计算机组成原理 [袁春风]chap4-1

袁春风计算机基础笔记

袁春风计算机基础笔记

1.计算机的基本概念：

计算机是一种能够自动进行数据处理和存储的电子设备。它由硬件和软件两部分组成，可以执行各种计算、逻辑和控制操作。

2.计算机的组成部分：

- 输入设备：用于将数据和指令输入到计算机中，如键盘、鼠标、扫描仪等。

- 中央处理器（CPU）：是计算机的核心部件，负责执行指令、进行数据处理和控制计算机的运行。

- 存储器：用于存储计算机运行时所需的数据和程序，包括内存和外存。

- 输出设备：将计算机处理后的结果输出给用户，如显示器、打印机等。

3.计算机的工作原理：

计算机通过运行指令，将输入的数据进行处理，然后产生输出结果。它的工作原理可以简单概括为输入-处理-输出的过程。

4.计算机的数据表示：

计算机中的数据以二进制形式表示，由0和1组成。二进制的优点是简单、易于实现和理解，可以通过逻辑门电路进行处理和运算。

5.计算机的运算方式：

计算机通过算术逻辑单元（ALU）进行算术运算和逻辑运算。算术运算包括加法、减法、乘法和除法等，逻辑运算包括与、或、非等。

6.计算机的存储器：

计算机的存储器包括内存和外存。内存用于存放计算机运行时所需的数据和程序，具有快速读取和写入的特点；外存用于长期存储数据和程序，容量较大但读写速度较慢。

7.计算机的操作系统：

操作系统是一种软件，负责管理计算机的硬件资源、提供用户与计算机之间的接口，并协调各种应用程序的运行。常见的操作系统有Windows、Linux、macOS等。

8.计算机网络：

计算机网络是多台计算机通过通信设备互相连接起来，共享资源和信息的系统。常见的网络包括局域网、广域网和互联网等。

9.计算机的应用领域：

计算机广泛应用于各个领域，包括科学研究、工程设计、商业管理、教育培训、娱乐等。它已成为现代社会不可或缺的工具。

计 算 机 组 织 与 结 构 期 终 试 卷 (2000.7)

姓名___________ 学号____________ 成绩___________

考试时间为120分钟。请把答案写在试卷上或是答题纸上。

一. 填空题. (1’×20)

1. ___________在计算机的发展中起了决定作用，其次是_________和_______也起了重要的作用。

2. ________________________________________称为互联结构。

3.十进制数 66.125的二进制表示为 1000010.001 ，八进制表示为102.1，十六进制表示为42.2。

4．8位补码表示的定点整数的表数范围为___________________。

5．PCI总线的全称（用英文）：Peripheral Component Interconnect 。

6．高速缓存的写策略有 FIFO 和 LRU 两种。

7．堆栈的基本特点是LIFO。

8． 典型的微指令格式有 水平型 和 垂直型 两种。

9． SCSI接口是 小型计算机系统 接口。

10． 造成流水线阻塞的主要原因有_______________________和_______________________。

11．一个指令周期包括______________，______________和_____________三个部分。

二．选择题 （2’×10）

1．Pentium系列计算机都具有相同的D。

A。 计算机组织 B。 计算机软件 C。计算机硬件 D。 计算机结构

2． 用来控制多个高速设备的I/O控制方法是 B。

A.编程I/O B.选择通道 C.中断驱动I/O D.DMA

3．假设IEE标准的浮点数的格式是符号位1位， 阶码是5位整数的移码， 尾数为6位原码小数，基数为2。格式如下：

计算机组成原理第四章指令系统

4.1 指令系统的发展与性能需求

4.1.1指令系统的发展

程序：计算机的程序是由一系列的机器指令组成的。

指令就是计算机执行某种操作的命令。

这里某种操作其实很有意思啊

20世纪50年代，所支持的指令系统只有定点加减，逻辑运算、数据传送、转移等十几至几十条指令。

60年代后期，除以上基本指令，还设置了乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串处理，指令数目多达几百条，寻址方式也趋多样化

计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令。

微指令：微程序级的命令，属于硬件。

宏指令：若干条机器指令组成的软件指令，属于软件。

机器指令：介于微指令和宏指令之间，通常简称为指令。

每一条指令可完成一个独立的算术运算或算术逻辑运算操作。

4.1.2指令系统的性能要求

完备性

指令系统丰富、功能齐全、使用方便。

有效性

该指令系统编写的程序能够高效率地运行。

高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。

规整性

对称性

匀齐性

指令格式和数据格式的一致性

兼容性

系列机各机种之间具有相同的基本结构和共有的基本指令集，因而指令系统是兼容的，即各机种上基本软件可以通用。 4.2 指令格式

机器指令

机器指令是机器字来表示。

表示一条指令的机器字，就称为指令字，通常简称指令。

指令格式，则是指令字用二进制代码来表示的结构形式，通常由操作码字段和地址码字段组成。

一条指令的结构如下形式来表示：

操作码字段OP 地址码字段A

操作码

设计计算机时，对指令系统的每一条指令都要规定一个操作码。

操作码字段应该执行怎样的操作？

加法，减法，乘法，除法，取数，存数等等。

一般来说，一个包含n位的操作码最多能表示2n条指令。

地址码

有几个操作数地址，称为几操作数或几地址指令。

在早期，一般操作数有被操作数、操作数和操作结果这三种数，所以就形成了三地址指令格式。

后来发展成二地址格式、一地址格式和零地址格式。

3. 假定一个政府机构同时监控100路移动电话的通话消息，通话消息被分时复用到一个带宽为4MBps的网络上，复用使得每传送1KB的通话消息需额外开销150µs，若通话消息的采样频率为4KHz，每个样本的量化值占16位，要求计算每个通话消息的传输时间，并判断该网络带宽能否支持同时监控100路通话消息？

参考答案：

每路移动电话1秒钟所要传输的数据量：4000HZ x(16/8)B=8000B=7.8125KB

该网络传输1KB数据所需要的时间为：150µs+(1KB / 4MB)=394µs

所以实际传输100路移动电话所需时间为：394µs/KB x7.8125KB x 100=0.31s

因为0.31s小于1秒钟，故该网络带宽支持同时监控100路通话消息。 4．假定一个程序重复完成将磁盘上一个4KB的数据块读出，进行相应处理后，写回到磁盘的另外一个数据区。各数据块内信息在磁盘上连续存放，并随机地位于磁盘的一个磁道上。磁盘转速为7200RPM，平均寻道时间为10ms，磁盘最大数据传输率为40MBps，磁盘控制器的开销为2ms，没有其他程序使用磁盘和处理器，并且磁盘读写操作和磁盘数据的处理时间不重叠。若程序对磁盘数据的处理需要20000个时钟周期，处理器时钟频率为500MHz，则该程序完成一次数据块“读出-处理-写回”操作所需的时间为多少？每秒钟可以完成多少次这样的数据块操作？

参考答案：

平均旋转等待时间：(1s / (7200/60)) / 2 ≈ 8.33/2 ≈ 4.17ms

因为块内信息连续存放，所以数据传输时间：4KB / 40MBps ≈ 0.1ms

平均存取时间T ：寻道时间 + 旋转等待时间 + 数据传输时间

= 10ms + 4.17ms + 0.1ms = 14.27ms 读出时间(写回时间)：14.27ms+2ms = 16.27ms

数据块的处理时间：20000 / 500MHz ≈ 0.04ms