简答题1-10

1、说明计算机系统的层次结构。

答:计算机系统的层次结构指的是计算机系统由硬件和软件两大部分所构成，并且这两大部分可以按照功能进一步细分为多个层次。这些层次从底层到高层逐渐抽象，每一层都为上一层提供服务和支持。

具体层次:

1. 微程序机器级（微程序级）
2. 传统机器级（机器语言级）
3. 操作系统级
4. 汇编语言级
5. 高级语言级
6. 应用语言级

2、在计算机中实现浮点数加减运算，一般需要哪几个步骤？

答:计算机中实现浮点数的加减运算需要经过对阶、尾数运算、规格化、舍入和溢出判断五个步骤。这些步骤共同确保了浮点数运算的准确性和可靠性。

3、在计算机中实现浮点数乘除运算，一般需要哪几个步骤？

答:在计算机中实现浮点数乘除运算，一般需要经过以下四个步骤：

1.操作数检查

2.阶码加/减操作

3.尾数乘/除操作

4.结果规格化及舍入处理

4、主存和Cache有哪三种基本映射方式？直接映射方式的主要优缺点是什么？

答:主存（主存储器）和Cache（高速缓冲存储器）之间的基本映射方式主要有三种：直接映射方式、全相联映射方式和组相联映射方式。

直接映射方式的主要优缺点

优点：

1. 硬件简单：直接映射方式所需的硬件电路相对简单，容易实现。
2. 成本低：由于硬件电路简单，因此实现成本也相对较低。
3. 容易实现：映射关系明确，便于设计和实现。

缺点：

1. 灵活性差：每个主存块只能映射到Cache中的唯一一行，这可能导致Cache的利用率不高。
2. 命中率低：当多个主存块映射到Cache的同一行时，会发生冲突，导致Cache的命中率下降。
3. Cache得不到充分利用：由于映射关系的限制，Cache的存储空间可能无法得到充分的利用。

5、简述主存与Cache之间的映射方式。

答:主存（主存储器）与Cache（高速缓冲存储器）之间的映射方式主要有三种：直接映射、全相联映射和组相联映射。

一、直接映射（Direct Mapping）

定义：

在直接映射中，主存被划分为若干个与Cache行大小相等的块（也称为页或扇区），而Cache也被划分为若干行。每个主存块只能映射到Cache中的一个特定行，映射关系通常是固定的，由主存块的地址和Cache的行数通过某种函数（如取模运算）来确定。

特点：

• 硬件简单：由于映射关系固定且简单，因此硬件实现起来较为容易。
• 成本低：由于硬件电路相对简单，所以成本也相对较低。
• 灵活性差：每个主存块只能映射到Cache中的一个特定行，这可能导致Cache的利用率不高，特别是在主存块频繁冲突时。
• 命中率低：当多个主存块映射到Cache的同一行时，会发生冲突，导致Cache的命中率下降。

二、全相联映射（Fully Associative Mapping）

定义：

在全相联映射中，主存中的任意一个块都可以映射到Cache中的任意一个行。这种映射方式提供了最大的灵活性，因为Cache可以充分利用其所有行来存储主存中的任何块。

特点：

• 灵活性高：主存中的任何一块都可以存储到Cache中的任何一行。
• 命中率高：由于映射关系灵活，Cache可以更好地利用空间，从而提高命中率。
• 实现成本高：由于需要复杂的地址比较电路来查找Cache中是否存在所需的主存块，因此实现成本较高。
• 访问速度可能受影响：由于需要遍历Cache中的所有行来查找匹配的主存块，因此访问速度可能受到一定影响。

三、组相联映射（Set Associative Mapping）

定义：

组相联映射是直接映射和全相联映射的折中方案。在这种映射方式中，Cache被划分为多个组（也称为集合或簇），每个组包含多个行。主存中的一个块可以映射到Cache中某个组的任意一个行，但不同组的行映射到不同的主存块群。

特点：

• 适中的灵活性和成本：组相联映射既保留了直接映射的硬件简单性，又提高了全相联映射的灵活性。
• 较高的命中率：由于每个组内的行可以灵活映射到不同的主存块，因此Cache的利用率和命中率都较高。
• 易于实现和管理：组相联映射的硬件电路相对复杂程度适中，且管理和维护起来也较为方便。

6、在设计指令系统时，通常从哪4个方面考虑？

答:1. 完备性2. 高效性3. 规整性4. 兼容性

7、指令和数据均存放在内存中，计算机如何从时间和空间上区分它们是指令还是数据？

答:从时间角度区分:

       计算机在执行程序时，会按照时间顺序依次从内存中取出指令和数据。具体来说，在取指周期（或取指微程序），CPU从内存中取出的是指令，这些指令被送到控制单元（CU）进行解码，以确定计算机接下来应该执行什么操作。而在执行周期（或相应微程序），CPU则根据指令的需要从内存中取出数据或向内存中写入数据。因此，通过不同的时间段（取指周期和执行周期），计算机能够区分出当前从内存中取出的是指令还是数据。

从空间角度区分:

       除了时间上的区分，计算机还通过空间上的不同路径来区分指令和数据。具体来说，当CPU从内存中取出指令时，这些指令会被送到控制单元（CU），而不是直接送到运算单元（ALU）或寄存器。控制单元负责解码指令，并生成相应的控制信号来控制计算机的其他部件执行相应的操作。相反，当CPU需要执行指令所指定的数据操作时，它会从内存中取出数据，并将这些数据送到运算单元（ALU）或寄存器中进行处理。因此，通过指令和数据在内存与CPU之间传输的不同路径，计算机能够区分出它们是指令还是数据。

8、什么是RISC？RISC指令系统的特点是什么？

答:RISC，即精简指令集计算机（Reduced Instruction Set Computer），是一种执行较少类型计算机指令的微处理器。它起源于80年代的MIPS主机，是相对于复杂指令集计算机（CISC）而言的。RISC技术致力于通过减少指令数量和简化处理器结构来提高计算机的执行速度和效率。

RISC指令系统的特点主要体现在以下几个方面：

1. 精简指令集
2. 指令长度固定、格式种类少
3. 寻址方式简单
4. 只有LOAD/STORE指令访存
5. CPU中有多个通用寄存器
6. 采用流水线技术
7. 控制器采用组合逻辑控制
8. 采用优化的编译程序

9、什么是指令周期？什么是机器周期？什么是时钟周期？三者之间的关系如何？

答:指令周期是计算机执行一条指令所经历的一系列操作的时间间隔。它是计算机中最基本的时间单位之一，影响着计算机的性能。指令周期从取指令开始，经过指令的译码、执行以及可能的结果存储等阶段，直到该指令执行完毕为止。
       机器周期也称为CPU周期，是计算机中用于完成一个基本操作的时间单位。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（如取指、译码、执行等），每一阶段完成一个基本操作，这个基本操作所需的时间就称为一个机器周期。
       时钟周期也称为振荡周期，是计算机中最基本的、最小的时间单位。它定义为时钟频率的倒数，即每秒钟内时钟脉冲的个数。在一个时钟周期内，CPU仅完成一个最基本的动作。

三者之间的关系

• 指令周期由多个机器周期组成
• 机器周期由多个时钟周期组成
• 时钟周期是最基本的时间单位

10、在寄存器—寄存器型，寄存器—存储器型和存储器—存储器型三类指令中，哪类指令的执行时间最长？哪类指令的执行时间最短？为什么？

答:存储器—存储器型（M-M）指令的执行时间最长。这是因为在这类指令中，两个操作数都位于存储器中。在执行这类指令时，CPU需要先从存储器中读取第一个操作数，执行相应的操作后，可能还需要将结果写回存储器。由于访问存储器的速度远低于访问寄存器的速度，因此这类指令的执行时间最长。

寄存器—寄存器型（R-R）指令的执行时间最短。这类指令的两个操作数都位于寄存器中。寄存器是CPU内部的高速存储单元，其访问速度远快于存储器。因此，当CPU执行这类指令时，可以迅速地从寄存器中读取操作数，执行相应的操作，并将结果写回寄存器，从而大大缩短了指令的执行时间。

 结语 

唯有经历破茧之痛

方能展翅翱翔于天际 

!!!