計(jì)算機(jī)組成原理

一、縮寫詞解釋

CPU:中央處理器 ??

ALU:算術(shù)邏輯單元 ??

I/O:輸入輸出接口 ??

RAM:隨機(jī)存儲(chǔ)器 ?

SRAM:靜態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器??

DRAM:動(dòng)態(tài)隨機(jī)訪問存儲(chǔ)器???

ROM:只讀存儲(chǔ)器 ?

PROM:用戶可編程的只讀存儲(chǔ)器 ?

EPROM:紫外線可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器 ???

FLASH:閃速存儲(chǔ)器 ?

EEPROM:用電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器 ?

ISA:工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線 ?

EISA:擴(kuò)展工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)總線 ??

PCI:外圍部件互連總線 ?

USB:通用串行總線 ?

RS—232C:串行通信總線

Cache:高速緩存 ??

FIFO:先進(jìn)先出算法 ?

LRU:近期最少使用算法 ?

CRC:循環(huán)冗余校驗(yàn)碼

A/D:模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器 ?

D/A:數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器 ?

DMA:直接存儲(chǔ)器存取方式 ??

DMAC:直接內(nèi)存訪問控制器 ?

LED:發(fā)光二極管 ?

FA:全加器 ?

OP:操作碼

CISC:復(fù)雜指令系位計(jì)算機(jī) ?

RISC:精簡指令系位計(jì)算機(jī) ?

VLSI:超大規(guī)模集成電路 ?

LSI:大規(guī)模集成電路

MAR:存儲(chǔ)器地址寄存器 ?

MDR:存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器

CU:控制單元

CM:控制存儲(chǔ)器

二、選擇題（自己看書吧····）

三、名詞解釋

1.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)：由硬件和軟件兩大部分組成，有多種層次結(jié)構(gòu)。

2.主機(jī)：CPU、存儲(chǔ)器和輸入輸出接口合起來構(gòu)成計(jì)算機(jī)的主機(jī)。

3.主存：用于存放正在訪問的信息

4.輔存：用于存放暫時(shí)不用的信息。

5.高速緩存：用于存放正在訪問信息的付本。

6.中央處理器：是計(jì)算機(jī)的核心部件，由運(yùn)算器和控制器構(gòu)成。

7.硬件：是指計(jì)算機(jī)實(shí)體部分，它由看得見摸得著的各種電子元器件，各類光、電、機(jī)設(shè)備的實(shí)物組成。

軟件：指看不見摸不著，由人們事先編制的具有各類特殊功能的程序組成。

8.系統(tǒng)軟件：又稱系統(tǒng)程序，主要用來管理整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，監(jiān)視服務(wù)，使系統(tǒng)資源得到合理調(diào)度，高效運(yùn)行。

??應(yīng)用軟件：又稱應(yīng)用程序，它是用戶根據(jù)任務(wù)需要所編制的各種程序。

9.源程序：通常由用戶用各種編程語言編寫的程序。

??目的程序：由計(jì)算機(jī)將其翻譯機(jī)器能識別的機(jī)器語言程序。

10.總線：是連接多個(gè)部件的信息傳輸線，是各部件共享的傳輸介質(zhì)。

11.系統(tǒng)總線：是指CPU、主存、I/O設(shè)備（通過I/O接口）各大部件之間的信息傳輸線。

???通信總線：是指用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間或者計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)（如控制儀表、移動(dòng)通信）之間的通信的線路。

????按傳送方式分并行和串行。串行通信是指數(shù)據(jù)在單條1位寬的傳輸線上，一位一位的按順序分時(shí)傳送。并行通信是指數(shù)據(jù)在多條并行1位寬的傳輸線上，同時(shí)由源傳送到目的地。

12.帶寬：單位時(shí)間內(nèi)可以傳送的最大的信息量。

13.機(jī)器字長：是指CPU一次并行處理數(shù)據(jù)的位數(shù)，通常與CPU的寄存器位數(shù)有關(guān)。

14.主存容量：是指主存中存放二進(jìn)制代碼的總位數(shù)。

15.機(jī)器數(shù)：符號位數(shù)字化，0代表正數(shù)，1代表負(fù)數(shù)。

16.定點(diǎn)數(shù)：小數(shù)點(diǎn)固定在某一位位置的數(shù)。

17.浮點(diǎn)數(shù)：小數(shù)點(diǎn)的位置可以浮動(dòng)的數(shù)。

18.補(bǔ)碼：帶符號數(shù)據(jù)表示方法之一，正數(shù)的反碼和原碼相同，負(fù)數(shù)的反碼是將二進(jìn)制按位取反后在最低位再加1.

19.溢出：在計(jì)算機(jī)中，超出機(jī)器字長，發(fā)生錯(cuò)誤的結(jié)果。

20.非編碼鍵盤：采用軟件判斷鍵是否按下及設(shè)鍵、譯鍵、計(jì)算鍵值的方法的鍵盤。

21.A/D轉(zhuǎn)換器：它能將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，是計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備。

22.I/O接口：指主機(jī)與I/O設(shè)備之間設(shè)置的一個(gè)硬件電路及器相應(yīng)的軟件控制。

23.端口：指接口電路中的一些寄存器，用來存放數(shù)據(jù)信息、控制信息和狀態(tài)信息。

24.中斷：計(jì)算機(jī)在執(zhí)行程序的過程中，當(dāng)出現(xiàn)異常情況或特殊請求時(shí)，計(jì)算機(jī)停止現(xiàn)行程序的運(yùn)行轉(zhuǎn)向?qū)@些異常情況或特殊請求處理，處理結(jié)束后再返回到現(xiàn)行程序的間斷處，繼續(xù)執(zhí)行源程序。

25.中斷源：凡能向CPU提出中斷請求的各種因素統(tǒng)稱為中斷源。

26.中斷嵌套：計(jì)算機(jī)在處理中斷的過程中，有可能出現(xiàn)新的中斷請求，此時(shí)CPU暫?，F(xiàn)行中斷服務(wù)程序，轉(zhuǎn)向新的中斷請求，這種現(xiàn)象稱為中斷嵌套。

27.優(yōu)先級：為使系統(tǒng)能及時(shí)響應(yīng)并處理發(fā)生的所有中斷，系統(tǒng)根據(jù)引起中斷事件的重要性和緊迫程度，硬件將中斷源分為若干個(gè)級別。

28.DMA方式：用硬件在主存與外設(shè)之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，不須CPU，用軟件控制。

29.指令系統(tǒng)：將全部機(jī)器指令的集合稱為機(jī)器的指令系統(tǒng)。

30.尋址方式：是指確定本條指令的數(shù)據(jù)地址以及下一條將要執(zhí)行的指令地址的方法，它與硬件結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，而且直接影響指令格式和指令功能。

31.指令周期：完成一條指令的時(shí)間，由若干機(jī)器周期組成。

???機(jī)器周期：完成摸個(gè)獨(dú)立操作，由若干時(shí)鐘周期組成。

???時(shí)鐘周期：最基本時(shí)間單位，由主頻決定。

32.微操作：在微程序控制器中，執(zhí)行部件接受微指令后所進(jìn)行的最基本的操作。

33.微指令：控制器存儲(chǔ)的控制代碼，分為操作控制部分和順序控制部分，由微命令組成。

34.微程序：存儲(chǔ)在控制存儲(chǔ)器中的完成指令功能的程序，由微指令組成。

35.控制存儲(chǔ)器：CPU內(nèi)用于存放實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)全部指令的微程序的只讀存儲(chǔ)器。

二、計(jì)算

3.14. 設(shè)總線的時(shí)鐘頻率為8MHZ，一個(gè)總線周期等于一個(gè)時(shí)鐘周期。如果一個(gè)總線周期中并行傳送16位數(shù)據(jù)，試問總線的帶寬是多少？

解：由于：f=8MHz,T=1/f=1/8M秒，因?yàn)橐粋€(gè)總線周期等于一個(gè)時(shí)鐘周期

所以：總線帶寬=16/（1/8M） = 128Mbps=16MBps

3.15. 在一個(gè)32位的總線系統(tǒng)中，總線的時(shí)鐘頻率為66MHZ，假設(shè)總線最短傳輸周期為4個(gè)時(shí)鐘周期，試計(jì)算總線的最大數(shù)據(jù)傳輸率。若想提高數(shù)據(jù)傳輸率，可采取什么措施？

解：總線傳輸周期=4*1/66M秒

總線的最大數(shù)據(jù)傳輸率=32/(4/66M)=528Mbps=66MBps

若想提高數(shù)據(jù)傳輸率，可以提高總線時(shí)鐘頻率、增大總線寬度或者減少總線傳輸周期包含的時(shí)鐘周期個(gè)數(shù)。

3.16. 在異步串行傳送系統(tǒng)中，字符格式為：1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)校驗(yàn)位、2個(gè)終止位。若要求每秒傳送120個(gè)字符，試求傳送的波特率和比特率。

解：一幀包含：1+8+1+2=12位

???故波特率為：（1+8+1+2）*120=1440bps

?????比特率為：8*120=960bps

4.5. 什么是存儲(chǔ)器的帶寬？若存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)總線寬度為32位，存取周期為200ns，則存儲(chǔ)器的帶寬是多少？

解：存儲(chǔ)器的帶寬指單位時(shí)間內(nèi)從存儲(chǔ)器進(jìn)出信息的最大數(shù)量。

存儲(chǔ)器帶寬 = 1/200ns ×32位 = 160M位/秒 = 20MB/秒（注：1ns=10-9s）

4.7. 一個(gè)容量為16K×32位的存儲(chǔ)器，其地址線和數(shù)據(jù)線的總和是多少？當(dāng)選用下列不同規(guī)格的存儲(chǔ)芯片時(shí)，各需要多少片？

1K×4位，2K×8位，4K×4位，16K×1位，4K×8位，8K×8位

解：地址線和數(shù)據(jù)線的總和 = 14 + 32 = 46根；

選擇不同的芯片時(shí)，各需要的片數(shù)為：

1K×4：（16K×32） / （1K×4） = 16×8 = 128片

2K×8：（16K×32） / （2K×8） = 8×4 = 32片

4K×4：（16K×32） / （4K×4） = 4×8 = 32片

16K×1：（16K×32）/ （16K×1） = 1×32 = 32片

4K×8：（16K×32）/ （4K×8） = 4×4 = 16片

8K×8：（16K×32） / （8K×8） = 2×4 = 8片

6.4. 設(shè)機(jī)器數(shù)字長為8位（含1位符號位在內(nèi)），寫出對應(yīng)下列各真值的原碼、補(bǔ)碼和反碼。 ? ? ? ? -13/64，-87

解：真值與不同機(jī)器碼對應(yīng)關(guān)系如下：

真值

-13/64

-87

原碼

1.001 1010

1，101 0111

補(bǔ)碼

1.1100110

1，0101001

反碼

1.1100101

1，0101000

6.5. 已知[x]補(bǔ)，求[x]原和x。

?????[x1]補(bǔ)=1.1100; ?[x2]補(bǔ)=1.1001; ?[x4]補(bǔ)=1.0000;

?[x5]補(bǔ)=1,0101; ?[x6]補(bǔ)=1,1100; ?[x8]補(bǔ)=1,0000;

解：[x]補(bǔ)與[x]原、x的對應(yīng)關(guān)系如下：

真值

-1/4

-7/16

-1

-11

-4

-16

[x]補(bǔ)

1.1100

1.1001

1.0000

1,0101

1,1100

1,0000

[x]原

1.0100

1.0111

無

1,1011

1,0100

無

x

-0.0100

-0.0111

-1.0000

-1011

-0100

-10000

6.9. 當(dāng)十六進(jìn)制數(shù)9B和FF分別表示為原碼、補(bǔ)碼、反碼、移碼和無符號數(shù)時(shí)，所對應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)各為多少（設(shè)機(jī)器數(shù)采用一位符號位）？

解：真值和機(jī)器數(shù)的對應(yīng)關(guān)系如下：

?

原碼

補(bǔ)碼

移碼

無符號數(shù)

9BH

-27

-101

+27

155

?

原碼

補(bǔ)碼

移碼

無符號數(shù)

FFH

-128

-1

+128

256

6.12. 設(shè)浮點(diǎn)數(shù)格式為：階碼5位（含1位階符），尾數(shù)11位（含1位數(shù)符）。寫出-27/1024、-86.5所對應(yīng)的機(jī)器數(shù)。要求如下：

（1）階碼和尾數(shù)均為原碼。

（2）階碼和尾數(shù)均為補(bǔ)碼。

（3）階碼為移碼，尾數(shù)為補(bǔ)碼。 ? ?

解：據(jù)題意畫出該浮點(diǎn)數(shù)的格式：

階符1位

階碼4位

數(shù)符1位

尾數(shù)10位

??? ? 將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制: x1= -27/1024= -0.0000011011B = 2-5*(-0.11011B）

??x3=-86.5=-1010110.1B=27*(-0.10101101B)

則以上各數(shù)的浮點(diǎn)規(guī)格化數(shù)為：

（1）[x1]原=1，0101；1.110 110 000 0

?????[x3]原=0，0111；1.101 011 010 0

（2）[x1]補(bǔ)=1，1011；1.001 010 000 0

?????[x3]補(bǔ)=0，0111；1.010 100 110 0

（3）[x1]移補(bǔ)=0，1011；1.001 010 000 0

?????[x3]移補(bǔ)=1，0111；1.010 100 110 0

6.19. 設(shè)機(jī)器數(shù)字長為8位（含1位符號位），用補(bǔ)碼運(yùn)算規(guī)則計(jì)算下列各題。

?? （2）A=19/32，B=-17/128，求A-B。

?? （4）A=-87，B=53，求A-B。

解：（2）A=19/32= 0.100 1100B, B= -17/128= -0.001 0001B

? ? ? ? [A]補(bǔ)=00.100 1100, [B]補(bǔ)=11.110 1111 , [-B]補(bǔ)=00.001 0001

??????[A-B]補(bǔ)=[A]補(bǔ)+[-B]補(bǔ)

?????????????=00.1001100 + 00.0010001

?????????????=00.1011101 ——無溢出

??????A-B= 0.101 1101B = 93/128B

?（4）A= -87= -101 0111B, B=53=110 101B

? ? ? ?[A]補(bǔ)=11, 010 1001, [B]補(bǔ)=00, 011 0101, [-B]補(bǔ)=11, 100 1011

???????[A-B]補(bǔ)=[A]補(bǔ)+[-B]補(bǔ)

??????????????= 11,0101001 + 11,1001011

??????????????= 10,1110100 —— 溢出

6.20. 用原碼一位乘和補(bǔ)碼一位乘（Booth算法）、兩位乘計(jì)算x·y。

?? ? （1）x= 0.110 111，y= -0.101 110；（4）x= 0.110 11，y= -0.111 01。

解：先將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所需的機(jī)器數(shù)，然后計(jì)算，最后結(jié)果轉(zhuǎn)換成真值。

（1）[x]原=0.110111，[y]原=1.101110，x*=0.110111， y*=0.101110

原碼一位乘：

部分積

乘數(shù)y*

說明

0.000 000

101110

乘數(shù)為0右移

????0.000 000

???+0.110 111

010111

乘數(shù)為1，加上x*

?

????0.110 111

????0.011 011

???+0.110 111

010111

101011

右移一位

乘數(shù)為1，加上x*

?

????1.010 010

????0.101 001

???+0.110 111

101011

010101

右移一位

乘數(shù)為1，加上x*

?

????1.100 000

????0.110 000

010101

001010

右移一位

乘數(shù)為0，右移一位

????0.011 000

???+0.110 111

000101

乘數(shù)為1，加上x*

?

????1.001 111

????0.100 111

000101

100010

右移一位

?

即x*×y*=0.100 111 100 010，z0=x0??y0=0 ?1=1，

[x×y]原=1.100 111 100 010；x·y= -0. 100 111 100 010

補(bǔ)碼一位乘：[x]補(bǔ)=00.110111，[-x]補(bǔ)=11.001001，[y]補(bǔ)=11.010010

部分積

乘數(shù)

Yn+1

說明

??00 . 000 000

??00 . 000 000

+11 . 001 001

1 010 010

0 101 001

0

0

Ynyn+1=00，部分積右移1位

Ynyn+1=10，部分積加[-x]補(bǔ)

?

??11 . 001 001

?

?

右移1位

??11 . 100 100

+00 . 110 111

1 010 100

1

Ynyn+1=01，部分積加[x]補(bǔ)

?

??00 . 011 011

?

?

右移1位

??00 . 001 101

??00 . 000 110

+11 . 001 001

1 101 010

1 110 101

0

0

Ynyn+1=00，部分積右移1位

Ynyn+1=10，部分積加[-x]補(bǔ)

?

??11 . 001 111

?

?

右移1位

??11 . 100 111

+00 . 110 111

1 111 010

1

Ynyn+1=01，部分積加[x]補(bǔ)

?

??00 . 011 110

??00 . 001 111

+11 . 001 001

?

0 111 101

?

0

右移1位

Ynyn+1=10，部分積加[-x]補(bǔ)

?

??11 . 011 000

0 111 10

?

?

即 [x×y]補(bǔ)=1.011 000 011 110，x·y= -0.100 111 100 010

（4）[x]原=0.11011,[y]原=1.11101,x*=0.11011,y*=0.11101

原碼一位乘：

部分積

乘數(shù)y*

說明

???0.000 00

11101

乘數(shù)為1，加x*

??+0.110 11

?

右移1位

???0.011 01

11110

乘數(shù)為0，右移1位

???0.001 10

11111

乘數(shù)為1，加x*

??+0.110 11

?

?

???1.000 01

11111

右移1位

???0.100 00

11111

乘數(shù)為1，加x*

??+0.110 11

?

?

???1.010 11

11111

右移1位

???0.101 01

11111

乘數(shù)為1，加x*

??+0.110 11

?

?

???1.100 00

11111

右移1位

??0.11000

01111

?

補(bǔ)碼一位乘：[x]補(bǔ)=00.11011，[-x]補(bǔ)=11.00101，[y]補(bǔ)=1.00011

??00.00000

000110

?+11.00101

?

??11.00101

000110

??11.10010

1100011

??11.11001

0110001

?+00.11011

?

??00.10100

?

??00.01010

0011000

??00.00101

0001100

??00.00010

1000110

?+11.00101

?

??11.00111

10001

6.21. 用原碼加減交替法和補(bǔ)碼加減交替法計(jì)算x÷y。

?? ? （2）x=-0.10101， y=0.11011；

?? ? （4）x=13/32， ? ? y= -27/32。

（2）[x]原=1.10101 ?x*=0.10101 [X*]補(bǔ)=1.01011 Xf?Yf=1

??0.10101

?

?+1.00101

?

??1.11010

0

??1.10100

?

?+0.11011

?

??0.01111

0

??0.11110

?

?+1.00101

?

??0.00011

011

??0.00110

?

?+1.00101

?

??1.01011

0110

??0.10110

?

?+0.11011

?

??1.10001

01100

??1.00010

?

?+0.11011

?

??1.11101

011000

?????[y]原=0.11011 ?y*=0.11011 [Y*]補(bǔ)=0.11011 [-y*]補(bǔ)=1.00101

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

?

[x/y]原=1.11000

（4）做法相同，打表格太累，僅給出結(jié)果。[x/y]原=1.01111

三、應(yīng)用

4.14. 某8位微型機(jī)地址碼為18位，若使用4K×4位的RAM芯片組成模塊板結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器，試問：

????（1）該機(jī)所允許的最大主存空間是多少？

（2）若每個(gè)模塊板為32K×8位，共需幾個(gè)模塊板？

（3）每個(gè)模塊板內(nèi)共有幾片RAM芯片？

（4）共有多少片RAM？

（5）CPU如何選擇各模塊板？

解：（1）該機(jī)所允許的最大主存空間是：218?× 8位 = 256K×8位 = 256KB

（2）模塊板總數(shù) = 256K×8 / 32K×8 = 8塊

（3）板內(nèi)片數(shù) = 32K×8位 / 4K×4位 = 8×2 = 16片

（4）總片數(shù) = 16片×8 = 128片

（5）CPU通過最高3位地址譯碼輸出選擇模板，次高3位地址譯碼輸出選擇芯片。地址格式分配如下：

4.29. 假設(shè)CPU執(zhí)行某段程序時(shí)共訪問Cache命中4800次，訪問主存200次，已知Cache的存取周期為30ns，主存的存取周期為150ns，求Cache的命中率以及Cache-主存系統(tǒng)的平均訪問時(shí)間和效率，試問該系統(tǒng)的性能提高了多少倍？

解：Cache被訪問命中率為：4800/(4800+200)=24/25=96%

則Cache-主存系統(tǒng)的平均訪問時(shí)間為：ta=0.96*30ns+(1-0.96)*150ns=34.8ns

Cache-主存系統(tǒng)的訪問效率為：e=tc/ta*100%=30/34.8*100%=86.2%

性能為原來的150ns/34.8ns=4.31倍，即提高了3.31倍。

例7.2設(shè)相對尋址的轉(zhuǎn)移指令占3個(gè)字節(jié)，第一字節(jié)為操作碼，第二，三字節(jié)為相對位移量（補(bǔ)碼表示）。而且數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中采用以低字節(jié)地址為字地址的存放方式。每當(dāng)CPU從存儲(chǔ)器取出一個(gè)字節(jié)時(shí)，即自動(dòng)完成（PC）+1 ???PC。

（1）?若PC當(dāng)前值為240（十進(jìn)制），要求轉(zhuǎn)移到290（十進(jìn)制），則轉(zhuǎn)移指令的第二、三字節(jié)的機(jī)器代碼是什么？

（2）?若PC當(dāng)前值為240（十進(jìn)制），要求轉(zhuǎn)移到200（十進(jìn)制），則轉(zhuǎn)移指令的第二、三字節(jié)的機(jī)器代碼是什么？

解:（1）PC當(dāng)前值為240，該指令取出后PC值為243，要求轉(zhuǎn)移到290，即相對位移量為290-243=47，轉(zhuǎn)換成補(bǔ)碼為2FH。由于數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中采用以低字節(jié)地址為字地址的存放方式，故該轉(zhuǎn)移指令的第二字節(jié)為2FH，第三字節(jié)為00H。

（2）PC當(dāng)前值為240，該指令取出后PC值為243，要求轉(zhuǎn)移到200，即相對位移量為200-243=-43，轉(zhuǎn)換成補(bǔ)碼為D5H。由于數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中采用以低字節(jié)地址為字地址的存放方式，故該轉(zhuǎn)移指令的第二字節(jié)為D5H，第三字節(jié)為FFH。

例7.3一條雙字長直接尋址的子程序調(diào)用指令，其第一個(gè)字為操作碼喝尋址特征，第二個(gè)字為地址碼5000H。假設(shè)PC當(dāng)前值為2000H，SP的內(nèi)容為0100H，棧頂內(nèi)容為2746H，存儲(chǔ)器按字節(jié)編址，而且進(jìn)棧操作時(shí)執(zhí)行（SP）-△-P，后存入數(shù)據(jù)。試回答下列幾種情況下，PC、SP及棧頂內(nèi)容各為多少？

（1）?CALL指令被讀取前。

（2）?CALL指令被執(zhí)行后。

（3）?子程序返回后。

解CALL指令被讀取前，PC=2000H，SP=0100H，棧頂內(nèi)容為2746H。

（1）?CALL指令被執(zhí)行后，猶豫存儲(chǔ)器按字節(jié)編制，CALL指令供占4個(gè)字節(jié)，故程序斷電2004H進(jìn)棧，此時(shí)SP=（SP）-2=00FEH，棧頂內(nèi)容為2004H，PC被更新為子程序入口地址5000H。

（2）?子程序返回后，程序斷點(diǎn)出棧，PC=2004H，SP被修改為0100H，棧頂內(nèi)容為2746H。

7.6某指令系統(tǒng)字長為16位，地址碼取4位，試提出一種方案，使該地址系統(tǒng)有8條三地址指令、16條二地址指令、100條一地址指令。

解：

OP

A2

A1

A0

三地址指令8條

0000

?

?

·

·

·

?

0111

?

?

OP

A1

A0

二地址指令16條

10000000

?

?

·

·

·

?

10001111

?

?

OP

A0

一地址指令100條

110000000000

?

?

110001100011

?

7.7設(shè)指令字長為16位，采用擴(kuò)展操作碼技術(shù)，每個(gè)操作碼的地址為6位。如果定義了13條二地址指令，試問還可安排多少條一地址指令。

解：（24-3）*26=3*64=192條

7.8某機(jī)指令字長16位，每個(gè)操作數(shù)的地址碼為6位，設(shè)操作碼長度固定，指令分為零地址，一地址和二地址三種格式，若零地址指令有M種，以抵制指令有N種，則二地址指令最多有幾種？若操作碼位數(shù)可變，則二地址指令最多允許有幾種？

解：1）若采用定長操作碼時(shí)，二地址指令格式如下：

OP（4位）

A1（6位）

A2（6位）

設(shè)二地址指令有K種，則：K=24-M-N

當(dāng)M=1（最小值），N=1（最小值）時(shí)，二地址指令最多有：Kmax=16-1-1=14種

2）若采用變長操作碼時(shí)，二地址指令格式仍如1）所示，但操作碼長度可隨地址碼的個(gè)數(shù)而變。此時(shí)，K= 24?-（N/26?+ M/212?）；

當(dāng)（N/26?+ M/212?）￡1時(shí)（N/26?+ M/212?向上取整），K最大，則二地址指令最多有：

Kmax=16-1=15種（只留一種編碼作擴(kuò)展標(biāo)志用。）

9.5設(shè)機(jī)器A的CPU主頻為8MHz，機(jī)器周期為4個(gè)時(shí)鐘周期，且該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度是0.4MIPS，試求該機(jī)的平均指令周期和機(jī)器周期，每個(gè)指令周期中含幾個(gè)機(jī)器周期？如果機(jī)器B的CPU主頻為12MHz，且機(jī)器周期也含有4個(gè)時(shí)鐘周期，試問B機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為多少M(fèi)IPS?

A.CLK=8MHz ?T=1/8MHz=0.125us

??機(jī)器周期=4*T=0.5us

??因?yàn)閳?zhí)行速度為0.4MIPS 所以平均指令周期=1/0.4MIPS=2.5us

??2.5us/0.5us=5個(gè) 所以每個(gè)指令含有5條機(jī)器指令

B.T=1/f=1/12MHz=1/12us ?機(jī)器指令=4*T=1/3us ?指令周期=5*1/3=5/3us

平均指令執(zhí)行速度 ?1/(5/3)=0.6MIPS

9.6設(shè)某計(jì)算機(jī)的CPU主頻為8MHz，每個(gè)機(jī)器周期平均含2個(gè)時(shí)鐘周期，每條指令平均有4個(gè)機(jī)器周期，試問該計(jì)算機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為多少M(fèi)IPS?若CPU主頻不變，但每個(gè)機(jī)器周期平均含4個(gè)時(shí)鐘周期，每條指令平均有4個(gè)機(jī)器周期，試問B機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為多少M(fèi)IPS?

1.CLK=8MHz ?平均指令執(zhí)行速度1/(1/8M*2*4)=1MIPS

2.指令周期=4*4*1/8=2us 執(zhí)行速度=1/(1/8M*4*4)=0.5MIPS

9.7某CPU的主頻為10MHz，若已知每個(gè)機(jī)器周期平均含有4個(gè)時(shí)鐘周期，該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為1MIPS，試求該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度為多少M(fèi)IPS?若CUP主頻不變，但每個(gè)機(jī)器周期平均含有4個(gè)時(shí)鐘周期，每條指令平均有4個(gè)機(jī)器周期，則該機(jī)的平均指令執(zhí)行速度又是多少M(fèi)IPS？由此可得出什么結(jié)論

1.平均指令周期=1/1MIPS=1us ?T=1/f=0.1us ?T機(jī)=4*T=0.4us

因?yàn)?us/0.4us=2.5 ??所以每個(gè)指令包含2.5個(gè)機(jī)器周期

2.T=0.4us 速度=1/(0.4*2.5*4)=0.25MIPS

3.因?yàn)樗俣?0.8MIPS 所以T指=1/0.8us

??因?yàn)門指=4*2.5*T ?所以T=1/8us 所以 f=1/T=8MHz

四、簡答

1.馮諾依曼機(jī)主機(jī)主要特點(diǎn)。

1計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備五大部件組成。

2.指令和數(shù)據(jù)一同等地位存放于存儲(chǔ)器內(nèi)，并可按地址尋訪。

3.指令和數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制表示。

4.指令由操作嗎和地址碼組成，操作碼用來表示操作的性質(zhì)，地址碼用來表示操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的位置。

5.采用存儲(chǔ)控制原理，指令在存儲(chǔ)器內(nèi)按順序存放。通常指令是順序執(zhí)行的，在特定條件下，可根據(jù)運(yùn)算結(jié)果或根據(jù)設(shè)定的條件改變執(zhí)行順序。

6.機(jī)器以運(yùn)算器為中心，輸入輸出設(shè)備與存儲(chǔ)器間的數(shù)據(jù)傳說通過運(yùn)算器完成。

2.計(jì)算機(jī)硬件主要技術(shù)指標(biāo)，軟件定義與分類。

??計(jì)算機(jī)硬件主要技術(shù)指標(biāo)：機(jī)器字長、存儲(chǔ)容量、運(yùn)算速度、主頻等。

??軟件定義：看不見摸不著，由人們事先編制的具有各類特殊功能的程序組成。

??分類：系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。

3.計(jì)算機(jī)組成部分與個(gè)部分作用。

??運(yùn)算器：用來完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，并將運(yùn)算的中間結(jié)果暫存在運(yùn)算器內(nèi)。

??存儲(chǔ)器：用來存放數(shù)據(jù)和程序。

??控制器：用來控制、指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入、運(yùn)行以及處理器運(yùn)算結(jié)果。

??輸入設(shè)備：用來將人們熟悉的信息形式轉(zhuǎn)換為機(jī)器能識別的信息形式，常見的有鍵盤、鼠標(biāo)等。

??輸出設(shè)備：可將機(jī)器運(yùn)算結(jié)果轉(zhuǎn)換為人們熟悉的信息形式，如打印機(jī)輸出，顯示器輸出等。

4.總線定義與分類方法，系統(tǒng)總線定義與分類方法。

?總線

???定義：總線是連接多個(gè)部件的信息傳輸線，是各部件共享的傳輸介質(zhì)。

???分類：片內(nèi)總線 ??系統(tǒng)總線 ??通信總線

?系統(tǒng)總線

定義：系統(tǒng)總線是指CPU、主存、I/O設(shè)備（通過I/O接口）各大部件之間的信息傳輸線。

??分類： ?數(shù)據(jù)總線 ?地址總線 ?控制總線

5.什么是總線標(biāo)準(zhǔn)，目前流行的總線標(biāo)準(zhǔn)有哪些。

??所謂總線標(biāo)準(zhǔn)可視為系統(tǒng)與各模塊，模塊與模塊之間的一個(gè)互連的標(biāo)準(zhǔn)界面。

??ISA總線、EISA總線、PCI總線、RS—232C總線、IEEE-488(并行通信總線又稱GP-IP總線)USB總線。

6.三級存儲(chǔ)器系統(tǒng)中各級存儲(chǔ)器特點(diǎn)與用途，分哪兩個(gè)層次。

1主存 ?特點(diǎn)：隨機(jī)訪問、速度快。容量大。用途：存放CPU使用的程序和數(shù)據(jù)。

??輔存 ?特點(diǎn)：容量大、速度慢、價(jià)格低、可脫機(jī)保存信息。用途：存放大量后備數(shù)據(jù)

緩存 ?特點(diǎn)：速度快、容量小、價(jià)格高 用途：用于主存與輔存之間作為緩沖，正在使用的程序和數(shù)據(jù)的付本。

?2緩存-----主存層次和主存---輔村層次。

7.半導(dǎo)體存儲(chǔ)器RAM與ROM特點(diǎn)與用途。

RAM特點(diǎn)：可讀可寫掉電后信息丟失，存臨時(shí)信息。用途：主要做內(nèi)存

ROM特點(diǎn)：只讀不寫掉電后信息不丟失，存長期信息。用途：主要做控制存儲(chǔ)器

8.動(dòng)態(tài)RAM與靜態(tài)RAM特點(diǎn)與用途，DRAM刷新方式與主要優(yōu)點(diǎn)。

靜態(tài)RAM特點(diǎn)：信息讀出后，仍保持其原有狀態(tài)，不需要再生。用途：用于Cache

動(dòng)態(tài)RAM特點(diǎn)：靠電容存儲(chǔ)電荷的原理來寄存信息。用途：組成內(nèi)存/主存。

DRAM刷新方式

????集中刷新：集中刷新是在規(guī)定的一個(gè)刷新周期內(nèi)對全部存儲(chǔ)單元集中一段時(shí)間逐行進(jìn)行刷新，此刻必須停止讀寫操作。

????分散刷新：分散刷新是指對每行存儲(chǔ)單元的刷新分散到每個(gè)存儲(chǔ)周期內(nèi)完成。

異步刷新：異步刷新是前兩種方式的結(jié)合，它即可縮短“死時(shí)間”，又充分利用最大刷新間隔2ms的特點(diǎn)。

優(yōu)點(diǎn)：單個(gè)MOS管組成，集成度高，速度較SRAM慢，價(jià)格低，

9.Cache工作原理特點(diǎn)，地址映射方式與替換算法。

原理：利用程序訪問的局部性，近期用到信息存于cache。

地址映射方式：直接映射、全相聯(lián)映射、組相聯(lián)映射、

替換算法：先進(jìn)先出算法（FIFO）、近期最少使用算法（LRU）、隨機(jī)法。

10.主機(jī)與外設(shè)交換信息采用中斷與DMA方式特點(diǎn)與應(yīng)用場合。

中斷方式：

特點(diǎn)：CPU與外設(shè)并行工作，效率高

應(yīng)用場合：管理多種外設(shè)并行工作、進(jìn)行實(shí)時(shí)處理、進(jìn)行故障自動(dòng)處理

DMA方式：

特點(diǎn)：

1從數(shù)據(jù)傳送看，程序中斷方式靠程序傳送，DMA方式靠硬件傳送。

2從CPU響應(yīng)時(shí)間看，程序中斷方式是在一條指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)響應(yīng)，而DMA方式可在指令周期內(nèi)的任一存取周期結(jié)束時(shí)響應(yīng)。

3程序中斷方式有處理異常事件能力，DMA方式?jīng)]有這種能力，主要用于大批數(shù)據(jù)的傳送，如硬盤存取、圖像處理、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，可提高數(shù)據(jù)吞吐量。

4程序中斷方式需要中斷現(xiàn)行程序，故需保護(hù)現(xiàn)場；DMA方式不中斷現(xiàn)行程序，無須保護(hù)現(xiàn)場。

5DMA的優(yōu)先級比程序中斷的優(yōu)先級高。

應(yīng)用場合：高速設(shè)備 如硬盤

11.I/O端口與接口的區(qū)別，I/O接口分類方法。

端口：接口內(nèi)部寄存器有I/O地址號。一般分為數(shù)據(jù)口、命令口和狀態(tài)口。

接口：若干端口加上相應(yīng)的控制電路組成。

接口分類：按數(shù)據(jù)傳送方式分串行接口和并行接口

??????????按功能選擇的靈活性分為可編程接口和不可編程接口

??????????按通用性分為通用接口和專用接口

??????????按數(shù)據(jù)傳送的控制方式分為程序型接口和DMA接口。

12.中斷處理過程分成哪兩個(gè)階段各完成哪些任務(wù)

響應(yīng)階段：關(guān)中斷、保護(hù)斷點(diǎn)地址、轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)入口地址

處理階段：保護(hù)現(xiàn)場、執(zhí)行用戶編寫的中斷服務(wù)程序、恢復(fù)現(xiàn)場。

13.與中斷方式比較MDA方式主要特點(diǎn)是什么。

??1從數(shù)據(jù)傳送看，程序中斷方式靠程序傳送，DMA方式靠硬件傳送。

2從CPU響應(yīng)時(shí)間看，程序中斷方式是在一條指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)響應(yīng)，而DMA方式可在指令周期內(nèi)的任一存取周期結(jié)束時(shí)響應(yīng)。

3程序中斷方式有處理異常事件能力，DMA方式?jīng)]有這種能力，主要用于大批數(shù)據(jù)的傳送，如硬盤存取、圖像處理、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，可提高數(shù)據(jù)吞吐量。

4程序中斷方式需要中斷現(xiàn)行程序，故需保護(hù)現(xiàn)場；DMA方式不中斷現(xiàn)行程序，無須保護(hù)現(xiàn)場。

5DMA的優(yōu)先級比程序中斷的優(yōu)先級高。

14.什么是尋址方式，數(shù)據(jù)尋址方式有哪幾種。

尋址方式：是指確定本條指令的數(shù)據(jù)地址以及下一條將要執(zhí)行的指令地址的方法，它與硬件結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，而且直接影響指令格式和指令功能。

數(shù)據(jù)尋址方式：立即尋址、直接尋址、隱含尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、基址尋址、變址尋址、相對尋址、堆棧尋址。

15.RISC主要特點(diǎn)與CISC相比較RISC主要優(yōu)點(diǎn)。

特點(diǎn)：

????選用使用頻率較高的一些簡單指令以及一些很有用但又不復(fù)雜的指令，讓復(fù)雜指令的功能由頻度高的簡單指令的組合來實(shí)現(xiàn)；

指令長度固定指令格式種類少，尋址方式種類少；

只有取數(shù)/存數(shù)指令訪問存儲(chǔ)器，其余指令的操作都在寄存器內(nèi)完成；

采用流水線技術(shù)，大部分指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成；

控制器采用組合邏輯控制，不用微程序控制；

采用優(yōu)化的編譯程序。

?1充分利用VLSI芯片的面積。

?2提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度。

3便于設(shè)計(jì)可降低成本提高可靠性。

4有效支持高級語言程序。

16.組合邏輯與微程序設(shè)計(jì)主要特點(diǎn)與應(yīng)用。

組合邏輯：特點(diǎn)：速度快、復(fù)雜不靈活。應(yīng)用：適用于RISC機(jī)。

微程序：特點(diǎn)：引入程序設(shè)計(jì)與存儲(chǔ)邏輯技術(shù)，硬件軟化，把一條機(jī)器指令用一段微程序來實(shí)現(xiàn)，存放控制存儲(chǔ)器CM中。應(yīng)用：系列機(jī)。

17.什么是指令周期、機(jī)器周期、時(shí)鐘周期 ?三者的關(guān)系如何。

??指令周期：完成一條指令的時(shí)間，由若干機(jī)器周期組成。

機(jī)器周期：完成摸個(gè)獨(dú)立操作，由若干時(shí)鐘周期組成。

時(shí)鐘周期：最基本時(shí)間單位，由主頻決定。

關(guān)系：時(shí)鐘周期是最基本時(shí)間單位，由若干時(shí)鐘周期組成機(jī)器周期，由若干機(jī)器周期組成指令周期。

18.微程序設(shè)計(jì)基本思想，微程序指令主要編碼方式。

思想：引入程序設(shè)計(jì)與存儲(chǔ)邏輯技術(shù)硬件軟化把一條機(jī)器指令用一般微程序來實(shí)現(xiàn)，存于控制存儲(chǔ)器中。

編碼方式：直接編碼（直接控制）方式、字段直接編碼方式。

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