《计算机组成与系统结构》概念复习及计算要点

    1. 冯.诺依曼（Von Neumann）机工作的基本特点是按地址访问存储器并按顺序执行。
    2. 缓存-主存层次主要解决 CPU 和主存速度不匹配的问题。
    3. 设 32 位浮点数中，符号位为 1 位，阶码为 8 位，尾数位为 23 位，则它所能表示的最大规格化正数为[1+（1 – 2-23）]×2+127
    4. 定点运算中，现代计算机都采用补码做加减法运算。
    5. 在微程序控制器中，机器指令与微指令的关系是每条机器指令由一段微指令编程的微程序来解释执行。
    6. 系统总线地址线的功能是指定主存和 I / O 设备接口电路的地址。
    7. 用于直接给出内存地址寻找内存中操作数的寻址方式称为直接寻址。
    8. 在小数定点机中，原码和反码不能表示 -1，补码可以表示 -1
    9. 下列有关运算器的描述中，既做算术运算，又做逻辑运算
    10. 在主存和 CPU 之间增加 cache 存储器的目的是解决 CPU 和主存之间的速度匹配问题。
    11. 变址寻址方式中，操作数的有效地址是变址寄存器内容加上形式地址。
    12. 在微程序控制器中，机器指令与微指令的关系是每条机器指令由一段微指令编程的微程序来解释执行。
    13. 一个 16K×8 位的存储器，其地址线和数据线的总和是 22。
    14. 存储器的存取周期是指存储器进行连续读和写操作所允许的最短时间间隔。

    15、 IEEE754 标准，一个浮点数由符号位、阶码 E、尾数 M 三个域组成。其中阶码E 的值等于指数的真值 e 加上一个固定偏移值。
    16、 Cache 与主存地址的映射方式有直接相联映射、全相联映射、组相联映射三种。
    17、 和存储器相连的三总线有地址总线、数据总线和控制总线三类。
    18、 在二指令格式中，从操作数的物理位置来说，可归结为三类，分别为 RS 型指令、SS 型指令和 RR 指令。
    19、 CPU 与 cache 之间的数据交换是与位为单位，内存与 cache 之间的数据交换是与字为单位。
    20、 一个汇编指令对应一条机器指令，一条机器指令对应微程序，一个 CPU 周期对应一条微指令。
    21、 指令寻址的基本方式有两种，一种是顺序寻址方式，其指令地址由程序计数器给出， 另一种是跳跃寻址方式，其指令地址由指令本身给出。
    22、动态存储器芯片需要进行刷新操作，简述分散刷新与异步刷新的基本原理和优缺点。
    1、分散刷新：分散刷新是指对每行存储单元的刷新分散到每个存取周期内完成；
    2、异步刷新：异步刷新是前两种方式的结合，它既可缩短“死时间”，又充分利用最大
    刷新间隔为 2ms 的特点。
    23、请简述微程序、微指令、微命令之间的关系。
    1、在机器的一个 CPU 周期中，一组实现一定功能的微命令的组合，构成一条微指令。
    2、一系列微指令的有序集合称为微程序。微程序的综合可以实现整个的指令系统。
    3、控制部件通过控制线向执行部件发出的控制命令称为微命令。
    24、什么是间接寻址？什么是寄存器间接寻址？二者的主要差别是什么?各需几次访存才能取得操作数？
    间接寻址:倘若指令字中的形式地址不直接指出操作数的地址，而是指出操作数有效地址所在的存储单元地址，也就是说，有效地址是由形式地址间接提供的，即为间接寻址。

    寄存器间接寻址是将指定的寄存器内容为地址，由该地址所指定的单元内容作为操作数。一、方式不同
    1、直接寻址：在指令格式的地址的字段中直接指出操作数在内存的地址。
    2、间接寻址： 指令地址字段的形式地址 D 不是操作数的真正地址，而是操作数地址
    的指示器，或者说是D 单元的内容才是操作数的有效地址。二、特点不同
    1、直接寻址：操作数的地址直接给出而不需要经过某种变换，在指令中直接给出参与运算的操作数及运算结果所存放的主存地址，即在指令中直接给出有效地址。
    2、间接寻址：需要以寄存器符号的形式来表示，且在寄存器名称前面加上间接寻址符号“@”。
    25、解析总线仲裁控制的作用和意义、集中式并行总线仲裁方式的基本原理
    当多个部件与总线相连时，如果两个或两个以上的部件同时向总线发送信息，势必引发信号冲突导致传输无效。因此，需要总线判优机制当出现两个或两个以上部件同时发送 信息时，从中选择一个发送信息，以保证在某一时刻只能一个部件发送信息。 常见的集中式总线控制有链式查询方式、计数器定时查询方式、独立请求方式等。
    26、什么是中断？请简要描述中断处理过程与多重中断的处理流程
    中断就是执行中断服务程序，这是中断系统的核心。不同计算机系统的中断处理过程各具特色，但对多数计算机而言，其中中断服务程序的流程如下。中断处理过程基本上由 3 部分组成，
    第一部分为准备部分，其基本功能是保护现场，对于非向量中断方式则需要确定中断源，最后开放中断，允许更高级的中断请求打断低级的中断服务程序;
    第二部分为处理部分，即真正执行具体的为某个中断源服务的中断服务程序;
    第三部分为结尾部分，首先要关中断，以防止在恢复现场过程中被新的中断请求打断，接着恢复现场，然后开放中断，以便返回原来的程序后可响应其他的中断请求。中断服务程序的最后一条指令一定是中断返回指令。
    多重中断是指，当 CPU 执行某个中断服务程序的过程中，发生了更高级、更紧迫的事件， CPU 暂停现行中断服务程序的执行，转去处理该事件的中断，处理完返回现行中断服务程序继续执行的过程。
    27、请说明指令周期、机器周期、时钟周期之间的关系。
    指令周期 : 取出并执行一条指令的时间。
    机器周期 : 又称 CPU 周期，CPU 访问一次内存所花的时间较长，因此用从内存读取
    一条指令字的最短时间来定义。
    时钟周期: 通常称为节拍脉冲或 T 周期。处理操作的最基本单位，即 CPU 主频。三者的关系：指令周期通常用若干个机器周期表示，而机器周期又包含若干个时钟周
    期。
    28、什么是寻址方式？常见的寻址方式有哪些？
    寻址方式：是指确定本条指令的数据地址以及下一条将要执行的指令地址的方法，它与硬件结构紧密相关，而且直接影响指令格式和指令功能。指令寻址，数据寻址（立即寻址， 直接寻址，隐含寻址，间接寻址，寄存器寻址，寄存器间接寻址）
    29、简述 CACHE 替换算法中的FIFO（先进先出）的基本原理。
    先进先出算法(FIFO):若Cache 已满,则替换最先被调入Cache 的块 通过以下叙述可知: 先进先出算法实现也很简单,但该算法依然没有考虑到局部性原理,因为最先被调入的Cache 块也有可能是会频繁访问到的。

    30、假设由 S，E，M 三个域组成的一个 32 位二进制字所表示的非零规格化浮点数x，其中

    M=23 位，E=8 位，S=1 位，其值表示为 ：
    《计算机组成与系统结构》概念复习及计算要点 - 图1
    求：（1）26/64 (2) -35/64 标准的 32 位规格化数表示。

    （1）《计算机组成与系统结构》概念复习及计算要点 - 图2
    （2）-35/64=100011×2^-6=1.00011×2^-1
    S = 1 M=0001100000000000000 E=e+128=127=01111111 浮点规格化数 :1 01111111 0001100000000000000

    1. 设 x=-15，y=+14，数据用补码表示，用直接补码的阵列乘法器求出乘积 x×y。

    《计算机组成与系统结构》概念复习及计算要点 - 图3
    结果是[x×y]补 = 1 0010 1110 :::success image.png ::: 【计算机组成原理】乘法阵列器TYP_MOON的博客-CSDN博客直接补码阵列乘法器怎么算

    1. 指令流水线有取指(IF)、译码(ID)、执行(EX)、访存(MEM)、写回寄存器堆(WB) 这五个过程段，共有 7 条指令连续输入此流水线，时钟周期为 100ns。
    2. 请画出流水处理的时空图；
    3. 求流水线的实际吞吐率（单位时间里执行完毕的指令数）；
    4. 求流水处理器的加速比。

    （1）
    《计算机组成与系统结构》概念复习及计算要点 - 图5

    1. 流水线执行完 7 条指令的时间是 5＋(7－1)＝11 个时钟周期

    故实际吞吐率为 7 / (11×100ns) ≈64×105 条指令/s

    1. K 级流水线处理器的加速比为

    Ck＝非流水时间 T1 / K 级流水时间 Tk ＝ n×k / (k+(n-1)) 本题中，已知数据 n＝7，k＝5，则
    Ck＝7×5 / (5+6) ＝ 35 / 11 ≈3.18

    33、已知某 8 位机的主存采用半导体存储器，地址码为 18 位，采用 4K×4 位的 SRAM 芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用模块条形式，问：

    1. 若每个模块条为 64K×8 位，共需几个模块条？
    2. 每个模块条内有多少片 RAM 芯片?
    3. 主存共需多少 RAM 芯片？CPU 需使用几根地址线来选择各模块？使用何种译码器？

    （1）(218×8）/（64k×8）= 4，故需 4 个模块
    （2）(64k×8）/（4k×4）= 32，故需 32 片芯片
    （3）共需 4×32=128 片芯片 ；即 2 根地址线选择模块 ；为了选择各模块，需使用 2:4 译码器

    :::success 1、DRAM芯片需要进行刷新操作，简述集中式，分散式，异步式刷新的基本原理和优缺点
    集中式刷新：指在规定的一个刷新周期内，对所有存储单元集中一段时间逐行进行刷新。优点是读写操作时不受刷新工作的影响。缺点是在集中刷新期间(死区)不能访问存储器。

    分散刷新: 指对每行存储单元的刷新分散到每个存取周期内完成。优点是没有死区，缺点是加长了系统的存取周期，降低了整机的速度。

    异步刷新: 指不规定一个固定的刷新周期，将每一行分来来看，只要在2ms内对这一行刷新一遍就行。
    2、简述微程序，微指令，微命令之间的关系。
    微命令构成一条条的微指令，一条一条的微指令构成一个微程序。一条机器指令的执行需要一段微程序去实现。

    4、总线仲裁的作用、意义，集中式并行总线仲裁方式的基本原理
    系统中多个设备或模块可能同时申请对总线的使用权，为避免产生总线冲突，需由总线仲裁机构合理地控制和管理系统中需要占用总线的申请者，在多个申请者同时提出总线请求时，以一定的优先算法仲裁哪个应获得对总线的使用权。

    5、什么是中断？请写出中断执行过程。
    中断就是执行中断服务程序，这是中断系统的核心。不同计算机系统的中断处理过程各具特色，但对多数计算机而言，其中中断服务程序的流程如下。中断处理过程基本上由3部分组成，第一部分为准备部分，其基本功能是保护现场，对于非向量中断方式则需要确定中断源，最后开放中断，允许更高级的中断请求打断低级的中断服务程序;第二部分为处理部分，即真正执行具体的为某个中断源服务的中断服务程序;第三部分为结尾部分，首先要关中断，以防止在恢复现场过程中被新的中断请求打断，接着恢复现场，然后开放中断，以便返回原来的程序后可响应其他的中断请求。中断服务程序的最后一条指令一定是中断返回指令。

    6、什么是指令周期？什么是机器周期？什么是时钟周期？三者有何关系？
    指令周期 :取出并执行一条指令的时间。
    机器周期 :又称CPU周期，CPU访问一次内存所花的时间较长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。
    时钟周期: 通常称为节拍脉冲或T周期。处理操作的最基本单位，即CPU主频。
    三者的关系：指令周期通常用若干个机器周期表示，而机器周期又包含若干个时钟周期。

    7、什么是寻址方式？常见的寻址方式有哪些？ 寻址方式是指确定本条指令的数据地址以及下一条将要执行的指令地址的方法，它与硬件结构紧密相关，而且直接影响指令格式和指令功能。
    指令寻址：顺序寻址、跳跃寻址
    操作数寻址：立即寻址，直接寻址，间接寻址，寄存器寻址，寄存器间接寻址，相对寻址，变址寻址，基址寻址，堆栈寻址

    8、LRU基本原理
    LRU算法比较好地利用访存局部性原理，替换出近期用得最少的字块。它需要随时记录Cache中各字块的使用情况，以便确定哪个字块是近期最少使用的字块。它实际是一种推测的方法，比较复杂，一般采用简化的方法，只记录每个块最近- -次使用的时间。LRU算法的平均命中率比FIFO的高。
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