【期末复习】计算机组成原理

海明码

最通俗的海明码计算方法，不需记公式，套步骤即可（可能都不需要理解）
https://www.bilibili.com/video/BV1tL4y1h7Fd/
接上一海明码视频（海明码的纠错）
https://www.bilibili.com/video/BV1tf4y1A7NX/

判断

计算机系统主要是指计算机硬件系统，包括处理器、存储器和输入输出设备。

MIPS 是衡量计算机性能的指标。

√

机器数 1101 1000 逻辑右移 1 位后为为 0110 1100.

√

码距越大，其抗干扰能力、纠错能力越强，并且数据冗余越小，编码效率越高。
×

存储器按存取方式分类可分为随机存储器、顺序存储器、和直接存储器。

√

分散刷新的优点是读写操作期间不受刷新操作的影响，因此存储器的速度比较快，缺点是存在较长时间的“死区”。

当存储芯片的存储容量不能满足存储器对存储容量的要求时，可采用字扩展方式来扩展存储器。

√

间接寻址中形式地址 D 给出的不是操作数的有效地址，而是寄存器号，以寄存器的内容为地址访问主存单元。

CPU 的寄存器中一定有程序计数器。

√

一次总线事务中，主设备只需给出一个首地址，从设备就能从首地址开始的若干连续单元读出或写入多个数据。这种总线实物方式称为突发传输。
√

定点小数和定点整数的区别在于小数点的位置是在最高数位之前或最低数位之后，小数点采用 0 或 1 进行表示。

CPI 指每个时钟周期 CPU 能执行的指令条数。

一段程序的执行时间由硬盘访问时间、内存访问时间、I/O 操作时间、操作系统开销时间和 CPU 执行时间等几部分构成。

√

原码在计算机中目前仅仅用于表示浮点数的尾码。

√

溢出检测中可以根据运算过程中最高数据位的进位与符号位的进位是否一致进行检测。

√

在计算机运算器中，ALU（算术逻辑单元）不仅可以执行基本的算术运算（如加法、减法），还可以执行逻辑运算（如与、或、非）和移位操作。

√

在计算机系统中，总线系统只负责在 CPU 和内存之间传输数据，不涉及其他外部设备的通信。

在冯 ·诺依曼结构的计算机系统中，指令和数据是存储在同一存储器中的，并通过相同的总线进行传输。
√

CPU 的寄存器中一定有程序计数器。
√

单选

下列关于冯 ·诺依曼结构计算机基本思想的叙述中，错误的是。

A. 程序的功能都通过中央处理器执行指令实现

B. 指令和数据都用二进制表示，形式上无差别

C. 指令按地址访问，数据都在指令中直接给出

D. 程序执行前，指令和数据需预先存放在存储器中

C. 指令按地址访问，数据都在指令中直接给出

由 3 个“1”和 5 个“0”组成的 8 为二进制补码，能表示的最小整数是（）。

A. -126

B. -125

C. -32

D. -3

B. -125

如果 x=103，y=-25 ，结果采用 8 位定点补码表示，下列会发生溢出的是（）。

A. x+y

B. -x+y

C. x-y

D. -x-y

C. x-y

相联存储器是按进行寻址访问的存储器。

A. 地址指定方式

B. 内容指定方式

C. 堆栈访问方式

D. 队列访问方式

B. 内容指定方式

下列关于 CaChe 的说法中，正确的是()

A. 如果选用最优替换算法，则 CaChe 的命中率可以达到 100%

B.CaChe 本身速度加快，比提高 CaChe 的访问效率更有利于提升存储器的等效访问速度

C. 采用直接映像时，CaChe 无需考虑替换问题

D. CaChe 的容量与主存的容量差别越大越好

C. 采用直接映像时，CaChe 无需考虑替换问题

下列有关指令周期的叙述中，错误的是。

A. 指令周期的第一个阶段一定是取指令阶段

B. 乘法指令和加法指令的指令周期总是一样长

C. 一个指令周期由若干个机器周期或时钟周期组成

D. 相对于 RISC，CISC 风格处理器的指令周期更长

B. 乘法指令和加法指令的指令周期总是一样长

相对于硬布线控制器，微程序控制器的特点是（）。

A. 指令执行速度慢，指令功能的修改和扩展容易

B. 指令执行速度快，指令功能的修改和扩展容易

C. 指令执行速度快，指令功能的修改和扩展难

D. 指令执行速度慢，指令功能的修改和扩展难

A. 指令执行速度慢，指令功能的修改和扩展容易

下列寻址方式中，最适合按照下标顺序访问一维数组元素的是

A. 相对寻址

B. 寄存器寻址

C. 直接寻址

D. 变址寻址

D. 变址寻址

下列关于多重中断系统的叙述中，错误的是（）。

A. 在一条指令执行结束时响应中断

B. 中断处理期间 CPU 处于关中断状态

C. 中断请求的产生与当前指令的执行无关

D. CPU 通过采样中断请求信号检测中断请求

B. 中断处理期间 CPU 处于关中断状态

计算机硬件能够直接执行的是。

Ⅰ.机器语言程序 Ⅱ.汇编语言程序 Ⅲ.硬件描述语言程序

A. 仅Ⅰ B. 仅Ⅰ、Ⅱ C. 仅Ⅰ、Ⅲ D. 仅Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ

A. 仅Ⅰ

考虑以下 C 语言代码：

unsigned short usi = 65535；

short si = usi；

执行上述程序后，si 的值是（）。

A. -1
B. -32767
C. -32768
D. -6553

A. -1

在计算机的运算器中，以下哪种操作不属于算术逻辑单元（ALU）的基本功能？

A. 加法

B. 逻辑与（AND）

C. 数据存储

D. 移位

C. 数据存储

在存储器分层体系结构中，存储器速度从最快到最慢的排列顺序是。

A. 寄存器一主存一 cache — 辅存

B. 寄存器一主存一辅存一 cache

C. 寄存器一 cache —辅存一主存

D. 寄存器一 cache —主存一辅存

D. 寄存器一 cache —主存一辅存

在计算机指令系统中，以下哪种寻址方式将操作数直接嵌入到指令中？

A. 立即数寻址

B. 直接寻址

C. 间接寻址

D. 寄存器寻

A. 立即数寻址

在现代 CPU 中，用于存储处理器当前执行状态的寄存器是：

A. 通用寄存器

B. 程序计数器

C. 栈指针

D. 状态寄存器

D. 状态寄存器

在 CPU 中，控制单元的主要功能是什么？

A. 执行算术和逻辑运算

B. 管理和协调 CPU 内部各部分的工作

C. 存储数据和指令

D.处理输入和输出操作

B. 管理和协调 CPU 内部各部分的工作

在计算机的输入输出系统中，控制器的主要功能是：

A. 管理外部设备与 CPU 之间的数据传输

B. 存储和检索程序指令

C. 进行算术和逻辑运算

D. 提供电源管理和温度监测

A. 管理外部设备与 CPU 之间的数据传输

在计算机的输入输出系统中，以下哪种技术允许 CPU 在数据传输过程中继续执行其他任务，而无需等待数据传输完成？

A. 中断驱动 I/O

B. DMA

C. 通道 I/O

D. 轮询方式

B. DMA

填空

在 8 位的计算机上，补码 00010001 表示的符号整数为( ) ，补码 11101110 表示的符号整数为( ) .

17   -18

某字长为 8 为的计算机中，已知整型变量 x、y 的机器数分别为[x]补 = 1111 0100，[y]补 = 10110000,若整型变量 z = 2 * x + y / 2 ，则 z 的机器数为 _____ 。

11000000

某计算机主存容量为 64KB，其中 ROM 区为 4KB ，其余为 RAM 区，按字节编址。现要用 2K8 位的 ROM 芯片和 4K4 位的 RAM 芯片来设计该存储器，则需要上述规格的 ROM 芯片 _____ 片、RAM 芯片数 _____ 片。

2    
30

在 8 位的计算机上，整数 45 的补码为 _____ 。整数-45 的补码为 _____ 。
注：请填 8 位二进制补码

00101101
11010011

若浮点数为 17.625 ，其对应的 32 位 IEEE754 标准的十六进制存储格式为 _____ 。

418D0000

在一个计算机系统中，如果每个指令的平均时钟周期数（CPI）为 1.5 ，并且每秒钟运行的时钟周期数为 2×10^9 ，则该计算机的每秒钟能够执行的指令数（IPC Instructions Per Second）为 _____ 条。

在 CPU 中， _____ 是一个重要的寄存器，它存储了当前正在执行的指令的地址。每当 CPU 执行完一条指令后，该寄存器会被更新，指向下一条要执行的指令的地址。

PC寄存器|程序计数器

计算机系统中，总线是一种物理结构，它负责连接 CPU、内存和各种外部设备，以实现数据和控制信号的传输。其中， _____ 用于传输地址信息， _____ 用于传输数据信息。

地址总线
数据总线

根据总线的功能 , 可以将总线分为：数据总线、地址总线和 _____ 。

控制总线

某计算机的cache共有16块，采用八路组相联映射方式(即每组8块)。每个主存块大
小为32B，按字节编址。主存165号单元所在主存块应装入的cache组号为 _____ (填阿拉伯数字)。

简答

请写出浮点数加减的运算步骤。

浮点数加减运算的步骤: p27
1、对阶操作,即比较两个浮点数的阶码值的大小;
2、实现尾数的加(减)运算,对两个完成对阶后的浮点数执行求和(差)操作。
3、规格化操作;
4、舍入操作;

什么叫指令？什么叫指令系统？并比较定长指令与变长指令的优缺点

指令是指控制计算机执行某种操作(如加、减、传送、转移等操作）的命令，它是CPU能直接识别并执行的基本功能单位。

一台计算机所有指令的集合称为该计算机的指令系统。

定长指令结构规整，有利于简化硬件，尤其是指令译码部件的设计。到那时指令字长的平均长度长、指令扩展不易。

变长指令结构灵活，能充分利用指令中的每一位，所以指令码点冗余少，指令字长平均长度短，易于指令扩展，但变长指令的格式不规整，不同指令取指时间可能不同，控制复杂。

什么是原码、反码和补码？它们在计算机中的应用是什么？

原码(Sign-Magnitude):原码表示法最直观，即用最高位表示符号位,0表示正数，1表示负数，其余位表示数值的绝对值。例如，+5的原码为00000101，而-5的原码为10000101。但原码表示法对于加减法不方便,因为需要分别处理正负数。

反码(One’s Complement):反码表示法在原码的基础上，正数的反码与其原码相同，负数的反码是原码取反（包括符号位)。例如，+5的反码仍为00000101，而-5的反码为11111010。反码表示法解决了原码加减法中的问题，但负零的存在和加法操作的进位问题依然存在。

补码(Two’s Complement):补码表示法是计算机中最常用的表示有符号整数的方法。在补码中，正数的补码与其原码相同，而负数的补码是其反码加1。例如，+5的补码仍为00000101，而-5的补码为11111011。补码表示法只有一个零，同时解决了加法中的进位问题，而且负数的表示唯一，简化了计算机的运算逻辑。

计算

设有一个具有 20 位地址和 32 位字长的存储器，问：
1、该存储器能存储多少个字节的信息？
2、如果用 512k×8 位的 SRAM 组成，需多少片？
3、需要多少位地址作芯片选择？

(1) 32位字长为4B，220=1M=1024K,存储器容量为220×4B=4MB，可存储4M字节的信息

(2) SRAM芯片容量为512Kx8位=512KB =0.5MB所需芯片数目为:4MB ÷0.5MB=8片

(3) 因为219 = 512K，即芯片片内地址线19位，存储器容量为1M,地址线为20位，故需1位地址线作芯片片选选择(CS)，用A19选第1个模块，用A19选第2个模块。

某计算机 A 有 60 条指令，指令的掉操作码字段固定为 6 位，从 000000~111011 ，该计算机的后续机型 B 中需要增加 32 条指令，并与 A 保持兼容。
1、试采用扩展操作码为计算机 B 设计指令操作码。
2、求出计算机 B 中操作码的平均长度

(1) 可以采用扩展操作码方式，将保留的4个状态111100~111111用于扩展指令，
将操作码扩展到地址字段，只需要占用地址字段3位即可表示4x2的3次方=32条新指令。

(2) 60条指令的操作码为6位，32条指令的操作码为9位。
平均长度为(60x6+32x9)/92≈7.04

大题

根据 CPU 的单总线结构图，完成下列各问

在这里插入图片描述

（1）系统取指令阶段需要完成的功能是什么？写出每个节拍的数据通路以及控制信号？

在这里插入图片描述

【答1】需要实现的功能是在存储器中取出指令放到指令寄存器中(2分)

节拍	数据通路	控制信号
T1	(PC)->AR,(PC)->X	PCout,ARint,Xin
T2	(X)+1->Z	+1,Read
T3	Z->PC, Mem[AR]->DR	Zout,PCin,DREin,Read
T4	(DR)->IR	DRout,IRin

（2）简要描述传统三级时序硬布线控制设计流程。并根据以下指令系统控制节点（取指周期根据（1）填写），写出传统三级时序硬布线控制器设计控制信号 Read、ARin 的逻辑表达式

在这里插入图片描述

【答2】设计三级时序产生器:
列出所有机器指令的指令周期流程图，明确每个节拍的控制信号;
找出产生同一微操作控制信号的条件;
写出各微操作控制信号的布尔表达式;
化简各表达式;
利用组合逻辑电路实现。(4分)
Read= MIF·(T2+T3)+ LOAD·MEX·(T2+T3)(3分)
ARin = MIF·T1+(LOAD+STORE)·MEX·T1 (3分)