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微機原理與接口技術(錢曉捷版)課后習題答案.doc

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?.“微機原理與接口技術”習題解答第1章 微型計算機系統〔習題1.1〕簡答題〔解答〕① 處理器每個單位時間可以處理的二進制數據位數稱計算機字長。② 總線信號分成三組,分別是數據總線、地址總線和控制總線。③ PC機主存采用DRAM組成。④ 高速緩沖存儲器Cache是處理器與主存之間速度很快但容量較小的存儲器。⑤ ROM-BIOS是“基本輸入輸出系統”,操作系統通過對BIOS的調用驅動各硬件設備,用戶也可以在應用程序中調用BIOS中的許多功能。⑥ 中斷是CPU正常執行程序的流程被某種原因打斷、并暫時停止,轉向執行事先安排好的一段處理程序,待該處理程序結束后仍返回被中斷的指令繼續執行的過程。⑦ 主板芯片組是主板的核心部件,它提供主板上的關鍵邏輯電路。⑧ MASM是微軟開發的宏匯編程序。⑨ 指令的處理過程。處理器的“取指—譯碼—執行周期” 是指處理器從主存儲器讀取指令(簡稱取指),翻譯指令代碼的功能(簡稱譯碼),然后執行指令所規定的操作(簡稱執行)的過程。⑩ 機器語言層,即指令集結構。(學生很多認為是:匯編語言層。前4章主要涉及匯編語言,但本書還有很多處理器原理等內容)〔習題1.2〕判斷題① 錯 ② 錯 ③ 對 ④ 錯 ⑤ 對 ⑥ 錯 ⑦ 錯 ⑧ 對 ⑨ 錯 ⑩ 錯〔〔解答〕① Central Processing Unit,中央處理單元,處理器② 1MB,4GB③ 216,64KB④ EXE,COM(BAT老師講的)⑤ Instruction Set Architecture⑥ 目錄⑦ MMX,SSE3⑧ 64⑨ IBM,DOS⑩ PCI〔習題1.4〕說明微型計算機系統的硬件組成及各部分作用?!步獯稹矯PU:CPU也稱處理器,是微機的核心。它采用大規模集成電路芯片,芯片內集成了控制器、運算器和若干高速存儲單元(即寄存器)。處理器及其支持電路構成了微機系統的控制中心,對系統的各個部件進行統一的協調和控制。存儲器:存儲器是存放程序和數據的部件。外部設備:外部設備是指可與微機進行交互的輸入(Input)設備和輸出(Output)設備,也稱I/O設備。I/O設備通過I/O接口與主機連接??偩€:互連各個部件的共用通道,主要含數據總線、地址總線和控制總線信號?!擦曨}1.5〕什么是通用微處理器、單片機(微控制器)、DSP芯片、嵌入式系統?〔解答〕通用微處理器:適合較廣的應用領域的微處理器,例如裝在PC機、筆記本電腦、工作站、服務器上的微處理器。單片機:是指通常用于控制領域的微處理器芯片,其內部除CPU外還集成了計算機的其他一些主要部件,只需配上少量的外部電路和設備,就可以構成具體的應用系統。DSP芯片:稱數字信號處理器,也是一種微控制器,其更適合處理高速的數字信號,內部集成有高速乘法器,能夠進行快速乘法和加法運算。嵌入式系統:利用微控制器、數字信號處理器或通用微處理器,結合具體應用構成的控制系統?!擦曨}1.6〕綜述Intel 80x86系列處理器在指令集方面的發展?!步獯稹?086奠定了基本的16位指令集,80286提供了保護方式的各種指令,80386將指令集全面提升為32位,80486融入了浮點數據處理指令,奔騰系列陸續增加了多媒體指令MMX、SSE、SSE2和SSE3,最新的奔騰4處理器還支持64位指令集。題外話:大家可以通過閱讀相關資料、查詢互聯網獲得更加詳細的發展情況??梢钥紤]組織成一篇或多篇論文?!擦曨}1.7〕區別如下概念:助記符、匯編語言、匯編語言程序和匯編程序?!步獯稹持浄喝藗儾捎帽阌谟洃?、并能描述指令功能的符號來表示機器指令操作碼,該符號稱為指令助記符。匯編語言:用助記符表示的指令以及使用它們編寫程序的規則就形成匯編語言。匯編語言程序:用匯編語言書寫的程序就是匯編語言程序,或稱匯編語言源程序。匯編程序:匯編語言源程序要翻譯成機器語言程序才可以由處理器執行。這個翻譯的過程稱為“匯編”,完成匯編工作的程序就是匯編程序(Assembler)?!擦曨}1.8〕區別如下概念:路徑、絕對路徑、相對路徑、當前目錄。系統磁盤上存在某個可執行文件,但在DOS環境輸入其文件名卻提示沒有這個文件,是什么原因?〔解答〕路徑:操作系統以目錄形式管理磁盤上的文件,文件所在的分區和目錄就是該文件的路徑。絕對路徑:從根目錄到文件所在目錄的完整路徑稱為“絕對路徑”。是保證文件唯一性的標示方法。相對路徑:從系統當前目錄到文件所在目錄的路徑稱為相對路徑。當前目錄:用戶當前所在的目錄就是當前目錄。指明的路徑不正確,或者執行了另外一個同名的文件?!擦曨}1.9〕什么是摩爾定律?它能永久成立嗎?〔解答〕每18個月,集成電路的性能將提高一倍,而其價格將降低一半。(1965年,Intel公司的創始人之一摩爾預言:集成電路上的晶體管密度每年將翻倍?,F在這個預言通常表達為:每隔18個月硅片密度(晶體管容量)將翻倍;也常被表達為:每18個月,集成電路的性能將提高一倍,而其價格將降低一半。)不能。由于電子器件的物理極限在悄然逼近,摩爾定律不會永遠持續?!擦曨}1.10〕馮·諾依曼計算機的基本設計思想是什么?〔解答〕采用二進制形式表示數據和指令。指令由操作碼和地址碼組成。將程序和數據存放在存儲器中,計算機在工作時從存儲器取出指令加以執行,自動完成計算任務。這就是“存儲程序”和“程序控制”(簡稱存儲程序控制)的概念。指令的執行是順序的,即一般按照指令在存儲器中存放的順序執行,程序分支由轉移指令實現。計算機由存儲器、運算器、控制器、輸入設備和輸出設備五大基本部件組成,并規定了5部分的基本功能?!擦曨}1.11〕計算機系統通常劃分為哪幾個層次?普通計算機用戶和軟件開發人員對計算機系統的認識一樣嗎? 〔解答〕最上層是用戶層。第5層是高級語言層。第4層是匯編語言層。第3層是操作系統層。第2層是機器語言層。第1層是控制層。第0層是數字電路層。普通計算機用戶和軟件人員對計算機系統的認識并不一樣。普通計算機用戶看到的計算機,也就是我們最熟悉的計算機,屬于用戶層,而軟件人員看到的屬于高級語言層或是匯編語言層?!擦曨}1.12〕什么是系列機和兼容機?你怎樣理解計算機中的“兼容”特性?例如,你可以用PC機為例,談談你對軟件兼容(或兼容性)的認識,說明為什么PC機具有如此強大的生命力?〔解答〕系列機是指在一個廠家生產的具有相同計算機結構,但具有不同組成和實現的一系列(Family)不同檔次、不同型號的機器。兼容機是指不同廠家生產的具有相同計算機結構(不同的組成和實現)的計算機。兼容是一個廣泛的概念,包括軟件兼容、硬件兼容、系統兼容等。其中軟件兼容是指同一個軟件可以不加修改地運行于體系結構相同的各檔機器,結果一樣但運行時間可能不同。軟件兼容可從機器性能和推出時間分成向上(向下)和向前(向后)兼容。例如32位PC機就。省略部分。______。(2)Pentium處理器中,某時刻執行一條轉移指令,它在BTB的歷史位為10,則預測__________分支;如果確實發生分支,則該歷史位成為__________;而如果預測錯誤,則該歷史位成為__________。如果某個轉移指令的實際執行情況是分支“發生—不發生—發生—不發生—發生—不發生……”,則利用Pentium的分支預測機構,它的準確度約為百分之__________。(3)基于IA-64結構的安騰處理器使用了__________技術,一個128位的指令束包括__________條指令,還有指示指令并行性的模板域。(4)Intel 64結構新增8個通用寄存器,名稱為__________;原來的8個通用寄存器被擴展為64位,名稱為__________。(5)多核處理器屬于多處理器系統,對應Flynn分類法的__________系統?!步獯稹尝?同時性,并發性② 發生轉移,11,01,50③ VILW(EPIC),3④ R8~R15,RAX~RSP⑤ MIMD〔習題10.4〕對比Intel 80486指令流水線和Pentium超標量指令流水線,指出它們的異同?!步獯稹砅entium的超標量整數指令流水線的各個階段類似Intel 80486,仍分成了5個步驟,但是其后3個步驟可以在它的2個流水線(U流水線和V流水線)同時進行?!擦曨}10.5〕Pentium超標量指令流水線為什么限制復雜指令、存在數據相關的指令和轉移指令等不能實現配對執行?〔解答〕因為Pentium的兩條指令流水線U和V并不是完全相同的,例如V流水線只能執行簡單指令,所以不可能實現復雜指令的配對執行。存在數據相關的指令,需要執行完前一條指令才能得到后一條指令需要的操作數,所以也無法同時進行執行。存在轉移指令,需要執行完前一條指令才能決定是否執行后一條指令,所以也不能配對執行?!擦曨}10.6〕什么是Pentium的動態分支預測和Pentium II的靜態分支預測?對于如下兩個程序片斷,分別指出Pentium處理器第一次執行轉移指令時動態分支預測的結果和Pentium II的靜態分支預測的結果。(1)單分支結構 mov ecx,12 cmp eax,7 jne EAX_7 mov ecx,17EAX_7:(2)循環結構loopx: add list[eax*4],5 dec eax jnz loopx〔解答〕動態分支預測:Pentium維持一個分支目標緩沖器BTB,用它記錄最近使用的轉移指令的有關情況,并動態預測當前轉移指令是否發生分支;在預測正確時就可以無延遲的執行,如果預測錯誤,則產生3~4個時鐘的延遲。靜態分支預測:解決對于分支目標緩沖器BTB中(動態分支預測)沒有記錄的轉移指令的分支預測問題。預測無條件轉移指令發生分支。預測向前分支的條件轉移指令不發生分支。預測向后分支的條件轉移指令發生分支。(1)Pentium動態分支預測:不分支。Pentium II靜態分支預測:不分支(2)Pentium動態分支預測:不分支。Pentium II靜態分支預測:分支〔習題10.7〕說明NetBurst微結構的蹤跡Cache為什么優于P6微結構的L1指令Cache?Core微結構的雙核處理器共享L2 Cache為什么優于Pentium D獨立使用L2 Cache?〔解答〕蹤跡Cache存儲已譯碼指令即微操作。存儲已譯碼指令使得IA-32指令的譯碼從主要執行循環中分離出來。指令只被譯碼一次,并被放置于蹤跡Cache,然后就象常規指令Cache一樣重復使用。P6微結構的L1指令Cache仍然是存儲原始指令代碼的指令Cache,取指后還需要譯碼。Core微結構中,兩個處理器共享L2 Cache,可以充分利用Cache空間為兩個處理器共用。每個處理器各有獨立的L2 Cache,則Cache只能為對應的處理器服務?!擦曨}10.8〕簡單說明如下名詞(概念)的含義:(1)超標量技術(2)指令級并行(3)亂序執行(4)寄存器重命名(5)推測執行(6)VLIW(7)EPIC(8)超線程技術(9)SIMD(10)多核處理器〔解答〕(1)超標量技術:指提高標量指令的執行性能而設計的一種處理器技術。處理器采用多條指令流水線,可以實現一個時鐘周期完成多條指令的執行。(2)指令級并行:指令是處理器執行的基本單位。指令級并行是指發掘指令之間的并行執行能力,也就是提高處理器內部操作的并行程度。(3)亂序執行:多條指令進入處理器執行單元,指令執行的順序不必一定按照程序順序、可能是亂序的,即亂序執行。(4)寄存器重命名:對于使用相同寄存器名引起的假數據相關,只要更改寄存器名,就可以消除指令相關的技術。(5)推測執行:處理器采用分支預測技術推測指令分支路徑,并按照推測結果發送和執行指令,這就是推測執行。(6)VLIW:超長指令字,一種利用軟件編譯器方法提高指令并行執行能力的技術。(7)EPIC:顯式并行計算,源于VLIW技術,64位Itanium系列處理器主要采用的提高性能的技術。(8)超線程技術:它使一個物理處理器看似有兩個邏輯處理器,每個邏輯處理器維持一套完整的結構狀態,共享幾乎物理處理器上所有執行資源。(9)SIMD:單指令多數據,指一條指令可以同時對多組數據進行操作(執行)。(10)多核處理器:在一個物理封裝內制作了兩個或多個處理器執行核心形成的處理器?!擦曨}10.9〕簡單總結新一代IA-32處理器的結構特點:(1)Pentium的超標量指令流水線(2)Pentium II的動態執行結構(3)Pentium 4的超線程技術(4)多核處理器結構〔解答〕(1)Pentium的超標量指令流水線:利用資源重復的思想,Pentium處理器采用超標量技術,設計了2個可以并行操作的執行單元,形成了2條指令流水線。這樣,在一定條件下,Pentium允許在一個時鐘周期中同時運行2條整數指令,或者運行一條浮點指令(但浮點交換指令可以與另一條浮點指令配對同時執行)。(2)Pentium II的動態執行結構:包含3個組成部分:順序發送前端、亂序核心和順序退出單元,它們之間通過重排序緩沖區ROB(Re-Order Buffer)建立聯系,具有采用3路超標量、12級超級流水線。(3)Pentium 4的超線程技術:超線程技術為IA-32結構引入了同時多線程概念。它使一個物理處理器看似有兩個邏輯處理器。操作系統和用戶程序像傳統多處理器系統一樣在邏輯處理器上調度線程或進程。兩個邏輯處理器的指令可以在共享的執行資源上同時保持和執行。(4)多核處理器結構:在一個物理封裝內制作了兩個或多個處理器執行核心,使多個處理器耦合得更加緊密,同時共享系統總線、主存等資源,可以有效地執行多線程的應用程序?!擦曨}10.10〕追蹤處理器技術最新發展,選擇某個方面,做一篇新技術發展的論文。.
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