第五章 计算机组成

通过本章的学习，学生应该能够∶

列出计算机的三个子系统;描述计算机中央处理单元（CPU）的作用;描述典型计算机中指令周期的取指令-译码-执行阶段;描述主存和它的地址空间;区分主存和缓存;定义输入/输出子系统;理解子系统间的互相连接，列出不同总线系统，描述输入/输出寻址的不同方法;区分设计计算机体系结构的两种主要趋势;理解计算机是如何使用管道改善吞吐量的，理解并行处理是如何能改善计算机的吞吐量的。

1.计算机的三个子系统：中央处理单元（CPU）、主存储器和输入/输出子系统。

2.计算机中央处理单元（CPU）的作用：数据运算。

3.指令周期的取指令-译码-执行阶段：

在取指令阶段，控制单元命令系统将下一条要执行的指令复制到CPU的指令寄存器中。被复制指令的地址保存在程序计数器中。复制完成后，程序计数器自动加1指向内存中的下一条指令。

在译码阶段，当指令置于指令寄存器后，该指令将由控制单元负责译码。指令译码的结果是产生一系列系统可以执行的二进制代码。

在执行阶段，指令译码完毕后，控制单元发送任务命令到CPU的某个部件，例如，控制单元告知系统，让它从内存中加载（读）数据项，或者是CPU让算术逻辑单元将两个输入寄存器中的内容相加并将结果保存在输出寄存器。这就是执行。

4.主存和它的地址空间：

主存储器是存储单元的集合，每一个存储单元都有唯一的标识，称为地址。

所有在存储器中标识的独立的地址单元的总数称为地址空间。

5.主存和缓存：

高速缓冲存储器的存取速度要比主存快，但是比CPU及其内部的寄存器要慢。高速缓冲存储器通常容量较小，且常被置于CPU和主存之间。

高速缓冲存储器在任何时间都含有主存中一部分内容的副本。当CPU要存取主存中的一个字时，将按以下步骤进行∶

1） CPU首先检查高速缓存。

2）如果要存取的字存在，CPU就将它复制，如果不存在，CPU将从主存中拷贝一份从需要读取的字开始的数据块。该数据块将覆盖高速缓存中的内容。

3）CPU存取高速缓冲存储器并拷贝该字。

6.输入/输出子系统：

输入/输出（L/O）子系统可以使计算机与外界通信，并在断电的情况下存储程序和数据。输入/输出设备可以分为两大类∶非存储设备和存储设备。

7. 理解子系统间的互相连接，列出不同总线系统：

CPU和内存之间通常由称为总线的三组线路连接在一起，它们分别是：数据总线、地址总线和控制总线。

输入/输出设备不能够直接与连接CPU和内存的总线相连。通过一种被称为输入输出控制器或接口的器件连接到总线上。如今最常用的有SCSI、火线和USB。

8.输入/输出寻址的不同方法：

通常CPU常使用相同的总线在主存和输入/输出设备之间读写数据。唯一的不同是指令。如果指令涉及主存中的字，那么数据会在主存和CPU之间传送。如果指令涉及输入输出设备，那么数据会在输入/输出设备和CPU之间传送。有两种方法用来对输入/输出设备进行寻址，即I/O独立寻址和I/O存储器映射寻址这两种方式。

I/O独立寻址

在I/O独立寻址中，用来读/写内存的指令与用来读/写输入/输出的指令是完全不同的。有专门的指令完成对输入/输出设备的测试、控制以及读写操作。每个输入/输出设备有自己的地址。因为指令的不同，所以输入/输出地址可以和内存地址交迭而不会产生混淆。例如，CPU 可以使用读命令Read 1O1来从内存中读取字101。它也可以使用输入命令Input 101来从地址端口为101输入/输出设备中读取数据。这里不会发生混淆是因为Rcad指令是规定从内存中读取数据，而Input指令则是规定从输入/输出设备中读取数据。

2.I/O存储器映射寻址

在I/O存储器映射寻址方式中，CPU将输入/输出控制器中的每一个寄存器都看作是内存中的某个存储字。换言之，CPU没有单独的指令用来表示是从内存或是从输入/输出设备传送数据。例如，在指令集中只有一条Read指令，如果地址指定的是内存中的某个单元，则从内存中读取数据。如果地址指定的是输入/输出设备中的某个寄存器，那么就从寄存器中读取数据。

内存映射的输入/输出的配置优点在于有一个较小的指令集，所有对内存的操作指令都同样适合于输入/输出设备，其缺点则由于输入/输出控制器占用了一部分内存地址。例如，假使有5 个输入/输出控制器，每个控制器有4个寄存器，则共占用20个地址。相应的内存的大小就减小了20个字。

9. 区分设计计算机体系结构的两种主要趋势：

CISC 复杂指令集计算机(complox initruction set computer)，奔腾系列处理器。

RISC 精简指令集计算机（reduce instruction set computer）

10. 理解计算机是如何使用管道改善吞吐量的：

流水线，当计算机在执行第一条指令的译码阶段时，它还能执行第二条指令的取指令阶段.第

一台计算机在指定时间内平均执行9个阶段.而流水线计算机在相同的时间内能执行24个阶段.

如果假定每个阶段使用相同的时间，那第一台计算机完成9/3 = 3条指令,而第二台计算机完

成了24/3-8条指令。因此吞吐量提高了8/3或266例。

11.理解并行处理是如何能改善计算机的吞吐量的

拥有具有多个控制单元、多个算术逻辑单元和多个内存单元的计算机。这个思想称为并行处理。

习题（答案在下方）

答案

1.中央处理单元（CPU）、主存储器和输入/输出子系统。

2.算术单元、控制单元和一系列寄存器

3.算术逻辑单元（ALU）负责算术、移位和逻辑运算。

4.控制单元控制CPU中每个部分的操作。

5.主存储器是计算机中的第2个主要子系统。它是存储单元的集合，每一个存储单元都有唯一的标识，称为地址。数据以称为字的位组的形式在内存中传入和传出。

6.

1.RAM

随机存取存储器（RAM）是计算机中主存的主要组成部分。在随机存取设备中，可以使用存储单元地址来随机存取一个数据项，而不需要存取位于它前面的所有数据项。

(1)SRAM

静态RAM（SRAM）技术是用传统的触发器门电路（有0和1两个状态的门）来保存数据。这些门保持状态（0或1），这也就是说当通电的时候数据始终存在，不需要刷新。SRAM速度快但是价格昂贵。

(2)DRAM

动态RAM（DRAM）技术使用电容器。如果电容器充电，则这时的状态是1，如果放电则状态是0。因为电容器会随时间而漏掉一部分电，所以内存单元需要周期性地刷新。DRAM速度比较慢，但是比较便宜。

2. ROM

只读存储器（ROM）的内容是由制造商写进去的。用户只能读但不能写，它的优点是非易失性∶当切断电源后，数据也不会丢失。通常用来存储那些关机后也不能丢失的程序或数据。例如，用ROM来存储那些在开机时运行的程序。

(1)PROM

称为可编程只读存储器（PROM）的一种ROM。这种存储器在计算机发货时是空白的。计算机用户借助一些特殊的设备可以将程序存储在上面。当程序被存储后，它就会像ROM一样不能够重写。也就是说计算机用户可以用它来存储一些特定的程序。

(2)EPROM

称为可擦除的可编程只读存储器（EPROM）的一种PROM。用户可以对它进行编程，但是得用一种可以发出紫外光的特殊仪器对其擦写。EPROM存储器需要拆下来擦除再重新安装。

(3)EEPROM

称为电可擦除的可编程只读存储器（EEPROM）的一种EPROM。

7.高速缓冲存储器的存取速度要比主存快，但是比CPU及其内部的寄存器要慢。高速缓冲存储器通常容量较小，且常被置于CPU和主存之间。

8.它是由一张一张的磁片叠加而成的。这些磁片由薄磁膜封装起来。信息是通过盘上每一个磁片的读/写磁头读写磁介质表面来进行读取和存储的

9.磁盘

为了将数据存储在磁盘的表面，每个盘面都被划分成磁道，每个磁道又分成若干个扇区。磁道间通过磁道内部间隔隔开，扇区之间通过扇区内部间隔隔开。

磁带

磁带的宽度可以分为9个磁道;磁道上的每个点可以分为存储1位的信息。垂直切面的9个点可以存储8位（即一个字节）的信息，还有1位用作错误检测。

10.

可刻录光盘（CD-R）：只能写一次。

可重写光盘（CD-RW）：可重写。

数字多功能光盘（DVD）：容量更大。

11.SCSI，并行接口，两端都必须有终结器，并且每个设备都必须要有唯一的地址。

火线，串行接口，高速，不需要终结器。

USB，串行控制器，高/低速

12.独立寻址，指令不同，

存储器映射寻址，控制器作为内存的一个字，不区分指令，优点在于有一个较小的指令集，所有对内存的操作指令都同样适合于输入/输出设备，其缺点则由于输入/输出控制器占用了一部分内存地址。

13.程序控制输入/输出，当CPU遇到一条I/O指令时，它就停止工作，问题就是当每一个单元数据被传输时，CPU都要浪费时间查询I/O设备的状态。I/O设备和CPU之间传输数据。

中断控制输入输出，CPU没有被浪费，当慢速的I/O设备正在完成一项工作时，CPU可以做其他工作。I/O设备和CPU之间传输数据。

直接存储器储存，用于在高速的I/O设备间传输大量的数据块，不通过CPU。利用DMA控制器来承担CPU的一些功能。

14.CISC,使用大量指令，每一项简单或者复杂的任务都有一条对应的指令，程序员不需要写一大堆指令去完成一项复杂的任务，

RISC，使用少量的指令完成最少的简单操作，复杂指令用简单指令集模拟，

15.流水线技术改善吞吐量，控制单元能同时执行两个或者三个阶段，

16.多个控制单元，多个算术逻辑单元，和多个内存单元，改善吞吐量

17.A

18.B

19.A

20.D

21.D

22.D

23.C

24.A

25.B

26.A

27.C

28.D

29.B

30.A

31.B

32.C

33.B

34.C

35.C

36.D

37.C

38.B

39.A

40.C

41.2^24

42. 80*24=1920

43.16=2^4

1024=2^10

4+4+10=18

为实现描述功能，最少需要18位。

44.18

45.由于每条指令占18位，指令寄存器用于存储指令，所以指令寄存器的大小位18位

46.因为存储器的地址大小是10，而程序计数器存放的是指令的地址，所以程序计数器的大小是10位

47.数据总线取决于字的大小，18

48.地址总线取决于存储地址，为10位

49.控制总线取决于指令总数，为4位

太难了不会了，会的大佬请联系我QQ：736812983