「计算机组成原理」简答题提炼
¶Chap 1
¶冯诺依曼计算机思想与工作特点
基本思想：存储程序、程序控制
- 具体的工作方式：将需要的 任务 事先编制 程序 ，存储程序、原始数据存在存储器，计算机自动连续运行程序
主要特点：
数据 和 指令 二进制形式存放存储器（按地址访问）
如何区分两者？
时间上：取指令在“取指周期”、取数据在“执行周期”
空间上：内存读出的 指令 – > 控制器；内存读出的 数据 – > 运算器
两股信息流动：
- 控制信息：操作命令，源自控制器，流向各部件
- 数据信息：受控制信息控制，从一个部件流至另一部件，边流动边加工处理
指令由 操作码 、地址码 组成，并由指令控制 … 运行
控制器 控制 … 存取 及 … 执行
计算机硬件系统的组成：运算器（中心）、存储器、控制器、输入设备、输出设备
工作特点：按地址访问，顺序执行指令
¶Chap 3
¶何为溢出，如何判断？
溢出：运算结果 > 机器所能表示的最大正数，或者 < … 最小正数。 是一种错误，根本原因是字长有限。
判断方法：
- （ 下标 为符号位）
- 最高数值位 向符号位 的进位 与 符号位 产生的进位输出 是否一致
- 双符号位：结果符号位为
01：表示正溢出；10：表示负溢出
¶Chap 4
¶比较高速缓存层次和虚拟存储层次
相同点：
总体目的相同——提高计算机性能
使用局部性原理：一段时间内计算机主要执行内存中地址相邻的一段程序
时间局部性：刚使用的信息不久之后再次使用——循环结构
空间局部性：刚使用的信息相邻的信息会很快用到——顺序结构
不同点：
| 高速缓存层次 | 虚拟存储层次 | |
|---|---|---|
| 目的 | 弥补CPU与内存的速度差异 | 弥补内存容量不够 |
| 实现方式 | 硬件 | OS与MMU共同实现 |
| 对程序员 | 透明 | 不透明 |
| 不命中的情况 | CPU可直接访内存，代价小 | CPU不能直接访问外存，代价大 |
¶Cache是什么？三种基本映像方式及其特点是什么
Cache（高速缓冲存储器），由SRAM构成，容量小，速度快，与CPU处理速度匹配。常用在CPU与内存间，可提供CPU访主存时间。
衡量 Cache 性能的重要指标——命中率
三种映像方式：
全相联：主存单元与Cache单元随意对应，灵活性高，但地址标志字段位数多，比较地址需要多路并发比较，复杂，成本高
直接相联：一个主存单元只对应一个Cache单元，灵活性低，影响命中率，线路简单，只需一个比较器，较常用
为何直接相联不需要替换算法？
每个主存块只映射一个Cache单元，而 主存块 与 Cache 是多对一，若两个主存块映射同一Cache行，则原来的就会被替换，没有多余的块来选择
组相联：一个主存单元可对应在一组Cache中的任意一个单元，能够提高命中率，折中方法，线路相对简单，不太复杂
¶比较SRAM 与 DRAM
| SRAM | DRAM | |
|---|---|---|
| 存储信息的方式 | 双稳态触发器 | 极间电容电荷 |
| 电源不断电时 | 信息稳定 | 信息会丢失 |
| 刷新 | 不需要 | 需要 |
| 集成度 | ↓ | ↑ |
| 容量 | ↓ | ↑ |
| 速度 | ↑ | ↓ |
| 价格 | ↑ | ↓ |
| 适用场合 | Cache | 主存 |
¶DRAM存储器刷新
常用的刷新方式：集中式、分散式、异步式
- DRAM 为何刷新？：栅极电容存储电荷来暂存信息，电荷会泄漏，时间长就会丢失，需要外界按规律对栅极充电，补给电荷
- DRAM 采用 异步式 刷新：读出过程中恢复存储单元的电容电荷，保持原单元内容，故读出过程又称再生过程
¶存储器的技术指标
- 存储容量：可容纳的二进制信息量
- 存取时间：启动一次存储器操作（R / W）到完成该操作 所需的时间
- 存取周期：连续两次独立的存取操作之间 所需的最短时间间隔
- 存储速度：取决于 存取时间、存取周期
¶提高存储器速度的方法
①采用cache；②多体交叉存储器；③双端口存储器；④相连存储器；⑤加长存储器字长
¶提高整体速度的方法
对于存储器：采用Cache-主存层次，提高访存速度；采用主存-虚存层次，提高主存容量
对于控制器：指令流水线，提高整机速度
对于I/O：运用DMA技术不中断现行程序，提高CPU效率
¶Chap 5
¶比较定长指令与变长指令
定长操作码：
- 特征：指令长度相同
- 优点：简单、速度快，适用条数不多的场合
- 缺点：浪费长度，增加硬件成本
不定长操作码：操作码向不用的地址码拓展
- 特征：频繁用的指令，操作码位数短；不常用的指令，用操作码拓展技术拓展
- 优点：充分利用软硬件资源，适用大规模指令系统
- 缺点：各指令执行时间不等，复杂
¶比较基址寻址与变址寻址
相同点： 有效地址 = 寄存器内容 + 指令中形式地址
不同点：
- 基址寻址：面向系统，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、扩大寻址空间等问题。此外，基址寄存器只能由特权指令管理，用户无权操作和修改
- 变址寻址：面向用户，用于访字符串、数组等成批数据，解决程序循环问题。
¶完善的指令系统
需包含：①数据传送指令；②算术运算指令；③逻辑运算指令；④程序控制指令；⑤堆栈指令；⑥输入输出指令；⑦字符串指令；⑧特权指令
¶简述CISC、RISC
- CISC：复杂指令集合的计算机，条数多、指令字长不等、复杂，微程序控制器实现
- RISC：精简指令集合的计算机，条数少、指令字长大多相当、简单，硬布线控制器实现
¶Chap 6
¶硬布线控制器基本思想
某一微操作控制信号：指令操作码译码输出、节拍电位信号、节拍脉冲信号、状态反馈信息的逻辑函数
¶微程序控制器，获取下一条微指令地址的方式（至少2种）
- 顺序执行时，下地址为本条微指令地址+1
- 微程序必定转向某一微地址时，可在微指令中相关字段给出地址值
[附]：指令操作码 与 该指令微程序的入口地址 的对应关系
答：微指令后续地址由 微指令的 SCF字段 产生，若直接给出，至少需位才能让所有微指令统一编码，控存容量大，微指令地址码长
断定法：产生后续地址，需增加测试字段
顺序—转移方式：产生后续地址，需 寄存器，指明下一条微指令的微地址，通过改变 值来达到转移
¶机器字长与字节
- 字节：通常将8位二进制数作为一个字节
- 机器字长：CPU内部一次处理的二进制位数，与CPU寄存器位数相关。越长，范围↑，精度↑，数据处理速度↑
¶指令与微指令的关系
指令：机器指令，控制计算机执行各种操作（算术运算、逻辑运算、传送、转移等）的命令
微命令：控制部件 通过控制线，向执行部件，发出各种控制命令（一个比特位，对应一个微命令）
微指令：一组实现操作的相容性微命令
微程序：实现一条指令功能的若干条微指令的集合，完成对一条指令的解释执行。
¶指令周期、机器周期、时钟周期
指令周期（取出并执行一条指令的时间） > 机器周期（CPU周期，eg: 取指机器周期、执行机器周期） > 时钟周期（节拍脉冲）
[附]：
¶PC含义及作用
含义：存放下一条即将要执行的指令的地址
作用：自动+1的功能，保证计算机能自动连续不断地运行程序
[附]：通用寄存器：…操作数、满足某种寻址方式…；
状态寄存器PSW：…当前状态和条件信息…
地址寄存器AR：…存储器地址…
CX：用作循环计数；指令译码器：识别指令操作码
¶Chap 8
¶比较同步控制方式与异步控制方式
同步控制方式：统一的时间标准控制
特点：明显时序时间划分、时钟周期固定，各步操作、各部件数据传送受严格同步定时控制。
优点：时序关系简单、划分规整，控制逻辑易于集中管理
缺点：强制性同步，以微操作序列最长的指令为标准来确定时钟周期数，运行速度慢。
应用场合：CPU、设备的内部，系统总线操作，各部件速度大致相同
异步控制方式：各项操作按不同需要来安排不同的时间。
特点：没有统一的时间标准，各部件根据自身操作有着各自时钟信号，各部件间信息交换采用异步应答方式
优点：无统一时间标准，时间利用率高；
缺点：控制电路复杂
应用场合：各部件速度差异大
¶总线信息传送过程五个阶段
①请求总线；②总线仲裁；③寻址；④信息传送；⑤状态返回
¶总线控制方式
- 集中式（控制）仲裁：串行链接控制（敏感、优先级固定）、定时查询（敏感、优先级循环）、独立请求（优先级灵活、设备控制性差、复杂且连线多）
- 分散式控制
¶Chap 9
¶中断作用
①主机与外设的并行工作；②处理故障；③多道程序和分时操作；④实现人机交互；⑤实时控制
¶中断过程的五个阶段
①中断请求；②判断优先级；③中断响应；④中断处理；⑤中断返回
¶外围设备与主机信息交换的5种方式
程序查询方式、程序中断方式、直接内存访问方式（DMA）、通道方式、外围处理机方式
¶DMA及其与CPU分时使用内存的方式
DMA（直接内存访问方式）：一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。
控制方式：①CPU暂停方式；②CPU周期挪用；③DMA与CPU交替访问方式
¶磁盘读写一块信息所需时间
磁盘寻道平均时间+磁头平均等待时间+数据传送时间
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