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1、1什么是计算机系统的层次结构？通常，把一个计算机硬、软件系统的完整内容划分为 6 个层次。分层能够更精准地理解、说明每一个层次的功能和运行机制，表明各层次之间相互依存、彼此支持的关系。下一层是实现上一层的基础，上一层是对下一层的功能扩展。 数字电路与逻辑设计是实现计算机硬件的基础，处于最底层； 由 5 个部件组成的计算机硬件系统构成微体系结构层，接在数字逻辑层上面； 硬件系统实现了全部指令系统的运行功能，提供了设计软件的能力，处在硬件系统的顶层和软件系统的底层； 最底层的软件是操作系统，提供了管理和运行计算机系统的能力； 在此基础上设计的汇编语言，提供了设计程序的功能较弱的基本工具； 再往上实
2、现了功能更强的高级语言，设计各种程序更容易，使用计算机更方便。2什么是计算机系统中的硬件系统和软件系统？计算机硬件系统是一种高度复杂的、由多种电子线路、精密机械装置等构成的、能自动并且高速地完成数据处理、计算的装置或者工 具。硬件系统由运算器部件、控制器部件、存储器部件、输入设备和输出设备 5 个大的功能部件组成，见图 1.2。其中运算器和控制器共同构成了大家熟知的 CPU，各部件间通过总线连接。显然，这些部件中运算器用于完成对数据暂存、运算处理功能；控制器向各个部件、设备提供协调运行所需要的控制信号；存储器 用于完成对数据存储功能；输入设备和输出设备分别用于完成对原始数据输入功能和对运算结果
3、输出功能。 图 1.2 计算机硬件系统的组成示意图计算机软件系统是由完成计算机资源管理、方便用户使用的系统软件（厂家提供） ，和完成用户对数据的预期处理功能（用户设计，自己使用）的程序这样两大部分构成的。基本系统软件主要由 3 个部分组成：（1）分担计算机系统中的资源管理与分配，也向使用者和程序设计人员提供简单、方便、高效服务的操作系统；（2）支持用户按照计算机最基本功能（指令）设计程序的汇编语言；（3）支持用户按照解题算法设计程序的高级语言。在一个完整的计算机系统中，软件系统是建立在硬件系统层次之上的部分，它的存在以已有硬件系统为前提，并且必须在已有硬件上才能运行。硬件系统也必须在软件系统的
4、调度指挥下才能发挥出应有的运行效率，体现出它的使用价值。指令系统是设置在硬件系统和软件系统之间的结合点和纽带，硬件系统实现每一条指令的功能，全部软件系统都是由指令序列组成的程序。2在 16 位定点原码整数中，什么是能表示的最大正数，最小正数，最大负数和最小负数的机器数形式？对应的十进制数的数值范围是什么？答：最大正数：0111 1111 1111 1111最小正数：0000 0000 0000 0001最大负数：1000 0000 0000 0001最小负数：1111 1111 1111 1111数值表示范围： 3数制转换（二进制需要小数点后保留 8 位）：（1）将十进制数（0.71）10 分
5、别转换成二进制数、十六进制数和 BCD 码；（2）将十六进制数（1AB）16 转换为二进制数和十进制数。答：（0.71）10（0.01110001）BCD（0.10110101）2（0.B5）16（1AB）16（000110101011）2（427）104定点小数中，原码表示有哪些优缺点？答：优点：在数的真值和它的原码表示之间的对应关系简单，相互转换容易，用原码实现乘除运算的规则简单。缺点：用原码实现加减运算很不方便，既要比较参与加减运算两个数的确良符号，比较两个数的绝对值的大小，还要确定运算结果的正确的符号等。5若将浮点数的阶码用移码、尾数用原码来表示，它有哪些优点？答：尾数的符号位在浮点数
6、表示的最高位，比较两个数的大小时，符号非常重要，正数一定大于负数。阶码的位置在机器表示中，处在符号位和尾数之间，阶码大的，其移码形式的机器数也大，便于比较浮点数的大小。移码的最小值是各位均为 0，它被用来表示机器 0，即当阶码的值小于或等于移码所能表示的最小值时，认为浮点数的值为 0。此时的机器 0 的阶码和尾数均为 0 的形式，给硬件的判 0 带来很大的方便。6海明码是如何实现检错的？答：海明码是对多个数据位使用多个校验位的一种检错纠错编码方案。对每个校验位采用偶校验技术计算校验位的值，通过把每个数据位分配到几个 不同的校验位的计算中去，若任何一个数据位出错，必将引起相关的几个校验位的值发生
7、变化。通过检查这些检验位取值的不同情况，不仅可以判断是否出错，还能 发现是哪一位出错并能恢复该出错位的正确值。7已知 X0.1101，Y0.0111，求X原、Y原、X原、Y原、X+Y补。答：X原=01101，Y原=10111，X补=01101，Y补=11001X+Y补=001102什么是 MIPS 计算机系统的运算器？答：MIPS 计算机是上个世纪八十年代中期推出的典型 RISC 结构、非常成功的系统，国内外许多教材都把 MIPS 的指令系统和实现技术选为教学内容。下图是 MIPS 计算机的运算器部件的内部组成。由图可见，它主要包括两个重要部分，一个是由 128 个寄存器组成的寄存器堆，另一个
8、是执行数 据运算的 ALU。这个运算器被用于多周期 CPU 系统（对不同类型的指令选用不同的周期数）时，ALU 既用于计算数据，又用于计算数据和指令在存储器中的地 址，故还需要向 ALU 提供计算指令地址的相关信息。寄存器堆 REGs 由 4 组各 32 个寄存器组成，有 3 个控制端口(5 位)提供寄存器编号，其中的 2 个(rs、rt) 用于读，读出的数据将保存到寄存器 A 和 B 。1 个(rd) 用于写，写入的数据由 DI 引脚提供，可以是寄存器 C 或从内存读出的内容，寄存器 B 的内容可以写到内存。算逻运算单元 ALU 能完成加、减、与、或、异或等运算，用 ALU-func 信号选
9、择，一路运算数据包括寄存器 A 和程序计数器 PC 2 个来源，用 A-sel 选择，另一路包括寄存器 B、常数 4、两个立即数 Immed-1 和 Immed-2（两个立即数来自指令寄存器 IR 并经过扩展得到）4 个来源，用 B-sel 选择，产生运算结果 R (送到 PC) 或保存到结果寄存器 C，还产生结果为 0 的标志位信息 Z。ALU 完成数据运算，数据、指令在内存中的地址计算这三种操作。3MIPS 的运算器中 ALU 的三种操作功能是如何实现的？答：数据运算、数据和指令在内存中的地址计算是 ALU 的三种基本操作功能。（1）数据运算（rs+rtrd）：3 个寄存器的编号(rs、r
10、t、rd)由指令寄存器提供。需要 3 步完成：第 1 步用 rs 和 rt 选择并读出两个寄存器的内容，分别保存到寄存器 A 和 B；第 2 步选择 A 和 B 作为运算数据，控制 ALU 执行加法运算，结果存寄存器 C；第 3 步把结果 C 中内容送到 DI 端，用 rd 选择寄存器，写结果到寄存器堆。（2）数据在内存中的地址计算（pc+Immed_2 pc）：1 步完成：选择 pc 和 Immed_2 作为运算数据，控制 ALU 执行加法运算，把计算结果 R 送 pc 输入端并控制 pc 完成写入操作。（3）指令在内存中的地址计算（rs + Immed_1c）：2 步完成计算内存地址：第
11、1 步用 rs 选择并读出寄存器的内容并保存到寄存器 A；第 2 步 ALU 实现 A+Immed_1 送寄存器 C 。4简述计算机运算器部件的主要功能。答：运算器部件是计算机五大功能部件中的数据加工部件。运算器的首要功能是完成对数据的算术和逻辑运算，由其内部的 ALU承担。运算器的第二项功能是暂存将参加运算的数据和中间结果，由其内部的一组寄存器承担。另外，运算器通常还作为处理机内部传送数据的重要通路。5简述浮点数的阶码用移码、尾数用原码表示的优点。答：尾数的符号位在浮点数表示的最高位，比较两个数的大小时，符号非常重要，正数一定大于负数。阶码的位置在机器表示中，处在符号位和尾数之间，阶码大的，
12、其移码形式的机器数也大，便于比较浮点数的大小。移码的最小值是各位均为 0，它被用来表示机器 0，即当阶码的值小于或等于移码所能表示的最小值时，认为浮点数的值为 0。此时的机器 0 的阶码和尾数均为 0 的形式，给硬件的判 0 带来很大的方便。6运算器中使用多累加器有什么好处？ 答：运算器中使用多累加器有利于减少运算器执行运算过程中访问内存储器的次数，即可以把一些中间结果暂存在累加器中，有利于提高计算机的运行效率。2按指令所完成的功能进行分类，一般可以分为哪几类？答：（1）算术与逻辑运算指令这是每台计算机都必须具有的指令，它通常用于在计算机的运算器部件中完成对一或两个数据的算术运算或逻辑运算功能
13、。（2）移位操作类指令包括算术移位、逻辑移位、循环移位三种，用于把指定的一个操作数左移或右移一（多）位。（3）数据传送类指令用于实现通用寄存器之间、通用寄存器与内存储器存储单元之间、内存储器不同存储单元之间、寄通用存器与外围设备（接口）之间（有些场合也可以单独划分为输入/输出指令）的数据传送功能。（4）转移类指令、子程序调用与返回指令用于解决变动程序中指令执行次序的需求。（5）特权指令指仅用于操作系统或其它系统软件的指令，为确保系统与数据安全起见，这一类指令不提供给用户使用。（6）其它指令如动态停机指令、空操作指令、置条件码指令、开中断指令、关中断指令、堆栈操作指令等，用于完成某些特定的处理功
14、能。3计算机指令中要用到的操作数一般可以来自哪些部件？答：一般来自三个方面：第一个来源（或去处） ，可以是 CPU 内部的通用寄存器，此时应在指令字中给出用到的寄存器编号（寄存器名） 。通用寄存器的数量一般为几个、十几个，故在指令字中须为其分配 2、3、4、5 或更多一点的位数来表示一个寄存器。第二的来源（或去处） ，可以是外围设备（接口）中的一个寄存器，通常用设备编号、或设备入出端口地址、或设备映像地址（与内存储器地址统一编址的一个设备地址编号）来表示。第三个来源（或去处） ，可以是内存储器的一个存储单元，此时应在指令字中给出该存储单元的地址。4什么是指令字长和指令格式？答：指令字长：通常与
15、计算机字长一致，但可以更短或更长。指令格式：指令字中包括操作码字段和操作数地址字段两部分。操作码用于指明指令的运算和操作功能，不同指令的操作码要有唯一性，其位数取决于指令条数和设计要求，有定长和变长 2 种实现方案。操作数地址字段用于给出被操作信息（指令或数据）的地址信息，包括参加运算的一个或多个操作数所在的地址，运算结果的保存地址，程序的转移地 址,被调用的子程序的入口地址等。设计这一部分需要了解指令中用到的操作数的个数，可能的来源与去向，存放数据的介质的读写原理与过程等，要合理考虑，要 适当折中与平衡。5计算机的微程序控制器和组合逻辑控制器（硬连线）在组成和运行原理上有何相同和不同之处？它
16、们各有哪些优缺点？答：微程序的控制器和组合逻辑的控制器是计算机中两种不同类型的控制器。共同点：基本功能都是提供计算机各个部件协同运行所需要的控制信号；组成部分都有程序计数器 PC，指令寄存器 IR；都分成几个执行步骤完成每一条指令的具体功能。不同点：主要表现在处理指令执行步骤的办法，提供控制信号的方案不一样。微程序的控制器是通过微指令地址的衔接区分指令执行步骤，应提供的控制 信号从控制存储器中读出，并经过一个微指令寄存器送到被控制部件。组合逻辑控制器是用节拍发生器指明指令执行步骤，用组合逻辑电路直接给出应提供的控制信 号。微程序的控制器的优点是设计与实现简单些，易用于实现系列计算机产品的控制器，理论上可实现动态微程序设计，缺点是运行速度要慢一些。组合逻辑控制器的优点是运行速度明显地快，缺点是设计与实现复杂些，但随着 EDA 工具的成熟，该缺点已得到很大缓解。6指令系统分哪两大类？它们各有什么特点？答：指令系统有简化指令系统(RISC)和复杂指令
