计算机组成常见问题
第1章：计算机系统概论
1、计算机系统由哪两部分组成？计算机系统性能取决于什么？
计算机系统是由“硬件”和“软件”组成。衡量⼀台计算机性能的优劣是根据多项技术指标综合确定的，既包括硬件的各种性能指标，⼜包括软件的各种功能。
1）计算机系统由硬件和软件两部分组成。
2）计算机系统性能由硬件和软件共同决定。
2、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。
3、在计算机系统结构中，什么是翻译？什么是解释？
1）翻译：将⼀种语⾔编写的程序全部翻译成另⼀种语⾔，然后再执⾏；
2）解释：将⼀种语⾔编写的程序的⼀条语句翻译成另⼀种语⾔的⼀条或多条语句，然后执⾏，执⾏完这条语⾔后，再解释下⼀条。
4、什么是计算机体系结构？什么是计算机组成？以乘法指令为例说明⼆者区别。
1）计算机体系结构是指那些能够被程序员看到的计算机的属性。如指令集、数据类型等；
2）计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现出来的属性；
3）以乘法指令为例，计算机是否有乘法指令，属于体系结构的问题。乘法指令是采⽤专⽤的乘法器，还是使⽤加法器和移位器构成，属于计算机组成的问题。
计算机实现是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，器件的集成度及速度，模块、插件和底板的划分与连接，信号传输、点源冷却即整机装配技术等
5、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。（因此，后来有了以存储器为中⼼的计算机结构）
现代计算机运算器的发展主要是在提⾼CPU的速度,⽽存储器的发展主要是在扩⼤容量.现在CPU的处理速度已经远远超过内存的存取速度，相差⼤概四五个数量级.所以现代计算机的运⾏速度瓶颈主要是在存储器⽅⾯.因为这样的原因所以才说现代计算机是以存储器为中⼼.
6、画出现代计算机的组成框图。
7、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。
8、主存储器中，什么是MAR，什么是MDR，存储器的最⼤容量由什么决定？
1）MAR：存储地址寄存器，保存需要访问的存储单元地址。反映存储单元的个数。
2）MDR：存储数据寄存器，缓存读出/写⼊存储单元的数据。反映存储字长。
3）存储器的最⼤容量由MAR寄存器的位数和MDR寄存器的位数决定。
9、什么是机器字长，什么是存储字长长？
机器字长：CPU⼀次能够处理的⼆进制数据的位数。
存储字长：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。
10、假设MAR寄存器的位数为16位，MDR寄存器的位数为16位，存储器的最⼤容量是多少？
1）MAR寄存器的位数为16位，能表⽰的地址个数为2的16次⽅，为64K；
2）MDR寄存器的位数为16位，说明存储字长为16位，也即2个字节；
3）存储器的最⼤容量为64K * 2B = 128K Byte
第三章系统总线
1、为什么要使⽤总线？
在冯诺依曼结构中，各个部件之间均有单独连线，不仅线多，⽽且导致扩展I/O设备很不容易。即扩展⼀个I/O设备，需要连接很多线。
因此，引⼊了总线连接⽅式，将多个设备连接在同⼀组总线上，构成设备之间的公共传输通道。
2、总线的两⼤基本特征是什么？
1）共享：多个部件连接在同⼀组总线上，各个部件之间都通过该总线进⾏数据交换。
2）分时：同⼀时刻，总线上只能传输⼀个部件发送的信息；
3、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。
3、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。
4、假设总线的⼯作频率为33MHz，总线宽度为32位，则它最⼤的传输速率是多少？
33 * （32/8） = 132 MB/s
5、简要说明单总线结构的概念及缺点？（现代计算机为什么要采⽤多总线结构？）
在单总线结构中，所有的部件（CPU、主存、I/O设备）都连接在⼀组总线上。
但所有的信息传送都要通过这组总线，同时只能有⼀个部件向总线上发送信息，导致总线成为系统的瓶颈。
因此，发展出来了多总线结构，其基本思想均是将速度相近的设备挂接在同⼀组总线上，总线之间通过总线控制器相连。
例如CPU和Cache之间、I/O设备之间等。
6、集中式总线判优控制有哪三种⽅式，哪种⽅式的优先级不能改变？
1）链式查询、计数器定时查询、以及独⽴请求。
2）链式查询的优先级不能改变，离控制器最近的优先级最⾼。
7、简述链式查询、计数器定时查询以及独⽴请求三种⽅式的⼯作原理。
（略）
8、什么是总线周期，分为哪⼏个阶段？
1）总线周期：总线上两个部件完成⼀次完整且可靠的数据传输时间；
2）分为四个阶段：
申请分配阶段：申请总线
寻址阶段：发出地址及有关命令
传数阶段：进⾏数据交换
结束：从总线上撤除信号，让出总线
9、什么是总线通信控制，总线通信控制有哪⼏种？
1）总线通信控制：解决通信双⽅如何获知传输开始和传输结束，以及如何协调配合；
2）同步通信、异步通信、半同步通信、分离式通信
10、什么是同步通信？其优点和缺点？
１）同步通信：总线上各个部件由统⼀的时钟信号控制；在总线周期中，每个时钟周期各个部件如何动作都有明确的规定。
２）优点：速度快，各个模块间配合简单
３）缺点：以总线上最慢的部件来设计公共时钟，影响总线效率。
11、什么是异步通信？异步通信分为哪⼏种类型？
1）异步通信：总线上各部件没有统⼀的时钟标准，采⽤应答式通信；（主模块发出请求后，⼀直等到从模块反馈回来应答信号之后才开始通信）
2）不互锁、半互锁、全互锁。（需要了解各种⽅式的含义）
12、什么是波特率？什么是⽐特率？（需要掌握如何计算波特率、⽐特率）
波特率：单位时间内传送的⼆进制数据数据的位数，单位bps
⽐特率：单位时间内传送的有效的⼆进制位数。
13、异步通信时，常规需要设置的参数有哪些？
波特率、停⽌位（1/2/1.5）、校验位（奇校验、偶校验、⽆校验）
14、简述半同步通信的基本原理。
半同步通信结合同步通信和异步通信。
同步通信：采⽤统⼀的时钟，规定了在⼀定的时钟周期⼲什么事情；
异步通信：如果从模块没有准备好，增加⼀个“等待响应”信号。
15、简述分离式通信的基本原理。
主模块发出地址和命令之后，放弃总线，在从模块准备数据期间，使得总线可以被其他设备所⽤。提⾼总线利⽤率。
但是，这种⽅式控制⽐较复杂。
16、奇偶校验可以纠错吗？汉明码可以纠错码？
1）奇偶校验只能检错，不能纠错。
2）汉明码可以纠错。
第四章存储器
1、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。
2、衡量存储器使⽤哪三个指标？寄存器、缓存、主存中，哪个速度最快？哪个最便宜？
1）速度、容量、位价格。
2）寄存器速度最快，主存最便宜。
3、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。
（现在⼀般存储器都即能按字访问，也能按照字节访问，因此，存储器编址时，每个字节都有⼀个独⽴的地址。）
4、字在存储单元中有两种存储⽅式，⼤端⽅式和⼩端⽅式。各是什么含义？x86采⽤的是哪种存储⽅式？
1）⼤端⽅式：字的低位存在内存的⾼地址中，⽽字的⾼位存在内存的低地址中；
2）⼩端⽅式：字的低位存在内存的低地址中，⽽字的⾼位存在内存的⾼地址中。
3）x86CPU采⽤的是⼩端⽅式。
5、主存的三个主要技术指标
存储容量、存取速度和存储带宽
6、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；
7、什么是存储器带宽？（要了解如何计算存储器带宽）
单位时间内存储器存取的信息量；
8、半导体存储芯⽚译码驱动包含哪两种⽅式，请简要说明。
1）线选法：所有的地址芯⽚通过⼀个译码器译码，选择⼀个存储单元的各位，适合于存储容量不⼤的芯⽚；
2）重合法：将地址分为两组，每组通过⼀个译码器译码，选择⾏或列，⾏、列交叉处就是要访问的存储位。
9、随机存储器包含哪两⼤类？哪个需要刷新？请从速度、容量、价格等⽅⾯进⾏简要⽐较。
1）静态RAM：采⽤锁存器原理实现；
2）动态RAM：采⽤电容原理实现，需要刷新。
3）相⽐于动态RAM，静态RAM的速度快、容量⼩、价格⾼，⼀般⽤于缓存，⽽动态RAM⼀般⽤于内存。
10、只读存储器有哪⼏种？
1）掩模ROM（MROM）：出⼚后内容不能被更改。
2）PROM：可编程只读存储器，可以进⾏⼀次性编程；
3）EPROM：可擦除只读ROM，⽤紫外线照射；
4）EEPROM：电可擦除只读ROM。
6）FLash Memory：采⽤EEPROM的⾮易失性存储器。
11、单⽚存储器芯⽚的容量有限，很难满⾜实际需要，因此必须将若⼲存储芯⽚连接在⼀起才能组成⾜够容量的存储器。
存储器的扩展通常有位扩展和字扩展，什么是字扩展，什么是位扩展？请举例简要说明
1）位扩展：增加存储器的字长，例如两个1K * 4位的存储芯⽚构成1个1K*8位的存储器；
2）字扩展：增加存储器的字数，例如两个1K * 8位的存储芯⽚构成1个2K * 8位的存储器；
通常字扩展和位扩展两种⽅式混合使⽤。
12、熟虑掌握存储器的扩展，包括地址空间分配、地址线的连接、数据线的连接、⽚选信号的产⽣及连接等；
参看P94页，例4.1
13、假设欲检测的⼆进制代码为n位，为了使其具有1位的纠错能⼒，需添加K位检测位，组成n+k位的代码。问，应添加多少位检测位？
应添加的检测位位数：2的k次⽅⼤于等于n+k+1。
因为要使其有1位的检测能⼒，必须使⽤k位来说明n+k位到底哪⼀位出现了错误，k位能表达的数量为2的k次⽅，⽽n+k位到底哪⼀位
出现了错误或者是全部正确，共有n+k+1种状况，因此，k的取值需要满⾜：2的k次⽅⼤于等于n+k+1
14、对于汉明码，应熟练掌握汉明码的编码⽅式（按照配偶或配奇的原则），以及给出汉明码，得到要传送的原始信息（包括纠错过程）。
15、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。
16、简述单体多字的存储系统的⼯作原理，及其优点。
1）单体多字存储系统⼀次访存取出多个CPU字，即存储字为CPU字的n倍（假设⼀次访存取出n个cpu字）。
2）优点是：显著提⾼了存储器带宽。
17、多体并⾏系统有哪两种编址⽅式？请简要说明其编址⽅式及其优点。
1）⾼位交叉编址⽅式：存储体的编址⽅式为顺序存储，即⼀个存储体存满后，再存⼊下⼀个；存储单元地址的⾼位为存储体的编号。
⾼位交叉编址并不能提⾼单次访存速度，但能使多应⽤并⾏访存，提⾼系统的并发性。
2）低位交叉编址⽅式：存储体的编址⽅式为交叉存储。即程序连续存放在相邻的存储体之中。存储单
元地址的低位为存储体的编号。
低位交叉编址能显著提⾼单次访存速度。
19、在四位低位交叉编址中，假设存取周期为T，总线传输周期为τ，为了实现流⽔线⽅式存储，应满⾜什么条件？如果连续读取四个字，所需要的时间是多少？
1）T= 4τ
2）连续读取四个字，所需要的时间为T + （4-1）τ
注意：假设不是低位交叉编址，⽽是⾼位交叉编址，连续读取四个字所需要的时间仍然为4T。
20、需要⼤家掌握多体并⾏存储器在⾼位交叉编址（顺序存储）和低位交叉编址（交叉存储）的情况下，存储器带宽的计算⽅式。
21、在CPU和内存之间引⼊cache的原因。
1）避免cpu空等I/O访存；
2）缓解CPU和主存速度不匹配的问题。
22、什么是程序的局部性原理。
CPU从主存取指令或数据，在⼀定时间内，只是对主存局部地址区域访问。
23、Cache命中率、平均访问时间以及访问效率的计算。
24、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。
25、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。
26、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；
27、全相联映射的优缺点？
同步通信和异步通信的区别
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。
28、需要⼤家掌握各种映射⽅式之下，写出主存地址格式、cache地址格式，以及主存地址向cache地址的转换。
29、Cache常⽤的替换算法有哪些？哪个命中率最⾼？
1）先进先出、近期最少使⽤算法和随机替换算法；
2）命中率最⾼的是近期最少使⽤算法；
30、磁盘的三地址结构包括哪些？
柱⾯、磁头号和扇区号
第五章输⼊输出系统
1、I/O系统的发展⼤致可以分为哪4个阶段？
1）早期（分散连接、串⾏⼯作、程序查询）
2）接⼝模块和DMA阶段（总线连接、并⾏⼯作、中断及DMA）
3）通道阶段（通道是具有特殊功能的处理器）
4）I/O处理机阶段
I/O系统的发展实际上是逐步将CPU从繁重的I/O⼯作中解放出来的过程；
2、I/O设备编址有哪两种⽅式？各有什么优缺点？
1）统⼀编址⽅式：和存储器统⼀编址，I/O地址作为存储器地址的⼀部分；⽆须⽤专⽤的I/O指令，但占⽤存储器空间。
2）独⽴编址⽅式：和存储地址分开编址，需⽤专⽤的I/O指令。
3、I/O设备与主机的联络⽅式有哪⼏种？
I/O设备与主机间交互信息时必须了解彼此的状态。根据I/O设备⼯作速度的不同，可以分为3类：
1）⽴即响应：不管其状态（认为其时刻准备好），适⽤于慢速设备。
2）应答信号：通过应答信号来进⾏交互；
3）同步时标：采⽤统⼀的时钟信号。
4、I/O总线包括哪四类？
数据线、设备选择线、状态线、命令线
5、I/O设备通常使⽤D触发器（完成触发器）和B触发器（⼯作触发器）来标识设备所处的状态。
D=0，B=0：暂停状态；
D=0，B=1：准备状态
D=1，B=0：就绪状态
6、程序查询的基本⼯作原理。
cpu不断去查询I/O设备状态，导致CPU和I/O设备串⾏⼯作。
7、什么是中断？
计算机在执⾏程序过程中，当出现异常清空或特殊请求时，计算机停⽌现⾏程序的运⾏，转去处理这些异常清空或特殊请求，处理结束后，再返回现⾏程序的间断处，继续执⾏原程序，即为中断。
8、中断服务程序的基本流程包括哪四部分？
1）保护现场
2）中断服务
3）恢复现场
4）中断返回
9、什么是单重中断和多重中断？
1）单重中断：不允许中断现⾏的中断服务程序；
2）多重中断：允许级别更⾼的中断源中断现⾏的中断服务程序，也称为中断嵌套；
10、CPU响应中断的时机？
当前指令执⾏完毕后，cpu发出中断查询信号，也就是说，中断响应⼀定是在每条指令执⾏结束之后进⾏的，不可能在指令执⾏过程中响应中断。
11、什么是DMA？
DMA：直接内存访问。在主存和I/O设备之间建⽴独⽴的总线连接。
12、在DMA⽅式中，由于DMA接⼝与CPU共享主存，可能会出现两者争⽤主存的冲突，为解决冲突，DMA和主存交换数据时，通常采⽤哪三种⼯作⽅式？
1）停⽌CPU访问主存：DMA访存优先级⾼；
2）周期挪⽤（窃取）：DMA挪⽤存储或窃取总线使⽤权⼀个或⼏个主存存取周期；
3）DMA和CPU交替访问：将CPU⼯作周期分成两部分，⼀部分供DMA访存，⼀部分供CPU访存。
13、DMA⼯作过程包括哪三部分？
1）预处理
2）数据传输
2）后处理
第六章计算机的运算⽅法
1、掌握有符号数的原码计算⽅法，以及通过原码求真值；
2、掌握补码计算的⽅法，以及通过补码求原码，然后求真值的⽅法。
1）通过原码求补码：符号位不变，各位取反，末位加1；
2）通过补码求原码：符号位不变，各位取反，末位加1；
3、原码中0有2种表⽰⽅法（正零和负零），补码中0只有⼀种表⽰⽅法（正零和负零的表⽰⽅法⼀致）
4、假设有符号数的位数为8（包括符号位），补码能表⽰的真值的范围？
补码能表⽰的真值范围为-128~+127（参见补码定义）
5、掌握求反码以及移码的⽅法。
6、什么是定点表⽰？什么是浮点表⽰？
１）定点表⽰：⼩数点固定在某⼀位置的数为定点数；
２）浮点表⽰：⼩数点位置可以浮动的数。
7、浮点数在机器中的表⽰形式，由哪⼏部分组成？
由尾数、数符、阶码、阶符四部分组成。
8、掌握规格化浮点数的表⽰范围（最⼤正数、最⼩正数、最⼤负数、最⼩负数）的计算⽅法。
9、IEEE754标准规定的浮点数由哪⼏部分组成？
由数符、阶码（含阶符）以及尾数组成。

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