计算机组成原理期末考试重点整理供参考.docx

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计算机组成原理期末考试重点整理供参考

期末考试重点

题型

⏹选择题

⏹填空题

⏹判断题

⏹简答题

⏹应用题

选择、填空与判断

⏹计算机的组成和软件的分类

⏹计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5部分组成；

⏹

⏹

⏹机器语言、汇编语言、高级语言的特点

⏹机器语言

⏹

⏹特点：

⏹1.从形式上表现为由0、1序列组成的指令系统

⏹2.机器语言不需要经过任何翻译工作，执行效率高

⏹3.难记忆，难理解，难开发，难调试，易出错

⏹4.不同型号CPU的指令集有较大差异，对应的机器指令也不同，但同一系列的CPU指令集有向上兼容性，如：

Intel80386指令集就包含了8086的指令集

⏹汇编语言

⏹

⏹优点：

可读性较好，便于检查和修改错误

⏹缺点：

⏹1.基本操作简单，描述问题的能力差，编写程序工作量大，源程序较长。

⏹2.编写的程序与问题的描述相差甚远，可读性仍不好。

⏹3.依赖于计算机的硬件结构和指令系统，可移植性差

⏹高级语言

⏹

⏹优点

⏹1.与计算机的硬件结构和指令系统无关

⏹2.表达方式比较接近自然语言

⏹3.描述问题的能力强

⏹4.可读性、通用性和可维护性好

⏹5.与机器的字长、寄存器、内存单元地址等无关

⏹缺点

⏹1.高级语言必须翻译成机器语言才能执行，由于编译过程复杂死板，翻译出来的机器语言冗长，占内存大，速度慢；

⏹2.高级语言不能编写访问机器硬件资源的系统软件或设备控制软件。

⏹解决第二个缺点的方法：

提供高级语言与汇编语言的调用接口

⏹原码定点整数、补码定点整数的表示范围

⏹原码

⏹真值0的原码表示有两种：

[+0]原=00…0，[-0]原=10…0

⏹设机器字长为n+1位，则

⏹原码定点正整数的表示范围为00…0—01…1，即0—2n-1，

⏹原码定点负整数的表示范围为10…0—11…1，即-0—-（2n-1），

⏹原码定点整数的表示范围：

-（2n-1）—2n-1

⏹反码

⏹正数的反码与原码相同

⏹负数的原码符号位不动，其余位取相反码

⏹0的反码表示有两种：

[+0]反=00…0，[-0]反=11…1

⏹定点整数的反码表示范围与原码相同：

-（2n-1）—2n-1

⏹补码

⏹2.

（1）正数的补码与原码一样；

⏹

（2）负数的补码:

⏹将原码符号位保持“1”之后，

⏹尾数部分自低位向高位数，第一个1以及之前的0保持不变，以后的各高位按位变反。

⏹由补码求原码的方法：

补码再求补

⏹补码的符号位是数值的一部分，可直接参与运算

⏹0的补码表示有一种：

[+0]补=00…0

⏹补码的定点整数的表示范围：

-2n—2n-1

⏹四种基本逻辑运算：

与、或、非、异或SB

⏹进位计数制之间的的转换（实数）SB

⏹3.1将十进制数73.5转换成二进制数和八进制数

⏹3.1答：

73.5=（1001001.1）2=（111.4）8

⏹3.2把（22.2）8转换成十进制数

⏹3.2答：

（22.2）8=2×81+2×80+2×8-1=18.25

⏹1．将十进制数0.45转换为四进制数，小数取4位

⏹1、（0.1303）4

⏹计算机的存储系统（出现的原因、结构）

⏹存储器——计算机的一种具有记忆功能的部件，用来存放程序、数据、符号等信息。

具有写入，读出和保存数据三大功能。

⏹主存储器处于全机中心地位

⏹输入输出系统的组成

⏹输入输出系统包括外部设备（输入输出设备和辅助存储器）及其与主机（CPU和主存储器）之间的控制部件。

⏹后者称之为设备控制器，有时也称为设备适配器或接口，其作用是控制并实现主机与外部设备之间的数据传送。

⏹输入/输出接口的功能

⏹实现主机和外围设备之间的数据传送控制。

⏹实现数据缓冲，以达到主机同外围设备之间的速度匹配。

⏹接收主机的命令，提供设备接口的状态，并按照主机的命令控制设备。

⏹cache的地址映像方式

⏹基本映像方式：

直接映像、全相联映像和组相联映像

⏹段式、页式、段页式虚拟存储器的虚实地址转换

⏹（太多了，自己看）PPT05存储系统46~55页

⏹指令系统的概念，指令的格式、分类

⏹计算机指令系统——全部机器指令的集合

⏹硬件设计的核心

⏹建立在一组微操作指令上

⏹指令：

计算机执行某种操作的命令。

⏹从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令。

微指令是微程序级的命令，它属于硬件；宏指令是由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；而机器指令则介于微指令与宏指令之间。

⏹指令系统：

一台计算机所有的指令的集合。

⏹指令系统的规模决定了机器规模的大小，指令系统是进行计算机逻辑设计和编制程序的基本依据。

它直接说明了这台计算机的功能。

一般来说不同类型CPU的指令系统是不能混用与兼容的，但同一系列的CPU一般升级后指令都有扩充，并可兼容。

算术逻辑运算指令

加、减、比较、求补、乘除运算（定点数运算）

与、或、非、异或操作

位操作

移位操作指令

分为算术移位、逻辑移位和循环移位三种

⏹微指令的概念

⏹在微程序控制的计算机中，将由同时发出的控制信号所执行的一组微操作称为微指令。

⏹CPU的性能影响因素

⏹计算机CPU中，控制器的控制方式

⏹控制存储器容量的计算

⏹运算器的组成

⏹运算器

⏹完成二进制编码的算术或逻辑运算的部件。

⏹组成：

⏹累加器（用符号LA）

⏹通用寄存器（用符号LB）

⏹算术逻辑单元（用符号ALU）

⏹控制器的组成

⏹中断的分类

⏹按照中断源的位置不同，中断分为：

⏹外中断——由各种输入输出设备、一些接口卡等引起的中断

⏹内中断——由处理机硬件故障、程序运行出错等引起的中断

⏹按照中断的产生部件不同，中断分为：

⏹硬件中断——由硬件设备或功能部件产生的中断

⏹软件中断——由写在程序中的语句（例如用户程序中的系统调用指令等）引起的一段程序的执行过程

⏹从CPU要不要接收中断请求、从能不能限制某些中断发生的角度，中断分为：

⏹可屏蔽中断——可以被CPU通过指令限制其发出中断请求的中断

⏹不可屏蔽中断——不允许执行屏蔽中断的终端，如电源掉电

⏹总线的基本特性

⏹总线（bus）是计算机中多个功能部件之间相互连接、竞争使用的公用通路。

⏹总线的作用：

连接计算机的不同部件和设备，使计算机的各个功能部件成为一个统一的整体。

⏹总线的基本特性

⏹共享

⏹多个部件连接在同一组总线上，各部件之间相互交换的信息都可以通过这组总线传送。

⏹分时

⏹指同一时刻总线只能在一对部件之间传送信息。

⏹主设备：

能主动申请总线使用权并启动数据传输过程的部件，如CPU

⏹从设备：

只能被动等待主设备的启动命令，如主存。

⏹单机系统中的单总线、双总线和三总线结构的构成

优点是什么？

结构简单，成本低，易于接入新的设备

缺点是什么？

不利于提高数据传输率，串行完成不同的数据传输

⏹DMA的工作方式

⏹

（1）DMA概述

⏹基本思想——在外围设备和主存之间开辟直接的数据传送通路

⏹工作过程

⏹正常工作时，所有工作周期都执行CPU的程序。

⏹当外设完成输入输出数据的准备工作后，占用总线一个工作周期和主存直接交换数据。

由DMA控制器完成。

⏹这个周期过后，CPU又继续控制总线，执行原程序。

⏹如此重复，直到整个数据块的数据传送完毕。

⏹常见的输入输出设备

⏹指令周期、机器周期、时钟周期的关系

⏹指令周期是完成一条指令所需的时间，包括取指令、分析指令和执行指令所需的全部时间。

⏹指令周期划分为几个不同的阶段，每个阶段所需的时间称为机器周期，又称CPU周期或基本周期，通常等于取指时间

⏹时钟周期（也称为时钟脉冲、T周期、主振周期、主频周期）是时钟频率（主频）的倒数

⏹一个指令周期由若干个机器周期组成，每个机器周期由若干个时钟周期组成。

简答题和应用题

⏹计算机硬件系统基本组成部件及相互间的关系。

⏹计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5部分组成；

⏹立即寻址，直接寻址，间接寻址，寄存器寻址，寄存器间接寻址，相对寻址，要求掌握以上寻址方式中有效地址的计算，能够根据有效地址找到操作数，以上寻址方式的特点

⏹5.2基址寄存器的内容为2000H，变址寄存器的内容为03A0H，指令的地址码部分是3FH，当前正在执行的指令所在地址为2B00H，求出变址寻址、基址寻址、基址变址寻址和相对寻址下的操作数有效地址E

⏹解：

⏹变址寻址：

E=（X）+D=03A0H+3FH=03DFH

⏹基址寻址：

E=（B）+D=2000H+3FH=203FH

⏹基址变址寻址：

E=（B）+（X）+D=2000H+03A0H+3FH=23DFH

⏹相对寻址：

E=（PC）+D=2B00H+3FH=2B3FH

⏹5.9在下面有关寻址方式的叙述中，选择正确答案填入括号内。

⏹根据操作数所在位置，指出器寻址方式：

操作数在寄存器中，为（A）寻址方式；操作数地址在寄存器中，称为（B）寻址方式；操作数在指令中，称为（C）寻址方式；操作数地址（主存）在指令中，为（D）寻址方式；操作数的地址，为某一寄存器中的内容与位移量之和则可以是（E）、（F）、（G）寻址方式

⏹供选择的答案：

⏹A、B、C、D、E、F、G：

①直接；②寄存器；③寄存器间接；④基址；⑤变址；⑥相对；⑦堆栈；⑧立即数

⏹答：

⏹A：

②，B：

③，C：

⑧，D：

①，E、F、G：

④⑤⑥

⏹CPU的功能和CPU的组成

⏹CPU的组成

⏹1.运算器

⏹2.控制器

⏹3.cache（指令cache和数据cache）

⏹CPU内控制器的组成和控制器的功能

⏹控制器的功能

⏹

（1）取指令

⏹当程序已经在存储器中时，首先根据程序入口取出第一条指令，为此要发出指令地址及控制信号。

然后不断取出第2，3，…条指令。

⏹

（2）分析指令（解释指令、指令译码）

⏹对当前的指令进行分析，指出它要求做什么操作，并产生相应的操作控制命令，如果参与操作的数据在存储器中，还需要形成操作数地址。

⏹（3）执行指令

⏹根据分析指令时产生的操作命令和操作数地址形成相应的操作控制信号序列，通过CPU、存储器及输入输出设备的执行，实现每条指令的功能，其中还包括对运算结果的处理以及下条指令地址的形成

⏹（4）控制程序和数据的输入与结果输出

⏹根据程序的安排或人的干预，在适当的时候向输入输出设备发出一些相应的命令来完成I/O功能，这实际上也是通过执行程序来完成的。

⏹（5）对异常情况和某些请求的处理

⏹算术运算的溢出

⏹数据传送的奇偶错

⏹磁盘上的成批数据需送存储器

⏹程序员从键盘送入命令

⏹

⏹指令的执行过程，如MOVr0,r1和ADDr9,r0的执行过程（取指令和执行指令）

⏹SB~~详见PPT06CPU32~39页

⏹输入/输出控制方式（5种），各自的特点

⏹1、程序直接控制（programmeddirectcontrol）方式

⏹程序直接控制方式就是完全通过程序来控制主机和外设之间的信息传送。

⏹方法：

在用户的程序中安排一段由输入输出指令和其他指令所组成的程序段直接控制外围设备的工作。

⏹程序直接控制方式特点

⏹优点：

控制方式简单

⏹缺点：

⏹1.CPU和外设只能串行工作，CPU与I/O设备的速度不匹配，CPU大量时间都处于等待、空闲状态，浪费CPU时间,特别是传送批量数据。

只能适于传输率高的外设。

⏹2.只能在程序里预定某个特定的设备和与设备联系的特定时间，不能处理突发事件。

⏹

⏹2、程序中断传送（programinterruptcontrol）方式

⏹中断方式的特点

⏹在一定程度上实现了CPU和外围设备的并行工作。

⏹对于磁盘、磁带等工作频率较高的外设，采用程序中断方式将造成信息丢失。

⏹

⏹3、直接存储器存取（directmemoryaccess）方式

⏹基本思想——在外围设备和主存之间开辟直接的数据传送通路

⏹工作过程

⏹正常工作时，所有工作周期都执行CPU的程序。

⏹当外设完成输入输出数据的准备工作后，占用总线一个工作周期和主存直接交换数据。

由DMA控制器完成。

⏹这个周期过后，CPU又继续控制总线，执行原程序。

⏹如此重复，直到整个数据块的数据传送完毕。

⏹DMA的缺点

⏹在大中型计算机中，外设配置多，数据传送频繁，采用DMA方式存在以下问题：

⏹

（1）若为数众多的外设都配置专用的DMA控制器，将大幅度增加硬件，因而提高成本。

而且要为解决众多DMA同时访问内存的冲突，使控制复杂化。

⏹

（2）采用DMA传送方式的众多外设均直接由CPU管理，由CPU初始化，会占用较多的CPU时间，而且频繁的周期挪用会降低CPU执行程序的效率。

⏹

⏹4、I/O通道控制（I/Ochannelcontrol）方式

⏹通道能独立地执行用通道命令编写的输入输出控制程序，产生相应的控制信号送给由它管辖的设备控制器，继而完成复杂的输入输出过程。

⏹I/O通道具有自己的指令系统，并能实现指令所控制的操作，具备处理机的功能。

但不是一个完全独立的处理机，只是从属于CPU的一个专用I/O处理器。

⏹

⏹5、外围处理机（peripheralprocessorunit）方式

⏹结构更接近于一般处理机，甚至就是一般小型通用计算机或微机。

它可完成I/O通道所要完成的I/O控制，还可完成码制变换、格式处理、数据块的检错、纠错等操作。

⏹基本独立于主机工作。

⏹中断的执行过程

⏹

⏹DMA与中断相比，各自的特点是什么？

⏹中断和DMA比较

⏹中断方式是通过程序切换进行，CPU要停止执行现行程序转去执行中断服务程序，在这一段时间内，CPU只为外设服务。

DMA控制是硬件切换，CPU不直接干预数据交换过程，只是在开始和结束时借用一点CPU时间，大大提高了CPU的利用率，系统的并行性较高。

⏹对中断的响应只能在一条指令执行完成时进行，而对DMA的响应可以在指令周期的任何一个机器周期结束时进行。

⏹中断具有对异常事件的处理能力，而DMA模式主要用于需要大批量数据传送的系统中。

⏹集中式总线仲裁有哪几种方式？

各种方式的特点

⏹就集中控制而言，有3种常见的优先权仲裁方式：

⏹链式查询方式

⏹计数器定时查询方式

⏹独立请求方式

⏹易失性存储器有哪些？

非易失性存储器有哪些？

各自的特点

⏹基于所给正数或负数，求其原码、反码、补码。

由机器码能求真值

⏹3.4写出下列各二进制数的原码、补码和反码

⏹

0.1010，0，-0，-0.1010，0.1111，-0.0100

⏹3.6已知[x]补为下述各值，求x

⏹0.1110，1.1100，0.0001，1.1111，1.0001

⏹3.9设机器字长16位。

定点表示时，数值15位，符号位1位。

试求：

⏹

（1）定点原码整数表示时，最大正数，最小负数各是多少？

⏹

（2）定点原码小数表示时，最大正数，最小负数各是多少？

⏹答：

（1）最大正数是：

0111111111111111，215-1

⏹最小负数是：

111111*********1，-（215-1）

⏹

（2）最大正数是：

0111111111111111，1-2-15

⏹最小负数是：

111111*********1，-（1-2-15）

⏹3.29如果采用偶校验，下述两个数据的校验位的值是多少？

⏹

（1）0101010

（2）0011011

⏹答：

（1）1，

（2）0

⏹3.33现有4位二进制数，请回答：

⏹

（1）若是无符号数，能表示的数据个数是多少？

⏹

（2）若内有1位符号位，则用原码、补码、反码表示时，能表示的数据个数各是多少？

⏹答：

（1）16个

⏹

（2）各是15、16、15

⏹补码加减法的溢出判别

⏹采用变形补码判断

⏹将符号位扩充为两位，称为变形补码

⏹00结果为正，无溢出

⏹01结果正溢出

⏹10结果负溢出

⏹11结果为负，无溢出

⏹1.假设机器字长5位，最高位是符号位，用补码计算下列各组数的和，并判断是否产生溢出，若溢出，请说明原因。

⏹

（1）12+8

（2）-4+6

⏹解：

（1）01100+01000=10100溢出，因为两个同号数相加得到的结果的符号位与两个加数的符号位不同，所以产生溢出。

⏹

（2）11100+00110=00010不溢出

⏹根据给定多项式，求CRC码

⏹2.设一个七位CRC码（循环冗余校验码），其中信息位4位，校验位3位，生成多项式为1011，则信息0110的CRC校验码是多少。

（要求计算过程）

⏹解：

0110000与1011做模2除，得到余数码001，拼接在0110后得到CRC码0110001。

⏹cache命中率和平均访问时间，cache-主存系统的效率

⏹设cache的存取时间为tc，命中率为h，主存的存取时间为tM，则具有cache的存储器的平均存取时间=h•tc+（1-h）（tc+tM）

⏹例：

CPU执行一段程序时，cache完成存取的次数为5000次，主存完成存取的次数为200次，已知cache存取时间为40ns，主存存取时间为160ns。

则cache命中率H=？

，平均访问时间=？

（ns）。

⏹解：

H=5000/（5000+200）=5000/5200=96%

⏹平均访问时间=h•tc+（1-h）（tc+tM）=0.96×40+（1-0.96）×（40+160）=46.4ns

⏹【练习】某计算机系统的存储器由cache和主存构成，cache的存取时间是45ns，主存的存取时间是200ns。

已知在一段给定的时间内，CPU共访问存储器4500次，其中340次访问主存，问：

⏹

（1）cache的命中率是多少？

⏹

（2）CPU访问存储器的平均时间是多少ns？

⏹（3）cache-主存系统的效率是多少？

⏹解：

（1）h=（4500-340）/4500=0.92=92%

⏹

（2）CPU访存的平均时间=h•tc+（1-h）（tc+tM）=0.92×45+（1-0.92）×245=61ns

⏹（3）cache-主存系统的效率=tc/（访存的平均时间）=45/61=74%

⏹存储器容量的扩展，能够说明需要的芯片数，所需的扩展方式，每组芯片的地址范围

⏹（太多了，自己看）PPT05存储系统16~23页

⏹求CPI、MIPS速率、程序执行时间T、指令周期、机器周期、时钟周期。

⏹计算机时钟的运行周期称为时钟周期（主振周期、主频周期），可用时间长度（ns）来表示。

时钟周期（主振周期、主频周期）的倒数就是主频，可用频率MHz来表示。

⏹一个程序所化的CPU时间TCPU的计算

⏹

（1）TCPU=NC×t=NC/f

⏹其中，NC表示CPU时钟周期数，t表示时钟周期长度，f表示频率，t=1/f

⏹

（2）TCPU=IN×CPI×t=（IN×CPI）/f

⏹其中，IN是指令条数，CPI是每条指令的平均时钟周期数，CPI=NC/IN

⏹采用FIFO算法、LRU算法，用列表法求两种策略的命中率。

⏹指令系统中，如何在给定格式要求下，安排对应数量的零地址指令、一地址指令、二地址指令等，会计算指令条数。

补充1、某指令系统指令字长为20位，具有双操作数、单操作数和无操作数3种指令格式，每个操作数地址6位，当双操作数指令条数取最大值，而且单操作数指令条数也取最大值时，这3种指令最多可能拥有的指令数各是多少？

解：

基本操作码长20-6x2=8位

双操作数指令条数最大为28-1=255条，

单操作数指令条数最大为26-1=63条，

无操作数指令条数最大为26=64条

详细过程：

•解：

指令中最多是二地址指令，因此基本操作码是16-6x2=4位

•双操作数指令K条，则剩余24-K个码点用于扩充到单操作数指令

•单操作数指令最多有（24-K）x26，假设单操作数指令最多有x条，则剩余（24-K）x26–x个码点扩充到无操作数指令

•无操作数指令有[（24-K）x26–x]x26，由题意知无操作数指令有L条，则

•[（24-K）x26–x]x26=L，求方程得出x=（24-K）x26–L/26

⏹注意：

掌握做过的例题、练习和作业！