2016計算機組沖刺講義

1、課程講義計算機計算機聯(lián)考沖刺班計算機組本課程討論單機系統(tǒng)范圍內(nèi)計算機各部件和系統(tǒng)的組成以及內(nèi)部工作機制，使學生既能從全局或宏觀的角度掌握計算機硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構和工作原理，又能從局部或微觀的角度理解計算機各個部件的工作過程和交互方式?！究疾槟繕恕?. 理解單處理器計算機系統(tǒng)中各部件的內(nèi)部工作原理、組成結(jié)構以及相互連接方式，具有完整的計算機系統(tǒng)的整機概念。2. 理解計算機系統(tǒng)層次化結(jié)構概念，熟悉硬件與軟件之間的界面，掌握指令集體系結(jié)構的基本知識和基本實現(xiàn)3. 能夠綜合運用計算機組?；驹砗突?，對有關計算機硬件系統(tǒng)中的理論和實際問題進行計算、分析，并能對高級程序設計語言（如C語言）中的相關問題

2、進行。第一章 計算機系統(tǒng)概述考綱要求（一）計算機發(fā)展歷程（二）計算機系統(tǒng)層次結(jié)構1、計算機系統(tǒng)的基本組成2、計算機硬件的基本組成3、計算機軟件和硬件的4、計算機系統(tǒng)的工作過程（三）計算機性能指標吞吐量、響應時間，CPU時鐘周期、主頻、CPI、CPU執(zhí)行時間，MIPS、MFLOPS、GFLOPS、TMFLOP本章出題情況本章?？键c：計算機性能指標的有關概念和相關術語，主要是以單項選擇題的形式出現(xiàn)。與：直接根據(jù)本章所涉及知識點命題的題目一般超過一道題，且并無太多難點，但因章涉及的知識是整門課程最基礎的知識，往往會作為其他2 / 25年份單項選擇題/分值綜合應用題/分值小計/分值知識點20090題0

3、題0分20101題×2分0題2分計算機性能指標的有關概念20111題×2分0題2分計算機性能指標的相關術語20121題×2分0題2分計算機性能指標的計算20131題×2分0題2分計算機性能指標的計算20141題×2分0題2分計算機性能指標的計算20151題×2分0題2分計算機系統(tǒng)層次結(jié)構課程講義計算機試題的背景知識出現(xiàn)，如計算機的性能指標計算除在單項選擇題出現(xiàn)外，越來越多地出現(xiàn)在綜合應用題中，而且是綜合應用題計算的基礎，如果不掌握這些概念，可能使綜合應用題無法下手或計算錯誤，所以不應該忽略這部分內(nèi)容的復習。計算機性能指標指令平均時鐘數(shù)

4、等于程序所含時鐘周期數(shù)除以程序所含指令條數(shù)，即：CPI=å(CPIi ´ Ii )i =1ICn其中：IC表示程序所含總指令條數(shù)，Ii為第i種指令在出現(xiàn)的次數(shù)。MIPS表示每秒執(zhí)行多少百萬條指令。MIPS定義為= 主頻指令條數(shù)MIPS=執(zhí)行時間´106CPIMFLOPS表示每秒執(zhí)行多少百萬次浮點運算。MFLOPS定義為MFLOPS= 浮點操作次數(shù)執(zhí)行時間´106GFLOPS、TFLOPS、PFLOPS【例1.1】某計算機的時鐘頻率為400MHz，測試該計算機的程序使用4種類型的指令。每種指令的數(shù)量及所需指令時鐘數(shù)（CPI）見表。則該計算機的指令平均時鐘數(shù)

5、為（1）；該計算機的運算速度均為（2）MIPS。（1）A.1.85（2）A.106.7B.1.93 B.169.5C.2.36 C.207.3D.3.75D.216.2解答：（1）B、（2）C。分析：CPI=(160000×1×2×4×8) ÷3 / 25指令類型指令數(shù)目（條）每條指令需時鐘數(shù)11600001230000232400044160008通常意義K（Kilo） M（Mega） G（Giga） T（Tera） P（Peta）10310610910121015課程講義計算機(160000)1.93運算速度= 400MHz÷1.

6、93207.3MIPS第二章 數(shù)據(jù)的表示與運算考綱要求（一）數(shù)制與編碼1進位計數(shù)制及其相互轉(zhuǎn)換2和數(shù)3. BCD碼4. 字符與字符串5（二）定點數(shù)的表示和運算 1定點數(shù)的表示：無符號數(shù)的表示；有符號整數(shù)的表示。2定點數(shù)的運算：定點數(shù)的移位運算；原碼定點數(shù)的加/減運算；補碼定點數(shù)的加/減運算；定點數(shù)的乘/除運算；溢出概念和判別（三）浮點數(shù)的表示和運算 1浮點數(shù)的表示：IEEE754標準2浮點數(shù)的加/減運算（四）算術邏輯單元ALU 1串行加法器和并行加法器2算術邏輯單元ALU的功能和結(jié)構本章出題情況。本章?？键c：定點數(shù)和浮點數(shù)的表示和運算，著定點數(shù)和浮點數(shù)的表示和運算的題目很多，可能涉及到具體的運

7、算，也可能僅涉及基本概念，但大多為通過具體運算對基本概能的理解和掌握的試題，其中IEEE754標準是浮點數(shù)中的一個?？键c，并且將可以會是今后的?？键c。與：這部分試題極少出現(xiàn)純概念題，即使是單項選擇題也往往需要經(jīng)過計算才能得出結(jié)論。許多試題與程序設計密切相關，需要考生從程序員的視角出發(fā)，理解無符號數(shù)和有符號數(shù)、定點整數(shù)和浮點數(shù)等數(shù)據(jù)類型，特別是IEEE 754標4 / 25年份單項選擇題/分值綜合應用題/分值小計/分值知識點20092題×2分0題4分定點數(shù)和浮點數(shù)的運算20102題×2分0題4分定點數(shù)的運算，定點數(shù)和浮點數(shù)的表示20111題×2分1題×11

8、分13分無符號整數(shù)和帶符號整數(shù)的運算，IEEE標準浮點數(shù)的表示20122題×2分0題4分無符號整數(shù)運算，IEEE標準浮點數(shù)的表示范圍20133題×2分0題6分IEEE標準浮點數(shù)的表示，定點數(shù)運算，海明碼20142題×2分0 題4 分定點整數(shù)運算，IEEE 標準浮點數(shù)的表示范圍20152題×2分0 題4 分定點數(shù)和浮點數(shù)的運算課程講義計算機準這樣的實用浮點數(shù)。考生復習時不僅要注意本章的知識點，還要注意與其余課程（如C語言設計設計、匯編語言程序設計等）和本課程其他章節(jié)相關的問題。原碼、補碼、反碼、移碼的特點與區(qū)別通常，數(shù)有原碼、補碼和反碼等3種形式，它們的共

9、同特點是：二進制數(shù)的最為符號位，“0”表示正號，“1”表示負號。有些中，將移碼也歸入機器數(shù)的范疇，這也是可以的。事實上，移碼確實是一種在計算機中使用的表示數(shù)的形式，不過它只能算作一種特殊的數(shù)，因為它只用示定點整數(shù)，不用示定點小數(shù)，而且它違背了符號位的表示原則，把它視為無符號數(shù)更為合適?！纠?.1】如果某單精度浮點數(shù)、某原碼、某補碼、某移碼的32位數(shù)均為0xF0000000。這些數(shù)從大到小的順序是（）。A.浮原補移C.移原補浮解答：D。B.浮移補原D.移補原浮分析：這個數(shù)最為1，對于原碼、補碼、單精度浮點數(shù)而言為負數(shù)，對于移碼而言為正數(shù)，所以移碼數(shù)最大，而補碼為-228，原碼為-(230+229

10、+228) ，單精度浮點數(shù)為-1.0*297。十進制數(shù)的BCD碼BCD碼是指二進制編碼的十進制數(shù)，BCD碼用4位二進制數(shù)來表示，它既具有二進制數(shù)的形式，又保持了十進制數(shù)的特點。4位二進制數(shù)可以組合出16種代碼，能表示16種不同的狀態(tài)，只需要使用其中的10種狀態(tài)，就可以表示十進制數(shù)的09十個數(shù)碼，而其他的6種狀態(tài)為冗余狀態(tài)。由于可以取任意的10種代碼來表示10個數(shù)碼，所以就可能產(chǎn)生很多種BCD碼。應當注意的是，有些讀者可能會把8421碼與BCD碼混為一談。產(chǎn)生這種誤解的主要在于一些“微型計算機原理”的中常將BCD碼當作8421碼，由于“微型計算機原理”總是某種具體機型的，在80x86中使用的BC

11、D碼恰恰是8421碼，所以在“微型計算機原理”中將BCD碼當作8421碼不能算作錯誤，但畢竟這是確的?！坝嬎銠C組”是不拘泥于某一種具體機型的，嚴格地說，8421碼只是BCD碼中的一種形式而已，不能說BCD碼就是8421碼。【例2.2】下列四位二進制編碼中，（）無論在8421碼和余3碼中均為碼。A .0010解答：D。B. 0101C. 1011D. 11015 / 25十進制數(shù)8421 碼2421 碼余 3 碼012345678900000001001000110100010101100111100010010000000100100011010010111100110111101111001

12、1010001010110011110001001101010111100課程講義計算機分析：1101在8421碼和余3碼中均為【例2.3】由 6 個字符的 7 位 ASCII碼。編碼排列，再加上橫向、縱向奇偶校驗位構成下表所示矩陣（最后一列為橫向奇偶校驗位，最后一行為縱向奇偶校驗位）。請分別寫出X1X12代表的數(shù)字（0或1），以及Y1、Y2代表的字符。6 個字符的交叉檢驗矩陣分析與解答：從ASCII碼左起第5列可知縱向為偶校驗，據(jù)此可求出X4=0，X12=1。根據(jù)X4=0可知橫向也是偶校驗，可求出X3=1，X11=1。根據(jù)X11=1，可求出X10=0；根據(jù)X10=0，可求出X9=1；根據(jù)X9

13、=1，可求出X1=1；根據(jù)X1=1，可求出X2=1；根據(jù)X2=1，可求出X5=1；根據(jù)X5=1，可求出X6=0；根據(jù)X6=0，可求出X7=0；根據(jù)X7=0，可求出X8=0。故X1X12的數(shù)字依次為111010001011。由字符Y1的ASCII碼1001001=49H知道，Y1即是“I”（由“D”的ASCII碼是 1000100=44H推得）；由字符Y2的ASCII碼0110111=37H知道，Y2即是“7”（由“3”的 ASCII碼是0110011=33H推得）。定點數(shù)的表示范圍與運算為什么補碼的表示范圍比原碼的表示范圍要寬（多一個負數(shù)）呢？這個問題是與 0的表示形式密切相關的。以字長為4位

14、的二進制整數(shù)為例，一共有24種不同的代碼，對于原碼來說，因為有+0和-0兩個不同的編碼，所以總共可以表示7個正整數(shù)和7個負整數(shù)，正、負數(shù)范圍相對零來說是對稱的。而補碼的+0和-0表示形式相同，這樣就多出來一個代碼（1000）。這個代碼所對應的是-8，所以補碼總共可以表示7個正整數(shù)和8個負整數(shù)，負數(shù)表示范圍較正數(shù)表示范圍寬，能多表示一個最負的數(shù)（絕對值最大的負數(shù)）。設字長4位（含1位符號位），以純整數(shù)為例：6 / 25字符7 位 ASCII 碼HP30X1X200110Y1100100X31X41010110Y201X5X61111D100X710X800X9111X1011VP00111X11

15、1X12課程講義計算機若字長有 8 位，則：原碼定點整數(shù)表示范圍為：-127127 補碼定點整數(shù)表示范圍為：-128127【例 2.4】-129 的 1 字節(jié)、2 字節(jié)補碼分別是（）。A.81H，0081H C.溢出，F(xiàn)F81H 解答：D。B.7FH，F(xiàn)F81HD.溢出，F(xiàn)F7FH分析： 1 字節(jié)補碼的表示范圍為-128127，所以-129 在 1 字節(jié)補碼表示為溢出；2 字節(jié)補碼的表示范圍為-3276832767， -129 二進制表示為-10000001，所以 2 字節(jié)補碼表示為 1111111101111111。IEEE 754 標準大多數(shù)計算機的浮點數(shù)采用 IEEE 754 標準，其格

16、式如下，IEEE754 標準中有三種形式的浮點數(shù)。以短浮點數(shù)為例討論浮點代碼與其之間的。最為數(shù)；其后是 8位階碼，以 2 為底，階碼的偏置值為 127；其余 23 位是尾數(shù)。為了使尾數(shù)部分能表示的一位的有效值，IEEE754 采用隱含尾數(shù)最高數(shù)位 1（即這一位 1 不表示出來），因此尾數(shù)實際上是 24 位。應注意的是，隱含的 1 是一位整數(shù)（即位20），在浮點格式中表示出來的 23 位尾數(shù)是純小數(shù)，并用原碼表示?！纠?2.5】float 型數(shù)據(jù)通常用 IEEE 754 單精度浮點數(shù)格式表示。若編譯器將 float型變量 x 分配在一個 32 位浮點寄存器 FR1 中，且 x=-8.25，則 F

17、R1 的內(nèi)容是（）。AC104 0000H CC184 0000H解答：A。BC242 0000H DC1C2 0000H分析：首先將十進制數(shù)轉(zhuǎn)換為二進制數(shù)-1000.01，接著把它寫成規(guī)格化形式7 / 25類型數(shù)符階碼尾數(shù)數(shù)值總位數(shù)偏置值十六進制十進制短浮點數(shù)1823327FH127長浮點數(shù)11152643FFH1023臨時浮點數(shù)11564803FFFH16383課程講義計算機-1.00001×2（3 按 IEEE 754 標準），然后計算階碼的移碼（偏置值+階碼）為 130，0，最后短浮點數(shù)代碼：符號位=1，階碼=10000010，尾數(shù)寫成十六進制為 C1040000H。浮點數(shù)的

18、加減運算步驟（1） 對階對階的規(guī)則是：小階向大階看齊。（2） 尾數(shù)加/減運算對階之后，就可以進行尾數(shù)加/減。（3） 尾數(shù)結(jié)果規(guī)格化規(guī)格化的尾數(shù) M 應滿足：1/2|M|1（4） 舍入（5） 溢出尾數(shù)結(jié)果規(guī)格化可能出現(xiàn)以下 6 種情況，即：000000.111.000.011.101.10.x x x xx x x xx x x x x x第和種情況，已是規(guī)格化數(shù)。第和種情況需要。尾數(shù)每左移一位，階碼相應減 1（EC1EC），直至成為規(guī)格化數(shù)為止。第和種情況需要右規(guī)。尾數(shù)每右移一位，階碼相應加 1（EC+1EC）?！纠?2.7】浮點數(shù)加、減運算一般對階、尾數(shù)運算、規(guī)格化、舍入和判溢出等步驟。設浮

19、點數(shù)的階碼和尾數(shù)均采用補碼表示，且位數(shù)分別為 5 位和 7 位（均含 2 位符號位）。若有兩個數(shù) X=27×29/32，Y=25×5/8，則用浮點加法計算 X+Y 的最終結(jié)果是（）。A00111 1100010C01000 0010001B00111 0100010D發(fā)生溢出解答：D。分析：浮點數(shù)加、減運算一般對階、尾數(shù)運算、規(guī)格化、舍入和判溢出等步驟。第一步，對階：第一個數(shù) X=27×29/32，浮點數(shù)格式為 00111 0011101，第二個數(shù) Y=25×5/8，浮點數(shù)格式 001010010100。對階原則是小階向大階看齊，MY 右移兩位，EY+2

20、，浮點數(shù)格式為 001110000101。第二步，尾數(shù)相加：MZ=MX+MY=0100010，浮點數(shù)格式為 00111 0100010。第三步，結(jié)果規(guī)格化：尾數(shù)需要進行一次右規(guī)，才能變成規(guī)格化數(shù)，MZ 右移一位，EZ+1，浮點數(shù)格式為 01000 碼符號位不同，所以發(fā)生溢出。0010001。第四步，判溢出：由于階此題很容易誤選為 B、C 選項。這是因為 B、C 兩個選項本身并沒有計算錯誤， 只是它們不是最終結(jié)果，B 選項少了第三和第四步，C 選項少了第四步。第三章 考綱要求器層次結(jié)構8 / 25課程講義計算機（一）（二）器的分類器的層次化結(jié)構（三）半導體隨機存取器1. SRAM2. DRAM3

21、. 只讀（四）主器的工作原理器的工作原理器器與 CPU 的連接（五）雙口 RAM 和多模塊器（六）高速緩沖器（Cache）1Cache 的基本工作原理2Cache 和主存之間的方式3Cache 中主存塊的替換算法4Cache 寫策略（七）虛擬器1虛擬器的基本概念2. 頁式虛擬3. 段式虛擬4. 段頁式虛擬5. TLB（快表） 本章出題情況器器器本章?？键c：本章的試題既可以以單項選擇題形式出現(xiàn)，也可以以綜合應用題形式出現(xiàn)。本章是出題頻率最高的一章，考點較多，尤其是系統(tǒng)方面的試題已多次出現(xiàn)在分值很高的綜合應用題中，以學生靈活運用基本概念和基本理論解決實9 / 25年份單項選擇題/分值綜合應用題/分

22、值小計/分值知識點20092題×2分0題4分由器，Cache中率20102題×2分1題×12分16分RAM和ROM的基本概念，存儲系統(tǒng)中問題， Cache和主存之間的地址20112題×2分1題×12分16分隨機存取方式，主存空間大小，虛擬器20123題×2分1題×11分17分器分類，器層次結(jié)構，數(shù)據(jù)存放方案，Cache替換算法20131題×2分1題×9分11分虛實地址轉(zhuǎn)換，多體交叉方式20142題×2分1題×11分15 分DRAM器，Cache 工作原理，三級系統(tǒng)管理20154題

23、15;2分0 題8 分Cache 和主存之間的地址，頁式虛擬器， DRAM 刷新，多體交叉方式課程講義計算機際問題的能力。與：本章內(nèi)容較多，既主器，也Cache 和虛擬器，是近年來考分占比相對最高的一章。靈活運用基本原理和基本，對實際問題進行分析、設計是考查的熱點也是難點， 試題一般比較靈活，需要考生仔細分析之后才能解答，切不要不認真審題，就著急下手。器的層次化結(jié)構為了解決容量、存取速度和價格之間的，通常把各種不同容量、不同存取速度的統(tǒng)。器，按一定的體系結(jié)構組織起來，形成一個統(tǒng)一整體的系從 CPU 的角度來看，n 種不同的器（M1Mn）在邏輯上是一個整體。其中：M1 速度最快、容量最小、位價格

24、最高；Mn 速度最慢、容量最大、位價格最低。整個存儲系統(tǒng)具有接近于 M1 的速度，相等或接近 Mn 的容量，接近于 Mn 的位價格。在多級存儲層次中，最常用的數(shù)據(jù)在 M1 中，次常用的在 M2 中，最少使用的在 Mn 中。H 定義為 CPU 產(chǎn)生的邏輯地址能在 M1 中N 1到的概率。N 1 + N 2兩級H=層次的等效時間 TA 根據(jù)主存的啟動時間有：假設 Cache和主存是同時啟動的，TA=H×TA1+(1H)×TA2假設 Cache 不命中時才啟動主存，TA=H×TA1+(1H)×(TA1+TA2)=TA1+(1H)×TA2【例 3.1】

25、Cache 存取周期為 45ns，主存存取周期為 200ns。已知在一段給定的時間內(nèi)，CPU 共訪存 4 500 次，而 Cache 的未同時啟動時：為 10%，問當 Cache和主存（1） CPU（2） CacheCache 和主存各多少次？ 中率。（3）CPU 訪存的平均時間 TA。分析與解答：（1）CPU 共訪存 4 500 次，Cache 未命中 10%，需要主存，主4 050 次。存次數(shù)=4 500× 10%= 450 次，則Cache 次數(shù) = 4 500450=（2）H=1-未=1-0.1=0.9=90%。（3）TA= H×TA1+(1H)×TA2=

26、0.9×RAM 和 ROM 的特點45ns + 0.1 × 200ns = 60.5ns器是整個系統(tǒng)的，通常分為隨機器（RAM）和只讀器（ROM）兩大部分。RAM 和 ROM 在主存中是統(tǒng)一編址的，ROM 是系統(tǒng)區(qū)或系統(tǒng)程序工作區(qū)。RAM 采用隨機存取方式，所謂隨機存取是指 CPU 可以對，RAM 是用戶程序器中的內(nèi)容隨機地存取，CPU 對任何一個單元的寫入和讀出時間是一樣的，即存取時間相同，與其所處的物理位置無關。ROM 可以看作 RAM 的一種特殊形式，其區(qū)別在于 ROM 中的內(nèi)容只能讀出而不能寫入，所以 ROM 也采用隨機存取方式。大方案一個多字節(jié)的數(shù)據(jù)在按字節(jié)編址的

27、主存中通常由兩種排序方案大端次序和次序。大端次序方案將最高有效字節(jié)在最小地址位置，次序方案將最10 / 25課程講義計算機低有效字節(jié)在最小地址位置。下圖是 32 位的十六進制數(shù) 12345678 在器中的方式示意圖。Intel 80x86 采用次序方案，IBM 370、Motorola 680x0 和大多數(shù) RISC 機器則采用大端次序方案。Power PC 既支持大端方案又支持方案。【例 3.2】某計算機器按字節(jié)編址，采用方式存放數(shù)據(jù)。假定編譯器規(guī)定int 和 short 型長度分別為 32 位和 16 位，并且數(shù)據(jù)按邊界對齊序段如下：struct 。某 C 語言程int char shor

28、ta;b;c;record; record.a = 273;若 record 變量的首地址為 0xC008，則地址 0xC008及 record.c 的地址分別（）。A0x00、0xC00D C0x11、0xC00D 解答：D。B0x00、0xC00E D0x11、0xC00E分析：32 位整數(shù) a 需要占 4 個字節(jié)，16 位整數(shù) c 需要占 2 個字節(jié)，而字符數(shù)據(jù) b 占一個字節(jié)。a=273=111H ，采用方式存放數(shù)據(jù)，地址 0xC008 中的內(nèi)容為 11H。由于數(shù)據(jù)按邊界對齊，地址 0xC0080xC00B 中存放 a，地址 0xC00C 中存放 b，地址 0xC00D 中空閑，地址

29、0xC00E0xC00F 中存放 c。主存容量的擴展（1）位擴展位擴展是指只在位數(shù)方向擴展（加大字長），而的字數(shù)和器的字數(shù)是一致的。位擴展的連接方式是將各的地址線、片選線和讀寫線相應地并聯(lián)起來，而將各（2）字擴展的數(shù)據(jù)線單獨列出。字擴展是指僅在字數(shù)方向擴展，而位數(shù)不變。字擴展將的地址線、數(shù)據(jù)線、讀寫線并聯(lián)，由片選信號來區(qū)分各個（3）字和位同時擴展。當一個容量較大的器時，往往需要在字數(shù)方向和位數(shù)方向上同時擴展，這將是前兩種擴展的組合，實現(xiàn)起來也是很容易的?！纠?3.3】 內(nèi)存按字節(jié)編址，地址從 0A4000H 到 0CBFFFH，共有（）字節(jié)，若用11 / 25課程講義計算機容量為 32K*8b

30、it 的器該內(nèi)存，至少需要（）片。A.80K B.96KC.160K D.192KA.2B.5C.8D.10解答：C、B。分析： CBFFFH+1-A4000H=28000H=160K 160K*8/(32K*8)=5由高速緩沖器、主器、輔助器的三級系統(tǒng)可以分為兩個層次，其中高速緩存和主存間稱為 Cache主存層次（Cache系統(tǒng)）；主存和輔存間稱為主存輔存層次（虛擬系統(tǒng)）。Cache系統(tǒng)全部用硬件來調(diào)度，它對系統(tǒng)程序員和應用程序員都是透明的。虛擬系統(tǒng)需要通過操作系統(tǒng)來調(diào)度，它對系統(tǒng)程序員是不透明的，但對應用程序員是透明的。高速緩沖技術就是利用程序的局部性原理，把正在使用的部分存放在一個高速的

31、容量較小的 Cache 中，使 CPU 的訪存操作大多數(shù)程序的執(zhí)行速度大大提高。Cache 進行，從而使Cache 和主存之間的(1)全相聯(lián)方式全相聯(lián)就是讓主存中任何一個塊均可以裝入到 Cache 中任何一個塊的概率最低、空間利用率最高，。位置上。全相聯(lián)方式比較靈活，Cache 的塊但是地址變換速度慢，而且成本高，實現(xiàn)起來比較(2)直接直接是指主存中的每一個塊只能被放置到 Cache 中唯一的一個指置，若這個位置已有內(nèi)容，則產(chǎn)生塊，原來的塊將無條件地被替換出去。直接是最簡單的方式，成本低，易實現(xiàn)，地址變換速度快，但不夠靈活，Cache 的塊概率最高、空間利用率最低。(3)組相聯(lián)組相聯(lián)將 Cac

32、he 空間分成大小相同的組，讓主存中的一塊直接裝入Cache 中對應組的任何一塊位置上，即組間采取直接，而組內(nèi)采取全相聯(lián)。組相聯(lián)映像實際上是全相聯(lián)映像和直接映像的折衷方案，當組數(shù)等于 1（不再分組），組相聯(lián)射就變成為直接就變成為全相聯(lián)；當組數(shù)等于 Cache 中塊的數(shù)目，組相聯(lián)映。所以其優(yōu)點和缺點介于全相聯(lián)和直接映像方式的優(yōu)缺點之間。12 / 25課程講義計算機【例 3.4】容量為 64 塊的 Cache 采用組相聯(lián)方式，字塊大小為 128 個字，每 4塊為一組。若主存 4096 塊，且以字編址，那么主存地址和主存標記的位數(shù)分別為（）。A16，6 C18，8 解答：D。B17，6 D19，8分

33、析：主存地址由主存標記、組號和塊內(nèi)地址 3 部分組成。因為主存容量 4K×128 =512K 字，故主存地址 19 位。又因為字塊大小為 128 個字，故塊內(nèi)地址 7位，Cache 被分成 64÷4=16 組，故組號 4 位，主存標記 1947=8 位?！纠?3.5】某計算機的主存地址位數(shù)為 32 位，按字節(jié)編址。假定數(shù)據(jù) Cache 中最多存放 128 個主存塊，采用 4相聯(lián)方式，塊大小為 64 Byte，每塊設置了 1 位有效位。采用寫回策略，為此每塊設置了 1 位“臟”位。要求：（1） 分別指出主存地址中標記（Tag）、組號（Index）和塊內(nèi)地址（Offset）三部

34、分的位置和位數(shù)。（2） 計算該數(shù)據(jù) Cache 的總位數(shù)。分析與解答：（1）因為塊大小為 64B，所以塊內(nèi)地址字段為 6 位，位于主存地址后部；因為 Cache 中有 128 個主存塊，采用 4相聯(lián)，Cache 分為 32 組（128÷4=32），所以組號字段為 5 位，位于主存地址中部；標記字段為剩余位，3256=21位，位于主存地址前部。（2）數(shù)據(jù) Cache 的總位數(shù)應應一個標記項，標記項中應 記項的總位數(shù)=128×(21+1+1)標記項的總位數(shù)和數(shù)據(jù)塊的位數(shù)。每個 Cache 塊對標記字段、有效位和臟位（僅適用于寫）。故標= 128×23 = 2 944

35、位。數(shù)據(jù)塊位數(shù)= 128×64×8=65 536 位，所以數(shù)據(jù) Cache 的總位數(shù)= 2 944 + 65 536 = 68 480 位。第四章 指令系統(tǒng)考綱要求（一）指令格式1指令的基本格式13 / 25課程講義計算機2. 定長操作碼指令格式3. 擴展操作碼指令格式（二）指令的尋址方式1有效地址的概念2. 數(shù)據(jù)尋址和指令尋址3. 常見尋址方式（三）CISC 和 RISC 的基本概念本章出題情況本章常考點：指令和數(shù)據(jù)的尋址方式是本章經(jīng)常的內(nèi)容，可以以單項選擇題的形式出現(xiàn)，也可以綜合應用題的形式出現(xiàn)。綜合應用題一般為通過具體實例對基本概念的理解和掌握的試題，以學生解決實際問

36、題的能力。與：尋址方式是本章中最重要的一節(jié)，考生應掌握各種不同尋址方式下的有效地址計算和操作數(shù)的獲取，特別是對相對尋址方式要格外關注。目前，綜合應用題多已章節(jié)的限制，很難嚴格地把一道題歸入某一章，如 2013 年的第44 題就涉及到第 2 章、第 4第 5 章的相關知識點， 2014 年的第 44 題就涉及到第 4第 6 章的相關知識點，要求考生全面的復習。所謂尋址，指的是尋找操作數(shù)的地址或下一條將要執(zhí)行的指令地址。每臺計算機的指令系統(tǒng)都有自身的一套尋址方式，不同計算機的尋址方式的名稱和含義也不同。操作數(shù)可以在主存中，也可以在寄存器中，甚至可以在堆棧中。各種不同的尋址方式獲取操作數(shù)的速度是不相

37、同的，其中速度最快的是立即尋址，最慢的是多級間接尋址。各種數(shù)據(jù)尋址方式獲得數(shù)據(jù)的速度（由快到慢）立即尋址 寄存器尋址直接尋址寄存器間接尋址頁面尋址變址尋址（基址尋址、相對尋址） 一級間接尋址14 / 25年份單項選擇題/分值綜合應用題/分值小計/分值知識點20092題×2分0題4分指令相對尋址，CISC和RISC的基本概念20100題1題×11分11分指令的尋址方式20112題×2分0題4分常見數(shù)據(jù)尋址方式，條件轉(zhuǎn)移指令20120題0題0分20131題×2分1題×14分16分常見數(shù)據(jù)尋址方式，條件轉(zhuǎn)移指令20141題×2分1題

38、5;12分14 分指令格式，條件轉(zhuǎn)移指令20150 題1題×10分10 分指令格式，指令的尋址方式課程講義計算機多級間接尋址【例 4.1】假設寄存器 R 中的數(shù)值為 200，主存地址為 200 和 300 的地址單元中存放的內(nèi)容分別是 300 和 400，若A直接尋址 200到的操作數(shù)是 200，則尋址方式是（ B寄存器間接尋址(R)）。C 解答：D。器間接尋址(200)D寄存器尋址 R分析：直接尋址 200 和寄存器間接尋址(R)獲得的操作數(shù)是 300， (200)獲得的操作數(shù)是 400 ，寄存器尋址 R 獲得的操作數(shù)是 200 。器間接尋址【例 4.2】某字長 16 位，主存按字

39、節(jié)編址，轉(zhuǎn)移指令采用相對尋址，由兩個字節(jié)組成，第一字節(jié)為操作碼字段，第二字節(jié)為相對位移量字段。假定取指令時，每取一個字節(jié) PC 自動加 1。若某轉(zhuǎn)移指令所在主存地址為 2000H，相對位移量字段的內(nèi)容為 06H，則該轉(zhuǎn)移指令A2006H C2008H解答：C。轉(zhuǎn)移后的目標地址是（ B2007HD2009H）。分析：主存按字節(jié)編址，取指令時，每取一個字節(jié) PC 自動加 1。由于轉(zhuǎn)移指令由兩個字節(jié)組成，取出這條轉(zhuǎn)移指令之后的 PC 值等于 2002H，所以轉(zhuǎn)移指令的目標地址 PC = 2000H + 2 + 06H = 2008H。轉(zhuǎn)移后此題容易誤選 A 或 B。是沒有考慮 PC 值的自動更新，或

40、雖然考慮了 PC 要自動更新，但沒有注意到這條轉(zhuǎn)移指令是一條 2 字節(jié)的指令，PC 值僅僅+1 而不是+2。解答：C。分析：主存按字節(jié)編址，取指令時，每取一個字節(jié) PC 自動加 1。由于轉(zhuǎn)移指令由兩個字節(jié)組成，取出這條轉(zhuǎn)移指令之后的 PC 值等于 2002H，所以轉(zhuǎn)移指令的目標地址 PC = 2000H + 2 + 06H = 2008H。轉(zhuǎn)移后此題容易誤選 A 或 B。是沒有考慮 PC 值的自動更新，或雖然考慮了 PC 要自動更新，但沒有注意到這條轉(zhuǎn)移指令是一條 2 字節(jié)的指令，PC 值僅僅+1 而不是+2。【例 4.3】某計算機字長 16 位，主存地址空間大小為 128KB，按字編址，采用

41、單字長指令格式，指令各字段定義如下：1512 116 50源操作數(shù)目的操作數(shù)轉(zhuǎn)移指令采用相對尋址方式，相對偏移量用補碼表示，尋址方式定義如下：注：(X)表示器地址 X 或寄存器 X 的內(nèi)容。15 / 25Ms/Md尋址方式助記符含義000B寄存器直接Rn操作數(shù)=(Rn)001B寄存器間接(Rn)操作數(shù)=(Rn)010B寄存器間接、自增(Rn)+操作數(shù)=(Rn)，(Rn)+1RnOPMsRsMdRd課程講義計算機請回答下列問題：（1）該指令系統(tǒng)最多可有多少條指令？該計算機最多有多少個通用寄存器？器地址寄存器（MAR）和器數(shù)據(jù)寄存器（MDR）至少各需多少位？（2） 轉(zhuǎn)移指令的目標地址范圍是多少？（

42、3） 若操作碼 0010B 表示加法操作（助記符為 add），寄存器 R4 和 R5 的編號分別為 100B 和 101B，R4 的內(nèi)容為 1234H，R5 的內(nèi)容為 5678H，地址 1234H 的內(nèi)容為5678H，地址 5678H 中的內(nèi)容為 1234H，則匯編語句為“add (R4),(R5)+”（逗號前為源操作數(shù)，逗號后為目的操作數(shù)）對應的碼是什么（用十六進制表示）？該指令執(zhí)行后，哪些寄存器和單元的內(nèi)容會改變？改變后的內(nèi)容是什么？分析與解答：（1）指令操作碼字段占 4 位，則該指令系統(tǒng)最多可有 24=16 條指令。地址碼字段占 6 位，其中尋址方式占 3 位，寄存器編號占 3 位，故計

43、算機最多可以有 23=8 個通用寄存器。主存容量 128KB，按字編址，計算機字長為 16 位，劃分為128KB÷2B=216 個單元，故 MDR 和 MAR 至少各需 16 位。（2）由于寄存器字長為 16 位，所以轉(zhuǎn)移指令的目標地址范圍為 0000HFFFFH。（3）匯編語句 add (R4),(R5)+對應的執(zhí)行后，寄存器 R5 和地址為 5678H 的為：碼為 0010001100010101B=2315H，該指令單元的內(nèi)容會改變，改變后的內(nèi)容分別(5678H)=(R4)+(R5)=5678H (R5) =5678H+1=5679HH=68ACH第五章考綱要求處理器（一）CP

44、U 的功能和基本結(jié)構（二）指令執(zhí)行過程（三）數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構（四） 1硬布線2微程序器的功能和工作原理器器微程序、微指令和微命令；微指令格式；微命令的編碼方式；微地址的形成方式。（五）指令流水線 1指令流水線的基本概念2指令流水線的基本實現(xiàn)3量和動態(tài)流水線的基本概念（六）多核處理器的基本概念本章出題情況16 / 25年份單項選擇題/分值綜合應用題/分值小計/分值知識點20093題×2分1題×13分19分器的功能和工作原理，指令執(zhí)行過程，指令流水線，數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構20102題×2分0題4分CPU的功能與基本結(jié)構， 指令流水線011B相對D(Rn)轉(zhuǎn)

45、移目標地址=(PC)+(Rn)課程講義計算機本章常考點：本章概念較多，指令執(zhí)行過程、計算機流水線是本章的?？键c，器、CPU 以及數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構等知識點也比較常見。試題可能以單項選擇題的形式出現(xiàn)，也可能以綜合應用題形式出現(xiàn)。靈活運用基本原理和基本對實際問題進行分析是考查的熱點也是難點。，與：本章基本概念不少，但靠死記硬背這些基本概念是很難取得好成績的。如數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構，微程序器的微指令編碼法，指令的流水線等都需要靈活運用基本原理和基本，對實際問題進行分析。這部分內(nèi)容雖也有部分是純概念題，但比例并不是很大。指令運行過程一條指令運行過程可以分為 3 個階段：取指令階段、分析取數(shù)階

46、段和執(zhí)行階段。計算機的基本工作過程就是取指令、取數(shù)、執(zhí)行指令，然后再取下一條指令 如此周而復始，直至遇到停機指令或外來的干預為止?！纠?5.1】馮·諾依曼計算機中指令和數(shù)據(jù)均以二進制形式存放在器中，CPU 區(qū)分它們的依據(jù)是（）。A指令操作碼的譯碼結(jié)果B指令和數(shù)據(jù)的尋址方式C指令周期的不同階段D指令和數(shù)據(jù)所在的解答：C。單元分析：在馮·諾依曼結(jié)構計算機中指令和數(shù)據(jù)均以二進制形式存放在同一個器中，CPU 可以根據(jù)指令周期的不同階段來區(qū)分是指令還是數(shù)據(jù)，通常在取指階段取出的是指令，其他階段取出的是數(shù)據(jù)。區(qū)分指令和數(shù)據(jù)還有一個，即取指令和取數(shù)據(jù)時地址的來源是不同的，指令地址來源于程

47、序計數(shù)器，而數(shù)據(jù)地址來源于地址形成部件或指令的地址碼字段。本題較容易誤選為 A，需要搞清楚的是，CPU 只有在確定取出的是指令之后，才會將其操作碼部分送去譯碼，因此是不可能依據(jù)譯碼的結(jié)果來區(qū)分指令和數(shù)據(jù)的?！纠?5.2】在計算機體系結(jié)構中，CPU 內(nèi)部程序計數(shù)器 PC、器數(shù)據(jù)寄存器MDR、指令寄存器 IR 和器地址寄存器 MAR 等。若 CPU 要執(zhí)行的指令為：MOV R0,100（即將數(shù)值 100 傳送到寄存器 R0 中），則 CPU 首先要完操作是（）。A. 100R0 解答：C。B. 100MDRC. PCMARD. PCIR分析：無論運行什么類型的指令，CPU 首先需要取指令，取指令階

48、段的第一個操作就是將指令地址（程序計數(shù)器 PC 中的內(nèi)容）送往器地址寄存器。17 / 2520112題×2分0題4分指令執(zhí)行過程，指令流水線20121題×2分1題×12分14分微程序器，指令流水線20131題×2分0題2分指令流水線20141題×2分0 題2 分微程序器20150 題1題×13分13 分器的功能和工作原理，數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構課程講義計算機取指周期完微操作序列是公共的操作，與具體指令無關，取指公操作如下：（1） 將程序計數(shù)器 PC 中的內(nèi)容送至（2） 向主存發(fā)讀命令，記作 Read；器地址寄存器 MAR，記作(PC

49、)MAR；（3）從主存中取出的指令送到器數(shù)據(jù)寄存器 MDR，記作 M(MAR)MDR；（4） 將 MDR 的內(nèi)容送至指令寄存器 IR 中，記作(MDR)IR；（5） 將 PC 的內(nèi)容遞增，為取下一條指令做好準備，記作(PC)+1PC。 題干中雖然給出了一條具體的指令“MOV R0,100”，實際上 CPU 首先要完操作是取指令，與具體指令是沒有的。硬布線硬布線的復雜樹形器與微程序器的區(qū)別器采用組合邏輯技術實現(xiàn)，其微操作序列形成部件是由門電成。最大優(yōu)點是速度快，但是微操作信號發(fā)生器的結(jié)構不規(guī)整，使得設計、調(diào)試、維修較，難以實現(xiàn)設計自動化。一旦微操作信號發(fā)生器之后，要想增加新的功能是不可能的。微程

50、序器采用邏輯來實現(xiàn)，把微操作信號代碼化，使每條指令轉(zhuǎn)信號由化成為一段微程序并存入一個專門的器（器）中，微操作微指令產(chǎn)生。具有設計規(guī)整、調(diào)試、維修以及更改、擴充指令方便的優(yōu)點，易于實現(xiàn)自動化設計，已成為當前器的主流。但是，由于它增加了一級器，所以指令執(zhí)行速度比組合邏輯器慢?！纠?5.3】相對于微程序器，硬布線器的特點是（）。A指令執(zhí)行速度慢，指令功能的修改和擴展容易B指令執(zhí)行速度慢，指令功能的修改和擴展難C指令執(zhí)行速度快，指令功能的修改和擴展容易D指令執(zhí)行速度快，指令功能的修改和擴展難解答：D。分析：在同樣的半導體工藝條件下，硬布線（組合邏輯）器的速度比微程序控制器的速度快。這是因為硬布線器的速

51、度主要取決于邏輯電路的延遲，而微程序器增加了一級器，執(zhí)行的每條微指令都要從控存中，速度。由于硬布線數(shù)據(jù)通路與器一旦設計完成就很難改變，所以指令功能的修改和擴展難。信號數(shù)據(jù)通路是 CPU 中算術邏輯單元（ALU）、單元（CU）及寄存器之間的連接線路。不同計算機的數(shù)據(jù)通路可以是完全不同的，只有明確了數(shù)據(jù)通路，才能確定相應的微操作信號。事實上，要寫出指令的微操作信號，首先需要給出相應的 CPU 結(jié)構和數(shù)據(jù)通路圖，嚴格按要求建立起信息在計算機各部件之間的時間和空間，而不是憑空瞎編。器在實現(xiàn)一條指令的功能時，總要把每條指令分解成一系列時間上先后有序的最基本、最簡單的微操作，即微操作序列。微操作序列是與 CPU 的內(nèi)部數(shù)據(jù)通路密切相關的，不同的數(shù)據(jù)通路就有不同的微操作序列。一般是在給出 CPU 的結(jié)構及數(shù)據(jù)通路框圖之后，再寫出對應指令的微操作序列。如果 CPU 內(nèi)部采用單總線結(jié)構，還要考慮總線的問題，相應的微操作信號必須與給出