计算机硬件系统的五大功能部件及其连接关系
Q: 计算机硬件系统的五大功能部件之间是如何连接的？
A: 它们通过数据总线、地址总线和控制总线连接在一起。
记忆辅助: 想象一下高速公路系统，数据总线就像数据传输的高速公路，地址总线像指示数据去向的路牌，控制总线像控制交通信号灯，协调各部件协同工作。
Q: 运算器是如何与其他部件进行数据传输的？
A: 运算器通过数据总线与内存储器、输入设备和输出设备传送数据。
记忆辅助: 可以把运算器想象成一个数据处理中心，它需要从内存储器获取数据，处理完成后再将结果发送到输出设备或存储到内存储器，这些数据传输都是通过数据总线完成的。
Q: 输入设备和输出设备如何与总线连接？
A: 输入设备和输出设备通过接口电路与总线相连接。
记忆辅助: 接口电路就像是一个转换器，它可以将输入设备和输出设备的信号转换成总线能够识别的信号，反之亦然。
Q: 内存储器、输入设备和输出设备如何与其他部件交互？
A: 它们从地址总线接收地址信息，从控制总线得到控制信号，通过数据总线与其他部件传送数据。
记忆辅助: 可以把地址总线想象成一个导航系统，它告诉CPU数据要送到哪里去；控制总线像是一个指挥中心，它发出各种控制信号，协调各部件的工作；数据总线则是数据传输的通道。
Q: 控制器的作用是什么？它如何与其他部件交互？
A: 控制器是计算机系统的指挥中心，它从数据总线接收指令信息，从运算器接收指令转移地址，送出指令地址到地址总线，并向系统中的部件提供它们运行所需的控制信号。
记忆辅助: 可以把控制器想象成一个乐队指挥，它负责指挥CPU、存储器以及输入输出设备按照指令有序地进行工作。
控制器的结构和功能
Q: 计算机系统中哪个部件被称为”指挥中心”？
A: 控制器。
记忆辅助: 就像军队中的指挥中心一样，计算机的控制器负责发出指令，协调各个部件的工作。
Q: 控制器的三个主要功能是什么？
A: 1. 从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置。
2. 对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，启动规定的动作。
3. 指挥并控制 CPU、主存、输入设备和输出设备之间的数据流动方向。
记忆辅助: 可以简记为“取指、译码、控制”。
硬布线控制器的工作原理
Q: 硬布线控制器是如何实现的？它也被称为什么？
A: 由复杂的组合逻辑门电路和触发器构成，也称组合逻辑控制器。
记忆辅助: “硬布线” 指的是控制逻辑由电路连接固定，“组合逻辑” 指的是电路输出只取决于当前输入。
Q: 在硬布线控制器中，什么决定了控制单元发出不同的控制信号？
A: 指令的操作码。
记忆辅助: 操作码就像是指挥官发出的命令，控制单元根据不同的命令发出不同的控制信号，指挥计算机执行相应的操作。
Q: 存放在指令寄存器IR中的操作码是如何被控制单元使用的？
A: IR 中的 n 位操作码经过译码电路产生 2^n 个输出，每个输出对应一种操作码，并送至控制单元 CU。
记忆辅助: 译码电路就像是一个翻译官，它将操作码“翻译”成控制单元能够理解的信号。
Q: 硬布线控制单元的输入信号有哪些来源？
A: 1. 经指令译码器译码产生的指令信息。
2. 时序系统产生的机器周期信号和节拍信号。
3. 来自执行单元的反馈信息，即标志。
记忆辅助: 可以简记为“指令、时序、反馈”。
微程序控制器的工作原理
Q: 微程序控制器采用了什么逻辑实现方式？
A: 存储逻辑。
记忆辅助: 与硬布线控制器不同，微程序控制器将控制逻辑存储在控制存储器中。
Q: 在微程序控制器中，机器指令是如何被执行的？
A: 每条机器指令被转化为一段微程序，存储在控制存储器中。每条微指令对应一个或几个微操作命令。执行指令的过程就是顺序执行对应微程序中的微指令。
记忆辅助: 可以将微程序看作是机器指令的“翻译”，控制单元按照微程序的指示，一步一步地执行微指令，最终完成机器指令的功能。
微程序控制的基本概念
Q: 什么是微命令？
A: 微命令是控制部件向执行部件发出的各种控制命令，是构成控制序列的最小单位。
记忆辅助: 比如，打开或关闭某个控制门的电位信号、某个寄存器的打入脉冲等。
Q: 什么是微操作？
A: 微操作是执行部件收到微命令后所进行的操作。
记忆辅助: 微命令和微操作是一一对应的，一个微命令对应一个特定的微操作。
Q: 微命令的相容性和互斥性指的是什么？
A: 相容性微命令是指可以同时出现、共同完成某些微操作的微命令；
互斥性微命令是指不允许同时出现的微命令。
记忆辅助: 比如，同时读取数据和写入数据就是互斥的，而同时读取数据和打开某个控制门就是相容的。
Q: 什么是微指令？
A: 微指令是若干微命令的集合，用于构成微程序。
记忆辅助: 一条微指令通常包含操作控制字段和顺序控制字段，操作控制字段用于产生操作控制信号，顺序控制字段用于控制下一条微指令的地址。
Q: 什么是微周期？
A: 微周期是从控制存储器中取出并执行一条微指令所需的全部时间，通常为一个时钟周期。
记忆辅助: 类似于机器指令的指令周期，微周期是微程序控制器的基本时间单位。
微命令与微操作
Q: 微命令在控制序列中扮演什么角色？
A: 微命令是构成控制序列的最小单位。
记忆辅助: 微命令就像乐谱中的音符，多个音符组合成旋律，多个微命令构成控制序列。
Q: 执行部件接收到微命令后会进行什么操作？
A: 执行部件接收到微命令后，会进行相应的微操作。
记忆辅助: 微命令就像是指挥官发出的命令，执行部件收到命令后就会执行相应的动作。
Q: 微命令的相容性和互斥性有什么区别？
A: 相容性微命令可以同时出现，共同完成某些微操作；互斥性微命令则不允许同时出现。
记忆辅助: 可以把相容性微命令想象成可以同时进行的动作，比如“左手画圆，右手画方”；而互斥性微命令就像是不可能同时进行的动作，比如“左手同时握拳和张开”。
微指令与微周期
Q: 微指令包含哪两大部分信息？
A: 操作控制字段和顺序控制字段。
记忆辅助: 操作控制字段决定了要执行的微操作，顺序控制字段决定了下一条要执行的微指令地址。
Q: 微周期指的是什么？
A: 微周期是从控制存储器中取出并执行一条微指令所需的时间。
记忆辅助: 可以把微周期理解为微程序控制器的“心跳”，每个心跳完成一条微指令的读取和执行。
主存储器与控制存储器的区别
Q: 主存储器和控制存储器分别存储什么内容？
A: 主存储器用于存放程序和数据，控制存储器用于存放微程序。
记忆辅助: 主存储器就像图书馆，存放着各种各样的书籍（程序和数据）；控制存储器就像档案馆，存放着机器指令的“翻译”（微程序）。
Q: 主存储器和控制存储器分别位于CPU的哪个位置？
A: 主存储器位于CPU外部，控制存储器位于CPU内部。
记忆辅助: 主存储器就像CPU的“外部仓库”，控制存储器就像CPU的“内部资料库”。
Q: 主存储器和控制存储器分别采用什么类型的存储器芯片实现？
A: 主存储器主要采用RAM实现，控制存储器采用ROM实现。
记忆辅助: 主存储器需要频繁地读写数据，所以采用RAM；控制存储器中的微程序一般是固定的，所以采用ROM。
程序与微程序的区别
Q: 程序和微程序分别由什么构成？
A: 程序是由指令的有序集合构成，微程序是由微指令的有序集合构成。
记忆辅助: 程序就像是用高级语言编写的程序代码，微程序就像是用机器语言编写的程序代码。
Q: 程序和微程序分别用于实现什么功能？
A: 程序用于完成特定的功能，微程序用于描述机器指令。
记忆辅助: 程序是面向用户的，微程序是面向机器的。
Q: 微程序可以被用户修改吗？
A: 一般情况下，微程序不提供给用户，用户无法修改。
记忆辅助: 微程序是计算机设计者预先设计好的，对用户是透明的。
微指令的编码方式
Q: 微指令有哪些编码方式？
A: 直接编码方式、字段直接编码方式和字段间接编码方式。
记忆辅助: 可以将这三种编码方式理解为对微指令控制字段进行编码的三种不同策略。
Q: 直接编码方式有什么优缺点？
A: 优点是简单直观，执行速度快；
缺点是微指令字长过长，造成控制存储器容量大。
记忆辅助: 直接编码方式就像是用一个开关控制一个灯泡，简单直观，但如果要控制很多灯泡，就需要很多开关，造成电路复杂。
Q: 字段直接编码方式有什么优缺点？
A: 优点是缩短了微指令字长；
缺点是需要译码电路，执行速度比直接编码方式慢。
记忆辅助: 字段直接编码方式就像是用一个遥控器控制多个灯泡，可以减少开关的数量，但需要增加一个遥控器接收器，稍微复杂一些。
Q: 字段间接编码方式有什么优缺点？
A: 优点是进一步缩短了微指令字长；
缺点是削弱了微指令的并行控制能力，通常作为字段直接编码方式的辅助手段。
记忆辅助: 字段间接编码方式就像是用一个按钮控制多个预设的灯光场景，可以进一步减少控制器的复杂度，但灵活性也会降低。
微指令的地址形成方式
Q: 微指令的地址形成方式有哪些？
A: 1. 由微指令的后继地址字段指出。
2. 根据机器指令的操作码形成。
3. 增量计数器法。
4. 根据各种标志决定下一条微指令分支转移的地址。
5. 由硬件直接产生微程序入口地址。
记忆辅助: 可以将这五种地址形成方式理解为微程序控制器用来确定下一条要执行的微指令地址的五种不同方法。
水平型微指令与垂直型微指令的比较
Q: 水平型微指令和垂直型微指令有哪些区别？
A: 水平型微指令长，并行能力强，执行速度快，微程序短；垂直型微指令短，并行能力弱，执行速度慢，微程序长。
记忆辅助: 可以将水平型微指令想象成多车道高速公路，可以同时执行多个微操作，速度快；将垂直型微指令想象成单车道公路，一次只能执行一个微操作，速度慢。
硬布线控制器与微程序控制器的特点对比
Q: 硬布线控制器和微程序控制器各有什么优缺点？
A: 硬布线控制器速度快，但设计完成后难以修改和扩展；
微程序控制器速度较慢，但规整性、灵活性和可维护性好。
记忆辅助: 可以将硬布线控制器想象成专门定制的机器，效率高，但一旦设计完成就难以修改；
将微程序控制器想象成通用计算机，可以根据程序灵活地改变功能，但效率相对较低。
取指令操作的固有功能
Q: 取指令操作是否需要操作码的控制？
A: 不需要，取指令操作是控制器固有的功能。
记忆辅助: 取指令操作就像人吃饭前的“端碗”动作，是一个固定的流程，不需要根据食物的种类而改变。
组合逻辑控制器中微操作控制信号的形成
Q: 组合逻辑控制器中的微操作控制信号是如何产生的？
A: 由组合逻辑电路根据当前的指令码、状态和时序即时产生。
记忆辅助: 组合逻辑电路就像是一个函数，根据输入的指令码、状态和时序，输出相应的微操作控制信号。
微程序控制器中微程序入口地址的形成
Q: 微程序控制器中，微程序的入口地址是如何形成的？
A: 由机器指令的操作码字段经微地址形成部件形成。
记忆辅助: 可以将微地址形成部件想象成一个“翻译器”，它将机器指令的操作码“翻译”成微程序的入口地址。
微指令结构设计的目标
Q: 微指令结构设计有哪些目标？
A: 提高微程序的执行速度，提供微程序设计的灵活性，缩短微指令的长度。
记忆辅助: 可以简记为“快、灵活、短”。
微程序控制器速度慢的原因
Q: 微程序控制器为什么比硬布线控制器速度慢？
A: 因为微程序控制器需要从控制存储器中读取微指令，增加了时间消耗。
记忆辅助: 可以将微程序控制器比喻成需要查字典才能说话的人，而硬布线控制器就像能脱口而出的人，速度自然更快。
字段直接编码方式的特性
Q: 字段直接编码方式是如何对微指令的控制字段进行编码的？
A: 将微指令的操作控制字段分成若干小字段，互斥性微命令放在同一字段中，相容性微命令放在不同字段中。每个字段还要留出一个状态，表示本字段不发出任何微命令。
记忆辅助: 可以将字段直接编码方式想象成将一个大的控制面板分成多个小的控制区域，每个区域负责一组互斥的微命令。
水平型微指令与垂直型微指令的执行效率
Q: 水平型微指令和垂直型微指令哪种执行效率更高？
A: 水平型微指令执行效率更高，因为它能够并行执行多个微操作。
记忆辅助: 可以将水平型微指令想象成多核处理器，可以同时执行多个任务，而垂直型微指令就像单核处理器，一次只能执行一个任务。
控制存储器的实现方式
Q: 控制存储器通常采用什么类型的存储器芯片实现？
A: 通常采用ROM实现。
记忆辅助: 控制存储器中的微程序一般是固定的，所以采用ROM。
指令寄存器与微指令寄存器的区别
Q: 指令寄存器和微指令寄存器分别存放什么内容？
A: 指令寄存器存放从主存中读出的指令，微指令寄存器存放从控制存储器中读出的微指令。
记忆辅助: 可以将指令寄存器想象成CPU的“收件箱”，存放着来自主存储器的指令；将微指令寄存器想象成CPU的“工作台”，存放着当前正在执行的微指令。
微指令的后继地址字段
Q: 微指令的后继地址字段有什么作用？
A: 用于控制产生下一条要执行的微指令地址。
记忆辅助: 可以将后继地址字段想象成微指令中的“路标”，指引CPU找到下一条要执行的微指令。
指令执行速度的计算
Q: 如何计算指令的执行速度？
A: 指令执行速度 = 1 / (指令执行时间)，指令执行时间 = 主频周期 * CPU 周期 * 指令周期。
记忆辅助: 可以将指令执行速度理解为单位时间内能够执行的指令条数，指令执行时间越短，执行速度越快。
控制存储器容量的计算
Q: 如何计算控制存储器的容量？
A: 控制存储器的容量 = 微指令条数 * 每条微指令的位数。
记忆辅助: 可以将控制存储器想象成一个仓库，容量的大小取决于仓库中存放的物品数量和每个物品的大小。
微指令格式的设计
Q: 微指令有哪些格式？
A: 水平型微指令和垂直型微指令。
记忆辅助: 水平型微指令的格式比较“扁平”，每个字段对应一个控制信号或地址；垂直型微指令的格式比较“垂直”，类似于机器指令的格式。
指令执行过程中的微操作命令
Q: 立即寻址加法指令的执行过程是怎样的？
A: 1. T0: Ad(IR) → R1，立即数 → R1。
2. T1: (R1) + (ACC) → R2。
3. T2: (R2) → ACC。
记忆辅助: 可以将立即寻址加法指令的执行过程分解成三个步骤：
- 将立即数和操作数地址分别加载到寄存器R1和R2中。
- 将R1和ACC中的内容相加，结果存入R2中。
- 将R2中的结果写入ACC中。
Q: 取指周期的微操作命令过程是怎样的？
A: 1. T0: (PC) → MAR, 1 → R。
2. T1: M(MAR) → MDR, (PC) + 1 → R2。
3. T2: (MDR) → IR, OP(IR) → 微操作命令形成部件。
4. T3: (R2) → PC。
记忆辅助: 可以将取指周期的微操作命令过程分解成四个步骤：
- 将程序计数器PC的内容送入内存地址寄存器MAR，同时发出读内存的控制信号。
- 从内存中读取指令，存入内存数据寄存器MDR，同时将程序计数器PC加1。
- 将MDR中的指令送入指令寄存器IR，同时根据指令的操作码字段形成相应的微操作命令。
- 将PC更新为下一条指令的地址。