第1章計算機系統概論電子計算機是一種可以自動、高速、精確地對各種信息進行解決和存儲的電子設備,從總體上可以分為兩大類:電子模擬計算機和電子數字計算機。1．1計算機發展簡史［填空]計算機最初是作為一種計算工具而問世的。早在計算機問世之前，就有各種各樣的計算工具。縱觀計算工具的發展歷史，人類的計算工具已經通過了算籌、算盤、計算尺、手搖計算機、電動計算機、真空管計算機、晶體管計算機、大規模集成電路計算機,正在向生物計算、光計算、量子計算等方向探索。[單選、填空]ＥＮIAC是個劃時代的創舉,是世界上第一臺電子數字計算機，成為現代數字計算機的始祖。1.2計算機系統[單選、填空]一個完整的計算機系統涉及硬件和軟件兩大部分。硬件是指計算機的所有器件或裝置的總稱,它們是“看得見、摸得著"的有形設備。軟件是相對硬件而言的，是指在計算機硬件上運營的各種程序以及有關文檔資料,例如操作系統、匯編程序、編譯程序、診斷程序、數據庫管理系統、專用軟件包、各種維護使用手冊、程序流程圖和說明等，是無形的東西。’。硬件是計算機系統的物質基礎，沒有硬件對軟件的支持,軟件的功能就無從談起，也就無法計算、解決某一方面的問題。同樣,軟件是計算機系統的靈魂,是硬件功能的完善與擴充。沒有軟件，計算機“仍是個“死"東西,主線無法工作。因此，計算機的硬件與軟件是互相滲透、互相依存、互相配合、互相促進的關系,兩者缺一不可。所以計算機系統性能的好壞取決于軟、硬件功能的總和。[簡答]馮·諾依曼思想體制重要涉及:(1)采用二進制數字代碼形式表達各種信息。(2)采用存儲程序控制工作方式。(3)計算機硬件由五大部件組成。計算機硬件由運算器、控制器、存儲器、輸入設備和輸出設備組成,其組成框圖如圖1—1所示。圖中，空心箭頭代表數據信號流向，實心箭頭代表控制信號流向。[填空]運算器是對信息進行運算和解決的部件。在計算機中的運算有兩類:算術運算和邏輯運算。運算器重要由算術邏輯運算部件(ALU)和用來暫存數據或存放運算結果的一系列寄存器組成。[單選、填空]通常,人們把運算器和控制器統稱為中央解決機(CPＵ)，而把CPU和內部存儲器一起稱為主機。主機內的存儲器稱為內部存儲器或簡稱內存，位于主機之外的存儲器稱為外部存儲器或簡稱外存。外存和輸入、輸出設備一起又統稱為外部設備或簡稱外設。[單選、填空]總線通常涉及數據總線、地址總線和控制總線[簡答]計算機系統的層次結構如下:(1)數字邏輯層。最底層是由邏輯門組成的邏輯電路,稱為數字邏輯層。(2)微程序設計層。這是一個實在的硬件層，它是機器硬件直接執行微指令。假如某一個應用程序直接用微指令來編寫，那么可在這一級上運營該應用程序。對于非微程序控制的計算機,此層合并人數字邏輯層。(３)機器語言層。又稱為一般機器層，它是微程序解釋機器指令系統。(4）操作系統層。它由操作系統程序實現，而操作系統由機器指令和廣義指令組成。所謂廣義指令，是操作系統定義和解釋的軟件指令。（5)匯編語言層。它給程序員提供一種符號形式的語言，以減少程序員運用機器語言編寫程序的復雜性。這一層由匯編程序支持或執行。(6)高級語言層。這一層由各種高級語言編譯程序支持。高級語言層上運營的程序是用比匯編語言更高級、更接近人類自然語言的高級語言所編寫的。高級語言程序員在這一級上不需要了解計算機硬件、編譯及操作系統等內容。１·3計算機系統的技術指標[填空、簡答]計算機系統的技術指標如下．(1)字長是指計算機的運算部件能同時解決的二進制數據的位數。字長通常是字節的整倍數：它與計算機的功能和用途有很大的關系。字長不僅決定著寄存器、加法器、數據總線等部件的位數,直接影響著硬件的代價，并且還決定了計算機的運算精度。字長越長:計算機的運算精度就越高。（2）內存容量。一個內存所能存儲的所有信息量稱為內存容量。它可以以字長為單位來計算,也可以以字節為單位來計算。在以字節為單位時,約定以８位二進制位為一個字節(Byｔｅ,縮寫為B)。(２）運算速度。它是用每秒能執行的指令條數來表達的,單位一般用MIＰS(每秒百萬條指令)表達。第2章數字邏輯基礎2．1邏輯代數與邏輯門[簡答]邏輯代數與普通代數的區別如下:邏輯代數和普通代數同樣用字母代表變量,稱為邏輯變量。和普通代數不同的是,邏輯變量的取值只有兩種:”1”和”0”,這里的”１＂和”0”，不再像普通代數那樣具有數值大小的含義，而是表達所研究問題的兩個互相對立的邏輯狀態。在邏輯關系中,最基本的邏輯關系只有“與"、“或’’和“非"三種,因此邏輯代數中變量的運算也只有“與"、“或’’和“非”三種基本邏輯運算，而其他任何復雜的邏輯運算都可以用這三種基本邏輯運算來實現。1.邏輯“與＂關系若假設在表2—1中,用“1"表達開關閉合或燈亮,用“0"表達開關斷開或燈滅，便可以得到反映開關狀態與燈亮/滅之間因果關系的數學表達形式——邏輯真值表，簡稱真值表,如表2—２所示。由表2-2可知，邏輯變量Y與邏輯變量A、Ｂ之間的關系是：只有當A與B都是“1”是,Y才為“1”；否則,Y為“0”。這一關系用邏輯表達式表達為:Y＝A·B或Ｙ＝AＢ式中,“·＂表達邏輯變量A、B的“與＂運算，又稱為邏輯乘。邏輯與運算的規律是:0·0=＝00·１=＝０1.0==０1.１＝=12.邏輯“或"關系其邏輯表達式表達為：Ｙ=A＋B式中，“+＂表達邏輯變量A、B的“或”運算，又稱為邏輯加。邏輯或運算的規律是:0+0=00＋1＝１1+0＝11+1=13.邏輯“非＂關系當決定一件事情的條件不具有時，這件事情才會發生，這樣的邏輯關系稱為邏輯“非’’關系。非就是相反,就是否認。當開關A閉合時，燈Ｙ滅；而當開關A斷開時,燈Y會亮。所以對燈Ｙ亮這一事件來說，開關Ａ閉合是一種“非"的邏輯關系。其邏輯表達式表達為:Y=式中,字母A上方的符號“一”表達邏輯變量A的“非”或“反’’運算。邏輯非運算的規律是:0=14．常用復合邏輯運算除了與、或、非這三種基本邏輯運算之外,經常用到的尚有基于這三種基本運算構成的一些復合運算，它們是與非(先“與’’后“非’’)、或非(先“或”后“非”)、異或等運算。與非、或非和異或運算的邏輯表達式分別是：A?5．邏輯代數的運算法則[計算]根據邏輯與、或、非的三種運算法則,可推導出邏輯運算的一些基本定律和法則,其中最常用的有以下幾種：關于變量與常量的關系A+0=AA?0=A反復律A?吸取率A+分派律AA+B互換律A+B=B+A結合律A+BA?B反演律A?B?C…A+B+C…=A+2.２組合邏輯電路.[單選、填空]通常數字系統的邏輯電路可以分為兩大類：組合邏輯電路和時序邏輯電路。組合邏輯電路是指電路的輸出狀態只與當時輸入狀態有關，而與電路的以前狀態無關,即輸出與輸入的關系具有即時性,不具有記憶功能。2.3常用時序電路[單選、填空］邏輯電路中的輸出狀態不僅與當時的輸入狀態有關,并且還與電路以前的輸入狀態有關，這種邏輯電路稱為時序邏輯電路。因此，時序邏輯電路中必須要有可以儲存信息的記憶元件――觸發器。觸發器也是構成各種復雜時序邏輯電路中的基本部件。[單選、填空]觸發器的種類很多，準時鐘控制方式來分，有電位觸發、邊沿觸發、主從觸發等方式的觸發器;按功能來分，有RS型、D型、JK型等觸發器。同一功能的觸發器可以由不同的觸發方式來實現,因此在選用觸發器時必須考慮觸發方式。.[單選、填空]計算機中的許多部件都需要有可以暫時寄存數據的部件,而寄存器就是這樣的部件,它具有接受信息、存放信息或傳遞信息的功能。寄存器重要由觸發器和一些控制門構成。由于一個觸發器只能存放1位二進制信息,那么存放n位二進制信息的寄存器就需要n個觸發器來構成。[簡答]74ＬS１７5的具體邏輯功能如下：（1）異步清零。當ＭR=０時，寄存器處在異步清零工作方式。這時，不管其他輸人端的狀態如何（涉及時鐘信號CＬK)，寄存器Q3~Q0被直接清零。由于清零不受時鐘信號CLK控制,因而稱為異步清零。(2）同步并行置數。當ＭR＝1時,在CLK上升沿作用下，數據輸人端Ｄ3~D0的數據將被分別置人Ｑ3～Q0。由于置數操作要與CLＫ上升沿同步,且D３～D0的數據同時置人寄存器,所以稱為同步并行置數。(3)保持功能。當MR=１時，在CLK上升沿以外的時間，寄存器的內容保持不變,即各個輸出端的狀態與輸人數據無關。[填空］移位寄存器不僅可以存儲數據,并且具有移位的功能。按照數據移動的方向，可分為單向移位和雙向移位兩大類。[填空、簡答]計算器的分類重要有下面幾種:(１）按構成計數器的觸發器的翻轉順序分類,可分為異步計數器和同步計數器。.當計數脈沖CＬK輸入時,所有觸發器同時都翻轉的計數器稱為同步計數器；當計數脈沖CＬK輸人時,各級觸發器不同時翻轉的計數器稱為異步計數器。(2)按計數過程中計數器中數字的增減來分類，可分加法計數器、減法計數器和可逆計數器(加減計數器)。(３）按計數器中數字的編碼方式來分類，可分為二進制計數器和十進制計數器。第３章計算機中的信息表達［填空]在計算機中,信息分為兩大類:數據信息和控制(指令）信息。數據信息泛指計算機解決的對象,它們又可分為數值型數據和非數值型數據。（如文字、聲音、圖像等);控制信息就是控制計算機工作的信息,計算機執行指令時,用指令產生的各種操作命令控制有關操作,所以指令序列屬于控制信息。3．1數值型數據的表達［填空]所謂進位計數制，就是人們運用數字符號來計數的方法。凡是用數字符號排列，按由低位向高位進位計數的方法叫做進位計數制,簡稱計數制或進位制。進位計數制有很多種，計算機科學中常用的是二進制、十進制、十六進制。[填空]一個數無論采用何種進位制表達,都包含兩個基本要素：基數和位權。基數任何一種計數制允許選用的基本數字符號的個數叫做基數。例如，十進制中有0~9共十個符號，基數為10；二進制中只有0和1共兩個符號,基數為2。位權一個數字符號所表達的數值等于該數字乘以一個與它所在數位有關的常數,這個常數叫做“位權”，簡稱“權”。位權的大小是指以基數為底,數字符寫所在位置的序號為指數的整數次冪。［簡答］二進制數與其他數制相比,具有以下一些特點：（1)容易實現。(2)工作可靠。(３)運算簡樸。(4）便于邏輯運算與邏輯設計。[計算]無符號數是指整個機器字長,的所有二進制位均表達數值位（沒有符號位),相稱于數的絕對值。對于機器字長為,ｎ位的無符號數的表達范圍是0~(2n-1)帶符號數的正號“＋”或負號“－”,計算機是無法辨認的，因此在計算機中需要把數的正、負符號數碼化。一般用數的最高位表達數的正負，通常約定“0”表達正號，“1”表達負號。[計算]十進制使用的數字符號為0~9共10個符號,各位的權是以10為底的冪;二進制使用的數字符號為0和1，各位的權是以２為底的冪。十六進制使用數字０、1、……、9,以及英文字母Ａ、Ｂ、Ｃ、D、Ｅ、F，共１6個符號,其中,A、B、C、Ｄ、E、F分別代表十進制數中的１0、1１、。12、１3、14、15，各位的權是以16為底的冪。(1）十進制數轉換為二進制數整數用“除2取余”,小數用“乘2取整’’的方法。例如：(（２）十六進制數轉換為二進制數不管是十六進制的整數部分或小數部分，只要把每一位十六進制數用等值的四位二進制數代替即可。例如：(3AB.7E(3)二進制數轉換為十六進制數整數部分由小數點向左每四位一組,小數部分由小數點向右每四位一組,局限性四位的補0，然后用四位二進制數的等值十六進制數代替即可。例如：(010［計算］一個數在計算機內的表達形式稱為機器數,這個數自身的值稱為該機器數的真值。將真值轉換為計算機硬件可以直接辨認、解決的機器數時，根據其數值部分編碼方法的不同，相應的機器數又有三種不同的編碼:原碼、反碼、補碼。(1）原碼表達法原碼表達法是一種最簡樸的機器數表達法,其最高位為符號位，符號位為“0’’表達正數,符號位為“1”表達負數。數值位部分與真值相同。例如:X=X=真值“0”在原碼中有兩種表達形式,即：[+0對于8位原碼表達的數值范圍是+１27~－127,[+127(２)反碼表達法對于正數，反碼與原碼相同；對于負數,除符號位仍為“1”外，其余各數值位是“按位取反”。例如:X=反碼的“０”也有兩種表達形式，即：[+0對于8位反碼表達的數值范圍為+1２7~－12７，[(３)補碼表達法[X其中，模M=基數n，ｎ為計量裝置的位數(字長)。對于正數,與反碼同樣,正數的補碼與原碼相同;對于負數，除符號位仍為“1”外，其余各數值位“例如：X=-1101001補碼的“0”只有一種表達形式：[+0對于８位補碼表達的數值范圍為+１27~-128，[+127［計算]通常在編程時用真值來表達數值,通過編譯、解釋后轉換成用原碼或補碼表達的機器數。因此，在計算機中需要將真值或原碼形式表達的數據轉換為補碼形式,以便于機器對其進行運算。下面先從原碼形式入手來求補碼。當Ｘ為正數時,[X當X為負數時,[X]補等于把[X]原除去符號位外的各位求反后再末位加“１”。當X為負數時,已知[X當X為負數時,由[X]補轉換為[X]補的另一種更有效的方法是:自低位向高位，尾數的第一個“１＂及其右部的“0”保持不變，左部的各位取反，符號位保持不變。這種方法避免了加例如:[X[X]也可以直接由真值Ｘ轉換為[X]補，其方法更簡樸:數值位自低位向高位,尾數的第一個“1”及其右部的“０”保持不變，左部的各位取反,負號用“1”表達。注意,例如:X=－0０01010[X[計算]計算機中的一般數據有兩種表達格式：定點表達與浮點表達。所謂定點與浮點，是指數中小數點的位置是固定的還是浮動的。(1）定點表達定點表達分為定點小數和定點整數。假設字長是n＋1位,則定點小數的原碼表達范圍是:1-2-n~-(1-2-n),的補碼表達范圍是：2（2)浮點表達一個浮點數N由階碼E和尾碼M兩部分組成。任意一個二進制數據N都可以表達為：N=±M×2中M是尾數，E是階碼,而基數2隱含。例如:-101.0011=-0.1010011×2對于二制數據Ｎ來說:當階碼E=0，若尾數Ｍ為純小數,則數據N為定點小數。當階碼E=０，若尾數M為純整數,則數據N位定點整數。當階碼Ｅ為住意整數，此時數據N為浮點數[填空]BCD碼的編碼形式可以有多種，其中最自然、最簡樸的一種形式是8421BＣD碼，即4位二進制數的權從左往右分別為8、4、２、1。3．2非數值型數據的表達［單選、填空］計算機中的字符是用7位二進制編碼來表達的,并且經常用一個字節來保存這個二進制數。現在世界上最通用的編碼方案是AＳCＩI。在ASCIＩ字符編碼表中可以看到，一個字節中的7位二進制數給出廠１2８個編碼,表達１28個不同的字符。[單選、填空］用計算機進行漢字信息解決,必須將漢字代碼化，即對漢字進行編碼,稱為漢字輸人碼。漢字的編碼有輸入碼、內碼、字形碼三種形式，(1）漢字的輸入碼。編碼方案重要分為三大類：數字編碼、拼音碼、字形編碼。數字編碼常用的是國標區位碼,用數字串輸人一個漢字；拼音碼是以漢語拼為基礎的輸入方法;字形編碼是用漢字的形狀來進行的編碼。(2)漢字的內碼。同一個漢字以不同輸入方式進人計算機時，編碼長度以及0、1組合順序差別很大,在漢字信息進一步存取、使用、交流時十分不方便,必須轉換成長度一致且與漢字唯一相應的能在各種讓算機系統墮通用的編碼，滿足這種規則的編碼稱為漢字內碼。3）漢字字形碼。存儲在計算機內在屏幕上顯示或在打印機上輸出時,需要知道漢字的字形信息，漢字內碼并不能直接反映漢字的字形，而要采用專門的字形碼。字形信息的表達大體上有兩類形式：一類是用活字或文字版的固體字形形式，另一類是點陣表達法或矢量表達法等形式，其中最基本的也是大多數字形庫采用的,是以點陣的形式存儲漢字字形編碼的方法。[單選、填空]位圖圖像是由一個個離散點（像素點)的二進制數字組成的數字圖像,需要通過采樣和量化解決。語音是一種模擬信號，和位圖圖像解決類似,必須通過采樣、量化等模/數轉換解決。3.3數據校驗碼計算機中常用檢錯或糾錯技術進行存儲器讀/寫對的性或傳輸信息的檢查,這里僅介紹檢錯碼。最簡樸且應用廣泛的檢錯碼是采用一位校驗位的奇偶校驗。設X=(X0X驗位Ｃ定義為:C=即X中包含偶數個1時,才使C＝0。３.4指令信息的表達指令是指示計算機硬件執行某種操作的命令。CPＵ就是根據指令指揮和控制計算機各部件協調動作。實現對信息的加工和解決的。指令系統重要涉及指令格式、尋址方式、指令類型與指令功能等內容,這些都是必須熟悉和掌握的核心問題。1.指令格式計算機能直接辨認和執行的指令是用二進制編碼表達的機器指令。指令格式就是指令用二進制代碼表達的結構形式,通常由若干個字段構成,重要涉及操作碼和地址碼字段。一條機器指令的基本格式如下:操作碼ＯP地址碼Ｄ(１)操作碼指明了計算機應講行什么件質的操作，如加、減、乘、除四則運算或數據傳送、移位等操作。(２)地址碼指明了操作的數據或數據存放的地址。根據指令碼中提供操作數地址的個數,又可以把指令格式分為：零地址指令(又稱為無操作數指令），一地址指令(又稱為單操作數指令）、二地址指令(又稱為雙操作數指今)和三地址指令(又稱為三操作數指令）等。①零地址指令格式：操作碼OP這類指令中只有操作碼,沒有操作數,例如空操作指令、停機指令等;也也許是有操作數，而該操作數被隱含地給出。②一地址指令格式:操作碼OP地址碼Ｄ一地址通常有兩種情況：這個操作數既是操作數的地址,又是操作結果的存儲地址；指令中給出一個操作數,而另一個操作數被隱含在CＰU的某個寄存器中③二地址指令格式：操作碼OP地址碼D1地址碼Ｄ2這類指令指明參與操作的兩個操作數地址，分別為源地址D2的地址和目的地址D1。指令功能是(Ｄ1)ＯP（Ｄ2)->D1。在雙操作指令中,從操作數的物理位置來說,可分為三種類型:寄存器——寄存器(RR)型指令。操作數都放在CPU內寄存器中，因不需要訪問存儲器,所以機器執行的速度快：存儲器——存儲器(SS)型指令,操作數都放在存儲器單元中，執行速度慢;寄存器一存儲器（RS)型指令，執行速度介于上述兩者之間。④三地址指令格藏:操作碼OP地址碼D1地址碼D2地址碼Ｄ3指令功能是(D２)OP(D3)Ｄ1，該指令的優點是操作結束后,Ｄ2、D3中的內容均未被破壞;缺陷是增長了指令長度和存放空間，加大了取指令的時間。2.指令長度每一條機器指令都是一串二進制代碼,稱為指令字。在指令系統設計上出現兩種相反的趨勢：一種是采用可變長指令字結構,讓指令功能盡也許豐富,稱之為復雜指令系記錄算機（ComplｅxInstructionSetＣornputeｒ，CISＣ)；另一種是采用定長指令字結構，只選取簡樸、常用的指令,稱之為精簡指令系記錄算機(ＲeducｅｄＩnstｒuctｉｏｎSetCｏmputer,RIＳＣ）。3.尋址方式指令中以什么方式提供操作數或操作數地址，稱為尋址方式。(1)立即尋地。操作數跟在操作碼的后面,指令的地址字段直接給出了操作數。在取出該指令的同時，也就取出了可以立即使用的操作數。這樣的數稱為立即數。（2）寄存器尋址。指令的地址碼字段給出某一個通用寄存器的編碼(地址),該寄存器中存放著操作數。(3)直接尋址。指令的地址碼字段直接給出的是操作數的有效地址EＡ。用這個有效地址訪問一次存儲器，便可以從指定的存儲單元中獲得操作數。由于這樣給出的操作數地址是不能修改的。與程序自身所在的位置無關,所以又叫做絕對尋址方式。(４)寄存器間接尋址。指令中的地址碼給出了某一通用寄存器的編號，以該寄存器中的內容為有效地址ＥA,用這個有效地址訪問一次存儲器,便可以從指定的存儲單元中獲得操作數。（5)存儲器間接尋址。這是一種與寄存器間接尋址類似間接尋址方式。通常在指令格式中劃出一位作為直接或間接尋址的標志位Ｉ。（6)變址尋址。變址尋址就是把變址寄存器RX的內容(變址值)與指令中給出的形式地址Ｄ相加，形成操作數的有效地址EA，即EA＝(R(7)相對尋址。相對尋址方式是變址尋址的特例。它以程序計數器PＣ為變址器，與指令提供的形式地址相加，從而得到有效地址EA。有效地址與形式地址D和程序計數器ＰC器的關系為：ＥA=(PＣ)＋D。(８）基址尋址。當存儲器容量較大、所需地址碼的長度大于字長時,由指令地址碼字段直接給出的地址就不能直接訪問到存儲器的所有單元。解決的方法通常是把整個存儲空間提成若干個段，段的首地址存放在基址寄存器中，段內位移量由指令直接給出，存儲器的實際地址就等于基址寄存器的內容(即段首地址)與段內位移量之和，這樣通過修改基址寄存器的內容就可以訪問存儲器的任一單元。4．指令的類型及功能計算機的指令系統一般都包具有幾十條到上百條指令，其類型也有很多種，在此將按照指令的類型分別介紹各類指令的基本功能。(1)數據傳送類指令這類指令用于實現寄存器與寄存器、寄存器與存儲器單元以及兩個存儲器單元之間的數據傳送操作,涉及通用數據傳送指令和堆棧及堆棧操作指令。(2）運算類指令運算類指令涉及算術運算指令和邏輯運算指令。算術運算指令一般都設有二進制數加、減、乘、除、比較和求補等最基本指令；邏輯運算指令指與、或、非、異或和測試等。(3)移位操作指令移位操作指令分為算術移位、邏輯移位和循環移位三種，可以實現對操作數左移或右移一位或若干位。算術移位的對象是帶符號數，左移時、末位補０；右移時，必須保持操作數的符號不變。當左移一位時，如不產生溢出，則數值乘2；而右移一位時,如不考慮因移出舍去的末位尾數，則數值除2。邏輯移位操作的是無符號數。算術移位與邏輯移位重要差別在于右移時，填人最高位的數據不同。算術右移保持最高位（符號位）不變，而邏輯右移最高位補零。③循環移位又分為小循環(自身循環）與大循環（帶進位循環),重要用于實現循環式控制、高低字節互換等。5.字符串解決指令字符串解決指今是一種非數解決指今。一船涉及字符串傳送、字符串轉換、字符串比較、字符串查找、字符串匹配、字符串的抽取和替換。６.輸入/輸出指令(I/0）I/0指令重要用來實現CPU與外部設備之間的信息互換、涉及輸入／輸出數據、CＰU向外設發控制命令或外設向CＰU報告工作狀態等。7．程序控制指令程序控制類指令用于控制程序的執行順序,并使程序具有測試、分析和判斷的能力。它重要涉及轉移指令、子程序調用和返回指令等。(1)轉移指令用來改變程序的執行順序，可以分為無條件轉移指令和條件轉移指令全兩種。(２）子程序是一組可以公用的指令序列,只要知道子程序的入口地址就能調用它。通常把一些需要反復使用并能獨立完畢某種特定功能的程序單獨編成子程序，在需要時由主程序調用,這樣做既簡化了程序設計,又節省了存儲空間。(3）從子程序轉向主程序的指令稱為返回指令。８．其他指令其他指令重要涉及特權指全、陷阱與陷阱指令。陷阱事實上是一種意外事故中斷，中斷的目的不是為了請求CPU的正常解決，而是為了告知CPU所出現的故障,并根據故障轉入相應的故障解決程序。[填空、簡答］堆棧是由若干個連續存儲單元組成的先進后出(FILO)存儲區,第一個送入堆棧中的數據存放在棧底,最后送入堆棧中的數據存放在棧頂。棧底是固定不變的，而棧頂卻是隨著數據的入棧和出棧在不斷變化。為了表達棧頂的位置，用一個寄存器指出棧頂的地址,這個寄存器稱為堆棧指針(ＳtacｋPoｉnteＳP),任何堆棧操作只能由SP控制在棧頂進行。由于堆棧具有“先進后出”的特性，因而在中斷服務程序、子程序調用過程中廣泛用于保存返回地址、狀態標志及現場信息等。另一個重要作用是在子程序調用時運用堆棧在主程序與子程序之間傳遞參數。例如,一方面把所需傳遞的參數壓人堆棧中，然后調用子程序。第4章運算方法及運算器運算器是計算機中加工與解決數據的功能部件，它重要由算術邏輯單元（AＬＵ）、各種寄存器和若干控制門電路組成。4.1定點補碼加、減法運算[簡答］由于補碼加、減法運算規則最簡樸，實現起來也最方便，因此，一般計算機都采用補碼做加、減法運算。其運算特點是:符號位與數值部分可以按相同的規則一起參與運算,符號位不用單獨解決。補碼減法運算可以轉換成加法運算。補碼加、減法運算是有“模”運算,即符號位的進位自然丟失,并不影響運算結果的對的性。1.補碼加法運算補碼加法時，不管兩個數是正數還是負數,按補碼的和等于和的補碼進行運算，即：[X例如:已知X=+１0０000０，Ｙ＝-０００１００0，求兩數和的補碼。解:[X則[X]補+例如：Ｘ=-0011001,Ｙ=－0000110,求兩數和的補碼。解:[X則[X]補+2.補碼減法運算補碼減法運算可以轉化為加法來做，轉化公式為：[X例如：已知X=－0111000，Y=－0０100０１，求補碼的減法運算。解：[X則[X[填空]由于計算機的字長是固定的，因此計算機中數的表達范圍(允許取值范圍)是有限的。若兩個有符號數進行加、減法運算的結果超過了給定的取值范圍，就稱為溢出。計算機必須對運算結果是否“溢出”作出明確的判斷。所以，在運算器中專門設計了“溢出”判斷電路和一個“溢出”標志位。當判斷電路檢測到溢出發生時,則置“溢出”標志為“1＂，表達結果犯錯,規定機器停止運算，進行中斷解決。判斷是否發生“溢出”常用下列兩種檢測方法。（1)進位檢測方法用符號位的進位與最高數值位的進位的異或來檢測，若異或的結果是1,則溢出;若結果是0,則沒有溢出。例如:已知X=+101100１，Ｙ＝＋１000110，求兩數的補碼之和,并判斷是否溢出。解：[X符號位的進位是0,最高數值位的進位是1,異或結果是１,表達溢出。(2)變形補碼檢測方法假如將符號位擴充為兩位，其所能表達的信息量將隨之擴大，既能檢測出是否溢出，又能指出結果的符號,這種編碼稱為變形補碼。變形補碼檢測方法是：每個操作數在運算時都采用兩個符號位,正數用00表達,負數用11表達，兩個符號位與數值位一起參與運算。若運算結果的兩個符號位的代碼一致,表達沒有溢出；若運算結果的兩個符號位代碼不一致，表達溢出。這時，左邊的符號位(第一符號位)代表了該數真正的符號，右邊的符號位(第二符號位)則被破壞。例如:已知X＝-1011０01,Y=－10011１0，求兩數的補碼之和,并判斷是否溢出。解：[X符號位的代碼為１0,表達運算結果“負溢”。假如符號位的代碼為01，則表達運算結果為“正溢”。4.２定點乘法運算采用原碼做乘法運算比較方便,由于乘積的符號位是兩乘數符號位的異或,而乘積的數值部分則是兩乘數絕對值相乘。１．原碼一位乘法運算機器算法的運算規則總結如下:（1)被乘數和乘數均取絕對值參與運算,符號位單獨解決。(２)為了避免中間結果溢出，被乘數、部分積取雙符號位參與運算，部分積初值為0。(3）從乘數的最低位yn,開始對乘數進行判斷:若yn=1,則部分積加上被乘數|X|,然后右移一位；如y(4)反復第(3)步ｎ次。例如：設Ｘ＝－０.110１,Y=＋0.１0１1求[X]解：乘法運算時,需要３個寄存器,其設立如下：A——運算前存放部分積累加和,運算后存放乘積高位，初值A=00.0０00B——存放被乘數,初值為B=|X|=００.1１０1C——運算前存放乘數，運算后存放乘積低位,初值為C=2.補碼一位乘法運算補碼一位乘法的比較法運算算法是Bootk夫婦一方面提出的,所以也稱為Ｂooth算法，其運算規則如下(1)運算的數均以碼表達，符號位參與運算。（2)為了避免中間結果溢出，被乘數、部分積取雙符號位參與運算,部分積初值為0。(3)乘數可取符號位,以決定最后一步是否需要校正，即是否要加減[X]補。(4)乘數末位增設附加位ｙn+l,且初值為0（5)按照表4—1中所列規則進行操作。表4—1補碼一位乘法操作規則┏━━━━━┳━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━┓┃yn(高位)┃yn+1（低位)┃┣━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━┫┃0┃0┃部分積右移一位┃┣━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━┫┃0┃1┃部分積加[X]補，右移一位┣━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━┫┃1┃0┃部分積加[X]補,右移一位┣━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━━━━━━━━━┫┃1┃1┃部分積右移一位┃┗━━━━━┻━━━━━━┻━━━━━━━━━━━━━┛（６)按照上述操作規則反復n+１次操作,但第n+1次操作不再移位，僅根據y0與y4.３定點除法運算用原碼做除法很方便,商的符號位是兩數的符號位的異或,商的數值部分則是兩數的絕對值相除。1.原碼恢復余數除法原碼恢復余數法的運算規則如下：.(1)被除數和除數均取絕對值參與運算,符號位單獨解決。為了避免溢出，規定0<|被除數|≤|除數|。(2)被除數減除數得余數。(3）假如余數為正，表達夠減，上商“1”,然后余數左移一位，減去除數得新余數；假如余數為負，表達不夠減,上商“0（4)反復第（3)步一直到ｎ位商時，計算結束。2．原碼不恢復余數除法在恢復余數法中,當余數為負時，需要恢復余數,這就延長了機器除法操作的時間，同時使除法操作的步數不固定，控制比較復雜。因此，實際中常采用不恢復余數法，又稱為加/減交替法。不恢復余數法的運算規則如下:(1)被除數和除數均取絕對值參與運算，符號位單獨解決。為了避免溢出,規定0＜|被除數|≤|除數|。(２)被除數減除數得余數。(3)假如余數為正,表達夠減,上商“qi=1減，上商“qi=0”,r(4)反復第(3）步n次。(５）當第ｎ步余數為負數時需要加上除數,以恢復對的的余數rn，最后的余數R=23.補碼不恢復余數法補碼不恢復余數法在算法上不像原碼除法那樣直觀，運算時應解決以下幾個相關問題；夠減的判斷。(2）上商規則。（3)商符的擬定。(4）對商的校正。4.４邏輯運算邏輯運算是指不考慮進位的“位對位”的運算,參與運算的操作數常被稱為，邏輯數。運用邏輯運算可以進行兩個數的邏輯比較、從某個數中選取某幾位等操作。計算機中的邏輯運算,重要是指“邏輯非”、“邏輯加”、“邏輯乘”、“邏輯異或”等四種基本運算。這些運算通過在原有加法器上附加上部分線路來實現,因而把用于完畢算術運算與邏輯運算的部件稱為算術邏輯單元(ALＵ）。邏輯運算的真值表如下表4—２所示。表4—2邏輯運算真值表┏━━━━┳━━━━┳━━━━━━┳━━━━━┳━━━━━┳━━━━━━┓┃xｉ┃yi┃zi(xi)┃ｚi（xi＋ｙi）┃zｉ(xi＋yi)┃zｉ(xiｙi)┣━━━━╋━━━━╋━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━┫┃邏輯數┃邏輯數┃邏輯求反┃邏輯加┃邏輯乘┃邏輯異或┃┣━━━━╋━━━━╋━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━┫┃0┃０┃１┃0┃０┃Ｏ┃┣━━━━╋━━━━╋━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━┫┃0┃1┃1┃1┃0┃1┃┣━━━━╋━━━━╋━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━┫┃1┃0┃0┃1┃0┃1┃┣━━━━╋━━━━╋━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━━┫┃1┃1┃0┃１┃1┃0┃┗━━━━┻━━━━┻━━━━━━┻━━━━━┻━━━━━┻━━━━━━┛4．5浮點運算假如有兩個浮點數Ｘ和Y,它們分別為：X=Mx?２My，EX、X±Y=(Mx浮點加、減運算的環節如下:(1)0操作數檢查假如判知兩個操作數Ｘ或y中有一個數為0，即可以得知運算結束,而沒有必要再進行后續的一系列操作,以節省運算時間。(2)對階兩浮點數進行加、減運算，一方面要看兩數的階碼是否相同，即小數點位置是否對齊。若兩數階碼不同,表達小數點位置沒有對齊,此時必須使兩數階碼相同,這個過程叫做對階。對階的規則是:小階向大階看齊(采用這一規則的因素是當階碼小的數的尾數右移并相應增長階碼時，舍去的僅是尾數低位部分，誤差比較小）。要使小階的階碼增大,則相應的尾數每右移一位,階碼加1，直到兩數的階碼相等為止。（３)尾數加、減對階之后,就可以進行尾數加、減運算,方法與定點加、減運算完全同樣。(４)結果規格化設尾數用雙符號位補碼表達，通過加、減運算之后，只要對運算結果的符號位和小數點后的第一位進行比較：假如它們不等，即00.1x..．x或１1.x．．．x就是規格化的數；假如它們相等，即００.1x...x或,11．x.．．ｘ就不是規格化的數,在這種情況下，需要尾數向左移被以實現規格化過程,叫做向左規格化。在浮點加、減運算時,尾數求和的結果也也許得到0１.ｘ…x或10.x…x,即兩符號位不相等，這在定點加、減運算中稱為溢出，是不允許的。但在浮點運算中,它表白尾數結果的絕對值大于1，此時將結果右移一位,階碼加1即可,稱為右規格化(5)舍入解決在對階或向右規格化時，尾數要向右移位,這樣被右移的尾數的低位部分會被丟掉，從而導致一定誤差，因此要進行舍入解決。常用的舍人方法有兩種：一種是“0舍1入”法，另一一種種是“恒置１”法(6）溢出判斷浮點數的溢出是由階碼的符號決定的。若階碼也采用雙符號位補碼表達,當階碼為01x…ｘ表達上溢,此時浮點數真正溢出,機器需停止運算，作溢出中斷解決;當階碼為１0x…x表達下溢，浮點數值趨于零，機器不作溢出解決，而是按機器零解決。4．6運算器運算器重要由算術邏輯單元、通用寄存器、狀態字寄存器和有關的判斷邏輯(例如判結果是否為０,有無進位，是否溢出等）、局部控制電路和內部等組成。[單選,填空]根據總線所處的位置,可將其分為內部總線和外部總線兩類。內部總線是指CPU內各部件的連線,而外部總線是指系統總線，即ＣＰU與存儲器、I／O系統之間的連線。按總線的邏輯結構來說,總線可分為單向總線和雙向總線。所謂單向總線，就是信息只能一個方向傳送；所謂雙向總線,就是信息可以向兩個方向傳送,既可以發送數據，也可以接受數據。第5章中央解決器5．1ＣPＵ的功能與組成[簡答]計算機對信息進行的解決(或計算)是通過程序的執行來實現的。CＰU要控制整個程序的執行,它應具有以下幾個基本功能。(１)程序控制。程序執行順序成為程序控制。(2)操作控制。(3)時間控制。對各種微操作實行時間上的控制稱為時間控制。(4）數據加工。就是對數據進行算術運算和邏輯運算。除了上述４個基本功能之外，ＣＰU還必須能控制程序的輸入和運算結果的輸出以及對總線_的管理，甚至能解決機器運營過程中出現的異常情況和特殊請求即應具有中斷理能力。[簡答]傳統的CＰU由運算器和控制器兩大部分組成。現代的CPU重要由運算器、控制器和Cache三大部分組成。（1)運算器。運算器是計算機的加工解決部件，是ＣPU的重要組成部分。運算器執行的所有操作都是由控制器發出的控制信號來指揮的,它是計算機的執行部件。（２)控制器。控制器重要由程序計數器(PC)、指令寄存器(IR)、指令譯碼器（ＩD)、微命令發生器(ＯC)和時序信號產生器等組成,它負責協調并控制計算機各功能部件執行程序的指令序列。控制器的基本功能是:(１）取指令。(2）分析指令。（3)執行指令。[簡答]CＰU中的寄存器是用來暫時保存運算和控制過程的中間結果、最終結果以及控制、狀態等信息的，可以分為通用寄存器和專用寄存器兩大類。１．通用寄存器在ＣPU邏輯結構模型中，有四個（Ａ、B、C、Ｄ)通用寄存器，其功能是:當ALＵ執行算術和邏輯運算時,為AＬU提供一個工作區，以減少CPU與外部的數據互換,提高CPU的運營速度。2．專用寄存器專用寄存器是專門用來完畢某一種特殊功能的寄存器,又稱特殊功能寄存器。在ＣPU中至少有五個重要的專用寄存器,如:程序計數器、指令寄存器、狀態字寄存器、存儲器地址寄存器與存儲器數據寄存器。(1)程序計數器。為了保證程序可以連續地執行下去,CPＵ必須具有某種手段擬定下一條指令的地址,而程序計數器(Pｃ)正是起到這種作用的專用寄存器,又稱為指令計數器。(2)指令寄存器。指令寄存器（IＲ)用于暫存從存儲器取出的當前指令碼,以保證在指令執行期間可以向指令譯碼器(ID)提供穩定可靠的指令碼。（3)狀態字寄存器。狀態字寄存器用來存放程序狀態字（ＰSW）。程序狀態字用于記錄現行程序的運營狀態和機器的工作方式,是參與控制程序執行的重要依據之一。它重要涉及兩部分內容：_是狀態標志,即由運算器根據指令執行的結果所建立的各種狀態標志;二是控制標志，是一種用于控制或改變計算機工作方式(或狀態）的標志。。(4）存儲器地址寄存器。存儲器地址寄存器(ＭAR)用來保存當前CPU所要訪問的內存單、元或Ｉ/O設備的地址。（5)存儲器數據寄存器。存儲器數據寄存器(ＭDR)用來暫時存放CＰU與存儲器或I/０設備之間待傳送的數據。其作用是:起CPＵ和存儲器、Ｉ/o設備之間信息傳送中轉站的作用。緩沖及補償CＰU和內存、Ｉ/O設備之間在操作速度上的差別。在單累加器結構的運算器中還可兼作為操作數寄存器。[填空]通常把各寄存器之間信息流動的通路，稱為“數據通路”5.2指令周期［單選、填空］CPU取出一條指令并分析、執行該指令，都要完畢一系列的操作，完畢這一系列操作所需要的時間稱為一個指令周期。指令周期通常用若干個ＣPＵ周期(又稱為機器周期）來表達。每個CPＵ周期完畢一項基本任務，例如取指令、取操作數、間接尋址、執行指令或中斷響應等。[單選、填空]由于在一個CＰU周期肉要完畢若干個微操作，這些微操作有的可以同時執行，有的需要先后依序執行，所以每一個ＣPＵ周期往往又包含若干個時鐘周期（節拍)，在每個時鐘周期內機器可完畢一個或幾個需同時執行的微操作。1.MＯV指令的指令周期MOV是一條RR型指令，該指令周期包含兩個CPU周期，其中取指令需要一個CPU周期,執行指令需要一個ＣPU周期。取指周期中,CPU完畢兩件事:一是從內存中取出指令,并對程序計數器PC加1，以便為取下一條措令做好準備;二是對指令的操作碼和尋址方式進行譯碼,以便擬定進行什么操作。執行周期中，CPU根據對指令的譯碼結果,執行將B寄存器中的數據傳送到A寄存器中的操作。２．ＬAD指令的指令周期LＡＤ是一條ＲS型指令,該指令周期由三個CPＵ周期組成。其中，第一個CPU周期為取指周期,而執行周期由兩個ＣＰU周期組成；第二個CＰU周期將操作數的地址裝人存儲器地址寄存器，并完畢地址譯碼;第三個CPＵ周期從內存取出操作數,并送人B寄存器保存。3.ADD指令的指令周期ADＤ是一條RＲ型指令,該指令周期由兩個ＣＰU周期組成。其中，第一個CＰU周期為取指周期，第二個CＰU周期為執行周期。4.SＴA指令的指令周期，ＳTA是一條存儲器間接尋址的RS型指令,其指令周期由四個CPU周期組成。其中,一個CＰＵ周期為取指周期，三個ＣＰＵ周期為執行周期。5．JMＰ指令的指令周期JＭＰ是一條無條件轉移指令,用來改變程序盼執行順序，該指令周期需要兩個CPU周期,其中第一個CPU周期為取指周期,第二個CＰU＿周期為執行周期。[單選、填空]當計算機運營時，在計算機的各部件之間有指令和數據不斷地流動,從而形成了指令流和數據流。指令流指的是ＣPU執行的指令序列,數據流指的是根據指令所提供的地址依次訪問的數據序列。因此，數據流是根據指令流的操作而形成的,也就是說,數據流是由指令流來驅動的。在計算機設計時，通常采用方框圖(或稱為寄存器傳送級)語言來描述一條指令的指令周期。其中，一個方框代表二個ＣＰU周期，方框中的內容表達在這個CPU周期中的所有操作或操作的控制。除了方框以外，還需要一個菱形框,它用來表達某種判斷或測試,但是時間上它依附于緊接在它前面一個方框的CPU周期,而不單獨占用一個ＣPU周期。尚有一個“”符號,我們稱它為公操作符號。這個符號表達一條指令已經執行完畢，轉入“公操作”。所謂公操作，就是一條指令執行完畢后,CPU所開始進行的一些與指令操作碼無關的公共性操作。這些操作重要是ＣＰU對外設請求的解決,如中斷解決、DMＡ解決和通道解決等。假如外部設備沒有向CＰU請求互換數據,那么ＣPU又轉向內存取下一條指令。由于所有指令的取指令階段是完全同樣的，因此取指令也可認為是公操作。一條指令執行結束后,假如沒有外設請求,ＣＰＵ一定轉入“取指令"操作。5．3時序信號產生器與時序控制方式[填空］CＰU中也有一個類似“作息時間”表的東西，稱為時序信號。計算機之所以可以準確、迅速、有條不紊地工作，正是由于在CＰU中有一個時序信號產生器。機器一旦被啟動，即CPU開始取指令并執行指令時，控制器運用時序脈沖的順序和不同的脈沖間隔(節拍)，有條理、有節奏地指揮機器的動作，規定在這個脈沖到來時做什么,在那個脈沖到來時又做什么。因此，肘序信號給計算機各功能部件提供了工作時所需的時間標志[單選、填空］由CPU周期，節拍電位與時鐘脈沖組成了計算機的多級時序系統。一般來說，在組合邏輯控制器中,時序信號往往采用CＰＵ周期、節拍電位與時鐘脈沖三級體制。在微程序控制器中，一般采用節拍電位與時鐘脈沖的兩級體制。[簡答]時序信號產生的功能是產生指令執行時所需的一系列時鐘脈沖和節拍電位信號,以定期指令中各種微操作的執行時間和擬定微操作執行的先后順序,從而實現對各種微操作執行時間上的控制。它重要由如下幾個部分組成。１.脈沖源脈沖源用來產生具有一定頻率和寬度的脈沖信號，以作為整個機器的基準時鐘信號。只要接通電源，脈沖源立即按照規定的頻率反復發出具有一定占空比的時鐘脈沖序列,直到關閉電源為止。為了給機器提供頻率穩定的脈沖信號,一般都采用石英晶體振蕩器作為脈沖源2.節拍信號發生器節拍信號發生器又稱為脈沖分派器,可根據需要產生多個節拍電位信號，每個節拍的寬度正好相應的一個時鐘周期。節拍電位的寬度取決于CPU完畢一次操作的時間,如ALU執行一次對的的運算時間或寄存器之間的一次傳送的時間等。通常,節拍發生器可以用兩種方法構成:循環移位寄存器和計數器譯碼節拍發生器3.CＰU周期信號發生器在計算機中,通常CPU周期可以用一個觸發器的狀態連續時間來表達。每個CＰU周期都有一個與之相應的“周期狀態”觸發器。機器運營在不同的CPU周期時，其相應的觸發器被置為“1”，以表達機器運營時所處的周期狀態。在CPU周期、節拍電位與時鐘脈沖三者之間的關系中，節拍電位和時鐘脈沖都是反復出現的，節拍的頻率為時鐘頻率的l／n，節拍反復的時間間隔稱為CPU周期。4.啟/停控制邏輯啟/停控制邏輯的作用是根據計算機的規定可靠地開放或封鎖時鐘信號，以實現對計算機的對的啟動或停止。［簡答］．計算機的“微操作與時序信號”之間的關系,稱為時序控制方式(簡稱控制方式)，也就是在時間控制上如何安排微操作,用如何的時序方式來形成微操作序列。按照同步或異步的關系，可將控制方式分為同步控制、異步控制和聯合控制三類。(2)同步控制方式同步控制方式是指用控制器統一發出的時序信號對各項微操作進行控制，即所有微操作都與時鐘同步。其重要特點是:以時鐘周期（節拍)作為基本的時序單位，把每條指令所相應的微操作序列按照時序性的規定，將各個微操作分派到各個節拍上去執行。優點：時序關系簡樸,時序劃分規整，控制不復雜,控制部件在結構上易于集中，設計方便。因此在CPU內部、其他部件或設備內部，廣泛采用同步控制方式。缺陷：在時間的安排上不合理，對時間的運用不經濟。(2）異步控制方式異步控制方式又稱為可變時序控制方式,其各項操作的時間不采用統一的時序信號控制,執行每條指令或每個操作需要多少時間就占用多少時間,因此不規定各項操作必須在統一的“時間段＂內完畢,時序系統也不需要為各項操作預先安排一個固定的“操作時間表"。優點：能按不同部件、不同設備的實際需求分派時間,沒有時間上的浪費,時間安排緊湊、合理，提高了機器的工作效率。缺陷：由于沒有統一的基準時鐘信號,而是由各功能部件自己產生各自的時序信號自我控制,因而規定各個部件要有“應答電路”(故又稱為分散控制方式或局部控制方式)，控制比較復雜。(３）聯合控制方式這是一種同步控制和異步控制相結合的方式。設計思想是：在部件內部采用同步方式或以同步方式為主的控制方式，在部件之間采用異步控制方式。聯合控制方式重要有四種形式：①采用不定長度的指令周期和CPU周期。②中央控制與局部控制結合。③總線周期中允許插人延長周期。④同步方式中引入異步應答。5.4微操作及其實現計算機在執行指令時,大部分的操作是按照指令的需要控制數據在機器各部件之間的傳送及各部件的操作。一方面電控制器發出讀指令的命令;存儲器接到這個命令后從存儲器的指定位置讀出指令；在控制器的指令寄存器中進行分析，按照時間的需要結合機器的數據能路路結構,把指令分解成一系列簡樸的控制信號和操作,通過控制線路發往各功能部件，在時鐘脈沖的作用下，完畢對寄存器級、總線級和各功能部件中各控制點的操作。這些微操作是計算機硬件結構中最基本的、不可再分解的操作，稱為微操作。５.５組合邏輯控制器控制器是計算機系統工作的指揮控制中心，是計算機中解決指令的部件。它按特定的順序取出并解釋每一條指令，產生對運算器、存儲器或其他部件的操作控制命令(又稱為微命令)，完畢指令所規定的操作。控制器的綦本組成涉及:(1）指令部件。重要任務是取指令并分析指令,它重要涉及程序計數器PC、指令寄存器IR,指令譯碼器ID和地址形成部件等。(2)時序信號發生器。時序信號發生器涉及脈沖源、節拍信號發生器、CＰU周期發生器和啟停控制邏輯。(3)微命令發生器。微命令發生器是控制器的核心部件，用來產生各種微操作控制命令(信號)。(4)中斷控制邏輯。中斷控制邏輯是用來控制中斷解決的硬件邏輯。(5)操作控制臺。操作控制臺是所有計算機系統中實現人機聯系的橋梁，從啟、停機器到操作過程中的人機干預或對機器進行測試等,都必須通過操作控制臺來實現。控制器產生微命令的基本依據是時間條件(如ＣPU周期、節拍和脈沖等時序信號)，指令條件(如操作碼、尋址方式、寄存器號)、機器工作狀態（如CPＵ內部的程序狀態字、外部設備的狀態)和外部請求(如控制臺請求、外部中斷請求、ＤＭＡ請求)信息等。將這些信息作為輸入條件（邏輯變量)，通過組合邏輯電路直接產生微命令序列。根據產生微命令的方式不同控制器可分為組合邏輯型、存儲邏輯型和門陣列型三類。第一類稱為組合邏輯控制器，第二類稱為微程序控制器，第三類稱為門陣列控制器。.[單選、填空］根據產生微命令的方式不同，控制器可分為組合邏輯型、存儲邏輯型和門陣列型三類。第一類稱為組合邏輯控制器，采用組合邏輯技術來直接產生微命令；第二類稱為微程序控制器，采用存儲邏輯(微程序)來產生微命令；第三類稱為門陣列控制器，它吸取了前兩類控制器的設計思想，即組合邏輯技術與存儲邏輯技術相結合的控制器。[簡答］在計算機系統中，當指令系統、時序系統、中斷系統等擬定后,就可以進行CPＵ模型的設計工作。CPＵ設計環節如下：(1）擬定指令系統。設計ＣPU時,一方面要擬定它的用途,關鍵就是要使CＰU的解決能力和它所執行的任務相匹配。（2)擬定總體結構。為了實現指令系統的功能，在CPU中需要設立哪些寄存器、設立多少寄存器、采用什么樣的運算部件、如何為信息的傳送提供數據通路，這些問題都是在擬定CＰＵ總體結構時需要解決的重要問題。因此，總體結構設計就是要根據指令系統的功能擬定組成CＰU模型的各種部件的設立，以及建立它們之間的數據通路結構。(3)安排時序。組合邏輯控制器一般采用三級時序，而微程序控制器多采用兩級時序。(4)擬定指令操作流程和微命令序列。這是設計中最關鍵的環節，需要根據這一步的設計結果形成最后的控制邏輯。這步設計有兩種可供選擇的設計線索:一種方法是以CPU周期為線索,另一種方法是以指令為線索。(5）形成控制邏輯。這是設計的最后一步，視組合邏輯方式或微程序控制方式的不同而采用不同的設計方法。5．6微程序控制器[簡答］微程序控制器的實質就是將程序設計技術和存儲技術相結合,運用程序設計的思想方法來形成微操作的控制邏輯。同組合邏輯控制相比，微程序控制具有規整性、靈活性、可維護性及便于自動化設計等許多優點。[簡答]微程序控制器的基本術語有：(１)微命令。微令是控制計算機各部件完畢某個基本操作的命令，它是構成控制序列的最小單位。微命令有相容和互斥之分。相容的微命令是指那些可以同時產生，共同完畢某些微操作的微命令；而互斥的微命令是指在機器中不允許同時出現的微命令。(2)微操作。微操作是由執行部件接受微命令后所進行的最基本的操作。(３)微指令、微地址。微指令是一組實現一定操作功能的微命令的組合，通常用二進制編碼表達。存放微指令的控制存儲器的單位地址就是微地址。（４)微周期。微周期是指從控制存儲器中讀取一條微指令并執行相應的操作環節所需的肘間。微周期和指令周期之間的差別是,微周期的時間一般是固定的,指令周期往往是可以變化的。(5)微程序。微程序是一系列微指令的有序集合，每一條機器指令都相應一個微程序。1．微程序控制器的基本組成(1)控制存儲器ＣM。(2)微指令寄存器μＩR。(3)微地址寄存器μAR。(4)微地址形成電路。2.微程序控制器的工作過程（1)控制存儲器ＣM。控制存儲器是微程序控制器的核心部件,用來存放所有機器指令的微程序,其性能(涉及容量、速度和可靠性等)與計算機的性能密切相關。（2）微指令寄存器μＩR。該寄存器用來存放從CM中讀出的微指令，它包含兩大部分：一部分是提供微指令的微操作控制字段，另一部分稱為順序控制字段。(3)微地址寄存器μAＲ。在從CＭ中讀取微指令時,微地址寄存器中保存著CＭ的地址，指向相應的CM單元。（4)微地址形成電路。根據微程序執行順序的需要，應當有多種后繼微指令地址的形成方式。3．微指令編碼(1）直接表達法（不譯碼法）。（２)分段直接編碼法。（3）分段間接編碼法。（４）混合編碼法。４.微地址的擬定方法(1)計數器方式(增量方式)。(２)斷定方式。５．7現代CPU設計技術多媒體技術是指計算機把各種不同的電子媒體集成起來,統一進行存儲、解決和傳輸。這些電子媒體涉及計算機屏幕顯示、CD-ROＭ、視頻光盤以及語言、聲音和圖像的綜合。多媒體技術解決的重要問題涉及以下幾個方面：(1)圖像與聲音的壓縮技術。（2)適應多媒體技術的軟件技術。（3)計算機系統結構方面的技術。MMX是一種多媒體擴展結構技術,它極大地提高了計算機在多媒體和通信應用方面的功能。帶有ＭMX技術的ＣPU特別適合于數據量很大的圖形、圖像數據解決,從而使三維圖形、動畫為目的的MPEG視頻、音樂合成、語音辨認、虛擬現實等數據解決的速度有了很大提高。第６章存儲器與存儲系統6.1概述[單選、填空、簡答］存儲器是計算機系統中用來存儲程序和數據的存儲器件。要據不同的特性,可對存儲器進行如下分類。根據存儲介質的不同,可以把存儲器分為半導體存儲器、磁表面存儲器和光材料存儲器。按照存儲器存取方式的不同,可將存儲器分為隨機存取存儲器（RAＭ)、順序存取存儲器、直接存取存儲器和只讀存儲器(ROＭ)(３）根據存儲器中信息的可保護性,可將存儲器分為易失性存儲器和和非易失型存儲器。(4）按存儲器所處的位置及功能,可將存儲器分為內部存儲器和外部存儲器。[單選、填空］目前在計算機系統中通常采用高速緩沖存儲器,主存和外存三級存儲器體系結構，稱為存儲器系統。（１）高速緩沖存儲器。商速緩沖存儲器(Caｃhe)是處在主存儲器和CPU之間的一個快速小容量的存儲器，用來保存CPU正在運營的程序和數據中的活躍部分。與主存儲器相比,它的在存取速度快,但存儲容量小,位成本較高。(２）主存儲器。主存器簡稱主存,它介于Cache與外部存儲器之間，用來保存CPU正在運營和將要運營的程序和數據。(３)外存儲器簡稱外存，用來存放當前暫不參與運營的程序和數據,以及一些需要永久性保存的信息。和主存相比，外存儲器的容量大、速度慢、每位價格低。由Cache、主存和外存組成的三級存儲系統，通常又可分為兩個存儲層次：cacｈｅ/主存層次(Cache存儲系統)和主存/外存層次(虛擬存儲系統)。[單選、填空］主存的性能指標有:(1)存儲容量。(2)存取時間。(3)存儲周期。(4）存儲器帶寬。6．2隨機存取存儲器隨機存取存儲器(RAＭ)可分為靜態隨機存取存儲器(SRAM)和動態隨機存取存儲器(DＲＡＭ)兩種。ＳRAＭ存儲器的組成一個SＲAM存儲器由存儲體、地址譯碼器、讀／寫放大器與I/O電路和控制邏輯等組成。(1)存儲體是所有存儲單元的集合體。。(2)地址譯碼器的功能是通過把二進制表達的地址轉換成輸出端的有效電平來選中所要的訪問的存儲單元。地址譯碼器有兩種形式:單譯碼方式和雙譯碼方式（3)讀／寫放大器與I/O電路對寫入存儲單元的信號進行驅動或將存儲單元中讀出的信號進行放大整形，并且具有數據緩沖的作用。(4)控制邏輯用于控制該芯片是否已被選中。２.ＤRAＭ存儲器的組成ＤRAＭ的存儲原理是:將存儲信息以電荷的形式存于電容之中，這種電容可以是MOS管柵極電容或是專用MＯS電容。通常定義電容充電至高電平時為“1’’狀態,放電至低電平時為“0”狀態。采用存儲電荷方式存儲信息，不需要雙穩態電路,因而可以簡化結構。DRAM存儲器由存儲體、地址譯碼器、讀/寫放大器、I／O電路、刷新邏輯和控制邏輯等組成。3．CPU與存儲器的連接當CＰＵ對存儲器進行讀/寫時，其過程重要分為三步：(1)由地址總線給出地址信號。(2)通過控制總線發出相應的讀操作信號或寫操作信號。(3)在數據總線上實現數據傳送。因此，ＣPU與存儲器的連接也要實現相應的三類信號的連接，地址的連接、控制線的連接、數據線的連接。[計算]根據存儲器所規定的容量和選定存儲芯片的容量,可以計算出芯片數，即：芯片數=總容量÷芯片容量將多個芯片組合起來構成一個存儲器，有三種方法:位擴展、字擴展和字位同時擴展。1.位擴展位擴展,即存儲器芯片的字數夠了，但是每個字的位數不夠,需要擴展。位擴展的連接方式是將各存儲芯片的地址線、片選線和讀寫線相應的并聯起來,而將各芯片的數據線單列。2．字擴展字擴展,即存儲器芯片的每個字的位數夠了,但是字數不夠時,需要擴展。字擴展將芯片的地址線、數據線、讀寫控制線并聯，由片選信號來區分各個芯片。3．字位同時擴展若使用L×K位的芯片組成一個容量為N×M位的存儲器（L<N,K<M)，則需要在字向和位向同時進行擴展。此時,總芯片數為:(N/Ｌ)×(M／K）。片選信號的產生方法有：(1)線選法。（2)全譯碼法。(3)部分譯碼法。6.３只讀存儲器只讀存儲器的最大特點是只讀不寫，具有非易失性，因此ＲOM通常用來保存一些不讓用戶修改或需要永久保存的系統程序。ROM工作時只能讀出，不能寫人。RＯＭ通常分為：（１)掩模式RＯＭ。.(2)一次編程RＯＭ(PRＯM）。‘(3）多次可編程ROM。這類ＲOM有光擦除編程只讀存儲器(EＰＲOＭ)和電擦除編程只讀存儲器（ＥＥＰ-ROM)兩類。(4）閃速存儲器(Flａｓh)。6．4高速存儲器高速存儲可以分為：雙端口存儲器。多模塊交叉存儲器。相聯存儲器。６.5高速緩沖存儲器主存與Cachｅ的三種基本地址映射方法為：(1）直接映射。(2)全相聯映射。(3)組相聯映射。[填空、簡答]常用的替換算法有三種：最不經常使用（LEU）算法、近期最少使用（LRU)算法和隨機替換。(1)最不經常使用(LFU)算法認為應將一段時間內被訪問次數最少的那塊從Cacｈｅ中置換出去。這種算法將計數周期限定在對這些特定塊兩次替換之間的間隔時間內，故而不能嚴格反映近期訪問情況。(２)近期最少使用（ＬRU)算法是將遍期內長期未被訪問過的Ｃaｃｈe塊置換出去。這種算法保護了剛復制到Cache中的新數據塊，符合Ｃaｃhｅ工作原理，可使Cacｈe有較高的命中率(3)隨機替換算法的功效只是稍遜于前兩種算法,是最簡樸的替換算法,根據一個隨機數選擇一塊替換掉。采用前兩種算法后可使Cacｈe的命中率達成90%左右。6.６虛擬存儲器[單選]虛擬存儲器是建立在主存/外存層次上的,由操作系統存儲管理軟件及附加硬件裝置(存儲器管理部件MMU）組成的存儲體系。它以透明的方式給用戶提供了一個訪問速度接近(略慢)于主存儲器，而存儲空間比實際主存空間大得多的虛擬存儲器。[單選、填空]以頁為基本單位的虛擬存儲器叫頁式虛擬存儲器。虛存空間和主存空間都提成同樣大小的頁，分別稱為虛頁和實頁。[單選、填空]段式虛擬存儲器是一種能與模塊化程序相適應的虛擬存儲器。程序中的每個模塊作為一個段,用段號表達程序各段的編號,各段的長度不等。各段仍以虛地址編址，虛地址由段號和段內地址組成。[單選、填空]為充足發揮段式和頁式虛擬存儲器各自的優點,可把兩者結合起來，形成“段頁式虛擬存儲器”的方式，即每個程序按模塊分段,每段再劃分為頁,頁面大小與實存頁面相同,虛地址的格式涉及段號、頁號和頁內地址三部分,實地址只有頁號和頁內地址。虛存與實存之間信息高度以頁為基本傳送單位。第7章輸入輸出系統輸入輸出系統是執行計算機主機與外界之間信息互換任務的軟件和硬件的總稱，簡稱Ｉ/０系統。I／O系統的硬件涉及I/O設備及其與主機進行數據互換的I／Ｏ接口,軟件涉及各種I/O接口與I/O設備的驅動程序。７．1輸入輸出系統概述［簡答]一個完整的接口不僅包含一些硬件電路,還涉及相關的軟件驅動程序模塊。在PＣ系統中，這些軟件稱為基本輸人輸出系統(BIOS)。接口的分類可以從不同的角度考慮:(1）按數據傳送方式分類,有串行接口和并行接口。(２)按功能選擇的靈活性分類,有可編程接口和不可編程接口。(3)按通用性分類．行通用接口和專用接口。(4)按輸入，輸出的信號分類,有數字接口和模擬接口。(5)按輸人／輸出的控制方式分類，可分為程序直接控制方式式接口、程序中段控制方式接口、直接存儲器存取(DMA)方式接口,以及更復雜一些的通道控制方式接口等。[單選、填空]CＰU和外設互換的基本信息是數據信息。數據信息大體分為三種：(1)數字量。（2)模擬量。(3)開關量。CPＵ通過I／0指令可實現的具體操作如下：（1)置位或復位設備接口的某些控制寄存器，用于控制I/O設備執行某些動作。(2)測試設備的某些狀態。’（3）傳送數據。在CＰU與外設之間進行一次數據互換。I/O端口的編址方式有:統一編址方式和獨立編址方式。（1）統一編址方式所謂統一編址,就是把I／O端口和存儲單元統一編址。統一編址方式的優點是：CPU對I/O端口的操作與對存儲單元的操作采用完全相同的指令,任何存儲器操作指令都可以用來操作I/O端口，CPＵ不必設立專門的I/O指令。、統一編址方式的缺陷是：I/Ｏ端口占用了一部分存儲器的地址空間，使存儲器的地址空間減少；存儲器操作指令長度比專門的I/O指令要長,因而執行Ｉ/O操作的時間較長;并且,從指令上不易區分是訪問主存單元還是用于輸入/輸出操作，程序可讀性差。(２)獨立編址方式所謂獨立編址,就是把I/Ｏ端口和存儲單元分別獨立編址。獨立編址方式的優點是:I/O端