计算机组成原理第二版课后习题答案全_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。硬件系统是计算机中的物理实体，包括了电子线路和物理装置；软件系统则包含了操作系统、应用程序等各种类型的程序及相关的文档资料。 - **计算机硬件**：指构成计算机的物理部件，例如中央处理器(CPU)、内存、硬盘等。 - **计算机软件**：运行在计算机上的程序和相关文档资料。软件系统可分为系统软件和应用软件两大类，其中系统软件主要包括操作系统(OS)、数据库管理系统(DBMS)等；应用软件则包括办公软件、游戏软件等。 - **硬件与软件的关系**：在计算机系统中，硬件和软件相互依存、不可或缺，它们共同作用使得计算机能够正常运行。因此，两者都非常重要。 #### 二、冯·诺依曼体系结构特点 冯·诺依曼体系结构是现代计算机的基础架构之一，其核心特点如下： - **五大部分组成**：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。 - **存储器统一编址**：指令和数据以同等地位存储在存储器中，且可以通过地址访问。 - **二进制表示**：指令和数据都采用二进制形式存储。 - **指令格式**：指令由操作码和地址码组成，操作码指示操作类型，地址码指出操作数的位置。 - **顺序执行**：指令在存储器中按顺序排列，通常按照这个顺序自动执行。 - **运算器为中心**：早期的冯·诺依曼机设计中，运算器是整个计算机系统的核心部分。 #### 三、计算机系统中的关键概念 1. **主机**：由CPU和主存储器(MM)组成的计算机主体部分。 2. **CPU(中央处理器)**：计算机的核心部件，通常包含运算器和控制器，有时还会集成高速缓存(Cache)。 3. **主存(主存储器)**：用于存储正在运行的程序和数据，可以随机访问。 4. **存储单元**：能够存放一个机器字的存储单位，并具有唯一的地址标识。 5. **存储元件(存储基元/存储元)**：最小的存储单位，只能存储一位二进制信息，不能独立存取。 6. **存储字**：存储单元中存储的二进制代码逻辑单位。 7. **存储字长**：存储单元中存储的二进制代码位数。 8. **存储容量**：存储器能存储的二进制代码总量，一般分为主存容量和辅助存储器容量。 9. **机器字长**：CPU一次能处理的二进制数据位数，通常与寄存器位数相关。 10. **指令字长**：一条指令的二进制代码位数。 #### 四、常见计算机术语及其含义 - **CPU**：Central Processing Unit，中央处理器，是计算机硬件的核心部件，主要负责执行指令。 - **PC(Program Counter)**：程序计数器，用于保存当前欲执行指令的地址，并自动递增形成下一条指令地址。 - **IR(Instruction Register)**：指令寄存器，用于保存当前正在执行的指令。 - **CU(Control Unit)**：控制单元，是控制器的核心部分，负责产生微操作命令序列。 - **ALU(Arithmetic Logic Unit)**：算术逻辑单元，用于执行算术和逻辑运算。 - **ACC(Accumulator)**：累加器，用于存放运算前的操作数和运算后的结果。 - **MQ(Multiplier-Quotient Register)**：乘商寄存器，在乘法运算中存放乘数，在除法运算中存放商。 - **X**：通常表示操作数寄存器，即运算器中的工作寄存器之一，用于存放操作数。 - **MAR(Memory Address Register)**：存储器地址寄存器，用于保存要访问的存储单元地址。 - **MDR(Memory Data Register)**：存储器数据缓冲寄存器，用于存放从存储单元读出或要写入存储单元的数据。 - **I/O(Input/Output equipment)**：输入/输出设备，用于计算机与外界进行信息交换。 - **MIPS(Million Instructions Per Second)**：每秒执行百万条指令数，是一种衡量计算机运算速度的指标。 #### 五、指令执行流程示例 以存数指令“STAM”和加法指令“ADDM”为例，展示指令执行的信息流程： 1. **STAM指令**执行流程： - PC（程序计数器）→ MAR（存储器地址寄存器） - MAR → 主存储器(MM) - MM → MDR（存储器数据寄存器） - MDR → IR（指令寄存器） - OP(IR) → CU（控制单元），解析指令的操作码 - Ad(IR) → MAR，解析指令的地址码 - ACC → MDR - MAR → MM (Write)，将累加器中的数据写入指定地址的存储单元 2. **ADDM指令**执行流程： - PC → MAR - MAR → MM - MM → MDR - MDR → IR - OP(IR) → CU，解析操作码 - Ad(IR) → MAR，解析地址码 - RD，从MM读取数据 - MM → MDR - MDR → X（操作数寄存器） - ADD，执行加法运算 - ALU → ACC - ACC → MDR - WR，将结果写回MM #### 六、寄存器位数计算 对于主存容量为256M * 32位的情况，在指令字长、存储字长、机器字长相等的前提下，各寄存器的位数计算如下： - **MAR**（存储器地址寄存器）：256M个地址，需要28位来表示所有地址。 - **MDR**（存储器数据寄存器）：由于存储字长为32位，故MDR也需要32位。 - **指令寄存器IR**：如果假设指令字长等于存储字长，那么IR也是32位。 - **PC**（程序计数器）、**MAR**（存储器地址寄存器）：同样地，由于需要表示256M个地址，这两个寄存器也需要28位。 - **其他寄存器**（如ACC、X等）：如果机器字长为32位，则这些寄存器也需要32位。 以上分析基于《计算机组成原理》第二版中的内容进行了详细的解释和扩展，帮助读者更好地理解计算机系统的基本概念和原理。