计算机原理与应用开源答案.doc

注意：开源答案，仅供参考，待修中。。。）
1. 简要说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现的概念及它们之间的相互关系？
答：计算机系统结构：是指传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能属性；
计算机组成：是指计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等；
计算机实现：是指计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等；
关系：具有相同系统结构的计算机因为速度、价格等方面要求的不同，可以采用不同的计算机组成。而同一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现。
2. 简述指令、指令系统的概念及指令的基本格式？
答：指令：就是要计算机执行某种操作的命令。
指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合，它是表征一台计算机性能的重要因素，其格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。
指令的基本格式：是指令字用二进制代码表示的结构形式，由操作码字段和地址码字段组成。操作码字段表征指令的操作特性与功能；地址码字段通常指定参与操作的操作数的地址。
3. 何为RISC？何为CISC？并简述RISC的设计原则？
答：RISC：即精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer），它尽可能地把指令系统简化，不仅指令的条数少，而且指令的功能也比较简单；
CISC：即复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Computer），它增强了指令功能，把越来越多的功能交由硬件来实现，指令的数量也是越来越多。
RISC的设计原则：
①. 指令条数少、指令功能简单；
②. 采用简单而又统一的指令格式，并减少寻址方式；
③. 指令的执行在单周期内完成；
④. 采用load-store结构；
⑤. 大多数指令都采用硬连逻辑来实现；
⑥. 强调优化编译器的作用，为高级语言程序生成优化的代码；
⑦. 充分利用流水技术来提高性能。
4. 什么是寻址方式？试最少举例3中常见的寻址方式？
答：寻址方式：通常是指某一个CPU指令系统中规定的寻找操作数所在地址的方式,或者说通过什么的方式找到操作数 。常见的寻址方式有：隐含寻址、立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址方式、寄存器间接寻址方式、相对寻址方式、基址寻址方式等。
5. 简述CPU的简要功能？
答：①.指令顺序控制；
②．操作控制；
③．时间控制；
④．数据控制。
6. 控制器的控制方式通常分为哪两种实现方法？各有何优缺点？
答：控制器方式通常分为异步控制方式和同步控制方式；
异步控制方式：
优点：时序关系简单、控制方便，而且便于调试，系统较为可靠；
缺点：完成操作后剩下的时间都被浪费了。
同步控制方式：
优点：效率高；
缺点：设计比较复杂，所需的器件较多，系统调试难度较大，且工作过程中的可靠性不易保证。
7. 什么叫刷新？动态随机存储器为什么需要刷新？有哪几种常用的刷新方法？
答：刷新：CRT发光是由电子束打在荧光粉上引起的。电子束扫过之后其发光亮度只能维持几十毫秒便消失。为了使人眼能看到稳定的图像显示，必须使电子束不断地重复扫描整个屏幕，这个过程叫做刷新。
原因：因为动态随机存储所采用的存储位元是破坏性读出的，读操作后需要进行恢复工作，即再给电容C充电，所以需要刷新。
常用的刷新方法：集中式刷新、分散式刷新、异步式刷新
8. 试比较DRAM和SRAM的差别？
答：DRAM：是利用MOS晶体管的管极电容来存储二进制信息的，它需要动态刷新电路；
　　SRAM：是利用触发器来存储二进制信息的。触发器有两个稳定的状态用来保存一位二进制信息。它不需要动态刷新电路；
9．何为总线？简述计算机采用总线结构有哪些优点？
答：总线：是构成计算机系统的互连机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。
优点：（1）降低了部件互连的复杂性，减少了连线的数量，从而降低了成本。
（2）可扩展性好。
（缺点：速度受影响的因素多，易成为系统瓶颈，且总线作为系统核心部件，如出故障则系统会瘫痪。）
10．简述链式集中式仲裁的工作原理并分析其优缺点。
答：工作原理：所谓集中式仲裁是指在系统中设置一个集中的仲裁电路，专门来处理设备提出的总线使用请求。集中对它们的优先权进行比较，由此确定获得总线控制权的设备，并向该设备发送应答信号。
优点：结构简单，容易扩充设备。
缺点：对电路故障敏感；优先级固定，当优先级高的设备频繁提出请求时，优先级低的设备可能长期无法获得总线使用权。
11．什么叫接口？并简述I/O接口的基本功能。
答：接口：通常是指两个硬件部件之间的交接部分。
I/O接口的功能：
①． 数据格式转换；
②． 数据缓存和传送；
③． 设备寻址；
④． 提供外设和接口的状态；
⑤． 实现主机对外设的通信和控制功能。
12．外围设备的I/O数据传送控制方式分为哪几类？个具有什么特点？
答：外围设备的I/O数据传送控制方式分类：
①．程序查询方式：CPU的操作和外围设备的操作能够同步，而且硬件结构比较简单；
②．程序中断方式：一般适用于随机出现的服务，且一旦提出要求应立即进行，节省了CPU的时间，但硬件结构相对复杂一些；
③．直接内存访问（DMA）方式：数据传输速度很高，传输速率仅受内存访问时间的限制。需更多硬件，适用于内存和高速外设之间大批交换数据的场合。
④．通道方式：可以实现对外设的统一管理和外设与内存之间的数据传送，大大提高了CPU的工作效率。
⑤．外围处理机方式：通道方式的进一步发展，基本上独立于主机工作，结果更接近一般处理机。
13．什么事中断？简述中断的处理过程？
答：中断：是指CPU暂时中止现行程序的执行，转去执行处理更加紧迫的事件的服务程序，处理完后又自动返回原程序继续执行的过程。
中断的处理过程：
①． 设备提出中断请求；
②． 当一条指令执行结束时CPU响应中断；
③． CPU设置“中断屏蔽”标志，不再响应其它中断请求；
④． 保存程序断点（PC）；
⑤． 硬件识别中断源（转移到中断服务子程序入口地址）；
⑥． 用软件方法保存CPU现场；
⑦． 为设备服务；
⑧． 恢复CPU现场；
⑨． “中断屏蔽”标志复位，以便接收其它设备中断请求；
⑩． 返回主程序。
14．什么是DMA？什么样的I/O设备与主机交换信息时采用DMA方式？
答：DMA：直接内存访问(DMA)是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。在这种方式中，DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和I/O设备之间进行 。DMA方式适合于高速I/O或辅存与主存之间的信息交换。
16．简述计算机为什么要引入多级存储层次？并简述现代计算机采用的三级存储系统的内容？
答：原因：存储系统的性能直接影响到整个计算机系统的性能。用户希望“容量大、速度快、价格低”与现实的存储器的容量、速度和位价的关系（如下图所示）是矛盾的。因此如何以合理的价格，设计容量和速度都能满足系统要求的存储器系统，始终是计算机系统结构设计中的关键问题之一。方法：采用多种存储器技术，构成多级存储层次结构。
内容：目前，大多数计算机都采用了由Cache、主存储器和磁盘存储器（辅存）构成的三级存储系统，它也可以看成是由“Cache-主存”层次和“主存-辅存”层次构成。
17．简述指令周期、机器周期和时钟周期的概念和相互关系？
答：时钟周期 ：时钟周期也称为振荡周期，定义为时钟脉冲的倒数（可以这样来理解，时钟周期就是单片机外接晶振的倒数，例如12M的晶振，它的时间周期就是1/12 us），是计算机中最基本的、最小的时间单位。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。对于某种单片机，若采用了1MHZ的时钟频率，则时钟周期为1us；若采用4MHZ的时钟频率，则时钟周期为250us。由于时钟脉冲是计算机的基本工作脉冲，它控制着计算机的工作节奏（使计算机的每一步都统一到它的步调上来）。显然，对同一种机型的计算机，时钟频率越高，计算机的工作速度就越快。但是，由于不同的计算机硬件电路和器件的不完全相同，所以其所需要的时钟周频率范围也不一定相同。我们学习的8051单片机的时钟范围是1.2MHz-12MHz。 在8051单片机中把一个时钟周期定义为一个节拍（用P表示），二个节拍定义为一个状态周期（用S表示）。 
机器周期 ：在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一项工作。例如，取指令、存储器读、存储器写等，这每一项工作称为一个基本操作。完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。一般情况下，一个机器周期由若干个S周期（状态周期）组成。8051系列单片机的一个机器周期同6个S周期（状态周期）组成。前面已说过一个时钟周期定义为一个节拍（用P表示），二个节拍定义为一个状态周期（用S表示），8051单片机的机器周期由6个状态周期组成，也就是说一个机器周期=6个状态周期=12个时钟周期。 
指令周期：指令周期是执行一条指令所需要的时间，一般由若干个机器周期组成。指令不同，所需的机器周期数也不同。对于一些简单的的单字节指令，在取指令周期中，指令取出到指令寄存器后，立即译码执行，不再需要其它的机器周期。对于一些比较复杂的指令，例如转移指令、乘法指令，则需要两个或者两个以上的机器周期。 
通常含一个机器周期的指令称为单周期指令，包含两个机器周期的指令称为双周期指令
18．简述Cache的替换策略近期最少使用（LRU）算法原理？
答：选择近期使用次数最少的块作为被替换的块。也经常使用选择最久没有被访问过的块作为被替换的块（LFU）的算法来替代。