复习题— 计算机组成原理

1.2 如何理解计算机系统的层次结构？

解：（1）第一级：实际机器M1 (机器语言机器)，机器语言程序直接在M1上执行；

（2）第二级：虚拟机器M2（汇编语言机器），将汇编语言程序先翻译成机器语言程序，再在M1上执行；

（3）第三级：虚拟机器M3(高级语言机器)，将高级语言程序先翻译成汇编语言程序，再在M2、M1（或直接到M1）上执行；

（4）第零级：微程序机器M0（微指令系统），由硬件直接执行微指令。

（5）实际上，实际机器M1和虚拟机器M2之间还有一级虚拟机，它是由操作系统软件构成，该级虚拟机用机器语言解释操作系统。

（6）虚拟机器M3还可以向上延伸，构成应用语言虚拟系统。

1.5 冯·诺依曼计算机的特点是什么？

解：冯·诺依曼计算机的特点是：（1）计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；（2）指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；（3）指令和数据均用二进制表示；（4）指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；（5）指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；（6）机器以运算器为中心（典型的冯·诺依曼机）。

1.6 画出计算机硬件组成框图，说明各部件的作用及计算机硬件的主要技术指标。

解：现代的计算机组成框图如图1.1所示：

各部件的作用：(1)运算器用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器内；(2)存储器用来存放数据和程序；(3)控制器用来控制、指挥程序和数据的输入，运行以及处理运算结果。(4)输入设备用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式，常见有键盘、鼠标等

(5)输出设备可以将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式，如打印机输出，显示器输出。硬件的主要技术指标：

(1) 机器字长：指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。 (2) 存储容量：包括主存容量和辅存容量，存放二进制代码的总数＝存储单元个数×存储字长。(3) 运算速度：主频、Gibson法、MIPS每秒执行百万条指令、CPI执行一条指令所需时钟周

期数、FLOPS每秒浮点运算次数。

3.4为什么要设置总线判优控制？常见的集中式总线控制有几种？各有何特点？哪种方式响应时间最快？哪种方式对电路故障最敏感？

解：总线判优控制（或称仲裁逻辑）解决多个部件同时申请总线时的使用权分配问题，分为集中式和分布式两种，前者将控制逻辑集中在一处（如在CPU中），后者将控制逻辑分散在与总线连接的各个部件或设备上。

常见的集中式总线控制有三种：链式查询、计数器定时查询、独立请求；

特点：链式查询方式连线简单，易于扩充，对电路故障最敏感；计数器定时查询方式优先级设置较灵活，对故障不敏感，连线及控制过程较复杂；独立请求方式速度最快，但硬件器件用量大，连线多，成本较高。

3.8为什么说半同步通信同时保留了同步通信和异步通信的特点？

解：半同步通信既能像同步通信那样由统一时钟控制，又能像异步通信那样允许传输时间不一致，因此工作效率介于两者之间。

4.3存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？

答：存储器的层次结构主要体现在Cache-主存和主存-辅存这两个存储层次上。 Cache-主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。

主存-辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。

综合上述两个存储层次的作用，从整个存储系统来看，就达到了速度快、容量大、位价低的优化效果。

主存与CACHE之间的信息调度功能全部由硬件自动完成。而主存与辅存层次的调度目前广泛采用虚拟存储技术实现，即将主存与辅存的一部分通过软硬结合的技术组成虚拟存储器，程序员可使用这个比主存实际空间（物理地址空间）大得多的虚拟地址空间（逻辑地址空间）编程，当程序运行时，再由软、硬件自动配合完成虚拟地址空间与主存实际物理空间的转换。因此，这两个层次上的调度或转换操作对于程序员来说都是透明的（即程序员不知道）。

4.9什么叫刷新？为什么要刷新？说明刷新有几种方法。

解：刷新：对DRAM定期进行的全部重写过程。

刷新原因：因电容泄漏而引起的DRAM所存信息的衰减需要及时补充，因此安排了定期刷新操作。

常用的刷新方法有三种：集中式、分散式、异步式。

集中式：在最大刷新间隔时间内，集中安排一段时间进行刷新，存在CPU访存死时间。分散式：在每个读/写周期之后插入一个刷新周期，无CPU访存死时间。

异步式：是集中式和分散式的折衷。

4.25什么是“程序访问的局部性”？存储系统中哪一级采用了程序

访问的局部性原理？

解：所谓程序访问的局部性即在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问；在空间上，这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区；在访问顺序上，指令顺序执行比转移执行的可能性大 (大约 5:1 )。

存储系统的Cache—主存级和主存—辅存级都用到程序访问的局部性原理。对Cache—主存级而言，把CPU最近期执行的程序放在容量较小速度较高的Cache中。对主存—辅存级而言，把程序中访问频度高、比较活跃的部分放在主存中，这样既提高了访存速度又扩大了存储器容量。

4.33 简要说明提高访存速度可采取的措施。

解：提高访存速度可采取的措施：

(1) 采用高速器件，选取存取周期短的芯片，可提高存储器的速度；

(2) 采用Cache，CPU将最近期要用的信息先调入Cache，而Cache的速度比主存快

得多，这样CPU每次只需从Cache中取出或存入信息，从而缩短了访存时间，提高了访存速度。

(3) 调整主存结构，如采用单体多字结构（在一个存取周期内读出多个存储字，可增

加存储器的带宽），或采用多体结构存储器。

5.35 试从5方面比较程序中断方式和DMA 方式的区别。

解：DMA方式和程序中断方式的区别为：（1）从数据传送看，程序中断方式靠程序传送，DMA方式靠硬件传送；（2）从CPU响应时间看，程序中断方式在一条指令执行结束时响应，而DMA方式在存取周期结束时CPU才能响应，即将总线控制权让给DMA传送；（3）程序中断方式有处理异常事件的能力，DMA方式没有这种能力；（4）程序中断方式需要中断现行程序，故需保护现场，DMA方式不必中断现行程序，无需保护现场；（5）DMA的优先级比程序中断高。

7.21比较RISC和CISC。

答：RISC相对于CISC的优点：（1）充分利用VLSI芯片的面积；

（2）提高计算机的速度；

（3）便于设计，可降低成本，提高可靠性；（4）有效支持高级语言程序。

RISC缺点：CISC大多能实现软件兼容，即高档机包含了低档机的全部指令，并加以扩充。但RISC机简化了指令系统，指令数量少，格式也不同于老机器，因此大多数RISC机不能与老机器兼容。

8.9 当遇到什么情况时流水线将受阻？举例说明。

解：流水线受阻一般有三种情况：

（1）在指令重叠执行过程中，硬件资源满足不了指令重叠执行要求，发生资源冲突。如在同一时间，几条重叠执行的指令分别要取指令、取操作和存结果，都需要访存，就会发生访存冲突。

（2）在程序的相邻指令之间出现了某种关联，如当一条指令需要用到当前指令的执行结果，而这些指令均在流水线中重叠执行，就可能引起数据相关。

（3）当流水线遇到分支指令时，如一条指令要等前一条指令（或几条）指令作出转移方向的决定后，才能进入流水线时，便发生控制相关。