计算机组成原理(本)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,1,计算机发展到目前共分为几代？,计算机系统概论,5,2,第一台计算机是哪一年研制成功的？,1946,3,“,存储程序,”,的概念是谁提出的 ？,冯,.,诺依曼,4,目前计算机系统采用的是什么结构,？,多级层次结构,5,计算机的主机是指什么,？,CPU+,主存储器,6,计算机的存储系统包括什么,？,Cache+,主存,+,外存,简述冯,.,诺依曼型计算机的设计思想。,（,1,）计算机硬件应有运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大基本部件组成。,（,2,）计算机内部采用二进制表示数据和指令及其他信息。,（,3,）将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作。即,存储程序控制,。,机算机硬件组织由哪几大功能部件组成？,存储器，运算器，控制器，输入输出设备，总线。,计算机的简单框图,运算器,控制器,主存储器,输入设备,输出设备,辅助存储器,CPU,控制,数据,地址或指令,主机,外设,存储器,1.2.2,硬件各部件的组成及主要功能,1.,存储器,(Memory),：存储程序和数据信息的部件。,它是一个记忆装置，也是计算机能够实现“存储程序控制”的基础。,Cache,主存储器,辅助存储器,三级存储系统,速度,快,慢,小,大,容量,贵,贱,价格,/,位,计算机系统的多层次结构,1.,多层次结构,现代计算机系统是一个硬件与软件组成的综合体，我们可以把它看成是按功能划分的多级层次结构。,微程序级（实际机器）,机器语言级（实际机器）,汇编语言级（虚拟机器）,应用语言级（虚拟机器）,高级语言级（虚拟机器）,操作系统级（虚拟机器）,数字逻辑（实际机器）,第,0,级,第,1,级,第,2,级,第,3,级,第,4,级,第,5,级,第,6,级,硬操作时序（实际机器）,微程序级（实际机器）,机器语言级（实际机器）,操作系统级（虚拟机器）,汇编语言级（虚拟机器）,高级语言级（虚拟机器）,应用语言级（虚拟机器）,硬联逻辑,微程序,操作系统,汇编程序,编译程序,应用程序,运算方法及运算器,1.,8,位定点字长的字，采用,2,的补码表示时，一个字所能表示的整数范围是多少？,128 +127,2.,下列数中最小的数是多少？,A,（）,2,B.,（,227,）,8,C.,（,98,）,16,D.,（,152,）,10,=153,=151,=152,=152,3.,用,16,位字长（其中,1,位符号位）表示定点整数时，所能表示的数值范围是多少？, 0,，,2,15, 1 ,4.,一个定点数由哪两部分组成 ？,符号位，数值位,5.,在,IEEE754,标准中，浮点数由哪几部分组成 ？,符号位，指数，尾数,6.,已知,X,为整数，且,X,补,= 10001011,，则,X,的十进制数值是多少？,X,原,= 11110101,X= -1110101,X= -,（,2,6,+ 2,5,+ 2,4,+2,2,+2,0,）,=-,（,64+32+16+4+1,）,=-117,7.,已知,X=0.10011,，,Y=-0.10111,，写出它们的原码、补码及反码表示。,X,原,= 0.10011,Y,原,= 1.10111,X,补,= 0.10011,Y,补,= 1.01001,X,反,= 0.10011,Y,反,= 1.01000,8,已知,X=-0.10110,，,Y=-0.00001,，求（,1,）,X,补，,-X,补，,Y,补，,-Y,补，（,2,）试用它们的变形补码计算,X+Y=,？，,X-Y=,？并指出结果是否溢出,。,解答：,（,1,）,X,补,=1.01010,，,-X,补,=0.10110,，,Y,补,=1.11111,，,-Y,补,=0.00001,X+Y,补,=11.01010+11.11111=11.01001,，,X+Y=-0.10111,，不溢出,X-Y,补,=11.01010+0.00001=11.01011,，,X-Y=-0.10101,，不溢出,解：,x,补,=1.0101 -x,补,=0.1011 y,补,=0.1101,，,计算过程如下：,10.,已知,x=,0.1011,，,y=0.1101,，用补码布斯,乘法求,xy,，要求写出机器的运算步骤。,部分积,R,0,乘数,R,1,说明,0 0.0 0 0 0,0,1 1 0 1,0,初值,y,n+1,=0,，,P=0,y,n,y,n+1,=10,，,+-x,补,+ 0 0.1 0 1 1,0 0.1 0 1 1,右移,1,位，得,P,1,0 0.0 1 0 1 1 0 1 1 0,1,y,n,y,n+1,=01,，,+x,补,+ 1 1.0 1 0 1,1 1.1 0 1 0,右移,1,位，得,P,2,1 1.1 1 0 1 0 1 0 1 1 0,y,n,y,n+1,=10,，,+-x,补,+ 0 0.1 0 1 1,0 0.1 0 0 0,右移,1,位，得,P,3,0 0.0 1 0 0 0 0 1 0 1 1,y,n,y,n+1,=11,，,+0,+ 0 0.0 0 0 0,0 0.0 1 0 0,右移,1,位，得,P,4,0 0.0 0 1 0 0 0 0 1 0 1,y,n,y,n+1,=01,，,+x,补,+ 1 1.0 1 0 1,1 1.0 1 1 1 0 0 0 1 0 1,最后一步不右移，得,P,5,x,补,=1.0101,-x,补,=0.1011,y,补,=0.1101,符号位参加运算,存储系统,1.,存储器是计算机系统的记忆设备，主要用途是 什么？,存储程序和数据,2.,计算机系统中的存储器系统是指什么 ？,cache,、主存贮器和外存贮器,3.,主存贮器和,CPU,之间增加,cache,的目的是多少？,解决,CPU,和主存之间的速度匹配问题,4.,闪速存储器,Flash Memory,是一种,_,存储器 ？,非易失性,5.,相联存储器是按内容访问的存储器，它属于,_,存储器 ？,并行,6.,常用的,Cache,替换算法是什么 ？,近期最少使用算法,7 .,计算机字长,16,位，它的存贮容量是,64KB,，若按字编址，那么它的寻址范围是多少？,1B=8,位，,16,位,=2B,64KB=2B*32K,， 故寻址范围为,32K,8 .,一个容量为,64K32,位的存储器,其地址线和数据线的总和是多少根,?,地址线：,2,10,* 2,6,=64K,所以地址线是,16,根,数据线是,32,根,总共是,16+32=48,根,.,10,已知某,16,位机主存采用半导体存储器，其地址码为,20,位，若使用,16K8,位的,SRAM,芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用模块板结构形式，问：,(1),若每个模块板为,128K16,位，共需几个模块板？,(2),每个模块板内共有多少,SRAM,芯片？,(3),主存共需多少,RAM,芯片？,CPU,如何选择各模块板？,解答,(1),所需模块板,N=2,20,(1282,10,)=8 (,块,),(2),每个模块板内所需的,SRAM,芯片数为,n =(128K16K)(168)=16 (,片,),(3),主存共需,SRAM,芯片数：,M=168=128,有一个具有,20,位地址和,32,位字长的存储器，问：（,1,） 该存储器能存储多少个字节的信息？（,2,） 如果存储器由,512K8,位,SRAM,芯片组成，需要多少芯片？（,3,） 需要多少位地址作芯片选择？,解：（,1,）,2,20,= 1M,， 该存储器能存储的信息为：,1M32/8=4MB,（,2,）（,1024K/512K,）,（,32/8,）,= 8,（片）,（,3,） 需要,1,位地址作为芯片选择。（,选择两个,512K32,位的存储体,）,11,14,请用图示说明三级存储体系分别由哪些部分组成，并比较,Cache-,主存和主存一辅存这两个存储层次的相同点和不同点。,【,解,】,如图所示，三级存储体系由,Cache,存储器、主存和辅存构成。,Cache,和主存构成了系统的内存，而主存和辅存依靠辅助软硬件的支持构成了虚拟存储器。,三级存储体系为了提高存储系统的性能价格比而构造的层次性存储体系，力图使存储系统的性能接近高速存储器，而价格接近低速存储器。,CPU,cache,主存,辅存,辅 助,硬 件,辅 助,硬，软件,13.,磁盘组有,6,片磁盘，每片有两个记录面，存储区域内直径,22cm,，外直径,33cm,，道密度,40,道,/cm,，内层位密度,400,位,/cm,转速,2400,转,/,分，,问：,（,1,）共有多少个存储面可用？,（,2,）共有多少柱面？,（,3,）盘组的总存储容量是多少？,（,4,）数据传输速率是多少？,（,5,）如采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位,是什么？在寻址命令中如何表示磁盘地址？,(6),如果某文件长度超过了一个磁道的容量，应将它记,录在同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上？,解答,（,4,）磁盘上的信息分布及磁盘编址,磁盘记录区的编址,（,14,英寸,6,片盘组为例）,扇区号：,0,13,；,记录面号：,0,9,；,磁道号：,0,202,（最外磁道为,0,磁道）,相同半径的磁道构成一个柱面,磁盘编址：,(,台号,),记录面号,磁道号,扇区号,每个扇区记录定长的数据,扇区是磁盘存储器可寻址的 最小单位，读写操作是以扇区为单位一位一位串行操作。,磁头,旋转的盘,移动方向,磁头架,0,道,n,道,扇区,图,3.51,扇区示意图,记录格式,(a),头空、尾空,为磁盘控制器提供读写的准备时间。,(b),序标,写入特定代码，作为磁盘控制器的同步定位信号。,(c),数据,512,(d),校验字,循环冗余码，以提高可靠性。,头空,数据（,512,个字节）,序标,校验字,尾空,头空,数据,序标,磁道,磁盘运动方向,一 个 扇 区,（一个记录块）,下个扇区,扇标脉冲,扇标脉冲,图,3.52,硬盘数据记录格式,8.,磁盘组有,6,片磁盘，每片有两个记录面，存储区域内直径,22cm,外直径,33cm,道密度,40,道,/cm,内层位密度,400,位,/cm,转速,2400,转,/,分，问：,（,1,）共有多少个存储面可用？,（,2,）共有多少柱面？,（,3,）盘组总存储容量是多少？,答：,（,2,）有效存,储,区域,16.5 11=5.5(cm),，柱面：,405.5,220,(3),因为道密度,=40,道,/cm,内圈磁道周长,为,2,R=2,3.14,11=69.08(cm),每道的信息量,=400,位,/cm,69.08cm=27632,位,每面的信息量,=27632,220=6079040,位。,盘组总容量,=6079040,10=60790400,位。,（,1,）共有,10,个存储面可用，最上下两面不用。,8.,磁盘组有,6,片磁盘，每片有两个记录面，存储区域内直径,22cm,外直径,33cm,道密度,40,道,/cm,内层位密度,400,位,/cm,转速,2400,转,/,分，问：,（,4,）数据传输速率是多少？,(4),磁盘数据传输速率,D,R,= rN,个字,/,秒。,N,为每条磁道容量，,N=27632,位。,r,为磁盘每秒转速，,r=240060=40,（转,/,秒）,所以,数据传输速率,D,R,=rN=4027632=1105280,位,/,秒,答：,8.,磁盘组有,6,片磁盘，每片有两个记录面，存储区域内直径,22cm,外直径,33cm,道密度,40,道,/cm,内层位密度,400,位,/cm,转速,2400,转,/,分，问：,（,5,）如采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什么？ 在寻址命令中如何表示磁盘地址？,(5),采用定长数据块格式，直接寻址的最小单位是一个记录块,（一个扇区），每个记录块记录固定字节数目的信息。,答：,在定长记录的数据块中，活动头磁盘组的编址方式如下：,台号,圆柱面号（磁道号）,盘面（磁头号）,扇区号,17 16,15 8,7 4,3 0,此地址格式表示有,4,台磁盘，每台有,16,个记录面，,每面有,220,道（,2,8,=256,），每道有,16,个扇区。,8.,磁盘组有,6,片磁盘，每片有两个记录面，存储区域内直径,22cm,外直径,33cm,道密度,40,道,/cm,内层位密度,400,位,/cm,转速,2400,转,/,分，问：,(6),如果某文件长度超过了一个磁道的容量，应将它记录在同一个存储面上，还是记录在同一个柱面上？,答：,(6),如果某文件长度超过了一个磁道的容量，应将它记录在同一个柱面上，因为不需要重新找道，这样数据读写速度快。,指令系统,1.,寄存器间接寻址方式中，操作数处在哪里 ？,主存储器,2.,在,CPU,中，暂存指令的寄存器是什么 ？,指令寄存器,3.,指令格式中，操作码字段表征指令的什么 ？,指令的操作特征和功能,4.,单地址指令中为了完成两个数的算术运算，除地址码指明的一个操作数以外，另一个数常需采用哪种寻址方式 ？,隐含寻址方式,5.,堆栈是指按什么规则存入或取出信息的特定的存储区 ？,先进后出 或 后进先出,4,.,1,.,1,指令,的基本格式,1.,操作码,OP,OP,A,操作码字段,操作数地址字段,用于指示指令的操作性质及功能。,N,指令系统基本指令的,条数。,nOP,的二进制位数。,在设计计算机时,对该型号的计算机指令系统的每条指令都要规定一个操作码。指令操作码具体说明操作的性质和功能。,组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的规模,通常,一个,n,位的操作码最多能够表示,2,n,条指令。,n,log,2,N,或,N,2,n,指示操作数或指令的地址,A,的位数越多，在内存中访问的范围（寻址范围）越大。,通常还包含寻址方式码,。,OP,A,操作码字段,操作数地址字段,2.,地址码,A,地址码用来描述该指令的操作对象,或直接给出操作数的存储器地址。根据一条指令中有几个操作数地址,.,可将该指令称为几操作数指令或称为几地址指令。,7.,某台计算机字长为,16,位，主存容量为,64K,字，采用单字长单地址指令，共有,64,条指令。试采用,4,种寻址方式（直接、间接、变址、相对）设计指令格式。,解,64,条指令需占用操作码字段（,OP,）,6,位,，这样，指令字余下,10,位。为了覆盖主存,64K,字的地址空间，设寻址模式（,X,）为,2,位，形式地址（,D,）为,8,位,。,其指令格式如下,OP,X,D,15 10,9 8,7 0,寻址模式,X,定义如下,X=00,直接寻址，有效地址,E=D,（,256,单元）,X=01,间接寻址，有效地址,E=(D),（,64K,）,X=10,变址寻址，有效地址,E=(R,),+ D,（,64K,）,X=11,相对寻址，有效地址,E=(PC)+ D,（,64K,）,8.,一种单地址指令格式如下所示，其中,I,为间接特征，,X,为寻址模式，,D,为形式地址。,I,，,X,，和,D,用于指定该指令的操作数有效地址。设,R,为变址寄存器，,PC,为程序计数器，请在下表中第,1,列位置填入适当的寻址方式名称。,答,这八种寻址方式依次是,直接寻址,相对寻址,变址寻址,寄存器间址间接寻址,相对间址,变址间址,寄存器二次间址。,中央处理器,CPU,1.,计算机的工作过程分为哪两个阶段 ？,第一阶段：取出指令和解释指令；第二阶段执行指令,2.,CISC,的含义是什么 ？,复杂指令集计算机,3.,RISC,的含义是什么 ？,精简指令集计算机,4.,CPU,的运算器的作用是什么 ？,进行算术和逻辑运算,5.,计算机的指令周期是由什么组成的 ？,由若干个,CPU,周期（机器周期）组成,6.,流水,CPU,是的构造原理是什么？,以时间并行性为原理构造的处理器,指令周期,2,指令周期举例,（,1,）,CLA,指令的指令周期,CLA,指令功能：将累加器,AC,清,0,。,取指令,PC,1,指令,译码,执行,指令,取下条,指令,PC,1,开始,取指周期,执行周期,图,5.5 CLA,指令的指令周期,5.2.1,指令周期,2,指令周期举例,ADD 30,；功能： （,AC,）,+,（,30,）,AC,取指令,PC,1,指令,译码,取出,操作数,取下一条,指令,开始,取指周期,取操作数周期,图,5.8 ADD,指令的指令周期,执行,加操作,执行周期,（,2,）,ADD,指令的指令周期,I,1,I,1,I,1,I,2,I,2,I,2,I,3,I,3,I,3,I,1,I,2,I,3,空间,S,时间,T,执行,取数,取指,（,a,）非流水线时空图,I,1,I,1,I,1,I,2,I,2,I,2,I,3,I,3,I,3,I,4,I,4,I,4,I,1,I,2,I,3,空间,S,时间,T,执行,取数,取指,（,b,）标量流水线时空图,I,4,非流水线与流水线对比,7.,画出指令标量流水线时空图，分析指令流水线结构的特点及其优点。,流水线工作方式的特点,:,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。 但需增加硬件，控制更复杂；,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。,1,、试谈谈计算机系统采用总线结构的优缺点。,【,答,】,采用总线结构的主要优点是可以减少传输线的数量，提高系统的可靠性，便于系统的扩充和实现积木化。,采用总线结构的主要缺点是通常不允许两种信息源的代码同时传送，也就是说，利用总线传送信息具有分时性的特点。,总线及其互联结构,2,、总线有哪几种传送方式？,【,答,】,串行传送和并行传送两种。,3,、衡量总线性能的重要指标是什么，它定义是什么？,【,答,】,总线带宽，它是指总线本身所能达到的最高传送速率。单位是,MB/s.,4,、,PCI,总线的最高传输速率是多少？,采用,64,位字长的处理器，最高传输速率是,264MB/s.,1,、键盘、鼠标属于什么设备？,【,答,】,输入设备。,2,、显示器、打印机属于什么设备？,【,答,】,输出设备。,3,、,CRT,显示器的刷新存储器存储的字符地址和什么相对应,？,【,答,】,屏幕上显示的该字符的位置,4,、什么是不可屏蔽中断？,【,答,】,不受“中断允许标志位,IF”,的控制，即只要有“非屏蔽中断”产生，,CPU,必须响应的中断。,5,、中断的两个重要特性是什么？,【,答,】,程序切换和随机性,。,6,、,DMA,控制器从,CPU,完全接管对总线的控制，但数据交换仍然要经过,CPU,。,( ),【,答,】,错误，数据交换不经过,CPU,。,7,、,DMA,方式是一种在,过程完全由硬件,(DMA,控制器,),实现外设与内存直接交换信息的工作方式。,【,答,】,数据交换过程,8.,假设某计算机外围设备中仅有磁盘、磁带、打印机三个设备同时工作。磁盘以,30us,的间隔向控制器发,DMA,请求，磁带以,50us,的间隔发,DMA,请求，打印机以,110us,间隔发,DMA,请求。根据传输速率，磁盘优先权最高，磁带次之，打印机最低。假设,DMA,控制器每完成一次,DMA,传送所需的时间是,3us,。打印机先提出请求，其后磁盘和磁带同时提出请求。,画出多路,DMA,控制器工作时空图，说明工作情况。,解答：磁盘：,磁带：,打印机：,DMA,控制器：,3us,3,1,2,1,2,1,1,2,1:,磁盘,2:,磁带,3:,打印机,在,100us,时间段内，为磁盘服务,4,次，磁带,3,次，打印机,1,次。,