原理考试提纲2010年11月

《计算机组成原理》复习提纲
一、基本概念
1．冯.诺依曼型计算机的设计思想，完整的计算机系统定义
（1）设计思想：1. “存储程序”：是把指令以代码的形式事先输入到计算机的主存储器中，即用记忆数据的同一装置存储执行运算的命令，这些指令按一定的规则组成程序；
2.“程序控制”：是当计算机启动后，程序就会控制计算机按规定的顺序逐条执行指令，
自动完成预定的信息处理任务。

计算机系统由计算机硬件和计算机软件组成。

3.二进制表示数据
（2）计算机系统由计算机硬件和计算机软件组成。

计算机硬件（Hardware）是指构成计算机的所有实体部件的集合，通常这些部件由电路（电子元件）、机械等物理部件组成。

计算机软件（Software）主要是一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合。

1983年，IEEE对软件给出了一个较为全面的定义：软件是计算机程序、方法、规范及其相应的文档以及在计算机上运行是所必须的数据。

软件是相对于机器硬件而言的。

计算机由存储器、运算器、控制器、输入和输出设备五大基本部件组成
2．低级语言的特点；定点数编码的特点；浮点数的精度和范围及规格化（1）计算机程序设计语言分为机器语言、汇编语言、高级语言。

其中机器语言和汇编语言是低级语言。

机器语言编写的程序，计算机硬件可以直接识别，是最底层的计算机语言。

汇编语言是为了便于理解与记忆，将机器语言用主机符号代替而形成的一种语言。

（2）定点数编码的小数点位置不变，即它的阶码E保持不变；若E=0,表示该数为纯小数；
若E=n，表示该数为纯整数。

（3）浮点数表示为：N=2E*S;其中数的范围指一种类型数据所能表示的最大值和最小值。

数的精度通常用实数所能给出的有效数字的位数表示。

N=2E*S中的S=S f+有效数字，S f表示符号位。

规格化，就是通过移动尾数，使尾数S的最高位数字（小数点后的第一位）为1。

即S满足0.5<=|s|<1。

3．运算器核心部件ALU的特点；磁盘存储器的技术指标
（1）ALU的基本逻辑结构是超前进位加法器，可进行算术运算和逻辑运算；ALU的输入端必须采用多路开关；ALU可以实现数据的直传、左移、右移和字节交换等功能。

（2）1．存储密度：单位长度或单位面积所存储的二进制信息量。

磁盘的存储密度：(a)道密度：指沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数；(b)位密度：指沿磁道的单位长度上记录的二进制信息位数；(c) 面密度：以上两个乘积。

2存储容量：以字节为单位,指存储器所能存储的二进制信息总量。

磁盘存储器有格式化容量和非格式化容量两个指标：格式化容量：按照特定的记录格式存储信息的总量；非格式化容量：磁记录表面可利用的磁化单元总数。

3.寻址时间：对磁盘存储器，寻址时间=寻道时间+等待时间。

4.读写周期：读出/写入一个字的时间称为读写时间，两次读出/写入操作之间的时间间隔称为读写周期或存取周期。

数据传输率：单位时间内向主机传送数据的位数或字节数。

5误码率：是衡量出错概率的参数，等于出错位数与读写总信息位数之比。

6.价格：通常用位价格来比较各种外存储器。

位价格是用设备价格除以存储器二进制位总容量。

4．虚拟存储系统的组成及操作系统在虚拟存储系统的作用
（1）答：虚拟存储器是建立在主存和辅存物理的结构基础之上，由附加硬件装置以及操作系统存储管理软件组成的一种存储体系，虚拟存储器有页式、段式和段页式三类。

（2）操作系统在虚拟存储系统的作用：完成虚拟地址到物理地址的映像与变化
5．外设编址方式，集中式总线控制方式，外围设备的定时方式
（1）外设编址有两种方式：即统一编制和单独编制。

统一编制指讲外设接口中的I/O寄存器和主存单元一样看待，将它们和主存单元组合在一起编排地址；单独编址指外设接口和主存单元分开独立编址。

（2）集中总线控制方式：将控制逻辑做在一个专门的总线控制器或总线裁决，裁决方式
有：菊花链查询方式；计数器定时查询方式；独立请求方式
（3）
6．微程序控制器中,机器指令与微指令的关系, 微程序控制器组成
（１）一道微程序可以实现一条机器指令的功能，即一条机器指令可以分解为若干有序的
微指令，将微程序存入控制存储器中，机器指令测执行过程实际上变成微指令的执行过程
（２）1、控制存储器CM用来存放微程序。

2、微指令寄存器μIR用来存放从控制存储器
中取得的微指令。

3、微地址形成部件μAG用来产生机器指令的首条微指令地址和后续地
址。

4、微地址寄存器μAR接收微地址形成部件送来的微地址。

7．流水线技术的特点和相关性问题，中断技术的功能和特点
<1>流水技术特点：（1）流水线可分成若干个互有联系的子过程（功能段）；（2）实现子过
程的功能段所需时间尽可能相等，避免因不等而产生处理的瓶颈，形成流水现的断流。

（3）形成流水处理，需要一段准备时间，称“通过时间”。

只有在此之后流水过程才稳定。

（4）指令流发生不能顺序执行时，会使流水过程中断，再形成流水过程，则需要“通过
时间”，所以流水过程不应常断流，否则效率就不会很高。

<2>主要有三种类型的相关（冲突）：（1）结构相关（资源冲突）：当指令重叠执行过程中，
硬件资源满足不了指令重叠执行的要求（2）数据相关（数据冲突）：在同时执行的多条
指令中，一条指令依赖前一条指令的执行结果(数据)却无法得到（3）控制相关（控制冲
突）：流水线遇到分支指令或其他改变PC值的指令
<3>中断技术功能：(1)主机与外设并行工作：有了中断功能，就可以是主机和外设同时工
作；（2）实现实时处理：所谓实时处理，是指在某个时间出现时能得到及时处理；（3）硬
件故障处理；（3）实现多道程序分时操作
特点：
8．三级存储结构的特点；DRAM刷新方式；芯片设计存储器的相关问题（1）①在存储器体系结构中，各层之间的信息调度由辅助硬件或软件直接完成。

②存储体系结构能发挥整个存储系统的最大效能，有最佳的性能价格比。

③工作原理：CPU首先访问Cache，如果Cache中没有，则存储系统通过辅助硬件，到主
存储器中去找；如果主存没有CPU要访问的内容，则存储系统通过辅助硬件或软件，到辅
存中去找。

然后把找到的数据逐级上调
（2）DRAM刷新：动态的MOS存储器（DRAM)采取“读出”方式进行刷新；在读出过程中，
只改变选择线的地址，每次再生一行，一次对存储元的每一行进行读出，就可完成对整个
ＤＲＡＭ的刷新了。

创建的刷新方式有：①集中式刷新（Burst Refresh）：集中式刷新
指在一个刷新周期内，利用一段固定的时间，依次对存储器的所有行进行逐一再生，在此
期间停止对存储器的读写操作。

②分布式刷新有两种方法：（I）把对每一行的再生分散
到各个工作周期中去。

（II）为了提高存储器工作效率，经常采取在2ms时间内分散地将
1024行刷新一遍的方法，具体做法是将刷新周期除以行数，得到两次刷新操作之间的时间
间隔t，利用逻辑电路每隔时间t产生一次刷新请求。

3.异步式刷新。

（３）半导体存储器的主要优点是存储速度快，存储体积小，可靠性高；主要缺点是断电
时，读写存储器不能保存信息。

二、名词解释
1. 计算机系统：自动快速准确地对数字信息进行算术/逻辑运算的电子装置
2. 计算机系统的吞吐量:流入, 处理和流出系统的信息的速率
3. 存储程序: 将要解决的问题和解决问题的方法)编程,存放在存储器内
4. 控制存储器:存放全部机器指令的所有微程序的只读存储器
5. 程序控制: 控制器依据存储的程序，控制计算机协调地完成计算任务
6. 中央处理器: 能自动完成取出指令和执行指令任务的计算机部件
7. 指令周期: 将一条指令从取出到执行完毕所需的时间
8. 程序访问的局部性原理: CPU对主存的访问集中在一个很小的范围内
9. 三级存储器结构: 由CACHE, 主存和外存组成的一个完整的存储系统
10. 系列计算机: 具有基本相同的指令系统结构的一系列计算机
11．总线：连接两个或多个功能部件的一组共享的信息传输线
三、简答题
1．简述中央处理器的基本功能
（1）程序控制：保证机器按一定顺序执行程序是CPU的首要任务。

（2）操作控制：一条指令的功能往往是由若干个操作信号的组合来实现的。

（3）时间控制：对各种操作实施时间上的控制称为时间控制。

各种指令的操作信号均受到时间的严格控制；一条指令的整个执行过程也受到时间的严格控制。

（4）加工处理：即在前三种控制的条件下，对数据进行算术运算和逻辑运算，并将运算结果送到指令规定的地方。

（5）中断处理和异常处理：处理溢出及外设的服务请求。

2．微指令结构设计的要求
（1）有利于缩短微指令字的长度；（2）有利于减少控制存储器的容量；（3）有利于提高微程序的执行速度；（4）有利于对微指令的修改；（5）有利于提高微程序设计的灵活性。

3．时序信号的作用和基本体制
（1）作用：①区分指令与操作数。

指令周期的第一个CPU周期均作为取指周期，从内存取出一组数码送到IR，在其它CPU周期取出的数码决不会送入IR。

②保证地址或数据信号在各器件之间有序、协调地传送，完成各自不同的操作。

（2）时序信号的体制硬件的器件特性决定了时序信号基本的体制是电位脉冲制。

ALU用电位信号工作,运算结果要送回AC，也需要时钟脉冲的配合。

硬布线控制器中，时序信号采用状态周期、节拍电位、节拍脉冲三级体制：①状态周期：反映某一个状态周期的持续时间，可包含几个节拍电位。

②节拍电位：某操作的持续时间，常将一次寄存器传送或ALU操作称为一个节拍。

③节拍脉冲：节拍电位内的控制脉冲，是最基本的定时信号。

微程序控制器一般采用节拍电位、节拍脉冲两级体制，它只有一个节拍电位，节拍电位中又包含若干个节拍脉冲（时钟周期），节拍电位表示一个CPU周期的时间。

4．简述计算机系统的特征
1)内部特征：高速器件、数字化信息、逻辑判断、存储程序
2)外部特征：快速性、准确性、逻辑性、通用性
5．简述加速CPU和存储器之间有效传输的措施
①使用高速度芯片②增加存储器字长③使用CACHE④使用多体交叉存储器⑤使用双端口存储器
6. CISC与RISC在系统实现上的根本差异
①系统设计：RISC大多数复杂功能用软件实现；CISC尽可能用硬件实现软件功能。

②控制器实现：RISC采用硬布线，具有简单流水线结构；CISC采用微程序控制器，具有复杂
流水线结构，对主存访问频繁。

③设计目标：RISC使指令执行时间最短、程序长度适中；CISC使每条指令含有尽可能多的功
能，使程序长度缩短。

④ Cache作用：RISC中Cache对系统性能的影响是关键性的；CISC中Cache是有用的，但不
是关键性的。

⑤编译处理：RISC编译强调优化程度；CISC编译着重获得正确的指令序列。

RISC存在的问题是编译生成的目标代码较长，占用较多存储器空间。

7.简述总线结构对计算机系统性能的影响
（１）１．最大存储容量：例如在一元化总线系统中，对主存和外设进行存取的差别，仅仅在于出现总线上的地址不同，为此必须为外围设备保留某些地址。

由于某些地址必须用于外围设备，所以在单总线系统中，最大主存容量必须小于计算机字长所决定的可能的地址总数。

２．指令系统：在非统一编址的总线系统中，CPU对存储总线和系统总线必须有不同的指令系统，这是因为操作码规定了要使用哪一条总线，所以在这类总线系统中，访存操作和输入输出
操作各有不同的指令。

３．吞吐量：计算机系统的吞吐量是指流入、处理和流出的信息的速率。

它取决于信息输入内存的速度、CPU取指、存取数据的速度，以及所得结果从内存送给一台外围设备的速度。

这些步骤中每一步都关系到主存，因此，系统吞吐量主要取决于主存的存取周期
8. 外围设备的作用
外围设备是计算机与外界联系的纽带、接口和界面。

外围设备在计算机系统中的作用可以分为四个方面：(1)外设是人机对话的通道。

(2)外设是完成数据媒体变换的设备。

(3)外设是系统软件和信息的驻在地。

(4)外设是计算机在各领域应用的桥梁
9．简述指令系统设计的原则
1、完备性：一台计算机中最基本的、必不可少的指令构成了指令系统的完备性。

2、有效性：指利用该指令系统所提供的指令编制的程序能够产生高效率。

高效率主要表现在
空间和时间方面，即占用存储空间小、执行速度快。

3、规整性：指令操作的对称性和匀齐性，指令格式与数据格式的一致性。

（1）对称性：在指令系统中，所有寄存器和存储单元都可同等对待，这对简化程序设计，提高程序的可读性非常有用。

（2）匀齐性：是指一种操作性质的指令可以支持各种数据类型。

（3）指令的格式与数据格式的一致性：指令长度与数据长度有一定关系，以方便存取和处理。

4、兼容性：兼容性一般是指计算机的体系结构设计基本相同，机器之间具有相同的基本结构、
数据表示和共同的基本指令集合。

5、可扩充性.要保留一定余量的操作码空间,方便以后的功能扩展.
10．简述总线的特性和作用：
作用---总线是连接两个或多个功能部件的一组共享的信息传输线，总线是构成计算机系统的骨架，不但影响计算机系统的结构与连接方式，而且影响计算机系统的性能和效率；特性—物理特性，功能特性，电气特性，时特性间
11．微程序控制器和硬连线控制器的差别
(1)实现方式：微程序控制器的控制功能是在控制存储器和微指令寄存器的直接控制下实现的，
其电路比较规整；各条指令控制信号的差别集中在控制存储器的内容上。

硬布线控制的功能则由逻辑门组合实现。

当需修改指令或增加指令时就必须重新设计电路。

(2)性能方面：同样的半导体工艺条件下，微程序控制的速度比硬布线控制的速度低。

硬布线
12．CPU的控制流程
答：计算机执行指令的过程可以分为取指令，分析指令，执行指令。

(1)取指令阶段：是将现行指令从主存储器中取到指令寄存器IR的过程。

(2)分析指令阶段：取出指令后，计算机就立即进入分析指令的阶段。

指令译码器会识别和区分不同的指令类别及各种获取操作数的方法。

(3)执行指令阶段：其任务是完成指令所规定的各种操作，具体实现指令的功能。

13．USB 和1394 的基本思想
USB 和1394 的基本思想：采用通用连接器和自动配置及热拔插技术和相应的软件,实现资源共享和外设简单快速连接,关键是提供设备共享接口解决PC机与外部设备连接的通用性。

四、计算题: 1. [X－Y] 补,浮点数格式：5位阶码（2位符号），9位尾数
2. 定点小数[A×B]补
3. CACHE的相关计算
4．串行异步通信的相关计算
五、设计题：存储器设计原理和方法
例如:用4M×8位SRAM芯片和4M×16位ROM芯片设计一个16M×32位的存储器。