第3章 运算器与控制器

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。

6．按照图 3．3 所示的双总线数据通路，写出 SUB R2，R3 指令取指阶段和执行阶段的 微操作序列。 答：SUB R2，R3。这是一条减法指令，属于寄存器寻址方式，操作数和结果都存在寄 存器中。其功能是用寄存器 R2 的内容减去 R3 的内容，结果存入寄存器 R2 中。其指令流程 如表 3．26： 表 3．26 SUB R2，R3 指令双总线流程分析表 步骤 （ 1） （ 2） （ 3） （ 4） （ 5） 微 操 作 （PC）→MAR； （PC）+1→C （C ） →PC； M[MAR] →MDR （MDR）→IR （R2）－（R3）→C （C）→R2 控 制 信 号 解 释 PCOUT1、 CPMAR、 EMAR、 指令地址送到 MAR ， PC RD、+1、CPC 内容和 1 相加后送 C。 COUT、CP2PC、SMDR MDROUT1、CP1IR 完成 PC 的修改， 将读出的 指令送 MDR。 将读出的指令送 IR，取指 阶段完成。
表 3．27 SUB R2，R3 指令三总线流程分析表 步骤 （ 1） （ 2） （ 3） （ 4） 微 操 作 （PC）→MAR； （PC）+1→PC M[MAR] →MDR （MDR）→IR （R2）－（R3）→R2 控 制 信 号 解 释 PCOUT3、 CPMAR、 EMAR、 指令地址送到 MAR ， PC RD、+1、CP1PC 内容和 1 相加后送 PC。 SMDR MDROUT3、CP1IR R2OUT2 、 R3OUT3 、 ADD、PC1R1 将读出的指令送 MDR。 将读出的指令送 IR，取指 阶段完成。 R2 减去 R3 的内容后送 R2。
8．根据表 3．7 分析，参考表 3．8，说明此模型机有几种指令格式。 答：模型机有如下 9 种指令格式： ⑴ 31 27 26 22 21 17 16 0 OP ra rb C2 指令：LOAD、STORE、LOADA、ADDI、ANDI 和 ORI 使用此格式。 ⑵ 31 27 26 22 21 0 OP ra C1 指令：LOADR、STORER 和 LOADR 使用此格式。 ⑶ 31 27 26 22 21 17 16 12 11 0 OP ra rc 未用 指令：NEG、NOT 使用此格式。 ⑷ 31 27 26 22 21 17 16 12 11 OP 未用 rb rc 未用 指令：BRxx 使用此格式。 ⑸ 31 27 26 22 21 17 16 12 11 OP ra rb rc 未用 指令：BRLxx 使用此格式。 ⑹ 31 27 26 22 21 17 16 12 11 OP ra rb rc 未用 0 指令：ADD、SUB、AND 和 OR 使用此格式。 ⑺ 31 27 26 22 21 17 16 5 4 未用 3 2 C4 3 2 C4 0 0 0

第一章：1.计算机系统由“硬件”和“软件”两大部分组成计算机的软件通常又可分为两大类：系统软件和应用软件2.冯诺依曼计算机的特点：计算机由运算器、储存器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成运算器、控制器、存储器—》主机控制器、运算器==》 CPU输入、输出–》 I/O3机器字长是指CPU一次能够处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。

字长越长，数的表示范围越大，精度也越高。

4存储容量=储存单元个数*存储字长MAR的位数反映了储存单元的个数，MDR的位数反映了存储字长如MAR为16位，MDR为32位，存储容量=2的16次方*32=2M位（1M=2的20次方）储存容量2M位=2的18次方字节（一个字节=8位）=2的18次方B=256KB第一章课后题：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：P3计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。

计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。

计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。

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。

5. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯•诺依曼计算机的特点是：P8计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；指令和数据均用二进制表示；指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。

7. 解释下列概念：主机、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长。

解：P9-10主机：是计算机硬件的主体部分，由CPU和主存储器MM合成为主机。

CPU：中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成；（早期的运算器和控制器不在同一芯片上，现在的CPU内除含有运算器和控制器外还集成了CACHE）。

计算机组成原理中的运算器与控制器计算机组成原理是计算机科学与技术中的重要课程，它涉及到计算机内部各个组成部分的结构和工作方式。

在计算机组成原理中，运算器与控制器是其中两个核心模块，它们负责处理和控制计算机的数据和指令。

本文将对计算机组成原理中的运算器与控制器进行探讨。

一、运算器运算器是计算机的核心部件之一，它负责执行各种算术和逻辑运算。

运算器通常由算术逻辑单元（ALU）、累加寄存器（AC）和数据缓冲寄存器（DR）等组成。

算术逻辑单元是运算器中的关键部件，它能够执行四则运算和逻辑运算等操作。

累加寄存器用于存储运算结果，数据缓冲寄存器则用于暂时存放需要进行运算的数据。

在运算器中，ALU起到了核心的作用。

它能够对两个二进制数进行加减乘除等运算，还可以执行与、或、非、异或等逻辑运算。

ALU内部通常包含了多个逻辑门和触发器，通过这些基本逻辑电路可以实现各种算术和逻辑运算。

运算器还通过高速缓存和数据通路等技术手段来提高数据访问速度和运算效率。

二、控制器控制器是计算机硬件中的另一个重要组成部分，它负责控制各个部件之间的协调工作，以确保计算机按照用户的指令正确地执行操作。

控制器通常由指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、时钟电路和控制逻辑等组成。

指令寄存器用于存放当前正在执行的指令，程序计数器则用于存放下一条需要执行的指令地址。

时钟电路提供了固定的时序脉冲，控制逻辑根据时钟信号的变化来进行相应的控制操作。

控制器的工作过程通常分为指令获取、指令译码和执行三个阶段。

在指令获取阶段，控制器从内存中获取指令并存放到指令寄存器中；在指令译码阶段，控制器对指令进行解码，确定下一步的操作；在执行阶段，控制器根据指令的要求控制其他部件进行相应的操作，包括数据的读取、运算的执行和结果的存储等。

通过这些阶段的协调工作，控制器能够完成计算机的指令执行过程。

三、运算器与控制器的协作运算器和控制器在计算机组成原理中密切合作，彼此之间进行数据和控制信号的传递，以完成计算机的各种运算任务。