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計算機組成原理簡答題
第1章 計算機系統概論
計算機系統的主要層次結構：
簡述計算機系統的多級層次結構的分層理由及各層功能？
答：計算機是一個很複雜的軟、硬件的結合體。爲了更好地表達和了解這些屬性之間的管，
以便於全面地瞭解計算機系統的整體結構，將計算機系統劃分爲多個層次結構。
1.第一層：微程序設計級，它是計算機的最底層--硬件層。
2.第二層：指令系統級，它所提供的是那些在計算機硬件可以讀懂並可以直接操縱計算機
硬件工作的二進制信息。它是計算機軟件和硬件的分界。
3.第三層：操作系統級即虛擬機，它管理計算機的硬件和軟件資源。
4.第四層：語言處理程序及其他系統軟件級。方便用戶更好地使用計算機。
5.第五層：應用程序級。它是針對計算機用戶在某一應用領域爲某些專門問題而開發的應
用軟件。
計算機的五大基本組成是什麼：
運算器：用來完成算術運算和邏輯運算，並將運算的中間結果暫存在運算器裏。
存儲器：用來存放數據和程序。
控制器：用來控制、指揮程序和數據的輸入、運行以及處理運算的結果。
輸入設備：用來將人們熟悉的信息形式轉換爲機器能識別的信息形式，常見的有鍵盤、鼠標等。
輸出設備：可將機器運算結果轉換爲人們熟悉的信息形式，如打印機輸出等。
馮諾依曼機器的主要特點：
1）計算機由運算器、存儲器、控制器、輸入設備和輸出設備五大部分組成；
2）指令和數據存儲在存儲器中，並可以按地址訪問；
3）指令和數據均以二進制表示；
4）指令由操作碼和地址碼構成，操作碼指明操作的性質，地址碼錶示操作數在存儲器中的位置；
5）指令在存儲器內按順序存放，通常按自動的順序取出執行；
6）機器以運算器爲中心，I/O設備與存儲器交換數據也要通過運算器。
計算機系統5層層次結構從下到上由哪五層組成？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。
什麼是存儲單元、存儲字、存儲字長、存儲體？
存儲單元：存儲一個存儲字並具有特定存儲地址的存儲單位；
存儲字：一個存儲單元中存放的所有的二進制數據，按照某個地址訪問某個存儲單元獲取的二進制數據。
存儲字長：存儲字中二進制數據的位數，即按照某個地址訪問某個存儲單元獲取的二進制數據的位數；
存儲體：由多個存儲單元構成的存儲器件。
第2章 運算方法和運算器
浮點加減運算基本按照哪幾步來進行
1）對階：使小數點對齊；
2）尾數求和：將對階後的兩個尾數按照定點加減運算規則求和；
3）規格化：尾數規格化；
4）舍入：尾數右規時，丟失數值位；
5）溢出判斷：判斷結果是否溢出。
第3章 多層次存儲器
使用多級cache是爲了減少缺失損失。
什麼是多層次的存儲器？爲什麼需要多層次的存儲器？
使用高級緩衝存儲器、主存儲器、外存儲器。CUP能直接訪問的爲內存儲器，它包括cache和主存儲器。CPU不能訪問的爲外存儲器，外存儲器 的信息必須調入內存儲器後才能爲CPU處理。
對存儲器的要求是容量大，速度快，成本低，但在一個存儲器中同時滿足這三方面是困難的，爲了緩解主存儲器讀寫速度慢，另一方面又要解決主存儲器容量小，爲了解決這方面的矛盾，在目前計算機系統中，通常採用多級存儲體系結構
Cache常用的替換算法有哪些？哪個命中率最高？
1）最不經常使用（LFU)、近期最少使用算法(LRU)和隨機替換算法；
2）命中率最高的是近期最少使用算法；
Cache寫操作有哪兩種方式？
1）寫直達法：寫操作既寫入Cache又寫入主存；
2）寫回法：只把數據寫入Cache而不寫入主存，當Cache中數據被替換出去之後才寫入主存。
s-r r w
s w
s-d d w
Cache 有哪幾種地址映射方法？各有何特點？
答： 1. 直接映射：主存的一塊只能複製到 Cache 的一個特定行位置上去，主存的地址有高位
標記、字塊地址、塊內地址三個標記。這種映射關係實現簡單，但是主存的塊只能固定地對
應着某個緩存塊，不夠靈活，命中率低。較適合容量大的 Cache。
2. 全相聯映射：主存中的任一塊都可以映像到 Cache 的任一塊上，主存的地址有高位標
記、塊內地址兩個標記。機制靈活，命中率高，但所需要的邏輯電路較多，成本高。較適合
容量小的 Cache。
3. 組相聯映射：是前兩中的折中。主存的地址有高位標記、組地址、塊內地址三個標記。
比直接映像靈活，命中率高，比全相聯映射所需成本低。較適合容量小的 Cache。
將主存地址映射到Cache地址稱爲地址映射，常見的Cache映射方式有哪幾種？
直接映射、全相聯映射、組相聯映射。
直接映射的優缺點？
優點：地址變換速度快。缺點：cache利用率不高，塊衝突率高；
全相聯映射的優缺點？
優點：cache利用率高，塊衝突率低。缺點：地址變換複雜，需要較多的硬件。
提高訪存速度的三種方式。
1）採用高速元器件；
2）採用存儲層次結構：cache-主存結構；
3）調整主存結構：包括單體多字，多體並行兩種方式。
什麼是存取時間？什麼是存取週期？哪個大？
1）存取時間：啓動一次存儲器完成本次操作（讀或寫）所需的時間；
2）存取週期：連續兩次啓動存儲器所需要的最小間隔時間；
3）存取週期包含存取時間；
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）可以分爲隨機存儲器、只讀存儲器、順序存儲器和直接存儲器；
2）隨機存儲器和只讀存儲器屬於隨機存儲器，即存取時間與物理地址無關；
3）順序存儲器（典型的如磁帶）和直接存儲器（典型的如磁盤）屬於串行存儲器，即存取時間與物理地址有關。
常見的存儲系統層次結構有哪兩種？透明性如何？各自用來解決什麼問題的？
1）緩存-主存層次：用來緩解CPU和主存速度不匹配的問題，由硬件來完成，對所有的程序員完全透明。
2）主存-輔存層次：用來解決主存容量不夠的問題，由操作系統和硬件共同完成，對應用程序設計者透明，對系統程序設計者不透明。
三級存儲器系統中各級存儲器特點與用途，分哪兩個層次。
1主存 特點：隨機訪問、速度快。容量大。用途：存放CPU使用的程序和數據。
輔存 特點：容量大、速度慢、價格低、可脫機保存信息。用途：存放大量後備數據
緩存 特點：速度快、容量小、價格高 用途：用於主存與輔存之間作爲緩衝，正在使用的程序和數據的付本。
2緩存-----主存層次和主存---輔村層次。
說明Cache-主存的地址映像有哪三種方式，說明他們的基本映像原理。
直接映射：將主存空間按Cache的尺寸分區，每區內相同的塊號映像到Cache中相同的塊位置。優：實現簡單；缺：不夠靈活
全相連映射：主存中的每一個字塊可映射到Cache任何一個字塊位置上，當訪問一個塊中的數據時，塊地址要與Cache塊表中的所有地址標記進行比較以確認是否命中。
組相連映射：是直接映射和全相連映射的一種折中方案，這種方案將存儲空間分爲若干組，各組間是直接映射，而組內各塊間是全相連映射。
第4章 指令系統
RISC - -RR
說明計算機九大尋址方式及有效地址EA計算方法。
立即尋址：無需尋址 隱含尋址：無需尋址 直接尋址：EA=A 間接尋址：EA=(A) 相對尋址：EA=(PC)+A
基址尋址：EA=(BR)+A 變址尋址：EA=(IX)+A 寄存器尋址：EA=Rj 寄存器間接尋址：EA=(Rj)
什麼是機器指令？什麼是指令系統？
1）機器指令：每一條機器語言的語句；
2）指令系統：全部機器指令的集合。
一條指令包含哪兩個主要部分？請簡要說明各部分作用。
1）操作碼：指明指令要完成的操作；
2）地址碼：指明指令要操作的數據或數據來源；
指令中地址的個數可以有幾個？
四地址、三地址、二地址、一地址以及零地址。
假設指令中有四個地址、三個地址、兩個地址以及一個地址，各自需要訪存幾次？
1）四地址：訪存4次；
2）三地址：訪存4次；
3）兩地址：訪存3次；
4）一地址：訪存2次；
尋址方式包括哪兩類？
1）指令尋址：下一條將要執行的指令的指令地址；
2）數據尋址：確定本指令的操作數地址。
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，成爲形式地址，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；
瞭解各種尋址方式的概念及根據形式地址形成有效地址的方式。
立即尋址、直接尋址、隱含尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、基址尋址（隱式或顯式）、變址尋址、相對尋址、堆棧尋址
什麼是RISC？什麼是CISC？
RISC：精簡指令集；
CISC：複雜指令集；
第5章 中央處理器
CPU的組成 由控制器，運算器和cache.
CPU的功能：
1.指令控制
2.操作控制
3.時間控制
4.數據加工
CPU中的主要寄存器：
DR（數據緩衝寄存器）：暫存ALU運算結果，或由數存讀數據，或接數據。（時間緩衝，補償速度）
IR(指令寄存器）：保存當前正在執行的一條指令。
PC（程序計數器）：確定下一條指令地址。從指存提取第一條指令的地址。（有寄存器和計數功能）
AR （數據地址寄存器)：保存當前CPU所訪問的數據cache存儲器中的單元地址
R0-R3(通用寄存器):當ALU執行算術或邏輯運算時，爲ALU提供一個工作區。
PSW(狀態字寄存器）：保存指令，測試代碼
時序信號的控制方式
同步控制
異步控制
聯合控制
並行技術
1.時間並行
2.空間並行
3.時間+空間並行
影響流水線性能的因素主要有哪幾種？請簡要加以說明。
結構相關：是當多條指令進入流水線後，硬件資源滿足不了指令重疊執行的要求時產生的。不同指令爭用同一功能部件產生資源衝突。
數據相關：是指令在流水線中重疊執行時，當後繼指令需要用到前面指令的執行結果時發生的。可能改變對操作數的讀寫訪問順序。
控制相關：是當流水線遇到分支指令和其它改變PC值的指令時引起的。
分別說明一下名詞MAR，MDR，CU，IR，PC的中文名稱及該器件的主要功能。
MAR是存儲器地址寄存器，用來存放欲訪問的存儲單元的地址，其位數對應存儲單元的個數。
MDR是存儲器數據寄存器，用來存放從存儲體某單元取出or存入的代碼，其位數與存儲字長相等。
如4K × 8位的存儲芯片，有log2（4K）=12條地址線，8條數據線
CU是控制單元，用來分析當前指令所需完成的操作，併發出各種微操作命令序列，用以控制所有被控對象。
IR是指令寄存器，用來存放當前指令，IR的內容來自MDR。
PC是程序計數器，用來存放當前欲執行指令的地址，它與主存的MAR間有一條直接通道且具有自動加1功能，即可自動形成下一條指令的地址。
根據CPU訪存的性質不同，可將CPU的工作週期分爲哪幾類？分別完成什麼操作？
(1)取指週期(取指令)、
(2)間址週期(取有效地址)、
(3)執行週期(取（或存）操作數)、
(4)中斷週期(將程序斷點保存起來)
什麼是指令週期、機器週期、時鐘週期 三者的關係如何。
指令週期：完成一條指令的時間，由若干機器週期組成。
機器週期：完成摸個獨立操作，由若干時鐘週期組成。
時鐘週期：最基本時間單位，由主頻決定。
關係：時鐘週期是最基本時間單位，由若干時鐘週期組成機器週期，由若干機器週期組成指令週期。
第6章 總線系統
說明總線結構對計算機系統性能的影響。
(1)簡化了硬件的設計。
(2)簡化了系統結構。
(3)系統擴充性好。
(4)系統更新性能好。
一個單處理器系統中的總線，分爲三類：
1.內部總線：連接各寄存器及運算部件之間的總線
2.系統總線：計算機系統的其他高速功能部件，相互連接的總線
3.I/O總線：I/O設備之間相互連接的總線
總線的特性：
1.物理特性
2.功能特性
3.電氣特性
4.時間特性
總線結構：
1.單總線結構
2.多總線結構（橋是一種具有緩衝，轉換，控制功能的邏輯電路）
地址線：單向，傳送主存與設備的地址
控制線：單向，指明數據傳送方向，中斷控制和定時控制
數據線：雙向，傳送數據
CPU總線
PCI總線：集中式仲裁方式，專門的總線仲裁器（猝發式傳送）
ISA總線
橋： CPU-PCI 北橋 PCI-ISA 南橋
總線的信息傳輸方式：
1.串行傳送
2.並行傳送
3.分時傳送
總線的仲裁方式分爲
1.集中式仲裁
①鏈式查詢方式（菊花鏈）：缺點，對詢問鏈的電路故障很敏感
②計數器定時查詢方式：
③獨立請求方式：優點，響應時間快（效率最高）
2.分佈式仲裁
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？
1）分成數據總線、地址總線以及控制總線。
2）數據總線：各個功能部件之間傳送數據信息，雙向傳輸；
3）地址總線：用來指明數據總線上，源數據或目的數據所在的主存單元的地址。單向：由CPU發出
4）控制總線：用來發送各種控制信號。對於控制總線中的單根線，是單向的，即只能由一個部件發向另一個部件。而一組控制總線中，有輸入也有輸出，因此，控制總線也可以看成是雙向的。
什麼是總線寬度、總線帶寬、總線複用、信號線數？
1）總線寬度：數據總線的根數，一般是8的倍數。是衡量計算機系統性能的重要指標；
2）總線帶寬：即總線數據傳輸速率，總線上每秒能夠傳輸的最大字節量。
3）總線複用：一條信號線上分時傳送兩種信號。例如數據總線和地址總線的分時複用；
4）信號線數：地址總線、數據總線和控制總線三種總線的線數之和。
同步通信與異步通信區別？ （同步定時，異步定時）
答： 1.同步通信要求接收端時鐘頻率和發送端時鐘頻率一致，發送端發送連續的比特流；異步通信時不要求接收端時鐘和發送端時鐘同步，發送端發送完一個字節後，可經過任意長的時間間隔再發送下一個字節。
2.同步通信效率高；異步通信效率較低。
3.同步通信較複雜，雙方時鐘的允許誤差較小；異步通信簡單，雙方時鐘可允許一定誤差。
4.同步通信可用於點對多點；異步通信只適用於點對點。
第七章 外存與I/O設備
外圍設備大體分爲輸入設備，輸出設備，外存設備，數據通信設備，過程控制設備五大類。
外圍設備由三個基本部分組成
1.存儲介質
2.驅動裝置
3.控制電路
CPU信息交換方式
1.程序查詢方式（同步操作）
2.程序中斷方式（慢）
3.DMA方式（直接內存訪問，是一種完全由硬件執行I/O交換的工作方式）速度高
4.通道方式
DMA的傳送方式
1.停止CPU訪問
2.週期挪用
3.DMA與CPU交替訪問