2025年04月自考 计算机组成原理(02318)

知识背景

计算机系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。硬件是计算机的物理实体，包括运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。软件是计算机运行所需的各种程序和数据的总称。按照功能和用途，软件分为：系统软件（管理和控制硬件资源，如操作系统、编译器等）和应用软件（面向用户具体任务的程序）。

逐项分析

A. 操作系统和语言处理程序 -- 错误。两者都属于系统软件的子类，不能代表软件的完整分类。

B. 系统软件和应用软件 -- 正确。这是最标准的软件分类方式。

C. 操作系统和高级语言 -- 错误。"高级语言"是编程语言概念，不是软件本身。

D. 低级语言程序和高级语言程序 -- 错误。按编程语言级别划分不是标准的软件分类。

记忆要点

软件 = 系统软件 + 应用软件。系统软件是"管家"，应用软件是"用户工具"。

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第1章 计算机系统概述 -- 计算机系统的基本组成，软硬件层次结构。

知识背景

补码是计算机中表示有符号整数的最常用方式。8位补码中最高位为符号位，0表示正数，1表示负数。负数补码求真值方法：取反加1得绝对值，再添负号。

逐项分析

计算过程：[X]_补=11100111，最高位为1，X是负数。取反：00011000，加1：00011001=16+8+1=25，真值X=-25。

A. -25 -- 正确。

B. 25 -- 错误，忽略了符号位。

C. -231 -- 错误，计算方法有误。

D. 231 -- 错误，这是无符号数的值(128+64+32+4+2+1=231)。

记忆要点

负数补码求真值："取反加1"得绝对值。8位补码范围：-128~+127。

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第2章 数据的表示和运算 -- 补码定义与真值转换。

知识背景

比较两个数通常通过减法(A-B)实现，不保存结果但影响标志位。CF=1表示有借位(A<B)；CF=0表示无借位(A≥B)；ZF=1表示结果为零(A=B)；ZF=0表示不为零(A≠B)。

逐项分析

A. CF=0 -- 不完全正确，CF=0只说明A≥B，无法排除A=B。

B. CF=1 -- 错误，CF=1表示A<B。

C. CF=0 且 ZF=0 -- 正确。无借位且结果不为零，即A>B。

D. CF=1 且 ZF=1 -- 错误，两条件逻辑矛盾不可能同时成立。

记忆要点

无符号比较："无借无零才大于"(CF=0且ZF=0)。A=B对应ZF=1；A<B对应CF=1。

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第2章 数据的表示和运算 -- 标志位的含义与应用。

知识背景

补码加法中溢出表示结果超出表示范围。"双进位检测法"比较符号位进位C_n和最高数值位进位C_n-1，两者不同则溢出，用异或表示。

逐项分析

A. OF=C_n -- 错误，仅看最高位进位不能判断溢出。

B. OF=C_n⊕C_n-1 -- 正确，双进位检测法，两进位不同则溢出。

C. OF=C_n+C_n-1 -- 错误，逻辑或会在两个都为1时误判。

D. OF=C_n-C_n-1 -- 错误，减法不是标准逻辑运算。

记忆要点

溢出检测三种等价方法：(1) OF=C_n XOR C_n-1；(2) 双符号位不同则溢出；(3) 同号相加变号即溢出。

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第2章 数据的表示和运算 -- 补码加减运算及溢出检测。

知识背景

寻址方式决定CPU如何找到操作数。立即寻址：操作数直接在指令中；直接寻址：指令中给出操作数的内存地址；寄存器寻址：操作数在寄存器中；隐含寻址：操作数位置隐含在操作码中。

逐项分析

A. 隐含寻址 -- 错误，操作数位置隐含在操作码中，不显式给出。

B. 立即寻址 -- 正确，操作数直接包含在指令中。

C. 寄存器寻址 -- 错误，给出的是寄存器编号，不是操作数本身。

D. 直接寻址 -- 错误，给出的是操作数的地址，不是操作数本身。

记忆要点

立即寻址给"数"，直接寻址给"地址"。"立即"意味着马上就能用，数就在指令里。

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第3章 指令系统 -- 各种寻址方式的定义与特点。

知识背景

RISC(精简指令集)核心思想：简化指令集，每条指令一个时钟周期完成。特征：指令少、定长格式、只有Load/Store访存、大量寄存器、适合流水线。

逐项分析

A. 指令条数多 -- 错误，这是CISC特征。

B. 指令长度可长可短 -- 错误，RISC采用定长指令。

C. 寻址方式丰富，大多数指令能访存 -- 错误，这是CISC特征。

D. 只有少数几条指令能访问存储器 -- 正确，Load/Store体系结构是RISC核心特征。

记忆要点

RISC："少、定、存取、多寄存器"。CISC："多、变、随意访存、微程序控制"。

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第3章 指令系统 -- RISC与CISC特征对比。

知识背景

存储器扩展：当单个芯片容量不够时需要多芯片组合。总片数 = 目标总容量 / 单片容量。

逐项分析

计算：目标16KB = 16K × 8位，单片 4K × 4位。字扩展 = 16K/4K = 4，位扩展 = 8/4 = 2，总片数 = 4 × 2 = 8。

A. 4 -- 错误，只算了字扩展。

B. 6 -- 错误。

C. 8 -- 正确。

D. 10 -- 错误。

记忆要点

芯片数 = 字扩展倍数 × 位扩展倍数。注意1Byte=8bit。

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第5章 存储器层次结构 -- 存储芯片的扩展方法。

知识背景

MIPS的lw(Load Word)指令格式："lw rt, offset(base)"，功能是从内存地址(base+offset)处读一个字存入rt。采用基址寻址方式。

逐项分析

A. $s1=Memory[$s2+200] -- 正确，$s1是目标，$s2是基址，200是偏移量加到地址上。

B -- 错误，目标和基址搞反了。

C -- 错误，200应加在地址上而非数据上。

D -- 错误，两处都错。

记忆要点

"lw rt, imm(rs)" = rt ← Memory[rs + imm]。第一个操作数是目标，括号里是基址，括号外是偏移量。

教材出处

第3章 指令系统 -- MIPS指令格式与Load/Store指令。

知识背景

微程序控制器用"存储逻辑"实现控制功能：每条机器指令对应一段微程序，由微指令组成，存放在控制存储器(CM)中。CM位于CPU内部，通常用ROM实现。

逐项分析

A. 控制存储器中 -- 正确，专门存放微程序的CPU内部存储部件。

B. 主存中 -- 错误，主存存用户程序和数据。

C. 堆栈中 -- 错误，堆栈用于保存返回地址等。

D. 磁盘中 -- 错误，磁盘速度太慢。

记忆要点

层次：机器指令 → 微程序 → 微指令 → 微操作。控制存储器存微程序，主存储器存用户程序。

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第4章 中央处理器 -- 微程序控制器的基本原理。

知识背景

SRAM(静态RAM)用双稳态触发器(通常6个MOS管)存储1位数据，通电即保持，无需刷新。DRAM(动态RAM)用MOS管栅极电容存储，需要定期刷新。

逐项分析

A. 多个MOS管构成的触发器 -- 正确，6T-SRAM的基本存储单元。

B. 多个磁芯构成的电路 -- 错误，磁芯是已淘汰的技术。

C. MOS管栅极电容构成的电路 -- 错误，这是DRAM的原理。

D. MOS管构成的寄存器 -- 错误，"寄存器"说法不准确。

记忆要点

"静触动容"：静态(SRAM)用触发器，动态(DRAM)用电容。SRAM用于Cache，DRAM用于主存。

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第5章 存储器层次结构 -- SRAM和DRAM的存储单元结构。

知识背景

按存取方式分类：随机存取(RAM)--任意单元访问时间相同；顺序存取(SAM)--如磁带；直接存取(DAM)--如磁盘。

逐项分析

A. 磁带 -- 错误，顺序存取。

B. 磁盘 -- 错误，直接存取(先寻道再旋转等待)。

C. 磁芯 -- 错误，虽支持随机存取但已淘汰，非标准答案。

D. 半导体存储器 -- 正确，通过地址译码直接访问，时间恒定。

记忆要点

随机存取--半导体(SRAM/DRAM)；直接存取--磁盘/光盘；顺序存取--磁带。

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第5章 存储器层次结构 -- 存储器的分类方法。

知识背景

Cache能有效工作的根本原因是程序访问的局部性原理：时间局部性(最近用过的还会再用)和空间局部性(用了这个，旁边的也要用)。

逐项分析

A -- 错误，I/O操作多少与Cache命中率无直接关系。

B -- 错误，这影响虚拟存储器，不影响Cache。

C -- 正确，局部性好则Cache命中率高。

D -- 错误，指令相关度影响流水线，不影响Cache。

记忆要点

Cache的理论基础 = 局部性原理。写程序时按行优先访问数组(空间局部性)比按列优先效率高。

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第5章 存储器层次结构 -- Cache的工作原理与局部性原理。

知识背景

中断屏蔽字是一个二进制字，每位对应一个中断源。设为1则屏蔽该中断，设为0则允许。用于有选择地控制中断响应，实现优先级管理。

逐项分析

A. 屏蔽对某些中断的响应 -- 正确，选择性屏蔽。

B -- 错误，与DMA有关，非中断屏蔽字功能。

C -- 错误，屏蔽所有中断靠"关中断"(清IF标志)。

D -- 错误，与总线仲裁有关。

记忆要点

区分：中断屏蔽字--选择性屏蔽；关中断--屏蔽所有可屏蔽中断；NMI--不可屏蔽。

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第6章 互连及输入输出组织 -- 中断系统与中断屏蔽。

知识背景

I/O数据传送方式：程序直接控制、程序查询、中断方式都需要CPU通过执行I/O指令传送数据。DMA方式由DMA控制器直接控制总线在外设和主存间传数据，不需CPU执行指令。

逐项分析

A. 程序查询方式 -- CPU执行查询和I/O指令传送数据。

B. 中断方式 -- CPU在中断服务程序中执行I/O指令传送。

C. DMA方式 -- 正确，DMA控制器通过硬件自动传送，不需CPU执行指令。

D. 程序直接控制方式 -- CPU直接执行I/O指令。

记忆要点

CPU参与度从高到低：程序直接控制 > 程序查询 > 中断 > DMA。前三者都靠CPU执行指令传数据，DMA是唯一"硬件自动传"的方式。

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第6章 互连及输入输出组织 -- I/O数据传送方式分类与DMA。

知识背景

磁盘I/O的四个阶段：设置参数(CPU执行I/O指令)、寻道(机械操作)、连续读写(DMA传送)、结束校验(中断通知CPU)。

逐项分析

A. 寻道 -- 错误，机械定位过程，不涉及数据传送。

B. 设置传送参数 -- 错误，CPU通过程序控制设置参数。

C. 连续读写 -- 正确，数据高速传送阶段使用DMA。

D. 结束及校验 -- 错误，通过中断方式通知CPU善后。

记忆要点

磁盘I/O四步走："程-机-DMA-中断"（设参数-寻道-连续读写-结束校验）。

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第6章 互连及输入输出组织 -- 磁盘I/O过程与DMA控制。