第一章 計算機概論
- 1. 馮諾依曼計算機體系結構的基本思想是什么？按此思想設計的計算機硬件系統應由哪些部件組成？他們各起什么作用？
答：基本思想：存儲程序，指令執行。順序存儲
組成部件：計算機應包括運算器，存儲器，控制器，輸入和輸出設備五大基本設備
作用：存儲器：存放程序和數據的元件
運算器：信息加工，算術運算和邏輯運算
控制器：從存儲器取出程序中的控制信息經過加工分析后，按照要求給其他部分發出控制信息
輸入設備：把程序和數據等信息轉換成計算機所能識別的編碼，按順序送往設備
輸出設備：把計算機處理的數據，計算結果等內部信息按人的要求輸出
- 2. 什么是CPU？什么是主機？輸入輸出設備為什么稱為外圍設備？
中央處理器（CPU）是一塊超大規模的集成電路，是一台計算機的運算核心和控制核心。它的功能主要是解釋計算機指令以及處理計算機軟件中的數據。
主機是指計算機除去輸入輸出設備以外的主要機體部分。也是用於放置主板及其他主要部件的控制箱體（容器Mainframe）。通常包括 CPU、內存、硬盤、光驅、電源、以及其他輸入輸出控制器和接口。
輸入輸出設備是實現計算機系統與人或其他設備，系統之家進行信息交換的裝置。又叫I/O設備。外部設備，外圍設備。
- 3. 如何理解軟硬件之間的等價性？
用硬件實現的功能，在原理上可以用軟件實現；用軟件實現的功能，在原理上也可以用硬件來實現，這就是硬件和軟件的等價性。例如，硬件可以直接做乘法運算，也可以通過軟件用相加和移位的方式實現乘法運算。運行軟件可以控制計算機的運行，但也可以把軟件固化在ROM芯片中（如BIOS），在開機過程中由硬件直接運行。
- 4. 軟硬件之間有什么關系？
計算機硬件與軟件相互依存，缺一不可。 具體的說：1、沒有安裝操作系統軟件的計算機是裸機，沒有使用價值。硬件的功能無法實現得不到發揮2、有操作系統軟件，但是沒有計算機硬件就無法運行，操作就無從談起。沒有操作系統的支持， 其他任何應用軟件更是無法應用。3、計算機硬件是軟件運行的基礎，軟件是硬件得以發揮功能的平台
- 5. 馮諾依曼結構計算機的特點是什么？它有哪些局限性？
馮諾依曼結構計算機是一種典型的計算機組織結構，將計算機硬件分為運算器，存儲器，控制器，輸入部件和輸出部件，采用存儲程序的工作方式。馮諾依曼結構計算機的主要外部特征是：
(1)指令和數據都以字的方式存放在相同的存儲器中，沒有區別，由計算機的狀態來確定從存儲器獨處的字是指令還是數據。指令送往控制單元譯碼，，數據送往運算器進行運算。
(2)指令順序串行地執行，並由控制單元集中控制，采用一個PC計數器對指令進行尋址。
(3)存儲器是一個單元定長的一維線性空間。
(4)使用低級機器語言，數據以二級制形式表示。指令中包括操作碼和地址碼兩部分。操作數的編碼格式從數據本身不能進行區別。
(5)單處理機結構，以運算器為中心，只有一個數據流和指令流。
馮諾依曼結構計算機的局限性在於它的並行性十分有限，不適合於人工智能和模式識別等
- 6. 存儲器中存儲的數據和程序是怎樣區分的？
解：計算機區分指令和數據有以下2種方法：
（1） 通過不同的時間段來區分指令和數據，即在取指令階段（或取指微程序）取出的為指令，在執行指令階段（或相應微程序）取出的即為數據。
（2） 通過地址來源區分，由PC提供存儲單元地址的取出的是指令，由指令地址碼部分提供存儲單元地址的取出的是操作數。
第三章系統總線
1.為什么要有總線判優控制？
答：為了解決多個部件同時申請總線時的使用權分配問題
2.什么是總線裁決？這些總線裁決有哪幾種方式？
答：總線裁決：當采用非專用總線時，由於可能有多個設備或部件同時申請使用總線，就應該由總線控制機構來按照某種優先次序裁決，以保證在同一時間內只能有一個高優先級的申請者取得對總線的使用權。
總線裁決方式可分為集中式裁決和分布式裁決兩種。
集中式裁決將總線的控制功能用一個專門的部件實現，這個部件可以位於連接在總線的某個設備上。當一個設備需要向共享總線傳輸數據時，它必須先發出請求，在得到許可時才能發出數據。裁決部件接收來自各個設備的總線使用請求信號，向其中某一個設備發出總線許可信號。
分布式裁決將控制功能分布在連接在總線上的各設備中，一般是固定優 先級的。每個設備分配一個優先號，發出總線請求的設備將自己的優先號送往請求線上，與其他設備的請求信號構成一個合成信號，並將這個合成裁決信號讀入以判斷是否有優先級更高的設備申請總線。這樣可使得優先級最高的設備獲得總線使用權。
3.集中式總線裁決有哪幾種方式？這些總線裁決各有哪些特點？
答：方式：鏈式查詢方式：各申請總線的設備合用一條總線作為請求信號線，而總線控制設備的響應信號線則串接在各設備間。
計數器定時查詢方式：，設備要求使用總線時通過一條公用的請求線發出，總線控制器按技術的值對各設備進行查詢。
獨立請求方式：每個設備都有一個獨立的總線請求方式送到總線控制器，控制器也給各設備分別發出一個總線響應信號
獨立請求方式可以與鏈式查詢方式結合某稱分組查詢方式
4.總線的同步傳輸方式與異步傳輸方式有何區別？各適合與哪些場合？
答：總線通信方式規定來，實現總線數據傳輸的定時規則，也就是總線協議。在同步方式中，所有的設備都從同一個公共的時鍾信號中獲得定時信息，數據的傳輸在一個共同的時鍾信號控制下進行，總線的操作由固定的時序。這種方式時序關系簡單，實現也比較簡單，有利於提高總線傳輸速度，適用於系統中各個設備，各種總線的操作嘟嘟固定而且一直的場合。
異步通信采用握手信號代替時鍾信號，總線操作周期不是固定的，操作的每個步驟都有一個信號表示。異步方式允許總線周期有較大變化范圍，可適合各種工作速度的設備，缺點是對噪聲較敏感
5.分析和歸納集中式串行鏈接，定時查詢和獨立請求這3種總線控制方式的優缺點
串行鏈接：優點（1）選擇算法簡單（2）控制線數少，只需要3跟，且不取決於於部件數量（3）可擴充性好。
缺點：（1）對“總線可用”線及其有關電路失效敏感（2）靈活性差，如果高優先級的部件頻繁要求使用總線，高總先控制器遠的部件難以獲得總線使用權（3）“總線可用”信號順序脈動的通過各個部件，總線的分配速度慢（4）受總線長度的限制，增減和移動部件受限制。
定時查詢：優點（1）靈活性強，部件的優先次序由程序控制（2）可靠性高，不會因某個部件失效而影響其他部件使用總線
缺點：（1）總顯得分配速度不能很高（2）控制較為復雜（3）控制線數多，需要2+log2N根。（4）可擴充性差
獨立請求：優點（1）靈活性強，部件的優先次序由程序控制。（2）能方便地隔離失效部件的請求（3）總線的分配速度快
缺點：（1）控制較為復雜（2）控制線數多，要控制N個設備，需要有2N+1根控制線
二．分析題
1.為什么要有總線判優控制？
答：為了解決多個部件同時申請總線時的使用權分配問題
2.同一個總線不能既采用同步方式又采用異步方式通信，是嗎，為什么？
答：半同步總線可以，這類總線既保留了同步通信的特點，又能采用異步應答方式連接速度相差較大的設備。通過在異步總線中引入時鍾信號，其就緒和應答等信號都在時鍾上升沿或下降沿有效，而不受其他時間信號干擾，采用Wait，若無效，則說明數據未准備好，下個時鍾到來時，再采樣Wait信號，直到檢測有效，再去數據線上取數據，PCI總線也是一種半同步總線媽的所有時間在時鍾下降沿同步，總線設備在時鍾開始的上升沿采樣總線信號。
3.考慮一個帶有16位外部數據總線的32位微處理器，時鍾頻率為50HZ，假定總線的最短周期是4個時鍾周期，處理器最大數據傳輸率是多少？為了提高數據傳輸率，是采用32位外部數據好？還是加倍外部時鍾頻率好？還有其他什么好的措施？
答：（1）設一個總線周期能夠傳輸的數據量用D表示(D=2B)，時鍾周期為T1=1/f，f為時鍾頻率50HZ，總線周期為T2（T2=4*T1），故處理器的最大傳輸數據率為：D/T2=D/4*f=2/4*50*106
/s=25MB/s
（2）若采用32位外部總線，則處理器的最大數據傳輸率為50MB/s。
（3）若倍頻，從上述共識推導可以看出兩種措施結果相同。
4．（1）某總線在一個總線周期中並行傳送4個字節的數據，假設一個總線周期等於兩個時鍾周期，總線時鍾周期頻率位66MHZ，求總線帶寬是多少？
（2）如果一個總線周期中並行 傳送64位數據，總線時鍾頻率升為88MHZ，求總線帶寬是多少？
解：（1）設總線帶寬用Dr表示，總線時鍾周期用T=1/f表示，一個總線周期的數據量用D表示，根據定義可得
Dr=D/T=D*2/T=D*f
=4B*33*1000000/s=132MB/s
(2)64位=8B，Dr=D*f
=8B*88*1000000/s=704MB/s