组成原理习题

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？

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。


2. 如何理解计算机的层次结构？

答：计算机硬件、系统软件和应用软件构成了计算机系统的三个层次结构。
（1）硬件系统是最内层的，它是整个计算机系统的基础和核心。
（2）系统软件在硬件之外，为用户提供一个基本操作界面。
（3）应用软件在最外层，为用户提供解决具体问题的应用系统界面。
通常将硬件系统之外的其余层称为虚拟机。各层次之间关系密切，上层是下层的扩展，下层是上层的基础，各层次的划分不是绝对的。


5. 冯?诺依曼计算机的特点是什么？

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）。


8. 解释下列英文缩写的中文含义：
CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS

CPU：Central Processing Unit，中央处理机（器），是计算机硬件的核心部件，主要由运算器和控制器组成。
PC：Program Counter，程序计数器，其功能是存放当前欲执行指令的地址，并可自动计数形成下一条指令地址。
IR：Instruction Register，指令寄存器，其功能是存放当前正在执行的指令。
CU：Control Unit，控制单元（部件），为控制器的核心部件，其功能是产生微操作命令序列。
ALU：Arithmetic Logic Unit，算术逻辑运算单元，为运算器的核心部件，其功能是进行算术、逻辑运算。
ACC：Accumulator，累加器，是运算器中既能存放运算前的操作数，又能存放运算结果的寄存器。
MQ：Multiplier-Quotient Register，乘商寄存器，乘法运算时存放乘数、除法时存放商的寄存器。
X：此字母没有专指的缩写含义，可以用作任一部件名，在此表示操作数寄存器，即运算器中工作寄存器之一，用来存放操作数；
MAR：Memory Address Register，存储器地址寄存器，在主存中用来存放欲访问的存储单元的地址。
MDR：Memory Data Register，存储器数据缓冲寄存器，在主存中用来存放从某单元读出、或要写入某存储单元的数据。

I/O：Input/Output equipment，输入/输出设备，为输入设备和输出设备的总称，用于计算机内部和外界信息的转换与传送。
MIPS：Million Instruction Per Second，每秒执行百万条指令数，为计算机运算速度指标的一种计量单位。


1. 什么是总线？总线传输有何特点？为了减轻总线负载，总线上的部件应具备什么特点？

总线是一种能由多个部件分时共享的公共信息传送线路。
总线传输的特点是：某一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，但多个部件可以同时从总线上接收相同的信息。
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。


5. 解释下列概念：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）、总线的传输周期和总线的通信控制。

总线宽度：通常指数据总线的根数；
总线带宽：总线的数据传输率，指单位时间内总线上传输数据的位数；
总线复用：指同一条信号线可以分时传输不同的信号。
总线的主设备（主模块）：指一次总线传输期间，拥有总线控制权的设备（模块）；
总线的从设备（从模块）：指一次总线传输期间，配合主设备完成数据传输的设备（模块），它只能被动接受主设备发来的命令；
总线的传输周期：指总线完成一次完整而可靠的传输所需时间；
总线的通信控制：指总线传送过程中双方的时间配合方式。


13. 什么是总线的数据传输率，它与哪些因素有关？
答：总线数据传输率即总线带宽，指单位时间内总线上传输数据的位数，通常用每秒传输信息的字节数来衡量。它与总线宽度和总线频率有关，总线宽度越宽，频率越快，数据传输率越高。


1. 解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。

主存：主存储器，用于存放正在执行的程序和数据。CPU可以直接进行随机读写，访问速度较高。
辅存：辅助存储器，用于存放当前暂不执行的程序和数据，以及一些需要永久保存的信息。
Cache：高速缓冲存储器，介于CPU和主存之间，用于解决CPU和主存之间速度不匹配问题。
RAM：半导体随机存取存储器，主要用作计算机中的主存。
SRAM：静态半导体随机存取存储器。
DRAM：动态半导体随机存取存储器。
ROM：掩膜式半导体只读存储器。由芯片制造商在制造时写入内容，以后只能读出而不能写入。
PROM：可编程只读存储器，由用户根据需要确定写入内容，只能写入一次。
EPROM：紫外线擦写可编程只读存储器。需要修改内容时，现将其全部内容擦除，然后再编程。擦除依靠紫外线使浮动栅极上的电荷泄露而

实现。
EEPROM：电擦写可编程只读存储器。
CDROM：只读型光盘。
Flash Memory：闪速存储器。或称快擦型存储器。


5. 什么是存储器的带宽？若存储器的数据总线宽度为32位，存取周期为200ns，则存储器的带宽是多少？

存储器的带宽指单位时间内从存储器进出信息的最大数量。
存储器带宽 = 1/200ns ×32位 = 160M位/秒 = 20MB/秒 = 5M字/秒
注意：字长32位，不是16位。（注：1ns=10-9s）


6. 某机字长为32位，其存储容量是64KB，按字编址它的寻址范围是多少？若主存以字节编址，试画出主存字地址和字节地址的分配情况。

存储容量是64KB时，按字节编址的寻址范围就是64K，
如按字编址，其寻址范围为：64K / （32/8）= 16K
主存字地址和字节地址的分配情况：如图
字节地址 字地址
0000H 0000H
0001H
0002H
0003H
0004H 0001H
0005H
0006H
0007H
0008H 0002H
0009H

1. I/O有哪些编址方式？各有何特点？

常用的I/O编址方式有两种： I/O与内存统一编址和I/O独立编址。
特点：I/O与内存统一编址方式的I/O地址采用与主存单元地址完全一样的格式，I/O设备和主存占用同一个地址空间，CPU可像访问主存一样访问I/O设备，不需要安排专门的I/O指令。
I/O独立编址方式时机器为I/O设备专门安排一套完全不同于主存地址格式的地址编码，此时I/O地址与主存地址是两个独立的空间，CPU需要通过专门的I/O指令来访问I/O地址空间。


3. I/O设备与主机交换信息时有哪几种控制方式？简述它们的特点？

5种控制方式：程序查询，程序中断，DMA，I/O通道，I/O处理机。特点如下，
程序查询方式：CPU通过程序不断查询I/O设备是否准备好，I/O接口上必须设有状态标记以供CPU查询；I/O设备与CPU处于串行工作状态，CPU存在踏步现象，工作效率低。
程序中断方式：CPU在启动I/O设备后继续执行自身程序；只有当外设准备好，向CPU发出中断请求且CPU响应后，才中断当前执行程序，转去处理中断请求，中断处理完再返回原程序。这种方式消除踏步现象，只有在中断处理时占用CPU，CPU工作效率较高。
DMA方式：主存与外设之间有一条数据通道；主存与外设交换数据时无需CPU介入，而由DMA控制器来控制；CPU将总线使用权让给DMA控制器。



13. 说明中断向量地址和入口地址的区别和联系。

中断向量地址和入口地址的区别：
向量地址是硬件电路（向量编码器）产生的中断源的内存地址编号，中断入口地址是中断服务程序首址。
中断向量地址和入口地址的联系：
中断向量地址可理解为中断服务程序入口地址指示器（入口地址的地址），通过它访存可获得中断服务程序入口地址。

(两种方法：在向量地址所指单元内放一条JMP指令；主存中设向量地址表。参考8.4.3）


22. 程序查询方式和程序中断方式都是通过“程序”传送数据，两者的区别是什么?

答：程序查询方式通过“程序”传送数据时，程序对I/O的控制包括了I/O准备和I/O传送两段时间。由于I/O的工作速度比CPU低得多，因此程序中要反复询问I/O的状态，造成“踏步等待”，严重浪费了CPU的工作时间。
而程序中断方式虽然也是通过“程序”传送数据，但程序仅对I/O传送阶段进行控制，I/O准备阶段不需要CPU查询。故CPU此时照样可以运行现行程序，与I/O并行工作，大大提高了CPU的工作效率。


1.什么叫机器指令，什么叫指令系统？

机器指令是计算机能够直接识别并执行指令的指令。
指令系统是全部机器指令的集合。


2.什么叫寻址方式？

寻址方式是确定本条指令的数据地址以及确定下一条要执行的指令地址的方法。


9.试比较间接寻址和寄存器间接寻址。

假设存储字长=机器字长，两者的寻址范围相同（不考虑二次间址）
1）间接寻址EA=（A），寄存器间接寻址EA=（Ri）
2）寄存器间接寻址能有效缩短指令字长
3）寄存器间接寻址能减少一次访存操作


1 CPU有哪些功能？画出其结构框图并简要说明每个部件的作用。

CPU的主要功能是执行存放在主存储器中的程序即机器指令.CPU是由控制器和运算器组成.

ALU

? 状态标志 ? 内 ?
丨 部 ?
? 移位 ? C
丨 P
? 取反 ? U ? 寄存器
丨 数
? 算术和布尔逻辑 ? 据 ↑ ↓
总 ←一一→ CU
↑ 线 丨
丨 丨 ↑
丨 控制信号 丨
丨 丨 ? 中断
一一一一一一一一一一一一一一 系统


ALU：实现算逻运算
寄存器：存放操作数
CU：发出各种操作命令序列的控制部件
中断系统：处理异常情况和特殊请求


2. 什么是指令周期？指令周期是否有一个固定值？为什么？

指令周期是指取出并执行完一条指令所需的时间。
由于计算机中各种指令执行所需的时间差异很大，因此为了提高CPU运行效率，即使在同步控制的机器中，不同指令的指令周期长度都是不一致的，也就是说指令周期对于不同的指令来说不是一个固定值。



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：
IF,ID EX,WR IF ID EX WR
IF,ID EX,WR IF ID EX WR
IF,ID EX,WR IF ID EX WR

二级指令流水示意图 四级指令流水示意图

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。


9.1 设CPU内有这些部件：PC、IR、MAR、MDR、AC、CU。
（1）写出取指周期的全部微操作。
（2）写出减法指令“SUB X”、取数指令“STA X”（X均为主存地址）在执行阶段所需的全部微操作。
（3）当上述指令为间接寻址时，写出执行这些指令所需的全部微操作。
（4）写出无条件转移指令“JMP Y”和结果溢出则转指令“BAO Y”在执行阶段所需的全部微操作。

（1）PC->MAR; 1->R; M(MAR)->MDR; MDR->IR;
OP(IR)->CU; (PC)+1->PC;

（2）SUB X : AD(IR)->MAR; 1->R; M(MAR)->MDR;
(AC)-(MDR)->AC;
STA X : AD(IR)->MAR; 1->W; AC->MDR;
MDR->M(MAR)

（3）间接寻址时，比直接寻址多一个间址周期：
AD(IR)->MAR; 1->R; M(MAR)->MDR;
MDR->AD(IR);

（4）JMP Y : AD(IR)->PC
BAO Y: O·AD(IR)+O·(PC)->PC



3. 什么是指令周期、机器周期和时钟周期？三者有何关系？
答：CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周期；
机器周期是在同步控制的机器中，执行指令周期中一步相对完整的操作（指令步）所需时间，通常安排机器周期长度等于主存周期；
时钟周期是指计算机主时钟的周期时间，它是计算机运行时最基本的时序单位，对应完成一个微操作所需时间，通常时钟周期等于计算机主频的倒数。


4. 能不能说机器的主频越快，机器的速度就越快，为什么？
解：不能说机器的主频越快，机器的速度就越快。因为机器的速度不仅与主频有关，还与数据通路结构、时序分配方案、ALU运算能力、指令功能强弱等多种因素有关，要看综合效果。