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计算机组成原理_第四版课后习题答案(完整版)
第一章
1. 比较数字计算机和模拟计算机的特点。
解:模拟计算机的特点:数值由连续量来表示,运算过程是连续的;
数字计算机的特点:数值由数字量(离散量)来表示,运算按位进行。
两者主要区别见P1 表1.1。
2. 数字计算机如何分类?分类的依据是什么?
解:分类: 数字计算机分为专用计算机和通用计算机。通用计算机又分为巨型机、大型机、
中型机、小型机、微型机和单片机六类。
分类依据:专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。
通用机的分类依据主要是体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、
指令系统规模和机器价格等因素。
3. 数字计算机有那些主要应用?
(略)
4. 冯. 诺依曼型计算机的主要设计思想是什么?它包括哪些主要组成部分?
解:冯. 诺依曼型计算机的主要设计思想是:存储程序和程序控制。
存储程序:将解题的程序(指令序列)存放到存储器中;
程序控制:控制器顺序执行存储的程序,按指令功能控制全机协调地完成运算任务。
主要组成部分有:控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。
5. 什么是存储容量?什么是单元地址?什么是数据字?什么是指令字?
解:存储容量:指存储器可以容纳的二进制信息的数量,通常用单位KB、MB、GB来度量,存储容
量越大,表示计算机所能存储的信息量越多,反映了计算机存储空间的大小。
单元地址:单元地址简称地址,在存储器中每个存储单元都有唯一的地址编号,称为单元地
址。
数据字: 若某计算机字是运算操作的对象即代表要处理的数据,则称数据字。
指令字: 若某计算机字代表一条指令或指令的一部分,则称指令字。
6. 什么是指令?什么是程序?
解:指令:计算机所执行的每一个基本的操作。
程序:解算某一问题的一串指令序列称为该问题的计算程序,简称程序。
7. 指令和数据均存放在内存中,计算机如何区分它们是指令还是数据?
解:一般来讲,在取指周期中从存储器读出的信息即指令信息;而在执行周期中从存储器中读出的
信息即为数据信息。
8. 什么是内存?什么是外存?什么是CPU?什么是适配器?简述其功能。
解:内存:一般由半导体存储器构成,装在底版上,可直接和CPU交换信息的存储器称为内存储
器,简称内存。用来存放经常使用的程序和数据。
外存:为了扩大存储容量,又不使成本有很大的提高,在计算机中还配备了存储容量更大的
磁盘存储器和光盘存储器,称为外存储器,简称外存。外存可存储大量的信息,计算
机需要使用时,再调入内存。
CPU:包括运算器和控制器。基本功能为:指令控制、操作控制、时间控制、数据加工。
适配器:连接主机和外设的部件,起一个转换器的作用,以使主机和外设协调工作。
9. 计算机的系统软件包括哪几类?说明它们的用途。
解:系统软件包括:(1)服务程序:诊断、排错等
(2)语言程序:汇编、编译、解释等
(3)操作系统
(4)数据库管理系统
用途:用来简化程序设计,简化使用方法,提高计算机的使用效率,发挥和扩大计算机的功能
及用途。
10. 说明软件发展的演变过程。
(略)
11. 现代计算机系统如何进行多级划分?这种分级观点对计算机设计会产生什么影响?
解:多级划分图见P16图1.6。可分为:微程序设计级、一般机器级、操作系统级、汇编语言级和
高级语言级。
用这种分级的观点来设计计算机,对保证产生一个良好的系统结构是有很大帮助的。
12. 为什么软件能够转化为硬件?硬件能够转化为软件?实现这种转化的媒介是什么?
(略)
13. “计算机应用”与”应用计算机”在概念上等价吗?用学科角度和计算机系统的层次结构来寿命你的观点。
(略)
第二章
1. 写出下列各数的原码、反码、补码、移码表示(用8位二进制数)。其中MSB是最高位(又是符号位)LSB是最低位。如果是小数,小数点在MSB之后;如果是整数,小数点在LSB之后。
(1) -35/64 (2) 23/128 (3) -127 (4) 用小数表示-1 (5) 用整数表示-1
解:(1)先把十进制数-35/64写成二进制小数:
(-35/64)10=(-100011/1000000)2=(-100011×2-110)2=(-0.100011)2
令x=-0.100011B
∴ [x]原=1.1000110 (注意位数为8位) [x]反=1.0111001
[x]补=1.0111010 [x]移=0.0111010
(2) 先把十进制数23/128写成二进制小数:
(23/128)10=(10111/10000000)2=(10111×2-111)2=(0.0001011)2
令x=0.0001011B
∴ [x]原=0.0001011 [x]反=0.0001011
[x]补=0.0001011 [x]移=1.0001011
(3) 先把十进制数-127写成二进制小数:
(-127)10=(-1111111)2
令x= -1111111B
∴ [x]原=1.1111111 [x]反=1.0000000
[x]补=1.0000001 [x]移=1.0000001
(4) 令x=-1.000000B
∴ 原码、反码无法表示
[x]补=1.0000000 [x]移=0.0000000
(5) 令Y=-1=-0000001B
∴ [Y]原=10000001 [Y]反=11111110
[Y]补=11111111 [Y]移=01111111
2. 设[X]补= a0,a1,a2…a6 , 其中ai取0或1,若要x>-0.5,求a0,a1,a2,…,a6 的取值。
解:a0= 1,a1= 0, a2,…,a6=1…1。
3. 有一个字长为32位的浮点数,阶码10位(包括1位阶符),用移码表示;尾数22位(包括1位尾符)用补码表示,基数R=2。请写出:
(1) 最大数的二进制表示;
(2) 最小数的二进制表示;
(3) 规格化数所能表示的数的范围;
(4) 最接近于零的正规格化数与负规格化数。
解:(1)1111111111 0111111111111111111111
(2)1111111111 1000000000000000000000
(3)1111111111 0111111111111111111111~0111111111 1000000000000000000000
(4)0000000000 0000000000000000000001~0000000000 1111111111111111111111
4. 将下列十进制数表示成浮点规格化数,阶码3位,用补码表示;尾数9位,用补码表示。
(1) 27/64
(2) -27/64
解:(1)27/64=11011B×=0.011011B=0.11011B×
浮点规格化数 : 1111 0110110000
(2) -27/64= -11011B×= -0.011011B= -0.11011B×
浮点规格化数 : 1111 1001010000
5. 已知X和Y, 用变形补码计算X+Y, 同时指出运算结果是否溢出。
(1)X=0.11011 Y=0.00011
(2)X= 0.11011 Y= -0.10101
(3)X=-0.10110 Y=-0.00001
解:(1)先写出x和y的变形补码再计算它们的和
[x]补=00.11011 [y]补=00.00011
[x+y]补=[x]补+[y]补=00.11011+00.00011=0.11110
∴ x+y=0.1111B 无溢出。
(2)先写出x和y的变形补码再计算它们的和
[x]补=00.11011 [y]补=11.01011
[x+y]补=[x]补+[y]补=00.11011+11.01011=00.00110
∴ x+y=0.0011B 无溢出。
(3)先写出x和y的变形补码再计算它们的和
[x]补=11.01010 [y]补=11.11111
[x+y]补=[x]补+[y]补=11.01010+11.11111=11.01001
∴ x+y= -0.10111B 无溢出
6. 已知X和Y, 用变形补码计算X-Y, 同时指出运算结果是否溢出。
(1) X=0.11011 Y= -0.11111
(2) X=0.10111 Y=0.11011
(3) X=0.11011 Y=-0.10011
解:(1)先写出x和y的变形补码,再计算它们的差
[x]补=00.11011 [y]补=11.00001 [-y]补=00.11111
[x-y]补=[x]补+[-y]补=00.11011+00.11111=01.11010
∵运算结果双符号不相等 ∴ 为正溢出
X-Y=+1.1101B
(2)先写出x和y的变形补码,再计算它们的差
[x]补=00.10111 [y]补=00.11011 [-y]补=11.00101
[x-y]补=00.10111+11.00101=11.11100
∴ x-y= -0.001B 无溢出
(3)先写出x和y的变形补码,再计算它们的差
[x]补=00.11011 [y]补=11.01101 [-y]补=00.10011
[x-y]补=[x]补+[-y]补=00.11011+00.10011=01.01110
∵运算结果双符号不相等 ∴ 为正溢出
X-Y=+1.0111B
7. 用原码阵列乘法器、补码阵列乘法器分别计算X×Y。
(1)X=0.11011 Y= -0.11111
(2)X=-0.11111 Y=-0.11011
解:(1)用原码阵列乘法器计算:
[x]补=0.11011 [y]补=1.00001
(0) 1 1 0 1 1
×) (1) 0 0 0 0 1
———————————-
(0) 1 1 0 1 1
(0) 0 0 0 0 0
(0) 0 0 0 0 0
(0) 0 0 0 0 0
(0) 0 0 0 0 0
(0) (1) (1) (0) (1) (1)
—————————————–
(1) 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1
[x×y]补=1.0010111011
∴ x×y= -0.1101000101
8. 用原码阵列除法器计算 X÷Y。
(1)X=0.11000 Y= -0.11111
(2)X=-0.01011 Y=0.11001
解:(1)[x]原=[x]补=0.11000 [-∣y∣]补=1.00001
被除数 X 0.11000
+[-∣y∣]补 1.00001
———————-
余数为负 1.11001 →q0=0
左移 1.10010
+[|y|]补 0.11111
———————-
余数为正 0.10001 →q1=1
左移 1.00010
+[-|y|]补 1.00001
———————-
余数为正 0.00011 →q2=1
左移 0.00110
+[-|y|]补 1.00001
———————-
余数为负 1.00111 →q3=0
左移 0.01110
+[|y|]补 0.11111
———————-
余数为负 1.01101 →q4=0
左移 0.11010
+[|y|]补 0.11111
———————-
余数为负 1.11001 →q5=0
+[|y|]补 0.11111
———————-
余数 0.11000
故 [x÷y]原=1.11000 即 x÷y= -0.11000B
余数为 0.11000B×
9. 设阶为5位(包括2位阶符), 尾数为8位(包括2位数符), 阶码、尾数均用补码表示, 完成下列取值的[X+Y],[X-Y]运算:
(1)X=×0.100101 Y=×(-0.011110)
(2)X=×(-0.010110) Y=×(0.010110)
解:(1)将y规格化得:y=×(-0.111100)
[x]浮=1101,00.100101 [y]浮=1101,11.000100 [-y]浮=1101,00.111100
① 对阶
[ΔE]补=[Ex]补+[-Ey]补=1101+0011=0000
∴ Ex=Ey
② 尾数相加
相加 相减
00.100101 00.100101
+ 11.000100 + 00.111100
———— ————–
11.101001 01.100001
[x+y]浮=1101,11.101001 左规 [x+y]浮=1100,11.010010
∴ x+y=×(-0.101110)
[x-y]浮=1101,01.100001 右规 [x-y]浮=1110,00.1100001
舍入处理得 [x-y]浮=1110,00.110001
∴ x-y=×0.110001
(2) [x]浮=1011,11.101010 [y]浮=1100,00.010110 [-y]浮=1100,11.101010
① 对阶
[ΔE]补=[Ex]补+[-Ey]补=1011+0100=1111
∴ △E= -1 [x]浮=1100,11.110101(0)
② 尾数相加
相加 相减
11.110101(0) 11.110101(0)
+ 00.010110 + 11.101010
————– ——————
00.001011(0) 11.011111(0)
[x+y]浮=1100,00.001011(0) 左规 [x+y]浮=1010,00.1011000
∴ x+y=×0.1011B
[x-y]浮=1100,11.011111(0)
∴ x-y=×(-0.100001B)
13. 某加法器进位链小组信号为C4C3C2C1 ,低位来的信号为C0 ,请分别按下述两种方式写出C4C3C2C1的逻辑表达式。
(1) 串行进位方式 (2) 并行进位方式
解 :(1)串行进位方式:
C1 = G1 + P1 C0 其中: G1 = A1 B1 , P1 = A1⊕B1
C2 = G2 + P2 C1 G2 = A2 B2 , P2 = A2⊕B2
C3 = G3 + P3 C2 G3 = A3 B3 , P3 = A3⊕B3
C4 = G4 + P4 C3 G4 = A4 B4 , P4 = A4⊕B4
(2) 并行进位方式:
C1 = G1 + P1 C0
C2 = G2 + P2 G1 + P2 P1 C0
C3 = G3 + P3 G2 + P3 P2 G1 + P3 P2 P1 C0
C4 = G4 + P4 G3 + P4 P3 G2 + P4 P3 P2 G1 + P4 P3 P2 P1 C0
其中 G1-G4 ,P1-P4 表达式与串行进位方式相同。
14. 某机字长16位,使用四片74181组成ALU,设最低位序标注为0位,要求:
(1)写出第5位的进位信号C6的逻辑表达式;
(2)估算产生C6所需的最长时间;
(3)估算最长的求和时间。
解:(1) 组成最低四位的74181进位输出为:C4=G+P C0 ,C0为向第0位的进位
其中:G=y3+x3y2+x2x3y1+x1x2x3y0, P=x0x1x2x3
所以 :C5=y4+x4C4
C6=y5+x5C5=y5+x5y4+x5x4C4
(2) 设标准门延迟时间为T,”与或非”门延迟时间为1.5T,则进位信号C0由最低位传送至C6需经一个反相器,两级”与或非”门,故产生C6的最长延迟时间为:
T+2×1.5T=4T
(3)最长求和时间应从施加操作数到ALU算起:第一片74181有3级”与或非”门(产生控制参数x0,y0Cn+4),第二、第三片74181共2级反相器和2级”与或非”门(进位链),第四片74181求和逻辑(1级”与或非”门和1级半加器,其延迟时间为3T),故总的加法时间为:
T=3×1.5T+2T+2×1.5T+1.5T+1.5T+3T=14T
17.设A,B,C是三个16位的通用寄存器,请设计一个16位定点补码运算器,能实现下述功能:
(1) A±B→A
(2) B×C→A, C(高位积在寄存器A中)
(3) A÷B→C(商在寄存器C中)
解:设计能完成加、减、乘、除运算的16位定点补码运算器框图。
分析各寄存器作用:
加 减 乘 除
A 被加数→和 同左 初始为0 被除数→余数
部分积→乘积(H) 除数
B 加数 同左 被乘数
C – – 乘数→乘积(L) 商
∴ A:累加器(16位),具有输入、输出、累加功能及双向移位功能;
B:数据寄存器(16位),具有输入、输出功能;
C:乘商寄存器(16位),具有输入、输出功能及双向移位功能。
画出框图:
第三章
1.有一个具有20位地址和32位字长的存储器,问:
(1) 该存储器能存储多少个字节的信息?
(2) 如果存储器由512K×8位SRAM芯片组成,需要多少芯片?
(3) 需要多少位地址作芯片选择?
解:(1)∵ 220= 1M, ∴ 该存储器能存储的信息为:1M×32/8=4MB
(2)(1000/512)×(32/8)= 8(片)
(3) 需要1位地址作为芯片选择。
2. 已知某64位机主存采用半导体存储器,其地址码为26位,若使用256K×16位的DRAM芯片组成该机所允许的最大主存空间,并选用模块板结构形式,问:
(1) 每个模块板为1024K×64位,共需几个模块板?
(2) 个模块板内共有多少DRAM芯片?
(3)主存共需多少DRAM芯片? CPU如何选择各模块板?
解:(1). 共需模块板数为m:
m=÷=64 (块)
(2). 每个模块板内有DRAM芯片数为n:
n=(/) ×(64/16)=16 (片)
(3) 主存共需DRAM芯片为:16×64=1024 (片)
每个模块板有16片DRAM芯片,容量为1024K×64位,需20根地址线(A19~A0)完成模块
板内存储单元寻址。一共有64块模块板,采用6根高位地址线(A25~A20),通过
6:64译码器译码产生片选信号对各模块板进行选择。
3. 用16K×8位的DRAM芯片组成64K×32位存储器,要求:
(1) 画出该存储器的组成逻辑框图。
(2) 设存储器读/写周期为0.5μS, CPU在1μS内至少要访问一次。试问采用哪种刷新方式比较合理?两次刷新的最大时间间隔是多少?对全部存储单元刷新一遍所需的实际刷新时间是多少?
解:(1)组成64K×32位存储器需存储芯片数为
N=(64K/16K)×(32位/8位)=16(片)
每4片组成16K×32位的存储区,有A13-A0作为片内地址,用A15 A14经2:4译码器产生片选信号 ,逻辑框图如下所示:
(2)依题意,采用异步刷新方式较合理,可满足CPU在1μS内至少访问内存一次的要求。
设16K×8位存储芯片的阵列结构为128行×128列,按行刷新,刷新周期T=2ms,则异步
刷新的间隔时间为:
则两次刷新的最大时间间隔发生的示意图如下
可见,两次刷新的最大时间间隔为tmax
tmax=15.5-0.5=15 (μS)
对全部存储单元刷新一遍所需时间为t R
t R =0.5×128=64 (μS)
7.某机器中,已知配有一个地址空间为0000H-3FFFH的ROM区域。现在再用一个RAM芯片(8K×8)形成40K×16位的RAM区域,起始地址为6000H,假定RAM芯片有和信号控制端。CPU的地址总线为A15-A0,数据总线为D15-D0,控制信号为R/(读/写), (访存),要求:
(1) 画出地址译码方案。
(2) 将ROM与RAM同CPU连接。
解:(1)依题意,主存地址空间分布如右图所示,可选用2片27128(16K×8位)的EPROM作为
ROM区;10片的8K×8位RAM片组成40K×16位的RAM区。27128需14位片内地址,而RAM需13位
片内地址,故可用A15-A13三位高地址经译码产生片选信号,方案如下:
(2)
8. 存储器容量为64M,字长64位,模块数m = 8,分别用顺序方式和交叉方式进行组织。存储周期T = 100ns,数据总线宽度为64位,总线周期τ = 10ns .问顺序存储器和交叉存储器的带宽各是多少?
解:信息总量: q = 64位 ×8 =512位
顺序存储器和交叉存储器读出8个字的时间分别是:
t2 = m T = 8×100ns =8×10 (s)
t1 = T + (m – 1) = 100 + 7×10 = 1.7 ×10 (s)
顺序存储器带宽是:
W2 = q / t2 = 512÷(8×10 )= 64 ×10(位/ S)
交叉存储器带宽是:
W1 = q / t1 = 512÷(1.7 ×10)= 301 ×10 (位/ S)
9. CPU执行一段程序时, cache完成存取的次数为2420次,主存完成存取的次数为80
次,已知cache存储周期为40ns,主存存储周期为240ns,求cache/主存系统的效率和平均访问时间。
解:先求命中率h
h=nc/(nc +nm )=2420÷(2420+80)=0.968
则平均访问时间为ta
ta=0.968×40+(1-0.968) ×240=46.4(ns)
r =240÷40=6
cache/主存系统的效率为e
e=1/[r+(1-r)×0.968]=86.2%
10.已知Cache存储周期40ns,主存存储周期200ns,Cache/主存系统平均访问时间为50ns,求Cache的命中率是多少?
解: ∵ ta = tc× h +tr×(1-h)
∴ h =(ta-tr)/(tc-tr)=(50-200)/(40-200)=15/16=0.94
11.主存容量为4MB,虚存容量为1GB,则虚存地址和物理地址各为多少位?如页面大小为4KB,则页表长度是多少?
解:已知主存容量为4MB,虚存容量为1GB
∵ =4M ∴物理地址为22位
又 ∵ =1G ∴虚拟地址为30位
页表长度为 1GB÷4KB=230÷212=218=256K
14.假设主存只有a,b,c三个页框,组成a进c出的FIFO队列,进程访问页面的序列是0,1,2.4,2,3,0,2,1.3,2号。用列表法求采用LRU替换策略时的命中率。
解:
∴命中率为
15.从下列有关存储器的描述中,选择出正确的答案:
A. 多体交叉存储主要解决扩充容量问题;
B. 访问存储器的请求是由CPU发出的;
C. Cache与主存统一编址,即主存空间的某一部分属于Cache;
D. Cache的功能全由硬件实现。
解: D
16.从下列有关存储器的描述中,选择出正确的答案:
A.在虚拟存储器中,外存和主存一相同的方式工作,因此允许程序员用比主存空间大得
多的外存空间编程;
B.在虚拟存储器中,逻辑地址转换成物理地址是由硬件实现的,仅在页面失效时才由操
作系统将被访问页面从外存调到内存,必要时还要先把被淘汰的页面内容写入外存;
C.存储保护的目的是:在多用户环境中,既要防止一个用户程序出错而破坏系统软件或
其他用户程序,又要防止一个用户访问不是分配给他的主存区,以达到数据安全和保
密的要求。
解:C
第四章
1.ASCll码是7位,如果设计主存单元字长为32位,指令字长为12位,是否合理?为什
么?
解:指令字长设计为12位不是很合理。主存单元字长为32位,一个存储单元可存放4个ASCII码,
余下4位可作为ASCII码的校验位(每个ASCII码带一位校验位),这样设计还是合理的。
但是,设计指令字长为12 位就不合理了,12位的指令码存放在字长32位的主存单元中,
造成19位不能用而浪费了存储空间。
2.假设某计算机指令长度为20位,具有双操作数、单操作数、无操作数三类指令形式,每个操作数地址规定用6位表示。问:
若操作码字段固定为8位,现已设计出m条双操作数指令,n条无操作数指令,在此情况下,这台计算机最多可以设计出多少条单操作数指令?
解:这台计算机最多可以设计出256-m-n条单操作数指令
3.指令格式结构如下所示,试分析指令格式及寻址方式特点。
解:指令格式及寻址方式特点如下:
① 单字长二地址指令;
② 操作码OP可指定=64条指令;
③ RR型指令,两个操作数均在寄存器中,源和目标都是通用寄存器(可分别指定16个寄存器
之一);
④ 这种指令格式常用于算术逻辑类指令。
4.指令格式结构如下所示,试分析指令格式及寻址方式特点。
解:指令格式及寻址方式特点如下:
① 双字长二地址指令;
② 操作码OP可指定=64条指令;
③ RS型指令,两个操作数一个在寄存器中(16个寄存器之一),另一个在存储器中;
④ 有效地址通过变址求得:E=(变址寄存器)± D,变址寄存器可有16个。
5.指令格式结构如下所示,试分析指令格式及寻址方式特点。
解:指令格式及寻址方式特点如下:
① 单字长二地址指令;
② 操作码OP可指定=16条指令;
③ 有8个通用寄存器,支持8种寻址方式;
④ 可以是RR型指令、SS型指令、RS型指令、
6.一种单地址指令格式如下所示,其中I为间接特征,X为寻址模式,D为形式地址。I,X,D组成该指令的操作数有效地址E。设R为变址寄存器,R1 为基值寄存器,PC为程序计数器,请在下表中第一列位置填入适当的寻址方式名称。
解: ① 直接寻址
② 相对寻址
③ 变址寻址
④ 基址寻址
⑤ 间接寻址
⑥ 基址间址寻址
7.某计算机字长16位,主存容量为64K字,采用单字长单地址指令,共有40条指令,试采用直接、立即、变址、相对四种寻址方式设计指令格式。
解:40条指令需占用操作码字段(OP)6位,这样指令余下长度为10位。为了覆盖主存640K字的地
址空间,设寻址模式(X)2位,形式地址(D)8位,其指令格式如下:
寻址模式定义如下:
X= 0 0 直接寻址 有效地址 E=D(直接寻址为256个存储单元)
X= 0 1 立即寻址 D字段为操作数
X= 1 0 变址寻址 有效地址 E= (RX)+D (可寻址64K个存储单元)
X= 1 1 相对寻址 有效地址 E=(PC)+D (可寻址64K个存储单元)
其中RX为变址寄存器(16位),PC为程序计数器(16位),在变址和相对寻址时,位移量D可 正可负。
8.某机字长为32位,主存容量为1M,单字长指令,有50种操作码,采用页面寻址、立即、直接等寻址方式。CPU中有PC,IR,AR, DR和16个通用寄存器,页面寻址可用PC高位部分与形式地址部分拼接成有效地址。问:
(1)指令格式如何安排?
(2)主存能划分成多少页面?每页多少单元?
(3)能否增加其他寻址方式?
解: (1)依题意,指令字长32位,主存1M字,需20位地址A19-A0。50种操作码,需6位OP,指令
寻址方式Mode为2位,指定寄存器Rn需4位。设有单地址指令、双地址指令和零地址指
令,现只讨论前二种指令。
单地址指令的格式为:
Mode=00时为立即寻址方式,指令的23-0位为立即数;
Mode=01时为直接寻址方式,指令的19-0位为有效地址。
双地址指令的格式为:
Mode1=01时为寄存器直接寻址方式,操作数S=(Rn);
Mode1=11时为寄存器间址寻址方式, 有效地址E=(Rn)。
Mode2=00时为立即寻址方式,指令的13-0位为立即数;
Mode2=01时为页面寻址方式;
Mode2=10时为变址寻址方式,E=(Rn)+D;
Mode2=11时为变址间址寻址方式, E=((Rn)+D)。
(2)由于页面寻址方式时,D为14位,所以页面大小应为=16K字,则1M字可分为
=64个页面。可由PC的高6位指出页面号。
(3)能增加其它寻址方式,例上述间址方式、变址间址寻址方式。
14. 从以下有关RISC的描述中,选择正确答案。
A.采用RISC技术后,计算机的体系结构又恢复到早期的比较简单的情况。
B.为了实现兼容,新设计的RISC,是从原来CISC系统的指令系统中挑选一部分实现的。
C.RISC的主要目标是减少指令数,提高指令执行效率。
D.RISC设有乘、除法指令和浮点运算指令。
解: C
15. 根据操作数所在位置,指出其寻址方式(填空):
(1)操作数在寄存器中,为(A)寻址方式。
(2)操作数地址在寄存器,为(B)寻址方式。
(3)操作数在指令中,为(C)寻址方式。
(4)操作数地址(主存)在指令中,为(D)寻址方式
(5)操作数的地址,为某一寄存器内容与位移量之和可以是(E,F,G)寻址方式。
解:A:寄存器直接; B: 寄存器间接; C:立即;
D: 直接; E:相对; F:基值;G:变址
第五章
1.请在括号内填入适当答案。在CPU中:
(1) 保存当前正在执行的指令的寄存器是(指令寄存器IR);
(2) 保存当前正要执行的指令地址的寄存器是(程序计数器PC);
(3) 算术逻辑运算结果通常放在(通用寄存器 )和(数据缓冲寄存器DR )。
2.参见下图(课本P166图5.15)的数据通路。画出存数指令”STA R1 ,(R2)”的指令周期
流程图,其含义是将寄存器R1的内容传送至(R2)为地址的主存单元中。标出各微操作信
号序列。
解:”STA R1 ,(R2)”指令是一条存数指令,其指令周期流程图如下图所示:
3.参见课本P166图5.15的数据通路,画出取数指令”LDA(R3),RO”的指令周期流程图,
其含义是将(R3)为地址的主存单元的内容取至寄存器R0中,标出各微操作控制信号序列。
5.如果在一个CPU周期中要产生3个脉冲 T1 = 200ns ,T2 = 400ns ,T3 = 200ns,试画出
时序产生器逻辑图。
解:节拍脉冲T1 ,T2 ,T3 的宽度实际等于时钟脉冲的周期或是它的倍数,此时T1 = T3 =200ns ,
T2 = 400 ns ,所以主脉冲源的频率应为 f = 1 / T1 =5MHZ 。为了消除节拍脉冲上的毛刺,环
型脉冲发生器可采用移位寄存器形式。下图画出了题目要求的逻辑电路图和时序信号关系。根据关
系,节拍脉冲T1 ,T2 ,T3 的逻辑表达式如下:
T1 = C1· , T2 = , T3 =
6.假设某机器有80条指令,平均每条指令由4条微指令组成,其中有一条取指微指令是所有指
令公用的。已知微指令长度为32位,请估算控制存储器容量。
解:微指令条数为:(4-1)×80+1=241条
取控存容量为:256×32位=1KB
7. 某ALU器件使用模式控制码M,S3,S2,S1,C来控制执行不同的算术运算和逻辑操作。
下表列出各条指令所要求的模式控制码,其中y为二进制变量,F为0或1任选。
试以指令码(A,B,H,D,E,F,G)为输入变量,写出控制参数M,S3,S2,S1,C的逻
辑表达式。
解: M=G
S3=H+D+F
S2=1
C=H+D+(E+F)y
8.某机有8条微指令I1-I8,每条微指令所包含的微命令控制信号如下表所示。
a-j分别对应10种不同性质的微命令信号。假设一条微指令的控制字段为8位,请安排微指 令的控制字段格式。
解:经分析,(e ,f ,h)和(b, i, j)可分别组成两个小组或两个字段,然后进行译码,可得六个
微命令信号,剩下的a, c, d, g 四个微命令信号可进行直接控制,其整个控制字段组成如
下:
11.已知某机采用微程序控制方式,其控制存储器容量为 512×48(位)。微程序可在整个控
制存储器中实现转移,可控制微程序转移的条件共4个,微指令采用水平型格式,后继微
指令地址采用断定方式。请问:
(1)微指令中的三个字段分别应为多少位?
(2)画出围绕这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。
解:
(l)假设判别测试字段中每一位作为一个判别标志,那么由于有4个转移条件,故该字段为4位;
又因为控存容量为512单元,所以下地址字段为9位,。微命令字段则是:
(48-4-9)= 35位。
(2)对应上述微指令格式的微程序控制器逻辑框图如下图所示。其中微地址寄存器对应下地址
字,P字段即为判别测试字段,控制字段即为微命令字段,后两部分组成微指令寄存器。地 址转移逻辑的输入是指令寄存器的OP码、各种状态条件以及判别测试字段所给的判别标志
(某一位为1),其输出用于控制修改微地址寄存器的适当位数,从而实现微程序的分支转移 (此例微指令的后继地址采用断定方式)。
12.今有4级流水线分别完成取值、指令译码并取数、运算、送结果四步操作,
今假设完成各步操作的时间依次为100ns,100ns,80ns,50ns。
请问:(1)流水线的操作周期应设计为多少?
(2)若相邻两条指令发生数据相关,而且在硬件上不采取措施,那么第二条指令要
推迟多少时间进行。
(3)如果在硬件设计上加以改进,至少需推迟多少时间?
解:
(1) 流水线的操作时钟周期 t应按四步操作中最长时间来考虑, 所以t=100ns;
(2) 两条指令发生数据相关冲突情况::
ADD R1,R2,R3 ; R2+R3→R1
SUB R4,R1,R5 ; R1-R5→R4
两条指令在流水线中执行情况如下表所示:
ADD指令在时钟4时才将结果写入寄存器R1中, 但SUB指令在时钟3时就需读寄存器R1了,显然发生
数据相关,不能读到所需数据,只能等待。如果硬件上不采取措施,第2条指令SUB至少应推迟2个
操作时钟周期,即t=2×100ns=200ns;
(3)如果硬件上加以改进(采取旁路技术),这样只需推迟1个操作时钟周期就能得到所需数据,
即t=100ns。
15.用定量描述法证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。
解:衡量并行处理器性能的一个有效参数是数据带宽(最大吞吐量),它定义为单位时间内可以产生
的最大运算结果个数。
设P1是有总延时T1的非流水处理器,故其带宽为1/T1。又设Pm是相当于P1 m 段流水处理器延迟时 间Tr,故Pm的带宽为1/(Tc+Tr)。如果Pm是将P1划分成相同延迟的若干段形成的,则T1≈mTc 因
此P1的带宽接近于1/mTc,由此可见,当mTc>Tc+Tr满足时,Pm比P1具有更大的带宽。
16. 流水线中有三类数据相关冲突:写后读(RAW)相关;读后写(WAR)相关;写后写
(WAW)相关。判断以下三组指令各存在哪种类型的数据相关。
(1) I1 LAD R1,A ; M(A)→R1,M(A)是存储器单元
I2 ADD R2,R1 ;(R2)+(R1)→R2
(2) I3 ADD R3,R4 ;(R3)+(R4)→R3
I4 MUL R4,R5 ;(R4)×(R5)→ R4
(3) I5 LAD R6,B ; M(B)→R6,M(B)是存储器单元
I6 MUL R6,R7 ;(R6)×(R7)→ R6
解:(1)写后读(RAW)相关;
(2)读后写(WAR)相关,但不会引起相关冲突;
(3)写后读(RAW)相关、写后写(WAW)相关
17.参考教科书图5.42所示的超标量流水线结构模型,现有如下6条指令序列:
I1 LAD R1, B; M(B) → R1,M(B)是存储器单元
I2 SUB R2, R1; (R2)-(R1) → R2
I3 MUL R3, R4; (R3)×(R4) → R3
I4 ADD R4, R5; (R4)+(R5) → R4
I5 LAD R6, A; M(A) → R6,M(A)是存储器单元
I6 ADD R6, R7; (R6)+(R7) →R6
请画出:(1) 按序发射按序完成各段推进情况图。
(2) 按序发射按序完成的流水线时空图。
解:(1)
(2)
第六章
1.比较单总线、双总线、三总线结构的性能特点。
3. 用异步通信方式传送字符”A”和”8″,数据有7位,偶校验1 位。起始位1位,
停止位l位,请分别画出波形图。
解: 字符A的ASCII码为 41H=1000001B;
字符8的ASCII码为 38H=0111000B;
串行传送波形图为:
注: B:起始位
C:校验位
S:停止位
8.同步通信之所以比异步通信具有较高的传输频率,是因为同步通信____。
A.不需要应答信号;
B.总线长度较短;
C.用一个公共时钟信号进行同步;
D.各部件存取时间比较接近。
解: C
9. 在集中式总线仲裁中,____方式响应时间最快,____方式对____最敏感。
A.菊花链方式 B.独立请求方式 C.电路故障 D.计数器定时查询方式
解: B A C
10. 采月串行接口进行7位ASCII码传送,带有1位奇校验位,l位起始位和1位停止位,当传输率为9600波特时,字符传送速率为____。
A.960 B.873. C.1372 D.480
解: A
11.系统总线中地址线的功能是______。
A. 选择主存单元地址
B. 选择进行信息传输的设备
C. 选择外存地址
D. 指定主存和I/O设备接口电路的地址
解: D
12.系统总线中控制器的功能是______。
A. 提供主存、I/O接口设备的控制信号和响应信号
B. 提供数据信息
C. 提供时序信号
D. 提供主存、I/O接口设备的响应信号
解: D
14. PCI是一个与处理器无关的_____,它采用____时序协议和____式仲裁策略,并具有____能力。
A.集中 B.自动配置 C.同步 D.高速外围总线
解:D C A B
15. PCI总线的基本传输机制是____传送。利用____可以实现总线间的____传送,使所有的存取都按CPU的需要出现在总线上。PCI允许____总线____工作。
A.桥 B.猝发式 C.并行 D.多条 E. 猝发式
解: B A C D E
17.PCI总线中三种桥的名称是什么?桥的功能是什么?
解:PCI总线有三种桥,即HOST / PCI桥(简称HOST桥),PCI / PCI桥和PCI / LAGACY桥。
在PCI总线体系结构中,桥起着重要作用:
(1) 接两条总线,使总线间相互通信;
(2) 是一个总线转换部件,可以把一条总线的地址空间映射到另一条总线的地址空间上,
从而使系统中任意一个总线主设备都能看到同样的一份地址表。
(3) 利用桥可以实现总线间的卒发式传送。
19.总线的一次信息传送过程大致分哪几个阶段?若采用同步定时协议,请画出
读数据的同步时序图。
解:分五个阶段:请求总线、总线仲裁、寻址(目的地址)、信息传送、状
态返回(错误报告)。读数据的同步时序图为:
20.某总线在一个总线周期中并行传送8个字节的数据,假设一个总线周期等于一个总线时钟周期,总线时钟频率为70MHZ ,求总线带宽是多少?
解:设总线带宽用Dr表示,总线时钟周期用T = 1/f表示,一个总线周期传送的数据量用D表示,
根据定义可得:
Dr = T / D = D ×1/f=8B×70×106/s = 560MB/
第七章
1. 计算机的外围设备是指( )
A.输入/输出设备 B. 外存储器
C. 输入/输出设备及外存储器 D. 除了CPU和内存以外的其他设备
解: D
2.打印机根据印字方式可以分为( )和( )两大类,在( )类打印机中,只有( )型打印机能打印汉字,请从下面答案中选择填空。
A. 针型打印机 B. 活字型打印机
C. 击打式 D. 非击打式
解:C D C A
5.试推导磁盘存贮器读写一块信息所需总时间的公式。
解:设读写一块信息所需总时间为Tb,平均找道时间为Ts,平均等待时间为TL,读写一块信息的
传输时间为Tm,则:Tb=Ts+TL+Tm。假设磁盘以每秒r转速率旋转,每条磁道容量为N个字,
则数据传输率=rN个字/秒。又假设每块的字数为n,因而一旦读写头定位在该块始端,就能在
Tm≈(n / rN)秒的时间中传输完毕。TL是磁盘旋转半周的时间,TL=(1/2r)秒,
由此可得:
Tb=Ts+1/2r+n/rN 秒
7.某磁盘存贮器转速为3000转 / 分,共有4个记录面,每毫米5道,每道记录信息为12288字节,最小磁道直径为230mm,共有275道。问:
(1) 磁盘存贮器的容量是多少?
(2) 最高位密度与最低位密度是多少?
(3) 磁盘数据传输率是多少?
(4) 平均等待时间是多少?
(5) 给出一个磁盘地址格式方案。
解:
(1) 每道记录信息容量 = 12288字节
每个记录面信息容量 = 275×12288字节
共有4个记录面,所以磁盘存储器总容量为 :
4 ×275×12288字节 = 13516800字节
(2) 最高位密度D1按最小磁道半径R1计算(R1 = 115mm):
D1 = 12288字节 / 2πR1 = 17字节 / mm
最低位密度D2按最大磁道半径R2计算:
R2 = R1 + (275 ÷ 5) = 115 + 55 = 170mm
D2 = 12288字节 / 2πR2 = 11.5 字节 / mm
(3) 磁盘传输率 C = r · N
r = 3000 / 60 = 50 周 / 秒
N = 12288字节(信道信息容量)
C = r · N = 50 × 12288 = 614400字节 / 秒
(4)平均等待时间 = 1/2r = 1 / (2×50) = 10毫秒
(5)磁盘存贮器假定只有一台,所以可不考虑台号地址。有4个记录面,每个记录面有275个磁
道。假定每个扇区记录1024个字节,则需要12288 ÷1024字节 = 12个扇区。由此可得如
下地址格式:
14.有一台磁盘机,其平均寻道时间为了30ms,平均旋转等待时间为120ms,数据传输速率为500B/ms,磁盘机上存放着1000件每件3000B 的数据。现欲把一件数据取走,更新后在放回原地,假设一次取出或写入所需时间为:
平均寻道时间+平均等待时间+数据传送时间
另外,使用CPU更新信息所需时间为4ms, 并且更新时间同输入输出操作不相重叠。
试问:
(1) 盘上全部数据需要多少时间?
(2) 若磁盘及旋转速度和数据传输率都提高一倍,更新全部数据需要多少间?
解:(1)磁盘上总数据量 = 1000×3000B = 3000000B
读出全部数据所需时间为 3000000B ÷ 500B / ms = 6000ms
重新写入全部数据所需时间 = 6000ms
所以,更新磁盘上全部数据所需的时间为 :
2×(平均找道时间 + 平均等待时间 + 数据传送时间 )+ CPU更新时间
= 2(30 + 120 + 6000)ms + 4ms = 12304ms
(2) 磁盘机旋转速度提高一倍后,平均等待时间为60ms;
数据传输率提高一倍后,数据传送时间变为:
3000000B ÷ 1000B / ms = 3000ms
更新全部数据所需时间为:
2 ×(30 + 60 + 3000)ms + 4ms = 6184ms
17. 刷新存储器的重要性能指标是它的带宽。若显示工作方式采用分辨率为1024×768,颜色深度为24位,帧频(刷新速率)为72HZ,求:
(1)刷新存储器的存储容量是多少?
(2)刷新存储器的贷款是多少?
解:(1)因为刷新存储器所需存储容量 = 分辨率 × 每个像素点颜色深度
∴ 1024 × 768 × 3B ≈ 4MB
(2)因为刷新所需带宽 = 分辨率 × 每个像素点颜色深度 × 刷新速度
∴ 1024 × 768 × 3B × 72 / S = 165888KB / S ≈ 162MB / S
第八章
1.如果认为CPU等待设备的状态信号是处于非工作状态(即踏步等待),那么在下面几种主机与设备之间的数据传送中:( )主机与设备是串行工作的;( )主机与设备是并行工作的;( )主程序与设备是并行运行的。
A.程序查询方式 B. 程序中断方式 C. DMA方式
解: A C B
2.中断向量地址是_____。
A.子程序入口地址 B. 中断服务程序入口地址
C.中断服务程序入口地址指示器 C. 例行程序入口地址
解: C
3.利用微型机制作了对输入数据进行采样处理的系统。在该系统中,每抽取一个输入数据就要中断CPU一次,中断处理程序接受采样的数据,将其放到主存的缓冲区内。该中断处理需时x秒,另一方面缓冲区内每存储n个数据,主程序就将其取出进行处理,这种处理需时y秒。因此该系统可以跟踪到每秒_____次的中断请求。
A.N/(n×x+y) B. N/(x+y)×n C. Min(1/x, n/y)
解: A
4.采用DMA方式传送数据时,每传送一个数据就要占用一个____的时间。
A. 指令周期 B. 机器周期
C. 存储周期 D. 总线周期
解: C
5.通道的功能是:(1)________,(2)______。按通道的工作方式分,通道有______通道、_______通道和______通道三种类型。
解:(1)执行通道指令,组织外围设备和内存进行数据传输;
(2)执行CPU的I/O指令,以及向CPU报告中断。
选择通道、字节多路通道、数组多路通道
6.在教科书图8.7中,当CPU对设备B的中断请求进行服务时,如设备A提出请求,CPU能够响应中断吗?为什么?如果设备B一提出请求总能立即得到服务,问怎样调整才能满足此要求?
解:(1)CPU不能响应中断
(2)因为同级中断不能嵌套,而A、B设备属于同级中断
(3)如果想要设备B一提出请求即能得到服务,则应该使设备B为最高优先级,这里可将设备 B单独接至3级IR,处于最高优先级。
8.设某机有5级中断:L0,L1,L2,L3,L4, 其中断响应优先次序为:L0最高,L1次
之,L4最低。现在要求将中断处理次序改为L1→L3→L0→L4→L2,试问:
(1) 下表中各级中断处理程序的各中断级屏蔽值如何设置(每级对应一位,该位
为”0″表示允许中断,该位为”1″表示中断屏蔽)?
(2) 若这5级中断同时都发出中断请求,按更改后的次序画出进入各级中断处理程
序的过程示意图。
解:(1)
(2)
9.某机器CPU中有16个通用寄存器,运行某中断处理程序时仅用到其中2个寄存器,请问响应中断而进入该中断处理程序时,是否要将通用寄存器内容保存到主存中去?需保存几个寄存器?
解:响应中断而进入该中断处理程序时,需将通用寄存器内容保存到主存中去,但为减少中断处
理时间,不必保存所有通用寄存器内容,这里只需将2个中断处理程序中用到的寄存器内容
保存起来。
12.下列陈述中正确的是_____。
A. 在DMA周期内,CPU不能执行程序
B. 中断发生时,CPU首先执行入栈指令将程序计数器内容保护起来
C. DMA传送方式中,DMA控制器每传送一个数据就窃取一个指令周期
D. 输入输出操作的最终目的是要实现CPU与外设之间的数据传输
解: D
13.Pentium系统有两类中断源:①由CPU外部的硬件信号引发的称为_____,它分为可屏蔽______和非屏蔽_____;②由指令引发的称为_______,其中一种是执行______,另一种是_______。
解:① 外部中断 INTR NMI
② 异常中断 执行软件中断指令引发的 出错或故障引发的
14.IEEE1394是______I/O标准接口,与SCSI_____I/O标准接口相比,它具有更高的______,更强的_______,提及_____,连接方便。
解:B A C D E
15.SCSI是系统级_____,是处于主适配器和智能设备控制器之间的_____I/O接口。SCSI-3标准允许SCSI总线上连接的设备由______个提高到_____个,可支持_____位数据传输。
A. 并行 B. 接口 C. 16 D. 8 E. 32
解: B A D C D
18.若设备的优先级依次为CD-ROM、扫描仪、硬盘、磁带机、打印机,请用标准接口SCSI进行配置,画出配置图。
解:PCI HBA → CD-ROM → 扫描仪 → 硬盘 → 磁带机 → 打印机 → 终端器
发布者:全栈程序员-用户IM,转载请注明出处:https://javaforall.cn/167507.html原文链接:https://javaforall.cn
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