计算机组成原理面试常见问题

我不是女神ヾ 2023-10-06 16:11 59阅读 0赞

#### 目录 ####

*  一、计算机系统概述
 *  二、数据的表示和运算
 *  三、存储系统
 *  四、指令系统
 *  五、中央处理器
 *  六、总线
 *  七、输入/输出系统

**注：部分题目答案来源于网络**

## 一、计算机系统概述 ##

**1.什么是局部性原理？**  
局部性原理可以分为时间局部性和空间局部性。  
（1）时间局部性：如果一个信息项正在被访问，那么在近期它很可能还会被再次访问。程序循环、堆栈等是产生时间局部性的原因。  
（2）空间局部性：在最近的将来将用到的信息很可能与正在使用的信息在空间地址上是临近的。

## 二、数据的表示和运算 ##

1.并行加法器的原理是什么？  
并行加法器由多个全加器组成，其位数与机器的字长相同，各位数据同时运算。

## 三、存储系统 ##

**1.Cache是什么，为很么要采用Cache，原理是什么？**  
（1）Cache存储器，电脑中为高速缓冲存储器，是位于CPU和主存储器DRAM之间，规模较小，但速度很高的存储器，通常由SRAM组成。它是位于CPU与内存间的一种容量较小但速度很高的存储器  
（2）Cache可以提高CPU访问主存的速度和计算机系统处理速度，中央处理器绝大多数存取主存储器的操作能为存取高速缓冲存储器所代替，能极大缓和中央处理器和主存储器之间速度不匹配的矛盾。  
（3）高速缓冲技术就是利用程序访问的局部性原理。

**2.Cache有几种地址映射方法，分别有什么优缺点?**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>直接映射</th> 
   <th>全相联映射</th> 
   <th>组相联映射</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>原理</td> 
   <td>主存的一块只能复制到Cache 的一个特定行位置上去，主存的地址有高位标记、字块地址、块内地址三个标记。</td> 
   <td>主存中的任一块都可以映像到Cache的任一块上，主存的地址有高位标记、块内地址两个标记</td> 
   <td>前两种方式的折中方案。主存的地址有高位标记、组地址、块内地址三个标记</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>优点</td> 
   <td>实现简单</td> 
   <td>机制灵活，命中率高</td> 
   <td>比直接映像灵活，命中率高，比全相联映射所需成本低</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>缺点</td> 
   <td>机制不灵活，Cache命中率低</td> 
   <td>比较器电路难于设计和实现，成本较高</td> 
   <td>较适合容量小的Cache</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**3.FPGA、MCU、CPU之间的区别是什么？**  
（1）MCU与CPU的关系：MCU是在CPU的的频率与规格做适当缩减，并添加上内存等形成的芯片级的计算机。  
（2）FPGA、MCU与CUP的区别

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>MCU</th> 
   <th>CPU</th> 
   <th>FPGA</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>定义</td> 
   <td>MCU是在CPU的的频率与规格做适当缩减，并添加上内存等形成的芯片级的计算机</td> 
   <td>作为计算机系统的运算和控制核心，是信息处理、程序运行的最终执行单元</td> 
   <td>FPGA 器件属于专用集成电路中的一种半定制电路，是可编程的逻辑列阵</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>功能</td> 
   <td>音频信号桥接、视频信号切换或混合、数据切换、会议控制</td> 
   <td>主要是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU是计算机中负责读取指令，对指令译码并执行指令的核心部件</td> 
   <td>能够有效的解决原有的器件门电路数较少的问题</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**4.分页和分段的区别是什么？**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzAwNDA0NA_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 四、指令系统 ##

**1.什么是RISC和CISC，他们的区别和特点是什么？**  
RISC：精简指令系统计算机  
CISC：复杂指令系统计算机  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80MzAwNDA0NA_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

## 五、中央处理器 ##

**1.CPU有哪几种设计方式，各有什么特点？**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>微程序控制器</th> 
   <th>硬布线控制器</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>工作原理</td> 
   <td>微操作控制信号以微程序的形式存放在控制存储器中，执行指令时将其读出即可</td> 
   <td>微操作控制信号由组合逻辑电路根据当前的指令码、状态和时序，即时产生</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>执行速度</td> 
   <td>慢</td> 
   <td>快</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>规整性</td> 
   <td>较规整</td> 
   <td>烦琐、不规整</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>应用场合</td> 
   <td>CISC、CPU</td> 
   <td>RISC、CPU</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>易扩充性</td> 
   <td>易扩充修改</td> 
   <td>困难</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**2.南桥芯片和北桥芯片的作用分别是什么？**  
（1）南桥芯片（主外）：负责I/O总线之间的通信，主要管理中低速外部设备，集成了中断控制器、DMA控制器等部件。  
（2）北桥芯片（主内）：主要负责CPU与内存、CPU与AGP之间的通，。掌控项目多为高速设备。如：CPU、Host Bus。后期北桥集成了内存控制器、Cache高速控制器。

**3.什么是指令流水线?指令流水线相对于传统计算机体系结构的优势是什么?如何计算指令流水线的加速比?**  
（1）指令流水线是把指令分解为若干子过程，通过将每个子过程与其他子过程并行执行，来提高计算机的吞吐率的技术。  
（2）采用流水线技术只需增加少量硬件就能把计算机的运算速度提高几倍，因此成为计算机中普遍使用的一种并行处理技术，通过在同一个时间段使用各功能部件，使得利用率明显提高。  
（3）流水线的加速比指的是完成同样一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比。一条k段流水线理论上的最大加速比为Smax =k。因此，在现代计算机中提高流水线段数有利于提高计算机的吞吐量。具体的加速比要使用时空图来计算。

## 六、总线 ##

**1.串行接口和并行接口都有哪些？有什么区别？**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>串行接口</th> 
   <th>并行接口</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>传输特点</td> 
   <td>数据一位位地顺序传送，其特点是通信线路简单，只要一对传输线就可以实现双向通信，并可以利用电话线，从而大大降低了成本</td> 
   <td>指数据的各位同时进行传送，其特点是传输速度快，但当传输距离较远、位数又多时，导致了通信线路复杂且成本提高</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>适用情况</td> 
   <td>适用于远距离通信</td> 
   <td>适用于近距离通信</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>常见接口</td> 
   <td>RS-232-C、RS-422、RS485、USB</td> 
   <td>连接器、接口电缆</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**2.引入总线结构有什么好处?**  
（1）简化了系统结构，便于系统设计制造。  
（2）大大减少了连线数目，便于布线，减小体积，提高系统的可靠性。  
（3）便于接口设计，所有与总线连接的设备均采用类似的接口。  
（4）便于系统的扩充、更新与灵活配置，易千实现系统的模块化。  
（5）便于设备的软件设计，所有接口的软件对不同的接口地址进行操作。  
（6）便于故障诊断和维修，同时也能降低成本。

**3.什么是总线宽度、总线带宽、总线复用、信号线数?**  
（1）总线宽度：数据总线的根数，一般是8的倍数。  
（2）总线带宽：即总线数据传输速率，总线上每秒能够传输的最大字节量。  
（3）总线复用：一条信号线上分时传送两种信号。例如数据总线和地址总线的分时复用；  
（4）信号线数：地址总线、数据总线和控制总线三种总线的线数之和。

**4.系统总线按照传输信息的不同，分成哪几类?是单向的，还是双向的?**  
分成数据总线、地址总线以及控制总线。  
（2）数据总线：各个功能部件之间传送数据信息，双向传输；  
（3）地址总线：用来指明数据总线上，源数据或目的数据所在的主存单元的地址。单向传输，由CPU发出；  
（4）控制总线：用来发送各种控制信号。对于控制总线中的单根线，是单向的，即只能由一个部件发向另一个部件。而一组控制总线中，有输入也有输出，因此，控制总线也可以看成是双向的。

**5.引入总线会导致什么问题?如何解决?**  
答：引入总线后，总线上的各个设备分时共享同一总线，当总线上多个设备同时要求使用总线时就会导致总线的冲突。为解决多个主设备同时竞争总线控制权的问题，应当采用总线仲裁部件，以某种方式选择一个主设备优先获得总线控制权，只有获得了总线控制权的设备才能开始数据传送。

## 七、输入/输出系统 ##

**1.什么是中断和断点？**  
（1）在CPU执行程序的过程中，由于某种事件发生，CPU暂时中止正在执行的程序而转向对所发生的时间进行处理，当对事件的处理结束后又能回到发生中止的地方，接着中止前的状态继续执行原来的程序，此过程称为中断。  
（2）所谓断点就是程序被中断的地方，断点是人为设置的，意思就是让程序执行到此“停住”，不再往下执行，然后主动权就交给调试者，对程序进行调试。

**2.中断的整个过程包含哪几个阶段？中断有哪些类型？**  
（1）中断的整个过程包含4个阶段：中断请求、中断响应、中断服务和中断返回。  
（2）[查看此文章][Link 1]

**3.中断向量、中断向量地址以及地址向量中断之间的区别是什么？什么是中断向量表？**  
（1）不同的设备有不同的中断服务程序，每个中断服务程序都有一个入口地址，CPU必须找到这个入口地址，即**中断向量**。  
（2）中断向量是中断服务程序的入口地址，**中断向量地址**是指中断服务程序的入口地址的地址。  
（3）CPU响应中断后，中断硬件会自动将中断向量地址传送到CPU，由 CPU 实现程序的切换，这种方法称为中断向量法，采用中断向量法的中断称为**向量中断**。  
（4）中断向量表：中断类型号与相应中断源的中断处理程序入口地址之间的连接表；

**4.CPU和外设之间数据交换有哪几种？**  
（1）**程序查询方式**。其特点是主机与I/O串行工作。CPU启动I/O后，时刻查询I/O是否准备好，若设备准备就绪，CPU便转入处理I/O与主机间传送信息的程序；若设备未做好准备，则CPU反复查询，“踏步”等待直到I/O准备就绪为止。可见这种方式CPU效率很低。  
（2）**程序中断方式**。其特点是主机与I/O并行工作。CPU启动I/O后，不必时刻查询I/O是否准备好，而是继续执行程序。当I/O准备就绪时，向CPU发中断请求信号，CPU在适当的时候响应I/O的中断请求，暂停现行程序为I/O服务。这种方式消除了“踏步”现象，提高了CPU的效率。  
（3）**DMA方式**。其特点是主机与I/0并行工作，主机与I/O之间有一条直接数据通路。CPU启动I/O后，不必查询I/O是否准备好  
（4）**通道方式**。通道是一个具有特有功能的处理器，CPU把部分权利下放给通道，由它实现对外围设备的统一管理和外围设备与主存之间的数据交换，大大提高了CPU的效率，但它是以花费更多的硬件为代价的。  
（5）**I/O处理机方式**。它是通道方式的进一步发展，CPU将I/O操作及外围设备的管理权全部交给I/O处理机，其实质是多机系统，因而效率有更大提高。

**5.程序中断和调用子程序之间的区别有哪些？**

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th></th> 
   <th>程序中断</th> 
   <th>调用子程序</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>发生时间</td> 
   <td>一般是随机的</td> 
   <td>已知的和固定的</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>与主程序的关系</td> 
   <td>平行关系</td> 
   <td>主从关系</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>所需环境</td> 
   <td>中断系统是一个软/硬结合的系统，需要专门的硬件电路才能完成中断处理的过程</td> 
   <td>主程序调用子程序的过程完全属于软件处理过程，不需要专门的硬件电路</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>嵌套次数</td> 
   <td>中断嵌套级数主要由中断优先级来决定，一般优先级数不会很大</td> 
   <td>子程序嵌套可实现若千级，嵌套的最多级数受计算机内存开辟的堆栈大小限制</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**6.中断响应优先级和中断处理优先级分别指什么?**  
（1）中断响应优先级是由硬件排队线路或中断查询程序的查询顺序决定的，不可动态改变；  
（2）而中断处理优先级可以由中断屏蔽字来改变，反映的是正在处理的中断是否比新发生的中断的处理优先级低（屏蔽位为"O"，对新中断开放)，若是，则中止正在处理的中断，转到新中断去处理，处理完后再回到刚才被中止的中断继续处理。

**7.CPU响应中断应具备哪些条件?**  
（1）在CPU内部设置的中断屏蔽触发器必须是开放的。  
（2）外设有中断请求时，中断请求触发器必须处于"1"状态，保持中断请求信号。  
（3）外设(接口）中断允许触发器必须为"1"这样才能把外设中断请求送至CPU 。  
具备上述三个条件时，CPU在现行指令结束的最后一个状态周期响应中断。

**8.DMA方式和中断方式的区别有哪些？**  
① 中断方式是程序的切换，需要保护和恢复现场；而DMA方式除了预处理和后处理，其他时候不占用CPU的任何资源。  
② 对中断请求的响应只能发生在每条指令执行完毕时（即指令的执行周期后)；而对 DMA请求的响应可以发生在每个机器周期结束时(在取指周期、间址周期、执行周期后均可)，只要CPU不占用总线就可被响应。  
③ 中断传送过程需要CPU的干预；而DMA传送过程不需要CPU的干预，因此数据传输率非常高，适合于高速外设的成组数据传送。  
④ DMA 请求的优先级高于中断请求。  
⑤ 中断方式具有对异常事件的处理能力，而DMA方式仅局限于传送数据块的I/O操作。  
⑥ 从数据传送来看，中断方式靠程序传送，DMA方式靠硬件传送。

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