計算機組成原理課后答案(第二版)唐朔飛第七章目錄第七章概述指令系統(tǒng)控制器設計運算器設計存儲系統(tǒng)輸入輸出系統(tǒng)總結與展望01第七章概述教學內(nèi)容第七章主要介紹了計算機系統(tǒng)的層次結構，包括計算機硬件的基本組成、計算機軟件的分類以及計算機系統(tǒng)的性能指標等。教學目標通過本章學習，學生應能掌握計算機系統(tǒng)的基本概念和組成原理，理解計算機硬件和軟件之間的相互關系，以及了解計算機系統(tǒng)的性能指標和評價標準。教學內(nèi)容與目標知識點計算機系統(tǒng)的層次結構計算機硬件的基本組成知識點與技能點計算機軟件的分類計算機系統(tǒng)的性能指標技能點知識點與技能點010204知識點與技能點能夠描述計算機系統(tǒng)的層次結構能夠分析計算機硬件的基本組成和工作原理能夠理解計算機軟件的分類和作用能夠評價計算機系統(tǒng)的性能指標03提前閱讀教材，了解本章的主要內(nèi)容和知識點。課前預習認真聽講，做好筆記，積極思考和提問。課中聽講學習方法與建議課后復習：及時復習本章內(nèi)容，加深對知識點的理解和記憶。學習方法與建議通過大量的練習，加深對知識點的理解和記憶，提高解題能力。多做練習閱讀相關文獻參加討論課閱讀相關的教材和參考書，擴展知識面和視野。積極參加討論課，與同學和老師交流學習心得和體會，互相幫助和提高。030201學習方法與建議02指令系統(tǒng)指定指令要進行的操作性質(zhì)，如算術、邏輯、數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。操作碼指定操作數(shù)的地址或立即數(shù)，用于確定操作數(shù)的來源和去向。地址碼一個指令字中包含的二進制位數(shù)，與計算機的字長有關。指令字長指令格式立即尋址操作數(shù)就在指令中，緊跟在操作碼后面，作為指令一部分存放在內(nèi)存的代碼段中，該操作數(shù)為立即數(shù)，這種尋址方式稱為立即尋址方式。存儲單元的有效地址EA（即操作數(shù)的有效地址）直接由指令給出。操作數(shù)所在內(nèi)存單元的地址通過存儲器間接給出。操作數(shù)包含在寄存器中，寄存器的名稱由指令指定。操作數(shù)所在內(nèi)存單元的地址通過寄存器間接給出。直接尋址寄存器尋址寄存器間接尋址間接尋址尋址方式一臺計算機中所有機器指令的集合，稱為這臺計算機的指令系統(tǒng)或指令集。指令集CPU從主存中取出并執(zhí)行一條指令的時間稱為指令周期，它包含若干個機器周期。指令周期又稱為CPU周期，是CPU訪問一次內(nèi)存所花的時間長度，通常用一個內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)所需時間的最小值來定義。機器周期又稱為節(jié)拍或T周期，是處理操作的最基本單位，通常由計算機的主頻決定。時鐘周期指令集與指令周期03控制器設計微指令微程序控制存儲器微地址寄存器微程序控制器微程序控制器的核心，由操作控制字段和順序控制字段組成，用于實現(xiàn)對微操作的精確控制。用于存儲微程序的專用存儲器，通常采用ROM或EPROM實現(xiàn)。由一系列微指令組成的程序，用于解釋和執(zhí)行機器指令。用于存放當前正在執(zhí)行的微指令的地址，以實現(xiàn)微程序的順序執(zhí)行。

硬布線控制器指令譯碼器對機器指令進行譯碼，產(chǎn)生相應的操作控制信號。時序發(fā)生器產(chǎn)生計算機所需的時序信號，以協(xié)調(diào)各部分的工作?？刂菩盘柊l(fā)生器根據(jù)指令譯碼器和時序發(fā)生器的輸出，產(chǎn)生相應的控制信號，以控制計算機的各個部件。微程序控制器與硬布線控制器的比較微程序控制器通過微程序實現(xiàn)對機器指令的解釋和執(zhí)行，具有較大的靈活性和通用性；而硬布線控制器通過硬件邏輯電路實現(xiàn)對機器指令的控制，具有較快的執(zhí)行速度。微程序控制器需要較大的控制存儲器來存儲微程序，增加了硬件成本；而硬布線控制器不需要額外的存儲器，硬件成本較低。微程序控制器的設計和調(diào)試相對復雜，需要編寫和調(diào)試微程序；而硬布線控制器的設計和調(diào)試相對簡單，只需要設計和調(diào)試硬件邏輯電路?？刂破鞯膶崿F(xiàn)方式比較04運算器設計算術運算邏輯運算移位運算比較運算算術邏輯單元(ALU)01020304執(zhí)行加、減、乘、除等基本的算術運算。執(zhí)行與、或、非等基本的邏輯運算。對數(shù)據(jù)進行移位操作，如左移、右移等。比較兩個數(shù)值的大小關系，如大于、小于、等于等。采用固定的小數(shù)點位置來表示數(shù)值，通常為二進制補碼形式。定點數(shù)的表示通過對補碼進行加減運算來實現(xiàn)定點數(shù)的加減。定點數(shù)的加減運算通過一系列的加法和移位操作來實現(xiàn)定點數(shù)的乘除。定點數(shù)的乘除運算在定點數(shù)運算過程中，當結果超出表示范圍時，需要進行溢出處理。溢出處理定點運算器采用階碼和尾數(shù)來表示數(shù)值，階碼表示數(shù)值的范圍，尾數(shù)表示數(shù)值的精度。浮點數(shù)的表示浮點數(shù)的加減運算浮點數(shù)的乘除運算特殊處理首先對階碼進行對齊，然后對尾數(shù)進行加減運算。通過對階碼和尾數(shù)進行相應的操作來實現(xiàn)浮點數(shù)的乘除。對于浮點數(shù)中的特殊情況，如零、無窮大、NaN（非數(shù)字）等，需要進行特殊處理。浮點運算器05存儲系統(tǒng)主存儲器是計算機系統(tǒng)中的主要存儲部件，用于存放正在運行的程序和數(shù)據(jù)。它與CPU直接交換信息，是CPU能夠直接訪問的惟一存儲空間。主存儲器的定義和作用主存儲器的性能指標包括存儲容量、存取時間、存儲周期和存儲器帶寬等。其中存儲容量表示主存儲器可以存儲信息的總字節(jié)數(shù)；存取時間表示從啟動一次存儲器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時間；存儲周期表示連續(xù)兩次獨立的存儲器操作所需間隔的最小時間；存儲器帶寬表示單位時間內(nèi)存儲器存取的信息量，單位可用字/秒或字節(jié)/秒或位/秒來表示。主存儲器的性能指標主存儲器概述主存儲器與CPU的連接方式主要有三種：直接連接、間接連接和交叉連接。直接連接是將主存直接與CPU相連，適用于小容量主存；間接連接是通過接口電路將主存與CPU相連，適用于大容量主存；交叉連接是將多個主存模塊按交叉方式排列，同時與CPU相連，適用于多模塊主存系統(tǒng)。連接方式主存與CPU之間的數(shù)據(jù)傳輸方式主要有兩種：并行傳輸和串行傳輸。并行傳輸是在一個時鐘周期內(nèi)同時傳輸多位數(shù)據(jù)，適用于高速數(shù)據(jù)傳輸；串行傳輸是在一個時鐘周期內(nèi)只傳輸一位數(shù)據(jù)，適用于低速數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)傳輸方式主存儲器與CPU的連接Cache的基本概念Cache是位于CPU和主存之間的高速小容量存儲器，用于存放CPU最近期使用過的少量程序和數(shù)據(jù)。它是為了解決CPU和主存之間速度不匹配的問題而設置的。Cache的工作原理Cache的工作原理基于程序訪問的局部性原理，即程序在執(zhí)行時呈現(xiàn)出局部性規(guī)律，即在一段時間內(nèi)，CPU訪問的數(shù)據(jù)和指令通常集中在存儲器邏輯地址空間的很小范圍內(nèi)。因此，將這部分數(shù)據(jù)和指令存放在Cache中，可以減少CPU對主存的訪問次數(shù)，從而提高程序的執(zhí)行速度。Cache的替換算法當Cache已滿時，需要采用一定的替換算法來替換出Cache中的某些數(shù)據(jù)。常用的替換算法有先進先出(FIFO)算法、最近最少使用(LRU)算法、最不經(jīng)常使用(LFU)算法等。其中LRU算法是目前最常用的一種替換算法，它根據(jù)數(shù)據(jù)的使用情況來決定哪些數(shù)據(jù)應該被替換出Cache。高速緩沖存儲器(Cache)06輸入輸出系統(tǒng)連接CPU與I/O設備之間的橋梁，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)、控制信號和狀態(tài)信號的傳輸。I/O接口定義數(shù)據(jù)緩沖、信號轉換、設備選擇、中斷管理等。I/O接口功能用于標識不同的I/O設備，通過端口地址訪問相應的設備。I/O端口地址I/O接口概述中斷控制方式當I/O設備準備好后，通過中斷請求通知CPU，CPU響應中斷后進行數(shù)據(jù)傳輸。程序查詢方式CPU通過程序主動查詢I/O設備的狀態(tài)，若設備準備好則進行數(shù)據(jù)傳輸。DMA控制方式在主存與I/O設備之間設置DMA控制器，實現(xiàn)主存與設備之間的直接數(shù)據(jù)傳送，無需CPU干預。I/O控制方式一種異步的事件處理機制，當外部事件（如I/O操作完成）發(fā)生時，中斷當前程序的執(zhí)行，轉去處理該事件。中斷技術保存現(xiàn)場、中斷服務程序執(zhí)行、恢復現(xiàn)場。中斷處理過程在主存與I/O設備之間開辟直接數(shù)據(jù)通路，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的成塊傳送，減少CPU的干預。DMA技術預處理、數(shù)據(jù)傳送、后處理。DMA傳送過程中斷與DMA技術07總結與展望介紹了計算機的基本組成和工作原理，包括指令系統(tǒng)、中央處理器、存儲器、輸入輸出系統(tǒng)等。闡述了控制器的設計方法和實現(xiàn)原理，包括微程序控制器和硬布線控制器等。深入講解了計算機的運算方法和運算器設計，包括定點數(shù)和浮點數(shù)的表示和運算、運算器的組成和設計方法等。介紹了計算機系統(tǒng)的層次結構和硬件軟件接口，包括中斷系統(tǒng)、DMA技術、總線與接口等。本章內(nèi)容回顧是計算機科學與技術專業(yè)的重要基礎課程之一，為后續(xù)課程提供必要的理論基礎。幫助學生理解計算機系統(tǒng)的基本組成和工作原理，從而更好地應用和開發(fā)計算機系統(tǒng)。培養(yǎng)學生的計算機系統(tǒng)設計能力，提高學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。計算機組成