计算机基础知识（考研408）——计算机组成原理

计算机基础知识（考研408）：
计算机组成原理: https://blog.csdn.net/qq_1532145264/article/details/129696532
操作系统: https://blog.csdn.net/qq_1532145264/article/details/129696582
数据结构: https://blog.csdn.net/qq_1532145264/article/details/129696596
计算机网络 https://blog.csdn.net/qq_1532145264/article/details/129696607

1、计算机系统概述

1.1、计算机由哪几部分组成？以哪部分为中心？

  计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备5大部分组成。
  现代计算机以存储器为中心。
  早期冯·诺依曼计算机以运算器为中心。

现代计算机，中央处理器（CPU）= 运算器 + 控制器

1.2、主频高的CPU一定比主频低的CPU快吗？为什么？

  不一定。衡量CPU运算速度的指标有很多，不能以单独的某个指标来判断CPU的好坏。因为CPU的运算速度还要看CPU 的流水线的各方面的性能指标（架构、缓存、指令集、CPU 的位数、Cache 大小等)，所以主频并不直接代表运算速度。

1.3、翻译程序、汇编程序、编译程序、解释程序有什么差别?各自的特性是什么?

• 翻译程序：将 “高级语言” 源程序一次全部翻译成目标语言。（例如：文章翻译）
• 解释程序：将 “高级语言” 源程序的语句一条一条翻译并立即执行。（例如：同声传译）
• 编译程序：“高级语言” —> “机器语言”
• 汇编程序：汇编语言程序 —> “机器语言”

1.4、不同级别的语言编写的程序有什么区别？哪种语言编写的程序能被硬件直接执行？

  机器语言和汇编语言与机器指令对应，而高级语言不与指令直接对应，具有较好的可移植性。其中机器语言可以被硬件直接执行。

2、数据的表示和运算

2.1、在计算机中，为什么要采用二进制来表示数据?

• 二进制只有两种状态。使用高低电平可以方便表示，对硬件要求较低。
• 二进制的编码和运算规则比较简单。

2.2、计算机在字长足够的情况下能够精确地表示每个数吗?若不能，请举例说明。

  计算机采用二进制来表示数据，在字长足够时，可以表示任何一个整数。而二进制表示小数时只能够用1/(2’")的和的任意组合表示，即使字长很长，也不可能精确表示出所有小数，只能无限接近。例如0.1就无法用二进制精确地表示。

2.3、字长相同的情况下，浮点数和定点数的表示范围与精度有什么区别?

  字长相同时，浮点数取字长的一部分作为阶码，所以表示范围比定点数要大，而取一部分作为阶码也就代表着尾数部位的有效位数减少，而定点数字长的全部位都用来表示数值本身，精度要比同字长的浮点数更大。

2.4、用移码表示浮点数的阶码有什么好处?

  浮点数进行加减运算时要比较阶码的大小，移码比较大小更方便。

3、存储系统

3.1、存储器中数据常用的存取方式有哪些？

• 顺序存取
• 随机存取
• 直接存取（可理解为先随机存取，再顺序存取）

3.2、存储器分类

• 随机存储器（RAM）
  • 静态随机存储器（SRAM）
  • 动态随机存储器（DRAM）
• 只读存储器（ROM）

3.3、SRAM 和 DRAM 比较

3.4、高速缓冲存储器（Cache）

3.5、虚拟存储器与 Cache 比较

\	虚拟存储器	Cache
作用	解决主存容量	解决系统速度
实现方式	操作系统 + 硬件	硬件
不命中性能影响	较大	较小

相同点：

• 最终目标都是为了提高系统性能。
• 都有地址的映射、替换算法、更新策略等问题。
• 依据程序的局部性原理。

对于不命中性能影响，因为CPU的速度约为Cache 的10倍，主存的速度为硬盘的100倍以上，因此虚拟存储器系统不命中时对系统性能影响更大。

3.6、存储器的层次结构主要体现在何处?为何要分这些层次?计算机如何管理这些层次?

  存储器的层次结构主要体现在Cache-主存和主存-辅存这两个存储层次上。
  Cache-主存层次在存储系统中主要对加速CPU 访存的作用。
  主存-辅存层次在存储系统中主要起扩容作用。
  综合上述两个存储层次的作用，从整个存储系统来看，就达到了速度快、容量大、位价低的优化效果。

3.7、存取周期和存取时间有何区别？

  存取时间：完成一次存取操作的时间。
  存取周期 = 存取时间 + 恢复时间，具体关系如下图所示。

3.8、在虚拟存储器中，页面是设置得大一些好还是设置得小一些好?

不能过大，也不能过小。

4、指令系统

4.1、指令系统

4.2、数据寻址方式

基址寻址和变址寻址的区别：两种方式有效地址的形成都是寄存器内容＋偏移地址，但是在基址寻址中，程序员操作的是偏移地址，基址寄存器的内容由操作系统控制，在执行过程中是动态调整的；而在变址寻址中，程序员操作的是变址寄存器，偏移地址是固定不变的。

4.3、复杂指令系统计算机（CISC）和精简指令系统计算机（RISC）对比

4.4、什么是指令?什么是指令系统?为什么要引入指令系统?

指令：计算机执行某种操作的命令。
指令系统：计算机所有指令集合。（作用：方便用户编写程序。）

4.5、一般来说，指令分为哪些部分?每部分有什么用处?

操作码和地址码…

4.6、对于一个指令系统来说，寻址方式多和少有什么影响?

  寻址方式的多样化能让用户编程更为方便，但多重寻址方式会造成CPU结构的复杂化，也不利于指令流水线的运行。而寻址方式太少虽然能够提高CPU的效率，但对于用户而言，少数几种寻址方式会使编程变得复杂，很难满足用户的需求。

5、中央处理器（CPU）

5.1、CPU 的基本结构

运算器

• 算术逻辑单元（ALU）。主要功能是进行算术/逻辑运算。
• 累加寄存器（ACC）。
• 程序状态字寄存器（PSW）。保留各种状态信息。

控制器

• 程序计数器（PC）。用于指出下一条指令在主存中的存放地址。
• 指令寄存器（IR）。用于保存当前正在执行的那条指令。
• 存储器地址寄存器（MAR）。用于存放要访问的主存单元的地址。
• 存储器数据寄存器（MDR）。用于存放向主存写入的信息或从主存读出的数据。

5.2、指令和数据均存放在内存中，计算机如何从时间和空间上区分它们是指令还是数据?

主要从时间进行辨认，取指令事件发生在“取指周期”，取数据事件发生在“执行周期”。

5.3、什么是指令周期、机器周期和时钟周期?它们之间有何关系?

• 指令周期：取出并执行一条指令的时间。（包括：取指周期、间址周期、执行周期、中断周期）
• 机器周期：执行指令周期中，完成一个步骤的时间。
• 时钟周期：主频的倒数，完成一个微操作的时间。

1 个机器周期 = N × 时钟周期
1 个指令周期 = N × 机器周期

5.4、什么是微指令？和指令有什么关系?

  在采用微程序控制器的CPU中，一条指令对应一个微程序，一个微程序由许多微指令构成，一条微指令会发出很多不同的微命令。

5.5、什么是指令流水线?指令流水线相对于传统体系结构的优势是什么?

指令流水线：将指令分解为若干子过程，通过将每个子过程与其他子过程并行执行，来提高计算机的吞吐率的技术。（提高处理机并行性，使得利用率明显提高。）

6、总线

6.1、引入总线结构有什么好处?

• 简化了系统结构，便于系统设计制造。
• 大大减少了连线数目，便于布线，减小体积，提高系统的可靠性。
• 便于接口设计，所有与总线连接的设备均采用类似的接口。
• 便于系统的扩充与灵活配置，易于实现系统的模块化。
• 便于设备的软件设计，所有接口的软件对不同的接口地址进行操作。
• 便于故障诊断和维修，同时也能降低成本。

6.2、引入总线结构会导致什么问题?如何解决?

  引入总线后，总线上的各个设备分时共享同一总线，当总线上多个设备同时要求使用总线时就会导致总线的冲突。为解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题，应当采用总线仲裁部件，以某种方式选择一个主设备优先获得总线控制权，只有获得了总线控制权的设备才能开始数据传送。

6.3、一个总线在某一时刻可以有多对主从设备进行通信吗?

  不可以。一个总线在某一时刻不能有多对主从设备进行通信，否则会发生数据冲突。（只可一对一或一对多）

7、输入/输出（I/O）系统

7.1、4种基本 I/O 控制方式

• 程序查询方式。由CPU通过程序不断查询 IO 设备是否已做好准备，从而控制VO设备与主机交换信息。
• 程序中断方式。只在IO设备准备就绪并向CPU发出中断请求时才予以响应。
• DMA方式。主存和I/O设备之间有一条直接数据通路，当主存和U/O设备交换信息时，无须调用中断服务程序。
• 通道方式。在系统中设有通道控制部件，每个通道都挂接若干外设，主机在执行IO 命令时，只需启动有关通道，通道将执行通道程序，从而完成IO操作。

其中，查询和中断方式主要用于数据传输率较低的外部设备，DMA和通道方式主要用于数据传输率较高的设备。

7.2、处理中断优先级

• 不可屏蔽中断>内部异常>可屏蔽中断
• 内部异常中，硬件故障>软件中断
• DMA 中断请求优先于IO设备传送的中断请求
• 在IO传送类中断请求中，高速设备优先于低速设备，输入设备优先于输出设备，实时设备优先于普通设备。

中断优先级包括响应优先级和处理优先级，响应优先级在硬件线路上是固定的，不便改动。处理优先级可利用中断屏蔽技术动态调整，以实现多重中断。

7.3、中断处理过程

7.4、中断与 DMA 方式区别

7.5、IO设备有哪些编址方式?各有何特点?

• 统一编址：在主存地址中划出一定的范围作为IO地址，以便通过访存指令即可实现对I/O的访问，但主存的容量相应减少。
• 独立编址：指I/O地址和主存是分开的，IO地址不占主存空间，但访存需专门的IO指令。

7.6、CPU 响应中断应具备哪些条件?

① 中断源有中断请求。
② CPU允许中断及开中断（异常和不可屏蔽中断不受此限制)。
③ 一条指令执行完毕（异常不受此限制)，且没有更紧迫的任务。