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计算机组成原理复习资料
第1章：
1.计算机系统由“硬件”和“软件”两大部分组成
计算机的软件通常又可分为两大类：
系统软件和应用软件
2.冯诺依曼计算机的特点：
计算机由运算器、储存器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成
运算器、控制器、存储器—》主机
控制器、运算器==》CPU
输入、输出–》I/O
3机器字长是指CPU一次能够处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
字长越长，数的表示范围越大，精度也越高。
4存储容量=储存单元个数*存储字长
MAR的位数反映了储存单元的个数，MDR的位数反映了存储字长
如MAR为16位，MDR为32位，存储容量=2的16次方*32=2M位（1M=2的20次方）
储存容量2M位=2的18次方字节（一个字节=8位）=2的18次方B=256KB
第1章课后题：
1.什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？
硬件和软件哪个更重要？
解：
P3
计算机系统：
由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。
计算机硬件：
指计算机中的电子线路和物理装置。
计算机软件：
计算机运行所需的程序及相关资料。
硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。
5.冯•诺依曼计算机的特点是什么？
解：
冯•诺依曼计算机的特点是：
P8
计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；
指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；
指令和数据均用二进制表示；
指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；
指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；
机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。
7.解释下列概念：
主机、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长。
解：
P9-10
主机：
是计算机硬件的主体部分，由CPU和主存储器MM合成为主机。
CPU：
中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成；（早期的运算器和控制器不在同一芯片上，现在的CPU内除含有运算器和控制器外还集成了CACHE）。
主存：
计算机中存放正在运行的程序和数据的存储器，为计算机的主要工作存储器，可随机存取；由存储体、各种逻辑部件及控制电路组成。
存储单元：
可存放一个机器字并具有特定存储地址的存储单位。
存储元件：
存储一位二进制信息的物理元件，是存储器中最小的存储单位，又叫存储基元或存储元，不能单独存取。
存储字：
一个存储单元所存二进制代码的逻辑单位。
存储字长：
一个存储单元所存二进制代码的位数。
存储容量：
存储器中可存二进制代码的总量；（通常主、辅存容量分开描述）。
机器字长：
指CPU一次能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。
指令字长：
一条指令的二进制代码位数。
第2章练习题：
1.通常计算机的更新换代以什么为依据？
答：
主要以组成计算机基本电路的元器件为依据，如电子管、晶体管、集成电路等。
第3章：
1.计算机系统给的五大部件之间的互连方式有两种，一种是各部件之间使用单独的连线，称为分散连接；另一种是将各部件连到一组公共信息传输线上，称为总线连接。
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。
2.按连接部件的不同，总线分三类：
片内总线、系统总线、通信总线。
其中，系统总线按传输信息的不同，又分为三类：
1.数据总线；（双向）2.地址总线;（单向）3.控制总线（单向）
Tips:
数据总线:
数据总线的宽度为8位,指令字长位16位,那么CPU在取指阶段必须两次访问主存.
地址总线:
地址线为20根,则对应的存储单元个数为2的20次方.
3.总线结构通常可分为单总线结构和多总线结构
单总线结构:
结构简单,便于扩充,但会影响系统工作的效率.
多总线结构:
将单总线上速度较低的I/O设备分离开来.形成主存总线与I/O总线分开,效率更高
4.
为了让部件发送信息具有条理性、信息传送定时、防止信息丢失，避免多个部件同时发送等系列问题发生，需要由总线控制器统一管理。
它主要包括判优控制和通信控制。
总线判优可分为集中式和分布式两种,前者将控制逻辑集中在一处（比如说CPU处），后者将控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上。
常见的集中控制优先权的仲裁方式有以下三种：
（1）链式查询方式：
连线简单，易于扩充，对电路故障最敏感；
（2）计数器查询方式：
优先级设置较灵活，对故障不敏感，连线及控制过程较复杂；
（3）独立请求方式：
判优速度最快，但硬件器件用量大，连线多，成本较高。
5.总线通信控制。
※※例题：
3.13.23.4
第3章练习题：
1.什么是总线？
总线传输有何特点？
为了减轻总线的负载，总线上的部件都应具备什么特点？
解：
总线是多个部件共享的传输部件；
总线传输的特点是：
某一时刻只能有一路信息在总线上传输，即分时使用；
为了减轻总线负载，总线上的部件应通过三态驱动缓冲电路与总线连通。
2.解释概念：
总线宽度、总线带宽、总线复用、总线的主设备（或主模块）、总线的从设备（或从模块）、总线的传输周期、总线的通信控制。
解：
总线宽度——指数据总线的位（根）数，用bit（位）作单位。
总线带宽——指总线在单位时间内可以传输的数据总量，相当于总线的数据传输率，等于总线工作频率与总线宽度（字节数）的乘积。
总线复用——指两种不同性质且不同时出现的信号分时使用同一组总线，称为总线的“多路分时复用”。
.解释概念：
总线宽度、总线带宽、总线复用、总线的主设备（或主模块）、总线的从设备（或从模块）、总线的传输周期、总线的通信控制。
解：
总线宽度——指数据总线的位（根）数，用bit（位）作单位。
总线带宽——指总线在单位时间内可以传输的数据总量，相当于总线的数据传输率，等于总线工作频率与总线宽度（字节数）的乘积。
总线复用——指两种不同性质且不同时出现的信号分时使用同一组总线，称为总线的“多路分时复用”。
※※计算题3.153.16
第四章
存储器是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。
1.存储器分类
按存储介质分类：
半导体存储器、磁表面存储器、磁芯片存储器、光盘存储器。
按存取方式分类：
（1）随机存储器（RandomAccessMemory，RAM）
RAM是一种可读/写存储器。
其特点是存储器的任何一个存储单元的内容都可以随机存取，而且存取时间与存储单元的物理位置无关。
（2）只读存储器（ReadOnlyMemory，ROM）
只读存储器是能对其存储的内容读出，而不能对其重新写入的存储器。
（3）串行访问存储器
如果对存储单元进行读/写操作时，需按其物理位置的先后顺序寻找地址，则这种存储器称为串行访问存储器。
按在计算机的作用分类：
按在计算机系统中的作用不同，存储器主要分为主存储器、辅助存储器、缓冲存储器。
2.存储器的层次结构。
存储器有三个主要性能指标：
速度、容量和每位价格（简称价位）。
从左到右，价位越来越低，速度越来越慢，容量越来越大：
寄存器，缓存，主存，磁盘，磁带。
存储系统层次结构主要体现在缓存—主存和主存—辅存这两个存储层次上。
缓存—主存层次主要解决CPU和主存速度不匹配的问题。
主存—辅存层次主要解决存储系统的容量问题。
3.
存储容量：
是指主存能存放二进制代码的总位数。
存储速度：
是由存取时间和存取周期来表示的。
存储器带宽：
与存取周期密切相关的指标，它表示单位时间内存储器存取的信息量。
4.目前，动态RAM应用比静态RAM要广泛得多。
原因：
1.在同样大小的芯片中，动态RAM的集成度远高于静态RAM。
2.动态RAM行、列地址按先后顺序输送，减少了芯片的引脚，封装尺寸也减少。
3.动态RAM的功耗比静态RAM小。
4.动态RAM的价格比静态RAM的价格便宜。
5.动态RAM的刷新有三种方法：
集中刷新，分散刷新，异步刷新。
6.
ROM：
只读存储器
PROM：
实现一次性变成的只读存储器
EPROM：
一种可擦除可编程的只读存储器
EEPROM：
用字擦除方式或页擦除方式，即可局部擦写，又可全部擦写。
※※7.
4.2.5字位扩展–》图4.35例4.1
4.2.7提高访存速度方法，特别是多体交叉例4.6
4.3Cache
4.3.1
例4.7Cache的改进
4.3.2映射。
。
三种映射，会做题
例4.84.94.104.11
*MemoryAddressRegister主存地址寄存器用来读取主存时缓存地址。
*MemoryDataRegister主存数据寄存器用来缓存从主存中读取的数据（包括指令）。
第5章：
1.输入输出系统的发展概况
①:
早期阶段：
I/0设备种类较少,I/O设备与主存交换信息都必须通过CPU
②:
接口模块和DMA阶段:
这个阶段的I/O设备通过接口模块与主机连接,计算机系统采用了总线结构.
③:
具有通道结构的阶段:
采用I/O通道的方式来进行数据交换.
④:
具有I/O处理机的阶段:
I/O处理机它独立于主机工作,即可完成I/O通道要完成的I/O控制,又可完成码制变换、格式处理、数据块检错、纠错等工作。
2.I/O设备与主机的联系方式
I/O设备编址方式。
通常将I/O设备码看做地址码，对I/O地址码的编址可采用两种方式：
统一编址：
将I/O地址看作是存储器地址的一部分。
不统一编址：
指I/O地址和存储器地址是分开的，所有对I/O设备的访问必须有专用的I/O指令。
3.I/O设备与主机信息传送的控制方式
①程序查询方式：
（CPU工作效率不高）
程序查询方式是由CPU通过程序不断查询I/O设备是否已做好准备，从而控制I/O设备与主机交换信息。
②程序中断方式：
（CPU资源得以充分利用）
倘若CPU在启动I/O设备后，不查询设备是否已准备就绪，继续执行自身程序，只是当I/O设备准备就绪并向CPU发出中断请求才予以响应，这将大大提高CPU的工作效率。
③DMA方式（直接存储器存取）：
（进一步提高CPU资源利用率）
主存与I/O设备之间有一条数据通路，主存与I/O设备交换信息时，无需调用中断服务程序。
若出现DMA与CPU同时访问主存，CPU总是将总线占有权让给DMA。
※※4.章5.45.55.6
例5.15.35.4
第五章练习题：
5.10.什么是I/O接口?
它与端口有何区别？
为什么要设置I/O接口？
I/O接口如何分类？
解：
I/O接口一般指CPU和I/O设备间的连接部件；
I/O端口一般指I/O接口中的各种寄存器。
为了便于程序对这些寄存器进行访问，通常给每个寄存器分配一个地址编号，这种编号被称为I/O端口地址，相应的寄存器也叫作I/O端口。
I/O接口和I/O端口是两个不同的概念。
一个接口中往往包含若干个端口，因此接口地址往往包含有若干个端口地址。
由于I/O设备的物理结构和工作速率一般与主机差异很大，无法直接相连，因此通常通过I/O接口进行连接。
I/O接口分类方法很多，主要有：
按数据传送方式分，有并行接口和串行接口两种；
按数据传送的控制方式分，有程序控制接口、程序中断接口、DMA接口三种。
5.20：
图5.43
5.33.试从下面七个方面比较程序查询、程序中断和DMA三种方式的综合性能。
（1）数据传送依赖软件还是硬件；
（2）传送数据的基本单位；
（3）并行性；
（4）主动性；
（5）传输速度；
（6）经济性；
（7）应用对象。
解：
比较如下：
（1）程序查询、程序中断方式的数据传送主要依赖软件，DMA主要依赖硬件。
（注意：
这里指主要的趋势）
（2）程序查询、程序中断传送数据的基本单位为字或字节，DMA为数据块。
（3）程序查询方式传送时，CPU与I/O设备串行工作；
程序中断方式时，CPU与I/O设备并行工作，现行程序与I/O传送串行进行；
DMA方式时，CPU与I/O设备并行工作，现行程序与I/O传送并行进行。
（4）程序查询方式时，CPU主动查询I/O设备状态；
程序中断及DMA方式时，CPU被动接受I/O中断请求或DMA请求。
（5）程序中断方式由于软件额外开销时间比较大，因此传输速度最慢；
程序查询方式软件额外开销时间基本没有，因此传输速度比中断快；
DMA方式基本由硬件实现传送，因此速度最快；
注意：
程序中断方式虽然CPU运行效率比程序查询高，但传输速度却比程序查询慢。
（6）程序查询接口硬件结构最简单，因此最经济；
程序中断接口硬件结构稍微复杂一些，因此较经济；
DMA控制器硬件结构最复杂，因此成本最高；
（7）程序中断方式适用于中、低速设备的I/O交换；
程序查询方式适用于中、低速实时处理过程；
DMA方式适用于高速设备的I/O交换；
※※5.175.315.32
※※第六章
1.十进制–》二进制
真值–》原码、反码、补码转换
6.2定浮点表示方法，浮点数的表示范围（图6.2）
例6.36.46.56.6
6.3.2补码加法（会算）
6.4.1浮点加减（过程）
6.4.2浮点乘除（过程）
习题6.26.46.96.126.146.156.176.19、
第七章
1.指令的一般格式
指令是由操作码和地址码两部分组成的。
①：
操作码：
操作码用来指明该指令所要完成的操作。
操作码的长度是可以固定的，也是可以变化的。
对于操作码长度不固定的指令，其操作码分散在指令字的不同字段中。
※例7.1
②：
地址码：
地址码用来指出该指令的源操作数的地址（一个或两个）、结果的地址以及下一条指令的地址。
7.2.3
不同的机器，操作类型也是不同的，但几乎所有的机器都有以下几类通用的操作。
①：
数据传送
数据传送包括寄存器与寄存器、寄存器与存储单元、存储单元与存储单元之间的传送。
②：
算术逻辑操作
这类操作可实现算术运算和逻辑运算。
③：
移位
移位可分为算术移位、逻辑移位和循环移位三种。
④：
转移
更改计算机指令执行的顺序。
⑤：
输入输出
⑥：
其他
7.3
寻址方式是指确定本条指令的数据地址以及下一条将要执行的指令地址的方法，它与硬件结构紧密相关，而且直接影响指令格式和指令功能。
寻址方式分为指令寻址和数据寻址两大类。
※※7.3.1、7.3.2（不同寻址必须清楚）
例7.2、7.3
7.4.2指令格式设计
例7.47.5
7.5
RISC精简指令系统计算机（ReducedInstructionSetComputer）
CISC复杂指令系统计算机（ComplexInstructionSetComputer）
与CISC机相比，RISC机的主要优点可归纳如下：
①充分利用VLSI芯片的面积
②提高计算机运算速度
③便于设计，可降低成本，提高可靠性
④有效支持高级语言程序
第7章练习题：
7.1什么叫机器指令？
什么叫指令系统？
为什么说指令系统与机器的主要功能以及与硬件结构之间存在着密切的关系？
人们习惯把每一条机器语言的语句称为机器指令，而又将全部机器指令的合集称为机器的指令系统。
因此机器的指令系统集中反映了机器的功能。
7.3什么是指令字长、机器字长和存储字长？
机器字长：
CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器的位数有关。
存储字长：
是存储器中一个存储单元（存储地址）所存储的二进制代码的位数，即存储器中的MDR的位数。
指令字长：
是计算机指令字的位数。
7.9试比较间接寻址和寄存器间接寻址。
寄存器间接寻址较快而且访问的次数少
7.10试比较间接寻址和变址寻址。
基址寻址：
其中的形式地址是可变的，基址寄存器的内容是一定的
变址寻址：
形式地址不变，变址寄存器的内容可变因此它可用于处理数组问题
※7.6、7.17
*CU：
ControlUnit控制单元
ALU：
运算器
第八章
8.2.1CPU每取出并执行一条指令所需要的全部时间成为指令周期，即CPU完成一条指令的时间。
由于各种指令操作功能不同，为了提高CPU运行效率，因此各种指令的指令周期是不相同的。
8.3.1指令流水
为提高处理器执行指令的效率，把一条指令的操作分成多个细小的步骤，每个步骤由专门的电路完成。
8.3.3流水线性能
流水线性能通常用吞吐率、加速比和效率3项指标来衡量
①：
吞吐率、②：
加速比、③：
效率；
※※例8.1
8.4.6中断屏蔽技术
中断屏蔽技术主要用于多重中断。
在中断服务程序中设置适当的屏蔽字，能起到对优先级别不同的中断源的屏蔽作用。
采用了屏蔽技术后，可以改变CPU处理各中断源的优先级别。
第8章练习题.
8.7什么叫系统的并行性？
粗粒度并行和细粒度并行有何区别？
答：
所谓并行性包含同时性和并发性。
同时性是指两个或两个以上的事件在同一时刻发生，并发性是指两个或多个事件在同一时间段发生。
即在同一时刻或同一时间段内完成两个或两个以上性质相同或性质不同的功能，只要在时间上存在相互重叠，就存在并行性。
并行性又分为粗粒度并行和细粒度并行两类。
粗粒度并行是指在多个处理机上分别运行多个进程，由多台处理机合作完成一个程序，一般用算法实现。
细粒度并行是指在处理机的指令级和操作级的并行性。
8.8什么是指令流水？
画出指令二级流水和四级流水的示意图，它们中哪个更能提高处理机速度，为什么？
答：
指令流水是指将一条指令的执行过程分为n个操作时间大致相等的阶段，每个阶段由一个独立的功能部件来完成，这样n个部件就可以同时执行n条指令的不同阶段，从而大大提高CPU的吞吐率。
指令二级流水和四级流水示意图如下：
四级流水更能提高处理机的速度。
分析如下：
假设IF、ID、EX、WR每个阶段耗时为t，则连续执行n条指令
采用二级流水线时，耗时为：
4t+（n-1）2t=（2n+2）t
采用四级流水线时，耗时为：
4t+（n-1）t=（n+3）t
在n>1时，n+3<2n+2，可见四级流水线耗时比二级流水线耗时短，因此更能提高处理机速度。
※※8.11、8.12
8.24.现有A、B、C、D四个中断源，其优先级由高向低按A、B、C、D顺序排列。
若中断服务程序的执行时间为20µs，请根据下图所示时间轴给出的中断源请求中断的时刻，画出CPU执行程序的轨迹。
解：
A、B、C、D的响优先级即处理优先级。
CPU执行程序的轨迹图如下：
26.设某机配有A、B、C三台设备，其优先级按A→B→C降序排列，为改变中断处理次序，它们的中断屏蔽字设置如下：
设备屏蔽字
A111
B010
C011
请按下图所示时间轴给出的设备请求中断的时刻，画出CPU执行程序的轨迹。
设A、B、C中断服务程序的执行时间均为20s。
第九章
9.1微操作命令的分析
控制单元具有发出各种微操作命令（即控制信号）序列的功能
9.3多级时序系统
1.机器周期
机器周期可看做是所有指令执行过程中的一个基准时间，机器周期取决于指令的功能及器件的速度。
2.时钟周期（节拍、状态）
在一个机器周期里可完成若干个微操作，每个微操作都需要一定的时间，可用时钟信号来控制产生每一个微操作命令。
3.多级时序系统
机器周期、节拍组成了多级时序系统。
一般来说，CPU的主频越快，机器运行的速度也越快。
※※例9.3
第九章练习题
9.2控制单元的功能是什么？
其输入受什么控制？
功能：
从内存取指，分析指令，执行指令
受什么控制：
受微命令发生器控制
9.3.什么是指令周期、机器周期和时钟周期？
三者有何关系？
解：
指令周期:
取出并执行一条指令的时间。
机器周期:
又称CPU周期，CPU访问一次内存所花的时间较长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。
时钟周期:
通常称为节拍脉冲或T周期。
处理操作的最基本单位，即CPU主频。
三者的关系：
指令周期通常用若干个机器周期表示，而机器周期又包含若干个时钟周期。
※9.5、9.6、9.7
第十章
1.组合逻辑设计与微程序设计特征与区别
组合逻辑控制方法中
优点:
思路简单，可用于实现任一指令系统。
缺点:
设计和调试代价很大，难于修改和扩充
微程序控制器
优点:
微程序设计标准化程度高、可灵活地修改和扩充。
缺点:
但速度比硬布线方法慢一些。
10.2.3
微指令的编码方式又称微指令的控制方式，它是指如何对微指令的控制字段进行编码，以形成控制信号，主要有一下几种。
①直接编码（直接控制）方式（最快）
②字段直接编码方式
③字段间接编码方式
④混合编码
⑤其他
10.2.5微指令格式分类和比较
微指令格式与微指令编码方式有关，通常分为水平型微指令和垂直型微指令两种。
①水平型微指令
水平型微指令的特点是一次能定义并执行多个并行操作的微指令
从编码方式看，直接编码，字段直接编码、字段间接编码以及直接和字段混合编码都属于水平型微指令。
其中，直接编码速度最快，字段编码要经过驿码，故速度受影响。
②垂直型微指令
垂直型微指令的特点是采用类似机器指令操作码的方式，在微指令字中，设置微操作码字段，由微操作码规定微指令的功能。
比较：
①水平型微指令比垂直型微指令并行操作能力强、效率高、灵活性强。
②水平型微指令执行一条机器指令所需的微指令数目少，因此速度比垂直型微指令的速度快。
③水平型微指令用较短的微程序结构换区较长的微指令结构，垂直型微指令正相反，它以较长的微程序结构换取较短的微指令结构。
④水平型微指令与机器指令差别较大，垂直型微指令与机器指令相似。
※※例10.6
第10章课后题
10.12
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