计算机组成原理第二版课后习题答案唐朔飞

### 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。 - **计算机硬件**：指构成计算机的电子线路和物理装置，例如CPU、内存、硬盘等。 - **计算机软件**：为使计算机能够运行而设计的各种程序及其相关文档资料。 在计算机系统中，硬件和软件相辅相成，不可或缺。两者之间不存在绝对的重要性高低之分，它们各自承担着不同的角色和功能，共同协作以实现计算机的功能。 #### 二、冯·诺依曼体系结构的特点 冯·诺依曼计算机模型是现代计算机设计的基础，其特点包括： 1. **五大部件组成**：计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。 2. **存储程序概念**：指令和数据都存储在存储器中，并且以相同的格式存在，可以通过地址访问。 3. **二进制表示**：指令和数据都采用二进制形式表示。 4. **指令结构**：指令由操作码和地址码两部分组成，其中操作码指示了操作类型，地址码指定了操作数的位置。 5. **顺序执行**：指令在存储器中通常是顺序排列的，可以自动地按照这个顺序执行。 6. **运算器中心**：早期的冯·诺依曼体系结构中，运算器是整个计算机的核心。 #### 三、计算机系统中的基本概念 - **主机**：计算机硬件的主体部分，通常包括CPU和主存储器。 - **CPU**（Central Processing Unit，中央处理器）：计算机的核心组件，负责执行指令，通常由运算器和控制器组成。 - **主存**（Main Memory）：计算机中存放当前正在运行的程序和数据的存储器，可以随机存取。 - **存储单元**：可以存储一个机器字的最小单位，并具有唯一的地址。 - **存储元件**：存储一个二进制位的物理元件，是最小的存储单位，无法独立存取。 - **存储字**：存储单元中存放的一个二进制代码的逻辑单位。 - **存储字长**：一个存储单元中可以存储的二进制位数。 - **存储容量**：存储器能够存储的二进制代码的总量。 - **机器字长**：CPU能够同时处理的二进制数据位数。 - **指令字长**：一条指令所包含的二进制位数。 #### 四、计算机体系结构中的关键部件及其缩写 - **CPU**（Central Processing Unit）：中央处理器，负责执行指令。 - **PC**（Program Counter）：程序计数器，存储当前欲执行指令的地址。 - **IR**（Instruction Register）：指令寄存器，存储当前正在执行的指令。 - **CU**（Control Unit）：控制单元，产生微操作命令序列。 - **ALU**（Arithmetic Logic Unit）：算术逻辑单元，执行算术和逻辑运算。 - **ACC**（Accumulator）：累加器，用于暂存运算前后的数据。 - **MQ**（Multiplier-Quotient Register）：乘商寄存器，乘法时存储乘数，除法时存储商。 - **X**：操作数寄存器，用于存放操作数。 - **MAR**（Memory Address Register）：存储器地址寄存器，存储要访问的存储单元的地址。 - **MDR**（Memory Data Register）：存储器数据缓冲寄存器，存储从存储单元读出的数据或将要写入的数据。 - **I/O**（Input/Output equipment）：输入/输出设备，用于数据的输入和输出。 - **MIPS**（Million Instructions Per Second）：每秒执行百万条指令数，衡量计算机性能的指标。 - **CPI**（Cycles Per Instruction）：执行一条指令所需的时钟周期数，衡量指令执行效率的指标。 - **FLOPS**（Floating Point Operations Per Second）：每秒浮点运算次数，衡量计算机浮点运算能力的指标。 #### 五、指令执行流程示例 - **STAM指令**（存储指令）： - PC→MAR：程序计数器指向存储器地址寄存器。 - MAR→MM：存储器地址寄存器指向主存。 - MM→MDR：主存数据传递到存储器数据缓冲寄存器。 - MDR→IR：存储器数据缓冲寄存器中的数据传递到指令寄存器。 - OP(IR)→CU：指令寄存器中的操作码传递到控制单元。 - Ad(IR)→MAR：指令寄存器中的地址码传递到存储器地址寄存器。 - ACC→MDR：累加器中的数据传递到存储器数据缓冲寄存器。 - MAR→MM：存储器地址寄存器指向主存。 - WR：将数据写入主存。 - **ADDM指令**（加法指令）： - PC→MAR：程序计数器指向存储器地址寄存器。 - MAR→MM：存储器地址寄存器指向主存。 - MM→MDR：主存数据传递到存储器数据缓冲寄存器。 - MDR→IR：存储器数据缓冲寄存器中的数据传递到指令寄存器。 - OP(IR)→CU：指令寄存器中的操作码传递到控制单元。 - Ad(IR)→MAR：指令寄存器中的地址码传递到存储器地址寄存器。 - RD：读取数据。 - MM→MDR：主存数据传递到存储器数据缓冲寄存器。 - MDR→X：存储器数据缓冲寄存器中的数据传递到操作数寄存器。 - ADD：执行加法运算。 - ALU→ACC：算术逻辑单元的结果传递到累加器。 - ACC→MDR：累加器中的数据传递到存储器数据缓冲寄存器。 - WR：将数据写入主存。 #### 六、寄存器位数计算 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： - **主存地址长度**：为了唯一标识256M个存储单元，需要\( \log_2(256M) = \log_2(256 * 1024 * 1024) = 28 \)位地址。 - **MAR位数**：存储器地址寄存器（MAR）至少需要28位来存储主存地址。 - **MDR位数**：存储器数据缓冲寄存器（MDR）需要32位来存储一个存储字。 - **IR位数**：指令寄存器（IR）的位数应该与指令字长相等，这里假设也为32位。 - **PC位数**：程序计数器（PC）的位数也应该是28位，以便能够唯一标识所有的指令地址。 - **其他寄存器位数**：如ACC、MQ等寄存器的位数也应该与机器字长相同，即32位。 以上是关于计算机组成原理中的一些基础知识点以及对题目中涉及内容的详细解答。这些知识点对于理解计算机的工作原理和技术细节至关重要。