第五章中央处理器
5.1.1 CPU的功能
CPU对整个计算机系统的运行是极其重要的，它具有如下四方面的基本功能：
★指令控制★操作控制
★时间控制★数据加工
5.1.2 CPU的基本组成
CPU的基本部分由运算器、cache和控制器三大部分组成。
5.1.3 CPU中的主要寄存器
在CPU中至少要有六类寄存器。这些寄存器用来暂存一个计算机字。根据需要，可以扩充其数目。
1.数据缓冲寄存器（DR）
缓冲寄存器的作用是：
(1)作为CPU和内存、外部设备之间信息传送的中转站；
(2)补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别；
(3)在单累加器结构的运算器中，数据缓冲寄存器还可兼作为操作数寄存器。
2.指令寄存器（IR）
3.程序计数器（PC）
4.地址寄存器（AR）
5.通用寄存器【累加寄存器（AC）】
6.状态条件寄存器（PSW）
5.1.4 操作控制器与时序产生器
在各寄存器之间建立数据通路的任务，是由称为操作控制器的部件来完成的。
根据设计方法不同，操作控制器可分为时序逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑与存储逻辑结合型三种。
5.2 指令周期
5.2.1 指令周期的基本概念
指令周期CPU从内存取出一条指令并执行这条指令的时间总和。
数据通路是许多寄存器之间传送信息的通路。信息从什么地方开始，中间经过哪个寄存器或多路开关，最后传送到哪个寄存器，都要加以控制。
CPU周期又称机器周期，CPU访问一次内存所花的时间较长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。
时钟周期通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU周期包含若干个时钟周期。
5.2.2 非访内指令的指令周期
下面以六条典型指令为例进行说明，如P131表5.1,[MOV R0,R1指令]
5.2.3LAD取数指令的指令周期
5.2.4ADD指令的指令周期
5.2.5STO存数指令的指令周期
5.2.6JMP转移指令的指令周期
5.2.7用方框图语言表示指令周期
方框代表一个CPU周期，方框中的内容表示数据通路的操作或某种控制操作。
菱形通常用来表示某种判别或测试，不过时间上它依附于紧接它的前面一个方框的CPU 周期，而不单独占用一个CPU周期。
把前面的五条典型指令加以归纳，用方框图语言表示的指令周期请见下图
【例1】教材图5.15所示为双总线结构机器的数据通路。
IR为指令寄存器
PC为程序计数器(具有自增功能)
M为主存(受R/W信号控制)
AR为地址寄存器
DR为数据缓冲寄存器
ALU由加、减控制信号决定完成何种操作
控制信号G控制的是一个门电路
另外，线上标注有小圈表示有控制信号
例中yi表示y寄存器的输入控制信号
R1o为寄存器R1的输出控制信号
未标字符的线为直通线，不受控制
要求：(1)“ADD R2，R0”指令完成(R0)+(R2)→R0的功能操作，画出其指令周期流程图，假设该指令的地址已放入PC中。并列出相应的微操作控制信号序列。
(2)“SUB R1，R3”指令完成(R3)-(R1)→R3的操作，画出其指令期流程图，并列出相应的微操作
控制信号序列。
5.4 微程序控制器
微程序的概念和原理是由英国剑桥大学的M·V·Wilkes教授于1951年在曼彻斯特大学计算机会议上首先提出来的，当时还没有合适的存放微程序的控制存储器的元件。
到1964年，IBM公司在IBM 360系列机上成功地采用了微程序设计技术。
20世纪70年代以来，由于VLSI技术的发展，推动了微程序设计技术的发展和应用。目前，从大型机到小型机、微型机都普遍采用了微程序设计技术。
5.4.1微程序控制原理
1.微命令和微操作
微命令控制部件通过控制线向执行部件发出的各种控制命令。
微操作执行部件接受微命令后所进行的操作。【相容和相斥操作】
微命令和微操作是一一对应的。
微命令是微操作的控制信号，微操作是微命令的操作过程。
微操作是执行部件中最基本的操作。
控制部件与执行部件通过控制线和反馈信息进行联系。
2.微指令和微程序
微指令在机器的一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合。
微程序实现一条机器指令功能的许多条微指令组成的序列。
例：BCD码加法
第一条微指令编码
第二条微指令编码
第三条微指令编码
第四条微指令编码
5.4 微程序控制器（二）
1.机器指令与微指令的关系
一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是由若干条微指令序列组成的。因此，一条机器指令的功能是由若干条微指令组成的序列来实现的。简言之，一条机器指令所完成的操作划分成若干条微指令来完成，由微指令进行解释和执行。
指令、程序、地址与内存储器有关.
微指令、微程序、微地址与控制存储器有关。
前面讲述了指令与机器周期概念，并归纳了五条典型指令的指令周期,并演示了这五条指令的微程序流程图，每一个CPU周期就对应一条微指令。这就告诉我们如何设计微程序，也将使我们进一步体验到机器指令与微指令的关系。
【例】设某计算机运算器框图如图所示，其中ALU为16位的加法器(高电平工作)，SA,SB为16位暂存器。4个通用寄存器由D触发器组成，Q端输出。其运算器框图、读写控制功能、微指令格式如下：
SB-ALU：传送SB的控制信号
SB-ALU：传送SB的控制信号,并使ALU最低位加1
Reset：清暂存器SB为零的信号
～：一段微程序结束，转入取机器指令的控制信号
(微指令格式中未考虑顺序控制字段)
要求：画出如下指令的指令周期流程图，并用二进制代码写出微程序。(不考虑“取指周期”和顺序控制问题)
(1)“ADD R0，R1”指令，
即(R0)+(R1)→R1
(2)“SUB R2，R3”指令，
即(R3)-(R2)→R3
(3)“MOV R2，R3”指令，
即(R2)→(R3)
微指令序列的顺序用数字标号标在每条微指令的右上角。每一框表示一条微指令。
根据给定的微指令周期时间关系，完成ADD，SUB指令的执行动作需要3条微指令，MOV 指令只需2条微指令。用二进制代码写出的三条指令的微程序列于下表中，其中*表示代码随意
设置(0或1均可)。
5.4.2 微程序设计技术
1．设计微指令应当追求的目标
●有利于缩短微指令的长度
●有利于缩小CM的容量
●有利于提高微程序的执行速度
●有利于对微指令的修改
●有利于提高微程序设计的灵活性
2. 微命令编码
微命令编码:是对微指令中的操作控制字段采用的表示方法。
通常有以下三种方法：
(1)直接表示法其特点是操作控制字段中的每一位代表一个微命令
直接表示法特点：
这种方法结构简单，直观，并行性强，操作速度快，但是微指令字较长，若微命令的总数为N个，则微指令字的操作控制字段就要有N位，因而使控制存储器容量较大。
另外，在N个微命令中，有许多是互斥的，不允许并行操作，将它们安排在一条微指令中是毫无意义的，只会使信息的利用率下降。
(2)编码表示法
编码表示法是把一组相斥性的微命令信号组成一个小组(即一个字段) ，然后通过小组(字段)译码器对每一个微命令信号进行译码，译码输出作为操作控制信号。
采用字段译码的编码方法优点：可以用较小的二进制信息位表示较多的微命令信号。例如:3位二进位译码后可表示7个微命令，4位二进制位译码后可表示15个微命令。与直接控制法相
比，字段译码控制法可使微指令字大大缩短。
缺点：由于增加译码电路，使微程序的执行速度稍稍减慢。目前在微程序控制器设计中，字段译码法使用较普遍。
编码要遵循如下的原则：
①把互斥性的微命令分在同一字段内，兼容性的微命令分在不同段内。这样不仅有助于提高信息的利用率，缩短微指令字长，而且有助于充分利用硬件所具有的并行性，加快执行的速度。
②应与数据通路结构相适应。
③每个字段中包含的信息位不能太多，否则将增加译码线路的复杂性和译码时间。
④一般每个字段还要留出一个状态，表示本字段不发出任何微命令。因此当某字段的长度为三位时，最多只能表示七个互斥的微命令，通常用000表示不操作。
(3)混合表示法这种方法是把直接表示法与字段译码法混合使用，以便能综合考虑指令字长、灵活性、执行微程序速度等方面的要求。
另外在微指令中还可附设一个常数字段。该常数可作为操作数送入ALU运算，也可作为计数器初值用来控制微程序循环次数。
3.微地址的形成方法
微指令执行的顺序控制问题，实际上是如何确定下一条微指令的地址问题。通常包括入口地址和后继微地址的产生。
(1)入口地址形成：每条机器指令对应一段微程序，当公用的取指微程序从主存中取出机器指令之后，由机器指令的操作码字段指出各段微程序的入口地址。
如果机器指令操作码字段的位数和位置固定，可以直接使操作码与微程序入口地址的部分位相对应。
(2) 形成后继微地址有两种方法：
1.计数器方式
2.多路转移方式
计数器方式这种方法同用程序器计数来产生机器指令地址的方法相类似。在顺序执行微指令时，后继微地址现行微地址加上一个增量来产生；在非顺序执行微指令时，必须通过转移方式，使现行微指令执行后，转去执行指定后继微地址的下一条微指令。
在这种方法中，微地址寄存器通常改为计数器。为此，顺序执行的微指令序列就必须安排在控制存储器的连续单元中。
计数器方式基本特点：
微指令的顺序控制字段较短，微地址产生机构简单。但是多路并行转移功能较弱，速度较慢，灵活性较差。
2.多路转移方式
一条微指令具有多个转移分支的能力称为多路转移。
在多路转移方式中，当微程序不产生分支时，后继微地直接由微指令的顺序控制字段给出；当微程序出现分支时，有若干“后选”微地址可供选择：即按顺序控制字段的“判别测试”标志和“状态条件”信息来选择其中一个微地址。
“状态条件”有n位标志，可实现微程序2的n次方路转移，涉及微地址寄存器的n位。
多路转移方式的特点：
能以较短的顺序控制字段配合，实现多路并行转移，灵活性好，速度较快，但转移地址逻辑需要用组合逻辑方法设计。
3.微指令格式
微指令的编译方法是决定微指令格式的主要因素。
微指令的格式大体分成两类：水平型微指令和垂直型微指令
(1)水平型微指令
一次能定义并执行多个并行操作微命令的微指令，叫做水平型微指令。
按照控制字段的编码方法不同，水平型微指令又分为三种：
?全水平型(不译法)微指令
?字段译码法水平型微指令
?直接和译码相混合的水平型微指令
(2)垂直型微指令
微指令中设置微操作码字段，采用微操作码编译法，由微操作码规定微指令的功能，称为垂直型微指令。
其结构类似于机器指令的结构。它有操作码，在一条微指令中只有1—2个微操作命令，每条微指令的功能简单，因此，实现一条机器指令的微程序要比水平型微指令编写的微程序长得多。
垂直型微指令是采用较长的微程序结构去换取较短的微指令结构。
下面举4条垂直型微指令的微指令格式加以说明。设微指令字长为16位，微操作码3位。
例如：寄存器-寄存器传送型微指令
(3)水平型微指令与垂直型微指令的比较
●水平型微指令并行操作能力强，效率高，灵活性强，垂直型微指令则较差。
●水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间长。
●由水平型微指令编写的微程序，有微指令字较长而微程序短的特点。垂直型微指令则相反。
●水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令比较相似，相对来说，比较容易掌握。
4.动态微程序设计
微程序设计技术有静态微程序设计和动态微程序设计之分。
(1)静态微程序设计
对应于一台计算机的机器指令只有一组微程序，而且这一组微程序设计好之后，一般无须改变而且也不好改变，这种微程序设计技术称为静态微程序设计。
(2)动态微程序设计
当采用E2PROM作为控制存储器时，还可以通过改变微指令和微程序来改变机器的指令系统，这种微程序设计技术称为动态微程序设计。采用动态微程序设计时，微指令和微程序可以
根据需要加以改变，因而可在一台机器上实现不同类型的指令系统。这种技术又称为仿真其他机器指令系统，以便扩大机器的功能。
5.5硬连线控制器
1.基本思想
硬连线控制器是早期设计计算机的一种方法。这种方法中控制部件由产生专门固定时序控制信号的逻辑电路构成。这种逻辑电路是一种由门电路和触发器构成的复杂树形逻辑网络，故称之为硬连线控制器。而此逻辑电路以使用最少元件和取得最高操作速度为设计目标。
缺点是结构复杂，设计和调试较困难。
一旦控制部件制成后，除非重新设计和物理上对它重新布线，否则要想增加新的控制功能是不可能的。
5.6 传统CPU
1.CPU的基本组成
CPU是利用大规模集成电路技术，把运算器和控制器集成在一片芯片上，是微型计算机中的运算控制部件，它本身不具备微型计算机硬件的全部功能，即其本身不构成独立工作系统，因此它不能独立地执行程序。CPU其主要任务是执行指令序列，对系统的各个部件进行统一的协调和控制。通常由算术逻辑部件（ALU）、控制部件、寄存器组等几部分组成。
传统CPU：运算器、控制器。
现代CPU：运算器、Cache和控制器。控制器的主要功能：从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位臵。对指令进行译码或测试，并产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。指挥并控制CPU、内存和输入／输出设备之间数据流动的方向。控制器的组成：程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器和操作控制器。
2.CPU 的功能
CPU是计算机的核心组成部分，装入内存的程序在CPU的控制下，完成取出指令和执行指令的任务。
CPU的基本功能：指令控制：程序的顺序控制，保证机器按顺序执行程序，（如何保证：CPU内部设臵了程序计数器等部分）操作控制：管理并产生完成指令执行操作所需的控制信号，把这些信号送往相应的部件，控制这些部件按指令的要求进行动作。时间控制：对各种操作实施时间上的定时，保证计算机有条不紊地自动工作。数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算处理。
5.7 流水CPU
5.7.1 并行处理技术
计算机的并行处理技术概括起来主要有以下三种形式：
1.时间并行
时间并行指时间重叠，在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。时间并行性概念的实现方式就是采用流水处理部件。这是一种非常经济而实用的并行技术，能保证计算机系统具有较高的性能价格比。
目前的高性能微型机几乎无一例外地使用了流水技术。
2.空间并行
空间并行指资源重复，在并行性概念中引入空间因素，以“数量取胜”为原则来大幅度提高计算机的处理速度。大规模和超大规模集成电路的迅速发展为空间并行技术带来了巨大生机，因而成为目前实现并行处理的一个主要途径
空间并行技术主要体现在多处理器系统和多计算机系统。但是在单处理器系统中也得到了广泛应用。
3.时间并行+空间并行
指时间重叠和资源重复的综合应用，既采用时间并行性又采用空间并行性。显然，第三种并行技术带来的高速效益是最好的
5.7.2 流水CPU的结构
1. 流水计算机的系统组成
现代流水计算机的系统组成原理如下图所示。其中CPU按流水线方式组织，通常由三部分组成：指令部件、指令队列、执行部件。这三个功能部件可以组成一个3级流水线。
为了使存储器的存取时间能与流水线的其他各过程段的速度相匹配，一般都采用多体交叉存储器。
执行段的速度匹配问题：通常采用并行的运算部件以及部件流水线的工作方式来解决。方法包括：
(1)将执行部件分为定点执行部件和浮点执行部件两个可并行执行的部分，分别处理定点运算指令和浮点运算指令；
(2)在浮点执行部件中，又有浮点加法部件和浮点乘/除部件，它们也可以同时执行不同的指令；
(3)浮点运算部件都以流水线方式工作。
2. 流水CPU的时空图
计算机的流水处理过程非常类似于工厂中的流水装配线。为了实现流水，首先把输入的任务(或过程)分割为一系列子任务，并使各子任务能在流水线的各个阶段并发地执行。当任务连续不断地输入流水线时，在流水线的输出端便连续不断地吐出执行结果，从而实现了子任务级的并行性。
下面通过时空图来证明这明这个结论。图(a)表示流水CPU中一个指令周期的任务分解。
3. 流水线分类
指令流水线：指指令步骤的并行。将指令流的处理过程划分为取指令、译码、执行、写回等几个并行处理的过程段。目前，几乎所有的高性能计算机都采用了指令流水线。算术流水线：指运算操作步骤的并行。如流水加法器、流水乘法器、流水除法等。现代计算机中已广泛采用了流水的算术运算器。
处理机流水线：又称为宏流水线，是指程序步骤的并行。由一串级联的处理机构成流水线的各个过程段，每台处理机负责某一特定的任务。数据流从第一台处理机输入，经处理后被送入与第二台处理机相联的缓冲存储器中。第二台处理机从该存储器中取出数据进行处理，然后传送给第三台处理机，如此串联下去。
随着高档微处理器芯片的出现，构造处理机流水线将变得容易了。处理机流水线应用在多机系统中
5.7.3 流水线中的主要问题
流水过程中通常会出现以下三种相关冲突，使流水线断流。
1. 资源相关
资源相关是指多条指令进入流水线后在同一机器时钟周期内争用同一个功能部件所发生的冲突。假定一条指令流水线由五段组成。
两条指令同时访问内存发生资源相关冲突
解决资源相关冲突的办法：
（1）第I4条指令停顿一拍后再启动；
（2）增设一个存储器，将指令和数据分别放在两个存储器中。
2. 数据相关
在一个程序中，如果必须等前一条指令执行完毕后，才能执行后一条指令，那么这两条指令就是数据相关的。在流水计算机中，指令的处理是重叠进行的，前一条指令还没有结束，第二、三条指令就陆续地开始工作。由于多条指令重叠处理，当后继指令所需的操作数，刚好是前一指令的运算结果时，便发生数据相关冲突。
两条指令发生数据相关冲突
解决数据相关冲突的办法：
在流水CPU的运算器中设置若干运算结果缓冲寄存器，暂时保留运算结果，以便于后继指令直接使用，这称为“向前”或定向传送技术。
3. 控制相关
控制相关冲突是由转移指令引起的。当执行转移指令时，依据转移条件的产生结果，可能为顺序取下条指令；也可能转移到新的目标地址取指令，从而使流水线发生断流。为了减小转移指令对流水线性能的影响，常用以下两种转移处理技术：
延迟转移法由编译程序重排指令序列来实现。基本思想是“先执行再转移”，即发生转移取时并不排空指令流水线，而是让紧跟在转移指令ID之后已进入流水线的少数几条指令继续完成。如果这些指令是与ID结果无关的有用指令，那么延迟损失时间片正好得到了有效的利用。
转移预测法用硬件方法来实现，依据指令过去的行为来预测将来的行为。通过使用转移取和顺序取两路指令预取队列器以及目标指令cache，可将转移预测提前到取指阶段进行，以获得良好的效果。
【例4】流水线中有三类数据相关冲突：写后读相关；读后写相关；写后写相关。判断以下三组指令各存在哪种类型的数据相关。
(1) I1: ADD R1，R2，R3 ；(R2) + (R3)->R1I2: SUB R4，R1，R5 ；
(R1) - (R5)->R4
(2) I3: STA M(x)，R3 ；(R3)->M(x)，M(x)是存储器单元
I4: ADD R3，R4，R5 ； (R4)+(R5)->R3 (3) I5: MUL R3，R1，R2 ； (R1)×
(R2)->R3I6: ADD R3，R4，R5 ；(R4) + (R5)->R3
【解】第(1)组指令中，I1指令运算结果应先写入R1，然后在I2指令中读出R1内容。由于I2指令进入流水线，变成I2指令在I1指令写入R1前就读出R1内容，发生RAW相关。
第(2)组指令中，I3指令应先读出R3内容并存入存储单元M(x)，然后在I4指令中将运算结果写入R3。但由于I4指令进入流水线，变成I4指令在I3指令读出R3内容前就写入R3，发生WAR相关。
第(3)组指令中，如果I6指令的加法运算完成时间早于I5指令的乘法运算时间，变成指令I6在指令I5写入R3前就写入R3，导致R3的内容错误，发生W AW相关。
5.8 RISC CPU
5.8.1 RISC CPU
RISC的三个要素是：
(1)一个有限的简单的指令集；
(2)CPU配备大量的通用寄存器；
(3)强调对指令流水线的优化。
基于三要素的RISC机器的特征是：
(1)使用等长指令，目前的典型长度是4个字节。
(2)寻址方式少且简单，一般为2—3种，最多不超过4种，绝不出现存储器间接寻址方式。
(3)只有取数指令、存数指令访问存储器。指令中最多出现RS型指令，绝不出现SS型指令。
(4)指令集中的指令数目一般少于100种，指令格式一般少于4种。
(5)指令功能简单，控制器多采用硬布线方式，以期更快的执行速度。
(6)平均而言，所有指令的执行时间为一个处理时钟周期。
(7)指令格式中用于指派整数寄存器的个数不少于32个，用于指派浮点数寄存器的个数不少于16个。
(8)强调通用寄存器资源的优化使用。
(9)支持指令流水并强调指令流水的优化使用。
(10)RlSC技术的复杂性于它的编译程序，因此软件系统开发时间比CISC机器长。
5.1.2习题精选 一、单项选择题 1．【2011年计算机联考真题】 某机器有一个标志寄存器，其中有进位／借位标志CF 、零标志ZF 、符号标志SF 和溢出标志OF ，条件转移指令bgt （无符号整数比较大子时转移）的转移条件是( )。 A ．CF+OF=l B ． SF ——+ZF=1 C ． CF+ZF —————=1 D ．CF+SF ————— =1 2．【2010年计算机真题】 下列寄存器中，汇编语言程序员可见的是( )。 A ．储器地址寄存器(MAR) B ．程序计数器(PC) C ．存储区数据寄存器(MDR) D ．指令寄存器(IR) 3．下列部件不属于控制器的是( )。 A ．指令寄存器 B ．程序计数器 C ．程序状态字 D ．时序电路 4．通用寄存器是( )。 A ．可存放指令的寄存器 B ．可存放程序状态字的寄存器 C ．本身具有计数逻辑与移位逻辑的寄存器 D ．可编程指定多种功能的寄存器 5．CPU 中保存当前正在执行指令的寄存器是( )。 A ．指令寄存器 B ．指令译码器 C ．数据寄存器 D ．地址寄存器 6．在CPU 中，跟踪后继指令地址的寄存器是( )。 A ．指令寄存器 B ．程序计数器 C ．地址寄存器 D ．状态寄存器 7．条件转移指令执行时所依据的条件来自( )。 A ．指令寄存器 B ．标志寄存器 C ．程厣计数器 D ．地址寄存器 8．所谓n 位的CPU ，这里的n 是指( )。 A ．地址总线线数 B ．数据总线线数 C ．控制总线线数 D ． I/O 线数 9．在CPU 的寄存器中，( )对用户是透明的。 A ．程序计数器 B ．状态寄存器 C ．指令寄存器 D ．通用寄存器 10．程序计数器(PC)属于( )。 A ．运算器 B ．控制器 C ．存储器 D ． ALU 11．下面有关程序计数器(PC)的叙述中，错误的是( )。 A ． PC 中总是存放指令地址 B ．P C 的值由CPU 在执行指令过程中进行修改 C ．转移指令时，PC 的值总是修改为转移目标指令的地址 D ． PC 的位数一般和存储器地址寄存器(MAR)的位数一样 12．在一条无条件跳转指令的指令周期内，PC 的值被修改( )次。 A ．1 B ．2 C ．3 D ．无法确定
第二章计算机系统 一、选择题 1. 在微型计算机的性能指标中，用户可用的内存容量通常是指_____。 A. ROM的容量 B. RAM的容量 C. CD-ROM的容量 D. RAM和ROM的容量之和 2. 计算机软件系统的组成是_____。 A. 系统软件与网络软件 B. 应用软件与网络软件 C. 系统软件与应用软件 D. 操作系统与应用软件 3. 通常计算机系统是指_____。 A. 硬件和软件 B. 系统软件和应用软件 C. 硬件系统和软件系统 D. 软件系统 4. 微机系统中存取容量最大的部件是_____。 A. 硬盘 B.主存储器 C.高速缓存 D.软盘 5. 在微机中,_____是输出设备。 A. 键盘 B. 鼠标 C. 光笔 D. 绘图仪 6. _____ 不属于微机总线。 A. 地址总线 B. 通信总线 C. 数据总线 D. 控制总线 7. CPU的中文含义是_____。 A. 主机 B. 中央处理单元 C. 运算器 D. 控制器 8. 中央处理器(简称CPU)不包含_____ 部分。 A. 控制单元 B. 寄存器 C. 运算逻辑单元 D. 输出单元 9. _____ 是内存储器中的一部分,CPU对它们只能读取不能存储内容。 A.RAM B.随机存储器 C.ROM D.键盘 10. 在一般情况下,外存中存放的数据,在断电后_____丢失。 A. 不会 B. 少量 C. 完全 D. 多数 11. 电子计算机的算术/逻辑单元、控制单元合称为_____。 A.CPU B.外设 C.主机 D.辅助存储器 12. 微型计算机的字长取决于_____。 A.地址总线 B.控制总线 C.通信总线 D.数据总线 13. 运算器的主要功能是进行_____ 运算。 A.逻辑 B.算术与逻辑 C.算术 D.数值 14. 下列哪个只能当作输入设备? A. 终端 B. 打印机 C. 读卡机 D. 磁带 15. 计算机向使用者传递计算处理结果的设备称为_____。 A.输入设备 B.输出设备 C.存储器 D.微处理器 16.数据一旦存入后,非经特别处理,不能改变其内容,所存储的数据只能读取,但无 法将新数据写入, 所以叫做_____。 A. 磁芯 B. 只读存储器 C. 硬盘 D. 随机存取内存 17. _____ 设备分别属于输入设备、输出设备和存储设备。 A.CRT、CPU、ROM B.磁盘、鼠标、键盘 C.鼠标器、绘图仪、光盘 D.磁带、打印机、激光打印机 18. 在以下所列设备中,属于计算机输入设备的是_____。 A.键盘 B.打印机 C.显示器 D.绘图仪 19. 存储容量常用KB表示,4KB表示存储单元有_____。 A. 4000个字 B. 4000个字节 C. 4096个字 D. 4096个字节 20. 在微型计算机中访问速度最快的是_____。 A. 磁盘 B. 软盘 C. RAM D. 打印机 21. 在表示存储器的容量时,M的准确含义是_____。 A. 1米 B. 1024K C. 1024字节 D. 1024 22. 从软盘上把数据传送到计算机,称为_____。 A. 打印 B. 读盘 C. 写盘 D. 输出 23. 可从_____ 中随意读出或写入数据。
1．请在括号内填入适当答案。在CPU中： (1) 保存当前正在执行的指令的寄存器是（指令寄存器IR）； (2) 保存当前正要执行的指令地址的寄存器是(程序计数器PC)； (3) 算术逻辑运算结果通常放在（通用寄存器）和（数据缓冲寄存器DR）。 2．参见下图（课本P166图5.15）的数据通路。画出存数指令"STA R1 ，(R2)"的指令周期流程图，其含义是将寄存器R1的内容传送至（R2）为地址的主存单元中。标出各微操作信号序列。 解："STA R1 ，(R2)"指令是一条存数指令，其指令周期流程图如下图所示：
3．参见课本P166图5.15的数据通路，画出取数指令"LDA（R3），RO"的指令周期流程图，其含义是将(R3)为地址的主存单元的内容取至寄存器R0中，标出各微操作控制信号序列。 5．如果在一个CPU周期中要产生3个脉冲 T1 = 200ns ,T2 = 400ns ,T3 = 200ns,试画出时序产生器逻辑图。 解：节拍脉冲T1，T2，T3的宽度实际等于时钟脉冲的周期或是它的倍数，此时T1= T3=200ns ，T2 = 400 ns ，所以主脉冲源的频率应为 f = 1 / T1 =5MHZ 。为了消除节拍脉冲上的毛刺，环 型脉冲发生器可采用移位寄存器形式。下图画出了题目要求的逻辑电路图和时序信号关系。根据关 系，节拍脉冲T1，T2，T3 的逻辑表达式如下： T1 = C1·， T2 = ， T3 = 6．假设某机器有80条指令，平均每条指令由4条微指令组成，其中有一条取指微指令是所有指
令公用的。已知微指令长度为32位，请估算控制存储器容量。 解：微指令条数为：（4-1）×80+1=241条 取控存容量为：256×32位=1KB 7. 某ALU器件使用模式控制码M，S3，S2，S1，C来控制执行不同的算术运算和逻辑操作。 下表列出各条指令所要求的模式控制码，其中y为二进制变量，F为0或1任选。 试以指令码（A，B，H，D，E，F，G）为输入变量，写出控制参数M，S3，S2，S1，C的逻辑表达式。 解： M=G S3=H+D+F S2=1 C=H+D+(E+F)y 8．某机有8条微指令I1-I8，每条微指令所包含的微命令控制信号如下表所示。 a-j分别对应10种不同性质的微命令信号。假设一条微指令的控制字段为8位，请安排微指令的控制字段格式。 解：经分析，（e ,f ,h）和（b, i, j）可分别组成两个小组或两个字段，然后进行译码，可得六个 微命令信号，剩下的a, c, d, g 四个微命令信号可进行直接控制，其整个控制字段组成如
1[单选题] 下列的不属于计算环境的发展经历的主要历史阶段。 1分 ?A集中计算 ?B互联网 ?C云计算 ?D服务器 2[单选题] 一个完整的计算机系统由组成。 1分 ?A硬件系统和软件系统 ?B主机和外设 ?C系统软件和应用软件 ?D主机、显示器和键盘 3[单选题] 时至今日，计算机仍采用程序内存或称存储程序原理，原理的提出者是。1分 ?A莫尔 ?B冯·诺依曼 ?C比尔·盖茨 ?D图灵 4[单选题]
运算器的主要功能是进行。 1分 ?A代数和逻辑运算 ?B代数和四则运算 ?C算术和逻辑运算 ?D算术和代数运算 5[单选题] 的功能是控制、指挥和协调计算机各部件工作。 1分 ?A鼠标 ?B运算器 ?C控制器 ?D存储器 6[单选题] 计算机的硬件主要包括存储器、中央处理器（CPU）、输入设备和。1分 ?A控制器 ?B输出设备 ?C键盘 ?D显示器 7[单选题] 下面的设备属于输出设备。 1分
?A键盘 ?B鼠标 ?C扫描仪 ?D打印机 8[单选题] 微型计算机硬件系统中最核心的部件是。1分 ?A存储器 ?B输入输出设备 ?C显示器 ?D CPU 9[单选题] 下列设备中，完全属于外部设备的一组是。1分 ?A光驱、内存、显示器、打印机 ?B扫描仪、CPU、硬盘、内存 ?C光驱、鼠标、扫描仪、显示器 ?D显示器、键盘、运算器、移动硬盘 10[单选题] 财务管理软件是一种专用程序，它属于。1分 ?A接口软件
?B系统软件 ?C应用软件 ?D支援软件 11[单选题] 中央处理器可以直接存取中的信息。 1分 ?A硬盘 ?B光盘 ?C U盘 ?D主存 12[单选题] 计算机硬件系统的主要组成部件有五大部分，下列各项中不属于这五大部分的是。 1分 ?A运算器 ?B软件 ?C I/O设备 ?D控制器 13[单选题] 以下不属于计算机外设的是。 1分 ?A输出设备 ?B输入设备
第五章中央处理器习题参考答案 1．请在括号内填入适当答案。在CPU中： (1) 保存当前正在执行的指令的寄存器是（指令寄存器IR）； (2) 保存当前正在执行的指令地址的寄存器是(程序计数器AR)； (3) 算术逻辑运算结果通常放在（通用寄存器）和（数据缓冲寄存器DR）。 2．参见下图（课本P166图5.15）的数据通路。画出存数指令"STA R1 ，(R2)"的指令周期流程图，其含义是将寄存器R1的内容传送至（R2）为地址的主存单元中。标出各微操作信号序列。 解："STA R1 ，(R2)"指令是一条存数指令，其指令周期流程图如下图所示：
3．参见课本P166图5.15的数据通路，画出取数指令"LDA（R3），RO"的指令周期流程图，其含义是将(R3)为地址的主存单元的内容取至寄存器R0中，标出各微操作控制信号序列。 5．如果在一个CPU周期中要产生3个脉冲 T1 = 200ns ,T2 = 400ns ,T3 = 200ns,试画时序产生器逻辑图。 解：节拍脉冲T1 ，T2 ，T3 的宽度实际等于时钟脉冲的周期或是它的倍数，此时T1 = T3 =200ns ， T2 = 400 ns ，所以主脉冲源的频率应为 f = 1 / T1 =5MHZ 。为了消除节拍脉冲上的毛刺，环 型脉冲发生器可采用移位寄存器形式。下图画出了题目要求的逻辑电路图和时序信号关系。根据关 系，节拍脉冲T1 ，T2 ，T3 的逻辑表达式如下： T1 = C1·， T2 = ， T3 =
6．假设某机器有80条指令，平均每条指令由4条微指令组成，其中有一条取指微指令是所有指令公用的。已知微指令长度为32位，请估算控制存储器容量。解：微指令条数为：（4-1）×80+1=241条 取控存容量为：241×32/8=964B 7. 某ALU器件使用模式控制码M，S3，S2，S1，C来控制执行不同的算术运算和逻辑操作。下表列出各条指令所要求的模式控制码，其中y为二进制变量，F 为0或1任选。试以指令码（A，B，H，D，E，F，G）为输入变量，写出控制参数M，S3，S2，S1，C的逻辑表达式。
第二章习题答案
第二章主机习题答案 一、名词解释 1.中央处理器：又叫做CPU，它是微型计算机的核心部件，它反映了不同时代微型计算 机的档次和基本性能 2.主频：CPU的时钟频率称为主频, 主频越高, 则计算机工作速度越快。 3.外频：系统的前端总线频率（FSB）也就是所谓的外频，是由主板为CPU提供的基准 的时钟频率。 4.倍频：倍频即主频与外频之比。 5.BIOS：即计算机的基本输入输出系统(Basic Input-Output S ystem)，是集成在主板上的 一个ROM芯片，其中保存有计算机重要的基本输入/输出程序、系统信息设置、开机通电自检程序和系统启动自检程序。 6.CMOS：本意是指互补金属氧化物半导体，一种大规模应用于集成电路芯片制造的原 料。在计算机中是指微机主板上的一块可擦写的RAM芯片，用来保存当前系统的硬件配置和用户对某些参数的设定。 7.只读存储器：它是一种存储芯片，其中的内容一经写入就不能修改，并且在主机关掉 后内容也不会消失。 8.随机存储器：它是一种可以通过在紫外线的照射或者使用电来擦除其中内容的特殊的 PROM芯片。其中的内容被擦除后，可以重新写入新内容。 9.SDRAM：SDRAM是同步动态存储器的缩写，其时钟频率与CPU前端总线的系统时钟 频率相同，利用一个单一的系统时钟同步所有的地址数据和控制信号。使用SDRAM 不但能提高系统表现，还能简化设计、提供高速的数据传输。在功能上，它类似常规的DRAM，且也需时钟进行刷新。可以说，SDRAM是一种改善了结构的增强型DRAM。目前的SDRAM有10ns和8ns两种参数类型。 10.DDR SDRAM：DDR SDRAM是双速同步动态存储器，是内存的一种，它支持数据在 每个时钟周期的两个边沿进行数据传输，从而使内存芯片的数据吞吐率提高了一倍。 DDR-SDRAM还降低了能耗，是目前主流的内存。 二、填空题 1.CPU的主频与外频的关系：主频是cpu的频率，外聘是主板的频率。 2.CPU的发展经历了X86 、奔腾PRO 、 PII 、 PIII 和 PIIII时代。 3.主板（Mainboard）又称为系统板或母板，是计算机系统中最大的一块电路板，是主机 的大脑，主要负责主机内各个部件的通信和调度，是计算机的重要组成部分。 4.主板CPU插座分为两大类，它们是socket插槽和 slot插槽。 5.内存插槽就是插放内存的地方。内存插槽分为：168针的SIMM 和184针的DIMM 两 大类。 6.存储器，一般分为内存和外存。通常内存是指 cpu可以访问的存储器，也称为主存 储器。 7.外存也称为主板外存储器，通常指硬盘、光驱、软驱、 u 盘等，特点是提供的存 储空间较大，但存储速度较慢。 8.按存储中的内容是否可变，将内存分为只读存储器与可擦写存储器。 仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢2
第5章中央处理器 5.1 学习要求 中央处理器（CPU）是整个计算机的核心，它包括运算器和控制器。本章着重讨论CPU 的功能和组成，控制器的工作原理和实现方法，微程序控制原理，基本控制单元的设计以及先进的流水线技术和RISC技术。 CPU的功能和主要寄存器 控制器的基本组成 时序系统中指令周期、机器周期的概念 指令执行的基本过程 微程序控制的基本概念 微指令编码法特点 微程序控制器的组成和工作过程 硬连线控制器工作原理 微程序入口地址和后继微地址的形成 控制单元的设计 流水线技术和RISC技术 5.2典型例题解析 1．请在括号内填入适当答案。在CPU中： ⑴保存当前正在执行的指令的寄存器是，⑵保存当前正在执行的指令地址的寄存器是；⑶算术逻辑运算结果通常放在和。 答：⑴ IR; ⑵ AR; ⑶ AC和PSW 2．假设主脉冲源频率为10MHz，要求产生5个等间隔的节拍脉冲，试画出时序产生器的逻辑图。 解：
3．如果在一个CPU周期中要产生3个节拍脉冲；Tl＝200ns，T2=400ns，T3=200ns，试画出时序产生器逻辑图。 解：
1 2 3 4 5 6 C 4 C 1 C 2 C 3 T 1 T 2 T 3 4．假设某机器有80条指令，平均每条指令由4条微指令组成，其中有一条取指微指令是所有指令公用的。已知微指令长度为32位，请估算控制存储器容量。 解：80条指令，平均每条指令由4条微指令组成，其中有一条公用微指令，所以总微指令条数为80×(4-1)+1=241条微指令，每条微指令32位，所以控存容量大约为241×32位。 5．某ALU器件是用模式控制码M S3 S2 S1 C来控制执行不同的算术运算和逻辑操作。下表列出各条指令所要求的模式控制码，其中y为二进制变量，φ为0或l任选。 试以指令码(A，B，H，D，E，F，G)为输入变量，写出控制参数M，S3，S2，Sl，C 的逻辑表达式。 解：由表可列如下逻辑方程 M=G S3=H+D+F S2=A+B+D+H+E+F+G S1=A+B+F+G C=H+D+Ey+Ey 由以上逻辑方程即可画出逻辑电路图 6．某机有8条微指令I1—I8，每条微指令所包含的微命令控制信号如下表所示。
第二章 1. 8086CPU 内部由哪两部分组成？它们的主要功能是什么？ 答：8086CPU 内部由执行单元EU 和总线接口单元BIU 组成。 主要功能为：执行单元EU 负责执行指令。它由算术逻辑单元(ALU)、通用寄存器组、 16 位标志寄存器(FLAGS)、EU 控制电路等组成。EU 在工作时直接从指令流队列中取指令代码，对其译码后产生完成指令所需要的控制信息。数据在ALU 中进行运算，运算结果 的特征保留在标志寄存器FLAGS 中。 总线接口单元BIU 负责CPU 与存储器和I／O 接口之间的信息传送。它由段寄存 器、指令指针寄存器、指令队列、地址加法器以及总线控制逻辑组成。 2. 8086CPU 中有哪些寄存器？各有什么用途？ 答：8086CPU 内部包含4 组16 位寄存器，分别是通用寄存器组、指针和变址寄存器、段寄 存器、指令指针和标志位寄存器。 （1）通用寄存器组包含4 个16 位通用寄存器AX、BX、CX、DX，用以存放普通 数据或地址，也有其特殊用途。如AX（AL）用于输入输出指令、乘除法指令，BX 在间接寻址中作基址寄存器，CX 在串操作和循环指令中作计数器，DX 用于乘除法指令等。（2）指针和变址寄存器BP、SP、SI 和DI，在间接寻址中用于存放基址和偏移地址。（3）段寄存器CS、DS、SS、ES 存放代码段、数据段、堆栈段和附加段的段地址。（4）指令指针寄存器IP 用来存放将要执行的下一条指令在现行代码段中的偏移地址。（5）标志寄存器Flags 用来存放运算结果的特征。 3. 8086CPU 和8088CPU 的主要区别是什么？ 答：8088CPU 的内部结构及外部引脚功能与8086CPU 大部分相同，二者的主要不同之处如 下： （1）8088 指令队列长度是4 个字节，8086 是6 个字节。 （2）8088 的BIU 内数据总线宽度是8 位，而EU 内数据总线宽度是16 位，这样对16 位数的存储器读/写操作需要两个读/写周期才能完成。8086 的BIU 和EU 内数据总线宽度都 是16 位。 （3）8088 外部数据总线只有8 条AD7～AD0，即内部是16 位，对外是8 位，故8088 也称为准16 位机。 （4）8088 中，用IO/M信号代替M/IO信号。 （5）8088 中，只能进行8位数据传输，BHE不再需要，改为SS0，与DT/R 和IO/M 一起决定最小模式中的总线周期操作。 4. 简要解释下列名词的意义：CPU，存储器，堆栈，IP，SP，BP，段寄存器，状态标志，控制标志，物理地址，逻辑地址，机器语言，汇编语言，指令，内部总线，系统总线。答：CPU：中央处理器，是整个计算机系统的控制中心，主要功能是进行算术和逻辑运算，以及发出各种控制信号以协调整个系统正常工作。 存储器：是计算机系统中的记忆元件，用于存储指令和数据。 堆栈：在存储器中开辟的一个区域，用来存放需要暂时保存的数据。其操作特点是先 进后出。 IP：指令指针寄存器，用来存放将要执行的下一条指令在现行代码段中的偏移地址。SP：堆栈指针寄存器，用于指向当前栈顶单元。 BP：基址指针，间接寻址中用于存放基址，隐含段地址为SS。
一．简述计算机系统的组成。 计算机系统由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统是组成计算机系统的各种物理设备的总称，是计算机完成各项工作的物质基础。软件是指用某种计算机语言编写的程序数据和相关文档的集合。软件系统则是在计算机上运行的所有软件的总称。 其中，硬件系统包括主机和外设，主机又分为中央处理器(CPU)和内存，内存分为随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM),高速缓冲存储器(Cache),，中央处理器又分为运算器（ALU）和控制器(CU).。外设分为输入设备（键盘，鼠标，触摸屏，扫描仪麦克风等）输出设备（显示器，打印机，绘图仪，音响等）外存（软盘，硬盘，光盘，U盘等）。软件系统分为系统软件和应用软件。其中，系统软件又包括操作系统（DOS,windows,OS/2,UNIX,）语言处理程序（C,C++）实用程序（诊断程序，排错程序），应用软件又包括通用应用软件（办公软件包，数据库管理系统，计算机辅助设计软件）和专业应用软件（如各企业的信息管理系统等） 二．计算机硬件包括哪些部分，分别说明个部分的作用。 硬件是指计算机装置，即物理设备主要包括以下几部分： 1，运算器，又称算术逻辑单元，它的主要功能是进行算术运算和逻辑运算。 2，控制器，是指挥计算机的各个部件按照指令的功能要求协调工作的部件。 3，存储器，基本功能是能够按照指定位置存入或取出二进制信息。 4，输入设备，用来接收用户输入的原始数据和程序，并将它们转变为计算机可以识别的形式放到内存中。 5，输出设备，用于将存放在内存中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的形式。 三．指令和程序有什么区别？试述计算机执行指令的过程。 指令，即能被计算机识别并执行的二进制代码，它代表了计算机能完成的某一项操作。程序，即指令的集合。 执行过程分为下列三步； ①取指令：按照程序计数器中的地址从内存储器中取出指令并送往指令计数器。 ②分析指令：对指令寄存器中存放的指令进行分析，由指令译码器对操作码进行译 码，将指令的操作码转换成相应的控制电位信号；由地址码确定操作数地址。 ③执行指令：由操作控制线路发出完成该操作所需要的一系列控制信息，去完成该 指令所要求的操作。 一条指令执行完成指令计数器加一或将转移地址码送入程序计数器，然后回到①。 四．指令的串行执行和并行执行有什么区别？ 串行执行指令即在任何时刻只能执行一条指令，当完成了指令周期中的各个步骤后才能执行下一条指令。指令并行执行即流水线技术就是使三个功能部件并行工作，平均理论速度是串行执行的三倍，但是控制比较复杂，硬件成本较高。 五．什么是流水线技术? 指令并行执行即流水线技术就是使三个功能部件并行工作，平均理论速度是串行执行的三倍，但是控制比较复杂，硬件成本较高。 六．简述系统软件和应用软件的区别。 系统软件包括操作系统（DOS,windows,OS/2,UNIX,）语言处理程序（C,C++）实用程序
第二章计算机硬件基础（二） 一、单项选择题（请在（）内填写答案） （）1. 绘图仪属于。 A: 输出设备B: 输入设备和输出设备 C: 输入设备D: 计算机正常工作时不可缺少的设备 （）2. 计算机的存储系统一般指主存储器和。 A: 累加器B: 寄存器C: 辅助存储器D: 鼠标器 （）3. 把硬盘上的数据传送到计算机的内存中去，称为。 A: 打印B: 写盘C: 输出D: 读盘 （）4. CPU 是计算机硬件中的部件。 A: 核心B: 辅助C: 主存D: 输入输出 （）5. CPU 中的运算器的主要功能是。 A: 负责读取并分析指令B: 算术运算和逻辑运算 C: 指挥和控制计算机的运行D: 存放运算结果 （）6. 现代计算机之所以能自动地连续进行数据处理,主要是由于________。 A:采用了二进制B:采用开关电路C:具有存储程序的功能D:采用了半导体器件（）7. CPU 中的控制器的功能是。 A: 进行逻辑运算B: 进行算术运算 C: 控制运算的速度D: 分析指令并发出相应的控制信号 （）8. 以下全是输入设备的是。 A: 键盘、扫描仪、打印机B: 键盘、硬盘、打印机 C: 鼠标、硬盘、音箱D: 扫描仪、键盘、只读光盘 （）9. 现代计算机系统是以为中心的。 A: 中央处理器B: 内存C: 运算器D: 控制器 （）10. 计算机中必要的、使用最广泛的、用于人机交互的输出设备是。 A: 打印机B: 显示器C: 绘图仪D: 声卡 （）11. 半导体只读存储器（ROM）与半导体随机存储器（RAM）的主要区别在于。 A: ROM 可以永久保存信息，RAM 在掉电后信息会消失 B: ROM 掉电后，信息会消失，RAM 不会 C: ROM 是内存储器，RAM 是外存储器 D: RAM 是内存储器，ROM 是外存储器 （）12. CPU 的中文意思是。 A: 中央处理器B: 主机C: 控制器D: 计算机器 （）13. 内存与外存的主要不同在于。 A: CPU 可以直接处理内存中的信息，速度快，存储容量大；外存则相反。 B: CPU 可以直接处理内存中的信息，速度快，存储容量小；外存则相反。 C: CPU 不能直接处理内存中的信息，速度慢，存储容址大，外存则相反。 D: CPU 不能直接处理内存中的信息，速度慢，存储容量小，外存则相反 （）14. 能够将图片输入到计算机内的装置是。 A: 打印机B: 扫描仪C: 鼠标D: 键盘 （）15. 微型机中硬盘工作时，应特别注意避免。
第五章中央处理器 5.1.1 CPU的功能 CPU对整个计算机系统的运行是极其重要的，它具有如下四方面的基本功能： ★指令控制★操作控制 ★时间控制★数据加工 5.1.2 CPU的基本组成 CPU的基本部分由运算器、cache和控制器三大部分组成。 5.1.3 CPU中的主要寄存器 在CPU中至少要有六类寄存器。这些寄存器用来暂存一个计算机字。根据需要，可以扩充其数目。 1.数据缓冲寄存器（DR） 缓冲寄存器的作用是： (1)作为CPU和内存、外部设备之间信息传送的中转站； (2)补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别； (3)在单累加器结构的运算器中，数据缓冲寄存器还可兼作为操作数寄存器。 2.指令寄存器（IR） 3.程序计数器（PC） 4.地址寄存器（AR） 5.通用寄存器【累加寄存器（AC）】 6.状态条件寄存器（PSW） 5.1.4 操作控制器与时序产生器 在各寄存器之间建立数据通路的任务，是由称为操作控制器的部件来完成的。 根据设计方法不同，操作控制器可分为时序逻辑型、存储逻辑型、时序逻辑与存储逻辑结合型三种。 5.2 指令周期 5.2.1 指令周期的基本概念 指令周期CPU从内存取出一条指令并执行这条指令的时间总和。 数据通路是许多寄存器之间传送信息的通路。信息从什么地方开始，中间经过哪个寄存器或多路开关，最后传送到哪个寄存器，都要加以控制。 CPU周期又称机器周期，CPU访问一次内存所花的时间较长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。
时钟周期通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU周期包含若干个时钟周期。 5.2.2 非访内指令的指令周期 下面以六条典型指令为例进行说明，如P131表5.1,[MOV R0,R1指令] 5.2.3LAD取数指令的指令周期
单选题 1、一般机器周期的时间是根据（）来规定的。 ?主存中读取一个指令字的时间 ?主存中读取一个数据字的时间 ?主存中写入一个数据字的时间 ?主存中读取一个数据字的时间 正确答案：A 2、存放微程序的控制存储器称为： ?高速缓冲存储器 ?控制存储器 ?虚拟存储器 ?主存储器 正确答案：B 3、计算机操作的最小时间单位是： ?时钟周期 ?指令周期 ?CPU周期 ?微指令周期 正确答案：A 4、以下叙述中正确描述的句子是： ?同一个CPU周期中，可以并行执行的微操作叫相容性微操作
?同一个CPU周期中，可以并行执行的微操作叫相交性微操作?同一个CPU周期中，可以并行执行的微操作叫相斥性微操作?同一个CPU周期中，可以并行执行的微操作叫排他性微操作正确答案：A 5、在CPU中跟踪指令后继地址的寄存器是： ?MAR ?PC ?IR ?PSW 正确答案：B 6、同步控制是: ?只适用于CPU控制的方式 ?只适用于外围设备控制的方式 ?由统一时序信号控制的方式 ?所有指令执行时间都相同的方式 正确答案：C 7、下列部件中不属于控制器的是： ?IR ?操作控制器 ?PC ?PSW
正确答案：D 判断题 8、指令流水线中主要存在三种相关冲突：资源相关、数据相关及控制相关。 ?对 ?错 正确答案：对 9、微程序控制器属于存储逻辑型，以微程序解释执行机器指令，采用存储逻辑技术实现。 ?对 ?错 正确答案：对 10、指令寄存器用于保存当前CPU所要访问的内存单元的地址。 ?对 ?错 √恭喜！答对啦 11、程序计数器用于存放CPU正在执行的指令的地址。 ?对 ?错 正确答案：错 12、地址寄存器用于存放当前执行的指令码，供进行指令译码。 ?对
2 3 4、5 6 7 8 9、10 11 12 13 14 15
二、综合应用题 1、给出以下5条指令的指令周期中各节拍的安排： ①CLA。将累加器内容清0； ②加法指令ADD X。将累加器ACC内容与主存X地址单元的内容 相加，并将结果送累加器中； ③存数指令。STA X。将累加器内容存于主存X地址单元中； ④取数指令。LDA X。将主存X地址单元的内容取出送到累加器 ACC中； ⑤无条件转移指令JMP X。将指令的地址码部分送至PC中。 2、某计算机的主频为8MHz，若已知每个机器周期平均包含4个时钟 周期，该机的平均指令执行速度为0.8MIPS。 1）求该机的平均指令周期及每个指令周期含几个机器周期？ 2）若改用时钟周期为0.4μs的CPU芯片，则计算机的平均指令执行速度为多少MIPS？ 3）若要得到平均每秒40万次的指令执行速度，则应采用主频是多少的CPU芯片？
3、如图所示，是一个简化的CPU与主存连接结构示意图（图中省略 了所有多路选择器）。其中有一个累加寄存器ACC，一个状态寄存器和其他4个寄存器，主存地址寄存器MAR、主存数据寄存器MDR、程序计数器PC和指令寄存器IR、各部件及其间的连线表示数据通路，箭头表示信息传送方向。 一个简化的CPU与之粗连接结构示意图 要求： 1）请写出图中abcd四个寄存器的名称； 2）简述图中取指令的数据通路； 3）简述数据在运算器和主存之间进行存/取访问的数据通路； 4）简述完成指令LDA X的数据通路（X为主存地址，LDA 的功能为（X）→ACC） 5）简述完成指令ADD Y的数据通路（Y为主存地址，ADD 的功能为（ACC）+（Y）→ACC） 6）简述完成指令STA Z的数据通路，（Z为主存地址，STA的功能为（ACC）→Z）。 4、设有如图所示的单总线结构，分析指令ADD R0（R1）的指令流程。 设前一操作数地址为目的，后一操作数地址为源。
第二章中央处理器CPU 学习目标 通过本章的学习能够识记CPU的结构组成、性能指标和封装方式，了解新一代CPU的接口类型和主流CPU产品，掌握CPU的选购，为CPU的性能测试、CPU常见故障处理建立基础。 知识要点 （1）CPU的基础知识。 （2）CPU的接口类型。 （3）CPU的主流产品介绍。 （4）CPU的选购。 第一节CPU的基础知识 CPU（Central Processing Unit）即中央处理器，它的内部是由几十万（Intel 80386）到几百万个（Intel Pentium）晶体管组成的大规模集成电路，其中包括运算器、寄存器、控制器、总线等。CPU 是整个计算机系统的核心，主要负责整个系统指令的执行、数据的算术与逻辑运算、数据传送以及输入输出的控制。CPU的结构十分复杂，在介绍CPU之前应该先了解一些关于CPU的基本概念和相关知识。 一、CPU的内部结构 CPU其实就是一块超大规模集成电路的硅晶片。它的内部是由几十万甚至上千万个晶体管元件组成的电路，其内部结构主要有控制单元、算术逻辑单元和存储单元三大部分。CPU的工作过程为调入指令，经过控制单元的调度分配，再送入算术逻辑单元进行处理，处理后的数据存入存储器中，最后由应用程序使用。 1．控制单元 控制单元是由指令寄存器、指令译码器和操作控制器3个部件组成，是整个CPU的控制中心。控制单元主要负责向计算机其他设备发送控制信息，以此来指挥计算机各个部分自动、协调地进行各种工作。
4．CPU的缓存 由于CPU的速度发展很快，而内存远远跟不上，为了解决CPU处理速度过快而内存速度过慢的矛盾，现代计算机的CPU都采用了高速缓冲存储器（Cache），简称CPU缓存。缓存CPU与内存之间拥有临时的、高速的数据存储空间，大大减轻了内存对CPU性能的制约。典型的CPU缓存结构都是由一级缓存（L1 Cache）和二级缓存（L2 Cache）组成，部分高端CPU还具有三级缓存（L3 Cache）。 L1 Cache又分为一级指令缓存和一级数据缓存两部分。一级指令缓存的作用是暂时存储并向CPU的控制器递交操作所需的原始指令，CPU控制器再进行译码分析执行操作。一级数据缓存的作用是暂时存储并向CPU的运算器递交操作所需的原始数据，以供CPU运算器进行运算。一级缓存大小对CPU的性能有着很大的影响。 由于L1 Cache的容量有限，不能为CPU暂时存储所有的原始指令及数据，因此又增加了二级缓存——L2 Cache。L2 Cache的作用是用于暂时存储那些CPU即时操作所需要的，但是L1 Cache 中又没有存储的数据。不过L2 Cache仅仅暂时存储原始数据，而原始指令只由一级指令缓存来存储。 由于L2 Cache是CPU晶体管总数中占得最多的一个部分，高容量的L2 Cache成本相当高。所以Intel和AMD都是以L2 Cache容量的差异作为高端和低端产品的分界标准。 5．指令系统 CPU是靠执行指令来计算和控制系统的，每种CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相匹配的指令系统。指令系统功能的强弱是CPU的重要指标。 （1）MMX指令集：MMX（Multi Media Extension，多媒体扩展）指令集是Intel公司于1996年推出的一项多媒体指令扩展技术。MMX指令集中包括57种多媒体指令，通过这些指令可以一次处理多个数据，在处理结果超过实际处理能力的时候也能进行正常处理，这样在软件的配合下，就可以得到更高的性能。MMX的优势在于当时存在的操作系统不必为此而做出任何修改，便可以轻松地执行MMX程序。 （2）SSE指令集：SSE（Steaming SIMD Extension，单指令多数据流扩展）指令集是Intel公司在Pentium II处理器中率先推出的。SSE指令集包括70条指令，包含提高3D图形运算效率的50条SIMD（单指令多数据技术）浮点运算指令、12条MMX整数运算增强指令、8条优化内存中连续数据块传输指令。理论上这些指令对目前流行的图像处理、浮点处理、3D运算、视频处理、音频处理等多媒体应用起到全面强化的作用。 SSE2是Intel公司在P4中所采用的指令集，提供144条多媒体指令，侧重于支持DVD播放、音频、3D图形数据和网络数据流处理方面。而P4（Prescott核心）处理器在SSE2指令集的基础上增加了13条新指令，包含一条专门针对视频解码的指令和两条针对线程处理的指令，其他10条指令则用于支持复杂的运算，如浮点转整数、单指令多数据流的浮点运算等。 （3）3DNow！指令集：3DNow！指令集是由AMD公司在SSE指令集之前开发的，并被AMD 广泛应用于其K6-2，K6-3以及Athlon（K7）处理器上。3DNow！指令集技术其实就是21条机器码的扩展指令集，主要针对三维建模、坐标变换、效果渲染等三维应用场合，在软件的配合下，可以大幅度提高3D处理性能。 （4）x86-64指令集。x86-64指令集是Athlon 64等64位处理器所采用的64位指令集，这种64位的处理器要求系统、软件都支持64位指令集。x86-64是64位处理器与操作系统、应用软件沟通的神经中枢，正是通过该指令集，64位处理器才能真正发挥作用。
第二章 1.什么是数制？ 数制是用一组固定的符号和统一的规则来表示数值的方法 2.简述计算机中采用二进制的原因 （1）技术实现简单，计算机是由逻辑电路组成，逻辑电话通常只有两个状态，开关的接通与断开，这两种状态正好可以用“1”和“0”表示。 （2）简化运算规则：两个二进制数和、积运算组合各有三种，运算规则简单，有利于简化计算机内部结构，提高运算速度。 （3）适合逻辑运算：逻辑代数是逻辑运算的理论依据，二进制只有两个数码，正好与逻辑代数中的“真”和“假”相吻合。 （4）易于进行转换，二进制与十进制数易于互相转换。 3.简述计算机中如何区分汉字编码和ASCⅡ 汉字编码，以GB2312码为例，是以两个ASCII字符为一个汉字编码，而且用的都是ASCII 中扩展字符集中的编码组成，如果内码与当前程序使用的解码不一致，文字就不能正常显示，而显示成回ASCII的形式，这种情况称为乱码。 4.十进制如何转换成二进制数？ 将整数部分：除2求余法 小数部分：乘2取整再合并 5.八进制数如何转换成十六进制数？ 八进制先转为二进制，再转为十六进制。 6.简述冯诺依曼存储程序的思想并绘制冯诺依曼计算机结构示意图 诺伊曼提出了程序内存的思想：把运算程序存在机器的存储器中，程序设计员只需要在存储器中寻找运算指令，机器就会自行计算，这样，就不必每个问题都重新编程，从而大大加快了运算进程。 7.简述计算机各基本组成部分的功能 微型计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。1.微处理器 微型计算机的中央处理器(CPU)习惯上称为微处理器，是微型计算机的核心，由运算器和控制器两部分组成：运算器是微机的运算部件；控制器是微机的指挥控制中心。 8. 多媒体技术应用 音频技术:音频采样、压缩、合成及处理、语音识别等。 ·视频技术:视频数字化及处理。 ·图像技术:图像处理、图像、图形动态生成。 ·图像压缩技术:图像压缩、动态视频压缩。 ·通信技术:语音、视频、图像的传输。 ·标准化:多媒体标准化。
第5章中央处理器复习要点 一、单周期数据通路的设计 1. 操作元件和存储元件的概念，单周期MIPS计算机中有哪些操作元件和存储元件？ 组合逻辑元件的特点：其输出只取决于当前的输入。即：若输入一样，则其输出也一样；定时：所有输入到达后，经过一定的逻辑门延时，输出端改变，并保持到下次改变，不需要时钟信号来定时。 状态（存储）元件的特点：具有存储功能，在时钟控制下输入被写到电路中，直到下个时钟到达；输入端状态由时钟决定何时被写入，输出端状态随时可以读出。 操作元件：加法器(Adder)，多路选择器(MUX)，算术逻部件(ALU)，加法器(Adder)。 存储元件：D触发器，寄存器（Register），寄存器组（Register File）。 2.寄存器和寄存器组、理想存储器的读过程和写过程，以及它们的区别。 理想存储器（idealized memory ） Data Out：32位读出数据 Data In：32位写入数据 Address：读写公用一个32位地址 读操作（组合逻辑操作）：地址Address有效后，经一个“取数时间AccessTime”，Data Out 上数据有效。 写操作（时序逻辑操作）：写使能为1的情况下，时钟Clk边沿到来时，Data In传来的值 开始被写入Address指定的存储单元中。 寄存器（Register） 有一个写使能（Write Enable-WE）信号 0: 时钟边沿到来时，输出不变
1: 时钟边沿到来时，输出开始变为输入 寄存器组（Register File） 两个读口（组合逻辑操作）：busA和busB 分别由RA和RB给出地址。地址RA或RB 有效后，经一个“取数时间(AccessTime)”， busA和busB有效。 一个写口（时序逻辑操作）：写使能为1的情况下，时钟边沿到来时，busW传来的值开始被写入RW指定的寄存器中。 3.熟练掌握课件中的最基本的7条指令执行时数据通路中信息的流动过程，以及在取指令部件中的信息处理，包括元件的连接和所需要的各种控制信号的取值等。同时也能够在前述基本结构上扩展指定功能和格式的一些指令。 R型指令：（ADD and subtract）add rd, rs, rt；sub rd, rs, rt。 I型指令：（OR Immediate）ori rt, rs, imm16；（LOAD and STORE）lw rt, rs, imm16；sw rt, rs, imm16；（BRANCH）beq rs, rt, imm16。 J型指令：（JUMP）j target。 二、单周期控制器的设计 1. 运算器的功能是如何控制的？掌握指令译码的基本原理，OP和func字段如何与指令功能对应？明白每个控制信号与指令译码的对应关系。 2. 单周期CPU的周期长度是由什么指令？哪些因素决定的？ 三、微程序控制原理 1. 微程序控制器的基本思想
第二章课后习题及参考答案 一、选择题 1.一个完整的计算机系统通常应包括（）。 A、系统软件和应用软件 B、计算机及其外部设备 C、硬件系统和软件系统 D、系统硬件和系统软件 2.一个计算机系统的硬件一般是由哪几部分构成的？（） A、CPU、键盘、鼠标和显示器 B、运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备 C、主机、显示器、打印机和电源 D、主机、显示器和键盘 3.CPU是计算机硬件系统的核心，它是由（）组成的。 A、运算器和存储器 B、控制器和存储器 C、运算器和控制器 D、加法器和乘法器 4.CPU中的控制器的功能是（）。 A、进行逻辑运算 B、进行算术运算 C、控制运算的速度 D、分析指令并发出相应的控制信号 5.计算机的存储系统通常包括（）。 A、内存储器和外存储器 B、软盘和硬盘 C、ROM和RAM D、内存和硬盘 6.计算机的内存储器简称内存，它是由（）构成的。 A、随机存储器和软盘 B、随机存储器和只读存储器 C、只读存储器和控制器 D、软盘和硬盘 7.随机存储器简称为（）。 A、CMOS B、RAM C、XMS D、ROM 8.计算机一旦断电后，（）中的信息会丢失。 A、硬盘 B、软盘 C、RAM D、ROM 9.在下列存储器中，存取速度最快的是（）。 A、软盘 B、光盘 C、硬盘 D、内存 10.ALU完成算术操作和（）。 A、存储数据 B、奇偶校验 C、逻辑操作 D、二进制计算 11.计算机硬件由5个基本部分组成，下面（）不属于这5个基本组成部分。 A、运算器和控制器 B、存储器 C、总线 D、输入设备和输出设备 12.微型计算机是由输入设备、输出设备、运算器、存储器和（）组成。 A、键盘 B、显示器 C、CPU D、控制器 13.硬盘属于计算机的( )设备。 A、主存储器 B、输入器 C、输出器 D、辅助存储器 14.存储器ROM的功能是( )。 A、可读可写数据 B、可写数据 C、只读数据 D、不可读写数据 15.CPU指的是计算机的（）部分。