计算机组成原理与系统结构

【计算机组成原理】基础知识汇总（必背）整理了⼀下超星上的题⽬以及教材《计算机组成原理第3版》——唐朔飞的课后题。

第 1 章计算机系统概论超星题⽬说明计算机系统的层次结构。

说明冯诺依曼体系结构的特点。

计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输⼊设备和输出设备5⼤部件组成。

指令和数据以同等地位存储在存储器中，并可按地址寻访。

指令和数据均⽤⼆进制代码表⽰。

指令由操作码和地址码组成，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。

指令在存储器内按顺序存放。

通常，指令是顺序执⾏的，在特定条件下可根据运算结果或根据设定的条件改变执⾏顺序。

早期的冯·诺依曼机以运算器为中⼼，输⼊/输出设备通过运算器与存储器传送数据。

知识点：冯·诺依曼机的基本⼯作⽅式是：控制流驱动⽅式冯·诺依曼机⼯作⽅式的基本特点：按地址访问并顺序执⾏指令什么是机器字长、指令字长、存储字长？机器字长是指CPU⼀次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。

指令字长是⼀个指令字中包含⼆进制代码的总位数。

指令字长取决于从操作码的长度、操作码地址的长度和操作码地址的个数。

存储字长是⼀个存储单元存储⼆进制代码的位数。

存储字是存放在⼀个存储单元中的⼆进制代码组合存储单元是存放⼀个存储字的所有存储元集合。

其他存放欲执⾏指令的寄存器是：IR⼀个8位的计算机系统以16位来标⽰地址，则该计算机系统中有（65536）个地址空间。

指令流通常是（主存流向控制器）CPU内通⽤寄存器的位数取决于（机器字长）。

课后题什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？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。

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。

计算机组成原理知识点汇总本文将计算机组成原理的知识点做了系统的整理，方便大家系统学习。

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计算机体系结构一、发展历史1.1946 ENIAC2.冯诺依曼EDVAC1)计算机思想：二进制存储控制2)计算机组成控制器运算器存储器输入输出3)时间轴a)代际划分第一代计算机1946-1957 电子管第二代计算机1958-1964 晶体管第三代计算机1965-1972 中、小规模集成电路第四代计算机1972~至今超大规模集成电路b)我国计算机发展2009研发出天河一号2010天河一号A 成为最快计算机2017神威太湖一号位于榜首4)辅助技术：CADCAMCAECAICIMS二、相关计算1.容量单位1B=8 bit1KB = 2^10 B= 1024 BTB PB EB ZB YB BB NB DB2.进制转换1)二进制、八进制、十进制、十六进制2)换算方法：统一换算成十进制，在转换为其他进制十进制转换为二进制十进制除以2 保留余数倒数3)各个进制的小数点转换：当前位数的值*（1/(进制^位数)）3.二进制码表示1)原码：表示范围-2^(n-1)-1 ~ 2^(n-1)-1如8位的就是-127~1272)反码：正数的反码等于补码负数的反码等于除符号位以外取反3)补码：正数的补码=反码负数的补码=反码+1表示范围-2^(n-1) ~ 2^(n-1)-1如8位的就是-128~127 -128的补码是1000000 人为规定4)移码补码的符号位取反5)特性00的补码、移码相同6)运算原码运算反码运算补码运算4.校验码1)奇偶校验码：根据1的位数1位数为奇数则是奇数校验码2)循环冗余CRC：多项式模2除法只能检错不能纠错3)海明校验码：有纠错功能5.ASCII编码1)汉字编码6.浮点数表示三、中央处理器CPU1.组成结构1)运算器a)作用：完成算术和逻辑运算，实现数据加工与处理b)组成：i.算术与逻辑计算单元ALUii.累加器AC（为ALU提供工作区，暂存ALU的操作数或运算结果）iii.状态字寄存器PSW：表征当前运算的状态及程序的工作方式一个保存各种状态条件标志的寄存器保存中断和系统工作状态等信息iv.寄存器组v.多路转换器2)控制器a)作用：取指令分析指令执行指令b)指令的组成指令码操作码c)内部寄存器i.程序计数器PC保存下一条指令的地址ii.指令寄存器IR保存当前执行的指令地址iii.指令译码器对IR中的指令的操作码进行译码iv.关系从PC中取出指令地址，送入IR，由译码器译码以后执行3)寄存器组a)数据寄存器DRi.暂时存放由主存储器读出的一条指令或一个数据字ii.作用作为CPU与外部存储设备的中转站弥补CPU与外部存储设备的速度差异b)地址寄存器AR用来保存当前CPU访问的主存的地址，直到主存信息读取完毕4)内部总线2.指令系统1)周期a)时钟周期：振荡周期计算机中最小、最基本的时间单位，一个时钟周期内，CPU只完成一个基本动作b)机器周期：完成一项基本操作的时间c)指令周期：完成一条指令需要的时间2)周期关系一条指令周期包含若干机器周期，一个机器周期包含若干时钟周期指令周期>机器周期>时钟周期3)流水线技术Pipeline程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术4)指令集a)复杂指令集CISCi.指令系统复杂，指令数目多ii.设有专用寄存器iii.指令字长不固定，指令格式多，寻址方式多iv.可访存指令不受限制v.各种指令的执行时间差大vi.采用微程序控制器vii.难以用优化编译生成高效的目标代码b)精简指令集RISCi.选取使用频度较高的简单指令以及很有用但不复杂的指令ii.指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少iii.只有取数、存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器中完成iv.CPU 中有多个通用寄存器v.采用流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成vi.控制器采用组合逻辑控制为主vii.采用优化编译技术3.寻址方式1)数据寻址a)立即寻址：操作数包含在指令中b)直接寻址：操作数位于内存中，指令中直接给出操作数的内存地址c)间接寻址：操作数位于内存中，指令中给出操作数地址的地址d)寄存器寻址：操作数存放寄存器中，指令中给出存放操作数的寄存器名e)寄存器间接寻址：操作数存放在内存中，操作数的内存地址位于某个寄存器中f)变址寻址：指令给出的形式地址A 与编制寄存器Rx 的内容相加，形成操作数有效地址；应用广泛如一组连续存放在主存中的数据g)基址寻址基址寄存器Rb 的内容与形式地址A 相加，形成操作数有效地址；基址寻址和变址寻址在形成有效地址时所用的算法是相同的；变址寻址是面向用户的，用于访问字符串、向量和数组等成批数据；基址寻址用于逻辑地址和物理地址的变换，解决程序在主存中的再定位和扩大寻址空间h)相对寻址：基址寻址的一种变通，由程序计数器PC 提供基准地址i)隐含寻址：指令中不明显地给出操作数的地址，其操作数的地址隐含在操作码或某个寄存器中j)堆栈寻址2)指令寻址a)顺序寻址：程序计数器PC +1b)跳跃寻址：程序转移执行时的指令寻址方式，它通过转移类指令实现4.性能指标1)主频a)计算机的时钟频率b)时钟周期=1/主频c)单位是GHzd)时钟频率为1GHz，时钟信号周期等于1ns 时钟频率为2GHz，时钟周期为0.5ns2)字长8位32位64位3)MIPS：每秒处理百万级的机器语言指令数4)MFLOPS：每秒百万个浮点操作，反映浮点运算情况5)CPI：每条指令的时钟周期数6)平均无故障时间MTBF：Mean Time Between Failure多次相继失效之间的平均时间该指标和故障率衡量系统的可靠性7)平均修复时间MTTR：多次故障发生到系统修复后的平均时间间隔。

计算机组成原理课后答案习题解答第一章思考题与习题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？计算机系统是指计算机硬件、软件和数据通信设备的物理或逻辑的综合体。

硬件即指计算机的实体部分。

软件是由计算机运行所需的程序及相关文档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4．如何理解计算机组成和计算机体系结构？计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性，通常是指用机器语言编程的程序员所看到的传统机器的属性，包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O 机理等等计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。

5．冯·诺依曼计算机的特点是什么？(1) 计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成(2) 指令和数据以同等的地位存放于存储器内，并可以按地址寻访(3) 指令和数据均可以用二进制代码表示(4) 指令由操作码和地址码组成(5) 指令在存储器内按顺序存放。

(6) 机器以运算器为中心。

6．画出计算机硬件组成框图，说明各部件的作用及计算机硬件的主要技术指标。

硬件的主要技术指标：(1) 机器字长：指 CPU 一次能处理数据的位数，通常与 CPU 的寄存器位数有关(2) 存储容量：包括主存容量和辅存容量，存放二进制代码的总数＝存储单元个数×存储字长(3) 运算速度：主频、Gibson 法、MIPS 每秒执行百万条指令、CPI 执行一条指令所需时钟周期数、FLOPS 每秒浮点运算次数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。

主机——是计算机硬件的主体部分，由CPU+MM（主存或内存）组成；CPU——中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器+控制器组成；存储字长——存储器一次存取操作的最大位数；存储容量——存储器中可存二进制代码的总量；机器字长——CPU能同时处理的数据位数；等于处理器内部寄存器位数指令字长——一条指令包含的二进制代码位数；8．解释下列英文代号：CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS。

计算机组成原理三、名词解释1.计算机系统：由硬件和软件两大部分组成，有多种层次结构。

2.主机：CPU、存储器和输入输出接口合起来构成计算机的主机。

3.主存：用于存放正在访问的信息4.辅存：用于存放暂时不用的信息。

5.高速缓存：用于存放正在访问信息的付本。

6.中央处理器：是计算机的核心部件，由运算器和控制器构成。

7.硬件：是指计算机实体部分，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。

软件：指看不见摸不着，由人们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成。

8.系统软件：又称系统程序，主要用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，高效运行。

应用软件：又称应用程序，它是用户根据任务需要所编制的各种程序。

9.源程序：通常由用户用各种编程语言编写的程序。

目的程序：由计算机将其翻译机器能识别的机器语言程序。

10.总线：是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。

11.系统总线：是指CPU、主存、I/O设备（通过I/O接口）各大部件之间的信息传输线。

通信总线：是指用于计算机系统之间或者计算机系统与其他系统（如控制仪表、移动通信）之间的通信的线路。

按传送方式分并行和串行。

串行通信是指数据在单条1位宽的传输线上，一位一位的按顺序分时传送。

并行通信是指数据在多条并行1位宽的传输线上，同时由源传送到目的地。

12.带宽：单位时间内可以传送的最大的信息量。

13.机器字长：是指CPU一次并行处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。

14.主存容量：是指主存中存放二进制代码的总位数。

15.机器数：符号位数字化，0代表正数，1代表负数。

16.定点数：小数点固定在某一位位置的数。

17.浮点数：小数点的位置可以浮动的数。

18.补码：带符号数据表示方法之一，正数的反码和原码相同，负数的反码是将二进制按位取反后在最低位再加1.19.溢出：在计算机中，超出机器字长，发生错误的结果。

20.非编码键盘：采用软件判断键是否按下及设键、译键、计算键值的方法的键盘。