2024年计算机组成原理考研真题与典型题详解.pdf

第1章　计算机系统概述 1.1　知识要点总结一、计算机发展历程，层次结构 1计算机发展历程 （1）从计算机问世到现在，计算机一共发展了四代。 第一代为电子管计算机，采用电子管作为逻辑元件，使用机器语言编程，主存用延迟线或磁鼓，运行速度慢，每秒几千到几万次。 第二代为晶体管计算机，采用晶体管作为逻辑元件，开始出现高级程序语言，并且出现了操作系统的萌芽，主存使用磁芯存储器，速度提升到每秒几万到几十万次。 第三代为中小规模集成电路，采用中小规模集成电路作为逻辑元件，高级语言发展迅速，出现分时操作系统，半导体存储器出现取代磁芯，运行速度进一步提高。 第四代为超大规模集成电路时代，采用超大规模集成电路作为逻辑元件，产生了微处理器，并行流水线，虚拟存储器，高速缓存等。 （2）摩尔定理：当价格不变时，集成电路板上的晶体管数目，约18个月便会增加一倍，性能提升一倍。 （3）计算机分类：电子模拟计算机和数字计算机。数字计算机分为通用机与专用机。 （4）计算机发展趋势：往两极化发展，微型计算机，更微型化，网络化，高性能多用途。巨型机则更加巨型化，超高速，并行处理，智能化发展。 2计算机系统层次结构 （1）早期的冯诺伊曼机 硬件系统由运算器，存储器，控制器，以及输入设备，输出设备构成。 图1-1 典型的冯诺依曼计算机结构 在冯诺依曼结构体系中将运算器作为核心，以“存储程序”的基本思想设计。将程序输入到计算机中，存储在内存中，执行时从存储器上一条一条的取出指令，执行指令。在早期的冯诺依曼体系中，控制器控制其他几个部件，运算器可以与存储器，输入设备，输出设备进行数据交换。 （2）现代计算机体系结构 现代计算机的基本设计思想未变，还是遵循冯诺依曼的存储程序的思想，但是由于电子技术进步，加工信息增大，使用运算器作为核心不适用，现代计算器一般以存储器为核心。 图1-2 现代计算机组织结构图 （3）计算机的功能部件 计算机虽然发展很快，但是主要的功能部件并未发生改变，他们包括： ①输入设备 输入设备的主要功能是将数据以机器所能识别和接受的信息形式输入到计算机。最常用的输入设备是键盘，鼠标、扫描仪等。 ②输出设备 输出设备的任务是将计算机处理的结果以人们所能接受的形式或其他系统所要求的信息形式输出。常用的输出设备有显示器，打印机等。 ③存储器 存储器是计算机的存储部件，用来存放程序和数据。 存储器依据其能否直接与CPU进行数据交换分为主存储器（简称主存，也称内存储器）和辅助存储器（简称辅存，也称外存储器）。主存储器主要与CPU进行信息交换，其所保存的信息断电即失。辅助存储器用于帮助主存储器记忆更多的信息，其中的信息可以长期保存，但辅助存储器中的信息必须调入主存后，才能被CPU所访问。 主存储器的按地址存取方式进行工作。基本组成结构如图l-3所示。存储体存放二进制信息，地址寄存器（MAR）存放地址，经过地址译码后找到所选的存储单元。数据寄存器（MDR）用于暂存要从存储器中读或者写的信息，时序控制逻辑用于产生存储器操作所需的各种时序信号。 图1-3 存储器逻辑图 地址寄存器的位数可以表示存储器的大小，数据寄存器的位数与存储体的字长一致。 在计算机中下面几个关于字长的概念容易混淆 a．机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数，机器字长一般等于内部寄存器的大小，它决定了计算机的运算精度。 b．指令字长：指令字中包含二进制代码的位数。 c．存储字长：一个存储单元存储二进制代码的长度，必须是字节的整数倍。 指令字长一般都取存储字长的整数倍，如果指令字长等于存储字长的2倍，就需要2次访存来取出一条指令。 ④运算器 运算器是计算机进行数据加工处理的部件，用于完成算术运算和逻辑运算。算术运算包括加、减、乘、除等，逻辑运算包括与、或、非、移位等运算。 ⑤控制器 控制器又叫中央处理器（CPU）是计算机的指挥中心，由其指挥各部件协调地进行工作。控制器包括程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、控制单元（CU）等几部分。 （4）计算机软件层次： 计算机软件主要分为：系统软件与应用软件。 ①系统软件：保证计算机系统高效、正确运行的基础软件。通常作为系统资源提供给用户。常见的系统软件有操作系统，数据库管理系统等。 ②应用软件：为解决实际应用问题而编写的程序，应用软件种类繁多，如游戏、社交软件等。 （5）计算机语言 计算机语言也可以分为三个层次： ①机器语言：二进制代码语言，是计算机唯一可以直接识别和执行的语言，编程极不方便，需要程序员记忆很多二进制指令。 ②汇编语言：一种低级语言，用英文单词或其缩写代替二进制的指令代码，更容易为人们记忆和理解。汇编语言的程序经过汇编程序软件的翻译，将其转换为计算机的机器语言后，才能在计算机的硬件系统上执行。 ③高级语言：一种近似于自然语言的计算机编程语