第七十三天学习记录：计算机硬件技术基础：微型计算机基础

一、微型计算机的组成：

微型计算机由硬件和软件两大部分组成，硬件是指构成微型计算机的物理实体或物理装置，包括微型计算机的微处理器、储存器、总线接口电路和外部设备，以及电源和机械构件等。软件是指微型计算机所使用的各种程序的集合。

硬件基本组成：

1、用于存储程序和数据的存储器；
2、负责读取指令、解释指令并执行指令的控制器；
3、起算术和逻辑运算作用的运算器；
4、承担程序和数据输入输出任务的输入输出设备。

其中，运算器和控制器合称为中央处理器或中央处理单元（Central Processing Unit,CPU）。微型计算机的中央处理器由于体积微小而称为微处理器。
（1）、存储器
存储器是计算机中存储程序和数据的部件。计算机的存储器分为两大部分，一部分为内部存储器或主存储器，简称内存或主存；另一部分为外部存储器或辅助存储器，简称外存或辅存。
存储器由一个个存储单元构成，每个存储单元可存放8位即一个字节二进制信息。微型计算机通过给每个存储单元规定不同的地址来管理存储器。CPU要访问（读/写）某个存储单元时，先输出这个存储单元地址找到这个存储单元，然后再对其进行读/写操作。（指针&指针所指的内容）
半导体存储器：
微型计算机的内存通常采用半导体随机存储器（RAM，Random Access Memory）和半导体只读存储器（ROM，Read Only Memory）构成。
RAM可以随机存取，RAM又分为动态DRAM和静态（SRAM）两种。DRAM的存储内容需要周期性（如每隔2ms）刷新，否则存储内容将丢失。SRAM的存储内容只要供电正常就不会丢失。SRAM存取速度较快，一般用于做高速缓冲储存器和小容量内存系统。
RAM主要用于存储临时使用的程序和数据，如存储当前正在执行的用户程序，作I/O数据缓冲（显示、打印数据）等。
ROM的存储内容是芯片生产厂家写入的，只能读取，不能改写。如存储系统的基本输入/输出程序（BIOS）和常用数据等。
可编程只读存储器（PROM）：存储内容可根据用户需求由厂家写入（即编程）；
可擦除可编程只读存储器。
磁记录存储器
问：磁记录存储器就是机械硬盘吗？
答：是的，磁记录存储器就是机械硬盘，也称为硬盘驱动器 (HDD)。机械硬盘使用了传统的磁盘储存技术，在旋转的盘片上写入数据，并通过移动的读写头来访问数据。因此，机械硬盘需要时间来旋转到适当位置并移动读/写头进行读取和写入操作，速度相对比较慢，并且有一些机械部件可能会导致机械故障。
现在电脑硬盘使用的主要是固态硬盘（SSD），而不是传统的机械硬盘（HDD）。固态硬盘和机械硬盘有很多区别，其中最显著的两个区别体现在存储方式和读写速度上。

机械硬盘使用了磁场原理将数据存储在旋转的磁盘表面上，通过移动读写头来读写数据。因此机械硬盘需要等待磁盘马达旋转到需要读取的位置才能进行读取操作。由于机械硬盘存在时间开销，读写速度远低于固态硬盘。

而固态硬盘则使用闪存 NAND 存储技术进行数据存储。就像 USB 存储器一样，闪存存储着许多独立的、等长的 memory block，在这些 block 上进行数据的增删改查。固态硬件可以迅速获取访问每个块的基址，采用内存直接访问的方式准确快速地处理每个块的读写命令。因此相比机械硬盘，固态硬盘拥有更高的随机读写速度和 IOPS 绩效，提高了整个系统的运行效率。

此外，固态硬盘还具有更高的噪音低功耗、轻便靠谱等优势，并且比机械硬盘不太容易出现物理损坏。但是固态硬盘的成本较高，在容量方面也相对有限。
（2）、微处理器
微处理器是微型计算机的运算和控制指挥中心。主要由运算器、控制器和寄存器阵列3个主要部件组成。

1、运算器
运算器是执行算术运算和逻辑运算的部件，由累加器（ACC）、暂存器（TMP）、算术逻辑单元（ALU）标志寄存器（FR）和一些逻辑电路组成。
2、控制器
控制器是指令执行部件，包括取指令、分析指令（指令译码）和执行指令，由指令寄存器（IR）、指令译码器（ID）和定时控制电路（Timing and Control）等组成。
3、寄存器阵列
在微处理器内部的寄存器阵列中，主要包含两类寄存器，一是通用寄存器，用途可以由用户确定，实质上是微处理内部的RAM；二是一些固定的专用寄存器，如程序计数器，堆栈指示器。
程序计数器（PC）：用于存放下一条要执行的指令在存储器中存放的地址。
堆栈指示器（SP）：（堆栈指针）用于存放堆栈栈顶地址。
堆栈是一块设在内存中按先进后出原则组织的存储区域，用于存放数据。数据存入栈区成为压入（PUSH），从栈区中取出数据称为弹出（POP）。SP用于栈区自动管理，微处理器按SP的指示进行堆栈压/弹操作。
栈区的编址有向下增长型和向上增长型两种。向下增长型堆栈，数据被压入栈区后，SP自动减量，向上浮动指示新的栈顶；数据弹出栈区后，SP自动增量，向下浮动指示新的栈顶。向上增长型堆栈则相反。无论是压入还是弹出，每一次堆栈操作总是在栈顶进行，因此，最先压入堆栈的数据最后才被弹出。

软件组成：

计算机的软件包含系统软件和应用软件两部分。

二、微型计算机的硬件结构

微型计算机的硬件结构

微型计算机在硬件上普遍采用总线结构，所谓总线，就是一组用于传输信息的信号线，连在总线上的所有部件均能使用的公共线路，但使用时必须是分时的。按传输信息方向，总线分为只能单方向传输信息的单向总线和可以双向传输信息的双向总线。按传输信息类别，总线分为传输数据信息的数据总线（DB）、传输地址信息的地址总线（AB）和传输控制信息的控制总线（CB）

问：现代计算机还是使用的总线结构吗？
答：是的，现代计算机仍然使用总线结构来连接其内部各个组件。
计算机内部各个组件（如 CPU、内存、I/O 设备、硬盘驱动器等）之间需要相互通信和传输数据和控制信息。因此，计算机需要一种有效的方式来管理这些信息的流动。在计算机中，总线是用于连接这些组件并传递控制、地址、数据等信号的共享路径。通过在总线上发送不同类型的信号，计算机内部各个组件就可以进行通信和交互。
尽管总线结构在现代计算机系统中得到了广泛应用，但它已经发展出多种变体以满足不同应用场景的需求。例如，现代计算机系统中常用的总线包括前端总线 (FSB)、高速串行接口 (HSI)、周围组件互连 (PCI) 等等。同时，随着科技的不断进步，人们正在开发新型的基准架构，如面向服务的架构 (SOA) 和消息总线 (MB)，以实现更加高效和灵活的计算机系统。
因为数据传输是双向的（微处理器与存储器或外设之间），故DB是双向总线。8位DB一次传输1个字节的数据信息。
因为地址信息总是由微处理器（或其他总线控制器）发出，寻址存储器或外设，故AB为指向存储器或外设的单向总线。
CB控制总线的各位在系统中起着各自不同的作用，大部分是单向的，指向存储器或外设，只有少数控制信号线是双向的。
问：现在还在用面向存储器的双总线结构微型计算机吗？
答：面向存储器的双总线结构是早期微型计算机的一种设计方案，它包含了两个总线：一个地址总线和一个数据总线。地址总线用于传输内存地址信息，数据总线用于传输数据。在这种设计中，CPU 和访问内存的各种设备都直接连到这些总线上。
随着时间的推移和技术的发展，现代的计算机架构已经发生了巨大的变化，这种双总线结构已经很少使用。现在通常使用更现代的 CPU 架构和计算机总线结构，如前端总线 (FSB)、周边组件互连 (PCI) 等等。这些总线结构提供了更高的数据传输速度和更好的可靠性，可以支持更多的设备和更强的计算能力。
所以可以说，目前面向存储器的双总线结构微型计算机已经很少使用了，而更加先进的计算机架构和总线结构得到了广泛应用。

三、微型计算机中的先进计算机技术

中断技术

微处理器暂停（或称为挂起）正在执行的程序转去处理随机事件，随机事件处理完毕后，再恢复执行原来程序的过程称为中断。
产生中断请求的设备被称为中断源。按照中断源产生的位置，中断被分为外部中断和内部中断。

流水线技术

流水线（pipeline）技术是一种将一条指令的执行过程分解为多个步骤，并让几条指令的不同操作步骤在时间上重叠，从而实现几条指令并行处理，提高程序运行速度的技术。
流水线技术是通过增加硬件电路来实现的。
流水线技术是一种常用的计算机架构技术，它把一些较为复杂的指令分成若干部分，从而使得每个部分可以并行处理，提高CPU的执行效率。
流水线技术的基本思想是：把指令的执行过程分为若干个阶段，每个阶段采用不同的电路单元来完成，不同阶段工作不同的单元可以同时进行，各个阶段之间形成一条流水线（Pipeline），使得每个时钟周期能够完成一个或多个指令的某个阶段，从而可以提高指令的执行速度。
流水线技术可以使CPU的各个部件在一个时钟周期内同时工作，从而加快指令执行的效率，同时也可以提高CPU的吞吐量。由于流水线技术可以充分利用硬件资源，因此在现代计算机架构中得到了广泛的应用，包括CPU、GPU等计算设备。
然而，流水线技术也存在一些缺陷，比如分支预测问题、数据冒险等问题，这些问题可能会导致流水线中的指令结构停顿或者流水线的重组，从而影响指令执行的效率。因此，在设计流水线架构时需要充分考虑这些问题，以提高流水线的执行效率和可靠性。

乱序执行技术

乱序执行技术就是允许把指令按照不同于程序中指定的顺序发送给执行部件，从而加速程序执行过程的一种技术。它本质上是按数据流驱动原理工作，根据操作数是否准备好来决定一条指令是否立即执行，不能立即执行的指令先搁置一边，把能立即执行的后续指令提前执行。
乱序执行是一种常用的指令并行技术，在处理器中广泛应用。与传统的按照程序顺序执行的顺序执行模式不同，乱序执行使用了指令级并行的思想，将顺序的程序指令，转化为一系列可以在处理器中乱序执行、并行处理的微操作。
乱序执行的原理是，当处理器执行指令时，会将指令划分为多个微操作，并将微操作插入乱序执行缓存。当处理器检测到一组微操作的依赖关系已经满足（即该组微操作所依赖的寄存器和内存数据都已经准备好），就会开始执行这组微操作，并把它们在处理器中乱序执行，从而最大限度地提高处理器的利用率和执行效率。
具体来说，乱序执行技术能够允许处理器在执行某些指令时，能够根据一些条件和配合一些控制流技术来动态地选择指令的执行顺序，这样能够避免指令执行时的冲突，减少处理器内部的延迟，从而提高程序的整体性能。
然而，乱序执行技术也带来了一些问题，例如指令重排序和数据依赖的负面影响。指令的重排序可能会使得程序的行为出现不可预期的情况，数据依赖可能会使得某些指令的执行延迟过长，从而降低整体的执行效率。因此，在采用乱序执行技术的时候，需要采取合适的措施来避免这些问题。

推测执行技术

其核心是微处理器在取指阶段，能预先执行并判断所取指令的下一条指令最有可能的位置。
推测执行技术是一种计算机处理器的指令并行执行技术，可以在一定程度上提高程序的执行效率。推测执行将程序的控制流分为两部分：正常执行路径和预测执行路径，正常执行路径是程序的默认执行路径，预测执行路径是处理器在无法确定正常执行路径的情况下，根据历史执行记录和启发式算法猜测的执行路径。
具体来说，当处理器执行一条判断语句时，比如if语句或者循环语句，如果处理器无法确定执行路径，就会采用推测执行技术，在处理器中并发处理两条或多条执行路径，一条是默认的正常执行路径，另一条或其他路径则是推测执行路径，处理器会预测哪条分支路径是最可能执行的通向正确路径，并尽可能将程序对这条分支的指令提前加载到流水线中等待执行。如果推测路径预测错误，处理器会回滚到正确路径重新执行，从而避免了浪费资源的情况，提高了执行效率。
推测执行技术的应用可以在一定程度上提高程序的执行效率，使得计算机处理器能够在同一时钟周期内执行更多的指令。然而，这种技术也可能会造成一些不可预期的影响，如数据依赖性、指令延迟等问题，因此需要根据程序的实际情况和处理器的性能特性进行考虑，并采取合适的措施来避免这些问题的影响。

高速缓冲存储器技术

在32位以上微机中，为了加快处理速度，在CPU与主存储器之间增设了一级或两级高速小容量存储器，称之为高速缓冲存储器（cache）。高速缓冲存储器在存取速度比主存要快一个数量级，大体与CPU的速度相当。
高速缓存存储器（Cache Memory）是计算机系统中的一种高速缓存，用于存储最近被访问的数据和指令。它通过缩短内存访问时间、提高访问效率，从而提高了计算机的性能。

高速缓存存储器能够实现快速访问数据的原因在于其基本优化原理——时空局部性原理。时空局部性原理是指程序在访问内存时，会对一段数据反复读写，并且一段时间内会访问同一个数据的不同部分，即访问时具有相对的空间和顺序上的局部性。而高速缓存存储器在设计上考虑了这种局部性，将电脑中通常会访问的数据和指令缓存在靠近处理器的快速缓存存储器中，从而能够更快地读取数据和指令，减少内存访问带来的延迟。

高速缓存存储器主要包括以下几种技术：

1. 两级缓存：现在大多数计算机都采用两级高速缓存，一级缓存位于处理器内部，速度极快，容量较小，用于存储最高频繁使用的数据和指令。二级缓存通常位于处理器和内存之间，速度较慢，容量较大，用于存储频繁访问的数据和指令。

2. 块缓存：块缓存（也称为页缓存）是一种高速缓存存储器，能够将一部分连续的内存数据缓存到连续的高速缓存中。块缓存的思想类似于虚拟内存，可以减少内存访问带来的延迟。

3. 直接映射缓存：直接映射缓存是一种常见的高速缓存结构，它通过将主存地址划分为一系列组以及每组内的若干块来实现缓存存储。每个主存块只能缓存在高速缓存中的一个特定位置，提高了缓存的速度，但存在缓存命中率低的问题。

4. 全相联缓存：全相联缓存是一种高速缓存结构，它通过将主存地址均分为若干块，并以它们在高速缓存中的任意位置存储来实现缓存存储，大大提高了缓存的命中率和效率。

总之，高速缓存存储器是提高计算机性能的一种重要技术，不同的高速缓存存储器技术可以实现不同的性能优化目标。

虚拟存储器技术

虚拟存储器是指一种计算机内存管理技术，能够让程序使用的内存空间比物理内存空间更大，扩展了程序的内存访问空间，从而提高计算机的运行效率和运行能力。虚拟存储器技术的实现需要操作系统的支持，并且在操作系统中实现了一些关键的内存管理功能。

虚拟存储器技术的基本原理是在程序和物理内存之间引入一个中间层，即虚拟内存。虚拟内存将程序使用的内存空间划分成若干个页面（Page），每个页面有一个唯一的虚拟地址和对应的物理地址。当程序在访问内存时，首先访问虚拟地址，操作系统会判断这个虚拟地址是否被缓存到物理内存中，如果已经被缓存，则直接返回对应的物理地址；否则，操作系统会将缺失的页面从磁盘中读入物理内存，并更新虚拟地址和物理地址的映射关系，再返回物理地址。

虚拟存储器技术实现了一些重要功能，包括：

1. 内存管理：虚拟存储器为应用程序提供了一个可以访问的大内存空间，而不必关心物理内存的实际情况。

2. 共享：多个应用程序可以共享同一页面，这样可以提高系统的内存利用率和性能。

3. 保护：操作系统可以通过在虚拟地址和物理地址之间设置权限位，保护特定内存区域，预防异常访问崩溃。

4. 调度和预取：操作系统可以通过虚拟存储器预取技术，预测未来需要访问的页面并提前将其缓存到物理内存中，从而提高应用程序的性能。

总的来说，虚拟存储器技术是计算机系统中重要的内存管理技术，扩展了计算机程序的访存空间，提高了计算机系统的运行效率和运行能力。

四、微型计算机的主要性能指标

1.字长
2.存储器容量
3.运算速度
4.外设扩展能力
5.软件配置

习题：

（1）、微型计算机硬件由哪几个部分构成？它们各自起什么作用？
微型计算机硬件通常包括如下几个部分：

1. 中央处理器（CPU）：作为微型计算机的“大脑”，负责执行各种计算操作和控制指令。CPU的主要组成部分包括控制器、运算器、寄存器等。
2. 内存（RAM）：用于存储正在使用的程序和数据，是CPU进行数据读写的主要场所。
3. 存储器（硬盘、固态硬盘等）：用于长期存储程序和数据，可读写速度相对较慢，但具有较大的存储容量。
4. 输入设备（鼠标、键盘、摄像头等）：用于向计算机输入信息。
5. 输出设备（显示器、音响等）：用于将计算机处理后的结果输出。
6. 扩展设备（显卡、声卡、网卡等）：用于提升计算机的性能和功能，例如显卡可以提升图形处理性能，声卡可以提升音频效果，网卡可以连接网络等。
   这些部分共同构成了一个完整的微型计算机系统，并协同工作以执行各项计算任务。

（2）、微型计算机软件由哪两大类组成？各自的作用是什么？
微型计算机软件通常分为两大类：

1. 系统软件：安装在计算机系统上，用于控制计算机硬件和提供操作系统服务，例如Windows、Linux等操作系统，驱动程序和一些系统服务程序等。系统软件通常是计算机系统运行的基础，它协同硬件来完成各个任务。
2. 应用软件：安装在操作系统之上，用于满足用户特定的应用需求，例如浏览器、办公软件、视频编辑软件、游戏等。应用软件可以让用户完成各种不同的任务，满足用户的不同需求。
   系统软件和应用软件的区别在于其功能和使用方式，系统软件基本上是必不可少的，因为没有操作系统的存在，应用软件是无法使用的。而应用软件则是根据用户的需求进行开发和安装的，它可以在基础上增加各种新的功能，满足用户对各种软件的需要。
   总的来说，系统软件和应用软件是组成微型计算机软件的两大基石，系统软件提供基本的计算机能力，应用软件则让计算机发挥更多的功能。

（3）、典型的微处理器是由哪几部分组成？各部分的主要功能是什么？
典型的微处理器由以下部分组成：

1. 控制部分：控制部分又称为指令控制部分，主要功能是对内部指令的解析和流程控制。它是微处理器中的核心部分，能够解析处理器指令并且按照指令的要求执行相应的操作。
2. 运算部分：运算部分又称为计算单元，主要负责对运算数据的处理，包括整数运算、浮点数运算、逻辑运算、位运算等。它通常包括一个算术逻辑单元（ALU）和一个浮点数运算单元（FPU）。
3. 数据缓存：数据缓存是微处理器内部的高速存储器，用于存储指令和数据的快速访问，降低访问主存的延迟和提高性能。
4. 寄存器组：寄存器组是微处理器内部的一组小型存储器，用于存储临时数据、地址、指令计数器等。其中，通用寄存器用于存储中间结果和操作数据，特殊寄存器则用于存储程序计数器、状态寄存器等。
5. 总线接口：微处理器通过总线接口与系统其他部分进行通信，包括与内存、输入输出设备、扩展总线、控制器等进行数据和控制信息的交换。
   这些部分共同构成了一个完整的微处理器，并且协同工作以执行各个具体的计算任务。其中，控制部分、运算部分以及数据缓存等组成了CPU的核心，寄存器组和总线接口等则是为CPU提供完整的运算环境所必需的。

（4）、程序计数器PC的作用是什么？一般情况下，PC内容如何变化？改变PC的内容意味着什么？
程序计数器（PC）是一种特殊的寄存器，存储了CPU即将要执行的下一条指令的地址。在CPU执行指令时，会按照程序计数器中存储的指令地址，从内存中读取下一条要执行的指令。当一条指令执行完成后，程序计数器的值会自动递增，将指令地址指向下一条指令的位置，CPU再继续读取下一条要执行的指令。
程序计数器的内容在CPU执行过程中会不断变化，它始终指向CPU即将要执行的下一条指令的地址。例如，在程序的执行过程中，会有很多分支语句和函数调用语句，这时候程序计数器的内容就会改变，指向对应的分支目标或函数入口。
改变程序计数器的内容意味着CPU下一次执行的指令不同，可能会执行另一个函数、跳转到另一个分支代码段或者执行其他的操作。这在编写程序时非常重要，可以通过改变程序计数器的值来实现程序控制流的转移。例如，通过条件判断，程序可以选择跳转至不同的代码段，实现分支的功能。程序计数器的正确变化，可以确保程序的正确性、有效性和高效性。

（5）、设SP=2000H，栈区编址为向下增长型，8个字节数据压入堆栈后，SP=？弹出4个字节数据后，SP=？
在栈区编址为向下增长型时，压入堆栈会使栈指针减小，弹出堆栈会使栈指针增加。假设栈指针的初始值为SP=2000H。
8个字节数据压入堆栈后，栈指针SP将减小8个单位长度，即SP=2000H-8H=1FF8H。
弹出4个字节数据后，栈指针SP将增加4个单位长度，即SP=1FF8H+4H=1FFCH。

（6）、评价微型计算机性能的主要指标有哪些？
评价微型计算机性能的主要指标包括以下几个方面：
1.主频/时钟频率：计算机主频表示单个处理器内部时钟产生的脉冲数量，表示计算机数据处理的速度。
2.存储器大小和速度：存储器大小决定了计算机能够同时处理的数据量，而存储器速度则决定了CPU从存储器中读取和写入数据的速度。
3.硬盘容量和读写速度：硬盘容量决定了计算机能够存储的数据量，而硬盘的读写速度则决定了计算机读取和写入数据的速度。
4.缓存大小：缓存是一种高速存储器，位于CPU和主存之间，它能够缓存CPU经常使用的数据和指令，从而提高计算机的运行速度。
5.指令集和微处理器结构：指令集的复杂程度和微处理器结构的设计都会影响计算机的性能，通常来说，指令集越复杂，计算机执行指令的速度越快，而微处理器的结构设计则会影响指令并行执行的能力。
除了以上列举的指标，还有其他的一些指标，如缓存速度、总线速度、显卡性能等，都会对计算机性能产生影响。不同的应用场景对计算机的性能需求也不同，因此在评价计算机性能时需要根据具体情况考虑多个方面的指标。

（7）、采用总线结构的优点是什么？
采用总线结构的优点如下：
1.支持模块化设计：总线结构可以支持模块化设计，不同的模块可以通过总线连接起来，构成一个完整的计算系统。这种设计方案便于模块化设计和扩展，允许不同的设备和模块在相同的总线上进行通信。
2.高度集成：采用总线结构可以实现高度集成的组件相互连接，例如CPU、存储器和输入输出设备可以高速地互相交换数据。
3.降低成本：采用总线结构可以大大降低系统成本，因为很多设备可以通过总线连接，减少了硬件的数量和成本。
4.分布式系统：采用总线结构可以方便构建分布式系统，由于总线的灵活性，不同的处理器和外部设备可以方便地相互通信，实现任务的分配和处理。
5.可扩展性：总线结构具有良好的可扩展性，因为总线上的设备不仅可以与其他设备进行相互通信，还可以与其他总线连接，扩展系统的能力。
6. 简化系统结构：总线结构可以简化系统结构，降低了开发难度，提高了系统可靠性。
因此，采用总线结构具有诸多优点，可以提高计算机系统的性能和可扩展性，同时降低系统成本和开发难度。

（8）、为什么地址总线是单向的，而数据总线是双向的？
地址总线是单向传输的，意味着数据只能从CPU通过地址总线传输到外设，而不能反向传输。数据总线是双向的，可以在CPU和外设之间双向传输数据。这是因为地址总线和数据总线在计算机系统中扮演不同的角色，其设计原理具有以下几个方面的考虑：
1.方向控制：地址总线传输的数据是控制CPU与外设读写数据的地址，只需要单向传递地址信息即可。而数据总线传输的是实际的数据，需要双向传输，因此需要进行方向控制，以保证数据正确传输。
2.防止数据污染：如果地址和数据公用一条总线并采用双向传输，那么就可能会发生数据污染，导致数据的错误传输或损坏。因此，在数据传输上应该采用一条传输方向，否则可能会导致数据与地址信号的互相干扰，并影响系统的稳定性。
3.降低成本：使用单向地址总线和双向数据总线可以降低总线的复杂度和成本，并减少系统的开销。采用多条单向线来组成总线结构，比采用双向线更加可靠，并且能够降低系统造价。
因此，采用单向地址总线和双向数据总线的原因在于实现更加灵活和可靠的通信方式，避免数据出错和提高系统性能。

（9）、单总线结构、计算机各自的特点是什么？
单总线结构和计算机各自的特点如下：

1. 单总线结构
   单总线结构是一种较为简单的总线结构，主要由一条总线连接计算机的各个部件。单总线结构的特点是总线简单清晰，易于实现、节省成本、降低系统硬件实现难度、不易出现通信故障。但是，单总线结构的缺点也很明显，由于所有设备都共享一条总线，设备之间的并发性和数据传输速度很难提高。
2. 计算机各自的特点
   计算机的性能和能力会受到其使用的硬件、软件和外设的影响，不同的计算机具有不同的特点。一般来说，高端计算机的主频较高、内存和硬盘大、运算速度快、并发处理能力强等，一般用于复杂的科学计算、机器学习等需要大量算力的应用中。而低端计算机主要用于文字处理、办公等应用，主频和内存等硬件性能较低，但价格相对便宜，性价比较高。
   总之，单总线结构的主要优点是简单清晰，硬件成本相对较低，适用于对设备的并发性和数据传输速度要求不高的应用。而不同的计算机具有不同的特点，需要根据具体的应用场景来选择适合的计算机。

（10）、按传输信息的类别总线可分为哪几类？各类总线有什么作用？
按传输信息的类别总线可分为以下几类：
数据总线：用于在计算机内部传输数据的总线，数据总线是计算机内部最主要的传输通道之一。它的作用是连接CPU和内存，从内存读取数据或将数据写入内存。
地址总线：也是用于在计算机内部传输信息的总线，它负责从CPU到内存传输地址信息，以读取或写入数据。地址总线的位数决定了计算机的寻址能力，即计算机可以寻址的内存单元数量。位数越高，寻址能力越强。
控制总线：用于传输控制信息的总线，主要用于控制CPU和外设之间的数据传输和通信操作。控制总线是计算机内部控制信息传输的基础，它能够使CPU和不同的外设之间进行有序的通信。
这些总线的作用及用途如下：
数据总线用于在CPU和内存之间传输数据，承担了CPU与内存数据传输的主要责任，并且也可用于处理器和外设间传输数据。它的位数决定了图像和音频数据传输的质量和速度。
地址总线用于从CPU到内存传输地址信息，以确定读取或写入数据的存储区域。它的位数决定了计算机可寻址的内存空间大小。
控制总线用于在CPU和其他设备之间传输控制信息，以控制数据的传输、处理和指令执行等操作，保证整个计算机系统运行稳定和正常，控制总线是CPU控制系统的重要组成部分。
总之，这些总线都是计算机系统中重要的传输通道，它们相互配合、相互协作，保证了计算机系统的正常运行，同时也使得计算机系统在数据处理能力、寻址能力、传输速度和控制能力等方面不断进步和提高。

（11）、试说明地址总线位数与主存容量的关系，拥有20位地址总线的微处理器，其主存寻址范围为多少？
地址总线的位数决定了计算机可寻址的内存空间大小。由于每个内存单元有一个地址，可以用二进制数字表示。如果地址总线的位数为n，则可以寻址2^n个内存单元。因此，地址总线位数与主存容量之间的关系如下：
主存容量 = 2^地址总线位数
例如，如果一个微处理器有20位地址总线，则可以寻址2^20 = 1,048,576个内存单元。假设每个内存单元的容量为1字节，则该微处理器可以访问1,048,576个字节的主存空间，即1MB的主存容量。这是因为20位地址总线共有2的20次方个地址，每个地址指向一个字节，所以共有2的20次方个字节，即1MB的地址空间。
需要注意的是，地址总线位数与主存容量之间不存在一一对应的关系。主存容量不仅受地址总线位数的影响，还受到其他因素的影响，例如内存芯片的容量和数量、内存控制器的性能等。因此，仅根据地址总线位数无法准确判断微处理器的主存容量。

（12）、存储器系统由哪几部分组成，各部分的作用是什么？
存储器系统是计算机中非常重要的组成部分，通常由以下几个部分组成：

1. 主存储器（Main Memory）：主存储器是计算机中最常用的存储器，主要用于存储程序和数据，它的特点是存取速度较快但容量有限。主存储器可以分为随机存储器（RAM）和只读存储器（ROM）两种类型，常用的主存储器包括动态随机存储器（DRAM）和静态随机存储器（SRAM）等。
2. 辅助存储器（Secondary Memory）：辅助存储器也叫外部存储器，是指容量较大、存取速度较慢的存储设备，如硬盘、光盘、闪存等。辅助存储器一般用于长期保存数据和程序，其中的数据和程序需要时才会被调入主存储器中。
3. 高速缓存（Cache）：高速缓存是一种特殊的存储器，它位于主存储器和处理器之间，用于缓存处理器频繁访问的数据和指令。由于高速缓存的访问速度比主存储器快，可以提高计算机的运行速度。
4. 存储控制器（Memory Controller）：存储控制器是计算机内部连接主存储器和处理器之间的桥梁，它控制着数据和指令在主存储器和处理器之间的传输和保存。存储控制器负责处理存储器的地址、数据操作和时序控制等，是主存储器和CPU之间通信的关键。
   存储器系统的作用是为计算机提供数据和程序存储的功能，数据和程序通常是先从辅助存储器中读取到主存储器中，然后再由主存储器传输到处理器中进行处理。而高速缓存则可以提高计算机处理速度，减少主存储器和处理器之间的数据交换次数。存储控制器则是在保证计算机系统稳定运行的基础上，为主存储器和CPU之间的通信提供必要的管理和控制。这些部分相互协作，在计算机系统中发挥着至关重要的作用。

（13）、常用半导体存储器有几类？它们各自的特征是什么？
常用的半导体存储器可以分为以下几类：

1. 静态随机存储器（SRAM）：SRAM是一种读写速度很快的存储器，通常用于高速缓存等需要快速访问的场合。SRAM的特点是容易实现、耗电量低、适应高频率的能力强，但成本较高。SRAM常用于存储一些频繁访问、但容量较小的数据，如内部寄存器等。
2. 动态随机存储器（DRAM）：DRAM是一种容量较大、成本较低的存储器，主要用于计算机的主存储器。DRAM的特点是容量大、价格实惠，但它的读写速度相对较慢，需要定期刷新来保持存储数据的稳定性。
3. 只读存储器（ROM）：ROM是一种只能读取而不能写入数据的存储器，它通常用于存储程序、字形、启动程序等不能被改变的数据。ROM的特点是数据无法被更改，具有较高的安全性，但是存储的数据不能被修改或删除。
4. 闪存存储器：闪存存储器是一种非易失性存储器，常用于存储照片、音乐、视频等需要长时间保存的数据。闪存存储器的特点是存储密度高、耗电量少、体积小、抗震抗摔能力较强，但是读写速度很慢。
5. EEPROM存储器：EEPROM存储器是一种可擦写可编程只读存储器，具有随机读取、随机写入的特点。EEPROM存储器的特点是具有非易失性、可反复擦写、存储密度较高，但是速度较慢，同时具有寿命较长和抗辐射性等优点。
   总之，不同类型的半导体存储器各有其特点，根据应用和所需性能来选择合适的存储器类型，以满足不同的需求。

（14）、试说明在微型计算机中引入中断技术的优点。
在微型计算机中引入中断技术具有以下优点：

1. 提高系统响应速度：引入中断后，计算机可以立即响应外部事件，包括外部设备请求服务、数据传输和处理等，在这些情况下可以立即中断正在执行的程序，进行其他工作，处理完事件后再回到原来的程序，这可大大提高系统响应速度。
2. 降低CPU的负担：引入中断后，外部事件触发后操作系统可以暂停正在执行的程序，转而执行处理该事件的中断处理程序。这样可以降低CPU的负担，使其专注于系统关键操作，减少系统运行时的错误和故障，提高计算机系统的稳定性。
3. 实现多任务执行：中断技术可以让计算机实现多任务执行，即在计算机执行一个程序的同时，可以响应另一个程序或设备的请求。这可以使得计算机系统同时执行多个任务，提高系统效率和利用率。
4. 提高系统灵活性：引入中断技术可以增加系统的扩展性和灵活性，可以很容易地将新的设备和功能加入到计算机系统中，支持更多的外围设备连接，同时方便用户对系统的管理和控制。
5. 简化程序设计：使用中断技术可以简化程序设计，使程序代码更加模块化、可维护性更高。因为中断处理程序是由操作系统维护，应用程序不需要自己去考虑如何响应外部事件，从而避免了程序逻辑复杂、难以维护的问题。
   综上所述，引入中断技术在微型计算机中具有很多优点，提高了系统响应速度、降低了CPU负担、实现了多任务执行、提高了系统的灵活性和简化了程序设计等。这些优点在现代计算机应用中得到了广泛的应用，成为了计算机系统中重要的组成部分。

（15）、微处理器中采用流水线技术后，每条指令的执行时间是否缩短了？为什么？
采用流水线技术后，每条指令的执行时间确实可以缩短。这是因为流水线技术能够同时处理多个指令的不同阶段，将指令的处理过程分为多个步骤，多个指令在同一时间被处理，从而提高了处理速度。
在流水线技术中，处理器会将指令处理过程分为多个阶段，例如取指令、译码、执行等。每个阶段独立处理，同时流水线提供了并行和异步的处理机制，使处理器可以在同一时间处理多个指令的不同阶段。这样，当一个指令的前一阶段处理结束时，它的下一个阶段就可以立即进入处理。在多条指令同时处理过程中，每条指令占用的时间相对减少，指令的处理速度也相应加快。
因此，采用流水线技术后，处理器的每条指令的处理时间会相应缩短，从而提高了计算机系统的运行效率。不过，流水线技术也存在一些问题，例如流水线停滞、数据相关等问题，需要采用一些技术手段进行优化和改善。

（16）、在微机中采用高速缓冲存储器技术和虚拟存储器技术的目的是什么？
微机中采用高速缓冲存储器技术和虚拟存储器技术的主要目的是提高计算机系统的运行效率和性能。
高速缓存存储器技术可以提高计算机系统访问时间的速度，将经常使用的程序和数据缓存到高速缓存存储器中，这样CPU在运算时能够快速访问到这些数据，从而加快计算机系统的响应速度。举个例子，高速缓存存储器可以缓存应用程序的常用指令、数据以及操作系统的常用功能等，以缩短访问这些数据和操作的时间，从而提高计算机系统的运行效率。
而虚拟存储器技术则可以扩大计算机系统的运行空间，让计算机可以处理更大的程序或文件。虚拟存储器技术将内存空间和硬盘空间结合起来，当内存中没有足够空间执行程序时，操作系统会将暂时不使用的数据和程序存储到硬盘上，从而释放出内存空间给正在运行的程序。这样，计算机可以通过调整硬盘和内存之间的数据交换来实现更大的运行空间，从而提高了计算机系统的运行效率。
综上所述，使用高速缓存存储器技术和虚拟存储器技术的目的是为了提高计算机系统的运行效率和扩大计算机系统的运行空间，以满足计算机应用程序和数据处理的要求，同时也增加了系统的稳定性和可靠性。

（17）、常用的输入设备有几种？作用如何？
常见的输入设备有以下几种：

1. 键盘：键盘是一种常见的输入设备，用于输入文本、命令和操作等信息。通过键盘，用户可以输入英文字母、符号、数字等，同时还可以使用一些热键或组合键来进行复杂的操作。键盘广泛应用于PC、笔记本电脑、手机等设备。
2. 鼠标：鼠标是一种常见的指针式输入设备，通过鼠标可以控制光标在计算机屏幕上的移动和位置定位。鼠标广泛用于计算机图形界面的交互操作，用户可以使用鼠标单击、双击、右击等手势来操作计算机上的软件应用等。
3. 触摸屏：触摸屏是一种通过手指触屏来输入信息的设备，它能够识别手指在屏幕上的操作，用于控制界面、输入文字、选择功能等操作。触摸屏广泛应用于手机、平板电脑、智能电视等设备，并逐渐替代传统的按钮和键盘的输入方式。
4. 扫描仪：扫描仪是一种输入图像和文字信息的设备，它能够将纸质文档扫描成电子文件，存储在计算机中。扫描仪广泛应用于文档管理、归档、数字化等领域。
5. 数字板：数字板是一种专门用于绘图和写字的输入设备，它可以记录笔迹的轨迹，将手写输入转化为数字数据，存储在计算机中，广泛应用于绘图、涂鸦、签字等领域。
6. 语音识别器：语音识别器是一种能够识别人类语音输入的设备，它能够将人类的语言转化为计算机可识别的指令或文字输入。语音识别器广泛应用于智能家居、车载娱乐、语音助手等领域。
   综上所述，不同的输入设备适用于不同的场合和需求，它们可以极大地方便人们对计算机进行操作和管理，提高计算机的工作效率和便捷程度。

（18）、常用的输出设备有几种？作用如何？
常见的输出设备有以下几种：

1. 显示器：显示器是一种用于显示计算机图像的设备，它能够将计算机输出的图像显示在屏幕上，用户可以通过显示器观察计算机图像、文字、视频等信息。显示器广泛用于PC、笔记本电脑、手机、平板电脑等设备中。
2. 打印机：打印机是一种输出文件或图像的设备，它能够将计算机文件输出成纸质文档或标签，用户可以通过打印机进行文档打印、报表输出等操作。打印机广泛用于办公室、教育机构等领域。
3. 音响设备：音响设备是一种输出声音的设备，它能够将计算机输出的音频信息转化为声音，并通过扬声器、耳机等设备进行播放。音响设备广泛用于计算机音乐播放、视频观看等领域。
4. 投影机：投影机是一种将计算机图像投影到大屏幕上的设备，它能够将计算机输出的图像放大投影，供讲演、演讲、演示等使用。投影机广泛用于教学、商务会议、演出等场合。
5. LED显示屏：LED显示屏是一种大型的显示设备，它能够将计算机输出的视频、动态图像等内容显示在大型LED屏幕上，供大型活动、演出、广告等场合使用。LED显示屏广泛用于体育场馆、音乐会、汽车展示等领域。
   综上所述，不同的输出设备适用于不同的场合和需求，它们能够将计算机输出的各种信息及时的显示出来，并提供优质的输出质量，以满足人们对计算机输出的各种需求。输出设备的发展和应用，极大地促进了计算机技术的普及和应用，推动了数字化时代的发展。