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1、江西理工大学最全计算机组成原理作业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
2、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：图1.1 以存储器为中心的计算机结构框图各部件的
3、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、C
4、PI执行一条指令所需时钟周期数、FLOPS每秒浮点运算次数。2.2举例说明专用计算机和通用计算机的区别。 答：按照计算机的效率、速度、价格和运行的经济性和实用性可以将计算机划分为通用计算机和专用计算机。通用计算机适应性强，但牺牲了效率、速度和经济性，而专用计算机是最有效、最经济和最快的计算机，但适应性很差。例如个人电 脑和计算器。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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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。6.5已知x补，求x原和x6.10在整数定点机中，设机器数采用1位字符位，写出0的原码，补码,反码,和移码,得出什么结论? 解：0的机器数形式如下：（注意点号和逗号）真值原码补码反码移码+00.00000.00000.00001，0000-01.00000.00001.11111，00007.21比较RISC和CISC。答
11、：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
12、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。9.3什么是指令周期，机器周期和时钟周期？三者有何关系？1答：指令周期是CPU取出并执行一条指令所需的全部时间，即完成一条指令的时间。机器周期是所有指令执行过程中的一个基准时间，通常以存取周期作为机器周期。时钟周期是机器主频的倒数，也可称为节拍，它是控制计算机操作的最小单位时间。一个指令周期包含若干个机器周期，一个机器周期又包含若干个时钟周期，每个指令
13、周期内的机器周期数可以不等，每个机器周期内的时钟周期数也可以不等。9.9试比较同步控制、异步控制和联合控制的区别。答：同步控制是指任何一条指令或指令中任何一个微操作的执行都是事先确定的，并且都受同一基准时标的时序信号所控制的方式。异步控制无基准时标信号，没有固定的周期节拍和严格的时钟同步，执行每条指令和每个操作需要多少时间就占用多少时间。这种方式微操作的时序是由专门的应答线路控制，即控制单元发出执行某一微操作的控制信号后，等待执行部件完成了该操作后发回“回答”或“结束”信号，再开始新的微操作。联合控制是同步控制和异步控制相结合的方式。这种方式对各种不同指令操作实行大部分统一、小部分区别对待的办
14、法。10.10微指令的操作控制有几种编码方式？各有何特点？哪一种控制速度最快？ 答：微指令中操作控制字段主要有三种编码方式：（1）直接控制，又称直接编码，其特点是操作控制字段的每一位代表一个微命令，优点是简单直观，输出直接用于控制，执行速度最快。缺点是微指令字长最长，所需存储空间大。 （2）字段直接编码控制，其特点是将微指令操作控制字段分成几段，并使每个字段经译码后形成各个微操作命令。每个字段中的微命令必须是互斥的。这种编码方式缩短了微指令字长，但增加了译码电路，使微指令的执行速度降低。这种编码方式又称显式编码。（3）字段间接编码控制，这种方式一个字段的某些微命令还需由另一个字段中的某些微命令解释，故又称为隐式编码，这种编码方式更能缩短微指令字长。还可把直接编码和字段编码混合使用。直接控制速度最快。10.17 解释机器指令、微指令、微程序、毫微指令和毫微程序以及它们之间的对应关系。机器指令：由“0”、“1” 代码组成，能被机器直接执行。微指令：用来解释机器指令。微程序：微指令的有序集合。用来解释机器指令的。一条机器指令的功能由一段微程序来实现的。毫微指令：用来解释微指令的。毫微程序：解释微程序的，它是由毫微指令组成的。
