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计算机组成原理简答题
第1章 计算机系统概论
计算机系统的主要层次结构：
简述计算机系统的多级层次结构的分层理由及各层功能？
答：计算机是一个很复杂的软、硬件的结合体。为了更好地表达和了解这些属性之间的管，
以便于全面地了解计算机系统的整体结构，将计算机系统划分为多个层次结构。
1.第一层：微程序设计级，它是计算机的最底层--硬件层。
2.第二层：指令系统级，它所提供的是那些在计算机硬件可以读懂并可以直接操纵计算机
硬件工作的二进制信息。它是计算机软件和硬件的分界。
3.第三层：操作系统级即虚拟机，它管理计算机的硬件和软件资源。
4.第四层：语言处理程序及其他系统软件级。方便用户更好地使用计算机。
5.第五层：应用程序级。它是针对计算机用户在某一应用领域为某些专门问题而开发的应
用软件。
计算机的五大基本组成是什么：
运算器：用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存在运算器里。
存储器：用来存放数据和程序。
控制器：用来控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算的结果。
输入设备：用来将人们熟悉的信息形式转换为机器能识别的信息形式，常见的有键盘、鼠标等。
输出设备：可将机器运算结果转换为人们熟悉的信息形式，如打印机输出等。
冯诺依曼机器的主要特点：
1）计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部分组成；
2）指令和数据存储在存储器中，并可以按地址访问；
3）指令和数据均以二进制表示；
4）指令由操作码和地址码构成，操作码指明操作的性质，地址码表示操作数在存储器中的位置；
5）指令在存储器内按顺序存放，通常按自动的顺序取出执行；
6）机器以运算器为中心，I/O设备与存储器交换数据也要通过运算器。
计算机系统5层层次结构从下到上由哪五层组成？哪些是物理机，哪些是虚拟机？
1）微程序机器、传统机器、操作系统机器、汇编语言机器、高级语言机器
2）微程序机器和传统机器是物理机，其他是虚拟机。
什么是存储单元、存储字、存储字长、存储体？
存储单元：存储一个存储字并具有特定存储地址的存储单位；
存储字：一个存储单元中存放的所有的二进制数据，按照某个地址访问某个存储单元获取的二进制数据。
存储字长：存储字中二进制数据的位数，即按照某个地址访问某个存储单元获取的二进制数据的位数；
存储体：由多个存储单元构成的存储器件。
第2章 运算方法和运算器
浮点加减运算基本按照哪几步来进行
1）对阶：使小数点对齐；
2）尾数求和：将对阶后的两个尾数按照定点加减运算规则求和；
3）规格化：尾数规格化；
4）舍入：尾数右规时，丢失数值位；
5）溢出判断：判断结果是否溢出。
第3章 多层次存储器
使用多级cache是为了减少缺失损失。
什么是多层次的存储器？为什么需要多层次的存储器？
使用高级缓冲存储器、主存储器、外存储器。CUP能直接访问的为内存储器，它包括cache和主存储器。CPU不能访问的为外存储器，外存储器 的信息必须调入内存储器后才能为CPU处理。
对存储器的要求是容量大，速度快，成本低，但在一个存储器中同时满足这三方面是困难的，为了缓解主存储器读写速度慢，另一方面又要解决主存储器容量小，为了解决这方面的矛盾，在目前计算机系统中，通常采用多级存储体系结构
Cache常用的替换算法有哪些？哪个命中率最高？
1）最不经常使用（LFU)、近期最少使用算法(LRU)和随机替换算法；
2）命中率最高的是近期最少使用算法；
Cache写操作有哪两种方式？
1）写直达法：写操作既写入Cache又写入主存；
2）写回法：只把数据写入Cache而不写入主存，当Cache中数据被替换出去之后才写入主存。
s-r r w
s w
s-d d w
Cache 有哪几种地址映射方法？各有何特点？
答： 1. 直接映射：主存的一块只能复制到 Cache 的一个特定行位置上去，主存的地址有高位
标记、字块地址、块内地址三个标记。这种映射关系实现简单，但是主存的块只能固定地对
应着某个缓存块，不够灵活，命中率低。较适合容量大的 Cache。
2. 全相联映射：主存中的任一块都可以映像到 Cache 的任一块上，主存的地址有高位标
记、块内地址两个标记。机制灵活，命中率高，但所需要的逻辑电路较多，成本高。较适合
容量小的 Cache。
3. 组相联映射：是前两中的折中。主存的地址有高位标记、组地址、块内地址三个标记。
比直接映像灵活，命中率高，比全相联映射所需成本低。较适合容量小的 Cache。
将主存地址映射到Cache地址称为地址映射，常见的Cache映射方式有哪几种？
直接映射、全相联映射、组相联映射。
直接映射的优缺点？
优点：地址变换速度快。缺点：cache利用率不高，块冲突率高；
全相联映射的优缺点？
优点：cache利用率高，块冲突率低。缺点：地址变换复杂，需要较多的硬件。
提高访存速度的三种方式。
1）采用高速元器件；
2）采用存储层次结构：cache-主存结构；
3）调整主存结构：包括单体多字，多体并行两种方式。
什么是存取时间？什么是存取周期？哪个大？
1）存取时间：启动一次存储器完成本次操作（读或写）所需的时间；
2）存取周期：连续两次启动存储器所需要的最小间隔时间；
3）存取周期包含存取时间；
存储器按存取方式，可以分成哪四类？哪些属于随机访问存储器，哪些属于串行访问存储器？
1）可以分为随机存储器、只读存储器、顺序存储器和直接存储器；
2）随机存储器和只读存储器属于随机存储器，即存取时间与物理地址无关；
3）顺序存储器（典型的如磁带）和直接存储器（典型的如磁盘）属于串行存储器，即存取时间与物理地址有关。
常见的存储系统层次结构有哪两种？透明性如何？各自用来解决什么问题的？
1）缓存-主存层次：用来缓解CPU和主存速度不匹配的问题，由硬件来完成，对所有的程序员完全透明。
2）主存-辅存层次：用来解决主存容量不够的问题，由操作系统和硬件共同完成，对应用程序设计者透明，对系统程序设计者不透明。
三级存储器系统中各级存储器特点与用途，分哪两个层次。
1主存 特点：随机访问、速度快。容量大。用途：存放CPU使用的程序和数据。
辅存 特点：容量大、速度慢、价格低、可脱机保存信息。用途：存放大量后备数据
缓存 特点：速度快、容量小、价格高 用途：用于主存与辅存之间作为缓冲，正在使用的程序和数据的付本。
2缓存-----主存层次和主存---辅村层次。
说明Cache-主存的地址映像有哪三种方式，说明他们的基本映像原理。
直接映射：将主存空间按Cache的尺寸分区，每区内相同的块号映像到Cache中相同的块位置。优：实现简单；缺：不够灵活
全相连映射：主存中的每一个字块可映射到Cache任何一个字块位置上，当访问一个块中的数据时，块地址要与Cache块表中的所有地址标记进行比较以确认是否命中。
组相连映射：是直接映射和全相连映射的一种折中方案，这种方案将存储空间分为若干组，各组间是直接映射，而组内各块间是全相连映射。
第4章 指令系统
RISC - -RR
说明计算机九大寻址方式及有效地址EA计算方法。
立即寻址：无需寻址 隐含寻址：无需寻址 直接寻址：EA=A 间接寻址：EA=(A) 相对寻址：EA=(PC)+A
基址寻址：EA=(BR)+A 变址寻址：EA=(IX)+A 寄存器寻址：EA=Rj 寄存器间接寻址：EA=(Rj)
什么是机器指令？什么是指令系统？
1）机器指令：每一条机器语言的语句；
2）指令系统：全部机器指令的集合。
一条指令包含哪两个主要部分？请简要说明各部分作用。
1）操作码：指明指令要完成的操作；
2）地址码：指明指令要操作的数据或数据来源；
指令中地址的个数可以有几个？
四地址、三地址、二地址、一地址以及零地址。
假设指令中有四个地址、三个地址、两个地址以及一个地址，各自需要访存几次？
1）四地址：访存4次；
2）三地址：访存4次；
3）两地址：访存3次；
4）一地址：访存2次；
寻址方式包括哪两类？
1）指令寻址：下一条将要执行的指令的指令地址；
2）数据寻址：确定本指令的操作数地址。
什么是形式地址？什么是有效地址？
1）形式地址：指令的地址码字段通常都不代表操作数的真实地址，成为形式地址，记为A；
2）有效地址：操作数的真实地址，记为EA，由寻址特征和形式地址共同决定；
了解各种寻址方式的概念及根据形式地址形成有效地址的方式。
立即寻址、直接寻址、隐含寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、基址寻址（隐式或显式）、变址寻址、相对寻址、堆栈寻址
什么是RISC？什么是CISC？
RISC：精简指令集；
CISC：复杂指令集；
第5章 中央处理器
CPU的组成 由控制器，运算器和cache.
CPU的功能：
1.指令控制
2.操作控制
3.时间控制
4.数据加工
CPU中的主要寄存器：
DR（数据缓冲寄存器）：暂存ALU运算结果，或由数存读数据，或接数据。（时间缓冲，补偿速度）
IR(指令寄存器）：保存当前正在执行的一条指令。
PC（程序计数器）：确定下一条指令地址。从指存提取第一条指令的地址。（有寄存器和计数功能）
AR （数据地址寄存器)：保存当前CPU所访问的数据cache存储器中的单元地址
R0-R3(通用寄存器):当ALU执行算术或逻辑运算时，为ALU提供一个工作区。
PSW(状态字寄存器）：保存指令，测试代码
时序信号的控制方式
同步控制
异步控制
联合控制
并行技术
1.时间并行
2.空间并行
3.时间+空间并行
影响流水线性能的因素主要有哪几种？请简要加以说明。
结构相关：是当多条指令进入流水线后，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求时产生的。不同指令争用同一功能部件产生资源冲突。
数据相关：是指令在流水线中重叠执行时，当后继指令需要用到前面指令的执行结果时发生的。可能改变对操作数的读写访问顺序。
控制相关：是当流水线遇到分支指令和其它改变PC值的指令时引起的。
分别说明一下名词MAR，MDR，CU，IR，PC的中文名称及该器件的主要功能。
MAR是存储器地址寄存器，用来存放欲访问的存储单元的地址，其位数对应存储单元的个数。
MDR是存储器数据寄存器，用来存放从存储体某单元取出or存入的代码，其位数与存储字长相等。
如4K × 8位的存储芯片，有log2（4K）=12条地址线，8条数据线
CU是控制单元，用来分析当前指令所需完成的操作，并发出各种微操作命令序列，用以控制所有被控对象。
IR是指令寄存器，用来存放当前指令，IR的内容来自MDR。
PC是程序计数器，用来存放当前欲执行指令的地址，它与主存的MAR间有一条直接通道且具有自动加1功能，即可自动形成下一条指令的地址。
根据CPU访存的性质不同，可将CPU的工作周期分为哪几类？分别完成什么操作？
(1)取指周期(取指令)、
(2)间址周期(取有效地址)、
(3)执行周期(取（或存）操作数)、
(4)中断周期(将程序断点保存起来)
什么是指令周期、机器周期、时钟周期 三者的关系如何。
指令周期：完成一条指令的时间，由若干机器周期组成。
机器周期：完成摸个独立操作，由若干时钟周期组成。
时钟周期：最基本时间单位，由主频决定。
关系：时钟周期是最基本时间单位，由若干时钟周期组成机器周期，由若干机器周期组成指令周期。
第6章 总线系统
说明总线结构对计算机系统性能的影响。
(1)简化了硬件的设计。
(2)简化了系统结构。
(3)系统扩充性好。
(4)系统更新性能好。
一个单处理器系统中的总线，分为三类：
1.内部总线：连接各寄存器及运算部件之间的总线
2.系统总线：计算机系统的其他高速功能部件，相互连接的总线
3.I/O总线：I/O设备之间相互连接的总线
总线的特性：
1.物理特性
2.功能特性
3.电气特性
4.时间特性
总线结构：
1.单总线结构
2.多总线结构（桥是一种具有缓冲，转换，控制功能的逻辑电路）
地址线：单向，传送主存与设备的地址
控制线：单向，指明数据传送方向，中断控制和定时控制
数据线：双向，传送数据
CPU总线
PCI总线：集中式仲裁方式，专门的总线仲裁器（猝发式传送）
ISA总线
桥： CPU-PCI 北桥 PCI-ISA 南桥
总线的信息传输方式：
1.串行传送
2.并行传送
3.分时传送
总线的仲裁方式分为
1.集中式仲裁
①链式查询方式（菊花链）：缺点，对询问链的电路故障很敏感
②计数器定时查询方式：
③独立请求方式：优点，响应时间快（效率最高）
2.分布式仲裁
系统总线按照传输信息的不同，分成哪几类？是单向的，还是双向的？
1）分成数据总线、地址总线以及控制总线。
2）数据总线：各个功能部件之间传送数据信息，双向传输；
3）地址总线：用来指明数据总线上，源数据或目的数据所在的主存单元的地址。单向：由CPU发出
4）控制总线：用来发送各种控制信号。对于控制总线中的单根线，是单向的，即只能由一个部件发向另一个部件。而一组控制总线中，有输入也有输出，因此，控制总线也可以看成是双向的。
什么是总线宽度、总线带宽、总线复用、信号线数？
1）总线宽度：数据总线的根数，一般是8的倍数。是衡量计算机系统性能的重要指标；
2）总线带宽：即总线数据传输速率，总线上每秒能够传输的最大字节量。
3）总线复用：一条信号线上分时传送两种信号。例如数据总线和地址总线的分时复用；
4）信号线数：地址总线、数据总线和控制总线三种总线的线数之和。
同步通信与异步通信区别？ （同步定时，异步定时）
答： 1.同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致，发送端发送连续的比特流；异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步，发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。
2.同步通信效率高；异步通信效率较低。
3.同步通信较复杂，双方时钟的允许误差较小；异步通信简单，双方时钟可允许一定误差。
4.同步通信可用于点对多点；异步通信只适用于点对点。
第七章 外存与I/O设备
外围设备大体分为输入设备，输出设备，外存设备，数据通信设备，过程控制设备五大类。
外围设备由三个基本部分组成
1.存储介质
2.驱动装置
3.控制电路
CPU信息交换方式
1.程序查询方式（同步操作）
2.程序中断方式（慢）
3.DMA方式（直接内存访问，是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式）速度高
4.通道方式
DMA的传送方式
1.停止CPU访问
2.周期挪用
3.DMA与CPU交替访问
