江西理工大學(xué)-計(jì)算機(jī)組成原理作業(yè)復(fù)習(xí)題-網(wǎng)絡(luò)專業(yè)

江西理工大學(xué)最全計(jì)算機(jī)組成原理作業(yè)1.2如何理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)？解：（1）第一級(jí)：實(shí)際機(jī)器M1(機(jī)器語言機(jī)器)，機(jī)器語言程序直接在M1上執(zhí)行；（2）第二級(jí)：虛擬機(jī)器M2（匯編語言機(jī)器），將匯編語言程序先翻譯成機(jī)器語言程序，再在M1上執(zhí)行；（3）第三級(jí)：虛擬機(jī)器M3(高級(jí)語言機(jī)器)，將高級(jí)語言程序先翻譯成匯編語言程序，再在M2、M1（或直接到M1）上執(zhí)行；（4）第零級(jí)：微程序機(jī)器M0（微指令系統(tǒng)），由硬件直接執(zhí)行微指令。（5）實(shí)際上，實(shí)際機(jī)器M1和虛擬機(jī)器M2之間還有一級(jí)虛擬機(jī)，它是由操作系統(tǒng)軟件構(gòu)成，該級(jí)虛擬機(jī)用機(jī)器語言解釋操作系統(tǒng)。（6）虛擬機(jī)器M3還可以向上延伸，構(gòu)成應(yīng)用語言虛擬系統(tǒng)。1.5馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是什么？解：馮·諾依曼計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)是：（1）計(jì)算機(jī)由運(yùn)算器、控制器、存儲(chǔ)器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部件組成；（2）指令和數(shù)據(jù)以同等地位存放于存儲(chǔ)器內(nèi)，并可以按地址訪問；（3）指令和數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制表示；（4）指令由操作碼、地址碼兩大部分組成，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）指令在存儲(chǔ)器中順序存放，通常自動(dòng)順序取出執(zhí)行；（6）機(jī)器以運(yùn)算器為中心（典型的馮·諾依曼機(jī)）。1.6畫出計(jì)算機(jī)硬件組成框圖，說明各部件的作用及計(jì)算機(jī)硬件的主要技術(shù)指標(biāo)。解：現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)組成框圖如圖1.1所示：圖1.1以存儲(chǔ)器為中心的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖各部件的作用：(1)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)；(2)存儲(chǔ)器用來存放數(shù)據(jù)和程序；(3)控制器用來控制、指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入，運(yùn)行以及處理運(yùn)算結(jié)果。(4)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(shí)別的信息形式，常見有鍵盤、鼠標(biāo)等。(5)輸出設(shè)備可以將機(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。硬件的主要技術(shù)指標(biāo)：(1)機(jī)器字長：指CPU一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)，通常與CPU的寄存器位數(shù)有關(guān)。(2)存儲(chǔ)容量：包括主存容量和輔存容量，存放二進(jìn)制代碼的總數(shù)＝存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)×存儲(chǔ)字長。(3)運(yùn)算速度：主頻、Gibson法、MIPS每秒執(zhí)行百萬條指令、CPI執(zhí)行一條指令所需時(shí)鐘周期數(shù)、FLOPS每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)。2.2舉例說明專用計(jì)算機(jī)和通用計(jì)算機(jī)的區(qū)別。答：按照計(jì)算機(jī)的效率、速度、價(jià)格和運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性可以將計(jì)算機(jī)劃分為通用計(jì)算機(jī)和專用計(jì)算機(jī)。通用計(jì)算機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)，但犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性，而專用計(jì)算機(jī)是最有效、最經(jīng)濟(jì)和最快的計(jì)算機(jī)，但適應(yīng)性很差。例如個(gè)人電腦和計(jì)算器。3.4為什么要設(shè)置總線判優(yōu)控制？常見的集中式總線控制有幾種？各有何特點(diǎn)？哪種方式響應(yīng)時(shí)間最快？哪種方式對(duì)電路故障最敏感？解：總線判優(yōu)控制（或稱仲裁邏輯）解決多個(gè)部件同時(shí)申請(qǐng)總線時(shí)的使用權(quán)分配問題，分為集中式和分布式兩種，前者將控制邏輯集中在一處（如在CPU中），后者將控制邏輯分散在與總線連接的各個(gè)部件或設(shè)備上。常見的集中式總線控制有三種：鏈?zhǔn)讲樵?、?jì)數(shù)器定時(shí)查詢、獨(dú)立請(qǐng)求；特點(diǎn)：鏈?zhǔn)讲樵兎绞竭B線簡單，易于擴(kuò)充，對(duì)電路故障最敏感；計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式優(yōu)先級(jí)設(shè)置較靈活，對(duì)故障不敏感，連線及控制過程較復(fù)雜；獨(dú)立請(qǐng)求方式速度最快，但硬件器件用量大，連線多，成本較高。3.8為什么說半同步通信同時(shí)保留了同步通信和異步通信的特點(diǎn)？解：半同步通信既能像同步通信那樣由統(tǒng)一時(shí)鐘控制，又能像異步通信那樣允許傳輸時(shí)間不一致，因此工作效率介于兩者之間。4.3存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在什么地方？為什么要分這些層次？計(jì)算機(jī)如何管理這些層次？答：存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在Cache-主存和主存-輔存這兩個(gè)存儲(chǔ)層次上。Cache-主存層次在存儲(chǔ)系統(tǒng)中主要對(duì)CPU訪存起加速作用，即從整體運(yùn)行的效果分析，CPU訪存速度加快，接近于Cache的速度，而尋址空間和位價(jià)卻接近于主存。主存-輔存層次在存儲(chǔ)系統(tǒng)中主要起擴(kuò)容作用，即從程序員的角度看，他所使用的存儲(chǔ)器其容量和位價(jià)接近于輔存，而速度接近于主存。綜合上述兩個(gè)存儲(chǔ)層次的作用，從整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)來看，就達(dá)到了速度快、容量大、位價(jià)低的優(yōu)化效果。主存與CACHE之間的信息調(diào)度功能全部由硬件自動(dòng)完成。而主存與輔存層次的調(diào)度目前廣泛采用虛擬存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，即將主存與輔存的一部分通過軟硬結(jié)合的技術(shù)組成虛擬存儲(chǔ)器，程序員可使用這個(gè)比主存實(shí)際空間（物理地址空間）大得多的虛擬地址空間（邏輯地址空間）編程，當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)，再由軟、硬件自動(dòng)配合完成虛擬地址空間與主存實(shí)際物理空間的轉(zhuǎn)換。因此，這兩個(gè)層次上的調(diào)度或轉(zhuǎn)換操作對(duì)于程序員來說都是透明的（即程序員不知道）。4.9什么叫刷新？為什么要刷新？說明刷新有幾種方法。解：刷新：對(duì)DRAM定期進(jìn)行的全部重寫過程。刷新原因：因電容泄漏而引起的DRAM所存信息的衰減需要及時(shí)補(bǔ)充，因此安排了定期刷新操作。常用的刷新方法有三種：集中式、分散式、異步式。集中式：在最大刷新間隔時(shí)間內(nèi)，集中安排一段時(shí)間進(jìn)行刷新，存在CPU訪存死時(shí)間。分散式：在每個(gè)讀/寫周期之后插入一個(gè)刷新周期，無CPU訪存死時(shí)間。異步式：是集中式和分散式的折衷。4.25什么是“程序訪問的局部性”？存儲(chǔ)系統(tǒng)中哪一級(jí)采用了程序訪問的局部性原理？解：所謂程序訪問的局部性即在一小段時(shí)間內(nèi)，最近被訪問過的程序和數(shù)據(jù)很可能再次被訪問；在空間上，這些被訪問的程序和數(shù)據(jù)往往集中在一小片存儲(chǔ)區(qū)；在訪問順序上，指令順序執(zhí)行比轉(zhuǎn)移執(zhí)行的可能性大(大約5:1)。存儲(chǔ)系統(tǒng)的Cache—主存級(jí)和主存—輔存級(jí)都用到程序訪問的局部性原理。對(duì)Cache—主存級(jí)而言，把CPU最近期執(zhí)行的程序放在容量較小速度較高的Cache中。對(duì)主存—輔存級(jí)而言，把程序中訪問頻度高、比較活躍的部分放在主存中，這樣既提高了訪存速度又?jǐn)U大了存儲(chǔ)器容量。4.33簡要說明提高訪存速度可采取的措施。解：提高訪存速度可采取的措施：采用高速器件，選取存取周期短的芯片，可提高存儲(chǔ)器的速度；采用Cache，CPU將最近期要用的信息先調(diào)入Cache，而Cache的速度比主存快得多，這樣CPU每次只需從Cache中取出或存入信息，從而縮短了訪存時(shí)間，提高了訪存速度。調(diào)整主存結(jié)構(gòu)，如采用單體多字結(jié)構(gòu)（在一個(gè)存取周期內(nèi)讀出多個(gè)存儲(chǔ)字，可增加存儲(chǔ)器的帶寬），或采用多體結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器。5.35試從5方面比較程序中斷方式和DMA方式的區(qū)別。解：DMA方式和程序中斷方式的區(qū)別為：（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，程序中斷方式在一條指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)響應(yīng)，而DMA方式在存取周期結(jié)束時(shí)CPU才能響應(yīng)，即將總線控制權(quán)讓給DMA傳送；（3）程序中斷方式有處理異常事件的能力，DMA方式?jīng)]有這種能力；（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方式不必中斷現(xiàn)行程序，無需保護(hù)現(xiàn)場；（5）DMA的優(yōu)先級(jí)比程序中斷高。6.5已知[x]補(bǔ)，求[x]原和x6.10在整數(shù)定點(diǎn)機(jī)中，設(shè)機(jī)器數(shù)采用1位字符位，寫出±0的原碼，補(bǔ)碼,反碼,和移碼,得出什么結(jié)論?解：0的機(jī)器數(shù)形式如下：（注意點(diǎn)號(hào)和逗號(hào)）真值原碼補(bǔ)碼反碼移碼+00.00000.00000.00001，0000-01.00000.00001.11111，00007.21比較RISC和CISC。答：RISC相對(duì)于CISC的優(yōu)點(diǎn)：（1）充分利用VLSI芯片的面積；（2）提高計(jì)算機(jī)的速度；（3）便于設(shè)計(jì)，可降低成本，提高可靠性；（4）有效支持高級(jí)語言程序。RISC缺點(diǎn)：CISC大多能實(shí)現(xiàn)軟件兼容，即高檔機(jī)包含了低檔機(jī)的全部指令，并加以擴(kuò)充。但RISC機(jī)簡化了指令系統(tǒng)，指令數(shù)量少，格式也不同于老機(jī)器，因此大多數(shù)RISC機(jī)不能與老機(jī)器兼容。8.9當(dāng)遇到什么情況時(shí)流水線將受阻？舉例說明。解：流水線受阻一般有三種情況：（1）在指令重疊執(zhí)行過程中，硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行要求，發(fā)生資源沖突。如在同一時(shí)間，幾條重疊執(zhí)行的指令分別要取指令、取操作和存結(jié)果，都需要訪存，就會(huì)發(fā)生訪存沖突。（2）在程序的相鄰指令之間出現(xiàn)了某種關(guān)聯(lián)，如當(dāng)一條指令需要用到當(dāng)前指令的執(zhí)行結(jié)果，而這些指令均在流水線中重疊執(zhí)行，就可能引起數(shù)據(jù)相關(guān)。（3）當(dāng)流水線遇到分支指令時(shí)，如一條指令要等前一條指令（或幾條）指令作出轉(zhuǎn)移方向的決定后，才能進(jìn)入流水線時(shí)，便發(fā)生控制相關(guān)。9.3什么是指令周期，機(jī)器周期和時(shí)鐘周期？三者有何關(guān)系？1答：指令周期是CPU取出并執(zhí)行一條指令所需的全部時(shí)間，即完成一條指令的時(shí)間。機(jī)器周期是所有指令執(zhí)行過程中的一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間，通常以存取周期作為機(jī)器周期。時(shí)鐘周期是機(jī)器主頻的倒數(shù)，也可稱為節(jié)拍，它是控制計(jì)算機(jī)操作的最小單位時(shí)間。一個(gè)指令周期包含若干個(gè)機(jī)器周期，一個(gè)機(jī)器周期又包含若干個(gè)時(shí)鐘周期，每個(gè)指令周期內(nèi)的機(jī)器周期數(shù)可以不等，每個(gè)機(jī)器周期內(nèi)的時(shí)鐘周期數(shù)也可以不等。9.9

試比較同步控制、異步控制和聯(lián)合控制的區(qū)別。

答：同步控制是指任何一條指令或指令中任何一個(gè)微操作的執(zhí)行都是事先確定的，并且都受同一基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)的時(shí)序信號(hào)所控制的方式。異步控制無基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)信號(hào)，沒有固定的周期節(jié)拍和嚴(yán)格的時(shí)鐘同步，執(zhí)行每條指令和每個(gè)操作需要多少時(shí)間就占用多少時(shí)間。這種方式微操作的時(shí)序是由專門的應(yīng)答線路控制，即控制單元發(fā)出執(zhí)行某一微操作的控制信號(hào)后，等待執(zhí)行部件完成了該操作后發(fā)回“回答”或“結(jié)束”信號(hào)，再開始新的微操作。聯(lián)合控制是同步控制和異步控制相結(jié)合的方式。這種方式對(duì)各種不同指令操作實(shí)行大部分統(tǒng)一、小部分區(qū)別對(duì)待的辦法。10.10微指令的操作控制有幾種編碼方式？各有何特點(diǎn)？哪一種控制速度最快？答：微指令中操作控制字段主要有三種編碼方式：（1）直接控制，又稱直接編碼，其特點(diǎn)是操作控制字段的每一位代表一個(gè)微命令，優(yōu)點(diǎn)是簡單直觀，輸出直接用于控制，執(zhí)行速度最快。缺點(diǎn)是微指令字長最長，所需存儲(chǔ)空間大。（2）字段直接編碼控制，其特點(diǎn)是將微指令操作控制字段分成幾段，并使每個(gè)字段經(jīng)譯碼后形成各個(gè)微操作命令。每個(gè)字段中的微命令必須是互斥的。這種編碼方式縮短了微指令字長，但增加了譯碼電路，使微指令的執(zhí)行速度降低。這種編碼方式又稱顯式編碼。（3）字段間接編碼控制，這種方式一個(gè)字段的某些微命令還需由另一個(gè)字段中的某些微命令解釋，故又稱為隱式編碼，這種編碼方式更能縮短微指令字長。還可把直接編碼和字段編碼混合使用。直接控制速度最快。10.17解釋機(jī)器指令、微指令、微程序、毫微指令和毫微程序以及它們之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。機(jī)器指令：由“0”、“1”代碼組成，能被機(jī)器直接執(zhí)行。微指令：用來解釋機(jī)器指令。微程序：微指令的有序集合。用來解釋機(jī)器指令的。一條機(jī)器指令的功能由一段微程序來實(shí)現(xiàn)的。毫微指令：用來解釋微指令的。毫微程序：解釋微程序的，