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文章目录计算机组成原理1. 计算机系统由哪两部分组成计算机系统性能取决于什么2. 冯·诺依曼机的主要特点3. 主存储器由什么组成各部分有什么作用4. 什么是存储单元、存储字、存储字长、存储体5. 计算机系统五层层次结构从下到上由哪五层组成他们之间有哪些区别和联系哪些是物理机哪些是虚拟机6. 什么是翻译什么是解释7. 从源程序文件hello.c翻译成一个可执行文件hello.exe的过程是怎样的8. 主存储器中什么是MAR什么是MDR存储器的最大容量由什么决定假设MAR寄存器的位数为16位MDR寄存器的位数为16位存储器的最大容量是多少9. 机器字长存储字长10. 总线作用两大基本特征11. 什么是计算机体系结构什么是计算机组成原理以乘法指令为例说明二者区别。12. 系统整体的性能指标有哪些13. 存储器按存取方式可以分成哪几类哪些采用随机访问哪些采用串行访问14. 存储器的性能指标有哪些15. 简述多级存储系统。16. 存取时间、存取周期和主存带宽17. 随机存储器RAM包含哪两大类它们之间有什么区别18. DRAM的刷新方式有哪些19. 只读存储器有哪几种20. 存储器的扩展通常有位扩展和字扩展什么是字扩展什么是位扩展请举例简要说明21. 怎样提高CPU访问存储器的速度22. 多体并行系统有哪两种编址方式请简要说明其编址方式及其优点。23. 在CPU和内存之间引入cache的原因。24. 什么是程序的局部性原理25. 常见的Cache映射方式优缺点26. Cache常用的替换算法有哪些哪个命中率最高27. Cache写操作有哪两种方式28. 带TLB虚拟存储器的CPU访存过程29. I/O设备编址有哪两种方式各有什么优缺点30. 虚拟存储器31. 什么是指令有哪些分类32. 数据寻址方式有哪些33. 什么是RISC和CISC34. CPU的功能有哪些35. CPU有哪些基本结构36. 指令周期分为哪些数据流向如何37. 什么是指令流水线有哪些性能指标38. 影响流水线的因素有哪些39. 流水线的多发技术有哪些40. 什么是总线定时总线通信控制有哪几种41. I/O控制方式分为哪几种42. 简述中断处理过程。计算机组成原理
1. 计算机系统由哪两部分组成计算机系统性能取决于什么
计算机系统由硬件和软件两部分组成它们在逻辑上是等效的例如对于乘法运算可以设计一个专门的硬件电路来实现也可以通过执行多次加法运算来实现或者五大部件输入、输出设备存储器运算器控制器。计算机系统性能由硬件和软件共同决定。
2. 冯·诺依曼机的主要特点
1采用“存储程序”的工作方式。
2计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部分组成。
3指令和数据以同等地位存储在存储器中形式上没有区别但计算机能区分它们通过指令执行的不同阶段。
4指令和数据均用二进制代码表示。指令由操作码和地址码组成操作码指出操作的类型地址码指出操作数的地址。
5以运算器为中心I/O设备与存储器交换数据也要通过运算器CPU利用率极低因此现代计算器以存储器为中心。
3. 主存储器由什么组成各部分有什么作用 1存储体存放二进制信息。
2地址寄存器MAR存放访存地址。
3数据寄存器MDR暂存要从存储器中读或写的信息。
4时序控制逻辑用于产生存储器操作所需的各种时序信号。
4. 什么是存储单元、存储字、存储字长、存储体 存储单元存储一个存储字并具有特定存储地址的存储单位 存储字一个存储单元中存放的所有的二进制数据按照某个地址访问某个存储单元获取的二进制数据。 存储字长存储字中二进制数据的位数即按照某个地址访问某个存储单元获取的二进制数据的位数 存储体由多个存储单元构成的存储器件。
5. 计算机系统五层层次结构从下到上由哪五层组成他们之间有哪些区别和联系哪些是物理机哪些是虚拟机
1微程序机器、传统机器、操作系统机器、汇编语言机器、高级语言机器
2微程序机器和传统机器是物理机器属于硬件操作系统机器、汇编语言机器和高级语言机器是虚拟机器属于软件。各层次间下层是上层的基础上层是下层的扩展
3微程序机器和传统机器是物理机其他是虚拟机。 6. 什么是翻译什么是解释
1翻译将一种语言编写的程序全部翻译成另一种语言然后再执行只需翻译一次通常会生成可执行文件。如c语言。
2解释将源程序的一条语句翻译成另一种语言的对应语句并立即执行紧接着再翻译下一句每次执行都要翻译。如python。
7. 从源程序文件hello.c翻译成一个可执行文件hello.exe的过程是怎样的 8. 主存储器中什么是MAR什么是MDR存储器的最大容量由什么决定假设MAR寄存器的位数为16位MDR寄存器的位数为16位存储器的最大容量是多少
1MAR存储地址寄存器保存需要访问的存储单元地址。反映存储单元的个数。
2MDR存储数据寄存器缓存读出/写入存储单元的数据。反映存储字长。
3存储器的最大容量由MAR寄存器的位数和MDR寄存器的位数决定。
4MAR寄存器的位数为16位能表示的地址个数为2的16次方为64K
5MDR寄存器的位数为16位说明存储字长为16位也即2个字节
6存储器的最大容量为64K * 2B 128K Byte
9. 机器字长存储字长
机器字长CPU一次能够处理的二进制数据的位数。
存储字长按照某个地址访问某个存储单元获取的二进制数据的位数。
10. 总线作用两大基本特征 在冯诺依曼结构中各个部件之间均有单独连线不仅线多而且导致扩展I/O设备很不容易。即扩展一个I/O设备需要连接很多线。 因此引入了总线连接方式将多个设备连接在同一组总线上构成设备之间的公共传输通道。
1共享多个部件连接在同一组总线上各个部件之间都通过该总线进行数据交换。
2分时同一时刻总线上只能传输一个部件发送的信息
11. 什么是计算机体系结构什么是计算机组成原理以乘法指令为例说明二者区别。
1计算机体系结构是指程序员所见到的计算机的属性概念性的结构与功能特性。如指令系统、数据类型等
2计算机组成原理是指如何实现计算机体系结构所体现出来的属性对程序员透明
3以乘法指令为例计算机是否有乘法指令属于体系结构的问题乘法指令是采用专用的乘法器还是使用加法器和移位器构成属于计算机组成原理的问题
12. 系统整体的性能指标有哪些
1数据通路带宽数据总线一次所能并行传送信息的位数
2吞吐量系统在单位时间内处理请求的数量
3响应时间用户向计算机发送一个请求到系统对该请求作出响应并获取它所需要的结果的等待时间包括CPU时间与等待时间
13. 存储器按存取方式可以分成哪几类哪些采用随机访问哪些采用串行访问 14. 存储器的性能指标有哪些
1存储容量 存储字数 × 字长
2单位成本每位价格 总成本 / 总容量
3存储速度数据传输率 数据的宽度 / 存储周期
15. 简述多级存储系统。 1由下至上分别为外存、辅存、内存、高速缓冲存储器Cache和寄存器。价位越来越高速度越来越快容量越来越小CPU访问频率越来越高
2存储系统层次结构主要体现在“Cache - 主存”层次和“主存 - 辅存”层次。前者主要解决CPU和主存速度不匹配的问题由硬件自动完成对所有程序员完全透明后者主要解决存储系统的容量问题由操作系统和硬件共同完成对应用程序员透明对系统程序员不透明
16. 存取时间、存取周期和主存带宽 1存取时间启动一次存储器操作到完成本次操作所经历的时间
2存取周期进行一次完整的读写操作所需的全部时间即连续两次独立访问存储器操作之间所需的最小时间间隔包含存取时间和恢复时间
3主存带宽又称数据传输率表示每秒从主存进出信息的最大数量
17. 随机存储器RAM包含哪两大类它们之间有什么区别 1静态随机存储器SRAM和动态随机存储器DRAM都属于易失性存储器
2SRAM非破坏性读出不需要刷新。存取速度快但集成度低功耗大常用于Cache
3DRAM破坏性读出需要刷新。集成度高、价位低、容量大、功耗低但是速度比SRAM慢常用于主存
18. DRAM的刷新方式有哪些
1集中刷新在一个刷新周期内利用一段固定的时间对所有行进行再生在此期间停止读写操作称为“死时间”
2分散刷新把对每行的刷新分散到各个工作周期没有死区但加长了系统的存取周期降低了整机的速度
3异步刷新将刷新周期除以行数得到两次刷新操作之间的时间间隔避免CPU连续等待而且减少了刷新次数
19. 只读存储器有哪几种
1掩模式只读存储器MROM出厂后内容不能被更改
2一次可编程只读存储器PROM可以进行一次性编程
3可擦除可编程只读存储器EPROM可以用紫外线或电擦除对内容进行多次更改
4闪存FLash Memory断电后也能保存信息可进行多次的快速擦除重写需先擦除再写入如U盘、SD卡
5固态硬盘SSD
20. 存储器的扩展通常有位扩展和字扩展什么是字扩展什么是位扩展请举例简要说明
1位扩展增加存储器的字长例如两个1K * 4位的存储芯片构成1个1K*8位的存储器
2字扩展增加存储器的字数例如两个1K * 8位的存储芯片构成1个2K * 8位的存储器
通常字扩展和位扩展两种方式混合使用。
21. 怎样提高CPU访问存储器的速度
1采用高速元器件
2采用“Cache - 主存”存储结构①避免CPU空等I/O访存②缓解CPU和主存速度不匹配的问题
3调整主存结构采用双端口存储器、多模块存储器例如单体多字存储器和多体并行存储器
22. 多体并行系统有哪两种编址方式请简要说明其编址方式及其优点。
1高位交叉编址方式存储体的编址方式为顺序存储即一个存储体存满后再存入下一个存储单元地址的高位为存储体的编号。
高位交叉编址并不能提高单次访存速度但能使多应用并行访存提高系统的并发性。
2低位交叉编址方式存储体的编址方式为交叉存储。即程序连续存放在相邻的存储体之中。存储单元地址的低位为存储体的编号。
低位交叉编址能显著提高单次访存速度。
23. 在CPU和内存之间引入cache的原因。
1避免cpu空等I/O访存
2缓解CPU和主存速度不匹配的问题。
24. 什么是程序的局部性原理
局部性原理表现为时间局部性和空间局部性。
时间局部性是指如果程序中的某条指令一旦执行则不久之后该指令可能再次被执行如果某数据被访问则不久之后该数据可能再次被访问。空间局部性是指一旦程序访问了某个存储单元则不久之后其附近的存储单元也将被访问。
25. 常见的Cache映射方式优缺点
1直接映射。优点地址变换速度快。缺点cache利用率不高块冲突率高
2全相联映射。优点cache利用率高块冲突率低。缺点地址变换复杂需要较多的硬件成本高按贵的按内容寻址的相联存储器。
3组相联映射。是另外两种方式的折中综合效果好
26. Cache常用的替换算法有哪些哪个命中率最高 随机算法、先进先出算法、近期最少使用LRU、最不经常使用算法LFU。 命中率最高的是近期最少使用算法LRU
27. Cache写操作有哪两种方式
1全写法写直通法、write-through写操作既写入Cache又写入主存
2写回法write-back只把数据写入Cache而不写入主存当Cache中数据被替换出去之后才写入主存。
28. 带TLB虚拟存储器的CPU访存过程 29. I/O设备编址有哪两种方式各有什么优缺点
1统一编址方式和存储器统一编址I/O地址作为存储器地址的一部分无须用专用的I/O指令但占用存储器空间。
2独立编址方式和存储地址分开编址需用专用的I/O指令。
30. 虚拟存储器
1页式虚拟存储器
2段式虚拟存储器
3段页式虚拟存储器
31. 什么是指令有哪些分类
指令又称机器指令是指示计算机执行某操作的命令是计算机运行的最小功能单位。一条指令通常由操作码和地址码两部分组成
1按地址码数分类①零地址指令②一地址指令③二地址指令④三地址指令⑤四地址指令
2按指令长度分类定长指令字结构和变长指令字结构
3按操作码长度分类定长操作码和可变长操作码
4按操作类型分类数据传送类、运算类、程序控制类和输入输出类
32. 数据寻址方式有哪些
1隐含寻址有效地址由程序制指定寻址期间访存0次
2立即寻址形式地址A即是操作数访存0次
3直接寻址形式地址A就是有效地址EA即EAA访存1次
4一次间接寻址形式地址A中的内容是有效地址EA即EA(A)访存2次
5寄存器寻址EAR访存0次
6寄存器间接一次寻址EA®访存1次
7基址寻址将CPU中基址寄存器BR中的内容加上指令格式中的形式地址A形成操作数的有效地址即EA(BR)A。便于程序浮动方便实现多道程序并发运行访存1次
8变址寻址有效地址EA等于指令字中的形式地址A与变址寄存器IX的内容之和即EA(IX)A其中IX可为变址寄存器也可用通用寄存器作为变址寄存器。变址寄存器是面向用户的适合编织循环程序访存1次
9相对寻址EA(PC)A多用于转移指令访存1次
10堆栈寻址
33. 什么是RISC和CISC
指令系统朝着两个截然不同的方向发展
一是增强原有指令的功能设计为更复杂的新指令实现软件功能的硬化这类机器称为复杂指令系统计算机CISC经典的有采用x86架构的计算机二是减少指令种类的简化指令功能提高指令的执行速度这类机器称为精简指令系统计算机RISC典型的有ARM、MIPD架构的计算机。 34. CPU的功能有哪些
1指令控制完成取指令、分析指令和执行指令的操作
2操作控制一条指令的功能往往是由若干操作信号的组合实现的
3时间控制对各个操作加以时间上的控制
4数据加工对数据进行算数和逻辑运算
5中断处理对计算机运行过程中出现的异常情况和特殊请求进行处理
35. CPU有哪些基本结构
CPU由运算器和控制器组成
运算器的基本结构有
1算术逻辑单元ALU
2暂存寄存器DR
3通用寄存器组
4累加寄存器ACC
5程序状态字寄存器PSW
6移位器、计数器
控制器的基本结构有
1程序计数器PC
2指令寄存器IR
3指令译码器、时序系统、微操作信号发生器
4地址寄存器MAR
5数据寄存器MDR
用户可见的寄存器通用寄存器组、程序状态字寄存器PSW、程序计数器PC、ACC
用户不可见的寄存器MAR、MDR、IR、暂存寄存器DR
36. 指令周期分为哪些数据流向如何
1取指周期
(PC)→MAR
M(MAR)→MDR
(MDR)→IR
(PC)1→PC
2间址周期
Ad(IR)→MAR
M(MAR)→MDR
(MDR)→Ad(IR)
3执行周期
不同指令的执行周期操作不同。
4中断周期
(SP)-1→SP
(SP)→MAR
(PC)→MDR
(MDR)→M(AMR)
向量地址→PC
5指令周期有单指令周期和多指令周期指令间串行
37. 什么是指令流水线有哪些性能指标
1指令执行过程划分为不同阶段占用不同的资源使多条指令同时执行。性能指标有吞吐率加速比效率
2吞吐率指单位时间内流水线所完成的任务数量
3加速比完成同一批任务不使用流水线所用的时间和与使用流水线所用的时间之比
4效率流水线的设备利用率。在时空图上流水线的效率定义为完成n个任务占用的时空区有效面积与n个任务所用的时间与k个流水线段所围成的时空区总面积之比
38. 影响流水线的因素有哪些
1结构相关资源冲突由于多条指令在同一时刻争用同一资源而形成的冲突
2数据相关数据冲突后一条指令必须等前一条指令执行完才能执行
3控制相关控制冲突当流水线遇到转移指令和其他改变PC值的指令而造成断流
39. 流水线的多发技术有哪些
1超标量技术每个时钟周期内可以并发多条独立指令需要配置多个功能部件不能调整指令的执行顺序
2超流水线技术在一个时钟周期内再分段一个功能部件使用多次不能调整指令的执行顺序
3超长指令字由编译程序挖掘出指令间的并行性将多条能并行操作的指令组合成一条具有多个操作码字段
40. 什么是总线定时总线通信控制有哪几种
总线定时是指总线在双方交换数据的过程中需要时间上的配合关系的控制实质是一种协议或规则
1同步定时方式由统一时钟控制数据传输。优点是传输速度快总线控制逻辑简单缺点是不能及时进行数据通信的有效性检验可靠性较差
2异步定时方式采用应答方式没有公共时钟标准分为不互锁方式、半互锁方式和全互锁方式。优点是总线周期长度可变能够保证两个工作速度相差较大的部件或设备之间可靠地进行信息交换缺点是速度稍慢
3半同步通信同步与异步的结合在统一时钟的基础上增加一个“等待”响应信号
4分离式通信各模块均有权申请占用总线采用同步方式通信各模块准备数据时不占用总线总线利用率高
41. I/O控制方式分为哪几种
1程序查询方式CPU“忙等”慢速设备完成工作二者串行工作
2程序中断方式设备准备数据时CPU继续工作。设备准备好之后向CPU发出中断请求CPU在指令周期的末位即当前指令执行完毕后检查中断并做出中断响应
3DMA控制方式主存与高速I/O设备之间有一条直接数据通路DMA总线DMA控制器自动控制磁盘与主存的数据读写每完成一整块数据读写才向CPU发出一次中断请求
4通道方式CPU执行I/O指令对通道发出命令由通道执行一系列通道指令代替CPU对I/O设备进行管理通道程序提前编制好放在主存中
42. 简述中断处理过程。
