计算机组成原理(四版)本科生试题库整理附答案.doc

### 计算机组成原理知识点解析 #### 一、计算机发展历程与系统结构 - **从器件角度看，计算机经历了五代变化**：从电子管、晶体管、中小规模集成电路、大规模及超大规模集成电路到人工智能和量子计算等新型计算技术。 - **从系统结构看**：至今绝大多数计算机仍属于**冯·诺依曼结构**计算机。这种结构的核心特点是存储程序和程序控制，即将程序和数据同时存储在内存中，并且能够自动地从内存中取出指令并执行。 #### 二、定点整数表示 - 在某机中，字长为32位，其中1位用于表示符号位。因此，最小负整数为**-(2^31-1)**。这是因为定点整数采用补码表示法，最高位为符号位（0为正，1为负），其余位表示数值大小。对于负数而言，最大负整数的绝对值为2^31-1。 #### 三、运算器的功能 - **运算器**的主要功能包括算术运算和逻辑运算。早期的计算机运算器可能仅支持加法运算，但现代计算机中的运算器可以进行多种复杂的算术运算（如加、减、乘、除）以及逻辑运算（如与、或、非等）。 #### 四、存储器类型 - **EEPROM（电擦除可编程只读存储器）**是一种可以在电路中进行电擦除和重写数据的非易失性存储器。它结合了EPROM的非易失性和RAM的随机访问特性，广泛应用于需要少量存储空间和频繁更新数据的应用场景。 - **虚拟存储系统**通常由主存-辅存两级存储器组成。其中，主存是快速的半导体存储器，而辅存则是大容量的磁表面存储器，如硬盘驱动器。虚拟存储技术可以有效扩展主存的容量，使得操作系统能够在物理内存不足的情况下运行更大的程序。 #### 五、指令集架构 - **RISC（精简指令集计算机）**架构强调使用简单且数量较少的指令，每个指令执行的时间周期固定，通常采用负载/存储指令模型，大多数运算都在寄存器之间进行。 - **当前的 CPU**通常包含控制器、运算器和缓存（Cache）。控制器负责解释指令并控制整个系统的运行；运算器负责执行算术和逻辑运算；缓存则用来缓解CPU与主存之间的速度差异。 #### 六、流水线技术 - **流水线 CPU**将指令执行过程分为多个阶段（或称为段），如取指、译码、执行等，这样可以实现指令的并行处理。相比具有同样数量并行部件的传统CPU，流水线CPU的吞吐能力更接近甚至超过传统CPU，因为它能够在同一时间内处理多个指令的不同阶段。 #### 七、总线仲裁 - 在集中式总线仲裁中，**独立请求方式**的响应时间最快。这种方式为每个设备提供单独的请求和应答线，当某个设备需要访问总线时，会发送请求信号给总线控制器，控制器根据优先级或其他策略选择一个设备并允许其使用总线。 #### 八、CPU寄存器 - **程序计数器（PC）**用于跟踪下一条指令的地址。每当执行完一条指令后，程序计数器的值就会被更新为下一条指令的地址。 #### 九、信息流传输速度 - 在不同类型的总线系统中，**单总线系统**的工作效率最低。这是因为所有设备都需要共享同一条总线，当多个设备同时请求访问时，可能会导致冲突，从而降低整体性能。 #### 十、中断处理 - 在单级中断系统中，为了防止在处理当前中断时被同级的其他中断所干扰，通常会在处理中断前**关闭中断屏蔽标志**。这有助于确保中断处理的完整性和正确性。 #### 十一、权限管理 - **从用户模式切换到管理员模式**的操作需要通过特权指令完成。这类指令只能在特定的执行级别上运行，通常是操作系统核心层才能访问的指令。 #### 十二、冯·诺依曼机工作方式 - **冯·诺依曼机**的基本工作方式特点是按地址访问并顺序执行指令。这意味着程序存储在一个连续的地址空间中，并按照指令序列依次执行。 #### 十三、数值表示 - 在**补码表示法**中，零的表示形式是唯一的。这是因为在补码表示法中，无论是正数还是负数，0都表示为全0的形式。 #### 十四、定点运算器设计 - 在定点二进制运算器中，减法运算通常通过**补码运算的二进制加法器**来实现。这是因为通过将减法转换为加法，可以简化硬件设计，提高运算效率。 #### 十五、存储寻址 - 对于单地址指令来说，为了完成两个数的算术运算，除了地址码指明的一个操作数外，另一个操作数通常采用**隐含寻址方式**。这种方式不需要在指令中明确指定第二个操作数的位置，而是通过约定或上下文来确定。 #### 十六、同步控制 - **同步控制**是由统一的时序信号控制的一种方式。这种方式通常用于CPU内部的指令执行流程控制，确保各个部件按照预定的时序关系协调工作。 #### 十七、总线技术 - **PCI总线**是一个与处理器无关的高速外围设备接口标准。它采用了突发式传输机制，能够高效地进行数据传输。不过，需要注意的是，PCI总线并不总是作为主设备存在，而且现代系统中通常存在多条PCI总线。 #### 十八、图形显示技术 - 对于CRT显示器，其分辨率为1024×1024像素，像素的颜色数为256色，则刷新存储器的容量为1MB。这是因为每个像素需要8位（256色）来表示颜色，所以总的存储需求为1024×1024×8位=1MB。 #### 十九、中断处理机制 - 为了支持多级中断处理，通常采用**堆栈**来保存现场信息。这样可以有效地保存和恢复中断发生时的状态，以便在中断处理完成后能够准确地回到中断之前的状态继续执行。 #### 二十、特权指令 - **特权指令**是指只能在操作系统核心层执行的机器指令。这些指令通常涉及到系统资源的管理、状态改变等敏感操作，以防止普通应用程序滥用这些功能而导致系统不稳定或安全问题。 #### 二十一、虚拟存储技术 - **虚拟存储技术**旨在解决存储器的速度、容量和成本之间的矛盾。它通过在主存和辅存之间建立一种层次结构，使程序和数据可以在物理内存和磁盘之间动态迁移，从而在不显著增加成本的情况下大幅提高系统的可用内存空间。 #### 二十二、多道程序设计 - **引入多道程序的目的**在于充分利用CPU资源，减少CPU空闲时间。通过同时运行多个进程，即使某些进程处于I/O等待状态，CPU仍然可以处理其他进程，从而提高整体系统的利用率和效率。