【计算机组成原理】：期末复习（第一章）

翼同学
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1.计算机系统概论

今天的文章内容是《计算机组成原理》的课后习题。

1.1

  • 问：什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？
  • 答：
  • 计算机系统：计算机硬件、软件和数据通信设备的物理或逻辑的综合体。
  • 计算机硬件：计算机的物理实体。
  • 计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。
  • 硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此二者同样重要。

1.2

  • 问：如何理解计算机系统的层次结构？
  • 答：
  • 计算机系统可以按照功能划分为6个层次结构，
  • 即应用语言机器、高级语言机器、汇编语言机器、操作系统机器、实际机器和微程序机器。
  • 实际机器M1M_1向上延伸构成了各级虚拟机器；
  • 机器M1M_1内部也可向下延伸而形成下一级的微程序机器M0M_0；
  • 硬件研究的主要对象归结为传统机器M1M_1和微程序机器M0M_0；
  • 软件研究对象主要是操作系统及以上的各级虚拟机。

1.3

  • 问：说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及其联系。
  • 答：
  • 机器语言是计算机硬件可以直接识别的二进制语言；
  • 汇编语言是机器语言的符号表示，用符号表示指令或数据所在存储单元的地址；
  • 高级语言是面向过程或对象的语言，对问题的描述十分接近人们的习惯，并且还具有较强的通用性。
  • 高级语言编写的程序处于最高层，必须翻译成汇编语言，再由汇编程序汇编成机器语言后才能被执行。

1.4

  • 问：如何理解计算机体系结构和计算机组成？
  • 答：
  • 计算机体系结构指的是可以被程序员看到的计算机系统的属性，即概念性结构与功能特性。比如指令、寻址技术和IO机理等；
  • 计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现，对程序员是透明的，其任务就是当计算机体系结构确定好后，研究各组成部分的内部构造和相互联系，以实现机器指令集的各种功能和特性。

1.5

  • 问：冯·诺依曼计算机的特点是什么？
  • 答：
  • 1. 计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成；
  • 2. 指令和数据以同等地位存放在存储器中，并可按地址访问；
  • 3. 指令和数据均用二进制数据表示；
  • 4. 指令由操作码和地址码两部分组成，操作码用于表示操作的性质，地址码用于表示操作数在存储器中的位置；
  • 5. 指令在存储器中按顺序存放，通常自动顺序取出执行；
  • 6. 机器以运算器为中心。

1.6

  • 问：画出计算机硬件组成框图，说明各部件的作用以及计算机硬件的主要指标。
  • 答：
  • 计算机硬件组成框图如下所示；其中：
  • 运算器用于完成算术运算以及逻辑运算，并将结果暂存在运算器中；
  • 存储器用于存放数据和程序；
  • 控制器用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理计算结果；
  • 输入设备将人们熟悉的信息形式转换为计算机可以识别的形式；
  • 输出设备就是将机器运算的结果转换为人们熟悉的信息形式；
  • 计算机硬件的主要指标有三种，分别是机器字长、存储容量和运算速度。

image.png

1.7

  • 问：解释概念：主机、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长。
  • 答：
  • 主机：计算机硬件的主体部分，主要由CPU和主存储器组成；
  • CPU：中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成；
  • 主存：计算机中存放正在运行的程序或数据的存储器，由存储体、各种逻辑部件和控制电路组成；
  • 存储单元：可以存放一个机器字并具有特定存储地址的存储单位；
  • 存储元件或存储基元或存储元：存储元件就是存储一位二进制数的物理元件，是存储器中最小的存储单位，也叫作存储基元或存储元，其无法单独存取；
  • 存储字：一个存储单元可以存储一串二进制代码，我们称这串代码为存储字；
  • 存储字长：存储单元存储的二进制代码的位数称为存储字长；
  • 存储容量：存储器中可存放二进制代码的总量；
  • 机器字长：指的是CPU一次能处理的二进制数据的位数；
  • 指令字长：指一条指令的二进制代码的位数。

1.8

  • 问：解释英文代号：CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS。
  • 答：
  • CPU：中央处理器（Central Processing Unit，简称CPU），是计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元；
  • PC：程序计数器（Program Counter，简称PC），用于存放当前欲执行指令的地址，可自动形成下一条指令的地址；
  • IR：指令寄存器（Instruction Register，简称IR），用于存放当前正在执行的指令；
  • CU：控制单元（Control Unit，简称CU），是控制器的核心部件，用于产生微程序命令序列；
  • ALU：算术逻辑运算单元（Arithmetic Logic Unit，简称ALU），运算器的核心部件，用于算术运算和逻辑运算；
  • ACC：累加器（Accumulator，简称ACC），是运算器中既能存放运算前的操作数，又能存放运算结果的寄存器；
  • MQ：乘商寄存器（Multipler-Quotient Register，简称MQ）是乘法运算时存放乘数，除法运算时存放商的寄存器；
  • X：这个字母没有专指的缩写含义，但在这里可表示操作数寄存器，即运算器中的工作寄存器之一，用于存放操作数；
  • MAR：存储器地址寄存器（Memory Address Register，简称MAR），用于存放欲访问的存储单元的地址；
  • MDR：存储器数据缓冲寄存器（Memory Data Register，简称MDR），用于存放从某单元读出的数据或要写入某单元的数据。
  • I/O:输入/输出设备（Input/Output equipment），输入输出设备的总称，用于计算机内部和外界信息的转换和传送；
  • MIPS：运算速度的计量单位（Million Instruction Per Second，简称MIPS），即每秒执行百万条指令数；
  • CPI：运算速度的计量单位（Cycle Per Instruction，简称CPI），即执行一条指令所需的时钟周期；
  • FLOPS：运算速度的计量单位（Floating Point Operation Per Second，简称FLOPS），即浮点运算次数每秒。

1.9

  • 问：画出主机框图，分别以存数指令“STA M”和加法指令“ADD M”（M为主存地址）为例，在图中按序标出完成该指令（包括取值指令）的信息流程。假设主存容量为256M×32位，在指令字长、存储字长和机器字长相等的条件下，指出图中各寄存器的位数。
  • 答：
  • ①存数指令的信息流程
  • 取指令：PC→MAR→M→MDR→IR
  • 分析指令：Ad(IR)→MAR
  • 执行指令：ACC→MDR→M
  • ②加法指令的信息流程
  • 取指令：PC→MAR→M→MDR→IR
  • 分析指令：Op(IR)→CU
  • 执行指令：Ad(IR)→MAR→M→MDR→X, 同时X→ALU→ACC→MDR
  • 主存容量为256×32位，

主机框图.png

1.10

题目如下：

题目1.10.png

答：

操作码与操作性质的对应表如下所示：

操作码操作性质
000111除法：将 ACC 中的数与指令地址码指示的存储单元中的数相除，结果存于ACC中
001000减法：将ACC中的数与指令地址码指示的存储单元中的数相减，结果存于ACC中
001001取绝对值：将ACC中的数取绝对值，结果存于ACC中
001010比较：将ACC中的数与0做比较，小于则继续执行下一条指令，大于则跳转到地址码指示的存储单元上的指令

计算x\sqrt{x}的程序清单如下所示：

主存地址操作码地址码注释
000000117取数yn+1y_{n+1}到ACC中
100001016存数，将yn+1y_{n+1}存于yny_n单元中
200000113取数xx到ACC
300011116除yny_n得xyn\frac {x}{y_n}存于ACC中
400010016加yny_n得到yn+xyny_n+\frac {x}{y_n}存于yn+1y_{n+1}单元中
500011115除以2，得yn+xyn2\frac {y_n+\frac {x}{y_n}}{2}存于ACC中
600001017存数，将yn+xyn2\frac {y_n+\frac {x}{y_n}}{2}存于yn+1y_{n+1}单元中
700100016减yny_n得yn+1−yny_{n+1}-y_{n}存于ACC中
8001001-将∣yn+1−yn∣\lvert y_{n+1}-y_{n}\rvert存于ACC中
900100014将 ∣yn+1−yn∣−ε\lvert y_{n+1}-y_{n}\rvert-ε存于ACC中
100010100比较
1100010117打印
12000110-停机
13xx
14εε
1522
16yny_n
17yn+1y_{n+1}

1.11

  • 问：指令和数据都存于存储器中，计算机如何区分它们？
  • 答： 计算机主要通过不同的时间段来区分指令和数据；
  • 即：取指周期（或取指微程序）取出的既为指令，执行周期（或相应微程序）取出的既为数据。
  • 另外也可以通过地址来源区分指令与数据；
  • 即从PC指出的存储单元取出的是指令，由指令地址码部分提供操作数地址。

1.12

  • 问：什么是指令？什么是程序？
  • 答：
  • 指令：指令是机器完成某种操作的命令，指令通常包括操作码和地址码两部分；
  • 程序：程序是一系列指令的有序集合，程序用于解决某一特定问题。

写在最后

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好了，今天的笔记就到这里，欢迎大家到评论区一起讨论。

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