2020年08月自考 计算机组成原理(02318)

[知识背景]

在计算机中，负数通常用补码来表示。补码是计算机中最常用的有符号整数表示方法，因为它能让加法和减法使用同一套电路完成。

要理解补码，需要先了解三个概念：

原码：最高位为符号位（0表示正，1表示负），其余位表示数值的绝对值。例如，+72的8位原码是 01001000，-72的8位原码是 11001000。

反码：正数的反码与原码相同；负数的反码是在原码的基础上，符号位不变，其余各位取反（0变1，1变0）。

补码：正数的补码与原码相同；负数的补码是在反码的基础上加1。

现在我们来一步步求 -72 的8位补码：

第一步：求72的二进制表示。
72 / 2 = 36 余 0
36 / 2 = 18 余 0
18 / 2 = 9 余 0
9 / 2 = 4 余 1
4 / 2 = 2 余 0
2 / 2 = 1 余 0
1 / 2 = 0 余 1
从下往上读：72 = 1001000（二进制）

第二步：写出-72的8位原码。
符号位为1（负数），数值部分为 1001000，补齐为8位：
原码 = 11001000

第三步：求反码（符号位不变，其余位取反）。
原码 = 1 1001000
反码 = 1 0110111
即反码 = 10110111

第四步：求补码（反码加1）。
反码 = 10110111
加1：10110111 + 1 = 10111000
即补码 = 10111000

因此，-72的8位补码是 10111000。

[逐项分析]

• A. 01001000 - 错误。最高位为0，表示这是一个正数。实际上 01001000 是 +72 的原码（也是补码），而不是 -72。题目要求的是负数。
• B. 10110111 - 错误。这是 -72 的反码，不是补码。反码需要再加1才能得到补码。很多考生容易混淆反码和补码，在反码的基础上忘记加1。
• C. 11001000 - 错误。这是 -72 的原码表示，即直接在 +72 的原码前面把符号位改为1。原码不是计算机中常用的表示方式。
• D. 10111000 - 正确。这是 -72 的8位补码，通过原码 -> 反码 -> 加1 的步骤得到。

[记忆要点]

负数求补码的口诀："原码取反加一"。具体步骤：先写出绝对值的二进制，加上符号位1得原码，然后符号位不变、其余位取反得反码，最后反码加1得补码。注意：正数的原码、反码、补码三者相同。本题中四个选项分别对应：A是+72的原码/补码，B是-72的反码，C是-72的原码，D是-72的补码。考试时要特别注意不要在反码这一步就停下来。

[教材出处]

第2章 数据的表示和运算 -- 定点数的补码表示

[知识背景]

校验码是一种用于检测数据在传输过程中是否出错的编码方法。最简单的校验码是奇偶校验。

偶校验的规则是：在原始数据的基础上增加一个校验位，使得整个编码（包括校验位在内）中"1"的个数为偶数。

奇校验则相反，使得"1"的个数为奇数。

ASCII码是一种字符编码标准，用7位二进制数来表示一个字符。字符A的ASCII码是 1000001（十进制65）。

本题要求在末位增加偶校验位，传送8位编码。即7位ASCII码在前，第8位（最低位/末位）为校验位。

计算过程：

原始7位ASCII码为：1000001

统计其中"1"的个数：第1位是1，第7位是1，共有2个1。

偶校验要求整个8位编码中"1"的总数为偶数。当前已有2个1，2本身就是偶数，所以校验位应该添加0，使得总数仍为偶数（2+0=2，偶数）。

因此，8位编码为：1000001 + 0 = 10000010（7位数据在高位，校验位0在最低位/末位）。

[逐项分析]

• A. 01000001 - 错误。这个编码是在最高位加了一个0，变成了8位。但题目说的是"末位增加偶校验位"，校验位应加在最后（最低位），而不是最前面。
• B. 11000001 - 错误。这个编码在最高位加了一个1，但校验位应加在末位。并且如果数据中有2个1，再加1个1，总共3个1，是奇数，不满足偶校验的要求。
• C. 10000010 - 正确。原始ASCII码 1000001 放在高7位，末位（最低位）加上校验位0，得到 10000010。检验：其中1的个数为2（第8位的1和第2位的1），2是偶数，满足偶校验。
• D. 10000011 - 错误。这个编码末位是1，意味着校验位为1。如果校验位为1，则整个编码中1的个数为3（数据中2个1加上校验位1个1），3是奇数，不满足偶校验的要求。这实际上对应的是奇校验的结果。

[记忆要点]

偶校验口诀："凑偶数"。先数原始数据中有多少个1，如果已经是偶数个，校验位就补0；如果是奇数个，校验位就补1。注意审题：校验位加在什么位置（最高位还是最低位），这会影响最终编码的排列。本题是"末位增加"，即校验位在最后。

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第2章 数据的表示和运算 -- 数据校验码（奇偶校验码）

[知识背景]

寻址方式是指CPU如何找到指令中操作数的方法。不同的寻址方式决定了操作数存放的位置和获取操作数的途径。

常见的寻址方式有以下几种：

立即寻址：操作数直接包含在指令中，就是指令的一部分。

寄存器寻址：操作数存放在CPU内部的寄存器中，指令中给出寄存器编号。

直接寻址：指令中直接给出操作数在内存中的地址，操作数存放在内存中。

变址寻址：操作数的有效地址 = 变址寄存器的内容 + 指令中给出的形式地址（偏移量）。这个有效地址指向内存中的某个位置，操作数最终是从内存中取出的。变址寻址特别适用于数组操作，因为可以通过改变变址寄存器的值来依次访问数组的各个元素。

[逐项分析]

• A. 内存中 - 正确。变址寻址通过"变址寄存器内容 + 形式地址"计算出一个有效地址，然后用这个有效地址去内存中读取操作数。因此操作数最终存放在内存中。
• B. 通用寄存器中 - 错误。如果操作数在寄存器中，那是"寄存器寻址"方式。虽然变址寻址中用到了变址寄存器（用于存放变址值），但变址寄存器存放的是地址的一部分，不是操作数本身。
• C. 硬盘中 - 错误。CPU不能直接从硬盘中读取操作数。硬盘属于外部存储器（辅存），CPU只能访问内存（主存），硬盘中的数据必须先调入内存后才能被CPU使用。
• D. 指令中 - 错误。如果操作数直接在指令中，那是"立即寻址"方式。变址寻址的指令中包含的是形式地址（偏移量），不是操作数本身。

[记忆要点]

记住各种寻址方式操作数的位置：立即寻址 -- 操作数在指令中；寄存器寻址 -- 操作数在寄存器中；直接寻址、间接寻址、变址寻址、基址寻址 -- 操作数都在内存中。简单来说，只要涉及到去内存地址取数据的寻址方式，操作数就在内存中。

[教材出处]

第3章 指令系统 -- 寻址方式（变址寻址）

[知识背景]

CPU在执行算术运算或逻辑运算后，会将运算结果的一些特征记录在一个特殊的寄存器中，这个寄存器叫做条件码寄存器（也叫标志寄存器、状态寄存器、程序状态字寄存器PSW）。

常见的标志位有：

ZF（Zero Flag，零标志位）：当运算结果为零时，ZF置1；否则ZF为0。

OF（Overflow Flag，溢出标志位）：当有符号数运算发生溢出时，OF置1。

SF（Sign Flag，符号标志位）：记录运算结果的符号，即结果的最高位。SF=1表示结果为负。

CF（Carry Flag，进位/借位标志位）：当无符号数运算产生进位或借位时，CF置1。

[逐项分析]

• A. ZF - 正确。ZF就是Zero Flag（零标志），专门用来指示运算结果是否为零。当运算结果为零时ZF=1。
• B. OF - 错误。OF是Overflow Flag（溢出标志），用于指示有符号数运算是否发生了溢出。
• C. SF - 错误。SF是Sign Flag（符号标志），反映运算结果的正负号。
• D. CF - 错误。CF是Carry Flag（进位标志），反映无符号数运算时是否产生了进位或借位。

[记忆要点]

四个标志位的名称来自英文首字母：Zero -> ZF，Overflow -> OF，Sign -> SF，Carry -> CF。每个标志位各司其职：ZF看是否为零，OF看是否溢出，SF看正负号，CF看是否进位。

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第4章 中央处理器 -- 条件码/标志寄存器

[知识背景]

CPU中有多种寄存器，每种有不同的功能：

程序计数器（PC，Program Counter）：存放下一条将要执行的指令的内存地址。每取出一条指令后，PC会自动加上该指令的长度，从而指向下一条指令的地址。

指令寄存器（IR，Instruction Register）：用于存放当前正在执行的指令的内容（即指令的二进制编码）。

通用寄存器：用于存放操作数或中间运算结果。

标志寄存器：存放CPU运算后产生的状态标志（如零标志、溢出标志等）。

[逐项分析]

• A. 指令寄存器 - 错误。IR存放的是当前正在执行的指令的内容（机器码），不是下一条指令的地址。
• B. 程序计数器 - 正确。PC的核心功能就是提供下一条指令的地址。在顺序执行时，PC自动递增；在跳转时，PC被修改为目标地址。
• C. 通用寄存器 - 错误。通用寄存器用于暂存数据和运算中间结果，不是专门用于存放指令地址的。
• D. 标志寄存器 - 错误。标志寄存器记录的是运算结果的状态特征，与提供指令地址无关。

[记忆要点]

PC和IR是一对容易混淆的寄存器：PC存地址（下一条指令在哪里），IR存内容（当前指令是什么）。可以这样记："计数器计地址，寄存器存指令"。

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第4章 中央处理器 -- CPU的基本组成与寄存器

[知识背景]

MIPS是一种经典的精简指令集计算机（RISC）架构。MIPS汇编指令的一般格式为：操作码 目的操作数, 源操作数1, 源操作数2，即 op rd, rs, rt。其中rd是目的寄存器（存放运算结果），rs和rt是源寄存器（提供操作数）。

所以 "add $s1, $s2, $s3" 的含义是：将 $s2 和 $s3 的值相加，结果存入 $s1。即 $s1 = $s2 + $s3。

[逐项分析]

• A. $s1=$s2+$s3 - 正确。第一个寄存器 $s1 是目的寄存器，$s2 和 $s3 是源寄存器。
• B. $s2=$s1+$s3 - 错误。目的寄存器是第一个操作数，不是第二个。
• C. $s3=$s1+$s2 - 错误。把源和目的搞反了。
• D. $s3=$s1&$s2 - 错误。运算操作也错了，&是按位与，而题目中的指令是 add（加法）。

[记忆要点]

MIPS指令的操作数顺序是"结果在前，来源在后"。记住口诀："MIPS三操作数，第一个放结果。"这与赋值语句 "a = b + c" 的格式一致。

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第3章 指令系统 -- MIPS指令格式与R型指令

[知识背景]

地址线是CPU与存储器之间连接的信号线之一，用于传递要访问的存储单元的地址。如果有n条地址线，则CPU最多可以区分 2ⁿ 个不同的地址。

"按字节编址"意味着每个地址对应存储器中的一个字节（8位）。

计算过程：

8MB = 8 × 1024 × 1024 字节 = 2³ × 2¹⁰ × 2¹⁰ = 2²³ 字节

要为 2²³ 个字节编址，需要 23条 地址线。

[逐项分析]

• A. 3条 - 错误。3条地址线只能寻址 2³ = 8 个字节（8B），远远不够。
• B. 13条 - 错误。13条地址线能寻址 2¹³ = 8192 字节 = 8KB。
• C. 23条 - 正确。8MB = 2²³ 字节，需要 23 条地址线。
• D. 33条 - 错误。33条地址线能寻址 2³³ = 8GB。

[记忆要点]

关键是记住单位换算中2的幂次：1KB = 2¹⁰ B，1MB = 2²⁰ B，1GB = 2³⁰ B。所以 8MB = 2³ × 2²⁰ = 2²³ B，需要23条地址线。做这类题时，把所有数字都转换成2的幂次，然后把指数相加即可。

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第5章 存储器层次结构 -- 主存储器的组织与地址编码

[知识背景]

存储器的访问方式分为以下几种：

RAM（Random Access Memory，随机存取）：可以按地址直接访问任意存储单元，访问任何位置所需时间相同。典型代表是内存。

SAM（Sequential Access Memory，顺序存取）：必须按数据存储的顺序依次访问。典型代表是磁带。

DAM（Direct Access Memory，直接存取）：介于随机存取和顺序存取之间。先直接移动到数据所在的大致区域，然后在该区域内顺序搜索。典型代表是磁盘（硬盘）。

ROM（Read-Only Memory）：ROM描述的是读写特性（只读），而不是存取方式。

[逐项分析]

• A. ROM方式 - 错误。ROM描述的是存储器的读写属性，不是存取方式。
• B. DAM方式 - 正确。硬盘工作时，磁头先直接移动到目标磁道（直接定位），然后等待目标扇区转过来（顺序搜索），属于直接存取。
• C. SAM方式 - 错误。SAM是磁带的存取方式，需从头开始依次读取。
• D. RAM方式 - 错误。RAM是内存的存取方式，访问任何地址的时间相同。

[记忆要点]

三种存取方式对应的典型设备：RAM -- 内存，SAM -- 磁带，DAM -- 磁盘/硬盘。可以用生活类比：RAM像翻书直接翻到某一页；SAM像听录音带必须快进；DAM像唱片机，先把唱针放到大致位置，然后等唱片转到目标位置。

[教材出处]

第5章 存储器层次结构 -- 外部存储器（磁盘存储器的存取方式）

[知识背景]

CPU与外部设备之间的数据传送有多种控制方式：

程序直接控制方式：CPU不断地查询外设的状态，效率极低。

中断控制方式：外设准备好数据后，主动向CPU发出中断请求。适用于低速、中速的外设，如键盘、鼠标、打印机等。

DMA控制方式：数据在外设和内存之间直接传送，不经过CPU。适用于高速的外设，如硬盘等。

[逐项分析]

• A. 程序直接控制方式 - 错误。需要CPU不停轮询，浪费大量CPU时间，效率太低。
• B. DMA控制方式 - 错误。DMA适用于高速设备的大批量数据传送，鼠标每次传送数据量极小，不需要DMA。
• C. 中断控制方式 - 正确。鼠标是低速设备，数据量小，使用中断方式最为合适。
• D. 既可选用中断控制方式又可选用DMA控制方式 - 错误。鼠标不需要DMA，使用DMA不合理。

[记忆要点]

I/O控制方式的选择取决于设备的速度和数据量：低速设备（键盘、鼠标）用中断方式，高速设备（硬盘）用DMA方式。口诀："慢设备用中断，快设备用DMA"。

[教材出处]

第6章 互连及输入输出组织 -- I/O控制方式

[知识背景]

单重中断：在CPU处理一个中断的过程中，不允许再响应新的中断请求。

多重中断（中断嵌套）：在CPU处理一个中断的过程中，如果又来了一个优先级更高的中断请求，CPU会暂停当前的中断处理，转而处理更高优先级的中断。

核心原则：高优先级的中断可以打断低优先级的中断，但反过来不行。

[逐项分析]

• A. 一定会响应 - 错误。如果新的中断优先级低于或等于当前中断，CPU不会响应。
• B. 一定不会响应 - 错误。这描述的是单重中断的情况。
• C. 响应优先级更高的中断请求 - 正确。多重中断的核心机制就是：只允许优先级更高的中断打断当前的中断处理。
• D. 响应优先级更低的中断请求 - 错误。与多重中断的原则完全相反。

[记忆要点]

多重中断的核心原则："高可以打断低，低不能打断高"。类比：你正在处理一件普通工作，突然领导来了紧急任务，你会放下手头的工作先处理紧急任务。

[教材出处]

第6章 互连及输入输出组织 -- 中断系统（多重中断与中断优先级）