福建开放大学计算机组成原理期末考试试卷与参考答案

以下是一份关于《计算机组成原理》的复习笔记，涵盖常见考点和例题解析，供参考：

福建开放大学《计算机组成原理》复习笔记

一、数制与编码

1. 数制转换

- 二进制、十进制、十六进制之间的转换

- 例：将十进制数 35 转换为二进制和十六进制。

- 答案：二进制为 `100011`，十六进制为 `0x23`。

- 补码表示法

- 例：求 -9 的 8 位补码。

- 答案：补码为 `11110111`（原码 `10001001` → 反码 `11110110` → 补码 `11110111`）。

2. 字符编码

- ASCII 码：7 位或 8 位，常用范围 0~127。

- Unicode：支持多语言，常用 UTF-8 或 UTF-16。

- 汉字编码：GB2312、UTF-8 等。

二、运算方法与运算器

1. 定点数运算

- 补码加减法：符号位参与运算，结果溢出判断（异或为 1 则溢出）。

- 溢出条件：

- 同符号数相加，结果符号与原数不同。

- 异号数相减，结果符号与被减数不同。

2. 浮点数运算

- IEEE 754 标准：单精度（32 位）、双精度（64 位）。

- 对阶操作：将较小的阶码调整到与较大的阶码一致。

- 舍入规则：四舍五入或截断。

3. 运算器结构

- ALU（算术逻辑单元）的功能：加减乘除、逻辑运算。

- 加法器类型：半加器、全加器、超前进位加法器（如CLA）。

三、指令系统与寻址方式

1. 指令格式

- 指令字长、操作码、地址码。

- 典型指令结构：如 MIPS 的 R 型、I 型、J 型指令。

2. 寻址方式

- 立即数寻址：操作数直接在指令中给出。

- 直接寻址：指令中直接给出操作数地址。

- 间接寻址：通过地址寄存器获取操作数。

- 变址寻址：用于数组或表格操作。

- 基址寻址：用于程序地址重定位。

3. 指令执行流程

- 取指 → 译码 → 执行 → 存储 → 中断处理。

四、中央处理器（CPU）

1. CPU 功能与组成

- 控制器（Circuit Control）、运算器（ALU）、寄存器组、时序系统。

- 指令周期：取指周期、执行周期。

2. 控制器设计

- 硬布线控制器：逻辑电路实现控制信号。

- 微程序控制器：通过微指令表控制操作。

3. 数据通路

- 指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、通用寄存器（如 R0~R31）。

五、存储系统

1. 主存储器

- 存储器层次结构：Cache → 主存 → 辅存。

- 主存容量计算：

- 例：某主存有 16 个存储体，每个存储体 1MB，总容量为 16MB。

2. Cache 存储器

- 映射方式：直接映射、组相联、全相联。

- 替换算法：LRU（最近最少使用）、随机替换、FIFO。

- 命中率计算：

- 公式：命中率 = 1 - 缺失率。

3. 虚拟存储器

- 页表机制：逻辑地址到物理地址的转换。

- TLB（快表）：提高地址转换速度。

六、输入输出系统（I/O）

1. I/O 接口功能

- 数据缓冲、状态信号传递、中断控制。

2. DMA（直接内存访问）

- 优点：减少 CPU 干预，提高传输效率。

- 工作流程：CPU 初始化 → DMA 控制器接管 → 数据传输 → 中断通知。

3. 中断处理

- 中断响应步骤：保存现场 → 转入中断服务程序 → 恢复现场。

- 中断向量表：存储中断服务程序入口地址的表格。

七、总线系统

1. 总线分类

- 片内总线（如 CPU 内部）、系统总线（如主板总线）、通信总线（如 USB）。

2. 总线仲裁

- 集中式仲裁：由总线控制器统一管理。

- 分布式仲裁：设备自主竞争总线使用权。

3. 总线同步机制

- 同步定时协议：同步、异步、半同步。

八、流水线技术

1. 流水线概念

- 将指令分解为多个阶段（如取指、译码、执行、访存、回写），并行执行。

2. 流水线冲突

- 数据冲突：后续指令依赖前序指令的结果。

- 控制冲突：分支指令导致流水线中断。

- 结构冲突：资源竞争（如多个指令访问同一功能部件）。

3. 流水线优化

- 延长流水线阶段（超流水线）、多流水线（超标量）。

九、RISC 与 CISC 架构

1. RISC 特点

- 简单指令集、固定长度指令、大量通用寄存器。

2. CISC 特点

- 复杂指令集、指令长度可变、内存访问频繁。

3. 对比

- RISC 通过硬件加速提高性能，CISC 依赖复杂指令设计。

十、计算机性能评估

1. 性能指标

- CPI（每条指令周期数）、MIPS（每秒百万条指令）、MFLOPS（每秒百万次浮点运算）。

2. 平均访问时间计算

- 公式：平均访问时间 = 命中时间 + 命中率 × 缺失时间。

例题解析（参考答案）

例题 1：数制转换

题目：将二进制数 `110101` 转换为十进制和十六进制。

答案：

- 十进制：`1×32 + 1×16 + 0×8 + 1×4 + 0×2 + 1×1 = 53`。

- 十六进制：`0x35`（分组为 `1101` `01` → `D` `5`）。

例题 2：指令寻址方式

题目：已知指令 `ADD R1, [R2], 5`，说明寻址方式并计算操作数地址。

答案：

- `R1`：寄存器寻址。

- `[R2]`：寄存器间接寻址。

- `5`：立即数寻址。

- 操作数地址：取 R2 的值（如 `0x1000`），则操作数位于地址 `0x1000` 处。

例题 3：运算器设计

题目：设计一个 4 位超前进位加法器。

答案：

- 使用多个全加器并联，通过进位选择逻辑实现超前传递，减少进位延迟。

例题 4：Cache 缺失计算

题目：某 Cache 容量为 1KB，块大小为 16 字节，主存容量为 64KB，求 Cache 的缺失