计组期末复习---个人版

（一）计算机系统概论

1.1计算机分类与发展历史

分类：电子模拟计算机和电子数字计算机

电子模拟计算机：数值由连续量来表示，运算过程是连续的

电子数字计算机：按位运算，并且不是连续地跳动运算

专用计算机：速度快，适应性差

通用计算机：适应性强，如超级计算机、大型机、服务器、PC机、单片机和多核 机

性能指标

吞吐量：某一时间间隔内能处理的信息量

响应时间：从输入有效到系统产生响应之间的时间

 利用率：从输入到系统产生响应的时间

处理机字长：一般为 32 位、64 位

总线宽度：运算器与存储器之间总线位数

存储器容量：通常用 KB、MB、GB、TB 来表示

存储器带宽：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量

主频/时钟周期：CPU 工作频率 f，时钟周期 T＝1/f

CPU 执行时间：CPU 执行时间=CPU 时钟周期数×CPU 时钟周期

CPI（每条指令周期数） CPI＝执行某段程序所需的 CPU 时钟周期数/程序

包含的指令条数 MIPS（平均每秒执行多少百万条定点指令数） MIPS＝指令数/（程序执行时间×106）

FLOPS（每秒执行浮点操作的次数）

FLOPS＝程序中的浮点操作次数/程序执行时间（s）
 

冯.诺依曼和哈佛结构

1.2计算机硬件与软件

硬件组成（运算器、控制器、存储器、输入与输出）

软件（系统软件、应用软件）

计算机系统层次结构

分级

软件与硬件的逻辑等价性

第一章专有名词

1. 主机：由CPU、存储器与I/O接口合在一起构成的处理系统称为主机。

2．CPU：中央处理器，是计算机的核心部件，由运算器和控制器构成。

3．运算器：计算机中完成运算功能的部件，由ALU和寄存器构成。

4．ALU：算术逻辑运算单元，负责执行各种算术运算和逻辑运算。

5．外围设备：计算机的输入输出设备，包括输入设备，输出设备和外存储设备。

6．数据：编码形式的各种信息，在计算机中作为程序的操作对象。

7．指令：是一种经过编码的操作命令，它指定需要进行的操作，支配计算机中的信息传递以及主机与输入输出设备之间的信息传递，是构成计算机软件的基本元素。

8．透明：在计算机中，从某个角度看不到的特性称该特性是透明的。

9．位：计算机中的一个二进制数据代码，计算机中数据的最小表示单位。

10．字：数据运算和存储的单位，其位数取决于具体的计算机。

11．字节：衡量数据量以及存储容量的基本单位。1字节等于8位二进制信息。

12．字长：一个数据字中包含的位数，反应了计算机并行计算的能力。一般为8位、16位、32位或64位。

13．地址：给主存器中不同的存储位置指定的一个二进制编号。

14．存储器：计算机中存储程序和数据的部件，分为内存和外存。

15．总线：计算机中连接功能单元的公共线路，是一束信号线的集合，包括数据总线．地址总线和控制总线。

16．硬件：由物理元器件构成的系统，计算机硬件是一个能够执行指令的设备。

17．软件：由程序构成的系统，分为系统软件和应用软件。

18．兼容：计算机部件的通用性。

19．软件兼容：一个计算机系统上的软件能在另一个计算机系统上运行，并得到相同的结果，则称这两个计算机系统是软件兼容的。

20．程序：完成某种功能的指令序列。

21．寄存器：是运算器中若干个临时存放数据的部件，由触发器构成，用于存储最频繁使用的数据。

22．容量：是衡量容纳信息能力的指标。

23．主存：一般采用半导体存储器件实现，速度较高．成本高且当电源断开时存储器的内容会丢失。

24．辅存：一般通过输入输出部件连接到主存储器的外围设备，成本低，存储时间长。

25．操作系统：主要的系统软件，控制其它程序的运行，管理系统资源并且为用户提供操作界面。

26．汇编程序：将汇编语言程序翻译成机器语言程序的计算机软件。

27．汇编语言：采用文字方式（助记符）表示的程序设计语言，其中大部分指令和机器语言中的指令一一对应，但不能被计算机的硬件直接识别。

28．编译程序：将高级语言程序转换成机器语言程序的计算机软件。

29．解释程序：解释执行高级语言程序的计算机软件，解释并立即执行源程序的语句。

30．系统软件：计算机系统的一部分，进行命令解释、操作管理、系统维护、网络通信、软件开发和输入输出管理的软件，与具体的应用领域无关。

31．应用软件：完成应用功能的软件，专门为解决某个应用领域中的具体任务而编写。

32．指令流：在计算机的存储器与CPU之间形成的不断传递的指令序列。从存储器流向控制器。

33．数据流：在计算机的存储器与CPU之间形成的不断传递的数据序列。存在于运算器与存储器以及输入输出设备之间。

34．接口：计算机主机与外围设备之间传递数据与控制信息的电路。计算机可以与多种不同的外围设备连接，因而需要有多种不同的输入输出接口。

（二）运算方法和运算器

 

1、掌握数据格式的表示

1. 定点格式（定点小数、定点整数）
2. 浮点格式：阶码（数值取值范围）、尾数（取值精度）；
3. IEEE754标准：32位、64位，阶码E=e（指数）+127
4. 非标准：阶码E=指数e+128
5. 浮点数的规格化表示

2、掌握与理解机器码表示

   原码、反码、补码、阶码

3、了解字符与字符串的表示

      ASCII、字符串的存储

4、了解汉字的表示方法与存储（2个字节，最高位为1）

1. 了解输入码：数字编码、拼音码、字形编码
2. 了解汉字内码：
3. 了解汉字字模码

 

例题

1.若x补 =0.1101010 ，则 x 原=（　 ）。 

A．1.0010101　　B．1.0010110　　C．0.0010110　　D．0.1101010

　　【分析】：正数的补码与原码相同，负数的补码是用正数的补码按位取反，末位加1求得。此题中X补为正数，则X原与X补相同。

2.　若定点整数 64 位，含 1 位符号位，补码表示，则所能表示的绝对值最大负数为（　）。

A．-264　　B．-（264-1 ）　　C．-263　　D．-（263-1）

【分析】：字长为64位，符号位为1位，则数值位为63位。当表示负数时，数值位全0为负绝对值最大，为-263。

3.某机字长8位，含一位数符，采用原码表示，则定点小数所能表示的非零最小正数为（　）。
 A．2-9 B．2-8 C．1-　　D．2-7 

【分析】：求最小的非零正数，符号位为0,数值位取非0中的原码最小值，此8位数据编码为：00000001，表示的值是：2-7。

4.n+1 位的定点小数，其补码表示的是（　）。
 A．-1 ≤ x ≤ 1-2-n B．-1 ＜ x ≤ 1-2-n
 C．-1 ≤ x ＜ 1-2-n D．-1 ＜ x ＜ 1-2-n

【分析】：

　　【答案】：A

5.一个n+1位整数原码的数值范围是（　）。
 A．-2n+1＜ x <2n-1　　B．-2n+1≤ x ＜2n-1
 C．-2n+1＜ x ≤2n-1　　D．-2n+1≤ x ≤2n-1

答案：D

定点运算

5、掌握定点加法、减法运算

1. 补码加法、减法
2. 溢出检测（双符号位法或变形补码、单符号位法）

6、了解基本的二进制加法/减法器

7、了解定点乘法运算

1. 了解原码并行乘法运算与原理
2. 了解间接补码乘法运算与原理

8、理解定点除法运算

1. 了解原码除法算法运算及原理
2. 掌握加减交替法运算及原理

例题：

 

1. 如果X为负数，由[X]补求[-X]补是将（　）。

A．[X]补各值保持不变

B．[X]补符号位变反，其它各位不变

C．[X]补除符号位外，各位变反，未位加1

D．[X]补连同符号位一起各位变反，未位加1

　　【分析】：不论X是正数还是负数，由[X]补求[-X]补的方法是对[X]补求补，即连同符号位一起按位取反，末位加1。

2.多位二进制加法器中每一位的进位传播信号 p 为（　）。
 A．xi+yi B．xiyi C．xi+yi+ci D．xiyici 

【分析】：在设计多位的加法器时，为了加快运算速度而采用了快速进位电路，即对加法器的每一位都生成两个信号：进位生成信号g和进位传播信号p其中g和p定义为：gi=xiyi，p=xi+yi。

3.若采用双符号位补码运算，运算结果的符号位为01，则（　）。

A．产生了负溢出（下溢）　　B．产生了正溢出（上溢）　　

C．结果正确，为正数            D．结果正确，为负数

　　【分析】：采用双符号位时，第一符号位表示最终结果的符号，第二符号位表示运算结果是否溢出。当第二位和第一位符号相同，则未溢出；不同，则溢出。若发生正溢出，则双符号位为01，若发生负溢出，则双符号位为10。

4.原码乘法是指（　）。

A．用原码表示乘数与被乘数，直接相乘

B．取操作数绝对值相乘，符号位单独处理（先取操作数绝对值相乘，符号位单独处理 ）

C．符号位连同绝对值一起相乘

D．取操作数绝对值相乘，乘积符号与乘数符号相同

 

9、理解计算机中的逻辑运算

1. 逻辑非、逻辑加、逻辑乘、逻辑异
2. 了解行波进位加法器工作原理及特点
3. 理解先行进位加法器的特点

12、了解单总线结构、双总线、三总线结构的运算器

13、掌握与理解浮点加法、减法运算过程

1. 0操作数检查
2. 对阶
3. 尾数加减
4. 结果规格化（规格化处理、舍入处理）

15、理解浮点乘法、除法运算规则

16、理解流水线概念及流水线浮点加减过程

运算器组成

运算器的组成结构

工作机制

 

工作流程：

1. 获取操作数：运算器从寄存器或存储器中获取需要进行运算的操作数。

2. 执行运算：ALU根据指令和操作数执行特定的算术或逻辑运算，例如加法、减法、与、或等。运算的结果存储在数据寄存器中。

3. 更新标志位：根据运算结果，控制单元更新标志寄存器中的标志位，以反映运算的状态，例如溢出、零等。

4. 存储结果：运算结果可以存储回寄存器或存储器中，以便后续的计算或访问。

    整个过程由控制单元协调和控制，根据指令的要求来选择执行的操作，并确保正确的数据传输和运算操作顺序。运算器仅负责执行算术和逻辑运算，而不涉及数据的存储和处理。数据的存储和处理由存储器和处理器的其他部分完成。运算器是处理器的重要组成部分，用于支持各种计算和逻辑操作，是计算机中的核心计算单元。

浮点运算方法与运算器

基本概念

      浮点运算是一种处理浮点数（即带有小数部分的数字）的数学运算。浮点运算可以在计算机程序中进行各种数学计算和精确度要求较高的计算。

        计算机中的浮点运算通常由浮点运算器（Floating-Point Unit，FPU）来处理。浮点运算器是一种专门用于执行浮点运算的硬件部件，通常集成在中央处理器（CPU）内部。

        浮点运算器可以执行包括加法、减法、乘法、除法等基本的浮点运算操作。它能够处理不同精度的浮点数，例如单精度浮点数（32位）和双精度浮点数（64位）。浮点运算器还支持舍入、取整、比较等附加操作，以及处理特殊值（如无穷大、NaN）等。

        在编程中，可以使用编程语言提供的浮点数数据类型和相关的浮点运算函数或操作符来执行浮点运算。常见的编程语言如Java、C、C++等都提供了对浮点运算的支持。浮点运算存在一定的精度问题，因为计算机使用有限的位数来表示浮点数。在进行浮点运算时，可能会出现舍入误差或精度损失的情况。为了处理精确度要求较高的计算，可以使用特定的数值计算库或算法，例如Java中的BigDecimal类或其他高精度计算库。

       浮点运算是一种处理浮点数的数学运算，而浮点运算器是计算机中用于执行浮点运算的硬件部件。编程中可以使用浮点数数据类型和相关函数或操作符来进行浮点运算，但需要注意浮点数的精度问题。

例题

1.设某浮点数共12位。其中阶码含1位阶符共4位，以2为底，补码表示；尾数含1位数符共8位，补码表示，规格化。则该浮点数所能表示的最大正数是（　）。

A．27　　B．28　　C．28-1　　D．27-1

【分析】：为使浮点数取正数最大，可使尾数取正数最大，阶码取正数最大。尾数为8位补码（含符号位），正最大为01111111，为1-2-7，阶码为4位补码（含符号位），正最大为0111，为7，则最大正数为：（1-2-7）×27=27-1。
  　【答案】：D

2.

用浮点数运算步骤对56+5进行二进制运算，浮点数格式为1位符号位、5位阶码、10位尾码，基数为2。

【答案】：
 　　　　5610=1110002=0.111000×26 510=1012=0.101×23
 　　　　① 对阶：0.101×23=0.000101×26
 　　　　② 尾数相加：0.111000+0.000101＝0.111101
 　　　　③ 规格化结果：0.111101×26
 　　　　④ 舍入：数据己适合存储，不必舍入
 　　　　⑤ 检查溢出：数据无溢出。

第二章专有名词

基数：在浮点数据编码中，对阶码所代表的指数值的数据，在计算机中是一个常数，不用代码表示。

移码：带符号数据表示方法之一，符号位用1表示正，0表示负，其余位与补码相同。

溢出：指数的值超出了数据编码所能表示的数据范围。

上溢：指数的绝对值太大，以至大于数据编码所能表示的数据范围。

 下溢：指数的绝对值太小，以至小于数据编码所能表示的数据范围。

原码：带符号数据表示方法之一，一个符号位表示数据的正负，0代表正号，1代表负号，其余的代表数据的绝对值。

 补码：带符号数据表示方法之一，正数的补码与原码相同，负数的补码是将二进制位按位取反后在最低位上加1。

 反码：带符号数据的表示方法之一，正数的反码与原码相同，负数的反码是将二进制位按位取反。

 阶码：在浮点数据编码中，表示小数点的位置的代码。

 尾数：在浮点数据编码中，表示数据有效值的代码。

 机器零：在浮点数据编码中，阶码和尾数都全为0时代表的0值。 

 规格化数：在浮点数据编码中，为使浮点数具有唯一的表示方式所作的规定，规定尾数部分用纯小数形式给出，而且尾数的绝对值应大于1/R，即小数点后的第一位不为零。

Booth算法：一种带符号数乘法，它采用相加和相减的操作计算补码数据的乘积。

 海明距离：在信息编码中，两个合法代码对应位上编码不同的位数。

 冯·诺依曼舍入法：浮点数据的一种舍入方法，在截去多余位时，将剩下数据的最低位置1。

 检错码：能够发现某些错误或具有自动纠错能力的数据编码。

 奇校验码：让编码组代码中1的个数为奇数，违反此规律为校验错。

偶校验码：让编码组代码中1的个数为偶数，违反此规律为校验错。

 纠错码：能够发现某些错误并且具有自动纠错能力的数据编码。

海明码：一种常见的纠错码，能检测出两位错误，并能纠正一位错误。

循环码：一种纠错码，其合法码字移动任意位后的结果仍然是一个合法码字。

 桶形移位器：可将输入的数据向左、向右移动1位或多位的移位电路。

（三）多层次存储器

存储器分类与性能指标

分类与性能指标

分类：

性能指标：

SRAM与DRAM

存储器与CPU的连接（地址线、数据线和控制线）

  单块存储芯片与CPU的连接

存储器的容量扩展和设计（字长位扩展和字存储容量扩展的地址线、数据线的设置与连 接）

并行存储器

双端口存储器（空间并行）

多模块存储（时间并行）

Cache存储器

Cache的功能与基本原理

功能：

 基本原理：

主存与cache的地址映射

命中率、访存时间、效率

替换与写操作策略

替换：

写操作：

虚拟存储器

基本概念

      虚拟存储器是计算机系统中的一种技术，它通过将主存（RAM）和辅助存储（通常是硬盘）结合起来，扩展了可用的地址空间，使得程序能够访问比主存更大的存储空间。虚拟存储器使用了一些基本概念和算法来管理和访问存储空间，其中包括页式、段式和段页式的内存管理方式以及替换算法。

   

 

 

虚存与Cache 

 

   虚存机制要解决的关键问题:

①  地址映射问题

• 虚地址如何变为主存物理地址（内地址变换）或辅存物理地址（外地址变换），以便换页

• 主存分配、存储保护和程序重定位等问题

②替换问题

• 决定哪些程序和数据被调出主存 

③更新问题

• 确保主存和辅存相应数据和程序的一致性

 

（页式、段式和段页式，替换算法）

页式存储管理：

  页式存储管理将主存和辅助存储划分为固定大小的页和页框，每个页框对应主存中的一个物理页，每个页对应辅助存储中的一个物理页。程序的地址空间被划分为固定大小的页，从而简化了内存管理。

页表：用于记录页和页框之间的映射关系，包括页号和页框号的对应关系。通过页表，可以将逻辑地址转换为物理地址。

地址转换：当程序访问一个虚拟地址时，通过页表将其转换为物理地址。如果所需的页不在主存中，则发生缺页中断，需要将该页从辅助存储装入主存。

 

 

 

 

段式存储管理：

      段式存储管理将程序的地址空间划分为不同大小的段，每个段具有独立的逻辑意义，例如代码段、数据段等。每个段可以动态地分配和扩展。

段表：用于记录段和物理内存之间的映射关系，包括段号和段基址的对应关系。通过段表，可以将逻辑地址转换为物理地址。

地址转换：当程序访问一个虚拟地址时，通过段表将其转换为物理地址。段表中的段基址与逻辑地址中的段号相匹配，确定段的起始物理地址。

 

 

段页式存储管理：

       段页式存储管理是段式和页式的结合，将地址空间划分为多个段，每个段再划分为固定大小的页。通过段页表来管理段和页的映射关系。

地址转换：当程序访问一个虚拟地址时，先通过段表找到对应的段号和页表基址，然后再通过页表将页号转换为物理地址。

 

替换算法：

      当主存中的页框已满并且需要将新的页装入时，替换算法决定哪个页框中的页被替换出去。常见的替换算法包括最近最少使用（LRU）、先进先出（FIFO）、最不常用（LFU）等。

            替换算法的目标是尽可能地提高内存的命中率，即避免频繁发生缺页中断。

             虚拟存储器通过将主存和辅助存储结合起来，采用页式、段式或段页式的内存管理方式，以及合适的替换算法，实现了对大型程序的有效管理和访问，提高了系统的性能和可用性。

典型例题：

1.动态半导体存储器的特点是（　）。

A．在工作中存储器内容会产生变化

B．每次读出后，需要根据原存内容重新写入一遍

C．每隔一定时间，需要根据原存内容重新写入一遍

D．在工作中需要动态地改变访存地址

　　【分析】：动态半导体存储器是利用电容存储电荷的特性记录信息，由于电容会放电，必须在电荷流失前对电容充电，即刷新。方法是每隔一定时间，根据原存内容重新写入一遍。

　　 

2．动态存储器的特点是（　）。

A．工作中存储内容会产生变化

B．工作中需要动态改变访存地址

C．工作中需要动态地改变供电电压

D．需要定期刷新每个存储单元中存储的信息

　　【分析】：此题与2000年考题基本相同。动态半导体存储器是利用电容存储电荷的特性记录信息，由于电容会放电，必须在电荷流失前对电容充电，即刷新。方法是每隔一定时间，根据原存内容重新写入一遍。

 

3．组相联映象和全相联映象通常适合于（　）。

A．小容量Cache　　B．大容量Cache

C．小容量ROM　　D．大容量ROM

　　【分析】：直接映象的地址转换速度快，但块的冲突概率较高。在大容量高速Cache系统中使用直接映象方式，即可以发挥Cache的高速度，又可以减少块的冲突概率。组相联映象和全相联映象速度较低，通常适合于小容量Cache。

 

4.表示主存容量的常用单位为（　）。

A．数据块数　　B．字节数　　C．扇区数　　D．记录项数

　　【分析】：表示主存容量的常用单位字节B，是基本单位。此外还有KB、MB、GB、TB。

 

5．在下列 Cache 替换算法中，一般说来哪一种比较好（　）。

A．随机法　　B．先进先出法

C．后进先出法　　D．近期最少使用法

　　【分析】：在Cache替换算法中，随机法是随机地确定替换的存储单元，先进先出法是替换最早调入的存储单元，它们都没有根据程序访存局部性原理，命中率较低；近期最少使用法比较正确地利用了程序访存局部性原理，替换出近期用得最少的存储块，命中率较高，是一种比较好的替换算法。而后进先出法不是Cache所使用的替换算法，此法在堆栈存储结构中使用。

　 

6．一般来讲，直接映象常用在（　）。

A．小容量高速Cache　　B．大容量高速Cache

C．小容量低速Cache　　D．大容量低速Cache

　　【分析】：直接映象的地址转换速度快，但块的冲突概率较高。在大容量高速Cache系统中使用直接映象方式，即可以发挥Cache的高速度，又可以减少块的冲突概率。

 

7．下列存储器中，（　）速度最快。

A．硬盘　　B．光盘　　C．磁带　　D．半导体存储器

　　【分析】：由于存储器原理和结构的不同，各种存储器的访问速度各不相同。以上存储器中访问速度由快到慢的顺序为：半导体存储器、硬盘、光盘、磁带。

 

8．地址线A15～A0（低），若选取用16K×1存储芯片构成64KB存储器则应由地址码　　　译码产生片选信号。

【分析】：用16K×1芯片构成64KB的存储器，需要的芯片数量为：(64K×8)/(16K×1)=32，每8片一组分成4组，每组按位扩展方式组成一个16K×8位的模块，4个模块按字扩展方式构成64KB的存储器。存储器的容量为64K=216，需要16位地址，选用A15-A0为地址线；每个模块的容量为16K=214需要14位地址，选用A13-A0为每个模块提供地址；A15、A14通过2-4译码器对4个模块进行片选。
 　　【答案】：Al5，A14

9．有静态RAM与动态RAM可供选择，在构成大容量主存时，一般就选择　　　。

　　【分析】：静态RAM特点是存取速度快，单位价格（每字节存储空间的价格）较高；动态RAM则是存取速度稍慢，单位价格较低。所以考虑价格因素，在构成大容量的存储器时一般选择动态存储器。

　　【答案】：动态RAM

10． 存储器的随机访问方式是指（　）。

A．可随意访问存储器

B．按随机文件访问存储器

C．可对存储器进行读出与写入

D．可按地址访问存储器任一编址单元，其访问时间相同且与地址无关

　　【分析】：存储器的随机访问方式是指可按地址访问存储器任一编址单元，其访问时间相同且与地址无关。

　 

11．高速缓冲存储器 Cache 一般采取（　）。

A．随机存取方式

B．顺序存取方式

C．半顺序存取方式

D．只读不写方式

　　【分析】：Cache是为提高存储器带宽而在主存储器和CPU之间增加的存储器，目的是用来存储使用频繁的数据和指令，存取方式应与主存储器相同，均为随机存取方式。

 

12．若存储周期 250ns ，每次读出 16 位，则该存储器的数据传送率为（　）。

A．4 × 10 6 字节 / 秒　　B．4M 字节 / 秒

C．8 × 10 6 字节 / 秒　　D．8M 字节 / 秒

【分析】：存储周期250ns，换算为250×10-9秒；每个存储周期可读出16位，为两个字节，则数据传送率为：2字节／（250×10-9）秒，即8×106字节／秒。
 　 

13．半导体静态存储器 SRAM 的存储原理是（　）。

A．依靠双稳态电路　　B．依靠定时刷新

C．依靠读后再生　　D．信息不再变化

　　【分析】：半导体静态存储器SRAM是由双稳态电路构成，并依靠其稳态特性来保存信息；动态存储器DRAM是利用电容器存储电荷的特性存储数据，依靠定时刷新和读后再生对信息进行保存，而ROM中的信息一经写入就不再变化。

 

三、简答题：

 

1．静态存储器（SRAM）依靠什么来存储信息？为什么称为“静态”存储器？

　【答案】：

    　静态存储器依靠双稳态电路的两个稳定状态来分别存储0和1。这类存储器在电源正常情况下，可以长期保存信息不变（除非重新写入），不需要动态刷新，所以称为“静态”存储器。

2、CACHE的替换策略：随机法是用一个随机数产生器产生一个随机的替换块号；先进先出法是替换最早调入的存储单元；近期最少用法替换近期最少使用的存储。

3、CACHE的更新策略：写操作CACHE命中时，CACHE更新策略有两种：① 写直达法：将内容同时写入CACHE和主存。② 写回法：将内容只写入CACHE，当CACHE数据被替换出去才写回主存。写操作CACHE不命中时，更新策略有两种：① 按写分配法：当CACHE不命中时将该地址对应的块从主存调入CACHE。② 当CACHE不命中时将该地址对应的块不从主存调入CACHE。

4、虚拟存储器的管理方式：页式虚拟存储器是把虚拟存储空间和实际存储空间等分成固定容量的页，各虚拟页可装入中不同的实际页面位置；段式虚拟存储器是将主存按段分配，段长度不固定，由OS为程序分配各段；段页式是前两种的结合，它将存储空间按逻辑模块分段再分成若干页通过段表和页表进行访存。

 5．（不算 CPU 中的寄存器级）存储系统一般由哪三级组成？请分别简述各层存储器的作用（存放什么内容）及对速度、容量的要求。

　　【答案】：

① 主存：存放需要CPU运行的程序和数据，速度较快，容量较大；

② Cache：存放当前访问频繁的内容，即主存某些页的内容复制。特点是速度最快、容量较小；

③ 外存：存放需联机保存但暂不执行的程序和数据。容量很大而速度较慢。

 6． 

 

 7．动态存储器 RAM 和静态存储器 RAM 各依靠什么来存储信息？分别说明它们的优缺点。

　　【答案】：

　　　　静态存储器RAM：依靠双稳态电路的两个稳定状态来存储信息0和1，其优点是速度高。缺点：价格高、容量小、功耗大。动态存储器RAM：依靠电容器存储电荷来存储信息，充电至高电平为1，放电至低电平为0。优点：容量大、价格低。缺点：速度慢，需要动态刷新。

8．何谓虚拟存储器？其主要好处是什么？

　【答案】：

　　　　虚拟存储器：为了扩大容量，把辅存当作主存使用，所需要的程序和数据由辅助的软件和硬件自动地调入主存，对用户来说，好像机器有一个容量很大的内存，这个扩大了的存储空间称为虚拟存储器。虚拟存储器的主要好处是虚拟扩大主存容量，减轻用户对程序进行分块的烦恼，提高软件开发效率。

9．简述静态存储器的写操作过程。

　　【答案】：

　　　　要将外部数据写入静态存储器，外部电路要驱动数据线，使得外部信息输入的存储单元，改变存储单元的导通和截止状态，从而将信息写入到存储器。

 

10、主存与CACHE之间的映射方式：

          有直接映射、全相联映射、组相联映射三种。直接映射是指主存储器中的每个块只能够映射到CACHE中唯一一个指定块的地址映射方式。全相联映射是指每个主存块都能够映象到任一CACHE块的地址映射。组相联映射是直接映射和全相联映射两种方式的结合，它将存储空间分成若干组，在组间直接映射方式，而在组内使用全相联映射方式。

11、提高存储器工作速度的技术主要有芯片技术和结构技术。

　　【答案】：

　　　　芯片技术：（1）快速页式动态存储器（FPM DRAM）存储器的下一次访问可以利用上一次访问的行地址，这样就可以减少两次输入地址带来的访问延迟。（2）增强数据输出存储器（EDO DRAM）与FPM DRAM相似，增加了一个数据锁存器，并采用不同的控制逻辑连接到芯片的数据驱动电路中以提高数据传输速率。（3）同步型动态存储器芯片（SDRAM），芯片在系统时钟控制下进行数据的读出与写入。（4）相联存储器是一种按内容访问的存储器，每个存储单元有匹配电路，可用于cache中查找数据，整个存储器阵列同时进行数据的匹配操作。

　　　　结构技术：（1）增加存储器的数据宽度：将存储器的位宽展到多个字的宽度以增加同时访问的数据量，从而提高数据访问的吞吐率。（2）采用多体交叉存储器：由多个相互独立、容量相同的存储体构成的存储器，每个存储体独立工作，读写操作重叠进行，从而提高数据访问的速度。

12、虚拟存储器中，页面的大小不能太小，也不能太大，为什么？

　　【答案】：

　　　　虚拟存储器中，页面如果太小，虚拟存储器中包贪的页面个数就会过多，使得页表的体积过大，页表本身占据的存储空间过大，操作速度将变慢；当页面太大时，虚拟存储器中的页面个数会变少，由于主存的容量比虚拟存储器的容量少，主存中的页面个数会更少，每一次页面装入的时间会变长，每当需要装入新的页面时，速度会变慢。所以在虚拟存储器中如果页面的大小太大或太小，都会影响访存速度。

第三章名词解释

 RAM：随机访问存储器，能够快速方便的访问地址中的内容，访问的速度与存储位置无关。

 ROM：只读存储器，一种只能读取数据不能写入数据的存储器。

 SRAM：静态随机访问存储器，采用双稳态电路存储信息。

 DRAM：动态随机访问存储器，利用电容电荷存储信息。

 EDO DRAM：增强数据输出动态随机访问存储，采用快速页面访问模式并增加了一个数据锁存器以提高数据传输速率。

 PROM：可编程的ROM，可以被用户编程一次。

 EPROM：可擦写可编程的ROM，可以被用户编程多次。靠紫外线激发浮置栅上的电荷以达到擦除的目的。

 EEPROM：电可擦写可编程的ROM，能够用电子的方法擦除其中的内容。

 SDRAM：同步型动态随机访问存储器，在系统时钟控制下进行数据的读写。

 快闪存储器：一种非挥发性存储器，与EEPROM类似，能够用电子的方法擦除其中的内容。

 相联存储器：一种按内容访问的存储器，每个存储单元有匹配电路，可用于是cache中查找数据。

 多体交叉存储器：由多个相互独立、容量相同的存储体构成的存储器，每个存储体独立工作，读写操作重叠进行。

 访存局部性：CPU的一种存取特性，对存储空间的90%的访问局限于存储空间的10%的区域中，而另外10%的访问则分布在90%的区域中。

 直接映象：cache的一种地址映象方式，一个主存块只能映象到cache中的唯一一个指定块。

 全相联映象：cache的一种地址映象方式，一个主存块可映象到任何cache块。

组相联映象：cache的一种地址映象方式，将存储空间分成若干组，各组之间用直接映象，组内各块之间用全相联映象。

 全写法（写直达法）：cache命中时的一种更新策略，写操作时将数据既写入cache又写入主存，但块变更时不需要将调出的块写回主存。

 写回法：cache命中时的一种更新策略，写cache时不写主存，而当cache数据被替换出去时才写回主存。

 按写分配：cache不命中时的一种更新策略，写操作时把对应的数据块从主存调入cache。

 不按写分配：cache不命中时的一种更新策略，写操作时该地址的数据块不从主存调入cache。

　　一般写回法采用按写分配法，写直达法则采用不按写分配法。

 虚拟存储器：为了扩大容量，把辅存当作主存使用，所需要的程序和数据由辅助的软件和硬件自动地调入主存，对用户来说，好像机器有一个容量很大的内存，这个扩大了的存储空间称为虚拟存储器

 层次化存储体系：把各种不同存储容量、不同访问速度、不同成本的存储器件按层次构成多层的存储器，并通过软硬件的管理将其组成统一的整体，使所存储的程序和数据按层次分布在各种存储器件中。

 访问时间：从启动访问存储器操作到操作完成的时间。

 访问周期时间：从一次访问存储的操作到操作完成后可启动下一次操作的时间。

 带宽：存储器在连续访问时的数据吞吐率。

 段式管理：一种虚拟存储器的管理方式，把虚拟存储空间分成段，段的长度可以任意设定，并可以放大或缩小。

 页式管理：一种虚拟存储器的管理方式，把虚拟存储空间和实际存储空间等分成固定容量的页，需要时装入内存，各页可装入主存中不同的实际页面位置。

 段页式管理：一种虚拟存储器的管理方式，将存储空间逻辑模块分成段，每段又分成若干页。

 固件：固化在硬件中的固定不变的常用软件。

 逻辑地址：程序员编程所用的地址以及CPU通过指令访问主存时所产生的地址。

 物理地址：实际的主存储器的地址称为“真实地址”。

（四）指令系统

指令系统与性能要求

概念与性能要求

       指令系统定义了计算机可以执行的操作和指令集，而性能要求则涉及到计算机在执行任务时的速度和效率。

指令系统的设计需要考虑以下几个方面，以满足性能要求：

1. 指令集的丰富度：指令集应该提供足够多的指令，以支持广泛的计算任务和数据操作。这样可以减少程序的指令数量和执行时间，提高系统性能。

2. 指令的执行效率：指令的设计和实现应该尽可能高效。例如，使用精简指令集（RISC）可以减少指令的复杂性，提高执行速度。此外，使用硬件加速和优化技术，如流水线、超标量和乱序执行，可以提高指令的并行性和执行效率。

3. 存储器访问：指令系统应该能够有效地处理存储器访问。包括减少访存次数、优化缓存机制和提供高效的数据传输指令等，以降低存储器访问延迟，提高系统性能。

4. 分支和控制：有效处理分支指令和程序控制流程对于系统性能至关重要。应该采用分支预测、分支目标缓冲器和延迟槽等技术，减少分支延迟和提高分支预测准确性。

5. 并行性支持：指令系统应该提供并行执行指令的能力，以充分利用多核处理器和并行计算资源。支持向量指令、SIMD指令和多线程执行等技术可以提高系统的并行性和性能。

指令格式

操作码、地址码

 

寻址方式

      数据寻址方式（操作数寻址）：隐含寻址、立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址方式和寄存器间接寻址方式、相对寻址方式、基值寻址方式、变址寻址方式、复合寻址方式。

操作数的形式有3种：立即操作数、寄存器操作数、内存操作数

指令寻址方式：顺序指令、跳跃指令

 

典型例题

1．采用直接寻址方式，则操作数在（　）中。

A．主存　 B．寄存器　　C．直接存取存储器　　D．光盘

　　【分析】：直接寻址方式是指在指令中直接给出操作数在存储器中的地址，操作数在主存储器中，指令中的地址直接作为有效地址，对存储器进行访问即可取得操作数。

2．零地址指令的操作数一般隐含在（　）中。

A．磁盘　　B．磁带　　C．寄存器　 D．光盘

　　【分析】：零地址指令只有操作码，没有操作数。这种指令有两种情况：一是无需操作数，另一种是操作数为默认的（隐含的），默认为操作数在寄存器中，指令可直接访问寄存器。

　　 

3．在堆栈寻址中，设A为累加器，SP为堆栈指示器，Msp为SP指示的栈顶单元。如果进栈操作顺序是：（SP）-1→SP，（A）→Msp；那么出栈操作的顺序应是（　）。

A．（Msp）→A，（SP）+1→SP

B．（SP）+1→SP，（Msp）→A

C．（SP）-1→SP，（Msp）→A

D．（Msp）→A，（SP）-1→SP

　　【分析】：堆栈是按特定顺序进行访问的存储区，其访问方式是后进先出，即先存入的数据后读出。对堆栈的操作有入栈和出栈两种，两者的操作完全相反，包括功能和顺序均相反。

　　

 4．假设寄存器 R 中的数值为 200 ，主存地址为 200 和 300 的地址单元中存效的内容分别是 300 和 400 ，则什么方式下访问到的操作数为 200（　）。

A．直接寻址 200

B．寄存器间接寻址（R）

C．存储器间接寻址（200）

D．寄存器寻址 R

　　【分析】：直接寻址200的操作数为300,寄存器间接寻址(R)的操作数300,存储器间接寻址（200）的操作数为400，寄存器寻址R的操作数为200。

 

5．单地址指令（　）。

A．只能对单操作数进行加工处理

B．只能对双操作数进行加工处理

C．无处理双操作数的功能

D．既能对单操作数进行加工处理，也能在隐含约定另一操作数（或地址）时，对双操作数进行运算

　　【分析】：单地址指令既能对单操作数进行加工处理，也能对双操作数进行运算。当处理双操作数时，一个操作数在指令中给出，另一个操作数则是隐含约定的，例如堆栈操作指令中的入栈指令PUSH,指令中只给出源操作数，而目的操作数则由计算机中的堆栈指针（SP）确定，在指令中不需要指定。

　　 

6．在按字节编址的存储器中，每个编址单元中存放（　）。

A．1位　　B．8位　　C．16位　　D．32位

　　【分析】：在按字节编址在存储器中，每个编址单元的容量为一个字节，一个字节由8位二进制数组成，一个字节存储单元可以存放8位二进制位。

　 

7.堆栈指针 SP 的内容是（　）。

A．栈顶单元内容 B．栈顶单元地址 C．栈底单元内容 D．栈底单元地址

　　【分析】：堆栈是按特定顺序进行访问的存储区，其访问方式是后进先出，即先存入的数据后读出。对堆栈的访问由堆栈指针寄存器SP控制，其内容为堆栈中栈项单元的地址，即入栈时数据保存在SP指向的单元，出栈时将SP指向单元的内容取出。

　　 

8．在大多数情况下，一条机器指令中是不直接用二进制代码来指定（　）。

A．下一条指令的地址

B．操作的类型

C．操作数地址

D．结果存放地址

 

9．为了缩短指令中某个地址段的位数，有效的方法是采取（　）。

A．立即寻址　　B．变址寻址

C．间接寻址　 D．寄存器寻址

　　【分析】：由于计算机中寄存器的数量一般很少，采用寄存器寻址时可用少量的代码来指定寄存器，这样可以减少对应地址段的代码位数，也可减少整个指令的代码长度。

　　 

10．反映计算机基本功能的是（　）。

A．操作系统　　B．系统软件

C．指令系统　 D．数据库系统

　　【分析】：指令系统：计算机中各种指令的集合，它反映了计算机硬件具备的基本功能。

　　【答案】：C

11．在存储器堆栈中，若栈底地址为A，SP指针初值为A-1，当堆栈采用从地址小的位置向地址大的位置生成时，弹出操作应是（　）。

A．先从堆栈取出数据，然后SP指针减1

B．先从堆栈取出数据，然后SP指针加1

C．SP指针先加1，然后从堆栈取出数据

D．SP指针先减1，然后从堆栈取出数据

　　【分析】：堆栈是按特定顺序进行访问的存储区，其访问方式是后进先出，即先存入的数据后读出。对堆栈的访问由堆栈指针寄存器SP控制，当堆栈采用从地址小的位置向地址大的位置生成时，入栈操作是SP指针先加1，然后将数据存入堆栈，从堆栈取出弹出操作是先从堆栈取出数据，然后SP指针减1。

 

12．转移指令执行结束后，程序计数器PC中存放的是（　）。

A．该转移指令的地址

B．顺序执行的下条指令地址

C．转移的目标地址

D．任意指令地址

　　【分析】：转移指令执行过程中，将转移指令所指的子程序的起始地址装入PC，因此转移指令执行结束后，程序计数器PC中存放的是转移的目标地址。

13．如果说变址寻址方式主要是面向用户的，那么基址寻址一般是面向              的。

　　【分析】：变址寻址方式是面向用户的，常用于访问字符串、向量数据结构和循环程序设计；而基址寻址方式是面向系统的，对由逻辑地址空间到物理地址空间的变换提供支持，用以解决程序在存储器中再定位和扩大寻址空间等问题。

　　【答案】：系统

14．在CPU的状态寄存器中，常设置以下状态位：零标志位（Z），负标志位（N），　　和　　。

　【分析】：在CPU中专门设置有一个存储计算机状态的寄存器，称为状态寄存器SR,其中通常包括如下标志位：零标志位（Z）、负标志位（N）、溢出标志位（V）、进位或借位标志位（C）等。

　　   答：溢出标志位（V）、进位或借位标志位（C）

15．如指令中给出形式地址为D，则间接寻址方式获得操作数的有效地址为               。

　　【分析】：在存储器间接寻址方式中，操作数的地址在主存储器中，其存储器地址在指令中给出。也就是说在指令中给出的既不是操作数，也不是操作数的地址，而是操作数地址的地址，则有效地址为以形式地址D为地址的存储单元的内容。

　　【答案】：以D为地址的存储单元的内容

 

3．在寄存器寻址方式中，指定寄存器中存放的是操作数地址。（2000）

　　【分析】：在寄存器间接寻址方式中，指定寄存器中存放的是操作数地址；而在寄存器寻址方式中，指定寄存器中存放着操作数。

　　【答案】：在寄存器寻址方式中，指定寄存器中存放着操作数。

1．在计算机中，各指令周期的时间长度是相同的。（2002）

　　【分析】：在计算机中，由于指令的种类不同，功能不同，执行每条指令时机器所进行的操作可能就不同，所需要的时间长短也可能不相同，所以各指令周期的时间长度不一定相同。

　　【答案】：一般说，由于各指令功能的不同，它们的指令周期有长有短，不一定相同。

22．转移指令执行结束后，目标地址可放在任意寄存器中。（2004年）

　　【分析】：转移指令执行过程中，将转移指令所指的子程序的起始地址装入PC，因此转移指令执行结束后，程序计数器PC中存放的是转移的目标地址。

　　【答案】：转移指令执行结束后，目标地址放在程序计数器PC中。

四、简答题：

 1．若要使某些数位为1，例如让10010010变为11011010，应使用何种运算指令？如何操作？

【答案】：
 　　　　应选用逻辑或运算指令，并设置屏蔽字为01001000，则原操作数10010010与屏蔽字01001000进行逻辑或运算如下，结果为11011010。
 　　　　　　　

2．简述寄存器间接寻址方式的含义，说明其寻址过程。

　　【答案】：

　含义：操作数的地址在寄存器中，指令中给出寄存器号。

　寻址过程：从指令中取出寄存器号，找到对应的寄存器，以该寄存器内容作为地址访问主存，读出操作数。

3．若存储器堆栈是按向低地址生长方式生成的，那么压栈和弹出操作的具体过程是什么？

　　【答案】：

　　　　压栈操作过程：先移动栈顶指针：（SP）-1→SP；

　　　　后压入数据：数据→（SP）

　　　　弹出操作过程：先弹出数据：（（SP））→寄存器；

　　　　后动栈顶指针：（SP）+l→SP

4．堆栈有哪两种基本操作？它们的含义是什么？

　　【答案】：

　　　　堆栈的两种基本操作是入栈和出栈。

　　　　入栈操作过程：先移动栈顶指针：（SP）-1→SP；后压入数据：数据→（SP）

　　　　出栈操作过程：先弹出数据：（（SP））→寄存器； 后动栈顶指针：（SP）+l→SP

5．假设寄存器R中的数值为2000，主存地址为2000和3000的地址单元中存放的内容分别为3000和4000，PC的值为5000，若按以下寻址方式，访问到的操作数各是多少？① 寄存器寻址R；② 寄存器间接寻址(R)；③ 直接寻址2000；④ 存储器间接寻址(2000)；⑤ 相对寻址-3000(PC)。

　　【分析】：本题与教材P113的12题，基本相同。主要考察考生对寻址方式含义的理解。

　　【答案】：① 寄存器寻址R，操作数是2000；② 寄存器间接寻址(R)，操作数是3000；③ 直接寻址2000，操作数是3000；④ 存储器间接寻址(2000)，操作数是4000；⑤ 相对寻址-3000(PC)，操作数是2000。

 
 数据的寻址方式：
 （1）隐含寻址：在指令中不指出操作数地址，根据指令的操作码可判定操作数的存储位置，即操作数的地址隐含在操作码中。例：POP 出栈
 （2）立即数寻址：操作数直接在指令中给出。例：ADD #3 累加器加3
 （3）寄存器寻址：指令的操作码是一个寄存器号，操作数在这个寄存器中。例：ADD R1，R2，R3。 R2中的内容和R3中的内容相加后，结果送R1。
 （4）直接寻址：操作数直接在指令中给出。例：ADD R1，1000 存储单元1000中的内容和R1中的内容相加后，结果送R1。
 （5）寄存器间接寻址：操作数的地址在寄存器中，其寄存器号在指令中给出。例：ADD R1，（R2） R2中放的是一个操作数的地址。
 （6）存储器间接寻址：操作数的地址在主存储器中，其存储器地址在指令中给出。例：ADD R1，（1000） 存储单元1000中放的是一个操作数的地址。
 （7）相对寻址：操作数的地址是程序计数器PC的值加上偏移量形成的，这个偏移量在指令中给出。是一种特殊的变址寻址方式，偏移量用补码表示，可正可负。相对寻址可用较短的地址码访问内存。例：ADD R1，100（PC） PC的内容加上100是操作数的地址。
 （8）基址寻址：是由基址寄存器提供基准地址、指令提供偏移量；此寻址方式面向系统，对由逻辑地址空间到物理地址空间的变换提供支持，用以解决程序在存储器中再定位和扩大寻址空间等问题。
 （9）变址寻址：是由指令提供基准地址、变址寄存器提供偏移量；此寻址方式面向用户，常用于访问字符串、向量数据结构和循环程序设计。
 
 转子指令行过程：① 将下一条指令的地址（PC的值）存放在一个临时存储位置，以便于子程序返回时取出这个地址，继续执行下一条指令；② 将子程序的起始地址装入PC中，这样取指令时将读取子程序中的指令。子程序的最后一条指令一般是一条返回指令，它将存放在临时存储位置的指令地址取出，放回PC，这样程序就返回原程序了。

 

第四章名词解释

 指令系统：计算机中各种指令的集合，它反映了计算机硬件具备的基本功能。

 计算机指令：计算机硬件能识别并能直接执行操作的命令，描述一个基本操作。

 指令编码：将指令分成操作码和操作数地址码的几个字段来编码。

 指令格式：指定指令字段的个数，字段编码的位数和编码的方式。

 立即数：在指令中直接给出的操作数。

 指令字长度：一个指令字所占有的位数。

 助记符：用容易记忆的符号来表示指令中的操作码和操作数。

 汇编语言：采用文字方式（助记符）表示的程序设计语言，其中大部分指令和机器语言中的指令一一对应，但是不能被计算机的硬件直接识别。

 伪指令：汇编语言程序所提供的装入内存中的位置信息，表示程序段和数据段开始信息及结束信息等。且不转换成2进制机器指令。

 大数端：当一个数据元素的位数超过一个字节或者一个字的宽度，需存储在相邻的多个字节的存储位置时，将数据的最低字节存储在最大地址位置的存储方式。

 小数端：当一个数据元素的位数超过一个字节或者一个字的宽度，需存储在相邻的多个字节的存储位置时，将数据的最低字节存储在最小地址位置的存储方式。

 操作数寻址方式：指令中地址码的内容及编码方式。

系统指令：改变计算机系统的工作状态的指令。

 特权指令：改变执行特权的指令，用于操作系统对系统资源的控制。

 自陷指令：特殊的处理程序，又叫中断指令。

 寻址方式：对指令的地址码进行编码，以得到操作数在存储器中的地址的方式。

 相对转移：转移到的目标指令的地址与当前指令的地址有关，是用当前指令的PC与一个偏移量相加，和为目标指令的PC。

 绝对转移：转移到的目标指令的地址与当前指令的地址无关，指令中给定的目标地址即为目标指令的PC。

 无条件转移：一种转移指令类型，不管状态如何，一律进行转移操作。

 条件转移：一种转移指令类型，根据计算机中的状态决定是否转移。

 RISC：精简指令系统计算机，即指令系统中的指令数量少，且指令功能相对简单。

 CISC：复杂指令系统计算机，即指令系统中的指令数量多，且指令功能相对较强。

 堆栈：数据的写入写出不需要地址，按先进后出的顺序读取数据的存储区。

（五）中央处理器

CPU的功能和组成

功能和基本结构

基本功能：

 

基本结构：

 

主要寄存器及其作用（DR、PC、IR、AR、PSW和通用寄存器等）

⑴数据缓冲寄存器（DR）

         数据缓冲寄存器用来暂存算数逻辑单元（ALU）的运算结果，或由数据存储器读出的数据字，或来自外部接口的数据字。

缓冲寄存器的作用是：

①作为 ALU 运算结果和通用寄存器之间信息传送中时间上的缓冲；

②补偿 CPU 和内存、外围设备之间在操作速度上的差别。

⑵指令寄存器（IR）

        指令寄存器用来保存当前正在执行的一条指令。当执行一条指令时，先把它从指令 cache 存储器（简称指存） 中读出，然后再传送至指令寄存器。

⑶   程序计数器（PC）

    程序计数器用来确定下一条指令的地址，程序若是顺序执行的，则对 PC 加 1；若遇到转移指令，后继指令的地址（即 PC 的内容）必须从指令寄存器中的地址字段取得。

⑷ 数据地址寄存器（AR）

     数据地址寄存器（AR）用来保存当前 CPU 所访问的数据 cache 存储器单元（简称数存）中的地址。由于要对存储器阵列进行地址译码，故必须使用地址寄存器来保持地址信息，直到一次读/写操作完成为止。

 ⑸通用寄存器

       在 CPU 模型中，通用寄存器是当 ALU 执行算术或逻辑运算时，为 ALU 提供一个工作区。目前 CPU 的通用寄存器数量很多，需要在指令格式中对寄存器号加以编址。

⑹状态字寄存器（PSW）

       状态字寄存器（PSW）保存由算术指令和逻辑指令运算或测试结果建立的各种条件代码，如运算结果进位标志（C），溢出标志（V），零标志（Z），负标志（N）以及中断和系统工作状态等信息。
 

指令周期

 

理解指令执行过程

 

时序产生与控制

时序的作用和控制方式

时序的作用：

控制方式：

微程序控制器

控制存储器的功能与结构

         控制存储器是计算机系统中的一个重要组成部分，用于存储和提供各种指令和数据以供处理器执行。它具有控制计算机系统中各个组件工作的功能，并通过存储和提供指令和数据来实现程序的执行。

控制存储器的功能包括：

1. 存储指令和数据：控制存储器可以存储程序中的指令和数据，包括机器指令和数据操作数等。
2. 提供指令和数据：控制存储器可以按需提供存储的指令和数据给处理器进行执行和操作。
3. 控制信号生成：控制存储器可以根据指令的内容和系统的状态生成相应的控制信号，用于控制其他组件的工作。
4. 地址生成：控制存储器可以根据指令中的地址信息生成实际的存储器地址，用于读取或写入数据。

          控制存储器的结构通常由存储单元和地址译码电路组成。存储单元用于存储指令和数据，可以采用不同的存储技术，如RAM（随机存取存储器）或ROM（只读存储器）等。地址译码电路负责将指令中的地址信息转换为实际的存储器地址，并选择对应的存储单元进行读取或写入操作。

程序、机器指令、微指令、微程序之间的关系

       在计算机系统中，程序是由一系列的机器指令组成的，机器指令是计算机能够直接执行的指令。程序中的机器指令由处理器从存储器中读取，并按照指令的操作码和操作数执行相应的操作。

      微指令是指机器指令在计算机系统中被进一步细化和拆分的指令，它可以执行更底层的操作，例如控制寄存器、地址生成、数据传输等。微指令由控制存储器提供，并根据需要生成相应的控制信号。

          微程序是一组按照特定的顺序和逻辑组织的微指令序列，用于实现机器指令的执行。微程序存储在控制存储器中，当处理器执行某个机器指令时，它会从控制存储器中读取对应的微程序，并按照微程序的指令顺序执行相应的微指令。

          程序是由机器指令组成的，机器指令通过控制存储器进行存储和提取，微指令和微程序则是对机器指令的进一步细化和控制。微程序存储在控制存储器中，通过控制存储器中的地址生成和控制信号生成等功能，控制计算机系统中各个组件的工作，使得机器指令能够被正确执行。

微程序的设计（微命令编码、指令格式）

流水CPU

并行处理技术

典型例题

1.在取指周期中，是按照（　）的内容访问主存，以读取指令。

A．指令寄存器IR

B．程序状态寄存器PS

C．存储器数据寄存器MDR

D．程序计数器PC

　　【分析】：每一条指令的执行都是从取指令开始，需要对主存储器进行访问。程序计数器PC是用来存放将要读取并执行的指令在主存储器中的地址，对主存储器访问时所需要的地址由程序计数器PC来提供，即需要按程序计数器PC的内容来访问主存储器。

　 

2．在微程序控制中，一个节拍中所需要的一组微命令，被编成一条　　　。

　　【分析】：控制部件通过控制总线向执行部件发出的控制命令称为微命令，它是计算机中最基本的、不可再分的命令单元。在一个节拍中，一组实现一定功能的微命令的组合构成一条微指令。

　　【答案】：微指令

3．微程序存放在（　）。

A．主存中　　B．堆栈中　　C．只读存储器中　　D．磁盘中

　　【分析】：微程序控制的基本思想是把指令执行所需的所有控制信号存放在存储器中，需要时从这个存储器中读取。由于每一条微指令执行时所发出的控制信号是事先设计好的，不需要改变，故此存放所有控制信号的存储器应为只读存储器，并将其集成到CPU内，称其为控制存储器。

 

4．在微程序控制方式中，机器指令和微指令的关系是（　）。

A．每一条机器指令由一条微指令来解释执行

B．每一条机器指令由一段（或一个）微程序来解释执行

C．一段机器指令组成的工作程序可由一条微指令来解释执行

D．一条微指令由若干条机器指令组成

　　【分析】：在微程序控制方式中，控制部件通过控制总线向执行部件发出的各种控制命令称为微命令，在一个CPU周期中，一组实现一定功能的微命令的组合构成一条微指令，有序的微指令序列构成一段微程序。微程序的作用是实现一条对应的机器指令，即每一条机器指令是由一段（或一个）微程序来解释执行的。

 

5．下列说法中，合理的是（　）。

A．执行各条指令的机器周期数相同，各机器周期的长度均匀

B．执行各条指令的机器周期数相同，各机器周期的长度可变

C．执行各条指令的机器周期数可变，各机器周期的长度均匀

D．执行各条指令的机器周期数可变，各机器周期的长度可变

　　【分析】：机器周期是指令执行中每一步操作所需要的时间，一般以CPU中完成一个运算操作所需的时间作为机器周期的基本时间，其长度是均匀的，而各种指令的功能不同，因而各指令执行时所需的机器周期数是可变的。

 

6．微地址是指微指令（　）。

A．在主存的存储位置

B．在堆栈的存储位置

C．在磁盘的存储位置

D．在控制存储器的存储位置

　　【分析】：微程序控制的基本思想是：把指令执行所需要的所有控制信号存放在控制存储器中，需要时从这个存储器中读取，即把操作控制信号编成微指令，存放在控制存储器中。一条机器指令的功能通常用许多条微指令组成的序列来实现，这个微指令序列称为微程序。微指令在控制存储器中的存储位置称为微地址。

 

7．在微程序控制中，把操作控制信号编成（　）。

A．微指令　 B．微地址　　C．操作码　　D．程序

　　【分析】：微程序控制的基本思想是：把指令执行所需要的所有控制信号存放在控制存储器中，需要时从这个存储器中读取，即把操作控制信号编成微指令，存放在控制存储器中。一条机器指令的功能通常用许多条微指令组成的序列来实现，这个微指令序列称为微程序。微指令在控制存储器中的存储位置称为微地址。

8．从一条指令的启动到下一条指令的启动的间隔时间称为（　）。

A．时钟周期　　B．机器周期

C．工作周期 D．指令周期

　　【分析】：指令周期：从一条指令的启动到下一条指令的启动的间隔时间。机器周期：指令执行中每一步操作所需的时间，又称CPU周期。时钟周期：计算机主频周期。

 

9．通常，微指令的周期对应一个（　）。

A．指令周期　　B．主频周期

C．机器周期 D．工作周期

　　【分析】：指令周期：从一条指令的启动到下一条指令的启动的间隔时间。机器周期：指令执行中每一步操作所需的时间，又称CPU周期。时钟周期：计算机主频周期。微指令周期等于读出一条微指令加上执行该微指令的所需时间。通常微指令周期与指令的机器周期相等。

 

10．在微程序控制器中，控制存储器由　　　构成，用于存放　　　。

　　【分析】：CPU内用于存放实现指令系统全部指令的微程序的只读存储器称为控制存储器。

　　【答案】：只读存储器　　微程序

三、改错题：

历年真题：

（2000年）9．单总线结构系统是指：各大功能部件之间用一根信号线连接。

　　【答案】：单总线结构系统是指各寄存器及ALU之间的数据通路只用一条总线构成。

（2002年）2．CPU只是计算机的控制器。

　　【分析】：计算机硬件系统是由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备等五大部分组成，其中将运算器和控制器合在一起称为中央处理器，简称为CPU。

　　【答案】：CPU是由控制器和运算器组成的。

（2003年）21．硬连线方式是用时序电路产生时间控制信号，用存储逻辑电路实现各种控制功能。

　　【分析】：在采用组合逻辑和时钟信号相结合的硬连线控制器中，时间控制信号是由时序电路产生，而各种控制功能则是由组合逻辑电路实现。

【答案】：硬连线方式是用时序电路产生时间控制信号，用组合逻辑电路实现各种控制功能。

（2004年）21．在一条微指令中，顺序控制部分的作用是发出指挥全机工作的控制信号。

　　【分析】：在一条微指令中，控制字部分的作用是发出指挥全机工作的控制信号；顺序控制部分的作用是产生后继微指令的地址。

　　【答案】：在一条微指令中，顺序控制部分的作用是产生后继微指令的地址。

四、简答题：

 1．硬连线控制器如何产生微命令？产生微命令的主要条件是哪些？

　　【答案】：

　　　　硬连线控制器依靠组合逻辑电路产生命令； 

　　　　组合逻辑电路的输入是产生微命令的条件，主要有：① 指令代码；② 时序信号；③ 程序状态信息与标志位；④ 外部请求信号。 

 2．当读取并执行一条指令时，控制器的主要功能是什么？

　　【答案】：

① 从主存取指令，并计算下一条指令在主存中的地址；

② 对指令进行译码，产生相应的操作控制信号；

③ 控制指令执行的步骤和数据流动的方向。

 3．微程序控制器怎么产生操作控制信号，这种控制器有何优缺点？

　　【答案】：

　　　　操作控制信号的产生：事先把操作控制信号以代码形式构成微指令，然后存放到控制存储器中，取出微指令时，其代码直接或译码产生操作控制信号。

　　　　优点：规整、易于修改和扩展。

　　　　缺点：速度较慢。

 4．在CPU中，哪些寄存器属于控制用的指令部件？它们各起什么作用？ 

　　【答案】：

　　　　（1）程序计数器PC，提供取指地址，从而控制程序执行顺序。

　　　　（2）指令寄存器IR，存放现行指令，作为产生各种微操作命令的基本逻辑依据。

　　　　（3）程序状态寄存器PS，记录程序运行结果的某些特征标志，或用来设置程序运行方式与优先级，参与形成某些微操作命令。

5．与硬连线控制器相比，微程序控制器有哪些优缺点？

　　【答案】：与硬连线控制器相比，微程序控制器的优点是设计规整、易于修改和扩展。缺点是比硬连线控制器速度慢。

6．硬连线控制器主要由哪几部分构成？它是如何产生控制信号的？

　　【答案】：硬连线控制器主要由时钟源、环形脉冲发生器、控制信号编码器电路和指令译码器电路构成。硬连线控制器采用组合逻辑与时钟信号结合的方式产生控制信号。

 微程序控制器的构成：

控制存储器、微指令寄存器μIR、微地址寄存器μAR、地址转移逻辑等。

 
 微指令控制字编码的方式：

微指令编码的3种方式分别是：直接表示法、编码表示法、混合表示法。
 　　直接表示法是将每个控制信号都作为微指令中的一个位。这种方法的特点是简单直观，其输出直接用于控制，但编码效率低。
 　　编码表示法是将微指令进行分组编码，将不同时出现的相斥信号分在一个组中，然后将其编码成较短的代码。这种方法减少了控制存储器所需要的存储器的代码的数量，但是编码的指令代码需要译码器译码，增加了控制信号的延迟，影响CPU的工作频率。
 　　混合表示法是把直接表示法与编码方法相结合使用，即采用部分直接表示部分编码的方法，将一些速度要求较高，或与其他控制信号都相容的控制信号以直接方式表示，而将剩余信号以编码方式。混合表示法便于综合考虑指令字长、灵活性和执行速度方面的要素。

 
 微地址的形成方法：

（微指令中顺序控制字段的编码）微地址的形成方法有三种方式：计数器方式、断定方式和结合方式。
 　　计数器方式，又称增量方式。用微程序计数器μPC来产生指令的微地址，将微程序中的各条微指令按顺序安排在控制存储器中，后继地址由现行微地址加上一个增量形成。
 　　断定方式，根据机器状态决定下一条微指令的地址，下一条微指令的地址包含在当前微指令的代码中。
 　　结合方式，是将计数器方式和断定方式相结合。

 
 中央处理器的基本功能：

计算机的中央处理器（CPU）具有以下4个方面的基本功能：
 　　（1）指令控制，即对程序运行的控制；
 　　（2）操作控制，即对指令内操作步骤的控制；
 　　（3）数据运算，即对数据进行算术运算和逻辑运算，这是CPU的最基本功能；
 　　（4）异常处理和中断处理，如处理运算中的溢出等错误情况以及处理外部设备的服务请求等。
 　　此外，CPU还具有存储管理、总线管理、电源管理等扩展功能

 

第五章名词解释

 指令周期：从一条指令的启动到下一条指令的启动的间隔时间。

 机器周期：指令执行中每一步操作所需的时间。

 指令仿真：通过改变微程序实现不同机器指令系统的方式，使得在一种计算机上可以运行另一种计算机上的指令代码。

 指令模拟：在一种计算机上用软件来解释执行另一种计算机的指令。

 硬连线逻辑：一种控制器逻辑，用一个时序电路产生时间控制信号，采用组合逻辑电路实现各种控制功能。

 微程序：存储在控制存储中的完成指令功能的程序，由微指令组成。

 微指令：控制器存储的控制代码，分为操作控制部分和顺序控制部分。

 微操作：在微程序控制器中，执行部件接受微指令后所进行的操作。

 微地址：微每时令在控制存储器中的存储地址。

 控制存储器：CPU内用于存放实现指令系统全部指令的微程序的只读存储器称为控制存储器。

 相容性微操作：在同时或同一个CPU周期内可以并行执行的微操作。

 相斥性微操作：不能在同时或不能在同一个CPU周期内并行执行的微操作。

（六）总线系统

总线概念和结构

概念、连接方式

总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。

 连接方式：

单总线结构

双总线结构 

 多总线结构 

总线接口

数据传送方式

总线仲裁

集中式仲裁（请求与授权）

 链式查询方式

计数器定时查询：

 独立请求方式：

 优缺点：

分布式仲裁（请求与授权）

总线定时和数据传送模式

总线周期、存储周期、CPU周期等之间的关系

总线周期：存储器和I/O端口是挂接在总线上的，CPU对存储器和I/O接口的访问通过总线实现。把CPU通过总线对微处理器外部（存储器或I/O接口）进行一次访问所需时间称为一个总线周期。
总线周期一般包含4个总线时钟周期：
（1）T1状态 ——输出存储器地址或I/O地址。
（2）T2状态 ——输出控制信号。
（3）T3和Tw状态 ——总线操作持续，并检测READY以决定是否 延长时序。
（4）T4状态 ——完成数据传送。

存储周期：存储周期包含存取时间和恢复时间。指两次独立访问存储器操作之间的最小间隔。其中，存取时间指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。恢复时间指读写操作之后，用来恢复内部状态的时间。

机器周期（cpu周期）：计算机中为了方便管理，常把一条指令 的执行过程划分为若干个阶段（如取指、间址、执行、中断等）。每一阶段完成一个基本操作。注意：每一个基本操作都是由若干CPU最基本的动作组成。这个基本操作所需要的时间称为机器周期，则机器周期由若干个时钟周期组成。

补充：计组所有的周期：

时钟周期：计算机中最小的时间单位，等于cpu主频的倒数。一个时钟周期内，cpu仅完成一个最基本的动作。

指令周期：从取指开始到执行完成该指令所需要的全部时间。指令周期包含若干机器周期。

故指令周期 > 机器周期 > 时钟周期。

cpu访存的过程：cpu通过总线把数据地址送给存储器，存储器得到地址后启动存储器即准备数据，cpu输出控制信号或其他操作，等到数据准备完毕【此过程完成数据准备即一个存储周期】，再由总线送回cpu。一个存储周期是对存储器的两个存取操作的时间间隔，在这个时间间隔里面可以包含多个总线传输周期，因为一次存取操作不一定读取一个数据总线宽度的数据，所以一个存取周期可以包含多个总线传输周期。通常存储周期>总线周期,cpu不能连续存取数据，必须等待。
 

PCI总线

传输机制

第六章名词解释

 猝发转输方式：在一个总线周期内传输存储地址连续的多个数据字的总线传输方式。

 四边沿协议（全互锁）：全互锁的总线通信异步方式，就绪信号和应答信号的上升边沿和下降边沿都是触发边沿。

 码元：信息传输通道中，携带数据信息的信号单元。

 波特率：码元传输速率，每秒通过信道传输的码元数。（传的是信号）

 比特率：信息位传输速率，每秒钟通过信道传输的有效信息量。（传的是信息）

 UART：通用异步接收器/发送器，一种典型的集成电路异步串行接口电路。

 主设备：获得总线控制权的设备。

 从设备：被主设备访问的设备。

 总线事务：从总线的请求到完成总线的使用的操作序列。

 总线协议：总线通信同步方式规则，规定实现总线数据传输的定时规则。

 总线访问延迟：是主设备为获得总线控制权而等待的时间。

 总线周期：是主设备占用总线的时间。

 总线裁决方式：决定总线由哪个设备进行控制的方式。

 系统总线：是用来连接系统内各大功能模块或设备，实现系统种各电路板的连接。

 数据帧：串行数据传输的位格式，包括起始位，数据位，校验位，结束位和空闲位。

 同步通信：所有的设备都从一个公共的时钟信号中获得定时信息。

 异步通信：使用一个在CPU和设备之间的"握手"信号，去除了公共的时钟信号，从而使得操作变成异步的。非互锁、半互锁、全互锁。

 链式查询方式（菊花链方式）：各申请总线的设备合用一条总线作为请求信号线，而总线控制设备的响应信号线则串接在各设备间。

 计数器定时查询方式：集中式总线裁决方式之一，设备要求使用总线时通过一条公用请求线发出，总线控制器按计数的值对各设备进行查询。

 独立请求方式：集中式总线裁决方式之一，每一个设备都有一个独立的总线请求信号线送到总线控制器，控制器也给各设备分别发送一个总线响应信号。

 串行传输：是指数据的传输在一条线路上按位进行。（只需一条数据传输线，线路的成本低，适合于长距离的数据传输）

 并行传输：每个数据位都需要单独一条传输线，所有的数据位同时进行传输。（在采用并行传输方式的总线中，除了有传输数据的线路外，还可以具有传输地址和控制信号的线路，地址线用于选择存储单元和设备，控制线用于传递操作信号）

 复合传输：又称总线复用的传输方式，它使不同的信号在同一条信号线上传输，不同的信号在不同的时间片中轮流地身总线的同一条信号线上发出。（它与并串传输的区别在于分时地传输同一数据源的不同信息。）

 消息传输方式：总线的信息传输方式之一，将总线需要传送的数据信息、地址信息、和控制信息等组合成一个固定的数据结构以猝发方式进行传输。

 总线：一组可由多个部件分时共享的信息传输线。

（七）外存与I/O设备

外围设备功能与分类

功能、分类

磁盘存储设备

磁盘的性能指标、组成和分类

磁盘上信息的分布和读写时间

磁盘设备的技术指标

显示设备

分类、显示存储器

（1）概念：以可见光的形式传递和处理信息的设备称为显示设备。

（2）显示器件分类：阴极射线管CRT显示器、液晶LCD显示器、等离子显示器（LED、发光二极管）等。

输入和打印设备

1、外围设备的组成

存储介质、驱动装置、控制电路

2、外围设备的分类

外存、输入设备、输出设备、通信设备、过程控制I/O设备

3、磁盘存储设备概念与优缺点

4、理解磁记录原理

       磁记录方式：又称编码方式 。即按某种规律，将一串二进制数字信息变换 成磁表面相应的磁化状态。对记录密度和可靠性有很大影响。

5、理解磁盘的读、写操作原理

6、了解磁盘的分类

    硬磁盘按盘片结构，分成可换盘片式与固定盘片式两种；磁头也分为可移动磁头和固定磁头两种。

         温彻斯特磁盘简称温盘，是一种可移动磁头固定盘片的磁盘机，被组装成一个不可随意拆卸的整体。工作时，高速旋转在盘面上形成的气垫将磁头平稳浮起。优点是防尘性能好，可靠性高，对使用环境要求不高，成为最有代表性的硬磁盘存储器。

普通的硬磁盘要求具有超净环境，只能用于大型计算机中。

      磁盘cache：空间、时间局部性原理，弥补慢速磁盘与主存之间速度差异，采用SRAM或DRAM、由硬件与软件共同完成，不同于CPU的cache由硬件完成。

    磁盘阵列RAID：廉价冗余磁盘阵列——独立冗余磁盘阵列，利用数据分块技术和并行处理技术，交错存放数据；用多个小容量磁盘代替一个大容量磁盘。

7、磁盘的组成

磁记录介质

磁盘控制器

磁盘驱动器

8、理解磁盘上信息分布

磁道

扇区

磁盘地址与设计

9、掌握磁盘存储器的技术指标及计算

1. 存储密度（位密度、磁道密度）
2. 存储容量
3. 平均存取时间
4. 数据传输率

 

10、了解磁盘cache、磁盘阵列RAID

11、理解CD-ROM的盘片存储原理

12、了解光盘的分类

CD-ROM、WORM、CD-R、CD-RW、DVD-ROM、蓝光光盘

13、理解磁光盘存储设备的基本原理

读操作

写操作

擦除操作

 了解分辨率、颜色深度的概念

分辨率：显示器能表示的像素个数。像素越密，分辨率越高，图像越清晰。

灰度级：黑白显示器中显示像素点的亮暗差别（颜色深度），彩色显示器中表现为颜色不同。灰度级越多，图像层次越清楚逼真。图像显示器的灰度级一般在 256 级以上。（n位， 2ⁿ 种颜色即灰度级）

 

掌握刷新存储器的容量计算

刷新和刷新存储器（显存、VRAM、视频存储器）

     CRT 发光是由电子束打在荧光粉上引起的。必须使电子束不断地重复扫描整个屏幕即刷新。为了不断提供刷新图像的信号须把一帧图像信息存储在刷新存储器（视频存储器）。

    M=r×C：其 存储容量 M 由图像分辨率r和灰度级C（位数）决定。

（八）输入与输出系统

外围设备的信息交换方式

理解主机与外部设备的信息交换方式

 

程序查询

 

中断方式（理解程序中断方式的中断处理过程）

中断概念

理解程序中断方式的基本I/O接口的组成与作用

1. 准备就绪标志RD
2. 允许中断触发器EI
3. 中断请求触发器IR
4. 中断屏蔽触发器IM

中断响应的流程（整个过程）

DMA方式

掌握DMA基本概念

 了解DMA的基本操作

 掌握DMA控制器的基本组成与作用

1. 内存地址计数器
2. 字计数器
3. 数据缓冲寄存器
4. DMA请求标志
5. 控制/状态逻辑
6. 中断机构

DMA方式与中断的区别

 

 掌握与理解DMA数据传送方式原理

1. 停止CPU访内
2. 周期挪用
3. DMA与CPU交替访内

DMA的动作流程

预处理  -》数据传送 -》后处理

 

 理解DMA数据传送过程

1. 传送前预处理
2. 正式传送
3. 传送后处理

 了解选择型DMA控制器的工作原理

 了解多路型DMA控制器的工作原理

通道方式

了解通道的概念

 了解具有通道的计算机系统结构

 了解功能的基本功能

 了解通道的类型

 选择通道

 多路通道

1. 数组多路通道
2. 字节多路通道

1、了解CPU与输入设备、输出设备的数据交换过程

2、了解外围设备的速度分级

极慢或简单的外围设备：CPU数据一直有效

慢速或中速的外围设备：应答式数据交换

高速外围设备：同步定时方式、DMA方式

3、掌握程序查询方式的特点

1. 设备编址（统一编址、独立编址）
2. 采用输入、输出指令控制设备及测试设备状态
3. CPU是主控方

4、了解程序查询方式接口的组成与作用

1. 设备选择电路
2. 数据缓冲寄存器
3. 设备状态标志

5、了解设备服务子程序的主要功能

6、理解程序查询方式的数据传送过程

7、了解程序查询方式询问外围设备的优先级

11、了解外设输入数据的控制过程

12、掌握单级中断的概念与工作原理

13、理解单级中断源的识别过程

14、理解中断向量的概念

1. 位移量
2. 向量地址转换（转移指令）

        向量中断是指 CPU 响应中断后，由中断机构自动将相应中断源的中断向量地址送入 CPU，由其指明中断服务程序入口地址并实现程序切换的中断方式。引起中断的事件为中断源。系统所有中断向量按顺序位于内存指定位置的一张中断向量表内。

15、掌握多级中断的概念

1. 一维多级中断
2. 二维多级中断

16、了解多级中断结构工作原理

17、了解多级中断源的识别原理

18、了解中断控制器8259的逻辑组成

19、掌握8259的中断优先级选择方式

1. 完全嵌套方式
2. 轮换优先级方式A
3. 轮换优先级方式B
4. 查询方式

31、了解SCSI接口的概念与特点

32、了解IEEE1394接口的概念与特点