2023年電大計(jì)算機(jī)組成原理考試題

1.什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)？

通常，把一個(gè)計(jì)算機(jī)硬、軟件系統(tǒng)的完整內(nèi)容劃分為6個(gè)層次。分層可以更精確地理解、說(shuō)明每一個(gè)層次的功能和運(yùn)營(yíng)機(jī)制，表白各層

次之間互相依存、彼此支持的關(guān)系。下一層是實(shí)現(xiàn)上一層的基礎(chǔ)，上一層是對(duì)下一層的功能擴(kuò)展。

①數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)硬件的基礎(chǔ)，處在最底層；

②由5個(gè)部件組成的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)構(gòu)成微體系結(jié)構(gòu)層，接在數(shù)字邏輯層上面；

③硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了所有指令系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)功能,提供了設(shè)計(jì)軟件的能力，處在硬件系統(tǒng)的頂層和軟件系統(tǒng)的底層：

④最底層的軟件是操作系統(tǒng)，提供了管理和運(yùn)營(yíng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的能力；

⑤在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的匯編語(yǔ)言,提供了設(shè)計(jì)程序的功能較弱的基本工具；

⑥再往上實(shí)現(xiàn)了功能更強(qiáng)的高級(jí)語(yǔ)言，設(shè)計(jì)各種程序更容易，使用計(jì)算機(jī)更方便。

2.什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)？

計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)是一種高度復(fù)雜的、由多種電子線路、精密機(jī)械裝置等構(gòu)成的、能自動(dòng)并且高速地完畢數(shù)據(jù)解決、計(jì)算的裝置或者

工具。硬件系統(tǒng)由運(yùn)算器部件、控制器部件、存儲(chǔ)器部件、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備5個(gè)大的功能部件組成，見(jiàn)圖1.2。其中運(yùn)算器和

控制器共同構(gòu)成了大家熟知的CPU,各部件間通過(guò)總線連接。顯然,這些部件中運(yùn)算器用于完畢對(duì)數(shù)據(jù)暫存、運(yùn)算解決功能；控制器向

各個(gè)部件、設(shè)備提供協(xié)調(diào)運(yùn)營(yíng)所需要的控制信號(hào);存儲(chǔ)器用于完畢對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能;輸入設(shè)備和輸出設(shè)備分別用于完畢對(duì)原始數(shù)據(jù)輸入

功能和對(duì)運(yùn)算結(jié)果輸出功能。

圖1.2計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)的組成示意圖

計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)是由完畢計(jì)算機(jī)資源管理、方便用戶使用的系統(tǒng)軟件(廠家提供)，和完畢用戶對(duì)數(shù)據(jù)的預(yù)期解決功能(用戶設(shè)計(jì),

自己使用)的程序這樣兩大部分構(gòu)成的?；鞠到y(tǒng)軟件重要由3個(gè)部分組成：

(1)分擔(dān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的資源管理與分派，也向使用者和程序設(shè)計(jì)人員提供簡(jiǎn)樸、方便、高效服務(wù)的操作系統(tǒng)；

(2)支持用戶按照計(jì)算機(jī)最基本功能(指令)設(shè)計(jì)程序的匯編語(yǔ)言；

(3)支持用戶按照解題算法設(shè)計(jì)程序的高級(jí)語(yǔ)言。

在一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，軟件系統(tǒng)是建立在硬件系統(tǒng)層次之上的部分，它的存在以已有硬件系統(tǒng)為前提，并且必須在已有硬件

上才干運(yùn)營(yíng)。

硬件系統(tǒng)也必須在軟件系統(tǒng)的調(diào)度指揮下才干發(fā)揮出應(yīng)有的運(yùn)營(yíng)效率,體現(xiàn)出它的使用價(jià)值。

指令系統(tǒng)是設(shè)立在硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)之間的結(jié)合點(diǎn)和紐帶，硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)每一條指令的功能，所有軟件系統(tǒng)都是由指令序列組成的

程序。

2.在16位定點(diǎn)原碼整數(shù)中，什么是能表達(dá)的最大正數(shù)，最小正數(shù)，最大負(fù)數(shù)和最小負(fù)數(shù)的機(jī)器數(shù)形式？相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)的數(shù)值范圍

是什么？

答:

最大正數(shù)：0111111111111111

最小正數(shù):0000000000000001

最大負(fù)數(shù)：1000000000000001

最小負(fù)數(shù):1111111111111111

數(shù)值表達(dá)范圍：

3.數(shù)制轉(zhuǎn)換(二進(jìn)制需要小數(shù)點(diǎn)后保存8位)：

(1)將十進(jìn)制數(shù)(0.71)10分別轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)、十六進(jìn)制數(shù)和BCD碼；

(2)將十六進(jìn)制數(shù)(1AB)16轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)和十進(jìn)制數(shù)。

答：(0.71)10=(0.01110001)BCD=(0.10110101)2=(0.B5)16

(1AB)16=02=(427)10

4.定點(diǎn)小數(shù)中,原碼表達(dá)有哪些優(yōu)缺陷？

答：優(yōu)點(diǎn):在數(shù)的真值和它的原碼表達(dá)之間的相應(yīng)關(guān)系簡(jiǎn)樸,互相轉(zhuǎn)換容易，用原碼實(shí)現(xiàn)乘除運(yùn)算的規(guī)則簡(jiǎn)樸。

缺陷:用原碼實(shí)現(xiàn)加減運(yùn)算很不方便，既要比較參與加減運(yùn)算兩個(gè)數(shù)的確良符號(hào)，比較兩個(gè)數(shù)的絕對(duì)值的大小，還要擬定運(yùn)算結(jié)果的對(duì)

的的符號(hào)等。

5.若將浮點(diǎn)數(shù)的階碼用移碼、尾數(shù)用原碼來(lái)表達(dá)，它有哪些優(yōu)點(diǎn)？

答:尾數(shù)的符號(hào)位在浮點(diǎn)數(shù)表達(dá)的最高位，比較兩個(gè)數(shù)的大小時(shí)，符號(hào)非常重要，正數(shù)一定大于負(fù)數(shù)。階碼的位置在機(jī)器表達(dá)中，處

在符號(hào)位和尾數(shù)之間，階碼大的，其移碼形式的機(jī)器數(shù)也大，便于比較浮點(diǎn)數(shù)的大小。

移碼的最小值是各位均為0,它被用來(lái)表達(dá)機(jī)器0,即當(dāng)階碼的值小于或等于移碼所能表達(dá)的最小值時(shí)，認(rèn)為浮點(diǎn)數(shù)的值為0。此時(shí)

的機(jī)器0的階碼和尾數(shù)均為0的形式，給硬件的判0帶來(lái)很大的方便。

6.海明碼是如何實(shí)現(xiàn)檢錯(cuò)的？

答:海明碼是對(duì)多個(gè)數(shù)據(jù)位使用多個(gè)校驗(yàn)位的一種檢錯(cuò)糾錯(cuò)編碼方案。對(duì)每個(gè)校驗(yàn)位采用偶校驗(yàn)技術(shù)計(jì)算校驗(yàn)位的值，通過(guò)把每個(gè)

數(shù)據(jù)位分派到幾個(gè)不同的校驗(yàn)位的計(jì)算中去，若任何一個(gè)數(shù)據(jù)位犯錯(cuò)，必將引起相關(guān)的幾個(gè)校驗(yàn)位的值發(fā)生變化。通過(guò)檢查這些檢

查位取值的不同情況,不僅可以判斷是否犯錯(cuò),還能發(fā)現(xiàn)是哪一位犯錯(cuò)并能恢復(fù)該犯錯(cuò)位的對(duì)的值。

7.已知X=0.U01,Y=-0.0111,求［X］原、［Y］原、［X］原、［Y］原、［X+Y］補(bǔ)。

答：［X］原=01101,［Y］原=10111,［X］補(bǔ)=01101,［Y］補(bǔ)=11001

［X+Y］補(bǔ)=00110

2.什么是MIPS計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算器？

答：MIPS計(jì)算機(jī)是上個(gè)世紀(jì)八十年代中期推出的典型RISC結(jié)構(gòu)、非常成功的系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)外許多教材都把MIPS的指令系統(tǒng)和實(shí)

現(xiàn)技術(shù)選為教學(xué)內(nèi)容。

下圖是MlPS計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器部件的內(nèi)部組成。由圖可見(jiàn)，它重要涉及兩個(gè)重要部分，一個(gè)是由128個(gè)寄存器組成的寄存器堆,另

一個(gè)是執(zhí)行數(shù)據(jù)運(yùn)算的ALU。這個(gè)運(yùn)算器被用于多周期CPU系統(tǒng)（對(duì)不同類(lèi)型的指令選用不同的周期數(shù)）時(shí)，ALU既用于計(jì)算數(shù)據(jù)，

又用于計(jì)算數(shù)據(jù)和指令在存儲(chǔ)器中的地址，故還需要向ALU提供計(jì)算指令地址的相關(guān)信息。

寄存器堆REGs由4組各32個(gè)寄存器組成，有3個(gè)控制端口（5位）提供寄存器編號(hào)，其中的2個(gè)（rs、rt）用于讀，讀出的數(shù)據(jù)

將保存到寄存器A和B個(gè)（rd）用于寫(xiě)，寫(xiě)入的數(shù)據(jù)由DI引腳提供,可以是寄存器C或從內(nèi)存讀出的內(nèi)容，寄存器B的內(nèi)容可以

寫(xiě)到內(nèi)存。

算邏運(yùn)算單元ALU能完畢加、減、與、或、異或等運(yùn)算，用ALU-func信號(hào)選擇，一路運(yùn)算數(shù)據(jù)涉及寄存器A和程序計(jì)數(shù)器PC2

個(gè)來(lái)源，用A-sel選擇，另一路涉及寄存器B、常數(shù)4、兩個(gè)立即數(shù)ImmedT和Immed-2（兩個(gè)立即數(shù)來(lái)自指令寄存器IR并通過(guò)擴(kuò)

展得到）4個(gè)來(lái)源，用B-sei選擇，產(chǎn)生運(yùn)算結(jié)果R（送到PC）或保存到結(jié)果寄存器C,還產(chǎn)生結(jié)果為0的標(biāo)志位信息Z°ALU完

畢數(shù)據(jù)運(yùn)算，數(shù)據(jù)、指令在內(nèi)存中的地址計(jì)算這三種操作。

3.MIPS的運(yùn)算器中ALU的三種操作功能是如何實(shí)現(xiàn)的？

答：數(shù)據(jù)運(yùn)算、數(shù)據(jù)和指令在內(nèi)存中的地址計(jì)算是ALU的三種基本操作功能。

（1）數(shù)據(jù)運(yùn)算（rs+rt-rd）：3個(gè)寄存器的編號(hào)（rs、rt、rd）由指令寄存器提供。需要3步完畢：

第1步用rs和rt選擇并讀出兩個(gè)寄存器的內(nèi)容，分別保存到寄存器A和B;

第2步選擇A和B作為運(yùn)算數(shù)據(jù)，控制ALU執(zhí)行加法運(yùn)算，結(jié)果存寄存器C；

第3步把結(jié)果C中內(nèi)容送到DI端，用rd選擇寄存器,寫(xiě)結(jié)果到寄存器堆。

（2）數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的地址計(jì)算（pc+lmmed_2-pc）：1步完畢：

選擇pc和Immed2作為運(yùn)算數(shù)據(jù)，控制ALU執(zhí)行加法運(yùn)算,把計(jì)算結(jié)果R送pc輸入端并控制pc完畢寫(xiě)入操作。

（3）指令在內(nèi)存中的地址計(jì)算（rs+c）:2步完畢計(jì)算內(nèi)存地址：

第1步用rs選擇并讀出寄存器的內(nèi)容并保存到寄存器A;

第2步ALU實(shí)現(xiàn)A+Immed_l送寄存器C.

4.簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)運(yùn)算器部件的重要功能。

答：運(yùn)算器部件是計(jì)算機(jī)五大功能部件中的數(shù)據(jù)加工部件。運(yùn)算器的首要功能是完畢對(duì)數(shù)據(jù)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算，由其內(nèi)部的ALU承

擔(dān)。運(yùn)算器的第二項(xiàng)功能是暫存將參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)和中間結(jié)果，由其內(nèi)部的一組寄存器承擔(dān)。此外，運(yùn)算器通常還作為解決機(jī)內(nèi)部傳

送數(shù)據(jù)的重要通路。

5.簡(jiǎn)述浮點(diǎn)數(shù)的階碼用移碼、尾數(shù)用原碼表達(dá)的優(yōu)點(diǎn)。

答：尾數(shù)的符號(hào)位在浮點(diǎn)數(shù)表達(dá)的最高位，比較兩個(gè)數(shù)的大小時(shí)，符號(hào)非常重要，正數(shù)…定大于負(fù)數(shù)。階碼的位置在機(jī)器表達(dá)中，處

在符號(hào)位和尾數(shù)之間，階碼大的，其移碼形式的機(jī)器數(shù)也大，便于比較浮點(diǎn)數(shù)的大小。

移碼的最小值是各位均為0,它被用來(lái)表達(dá)機(jī)器0,即當(dāng)階碼的值小于或等于移碼所能表達(dá)的最小值時(shí)，認(rèn)為浮點(diǎn)數(shù)的值為0。此時(shí)的

機(jī)器0的階碼和尾數(shù)均為0的形式，給硬件的判0帶來(lái)很大的方便。

6.運(yùn)算器中使用多累加器有什么好處？

答:運(yùn)算器中使用多累加器有助于減少運(yùn)算器執(zhí)行運(yùn)算過(guò)程中訪問(wèn)內(nèi)存儲(chǔ)器的次數(shù)，即可以把一些中間結(jié)果暫存在累加器中，有助

于提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)營(yíng)效率。

2.按指令所完畢的功能進(jìn)行分類(lèi)，一般可以分為哪幾類(lèi)？

答：

（1）算術(shù)與邏輯運(yùn)算指令這是每臺(tái)計(jì)算機(jī)都必須具有的指令,它通常用于在計(jì)算機(jī)的運(yùn)算器部件中完畢對(duì)一或兩個(gè)數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算

或邏輯運(yùn)算功能。

（2）移位操作類(lèi)指令涉及算術(shù)移位、邏輯移位、循環(huán)移位三種，用于把指定的一個(gè)操作數(shù)左移或右移一（多）位。

（3）數(shù)據(jù)傳送類(lèi)指令用于實(shí)現(xiàn)通用寄存器之間、通用寄存器與內(nèi)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)單元之間、內(nèi)存儲(chǔ)器不同存儲(chǔ)單元之間、寄通用存器與外

圍設(shè)備（接口）之間（有些場(chǎng)合也可以單獨(dú)劃分為輸入/輸出指令）的數(shù)據(jù)傳送功能。

（4）轉(zhuǎn)移類(lèi)指令、子程序調(diào)用與返回指令用于解決變動(dòng)程序中指令執(zhí)行順序的需求。

（5）特權(quán)指令指僅用于操作系統(tǒng)或其它系統(tǒng)軟件的指令,為保證系統(tǒng)與數(shù)據(jù)安全起見(jiàn)，這一類(lèi)指令不提供應(yīng)用戶使用。

（6）其它指令如動(dòng)態(tài)停機(jī)指令、空操作指令、置條件碼指令、開(kāi)中斷指令、關(guān)中斷指令、堆棧操作指令等，用于完畢某些特定的解

決功能。

3.計(jì)算機(jī)指令中要用到的操作數(shù)一般可以來(lái)自哪些部件？

答：一般來(lái)自三個(gè)方面：

第一個(gè)來(lái)源（或去處），可以是CPU內(nèi)部的通用寄存器，此時(shí)應(yīng)在指令字中給出用到的寄存器編號(hào)（寄存器名）。通用寄存器的數(shù)量

一般為幾個(gè)、十幾個(gè)，故在指令字中須為其分派2、3、4,5或更多一點(diǎn)的位數(shù)來(lái)表達(dá)一個(gè)寄存器。

第二的來(lái)源（或去處），可以是外圍設(shè)備（接口）中的一個(gè)寄存器，通常用設(shè)備編號(hào)、或設(shè)備入出端口地址、或設(shè)備映像地址（與內(nèi)存

儲(chǔ)器地址統(tǒng)一編址的一個(gè)設(shè)備地址編號(hào)）來(lái)表達(dá)。

第三個(gè)來(lái)源（或去處），可以是內(nèi)存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元，此時(shí)應(yīng)在指令字中給出該存儲(chǔ)單元的地址。

4.什么是指令字長(zhǎng)和指令格式？

答:指令字長(zhǎng)：通常與計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)一致，但可以更短或更長(zhǎng)。

指令格式：指令字中涉及操作碼字段和操作數(shù)地址字段兩部分。

操作碼用于指明指令的運(yùn)算和操作功能，不同指令的操作碼要有唯一性，其位數(shù)取決于指令條數(shù)和設(shè)計(jì)規(guī)定，有定長(zhǎng)和變長(zhǎng)2種

實(shí)現(xiàn)方案。

操作數(shù)地址字段用于給出被操作信息（指令或數(shù)據(jù)）的地址信息,涉及參與運(yùn)算的一個(gè)或多個(gè)操作數(shù)所在的地址，運(yùn)算結(jié)果的保存地

址,程序的轉(zhuǎn)移地址，被調(diào)用的子程序的入口地址等。設(shè)計(jì)這一部分需要了解指令中用到的操作數(shù)的個(gè)數(shù),也許的來(lái)源與去向，存放數(shù)

據(jù)的介質(zhì)的讀寫(xiě)原理與過(guò)程等,耍合理考慮，要適當(dāng)折中與平衡。

5.計(jì)算機(jī)的微程序控制器和組合邏輯控制器（硬連線）在組成和運(yùn)營(yíng)原理上有何相同和不同之處?它們各有哪些優(yōu)缺陷？

答:微程序的控制器和組合邏輯的控制器是計(jì)算機(jī)中兩種不同類(lèi)型的控制器。

共同點(diǎn)：①基本功能都是提供計(jì)算機(jī)各個(gè)部件協(xié)同運(yùn)營(yíng)所需要的控制信號(hào)；②組成部分都有程序計(jì)數(shù)器PC,指令寄存器IR;③都提

成幾個(gè)執(zhí)行環(huán)節(jié)完畢每一條指令的具體功能。

不同點(diǎn):重要表現(xiàn)在解決指令執(zhí)行環(huán)節(jié)的辦法，提供控制信號(hào)的方案不同樣。微程序的控制器是通過(guò)微指令地址的銜接區(qū)分指令執(zhí)

行環(huán)節(jié)，應(yīng)提供的控制信號(hào)從控制存儲(chǔ)器中讀出，并通過(guò)一個(gè)微指令寄存器送到被控制部件。組合邏輯控制器是用節(jié)拍發(fā)生器指明指

令執(zhí)行環(huán)節(jié),用組合邏輯電路直接給出應(yīng)提供的控制信號(hào)、

微程序的控制器的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)樸些，易用于實(shí)現(xiàn)系列計(jì)算機(jī)產(chǎn)品的控制器，理論上可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)微程序設(shè)計(jì),缺陷是運(yùn)營(yíng)速

度要慢一些。

組合邏輯控制器的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)營(yíng)速度明顯地快，缺陷是設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)復(fù)雜些，但隨著EDA工具的成熟，該缺陷已得到很大緩解。

6.指令系統(tǒng)分哪兩大類(lèi)?它們各有什么特點(diǎn)？

答:指令系統(tǒng)有簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)（RISC）和復(fù)雜指令系統(tǒng)（CISC）兩大類(lèi)。RISC是對(duì)CISC發(fā)展過(guò)程中的某些問(wèn)題進(jìn)行反思的結(jié)果，是

通過(guò)簡(jiǎn)化硬件實(shí)現(xiàn)、提高軟件技巧追求更高的計(jì)算機(jī)性能的有效途徑。其中非常成功的典型RISC結(jié)構(gòu)的是MIPS計(jì)算機(jī)。

大量的記錄結(jié)果表白，在CISC機(jī)器的上百條、幾百條指令中，只有功能簡(jiǎn)樸、所用硬件更節(jié)省的約20%的指令，將占用程序80%

的運(yùn)營(yíng)時(shí)間，反過(guò)來(lái)說(shuō)，此外的約80%的功能更復(fù)雜、硬件實(shí)現(xiàn)代價(jià)很高的指令并不被經(jīng)常使用。

到了RISC機(jī)器中，寧可選用軟件子程序方式來(lái)實(shí)現(xiàn)這些指令，使硬件實(shí)現(xiàn)變得更為精簡(jiǎn)，運(yùn)營(yíng)速度更高。RISC計(jì)算機(jī)追求的目

的之一，就是使指令每一步操作所用的時(shí)間要盡也許的短，并且力爭(zhēng)在每個(gè)執(zhí)行環(huán)節(jié)都能完畢一條指令的執(zhí)行過(guò)程。同時(shí)盡力在編譯

程序中增強(qiáng)性能優(yōu)化能力,從硬件軟件兩個(gè)方面來(lái)提高RISC機(jī)器的性能。

RISC計(jì)算機(jī)的指令格式規(guī)范且種類(lèi)少，使用的尋址方式簡(jiǎn)樸，指令條數(shù)少,指令完畢的操作功能簡(jiǎn)樸。

7.學(xué)好匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)有哪些意義？

答:匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的內(nèi)容對(duì)計(jì)算機(jī)組成原理課程是重要的,對(duì)理解指令功能、運(yùn)算器與控制器的組成和實(shí)現(xiàn)、準(zhǔn)確理解計(jì)算機(jī)整

機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)原理都有十分重要的作用。

匯編語(yǔ)句與指令之間有嚴(yán)格的相應(yīng)關(guān)系,匯編語(yǔ)言還對(duì)指令系統(tǒng)進(jìn)行r重要的功能擴(kuò)展，使其基本達(dá)成可以用于程序設(shè)計(jì)的初步規(guī)

定。從程序設(shè)計(jì)的角度，都需要有支持順序執(zhí)行、轉(zhuǎn)移執(zhí)行、分支執(zhí)行、循環(huán)執(zhí)行、子程序調(diào)用與返回執(zhí)行等語(yǔ)句（指令）。匯編程

序設(shè)計(jì)可以在實(shí)際的硬件系統(tǒng)上進(jìn)行,也可以在模擬軟件的系統(tǒng)上開(kāi)展,缺少匯編程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)將難以學(xué)好本課程。

2.控制器重要分為哪些類(lèi)型？它們的重要優(yōu)缺陷有什么？

答：控制器按實(shí)現(xiàn)原理重要分為硬連線控制器（又稱(chēng)組合邏輯控制器）和微程序控制器兩大類(lèi)。

硬連線控制器的優(yōu)點(diǎn)是它使用大量的組合邏輯門(mén)線路，直接提供控制計(jì)算機(jī)各功能部件協(xié)同運(yùn)營(yíng)所需要的控制信號(hào)，使得形成這些

控制信號(hào)所必需的信號(hào)傳輸延遲時(shí)間短,對(duì)提高系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)速度有利。由此也帶來(lái)了它的缺陷，由于形成控制信號(hào)的電路設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，

用與、或、非等組合邏輯門(mén)電路把設(shè)計(jì)結(jié)果實(shí)現(xiàn)出來(lái)也相對(duì)麻煩,特別是要變動(dòng)?些設(shè)計(jì)時(shí)不大方便。隨著大（超大）規(guī)模集成電路的

發(fā)展，特別是各種不同類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)可編程器件的出現(xiàn),性能杰出的輔助設(shè)計(jì)軟件的應(yīng)用，這一矛盾已在很大限度上得到緩解。

微程序控制器則是用多條微指令“解釋執(zhí)行”每一條指令的功能，這大大簡(jiǎn)化了硬件電路,但在程序執(zhí)行過(guò)程中，需要按照指令及其

執(zhí)行環(huán)節(jié)，依次從控制存儲(chǔ)器中讀出一條微指令,用微指令中的微命令字段控制各執(zhí)行部件的運(yùn)營(yíng)功能,并用下地址字段形成下一條微

指令的地址，使得微程序可以連續(xù)運(yùn)營(yíng)。所以這類(lèi)控制器適合在性能規(guī)定不太高的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中應(yīng)用，其缺陷是運(yùn)營(yíng)速度較慢，難以

使用在性能規(guī)定特別高的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。

3.簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)的控制器的功能和執(zhí)行一條指令所需的環(huán)節(jié).

答：控制器部件是計(jì)算機(jī)的五大功能部件之一，其作用是向整機(jī)每個(gè)部件（涉及控制器部件自身）提供協(xié)同運(yùn)營(yíng)所需要的控制信號(hào)。

計(jì)算機(jī)的最本質(zhì)的功能是連續(xù)執(zhí)行指令，而每一條指令往往又要提成幾個(gè)執(zhí)行環(huán)節(jié)才得以完畢。由此又可以說(shuō)，計(jì)算機(jī)控制器的基本

功能，是依據(jù)當(dāng)前正在執(zhí)行的指令和它當(dāng)前所處的執(zhí)行環(huán)節(jié)，形成（或稱(chēng)得到）并提供出在這一時(shí)刻整機(jī)各部件要用到的控制信號(hào)并

且決定下一步將進(jìn)入哪個(gè)執(zhí)行步。

執(zhí)行一條指令,要通過(guò)讀取指令、分析指令、執(zhí)行指令所規(guī)定的解決功能三個(gè)階段完畢,控制器還要保證能按程序中設(shè)定的指令運(yùn)營(yíng)

順序，自動(dòng)地連續(xù)執(zhí)行指令序列。

4.簡(jiǎn)述控制器的基本組成及各部分的作用。

答:控制器重耍由下面4個(gè)部分組成：

（D程序計(jì)數(shù)器（PC）,是用于提供指令在內(nèi)存中的地址的部件，服務(wù)于讀取指令，能執(zhí)行內(nèi)容增量和接受新的指令地址，用于給出下

一條將要執(zhí)行的指令的地址。

（2）指令寄存器（IR）,是用于接受并保存從內(nèi)存儲(chǔ)器讀出來(lái)的指令內(nèi)容的部件，在執(zhí)行本條指令的整個(gè)過(guò)程中,為系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)提供指令

自身的重要信息。

（3）指令執(zhí)行的環(huán)節(jié)標(biāo)記線路，用于標(biāo)記出每條指令的各個(gè)執(zhí)行環(huán)節(jié)的相對(duì)順序關(guān)系,保證每?條指令按設(shè)定的環(huán)節(jié)序列依次執(zhí)行。

（4）所有控制信號(hào)的產(chǎn)生部件，它依據(jù)指令操作碼、指令的執(zhí)行環(huán)節(jié)（時(shí)刻），也許尚有些此外的條件信號(hào)，來(lái)形成或提供出當(dāng)前執(zhí)

行環(huán)節(jié)計(jì)算機(jī)各個(gè)部件要用到的控制信號(hào)。計(jì)算機(jī)整機(jī)各硬件系統(tǒng),正是在這些信號(hào)控制下協(xié)同運(yùn)營(yíng),執(zhí)行指令，產(chǎn)生預(yù)期的執(zhí)行結(jié)果。

由于上述后兩個(gè)部分的具體組成與運(yùn)營(yíng)原理不同，控制器被分為硬連線控制器和微程序控制器兩大類(lèi)。

5.在微程序的控制器中，通常有哪些得到下一條微指令地址的方式，各自用在什么情況？

答：在微程序的控制器中，通常有多種得到下一條微指令地址的方式，例如：

使用緊跟在本條微指令之后的微指令作為下一條要執(zhí)行的微指令，即本條微指令的地址加1作為下一條微指令的地址，用于微指令

順序執(zhí)行的情況;

使用從指令的操作碼映射出微指令地址的方式得到下?條微指令的地址，用于讀出指令之后，找到相應(yīng)當(dāng)指令的?段微程序的入口

地址，以便開(kāi)始該指令具體功能的執(zhí)行過(guò)程；

從微指令的下地址字段直接取得一個(gè)微子程序的入口地址，用于微子程序調(diào)用解決；

從微指令的下地址字段直接取得一個(gè)微指令的轉(zhuǎn)移地址，用于微程序中的微指令轉(zhuǎn)移解決；

從微堆棧中取出從微子程序返回到微主程序斷點(diǎn)的返回地址，用于微子程序返回解決。

6.什么是指令流水線？

答:指令流水線是提高計(jì)算機(jī)硬件性能的重要技術(shù)和有效措施，在成本增長(zhǎng)不多的情況下很明顯地提高了計(jì)算機(jī)的性能。

追求的目的是力爭(zhēng)在每一個(gè)指令執(zhí)行環(huán)節(jié)中完畢一條指令的執(zhí)行過(guò)程

實(shí)現(xiàn)思緒是把一條指令的幾項(xiàng)功能劃分到不同的執(zhí)行部件去完畢，在時(shí)間上又允許這幾個(gè)部件可以同時(shí)運(yùn)營(yíng)

7.指令流水線在實(shí)現(xiàn)中需要解決哪些相關(guān)問(wèn)題？

答：需要解決好下列3個(gè)方面的問(wèn)題：

(1)結(jié)構(gòu)相關(guān)

由于多條指令在同一時(shí)刻爭(zhēng)用同一資源而形成的沖突。

(2)數(shù)據(jù)相關(guān)

后續(xù)指令要使用前面指令的操作結(jié)果，而這一結(jié)果尚未產(chǎn)生或者未送到指定的位置，從而導(dǎo)致后續(xù)指令無(wú)法運(yùn)營(yíng)的局面。

(3)控制相關(guān)

在碰到條件轉(zhuǎn)移指令時(shí)，存在是順序執(zhí)行還是轉(zhuǎn)移執(zhí)行的2種也許，若這一條件只能在后幾步才干得到，在當(dāng)前時(shí)刻則無(wú)法擬定應(yīng)

當(dāng)去執(zhí)行哪一段程序。

2.在計(jì)算機(jī)中，為什么要采用多級(jí)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)？

答：多級(jí)存儲(chǔ)器系統(tǒng)，是圍繞讀寫(xiě)速度尚可、存儲(chǔ)容量適中的主存儲(chǔ)器來(lái)組織和運(yùn)營(yíng)的，并由高速緩沖存儲(chǔ)器緩解主存讀寫(xiě)速度

慢、不能滿足CPU運(yùn)營(yíng)速度需要的矛盾；用虛擬存儲(chǔ)器更大的存儲(chǔ)空間，解決主存容量小、存不下規(guī)模更大的程序與更多數(shù)據(jù)的難

題，從而達(dá)成使整個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)有更高的讀寫(xiě)速度、盡也許大的存儲(chǔ)容量、相對(duì)較低的制造與運(yùn)營(yíng)成本。高速緩沖存儲(chǔ)器的問(wèn)題是容

量很小，虛擬存儲(chǔ)器的問(wèn)題是讀寫(xiě)速太慢。追求整個(gè)存儲(chǔ)器系統(tǒng)有更高的性能/價(jià)格比的核心思緒，在于使用中充足發(fā)揮三級(jí)存儲(chǔ)器

各自的優(yōu)勢(shì)，盡量避開(kāi)其短處。

3.在計(jì)算機(jī)中采用多級(jí)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器系統(tǒng),它的應(yīng)用是建立在程序的什么原理之上的？

答：這種多級(jí)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)原理,或者說(shuō)它可以有良好的性能/價(jià)格比，是建立在程序運(yùn)營(yíng)的局部性原理之上的。程序運(yùn)

營(yíng)的局部性原理重要體現(xiàn)在如下3個(gè)方面：

(1)時(shí)間方面，在一小段時(shí)間內(nèi)，最近被訪問(wèn)過(guò)的程序和數(shù)據(jù)很也許再次被訪問(wèn)；

(2)空間方面,這些最近被訪問(wèn)過(guò)的程序和數(shù)據(jù)，往往集中在一小片存儲(chǔ)區(qū)域中;

（3）在指令執(zhí)行順序方面，指令順序執(zhí)行比轉(zhuǎn)移執(zhí)行的也許性要大。

4.在多級(jí)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)中,何謂信息的一致性原則和包含性原則？

答:在多級(jí)結(jié)構(gòu)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)中，不同的存儲(chǔ)器中存放的信息必須滿足如下兩個(gè)原則：

一致性原則：同一個(gè)信息會(huì)同時(shí)存放在幾個(gè)級(jí)別的存儲(chǔ)器中,此時(shí),這一信息在幾個(gè)級(jí)別的存儲(chǔ)器中必須保持相同的值。

包含性原則：處在內(nèi)層（更靠近c(diǎn)PU）存儲(chǔ)器中的信息一定被包含在各外層的存儲(chǔ)器中，即內(nèi)層（更靠近CPU）存儲(chǔ)器中的所有信息

一定是各外層存儲(chǔ)器中所存信息中一小部分的副本，這是保證程序正常運(yùn)營(yíng)、實(shí)現(xiàn)信息共享、提高系統(tǒng)資源運(yùn)用率所必須的，反之則

不成立。例如，高速緩沖存儲(chǔ)器中的信息,肯定也存放在主存儲(chǔ)器中,還存放在虛擬存儲(chǔ)器中,但主存儲(chǔ)器中的非常多的信息不會(huì)同時(shí)在

高速緩沖存儲(chǔ)器中,虛擬存儲(chǔ)器中的更多的信息也不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在主存儲(chǔ)器中。

5.高速緩沖存儲(chǔ)器在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的重要作用是什么，用什么類(lèi)型的存儲(chǔ)器芯片實(shí)現(xiàn)，為什么？

答:高速緩沖存儲(chǔ)器，是一個(gè)相對(duì)于主存來(lái)說(shuō)容量很小、速度特快、用靜態(tài)存儲(chǔ)器器件實(shí)現(xiàn)的存儲(chǔ)器系統(tǒng)。它的作用在于緩解主存速

度慢、跟不上CPU讀寫(xiě)速度規(guī)定的矛盾。它的實(shí)現(xiàn)原理，是把CPU最近最也許用到的少量信息（數(shù)據(jù)或指令）從主存復(fù)制到CaC

he中，當(dāng)CPU下次再用這些信息時(shí)，它就不必訪問(wèn)慢速的主存，而直接從快速的CACHE中得到，從而提高了得到這些信息的速度,

使CPU有更高的運(yùn)營(yíng)效率。

6.Cache有哪三種基本映像方式？簡(jiǎn)述它們的重要優(yōu)缺陷。

答：Cache存儲(chǔ)器通常使用3種映象方式，它們是全相聯(lián)映像方式、直接映像方式、組相聯(lián)映像方式。

全相聯(lián)映象方式，主存單元與Cache單元隨意相應(yīng)，有坡大的使用靈活性，但地址標(biāo)志字段位數(shù)多，比較地址時(shí)也許要與所有單元

比較,線路過(guò)于復(fù)雜，成本太高，只使用于Cache容量很小的情況。

直接映像方式，一個(gè)主存單元只與一個(gè)Cache單元硬性相應(yīng)，有點(diǎn)死板，影響Cache容量的有效使用效率，即影響命中率。但地址

比較線路最簡(jiǎn)樸，比較常用。

相聯(lián)映像方式，一個(gè)主存單元可以與多個(gè)Cache單元有限度的隨意相應(yīng)，是全相聯(lián)映象和直接映象的--種折衷方案，有助于提高

命中率，地址比較線路也不太復(fù)雜，是比較好的一種選擇。

2.輸入輸出接口的有哪些重要功能？

答：用于連接輸入輸出設(shè)備的接口通常具有下列功能：

（1）設(shè)備辨認(rèn)與選擇

每臺(tái)外設(shè)在生產(chǎn)時(shí)都會(huì)設(shè)立自己的通用和專(zhuān)用標(biāo)記，主機(jī)也會(huì)給接口電路分派I/O地址,主機(jī)可運(yùn)用這一功能從多臺(tái)外設(shè)中辨認(rèn)和

選擇要進(jìn)行信息互換的設(shè)備。

（2）數(shù)據(jù)緩沖與控制（傳輸協(xié)議）

外部設(shè)備的數(shù)據(jù)解決速度往往與主機(jī)差別很大，即便速度相同由于不是共用時(shí)鐘信號(hào)，兩者間也是很難同步運(yùn)營(yíng)的。通常在接口電

路中設(shè)立一至幾個(gè)數(shù)據(jù)緩沖寄存器和控制器,使兩者間可以有效地發(fā)送和接受各種數(shù)據(jù)信息。

（3）控制命令和狀態(tài)信息傳遞

CPU需要啟動(dòng)某一外設(shè)時(shí)，一方面要通過(guò)接口中的命令寄存器向外設(shè)發(fā)出啟動(dòng)命令，外設(shè)準(zhǔn)備就緒時(shí)，則有“準(zhǔn)備好”的狀態(tài)信息

送回接口中的狀態(tài)寄存器供CPU讀取。此后，主機(jī)與外設(shè)間才干開(kāi)始數(shù)據(jù)信息的互換。

（4）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸

每臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)格式往往有所不同,接口電路應(yīng)按照對(duì)方規(guī)定進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換,才干成為對(duì)方可以讀懂的有效數(shù)據(jù)信息。如串行/并行

轉(zhuǎn)換、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、以及二進(jìn)制碼與ASCII碼之間的轉(zhuǎn)換等。

除了上述功能外，通常接口還具有檢錯(cuò)糾錯(cuò)、中斷、時(shí)序控制等功能。

3.“接口”與“端口”有什么不同？

“接口”與“端口”是兩個(gè)不同的概念。端口是指接口電路中可以被CPU直接訪問(wèn)的寄存器，若干個(gè)端口加上相應(yīng)的控制邏輯電路

才組成接口。接口中存放數(shù)據(jù)信息的寄存器稱(chēng)為數(shù)據(jù)端口，存放控制命令的寄存器稱(chēng)為控制端口，存放狀態(tài)信息的寄存器稱(chēng)為狀態(tài)端

口。CPU通過(guò)輸入指令可以從有關(guān)端口中讀取信息，通過(guò)輸出指令可以把信息寫(xiě)入有關(guān)端口。

4.什么是程序直接控制方式?指出它的優(yōu)缺陷。

答:程序直接控制方式，是指在用戶程序中直接使用I/O指令完畢輸入/輸出操作,它是由CPU通過(guò)查詢?cè)O(shè)備的運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，來(lái)控制數(shù)

據(jù)傳送過(guò)程。它的缺陷是嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)性能。與I/O設(shè)備的速度比較,CPU要快得多，但發(fā)揮不出來(lái)，它的絕大多數(shù)時(shí)間花到查詢

等待上。CPU算題要與設(shè)備輸入輸出串行工作，多個(gè)設(shè)備也要串行輸入輸出，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)效率。

5.開(kāi)中斷，關(guān)中斷的含義是什么?他們的作用是什么？

答:從CPU要不要接受中斷請(qǐng)求,從能不能限制某些中斷發(fā)生的角度，又可以把中斷提成可屏蔽中斷和不可屏蔽中斷，那些可以被CP

U通過(guò)指令限制其發(fā)出中斷請(qǐng)求（稱(chēng)為屏蔽中斷）的中斷屬于可屏蔽中斷，例如對(duì)某些外圍設(shè)備就可以在一段時(shí)間里執(zhí)行屏蔽中斷，對(duì)

此外一些中斷是不允許執(zhí)行屏蔽中斷的，例如電源掉電中斷，稱(chēng)這類(lèi)中斷為不可屏蔽中斷。假如由于某種事件的存在，在很短的一小

段時(shí)間內(nèi)，不允許CPU接受任何一個(gè)中斷請(qǐng)求（嚴(yán)禁中斷），靠屏蔽所有中斷是不可取的，

6.中斷屏蔽的含義是什么?他的作用是什么？

答：通常是在CPU內(nèi)部設(shè)立一個(gè)“中斷允許”觸發(fā)器，只有該觸發(fā)器被置為“1”狀態(tài)，才允許CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求，該觸發(fā)器被置

為“0”狀態(tài)，則嚴(yán)禁CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求。為此，在指令系統(tǒng)中，為操作“中斷允許”觸發(fā)器，應(yīng)設(shè)立“開(kāi)中斷”指令（置