微处理器思考与习题

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1、第第 1 章章 思考与习题：思考与习题：1、简述计算机系统的硬件构成和软件构成。计算机的硬件结构由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备及连接各部件的总线组成。其中，运算器又称为算术/逻辑运算单元，完成数据的算术（加、减、乘、除）和逻辑（与、或、非、异）等运算以及移位等操作，它是一个采用二进制运算信息加工部件。存储器是计算机的记忆部件，存储控制计算机操作的命令（指令）和被处理的信息数据，并对处理结果加以保存。存储器存储的信息有两类：一类是命令信息，指挥计算机系统工作，用来完成所设计的任务，这类信息被存放在存储器的代码区或程序区；另一类是数据是指被处理的对象或结果，这类信息被存放在数据区。一

2、般将存储器分为两级：内存和外存，目前使用的内存是半导体存储器，外存采用硬盘、磁带、光盘等。平时程序保存在外存，执行时再将其调入内存中运行。狭义的存储器仅指内存储器。控制器是整个系统的指挥部件，对运行的指令逐一分析，发出控制信号并执行其相应操作。输入设备与输出设备，通称外围设备，是对信息形式的转换，如将语言文字、声音、机械动作等信息形式转换为计算机能识别的二进制格式信息，或将其反向转换。总线是计算机各部件间传输信息的公共通道，各部件分时复用总线，满足数据、地址、指令和控制信息在各部件之间快速传送的需要。微型计算机的软件由系统软件和应用软件构成。系统软件包括操作系统、程序设计语言的编译程序和其他程

3、序。操作系统是常驻内存的软件系统，包括系统资源管理（CPU 管理，存储器管理、I/O 管理和驱动程序） 、任务管理、文件管理和程序库。为使用者提供灵活方便操作功能，使资源得到最充分有效的利用。各种程序设计语言的编译系统为用户开发应用软件提供有力支持，如汇编语言的汇编程序，各种高级语言的汇编程序、连接程序以及各种调试工具。其他程序，如系统诊断程序、故障定位程序、系统配置程序等。应用软件（或称用户软件）是为用户实现给定的任务而编写、选购或订购的程序，它只适合给定环境的指定用途，一般驻留在外部存储器中，只在运行时才调入内存储器。2、冯诺依曼体系结构的五个部件是什么？总线的作用是什么？冯诺依曼体系结构

4、由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备及连接各部件的总线组成。如下图所示：总线（Bus）是计算机各部件间传输信息的公共通道，各部件分时复用总线，满足数据、地址、指令和控制信息在各部件之间快速传送的需要。3、填空：（1）计算机系统中的存储器分为 内存储器 和 外存储器 。在微处理器执行程序时，必须将指令存放在 内存储器 中。（2）计算机存储数据的最小单位为 字节 。1KB 容量的存储器能存储 1024 个这样的基本单位。（3）在计算机系统中，多个部件之间信息传送的公共通道称为 总线 。在公共通道上传送的信息有 数据 、 地址 、 控制 和 状态 信息。4、将下列十进制数分别转换为二进制数和

5、十六进制数：（1）129 （2）1022 （3）0.625（1）129=10000001B=81H（2）1022=1111111110B=3FEH（3）0.625=0.101B=0.AH5、将下列二进制数分别转换为十进制数和十六进制数：（1）10101011B （2）101101.1011B （1）10101011B=171=0ABH（2）101101.1011B=45.6875=2D.BH6、写出下列数的原码、反码和补码（设字长为 8 位）：控制器运算器输入设备存储器输出设备总线（1）-0 （2）20 （3）-15（1）-0原码 10000000B反码 11111111B补码 0000000

6、0B（2）20原码 00100100B反码 00100100B补码 00100100B（3）-15原码 10001111B反码 11110000B补码 10000001B7、试写出下列字符的 ASCII 码：（1）5 （2）LF （3）CR （4）SP （5）ESC （6）b（1）535H（2）LF0AH（3）CR0DH（4）SP20H（5）ESC1BH（6）b62H8、若 A=01010011B，说明什么运算可以完成下述操作？（1）将 A 的第 0、2、4、6 位变反；（2）将 A 的第 1、2、3、4 位清零；（3）将 A 的第 1、3、5 位置 1。（1）A异或01010101B将 A

7、的第 0、2、4、6 位变反；（2）A与11100001B将 A 的第 1、2、3、4 位清零；（3）A或00101010B将 A 的第 1、3、5 位置 1。9、为什么软件能够转化为硬件？硬件能否转化为软件？ 实现这种转化的媒介是什么？对于一个具体任务而言，一般既可以用硬件完成，也可用软件完成，从理论上说，任何软件算法都能由硬件实现，反之亦然，这就是硬件与软件的逻辑的等价性。设计计算机系统或是在现有的系统上增加功能时，具体采用硬件还是采用软件实现，取决于价格、速度、可靠性等因素。随着超大规模集成电路的发展，以前由软件实现的功能现在更多地直接由硬件实现。实现这种转化的媒介是所谓的固件（firm

8、ware） ，形式上类似硬件，但功能上又像软件，这种趋势成为软件的硬化和固化。10、8 位二进制补码表示的十进制数的范围是多少？-128 到+12711、计算机的分类方式有哪些？1、按处理数据的形态分类计算机分为数字计算机和模拟计算机；2、按照设计的目的分类计算机可分为专用计算机和通用计算机；3、按照使用的用途分类计算机可分为高级科学计算机、工业控制计算机和数据计算机；4、按照内部逻辑结构分类计算机可分为单 CPU 处理机与多 CPU 处理机，8 位机、16 位机、32 位机或 64 位计算机，CISC 与 RISC 计算机等；5、按综合性能指标分类计算机可分为巨型机、大型机、小型机、工作站、

9、微型机等几类。第第 2 章章 思考与习题：思考与习题：1、微处理器有哪的三项主要功能？微处理器的三项主要功能：（1）在微处理器与存储器或 I/O 之间传送数据；（2）基本的算术与逻辑运算；（3）通过简单判定，控制程序的流向。2、按照指令的串行执行和并行执行 ，CPU 可分为哪六种体系结构？CPU 的六种体系结构为：1、随机逻辑体系结构2、微码体系结构3、流水线体系结构4、超流水线体系结构5、超标量体系结构6、多核微处理器体系结构3、简述冯诺依曼结构、哈佛结构和改进型哈这三种特点？ 冯诺伊曼结构，也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的计算机设计概念结构，相对于并行计算的

10、串行式结构参考模型。依本结构设计出的计算机又称存储程序型计算机。根据存储程序原理，把程序本身当作数据来对待，程序和该程序处理的数据在同一个存储体按不同区域（程序区、数据区等）存储，并确定了存储程序计算机的五大组成部分和基本工作方法。冯-诺依曼结构的数据总线和指令总线是分时复用的，在同一总线上，有时传送的是数据有时是指令，因此它取指令和访问数据是无法同时进行的。哈佛结构是一种将程序指令储存和数据储存分开的存储器结构。中央处理器首先到程序指令储存器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据储存器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行） 。程序指令储存和数据储存分开，据有相互独立的指

11、令总线和数据总线，指令和数据可以有不同的数据宽度，访问指令和访问数据可以同时进行，执行时可以预先读取下一条指令。哈佛结构的微处理器通常具有较高的执行效率。哈佛结构是一种并行体系结构，它的主要特点是将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个独立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问，如下图所示。这种分离的程序总线和数据总线可允许在一个机器周期内同时获得指令字（来自程序存储器）和操作数（来自数据存储器） ，从而提高了执行速度，提高了数据的吞吐率。又由于程序和数据存储器在两个分开的物理空间中，因此取指和执行能完全重叠。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽

12、度。图 1.8 哈佛结构框图改进型哈佛结构仍然使用两个独立的存储器模块，分别存储指令和数据，每个存储模块都不允许指令和数据并存，以便实现并行处理。改进型哈佛结构具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线，利用公用地址总线访问两个存储模块（程序存储模块和数据存储模块） ，公用数据总线则被用来完成程序存储模块或数据存储模块与 CPU 之间的数据传输，两条总线由程序存储器和数据存储器分时共用，如下图所示。4、什么是 CPU、MPU、P、C 和 MCU？CPU 中央处理器；MPU 微处理器；P 微处理器；C 微控制器；MCU 微控制器。5、简介 CPU 指令执行流程。指令执行步骤：第一步：取指令和分析

13、指令。首先根据 PC 所指出的现行指令地址, 从内存中取出该条指令的指令码, 并送到控制器的指令寄存器中, 然后对所取的指令进行分析, 即根据指令中的操作码进行译码, 确定计算机应进行什么操作。译码信号被送往操作控制部件, 和时序电位、测试条件配合, 产生执行本条指令相应的控制电位序列。第二步:执行指令。根据指令分析结果, 由操作控制部件器发出完成操作所需要的一系列控制电位, 指挥计算机有关部件完成这一操作, 同时为取下一条指令作好准备。由此可见, 控制器的工作就是取指令、分析指令、执行指令的过程。周而复始地重复这一过程, 就构成了执行指令序列(程序)的自动控制过程。6、流水线体系结构与超标量

14、体系结构各有何特点？流水线的实质是通过在同一时间做多件事情来提高机器的性能，因此指令流水线是一种可以将多条指令的执行过程相互重叠的实现技巧，它是提高处理器处理速度的关键技术之一。其特点是：具有时间的并行性；流水线分工越细，可同时运行的指令越多，吞吐率就越高；流水线每个阶段的执行时间应尽量一致；流水线充满（满载）时达到最大的吞吐率。超标量就是使用多条流水线来提高 CPU 的工作效率，在一个时钟周期内 CPU 可以执行一条以上的指令。其特点是：配置有多个性能不同的处理部件，采用多条流水线并行处理；能同时对若干条指令进行译码，将可并行执行的指令送往不同的执行部件，从而达到在每个时钟周期启动多条指令的

15、目的；在程序运行期间由硬件（通常是状态记录部件和调度部件）完成指令调度。7、CISC 与 RISC 各自的特点有哪些？其典型产品代表有哪些？1CISC 体系的特点使用微代码：指令集可以直接在微代码存储器里执行，新设计的处理器，只需增加较少的器部件就可以执行同样的指令集，也可以很快地编写新的指令集程式。庞大的指令集：可以减少编程所需要的代码行数，减轻程式师的负担。高阶语言对应的指令集：包括双运算元格式、寄存器到寄存器、寄存器到存储器以及存储器到寄存器的指令。RISC 体系特点精简指令集：包含了简单、基本的指令，透过这些简单、基本的指令，就可以组合成复杂指令。 同样长度的指令：每条指令的长度都是相

16、同的，可以在一个单独操作里完成。 单机器周期指令：大多数的指令都可以在一个机器周期里完成，并且允许处理器在同一时间内执行一系列的指令。RISC 与 CISC 的主要特征对比比较内容CISCRISC指令系统 复杂，庞大简单，精简 指令数目 一般大于 200 一般小于 100 指令格式 一般大于 4 一般小于 4 寻址方式 一般大于 4 一般小于 4 指令字长 不固定等长 可访存指令 不加限制 只有 LOAD/STORE 指令 各种指令使用频率 相差很大相差不大 各种指令执行时间 相差很大绝大多数在一个周期内完成 优化编译实现 很难 较容易 程序源代码长度 较短较长 控制器实现方式 绝大多数为微程序控制 绝大多数为硬布线控制 软件系统开发时间 较短 较长 CISC 体系的代表为 Intel 的 80X86，RISC 体系的代表为 IBM 的 Power PC。第三章 思考与练习题 1、8086CPU 由哪两部分组成？各有何主要功能？ 8086 微处理器按功能可分为执行部件（EU）和总线接口部件（BIU） 。执行部件