计算机基础知识-计算机组成原理
第 1 章 计算机系统概述
Q1. 冯・诺依曼计算机的核心思想是什么？
参考答案：
- 采用二进制表示数据和指令；
- 采用存储程序思想：指令和数据以同等地位存于存储器，可按地址寻访；
- 计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成；
- 指令由操作码和地址码组成，指令在存储器中按顺序存放。
Q2. 计算机系统的层次结构（从高到低）？
参考答案：高级语言层 → 汇编语言层 → 操作系统层 → 机器语言层 → 微程序层 → 硬件逻辑层。
Q3. 什么是 CPI、MIPS、FLOPS？
参考答案：
- CPI：Clock cycles Per Instruction，执行一条指令所需的平均时钟周期数。
- MIPS：百万条指令每秒，衡量指令执行速度。
- FLOPS：浮点运算次数每秒，衡量浮点运算性能。
Q4. 计算机性能指标：主频、CPI、执行时间的关系？
参考答案：
CPU执行时间=指令数×CPI÷主频CPU执行时间=指令数×CPI÷主频CPU执行时间=指令数×CPI÷主频
第 2 章 数据的表示与运算
Q1. 原码、反码、补码的特点？
参考答案：
- 原码：最高位为符号位，0 正 1 负；表示简单，但 0 有两种表示，加减复杂。
- 反码：正数同原码，负数符号位不变、数值位取反；过渡编码。
- 补码 ：正数同原码，负数符号位不变、数值位取反加 1；0 唯一，可将减法转为加法，现代计算机通用。
Q2. 为什么计算机用补码？
参考答案：
- 统一 0 的表示，只有一个 0；
- 减法可转化为加法运算，简化硬件电路；
- 符号位可与数值位一同参与运算，无需单独处理。
Q3. 什么是溢出？如何判断溢出？
参考答案：
- 溢出：有符号数运算结果超出表示范围，导致结果错误。
- 判断方法：
- 双符号位法（变形补码）：结果符号位为 01（正溢）或 10（负溢）则溢出；
- 进位判断法：最高位进位与次高位进位不同则溢出。
Q4. 浮点数表示格式及规格化目的？
参考答案：
- 格式：阶码 + 尾数（阶码决定范围，尾数决定精度）。
- 规格化：使尾数最高位为有效数字（原码 1，补码 01/10），目的是唯一表示、提高精度、便于比较。
第 3 章 存储器层次结构
Q1. 存储器层次结构（三级）及设计原则？
参考答案：
- 层次：寄存器 → Cache → 主存 → 辅存（常说三级：Cache - 主存 - 辅存）。
- 原则：速度、容量、价格 的折中，遵循局部性原理（时间局部性、空间局部性）。
Q2. Cache 的作用与工作原理？
参考答案：
- 作用：解决 CPU 与主存速度不匹配问题，提高平均访存速度。
- 原理：利用局部性原理，将主存中频繁访问的数据块复制到 Cache，CPU 优先访问 Cache。
Q3. Cache 的三种映射方式
参考答案：
- 直接映射：主存块只能映射到 Cache 唯一行，硬件简单、冲突率高。
- 全相联映射：主存块可映射到任意 Cache 行，冲突率低、硬件复杂（需比较全部行）。
- 组相联映射：先分组，组内全相联；折中方案，现代 CPU 常用（如 2 路、4 路组相联）。
Q4. 什么是虚拟存储器？作用？
参考答案：
- 虚拟存储器是借助辅存，将主存地址空间扩展为逻辑地址空间，对用户透明。
- 作用：
- 扩大编程可用的地址空间；
- 实现主存与辅存间自动调度；
- 提供内存保护与共享
Q5. TLB（快表）是什么？作用？
参考答案：
- TLB 是专用高速缓存，存放当前最常用的页表项。
- 作用：加速地址转换，避免每次访存都查主存页表，减少虚实地址转换开销。
第 4 章 指令系统
Q1. 指令格式包含哪两部分？各自作用？
参考答案：
- 操作码：指明指令操作类型（加、减、访存等）。
- 地址码：指明操作数地址、结果地址或下条指令地址
Q2. 指令寻址方式（常见 5 种）？
参考答案：
- 立即寻址：操作数直接在指令中，速度最快。
- 直接寻址：地址码是有效地址。
- 间接寻址：地址码是有效地址的地址，可扩大寻址范围。
- 寄存器寻址：操作数在寄存器中，速度快。
- 寄存器间接寻址：地址码是寄存器，寄存器存有效地址。
Q3. CISC 与 RISC 的区别？
参考答案：
| 项目 | CISC | RISC |
|---|---|---|
| 指令 | 复杂、变长、数量多 | 简单、定长、数量少 |
| 寻址方式 | 多 | 少 |
| 访存 | 指令可直接访存 | 只有 load/store 访存 |
| 实现 | 微程序为主 | 硬布线为主 |
| 适用 | x86 | ARM、MIPS、RISC-V |
第 5 章 中央处理器 CPU
Q1. CPU 的功能与组成？
参考答案：
- 功能：指令控制、操作控制、时间控制、数据加工。
- 组成：运算器 + 控制器 + 寄存器组。
Q2. 指令周期、机器周期、时钟周期的关系？
参考答案：
- 时钟周期：最小时间单位，主频倒数。
- 机器周期：完成一个基本操作（如访存）的时间，包含若干时钟周期。
- 指令周期：取出并执行一条指令的时间，包含若干机器周期。
Q3. 控制器的两种实现方式？
参考答案：
- 微程序控制器：将控制信号编成微指令存在控制存储器，灵活、易于修改，CISC 常用。
- 硬布线控制器：组合逻辑电路直接产生控制信号，速度快、设计复杂，RISC 常用。
Q4. 什么是流水线？影响流水线效率的因素？
参考答案：
- 流水线：将指令执行过程分为多个阶段（取指、译码、执行、访存、写回），多条指令重叠执行，提高吞吐率。
- 影响因素：
- 结构冲突：硬件资源竞争；
- 数据冲突：指令间数据相关（写后读、读后写、写后写）；
- 控制冲突：分支指令、跳转导致断流。
第 6 章 总线系统
Q1. 总线的定义与分类（按位置）？
参考答案：
- 总线：连接多个部件的共享传输线路。
- 分类：
- 片内总线：芯片内部；
- 系统总线：连接 CPU、主存、I/O（数据、地址、控制总线）；
- 通信总线：计算机间通信。
Q2. 总线的三种仲裁方式？
参考答案：
- 集中式仲裁：链式查询、计数器定时查询、独立请求；
- 分布式仲裁：各部件自主竞争，无中央仲裁器。
Q3. 总线的四种定时 / 通信方式？
参考答案：
- 同步通信：统一时钟，简单、速度快，适合近距离。
- 异步通信：握手信号（应答），灵活，适合速度差异大的设备。
- 半同步通信：同步时钟 + 异步握手。
- 分离式通信：充分利用总线，提高效率。
第 7 章 输入输出系统
Q1. I/O 控制方式（四种）？
参考答案：
- 程序查询方式：CPU 轮询，CPU 利用率低。
- 程序中断方式：I/O 准备好后发中断，CPU 并行度提高。
- DMA 方式：直接内存访问，数据传输不经过 CPU，适合高速设备（磁盘）。
- 通道方式：专用 I/O 处理器，进一步解放 CPU，大型机用。
Q2. 中断处理过程（完整步骤）？
参考答案：
- 中断请求；
- 中断判优（仲裁）；
- 中断响应（关中断、保存断点、向量地址）；
- 中断服务（保护现场、处理、恢复现场）；
- 中断返回（开中断、返回到断点）。
Q3. DMA 的工作方式与 3 个阶段？
参考答案：
- 方式：停止 CPU 访存、周期挪用、DMA 与 CPU 交替访存。
- 阶段：
- 预处理（CPU 初始化 DMA）；
- 数据传送（DMA 控制）；
- 后处理（DMA 发中断，CPU 做结束处理）。
第 8 章 流水线与并行技术（高频）
Q1. 结构相关、数据相关、控制相关分别是什么？如何解决？
参考答案：
- 结构相关：多指令争同一硬件 → 解决：增加资源、暂停流水线。
- 数据相关 ：RAW、WAR、WAW → 解决：数据旁路（转发）、插入气泡、编译调度。
- 控制相关 ：分支指令 → 解决：分支预测、延迟槽、预取目标指令。
Q2. 什么是超标量、超流水线、超长指令字 VLIW？
参考答案：
- 超标量：有多条流水线，可同时发射多条指令（空间并行）。
- 超流水线：把阶段分得更细，提高主频（时间并行）。
- VLIW：编译器打包多个独立操作成一条长指令，硬件简单。