计算机组成原理第二版课后题答案

### 计算机组成原理知识点解析 #### 一、计算机系统的定义及其组成部分 - **计算机系统**：由硬件系统和软件系统共同构成的整体。硬件系统是计算机工作的物质基础，而软件系统则是指挥计算机如何工作的“大脑”。 - **计算机硬件**：指的是计算机内部的所有电子线路和物理装置，例如中央处理器(CPU)、内存、硬盘等。 - **计算机软件**：主要包括操作系统、应用程序等各种程序以及相关的文档资料。软件负责控制和管理硬件资源，并为用户提供友好的交互界面。 #### 二、硬件与软件的重要性比较 硬件和软件在计算机系统中是相互依存的关系，两者都不可或缺。硬件提供运行环境，而软件则发挥着控制和调度的作用。从这个角度来看，二者的重要性不相上下，都是构建完整计算机系统的关键要素。 #### 三、冯·诺依曼计算机架构特点 冯·诺依曼架构是现代计算机设计的基础，其核心特点包括： - **五大部件组成**：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备。这些组件协同工作，实现了计算机的基本功能。 - **指令和数据同存**：指令和数据均以二进制形式存储在同一个存储器中，这使得计算机能够灵活地处理不同类型的信息。 - **指令格式**：指令由操作码和地址码两部分组成，操作码指示了要执行的操作类型，地址码则指明了操作数的位置。 - **指令流**：指令在存储器中按照顺序存放，通常情况下会自动按顺序执行，除非遇到跳转指令。 - **以运算器为中心**：在冯·诺依曼架构的早期版本中，运算器是整个系统的中心，负责处理所有算术和逻辑运算任务。 #### 四、计算机硬件关键术语解释 - **主机**：指计算机硬件的主体部分，由中央处理器(CPU)和主存储器(MM)组成，是计算机执行基本任务的核心。 - **CPU(中央处理器)**：作为计算机的大脑，由运算器和控制器组成，负责执行指令序列。 - **主存**：用于存放当前正在运行的程序和数据的存储器，通常采用随机访问存储器(RAM)，以便快速存取信息。 - **存储单元**：指可存放一个机器字并具有特定存储地址的最小存储单位。 - **存储元件**：是存储器中最小的存储单位，通常只能存储一个二进制位，是组成存储单元的基本元素。 - **存储字**：存储单元中所存储的二进制代码逻辑单位。 - **存储字长**：存储单元中存储的二进制代码的位数。 - **存储容量**：指存储器中可存储二进制代码的总量，是衡量存储器大小的重要指标。 - **机器字长**：指CPU一次能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。 - **指令字长**：指一条指令的二进制代码位数，决定了指令所能表示的复杂度和精度。 #### 五、计算机硬件关键组件缩写含义 - **CPU**: Central Processing Unit，中央处理器，计算机的核心部件，主要负责执行指令。 - **PC**: Program Counter，程序计数器，用于存储当前指令的地址。 - **IR**: Instruction Register，指令寄存器，用于暂存当前正在执行的指令。 - **CU**: Control Unit，控制单元，用于生成微操作命令序列。 - **ALU**: Arithmetic Logic Unit，算术逻辑单元，运算器的核心部件，负责执行算术和逻辑运算。 - **ACC**: Accumulator，累加器，用于暂存运算过程中的中间结果。 - **MQ**: Multiplier-Quotient Register，乘商寄存器，用于乘法运算时存储乘数，除法时存储商。 - **X**: 通用寄存器，用于存放操作数。 - **MAR**: Memory Address Register，存储器地址寄存器，用于保存访问存储单元的地址。 - **MDR**: Memory Data Register，存储器数据寄存器，用于暂存从存储单元读取或要写入的数据。 - **I/O**: Input/Output equipment，输入/输出设备，用于实现计算机与外部世界的交互。 - **MIPS**: Million Instructions Per Second，每秒执行百万条指令数，是衡量计算机运算速度的指标之一。 - **CPI**: Cycles Per Instruction，每条指令所需的时钟周期数，用于评估指令执行效率。 - **FLOPS**: Floating Point Operations Per Second，每秒浮点运算次数，用于衡量计算机处理浮点数的能力。 #### 六、主机框图及指令流程示例 根据题目要求，我们可以通过绘制主机框图来进一步理解指令执行的过程。对于存数指令(STAM)和加法指令(ADDM)，它们的信息流程如下： - **STAM指令流程**： - PC→MAR：将程序计数器(PC)中的值送到存储器地址寄存器(MAR)中。 - MAR→MM：根据MAR中的地址从主存(MM)中读取指令。 - MM→MDR：将读取到的指令送入存储器数据寄存器(MDR)。 - MDR→IR：将MDR中的指令送入指令寄存器(IR)。 - OP(IR)→CU：指令寄存器(IR)中的操作码部分送入控制单元(CU)进行分析。 - Ad(IR)→MAR：指令寄存器(IR)中的地址部分送回MAR。 - ACC→MDR：将累加器(ACC)中的内容送入MDR。 - MAR→MM：根据MAR中的地址将MDR中的内容写入主存(MM)。 - WR：写入操作完成。 - **ADDM指令流程**： - PC→MAR：将程序计数器(PC)中的值送到存储器地址寄存器(MAR)中。 - MAR→MM：根据MAR中的地址从主存(MM)中读取指令。 - MM→MDR：将读取到的指令送入存储器数据寄存器(MDR)。 - MDR→IR：将MDR中的指令送入指令寄存器(IR)。 - OP(IR)→CU：指令寄存器(IR)中的操作码部分送入控制单元(CU)进行分析。 - Ad(IR)→MAR：指令寄存器(IR)中的地址部分送回MAR。 - RD：读取操作。 - MM→MDR：从主存(MM)中读取数据送入MDR。 - MDR→X：将MDR中的数据送入操作数寄存器X。 - ADD：执行加法操作。 - ALU→ACC：将ALU的结果送入累加器(ACC)。 - ACC→MDR：将累加器(ACC)中的内容送入MDR。 - WR：写入操作完成。 假设主存容量为256M×32位，在指令字长、存储字长、机器字长相等的条件下，可以推断出： - 主存地址寄存器(MAR)位数：256M = 2^28，所以MAR至少需要28位。 - 存储器数据寄存器(MDR)位数：32位。 - 指令寄存器(IR)位数：由于指令字长等于存储字长，故IR也为32位。 - 累加器(ACC)位数：32位。 - 操作数寄存器(X)位数：32位。 通过以上分析，我们可以更加深入地理解计算机组成原理中的关键概念和技术细节，这对于学习和掌握计算机系统的工作机制非常重要。