2024年5月31日发(作者：)

计组部分重要概念整理

冯诺依曼计算机的特点：

1计算机有运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大部件组成

2指令和数据以同等地位存放于存储器内。并可按地址访问。

3指令和数据均可用二进制表示

4指令由操作码和地址吗组成。操作码表示操作的性质、地址码表示操作数在存

储器中的位置

5指令在存储器中按顺序存放。通常，指令时顺序执行的。在特殊情况下，可根

据运算结果或指定的条件来改变运算顺序。

6机器以运算器为中心。输入输出设备和存储器之间的数据传送通过运算器完成。

典型的冯诺依曼计算机是以运算器为中心的，现代的计算机已转化为以存储器为

中心的。

计算机硬件的主要技术指标：

机器字长：寄存器的位数

存储容量：存储单元个数*存储字长=MAR*MDR

运算速度：主频 MIPS（百万） 时钟周期CPI

存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？

1）存储器的层次结构主要体现在Cache—主存和主存—辅存这两个存储层

次上。

2）Cache—主存层次主要解决CPU和主存速度不匹配的问题，在存储系统

中主要对CPU访存起加速作用。从CPU的角度看，该层次的速度接近于Cache，

而容量和每位价格却接近于主存。这就答案要点决了存储器的高速度和低成本之

间的矛盾；

主存—辅存层次主要解决存储系统的容量问题，在存储系统中主要起扩容作用。

从程序员的角度看，其所使用的存储器的容量和每位价格接近于辅存，而速度接

近于主存。该层次答案要点决了大容量和低成本之间的矛盾。

试比较静态RAM和动态RAM。

答案要点：1）静态RAM的特点：依靠双稳态触发器保存信息，不断电信息

不丢失；功耗较大，集成度较低，速度快，每位价格高，适合于作Cache或存取

速度要求较高的小容量主存。

2）动态RAM的特点：依靠电容存储电荷来保存信息，需刷新电路进行动态刷新；

功耗较小，集成度高，每位价格较低，适合于作大容量主存。

什么叫刷新？为什么要刷新？说明刷新有几种方法。说明动态RAM各种刷新方

式的特点。

答案要点：

1）为防止信息丢失，将动态RAM的存储单元中的原存信息读出，并重新写

入的数据再生过程，称为刷新。

2）由于电容极板漏抗的存在，存储于电容中的电荷存在泄漏的情况，这会

导致动态RAM存储单元中的原存信息丢失，因此，必须要进行刷新。

3）动态RAM的刷新方式有集中式刷新、分散式刷新、异步式刷新和透明式

刷新等四种方式。（只答前三种也可）

4）各种刷新方式的特点如下：

集中式刷新的特点：在最大刷新间隔时间内，集中安排一段时间进行刷新。

其缺点是进行刷新时必须停止读、写操作。这对主机而言是个“死区”

分散式刷新的特点：刷新工作安排在系统的存取周期内进行，对主机而言不

再有“死区”。但该方式加长了系统的存取周期，存在无谓刷新，降低了整机运

行效率。因此，分散方式刷新不适用于高速存储器。

异步式刷新的特点：结合了上述两种方式的优点，充分利用了最大刷新间隔。

相对于分散式刷新而言，它减少了刷新次数；相对于集中方式来说，主机的“死

区”又缩短很多。因此，这种方式使用得比较多。

透明式刷新的特点：该方式不占用CPU时间，对CPU而言是透明的操作；

但控制线路复杂。

简述Cache-主存地址映射有哪几种方式，以及各自的优缺点。

答：Cache-主存地址映射有直接映射方式、全相联映射方式和组相联映射方

式三种。

直接映射方式的特点：主存的字块只可以和固定的Cache字块对应，优点是

方式直接，硬件实现电路简单，成本低；缺点是利用率低，同时命中率和效率较

低。

全相联映射方式主存中的字块可以和Cache的任何字块对应，优点是方式灵

活，利用率高；缺点是所需逻辑电路复杂，使用成本太高。

组相联映射方式是对前两种映射方式的折衷，组内全相联，组间直接映像。

其特点是集中了两个方式的优点，成本也不太高，是目前应用最为广泛的Cache

映射方式。

I/O设备与主机交换信息时，共有哪几种控制方式？简述它们的特点。

参考答案要点：

I/O设备与主机交换信息时，共有5种控制方式：程序查询方式、程序中断

方式、DMA方式、I/O通道方式和I/O处理机方式。其中前3种方式是基本的且

广泛应用的控制方式。

程序查询方式的特点：控制简单，硬件开销小；CPU与外设是串行工作的，

系统效率低。适用于CPU不太忙且传送速度要求不太高的场合。

程序中断方式的特点：CPU和外设可并行工作，提高了CPU的效率，不仅

适于主机和外设之间的数据交换，还特别适于对外界随机事件的处理。适用于

CPU较忙，传送速度不太高的系统中，尤其适合实时控制及紧急事件的处理。

DMA方式的特点：完全由硬件（DMA控制器）负责完成信息交换，信息

传递从以CPU为中心，转为以内存为中心，CPU和外设可并行工作，对高速大

批量数据传送特别有用。但缺点是只能进行简单数据交换，电路结构复杂，硬件

开销大。

接口的概念：

主机与I/O设备之间设置的一个硬件电路及其相应的软件控制。

什么叫中断?

计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机停止现行程

序的运行，转向对这些异常情况和特殊请求的处理，处理结束后再返回到现行程

序的间断处，继续执行源程序，这就是中断。

CPU响应中断的条件是什么?

参考答案要点：

CPU响应中断的条件可以归纳为三条：

1）有中断请求；

2）CPU允许中断，即中断允许状态IF=1（或EINT=1）；

3）一条指令执行结束。

试比较单重中断和多重中断服务程序的处理流程，说明它们不同的原因。

参考答案要点：

1）二者的比较可用两种中断的服务程序流程图（见教材P201）的对比来说

明，此处略。

2）单重中断和多重中断的区别在于“开中断”的设置时间不同。对于单重

中断，开中断指令设置在最后“中断返回”之前，意味着在整个中断服务处理过

程中，不能再响应其他中断源的请求。而对于多重中断，开中断指令提前至“保

护现场”之后，意味着在保护现场之后，若有更高级别的中断源提出请求，CPU

也可以响应，从而实现中断嵌套，这是二者的主要区别。

结合DMA接口电路说明其工作过程。

参考答案要点：

DMA的数据传送过程可分为预处理、数据传送和后处理3个阶段。工作过

程如下图所示：

数据传送

CPU

预处理：

DMA

主存起始地址

设备地址

DMA

传送数据个数

DMA

启动设备

数据传送：

CPU继续执行主程序

同时DMA完成一批数据传送

DMA请求

否

允许传送？

是

主存地址送总线

数据送I/O设备（或主存）

修改主存地址

修改字计数器

后处理：

中断服务程序

做DMA 结束处理

继续执行主程序

否

数据块

传送结束？

是

向CPU申请程序中断

各阶段完成的工作如下：

1) 预处理阶段：CPU执行主程序实现DMA传送的初始化设置；

2）数据传送阶段：由DMA控制器实现内存和外设间的数据传送。