計算機面試常見問題-體系結構、組成原理

計算機體系結構

體系結構是什麼

程序員所看到的計算機屬性，即概念性結構和功能特性，如數據類型。指令集。

計算機系統由幾部分組成、計算機系統性能取決於什麼？

硬件和軟件。
其中硬件包括五部分：輸入輸出設備、控制器、運算器、存儲器
軟件按照功能可分爲系統軟件和應用軟件。

衡量一個計算機系統的優劣是根據多個指標綜合確定的，有包含硬件部分的功能，也有包含軟件部分的。

win32和win64區別

計算機體系結構是32位還是64位取決於計算機內部的處理器（CPU）。
64位系統可以保存和處理更多的信息。

64位處理器可以支持32位或64位操作系統，32位處理器僅支持32位操作系統。

64 位環境下，一些類型的長度會有所增加、
64 位程序能用的通用寄存器從 8 個增加到 16 個，每個寄存器的寬度（機器字長）從 32 位增加到 64 位

32位只能使用最高4 GB的RAM。
應用程序將安裝到唯一的Program Files文件夾裏，稱爲x86；

64位可以使用16 GB的RAM。
64位系統則有一個額外的程序文件（x86）夾，稱爲x64。

存儲層次、緩存分級

存儲系統通常分爲：主存-輔存系統，主存-Cache系統

一個是主存和輔存的層次結構，主要是用來解決主存容量不足的問題，對應用程序設計者透明，對系統程序設計者不透明。
另一個是主存和cache的層次結構，主要是用來解決主存和CPU速度不匹配的問題，對所有程序員透明。

主存儲器（CPU可以直接訪問）、

輔存儲器（外存，需調入主存才能被CPU訪問）：幫助主存儲器記憶更多的信息。

高速緩衝存儲器（Cache）：爲緩解CPU和主存速度不匹配的問題，避免CPU空等I/O訪存，
在CPU和主存之間引入Cache。

CPU要讀數據首先在cache中讀，如果cache命中，CPU就可以極快的得到該地址處的值。
如果cache miss 也就是沒有命中，CPU就會通過總線在內存中去讀，並把連續的一塊單元加載到cache中，下次好使用。

緩存（Cache）分級：

一級cache 有指令cache和數據cache之分，這使整個系統更加高效，但容量小。

二級緩存（L2 CACHE）出現是爲了協調一級緩存與內存之間的速度，二級緩存是比一級緩存速度更慢，容量更大的內存，主要就是做一級緩存和內存之間數據臨時交換的地方用。

CPU首先訪L1級Cache，若不命中，再訪問L2級Cache和主存。

三級cache同。

源碼補碼反碼，有源碼爲什麼有補碼反碼

源碼：最簡單的機器數表示法，最高位表示符號，符號位0正1負。
數值部分用二進制數的絕對值表示

沒解決減法問題。即兩個源碼做加法運算，其中一個爲負數就可能出錯。
最大問題：非零數與相反數相加不爲零，如+1 加 -1 爲-2

     (+1) + (-1) = 
源碼： 0001 + 1001 = 1010

引入補碼，把減法運算轉換爲加法運算
正數源碼的補碼不變，
負數源碼的補碼 爲反碼+1

     (+1) + (-1) = (+0)
源碼：0001 + 1001 = 1010
補碼：0001 + 1111 = 0000

引入反碼，便於求負數的補碼。
正數的反碼與原碼相同，負數的反碼是符號位不變，數值位逐位取反。

流水線調度效率、五級流水線加速達到5嗎

在任務數足夠多的時，理論上接近5.

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計算機組成原理

實現計算機體系結構所體現出來的特性

計算機系統5層層次結構？哪些是物理機，哪些是虛擬機？

1）微程序機器、傳統機器、操作系統機器、彙編語言機器、高級語言機器
2）微程序機器和傳統機器是物理機，其他是虛擬機。

在計算機系統結構中，什麼是翻譯？什麼是解釋？

翻譯的話就是把一種編程語言一下子全都換成另一種語言，解釋的話就是一句一句的解釋和執行，總的來說就是一股腦和一下一下的區別。

馮諾依曼機器的主要特點？

有五個特點：
1.由運算器，存儲器，控制器，輸入輸出這五大部件組成
2.指令和數據以二進制形式存儲在存儲器中
3.整個系統以運算器爲中心
4.指令有操作碼和地址碼
5.指令按順序存在，以按一定順序輸出

主存儲器中，什麼是MAR，什麼是MDR，存儲器的最大容量由什麼決定？

MAR是address地址寄存器，MDR是DATA數據寄存器，存儲器的最大容量由地址寄存器和數據寄存器的位數來決定的

什麼是機器字長，什麼是存儲字長，什麼是指令字長？

機器字長是CPU執行一次操作的二進制位數，存儲字長是一個存儲單元存的最長位數，指令字長是機器指令中二進制的最長位數

系統總線按照傳輸信息的不同，分成哪幾類？是單向的，還是雙向的？

分爲數據總線，地址總線和控制總線
其中，數據總線和控制總線是雙向的，而地址總線是單向的，由CPU發出。

存儲器按存取方式，可以分成哪四類？哪些屬於隨機訪問存儲器，哪些屬於串行訪問存儲器？

1）按存取方式分類可以分爲
隨機存儲器（RAM）、只讀存儲器(ROM)、
順序存儲器(磁帶)和直接存儲器(磁盤)；

2）隨機存儲器和只讀存儲器都是隨機訪問存儲器，即訪問內存時間與物理地址無關；
3）順序存儲器和直接存儲器屬於串行存訪問儲器，即存取時間與物理地址有關。

按層次分類可分爲：主存、外存和Cache（高速緩衝存儲器）

衡量存儲器使用哪三個指標？寄存器、緩存（cache）、主存中，哪個速度最快？哪個最便宜？

分別是 容量，速度和價格。

寄存器->Cache->主存
其中寄存器速度最快，主存最便宜

字在存儲單元中有兩種存儲方式，x86採用的是哪種存儲方式？

1）大端方式：字的低位存在內存的高地址中，而字的高位存在內存的低地址中；
2）小端方式：字的低位存在內存的低地址中，而字的高位存在內存的高地址中。
3）x86 x64 CPU是小端（英特爾的CPU是小端）

什麼是存取時間？什麼是存取週期？哪個大？

存取時間是啓動一次存儲器操作到完成該操作所經歷的時間（分爲讀出和寫入時間）

存取週期是連續兩次獨立訪問存儲器操作（讀或寫）之間所需的最小時間間隔。

隨機存儲器包含哪兩大類？哪個需要刷新？請從速度、容量、價格等方面進行簡要比較

1）靜態SRAM：以觸發器原理寄存信息。
2）動態DRAM：以電容充電爲原理寄存信息，需要刷新。

3）SRAM的存取速度快、但集成度低，功耗大，一般用來組成高速緩衝寄存器（Cache）

4）DRAM 容易集成、價格低、容量大和功耗低。但是存取速度較慢。
一般用來組成主存。

提高訪存速度的三種方式。

1）採用高速元器件；（即採用存取週期短的芯片）

2）採用Cache（引入Cache-主存層次結構）
CPU最近要使用的信息先調入Cache，而Cache的速度比主存快得多，這樣CPU每次只需從Cache中讀寫信息，從而縮短訪存時間，提高訪存速度。

3）調整主存結構：採用單體多字或多體結構存儲器。

操作碼長度：固定長度和可變長度

1）固定長度：便於硬件設計，指令譯碼時間短；
2）可變長度：壓縮了操作碼平均長度；

什麼是中斷？中斷流程？中斷服務程序的基本流程？

計算機在執行程序的過程中，出現某些急需處理的異常情況和特殊請求，CPU暫時中止現行程序，而轉去處理這些異常情況或特殊請求，處理完畢後CPU自行返回到現行程序的斷點處，繼續執行原程序。

中斷流程：
中斷請求、
中斷判優、
中斷響應（終止程序轉去中斷服務）、
中斷處理（執行中斷服務程序）、
中斷返回（結束中斷服務，返回程序）

中斷服務程序的基本流程：
1,保護現場 2.中斷服務 3.恢復現場 4.中斷返回

CPU響應中斷的時機：當前指令結束之後

什麼是DMA（直接內存訪問）？

DMA是一種完全由硬件進行成組信息傳送的控制方式，它具有程序中斷的優點
DMA在外設和內存之間開闢一條直接數據通道，信息傳送不再經過CPU。
稱爲直接存儲器存取方式（如磁盤）

什麼是形式地址？什麼是有效地址？

1）形式地址：指令的地址碼字段通常都不代表操作數的真實地址，稱爲形式地址，記爲A；
2）有效地址：操作數的真實地址，記爲EA，由尋址特徵和形式地址共同決定；

數據在存儲器中存儲時，爲什麼要按照邊界對齊？

爲了減少訪存次數

當使用寄存器代替指令字中的地址碼字段後，有哪些優點？

1.減少訪存次數
2.提高尋址範圍