2023/2/61考試題型選擇題30分填空題20分

簡答題40分綜合題10分希望大家認真復習，仔細審題，不要提前交卷！2023/2/62主要內容（電子計算機的基本結構）馮.諾依曼計算機模型

1、計算機由運算器、存儲器、輸入/輸出設備和控制器組成，并以運算器為中心連接在一起。2、存儲器由一組一維排列、線性編址的存儲單元組成，每個存儲單元的位數是相等且固定的，存儲單元按地址訪問。3.“程序”是由一條一條的指令有序排列而成，而指令由操作碼和地址碼兩部分組成。操作碼規定了該指令的操作類型，地址碼指示存儲操作數和運算結果的存儲單元地址，操作數的數據類型由操作碼類規定。2023/2/63馮.諾依曼計算機模型

4、指令和數據均采用二進制數表示，并以二進制數形式進行運算。5、程序（指令）與數據是同等地不加區分地存儲在同一個存儲器中。6、設置“程序計數器PC”來指示下一條將要執行的指令的地址。每執行完一條指令，程序計數器就自動加1，指向下一條指令的存儲單元。主要內容（電子計算機的基本結構）2023/2/64計算機的體系結構指程序員所看到的機器的屬性，即機器的概念性結構和功能表現。這些屬性主要是指令系統、數據表示、中斷系統、寄存器組織等。計算機的組成計算機體系結構的邏輯實現計算機的實現

計算機組成的物理實現主要內容（電子計算機的基本結構）2023/2/65可見屬性可以看見的屬性，比如對于匯編語言程序員，指令集是可見的。

MAR、MDR寄存器對匯編語言程序員是不可見的，對匯編語言程序員來說，也是透明的。透明屬性本來存在的事物或屬性，從某種角度看似乎不存在。數據總線的寬度、微程序對匯編語言程序員、機器語言程序員透明對硬件設計者、計算機維修人員不透明主要內容（電子計算機的基本結構）2023/2/66主要內容（處理器）處理器的組成

處理器的基本組成包括：寄存器、運算器和控制器處理器的內部有大量的寄存器：通用寄存器、基址寄存器、變址寄存器、程序計數器、指令寄存器、狀態控制字寄存器以及用戶透明的MAR、MDR處理器的所有工作都是在控制單元CU的指揮下完成的。處理數據的功能單元叫算術邏輯單元ALU，它的功能是對數據進行各種算術運算或邏輯運算。2023/2/67主要內容（處理器）處理器的工作過程

處理器的主要工作就是周而復始地執行指令，所以它的基本功能包括取指令、分析指令、取數據、處理數據、寫回結果。（1）取指令。處理器根據PC給出的主存地址訪問主存儲器，取出一個標準字長的指令，將其送入處理器內部專門存放當前指令的指令寄存器IR，然后PC加1。2023/2/68主要內容（處理器）機器周期、時鐘周期、主存周期、指令周期

處理器每取出并執行一條指令所需的全部時間叫指令周期。時鐘周期是計算機的基準時鐘（一個節拍）。機器周期是所有指令執行過程中的一個基準時間。選取處理器訪問一次主存的時間(也稱主存周期)作為機器周期。2023/2/69主要內容（處理器）指令（操作碼和操作數）

指令是處理器完成的最小功能單位。所有指令的集合稱為指令集。指令也是計算機體系結構中最重要的屬性。

指令包括操作碼和操作數。操作碼規定了指令所具有的功能。操作數是指令所要處理的數據。常以數據所在存儲單元的地址形式給出。也稱“指令地址碼”。

指令格式的特征。

每一條指令的機器碼（二進制數的編碼具有唯一性）2023/2/610主要內容（處理器）

把在同一CPU周期內并行執行的微操作控制信息，存儲在控制存儲器里，稱為一條微指令（Microinstruction）。它是微命令的組合，微指令存儲在控制器中的控制存儲器中。2023/2/611主要內容（處理器）

一條機器指令對應一個微程序，微程序由若干條微指令序列組成。從指令與微指令，程序與微程序，地址與微地址的一一對應關系來看，前者與內存儲器有關，后者與控制存儲器有關。2023/2/612主要內容（處理器）尋址方式所謂尋址方式（Addressing）指的是指令按照何種方式尋找或訪問到所需的操作數或信息。

尋址方式分為指令尋址和數據尋址。指令尋址是為了找到下一條指令；數據尋址是為了找到本條指令所需的操作數。

2023/2/613主要內容（處理器）尋址方式對于指令尋址：順序尋址和跳躍尋址。

數據尋址（采用不同尋址方式的目的是縮短指令字長，擴大尋址空間，提高編程靈活性）

立即數尋址直接尋址間接尋址堆棧尋址

寄存器尋址寄存器間接尋址基址尋址變址尋址

2023/2/614主要內容（處理器）轉移指令和子程序調用的區別轉移指令和子程序的調用都是程序控制類指令，都可以改變程序執行的順序。轉移指令分條件跳轉和無條件跳轉。改變程序執行的順序，改寫程序計數器PC的值，跳到另外的地方去執行另一段程序。不需要對程序的斷點進行保護，跳轉之后，不會回到原來的地方繼續執行。2023/2/615主要內容（處理器）轉移指令和子程序調用的區別子程序調用的時候，首先把當前程序的斷點保存到系統堆棧中，（斷點處指令的CS：IP）然后由子程序名獲得子程序的入口地址，把子程序的入口地址寫入PC，從而去執行子程序中的指令。子程序內部最后的一條指令是子程序的返回指令

RET。其作用就是從堆棧中恢復斷點的值，以便程序能從斷點處繼續執行。2023/2/616主要內容（處理器）指令的流水線技術流水線技術：把一個重復的過程分解為若干個子過程，每個子程序可以與其他子過程同時進行。

流水線技術具有如下特點：流水過程由若干有聯系的子過程組成；每個子過程用專用的功能段實現；各個功能段所需的時間應盡量相等，這個時間一般作為時鐘周期。2023/2/617主要內容（處理器）小端規則和大端規則低地址的單元存放低位字節，高地址的單元存放高位字節——小端規則低地址的單元存放高位字節，高地址的單元存放低位字節——大端規則2023/2/618主要內容（存儲器）ROM、RAMROM只讀存儲器，掉電后信息可以保留。一般用作系統程序存儲。

RAM隨機存儲器，一般用作用戶程序存儲。

2023/2/619主要內容（存儲器）存儲器訪問的局部性原理時間局部性是指將要訪問的信息就是現在正在訪問的信息。空間局部性是指將要用到的信息就在正使用的信息旁邊。2023/2/620主要內容（存儲器）層次結構的存儲系統計算機存儲系統的層次結構中，最重要的兩個層次是采用高速緩沖存儲器的“Cache主存”層次，以及基于虛擬存儲器的“主存輔存”層次。

引入Cache的目的是為了解決訪問主存速度不夠快的問題。高度緩存Cache位于CPU和主存儲器之間。

主存與Cache映射的三種方式：直接映射、相聯映射、組相聯映射2023/2/621主要內容（存儲器）存儲器尋址范圍某處理器字長32位，其存儲容量為16MB，若按雙字編址，它的尋址范圍是多少？解：處理器字長為32位，雙字編址，則每個尋址單元存儲的二進制數據的位數為64位。總的存儲容量為16MB，則尋址范圍為

16MB/64=2M2023/2/622主要內容（存儲器）存儲器的接口電路

位的擴展、字擴展、字和位的同時擴展

處理器的數據總線寬度大于存儲器的數據線寬度，需要進行位的擴展。處理器的地址總線寬度大于存儲器的地址線寬度，需要進行字的擴展。2023/2/623主要內容（輸入輸出接口與中斷系統）IO接口的概念

計算機的外設往往不能直接與系統總線相連，需要一個中間環節完成數據緩沖、數據格式轉換、通信控制、時序和電平匹配等工作，這個中間環節就是接口電路。主機與外設之間設置接口適配電路的原因:利用接口可實現多臺外部設備的選擇。通過接口可實現數據緩沖達到速度匹配。通過接口可實現數據串-并格式的轉換。通過接口可實現電平轉換。通過接口可傳送控制命令。通過接口可監視設備的工作狀態。2023/2/624主要內容（輸入輸出接口與中斷系統）中斷的執行過程Step1、保護斷點：將斷點地址壓入堆棧保存，即當前PC值入棧。Step2、關中斷：屏蔽其它中斷請求信號。Step3、保護現場：將中斷服務程序使用的所有寄存器內容入棧。Step4、中斷處理：執行中斷源所要求的中斷服務程序。Step5、恢復現場：恢復被使用寄存器的原有內容。Step6、開中斷：允許接受其它中斷請求信號。Step7、中斷返回：執行IRET指令，棧頂內容→PC，程序跳轉回斷點處。2023/2/625主要內容（輸入輸出接口與中斷系統）中斷向量表

中斷向量和向量表對于理解硬件和軟件中斷是重要的。中斷向量包含中斷服務程序的地址。2023/2/626主要內容（輸入輸出接口與中斷系統）ＤＭＡ技術

在DMA控制器的控制，直接完成IO與主存儲器之間的數據傳送。DMA控制器需要獲得對總線的使用權。DMA方式傳送數據時，每傳送一個數據就要用一個存儲周期。2023/2/627主要內容（信息的表示）電子計算機中數的表示，英文字母漢字的表示

計算機中帶符號的數，需要用一個二進制位表示符號，小數點不需要表示出來。通過定點數和浮點數來表示。理解算術運算式，溢出的判斷方法。

定點數的補碼表示方法。一個英文字母用一個字節描述，一個漢字需要兩個字節表示。2023/2/628主要內容（信息的表示）IEEE754標準定義的單精度數共32位，1位符號位，8位指數位，23位尾數。2023/2/629主要內容（總線技術）總線的分類

按照總線傳輸的信息分類：地址總線、數據總線、控制總線馮.諾依曼體系結構的計算機包括幾部分：答：運算器、控制器、存儲器、輸入設備及輸出設備。何謂計算機體系結構？計算機組成？計算機實現？答：計算機體系結構指程序員（主要是指匯編、操作系統程序員）所看到的機器的屬性，即機器的概念性結構和功能表現。計算機組成是計算機體系結構的邏輯實現。計算機實現是計算機組成的物理實現。計算機的主要性能指標是速度。衡量速度的參數有主頻、CPI、MIPS、MFLOPS。請解釋這些參數含義。答：主時鐘的頻率（f）叫CPU的主頻。主頻的倒數稱為:CPU時鐘周期（T），即T=1/f。

CPI:表示每條指令周期數，即執行一條指令所需的平均時鐘周期數。MIPS：表示每秒鐘執行百萬條指令數。(定點機速度指標)MFLOPS：表示每秒百萬次浮點操作次數。8位補碼定點整數的范圍是：-128+127

寫出8位補碼(F9)16所對應的定點整數十進制真值：(F9)16

=(11111001)2真值為：-(0000111)2=-(7)10寫出十進制數17.625所對應的IEEE754單精度（32位）浮點機器數。17.625

=10001.101=1.00011012+100S=0E=100+01111111=10000011M=0001101000000000000000001000001100011010000000000000000

將十進制數-35.875轉化為IEEE754標準的32位單精度浮點數。答：

-35.875=-100011.111=-1.000111112+101

S=1E=101+01111111=10000100M=00011111000000000000000

浮點數為：

11000010000011111000000000000000英文字母的編碼是什么？占幾個字節？答：ASCII碼，用1個字節存儲。

國標碼用于表示什么？如何表示與存儲？答：用于表示漢字。用4位16進制數字表示，2個字節存儲。存儲器的主要功能是什么？答：存儲程序和數據。計算機字長16位，其存儲容量為32MB，若按雙字編址，它的尋址范圍是多少？答：(32M8位)/32位=8M某SRAM芯片，其存儲容量為64K×16位，該芯片的地址線和數據線數目各為多少？答：地址線：16位。數據線：16位。

按照小端及大端存放規則，寫出數據ABCD1234H在連續4個內存單元（00050H00053H）中的存放結果。

答：小端規則大端規則3412CDAB00050000510005200053ABCD123400050000510005200053存儲器分級的目的是什么？Cache-主存存儲層次用來解決什么問題？主存-輔存存儲層次用來解決什么問題？答：Cache-主存存儲層次用來解決主存速度低的問題，彌補CPU與主存在速度上的差異，在主存和Cache之間增加輔助硬件使主存和Cache構成一個整體，從CPU角度看，CPU訪問Cache存儲系統時，速度接近Cache速度，而容量是主存容量，價格/容量比接近主存。Cache存儲系統對系統程序員和應用程序員都是透明的，因為CPU對Cache和主存層次的調度全部由硬件實現。

主存-輔存存儲層次用來解決主存容量小的問題，在主存和輔存之間增加輔助硬件和輔助軟件，使主存和輔存構成一個整體，擴大程序可訪問的存儲空間，通過把磁盤空間當作主存空間供程序使用，建立起一個虛擬存儲器。存儲器擴展技術主要解決什么？什么是位的擴展，什么是字的擴展？

答：解決芯片容量與系統容量匹配問題。當芯片數據線位數少于系統數據位數時，需要位擴展；單芯片地址位數少于系統地址位數時，需要字擴展。提高訪存速度可采取哪些措施？答：(1)采用高速器件，比如SDRAM、DDRSDRAM、DDR2SDRAM、DDR3SDRAM。

(2)增加高速緩沖存儲器cache。

(3)并行存儲結構等。例：設CPU共有16根地址線和8根數據線，并用MREQ作為訪存控制信號，WR作為讀/寫命令信號(高為讀，低為寫)。設計一個容量為32KB、地址范圍為0000H～7FFFH的主存儲器。說明設計方案。G1Y7G2A譯

Y6G2B

碼:AB器CY0

SRAM

A12…A0CSD7…D0WE解：芯片容量為：8K×8bits=8KB32KB容量的存儲器需要4片8KB存儲芯片；

4芯片地址分配如下：芯片0：0000H～1FFFH

芯片1：2000H～3FFFH

芯片2：4000H～5FFFH

芯片3：6000H～7FFFH

芯片譯碼地址分配如下：

A13A14A15對應3-8譯碼器的輸入端ABC，Y0～Y3譯碼輸出分別選擇芯片0～芯片3的片選CS；

WR輸出至存儲芯片的WE端，MREQ直接輸出至G1，反相輸出至G2AG2B。主存與Cache的地址映射有幾種方式？都是什么方式？哪種方式比較實用？

答：三種映射方式：全相聯映射、直接映射、組相聯映射。其中組相聯映射融合了前兩種映射的優點，最實用。主存和輔存在存儲程序方面有什么區別？CPU訪問這兩種存儲器的方式是否相同？答：主存存儲正在或將要執行的程序。執行過的程序也可能存放在主存中。主存只能暫時保存程序，斷電即消失。輔存存放暫不執行或不準備執行的程序；可以長久保存。

CPU可以直接訪問主存，無需任何軟件驅動。但不能直接訪問輔存，需要操作系統將輔存的內容調入主存方可訪問。指令格式分為幾個字段，各字段表示什么內容？答：指令格式分為操作碼和操作數兩個字段。操作碼OP表示該指令應進行什么性質的操作。不同的指令用操作碼字段的不同編碼來表示，每一種編碼代表一種指令。若操作碼字段有n位，則可表示2n條指令—有2n種不同的基本操作。操作數表示指令所要處理的數據。常以數據所在單元的地址形式給出。也稱“地址碼A”。操作數的來源通常為一個立即數（在指令代碼中直接給出）、寄存器中內容、存儲單元的內容或I/O端口的內容。

操作數為什么又被稱為地址碼？指令中常用的操作數的個數是多少？答：操作數常以數據所在單元的地址形式給出。所以又稱為地址碼A。指令中常用的操作數的個數為3、2、1、0。對應的指令稱為三地址指令、二地址指令、單地址指令和零地址指令。指令系統中采用不同尋址方式的主要目的是什么？答：縮短指令字長，擴大尋址空間，提高編程靈活性。哪種尋址方式獲取操作數的速度最快？答：立即尋址。單地址指令中為了完成兩個數的算術運算，除地址碼指明的一個操作數以外，另一個數常需采用何種尋址方式？答：隱含尋址。說明指令尋址。答：順序尋址、跳躍尋址（相對尋址）。指出四種不同的尋址方式；說明每種尋址方式操作數的位置及尋址過程。答：(1)立即尋址：操作數在指令中。取出指令立即得到操作數。

(2)寄存器尋址：操作數在寄存器中，指令中給出寄存器地址，用此地址訪問寄存器得到操作數。

(3)直接尋址：操作數在存儲器中，指令中給出存儲器地址，用此地址訪問存儲器得到操作數。(4)寄存器間接尋址：操作數在存儲器中，指令中給出寄存器地址為形式地址，用此地址訪問寄存器得到操作數實際地址，再用該地址訪問存儲器得到操作數。

指令格式如下所示，其中OP為操作碼，試分析指令格式的特點。1597430OP—源寄存器目標寄存器解：指令格式的特點為（1）單字長（16位）二地址指令；（2）操作碼字段OP可以指定的27=128條指令；（3）源寄存器和目標寄存器都是通用寄存器（可分別指定16個寄存器），是RR（寄存器-寄存器）型指令，兩個操作數均在寄存器中；（4）操作數尋址方式是寄存器尋址。基本的指令類型有哪些？答：數據傳送類、運算(算數、邏輯、移位運算)類及控制轉移類指令。執行子程序調用的指令時，如何保護斷點信息？答：斷點信息即PC值，保存到堆棧中。比較轉移指令和子程序調用指令在功能上的異同點。答：轉移指令和子程序調用指令都屬于控制轉移類指令；轉移指令分為無條件轉移和條件轉移。無條件轉移是將該指令中地址字段內容的內容寫入PC中，改變指令執行順序；條件轉移指令是當條件滿足時，計