线使用权的申请、建立和归还过程，总线使用权是通过C1和C2分别控制的。CPU与DMA控制器各自有独立的访存地址寄存器、数据寄存器和读/写信号。在这种方式下，CPU既不停止主程序的运行也不进入等待状态，即完成了DMA的数据传送，效率很高。输入标题02010403DMA传输方式及其特点DMA传输特点仅在数据块传送的开始和结束时才需CPU的干预，而数据块传送的具体操作过程是由DMA控制器控制的。所传送的数据是从设备直接送入内存的，或者从内存直接输出到设备；数据传送以数据块为基本单位，后一次数据块的传送必须在前一次数据块传送结束后才能进行；06互连网络与总线结构吞吐量指互连网络在单位时间内成功传输的数据量，通常以位/秒（bps）或字节/秒（Bps）表示。互连网络基本概念互连网络是计算机系统中各部件之间传输信息的公共通路，用于实现计算机内部各部件之间的连接和通信。带宽指互连网络在单位时间内可以传输的数据量，通常以位/秒（bps）或字节/秒（Bps）表示。延迟指数据在互连网络中传输所需的时间，通常以毫秒（ms）或微秒（μs）表示。互连网络基本概念和性能指标单总线结构系统中只有一组总线，各部件共享这组总线进行数据传输。双总线结构系统中有两组总线，一组用于CPU与主存之间的数据传输，另一组用于I/O设备与主存之间的数据传输。总线结构类型和特点分析多总线结构：系统中有三组或三组以上的总线，分别用于不同的数据传输需求，如CPU与Cache之间的数据传输、CPU与主存之间的数据传输、I/O设备与主存之间的数据传输等。总线结构类型和特点分析总线结构简单、易于扩展、成本低廉。总线带宽有限，当多个部件同时请求使用总线时，需要进行总线仲裁，可能导致数据传输延迟。优点缺点总线结构类型和特点分析ISA总线工业标准体系结构（ISA）总线是早期PC机中使用的总线标准，数据传输速率较低，现已被淘汰。PCI总线外围组件互连（PCI）总线是一种高性能、高扩展性的总线标准，广泛应用于现代计算机中。PCI总线支持即插即用和自动配置功能，数据传输速率较高。PCIe总线PCIExpress（PCIe）总线是一种高速串行计算机扩展总线标准，采用点对点传输方式，支持热插拔和电源管理功能。PCIe总线具有高带宽、低延迟、高可靠性等优点，已成为当前计算机主流的总线标准之一。常见总线标准举例07复习策略与备考建议0102计算机的五大部件及其功能输入设备、输出设备、存储器、运算器、控制器。指令与指令系统的概念指令是计算机执行某种操作的命令，指令系统是计算机所能执行的全部指令的集合。CPU的组成及工作原理CPU由运算器、控制器和寄存器组成，负责执行指令、进行数据处理和控制计算机各部件的工作。存储器的层次结构包括寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器，各层次之间速度和容量存在权衡。I/O设备的类型及其与…包括字符设备、块设备和网络设备，连接方式有串行和并行两种。030405关键知识点总结回顾存储器的层次结构及其作用需要理解各层次存储器的速度、容量和价格的权衡关系，以及它们如何协同工作以提高系统性能。I/O设备与主机的连接方式及其特点需要掌握不同I/O设备的类型及其与主机的连接方式，理解各种连接方式的优缺点。对于CPU的组成和工作原理的