计算机组成原理复习提纲

第一章计算机系统概论

掌握计算机组成的五大功能部件及其相互连接关系，以及计算机系统组成的层次概念。P14
掌握冯.诺依曼机的工作原理
了解恒量计算机性能的指标（吞吐量、CPU时钟周期、主频、ＣPI、MIPS、MFLOPS、CPU执行时间）P5
计算机软件的发展分类（了解）

说明：第1.和第4.构成了计算机系统
重点：计算机的五大硬件组成及其连接关系，冯.诺依曼机的工作原理。
难点：计算机系统的层次结构

练习：

指令和数据都以二进制代码存在存储器中，如何区分取出的是指令还是数据？
从器件角度看，计算机共经历了五代变化。但从系统结构看，至今绝大多数计算机属于( )计算机。
下列选项中，能描述浮点数操作指标的是( )。
A.CPI B.MIPS C.PCI D.MFLOPS

第二章运算方法和运算器

一、数据的表示

机器数：补码和移码
定点数和浮点数表示(IEEE754标准格式32位):其中阶码E是用8位的移码表示的

S符号位 E阶码 M尾数

1位 8位 23位

S符号位	E阶码	M尾数
1位	8位	23位

一般情况下阶码(n是有效数据的位数，不包含符号位) $$E=e_真+2^n$$
但是在754标准中，8位的阶码 $$E=e_真+2^{n-1}-1 $$
从而得知：$$ e_真=E-127 $$
规格化浮点数表示的真值 $$ X=(-1)^{S.(1.M)\times2}{E-127} $$
X的最大正整数是多少？
考虑8位移码(一位符号位，7位有效数据位)表示的数值范围是：[0~255],
其中0和255有特殊用途，去除，所以规格化浮点数表示的范围是[1~254]
00000000,00000001,········,11111111

规格化浮点数的表示：要求尾数的绝对值$$ 0.5\le|M|<1 $$，规格化浮点数表示(均为补码)，正数：00.1·······, 负数：11.0·······

不规格化表示：
- 00.0·······
- 11.1·······
- 01.········
- 10.········

IEEE754 （32位）与16进制或者十进制数值的转换。

二、运算方法

定点数的补码加减法运算

$[X]_补+[Y]_补=[X+Y]_补 (mod 2^{n+1})$

$[X-Y]_补=[X]_补-[Y]_补=[X]_补+[-Y]_补=[X]_补+Y按位取反+1（当Y为正数）$

理解溢出的概念，掌握判断溢出的方法（不能处理）
- 变形补码法
- 双高位判断法
理解并掌握原码一位乘算法思想
理解并掌握原码一位除不恢复余数法算法的思想（也即加减交替法）
浮点数的加减运算步骤：
- 求阶差对大阶
- 尾数求和
- 规格化处理
- 舍入处理
算术与逻辑运算单元ALU（先行进位和串行进位）
流水线的基本概念和公式
- 一个具有K个过程段的线性流水线的时钟周期(课本P59)：$$L=max{t_i}+\tau$$
- 一个具有K个过程段的线性流水线处理n个任务需要的时钟周期数$$T_k=K+(n-1)$$
补充：校验码（奇偶校验和汉明码）
补充：移位运算
- 算术移位：（带符号位的移位）
- 负数的补码：左移添0，右移添1属于符号位的扩展
- 原码左移右移均添0
- 逻辑移位：与符号位无关，左移右移均添0
PSW标志寄存器中各标志位的含义。

练习:

某计算机的指令流水线由各功能段组成，指令流水线经各功能段的时间(忽略各功能段之间的缓存时间)分别为90ns、80ns、70ns、60ns,则该计算机的CPU时钟周期至少是( )。
A.90ns B.80ns C.70ns D.60ns
假定编译器规定int 和short类型长度分别为32位和16位，执行下列C语言语句：
1
2
unsigned short x=65530;
unsigned int y=x;
得到y的机器数为（）。
A.0000 7FFA B.0000 FFFA C.FFFF 7FFA D.FFFF FFFA
float类型（即IEEE754单精度浮点数格式）能表示的最大正整数是（）。

$A.\quad2^{126}-2^{103}\quad B.\quad2^{127}-2^{104} \\ C.\quad2^{127}-2^{103}\quad D.\quad2^{128}-2^{104}$

某机器有一个标志寄存器，其中有进位/借位标志CF、零标志ZF、符号标志SF和溢出标志OF，条件转移指令bgt(无符号整数比较大于时转移)的转移条件是( )。

$A.\quad OF+CF=1 \quad B.\quad\overline{SF}+ZF=1 \\ C.\quad \overline{(CF+ZF)}=1 \quad D.\quad\overline{(CF+SF)}=1$

计算机内部如何判断带符号整数加/减法运算的结果是否发生溢出？
已知x=11011，y=-11111，用变形补码计算x-y，同时指出运算结果是否溢出？
已知x=-0.1110，y= - 0.1101，用原码一位乘求[x·y]原。
已知x=-1100,y=-1000用变形补码法求解x+y,同时指出结果是否溢出?
设$$x=2^{{010}\times0.11011011,y=2}{100}\times(-0.10101100),求[x+y]_浮=?$$(两数要求用补码表示，阶码采用双符号位，尾数采用单符号位)
若浮点数x的754标准存储格式为41360000H，求其浮点数的十进制数值是( )。
A.1011.011 B.11.375 C. -11.375 D.11.25

第三章存储器

存储器的分类与层次结构（主存储器的性能指标：存储器容量和存储器速度。其中决定存储速度的是存取时间和存储周期）
存储器带宽：单位时间内存储器存取的信息量。单位B/S
SRAM和DRAM的工作原理及用途(异同点）
- TTL
- MOS
CPU和存储器的连接
字扩展、位扩展、字位同时扩展
高速缓冲存储器CAche
- cache的工作原理的理解及应用
- 主存和cache的地址映射
- cache和主存的块替换策略
- cache写策略
虚拟存储器
页式虚拟的实现过程、TLB快表快在哪里？
Cache与虚存的异同(见课本P283）
理解TLB的缓存过程和cache的缓存过程是独立的（见课本P285-286）
双端口和多模块交叉存储器（顺序和交叉访问存储器的带宽）
只读存储器（了解）
- FLASh
- Memory
数据在内存中的存储
数据按边界对齐存储的含义是？

练习:

1.常用的虚拟存储器系统由( )两级存储器组成，其中辅存是大容量的磁表面存储器。
A.cache—主存 B.主存—辅存 C.cache—辅存 D.通用寄存器—cache

2.当前的CPU有( )组成。
A.控制器 B.控制器、运算器、cache C.运算器、主存D.控制器、ALU、主存

3.存储器按字节编址，小端方式，int型和short型长：32位和16位，数据按边界对齐存储。record变量的首地址为0xc008,则地址0xc008中内容及record.c的地址分别为（）。

struct {   
    int a;
    char b;
    short c;
}record;

record.a=273;

A.0x00、0xC00D B.0x00、0xC00E C.0x11、0xC00D D.0x11、0xC00E

下列关于闪存（Flash Memory）的叙述中，错误的是（）。
A. 信息可读可写，并且读写速度一样快
B. 存储元由MOS管组成，是一种半导体存储器P84
C. 掉电后信息不丢失，是一种非易失性存储器
D. 采用随机访问方式，可替代计算机外部存储器
按字编址，cache有4个行，cache和主存之间交换的块大小为1个字。2路组相连映射LRU替换算法，访存地址依次为0,4,8,2,0,6,8,6,4,8，命中cache的次数是（）。
A.1 B.2 C.3 D.4
EEPROM是指( )。
A.读写存储器 B.只读存储器 C.闪速存储器 D.电可擦除可编程只读存储器
主存储器和CPU之间增加cache的目的是()。
A.解决CPU和主存之间速度匹配问题 B.扩大CPU中通用寄存器的数量
C.扩大主存储容量 D.既扩大主存储容量又扩大CPU中通用寄存器的数量
假设某计算机的存储系统由cache和主存组成。某程序执行过程中访存1000次，其中访问cache缺失(未命中)50次，则cache的命中率是( )。
A.5% B.9.5% C.50% D.95%
CPU执行一段程序时，cache完成存取的次数为1900次，主存完成存取的次数位100次，已知cache的存取周期为50ns,主存存取周期为250ns，求cache命中率、cache/主存系统的效率和平均访问时间。
设存储器容量为32字，字长128位，模块数m=4，分别用顺序方式和交叉方式进行组织。存储周期T=200ns，数据总线宽度为128位，总线传送周期t=50ns。若连续读出4个字，问顺序存储器和交叉存储器的带宽各是多少？
假设主存容量16M×32位，cache容量64K×32位,主存与cache之间以每块4×32位大小传送数据，请确定直接映射方式的有关参数,并画出主存的地址格式。
CPU有16根地址线(A15 - A0)，8根数据线(D7 - D0)，MREQ作访问存储器的控制电平(低电平有效)，WE作为读写控制电平(WE=0时，写允许；WE=1时，读允许)。现有芯片：1K×4(RAM)，4K×8(RAM)，2K×8(ROM)以及3-8译码器，试画出CPU与存储器连接。

要求：
- 主存地址分配如下：6000H - 67FFH 为系统程序区；6800H - 6BFFH 为用户工作区。
- 合理选择芯片，说明各选几片？
- 详细画出存储器的片选逻辑。

2010年考研第44题,2011年考研第44题

第四章指令系统

指令格式及其特点
指令或数据的寻址方式（重点）

立即数
直接寻址
间接寻址
寄存器寻址
寄存器间接寻寻址
堆栈寻址
偏移寻址：
相对寻址EA=A+（PC）
基址寻址EA=A+（BR）
变址寻址EA=A+(R）；一般R+1->R

了解何为一个完备的指令系统
RISC与CISC特点（重点第五章也有此内容）

练习:

下列选项中，汇编语言程序员可见的是( )。
A.地址寄存器MAR B.程序计数器PC
C.存储器数据寄存器MDR D.指令寄存器IR
偏移寻址将通过某个寄存器内容与另一个形式地址相加而生成有效地址。下列寻址方式中，不属于偏移寻址的是( )。
A.间接寻址 B.基址寻址 C.相对寻址 D.变址寻址
设某机器字长共有16位，主存按字节编址，转移指令采用相对寻址，有两个字节组成，第一个字节是操作码字段，第二字节是相对位移量字段。假定取指令时，每取一个字节PC自动加1。若某转移指令所在的地址为2000H，相对位移量字段的内容为06H，则该转移指令成功转移后的目标地址是( )。
A.2006H B.2007H C.2008H D.2009H
（参考2010年考研第43题）某计算机字长为16位，主存地址空间大小为128KB，按字编址。采用单字长指令格式，指令各字段定义如下：

转移指令采用相对寻址方式，相对偏移量用补码表示，寻址方式定义如下：
|Ms/Md| 寻址方式 |助记符 |含义|
|:—😐:—😐:—😐:—😐
|000B| 寄存器直接| Rn| 操作数=(Rn)|
|001B| 寄存器间接| (Rn)| 操作数=((Rn))|
|010B| 寄存器间接、自增| (Rn)+| 操作数=((Rn))，(Rn)+1→Rn|
|011B| 相对| D(Rn)| 转移目标地址=(PC)+(Rn)|

注：(X)表示存储器地址X或寄存器X的内容，请回答下列问题：
- 该指令系统最多可有多少条指令？该计算机最多有多少个通用寄存器？存储器地址寄存器(MAR)和数据寄存器MDR至少各需多少位？
- 转移指令的目标地址范围是多少？
- 若操作码0010B表示加法操作(助记符add)，寄存器R4和R5的编号分别为100B和101B，R4的内容为1234 H，R5的内容为5678H，地址1234 H中的内容为5678H，地址5678H中的内容为1234 H，则汇编语言add(R4),(R5)+(逗号前源操作数，逗号后为目的操作数)对应的机器码是什么(用十六进制表示)？该指令执行后，哪些寄存器和存储单元的内容会改变？改变后的内容是什么？

第一章 计算机系统概论

练习：

第二章 运算方法和运算器