计算机组成与系统结构复习第一章
计算机组成与系统结构
上海交通大学继续教育学院
陈泽宇博士副教授
2
本课程与计算机专业其他课程的关系数学基础课
离散数学
计算机基础课
计算机应用基础（国家统考）
计算机专业课
硬件、软件、网络……
3
计算机专业课
软件类
数据结构（学位课）
操作系统（学位课）
程序设计（C）
面向对象程序设计（Java）
应用软件开发（C#）
数据库原理与应用
网络类
计算机网络
网络与信息安全
硬件类
计算机组成与系统结构
嵌入式系统及应用
讲座
信息技术前沿专题讲座
选修课
软件工程与项目管理
数据库系统管理与维护
网络规划设计与管理维护
网络攻击与防御技术
可视计算及应用
4
第1章计算机系统概论
第2章运算方法和运算器
第3章存储系统
第4章指令系统
第5章中央处理器（CPU）
第6章总线系统
第7章输入输出（I/O）系统
第8章并行计算机系统
5
第1章计算机系统概论
1.1 计算机的分类、发展与应用
1.2 计算机的基本组成
1.3 计算机系统的概念
6
1.1 计算机的分类、发展与应用
1.1.1 计算机的分类
1.1.2 计算机的发展概况
1.1.3 计算机的应用
7
电子数字计算机（Electronic Digital Computer）
通常简称为计算机（Computer）
是按照一系列指令来对数据进行处理的机器
计算机拥有众多的物理形态
个人计算机（Personal Computer，PC）
便携计算机（Portable Computer）
又称膝上型计算机（Laptop Computer）
嵌入式计算机（Embedded Computer）
使用最为广泛的计算机形态
8
根据Church–Turing理论，
任何一台具有最基本功能的计算机，原则上都能够执行任何其他计算机可以执行的任务
只要不考虑时间和存储容量，性能和复杂度均相差甚远的各种计算机，都能够执行相同的运算任务
9
美国SGI公司为NASA制造
的Columbia超级计算机
GNUX（GNU+Linux）操作系统下
运行视频会议软件的手表计算机
10
1.1.1 计算机的分类
1．计算机分类
2．通用计算机分类
11
1．计算机分类
根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分，计算机可分为通用计算机和专用计算机两大类
通用计算机
功能齐全，通用性强，适应面广，可完成各种各样的工作
但是牺牲了效率、速度和经济性
12
专用计算机
是专为某些特定问题而设计的功能单一的计算机，一般结构简单
具有可靠性高、速度快、成本低的优点，是最有效、最经济和最快速的计算机
但是其适应性很差
13
2．通用计算机分类
通用计算机分为6类，其区别在于体积、复杂度、功耗、性能指标、数据存储容量、指令系统规模和价格
超级计算机（Supercomputer）
大型机（Mainframe）
服务器（Server）
工作站（Workstation）
微型机（Microcomputer）
单片机（Single-Chip Computer）
14
超级计算机
主要用于科学计算
运算速度远远超过其他计算机，数据存储容量很大，结构复杂，价格昂贵
单片机
是只用单片集成电路（Integrated Circuit，IC）做成的计算机
体积小，结构简单，性能指标较低，价格便宜
大型机、服务器、工作站、微型机
结构规模和性能指标依次递减
随着超大规模集成电路的迅速发展，今天的工作站可能是明天的微型机，而今天的微型机也可能是明天的单片机
15
1.1.2 计算机的发展概况
1．第一台通用电子数字计算机
2．数字计算机的发展史
3．计算机体系结构的发展过程
4．数字计算机的发展趋势
16
“Computer”一词
最初指的是从事数值运算的人，他们往往借助于某种机械运算装置来完成数值运算工作
现在专指计算机，即电子数字计算机
17
1．第一台通用电子数字计算机
ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，电子数字积分计算机）
1946年，美国宾夕法尼亚大学
18000多个电子管
占地170平方米
总重量达30吨
耗电140千瓦
每秒能做5000次加减运算
是科学史上一次划时代的创新，奠定了现代电子数字计算机的基础
最初的结构设计不够灵活，每一次重新编程都必须重新连线（Rewiring）
18
存储程序体系结构（Stored-Program Architecture）
给计算机一个指令序列（即程序），计算机会存储它们，并在未来的某个时间里，从计算机存储器中读出，依照程序给定的顺序执行它们
现代计算机区别于其他机器的主要特征，就在于这种可编程能力
冯·诺伊曼体系结构（von Neumann Architecture）
早在ENIAC完成之前，数学家约翰·冯·诺伊曼（John von Neumann）就在其论文中提出了存储程序计算机的设计思想
因此，存储程序体系结构又称为冯·诺伊曼体系结构
大多数当代计算机仍然采用冯·诺伊曼体系结构
19
2．数字计算机的发展史
从使用器件的角度来说，计算机的发展大致经历了5代的变化
20
第一代计算机
1946年到1957年
使用电子管（Vacuum Tube）作为电子器件
使用机器语言与符号语言编制程序
体积庞大，存储容量小，成本很高，可靠性较低
主要用于科学计算
在此期间，形成了计算机的基本体系结构，确定了程序设计的基本方法
21
第二代计算机
1958年到1964年
使用晶体管（Transistor）作为电子器件
开始使用计算机高级语言
体积缩小，存储容量扩大，成本降低，可靠性提高
不仅用于科学计算，还用于数据处理和事务处理，并逐渐用于工业控制
“工业控制机”开始得到应用
22
第三代计算机
1965年到1970年
使用小规模集成电路（Small-Scale Integration，SSI）与中规模集成电路（Medium-Scale Integration，MSI）作为电子器件
操作系统开始出现
计算机小型化、微型化
不仅用于科学计算，还用于文字处理、企业管理和自动控制等领域
出现了管理信息系统（Management Information System，MIS）
“小型计算机”开始出现
23
第四代计算机
1971年到1985年
使用大规模集成电路（Large-Scale Integration，LSI）与超大规模集成电路（Very-Large-Scale Integration，VLSI）作为电子器件
计算机在办公自动化、数据库管理、图像识别、语音识别和专家系统等众多领域大显身手由几片大规模集成电路组成的“微型计算机”开始出现，并进入家庭
24
第五代计算机
1986年开始
采用甚大规模集成电路（Ultra-Large-Scale Integration，ULSI）作为电子器件
由一片甚大规模集成电路实现的“单片计算机”开始出现
25
总体而言
电子管计算机在整个20世纪50年代居于统治地位
20世纪60年代，晶体管计算机逐渐取而代之
20世纪70年代，集成电路技术的采用和其后微处理器的产生，导致计算机有了一次新的飞跃
20世纪80年代，计算机被个人广泛使用，成为现在无处不在的个人计算机
20世纪90年代以来，几乎所有的现代电子设备都会包含某种形式的计算机在内
26
3．计算机体系结构的发展过程
在冯·诺伊曼体系结构的基础上，以提高速度、扩大存储容量、降低成本、提高系统可靠性、方便用户使用为目的，不断采用新的器件、研制新的软件
主要是指令系统、微程序设计、流水线结构、多级存储器体系结构、输入/输出体系结构、并行体系结构、分布式体系结构、多媒体体系结构、操作系统和数据库管理系统的形成和发展
27
4．数字计算机的发展趋势
1）多处理
2）网络化
3）智能化
4）微型化
5）巨型化
6）多媒体
28
1）多处理
多处理（Multiprocessing）
在一个或多个CPU之间划分工作
传统上用于超级计算机、大型机和服务器这类大型、强大的计算机上
超级计算机
经常拥有几千个CPU、定制的高速互连网络和专门的计算硬件
低端市场应用
配备多处理器（Multiprocessor）和多核（Multi-Core）处理器的台式/便携式计算机
29
2）网络化
20世纪70年代，
美国国防部高级研究计划署（ARPA）资助形成ARPANET
此后，
该网络传播开来，最终形成了互联网（Internet）
20世纪90年代，
电子邮件（e-Mail）和万维网（World Wide Web，WWW）等应用普及
以太网（Ethernet）和非对称数字用户线路（Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL）等廉价、快速联网技术发展
计算机网络变得无处不在
30
3）智能化
人们将用自然语言和机器对话
计算机将从数值计算为主过渡到知识推理为主，进入知识处理阶段
4）微型化
微型计算机将向更加微型化、网络化、高性能、多用途方向发展
5）巨型化
超级计算机将向更加巨型化、超高速、并行处理、智能化方向发展
31
6）多媒体
多媒体信息
文本、图像、图形、声音、视频等
多媒体计算机
将真正改善人机界面
使计算机向着人类接受和处理信息的最自然的方式发展
32
1.1.3 计算机的应用
1．科学计算
2．自动控制
3．测量测试
4．信息处理
5．教育卫生
6．电子电器
7．人工智能
33
1．科学计算
科学计算领域
数学、化学、原子能、天文学、地球物理学、生物学等基础科学研究
航天飞行、飞机设计、桥梁设计、水力发电、地质找矿、天气预报等方面的大量计算
益处
大大减轻计算工作量
一些以往无法解决、无法及时解决或无法精确解决的问题得到圆满的解决
34
2．自动控制
有了体积小、价廉、可靠的微型机和单片机作为工具，自动控制进入了以计算机为主要控制设备的新的发展阶段
35
3．测量测试
提高测量精度
提高工作效率
完成非人力所能完成的测量和测试任务
如高温、低温、有毒、辐射环境的测量和测试，核爆炸时的数据采集等等
36
4．信息处理
人本身就是一个非常高级的信息处理系统
一台计算机实际上就是一台信息处理机
可用来处理文字、表格、图像、声音等各类信息
信息处理的典型应用
办公自动化、管理信息系统、电子银行（e-Banking）、电子购物（e-Shopping）、网上订票、虚拟图书馆、网络流媒体（Streaming Media）
37
5．教育卫生
计算机辅助教学（Computer-Aided Instruction，CAI）
基于网络的现代远程教学（Distance Learning，或e-Learning）
38
使用计算机的各种医疗设备
CT图像处理设备、心脑电图分析仪、血液分析仪
专家系统
中医专家诊疗系统、各种疾病的电子诊疗系统
39
6．电子电器
电子电器产品中广泛应用了各种嵌入式计算机
微波炉、洗衣机、家用空调、DVD播放机、电子玩具、游戏机
电子电器产品网络化
许多家用电器可以通过各种有线或无线的网络连接（如Internet、红外线、蓝牙等），完成自身程序的自动更新、远程控制等复杂任务
40
7．人工智能
人工智能
简而言之就是使计算机模仿人的高级思维活动
文字识别、图形识别、景物分析、语音识别、语音合成、语言理解
机器人
人工智能研究中最突出的成就
41
工业机器人
在生产线上完成简单重复的工作
代替人类在高温、有毒、辐射、深水等恶劣环境下工作
智能机器人
自己识别控制对象和工作环境
自动作出判断和决策
直接领会人的命令和意图
避开障碍物，适应环境变化
灵活机动地完成指定的控制任务与信息处理任务
汽车生产中的工业机器人
42
1.2 计算机的基本组成
1.2.1 计算机硬件
1.2.2 计算机软件
1.2.3 软件与硬件的逻辑等价性
43
计算机由硬件（Hardware）和软件（Software）两部分组成
硬件是基础，是软件活动的舞台
软件是灵魂，使硬件最大限度地发挥作用
两者缺一不可
计算机硬件
由物理元器件构成的有形实体
主要是数字逻辑电路
计算机软件
由计算机程序构成的无形的东西
需要存储在有形的硬件（如主存储器、硬盘等）中
可以实现更高层次的逻辑功能
44
1.2.1 计算机硬件
1．控制器
2．运算器
3．存储器
4．输入输出设备
5．总线
45
计算机硬件是组成计算机的所有电子器件和机电装置的总称
冯·诺伊曼体系结构
主要特点：使用二进制数和存储程序
设计思想：存储程序并按地址顺序执行
把程序及其操作数据一同存储
哈佛体系结构（Harvard Architecture）
把程序与其操作数据分开存储
源自Harvard Mark I计算机
现代的冯·诺伊曼计算机在设计中展示出了某些哈佛体系结构的特性，如高速缓存Cache 46
冯·诺伊曼计算机具有5大部件
控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备（CAI演示）
这些部件用总线相互连接
中央处理器（Central Processing Unit，CPU）
控制器和运算器的合称
早期由许多分立元件组成，现在通常被制作在单片集成电路上，称为微处理器（Microprocessor）
CPU和存储器通常组装在一个机箱内，合称为主机
除去主机以外的硬件装置称为外围设备
47
计算机系统工作时，
输入设备将程序与数据存入存储器
控制器从存储器中逐条取出指令，将其解释成控制命令，去控制各部件的动作
数据在运算器中加工处理，处理后的结果通过输出设备输出
48
1．控制器
1）控制器的基本工作流程
2）控制器的基本任务
3）指令和数据
49
控制器是计算机的管理机构和指挥中心
按照预先确定的操作步骤，协调控制计算机各部件有条不紊地自动工作
控制器工作的实质就是解释程序
逐条读取、分析、执行指令，控制各部件动作
高级计算机中的控制器可以改变某些指令的顺序，以改善性能
程序计数器（Program Counter）
是一个特殊的寄存器
记录着将要读取的下一条指令在存储器中的位置
50
1）控制器的基本工作流程
一种简化描述
①从程序计数器所指示的存储单元中，读取下一条指令代码
②把指令代码译码为一系列命令或信号，发向各个不同的功能部件
③递增程序计数器，以指向下一条指令
④根据指令需要，从存储器（或输入设备）读取数据，所需数据的存储器位置通常保存在指令代码中
⑤把读取的数据提供给运算器或寄存器
⑥如果指令需要由运算器（或专门硬件）来完成，则命令运算器执行所请求的操作
⑦把来自运算器的计算结果写回到存储器、寄存器或输出设备
⑧转回第①步
51
2）控制器的基本任务
控制器的基本任务
按照程序所排的指令序列，从存储器取出一条指令（简称取指），
对该指令进行译码分析，
根据指令性质，执行这条指令
再取指、译码、执行，……
52
取指周期与执行周期
把取指令的一段时间称为取指周期
把执行指令的一段时间称为执行周期
控制器反复交替地处在取指周期与执行周期之中
指令顺序存放
每取出一条指令，程序计数器就加1，为取下一条指令做好准备
正因为如此，指令在存储器中必须顺序存放
53
3）指令和数据
计算机中有两股信息在流动
控制信息
即操作命令
发源地是控制器，分散流向各个部件
数据信息
受控制信息的控制，从一个部件流向另一个部件，边流动边加工处理
如何区分存放在一起的指令和数据？
取指周期中从存储器读出的信息流是指令流
由存储器流向控制器
执行周期中从存储器读出的信息流是数据流
由存储器流向运算器
54
2．运算器
运算器是一个用于信息加工的部件，用于对数据进行算术运算和逻辑运算
运算器通常由算术逻辑单元（Arithmetic Logic Unit，ALU）和一系列寄存器组成（CAI演示）ALU
是具体完成算术与逻辑运算的单元
是运算器的核心
由加法器和其他逻辑运算单元组成
寄存器
用于存放参与运算的操作数
累加器
一个特殊的寄存器
除了存放操作数之外，还用于存放中间结果和最后结果
55
ALU所支持的算术运算
可能仅局限于加法和减法，也可能包括乘法、除法，甚至三角函数和平方根
有些只支持整数，有些则可以使用浮点来表示有限精度的实数
任何计算机都可以通过编程来执行任何的算术运算
简单的计算机可以通过编程，把复杂的运算分解成它可以执行的简单步骤
如果ALU不能从硬件上直接支持，则可把复杂运算用软件方式实现，但需要花费较多的时间
56
ALU所支持的逻辑运算
与（AND）、或（OR）、异或（XOR）、非（NOT）等布尔运算
比较数值
新型ALU
超标量（Superscalar）计算机包含多个ALU
可以同时处理多条指令
图形处理器和具有并行特性的计算机的ALU
可以执行矢量和矩阵算术运算
57
3．存储器
1）主存储器
2）寄存器
3）闪速存储器
4）高速缓冲存储器Cache
5）辅助存储器
58
存储器的主要功能是存放程序和数据
程序和数据都用二进制数表示，统称为信息
向存储器存入或从存储器取出信息，都称为访问存储器
存储器由一系列存储单元组成
每个存储单元的编号称为地址
要按给定的地址来寻找所选择的存储单元
信息单位
位（bit，简写成b）
数字计算机的最小信息单位
包含1位二进制信息（0或1）
字节（Byte，简写成B）
由8位二进制信息组成
字（Word）
计算机一次所能处理的二进制位数，至少一个字节
通常把组成一个字的二进制位数称为字长
例如微型机的字长可以少至8位，多至32位，甚至达到64位
59
存储容量
存储器中所有存储单元的总数
常用单位
KB（Kilobyte，千字节）、MB（Megabyte，兆字节）、GB（Gigabyte，千兆字节）
各级单位之间的关系
1KB=1024B，1MB=1024KB，1GB=1024MB
存储器分类
按照存储器在计算机中的作用，可分为主存储器、寄存器、闪速存储器、高速缓冲存储器、辅助存储器等几种类型
它们均可完成数据的存取工作，但性能及其在计算机中的作用差别很大
60
1）主存储器
主存储器（Main Memory，简称主存）通常采用半导体存储器
随机存取存储器（Random Access Memory，RAM）
CPU可读写
掉电时内容被消除
只读存储器（Read-Only Memory，ROM）
CPU只能读取
掉电时可保留其数据
事先加载了固化的数据和软件（如PC机的BIOS，无盘嵌入式计算机的全部软件）存储在ROM中的软件常被称为固件（Firmware）
61
2）寄存器
寄存器（Register）是CPU内部的一组特殊存储单元
读写速度比主存快得多
通常被用于使用最为频繁的数据项，以避免多次访问主存
减少主存访问可大大加快计算机速度
62
3）闪速存储器
闪速存储器（Flash Memory，简称闪存）
像ROM一样在关机时保留数据
像RAM一样可被重写
通常比ROM和RAM慢得多
用于非高速的应用场合
63
4）高速缓冲存储器Cache
高速缓冲存储器（简称高速缓存）Cache
比寄存器慢，但比主存快
位于CPU和主存储器之间
规模较小，但速度很快
能够很好地解决CPU和主存之间的速度匹配问题
计算机自动把频繁访问数据移入Cache，无需人工干预
当需要读写数据时，CPU首先访问Cache
只有当Cache中不包含所需要的数据时，CPU才去访问主存
64
5）辅助存储器
外存储器（简称外存）或辅助存储器（简称辅存）
软盘存储器、硬盘存储器、光盘存储器等
存放当前不在运行的程序和未被用到的数据
存储容量大、成本低，可脱机保存信息
相对而言，半导体存储器称为内存储器，简称内存
65
4．输入输出设备
I/O设备或外围设备(Peripheral，简称外设)
1）输入设备
2）输出设备
3）适配器
66
1）输入设备
将人们熟悉的信息形式，变换成计算机能接受并识别的二进制信息形式
理想的输入设备应该是“会看”和“会听”的
键盘、鼠标、扫描仪等，以及用于文字识别、图像识别、语音识别的设备
67
2）输出设备
将计算机输出的处理结果信息，转换成人类或其他设备能够接受和识别的信息形式
理想的输出设备应该是“会写”和“会讲”的
激光打印机、绘图仪、CRT/LCD显示器等，以及输出语言的设备（如语音合成产品）
68
3）适配器
外围设备通过适配器（Adapter）部件与主机相连接
作用相当于转换器，保证外围设备按照计算机系统特性所要求的形式发送或接收信息
使主机和外围设备并行协调地工作
69
5．总线
计算机系统通过总线（Bus）将CPU、主存储器及I/O设备连接起来
总线是构成计算机系统的骨架，是多个系统部件之间进行数据传送的公共通路
按照信号类型，可将总线分为
数据总线
主要传送数据，双向，可输入输出
地址总线
传送地址信息，单向，决定数据或命令传送给谁
控制总线
传送各种控制信号
70
1.2.2 计算机软件
计算机软件是程序的有序集合，而程序则是指令的有序集合
1．软件系统
2．程序设计语言
3．操作系统
4．数据库
71
1．软件系统
一台计算机中全部程序的集合，统称为这台计算机的软件系统
软件系统是在硬件系统的基础上，为有效使用计算机而配置的
计算机软件按其功能可分为应用软件和系统软件两大类
72
1）应用软件
应用软件是为解决某种应用问题而编制的程序
73
2）系统软件
系统软件用于实现计算机系统的管理、调度、监视和服务等功能
系统软件一般包括以下6类：
74
⑴服务性程序
又称为工具软件，包括诊断程序、调试程序等
75
⑵语言处理程序
将用汇编语言或高级语言编制的源程序，翻译成机器可以直接识别的目的程序（机器语言程序）
不同语言的源程序，对应有不同的语言处理程序
语言处理程序有汇编程序、编译程序、解释程序3种
76
⑶操作系统
控制和管理计算机的各种资源
自动调度用户作业程序
处理各种中断
是用户与计算机的接口
77
⑷数据库管理系统
数据库
是一种计算机软、硬件资源组成的系统
能够有组织、动态地存储大量的相关数据，方便多用户访问
数据库和数据库管理软件一起，组成了数据库管理系统
78
⑸标准库程序
是为方便用户而预先按照标准格式编制好的一些常用程序段所组成的标准程序库
79
⑹计算机网络软件
是为计算机网络而配置的系统软件，负责对网络资源进行组织和管理，实现相互之间的通信包括网络操作系统和数据通信处理程序
前者实现网络资源管理
后者实现网络操作
80
2．程序设计语言
1）机器语言
2）汇编语言
3）算法语言
81
1）机器语言
早期人们直接用机器语言（即机器指令代码）编写程序，计算机完全可以“识别”并执行，所以又叫做目的程序
但是用机器语言编写程序需要耗费大量的人力和时间，且容易出错
82
2）汇编语言
指令助记符
为了编写程序方便、提高机器使用效率，人们用约定的文字、符号和数字按规定格式来表示各种不同的指令，每条基本指令都被指定了一个表示其功能又便于记忆的短的名字，称为指令助记符（如ADD、SUB、MULT、JUMP等）
汇编语言（Assembly Language）
用指令助记符表示的指令来编写程序
汇编程序（Assembler）
用来把汇编语言程序转换为计算机可以理解的、用机器语言表示的目的程序
机器语言及汇编语言，对于特定类型的计算机而言是唯一的
一台ARM体系结构的计算机无法理解一台Intel Pentium计算机的机器语言
83
3）算法语言
算法语言
是指按实际需要规定好的一套基本符号，以及由这套基本符号构成程序的规则
比较接近数学语言，直观通用，与具体机器无关
有影响的算法语言包括BASIC、FORTRAN、C、C++、JA V A等
复杂程序采用算法语言编写，能够更便利地表达程序员的设计思想，帮助减少程序错误
源程序（Source）
是指用算法语言编写的程序
不能由机器直接识别和执行
必须“翻译”为机器语言后才能由机器识别和执行
84
源程序“翻译”方法
⑴编译程序（Compiler）
把用算法语言编写的源程序翻译成目的程序，然后在运行系统中执行目的程序，得出计算结果
编译程序和运行系统合称为编译系统
⑵解释程序（Interpreter）
进行解释执行，即逐个解释并立即执行源程序的语句
不是编译出目的程序后再执行，而是逐一解释语句并立即得出计算结果
85
3．操作系统
管理计算机资源（如处理器、存储器、外围设备和各种编译、应用程序）
自动调度用户的作业程序
使多个用户能有效地共用一套计算机系统
86
4．数据库
大量数据和表格按一定的规律组织起来，形成数据库（Database，DB）
数据库就是实现有组织、动态地存储大量相关数据，方便多用户访问的计算机软、硬件资源所组成的系统
数据库和数据库管理软件一起，组成了数据库管理系统（Database Management System，DBMS）
87
1.2.3 软件与硬件的逻辑等价性
随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势
任何操作既可以由软件来实现，也可以由硬件来实现
任何指令的执行都可以由硬件完成，也可以由软件来完成
计算机系统的软件与硬件可以互相转化，互为补充
软件固化
把复杂的、常用的程序用只读存储器制作成固件(Firmware)
就其功能而言是软件，但从形态来说又是硬件
本来通过软件手段实现的某些功能，现在可以通过硬件直接解释执行
一些当代计算机的特点，就是把原来通过编制程序实现的操作，改为直接由硬件完成，如整数乘除法指令、浮点运算指令、处理字符串指令等等
88
1.3 计算机系统的概念
1.3.1 计算机系统的层次结构
1.3.2 计算机系统的3个术语
1.3.3 计算机体系结构的分类
89
1.3.1 计算机系统的层次结构
现代计算机系统是硬件、固件和软件组成的一个十分复杂的整体
为了对计算机系统进行描述、分析、设计和使用，人们从语言的角度出发，把计算机系统按功能划分成5个层次级别
每一级以一种不同的语言为特征
每一级都能进行程序设计
90
第1级是微程序设计级，属于硬件级，由机器硬件直接执行微指令，也可直接用组合逻辑和时序逻辑电路实现
第2级是机器语言级，也属于硬件级，由微程序解释机器指令系统
第3级是操作系统级，属于（软硬件）混合级，由操作系统程序实现
第4级是汇编语言级，属于软件级，由汇编程序支持和执行
第5级是高级语言级，也属于软件级，由各种高级语言编译程序支持和执行
各层次之间关系紧密，上层是下层功能的扩展，下层是上层的基础
92
1.3.2 计算机系统的3个术语
1．计算机体系结构
2．计算机组成
3．计算机实现
93
1．计算机体系结构
计算机体系结构（Computer Architecture）定义为机器语言程序员所看到的计算机系统的属性
这些属性是计算机系统中由硬件或固件完成的功能
对通用寄存器型机器来说，这些属性主要包括：数据表示、寻址规则、寄存器定义、指令集、终端系统、存储系统、信息保护、I/O结构等
计算机体系结构概念的实质
确定计算机系统中软硬件的界面
界面之上是软件的功能，界面之下是硬件和固件的功能
94
2．计算机组成
计算机组成（Computer Organization）指的是计算机体系结构的逻辑实现
包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等
着眼于机器内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件的联系
95
3．计算机实现
计算机实现（Computer Implementation）指的是计算机组成的物理实现
包括处理机、存储器等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等
着眼于器件技术和微组装技术，其中器件技术在实现技术中占主导作用
96
三个术语有紧密的关系
具有相同计算机体系结构（如指令系统相同）的计算机，可以采用不同的计算机组成
例如，取指令、指令译码、指令执行、访存取数、结果写回5个阶段，可以在时间上按顺序方式进行，也可以让它们在时间上按重叠方式进行（即时间并行），以提高执行速度
一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现
例如，存储器件可以采用静态RAM（SRAM）芯片，也可以采用动态RAM（DRAM）芯片，可以采用单片大规模集成电路，也可以采用中小规模集成电路进行构建
取决于性能价格比的要求与器件技术的现状
97
1.3.3 计算机体系结构的分类
1966年，Michael J. Flynn从计算机体系结构的并行性能出发，按照指令流和数据流的不同
98
1．SISD体系结构
SISD计算机是传统的顺序执行的计算机（CAI演示）
在同一时刻只能执行一条指令（即只有一个控制流）、处理一个数据（即只有一个数据流）通常由一个处理器和一个存储器组成
主要缺点
单个处理器的处理能力有限
这种结构没有发挥数据处理中的并行性潜力
99
2．SIMD体系结构
SIMD计算机属于并行结构计算机（CAI演示）
一条指令可以同时对多个数据进行运算
单一的指令部件，多个处理单元
由一个控制器、多个处理器、多个存储模块和一个互连网络组成
以阵列处理机和向量处理机为代表
100
3．MISD体系结构
MISD计算机（CAI演示）
具有多个处理单元，分别执行不同的指令流
同一个数据流顺次通过各个处理单元
只适用于某些特定的算法，在目前常见的计算机系统中很少见
101
4．MIMD体系结构
MIMD计算机属于并行结构计算机（CAI演示）
多个处理单元根据不同的控制流程执行不同的操作，处理不同的数据
由多台处理机、多个存储模块和一个互连网络组成
每台处理机执行自己的指令，操作数也是各取各的，每个处理器都可以单独编程
以多处理机和机群系统为代表
计算机组成原理(唐朔飞) 复习资料
第1章计算机系统概论 1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？ 解：P3 计算机系统：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。 计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。 计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。 硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。 2. 如何理解计算机的层次结构？ 答：计算机硬件、系统软件和应用软件构成了计算机系统的三个层次结构。 （1）硬件系统是最内层的，它是整个计算机系统的基础和核心。 （2）系统软件在硬件之外，为用户提供一个基本操作界面。 （3）应用软件在最外层，为用户提供解决具体问题的应用系统界面。 通常将硬件系统之外的其余层称为虚拟机。各层次之间关系密切，上层是下层的扩展，下层是上层的基础，各层次的划分不是绝对的。3. 说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及其联系。 答：机器语言是计算机硬件能够直接识别的语言，汇编语言是机器语言的符号表示，高级语言是面向算法的语言。高级语言编写的程序（源程序）处于最高层，必须翻译成汇编语言，再由汇编程序汇编成机器语言（目标程序）之后才能被执行。 5. 冯?诺依曼计算机的特点是什么？ 解：冯?诺依曼计算机的特点是：P8 ●计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成； ●指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问； ●指令和数据均用二进制表示； ●指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置； ●指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行； ●机器以运算器为中心（原始冯?诺依曼机）。 6. 画出计算机硬件组成框图，说明各部件的作用及计算机系统的主要技术指标。 答：计算机硬件组成框图如下： 控制器 运算器 CPU 主机存储器 输入设备 接口 输出设备 接口 外设 各部件的作用如下： 控制器：整机的指挥中心，它使计算机的各个部件自动协调工作。 运算器：对数据信息进行处理的部件，用来进行算术运算和逻辑运算。 存储器：存放程序和数据，是计算机实现“存储程序控制”的基础。 输入设备：将人们熟悉的信息形式转换成计算机可以接受并识别的信息形式的设备。 输出设备：将计算机处理的结果（二进制信息）转换成人类或其它设备可以接收和识别的信息形式的设备。 计算机系统的主要技术指标有： 机器字长：指CPU一次能处理的数据的位数。通常与CPU的寄存器的位数有关，字长越长，数的表示范围越大，精度也越高。机器字长也会影响计算机的运算速度。 数据通路宽度：数据总线一次能并行传送的数据位数。 存储容量：指能存储信息的最大容量，通常以字节来衡量。一般包含主存容量和辅存容量。
计算机系统结构模拟试题(5)
计算机组成原理模拟试题（2） 一、填空题:04分，每题02分 1、X=-0.1001 ［X］原=_____________ [X］补=_____________［-X］补=_____________ Y=0.0101 ［Y］原=_____________ ［Y］补=_____________ [-Y］补=_____________ ［X+Y］补=_____________ 2、对西文输出的字符设备，在计算机的内存储器中存储的是字符数据的每个字符的_____________码，输出(包括显示或打印)的则是每个字符的_____________，设备中的字符发生器的主要功能是解决从字符的_____________码和字符的_____________间的对应关系。 二、单选题:20分，每题02分 3、32 x 32点阵汉字的机内编码需要。 A: 16个字节 B: 32个字节 C: 32×2个字节 D: 32×4个字节 4、某机字长32位，采用原码定点整数表示，符号位为1位，数值位为31位，则可表示的最大正整数为，最小负整数为。 A: B: C: D: 5、在定点二进制运算器中，减法运算一般通过来实现。 A: 原码运算的二进制减法器 B: 补码运算的二进制减法器 C: 补码运算的十进制加法器 D: 补码运算的二进制加法器 6、在浮点数运算中产生溢出的原因是。 A: 运算过程中最高位产生了进位或借位 B: 参加运算的操作数超出了机器的表示范围 C: 运算的结果的阶码超出了机器的表示范围 D: 寄存器的位数太少，不得不舍弃最低有效位 7、无论如何划分计算机的功能部件，控制器部件中至少含有。 A: PC、IP B: PC、IR C: IR、IP D: AR、IP 8、某存储器容量为32K×16位，则 A: 地址线为16根，数据线为32根 B: 地址线为32根，数据线为16根
《计算机系统结构》复习题
计算机系统结构复习 填空（15*1分），选择（15*1分），简答题（5/6 30分），综合题（4*10分） 1、从使用语言角度，可将系统按功能划分为多层次机器级结构，层次结构分别是：应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言机器级和微程序机器级。 2、各机器级的实现主要靠翻译和解释或两者结合进行。翻译是先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地变换成低一级机器级上等效的程序，然后再在低一级机器级上实现的技术。解释则是在低级机器上用它的一串语句或指令来仿真高级机器上的一条语句或指令的功能，是通过对高级的机器级语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。 3、计算机系统结构在计算机系统机器级层次中指传统机器级的系统结构。 4、计算机系统结构研究的是软、硬件之间的功能分配以及对传统机器级界面的确定，为机器语言、汇编语言程序设计或编译程序生成系统提供使其设计或生成的程序能在机器上正确运行应看到的遵循的计算机属性。 5、计算机系统结构的属性包括： 1.数据表示、2.寻址方式、3.寄存器组织、4.指令系统、5.存储系统组织、6.中断机构、7.系统机器级的管态和用户态的定义和切换、8.机器级的I/O 结构、9.系统各部分的信息保护方式和保护机构等。 6、机器透明性：指相对于每一机器级设计人员，都客观存在的功能或属性看不到的现象，称相对于此级设计人员来说，这些功能或属性是具有透明性，即透明的。 7、计算机组成指的是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。它着眼于机器级内部各事件的排序方式与控制机构、各部件的功能及各部件间的联系。 8、计算机组成设计要解决的问题是在所希望达到的性能和价格下，怎样更好、更合理地把各种设备各部件组织成计算机，来实现所确定的系统结构。 9、当前，计算机组成设计主要是围绕提高速度，着重从提高操作的并行度、重叠度，以及功能的分散和设置专用功能部件来进行的。 10、计算机组成设计要确定的方面一般应包括： 1.数据通路宽路、2.专用部件的设置、3.各种操作对部件的共享程度、4.功能部件的并行度、5.控制机构的组成方式、6.缓冲和排队技术、7.预估预判技术、8.可靠性技术等。 11、计算机实现指计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，微组装技术，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。它着眼于器件技术和微组装技术，其中，器件技术在实现技术中起着主导作用。 13、软、硬件取舍的三个基本原则是： （1）.考虑在现有硬件、器件(主要是逻辑器件和存储器)条件下，系统要有高的性能价格比，主要从实现费用、速度和其他性能要求来综合考虑。 （2）.考虑到准备采用和可能采用的组成技术，使它尽可能不要过多或不合理地限制各种组成、实现技术的采用。 （3）.从“软”的角度考虑如何为编译和操作系统的实现以及为高级语言程序的设计提供更多更好的硬件支持。 14、程序在系统上运行的时间应该是衡量机器时间（速度）性能最可靠的标准。 15、计算机性能通常用峰值性能及持续性能来评价。峰值性能是指在理想情况下计算机系统可获得的最高理论性能值，它不能反映出系统的实际性能。
计算机组成原理知识点总结——详细版
计算机组成原理2009年12月期末考试复习大纲 第一章 1.计算机软件的分类。 P11 计算机软件一般分为两大类：一类叫系统程序，一类叫应用程序。 2.源程序转换到目标程序的方法。 P12 源程序是用算法语言编写的程序。 目标程序（目的程序）是用机器语言书写的程序。 源程序转换到目标程序的方法一种是通过编译程序把源程序翻译成目的程序，另一种是通过解释程序解释执行。 3.怎样理解软件和硬件的逻辑等价性。 P14 因为任何操作可以有软件来实现，也可以由硬件来实现；任何指令的执行可以由硬件完成，也可以由软件来完成。对于某一机器功能采用硬件方案还是软件方案，取决于器件价格，速度，可靠性，存储容量等因素。因此，软件和硬件之间具有逻辑等价性。 第二章 1.定点数和浮点数的表示方法。 P16 定点数通常为纯小数或纯整数。 X=XnXn-1…..X1X0 Xn为符号位，0表示正数，1表示负数。其余位数代表它的量值。 纯小数表示范围0≤|X|≤1-2-n 纯整数表示范围0≤|X|≤2n -1
浮点数：一个十进制浮点数N=10E.M。一个任意进制浮点数N=R E.M 其中M称为浮点数的尾数，是一个纯小数。E称为浮点数的指数，是一个整数。 比例因子的基数R=2对二进制计数的机器是一个常数。 做题时请注意题目的要求是否是采用IEEE754标准来表示的浮点数。 32位浮点数S（31）E（30-23）M（22-0） 64位浮点数S（63）E（62-52）M（51-0） S是浮点数的符号位0正1负。E是阶码，采用移码方法来表示正负指数。 M为尾数。P18 P18
2.数据的原码、反码和补码之间的转换。数据零的三种机器码的表示方法。 P21 一个正整数，当用原码、反码、补码表示时，符号位都固定为0，用二进制表示的数位值都相同，既三种表示方法完全一样。 一个负整数，当用原码、反码、补码表示时，符号位都固定为1，用二进制表示的数位值都不相同，表示方法。 1.原码符号位为1不变，整数的每一位二进制数位求反得到反码； 2.反码符号位为1不变，反码数值位最低位加1，得到补码。 例：x= (+122)10=(+1111010)2原码、反码、补码均为01111010 Y=(-122)10=(-1111010)2原码11111010、反码10000101、补码10000110 +0 原码00000000、反码00000000、补码00000000 -0 原码10000000、反码11111111、补码10000000 3.定点数和浮点数的加、减法运算：公式的运用、溢出的判断。 P63 已知x和y，用变形补码计算x+y，同时指出结果是否溢出。 （1）x=11011 y=00011 （2）x=11011 y=-10101 （3）x=-10110 y=-00001
计算机组成 复习资料
第二章运算方法和运算器 1.简单型汉字为16*16点阵，提高型汉字为24*24点阵、32*32点阵、甚至更高16*16点阵，每个汉字要占用32个字节。国标两级汉字要占用256k字节 2.双精度浮点数：64位浮点数基数R=2 S符号数占1位E阶码占8位 0 M尾数占52位 在运算过程中如出现大于字长绝对值的现象，称为“溢出” 溢出的检测方法： （1）采用双符号位法，称为“变形补码”。任何正数，两个符号位都是“0”，任何负数，两个符号位都是“1”。两数相加后，其结果的符号位出现“01”或“10”两种组合时，表示发生溢出。 （2）采用单符号位法。当最高有效位产生进位而符号位无进位时，产生正溢；当最高有效位无进位而符号位有进位时，产生负溢。 4.一位全加器的表达式：S i = A i○+B i○+C i C i+1 =AiBi+BiCi+CiAi=AiBi+(Ai○+ Bi)Ci 二进制数字Ai、Bi和进位输入Ci相加，产生一个和输出Si，以及一个进位输出 C i+1 5.浮点加减法的操作步骤大体分为4步： 第一步，0操作数检查；第二步，比较阶码大小并完成对阶；第三步，尾数进行加或减运算； 第四步，结果规格化并进行舍入处理。 浮点数乘除运算大体分4步： 第一步，0操作数检查，如果被除数x为0则商为0，如果除数y为0，则商为∞；第二步，阶码加/减操作；第三步，尾数乘/除操作；第四步，结果规格化并进行舍入处理。 6.舍入方法有：就近舍入、朝0舍入、朝+∞舍入、朝—∞舍入（详见P55） 7.规格化：在浮点运算中，尾数求和结果的绝对值大于1，向左破坏了规格化，此时尾数运算结果右移以实现规格化表示，称为向右规格化，即尾数右移1位，阶码加1。当尾数不是1.M时须向左规格化。（P54）
计算机系统结构模拟试题5
计算机组成原理模拟试题（2）一、填空题:04分，每题02分 =_____________ [X］补=_____________补-X］［1、 X=-0.1001 ［X］原 =_____________ =_____________ =_____________ [-Y］补Y］原=_____________ ［］补 Y=0.0101 ［Y ］补=_____________ ［X+Y对西文输出的字符设备，在计算机的内存储器中存储的是 字符数据的每个字符的、 2，设备中的字符_____________(包括显示或打印)的则是每个字 符的码，输出_____________间的对应关_____________发生器的主要功能是解决从字符的 _____________码和字符的系。分二、单选题:20分，每题02 。3、 32 x 32点阵汉 字的机内编码需要 A: 16个字节 B: 32个字节 2个字节 C: 32×个字节 D: 32×4位，则可表示位，数值位为314、某机字长32位，采 用原码定点整数表示，符号位为1 。，最小负整数为的最大正整数为 A: B: C: D: 来实现。 5、在定点二进制运算器中，减法运算一般通过 A: 原码运算的二进制减法器 B: 补码运算的二进制减法器 C: 补码运算的十进制加法器 D: 补码运算的二进制加法器 。 6、在浮点数运算中产生溢出的原因是运算过程中最高位产生了进位或借位 A: 参加运算的操作数超出了机器的表示范围B: C: 运算的结果的阶码超出了机器的表示范围寄存器的位数太少，不得不舍弃最低有效位 D: 。 7、无论如何划分计算机的功能部件，控制器部件中至少含有 IP A: PC、 IR B: PC、、IP C: IR D: AR、IP 8、某存储器容量为32K×16位，则 A: 地址线为16根，数据线为32根 根16根，数据线为32地址线为B: C: 地址线为15根，数据线为16根 D: 地址线为15根，数据线为32根 9、在统一编址方式下，存储单元和I/O设备是靠指令中的来区分的。
(完整版)计算机系统结构复习题(附答案)范文
计算机系统结构复习题和重点（附答案） 一、单项选择题 1．实现汇编语言源程序变换成机器语言目标程序是由（） A．编译程序解释B．编译程序翻译 C．汇编程序解释D．汇编程序翻译 2．系列机软件必须保证（） A．向前兼容，并向上兼容B．向前兼容，并向下兼容 C．向后兼容，力争向上兼容D．向后兼容，力争向下兼容 3．浮点数尾数基值r m=8，尾数数值部分长6位，可表示规格化正尾数的个数是（）A．56个B．63个 C．64个D．84个 4．在IBM370系统中，支持操作系统实现多进程共用公用区管理最有效的指令是（）A．“执行”指令B．“程序调用”指令 C．“比较与交换”指令D．“测试与置定”指令 5．关于非专用总线三种控制方式中，下列叙述错误 ．．的是（） A．集中式定时查询，所有部件共用同一条“总线忙”线 B．集中式定时查询，所有部件都用同一条“总线请求”线 C．集中式独立请求，所有部件都用同一条“总线请求”线 D．集中式串行链接，所有部件都用同一条“总线请求”线 6．磁盘外部设备适合于连接到（） A．字节多路通道B．数组多路通道或选择通道 C．选择通道或字节多路通道D．数组多路通道或字节多路通道 7．在Cache存储器中常用的地址映象方式是（） A．全相联映象B．页表法映象 C．组相联映象D．段页表映象 8．在指令级高度并行的超级处理机中，下列叙述正确的是（） A．超标量处理机利用资源重复，要求高速时钟机制 B．超流水线处理机利用资源重复，要求高速时钟机制 C．超标量处理着重开发时间并行性，要求高速时钟机制 D．超流水线处理机着重开发时间并行性，要求高速时钟机制 9．间接二进制n方体网络是一种（） A．多级立方体网络B．多级全排列网络
(完整版)计算机组成原理知识点总结
第2章数据的表示和运算 主要内容： （一）数据信息的表示 1.数据的表示 2.真值和机器数 （二）定点数的表示和运算 1.定点数的表示：无符号数的表示；有符号数的表示。 2.定点数的运算：定点数的位移运算；原码定点数的加/减运算；补码定点数的加/减运算；定点数的乘/除运算；溢出概念和判别方法。 （三）浮点数的表示和运算 1.浮点数的表示：浮点数的表示范围；IEEE754标准 2.浮点数的加/减运算 （四）算术逻辑单元ALU 1.串行加法器和并行加法器 2.算术逻辑单元ALU的功能和机构 2.3 浮点数的表示和运算 2.3.1 浮点数的表示 （1）浮点数的表示范围 ?浮点数是指小数点位置可浮动的数据，通常以下式表示： N=M·RE 其中，N为浮点数，M为尾数，E为阶码，R称为“阶的基数（底）”，而且R
为一常数，一般为2、8或16。在一台计算机中，所有数据的R都是相同的，于是不需要在每个数据中表示出来。 浮点数的机内表示 浮点数真值：N=M ×2E 浮点数的一般机器格式： 数符阶符阶码值 . 尾数值 1位1位n位m位 ?Ms是尾数的符号位，设置在最高位上。 ?E为阶码，有n+1位，一般为整数，其中有一位符号位EJ，设置在E的最高位上，用来表示正阶或负阶。 ?M为尾数，有m位，为一个定点小数。Ms=0，表示正号，Ms=1，表示负。 ?为了保证数据精度，尾数通常用规格化形式表示：当R＝2，且尾数值不为0时，其绝对值大于或等于0.5。对非规格化浮点数，通过将尾数左移或右移，并修改阶码值使之满足规格化要求。 浮点数的机内表示 阶码通常为定点整数，补码或移码表示。其位数决定数值范围。阶符表示数的大小。 尾数通常为定点小数，原码或补码表示。其位数决定数的精度。数符表示数的正负。
计算机组成原理总复习资料
计算机组成原理总复习资料 第一章 1、主机：CPU、存储器和输入输出接口合起来构成计算机的主机。 2、CPU：中央处理器，使计算机的核心部件，由运算器和控制器构成。 3、ALU：算术逻辑运算单元，执行各种算术运算和逻辑运算。 4、指令：构成计算机软件的基本元素，表示成二进制数编码的操作命令。 5、位：计算机中的一个二进制数据代码（0或1），计算机中数据的最小表示单位。 6、字长：一个数据字中包含的位数，一般为8位，16位，32位或64位等。 7、操作系统：主要的系统软件，控制其它程序的运行，管理系统资源并且为用户提供操作界面。 8、汇编程序：将汇编语言程序翻译成机器语言程序的计算机软件。 9、汇编语言：采用文字方式（助记符）表示的程序设计语言。 10、编译程序：将高级语言程序转换成机器语言程序的计算机软件。 11、解释程序：解释执行高级语言程序的计算机软件，解释并执行源程序的语句。 12、接口：部件之间的连接电路，如输入输出接口是主机与外围设备之间传输数据与控制信息的电路。 13、伪指令：汇编语言程序通常还提供有关该程序装入内存中的位置的信息、表示程序段和数据段开始或结束的信息以及表示程序的开始和结束的信息等，还可以有条件汇编、文件包含、常熟定义等信息。表示这些信息的汇编指令称为伪指令。 14、虚拟地址：在虚拟存储器中，CPU根据指令生成的地址，又称为逻辑地址。 15、机器语言：是一种用二进制代码标识的能够被计算机硬件直接识别和执行的语言。 16. 运算器：计算机中完成运算功能的部件，由ALU 和寄存器构成。 17.外围设备：计算机的输入输出设备，包括输入设备，输出设备和外存储设备。 18.数据：编码形式的各种信息，在计算机中作为程序的操作对象。 19.指令：是一种经过编码的操作命令，它指定需要进行的操作，支配计算机中的信息传递以及主机与输入输出设备之间的信息传递，是构成计算机软件的基本元素。 20. 透明：在计算机中，从某个角度看不到的特性称该特性是透明的。 21.字：数据运算和存储的单位，其位数取决于具体的计算机。 22.字节：衡量数据量以及存储容量的基本单位。1 字节等于8 位二进制信息。 23. 地址：给主存器中不同的存储位置指定的一个二进制编号。 24. 存储器：计算机中存储程序和数据的部件，分为内存和外存。 25. 总线：计算机中连接功能单元的公共线路，是一束信号线的集合，包括数据总线．地址总线和控制总线。 26.硬件：由物理元器件构成的系统，计算机硬件是一个能够执行指令的设备。 27. 软件：由程序构成的系统，分为系统软件和应用软件。 28. 兼容：计算机部件的通用性。 29. 软件兼容：一个计算机系统上的软件能在另一个计算机系统上运行，并得到相同的结果，则称这两个计算机系统是软件兼容的。 30.程序：完成某种功能的指令序列。 31.寄存器：是运算器中若干个临时存放数据的部件，由触发器构成，用于存储最频繁使用的数据。 32.容量：是衡量容纳信息能力的指标。 33.主存：一般采用半导体存储器件实现，速度较高．成本高且当电源断开时存储器的内容会丢失。
计算机系统结构模拟题
《计算机系统结构》模拟题 一．判断是非题,对的打√，错的打× 1.系列机是指由一个厂家生产的具有相同组成，但具有不同系统结构和实现的一系列不同型号的机器。 （ × ） 2.Cray 1向量处理机中，由于每个向量寄存器的长度为64，当实际需要处理的向量长度大于64时，它就不能够处理了。 （ × ） 3.按照Flynn 分类法，Illiac IV 阵列处理机是MIMD 计算机。 （ × ） 4.多级混洗交换网络是阻塞网络。 （ √ ） 二．填空题 1．多机系统的互连网络的通信模式可分为4种，其中，一对一的通信模式称为____单播_____模式，一对全体的通信模式为_____广播____模式，多对多的通信模式为____会议_____模式。 2．SIMD 计算机和流水线向量处理机都可以执行向量指令，前者采用___资源重复______并行性，后者采用___时间重叠______并行性。 3．系列机软件兼容必须做到___向后_____兼容，力争做到___向上_____兼容。 4．流水线消除瓶颈段的方法有____细分_____和____重复设置瓶颈段（可交换次序）_____2种方法。 5．设通道数据传送过程中，选择一次设备的时间为 s T ，传送一个字节的时间为D T ，则字 节多路通道最大流量等于____ D s T T 1 _____。 6．Illiac IV 8×8阵列中，网络直径为____7_____。 7．对堆栈型替换算法，增大分配给程序的___主存页面______，对第一级存储器的命中率就会单调____上升_____。 8．从网络的任何结点看，若网络拓扑结构都是相同的，则称这样的网络是___对称______网络。 三．单项选择题 1.在计算机系统层次结构中，从下层到上层，各层相对顺序正确的是（ B ）。 A.汇编语言机器级－操作系统机器级－高级语言机器级 B.微程序机器级－传统机器语言机器级－汇编语言机器级 C.传统机器语言机器级－高级语言机器级－汇编语言机器级 D.汇编语言机器级－应用语言机器级－高级语言机器级 2．Illiac IV 阵列处理机中，PE 之间所用的互连函数是（ A ）。
计算机系统结构试题及答案
计算机系统结构复习题 单选及填空： 计算机系统设计的主要方法 1、由上往下的设计（top-down） 2、由下往上的设计（bottom-up） 3、从中间开始（middle-out） Flynn分类法把计算机系统的结构分为以下四类： （1）单指令流单数据流 （2）单指令流多数据流 （3）多指令流单数据流 (4) 多指令流多数据流 堆栈型机器：CPU 中存储操作数的单元是堆栈的机器。 累加器型机器：CPU 中存储操作数的单元是累加器的机器。 通用寄存器型机器：CPU 中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。 名词解释： 虚拟机：用软件实现的机器叫做虚拟机，但虚拟机不一定完全由软件实现，有些操作可以由硬件或固件（固件是指具有软件功能的固件）实现。 系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。 兼容机：它是指由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。 流水线技术：将一个重复的时序过程，分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行。 单功能流水线：指流水线的各段之间的连接固定不变、只能完成一种固定功能的流水线。 多功能流水线：指各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能的流水线。 顺序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。 乱序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成。这种流水线又称为无序流水线、错序流水线、异步流水线。 吞吐率：在单位时间流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。 指令的动态调度：
是指在保持数据流和异常行为的情况下，通过硬件对指令执行顺序进行重新安排，以提高流水线的利用率且减少停顿现象。是由硬件在程序实际运行时实施的。 指令的静态调度： 是指依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。它不是在程序执行的过程中、而是在编译期间进行代码调度和优化的。 超标量： 一种多指令流出技术。它在每个时钟周期流出的指令条数不固定，依代码的具体情况而定，但有个上限。 超流水：在一个时钟周期分时流出多条指令。 多级存储层次： 采用不同的技术实现的存储器，处在离CPU不同距离的层次上，各存储器之间一般满足包容关系，即任何一层存储器中的容都是其下一层（离CPU更远的一层）存储器中容的子集。目标是达到离CPU最近的存储器的速度，最远的存储器的容量。 写直达法： 在执行写操作时，不仅把信息写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储器中相应的块。写回法： 只把信息写入Cache中相应块，该块只有被替换时，才被写回主存。 集中式共享多处理机： 也称为对称式共享存储器多处理SMP。它一般由几十个处理器构成，各处理器共享一个集中式的物理存储器，这个主存相对于各处理器的关系是对称的， 分布式共享多处理机： 它的共享存储器分布在各台处理机中，每台处理机都带有自己的本地存储器，组成一个“处理机-存储器”单元。但是这些分布在各台处理机中的实际存储器又合在一起统一编址，在逻辑上组成一个共享存储器。这些处理机存储器单元通过互连网络连接在一起，每台处理机除了能访问本地存储器外，还能通过互连网络直接访问在其他处理机存储器单元中的“远程存储器”。 多Cache一致性： 多处理机中，当共享数据进入Cache，就可能出现多个处理器的Cache中都有同一存储器块的副本，要保证多个副本数据是一致的。 写作废协议： 在处理器对某个数据项进行写入之前，它拥有对该数据项的唯一的访问权 。 写更新协议： 当一个处理器对某数据项进行写入时，它把该新数据广播给所有其它Cache。这些Cache用该新数据对其中的副本进行更新。 机群：是一种价格低廉、易于构建、可扩放性极强的并行计算机系统。它由多台同构或异构
计算机组成原理复习提纲复习资料版
《计算机组成原理》复习提纲 第一章：绪论 1、存储程序概念（基本含义）。P3 ⑴计算机（指硬件）应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成； ⑵计算机内部采用二进制来表示指令和数据； ⑶将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作 2、冯·诺依曼计算机结构的核心思想是什么？存储程序控制 3、主机的概念（组成部件是哪些？） 中央处理器（运算器和控制器）和主存储器 4、计算机的五大基本部件有哪些？ 输入设备，输出设备，存储器，运算器，控制器 5、冯·诺依曼结构和哈佛结构的存储器的设计思想各是什么？P9 程序存储、程序控制 冯·诺依曼结构也称普林斯顿结构，是一种将程序指令存储器和数据存储器合并在一起的存储器结构。指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置。 哈佛结构是一种将程序指令存储和数据存储分开的存储器结构。CPU首先到指令存储器中读取指令内容，译码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作（通常是执行） Cache和主存储器分别是采用的哪种设计思想？ Cache采用哈佛结构，主存储器采用冯.诺依曼结构 6、计算机系统是有软件系统和硬件系统组成的。 7、现代个人PC机在总线结构上基本上都采用的是单总线结构，根据所传送的信息类型 不同又可分为哪三类总线？地址总线，数据总线，控制总线 第二章：数据的机器层表示 1、定点小数表示范围（原码、补码） 原码定点小数表示范围为：-(1-2-n)～(1-2-n) 补码定点小数表示范围为：-1～(1-2-n) 2、定点整数表示范围（原码、补码） 原码定点整数的表示范围为：-(2n-1)～(2n-1) 补码定点整数的表示范围为：-2n ～(2n-1) 3、浮点数表示范围PPT37 4、规格化的浮点数 5、阶码的移码表示 6、IEEE 754浮点数标准 本章复习范围为ftp上第二章的作业题的1、2、3、4题。 第三章：指令系统 1、指令的基本格式（OP字段和地址字段组成）。 2、指令的地址码结构（ 3、2、1、0地址指令的区别） 3、非规整型指令的操作码（扩展操作码）
计算机系统结构总复习题
一、单项选择题 1、直接执行微指令的是( ) A．汇编程序B．编译程序 C．硬件D．微指令程序 2、对系统程序员不透明的应当是( )。 A．Cache存贮器B．系列机各档不同的数据通路宽度C．指令缓冲寄存器D．虚拟存贮器 3、对机器语言程序员透明的是( )。 A．中断字B．主存地址寄存器 C．通用寄存器D．条件码 4、计算机系统结构不包括( )。 A．主存速度B．机器工作状态 C．信息保护D．数据 5、从计算机系统结构上讲，机器语言程序员所看到的机器属性是( )。A．计算机软件所要完成的功能B．计算机硬件的全部组成 C．编程要用到的硬件组织D．计算机各部件的硬件实现 6、计算机组成设计不考虑( )。 A．专用部件设置B．功能部件的集成度 C．控制机构的组成D．缓冲技术 7、以下说法中，不正确的是( )。 软硬件功能是等效的，提高硬件功能的比例会： A．提高解题速度B．提高硬件利用率 C．提高硬件成本D．减少所需要的存贮器用量 8、在系统结构设计中，提高软件功能实现的比例会( )。 A．提高解题速度B．减少需要的存贮容量 C．提高系统的灵活性D．提高系统的性能价格比 9、下列说法中不正确的是( )。 A．软件设计费用比软件重复生产费用高 B．硬件功能只需实现一次，而软件功能可能要多次重复实现 C．硬件的生产费用比软件的生产费用高 D．硬件的设计费用比软件的设计费用低 10、在计算机系统设计中，比较好的方法是( )。 A．从上向下设计B．从下向上设计 C．从两头向中间设计D．从中间开始向上、向下设计11、"从中间开始"设计的"中间"目前多数是在( )。 A．传统机器语言级与操作系统机器级之间 B．传统机器语言级与微程序机器级之间 C．微程序机器级与汇编语言机器级之间 D．操作系统机器级与汇编语言机器级之间 12、系列机软件应做到( )。 A．向前兼容，并向上兼容 B．向后兼容，力争向上兼容
计算机系统结构(复习题)
《计算机系统结构》复习题（一） 一、单项选择题 1．同号相减或异号相加，阶差为1，只需要设置位警戒位。【】A．0 B. 1 C. 2 D. 3 2．计算机系统多级层次结构中，操作系统机器级的直接上层是【】A．传统机器级B．高级语言机器级 C．应用语言机器级D．汇编语言机器级 3．以下不．是设计RISC的原则的是【】A．指令多用硬联控制实现 B．指令条数多，通常超过100条 C．指令寻址方式一般不超过两种 D．所有指令都在一个机器周期内完成 4. 下列操作码的编码方法中，操作码平均长度最短的是：【】 A、固定长编码 B、Huffman编码 C、不等长扩展编码 D、等长扩展编码 5．在采用延迟转移技术时，在以下几种调度方法中，效果最好的是哪一种方法【】 A.将转移指令前的那条指令调度到延迟槽中 B.将转移目标处的那条指令调度到延迟槽中 C.将转移不发生时该执行的那条指令调度到延迟槽中 D.在延迟槽中填入NOP空操作指令 6．在以下输入输出控制器的管理方式中，外设的工作速度对计算机性能影响最小的是 【】 A. 程序控制轮询方式 B. 程序控制中断方式 C. 直接存储器访问方式 D. I/O处理机方式 7. 计算机系统多级层次结构中，操作系统机器级的直接上层是【】 A．传统机器级B．高级语言机器级 C．应用语言机器级D．汇编语言机器级 8．多处理机的互连方式采用总线形式的优点是【】 A.硬件成本低且简单 B.适用于处理机机数较多的场合 C.有很高的潜在通信速率 D.不便于改变系统硬件设置 9．浮点数尾数基值r m=8，尾数数值部分长6位，可表示规格化正尾数的个数是【】A．56个B．63个 C．64个D．84个
计算机组成原理重点难点习题解答
计算机组成原理复习题 一.单项选择题 1.计算机中的主机包含( A )。 A.运算器、控制器、存储器 B.运算器、控制器、外存储器 C.控制器、内存储器、外存储器 D.运算器、内存储器、外存储器 2.二进制数10010010，相应的十进制数是（B）（128＋16＋2＝146） A.136 B.146 C.145 D.144 3.要使8位寄存器A中高4位变0，低4位不变，可使用（A）。逻辑乘 A. A∧0FH→A B.A∨0FH→A C. A∧F0H→A D. A∨F0H→A 4.在计算机内部用于汉字存储处理的代码是（B） A.汉字输入码 B.汉字内码 C.汉字字型码 D.汉字交换码 5.转移指令执行时,只要将转移地址送入( C.程序计数器)中即可 A.地址寄存器 B.指令寄存器 C.程序计数器 D.变址寄存器 6.设机器中存有代码10100011B，若视为移码，它所代表的十进制数为（ B.35）。 A.-23 B.35 C.53 D-113 7.将(-25.25)十进制数转换成浮点数规格化(用补码表示),其中阶符、阶码共4位，数符、尾数共8位，其结果 为（ B.0101，10011011 ） A．0011，10010100 B.0101，10011011 C.0011，1110 D.0101，1100101 8.（2000）10化成十六进制数是（ B.（7D0）16）。
A．（7CD）16 B.（7D0）16 C.（7E0）16 D.（7FO）16 9. 下列数中最大的数是（（10011001）2＝153 ）。 A．（10011001）2 B.（227）8C。（98）16 D.（152）10 10. （ D. 移码）表示法主要用于表示浮点数中的阶码。 A. 原码 B. 补码 C. 反码 D. 移码 11. 在小型或微型计算机里，普遍采用的字符编码是（ D. ASCⅡ码）。 A. BCD码 B. 16进制 C. 格雷码 D. ASCⅡ码 12. 下列有关运算器的描述中，（D. 既做算术运算，又做逻辑运算）是正确的。 A.只做算术运算，不做逻辑运算 B. 只做加法 C.能暂时存放运算结果 D. 既做算术运算，又做逻辑运算 13.控制存储器存放的是(C.微程序)。 A.微程序和数据 B.机器指令和数据 C.微程序 D.机器指令 14. 在指令的地址字段中，直接指出操作数本身的寻址方式，称为( B. 立即寻址)。 A. 隐含寻址 B. 立即寻址 C. 寄存器寻址 D. 直接寻址 15. 下面描述的RISC机器基本概念中正确的表达是( B. RISC机器一定是流水CPU)。 A. RISC机器不一定是流水CPU B. RISC机器一定是流水CPU C. RISC机器有复杂的指令系统 D. CPU配备很少的通用寄存器 16. 系统总线中地址线的功能是(D. 用于指定主存和I/O设备接口电路的地址)。 A. 用于选择主存单元地址 B. 用于选择进行信息传输的设备
计算机组成原理复习题65770教案资料
计算机组成原理复习 题65770
第一章 一、填空 1．计算机系统主要由（）、（）两大部分组成。 2．计算机硬件子系统由（）、（）、（）、（）、（） 3．计算机软件子系统由（）、（） 4．计算机应用软件由（）、（）、（）、（） 5．计算机系统软件由（）、（）、（）、（） 6．计算机的主要技术指标（）、（）、（） 7．计算机发展五代主要代表计算机（）、（）、（）、（）、（） 8．计算机未来发展方向（）、（）、（）、（） 9．计算机按功能可分为（）、（）、（） 10. ( )与（）、输入输出接口和系统总线合称为计算机主机。 11．用高级语言编写的程序称为（）程序，经编译程序或解释程序翻译后成为（）程序。 12．程序设计语言一般分为三类()、()、()。 13．数控机床是计算机在（）方面的应用，邮局自动分拣信件是计算机在（）方面的应用。 14．现代计算机主要采用（）结构作为计算机硬件之间的连接方式。 15．用二进制代码表示的计算机语言称为（），用助记符编写的语言称为（）。 二、选择题 1.“从中间开始”设计的“中间”目前多数在（）
A.传统机器语言机器级与操作系统机器级之间 B.传统机器语言机器级与微程序机器级之间 C.微程序机器级与汇编语言机器级之间 D.操作系统机器级与汇编语言机器级之间 2．在计算机系统设计中，比较好的方法是 ( ) A ．从上向下设计 B ．从下向上设计 C ．从两头向中间设计 D ．从中间开始向上、向下设计 第二章 1.R-S触发器逻辑框图是什么？它有几个输入端各是什么？它有几个输出端？各是什么？ 2.D触发器逻辑框图是什么？它有哪几个同步输入端？哪几个异步输入端？它有哪几个输出端？ 3.二—四译码器的工作原理？（如图）
计算机系统结构模拟题
《计算机系统结构》模拟题（补）一．单项选择题 1. SIMD是指（）。 A、单指令流单数据流 B、单指令流多数据流 C、多指令流单数据流 D、多指令流多数据流 2. 磁盘外部设备适合于连接到（）。 A．字节多路通道B．数组多路通道或选择通道 C．选择通道或字节多路通道D．数组多路通道或字节多路通道 3. 下列（）存储设备不需要编址。 A. 通用寄存器 B. 主存储器 C. 输入输出设备 D. 堆栈 4.多处理机的各自独立型操作系统( )。 A.要求管理程序不必是可再入的 B.适合于紧耦合多处理机 C.工作负荷较平衡 D.有较高的可靠性 5.输入输出系统硬件的功能对( )是透明的。 A.操作系统程序员 B.应用程序员 C.系统结构设计人员 D.机器语言程序设计员 6. 实现汇编语言源程序变换成机器语言目标程序是由（）。 A．编译程序解释B．编译程序翻译 C．汇编程序解释D．汇编程序翻译 7.全相联地址映象是指( )。 A.任何虚页都可装入主存中任何实页的位置 B.一个虚页只装进固定的主存实页位置 C.组之间是固定的，而组任何虚页可以装入任何实页位置 D.组间可任意装入，组是固定装入 8.( )属于MIMD系统结构。 A.各处理单元同时受同一个控制单元的管理 B.各处理单元同时接受同一个控制单元送来的指令 C.松耦合多处理机和多计算机 D.阵列处理机
9.设16个处理器编号分别为0，1，2，…，15用Cube3互联函数时，第10号处理机与第( ) 号处理机相联。 A.11 B.8 C.14 D.2 10.若输入流水线的指令既无局部性相关，也不存在全局性相关，则( )。 A.可获得高的吞吐率和效率 B.流水线的效率和吞吐率恶化 C.出现瓶颈 D.可靠性提高 11．流水线的技术指标不包括( )。 A.响应比 B.吞吐率 C.加速比 D.效率 12．指令优化编码方法，就编码的效率来讲，方法最好是（）。 A. 固定长度编码 B. 扩展编码法 C. Huffman编码法 D. 以上编码都不是 13．RISC 计算机的指令系统集类型是 ( ) 。 A. 堆栈型 B. 累加器型 C. 寄存器—寄存器型 D. 寄存器 - 存储器型 14．相联存储器的访问方式是( )。 A．先进先出顺序访问B．按地址访问 C．无地址访问D．按容访问 15．存储器读写速率越高，每位的成本也越高，存储容量也小。解决这一问题的主要方法是采用( )。 A．多级存储体系结构B．并行存储器 C． Cache D．缓冲技术 16．计算机系统多级层次中，从下层到上层，各级相对顺序正确的应当是（）。 A.汇编语言机器级---操作系统机器级---高级语言机器级 B.微程序机器级---传统机器语言机器级---汇编语言机器级 C.传统机器语言机器级---高级语言机器级---汇编语言机器级 D. 汇编语言机器级---应用语言机器级---高级语言机器级 17．对系统程序员不透明的是（）。 A.Cache 存储器 B.系列几各档不同的数据通路宽度 C.指令缓冲寄存器 D.虚拟存储器 18．在计算机系统设计中，比较好的方法是（）。
《计算机体系结构》期末复习题标准答案
《计算机体系结构》期末复习题答案
————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：
《计算机体系结构》期末复习题答案 系别_________ 班级_________ 姓名__________ 学号__________ 一、填空题（每空1分） 1.按照弗林（Flynn）分类法，计算机系统可以分为4类：SISD计算机、（SIMD计算机）、（MISD计算机）和（MIMD计算机）。 2. 改进之后的冯?诺依曼计算机的只要特点是存储器为中心，总线结构，分散控制。 3. 当前计算机系统中的存储系统是一个层次结构，其各层分别为：（通用寄存器，高速缓存，主存，辅存，脱机大容量存储器）。 4.高速缓冲存储器的地址映象方式有三种，它们分别是：（全向量方式，直接相联方式，组相联方式）。 5.虚拟存储器的三种管理方式是（段式管理，页式管理和段页式管理）。 6.目前计算机中常用数据有（用户定义数据，系统数据和指令数据）三种类型。 7.通常可能出现的流水线的相关性有（资源相关，数据相关和控制相关）。 8.解决中断引起的流水线断流的方法有（不精确断点法和精确断点法）。 9.目前向量处理机的系统结构有两种：（存储器－存储器型和寄存器－寄存器型）。 10.通用计算机基本指令分为5类，它们分别是：（数据传送类，运算类，程序控制类，输入输出类，处理机控制和调试类）。 11．执行指令x1=x2+x3；x4=x1-x5会引起（RAW）类型的数据相关，执行指令x5=x4*x3；x4=x0+x6会引起（W AR）类型的数据相关，执行指令x6=x1+x2；x6=x4*x5会引起（WA W）类型的数据相关。 12．多计算机网络中，通常出现的4种通信模式是（单播模式，选播模式，广播模式和会议模式）。 13.传统的冯?诺依曼计算机是以控制驱动方式工作，以数据驱动方式工作的典型计算机是（数据流计算机），以需求驱动方式工作的典型计算机是（归约机），以模式匹配驱动方式工作的典型计算机是（人工智能计算机）。 二、名词解释（每题2分） 1.计算机体系结构： 计算机系统结构就是计算机的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性，是硬件子系统的概念结构及其功能特性。 2.系列机： 所谓系列机是指同一厂家生产的具有相同的系统结构，但采取了不同的组成和实现的技术方案，形成了不同型号的多种机型。 3.模拟: 模拟是指用软件的方法在一台计算机上，实现另一台计算机的指令系统，被模拟的机器是不存在的，称为虚拟机，执行模拟程序的机器称宿主机。 4.程序的局部性原理: 程序访问局部性原理说明了计算机在程序执行过程中呈现出的一种规律，即程序往往重