中职《计算机原理》第3章 中央处理器

计算机组成原理知识点总结第一章一、数字计算机的五大部件（硬件）及各自主要功能（P6）计算机硬件组成：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。

1、存储器（主存）主要功能：保存原始数据和解题步骤。

包括：内存储器（CPU 直接访问），外存储器。

2、运算器主要功能：进行算术、逻辑运算。

3、控制器主要功能：从内存中取出解题步骤（程序）分析，执行操作。

包括：计算程序和指令（指令由操作码和地址码组成）。

4、输入设备主要功能：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。

5、输出设备主要功能：把计算机处理的结果变换为人或其他机器所能接收和识别的信息形式。

注：1、冯诺依曼结构：存储程序并按地址顺序执行。

2、中央处理器（CPU）：运算器和处理器的结合。

3、指令流：取指周期中从内存读出的信息流，流向控制器。

数据流：在执行器周期中从内存读出的信息流，由内存流向运算器。

二、数字计算机的软件及各自主要功能（P11）1、系统软件：包括服务性程序、语言程序、操作程序、数据库管理系统。

2、应用程序：用户利用计算机来解决某些问题而设计。

三、计算机的性能指标。

1、吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，用bps度量。

2、响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。

3、利用率：在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所在的比率，用百分比表示。

4、处理机字长：常称机器字长，指处理机运算中一次能够完成二进制运算的位数，如32位机、64位机。

5、总线宽度：一般指CPU从运算器与存储器之间进行互连的内部总线一次操作可传输的二进制位数。

6、存储器容量：存储器中所有存储单元（通常是字节）的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。

7、存储器带宽：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用B/s（字节/秒）表示。

8、主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，按照规定在某个时间段做什么（从什么时候开始、多长时间完成），主时钟不断产生固定频率的时钟信号。

第三章习题（1）复习题1．计算机由哪几部分组成，其中哪些部分组成了中央处理器？答：计算机硬件系统主要由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备等五部分组成其中，运算器和控制器组成中央处理器（CPU）。

（P69）2．试简述计算机多级存储系统的组成及其优点？答：多级存储系统主要包括：高速缓存、主存储器和辅助存储器。

把存储器分为几个层次主要基于下述原因：（1）合理解决速度与成本的矛盾，以得到较高的性能价格比。

（2）使用磁盘、磁带等作为外存，不仅价格便宜，可以把存储容量做得很大，而且在断电时它所存放的信息也不丢失，可以长久保存，且复制、携带都很方便。

(P74-P75)3．简述Cache的工作原理，说明其作用。

答：Cache的工作原理是基于程序访问的局部性的。

即主存中存储的程序和数据并不是CPU 每时每刻都在访问的，在一段时间内，CPU只访问其一个局部。

这样只要CPU当前访问部分的速度能够与CPU匹配即可，并不需要整个主存的速度都很高。

Cache与虚拟存储器的基本原理相同，都是把信息分成基本的块并通过一定的替换策略，以块为单位，由低一级存储器调入高一级存储器，供CPU使用。

但是，虚拟存储器的替换策略主要由软件实现，而Cache的控制与管理全部由硬件实现。

因此Cache效率高并且其存在和操作对程序员和系统程序员透明，而虚拟存储器中，页面管理虽然对用户透明，但对程序员不透明；段管理对用户可透明也可不透明。

Cache的主要作用是解决了存储器速度与CPU速度不匹配的问题，提高了整个计算机系统的性能。

(P77) 4．描述摩尔定律的内容，并说明其对于计算机的发展具有怎样的指导意义？答：摩尔定律（Moore law）源于1965年戈登·摩尔（GordonMoore，时任英特尔(Intel)公司名誉董事长）的一份关于计算机存储器发展趋势的报告。

根据他对当时掌握的数据资料的整理和分析研究，发现了一个重要的趋势：每一代新芯片大体上包含其前一代产品两倍的容量，新一代芯片的产生是在前一代产生后的18-24个月内。

第1章计算机系统概论1.1 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：计算机系统由硬件和软件两大部分组成。

硬件即指计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电子元器件，各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外设等。

软件是看不见摸不着的，由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成，用来充分发挥硬件功能，提高机器工作效率，便于人们使用机器，指挥整个计算机硬件系统工作的程序、资料、数据集合。

硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。

1.2 如何理解计算机系统的层次结构？解：（1）第一级：实际机器M1 (机器语言机器)，机器语言程序直接在M1上执行；（2）第二级：虚拟机器M2（汇编语言机器），将汇编语言程序先翻译成机器语言程序，再在M1-上执行；（3）第三级：虚拟机器M3(高级语言机器)，将高级语言程序先翻译成汇编语言程序，再在M2、M1（或直接到M1）上执行；（4）第零级：微程序机器M0（微指令系统），由硬件直接执行微指令。

（5）实际上，实际机器M1和虚拟机器M2之间还有一级虚拟机，它是由操作系统软件构成，该级虚拟机用机器语言解释操作系统。

（6）虚拟机器M3还可以向上延伸，构成应用语言虚拟系统。

1.3 说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及联系。

解：机器语言由0、1代码组成，是机器能识别的一种语言。

用机器语言编写程序时要求程序员对他们所使用的计算机硬件及其指令系统十分熟悉，编写程序难度很大，操作过程也极易出错。

汇编语言是符号式的程序设计语言，汇编语言是面向机器的语言，它由一些特殊的符号表示指令。

用汇编语言编写的汇编语言程序必须先被翻译成机器语言程序，才能被机器接受并自动运行。

汇编语言的每一条语句都与机器语言的某一条语句（0、1代码）一一对应。

高级语言是面向用户的语言，与具体的计算机指令系统无关、对问题的描述更接近于人们习惯，且易于掌握和书写。

它具有较强的通用性，程序员完全不必了解、掌握实际机器M1的机型、内部的具体组成及其指令系统，只要掌握这类高级语言的语法和语义，便可直接用这种高级语言来编程，给程序员带来了极大的方便。

《计算机组成原理》教案一、教学目标1. 了解计算机硬件系统的组成及功能2. 掌握数据的表示和运算方法3. 理解存储器的层次结构和工作原理4. 掌握中央处理器（CPU）的工作原理和性能指标5. 了解计算机的输入输出系统及其接口技术二、教学内容1. 计算机硬件系统计算机的组成输入输出设备存储器中央处理器（CPU）2. 数据的表示和运算数制转换计算机中的数据类型算术运算逻辑运算3. 存储器层次结构随机存储器（RAM）只读存储器（ROM）硬盘存储器虚拟存储器4. 中央处理器（CPU）CPU的组成和结构指令集和指令系统指令执行过程CPU性能指标5. 输入输出系统输入输出设备I/O接口技术中断和直接内存访问（DMA）总线和接口三、教学方法1. 采用讲授法，讲解基本概念、原理和方法。

2. 结合实例分析，让学生更好地理解计算机组成原理。

3. 使用实验和实训，培养学生的实际操作能力。

4. 开展课堂讨论和小组合作，提高学生的分析和解决问题的能力。

四、教学资源1. 教材：《计算机组成原理》2. 课件：PowerPoint或其他教学软件3. 实验设备：计算机、内存条、硬盘等4. 网络资源：相关在线教程、视频、论文等五、教学评价1. 平时成绩：课堂表现、作业、实验报告等（30%）2. 期中考试：测试计算机组成原理的基本概念、原理和方法（30%）3. 期末考试：综合测试计算机组成原理的知识点和实际应用（40%）六、教学安排1. 课时：共计48课时，每课时45分钟。

第一章：8课时第二章：6课时第三章：10课时第四章：10课时第五章：4课时第六章：6课时第七章：6课时第八章：4课时第九章：4课时第十章：4课时2. 教学方式：讲授、实验、课堂讨论、小组合作等。

七、教学重点与难点1. 教学重点：计算机硬件系统的组成及功能数据的表示和运算方法存储器的层次结构和工作原理中央处理器（CPU）的工作原理和性能指标输入输出系统及其接口技术2. 教学难点：存储器的工作原理中央处理器（CPU）的指令执行过程输入输出系统的接口技术八、教学进度计划1. 第一周：计算机硬件系统概述2. 第二周：数据的表示和运算3. 第三周：存储器层次结构4. 第四周：中央处理器（CPU）5. 第五周：输入输出系统6. 第六周：综合练习与实验九、教学实践活动1. 实验：实验一：计算机硬件组成认识实验二：数据表示与运算实验三：存储器测试实验四：CPU性能测试实验五：输入输出系统实验2. 课堂讨论：讨论话题：计算机硬件技术的未来发展讨论形式：小组合作、课堂分享1. 课程结束后，对教学效果进行自我评估和反思。

《计算机组成原理》教案一、课程简介1.1 课程背景计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门核心课程，旨在帮助学生了解和掌握计算机的基本组成、工作原理和性能优化方法。

通过本课程的学习，学生将能够理解计算机硬件系统的整体结构，掌握各种计算机组件的功能和工作原理，为后续学习操作系统、计算机网络等课程打下基础。

1.2 课程目标（1）了解计算机系统的基本组成和各部分功能；（2）掌握计算机指令系统、中央处理器（CPU）的工作原理；（3）熟悉存储器层次结构、输入输出系统及总线系统；（4）学会分析计算机系统的性能和优化方法。

二、教学内容2.1 计算机系统概述（1）计算机的发展历程；（2）计算机系统的层次结构；（3）计算机系统的硬件和软件组成。

2.2 计算机指令系统（1）指令的分类和格式；（2）寻址方式；（3）指令的执行过程。

2.3 中央处理器（CPU）（1）CPU的结构和功能；（2）流水线技术；（3）多核处理器。

2.4 存储器层次结构（1）存储器概述；（2）随机存取存储器（RAM）；（3）只读存储器（ROM）；（4）缓存（Cache）和虚拟存储器。

2.5 输入输出系统（1）输入输出设备；（2）中断和DMA方式；（3）总线系统。

三、教学方法3.1 讲授法通过讲解、举例、分析等方式，使学生掌握计算机组成原理的基本概念、原理和应用。

3.2 实验法安排实验课程，使学生在实践中了解和验证计算机组成原理的相关知识。

3.3 案例分析法分析实际案例，使学生了解计算机组成原理在实际应用中的作用和意义。

四、教学评价4.1 平时成绩包括课堂表现、作业完成情况、实验报告等。

4.2 期末考试采用闭卷考试方式，测试学生对计算机组成原理知识的掌握程度。

五、教学资源5.1 教材《计算机组成原理》（唐朔飞著，高等教育出版社）。

5.2 辅助资料包括课件、实验指导书、案例分析资料等。

5.3 网络资源推荐学生访问相关学术网站、论坛，了解计算机组成原理的最新研究动态和应用成果。

计算机学科专业基础综合组成原理-中央处理器(CPU)(二)(总分：100.00，做题时间：90分钟)一、{{B}}单项选择题{{/B}}(总题数：47，分数：47.00)1.CPU中运算器的全部功能是______。

∙ A.产生时序信号∙ B.完成算术逻辑运算∙ C.取指令、分析指令并执行指令∙ D.指令控制、操作控制、时间控制和中断处理（分数：1.00）A.B. √C.D.解析：[解析] 运算器负责对数据进行加工和处理，即完成算术逻辑运算。

2.流水线计算机中，下列语句发生的数据相关类型是______。

ADD R1, R2, R3; (R2)+(R3)→R1ADD R4, R1, R5; (R1)+(R5)→R4∙ A.写后写∙ B.读后写∙ C.写后读∙ D.读后读（分数：1.00）A.B.C. √D.解析：[解析] 数据相关类型包括RAW(写后读)、WAW(写后写)、WAR(读后写)。

设有i和j两条指令，i指令在前，j指令在后，则3种相关的含义如下。

·RAW(写后读)：指令j试图在指令i写入寄存器前就读出该寄存器的内容，这样指令j就会错误地读出该寄存器旧的内容。

·WAR(读后写)：指令j试图在指令i读出该寄存器前就写入该寄存器，这样指令i就会错误地读出该寄存器的新内容。

·WAW(写后写)：指令j试图在指令i写入寄存器前就写入该寄存器，这样两次写的先后次序被颠倒，就会错误地使由指令i 写入的值成为该寄存器的内容。

在这两条指令中，都对R1进行操作，其中前面对R1写操作，后面对R1读操作，因此发生写后读相关。

3.在CPU的状态字寄存器中，若符号标志位SF为“1”，表示运算结果是______。

∙ A.正数∙ B.负数∙ C.非正数∙ D.不能确定（分数：1.00）A.B.C.D. √解析：[解析] 状态字寄存器用来存放PSW，PSW包括两个部分：一是状态标志，如进位标志(C)、结果为零标志(Z)等，大多数指令的执行将会影响到这些标志位；二是控制标志，如中断标志、陷阱标志等。

计算机组成原理-专升本-第2阶段作业第1大题（40.0分）1. （2.0 分）以下叙述正确的是（）。

主存的存取速度可以与CPU匹配主存由RAM构成，不包括ROM标准答案f 辅存中的程序需要调入主存中才能运行若指令的地址码为20位，则主存容量一定是20MB2. （2.0 分）某机字长32位，存储容量1MB。

若按字编址，它的寻址范围是（）。

1M512KB标准答案f -256K256KB3. （2.0 分）某存储器芯片的存储容量为8K X8位，则它的地址线和数据线引脚相加的和为（）。

12r13标准答案f21r224. （2.0 分）存储周期是指（）。

存储器的读出时间厂存储器的写入时间标准答案T厂存储器进行连续读和写操作所允许的最短时间间隔厂存储器进行连续写操作所允许的最短时间间隔5. （2.0 分）在主存和CPU之间增加cache存储器的目的是（）。

Q 增加内存容量厂提高内存可靠性标准答案T◎解决CPU和主存之间的速度匹配问题厂增加内存容量，同时加快存取速度6. （2.0 分）存储器是计算机系统的记忆设备，主要用于（）。

•口存放程序厂存放软件厂存放微程序标准答案T存放程序和数据7. （2.0 分）CPU不能直接访问的是（）。

广DRAMC ROMSRAM8. （2.0 分）和外存储器相比，内存储器的特点是（ ）。

r容量大， 速度快， 成本低 r标准答案T 容量大， 速度慢， 成本高r容量小， 速度快， 成本高 r 容量小， 速度快， 成本低9. （2.0 分）下列元件中存/取速度最快的是（）。

标准答案T厂 寄存器C ROMQ cache广外存 10. （2.0 分）采用虚拟存储器的目的是（ ）。

厂提高主存速度 广扩大外存的存取空间 标准答案广扩大存储器的寻址空间 广 扩大内存容量标准答案T磁盘11. （2.0 分）寄存器间接寻址方式中，操作数处在( )。

通用寄存器广堆栈标准答案、厂主存储器r程序计数器12. (2.0 分)操作数在寄存器中，称为( )方式。