9.3 习题解答
1.当前微型计算机正朝着什么方向发展?
解
当前的微型计算机正朝着智能化和人性化、高性能化、小型化、网络化、大众化、功能综合化的方向发展。外设将向着高性能、网络化和集成化且更易于携带的方向发展;输入输出技术将更加智能化、人性化,人与计算机的交流将更加便捷。
*2.80386 CPU有哪些主要特性?其内部有哪些主要部件?
解
80386的主要特性如下。
①采用全32位结构,其内部寄存器、ALU和操作都是32位的,数据线和地址线均为32位,故能寻址的物理空间为232=4 GB。
②提供32位外部总线接口,最大数据传输率为32 MB/s,具有自动切换数据总线宽度的功能,CPU读写数据的宽度可以在16位到32位之间自由进行切换。
③具有片内集成的存储器管理部件MMU,可支持虚拟存储和特权保护,虚拟存储器空间可达64 TB,保护机构采用四级特权层,可选择片内分页单元。内部具有多任务机构,能快速完成任务的切换。
④具有3种工作方式:实地址方式、保护方式和虚拟8086方式。
⑤采用流水线结构使得80386并行完成取指、译码、执行和存储管理功能。
80386内部由三大部分组成,即总线接口部件(BIU)、中央处理部件(CPU)和存储器管理部件(MMU)。
*3.80386 CPU包含哪些寄存器?各有什么主要用途?
解
80386共有34个内部寄存器,可分为7类,分别是通用寄存器(8个32位)、指令指针和标志寄存器(各1个32位)、段寄存器(6个)、系统地址寄存器(4个)、控制寄存器(4个32位)、调试寄存器(8个32位)和测试寄存器(2个32位)。
各类寄存器的作用请参看主教材《微机原理与接口技术(第3版)》。
4.80386访问存储器有哪两种方式?各提供多大的地址空间?
解
80386访问存储器有两种方式。一种为实地址方式,由于地址线为32位,故能寻址的物理空间为232=4 GB。另一种为虚拟存储器方式。CPU具有片内集成的存储器管理部件,可支持虚拟存储和特权保护,虚拟存储器空间可达64 TB。
*5.80486 CPU与80386 CPU相比,增加了哪些性能?
解
80486 CPU与80386 CPU相比,增加了以下性能。
①80486采用精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer,RISC)设计技术,减少了执行每条指令所需要的时间。
②采用突发式总线(burst bus)技术,为了更有效地将信息装入Cache和预取部件,总线部件可以运行一个专门的突发周期,即可以在一个总线周期内从主存储器中取出连续的16字节(128位)的数据和指令块。
③80486内部含有8 KB(Intel 486 DX4内含16 KB)的数据和指令混合型高速缓存器(Cache),Cache为频繁访问的指令和数据提供快速的存储。
④80486芯片内部集成了增强型80387浮点运算器(FPU)。FPU在芯片内部缩短了引线,使得浮点部件与其他内部单元间的接口效率更高,且它们之间的通信是同步的。
⑤采用一种新的系统管理方式(SMM),通过监视微处理器、各种控制器、PC内的各个部件的不工作时间、硬件功率管理就可减少系统功率。
*6.80486 CPU内部有哪些主要部件?
解
80486 CPU内部共有9个部件,除高速缓存器(Cache)与浮点运算部件(FPU)外,其余部件与80386内部结构基本相同。它们分别是总线接口部件、指令预取部件、指令译码部件、控制部件、算术逻辑(ALU)运算部件、分段部件和分页部件,这些部件和80386的内部部件功能类似。
*7.Pentium微处理器有哪些主要特点?
解
Pentium微处理器的主要特点如下。
①Pentium微处理器采用了一些最新的设计技术,如双执行部件、超大规模体系结构、集成的浮点部件、分离的指令和数据高速缓存、转移预测、64位数据总线、回写高速缓存、二级错误检测、系统管理方式(SMM)等,在性能上比80486提高了3～4倍。
②Pentium微处理器允许一次执行两条指令;两个平行分离的执行部件可增加每个时钟周期执行的指令数。它有3条执行流水线:浮点流水线和两条独立的整数流水线(即U和V管道)。
③Pentium微处理器外部数据总线宽度增加到64位,使得每个时钟周期传输的数据量增加了一倍。Pentium微处理器借助突发读、写周期能达到528 MB/s的最高带宽。
④Pentium微处理器有两个独立的8 KB高速缓存(Cache),每个Cache的设计方法都能允许其内部执行部件以最有效的途径取得所需的信息(指令或数据)。
⑤为了提高执行流水线的效率和处理器的运行速度,Pentium微处理器利用转移预测部件(BPU)预测下次程序转移的发生。
⑥在Pentium微处理器中使用了一种新型的浮点指令部件,以加速具有大量算术运算的操作。
*8.Pentium微处理器与80486 CPU比较,在哪些方面作了较大的技术改进?
解
略。(参考教材)
*9.Pentium微处理器与80486处理器总线之间的主要区别有哪些?
解
略。(参考教材)
10.64位微处理器若寻址能力为64位,计算该微处理器直接寻址空间理论上为多少?
解
264=232×232=65 536 GB=64 TB。
*11. 简述AMD64位技术的特点。
解
AMD64位技术是在原始32位X86指令集的基础上加入了X86-64扩展64位X86指令集,使这款芯片在硬件上兼容原来的32位X86软件,并同时支持X86-64的扩展64位计算,成为真正的64位X86芯片。X86-64具有64位的寻址能力。
*12.AMD64微处理器X86-64中有哪些主要的寄存器?
解
标准的32 bit X86架构包括8个通用寄存器(GPR),AMD64在X86-64中又增加了8组(R8-R15),将寄存器的数目提高到了16组。X86-64寄存器默认是64 bit。AMD64还增加了8组128 bit XMM寄存器(也叫SSE寄存器,XMM8-XMM15),能给单指令多数据流技术(SIMD)运算提供更多的空间,这些128位的寄存器将支持在矢量和标量计算模式下进行128位双精度处理,为3D建模、矢量分析和虚拟现实的实现提供了硬件基础。通过提供了更多的寄存器,按照X86-64标准生产的CPU可以更有效地处理数据,在一个时钟周期中传输更多的信息。
*13.简述Intel公司EM64T技术的特点。
解
EM64T(Extended Memory 64 Technology,扩展64 bit内存技术)是Intel IA-32架构的扩展,即IA-32e(Intel Architecture-32 extension)。IA-32微处理器通过附加EM64T技术,便可在兼容IA-32软件的情况下,允许软件利用更多的内存地址空间,并且允许软件进行32 bit线性地址写入。EM64T特别强调的是对32 bit和64 bit的兼容性。Intel为新核增加了8个64 bit GPRs(R8-R15),并且把原有GPRs全部扩展为64 bit,这样可以提高整数运算能力。EM64T增加了8个128 bit SSE寄存器(XMM8-XMM15),这是为了增强多媒体性能,包括对SSE、SSE2和SSE3的支持。
*14.Intel的64位微处理器IA-32e中有哪些主要寄存器?
解
IA-32e微处理器中有很多寄存器,主要的寄存器有通用寄存器(EAX、ECX、EDX、EBX)、堆栈寄存器(ESP)、变址寄存器(ESI、EDI)、指针寄存器(EIP)、段寄存器(ES、CS、SS、DS)、FS(寄存器指向当前活动线程的TEB结构寄存器)、变址寄存器(EFL)、多媒体指令寄存器(MM0～MM7)、调试寄存器(DR0～DR7)、控制寄存器(CR0～CR7)、任务寄存器(TR0～TR7),此外还有浮点寄存器等。
15.什么是多核处理器?它具有哪些特点?相对于单核处理器,多核处理器设计需要考虑哪些因素?
解
多核处理器(multi-core processor)也叫多微处理器核心,是在一个单一的计算组件中,加入两个或两个以上的独立实体中央处理单元(称为core,核心)。这些核心可以分别独立运行程序指令,利用并行计算的能力,可以加快程序的运行速度,提供多任务能力。
多核处理器的特点如下。
(1)宽位动态执行(wide dynamic execution)
宽位动态执行技术通过提升每个时钟周期完成的指令数,从而显著改进执行能力。
(2)智能功率能力(intelligent power capability)
智能功率技术可以进一步降低功耗,优化电源使用,从而为服务器、台式计算机和笔记本式计算机提供更高的每瓦特性能。
(3)高级智能高速缓存(advanced smart Cache)
多核处理器采用了共享二级缓存,大幅提高了二级高速缓存的命中率,从而可以较少地通过前端串行总线和北桥芯片进行外围交换。
(4)智能内存访问(smart memory access)
智能内存访问通过缩短内存延迟来优化内存数据访问。
(5)高级数字媒体增强(advanced digital media boost)
以前的微处理器需要两个时钟周期来处理一条完整指令,而多核处理器则拥有128位的SIMD执行能力,一个时钟周期就可以完成一条指令,效率提升明显。它可以提高SIMD流指令扩展指令(SSE/SSE2/SSE3)的执行效率。
与单核处理器相比,多核处理器在体系结构(总线结构、多级Cache、核间通信等)、软件(如操作系统等)、功耗和可靠性、安全性设计等方面都面临着巨大的挑战。这些都是设计时需要考虑的问题。
16.什么是嵌入式微处理器?它具有哪些特点?
解
嵌入式微处理器(Micro Processor Unit,MPU)是由通用计算机中的CPU演变而来的,具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群专用所设计的系统中,它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部,从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化,同时还具有很高的效率和可靠性。
嵌入式微处理器具有以下特点。
①对实时多任务有很强的支持能力,能完成多任务并且有较短的中断响应时间,从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。
②具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化,而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用,需要设计强大的存储区保护功能,同时也有利于软件诊断。
③具有可扩展的处理器结构,以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。
④必须功耗很低,尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统,如需要功耗只需毫瓦级甚至是微瓦级。
17.什么是主板?主板上有哪些主要部件?
解
计算机主机箱中的系统板就称为主板,又叫主机板(mainboard)或母板(motherboard),它分为商用主板和工业主板两种。它安装在主机箱内,是微机最基本的也是最重要的部件之一。
主板一般为矩形电路板,上面安装了组成计算机的主要电路系统,主要有BIOS芯片、各种I/O控制芯片、键和面板控制开关接口、指示灯插接件、扩充插槽、扩充接口、电源插座等部件。
18.主板根据其推出的时间先后可分为哪些类型?
解
主板根据其推出时间的先后分为AT、Baby-AT、ATX、Micro ATX、LPX、NLX、Flex ATX、EATX、WATX以及BTX等结构。其中,AT和Baby-AT是多年前的老主板结构;而LPX、NLX、Flex ATX则是ATX的变种,多见于国外的品牌机,国内尚不多见;EATX和WATX则多用于服务器/工作站主板。ATX是目前市场上最常见的主板结构,扩展插槽较多,PCI插槽数量在4～6个,大多数主板都采用此结构;Micro ATX又称Mini ATX,是ATX结构的简化版,就是常说的“小板”,扩展插槽较少,PCI插槽数量在3个或3个以下,多用于品牌机并配备小型机箱;BTX则是Intel制定的最新一代主板结构。
19.主板上的插槽有哪些用途?
解
主板上的扩展插槽是主板上用于固定扩展卡并将其连接到系统总线上的插槽,也叫扩展槽、扩充插槽。扩展插槽是一种添加或增强计算机特性及功能的方法。扩展插槽种类和数量的多少是决定一块主板好坏的重要指标。有多种类型和足够数量的扩展插槽就意味着今后有足够的可升级性和设备扩展性,反之则会在今后的升级和设备扩展方面碰到巨大的障碍。
20.什么是北桥芯片?它有哪些作用?
解
北桥芯片(north bridge chipset)是计算机主板上的一块芯片,位于CPU插座边,起连接作用。北桥芯片就是主板上离CPU最近的芯片,这主要是考虑北桥芯片与处理器之间的通信最密切,为了提高通信性能而缩短传输距离。北桥芯片在计算机里起着主导的作用,所以人们又将其称为主桥芯片(host bridge chipset)。
北桥芯片主要负责CPU与内存之间的数据交换,并控制AGP、PCI数据在其内部的传输,是主板性能的主要决定因素。随着芯片的集成度越来越高,它也集成了不少其他功能。例如:有的内部整合了内存控制器;有的加入了南桥芯片功能;有的在北桥芯片中加入了千兆网络、串口硬盘控制等功能。
21.什么是南桥芯片?它有哪些作用?
解
南桥(south bridge)芯片是主板芯片组的另一个重要芯片,一般位于主板上离CPU插槽较远的下方、PCI插槽的前面,即靠主机箱前的一面,这种布局是考虑它所连接的I/O总线较多,离处理器远一点有利于布线。相对于北桥芯片来说,其数据处理量并不算大,南桥芯片不与处理器直接相连,而是通过一定的方式与北桥芯片相连。
南桥芯片负责I/O总线之间的通信,如PCI总线、USB、LAN、ATA、SATA、音频控制器、键盘控制器、实时时钟控制器、高级电源管理等。南桥芯片的发展方向主要是集成更多的功能,例如网卡、RAID、IEEE1394,甚至是Wi-Fi无线网络等。
22.何谓CISC和RISC技术,各有何特点?
解
从计算机诞生以来,人们一直沿用CISC(Complex Instruction Set Computer,复杂指令集计算机)方式。早期的桌面软件是按CISC设计的,并一直延续到现在。目前,桌面计算机流行的X86体系结构即使用的CISC。
CISC的特点是,在CISC微处理器中,程序的各条指令都是按顺序串行执行的,每条指令中的各个操作也都是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单,但计算机各部分的利用率不高,执行速度慢。采用CISC技术的CPU包含丰富的电路单元,芯片面积大、功耗大。微处理器结构复杂,功能强大,实现特殊功能容易。CISC更适合通用机。
RISC(Reduced Instruction Set Computer,精简指令集计算机)是一种执行较少类型计算机指令的微处理器,起源于20世纪80年代的MIPS主机(即RISC机),RISC机中采用的微处理器统称为RISC处理器。它能够以更快的速度执行操作(每秒执行百万条指令)。
RISC的特点是,采用固定长度的指令格式,指令归整、简单,基本寻址方式较少;使用单周期指令,便于流水线操作执行;大量使用寄存器,数据处理指令只对寄存器进行操作,只有加载/存储指令可以访问存储器,以提高指令的执行效率。
采用RISC技术的CPU包含较少的单元电路,因而面积小、功耗低,微处理器结构简单,布局紧凑,设计周期短,且易于采用最新技术。RISC更适合专用机。