【计算机组成原理】总复习笔记（下）

2024-01-07 18:03:49

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本文仅供参考，本文部分内容来自AI总结、网络搜集与个人实践。如果任何信息存在错误,欢迎读者批评指正。本文仅用于学习交流,不用作任何商业用途。

文章目录

第 5 章 计算机的运算方法

1. 二进制补码表示

  • 计算补码的最小整数
  • 补码形式与真值转换
    在这个问题中，涉及到以下专业名词：

  1. 二进制补码： 二进制补码是一种用于表示有符号整数的二进制数表示法。在补码中，正整数的二进制表示与其原码相同，而负整数的表示是在其原码的基础上，将所有位取反（0变1，1变0），然后再加1。这种表示法有助于简化加法和减法的运算，同时避免了正零和负零的问题。

  2. 符号位： 在二进制数中，符号位是最高位（最左边的位），用来表示数的正负。通常，0表示正数，1表示负数。

  3. 真值： 在二进制补码中，真值是通过解释二进制数的方式得到的实际整数值。对于负数，真值的计算需要按照补码规则进行。

  4. 取反： 在二进制数中，取反是指将每一位的0变成1，1变成0的操作。

  5. 末位加1： 在二进制补码中，为了得到负数的真值，取反后需要在末尾加上1。这是因为负数的补码是在取反的基础上再加1。

这些专业名词帮助我们理解在二进制补码中如何表示和计算整数值。

2. 冯诺依曼结构的数据表示

  • 二进制编码的原因
  • 简化的二进制运算规则
  • 逻辑门电路实现算术运算
    在这个问题中，涉及到以下专业名词：

  1. 冯诺依曼结构： 冯诺依曼结构是一种计算机体系结构，它包括存储器、运算器、控制器、输入设备和输出设备等五个主要部件。其中，存储器用于存储数据和指令，而程序和数据以二进制编码的形式存储在存储器中。这种结构的关键特点是程序和数据存储在同一存储器中，可由计算机自行控制的特定指令集用于操作存储器中的数据。

  2. 二进制编码： 二进制编码是一种使用0和1表示数值的编码方式。在计算机领域，所有数据、指令以及地址等信息都以二进制编码的形式存储和处理。这是因为计算机内部的电子元件能够更容易地表示和处理二进制信号。

  3. 逻辑门电路： 逻辑门电路是由逻辑门组成的电路，逻辑门是用于执行逻辑运算（如与、或、非）的基本电子元件。在计算机中，逻辑门电路被用来执行各种逻辑操作，从而实现算术和逻辑运算。

这些专业名词有助于我们理解为什么在冯诺依曼结构的计算机中，数据采用二进制编码表示的原因。这包括二进制运算的简单性、物理器件的制造便利性以及逻辑门电路实现算术运算的便利性。

3. 补码表示与变量比较

  • 带符号整数的补码表示
  • 比较带符号整数的补码值
    在这个问题中，我们涉及到了一些涉及二进制补码表示的概念：

  1. 带符号整数用补码表示： 带符号整数的补码表示是一种用于表示正数和负数的二进制编码方式。在补码表示中，最高位是符号位，0 表示正数，1 表示负数。对于负数，采用补码形式表示。通常，负数的补码表示是将对应正数的补码中的每一位取反（0 变为 1，1 变为 0），然后再加 1。

  2. 无符号整数： 无符号整数只表示非负整数，因此没有符号位，所有位都用于表示数值。

在这个背景下，我们来看结论：

  • 若 x，y 和 z 为无符号整数，则 x > y > z。所以，选项 A 和 B 错误。

  • 若 x，y 和 z 为带符号整数，则 z 为正数，而 x 和 y 为负数。通过比较 x 和 y，得知 x > y。所以，选项 D 正确。

4. 补码整数范围

  • n位补码整数表示范围

补码是一种二进制数的编码方式，通常用于计算机中表示有符号整数。在补码表示法中，正整数的二进制表示与无符号整数相同，而负整数的表示采用其绝对值的二进制补码形式。

对于一个给定的位数（例如32位），补码表示法的规则如下：

  1. 对于正整数，其补码与无符号整数的二进制表示相同。
  2. 对于负整数，首先找到其绝对值的二进制表示，然后对该表示进行取反操作（0变1，1变0），最后加1。

补码表示法有很多优点，其中之一是它只有一个零，简化了运算和逻辑判断。在计算机中，补码广泛用于表示整数，特别是在进行算术运算时，因为它简化了加法和减法的实现。

5. C语言程序中数据类型的转换

  • 不同数据类型的存储及运算规则
  • 数据类型间的转换问题

数据冒险： 在流水线中，当两条或多条指令之间存在数据相关性，导致后一条指令无法立即执行而需要等待前一条指令完成的现象。数据冒险包括读后写相关、写后写相关和写后读相关等情况。

强制类型转换： 在编程语言中，强制类型转换是指将一个数据类型的值转换为另一种数据类型的操作。在题目中，将 short 型数据转换为 int 型，涉及到符号位扩展，即将 short 类型的数据符号位进行扩展以匹配 int 类型。

补码形式： 补码是一种用于表示有符号整数的二进制编码方式。在补码表示中，正整数的二进制和其原码相同，负整数的补码是其原码除符号位外所有位取反后加 1。

数据相关： 数据相关是指指令执行过程中对数据的依赖关系，包括读后写相关（RAW，Read After Write）、写后写相关（WAW，Write After Write）和写后读相关（WAR，Write After Read）等。数据相关性是影响流水线执行顺序和效率的关键因素。

符号位扩展： 符号位扩展是将一个数的符号位（最高位）复制并填充到更高位的过程，通常用于将低位数据类型转换为高位数据类型时保持数值的符号不变。在题目中，将 short 类型的数值扩展为 int 类型时涉及到符号位扩展。

6. 补码运算中的溢出

  • 补码运算规则下的溢出现象

补码： 补码是一种用于表示有符号整数的二进制编码方式。在补码表示中，正整数的二进制和其原码相同，负整数的补码是其原码除符号位外所有位取反后加 1。

溢出： 溢出是指在进行算术运算时，结果超出了所用表示方法（比如有限位数的补码）所能表示的范围。在计算机中，溢出会导致结果不准确，产生错误的计算结果。

运算溢出： 运算溢出是指在进行加法、减法、乘法等算术运算时，得到的结果超出了所用表示方式的范围，导致溢出错误。

在本题中，通过将 4 个 8 位补码转换为十进制数，进行相乘运算，得到 r2×r3 = 1568。由于 8 位补码表示的范围为-128 到 +127，1568 超出了这个范围，因此发生了运算溢出。

7. 存储器编址方式与数据存放

  • 存储器字节编址方式
  • 小端方式存储数据
  • 结构体在内存中的存储顺序

小端方式存放数据： 在小端方式中，数据的低字节存储在起始地址，高字节存储在起始地址的后面的地址中。在本题中，采用小端方式存放数据。

边界对齐： 边界对齐是指在内存中分配变量空间时，变量的起始地址应该是某个值的倍数。这个值通常是根据变量类型的大小来确定的。

成员结构体（struct）： 在C语言中，结构体是一种复合的数据类型，允许将不同类型的数据组合在一起。结构体的成员在内存中是顺序存储的，但是可能会因为对齐规则而存在填充字节。

在本题中，结构体record包含三个成员，每个int类型占用4字节，record整体占用8字节。根据小端方式存放数据，record.a的地址为0xC008，record.c的地址为0xC00E。

具体的存储情况如下：

  • record.a的地址0xC008中的内容为0x11。
  • record.c的地址0xC00E中的内容为0x00。
  • record.c的地址0xC00F中的内容为0x00。

因此，地址0xC008中的内容及record.c的地址分别为0x11和0xC00E。所以答案为选项 D。

8. 数据类型转换与填充高位

  • 不同位数数据类型的转换
  • 高位的填充规则

  1. 编译器（Compiler）： 编译器是一种将高级程序语言代码转换为计算机可执行代码的程序。它负责将程序员编写的高级语言代码翻译成机器语言或中间代码，以便计算机能够执行。在这里，编译器规定了不同数据类型的长度，如 int 和 short 的位数。

  2. 无符号数（Unsigned Number）： 无符号数是一种整数表示方式，不包含正负号。它们只能表示非负整数，因此没有负数的概念。在C语言中，unsigned关键字用于声明无符号数，如 unsigned short 表示一个无符号的短整数。

  3. 机器数（Machine Number）： 机器数是计算机中用来表示数字的二进制编码。它可以是整数或浮点数，采用不同的编码方式。在这里，y 的机器数指的是将变量 y 在计算机中的二进制表示。

  4. 溢出（Overflow）： 溢出是指计算机中进行算术运算时，结果超出了该数据类型所能表示的范围。溢出会导致错误的计算结果，因为计算机无法正确表示超出其位数限制的数字。

  5. 排除法（Process of Elimination）： 排除法是一种问题解决的方法，通过逐渐排除不可能的选项，从而确定正确的答案。在这里，采用排除法来确定 y 的机器数，先排除明显不可能的选项，然后选择最合适的答案。

理解这些术语有助于理解计算机程序中的数据表示和编译过程中的类型转换。

9. 定点补码运算中的溢出

  • 定点补码运算的溢出情况

  1. 字长（Word Length）： 字长是计算机中一个重要的术语，指的是 CPU 一次能处理的二进制数字的位数。通常以位（bit）为单位来表示。例如，一个8位的字长表示 CPU 可以同时处理8位的二进制数字。

  2. 机器数（Machine Number）： 机器数是计算机中用来表示数字的二进制编码。它可以是整数或浮点数，采用不同的编码方式。在题目中，[x]补 和 [y]补 表示 x 和 y 的补码形式，补码是一种用于表示有符号整数的二进制编码方式。

  3. 算术左移和算术右移：

    • 算术左移： 对一个二进制数进行算术左移，相当于将该数乘以2的指定次幂。在题目中，[x]补 左移一位表示 (2x) 的操作。
    • 算术右移： 对一个二进制数进行算术右移，相当于将该数除以2的指定次幂并向下取整。在题目中，[y]补 右移一位表示 (y/2) 的操作。

  4. 溢出（Overflow）： 在计算机中，当进行运算得到的结果超出了系统所能表示的范围时，就会发生溢出。溢出会导致错误的计算结果，因为计算机无法正确表示超出其位数限制的数字。

这些术语在计算机体系结构和数字逻辑的领域中经常被使用。理解这些术语有助于分析和理解计算机程序和运算过程中的细节。

10. 有符号整数的无符号转换

  • 有符号数转无符号数对值的影响

  1. 8位定点补码运算： 定点表示法是一种用于表示整数和小数的方法，其中小数点的位置是固定的。补码是一种表示有符号整数的二进制编码方式。8位定点补码运算指的是在8位二进制系统中，采用定点表示法和补码运算的方式进行计算。

  2. 溢出（Overflow）： 溢出是指计算机中进行算术运算时，结果超出了该数据类型所能表示的范围。在这里，如果运算结果超出了8位定点补码表示的范围（-128到127），就会发生溢出。

  3. 符号位： 在补码表示中，最高位（最左边的位）通常用于表示数字的符号。0表示正数，1表示负数。符号位的溢出表示计算结果的符号无法正确表示，导致了溢出。

  4. 运算符： 在这里，涉及到加法运算（+）和减法运算（-）。在8位定点补码运算中，需要考虑运算符的影响，以及溢出可能性。

理解这些专业名词有助于理解在计算机中使用定点表示法和补码运算时可能发生的情况，特别是在有限位数的情况下。

11. 补码表示与无符号数转换

  • 补码转换为无符号数的数值变化

  1. C语言程序段： 这是指在C语言中的一部分程序，通常是一组相关的语句，用于完成特定的任务或操作。

  2. short： 在C语言中，short 是一种整数数据类型，通常占用较小的内存空间，用于表示整数值。它的范围和大小依赖于编译器和系统的实现。

  3. unsigned short： unsigned short 是C语言中的一种无符号整数数据类型，用于表示非负整数值。它不包含负数，范围和大小也取决于编译器和系统。

  4. 补码表示形式： 补码是一种用于表示有符号整数的二进制编码方式。在补码中，正数和无符号整数的表示方式相同，而负数的表示略有不同。在计算机中，通常使用补码来表示有符号整数。

  5. 符号位： 在有符号整数的二进制表示中，最高位通常用于表示符号。0表示正数，1表示负数。在补码表示中，符号位参与运算。

  6. 无符号数： 无符号数是指没有符号位，只表示非负整数的数字。在C语言中，unsigned 关键字用于声明无符号整数类型。

上述C语言程序段中，short si = -32767; 初始化了一个short类型的变量 si，然后将其赋值给 unsigned short usi。在这个过程中，负数 -32767 在转换成无符号数时，发生了数值变化，导致 usi 的值为 32769。

12. 存储单元中数据的解析

  • 大端、小端方式下数据的存储顺序

  1. 字长： 字长是计算机中用于表示整数、指针和其他数据类型的二进制位的位数。通常以位（bits）为单位，如 8 位、16 位、32 位、64 位等。字长的大小影响着计算机一次能处理的数据量和地址范围。

  2. 按字节编址： 表示计算机内存寻址时的基本单位是字节。按字节编址意味着每个内存地址对应一个字节，而不是其他更大的单位。这是计算机内存寻址的基本原则之一。

  3. 小端方式： 小端存储方式是指在一个多字节数据类型的存储空间中，低位字节存储在起始地址，高位字节存储在结束地址。例如，对于 32 位整数 0x11223344，在小端方式下，其存储顺序为 44 33 22 11。

  4. double 型： double 是C语言中的一种浮点数数据类型，用于表示双精度浮点数。通常占用 64 位（8 字节）内存空间，可以表示较大范围和精度更高的浮点数。

  5. 机器数表示： 机器数是计算机中用于表示数字的二进制形式。在计算机内部，整数和浮点数都以机器数的形式存储和进行运算。

  6. 连续存储单元： 连续存储单元指的是在内存中相邻的存储单元，可以是字节、字（word）等。内存中的数据通常是按照地址连续存放的。

在这个问题中，计算机字长为 32 位，采用小端方式存放数据，一个 double 型变量的机器数从 0000 8040H 开始连续存放。根据小端方式，可以找到存储单元 0000 8046H 中的内容为 22H。

13. 补码运算中的溢出判断

  • 补码运算结果超出表示范围的判断

  1. 有符号整数： 有符号整数是一种整数数据类型，可以表示正数、负数和零。在计算机中，通常使用补码表示法表示有符号整数。在补码中，最高位（最左边的位）是符号位，0 表示正数，1 表示负数。

  2. 补码表示： 补码是一种用于表示有符号整数的二进制数编码方式。对于正整数，补码和其原码相同；对于负整数，补码是其原码的符号位取反后加一。补码的一个优势是可以简化加法和减法的运算，因为它允许使用相同的加法电路进行运算。

  3. 机器数： 机器数是在计算机中用二进制表示的数字。对于有符号整数，机器数通常采用补码表示。机器数包含一个二进制位的符号位和剩余的位用于表示数值。

  4. 原码： 原码是一种用于表示有符号整数的二进制数编码方式。它最高位是符号位，0 表示正数，1 表示负数。原码的运算规则较为简单，但在计算机内部存储和运算时并不常用。

在这个问题中，采用补码表示法，给出了两个 int 型变量 x 和 y 的机器数。根据补码的规则，计算它们对应的值。然后，计算 x - y 的机器数。最后，将计算结果与选项进行比较，选择正确的答案。答案是 C。

14. 指令对应的机器代码

  • 不同语句的机器代码编码规则

  1. 字节编址： 字节编址是一种计算机内存寻址方式，其中每个内存单元都被分配一个唯一的地址，而每个地址代表一个字节。在字节编址中，内存地址按字节递增，每个字节都有一个唯一的地址。

  2. 小端方式： 小端方式是一种数据存储的方式，其中多字节数据的最低有效字节存储在最低内存地址处，而最高有效字节存储在最高内存地址处。在小端方式中，低位数据存储在低地址，高位数据存储在高地址。

  3. 机器代码： 机器代码是一种计算机能够直接执行的二进制指令。每个机器指令对应于特定的操作码，用于执行计算机的基本操作。机器代码是计算机程序经过编译后生成的可执行文件中的内容。

在这个问题中，给出了一条语句“int i = 0;”对应的机器代码，要求根据小端方式，将另一条语句“int i = -64;”的机器代码确定出来。根据题目描述和小端方式的规则，选择正确的答案，即将-64的补码按字节存储在相应的地址中。答案是 A。

15. 逻辑右移与算术右移的差异

  • 逻辑移位与算术移位规则及结果
    没问题，让我从第16题开始，逐步为你创建大纲。

  1. 逻辑右移： 逻辑右移是一种二进制数的右移操作，其中所有位向右移动指定的位数，最高位补0。在逻辑右移中，所有位（包括符号位）都参与右移，没有区分符号位。

  2. 算术右移： 算术右移是一种二进制数的右移操作，其中所有位向右移动指定的位数，最高位补符号位。在算术右移中，最高位为符号位，符号位为1时，右移空位补1，符号位为0时，右移空位补0。

在这个问题中，给出整数 x 的机器数为 1101 1000，要求进行逻辑右移和算术右移操作。按照规则，逻辑右移时所有位都参与右移，最高位补0；算术右移时最高位为符号位，右移时补符号位。根据这些规则，得到的结果分别是：

  • 逻辑右移 1 位：0110 1100
  • 算术右移 1 位：1110 1100

因此，正确答案是 B。

16. 减法指令

  • 功能描述：执行减法操作，生成进位/借位标志 CF 和溢出标志 OF。
  • 指令示例：sub R1, R2, R3
  • 功能实现：(R1) - (R2) → R3
  • 指令执行结果分析：
    • 寄存器值：(R1) = FFFF FFFFH，(R2) = FFFF FFF0H
    • 结果分析：CF 和 OF 的值为（）
    • 答案解析：通过补码运算判断 CF 和 OF 的值为多少。

  1. 进位标志 (CF): 进位标志是处理器标志寄存器中的一位，用于标识在无符号数加法或减法运算中是否发生了进位。当进行加法操作时，如果最高位产生了进位，进位标志被设置为1；在减法操作中，如果未发生借位，进位标志为1。进位标志在一些算术运算中起到辅助判断的作用。

  2. 溢出标志 (OF): 溢出标志是处理器标志寄存器中的一位，用于标识在有符号数加法或减法运算中是否发生了溢出。当进行有符号数的加法或减法时，如果结果超出了有符号数的表示范围，溢出标志被设置为1。溢出标志在有符号数运算中用于检测结果是否越界。

在这个问题中，给定减法指令“sub R1, R2, R3”，其中(R1) 的值为 FFFF FFFFH，(R2) 的值为 FFFF FFF0H。根据补码减法的规则，进行计算并判断进位标志 (CF) 和溢出标志 (OF)。

  • 结果为 10H，即[-R2]补=00000010H。
  • 进位标志 (CF) 为 0，因为在减法中没有发生借位。
  • 溢出标志 (OF) 为 0，因为在有符号数减法中，发生溢出的条件是同号相减产生异号的结果，而此处为负数相减，结果不越界。

因此，正确答案是 A。

17. C 语言代码执行后的变量值

  • 考察内容：类型转换、数值范围
  • 代码片段：
    unsigned short usi = 65535;
short si = usi;
  • 分析变量 si 的值。

  1. 无符号短整型 (unsigned short): 无符号短整型是 C 语言中的数据类型之一，用于存储正整数。它通常占用 2 字节的存储空间，表示范围从 0 到 65535（2^16 - 1）。无符号短整型不允许存储负数，因此所有的位都用于表示数值。

  2. 短整型 (short): 短整型是 C 语言中的数据类型之一，用于存储整数。通常占用 2 字节的存储空间，可以表示的范围是 -32768 到 32767。在采用补码表示的机器上，最高位用于表示符号位。

在这个问题中，给定的 C 语言代码是 unsigned short usi = 65535;，其中 usi 被赋值为 65535。然后将其转换为有符号短整型 short si。由于 usi 的值是 65535，超过了有符号短整型的表示范围，因此在进行转换时发生了截断。

  • 65535 的二进制表示为 1111 1111 1111 1111。
  • 将其转换为有符号短整型时，采用补码表示，最高位为符号位，由于最高位是1，表示负数，所以 si 的值为 -1。

因此，正确答案是 A。

18. C 语言结构体在内存中的存储分配

  • 结构体描述：struct record { short x1; int x2; } a;
  • 内存地址分配和成员变量存放：首地址、成员变量 x2 的存储地址。

  1. 按字节编址（Byte Addressable）： 表示计算机内存的基本寻址单位是字节。每个字节都有唯一的地址，可以通过这些地址访问和操作存储在内存中的数据。

  2. 小端方式（Little Endian）： 是一种存储多字节数据的方式，其中较低地址存放数据的最低有效字节（LSB），较高地址存放数据的最高有效字节（MSB）。在小端方式中，多字节数据的字节排列顺序是从最低有效字节到最高有效字节。

  3. 按边界对齐（Alignment）： 在计算机体系结构中，为了提高访问速度，数据通常被安排在存储器中的特定地址，使其地址是数据大小的整数倍。这就是所谓的按边界对齐。在结构体或其他数据类型中，成员变量的地址通常按其大小对齐。

在这个问题中，给定了一个结构体 record 包含两个成员变量 x1（short 类型）和 x2（int 类型）。计算机是按字节编址的小端方式，且采用边界对齐。结构体 a 的首地址为 2020 FE00H。

  • x1 是 short 类型，占用 2 字节，按照边界对齐，所以 x1 的地址为 2020 FE00H。
  • x2 是 int 类型，占用 4 字节，按照边界对齐，所以 x2 的地址为 2020 FE02H。

根据小端方式，x2 的机器数为 1234 0000H，其中 34H 位于最低有效字节的位置。因此，34H 所在存储单元的地址为 2020 FE06H。

所以，正确答案是 D。

19. 整数运算与寄存器分配

  • C 语言程序段分析：运算表达式，寄存器分配。
  • 寄存器内容分析：R1、R5 和 R6 的内容分别是多少（用十六进制表示）。
  • 计算变量 m 和 k1 的值（用十进制表示）。
  • 加减法辅助电路的应用和溢出判断原理。

  1. 有符号整数（Signed Integer）： 整数表示中包含正数、负数和零。有符号整数使用一个二进制位作为符号位来表示正负，而其他位表示数值部分。最高位（符号位）为 0 表示正数，为 1 表示负数。

  2. 补码表示法（Two’s Complement）： 补码是一种用于表示有符号整数的二进制编码方式。对于负数，补码是其绝对值的二进制反码加 1。补码解决了在计算机中进行加法和减法时的符号处理问题，使得加法器不需要区分正负数的操作。

  3. 加法器（Adder）： 在计算机中，用于执行加法运算的电路或部件。加法器可以是半加器、全加器等形式，用于在计算机的算术逻辑单元（ALU）中执行整数的加法操作。

  4. 进位标志（Carry Flag，CF）： 在计算机中，进位标志是用于标识加法操作中是否发生进位的标志位。如果两个无符号整数相加的结果超出了可表示的范围，就会发生进位。

  5. 溢出标志（Overflow Flag，OF）： 在计算机中，溢出标志是用于标识有符号整数加法或减法操作是否发生溢出的标志位。溢出指的是计算结果超出了有符号整数的表示范围。

  6. 边界对齐（Alignment）： 在计算机体系结构中，数据在内存中的存储位置是按照特定边界进行对齐的。边界对齐可以提高内存访问的效率，减少存取时间。

  7. 机器数（Machine Number）： 在计算机中，机器数是指用二进制表示的计算机中的数字。它可以是无符号整数、有符号整数、浮点数等。

  8. 进位（Carry）： 在加法运算中，当两个二进制位相加的结果超过了可表示的范围，产生的额外位被称为进位。这个进位被传递到高阶位，影响到更高位的运算。

20. C 语言乘法函数

  • 函数描述：umul 和 imul 分别实现无符号和有符号整数乘法。
  • 计算机指令系统和 ALU 的功能。
  • 实现乘法指令的方法及控制逻辑的作用。
  • 乘法指令对运行时间的影响和结果溢出的判断条件。

  1. ALU（Arithmetic Logic Unit）： 算术逻辑单元，是计算机中执行算术和逻辑运算的部分。ALU包含了用于加法、减法、逻辑与或非等运算的电路。

  2. 控制逻辑（Control Logic）： 控制逻辑是计算机中负责协调和控制各个部件操作的电路或模块。它根据指令和时钟信号来决定何时启动、停止或切换各个功能部件。

  3. 位移器（Shifter）： 位移器是计算机中用于对数据进行位移操作的电路。位移操作可以实现乘法、除法、逻辑移位等功能。

  4. 阵列乘法器（Multiplier Array）： 一种硬件乘法器结构，通过将乘法操作分解成多个加法和位移操作，以阵列的形式并行计算，提高了乘法运算的速度。

  5. 循环代码段（Loop Code Segment）： 在计算机程序中，通过循环结构实现重复执行一段代码的部分。循环代码段可以用于实现乘法运算，通过多次加法和移位操作来模拟乘法。

  6. 带符号整数（Signed Integer）： 表示有正负之分的整数。在计算机中，带符号整数使用最高位作为符号位，其余位表示数值。

  7. 无符号整数（Unsigned Integer）： 表示仅有正数或零的整数。在计算机中，无符号整数的所有位都用于表示数值，没有符号位。

  8. 溢出（Overflow）： 在计算机中，溢出指的是运算结果超出了数据类型所能表示的范围，导致无法正确表示结果的情况。

  9. 时钟周期（Clock Cycle）： 计算机中基本的时钟脉冲的时间周期，用于同步各个部件的操作。时钟周期的长短直接关系到计算机的运行速度。

  10. 64位乘积（64-bit Product）： 在计算机中，表示两个64位整数相乘的结果。64位乘积通常用于保存大范围的整数乘法运算结果。

21. 浮点数加法运算

  • 浮点数描述：X = 2^7 * 29/32，Y = 2^5 * 5/8。
  • 浮点数加法步骤分析。
  • 最终结果的计算和判断溢出条件。

  1. 浮点数（Floating Point Number）： 在计算机中表示实数的一种方式，由阶码和尾数组成，能够表示很大或很小的数字，并提供一定的精度。

  2. 补码表示（Two’s Complement Representation）： 补码是一种用于表示有符号整数的二进制编码方式，通过将正整数的二进制表示取反再加 1，来表示负整数。

  3. 阶码（Exponent）： 浮点数中用于表示指数部分的二进制数码。它决定了浮点数的数量级。

  4. 尾数（Fraction/Mantissa）： 浮点数中用于表示小数部分的二进制数码。尾数决定了浮点数的精度。

  5. 浮点加法（Floating Point Addition）： 浮点数之间的相加运算，涉及对阶、尾数运算、规格化、舍入和判断溢出等步骤。

  6. 规格化（Normalization）： 在浮点运算中，将尾数调整为规定的形式，通常是将尾数的最高位设为1。

  7. 舍入（Rounding）： 浮点运算中，由于尾数位数有限，需要对结果进行舍入以适应浮点数表示的精度。

  8. 溢出（Overflow）： 在浮点运算中，结果超出了浮点数表示范围的情况。溢出需要被检测和处理，以确保计算的正确性。

  9. 符号位（Sign Bit）： 浮点数中用于表示正负的一个二进制位，通常在阶码前。

  10. 位数（Number of Bits）： 在浮点数中，阶码和尾数的二进制位数，决定了浮点数的表示范围和精度。

  11. 右规（Right Normalize）： 将尾数右移以进行规格化的过程，通常是在尾数相加后的操作。

  12. 小阶向大阶看齐（Align to the Smaller Exponent）： 在浮点数加法中，将指数较小的浮点数的尾数向右移位，以使两个浮点数的指数相等。

22. 不同数据类型关系表达式的计算

  • 数据类型转换：int、float 和 double 类型。
  • 关系表达式结果判断。
  • 类型转换对精度的影响和结果的真假判断。

  1. IEEE 754： 一种用于浮点数表示的标准，定义了浮点数的二进制表示、舍入规则等，广泛用于计算机中。

  2. 补码表示（Two’s Complement Representation）： 补码是一种用于表示有符号整数的二进制编码方式，通过将正整数的二进制表示取反再加 1，来表示负整数。

  3. 32 位机器： 表示计算机中整数和指针的位数为 32 位。这决定了计算机的寻址范围和数据表示精度。

  4. IEEE 754 单精度浮点数： 单精度浮点数格式，使用 32 位表示，其中包括符号位、8 位指数位和 23 位尾数位，用于表示浮点数。

  5. IEEE 754 双精度浮点数： 双精度浮点数格式，使用 64 位表示，其中包括符号位、11 位指数位和 52 位尾数位，用于表示双精度浮点数。

  6. 强制类型转换： 在编程中，将一种数据类型转换为另一种数据类型的操作。在此题中，涉及将整数转换为浮点数，以及浮点数的单精度和双精度之间的转换。

  7. 32 位整数（32-bit integer）： 使用 32 位表示的整数，范围为 -2^31 到 2^31 - 1。

  8. 阶码（Exponent）： 在浮点数中用于表示指数部分的二进制数码。它决定了浮点数的数量级。

  9. 尾数（Fraction/Mantissa）： 在浮点数中用于表示小数部分的二进制数码。尾数决定了浮点数的精度。

  10. 强制类型转换规则： 在计算机中，进行不同数据类型之间的转换时，存在一定的规则，例如舍入、溢出等。这些规则在强制类型转换过程中非常重要。

  11. 浮点数运算： 在计算机中进行浮点数的加、减、乘、除等运算。这涉及到对阶、尾数运算、规格化、舍入和判断溢出等步骤。

23. IEEE 754 单精度浮点数表示

  • 浮点数 x 的表示和转换。
  • FR1 寄存器的内容分析：IEEE 754 标准表示浮点数的方法。

  1. IEEE 754 单精度格式： IEEE 754 标准定义的一种浮点数表示格式，使用 32 位二进制来表示一个浮点数。包括 1 位符号位、8 位阶码（指数部分）和 23 位尾数（小数部分）。

  2. 编译器将 float 型变量 x 分配在一个 32 位浮点寄存器 FR1 中： 意味着变量 x 在内存中以 IEEE 754 单精度格式存储，占用一个 32 位的寄存器 FR1。

  3. x = -8.25： 变量 x 的值为 -8.25。

  4. IEEE 754 单精度浮点数表示： 将浮点数转换为 IEEE 754 单精度格式，包括数符、阶码和尾数。

  5. FR1 的内容： 寄存器 FR1 中存储的二进制内容，即 IEEE 754 单精度格式的表示。

  6. 选项 A. C104 0000H： 选项 A 中给出的 32 位十六进制表示，表示了 IEEE 754 单精度浮点数的格式。

  7. 选项 B. C242 0000H、C. C184 0000H、D. C1C2 0000H： 其他选项，可能是根据误解或错误计算得出的。

  8. 阶码 E： IEEE 754 中的阶码，用于确定浮点数的指数部分。

  9. 隐藏最高位 1： IEEE 754 单精度浮点数的规定中，尾数的最高位总是隐含为 1，因此实际存储时不需要显式保存这个位。

  10. 偏置值： IEEE 754 中用于表示阶码的值是通过将实际阶码值加上一个偏置值来存储的，以便有符号数也能用无符号整数的方式进行比较。

这道题目考察了对 IEEE 754 单精度浮点数表示的理解，以及在计算寄存器内容时是否正确考虑了浮点数的各个部分。

24. IEEE 754 单精度浮点数最大正整数表示

  • 浮点数的范围和精度。
  • IEEE 754 单精度浮点数的最大整数表示。
  • 最大正整数值的计算和表示范围的说明。

  1. float 类型： 指的是 IEEE 754 单精度浮点数格式，它用于表示单精度浮点数，占用 32 位存储空间。

  2. IEEE 754 单精度浮点数格式： 一种用于表示浮点数的二进制标准，包括符号位、阶码和尾数，其中尾数的最高位通常是隐含的。

  3. 最大正整数表示： 在 IEEE 754 单精度浮点数中，表示最大正整数时，尾数部分将是全 1，因此最大整数是通过尾数部分的最大值来确定的。

  4. 选项 A. 2126-2103、B. 2127-2104、C. 2127-2103、D. 2128-2104： 每个选项都给出了一个范围，表示 float 类型能够表示的最大正整数。

  5. 正确答案： 通过对 IEEE 754 单精度浮点数格式的理解，特别是尾数部分的全 1 表示最大整数，可以得出正确答案为 D. 2128-2104。

  6. 最大整数的计算： 最大整数的计算是通过使尾数部分为 2^23-1，然后乘以对应的 2 的阶码次幂，得到 2^(127-127) × (2^23-1) = 2^104 × (2^23-1)。

这道题目需要对 IEEE 754 单精度浮点数格式的特点有清晰的理解，尤其是尾数部分全 1 表示最大整数。这样的问题可以通过对浮点数格式的结构和规则的熟悉来解决。

25. IEEE 754单精度浮点数表示

  • 浮点数表示法：IEEE 754单精度浮点数格式
  • 转换步骤：将十六进制数转换为二进制，按IEEE 754标准解析为数符、阶码和尾数
  • 计算值：根据阶码和尾数计算浮点数的实际值

  1. IEEE 754 单精度浮点数格式： 一种用于表示浮点数的二进制标准，包括符号位、阶码和尾数，其中尾数的最高位通常是隐含的。

  2. 给定的数值： C640 0000H 是一个 32 位的十六进制数，表示某个采用 IEEE 754 单精度浮点数格式的浮点数。

  3. 解析给定的数值： C640 0000H 转换为二进制格式是 1100 0110 0100 0000 0000 0000 0000 0000。

  4. IEEE 754 浮点数格式： 格式中的第一个位表示符号，接下来的 8 位表示阶码，剩下的 23 位表示尾数。

  5. 计算阶码和尾数： 从给定的二进制格式中提取符号、阶码和尾数。符号位是 1，表示负数。阶码为 1000 1100，尾数为 1.1（隐含位）。

  6. 浮点数的值计算： 将符号、阶码和尾数组合起来，得到的值为 -1.5 × 2^13。

  7. 选项的表示： 选项 A. -1.5 × 2^13 是正确的表示。

这道题目考察对 IEEE 754 单精度浮点数格式的理解以及如何从二进制格式中解析出浮点数的值。熟悉浮点数的存储格式和相应的计算规则对于正确解答此类问题非常重要。

26. 浮点数比较

  • IEEE 754浮点数表示：数符、阶码、尾数
  • 符号和大小比较：通过阶码和尾数大小比较两个浮点数的关系

  1. IEEE 754 单精度浮点数格式： 一种用于表示浮点数的二进制标准，包括符号位、阶码和尾数，其中尾数的最高位通常是隐含的。

  2. 给定的数值： 给定了两个浮点数的十六进制表示，分别是 CC90 0000H 和 B0C0 0000H。

  3. 解析给定的数值： 将两个浮点数的十六进制表示转换为二进制。

  4. IEEE 754 浮点数格式： 二进制格式中的第一个位表示符号，接下来的 8 位表示阶码，剩下的 23 位表示尾数。

  5. 计算阶码和尾数： 从给定的二进制格式中提取符号、阶码和尾数。

    • 对于 CC90 0000H，符号位为 1，阶码为 10011001，尾数为 1.001。
    • 对于 B0C0 0000H，符号位为 1，阶码为 01100001，尾数为 1.1。

  6. 浮点数的大小比较： 通过比较阶码和尾数的值，可以判断两个浮点数的相对大小。

    • 由于符号相同，比较绝对值大小。CC90 0000H 的绝对值比 B0C0 0000H 大。
    • 因此，(f1) 的真值比 (f2) 的真值小，即 x < y。

  7. 符号判断： 由于两个数的符号位都是 1，即负数，因此符号相同。

  8. 综合： 由上述分析，x < y 且符号相同，因此答案是选项 A。

这道题目考察对 IEEE 754 单精度浮点数格式的理解以及如何解析和比较浮点数的大小。熟悉浮点数的存储格式和相应的比较规则对于正确解答此类问题非常关键。

27. 浮点数加减运算

  • 对阶操作：不引起阶码上溢或下溢
  • 右规和尾数舍入：可能引起阶码上溢
  • 左规：可能引起阶码下溢
  • 尾数溢出：结果不一定溢出

  1. 对阶操作： 在浮点数运算中，对阶是将两个浮点数的阶码进行对齐的操作，以便进行加法或减法运算。

  2. 阶码上溢和下溢：

    • 阶码上溢： 在对阶操作中，如果结果阶码超过了浮点数表示范围，就会发生阶码上溢。
    • 阶码下溢： 如果结果阶码小于了浮点数表示范围的下限，就会发生阶码下溢。

  3. 右规和尾数舍入：

    • 右规： 调整浮点数的尾数和阶码，使其符合浮点数的规格。
    • 尾数舍入： 对尾数进行舍入操作，以适应浮点数的表示要求。

  4. 左规： 调整浮点数的阶码和尾数，通常是将尾数左移，可能引起阶码下溢。

  5. 尾数溢出： 尾数溢出发生在尾数的计算结果无法完全表示时，可能导致误差。

根据上述解释，正确的叙述是：

  • I. 对阶操作不会引起阶码上溢或下溢。
  • II. 右规和尾数舍入都可能引起阶码上溢。
  • III. 左规时可能引起阶码下溢。
  • IV. 尾数溢出时结果不一定溢出。

因此，正确答案是选项 D。

28. 最小规格化正数

  • IEEE 754单精度浮点数规格：数符位、阶码位、尾数位
  • 最小规格化正数计算：通过规格化范围计算最小规格化正数的值

  1. IEEE 754 单精度浮点格式：

    • 单精度浮点数采用 32 位表示，分为符号位、阶码位和尾数位。其中，1 位为符号位，8 位为阶码位，23 位为尾数位。

  2. 最小规格化正数的表示：

    • 最小规格化正数是指在浮点数中表示的最小的正数，即尾数部分的最小值，而阶码为最小规格化正数时的阶码。
    • 对于 IEEE 754 单精度浮点数，最小规格化正数的表示形式为[1.0 \times 2^{-126}]。
    • 具体的构成为：符号位为 0（正数），阶码为 1（移码表示），尾数为 0。

  3. 推导过程：

    • 移码的取值范围是 1~254，而我们需要最小规格化正数，因此取最小的移码值为 1。
    • 阶码值为移码 - 127，即 (1 - 127 = -126)。
    • 尾数部分取全 0，因为我们希望得到的是最小规格化正数。

  4. 最终结论：

    • 因此，最小规格化正数的 IEEE 754 单精度浮点表示为[1.0 \times 2^{-126}]。
    • 在提供的选项中，符合最小规格化正数定义的是选项 A，即[1.0 \times 2^{-126}]。

29. 数的表示

  • 带符号整数的补码表示
  • IEEE 754标准下的float型数据表示
  • 数值转换：将机器数转换为对应的float型或int型数值

  1. 符号位：

    • 符号位表示浮点数的正负性，其中 0 表示正数，1 表示负数。

  2. 阶码：

    • 阶码是浮点数中用于表示指数部分的一部分，采用移码表示，即减去一个偏置值。在 IEEE 754 标准中，双精度浮点数的阶码有 11 位。

  3. 尾数：

    • 尾数是浮点数中的小数部分，通常在二进制表示中省略首位的 1。在 IEEE 754 双精度浮点数中，尾数占有 52 位。

  4. 真值：

    • 真值是浮点数表示的实际数值，通过符号位、阶码和尾数计算得出。符号位确定正负，阶码进行指数运算，尾数表示小数部分。

  5. 大小关系：

    • 比较两个浮点数的大小通常涉及符号位、阶码和尾数的比较。在这里，通过比较 X 和 Y 的符号位、阶码和尾数的值，可以确定 X 大于 Y。

30. IEEE 754浮点数表示

  • 数值精确表示：考察哪个数值无法用IEEE 754浮点格式精确表示

  • 排除法：通过分析候选数值，确定无法用有限精度的IEEE 754格式精确表示的值

  • IEEE 754 浮点格式：
    IEEE 754 是一种用于二进制和十进制浮点数表示的标准，定义了浮点数的表示方法、运算规则和异常处理。它包括单精度（32位）和双精度（64位）两种格式，用于在计算机系统中进行浮点数运算。这标准规范了浮点数的符号、指数和尾数的存储方式，以及各种运算操作的规则。

  • 排除法：
    排除法是一种问题解决方法，通过逐一排除错误选项，找到正确答案。在这个上下文中，使用排除法来确定哪个数值不能用 IEEE 754 浮点格式精确表示。通过对每个选项进行分析，排除可以准确表示的选项，最终确定不能精确表示的数值。

  • 无限循环小数：
    无限循环小数是指小数部分的数字在某一位置开始无限重复。在这题中，指出选项 A 的十进制小数 1.2 转换成二进制的结果是无限循环小数 1.001100110011…。这表示无法用有限精度的 IEEE 754 浮点格式精确表示这个数值。

31. 浮点数转换

  • IEEE 754单精度浮点数表示法

  • 数值转换步骤：将给定数值转换为IEEE 754单精度浮点数格式

  • IEEE 754 单精度浮点数：
    IEEE 754 单精度浮点数是一种二进制浮点数表示方法，包含符号位、阶码和尾数，用于在计算机中表示实数。其中，符号位表示正负，阶码指数化浮点数的位置，尾数表示有效数字。

  • 死循环：
    死循环是指程序陷入无限重复执行同一段代码的状态。在这题中，n=0 时，由于 i 和 n 是 unsigned 型，条件“i<=n-1”永真，导致死循环。若将 i 和 n 改为 int 型，则不会出现死循环。

  • 机器数：
    机器数是计算机中用二进制表示的数字，可以是整数或浮点数。在这题中，涉及到整数和浮点数的机器数表示。

  • IEEE 754 浮点数表示的溢出和舍入：
    IEEE 754 浮点数标准规定了浮点数的表示方法，包括溢出和舍入规则。在题中，涉及到 f1(23) 和 f2(23) 的返回值相等，以及 f1(24) 和 f2(24) 的返回值不相等，其中涉及到舍入和溢出的情况。

  • 最大表示范围：
    在计算机中，数据类型有其表示的最大范围。对于整数型数据，最大范围由位数确定；而对于浮点数，IEEE 754 单精度标准规定了阶码和尾数的位数，决定了浮点数能够表示的范围和精度。在这题中，涉及到 f1(n) 和 f2(n) 的最大表示范围的讨论。

  • 无穷大和精确表示：
    IEEE 754 标准用“阶码全 1、尾数全 0”表示无穷大。在题中，涉及到 f2(127) 的机器数为 7F80 0000H，对应的值是+∞。同时，讨论了使 f2(n) 结果不溢出、最大 n 值以及使 f2(n) 结果精确的情况。

第 6 章 指令系统

1. 指令字长度计算

  • 三地址指令和二地址指令的数量关系
  • 操作码位数的计算
  • 指令字长度的最小值
    在这个问题中，有几个专业名词值得解释：

  1. 指令字长（Instruction Word Length）： 指令字长是计算机中指令的二进制表示中的位数。它决定了每一条指令在计算机内存中占用的位数。在这里，问题中涉及的是指令的长度，以位为单位。

  2. 按字节编址（Byte Addressable）： 这是一种计算机内存寻址方式，其中每个内存地址对应一个字节。字节是计算机存储中最小的可寻址单位。

  3. 地址字段（Address Field）： 在指令中，地址字段是用于指定操作数或操作数地址的一部分。在这个问题中，每个地址字段的长度为6位。

  4. 三地址指令和二地址指令： 这是指令集体系结构中的两种指令格式。三地址指令包含三个地址字段，通常用于执行较为复杂的运算，而二地址指令包含两个地址字段，通常用于较为简单的运算。

  5. 操作码（Opcode）： 操作码是指令中用于指定操作类型的一部分，它告诉计算机应该执行什么样的操作。在这个问题中，操作码的位数决定了指令集的大小。

理解这些专业名词有助于理解计算机指令系统的设计和工作原理。

2. 指令集体系结构（ISA）规定

  • 指令字格式和指令类型
  • CPU 的时钟周期
  • 通用寄存器个数和位数
  • 加法器的进位方式
    在这个问题中，有几个涉及指令集体系结构（ISA）规定的概念：

  1. 指令字格式和指令类型（Instruction Word Format and Instruction Types）： 指令集体系结构规定了计算机指令的格式以及支持的指令类型。这决定了程序员可以使用的指令的种类和格式。

  2. 通用寄存器个数和位数（Number and Bit-width of General Registers）： ISA 规定了计算机体系结构中通用寄存器的数量和每个寄存器的位数。这影响了程序的寄存器级并行性和可用寄存器的数量。

  3. CPU 的时钟周期（Clock Cycle of the CPU）： ISA 可以在一定程度上影响CPU的时钟周期，但时钟周期更多地与计算机的硬件实现有关。

  4. 加法器的进位方式（Carry Propagation in the Adder）： 加法器的进位方式是与具体的算术逻辑电路设计相关的硬件实现，不是由ISA规定的。

在这个问题的背景下，正确的答案是B，因为指令字格式和通用寄存器个数和位数是与ISA相关的内容，而CPU的时钟周期和加法器的进位方式是更侧重于计算机硬件设计的方面。

3. 指令系统设计

  • 定长指令字格式设计
  • 操作码扩展编码方式
  • 地址码位数与指令格式
  • 零地址、一地址、二地址指令的数量关系
    在这个问题中，有几个概念值得解释：

  1. 定长指令字格式（Fixed-Length Instruction Word Format）： 这表示所有的指令在存储器中都有相同的长度，即16位。这种格式有助于简化指令的解码和执行。

  2. 扩展编码方式（Extended Encoding）： 这是一种操作码的表示方式，通常用于提高操作码的数量。它允许使用更多的比特来表示更多的不同操作。

  3. 零地址、一地址、二地址格式的指令： 这是指指令中操作数的寻址方式。零地址指令不需要操作数，一地址指令有一个操作数，而二地址指令有两个操作数。

在这个问题的背景下，正确的答案是D，最多有128条零地址指令。这是通过计算剩余的16位指令中，除去一地址指令和二地址指令所占用的空间，剩下的可以用于零地址指令。计算方式为： 2 16 ? 254 × 2 6 ? 12 × 2 6 = 2 10 ? 254 ? 12 × 2 6 = 128 × 2 6 = 128 × 64 = 8192 2^{16} - 254 \times 2^6 - 12 \times 2^6 = 2^{10} - 254 - 12 \times 2^6 = 128 \times 2^6 = 128 \times 64 = 8192 216?254×26?12×26=210?254?12×26=128×26=128×64=8192。

4. 转移指令设计与相对寻址

  • 字长与字节编址
  • 相对寻址方式
  • PC 自动加 1 对转移指令的影响
  • 转移指令的目标地址计算
    在这个问题中，有几个概念需要解释：

  1. 机器字长（Machine Word Length）： 这是指计算机在一次操作中能够处理的位数。在这里，机器字长为16位，即每次操作处理16位的数据。

  2. 主存按字节编址（Byte Addressable Memory）： 这表示主存储器的寻址是以字节为单位的。每个存储单元都有唯一的地址，可以通过地址来读写数据。

  3. 相对寻址（Relative Addressing）： 这是一种寻址方式，其中地址是相对于某个参考点的位移量。在这里，相对位移量字段用于计算目标地址。

  4. PC（Program Counter）： 这是一个寄存器，存储当前正在执行的指令的地址。在每次取指令时，PC会自动增加，指向下一条指令。

在这个问题的背景下，正确的答案是C，目标地址是2008H。这是通过计算相对寻址的公式EA=(PC)+A，其中PC在取指后的值为2002H，相对位移量字段的内容为06H，所以EA=2002H+06H=2008H。在这个过程中，需要考虑PC值在每取一字节时会自动增加。

5. 寻址方式

  • 偏移寻址
  • 间接寻址
  • 基址寻址
  • 相对寻址
  • 变址寻址
    在这个问题中，有几个涉及寻址方式的概念：

  1. 偏移寻址（Offset Addressing）： 这是一种寻址方式，其中某个寄存器的内容与形式地址相加来生成有效地址。这样可以方便地引用存储器中的不同位置。

  2. 间接寻址（Indirect Addressing）： 这是一种寻址方式，其中形式地址中包含了另一个地址，而有效地址是通过访问这个地址得到的。在这里，间接寻址不涉及对寄存器的内容进行偏移。

  3. 基址寻址（Base Addressing）： 这是一种偏移寻址方式，其中偏移量是寄存器的内容，有效地址通过将基址和寄存器内容相加得到。

  4. 相对寻址（Relative Addressing）： 这也是一种偏移寻址方式，其中偏移量是相对于某个参考点的位移量，有效地址通过将相对地址和寄存器内容相加得到。

  5. 变址寻址（Indexed Addressing）： 这同样是一种偏移寻址方式，其中偏移量是寄存器的内容，有效地址通过将变址寄存器的内容与形式地址相加得到。

在这个背景下，正确的答案是A，间接寻址。因为间接寻址不涉及对寄存器的内容进行偏移，而是直接使用形式地址中包含的另一个地址。

6. 标志寄存器与条件转移指令

  • 标志寄存器中的各标志位（CF、ZF、SF、OF）
  • 条件转移指令的转移条件计算
    在这个问题中，有几个标志寄存器的概念和条件转移指令的比较条件：

  1. 标志寄存器： 这是一种专门用于存储处理器状态信息的寄存器。在这里，标志寄存器包含了进位/借位标志 CF、零标志 ZF、符号标志 SF 和溢出标志 OF。

  2. 条件转移指令： 这是一种机器指令，其执行取决于特定条件的成立与否。在这里，bgt指令用于无符号整数的比较，条件是当第一个操作数大于第二个操作数时执行转移。

在这个背景下，正确的答案是C，即CF + ZF = 1。因为bgt指令进行的是无符号整数比较，当第一个操作数A大于第二个操作数B时，A - B 不会产生进位/借位（CF = 0），而结果也不为0（ZF = 0）。所以，CF + ZF = 0 + 1 = 1。其他选项中的 SF 和 OF 都不适用于无符号整数比较。

7. 变址寻址方式

  • 变址寄存器的概念
  • 变址寻址的有效地址计算
    在这个问题中，有几个涉及到计算机体系结构和寻址方式的专业名词：

  1. 变址寄存器（Index Register）： 变址寄存器是计算机中的一种寄存器，通常用于存储一个地址或一个相对地址的偏移量。在这里，变址寄存器 R 的内容为1000H。

  2. 形式地址（Effective Address）： 形式地址是指令中包含的地址，通常是一个相对地址或一个绝对地址。在这里，指令中的形式地址为2000H。

  3. 实际地址（Effective Address）： 实际地址是根据寻址方式计算得到的地址，它是形式地址经过某些计算后的结果。在这里，通过变址寻址的方法，变址寄存器的内容与形式地址相加得到操作数的实际地址为3000H。

  4. 寻址方式（Addressing Mode）： 寻址方式描述了如何计算一个操作数的实际地址。在这里，涉及到了变址寻址方式，其中变址寄存器的内容与形式地址相加。

  5. 操作数（Operand）： 操作数是指令中的数据，它可以是一个源操作数、目的操作数或两者兼有。在这里，我们在计算实际地址后，从内存地址3000H中获取的内容即为操作数4000H。

这些专业名词有助于理解计算机的寻址机制和指令的执行过程。

8. 寄存器寻址与偏移量计算

  • 通用寄存器数量与位数
  • 寄存器寻址方式
  • 偏移量的取值范围计算
    在这个问题中，有几个涉及到计算机体系结构和寻址方式的专业名词：

  1. 通用寄存器（General Register）： 通用寄存器是一种可以存储数据的寄存器，通常用于存储中间结果和临时数据。在这里，计算机有16个通用寄存器。

  2. 定长指令字（Fixed-Length Instruction Word）： 这是指计算机指令中每个指令的长度是固定的。在这里，指令字的长度为32位。

  3. 操作码字段（Opcode Field）： 操作码字段是指令中用于指定操作类型的一部分。在这里，操作码字段包含了8位。

  4. 寄存器直接寻址（Register Direct Addressing）： 这是一种寻址方式，其中操作数的地址直接指向寄存器。在这里，Store指令的源操作数采用寄存器直接寻址。

  5. 基址寻址（Base Addressing）： 这是一种寻址方式，其中操作数的地址通过将一个基址寄存器的内容与一个偏移量相加得到。在这里，Store指令的目的操作数采用基址寻址。

  6. 偏移量（Offset）： 偏移量是在基址寻址中使用的值，通常是一个相对于基址的位移量。

  7. 补码表示（Two’s Complement Representation）： 补码是一种表示有符号整数的方法，其中正数的补码与其原码相同，而负数的补码是对其原码取反再加1。

在这个背景下，正确的答案是A，即-32768～+32767。这是通过计算偏移量可以使用的位数（16位），以及补码表示的取值范围得到的。

9. 指令格式中的寻址方式

  • 变址寻址方式下的操作数有效地址计算
  • 先变址后间址的寻址方式
    在这个问题中，有几个涉及到计算机指令格式和寻址方式的专业名词：

  1. 指令格式（Instruction Format）： 指令格式是指一条机器指令在存储器中的二进制表示的结构。在这里，给出了一种指令的格式，包括寻址方式M、变址寄存器编号I和形式地址D。

  2. 寻址方式（Addressing Mode）： 寻址方式描述了如何计算一个操作数的实际地址。在这里，涉及到了变址寻址和间址寻址两种寻址方式。

  3. 变址寻址（Indexed Addressing）： 这是一种寻址方式，其中一个寄存器的内容与形式地址相加，从而生成实际地址。在这里，变址寻址的形式为(I)+D。

  4. 间址寻址（Indirect Addressing）： 这是一种寻址方式，其中形式地址中包含了另一个地址，而有效地址是通过访问这个地址得到的。在这里，指令的形式地址为(D)。

  5. 有效地址（Effective Address）： 有效地址是计算得到的一个操作数的实际地址，是在寻址方式中通过某种计算得到的。

在这个背景下，正确的答案是C，即((I)+D)。因为采用了先变址后间址的寻址方式，所以有效地址等于变址寄存器I的内容与形式地址D的和，即((I)+D)。

10. 数组元素访问的最适寻址方式

  • 相对寻址、寄存器寻址、直接寻址、变址寻址的比较
  • 最适合按下标顺序访问一维数组元素的寻址方式
    在这个问题中，有几个涉及到寻址方式的专业名词：

  1. 相对寻址（Relative Addressing）： 这是一种寻址方式，其中地址是相对于某个参考点的位移量。在这里，相对寻址以PC为基地址，以指令中的地址为偏移量来确定有效地址。

  2. 寄存器寻址（Register Addressing）： 这是一种寻址方式，其中操作数的地址直接指向寄存器。在这里，寄存器寻址在指令中指出需要使用的寄存器。

  3. 直接寻址（Direct Addressing）： 这是一种寻址方式，其中指令的地址字段直接指出操作数的有效地址。

  4. 变址寻址（Indexed Addressing）： 这是一种寻址方式，其中一个寄存器的内容与形式地址相加，从而生成实际地址。在这里，变址寻址适合按下标顺序访问一维数组元素，因为可以通过不断增加变址寄存器的值来顺序访问数组的各个元素。

在这个背景下，正确的答案是D，即变址寻址。因为在按下标顺序访问一维数组元素时，变址寻址允许通过递增变址寄存器的值来定位数组中的各个元素，效率较高。

11. 变址寻址与数组访问

  • 变址寻址方式的机器数计算
  • 变址值与数组下标的关系
    在这个问题中，有几个涉及到计算机寻址和数组访问的专业名词：

  1. 按字节编址（Byte Addressing）： 这是一种内存编址方式，其中每个地址单元都对应一个字节。在这里，计算机按字节编址，即每个地址单元对应一个字节。

  2. double型数组（Double Type Array）： 这是一种数组，其中每个元素的数据类型为double（双精度浮点数）。

  3. 首地址（Base Address）： 这是数组在内存中的起始地址。在这里，double型数组A的首地址为2000H。

  4. 变址寻址（Indexed Addressing）： 这是一种寻址方式，其中一个寄存器的内容与形式地址相加，从而生成实际地址。在这里，使用变址寻址来访问数组A的元素。

  5. sizeof()： 这是一个运算符，用于返回数据类型或对象的大小（以字节为单位）。在这里，sizeof(double)返回double类型的大小，通常为8字节。

在这个背景下，正确的答案是B，即32。因为根据变址寻址的公式 E A = ( I X ) + A EA = (IX) + A EA=(IX)+A，其中 A A A是偏移地址， A = 2100 H ? 2000 H = 100 H = 256 A = 2100H - 2000H = 100H = 256 A=2100H?2000H=100H=256， s i z e o f ( d o u b l e ) = 8 sizeof(double) = 8 sizeof(double)=8，所以数组的下标为 256 / 8 = 32 256 / 8 = 32 256/8=32。这表示进入该次循环时，变址寄存器的内容是32。

12. 大端方式编址与操作数地址计算

  • 大端方式的字节存放规则
  • 操作数地址计算的实例
    在这个问题中，有几个涉及到计算机内存编址方式和字节序的专业名词：

  1. 大端方式（Big Endian）： 大端方式是一种字节序排列方式，其中数据的最高有效字节（MSB）存储在最低的内存地址，而最低有效字节（LSB）存储在最高的内存地址。在这里，计算机采用大端方式。

  2. 按字节编址（Byte Addressing）： 这是一种内存编址方式，其中每个地址单元都对应一个字节。在这里，计算机按字节编址。

  3. 基址寻址（Base Addressing）： 这是一种寻址方式，其中操作数的地址通过将一个基址寄存器的内容与一个偏移量相加得到。在这里，操作数采用基址寻址方式，即 E A = ( B R ) + A EA = (BR) + A EA=(BR)+A。

  4. 形式地址（Effective Address）： 形式地址是指令中包含的地址，它需要与基址相加以生成有效地址。在这里，形式地址用补码表示为FF12H。

  5. LSB（Least Significant Byte）： LSB是指数据的最低有效字节，即数据的最右边的字节。

在这个背景下，正确的答案是D，即EFFF FF15H。因为计算机采用大端方式，所以LSB所在的地址是形式地址EFFF FF12H的最高字节的地址，即EFFF FF15H。

13. 定长指令字与寻址方式可寻址范围

  • 指令字格式设计
  • 寻址方式位数计算
  • 直接寻址方式的可寻址范围

在这个问题中，有几个涉及到计算机指令格式和寻址方式的专业名词：

  1. 定长指令字格式（Fixed-Length Instruction Word）： 这是指计算机指令中每个指令的长度是固定的。在这里，指令字的长度为16位。

  2. 操作码字段（Opcode Field）： 操作码字段是指令中用于指定操作类型的一部分。在这里，48条指令需要6位的操作码字段。

  3. 寻址方式（Addressing Mode）： 寻址方式描述了如何计算一个操作数的实际地址。在这里，支持了直接、间接、立即、相对4种寻址方式。

  4. 直接寻址方式（Direct Addressing）： 这是一种寻址方式，其中操作数的地址直接指向存储器中的位置。在这里，问题中讨论了直接寻址方式的可寻址范围。

在这个背景下，正确的答案是A，即0~255。因为48条指令需要6位操作码字段，4种寻址方式需要2位寻址特征位，所以剩下的8位被用作地址码。直接寻址方式的可寻址范围是 0 ? 2 8 ? 1 0~2^8-1 0?28?1，即 0 ? 255 0~255 0?255。需要注意的是，主存地址不能为负。

14. 计算机指令系统

14.1 指令系统概述
  • 指令系统的字长为16位
  • 主存地址空间大小为128KB，按字编址
14.2 指令字段定义
  • 转移指令采用相对寻址方式
  • 寻址方式包括寄存器直接、寄存器间接、寄存器间接自增和相对寻址
14.3 问题回答

  1. 指令系统和寄存器

    • 指令系统最多定义16条指令
    • 8个通用寄存器
    • MAR至少16位，MDR至少16位

  2. 转移指令的目标地址范围

    • 目标地址范围：0000H~FFFFH

  3. 加法操作的机器码和执行过程

    • 机器码：2315H
    • 执行后R5=5679H，存储单元5678H内容变为68ACH

  • 字长（Word Length）： 字长是指计算机中一个字包含的二进制位数。在这里，字长为16位，表示每个字包含16个二进制位。

  • 主存地址空间（Main Memory Address Space）： 主存地址空间是计算机可寻址的内存大小。在这里，主存地址空间大小为128KB，表示计算机可以寻址的内存空间大小为128千字节。

  • 字编址（Word Addressing）： 字编址是指每个地址单元对应一个字的方式。在这里，按字编址表示每个地址单元对应一个16位的字，即两个字节。

  • 单字长指令格式（Single-Word Instruction Format）： 单字长指令格式表示每条指令占用一个字的格式。在这里，指令的长度为16位，即两个字节。

  • 转移指令（Branch Instruction）： 转移指令是一类用于改变程序顺序执行流程的指令。在这里，转移指令采用相对寻址方式，相对偏移量用补码表示。

  • 相对偏移量（Relative Offset）： 相对偏移量是相对寻址方式中的偏移量，通常使用补码表示。在这里，相对偏移量用于计算转移目标地址。

  • 通用寄存器（General Register）： 通用寄存器是计算机中用于存储临时数据的寄存器。在这里，计算机最多有8个通用寄存器，每个寄存器的长度为16位。

  • 存储器地址寄存器（Memory Address Register，MAR）： 存储器地址寄存器用于存储将要访问的内存地址。在这里，MAR至少需要16位，以适应主存地址空间的大小。

  • 存储器数据寄存器（Memory Data Register，MDR）： 存储器数据寄存器用于存储从内存中读取或向内存中写入的数据。在这里，MDR至少需要16位，以适应字长。

  • 机器码（Machine Code）： 机器码是计算机能够直接执行的二进制形式的指令。在这里，汇编语句经过汇编器处理后，生成相应的机器码，用十六进制表示。

  • 十六进制表示（Hexadecimal Representation）： 十六进制是一种数学计数系统，使用0-9和A-F（或a-f）表示16个数字。在这里，机器码用十六进制表示，便于人类阅读和理解。

15. 计算机条件转移指令

15.1 指令格式
  • 16位定长指令字
  • 条件转移指令格式定义
15.2 问题回答

  1. 计算机存储器编址和条件转移

    • 指令系统最多定义2^4=16条指令
    • 转移指令最多跳转127条指令
    • MAR至少20位，指令字长16位

  2. 指令执行和目标地址计算

    • 执行时PC值为1FD4H（CF=0，ZF=0，NF=1）
    • 执行时PC值为200EH（CF=1，ZF=0，NF=0）

  3. 无符号数比较小于或等于时转移的指令

    • C=1, Z=1, N=0

  4. 控制信号和数据通路

    • OP=0, Ms=mova, Md=left

  • 按字节编址或按字编址： 指计算机中存储器单元的编址方式。在这里，指令长度为16位，下一条指令地址为(PC)+2，说明计算机存储器是按字节编址的方式。

  • 相对偏移量（Relative Offset）： 相对偏移量是指转移指令中用于计算目标地址的偏移值，采用补码表示。在这里，偏移量为8位，表示范围为-128到127，用于指定转移的相对位置。

  • 条件转移指令（Conditional Branch Instruction）： 条件转移指令是一种根据特定条件来改变程序执行顺序的指令。在这里，根据标志寄存器中的CF、ZF、NF的状态来决定是否进行转移。

  • PC（Program Counter）： 程序计数器，用于存储当前正在执行的指令的地址。在这里，PC+2表示下一条指令的地址。

  • 偏移量范围： 指相对偏移量的有效范围，即能够跳转的最大和最小条数。在这里，相对偏移量为8位，表示范围为-128到127，所以最多可以跳转127条指令。

  • CF（Carry Flag）、ZF（Zero Flag）、NF（Negative Flag）： 分别代表标志寄存器中的进位/借位标志、零标志和符号标志。在这里，条件转移指令通过检测这些标志来确定是否执行跳转。

  • 机器码（Machine Code）： 机器码是计算机能够直接执行的二进制形式的指令。在这里，条件转移指令的机器码根据不同的标志状态生成不同的跳转地址。

  • 多路选择器（Multiplexer）： 多路选择器用于根据输入的控制信号选择其中的一路输出。在这里，用于根据CF、ZF、NF的状态决定下一条指令的地址。

  • 加法器（Adder）： 加法器用于将两个数相加。在这里，用于将PC+2和2×OFFSET相加，计算跳转目标地址。

  • 移位寄存器（Shift Register）： 移位寄存器用于将寄存器中的位左移或右移。在这里，用于左移一位，实现将相对偏移量乘以2的操作。

16. 计算机指令执行过程控制信号

16.1 指令执行过程
  • 操作码位数和指令定义
  • 机器码对应的功能和操作
16.2 问题回答

  1. 指令系统和操作码位数

    • 最多定义2^4=16条指令
    • inc、shl、sub的机器码分别为0240H、0488H、06EAH

  2. 控制信号和数据通路

    • 移位寄存器和加法器的功能

  • 指令系统（Instruction Set）： 指一台计算机能够执行的所有指令的集合。在这里，指机器支持的所有指令的集合，其大小由操作码的位数决定。

  • 操作码（Opcode）： 用于识别和区分指令的二进制编码。在这里，指指令格式中的7位操作码，用于表示不同的操作。

  • 机器码（Machine Code）： 计算机中能够直接被执行的二进制形式的指令编码。在这里，指不同指令对应的机器码，由操作码和其他字段组成。

  • 寄存器直接和寄存器间接寻址方式： 寄存器直接寻址方式是指指令中的操作数直接来自寄存器的内容，而寄存器间接寻址方式是指指令中的操作数的地址存储在寄存器中。在这里，指机器支持的两种寻址方式，由寻址方式位来区分。

  • 控制信号（Control Signal）： 用于控制计算机中各个部件工作的信号。在这里，指执行指令的过程中涉及的各个部件的控制信号，如输入输出控制信号 Xin、Xout 和存储器控制信号 MEMop。

  • 时钟周期（Clock Cycle）： 计算机中基本的时序单位，指时钟脉冲的一个完整周期。在这里，指指令执行的时间单位，执行阶段所需的时钟周期用于衡量指令执行的速度。

  • 机器时钟周期： 指计算机中用于同步各个部件工作的时钟周期。在这里，指控制指令执行的机器时钟周期，即时序的基本单位。

  • PCout： 表示程序计数器（PC）的输出控制信号。在这里，指PC输出到总线上的控制信号，表示PC的内容送到总线上。

  • 地址总线（Address Bus）： 用于传输地址信息的总线。在这里，指PC输出到总线上的地址信息。

  • 读写操作（Read/Write Operation）： 指存储器的读取和写入操作。在这里，指用于控制存储器读写的MEMop信号。

  • 移位寄存器（Shift Register）： 用于对寄存器中的位进行左移或右移的寄存器。在这里，指在执行指令时用于左移的移位寄存器，执行左移一位的操作。

  • 加法器（Adder）： 用于对两个数进行加法运算的电路。在这里，指在执行指令时用于计算地址相加的加法器。

  • SRout： 表示移位寄存器（Shift Register）的输出控制信号。在这里，指移位寄存器的输出信号。

17. 计算机指令格式和寻址方式

17.1 指令格式
  • 16位定长指令字
  • 操作码和寄存器编号定义
17.2 问题回答

  1. ALU宽度和寻址方式

    • ALU宽度为16位
    • 可寻址主存空间大小为2^20字节
    • MAR有20位，MDR有8位

  2. 操作定义和机器码

    • opl为0010和0011时，分别表示带符号整数减法和乘法
    • 指令01B2H的功能是R[3]←R[1]-R[2]

  3. 符号扩展和无条件转移

    • 地址计算时对imm进行符号扩展
    • 无条件转移可以采用J型格式

  • ALU（Arithmetic Logic Unit）： 算术逻辑单元，是计算机中执行算术运算和逻辑运算的部件，其宽度通常与计算机的字长相同。

  • 系统总线（System Bus）： 在计算机中连接主要组件（如CPU、内存、I/O设备）的一组电子通路，包括地址线、数据线和控制线。

  • 定长指令字（Fixed-Length Instruction Word）： 指令字中每条指令的长度是固定的，不同于变长指令字，这样的设计可以简化指令的解析和执行。

  • 主存（Main Memory）： 也称为内存或RAM（随机存储器），用于存储计算机程序和数据，是CPU能够直接访问的存储器。

  • 操作码（Opcode）： 二进制编码，用于指示计算机中执行的具体操作，每个操作对应一种指令。

  • 通用寄存器（General Register）： 用于存储临时数据和中间结果的寄存器，可以由程序员灵活使用。

  • 移位寄存器（Shift Register）： 用于对寄存器中的位进行左移或右移的寄存器。

  • 机器码（Machine Code）： 机器语言的编码形式，是计算机能够直接执行的二进制指令。

  • 时钟周期（Clock Cycle）： 计算机中最小的操作时间单位，由计算机时钟的一个脉冲所组成。

  • PCout（Program Counter Output）： 表示程序计数器（PC）的输出控制信号，指PC的内容输出到总线上的控制信号。

  • 地址总线（Address Bus）： 传输地址信息的总线，用于指示存储器或I/O设备的位置。

  • 读写操作（Read/Write Operation）： 存储器的读取和写入操作，用于从存储器中读取数据或向存储器中写入数据。

  • 指令寄存器（Instruction Register）： 用于存储当前正在执行的指令，是CPU中的一个寄存器。

  • 主存地址寄存器（Memory Address Register，MAR）： 存储CPU想要访问的主存地址。

  • 主存数据寄存器（Memory Data Register，MDR）： 存储从主存中读取或写入的数据。

  • R型格式、I型格式、J型格式： 指指令的不同格式，其中R型格式主要用于寄存器-寄存器操作，I型格式主要用于带有立即数的操作，J型格式主要用于跳转指令。

  • 机器时钟周期： 用于同步计算机各个部件工作的时钟周期。

  • 不溢出： 在计算中，指计算结果没有越过数据类型表示范围的情况，没有发生数据溢出。

18. 计算机指令执行和数据类型转换

18.1 数据类型转换
  • 源程序中的int转float
  • 机器级代码中的指令执行过程
18.2 问题回答

  1. ALU宽度和主存地址

    • ALU宽度为16位
    • 主存地址为32位

  2. 指令执行过程和数据类型转换

    • 执行指令时，int转float采用的机器码和操作
    • 主存中地址为0x1234的内容存储了浮点数2.5

  • RISC（Reduced Instruction Set Computing）： 精简指令集计算机。RISC架构的计算机采用一小组简单而基本的指令，每条指令完成一个基本操作，使得指令的执行速度更快。

  • CISC（Complex Instruction Set Computing）： 复杂指令集计算机。CISC架构的计算机拥有一组复杂多样的指令，每条指令可以执行多个低级操作，提供更高层次的指令和功能。

  • 虚拟地址（Virtual Address）： 在虚拟存储系统中，由程序产生的地址。虚拟地址需要通过地址映射转换成物理地址，才能在实际的硬件上进行访问。

  • 机器指令（Machine Instruction）： 计算机能够直接执行的二进制指令，包括操作码和操作数等部分。

  • 汇编指令（Assembly Instruction）： 与机器指令一一对应的助记符，用人类可读的符号表示机器指令，方便程序员编写程序。

  • CMP指令（Compare Instruction）： 计算机指令，用于进行比较操作，通常通过减法实现，设置相应的标志位，如进位/借位标志（CF）。

  • CF（Carry Flag）： 进位/借位标志，是计算机处理器中的一个标志寄存器位，用于指示无符号整数运算是否产生了进位。

  • SHL指令（Shift Left）： 左移指令，将二进制数的各位向左移动，相当于进行乘以2的操作。

  • 补码（Two’s Complement）： 一种用于表示有符号整数的二进制数编码方式，是表示负数的一种形式。

  • CF=1： 在计算机处理器中，CF=1表示进位标志为1，通常是由于某种算术操作产生了进位，如无符号整数加法中的进位。

  • 地址计算： 在计算机中，指令执行或数据访问时，计算最终的物理地址的过程，通常包括基地址加上偏移量等步骤。

  • 数据溢出： 在进行算术运算时，结果超出了数据类型所能表示的范围，导致溢出。在整数运算中，可能发生正溢出或负溢出。

  • 字节编址（Byte Addressing）： 计算机内存中每个字节都有唯一的地址，通过这些地址访问内存。字节编址是内存寻址的一种方式。

  • 浮点数（Floating Point Number）： 一种用于表示实数的数值系统，其中小数点位置可以浮动，以适应不同数量级的数值。

  • ALU（Arithmetic Logic Unit）： 算术逻辑单元，是计算机中执行算术运算和逻辑运算的部件。

19. 输入输出系统

19.1 输入输出接口
  • 端口地址和设备连接
  • 输入输出指令和格式
19.2 问题回答

  1. 输入输出接口和设备连接

    • 端口地址范围：0x80~0xFF
    • 设备1连接在0xA0端口，设备2连接在0xB0端口

  2. 输入输出指令和数据传输

    • 输入指令的机器码为0xD0，输出指令的机器码为0xE0
    • 输入指令执行后，数据存储在寄存器R2中

  3. 设备中断和程序处理

    • 设备1中断向量号为0x08，设备2中断向量号为0x09
    • 中断服务程序执行后，PC的值为0x2000

  • 条件转移指令（Conditional Branch Instruction）： 指令根据某个条件的满足与否来决定程序的执行流程，即是否跳转到另一条指令。在给定条件为真时进行转移。

  • 相对寻址方式（Relative Addressing Mode）： 寻址方式的一种，地址是相对于当前指令的地址而言的。相对地址通常是通过将当前地址与一个偏移量相加来计算的。

  • 带符号整数（Signed Integer）： 整数表示中包含正负号的数值，即可以表示正数、零和负数。在计算机中，带符号整数通常用补码表示。

  • 大端（Big Endian）和小端（Little Endian）： 这两种是指多字节数据在内存中存储的方式。大端是将最高有效字节存储在最低内存地址，而小端是将最低有效字节存储在最低内存地址。

  • 溢出标志（Overflow Flag，OF）： 一个处理器标志寄存器位，用于指示有符号整数运算是否发生了溢出。当结果不能适应目标寄存器的有限位数时，就会发生溢出。

  • 自陷指令（Trap Instruction）： 一种指令，它会引起一个异常或中断，将控制传递到异常处理程序。在某些情况下，溢出自陷指令可用于检测和处理溢出。

这些术语涉及了计算机体系结构、汇编语言和底层机器级编程的概念。

20. 存储器层次结构

20.1 存储器层次和访问速度
  • 高速缓存和主存的关系
  • 存储器层次结构的优化

  1. 存储器层次结构和访问速度

    • L1高速缓存的访问速度比主存快
    • 主存的访问时间为200ns，L1高速缓存为20ns

  2. 缓存映射和替换算法

    • 全相联映射的缓存大小为16KB
    • LRU替换算法的工作原理

  3. 虚拟存储器和页面调度

    • 页面大小为4KB，虚拟地址空间为2^32字节
    • 页面调度采用FIFO算法
20.2 问题回答

  1. 虚拟页号：在分页存储管理中，虚拟页号用于标识虚拟内存中的不同页，通常是虚拟地址的高位部分。

  2. 组相联映射方式：一种缓存映射策略，将主存地址分为组，每个组包含多个行，缓存行和主存块的映射是多对一的关系。

  3. Cache 组号：在组相联映射方式中，Cache 组号用于标识不同的组，确定缓存行存放的位置。

  4. 块内地址：在组相联映射方式中，块内地址表示主存块内的偏移量，用于确定缓存行内的具体位置。

  5. 标记信息：在组相联映射中，标记信息是用于标识缓存行和主存块匹配关系的一部分，通常存储在缓存中。

21. 中断和异常处理

21.1 中断和异常的区别
  • 中断的来源和处理流程
  • 异常的触发条件和处理机制
21.2 问题回答

  1. 中断的触发和中断向量

    • 外部设备中断的触发条件
    • 中断向量号为0x10的中断对应的设备

  2. 异常处理和中断服务例程

    • 算术溢出异常的处理流程
    • 中断服务例程执行后的返回指令

  3. 中断控制器和中断屏蔽

    • 可编程中断控制器支持最多8个中断源
    • 中断屏蔽寄存器的设置方式
  • RISC: Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算机的缩写。RISC 是一种计算机体系结构设计的范式，其特点是指令系统中的指令数目相对较少，每条指令的执行时间相对较短。RISC 设计的目标是通过增加通用寄存器、简化指令集等方式来提高指令的执行速度。RISC 处理器通常采用硬布线逻辑，减少对微程序控制的依赖。

22. 系统总线和I/O总线

22.1 系统总线和I/O总线定义

  • 系统总线和I/O总线的功能

  • 总线的传输方式和时序要求

  • 指令流水线: 这是一种计算机执行指令的方式，其中不同的指令在处理器中被划分为若干阶段，每个阶段执行指令的一个部分。这样，多条指令可以同时在不同阶段执行，从而提高指令的执行效率。在流水线中，不同的阶段被设计成互相独立，使得处理器可以同时执行多条指令的不同阶段。指令流水线在合理的设计下，可以显著提高处理器的吞吐量。

  • Load/Store 指令: 这是一种计算机指令集架构中的设计概念。在该架构中，只有 Load（加载）和 Store（存储）指令才能直接访问内存中的数据，而其他运算则需要通过寄存器之间的操作完成。这种设计有利于简化指令的执行流程，对流水线等技术的实现提供了方便。

第 7-9 章 中央处理器

第 7-9 章 中央处理器

1. 寄存器和汇编语言

  • 汇编语言程序员可见的寄存器：程序计数器（PC）
  • 理解汇编语言程序员通过指定地址来设置 PC 的值

1.可见寄存器（Programmer-Visible Registers）

专业名词解释：

  • 可见寄存器： 指在汇编语言程序设计中，程序员可以直接访问和使用的寄存器。这些寄存器通常用于存储关键的程序和控制信息，如指令地址、数据、程序计数器等。程序员可以通过合适的指令或汇编语句来操纵这些寄存器，从而对程序的执行流程和数据操作进行控制。

相关知识：

  • 程序计数器（PC）： 程序计数器是一种可见寄存器，用于存储当前正在执行的指令的地址。程序员可以通过设置程序计数器的值来实现跳转、循环等控制流程的操作。

  • 存储器地址寄存器（MAR）： 存储器地址寄存器是一种不可见寄存器，用于存储将要读取或写入的存储器单元的地址。程序员通常无需直接操作 MAR。

  • 存储器数据寄存器（MDR）： 存储器数据寄存器是一种不可见寄存器，用于存储从内存中读取的数据或将要写入内存的数据。程序员通常无需直接操控 MDR。

  • 指令寄存器（IR）： 指令寄存器是一种不可见寄存器，用于存储当前正在执行的机器指令。程序员无需直接访问 IR，因为它主要由 CPU 内部控制单元使用。

  • 状态寄存器（SR）： 也称为标志寄存器或条件码寄存器，包含一组位，用于存储处理器执行指令后产生的状态信息，例如零标志、进位标志等。程序员可以通过检查或设置状态寄存器的位来判断和影响程序的执行。

在给定的选项中，程序计数器（PC）是一种可见寄存器，因为程序员可以通过汇编语言操作它，而其他的寄存器（MAR、MDR、IR）主要用于 CPU 内部的工作，对程序员来说是不可见的。

2. 指令格式和程序计数器

  • 指令格式与字长关系：程序计数器（PC）和指令寄存器（IR）的位数计算
  • 指令周期和取指周期：了解指令周期和执行周期的概念

  1. 程序计数器（PC）：

    • 程序计数器是一种寄存器，用于存储下一条指令的内存地址。在计算机执行程序时，PC指示将要执行的指令的位置。其位数表示它能够寻址的内存空间的大小。

  2. 指令寄存器（IR）：

    • 指令寄存器是一种寄存器，用于存储当前正在执行的指令。在计算机的指令周期中，指令被从内存中读取到指令寄存器，然后被解码和执行。其位数表示能够存储一条完整指令的长度。

  3. 字长（Word Length）：

    • 字长指的是计算机中一次能够处理的二进制数据的位数。在这个上下文中，字长为32位表示计算机能够一次性处理32位的二进制数据，通常与寄存器和数据总线的宽度相关。

  4. 字边界对齐（Word Alignment）：

    • 字边界对齐是指数据在内存中按照其字长的整数倍地址存储的方式。在这个问题中，指令按字边界对齐存放表示每条指令在内存中的起始地址都是32位字的整数倍。

  5. 地址线（Address Line）：

    • 地址线是计算机中用于传递内存地址信息的电路线。地址线的数量决定了计算机能够寻址的内存大小，通常以2的幂次方来表示。

  6. 访存地址（Memory Address）：

    • 访存地址是指计算机在执行指令时要访问的内存单元的地址。程序计数器（PC）输出的就是下一条指令的访存地址。

  7. 内存字（Memory Word）：

    • 内存字是计算机中最小的可寻址的存储单元，通常由若干位组成。在这个问题中，内存字的宽度是32位，即一个字由32位二进制数据组成。

3. 冯·诺依曼计算机

  • 指令和数据存放在存储器中的二进制形式
  • CPU根据指令周期的不同阶段来区分指令和数据
    冯·诺依曼计算机（Von Neumann Architecture）：
  • 冯·诺依曼计算机是一种计算机体系结构，以数学家约翰·冯·诺伊曼的名字命名。其特点是将存储器和中央处理器分开，指令和数据都以二进制形式存放在同一存储器中。这种体系结构的关键特征包括指令和数据的存储方式、按顺序执行指令、以及使用程序计数器来指示下一条要执行的指令。

指令周期（Instruction Cycle）：

  • 指令周期是计算机中执行一条指令所经历的阶段。典型的指令周期包括取指周期（Fetch）和执行周期（Execute）。在取指周期中，计算机从存储器中取出指令，而在执行周期中，计算机执行该指令。这两个阶段的切换是通过控制电路和时钟信号来实现的。

指令操作码（Opcode）：

  • 指令操作码是指令中用于指示操作类型的一部分，它告诉计算机执行何种操作。在冯·诺依曼计算机中，指令操作码的译码结果用于确定指令的具体操作，例如加法、减法、乘法等。

指令周期的不同阶段：

  • 指令周期的不同阶段指的是在执行一条指令时，计算机经历的不同操作阶段，通常包括取指周期和执行周期。在取指周期中，计算机从存储器中获取指令，而在执行周期中，计算机执行该指令。这两个阶段的划分有助于组织和协调计算机的工作流程。

存储单元（Memory Unit）：

  • 存储单元是计算机中用于存储数据和指令的最小单元。在冯·诺依曼计算机中，指令和数据都以二进制形式存储在存储单元中。存储单元的地址用于唯一标识和访问存储器中的特定内容。

4. 指令执行和中断

  • 空操作指令的执行过程
  • 处于“开中断”状态时，当前程序可能被外部中断打断
    Cache（高速缓存）：
  • Cache是一种高速缓存存储器，用于存储计算机中频繁访问的数据，以提高数据访问速度。Cache技术通常用于减少CPU访问主存的时间，提高指令和数据的获取效率。

指令预取技术：

  • 指令预取技术是一种在执行指令之前预先从内存中获取指令的方法。这有助于减少指令获取的等待时间，提高指令的执行效率。指令预取常与高速缓存一起使用。

开中断状态：

  • 当计算机处于“开中断”状态时，意味着系统允许外部中断影响程序的执行。外部中断可能是由设备或其他程序引起的，会在程序执行的任何时刻中断当前的执行流程。

指令周期（Instruction Cycle）：

  • 指令周期是计算机执行一条指令所经历的阶段，通常包括取指周期（Fetch）和执行周期（Execute）。在取指周期中，计算机从内存中获取指令，而在执行周期中，计算机执行该指令。

时钟周期（Clock Cycle）：

  • 时钟周期是计算机中的最小时间单位，它决定了计算机的基本操作速度。每个指令周期的时间一定大于或等于一个CPU时钟周期。

空操作指令：

  • 空操作指令是一种不执行任何有意义操作的指令，通常用于占位或者在程序中产生延迟。即使是空操作指令，在执行周期中仍可能有一些操作，例如自动更新程序计数器（PC）等。

外部中断：

  • 外部中断是由计算机外部设备或其他程序引起的中断，可以在任何时候中断当前程序的执行。在开中断状态下，当前程序在每条指令执行结束时都可能被外部中断打断。

5. 单周期处理器

  • 单周期处理器特点：每个指令周期为一个时钟周期
  • 单总线结构和控制信号：了解单总线结构和控制信号的作用
    单周期处理器（Single-Cycle Processor）：
  • 单周期处理器是一种计算机处理器结构，其特点是所有指令的执行时间都相等，都为一个时钟周期。每条指令都完成在一个时钟周期内，这种结构简化了控制电路的设计。

单总线结构数据通路：

  • 单总线数据通路是一种数据通路设计，其中所有寄存器的输入和输出都连接在一条公共总线上。在一个时钟周期内，只允许一次操作。这种结构会限制并发操作，可能导致性能瓶颈。

处理器时钟频率：

  • 处理器时钟频率表示处理器每秒钟执行的时钟周期数，通常以赫兹（Hz）为单位。较低的时钟频率可能是由于单周期处理器的特性，其中每条指令的执行时间都为一个时钟周期，而且时钟周期较长。

CPI（Cycles Per Instruction）：

  • CPI是衡量计算机性能的指标之一，表示每条指令执行所需的时钟周期数。在单周期处理器中，每条指令的CPI为1，因为每条指令的执行时间都是一个时钟周期。

控制信号（Control Signals）：

  • 控制信号是由控制单元（CU）根据指令的操作码生成的信号，用于控制数据通路中的各个元素的操作。在单周期处理器中，每条指令的执行时间相等，控制信号在整个指令执行过程中保持不变。

多周期处理器：

  • 多周期处理器是指每条指令的执行时间不同，可能需要多个时钟周期完成。与单周期处理器相比，多周期处理器的设计更复杂，但可以更灵活地利用硬件资源。

6. 数据通路

  • 数据通路的组成：ALU、寄存器等
  • 控制信号的作用：了解控制信号在数据通路中的作用
    数据通路（Data Path）：
  • 数据通路是计算机中执行指令时数据流经的路径，包括各种逻辑元件和寄存器。数据通路中的组合逻辑元件负责执行各种操作，而时序逻辑元件用于存储和维护状态。

ALU（算术逻辑单元）：

  • ALU是数据通路中的组合逻辑元件，负责执行算术和逻辑运算。它可以进行加法、减法、逻辑与或非等操作。

寄存器：

  • 寄存器是数据通路中的时序逻辑元件，用于存储和维护数据。通用寄存器用于存储临时数据，状态寄存器用于保存处理器的状态信息。

异常事件检测及响应的电路：

  • 异常事件检测及响应的电路通常包含在数据通路中，用于检测和响应异常事件，例如除零错误、内存访问错误等。这些电路负责触发相应的异常处理程序。

控制信号：

  • 控制信号由控制部件生成，用于控制数据通路中各个元件的操作。控制信号的产生是根据指令的操作码和执行阶段的需要而确定的。

数据流动路径：

  • 数据通路中的数据流动路径是由控制信号进行控制的。控制信号的变化决定了数据在数据通路中的流动方向和路径，以确保正确执行指令的操作。

在这个上下文中，选项 C 错误，因为数据通路中通常包含用于异常事件检测及响应的电路。

7. 指令执行过程示例

  • 指令执行过程中的各个阶段及控制信号的应用
  • 数据通路的信息流动：MAR、MDR、IR、ALU等的作用
    数据通路（Data Path）：
  • 数据通路是计算机中执行指令时数据流经的路径，包括各种逻辑元件和寄存器。数据通路中的组合逻辑元件负责执行各种操作，而时序逻辑元件用于存储和维护状态。

控制信号（Control Signals）：

  • 控制信号是由控制单元（CU）根据指令的操作码生成的信号，用于控制数据通路中各个元件的操作。控制信号的产生是根据指令的功能和执行阶段的需要而确定的。

字长（Word Length）：

  • 字长指的是计算机中一次能够处理的二进制数据的位数。在这个问题中，字长为16位表示计算机能够一次性处理16位的二进制数据，通常与寄存器和数据总线的宽度相关。

16位定长指令字结构（16-bit Fixed-Length Instruction Word）：

  • 定长指令字结构表示每条指令的长度是固定的，且为16位。在计算机中，指令字结构包含了执行指令所需的所有信息，包括操作码、寄存器地址、立即数等。

时钟周期（Clock Cycle）：

  • 时钟周期是计算机中的最小时间单位，它决定了计算机的基本操作速度。每个指令周期的时间一定大于或等于一个CPU时钟周期。

ALU（算术逻辑单元）：

  • ALU是数据通路中的组合逻辑元件，负责执行算术和逻辑运算。它可以进行加法、减法、逻辑与或非等操作。

MAR（Memory Address Register）：

  • MAR是存储器地址寄存器，用于存储要访问的内存地址。在这个问题中，MAR的输出一直处于使能状态，表示其内容被用作内存地址。

MDR（Memory Data Register）：

  • MDR是存储器数据寄存器，用于存储从内存中读取或写入的数据。在这个问题中，MDR在数据通路中起到了传递数据的作用。

IR（Instruction Register）：

  • IR是指令寄存器，用于存储当前正在执行的指令。在这个问题中，IR用于存储从内存中读取的指令。

PC（Program Counter）：

  • PC是程序计数器，用于存储下一条要执行的指令的地址。在这个问题中，PC的内容在每个时钟周期内会发生变化，表示下一条指令的地址。

8. 数据通路的连线设计

  • 了解数据通路的端点，设计数据通路的连线
  • 理解数据在数据通路中的流动方向

  1. 程序员可见寄存器： 通用寄存器（R0~R3）和程序计数器（PC）是程序员可见的寄存器。采用暂存器T的原因是为了在单总线结构下防止ALU的A、B端口同时获得相同数据，确保数据通路正常工作。

  2. 控制信号位数： ALU操作控制信号ALUop至少需要3位；移位寄存器操作控制信号SRop至少需要2位。

  3. SRout控制： 信号SRout控制一个三态门，用于控制移位寄存器与总线之间数据通路的连接与断开。

  4. 连接到控制部件输出端的端点： ①、②、③、⑤、⑧须连接到控制部件输出端。

  5. 时钟周期和控制信号： 详细的时钟周期（C5到C10）和相应的控制信号以及必要的端点连线已给出。

  6. MUX输入端为2的原因： 每条指令长度为16位，按字节编址，每条指令占用2个内存单元，所以下条指令地址为(PC)+2。因此，MUX的一个输入端是2，方便执行(PC)+2的操作。

9. 微程序控制器和硬布线控制器

  • 微程序控制器特点：灵活、易修改和扩展
  • 硬布线控制器特点：速度快，难修改和扩展

  1. 逻辑表达式： 符号标志 SF 的逻辑表达式为 SF = F15。加法运算时的溢出标志 OF 的逻辑表达式为 (OF = A_{15} \cdot B_{15} \cdot \overline{F_{15}} + \overline{A_{15}} \cdot \overline{B_{15}} \cdot F_{15})，减法运算时的溢出标志 OF 的逻辑表达式为 (OF = A_{15} \cdot \overline{B_{15}} \cdot \overline{F_{15}} + \overline{A_{15}} \cdot B_{15} \cdot F_{15})。

  2. 暂存器 Y 和 Z： 在单总线结构中，由于每一时刻总线上只有一个数据有效，而 ALU 有两个输入端和一个输出端，因此设置暂存器 Y 和 Z 用于在 ALU 运算时缓存输入端和输出端的数据。

  3. 通用寄存器组 GPRs： GPRs 是通用寄存器组，其中 rs 和 rd 分别表示所读、写的通用寄存器的编号。GPRs 最多包含 (2^4 = 16) 个通用寄存器。rs 和 rd 来自指令寄存器 IR，rd 表示寄存器编号，连接地址译码器。

  4. 取指令阶段： 取指令阶段的控制信号序列包括 Pcout、MARin、Read、MDRout、IRin，用于将指令的地址写入 MAR、读主存并将读出的数据写入 MDR、将 MDR 的内容写入指令寄存器 IR。

  5. 控制部件 CU： 控制部件 CU 产生图中的控制信号。指令寄存器 IR 和标志寄存器 FR 的输出信号会连接到控制部件的输入端。

10. 微指令和操作控制字段

  • 操作控制字段的位数计算
  • 字段直接编码法的原理和应用

  1. 微程序控制器： 微程序控制器采用了存储程序的原理，每条机器指令对应一个微程序。它具有灵活性好、指令功能修改和扩展容易的特点，但每条指令的执行都需要访问控制存储器，导致执行速度相对较慢。

  2. 硬布线控制器： 硬布线控制器使用专门的逻辑电路实现，指令的执行速度主要取决于逻辑电路的延迟。相对于微程序控制器，硬布线控制器的执行速度较快，但修改和扩展指令功能较为困难，灵活性相对较差。

11. 微程序控制器设计

  • 指令数和微指令数的关系
  • 断定法和下地址字段：时钟周期和机器主频的概念

  1. 微程序控制方式： 微程序控制方式是一种控制计算机操作的方法，其中每个机器指令对应一个微程序。微程序是由一系列微命令组成的，用于控制计算机的各个部件。这种方式具有灵活性高、易于修改和扩展的特点。

  2. 字段直接编码法： 字段直接编码法是一种微指令的控制方式，其中微命令字段被分成若干小字段。互斥性微命令组合在同一字段中，而相容性微命令则分在不同字段中。每个字段还要留出一个状态，表示本字段不发出任何微命令。这种编码方式有助于组织和管理微命令，提高了微程序的可维护性。

12. 时钟脉冲信号

  • 时钟脉冲信号来源和生成
  • 时钟周期和机器主频的关系
  • 时钟周期基准的确定和流水线CPU中的指令周期

  1. 微程序控制器： 微程序控制器是一种控制计算机操作的方式，其中每个机器指令对应一个微程序。微程序是由一系列微指令组成的，用于控制计算机的各个部件。这种方式具有灵活性高、易于修改和扩展的特点。

  2. 断定法（下地址字段法）： 断定法是微程序控制器中用于确定下一条微指令地址的方法之一。在这种方法中，使用下地址字段来寻址微指令存储器，以确定下一条微指令的地址。在给定的计算机系统中，需要足够的位数来表示下一条微指令的地址，以确保对微指令存储器的准确寻址。

13. 主存储器和控制存储器

  • 主存储器和控制存储器的位置和作用
  • 主存储器用RAM和ROM实现，控制存储器用ROM实现

  1. 主存储器（MM）： 主存储器是计算机中用于存储指令和数据的地方，通常被称为主存。它在CPU外部，通过地址总线和数据总线与CPU进行通信。主存储器由RAM（随机访问存储器）和ROM（只读存储器）等实现。

  2. 控制存储器（CS）： 控制存储器是计算机内部的一种存储器，用于存储实现指令系统的所有微指令。它在CPU内部，用于提供控制信号以指导计算机的各个部件的操作。通常，控制存储器采用ROM实现，是一种只读型存储器。

14. 处理器时钟脉冲信号

  • 了解时钟脉冲信号的来源和整形分频过程
  • 时钟周期、指令周期和机器主频的概念
  • 理解指令执行不总是在每个时钟脉冲信号到来时开始的概念

  1. 时钟周期： 时钟周期是指处理器工作的最小时间单位，通常由时钟脉冲信号的一个完整周期构成。时钟周期的倒数即机器主频，是衡量处理器运行速度的重要指标。时钟周期用于同步和控制处理器内部各个部件的操作。

  2. 机器主频： 机器主频是指处理器时钟脉冲信号的频率，即每秒钟发出的时钟脉冲的次数。机器主频的倒数即时钟周期，用于表示处理器工作的最小时间单位。机器主频是评估处理器性能的一个重要参数。

  3. 流水线技术： 流水线技术是一种将指令执行过程划分为多个阶段，并在不同阶段同时执行不同指令的技术。这有助于提高指令的执行效率，使处理器在同一时刻能够处理多条指令的不同阶段，从而提高整体性能。

  4. 相邻状态单元： 相邻状态单元指的是在流水线中相邻的两个阶段或状态之间的单元。时钟周期以相邻状态单元间组合逻辑电路的最大延迟为基准确定，这有助于保证流水线的正常运行。

15. 指令执行中的部件需求

  • 某指令功能为 R[r2] + R[r1] + M[R[r0]]，两个源操作数采用寄存器和寄存器间接寻址方式。
  • 在取数阶段需用到通用寄存器组（GPRs）和存储器（Memory）。
  • 在执行阶段需用到算术逻辑单元（ALU）。
  • 指令译码器（ID）在取数及执行阶段用不到。

  1. 通用寄存器组（GPRs）： 通用寄存器组是用于存储通用数据的寄存器集合，其中的寄存器可以被程序员用来存储任意类型的数据。在这个上下文中，GPRs指的是存储源操作数和结果的通用寄存器。

  2. 算术逻辑单元（ALU）： 算术逻辑单元是计算机中负责执行算术和逻辑运算的部件。在这个上下文中，ALU用于执行两个源操作数相加的操作。

  3. 存储器（Memory）： 存储器是计算机用于存储数据和指令的地方。在这个上下文中，存储器用于存储寄存器间接寻址的操作数的值。

  4. 指令译码器（ID）： 指令译码器是计算机中用于对指令进行解码的部件，它将操作码字段翻译成对应的控制信号。在这个上下文中，指令译码器主要用于指令的解码，提供执行操作所需的控制信号。

16. 汇编语言程序员可见的寄存器

  • 汇编程序员可见的寄存器包括基址寄存器（Ⅲ）、标志/状态寄存器（Ⅳ）。

  1. 指令寄存器： 指令寄存器是用于存储当前正在执行的机器指令的寄存器。在汇编语言程序员的视角下，它存储当前执行的指令，允许程序员读取和理解当前指令的内容。

  2. 微指令寄存器： 微指令寄存器是用于存储微操作的寄存器，通常用于微程序控制器中。对于汇编语言程序员来说，微指令寄存器是透明的，不可见。它是由硬件设计者用于控制处理器内部微操作的组成部分。

  3. 基址寄存器： 基址寄存器用于实现多道程序设计或者编制浮动程序。通过设置基址，程序员可以改变程序的起始地址，从而使程序可以加载到不同的内存区域执行。

  4. 标志/状态寄存器： 标志/状态寄存器用于存储程序运行的状态和标志位，如零标志、进位标志等。这些标志位可以影响程序的流程控制。在汇编语言程序员的角度，这些寄存器提供了有关程序状态的信息。

  5. 透明： 在这个上下文中，"透明"表示对程序员来说不可见，即程序员无法直接访问或操作的寄存器。微指令寄存器是透明的，因为它是由硬件设计者用于内部微操作控制的组成部分。

17. 内部异常分类及叙述

  • 内部异常分为故障（fault）、陷阱（trap）、终止（abort）。
  • 叙述错误：异常处理后不能返回到发生异常的指令继续执行。
    内部异常： 内部异常是指由 CPU 内部产生的中断，包括故障、陷阱和终止三种类型。这些异常通常与当前执行的指令相关，可以包括非法指令、地址非法、校验错误、页面失效、运算溢出和除数为零等情况。

故障（Fault）： 故障是一种内部异常类型，通常指的是一些可恢复的错误，处理后可以继续执行程序。然而，对于某些故障，可能需要终止程序的执行。

陷阱（Trap）： 陷阱是一种内部异常类型，它通常用于在程序中设置断点或引发软件中断。处理陷阱后，程序可以继续执行。

终止（Abort）： 终止是一种内部异常类型，通常指的是一些无法恢复的错误，处理这类异常可能需要终止整个进程的执行，而不是返回到发生异常的指令。

CPU 内部逻辑： CPU 内部逻辑是处理器内部的电路和逻辑单元，用于执行各种操作，包括指令的解码、执行和异常处理。在内部异常的情况下，CPU 内部逻辑负责检测异常并触发相应的异常处理程序。

18. 中断与异常的区别

  • 中断是来自处理器外部的请求事件。
  • 异常是指令执行过程中在处理器内部发生的特殊事件。
  • 错误叙述：访存时缺页属于中断。
    在这个上下文中，以下是涉及的专业名词的解释：

  1. 中断（Interrupt）： 中断是指处理器接收到来自外部设备或其他处理器部件的异步事件请求时的一种处理机制。中断可以打断正常的程序执行，将控制权转移到相应的中断服务程序，处理完中断后再返回到原程序执行。例子包括I/O结束中断等。

  2. 异常（Exception）： 异常是指在程序执行过程中出现的一些特殊情况，通常是由于程序错误、非法操作或其他问题导致的。异常在处理器内部产生，可以引发一些特殊的事件或中断，如除以零等。

  3. 访存时缺页： 缺页是指在进行内存访问时，所需的页面不在主存中而需要从外存（通常是硬盘）中加载。访存时缺页通常属于异常情况，因为需要操作系统的介入来处理页面的加载。

  4. 整数除以 0 异常： 当程序试图进行整数除法时，如果除数为零，就会引发整数除以零的异常。这是一个典型的异常情况，因为在数学上是未定义的操作。

  5. DMA 传送结束中断： DMA（直接内存访问）是一种允许外设直接访问内存而不经过CPU的技术。DMA传送结束通常属于中断，表示DMA控制器完成了对数据的传输，可以通知CPU或其他部件继续执行。

  6. 存储保护错异常： 存储保护错是指在试图访问受保护的存储区域时引发的异常。这通常是由于访问了未经授权的内存区域而引起的异常情况。

以上是相关术语的简要解释。如果有其他问题或需要进一步解释，请告诉我。

19. 陷阱（Trap）的特性

  • 陷阱是通过陷阱指令预先设定的一类内部中断事件。
  • 可用于程序调试的断点设置和单步跟踪。
  • 陷阱处理完成后返回到陷阱指令的下一条指令执行。
    在这个上下文中，以下是涉及的专业名词的解释：

  1. 自陷（Trap）： 自陷是一种内部异常，通常通过特殊的指令（陷阱指令）来触发。它是一种有意引发的异常情况，可用于实现一些特殊的操作，如程序调试中的断点设置和单步跟踪。执行自陷指令时，CPU会自动调用相应的操作系统内核程序进行执行。自陷处理完成后，CPU返回到陷阱指令的下一条指令执行。

  2. 陷阱指令： 陷阱指令是用于触发自陷的特殊指令。它预先设定了一类内部异常事件，当程序执行到这样的指令时，会引发自陷，导致相应的处理过程。

  3. 程序调试： 程序调试是指在软件开发过程中，通过检查、测试和修改程序，以找出并解决程序中的错误或问题。自陷在程序调试中可以用于设置断点，使得程序在执行到指定位置时暂停，方便程序员进行调试和分析。

以上是相关术语的简要解释。如果有其他问题或需要进一步解释，请告诉我。

20. 异常与中断事件处理

  • 异常事件在当前指令执行过程中检测，中断请求在当前指令执行后检测。
  • 需要回到当前指令重新执行的是页缺失。
    在这个上下文中，以下是涉及的专业名词的解释：

  1. 系统调用： 系统调用是由用户程序请求操作系统提供某些服务或执行某些特权操作的一种机制。当用户程序需要执行操作系统级别的任务时，如文件操作、进程管理等，它可以通过系统调用向操作系统发出请求。

  2. 页缺失： 页缺失是指在虚拟内存系统中，访问的页面不在主存中，需要从辅助存储器（如硬盘）加载到主存的过程。当程序访问一个尚未加载到主存的页面时，会触发页缺失异常。

  3. DMA 传送结束： DMA（直接内存访问）是一种数据传输方式，允许外设直接和主存进行数据传输，而不需要CPU的干预。DMA 传送结束中断是指DMA控制器完成数据传输后发出的中断请求，通知CPU传输已完成。

  4. 打印机缺纸： 打印机缺纸是指打印机在打印过程中发现缺少纸张的情况。这可能触发一个中断请求，通知系统或程序需要采取措施来解决缺纸问题。

在上述选项中，只有 “页缺失” 是在当前指令执行过程中进行检测的，并且处理程序执行后需要回到当前指令重新执行。其他事件，如系统调用、DMA传送结束和打印机缺纸，通常在当前指令执行后进行检测，并且处理后不需要回到当前指令重新执行。

21. 指令流水线 CPU 周期计算

  • 计算机指令流水线，CPU 周期应选择各功能段中最长执行时间，确保功能完成，避免流水线停顿。
    在这个上下文中，以下是涉及的专业名词的解释：

  1. 指令流水线： 指令流水线是一种通过将处理器的执行过程划分为多个阶段来提高指令执行速度的技术。每个阶段执行不同的任务，并且多个指令可以同时处于不同的阶段，以实现指令的并行执行。

  2. CPU周期： CPU周期是执行一条指令所需的时间。在流水线中，CPU周期通常被划分为多个阶段，每个阶段执行指令执行过程的一部分。流水线的性能取决于最长阶段的执行时间。

  3. 功能段： 指令流水线的不同阶段被称为功能段。每个功能段执行指令执行过程中的特定任务。在这个问题中，有四个功能段，其执行时间分别为90ns、80ns、70ns和60ns。

  4. 时钟周期： 时钟周期是CPU执行指令的基本时间单位，通常由计算机的时钟信号来驱动。在流水线中，时钟周期的持续时间应足够长以容纳流水线中最慢的功能段的执行时间。

根据题目中提供的信息，最长的功能段执行时间为90ns，因此CPU周期至少应为90ns。所以，正确答案是A。

22. 指令流水线阻塞因素

  • 数据旁路技术可避免指令流水线阻塞，通过直接传递执行结果，防止流水线停顿，提高效率。
    在这个上下文中，以下是涉及的专业名词的解释：

  1. 指令流水线阻塞： 在指令流水线中，当某个指令的执行受到前后指令的影响而无法按照原计划的时钟周期顺利执行时，就发生了指令流水线阻塞。这可能由于数据相关、控制相关、资源冲突等原因引起。

  2. 数据旁路： 数据旁路技术是一种用于解决数据相关问题的方法。它通过直接将执行结果传递给需要这些数据的指令，而不必等待它们从寄存器中取得数据。这有助于避免由于数据相关而引起的流水线阻塞。

  3. 数据相关： 数据相关是指指令的执行依赖于前一条或前几条指令的结果。如果后续指令需要使用前一条指令的结果，而前一条指令尚未完成执行，就会产生数据相关。

  4. 条件转移： 条件转移是一种指令，它根据特定的条件改变程序的执行顺序。在流水线中，条件转移指令可能由于条件未满足而导致流水线阻塞，等待条件满足后再继续执行。

  5. 资源冲突： 资源冲突是指多条指令竞争使用相同硬件资源的情况，可能导致流水线阻塞。这是结构相关的一种形式。

根据题目，数据旁路技术的引入旨在解决数据相关的问题，使得流水线不会因数据相关而阻塞。因此，答案是A。

23. CPU 流水线吞吐率计算

  • 根据主频、执行指令数和总时钟周期数，计算 CPU 的吞吐率，了解系统性能。
    这是一个关于计算流水线吞吐率的问题。在计算流水线吞吐率时，使用的关键术语包括：

  1. 流水线（Pipeline）： 一种计算机体系结构的设计，通过将指令的执行过程划分为多个阶段，使得每个阶段可以同时执行不同指令的不同阶段，从而提高指令的执行效率。

  2. 指令流水线阶段（Pipeline Stages）： 指令在流水线中执行的各个阶段，每个阶段完成指令执行的一部分工作。在这个问题中，流水线有4个阶段。

  3. 时钟周期（Clock Cycle）： 计算机系统中的一个基本时间单位，由计算机的时钟驱动。在这个问题中，每个流水段的执行需要1个时钟周期。

  4. 主频（Clock Rate）： CPU时钟的频率，通常以赫兹（Hz）为单位，表示每秒时钟周期的数量。在这个问题中，CPU的主频为1.03GHz，即每秒有1.03亿个时钟周期。

  5. 吞吐率（Throughput）： 在计算机体系结构中，吞吐率指的是单位时间内完成的指令数量。在这个问题中，通过计算流水线的吞吐率，我们得到了每秒执行的指令数量。

这些专业名词在计算机体系结构和计算机组成原理领域中常见，用于描述计算机硬件的设计和性能。

24. 五段基本流水线数据冒险

  • 数据冒险是流水线中的数据相关，写后读相关等情况可能导致指令执行顺序变化，需处理。
    这是一个关于无转发机制的五段基本流水线中数据冒险的问题。在解释问题时，需要提取和解释一些专业名词：

  1. 无转发机制（No Forwarding Mechanism）： 指在流水线中，没有机制来直接将计算得到的结果转发给后续的指令使用。这可能导致数据冒险。

  2. 五段基本流水线（Five-stage Basic Pipeline）： 通常指计算机流水线的五个基本阶段，包括取指（Instruction Fetch）、译码/读寄存器（Decode/Register Read）、运算（Execute）、访存（Memory）、写回寄存器（Write Back）。

  3. 数据冒险（Data Hazard）： 也称为数据相关，指在程序执行过程中，存在需要等待前一条指令执行完毕才能执行后一条指令的情况。数据冒险包括读后写相关（RAW，Read After Write）。

  4. 写后读相关（Write After Read Dependency）： 一种数据冒险，指一条指令在写入寄存器后，紧接着另一条指令要从相同寄存器读取数据。

  5. 流水线中的执行情况： 指在流水线的各个阶段，每个指令的执行情况和时钟周期。

在这个问题中，指令I2和I3存在写后读相关，导致数据冒险。I2在时钟5时将结果写入寄存器（R5），但I3在时钟3时读取寄存器（R5）。由于无转发机制，结果变为I3先读R5，I2后写入R5，导致数据冲突。因此，正确的答案是B，即I2和I3。

25. 超标量流水线特性

  • 超标量流水线能在一个时钟周期内同时发射多条指令，通过动态调度技术提高指令执行并行性。
    这是一个关于超标量流水线特性的问题。在解释问题时，需要提取和解释一些专业名词：

  1. 超标量流水线（Superscalar Pipeline）： 一种计算机体系结构设计，其特点是在CPU中有一条以上的流水线，并且每个时钟周期内可以完成一条以上的指令。这允许同时发射多条指令，提高指令执行的并行性。

  2. 流水线功能段的处理时间（Pipeline Stage Processing Time）： 指流水线中每个阶段（功能段）所需的时间。

  3. 发射（Issue）： 指将一条指令从流水线的某个阶段送入下一个阶段，使其开始执行的过程。

  4. 动态调度技术（Dynamic Scheduling）： 一种技术，允许指令在运行时根据可用的执行单元和数据依赖性进行动态调度，以提高指令的执行并行性。

在这个问题中，正确的叙述是II和III。超标量流水线能够在一个时钟周期内同时发射多条指令（II），并且结合动态调度技术可以提高指令执行的并行性（III）。另外，叙述I是错误的，因为超标量流水线不影响流水线功能段的处理时间。因此，正确的答案是C，即仅Ⅱ、Ⅲ。

26. 指令流水线数据通路

  • 数据通路包括 ALU、寄存器组等，由组合逻辑电路和时序逻辑电路组合而成，控制部件生成控制信号。

  1. 指令流水线（Instruction Pipeline）： 一种计算机体系结构设计，将指令执行过程划分为多个阶段，以便同时处理多条指令。

  2. 数据通路（Data Path）： 数据在功能部件之间传送的路径，包括流经的部件，如程序计数器、ALU、通用寄存器、状态寄存器、异常和中断处理逻辑等。

  3. 控制部件（Control Unit）： 指令流水线中的一部分，负责生成控制信号，以便有效地控制数据通路上的各个部件。

  4. 算术逻辑运算部件（ALU，Arithmetic Logic Unit）： 负责执行算术和逻辑运算的部件。

  5. 组合逻辑电路和时序逻辑电路： 分别指在数字电路中使用的两种基本类型的逻辑电路，组合逻辑电路的输出仅依赖于当前输入，而时序逻辑电路的输出还依赖于过去的输入。

27. 指令流水线和时钟周期的问题

  1. 指令流水线（Instruction Pipeline）： 一种计算机体系结构设计，通过将指令执行划分为多个阶段，实现多条指令的并行处理。

  2. 流水段寄存器延时（Pipeline Register Delay）： 在指令流水线中，相邻流水段之间的寄存器引入的延时，用于同步和隔离不同阶段的指令。

  3. 功能部件 A~E： 指在计算机中执行最复杂指令所需的五个子功能部件，每个部件分别执行不同的任务。

  4. CPU 时钟周期（Clock Cycle）： 计算机系统中的一个基本时间单位，由计算机的时钟驱动。流水线的每个阶段通常对应一个时钟周期。

在这个问题中，每个流水段的时间由最大部件时间决定，即80ps。另外，每个流水段之间有寄存器延时，即20ps。因此，CPU时钟周期至少是80ps（最大部件时间） + 20ps（寄存器延时） = 100ps。所以，正确的答案是D，即100ps。

28. 流水线中数据冒险的问题

  1. 数据冒险（Data Hazard）： 指在程序执行过程中，存在需要等待前一条指令执行完毕才能执行后一条指令的情况。数据冒险包括读后写相关（RAW，Read After Write）。

  2. 取指、译码/取数、执行、访存、写回： 五段流水线中的各个阶段，表示指令在执行过程中的不同阶段。

  3. 流水线执行图： 描绘了指令在流水线中执行的过程，包括每个阶段的时间点。

在这个问题中，要判断是否存在数据冒险，需要查看每一对指令之间是否存在读后写相关。根据流水线执行图，可以看出：

  • I1和I3之间存在写后读相关（s2的写入和s2的读取）。
  • I2和I3之间也存在写后读相关（s3的写入和s2的读取）。
  • I3和I4之间存在写后读相关（s2的写入和s2的读取）。

唯一不存在数据冒险的是I2和I4，因为它们之间没有读写相同寄存器的情况。因此，正确的答案是C，即I2和I4。

29. 不同处理器类型和CPI的问题

  1. CPI（Clocks Per Instruction）： 表示执行指令所需的时钟周期数。对于一个程序或一台机器来说，其CPI是指执行该程序或机器指令集中的所有指令所需的平均时钟周期数。

  2. 单周期 CPU（Single-Cycle CPU）： 一种处理器类型，每条指令在一个时钟周期内完成执行。对于单周期CPU，CPI为1。

  3. 多周期 CPU（Multi-Cycle CPU）： 一种处理器类型，CPU的执行过程分成几个阶段，每个阶段用一个时钟周期完成。每种指令所用的时钟周期数可以不同，因此CPI通常大于1。

  4. 基本流水线 CPU（Basic Pipeline CPU）： 一种处理器类型，每个时钟周期内流水线中的一个阶段完成一条指令的执行。对于理想情况下的基本流水线CPU，CPI为1。

  5. 超标量流水线 CPU（Superscalar Pipeline CPU）： 一种处理器类型，每个时钟周期内并发执行多条独立的指令。对于超标量流水线CPU，CPI通常小于1。

30. *SHR指令

1）SHR指令： SHR是算数右移指令，表示对寄存器中的二进制数进行右移操作。在这个问题中，执行“SHR R1”指令后，寄存器R1中的内容右移1位。

2）时钟周期： 在计算机体系结构中，时钟周期是指计算机系统中时钟信号的一个完整周期。每个时钟周期通常对应一个基本的操作，例如取指、执行、写回等。在这个问题中，时钟周期是流水线中的基本时间单位。

3）数据相关： 数据相关是指在程序执行中，存在指令之间对共享数据的依赖关系，导致需要等待前一条指令完成对数据的操作后，后一条指令才能执行的情况。

4）流水线： 流水线是一种计算机指令执行的方式，将指令的执行过程划分为多个阶段，并允许多个指令同时在不同阶段执行。这可以提高指令执行的效率。

5）阻塞： 在流水线中，阻塞指的是某个阶段由于等待前一阶段的执行结果而暂时停止执行的状态。

6）取指、译码/读寄存器、执行/计算有效地址、访问存储器、结果写回寄存器： 这是一个典型的五段流水线的划分，用于表示指令执行过程中的不同阶段，包括取指、译码/读寄存器、执行/计算有效地址、访问存储器和结果写回寄存器。

7）转发技术： 转发技术是一种在流水线中处理数据相关的方法，通过将计算得到的结果直接转发给需要使用该结果的指令，避免了等待寄存器写回的时间，提高了流水线的效率。

8）无符号整数： 在计算机中，无符号整数是一种不带符号位的整数表示方法，表示非负整数。在这个问题中，涉及到了有符号整数和无符号整数的区别。

31. 存储器编址单位

  1. 存储器编址单位： 存储器编址单位是指计算机在访问存储器时的最小单元。在这个问题中，计算机M的存储器编址单位是字节。

  2. sll指令： sll是指令集体系结构中的一种指令，用于实现逻辑左移操作。在这个问题中，sll指令用于左移寄存器中的值。

  3. bne指令： bne是指令集中的分支指令，表示"branch not equal"，用于条件跳转。在这个问题中，bne指令用于循环控制。

  4. OFFSET字段： OFFSET字段是指令中用于表示跳转目标地址偏移量的部分。在这个问题中，分析bne指令的OFFSET字段可以推断出跳转目标地址的计算方式。

  5. 流水线阻塞： 流水线阻塞是指在流水线执行过程中，由于数据相关或其他原因导致某个阶段无法继续执行，从而影响整个流水线的执行。在这个问题中，涉及到数据相关导致的流水线阻塞。

  6. 控制冒险： 控制冒险是指在流水线执行过程中，由于分支指令的条件判断结果未知，导致流水线的控制流发生改变，从而影响后续指令的执行。在这个问题中，涉及到bne指令的控制冒险。

  7. 按序发射、按序完成： 按序发射、按序完成是流水线的一种基本执行方式，表示指令按照程序顺序依次进入流水线，并且按照程序顺序依次完成执行。在这个问题中，涉及到五级指令流水线的执行方式。

32. 页式虚拟存储管理

  1. 页式虚拟存储管理： 页式虚拟存储管理是一种虚拟内存管理方式，将主存和辅存划分为固定大小的页或框，将程序和数据划分为相同大小的页或框，实现了按需调入和调出，提高了内存利用率。

  2. Cache： Cache是一种高速缓存存储器，用于存储最近访问的数据和指令，以提高访问速度。在这个问题中，指令Cache和数据Cache是分离的，涉及了Cache的容量和命中率的概念。

  3. Cache缺失： Cache缺失是指在访问Cache时未找到所需的数据或指令，需要从主存中加载数据或指令到Cache。在这个问题中，指令Cache的缺失会在程序开始执行时发生一次。

  4. 命中率： Cache的命中率是指在访问Cache时成功找到所需数据或指令的概率。在这个问题中，计算了指令Cache的命中率。

  5. 溢出异常： 溢出异常是指在进行数学运算时，结果超过了数据类型所能表示的范围，导致溢出。在这个问题中，涉及了可能发生溢出异常的指令。

  6. 缺页异常： 缺页异常是指访问的页面不在主存中，需要从辅存加载页面到主存的情况。在这个问题中，指令3可能产生缺页异常，因为数组A在磁盘的一页上，一开始并未调入主存。

  7. TLB（Translation Lookaside Buffer）： TLB是一种高速缓存，用于存储虚拟地址到物理地址的映射关系，加速虚拟地址的转换过程。在这个问题中，涉及了TLB的访问次数的计算。

33. 并行处理技术的相关概念：

  1. MIMD 结构： MIMD（Multiple Instruction stream, Multiple Data stream）结构是指多指令流多数据流的并行处理结构。多核处理器属于MIMD结构，因为每个核心可以执行不同的指令流。

  2. SIMD 结构： SIMD（Single Instruction stream, Multiple Data stream）结构是指单指令流多数据流的并行处理结构。向量处理器属于SIMD结构，因为它可以同时对多个数据执行相同的操作。

  3. 硬件多线程技术： 硬件多线程技术允许在一个核心中同时执行多个线程。与选项C相反，硬件多线程技术不仅可以用于多核处理器，还可以用于单核处理器，因为它的目标是在一个核心内并发执行多个线程，以充分利用资源。

  4. SMP 结构： SMP（Symmetric Multiprocessing）是一种多处理器体系结构，其中所有处理器共享单一物理地址空间。这种结构允许任何处理器访问内存中的任何位置。所以，选项D是正确的。

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