计算机组成原理复习题 --- 全面版

1、指令和数据都放在内存上,如何从时间和空间上区分他们是指令还是数据？
答：一般来讲，取指周期中从内存读出的信息流是指令流，它流向控制器；而在执行器周期中从内存读出的信息流是数据流，它由内存流向运算器。
1.数据区分两种，一种是栈数据，和堆数据，
2.而全局变量和静态变量和常量字符串放在文本区或者叫全局区，
3.并在文本区的隔壁还有一个是指令区，专门放指令。
他们分别有一个段基址寄存器指向他们的。所以怎么之别是不需要你来关心的，而是由操作系统和进程tcb块来管理。

2、现代计算机系统如何进行多级划分？这种分级观点对计算机设计会产生什么影响?
答：现代计算机系统可分为五个层次，第一级是微程序设计级；第二级是一般机器级；第三级是操作系统级；第四级是汇编语言级；第五级是高级语言级。

3、计算机实现浮点数乘除的步骤有哪些？
答：实现浮点数乘除的步骤 : 阶码加减; 尾数乘除; 格式化; 舍入处理; 检验是否溢出。
浮点乘除法的运算步骤 ：
①阶码运算：阶码求和（乘法）或阶码求差（除法） 即 [Ex+Ey]移= [Ex]移+ [Ey]补 [Ex－Ey]移= [Ex]移+ [－Ey]补
②浮点数的尾数处理：浮点数中尾数乘除法运算结果要进行舍入处理。
例题：X=0 .0110011*211，Y=0.1101101*2-10，求X※Y
解：[X]浮： 0 1 010 1100110 [Y]浮： 0 0 110 1101101
第一步：阶码相加： [Ex+Ey]移=[Ex]移+[Ey]补=1 010+1 110=1 000 1 000为移码表示的0
第二步：原码尾数相乘的结果为： 0 10101101101110
第三步：规格化处理： 已满足规格化要求，不需左规，尾数不变，阶码不变。
第四步：舍入处理： 按舍入规则，加1进行修正 所以 X※Y= 0.1010111※2+000

4、什么是指令周期?机器周期?时钟周期?三者之间关系如何？
答：时钟周期：
时钟周期也称为振荡周期，定义为时钟脉冲的倒数（可以这样来理解，时钟周期就是单片机外接晶振的倒数，例如12M的晶振，它的时间周期就是1/12 us），是计算机中最基本的、最小的时间单位。
在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。对于某种单片机，若采用了1MHZ的时钟频率，则时钟周期为1us；若采用4MHZ的时钟频率，则时钟周期为250us。由于时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲，它控制着计算机的工作节奏（使计算机的每一步都统一到它的步调上来）。显然，对同一种机型的计算机，时钟频率越高，计算机的工作速度就越快。但是，由于不同的计算机硬件电路和器件的不完全相同，所以其所需要的时钟周频率范围也不一定相同。我们学习的8051单片机的时钟范围是1.2MHz-12MHz。

在8051单片机中把一个时钟周期定义为一个节拍（用P表示），二个节拍定义为一个状态周期（用S表示）。

机器周期：
在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。例如，取指令、存储器读、存储器写等，这每一项工作称为一个基本操作。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。一般情况下，一个机器周期由若干个S周期（状态周期）组成。8051系列单片机的一个机器周期同6个S周期（状态周期）组成。前面已说过一个时钟周期定义为一个节拍（用P表示），二个节拍定义为一个状态周期（用S表示），8051单片机的机器周期由6个状态周期组成，也就是说一个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期。

指令周期：
指令周期是执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成。指令不同，所需的机器周期数也不同。对于一些简单的的单字节指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即译码执行，不再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令，例如转移指令、乘法指令，则需要两个或者两个以上的机器周期。
通常含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令。

5、在寄存器-寄存器型，寄存器-存储器型和存储器-存储器型三类指令中，哪间最长？哪类执行时间最短？为什么？
答：寄存器-寄存器型执行速度最快,存储器-存储器型执行速度最慢。因为前者操作数在寄存器中，后者操作数在存储器中，而访问一次存储器所需的时间一般比访问一次寄存器所需时间长。

6、主存和cache（高速缓存存储器）之间的映像方式有哪几种？
答：1. 直接映像
采用直接映像时，Cache的某一块只能和固定的一些主存块建立映像关系，主存的某一块只能对应一个Cache块。直接映像的优点是硬件简单、成本低；缺点是不够灵活，主存的若干块只能对应惟一的Cache块，即使Cache中还有空位，也不能利用。

2．全相联映像
采用全相联映像时，Cache的某一块可以和任一主存块建立映像关系，而主存中某一块也可以映像到(2ache中任一块位置上。由于Cache的某一块可 以和任一主存块建立映像关系，所以Cache的标记部分必须记录主存块块地址的全部信息。例如，主存分为2n块，块的地址为n位，标记也应为n位。 采用全相联映像方式时，主存地址被理解为由两部分组成：标记(主存块号)和块内地址。CPU 在访问存储器时，为了判断是否命中，主存地址的标记部分需要和Cache的所有块的标记进行比较。为了缩短比较的时间，将主存地址的标记部分和Cache 的所有块的标记同时进行比较。如果命中，则按块内地址访问Cache中的命中块(其标记与主存地址给出的标记相同)；如果未命中，则访问主存。
全相联映像的优点是灵活，Cache利用率高。缺点有两个：一是标记位数增加了(需要记录主存块块地址的全部信息)，使得Cache的电路规模变 大，成本变高；二是比较器难于设计和实现(通常采用“按内容寻址的”相联存储器)。因此，只有小容量Cache才采用这种映像方式。

3．组相联映像
组相联映像方式是介于直接映像和全相联映像之间的一种折中方案。设Cache中共有m个块，在采用组相联映像方式时，将m个Cache块分成u组(set)，每组k个块(即m=u×k)，组间直接映像，而组内全相联映像。所谓组间直接映像，是指某组中的Cache块只能与固定的一些主存块建立映像关系。

7、在设计指令系统时,通常从那四个方面考虑？
答：给指令系统确定一个统一的衡量标准是很困难的，但是在一般情况下， 指令系统应满足 以下几个基本的要求：
1.指令系统的完备性 指令系统的完备性是指在使用汇编语言编制程序时， 指令系统应提供足够丰富的指令，以便于编程时选用，即要求指令系统的指令丰富、功能齐全和使用方便。完备性是一个基本 原则，一般来说，一个完备的指令系统应包括前面提到的那几种类型的指令。
2.指令系统的有效性 有效性是指该指令系统所编制的程序能高效率的运行。
所谓高效率主要表现在执行速度快、占用存储空间小两个方面。有效性是一个很复杂的问题，它与完备性是密切相关的，一 个功能齐全的指令系统必定会有高的有效性。如目前许多计算机中增设的数据转换指令、字 符串操作指令等，这些无疑会大大提高指令系统的有效性。
3.指令系统的规整性 指令系统的规整性包括指令的对称、均匀，与数据格 式一致等特性。 指令的对称是指所有的数据存储单元（如寄存器、主存单元等）被指令系统同等对待，所有的指令都可以使用各种寻址方式；指令的均匀是指同一种操作性质的指令，可以支持各 种不同数据类型和不同字长的运算。例如，加法指令能支持不同数据类型（如定点数、浮点 数、十进制数等）和不同字长（如字节、字和双字，甚至四倍字）的运算；指令格式与数据 格式一致是指指令长度与数据长度有一定的关系，以利于存取和处理。指令长度一般取字节 的整倍数，数据长度则取字节的 1、2、4 或 8 倍不等。
4.指令系统的兼容性 不同的机器结构，指令系统不同。但同一系列的机型 则具有相同的基本结构和共同的基本指令集，故指令系统是兼容的。由于系列机中不同机型推出的时间先后不同，结构和性能 上存在着差异，不可能做到全部软件兼容。通常在高档机上可以运行低档机的软件，而在低 档机上则不一定能运行高档机的软件，因此称为“向上兼容”。

8、同步通信与异步通信区别？
答： 1.同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致，发送端发送连续的比特流；异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步，发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。
2.同步通信效率高；异步通信效率较低。
3.同步通信较复杂，双方时钟的允许误差较小；异步通信简单，双方时钟可允许一定误差。
4.同步通信可用于点对多点；异步通信只适用于点对点。

9、什么是程序的局部性原理？

10、某机有五个中断源，按中断响应的优先顺序由高到低为L0,L1,L2,L3,L4，现要求优先顺序改为L3,L2,L4,L0,L1，写出各中断源的屏蔽字。
答：