中职《计算机原理》第3章 中央处理器
计算机组成原理知识点总结
计算机组成原理知识点总结第一章一、数字计算机的五大部件（硬件）及各自主要功能（P6）计算机硬件组成：存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备。
1、存储器（主存）主要功能：保存原始数据和解题步骤。
包括：内存储器（CPU 直接访问），外存储器。
2、运算器主要功能：进行算术、逻辑运算。
3、控制器主要功能：从内存中取出解题步骤（程序）分析，执行操作。
包括：计算程序和指令（指令由操作码和地址码组成）。
4、输入设备主要功能：把人们所熟悉的某种信息形式变换为机器内部所能接收和识别的二进制信息形式。
5、输出设备主要功能：把计算机处理的结果变换为人或其他机器所能接收和识别的信息形式。
注：1、冯诺依曼结构：存储程序并按地址顺序执行。
2、中央处理器（CPU）：运算器和处理器的结合。
3、指令流：取指周期中从内存读出的信息流，流向控制器。
数据流：在执行器周期中从内存读出的信息流，由内存流向运算器。
二、数字计算机的软件及各自主要功能（P11）1、系统软件：包括服务性程序、语言程序、操作程序、数据库管理系统。
2、应用程序：用户利用计算机来解决某些问题而设计。
三、计算机的性能指标。
1、吞吐量：表征一台计算机在某一时间间隔内能够处理的信息量，用bps度量。
2、响应时间：表征从输入有效到系统产生响应之间的时间度量，用时间单位来度量。
3、利用率：在给定的时间间隔内，系统被实际使用的时间所在的比率，用百分比表示。
4、处理机字长：常称机器字长，指处理机运算中一次能够完成二进制运算的位数，如32位机、64位机。
5、总线宽度：一般指CPU从运算器与存储器之间进行互连的内部总线一次操作可传输的二进制位数。
6、存储器容量：存储器中所有存储单元（通常是字节）的总数目，通常用KB、MB、GB、TB来表示。
7、存储器带宽：单位时间内从存储器读出的二进制数信息量，一般用B/s（字节/秒）表示。
8、主频/时钟周期：CPU的工作节拍受主时钟控制，按照规定在某个时间段做什么（从什么时候开始、多长时间完成），主时钟不断产生固定频率的时钟信号。
第3章 计算机硬件系统 习题与答案
第三章习题（1）复习题1．计算机由哪几部分组成，其中哪些部分组成了中央处理器？答：计算机硬件系统主要由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备等五部分组成其中，运算器和控制器组成中央处理器（CPU）。
（P69）2．试简述计算机多级存储系统的组成及其优点？答：多级存储系统主要包括：高速缓存、主存储器和辅助存储器。
把存储器分为几个层次主要基于下述原因：（1）合理解决速度与成本的矛盾，以得到较高的性能价格比。
（2）使用磁盘、磁带等作为外存，不仅价格便宜，可以把存储容量做得很大，而且在断电时它所存放的信息也不丢失，可以长久保存，且复制、携带都很方便。
(P74-P75)3．简述Cache的工作原理，说明其作用。
答：Cache的工作原理是基于程序访问的局部性的。
即主存中存储的程序和数据并不是CPU 每时每刻都在访问的，在一段时间内，CPU只访问其一个局部。
这样只要CPU当前访问部分的速度能够与CPU匹配即可，并不需要整个主存的速度都很高。
Cache与虚拟存储器的基本原理相同，都是把信息分成基本的块并通过一定的替换策略，以块为单位，由低一级存储器调入高一级存储器，供CPU使用。
但是，虚拟存储器的替换策略主要由软件实现，而Cache的控制与管理全部由硬件实现。
因此Cache效率高并且其存在和操作对程序员和系统程序员透明，而虚拟存储器中，页面管理虽然对用户透明，但对程序员不透明；段管理对用户可透明也可不透明。
Cache的主要作用是解决了存储器速度与CPU速度不匹配的问题，提高了整个计算机系统的性能。
(P77) 4．描述摩尔定律的内容，并说明其对于计算机的发展具有怎样的指导意义？答：摩尔定律（Moore law）源于1965年戈登·摩尔（GordonMoore，时任英特尔(Intel)公司名誉董事长）的一份关于计算机存储器发展趋势的报告。
根据他对当时掌握的数据资料的整理和分析研究，发现了一个重要的趋势：每一代新芯片大体上包含其前一代产品两倍的容量，新一代芯片的产生是在前一代产生后的18-24个月内。
计算机原理
• • • • • • • • 计算机的发展简史 冯·诺依曼机特点 电子计算机发展阶段 计算机的分类 计算机的主要应用 计算机系统构成 工作过程 PC（personal computer）的组成
1943——1946年美国宾夕法尼亚大学研 制的电子数字积分器和计算机ENIAC （Electronic Numerical And Computer） 是世界上第一台电子计算机。一般认为它 是现代计算机的始祖。冯·诺依曼与ENIAC 计算机研制的同时，冯·诺依曼（Von Neumann）与莫尔小组合作研制EDVAC计算 机，采用了存储程序方案，其后开发的计 算机都采用这种方式，称为冯·诺依曼计 算机。
三人行，必有我师焉：录
根据计算机所采用的物理器件的发展，一般把电子计算机的发展分成四 个阶段，习惯上称为四代。 第一代：电子管计算机时代（从1946年到50年代后期），其主要特点是采 用电子管作为基础器件。代表机型IBM公司的IBM650。 第二代：晶体管计算机时代（从50年代中期到60年代后期），采用的主要 器件逐步由电子管改为晶体管，缩小了体积，降低了功耗，提高了速度和可靠 性，降低了价格。代表机型控制数据公司（CDC）的大型计算机系统CDC6600. 第三代：集成电路计算机时代（从60年代中期到70 年代前期），计算机采用集成电路作为基本器件，功耗、 体积、价格进一步下降，速度和可靠性相应的提高。 代表机型IBM公司的IBM360. 第四代：大规模集成电路计算机时代 （从70年代初至今），70年代初，半导体存储器问世， 迅速取代了磁芯存储器，并不断向大容量、高速度发展。 微型计算机 1984年内涵2300个晶体管的Intel 4004芯片问世，开启了现代计算机的篇章。
系统总线
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第1-3章计算机组成原理课后习题答案
第1章计算机系统概论1.1 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：计算机系统由硬件和软件两大部分组成。
硬件即指计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电子元器件，各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外设等。
软件是看不见摸不着的，由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成，用来充分发挥硬件功能，提高机器工作效率，便于人们使用机器，指挥整个计算机硬件系统工作的程序、资料、数据集合。
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。
1.2 如何理解计算机系统的层次结构？解：（1）第一级：实际机器M1 (机器语言机器)，机器语言程序直接在M1上执行；（2）第二级：虚拟机器M2（汇编语言机器），将汇编语言程序先翻译成机器语言程序，再在M1-上执行；（3）第三级：虚拟机器M3(高级语言机器)，将高级语言程序先翻译成汇编语言程序，再在M2、M1（或直接到M1）上执行；（4）第零级：微程序机器M0（微指令系统），由硬件直接执行微指令。
（5）实际上，实际机器M1和虚拟机器M2之间还有一级虚拟机，它是由操作系统软件构成，该级虚拟机用机器语言解释操作系统。
（6）虚拟机器M3还可以向上延伸，构成应用语言虚拟系统。
1.3 说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及联系。
解：机器语言由0、1代码组成，是机器能识别的一种语言。
用机器语言编写程序时要求程序员对他们所使用的计算机硬件及其指令系统十分熟悉，编写程序难度很大，操作过程也极易出错。
汇编语言是符号式的程序设计语言，汇编语言是面向机器的语言，它由一些特殊的符号表示指令。
用汇编语言编写的汇编语言程序必须先被翻译成机器语言程序，才能被机器接受并自动运行。
汇编语言的每一条语句都与机器语言的某一条语句（0、1代码）一一对应。
高级语言是面向用户的语言，与具体的计算机指令系统无关、对问题的描述更接近于人们习惯，且易于掌握和书写。
它具有较强的通用性，程序员完全不必了解、掌握实际机器M1的机型、内部的具体组成及其指令系统，只要掌握这类高级语言的语法和语义，便可直接用这种高级语言来编程，给程序员带来了极大的方便。
《计算机组成原理》教案
《计算机组成原理》教案一、教学目标1. 了解计算机硬件系统的组成及功能2. 掌握数据的表示和运算方法3. 理解存储器的层次结构和工作原理4. 掌握中央处理器（CPU）的工作原理和性能指标5. 了解计算机的输入输出系统及其接口技术二、教学内容1. 计算机硬件系统计算机的组成输入输出设备存储器中央处理器（CPU）2. 数据的表示和运算数制转换计算机中的数据类型算术运算逻辑运算3. 存储器层次结构随机存储器（RAM）只读存储器（ROM）硬盘存储器虚拟存储器4. 中央处理器（CPU）CPU的组成和结构指令集和指令系统指令执行过程CPU性能指标5. 输入输出系统输入输出设备I/O接口技术中断和直接内存访问（DMA）总线和接口三、教学方法1. 采用讲授法，讲解基本概念、原理和方法。
2. 结合实例分析，让学生更好地理解计算机组成原理。
3. 使用实验和实训，培养学生的实际操作能力。
4. 开展课堂讨论和小组合作，提高学生的分析和解决问题的能力。
四、教学资源1. 教材：《计算机组成原理》2. 课件：PowerPoint或其他教学软件3. 实验设备：计算机、内存条、硬盘等4. 网络资源：相关在线教程、视频、论文等五、教学评价1. 平时成绩：课堂表现、作业、实验报告等（30%）2. 期中考试：测试计算机组成原理的基本概念、原理和方法（30%）3. 期末考试：综合测试计算机组成原理的知识点和实际应用（40%）六、教学安排1. 课时：共计48课时，每课时45分钟。
第一章：8课时第二章：6课时第三章：10课时第四章：10课时第五章：4课时第六章：6课时第七章：6课时第八章：4课时第九章：4课时第十章：4课时2. 教学方式：讲授、实验、课堂讨论、小组合作等。
七、教学重点与难点1. 教学重点：计算机硬件系统的组成及功能数据的表示和运算方法存储器的层次结构和工作原理中央处理器（CPU）的工作原理和性能指标输入输出系统及其接口技术2. 教学难点：存储器的工作原理中央处理器（CPU）的指令执行过程输入输出系统的接口技术八、教学进度计划1. 第一周：计算机硬件系统概述2. 第二周：数据的表示和运算3. 第三周：存储器层次结构4. 第四周：中央处理器（CPU）5. 第五周：输入输出系统6. 第六周：综合练习与实验九、教学实践活动1. 实验：实验一：计算机硬件组成认识实验二：数据表示与运算实验三：存储器测试实验四：CPU性能测试实验五：输入输出系统实验2. 课堂讨论：讨论话题：计算机硬件技术的未来发展讨论形式：小组合作、课堂分享1. 课程结束后，对教学效果进行自我评估和反思。
计算机组成原理第三章
• 通信总线
–是指计算机系统之间或计算机 系统与其他系统（如控制仪表 等）之间的通信传输线。 –IDE、SCSI、USB、RS－232
通信总线
系统总线按传输信息不同分类
据总线是双向的
3.2
• 数据总线 （ DB ）： 用来传输各功能部件之间的数据，数
数据总线的条数称为数据总线宽度。比如，16位总线，指其 数据总线为16根。
数据传输率 (总线带宽)：即单位时间内总线上传输数据的 位数，用MB/s（每秒多少兆字节）表示。 例：总线工作频率33MHz，总线宽度32位，则标准传输 率＝ 33×32/8＝132MB/s。 总线复用：通常地址总线与数据总线在物理上是分开的两种 总线。为提高总线的利用率，将地址总线和数据总线共用一组 物理线，在某一时刻该总线传输地址信号，另一时刻传输数据 信号或命令信号。
3. 总线通信的四种方式
（1）同步通信
3.5
通信双方由统一时标控制数据传送称为同
步通信。
时标通常由CPU的总线控制部件发出，送
到总线上的所有部件；也可以由每个部件各自
的时序发生器发出，但是必须有总线控制部件
发出的时钟信号对它们进行同步。
同步式数据输入传输
T2时刻发出读命令；从 总线上两个部件完 模块按照所指定的地址 T4 时刻开始输入设备不再 CPU 在 T3 时 刻 开 始 ， 成一次完整而可靠 和命令进行一系列内部 一直维持到 向数据总线上传送数据， 的传输时间 主模块在 T1时刻 动作，必须在 T3时刻前 T4时刻， 撤消它对数据总线的驱动， 可以从数据线上获取 发出地址信息 找到CPU所需的数据， 从 T4 起，数据总线呈浮空 信息并送到其内部寄 并送到数据总线上 状态 存器中
《计算机组成原理》教案
《计算机组成原理》教案一、课程简介1.1 课程背景计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门核心课程，旨在帮助学生了解和掌握计算机的基本组成、工作原理和性能优化方法。
通过本课程的学习，学生将能够理解计算机硬件系统的整体结构，掌握各种计算机组件的功能和工作原理，为后续学习操作系统、计算机网络等课程打下基础。
1.2 课程目标（1）了解计算机系统的基本组成和各部分功能；（2）掌握计算机指令系统、中央处理器（CPU）的工作原理；（3）熟悉存储器层次结构、输入输出系统及总线系统；（4）学会分析计算机系统的性能和优化方法。
二、教学内容2.1 计算机系统概述（1）计算机的发展历程；（2）计算机系统的层次结构；（3）计算机系统的硬件和软件组成。
2.2 计算机指令系统（1）指令的分类和格式；（2）寻址方式；（3）指令的执行过程。
2.3 中央处理器（CPU）（1）CPU的结构和功能；（2）流水线技术；（3）多核处理器。
2.4 存储器层次结构（1）存储器概述；（2）随机存取存储器（RAM）；（3）只读存储器（ROM）；（4）缓存（Cache）和虚拟存储器。
2.5 输入输出系统（1）输入输出设备；（2）中断和DMA方式；（3）总线系统。
三、教学方法3.1 讲授法通过讲解、举例、分析等方式，使学生掌握计算机组成原理的基本概念、原理和应用。
3.2 实验法安排实验课程，使学生在实践中了解和验证计算机组成原理的相关知识。
3.3 案例分析法分析实际案例，使学生了解计算机组成原理在实际应用中的作用和意义。
四、教学评价4.1 平时成绩包括课堂表现、作业完成情况、实验报告等。
4.2 期末考试采用闭卷考试方式，测试学生对计算机组成原理知识的掌握程度。
五、教学资源5.1 教材《计算机组成原理》（唐朔飞著，高等教育出版社）。
5.2 辅助资料包括课件、实验指导书、案例分析资料等。
5.3 网络资源推荐学生访问相关学术网站、论坛，了解计算机组成原理的最新研究动态和应用成果。
计算机学科专业基础综合组成原理-中央处理器(CPU)(二)
计算机学科专业基础综合组成原理-中央处理器(CPU)(二)(总分：100.00，做题时间：90分钟)一、{{B}}单项选择题{{/B}}(总题数：47，分数：47.00)1.CPU中运算器的全部功能是______。
∙ A.产生时序信号∙ B.完成算术逻辑运算∙ C.取指令、分析指令并执行指令∙ D.指令控制、操作控制、时间控制和中断处理（分数：1.00）A.B. √C.D.解析：[解析] 运算器负责对数据进行加工和处理，即完成算术逻辑运算。
2.流水线计算机中，下列语句发生的数据相关类型是______。
ADD R1, R2, R3; (R2)+(R3)→R1ADD R4, R1, R5; (R1)+(R5)→R4∙ A.写后写∙ B.读后写∙ C.写后读∙ D.读后读（分数：1.00）A.B.C. √D.解析：[解析] 数据相关类型包括RAW(写后读)、WAW(写后写)、WAR(读后写)。
设有i和j两条指令，i指令在前，j指令在后，则3种相关的含义如下。
·RAW(写后读)：指令j试图在指令i写入寄存器前就读出该寄存器的内容，这样指令j就会错误地读出该寄存器旧的内容。
·WAR(读后写)：指令j试图在指令i读出该寄存器前就写入该寄存器，这样指令i就会错误地读出该寄存器的新内容。
·WAW(写后写)：指令j试图在指令i写入寄存器前就写入该寄存器，这样两次写的先后次序被颠倒，就会错误地使由指令i 写入的值成为该寄存器的内容。
在这两条指令中，都对R1进行操作，其中前面对R1写操作，后面对R1读操作，因此发生写后读相关。
3.在CPU的状态字寄存器中，若符号标志位SF为“1”，表示运算结果是______。
∙ A.正数∙ B.负数∙ C.非正数∙ D.不能确定（分数：1.00）A.B.C.D. √解析：[解析] 状态字寄存器用来存放PSW，PSW包括两个部分：一是状态标志，如进位标志(C)、结果为零标志(Z)等，大多数指令的执行将会影响到这些标志位；二是控制标志，如中断标志、陷阱标志等。
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第三章中央处理器
一、填空题
1、目前的CPU包括_____________,_____________,cache和总线等。
2、中央处理器的四个功能_____________，_____________，_____________，_____________。
3、在CPU中，保存当前正在执行的指令的寄存器为_____________，保存下一条指令地址的寄存器为_____________。
保存当前指令地址的寄存器_____________，算术逻辑运算结果通常保存在_____________中。
4、CPU从主存取取一条指令并执行该指令的时间叫做_____________，它常用若干个_____________表示，而后者又包含若干个_____________。
5、顺序执行指令时PC的值_____________
6、从功能上讲，8088CPU可以分为_____________和_____________两部分。
7、8088CPU内部有_____个寄存器，其中________个通用寄存器分别是_________________，_________个控制寄存器_____ ___ _，______个段寄存器_____________。
8、8088CPU有_____________个引脚，双列_____________式封装。
9、8088CPU引脚MX
MN/的功能是__________________________。
10、在计算机中，基本的运算有_____________和_____________。
11、控制器的主要功能有_____________，_____________，_____________。
12、8088的四个段寄存器为__________________________。
其中程序必须放在_____________寄存器中，堆栈必须放在_____________寄存器中。
数据通常放在_____________和_____________中。
13、PSW程序状态字寄存器中的各对应标志位分别代表什么含义
CF：
PF：
AF：
ZF：
SF：
TF：
IF：
DF：
OF：
二、单项选择题
1、CPU通用寄存器的位数取决于_____________
A、存储器容量
B、机器字长
C、指令的长度
D、CPU的管脚数
2、计算机主频的周期指的是_____________
A、指令周期
B、时钟周期
C、CPU周期
D、存取周期
3、指令周期是指_____________
A、CPU从主存取出一条指令的时间
B、CPU执行一条指令的时间
C、CPU从主存取出一条指令加上持行这条指令的时间
D、时钟周期的时间
4、Intel80486是_____________位微处理器，Pentuim是_____________位微处理器
A、16
B、32
C、64
D、128
5、状态寄存器用来存放_____________
A、算术运算结果
B、逻辑运算结果
C、运算类型
D、算术、逻辑运算及测试指令的结果状态
6、中央处理器CPU是_____________
A、控制器
B、控制器和主存
C、运算器和控制器
D、运算器和寄存器
7、下列逻辑部件中，____________不包括在运算器内。
A、AC
B、PSW
C、IR
D、ALU
8、程序计数器PC属于_____________中。
A、运算器
B、控制器
C、存储器
D、I/O接口
9、程序计数器的功能_____________
A、存放指令
B、存放下一条机器指令地址
C、计算程序长度
D、存放微指令地址
10、运算器在运算过程中，得到的标志位中没有_____________
A、进位标志位
B、溢出标志位
C、零标志位
D、正数标志位
11、8088微处理器中，若运算结果是负数，下列标志位一定是1的是_____________
A、SF
B、ZF
C、OF
D、TF
12、8088寄存器中，代表指令指针的是_____________
A、IP
B、BP
C、DI
D、SP
13、在8088微处理器中，堆栈段的偏移量保存在_____________中。
A、SS
B、SP
C、IF
D、BP
14、8086CPU的40根引脚中，有个是分时复用的。
A）21 B）1 C）2 D）24
15、8086CPU工作在最大模式还是最小模式取决于信号。
A）M/ IO B) NMI C）MN/ MX D）ALE
多项选择题
1．微型计算机的基本结构包括。
A）运算器B）寄存器C）存储器D）CPU
E）控制器F）外设及接口G）总线
2．指令操作数可来自于。
A）存储器B）时序电路C）寄存器D）立即数
E）控制器F）I/O接口
3．8086标志寄存器中控制为。
A) CF B）IF C）DF D）SF E）TF F）OF G）ZF
三、下列操作可使用哪些寄存器
1、加法和减法
2、保存段地址
3、表示运算结果为0
4、将要执行的指令地址
5、将要从堆栈取出数据的地址
四、判断题
1．CPU芯片中集成了运算器和控制器。
（）
2．存储单元的地址和存储单元的内容是一回事。
（）
3．在执行指令期间，EU能直接访问存储器。
（）4．8086CPU从内存中读取一个字（16位）必须用两个总线周期。
（）5．8086CPU的一个总线周期一般由4个T状态组成。
（）
五、请将下列左边的项和右的解决联系起来（把所选字母放入括号中）
1、CPU （）A、保存当前栈项地址的寄存器
2、存储器（）B、批示下一条要招待的指令的地址。
3、堆栈（）C、存储程序、数据等信息的记忆装置，PC机有RAM和ROM两种
4、PC （）D、以“后进先出”方式工作的存储空间
5、SP （）E、把汇编语言程序翻译成机器语言程序的系统程序
6、状态标志（）F、唯一代表存储空间中每个字节单元的地址。
7、控制标志（）G、告诉CPU要执行的操作（一般还要指出操作数地址），在程序运行
时执行
8、段寄存器（）H、用指令的助记符、符号地址、标号等符号书写程序的语言
9、物理地址（）I、把若干个模块连接起来成为可执行文件的系统程序
10、汇编语言（）J、保存各逻辑段的起始地址的寄存器，有四个：CS，DS，SS，ES
11、机器语言（）K、控制操作的标志，PC机有三位：DF，ZF，TF
12、汇编程序（）L、记录指令操作结果的标志，共六位：OF，SF，ZF，AF，PF，CF
13、连接程序（）M、分析，控制并执行指令的部件，由算术ALU和寄存器组等组成
14、指令（）N、能被计算机直接识别的语言
六、简答题
1、简述指令周期、CPU周期、时钟周期、总线周期
2、8088计算机怎样用16位的寄存器管理20位的物理地址
3、8086/8088 CPU中有几个段寄存器？其功能是什么？
4、什么是逻辑地址、物理地址、物理地址是如何求得的？。