机器级程序的存储与执行
冯诺依曼体系结构计算机的要点和工作过程
1、简述诺依曼体系结构计算机的要点和工作过程。
答：诺依曼体系结构计算机的要点：计算机中的信息（程序和数据）以二进制方式表示。
程序预存储，机器自动执行。
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。
计算机通过执行预存储在存储器中的程序来完成预定的运算。
程序由计算机的指令序列构成，计算机在处理器的控制下，首先从存储器读取一条待执行的指令到处理器中，接下来分析这条指令，而后发出该指令对应的电平脉码序列，即执行该指令。
并以此递归运行程序。
2、何谓总线？计算机中有哪几类总线？简述其用途。
答：计算机的总线（Bus）就是连接计算机硬件各部件，用于计算机硬件各部件之间信息传输的公共通道。
按照其传送信号的用途属性，总线可细分为：地址总线（Address Bus）、数据总线（Data Bus）和控制总线（Control Bus）三类。
♦地址总线（A_Bus）：专用于在CPU、存储器和I/O端口间传送地址信息的信号线。
此类信号线传送的信息总是从CPU到存储器或I/O端口，它是单向信号线。
♦数据总线（D_Bus）：专用于在CPU、存储器和I/O端口间传送数据信息的信号线。
此类信号线传送的信息可以是从CPU到存储器或I/O端口（“写”操作），也可能是从存储器或I/O端口到CPU（“读”操作），它是双向信号线。
♦控制总线（C_Bus）：专用于CPU与其它部件之间传送控制信息和状态信息的信号线。
此类信号线的构成比较复杂，传送的控制、状态信息可以是从CPU到其它部件，也可能是从其它部件到CPU。
此类总线中的某些具体的线是单向的（或从CPU到其它部件，或反之），但作为总线来说，它是双向信号线。
3、中央处理器CPU是计算机的核心部件，主要功能是解释并执行计算机指令，完成数据处理和对计算机其他各部分进行控制。
存储器是计算机系统中用来存储程序和数据的信息记忆部件。
4、嵌入式系统：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。
call指令的执行过程 -回复
call指令的执行过程-回复Call指令的执行过程是计算机中非常重要的一部分，它允许程序通过调用子程序来执行特定的任务。
在本文中，我将详细介绍Call指令的执行过程，并逐步解释每个步骤。
1. 理解Call指令：在探究Call指令的执行过程之前，我们需要先了解什么是Call指令。
Call 指令是一种机器级指令，用于在程序中调用子程序或函数。
2. 子程序调用：当程序执行到Call指令时，它会查找存储子程序代码的地址，并将下一条指令的地址保存到堆栈中。
堆栈是一种后进先出(LIFO)的数据结构，用于临时保存程序执行过程中的重要信息。
3. 保存状态：在执行Call指令之前，需要保存当前的CPU状态。
这包括程序计数器(Program Counter)、标志寄存器(Flag Register)和所有寄存器的内容。
这样做是为了确保在执行子程序之后，程序可以返回到调用点继续执行。
4. 切换执行：执行Call指令时，程序的控制权会转移到子程序代码的起始位置。
子程序是一段独立的代码，可以完成特定的任务。
子程序执行完毕后，程序将返回到Call指令后的下一条指令。
5. 传递参数：在执行子程序之前，需要将参数传递给子程序。
这可以通过寄存器或堆栈来完成。
参数是输入到子程序中的值，用于影响子程序的行为或计算结果。
6. 执行子程序：一旦控制权转移到子程序中，程序将按照子程序的指令序列依次执行。
在执行子程序期间，它可以访问并修改寄存器和内存中的数据。
7. 返回操作：当子程序执行完毕后，程序将返回到调用点。
它会从堆栈中取出保存的下一条指令的地址，并将其加载到程序计数器中。
这样，程序将继续执行Call 指令后的指令。
8. 恢复状态：在程序返回到调用点之后，需要恢复之前保存的CPU状态。
这将包括恢复程序计数器、标志寄存器和所有寄存器的内容。
9. 结束Call指令：一旦状态恢复完毕，Call指令的执行过程就结束了。
程序将继续执行后续的指令，直到遇到下一个Call指令或程序结束。
计算机组成与系统结构
计算机组成与系统结构1冯•诺依曼计算机设计思想：依据存储程序，执行程序并实现控制。
2. 早期计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。
3软件系统爆过两大部分：系统软件和应用软件。
4.计算机的层次结构分为：微程序或逻辑硬件、机器语言、操作系统、汇编语言、高级语言、应用语言。
5计算机系统结构、组成与实现之间的区别与联系：①计算机结构：也称为计算机体系结构，是一个系统在其所处环境中最高层次的概念；是对计算机系统中各机器级之间界面的划分和定义，以及对各级界面上、下的功能进行分配。
②计算机组成：也常译为计算机组织或成为计算机原理、计算机组成原理。
在计算机系统结构确定了分配给硬件子系统的功能及其概念之后，计算机组成的任务是研究硬件子系统各部分的内部结构和相互联系，以实现机器指令级的各级功能和特性。
③计算机实现：指的是计算机组成的物理实现，主要研究个部件的物理结构，机器的制造技术和工艺等，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度、速度和信号。
器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，电源、冷却、装配等技术。
6Flynn分类法：按照计算机在执行程序时信息流的特征分为单指令单数据流计算机（SISD）单指令多数据流计算机（SIMD）、多指令单数据流计算机（MISD）、多指令多数据流计算机(MIMD).劝卩速比Sp=1/{(1-Fe)+Fe/Re},Fe为可改进比例，Re为部件加速比。
8•在计算机中有两种信息在流动，一种是控制流，即控制命令，由控制器产生并流向各个部件；另一种是数据流，它在计算机中被加工处理。
9•摩尔定律得以延续的理由：集成电路芯片的集成度每18个月翻一番。
10•冯•诺依曼计算机的执行过程：将要处理的问题用指令编程成程序，并将程序存放在存储器中，在控制器的控制下，从存储器中逐条取出指令并执行，通过执行程序最终解决计算机所要处理的问题。
11数据编码的好处：用更少的数据表示更多的信息。
计算机组成与系统结构
计算机组成与系统结构1.冯·诺依曼计算机设计思想：依据存储程序，执行程序并实现控制。
2.早期计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。
3.软件系统爆过两大部分：系统软件和应用软件。
4.计算机的层次结构分为：微程序或逻辑硬件、机器语言、操作系统、汇编语言、高级语言、应用语言。
5.计算机系统结构、组成与实现之间的区别与联系：①计算机结构：也称为计算机体系结构，是一个系统在其所处环境中最高层次的概念；是对计算机系统中各机器级之间界面的划分和定义，以及对各级界面上、下的功能进行分配。
②计算机组成：也常译为计算机组织或成为计算机原理、计算机组成原理。
在计算机系统结构确定了分配给硬件子系统的功能及其概念之后，计算机组成的任务是研究硬件子系统各部分的内部结构和相互联系，以实现机器指令级的各级功能和特性。
③计算机实现：指的是计算机组成的物理实现，主要研究个部件的物理结构，机器的制造技术和工艺等，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度、速度和信号。
器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，电源、冷却、装配等技术。
6.Flynn分类法：按照计算机在执行程序时信息流的特征分为单指令单数据流计算机(SISD)、单指令多数据流计算机(SIMD)、多指令单数据流计算机(MISD)、多指令多数据流计算机(MIMD).7.加速比Sp=1/{(1-Fe)+Fe/Re},Fe为可改进比例，Re为部件加速比。
8.在计算机中有两种信息在流动，一种是控制流，即控制命令，由控制器产生并流向各个部件；另一种是数据流，它在计算机中被加工处理。
9.摩尔定律得以延续的理由：集成电路芯片的集成度每18个月翻一番。
10.冯·诺依曼计算机的执行过程：将要处理的问题用指令编程成程序，并将程序存放在存储器中，在控制器的控制下，从存储器中逐条取出指令并执行，通过执行程序最终解决计算机所要处理的问题。
计算机系统结构(第三版)张晨曦 课后答案
fi Si
−1
式中，fi 为可加速部件 i 在未优化系统中所占的比例；Si 是部件 i 的加速比。
⎧ f ⎫ f f S = ⎨[1 − ( f1 + f 2 + f 3 )] + 1 + 2 + 3 ⎬ S S S 1 2 3⎭ ⎩
0.3 0.3 f 3 ⎫ ⎧ 10 = ⎨[1 − (0.3 + 0.3 + f 3 )] + + + ⎬ 30 20 30 ⎭ ⎩
课
45000 × 1 + 75000 × 2 + 8000 × 4 + 1500 × 2 = 1.776 129500
答
案 网
计算机体系结构 • 第一章 • 第4页
⎡ f ⎤ Te = To ⎢(1 − f e ) + e ⎥ S e⎦ ⎣
S=
1 (1 − f e ) +
fe Se
S=
i
1 (1 − ∑ f i ) + ∑
对于第三级而言，为了完成 IC 条指令的功能，第三级指令的条数为： 执行第三级
IC 。为了 M2
IC IC 条指令，需要执行 N 条第二级的指令对其进行解释。那么对第二级 2 M M2 IC IC + 2N 2 M M
而言，总的指令条数为：
N⎤ ⎡ = ⎢1 + ⎥ K ⎣ M⎦ N⎤ ⎡ T4 = ⎢1 + ⎥ K ⎣ M⎦
1.5 计算机系统有三个部件可以改进，这三个部件的加速比如下： 部件加速比 1＝30； 部件加速比 2＝20； 部件加速比 3＝10； (1) 如果部件 1 和部件 2 的可改进比例为 30％，那么当部件 3 的可改进比例为多少时， 系统的加速比才可以达到 10？ (2) 如果三个部件的可改进比例为 30％、30％和 20％，三个部件同时改进，那么系统 中不可加速部分的执行时间在总执行时间中占的比例是多少？ 解：在多个部件可改进情况下 Amdahl 定理的扩展:
计算机系统结构年串讲及汇总第一部分
第一章计算机系统结构的基本概念1. 从使用语言的角度可以将系统看成是按功能划分的多个机器级组成的层次结构;由高到低分别为：1应用语言机器级 2高级语言机器级 3汇编语言机器级 4操作系统机器级 5传统机器语言机器级 6微程序机器级;2. 应用程序语言经应用程序包的翻译成高级语言程序;3. 高级语言程序经编译程序的翻译成汇编语言程序;4.汇编语言程序经汇编程序的翻译成机器语言程序;5.在操作系统机器级,一般用机器语言程序解释作业控制语句;6.传统机器语言机器级,是用微指令程序来解释机器指令;7.微指令由硬件直接执行;8. 在计算机系统结构的层次结构中,机器被定义为能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构的集合体;9.透明指的是客观存在的事物或属性从某个角度看不到,它带来的好处是简化某级的设计,带来的不利是无法控制10.翻译：先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地变换成底一级机器级上行将的程序,然后在低一级机器级上实现的技术11.解释：在低级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高级机器级上的一条语句或指令的功能,通过高级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术;12硬件取舍原则：1应考虑在现有硬器件主要是逻辑器件和存储器件条件下,系统要有高的性能价格比;2要考虑到准备采用和可能采用的组成技术,使它尽可能不要过多或不合理地限制各种组成、实现技术的采用;3不能仅从“硬”的角度考虑如何便于应用组成技术的成果和便于发挥器件技术的进展,还应从“软”的角度把如何为编译和操作系统的实现以及为高级语言程序的设计提供更多更好的硬件支持放在首位;13. 计算机系统的设计思路：1由上往下2由下往上3由中间开始14. 软件的可移植性：指的是软件不修改或只经少量修改就可由一台机器搬到另一台机器上运行,同一软件可应用于不同的环境;15. 实现欠件移植的几个基本技术：1统一高级语言 2采用系列机 3模拟与仿真16. 为什么没有对各种应用真正通用的语言1不同的用途要求语言的语法、语义结构不同;2人们对语言的基本结构看法不一;3即使同一种高级语言在不同厂家的机器上也不能完全通用;4受习惯势力阻挠,人们不愿意抛弃惯用的语言;17 模拟：用机器语言程序解释实现软件移植的方法称为模拟;需经二重解释,速度低,实时性差模拟灵活,可实现不同系统间的软件移植,系统差异太大时效率速度急剧下降18 仿真：用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法称为仿真;速度上损失小,但不灵活,只在差别不大的机器上使用,两种机器差别太大时,就很难仿真19 模拟与仿真的区别：仿真是用微程序解释,其解释程序存入在控制存储器中；而模拟是用机器语言程序来解释,其解释程序存放在主存中;20 并行性：把解题中具有可以同时进行运算或操作的特性;并行性包括1同时性和2并发性同时性：指两个或多个事件在同一时刻发生并发性：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生21开发并行性途径：1时间重叠 2资源重复 3资源共享时间重叠：让多个处理过程在时间上相互错开,轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分,加快硬件周围来赢得速度;资源重复：通过得利设置硬件资源来提高可靠性或性能;资源共享：用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源来提高其利用率,相应也就提高了系统的性能;第二章数据表示与指令系统1.数据表示：指的是能由机器硬件直接识别昨引用的数据类型;2.数据结构反映了应用中要用的各种数据元素或信息单元之间的结构关系; 数据表示是数据结构的组成元素;3.数据结构和数据表示是软、硬件的交界面;数据表示的确定实质是软、硬件的取舍;4.高级数据表示：1自定义数据表示 2微量数组数据表示 3堆栈数据表示5.标志符数据表示：将数据类型和数据本身直接联系到一起;合存于同一存储单元中6.标志符数据表示的优点：1简化了指令系统和程序设计2简化了编译程序3便于实现一至性校验4能由硬件自动变换数据类型5支持了数据库系统的实现与数据类型无关的要求6为软件调试和应用软件开发提供了支持7.标志符数据表示可能带来的问题：1每个数据字因增设标志符,会增加程序所占的主存空间2采用标志符会降低指令的执行速度8.规模机器的特征：（1）有高速寄存器组成的硬件堆栈,并附加控制电路让它与主存中的堆栈区在逻辑上构成整体,使堆栈的访问速度是寄存器,容量是主存的（2）有丰富的堆栈操作指令且功能很强,直接可对堆栈中的数据进行各种去处和处理（3）有力地支持高级语言程序的编译（4）有力地支持子程序的嵌套和递归调用9.引入数据表示的原则：（1）看系统的效率有否提高,即是否减少了实现时间的存储空间（2）看引入这种数据表示后,其通用性和利用率是否高10.浮点数尾数的下溢处理方法：1截值法 2舍入法 3恒置1法 4查表舍入法11.寻址方式：指的是指令按什么方式寻长或访问到所需的操作数或信息;12.寻址方式在指令中的两种指明方式：1 占有操作码中的某些位 2在地址码部分专门设置寻址方式位字段指明13.逻辑地址是程序员编程用的地址;物理地址是程序在主存中的实际地址;14.静态再定位：在目的程序装入主存时,由装入程序用软件方法把目的程序的逻辑地址变换成物理地址15.动态再定位：在执行每条指令时才形成访存物理地址的方法16.指令由操作码和地址码两部分构成；操作码指明操作种类和所用操作数的数据类型；地址码包括操作数的地址、地址的附加信息、寻址方式等;17.指令格式的优化：指的是如何用最短的倍数来表示指令的操作信息和地址信息,使程序中指令的平均字长最短;18.操作码的优化表示,主要是为了缩短指令字长,减少程序总位数及增加指令字能表示的操作信息和地址信息;19.哈夫曼压缩概念的基本思想：当各种事件发生的概率不均等时,采用优化技术对发生概率最高的事件用最短的位数时间来表示处理,而对出现概率较低的,允许用较长的位数时间来表示处理,这样,就会导致表示处理的平均时间的缩短;20.操作码的表示方式通常有下列三种：1固定长度编码法 2哈夫曼编码法 3扩展操作码编码法21.指令系统的设计、发展和改进上的两种不同方向：1CISC 2RISC22.CISC：进一步增强原有指令的功能以及设置更为复杂的新指令取代原先由软子程序完成的功能,实现软件功能的硬化;23.CISC复杂指令系统计算机的优化实现：1 面各目标程序的优化2 面向高级语言的优化3 面向操作系统的优化24.面向目标程序的优化1 对存贮器语言程序及其执行情况进行统计各种指令和指令串的使用频度来加以分析和改进;静态使用频度：对程序中统计出的指令及指令串使用频度着眼于减少目标程序所占用的储存空间动态使用频度：在目标程序执行过程中对指令和指令串统计出的频度着眼于减少目标程序的执行时间2 增设强功能复合指令来取代原先是由常用宏指令或子程序实现的功能,用微程序解释实现;25.面向高级语言优化实现改进尽可能缩短高级语言和机器语言的语义差距,支持高级语言编译,缩短编译程序长度和编译时间1 通过对源程序中各种高级语言语句的使用频度进行统计来分析改进;2 如果面向编译,优化代码生成来改进;3 设法改进指令系统,使它与各种语言间的语义差距都有同等的缩小;4 让机器具有分别面向各种高级语言的多种指令系统、各种系统结构;5 发展高级语言计算机或称高级语言机器26.面向操作系统的优化1 对常用指令和指令串的使用频度进行统计分析来改进;改进指令系统2 考虑如何增设专用于操作系统的新指令;改进指令系统3 把操作系统中频繁使用的对速度影响大的某些软件子程序硬化或固化,改为直接用硬件或微程序解释实现;4 发展让操作系统由专门的处理机来执行的功能分布处理系统结构;27.CISC存在的问题：1 指令系统庞大,一般在200条指令以上;许多指令功能异常复杂;2 由于许多指令的繁杂,执行速度很低;3 指令系统庞大,故高级语言编译程序选择目标指令的范围大太,难以优化生成高效机器语言程序,编译程序也太长太复杂;4 由于指令系统庞大,各种指令的使用频度都不会太高,具差别很大,其中相当一部分指令的利用率很低;28.设计RISC的原则：1 只选择那些使用频度很高的指令,再增加少量其他功能的指令,使之一般不超过100条2 减少指令系统寻址方式各类,一般不超过两种,并让全部指令都是相同的长度;3 让所有指令都在一个机器周期内完成4 扩大通用寄存器数,尽量减少访存;仅存store、取load指令访存,其他指使一律对寄存器操作;5 大多数年指令都用硬联控制实现,少数指令用微程序实现;6 精简指令和优化设计编译程序,简单有效地支持高级语言的实现;29.设计RISC结构用的基本技术：1 按RISC一般原则设计2 逻辑实现用硬联和微程序结合3 用重叠寄存器窗口4 指令用流水和延迟转移5 优化设计编译系统30.采用RISC技术带来的好处：1 简化指令系统设计,适合VLSI实现2 提高机器的执行速度和效率3 设计成本,提高了系统的可靠性4 可直接支持高级语言的实现31.RISC的不足：1 由于指令少,一条CISC指令能完成的某些功能需要多条RISC指令才能完成,加重了汇编各方程序设计的负担,增加了机器语言程序的长度,占用在座空间多,加大了指令的信息流量;2 对浮点去处执行的虚拟存储器的支持虽有很大加强,但仍显不足;3 RISC机器的编译程序比CISC的难写;第三章总线、中断与输入输出系统1.输入输出系统包括输入输出设备、设备控制器及与输入输出操作有关的软硬件2.I/O系统设计主要考虑解决好CPU、主存和I/O设备在速度上的巨大差距;3.输入输出系统发展经历了三个阶段：1程序控制I/O 2直接存储器访问 3I/O处理机方式a.通道 b.外围处理机方式4.总线类型：按信息传送方向分：1单向传输 2双向传输按用法分：1专用 2非专用相关介绍及优缺点见P635.非专用总线总线控制方式：集中式控制：总线控制机构基本上集中在一起; 分布式控制：总线控制逻辑分散在各个部件中 P646.集中式总线控制：1串行链接控制 2定时查询方式 3独立查询方式P647.集中式串行链接式的总线分配过程：1.部件发总线请求;2.总线不忙时,总线控制器返回总线响应总线可用信号;3.没发总线请求信号的部件传送总线响应信号,发的部件截留响应信号;4.截留后,发总线忙状态,撤销请求,开始占用总线;5.传送结束撤销总线忙;6.总线不忙后,撤销总线响应;8.优点： 1.选择算法简单,控制线线数少; 2.部件增加容易,可扩充性好; 3.容易通过重复设置提高可靠性;9.缺点： 1.对“总线可用”线及其有关电路的失效敏感; 2.优先级是线连固定,不灵活; 3.限制了总线的分配速度;10.集中定时查询方式的总线分配过程：1.部件发总线请求;2.总线不忙时,总线控制器的查询计数器开始计数;3.定时查询各部件;4.部件接收计数值,并判断,若与部件号一致,则发总线忙,撤销请求,并占用总线;5.总线控制器收到总线忙,停止计数,停止查询;6.传送结束撤销总线忙;11.优点： 1.优先次序可用程序控制,灵活性强; 2.可靠性高;12.缺点： 1.总线线数较多; 2.部件数受限于定时查询线线数; 3.控制较为复杂; 4.总线分配的速度不能提高;13.集中式独立请求方式的总线分配过程：1.部件发总线请求;2.总线不忙时,按某种算法,发一个总线响应;3.被响应部件发总线忙状态,撤销请求,开始占用总线;4.传送结束,撤销总线忙;5.总线不忙后,撤销总线响应;14.优点：1.总线分配速度快; 2.可用选定的方式确定响应的部件; 3.能方便的隔离失效部件的请求;15.缺点：1.控制线数量过大; 2.总线控制器要复杂的多;16.总线的传送方式分为：1同步通信 2异步通信17.同步通信：两个部件之间的信息传送是通过定宽定距的系统时标进行同步的受同步时钟的控制18.同步通信的优点：信息传送速率高,受总线的长度影响小;19.同步通信的缺点：但会因时钟在总线上的时滞而造成同步误差, 且时钟线上的干扰信号易引起误同步;20.异步通信：用于I/O总线,连接不同速度的I/O设备;又可分为a.单向控制和b.双向请求/回答控制两种1单向控制：指的是通信过程只由目的或源部件中的一个单一控制;单向控制又有源控制和目的控制两种;优点：简单,高速;缺点：未能保证下一数据传送之前让所有数据线和控制线的电平信号恢复成初始状态,从而可能造成错误;2请求/回答双向控制：由源和目共同控制;特点：增加了信号总线来回传送的次数,使控制硬件变得复杂,但它能适应各种不同速度的I/O设备,保证数据传送的正确性,有较高的数据传送率;21.数据宽度：是I/O设备取得I/O总线使用权后在一次I/O总线分配期间内,所传送数据的总量;22.数据通路宽度：数据总线的位数,是数据传送的物理宽度;即一个时钟周期所传送的信息量,它直接取决于数据总线的线数;23.总线的线数越多,成本越高、干扰越大、可靠性越低、占用的空间也越大,当然传送速度和流量也越高;为此,越是长的总线,其线数就应尽可能减少;24.减少线数的方法：1同一根线多个功能复用; 2并/串—串/并转换 3编码25.中断源：引起中断的各种事件; 中断请求：中断源向中断系统发出请求中断的申请; 中断响应：允许中断请求中断CPU现行程序的运行,转去对该请求进行预处理,包括保存好断点现场,调出有关处理该中断的中断处理程序,准备运行;26.中断分类的目的：中断源数量很多,若形成单独入口,硬件复杂,代价大,故进行分类,把性质相近的中断源归为一类;同一类中断共用一个中断入口地址,再由软件形成实际入口地址;27.中断的分类：1机器校验中断第一级：设备故障,电源故障,主存出错;2管理程序调用访管中断第二级：访管指令;3程序性中断第二级：溢出,除数为零,数据格式错;4外部中断第三级：定时器,外部信号;5输入/输出中断第四级：I/O请求;6重新启动中断第五级：启动另一个程序;28.中断分级的目的：解决多个中断请求同时发生时的响应次序问题;29.分级原则： 1同一类的优先次序由软件管理一般情况下,同类同级,不同类不同级2不同类的中断根据中断的轻重缓急分成不同的级别;30.中断嵌套原则： 1禁止同级或低级中断; 2允许高级中断;31.中断响应次序和处理次序中断响应次序用排队器硬件实现,次序是由高到低定死的,但可以根据需要用软件改变实际的中断处理完次序简称中断处理次序;中断级屏蔽位的作用：决定某级中断请求能否进入排队器只要能进入,还是按上面讲的优先级次序由高到底响应中断中断响应次序由硬件定死;而处理次序由中断屏蔽位决定;32.中断系统的功能包括：中断请求的保存与清除,确定优先级,保护断点,保护现场,中断源分析,中断处理,中断返回等;33.中断系统的软、硬件功能分配实质是中断处理程序软件和中断响应硬件的功能分配;34.中断系统的软件与硬件的功能分配主要考虑如下两个因素：1中断响应时间 2灵活性;35.通道的功能：1接受CPU的输入输出操作指令,按指令要求控制外设接受指令2从主存读取通道程序,并执行即向设备控制器发送各种指令执行程序3组织和控制数据在内存与外设之间的传送操作传送数据4读取外设的状态信息,形成整个通道的状态信息,提供给CPU或保存在主存中通道状态5向CPU发出输入输出操作中断请求中断请求36.通道的工作过程：1用户在目态中安排广义I/O指令;包括访管指令和参数2当目态程序执行到访管指令后,产生访管中断;3CPU响应中断,第一次访管态,运行管态程序;4管理程序编制通道程序;根据参数：设备号、主存地址、信息长度等通道程序放在主存中,由通道执行5执行“启动I/O”指令：选择通道,校验第一条通道指令格式,选择设备并启动通道及设备;6通道启动后,<1>CPU退出管态,运行目态程序;<2>通道与设备开始传送数据;7通道传送结束后,向CPU发I/O中断;8CPU 响应中断,第二次转管态,对刚才的通道作“善后”处理;9返回目态,运行目态程序;37. 通道的种类：（1） 字节多路通道：适用于大量的像光电机等字符类低速设备;数据宽度：单字节多设备交叉（2） 数组多路通道：适合于连接多台像磁盘等调整设备;数据宽度：定长块多设备交叉（3） 选择通道：适合于优先级高的磁盘等调整设备,让它独占通道,只执行一台通道程序;数据宽度：可变长块独占38. 通道流量：通道在数据传送期内,单位时间内传送的字节数字节传输速率;它能达到的最大流量称通道极限流量;重要参数： TS : 选择一次设备的时间; TD :传送一个字节的时间; K ：定长块的字节长度; N ：传送的全部字节个数;39. 通道极限流量：字节多路通道：f max ·byte = 1/TS+TD 每选择一台设备,只传送一字节 数组多路通道：f max ·block = K/TS+K ·TD= 1/ＴS/K+TD 每选择一台设备,传送定长K 字节 选择通道： f max ·select = N/TS+N ·TD= 1/TS/N+TD显然,若通道的TS 、TD 一定, 且N>K 时,字节多路方式工作时所能达到的极限流量最小,数组多路方式工作的居中, 选择方式工作的最大;40. 如果通道上所挂p 设备都被启动,则设备对通道要求的的实际最大流量分别为：字节多路通道应为该通道所接各设备的字节传送速率之和, 即而对于其他两种类型的通道应为所接各设备的字节传送速率中之最大的那个, 即41. 保证第j 号通道上所挂的设备在满负荷的最坏情况下都不丢失信息的条件： 设备最大流量 <= 极限流量 ∑=⋅⋅=j p i j i j byte f f 1。
计算机组成原理第五版课后答案
计算机组成原理第五版课后答案1. 比较数字计算机和模拟计算机的特点。
答: （1）模拟计算机的特点: 数值由连续量来表示, 运算过程也是连续的。
同时用电压表示数据, 采用电压组合和测量值的方式来进行计算, 以及盘上连线的控制方式。
数字计算机的主要特点：按位运算, 并且不连续地跳动计算。
用数字 0 和 1 表示数据, 采用数字计数的计算方式, 程序控制的控制方式。
数字计算机与模拟计算机相比, 精度高, 数据存储量大, 逻辑判断能力强。
2. 数字计算机如何分类？分类的依据是什么？答: 数字计算机可分为专用计算机和通用计算机, 是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。
3. 数字计算机有哪些主要应用？答: 数字计算机的主要应用有: 科学计算、自动控制、测量和测试、信息处理、教育和卫生、家用电器、人工智能。
4. 冯·诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些主要组成部分？答: 冯·诺依曼型计算机的主要设计思想是: 采用存储程序的方式, 编制好的程序和数据存放在同一存储器中, 计算机可以在无人干预的情况下自动完成逐条取出指令和执行指令的任务；在机器内部, 指令和数据均以二进制码表示,指令在存储器中按执行顺序存放。
主要组成部分有: 运算器、逻辑器、存储器、输入设备和输出设备。
5. 什么是存储容量？什么是单元地址？什么是数据字？什么是指令字？答: （1）存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量。
（2）每个存储单元都有编号, 称为单元地址。
（3）如果某字代表要处理的数据, 称为数据字。
（4）如果某字为一条指令, 称为指令字。
6. 什么是指令？什么是程序？答: 计算机硬件可直接执行的每一个基本的算术运算或逻辑运算操作称为一条指令, 而解算某一问题的一串指令序列, 称为程序。
7. 指令和数据均存放在内存中, 计算机如何区分它们是指令还是数据？答：取指周期中从内存读出的信息流是指令流, 它流向控制器；而在执行器周期中从内存读出的信息流是数据流, 它流向运算器。
第4章-冯.诺依曼计算机：机器级程序及其执行
第4章冯.诺依曼计算机：机器级程序及其执行1、关于“图灵机”，下列说法不正确的是_____。
(A)图灵机给出的是计算机的理论模型；(B)图灵机的状态转移函数<q, X, Y, R(或L或N), p>，其实就是一条指令，即在q状态下，当输入为X时，输出为Y，读写头向右(R)、向左(L)移动一格或不动(N)，状态变为p；(C)图灵机是一种离散的、有穷的、构造性的问题求解思路；(D)凡是能用算法方法解决的问题也一定能用图灵机解决；凡是图灵机解决不了的问题人和算法也解决不了；(E)上述有不正确的。
2、关于“图灵机”和“计算”，下列说法不正确的是_____。
(A)计算就是对一条两端可无限延长的纸带上的一串0和1，一步一步地执行指令，经过有限步骤后得到的一个满足预先规定的符号串的变换过程；(B)“数据”可被制成一串0和1的纸带送入机器中进行自动处理，被称为数据纸带；处理数据的“指令”也可被制作成一串0和1的纸带送入机器中，被称为程序纸带；机器一方面阅读程序纸带上的指令，并按照该指令对数据纸带上的数据进行变换处理。
(C)计算机器可以这样来制造：读取程序纸带上的指令，并按照该指令对数据纸带上的数据做相应的变换，这就是图灵机的基本思想；(D)上述有不正确的。
3、下图为用状态转换图示意的一个图灵机，其字母集合为{0,1,X,Y,B}，其中B为空白字符；状态集合{S1，S2，S3，S4，S5}，其中S1为起始状态，S5为终止状态；箭头表示状态转换，其上标注的如<in, out, direction>表示输入是in时，输出out，向direction方向移动一格，同时将状态按箭头方向实现转换，其中in,out均是字母集中的符号，direction可以为R(向右移动)、L(向左移动)、N(停留在原处)。
该图灵机的功能是_____。
(A)识别是否如0101，01010101的0、1串，即一个0接续一个1，且0的个数和1的个数相同；(B)识别是否如000111，00001111的0、1串，即左侧连续0的个数和右侧连续1的个数相同的0、1串；(C)将形如0101，01010101的0、1串，即一个0接续一个1，且0的个数和1的个数相同，转换为XYXY， XYXYXYXY的形式；(D)将形如000111，00001111的0、1串，即左侧连续0的个数和右侧连续1的个数相同的0、1串转换为XXXYYY， XXXXYYYY的形式。
什么是计算机的指令集
什么是计算机的指令集计算机的指令集（Instruction Set）是一组用于计算机执行操作的机器级指令的集合。
它描述了计算机体系结构的操作方式和数据处理能力，并提供给程序员和编译器使用的指令集架构。
指令集是计算机体系结构的核心组成部分，直接影响着计算机的性能、功能和兼容性。
不同的处理器架构会采用不同的指令集。
当程序被编译后，其指令会针对特定的指令集编写，这样才能在相应的处理器上运行。
指令集由两种类型的指令组成：数据处理指令和控制指令。
数据处理指令用于对数据进行算术和逻辑操作，如加法、乘法、逻辑与、逻辑或等。
控制指令用于控制程序的执行流程，例如跳转、条件分支和函数调用等。
指令集还能够按照字长（Word Length）进行分类。
字长是指计算机处理器在一次操作中能处理的二进制位数。
常见的字长包括8位、16位、32位和64位等。
字长越长，处理器能够一次处理的数据量就越大，计算能力也更强。
在指令集中，不同的指令有不同的格式，可以分为以下几种常见的形式：1. 立即数指令：直接操作数值。
例如，`ADD R1, 2`表示将寄存器R1中的值与立即数2相加。
2. 寄存器指令：操作寄存器中的数据。
例如，`MOV R2, R1`表示将寄存器R1中的值移动到寄存器R2。
3. 存储器指令：读写内存中的数据。
例如，`LD R3, [R1]`表示将寄存器R1中的地址所指向的内存数据加载到寄存器R3。
4. 分支指令：根据条件改变程序执行流程。
例如，`JMP Label`表示无条件跳转到指定标签处执行。
5. 浮点指令：用于浮点数运算。
例如，`FADD F1, F2, F3`表示将F2和F3两个浮点数相加，结果存储在F1中。
计算机的指令集可以根据不同的需求和技术发展进行演变和扩充。
随着计算机技术的进步，新的指令集被引入，以提高计算机的性能、效率和功能。
总结起来，计算机的指令集是一组机器级指令的集合，用于描述计算机体系结构的操作方式和数据处理能力。
机器语言
机器语言机器语言（machine language）是用二进制代码表示的计算机能直接识别和执行的一种机器指令的集合，是一种指令集的体系。
这种指令集，称机器码（machine code），是电脑的CPU可直接解读的数据。
有时也被称为原生码（Native Code），这个名词比较强调某种编程语言或库，它与运行平台相关的部份。
其实它是计算机的设计者通过计算机的硬件结构赋予计算机的操作功能。
也具有灵活、直接执行和速度快等特点。
不同型号的计算机其机器语言是不相通的，按着一种计算机的机器指令编制的程序，不能在另一种计算机上执行。
一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码，指令的基本格式如，操作码字段和地址码字段，其中操作码指明了指令的操作性质及功能，地址码则给出了操作数或操作数的地址。
用机器语言编写程序，编程人员要首先熟记所用计算机的全部指令代码和代码的涵义。
手编程序时，程序员得自己处理每条指令和每一数据的存储分配和输入输出，还得记住编程过程中每步所使用的工作单元处在何种状态。
这是一件十分繁琐的工作。
编写程序花费的时间往往是实际运行时间的几十倍或几百倍。
而且，编出的程序全是些0和1的指令代码，直观性差，还容易出错。
除了计算机生产厂家的专业人员外，绝大多数的程序员已经不再去学习机器语言了。
机器语言的特点：1、机器语言是微处理器理解和使用的，用于控制它的操作二进制代码。
2、8086到Pentium的机器语言指令长度可以从1字节到13字节。
3、尽管机器语言好像是很复杂然而它是有规律的。
4、存在着多至100000种机器语言的指令。
这意味着不能把这些种类全部列出来。
计算机的指令格式与机器的字长、存储器的容量及指令的功能都有很大的关系。
从便于程序设计、增加基本操作并行性、提高指令功能的角度来看，指令中应包含多种信息。
但在有些指令中，由于部分信息可能无用，这将浪费指令所占的存储空间，并增加了访存次数，也许反而会影响速度。
计算机系统结构课后习题答案
计算机系统结构基本习题和答案填空题1、从（使用语言的）角度可以将系统看成是按（功能）划分的多个机器级组成的层次结构。
2、计算机系统结构的层次结构由高到低分别为（应用语言机器级，高级语言机器级，汇编语言机器级，操作系统机器级，传统机器语言机器级，微程序机器级）。
3、应用程序语言经（应用程序包）的（翻译）成高级语言程序。
4、高级语言程序经（编译程序）的（翻译）成汇编语言程序。
5、汇编语言程序经（汇编程序）的（翻译）成机器语言程序。
6、在操作系统机器级，一般用机器语言程序（解释）作业控制语句。
7、传统机器语言机器级，是用（微指令程序）来（解释）机器指令。
8、微指令由（硬件）直接执行。
9、在计算机系统结构的层次结构中，机器被定义为（能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构）的集合体。
10、目前M0由（硬件）实现，M1用（微程序（固件））实现，M2到M5大多用（软件）实现。
以（软件）为主实现的机器成为虚拟机。
（虚拟机）不一定全用软件实现，有些操作也可用（固件或硬件）实现。
11、透明指的是（客观存在的事物或属性从某个角度看不到），它带来的好处是（简化某级的设计），带来的不利是（无法控制）。
12、计算机系统结构也称（计算机体系结构），指的是（传统机器级的系统结构）。
它是（软件和硬件/固件）的交界面，是机器语言汇编语言程序设计者或编译程序设计者看到的（机器物理系统）的抽象。
13、计算机组成指的是（计算机系统结构的逻辑实现），包括（机器级内的数据流和控制流）的组成及逻辑设计等。
计算机实现指的是（计算机组成的物理实现），它着眼于（器件）技术和（微组装）技术。
14、确定指令系统中是否要设乘法指令属于（计算机系统结构），乘法指令是用专门的高速乘法器实现还是用加法器实现属于（计算机组成），乘法器和加法-移位器的物理实现属于（计算机实现）。
15、主存容量与编址方式的确定属于（计算机系统结构），主存是否采用多体交叉属于（计算机组成），主存器件的选定属于（计算机实现）。
程序执行的过程-一文看懂计算机执行程序的过程
程序执⾏的过程-⼀⽂看懂计算机执⾏程序的过程程序就是指令的集合，为使计算机按预定要求⼯作，⾸先要编制程序。
程序是⼀个特定的指令序列，它告诉计算机要做哪些事，按什么步骤去做。
指令是⼀组⼆进制信息的代码，⽤来表⽰计算机所能完成的基本操作。
1、程序 程序是为求解某个特定问题⽽设计的指令序列。
程序中的每条指令规定机器完成⼀组基本操作。
如果把计算机完成⼀次任务的过程⽐作乐队的⼀次演奏，那么控制器就好⽐是⼀位指挥，计算机的其它功能部件就好⽐是各种乐器与演员，⽽程序就好像是乐谱。
计算机的⼯作过程就是执⾏程序的过程，或者说，控制器是根据程序的规定对计算机实施控制的。
例如，对于算式 计算机的解题步骤可作如下安排： 步骤1：取a ； 步骤2：取b ； 步骤3：判断； 若 b≥0，执⾏步骤4 若b＜0，执⾏步骤6 步骤4：执⾏a＋b； 步骤5：转步骤7； 步骤6：执⾏a－b； 步骤7：结束。
计算机的⼯作过程可归结为：取指令→分析指令→执⾏指令→再取下⼀条指令，直到程序结束的反复循环过程。
通常把其中的⼀次循环称为计算机的⼀个指令周期。
总之，我们可把程序对计算机的控制归结为每个指令周期中指令对计算机的控制。
2、指令 程序是由指令组成的。
指令是机器所能识别的⼀组编制成特定格式的代码串，它要求机器在⼀个规定的时间段（指令周期）内，完成⼀组特定的操作。
指令的基本格式可归结为操作码OP和操作数地址AD两部分，具体内容是： ⑴指出计算机应完成的⼀组操作内容，如传送（MOV）、加法（ADD）、减法（SUB）、输出、停机（HLT）、条件转移（JZ）等。
这部分称为指令的操作码部分。
⑵两个操作数的地址和存放结果的地址及寻址⽅式。
⑶为保证程序执⾏的连续性，在执⾏当前指令时，还需指出下⼀条指令的地址。
由于指令在存储器中⼀般是顺序存放的，所以只要设置⼀个指令指针（IP），每执⾏⼀条指令，IP⾃动加1，便⾃动指出下⼀条指令的地址，⽽不必在指令中专门指出下⼀条指令的地址。
计算机组成原理考点
1.冯·诺依曼型计算机的基本特点是什么？答：采用二进制形式表示数据和指令。
指令由操作码和地址码组成。
•将程序和数据存放在存储器中，使计算机在工作时从存储器取出指令加以执行，自动完成计算任务。
这就是“存储程序”和“程序控制”（简称存储程序控制）的概念。
•指令的执行是顺序的，即一般按照指令在存储器中存放的顺序执行，程序分支由转移指令实现。
计算机由存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成，并规定了5部分的基本功能。
冯•诺依曼型计算机的基本特点也可以用“存储程序”和“程序控制”来高度概括。
2.计算机硬件有哪些部件，各部件的作用是什么？答：计算机的硬件系统由有形的电子器件等构成的，它包括运算器、存储器、控制器、输入输出设备及总线系统组成。
而总线分为数据总线、地址总线、控制总线，其结构有单总线结构、双总线结构及多总线结构。
存储器（Memory）是用来存放数据和程序的部件；运算器是对信息进行运算处理的部件；控制器是整个计算机的控制核心。
它的主要功能是读取指令、翻译指令代码、并向计算机各部分发出控制信号，以便执行指令；输入设备能将数据和程序变换成计算机内部所能识别和接受的信息方式，并顺序地把它们送入存储器中；输出设备将计算机处理的结果以人们能接受的或其它机器能接受的形式送出。
1、什么是总线？以总线组成计算机有哪几种组成结构？答：总线（Bus）就是计算机中用于传送信息的公用通道，是为多个部件服务的一组信息传送连接线。
按照总线的连接方式，计算机组成结构可以分为单总线结构、双总线结构和多总线结构等（详细内容见第7章）。
2、什么是硬件、软件和固件？什么是软件和硬件的逻辑等价？在什么意义上软件和硬件是不等价的？答：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）是指能使计算机工作的程序和程序运行时所需要的数据，以及与这些程序和数据有关的文字说明和图表资料，其中文字说明和图表资料又称为文档。
计算机系统结构__《张晨曦、王志英》课后习题参考答案
计算机系统结构__《张晨曦、王志英》课后习题参考答案第1章计算机系统结构的基本概念1.1 解释下列术语层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。
这些层次依次为：微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，高级语言机器级，应用语言机器级等。
虚拟机：用软件实现的机器。
翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。
解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。
执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。
计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机实现：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。
系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。
Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。
包括时间局部性和空间局部性。
CPI：每条指令执行的平均时钟周期数。
测试程序套件：由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用来测试计算机在各个方面的处理性能。
存储程序计算机：冯·诺依曼结构计算机。
其基本点是指令驱动。
程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。
1什么是程序存储工作方式
习题一1.什么是程序存储工作方式？答：计算机的工作方式——存储程序工作方式。
即事先编写程序，再由计算机把这些信息存储起来，然后连续地、快速地执行程序，从而完成各种运算过程。
2.采用数字化方法表示信息有哪些优点？用数字化方法表示信息的优点：（1）抗干扰能力强, 可靠性高。
（2）依靠多位数字的组合，在表示数值时可获得很宽的表示范围以及很高的精度。
（3）数字化的信息可以存储、信息传送也比较容易实现。
（4）可表示的信息类型与范围及其广泛，几乎没有限制。
（5）能用逻辑代数等数字逻辑技术进行信息处理，这就形成了计算机硬件设计的基础。
3.如果有7×9点阵显示出字符A的图像，请用9个七位二进制代码表示A的点阵信息。
4.数字计算机的主要特点是什么？1.（1）能在程序控制下自动连续地工作；（2|）运算速度快；（3）运算精度高；（4）具有很强的信息存储能力；（5）通用性强，应用领域及其广泛。
5.衡量计算机性能的基本指标有哪些？答：衡量计算机性能的基本指标：（1）基本字长——参加一次运算的数的位数；（2）数据通路宽度——数据总线一次能并行传送的位数；（3）运算速度——可用①CPU的时钟频率与主频，②每秒平均执行指令数，③典型四则运算的时间来表示。
（4）主存储器容量——可用字节数或单元数（字数）×位数来表示。
（5）外存容量——常用字节数表示。
（6）配备的外围设备及其性能。
（7）系统软件配置。
7.系统软件一般包括哪些部分？列举你所熟悉的三种系统软件。
系统软件一般包括操作系统，编译程序、解释程序、各种软件平台等。
例如WINDOWS98操作系统，C语言编译程序等，数据库管理系统。
8.对源程序的处理有哪两种基本方式？对源程序的处理通常有两种处理方式：解释方式和编译方式。
习题二1.将二进制数(101010.01)2转换为十进制数及BCD码。
解：(101010.01)2 = (42.25)10 = (01000010.00100101)BCD2.将八近制数(37.2)8转换为十进制数及BCD码.解:(37.2)8 = (31.25)10 =(011001.010101)BCD3.将十六进制熟(AC.E)转换为十进制数及BCD码.解: (AC.E)16 =(174.875)10 = (000101110100.100001110101)BCD4.将十进制数(75.34)10转换为8位二进制数及八进制数、十六进制数。
机器指令和微程序之间的关系
机器指令和微程序之间的关系1. 引言机器指令和微程序都是计算机中关键的概念，它们之间存在密切的关系。
机器指令是计算机硬件能够直接执行的指令，而微程序则是一种软件层面的实现方式，用于解释和执行机器指令。
本文将详细介绍机器指令和微程序之间的关系，并探讨它们在计算机系统中的作用。
2. 机器指令2.1 定义机器指令是计算机硬件能够直接理解和执行的指令。
它由一系列二进制代码组成，用于告诉计算机执行特定的操作，如加法、减法、逻辑运算等。
每个处理器都有自己特定的机器指令集，例如x86、ARM等。
2.2 功能机器指令是计算机中最基本的操作单位，它能够完成各种底层操作，如数据传输、算术运算、逻辑运算等。
通过组合不同的机器指令，可以实现复杂的计算和控制功能。
2.3 编写和执行编写机器指令需要了解目标处理器的体系结构和指令集。
通常使用汇编语言来编写机器指令，然后通过汇编器将其转换为机器代码。
计算机系统在执行时，将机器指令加载到内存中，并由处理器逐条执行。
3. 微程序3.1 定义微程序是一种软件层面的实现方式，用于解释和执行机器指令。
它是一系列微操作的序列，每个微操作对应一个基本的硬件控制信号。
微程序存储在计算机的控制存储器中，可以动态地修改和扩展。
3.2 功能微程序负责解码和执行机器指令。
每个机器指令都对应一个微程序入口点，当处理器读取到一个机器指令时，它会根据该指令查找相应的微程序入口点，并开始执行对应的微操作序列。
通过修改和扩展微程序，可以实现新的指令和功能。
3.3 设计和实现设计微程序需要了解目标处理器的体系结构和控制信号。
通常使用专门的设计语言（如微码语言）来描述微操作和控制逻辑，并通过编译工具将其转换为二进制代码。
这些二进制代码被存储在控制存储器中，并由处理器逐条读取和执行。
4. 机器指令和微程序的关系4.1 执行过程机器指令和微程序之间存在一种父子关系。
当处理器读取到一个机器指令时，它会根据该指令查找相应的微程序入口点，并开始执行对应的微操作序列。
2022年河西学院数据科学与大数据技术专业《计算机系统结构》科目期末试卷A(有答案)
2022年河西学院数据科学与大数据技术专业《计算机系统结构》科目期末试卷A(有答案）一、选择题1、推出系列机的新机器，不能更改的是（）。
A.原有指令的寻址方式和操作码B.系统总线的组成C.数据通路宽度D.存储芯片的集成度2、计算机系统的层次结构按照由高到低的顺序分别为（）。
A.高级语言机器级，汇编语言机器级，传统机器语言机器级，微程序机器级B.高级语言机器级，应用语言机器级，汇编语言机器级，微程序机器级C.应用语言机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，操作系统机器级D.应用语言机器级，操作系统机器级，微程序机器级，传统机器语言机器级3、下列说法正确的是（）A."一次重叠"是一次解释一条指令B."一次重叠"是同时解释相邻两条指令C.流水方式是同时只能解释两条指令D."一次重叠"是同时可解释很多条指令4、虚拟存储器常用的地址映象方式是( )A.全相联B.段相联C.组相联D.直接5、从计算机系统结构上讲，机器语言程序员所看到的机器属性是( )。
A.计算机软件所要完成的功能B.计算机硬件的全部组成C.编程要用到的硬件组织D.计算机各部件的硬件实现6、Cache存贮器常用的地址映象方式是( )。
A.全相联映象B.页表法映象C.组相联映象D.段页表映象7、与全相联映象相比，组相联映象的优点是( )A.目录表小B.块冲突概率低C.命中率高D.主存利用率高8、下列关于标量流水机的说法不正确的是（）A.可对标量数据进行流水处理B.没有向量数据表示C.不能对向量数据进行运算D.可以对向量、数组进行运算9、浮点数尾数下溢处理时，最大误差最大，但下溢处理不需要时间，平均误差又趋于0的方法是( )。
A.截断法B.舍入法C.ROM查表法D.恒置"1"法10、（）属于MIMD系统结构。
A.各处理单元同时受同一个控制单元的管理B.各处理单元同时接受同一个控制单元送来的指令C.松耦合多处理机和多计算机D.阵列处理机二、填空题11、直接网络可分为3类：________和________、超立方体网络。
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12/37战德臣 教授冯.诺依曼(Von.Neumann)计算机
1944~1945年间，冯.诺伊曼提出 “存储程序”的计算机设计思想，并进行了实践，现代计 算机普遍来讲属于冯.诺伊曼机体系。
冯.诺伊曼机的基本思想：
运算和存储分离 存储程序：指令和数据以同等地位事先存于存储器, 可按地址寻访, 连续自动执行。
0110101
程 序
通用机器
…10001110110
输入
由“程序”控制 输入“转换”为 输出
10001…
输出
0110101
1. 图灵机的思想与模型简介 1.2 图灵认为什么是计算?
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战德臣 教授
图灵机的思想
是关于数据、指令、程序及程序/指令自动执行的基本思想。
输入被制成一串0和1的纸带，送入机器中----数据。如00010000100011… 机器可对输入纸带执行的基本动作包括：“翻转0为1”，或 “翻转1为0”, “前移一 位”, “停止”。 对基本动作的控制----指令，机器是按照指令的控制选择执行哪一个动作，指令也可以 用0和1来表示：01表示“翻转0为1”(当输入为1时不变)，10表示“翻转1为0”(当输入0时 不变), 11表示“前移一位”, 00表示“停止”。 输入如何变为输出的控制可以用指令编写一个程序来完成, 如: 011110110111011100… 机器能够读取程序，按程序中的指令顺序读取指令， 读一条指令执行一条指令。由此实现自动计算。
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战德臣 教授
高级语言程序的示例
计算任一个ax2+bx+c的高级语言程序示例。 其中a,x,b,c等均是变量。变量的地址是由编 译程序在编译过程中自动分配的，也即是说编 译器根据当时编译的情况，分配a,x,b,c为8 号，9号，10号，11号存储单元。并产生上述 的机器指令程序
内容提要
冯.诺依曼计算机: 思想与构成 自动存取：存储器的工作原理
<X,Y,R>，其含义见前页)
执 行 过 程
功能：将一串1的后面再加一位1。
1. 图灵机的思想与模型简介 1.3 图灵机是什么?
几点结论(续):
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战德臣 教授
(3)图灵机模型 被认为是计算机的基本理论模型----计算机是使用相应的程序来 完成任何设定好的任务。 图灵机是一种离散的、有穷的、构造性的问题求解思路，
3.自动存取：存储器的工作原理 3.2 存储器是怎样存储0和1的? 又是怎样控制存取的?
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战德臣 教授
存储矩阵的逻辑控制关系示例
W0 = (NOT A0) AND (NOT A1) W1 = A0 AND (NOT A1) W2 = (NOT A0) AND A1 W3 = A0 AND A1
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战德臣 教授
存储器内部的实现示例
当地址线和数据线间连接有二极 管时，则由地址线决定其是1或0，
即：当地址线为高电平时，则为1，
而当地址线为低电平时，则为0。没 有连接的，则不受地址线影响，始 终连接到低电平。
二极管ROM结构示例 (2位地址控制4个信息单元, 每个信息单元是4位0/1码)
五大部件构成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备
指令和数据用二进制表示，指令由操作码和地址码组成 以运算器为中心，控制器负责解释指令，运算器负责执行指令
2.冯.诺依曼计算机: 思想与构成 13/37 2.2 冯.诺依曼计算机的结构是怎样的? 部件有哪些? 部件的关系怎样?
战德臣 教授
(8)执行指令：发送操作数a所在地址
(9)执行指令：取出操作数a (10)执行指令：通知运算器计算a乘x (11)继续后续指令的取指、执行„
(4)执行指令：发送操作数x所在地址
(5)执行指令：取出操作数x
2.冯.诺依曼计算机: 思想与构成 2.5 什么是CPU? 现代计算机的几大部件是什么?
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可在机器上执行的求解问题的操作规则及步骤, 被称为可执行的算法。
问：怎么看待算法节省的步数? ---算法需要“优化”
4. 机器级程序 4.2 机器指令是怎样的?
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战德臣 教授
机器指令
机器指令是CPU可以直接分析并执行的指令， 一般由0和１的编码表示。
指令 操作码 + 地址码；
2.冯.诺依曼计算机: 思想与构成 2.4 冯.诺依曼计算机的工作原理是怎样的?
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战德臣 教授
工作原理 运算器
(9) (5) (10) (1) (7) (3)
控制台
控制器
(2)(4)(6) (8)
存储器
(1)启动控制器工作 (2)发送第1条指令地址 (3)取出指令并分析指令
(6)发送下一条指令地址 (7)取出指令并分析指令
高/低电平信号，即0,1， 通过连接点相互传递 Wi是地 址线
D3 = D2 = D1 = D0 =
W0 W1 W1 W0
OR OR OR OR
W2 W2 OR W3 W2 W1 OR W3
同一地址线上各连 接点之间是“与” 关系 地址编码线与地 址线有点连接， 无点不连接
Ak是地址编码线
1 0 1 0
同一条数据线上各连 接点之间是“或”关 系
Dj是数据线
0 0 0 1 0 1 0 1
上半区通过“与”关系产生地 址线上的最终信号传递到下半 区 地址线与数据线 有点连接，无点 不连接
3.自动存取：存储器的工作原理 3.3 存储器芯片容量不够了怎么办?
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战德臣 教授
存储器芯片的连接
用多个存储器芯片可搭建容量更大的存储器。
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战德臣 教授
图灵及其贡献
图灵(Alan Turing, 1912~1954)，出生于英国伦敦，19 岁入
剑桥皇家学院，22 岁当选为皇家学会会员。 1937 年，发表了论文《论可计算数及其在判定问题中的应 用》，提出了图灵机模型，后来，冯〃诺依曼根据这个模型设 计出历史上第一台电子计算机。
一个问题的求解可以通过构造其图灵机(即程序)来解决。
(4)图灵认为：凡是能用算法方法解决的问题也一定能用图灵机解决; 凡是图灵机
解决不了的问题任何算法也解决不了----图灵可计算性问题。 (5)这里只是思想性的介绍，更为细致内容需要在《形式语言与自动机》课程中 学习！
内容提要
冯.诺依曼计算机: 思想与构成
寄存器
算术逻辑部件
程序计数器PC
指令寄存器 信号控制器 时钟与信号发生器 存储单元地址 存储单元内容
的指令集。其定义了机器在一个特定状态q下从方
格中读入一个特定字符X时所采取的动作为在该方 格中写入符号Y, 然后向右移一格R (或向左移一格L 或不移动N), 同时将机器状态设为p供下一条指令
使用。
1. 图灵机的思想与模型简介 1.3 图灵机是什么?
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战德臣 教授
图灵机模型示例。 (注:圆圈内的是状态，箭线上的是
战德臣 教授
存储器的基本结构
存 储 器 电 路 结 构 概 念 图
宿舍楼
房间
概念映射
存储器
存储单元
存储位(存0或存1)
地址编码An-1…A0 单元控制线Wi 输出缓冲器 …
床位(住人/不住人)
房间号 房间钥匙 公共的走廊及大门 ……
从存储器与宿舍楼的概念对比 中，你能发现什么异同吗？
3.自动存取：存储器的工作原理 3.2 存储器是怎样存储0和1的? 又是怎样控制存取的?
大学计算机-计算思维导论
OK ZhanDC
第4讲 冯.诺依曼计算机： 机器级程序及其执行
OK ZhanDC
内容提要
基本目标:
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战德臣 教授
理解程序及其硬件实现思维
基本思维：机器级算法与程序机器指令与指令系统存储器存储程序运算器与 控制器机器级程序的执行；算法程序化程序指令化指令存储化执行信号化
1950 年，发表了划时代的文章：《机器能思考吗?》,成为了人
工智能的开山之作。 计算机界于1966年设立了最高荣誉奖：ACM
图灵奖。
你能查阅一下哪些人获得图灵奖了吗？ 因为什么贡献而获奖呢？
1. 图灵机的思想与模型简介 1.2 图灵认为什么是计算?
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战德臣 教授
计算
所谓计算就是计算者(人或机器)对一条两端可无限延长的纸带上的一串 0或1，执行指令一步一步地改变纸带上的0或1，经过有限步骤最后得到 一个满足预先规定的符号串的变换过程。
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图灵机的思想与模型简介—指令、程序与程序执行
机器级程序：机器指令与机器级算法与程序
机器级程序的执行机制：运算与控制、指令的信号化节拍化
机器级程序的执行过程模拟：程序的硬件执行过程
4. 机器级程序 4.1 什么是算法?
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战德臣 教授
算法---从冯.诺依曼计算机的角度
机器语言
000001 0000000100
000001 0000001100 000001 0000001000
4. 机器级程序 4.3 怎样用机器指令表达算法?
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机器级程序
832+23+6; ax2+bx+c。
4. 机器级程序 4.4 高级语言程序和机器有什么关系呢?
内容提要
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图灵机的思想与模型简介—指令、程序与程序执行
冯.诺依曼计算机: 思想与构成 自动存取：存储器的工作原理 机器级程序：机器指令与机器级算法与程序 机器级程序的执行机制：运算与控制、指令的信号化节拍化
机器级程序的执行过程模拟：程序的硬件执行过程
1. 图灵机的思想与模型简介 1.1 图灵是谁?