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1第一章计算机系统概论计算机的硬件是由有形的电子器件等构成的，它包括运算器、存储器、控制器、适配器、输入输出设备。早起将运算器和控制器合在一起称为CPU（中央处理器）。目前的CPU包含了存储器，因此称为中央处理器。存储程序并按地址顺序执行，这是冯·诺依曼型计算机的工作原理，也是CPU自动工作的关键。计算机系统是一个有硬件、软件组成的多级层次结构，它通常由微程序级、一般程序级、操作系统级、汇编语言级、高级语言级组成，每一级上都能进行程序设计，且得到下面各级的支持。习题：4冯·诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？它包括那些主要组成部分？主要设计思想是：存储程序通用电子计算机方案，主要组成部分有：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备5什么是存储容量？什么是单元地址？什么是数据字？什么是指令字？存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量。每个存储单元都有编号，称为单元地址。如果某字代表要处理的数据，称为数据字。如果某字为一条指令，称为指令字7指令和数据均存放在内存中，计算机如何区分它们是指令还是数据？每一个基本操作称为一条指令，而解算某一问题的一串指令序列，称为程序第二章运算方法和运算器按IEEE754标准，一个浮点数由符号位S、阶码E、尾数M三个域组成。其中阶码E的值等于指数的真值e加上一个固定偏移值。数的真值变成机器码时有四种表示方法：原码表示法，反码表示法，补码表示法，移码表示法。其中移码主要用于表示定点数的阶码E，以利于比较两个指数的大小和2对阶操作。直接使用西文标准键盘输入汉字，进行处理，并显示打印汉字，是一项重大成就。为此要解决汉字的输入编码、汉字内码、子模码等三种不同用途的编码。1第三章内部存储器对存储器的要求是容量大、速度快、成本低。为了解决这三方面的矛盾，计算机采用多级存储体系结构，即cache、主存和外存。CPU能直接访问内存（cache、主存），但不能直接访问外存。存储器的技术指标有存储容量、存取时间、存储周期、存储器带宽。双端口存储器和多模块交叉存储器属于并行存储器结构。前者采用空间并行技术，后者采用时间并行技术。这两种类型的存储器在科研和工程中大量使用。cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU和主存之间速度不匹配而采用的一项重要的硬件技术，并且发展为多级cache体系，指令cache与数据cache分设体系。要求cache的命中率接近于1。主存与cache的地址映射有全相联、直接、组相联三种方式。其中组相联方式是前二者折衷方案，适度地兼顾了二者的优点又尽量避免其缺点，从灵活性、命中率、硬件投资来说较为理想，因而得到了普遍采用。习题：1设有一个具有20位地址和32位字长的存储器，问：（1）该存储器能存储多少个字节的信息？（2）如果存储器由512K×8位SRAM芯片组成，需要多少片；（3）需要多少位地址做芯片选择？(1)字节M4832*220(2)片84*28*51232*1024KK(3)1位地址作芯片选择2已知某64位机主存采用半导体存储器，其地址码为26位，若使用4M×8位DRAM芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用内存条结构形式，问：（1）若每个内存条16M×64位，共需几个内存条？3（2）每个内存条共有多少DRAM芯片？（3）主存共需多少DRAM芯片？CPU如何选择各内存条？(1).共需模块板数为m：m=÷2^24=4(块)(2).每个模块板内有DRAM芯片数为32(片)(3)主存共需DRAM芯片为：4*32=128(片)每个模块板有32片DRAM芯片，容量为16M×64位，需24根地址线(A23~A0)完成模块板内存储单元寻址。一共有4块模块板，采用2根高位地址线，通过2：4译码器译码产生片选信号对各模块板进行选择。3用16K×8位的DRAM芯片构成64K×32位存储器，要求：（1）画出该存储器的组成逻辑图。（2）设存储器读/写周期为0.5us，CPU在1us内至少要访问一次。试问采用哪种刷新方式比较合理？两次刷新的最大时间间隔是多少？对全部存储单元刷新一遍所需的实际刷新时间是多少？(1)根据题意，存储总容量为64KB，故地址总线需16位。现使用16K*8位DRAM芯片，共需16片。芯片本身地址线占14位，所以采用位并联与地址串联相结合的方法来组成整个存储器，其组成逻辑图如图所示，其中使用一片2：4译码器。(2)根据已知条件，CPU在1us内至少访存一次，而整个存储器的平均读/写周期为2：4译码器A14A15CS3CS2CS0CS1D0~D7A13~A040.5us，如果采用集中刷新，有64us的死时间，肯定不行,如果采用分散刷新，则每1us只能访存一次，也不行,所以采用异步式刷新方式。假定16K*1位的DRAM芯片用128*128矩阵存储元构成，刷新时只对128行进行异步方式刷新，则刷新间隔为2ms/128=15.6us可取刷新信号周期15us。刷新一遍时间＝15us×128＝1.92ms6用32K×8位的E^2PROM芯片组成128K×32位的只读存储器，试问：（1）数据寄存器多少位？（2）地址寄存器多少位？（3）共需多少个E^2PROM芯片？（4）画出磁存储器组成框图。答（1）系统16位数据，所以数据寄存器16位（2）系统地址128K＝217，所以地址寄存器17位(3)共需要8片组成框图如下CPU地址寄存器数据寄存器32K*832K*832K*832K*832K*832K*832K*832K*8CS3CS2CS1CS02:4译码器CS0~CS3A16A155一个组相联cache由64个行组成，每组4行。主存储器包含4K个块，每块128个字。请表示内存地址的格式。64行.4行一组,共64÷4=16组,主存储器有4k个快,每块128字,2^12第五章中央处理器CPU是计算机的中央处理部件，具有指令控制、操作控制、时间控制、数据加工等基本功能。早期的CPU由运算器和控制器两大部分组成。随着高密度集成电路技术的发展，当今的CPU芯片变成运算器、cache和控制器三大部分，其中还包括浮点数运算器、存储管理部件等。CPU中至少要有如下六类寄存器：指令寄存器、、地址寄存器、数据缓冲寄存器、通用寄存器、状态条件寄存器。微程序设计技术是利用软件方法设计操作控制器的一门技术，具有规整性、灵活性、可维护性等一系列优点，因而在计算机设计中得到了广泛的应用。但是随着ULSI技术的发展和对机器速度的要求，硬连线逻辑设计思想又得到了重视。硬连线控制器的基本思想是：某一微操作信号是指令操作码译码输出、时序信号和状态条件信号的6逻辑函数，即用布尔代数写出逻辑表达式，然后用门电路、触发器等器件实现。不论微型机还是超级计算机，并行处理技术。并行处理技术可贯穿于信息加工的各个步骤和阶段。概括起来，主要有三种形式：①时间并行；②空间并行；③时间并行+空间并行。流水CPU是以时间并行性为原理构造的处理机，是一种非常经济而实用的并行技术。目前的高性能微处理机几乎无一例外地使用了流水技术。流水技术中的主要问题是资源相关、数据相关和控制相关，为此需要采取相应的技术对策，才能保证流水线畅通而不断流。习题：8某机有8条微指令I1~I8，每条微指令所包含的微命令控制信号如下表所示。a-j分别对应10种不同性质的微命令信号。假设一条微指令的控制字段仅限为8位，请安排微指令的控制字段指令。经分析，（d,i,j）和（e,f,h）可分别组成两个小组或两个字段，然后进行译码，可得六个微命令信号，剩下的a,b,c,g四个微命令信号可进行直接控制，其整个控制字段组成如下：abcg01d01e10i10f11j11h********11已知某机采用微程序控制方式，控存容量为512×48位。微程序可在整个程序控存中实现转移，控制微程序转移的条件共4个，微指令采用水平型格式，后继微指令地址采用断定方式。请问：（1）微指令的三个字段分别应为多少位？（2）画出对应这种指令格式的微程序控制器逻辑图(1)假设判别测试字段中每一位作为一个判别标志，那么由于有4个转移条件，故该字段为4位。下地址字段为9位，因为控存容量为512单元。微命令字段则是（48-4-9）=35位。7(2)对应上述微指令格式的微程序控制器逻辑框图如图所示。其中微地址寄存器对应下地址字，P字段即为判别测试字段，控制字段即为微命令字段，后两部分组成微指令寄存器。地址转移逻辑的输入是指令寄存器的OP码、各种状态条件以及判别测试字段所给的判别标志（某一位为1），其输出修改微地址寄存器的适当位数，从而实现微程序的分支转移。就是说，此处微指令的后继地址采用断定方式。OP微地址寄存器地址转移逻辑控制存储器地址译码P字段控制字段指令寄存器IR状态条件微命令信号……12今有4级流水线，分别完成取指、指令译码并取数、运算、送结果四步操作。今假设完成各步操作的时间依次为100ns,100ns,80ns,50ns。请问：（1）流水线的操作周期应设计为多少？（2）若相邻两条指令发生数据相关，硬件上不采取措施，那么第二条指令要推迟多少时间进行？（3）如果在硬件设计上加以改进，至少需要推迟多少时间？(1)流水线的操作周期应按各步操作的最大时间来考虑，即流水线时钟周期性nsi100}max{(2)遇到数据相关时，就停顿第2条指令的执行，直到前面指令的结果已经产生，因此至少需要延迟2个时钟周期。(3)如果在硬件设计上加以改进，如采用专用通路技术，就可使流水线不发生停顿。第六章总线系统总线仲裁是总线系统的核心问题之一。为了解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题，必须具有总线仲裁部件。它通过采用优先级策略或公平策略，选择其中一个主设备作为总线的下一次主方，接管总线控制权。按照总线仲裁电路的位置不同:（1）集中式仲裁:仲裁方式必有一个中央仲裁器，它受理所有功能模块的总线请求，按优8先原则或公平原则。（2）分布式仲裁：分布式仲裁不需要中央仲裁器，每个功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。总线定时是总线系统的又一核心问题之一。为了同步主方、从方的操作，必须制订定时协议，通常采用同步定时与异步定时两种方式。在同步定时协议中，事件出现在总线上的时刻由总线时钟信号来确定，总线周期的长度是固定的。在异步定时协议中，后一事件出现在总线上的时刻取决于前一事件的出现，即建立在应答式或互锁机制基础上，不需要统一的公共时钟信号。在异步定时中，总线周期的长度是可变的。第七章：外围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。每一种设备，都是在它自己的设备控制器控制下进行工作，而设备控制器则通过I/O接口模块和主机相连，并受主机控制。硬磁盘按盘片结构分为可换盘片式、固定盘片式两种，磁头也分为可移动磁头和固定磁头两种。温彻斯特磁盘是一种采用先进技术研制的可移动磁头、固定盘片的磁盘机，组装成一个不可拆卸的机电一体化整体，防尘性能好，可靠性高，因而得到了广泛的应用，成为最有代表性的硬磁盘存储器。磁盘存储器的主要技术指标有：存储密度、存储容量、平均存取时间、数据传输速率。不同的CRT显示标准所支持的最大分辨率和颜色数目是不同的。VESA标准，是一个可扩展的标准，它除兼容传统的VGA等显示方式外，还支持1280×1024像素光栅，每像素点24位颜色深度，刷新频率可达75MHz。显示适配器作为CRT与CPU的接口，由刷新存储器、显示控制器、ROMBIOS三部分组成。先进的显示控制器具有习题：6某双面磁盘，每面有220道，已知磁盘转速r=4000转/分，数据传输率为185000B/s，求磁盘总容量。97某磁盘存储器转速为3000转/分，共有4个记录面，每道记录信息12288B，最小磁道直径为230mm，共有275道。问:(1)磁盘存储器的存储容量是多少？（2）最高位密度与最低位密度是多少？（3）磁盘数据传输率是多少？（4）平均等待时间是多少？（5）给出一个磁盘地址格式方案。解：（1）每道记录信息容量=12288字节每个记录面信息容量=275×12288字节共有4个记录面，所以磁盘存储器总容量为：4×2