計(jì)算機(jī)組成原理習(xí)題解答

1、河南大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,計(jì)算機(jī)組成原理習(xí)題解答,第一章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論,馮諾依曼計(jì)算機(jī)的主要設(shè)計(jì)思想是：存儲(chǔ)程序并按地址順序執(zhí)行。 馮諾依曼計(jì)算機(jī)主要包括：存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器、輸入和輸出五部分組成。,1.4 馮諾依曼型計(jì)算機(jī)的主要設(shè)計(jì)思想是什么？ 它包括哪些主要組成部分？,1.5 什么是存儲(chǔ)容量？什么是單元地址？ 什么是數(shù)據(jù)字？什么是指令字？,存儲(chǔ)容量 存儲(chǔ)器所能保存二進(jìn)制數(shù)據(jù)的總數(shù)，常用單位為KB、MB等。 單元地址 用于識(shí)別存儲(chǔ)器中每個(gè)存儲(chǔ)單元的編號(hào)，即單元地址。 數(shù)據(jù)字 表示計(jì)算機(jī)所要處理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)字，稱為數(shù)據(jù)字。 指令字 表示一條指令的計(jì)算機(jī)字，稱為指令字。,指令：由操作碼

2、和操作數(shù)兩部分構(gòu)成，能夠表示計(jì)算機(jī)中的一個(gè)基本操作的代碼或二進(jìn)制串。 程序：用于求解某一問題的一串指令序列，稱為該問題的計(jì)算程序，簡稱為程序。,1.6 什么是指令？什么是程序？,1.7 指令和數(shù)據(jù)均存放在內(nèi)存中，計(jì)算機(jī)如何區(qū)分它們是指令還是數(shù)據(jù)？,計(jì)算機(jī)對(duì)指令和數(shù)據(jù)的區(qū)分是依靠指令的執(zhí)行階段來決定的； 在取指階段，從存儲(chǔ)器中讀取的均是CPU要執(zhí)行的指令； 在執(zhí)行階段，從存儲(chǔ)器中讀取的一定是指令執(zhí)行所需要的操作數(shù)；,1.8 什么是內(nèi)存？什么是外存？什么是CPU？ 什么是適配器？簡述其功能。,內(nèi)存：用于存放系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行所需要的程序和數(shù)據(jù)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，稱為內(nèi)存儲(chǔ)器，簡稱內(nèi)存； 外存：用于存放程序和

3、數(shù)據(jù)，但不能被CPU直接訪問的大容量存儲(chǔ)器，稱為外存儲(chǔ)器，簡稱為外存；外存一般包括磁盤存儲(chǔ)器和光盤存儲(chǔ)器。 CPU：運(yùn)算器和控制器合稱為中央處理器，簡稱CPU。 適配器：主機(jī)和不同速度的外設(shè)之間的一種部件，用于主機(jī)和外設(shè)之間的信息轉(zhuǎn)換。,第二章 運(yùn)算方法和運(yùn)算器,2.1 用8位編碼表示下列各整數(shù)的原碼、反碼、補(bǔ)碼。, 若a7 0，則X為正數(shù)，顯然a6 a0取任何值， X均大于-0.5。 若a7 1，則X為負(fù)數(shù)，X移0. a6 a5 a0 0.5D = 0.100000B，則0.5D 移0.100000 若要X0.5，即等價(jià)于X移 0.5D 移 即0. a6 a5 a00.100000，因此必須

4、是a5 a2不全為0 結(jié)論： 如果a7 0， a6 a0取任何值均可； 如果a7 1 ，必須滿足a6 =1 且a5 a0不全為0。,2.2 設(shè)X補(bǔ)a7.a6 a5 a0 ，其中ai 取0或1， 若要X-0.5，求a0 a1 a2 a6 的取值。,（1）最大值（最大正數(shù)）機(jī)器數(shù)形式：0 1111 1111 111 1111 1111 1111 1111 1111真值： (1-2-23) * 2127二進(jìn)制表示： x = (1-0.0000 0000 0000 0000 0000 001) * 2111 1111 （2）最小值（最小負(fù)數(shù)）機(jī)器數(shù)形式：1 1111 1111 000 0000 000

5、0 0000 0000 0000真值： 1 * 2127二進(jìn)制表示： x = -1* 2111 1111,2.3 有一個(gè)字長為32位的浮點(diǎn)數(shù)，符號(hào)位1位；階碼8位，用移碼表示；尾數(shù)23位，用補(bǔ)碼表示；基數(shù)為2。請(qǐng)寫出： (1)最大數(shù)的二進(jìn)制表示(2)最小數(shù)的二進(jìn)制表示(3)規(guī)格化數(shù)所能表示的數(shù)的范圍。,機(jī)器數(shù)格式,（3）規(guī)格化數(shù)表示范圍,最大正數(shù)： 0 1111 1111 111 1111 1111 1111 1111 1111 即 x = (1-2-23) * 2127 最小正數(shù)： 0 0000 0000 100 0000 0000 0000 0000 0000 即 x = 2-1 * 2-

6、128 最大負(fù)數(shù)： 1 0000 0000 011 1111 1111 1111 1111 1111 即 x = -(2-1+2-23) * 2-128 最小負(fù)數(shù)： 1 1111 1111 000 0000 0000 0000 0000 0000 即 x = 1 * 2127 所以規(guī)格化數(shù)的正數(shù)范圍為：2-129 (1-2-23) * 2127， 負(fù)數(shù)范圍為：2127 -(2-1+2-23) * 2-128,尾數(shù)為補(bǔ)碼：必須使最高數(shù)值位和符號(hào)位相反,(1) 27/64 =27(1/64) = (0001 1011)2*2-6 = 0.011011B = 1.1011 2-2 e=2，則Ee12

7、7125 規(guī)格化數(shù)為 (2) 27/64 = 0.011011B = 1.1011 2-2 規(guī)格化數(shù)為,2.4 將下列十進(jìn)制數(shù)表示成IEEE754標(biāo)準(zhǔn)的32位浮點(diǎn)規(guī)格化數(shù)。 (1)27/64 (2)27/64,(1) x補(bǔ)00 11011 ，y補(bǔ)00 00011 x+y補(bǔ)00 11110，未溢出 (2) x補(bǔ)00 11011 ，y補(bǔ)11 01011 x+y補(bǔ)00 00110，未溢出 (3)x補(bǔ)11 01010 ，y補(bǔ)11 11111 x+y補(bǔ) 11 01001 ，未溢出,2.5 已知x和y，用變形補(bǔ)碼計(jì)算xy，同時(shí)指出結(jié)果是否溢出。 (1) x=11011 y=00011 (2) x=1101

8、1 y=10101 (3) x=10110 y=00001,00 11011,) 00 00011,00 11110,00 11011,) 11 01011,00 00110,11 01010,) 11 11111,11 01001,(1) x補(bǔ)00 11011 ，y補(bǔ)00 11111 xy補(bǔ) 01 11010 ，溢出（上溢） (2) x補(bǔ)00 10111 ，y補(bǔ)00 11011 ， y補(bǔ)11 00101 xy補(bǔ) 11 11100 ，未溢出 (3) x補(bǔ)00 11011 ，y補(bǔ)11 01101 ， y補(bǔ)00 10011 xy補(bǔ) 01 01110 ，溢出（上溢）,2.6 已知x和y，用變形補(bǔ)碼計(jì)

9、算xy，同時(shí)指出結(jié)果是否溢出。(1)x=11011 y=11111 (2) x=10111 y=11011 (3)x=11011 y=10011,00 11011,) 00 11111,01 11010,00 10111,) 11 00101,11 11100,00 11011,) 00 10011,01 01110,1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1,1 1 0 1 0 0 0 1 0 1, 1 1 1 1 1,(1) 輸入數(shù)據(jù)的原碼： x原0 11011 y原1 11111 符號(hào)位單獨(dú)運(yùn)算： 011 算前求補(bǔ)器輸出： |x|=

10、11011 |y|=10011 乘法陣列： |x| |y| 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 加上乘積符號(hào)位1，得xy原 1 1101000101 即x y=1101000101,2.7 用原碼陣列乘法器、補(bǔ)碼陣列乘法器分別計(jì)算xy。(1) x11011 y11111(2) x11111 y11011,1 1 0 1 1,輸入數(shù)據(jù)的原碼： x原 1 11111 y原 1 11011 符號(hào)位單獨(dú)運(yùn)算 110 算前求補(bǔ)器輸出：|x|= 11111 |y|= 11011 乘法陣列： |x| |y| 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 加上乘積符號(hào)位0，得xy原 0 1101000101 即

11、xy=1101000101,(2) x11111 y11011,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,1 1 0 1 0 0 0 1 0 1, 1 1 0 1 1,1 1 1 1 1,(1)x=2-0110.100101 y=2-010(-0.011110) (2)x=2-101(-0.010110) y=2-1000.010110,2.9 設(shè)階碼3位，尾數(shù)6位，按浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算方法，完成下列取值的x+y、x-y運(yùn)算：,(1-1) x=2-0110.100101 ，y=2-010(-0.011110)，求x+y,設(shè)兩數(shù)均以補(bǔ)碼表示，階碼

12、采用雙符號(hào)位，尾數(shù)采用單符號(hào)位，則x、y的浮點(diǎn)數(shù)表示為 x浮 11 101，0.100101 y浮 11 110，1.100010 求階差并對(duì)階 EExEyEx補(bǔ)Ey補(bǔ)11 101 00 01011 111 修改后的x表示為： x浮 11 110，0.010010（1） 尾數(shù)求和 Mx+My 1 . 1 1 0 1 0 0 (1),1 . 1 1 0 1 0 0 (1),+ 1 . 1 0 0 0 1 0,0 . 0 1 0 0 1 0 (1),E 1，應(yīng)修改x,規(guī)格化處理： Mx+My 1 . 1 1 0 1 0 0 (1) E 11 110 規(guī)格化之后的結(jié)果為： Mx+My 1 . 0 1

13、 0 0 1 0（0），E 11 100 舍入處理： 采用0舍1入法，舍去0 判斷溢出： E 11 100 -4，不溢出 故得最終結(jié)果為 xy2100（0.101110）,符號(hào)位與數(shù)值位相同，應(yīng)左規(guī)2位,設(shè)兩數(shù)均以補(bǔ)碼表示，階碼采用雙符號(hào)位，尾數(shù)采用單符號(hào)位，則x、y的浮點(diǎn)數(shù)表示為 x浮 11 101，0.100101 y浮 11 110，1.100010 求階差并對(duì)階 EExEyEx補(bǔ)Ey補(bǔ)11 101 00 01011 111 修改后的x表示為： x浮 11 110，0.010010（1） 尾數(shù)求差 MxMy Mx補(bǔ) My補(bǔ) 0. 1 1 0 0 0 0 (1),0 . 1 1 0 0 0

14、 0 (1),+ 0 . 0 1 1 1 1 0,0 . 0 1 0 0 1 0 (1),E 1，應(yīng)修改x,My補(bǔ) 0.011110,(1-2) x=2-0110.100101 ，y=2-010(-0.011110)，求x-y,規(guī)格化處理： Mx My 0. 1 1 0 0 0 0 (1) E 11 110 舍入處理： 采用0舍1入法 則Mx My 0. 1 1 0 0 0 1 判斷溢出： E 11 100 -2，不溢出 故得最終結(jié)果為 xy 2010（0.110001）,滿足規(guī)格化要求,0 . 1 1 0 0 0 1,+ 1,0 . 1 1 0 0 0 0,設(shè)兩數(shù)均以補(bǔ)碼表示，階碼采用雙符號(hào)

15、位，尾數(shù)采用單符號(hào)位，則x、y的浮點(diǎn)數(shù)表示為 x浮 11 011，1.101010 y浮 11 100，0.010110 求階差并對(duì)階 EExEyEx補(bǔ)Ey補(bǔ) 11 011 00 10011 111 修改后的x表示為： x浮 11 100，1.110101（0） 尾數(shù)求和 Mx+My 0. 0 0 1 0 1 1 （0）,(2-1) x=2-101(-0.010110) y=2-1000.010110 ，求x+y,0. 0 0 1 0 1 1 （0）,+ 0. 0 1 0 1 1 0,1. 1 1 0 1 0 1 （0）,E 1，應(yīng)修改x,規(guī)格化處理： Mx+My 0. 0 0 1 0 1 1

16、 （0） E 11 100 規(guī)格化之后的結(jié)果為： Mx+My 0 . 1 0 1 0 0 0（0）， E 11 010 舍入處理： 采用0舍1入法，舍去0 判斷溢出： E 11 010 -6，不溢出 故得最終結(jié)果為 xy 2110（0.101100）,符號(hào)位與數(shù)值位相同，應(yīng)左規(guī)2位,設(shè)兩數(shù)均以補(bǔ)碼表示，階碼采用雙符號(hào)位，尾數(shù)采用單符號(hào)位，則x、y的浮點(diǎn)數(shù)表示為 x浮 11 011，1.101010 y浮 11 100，0.010110 求階差并對(duì)階 EExEyEx補(bǔ)Ey補(bǔ) 11 011 00 10011 111 修改后的x表示為： x浮 11 100，1.110101（0） 尾數(shù)求差 MxMy

17、 Mx補(bǔ) My補(bǔ) 1. 0 1 1 1 1 1 （0）,(2-2) x=2-101(-0.010110) y=2-1000.010110 ，求x-y,1. 0 1 1 1 1 1 （0）,+ 1 . 1 0 1 0 1 0,1 . 1 1 0 1 0 1（0）,E 1，應(yīng)修改x,My補(bǔ)1.101010,規(guī)格化處理： Mx+My 1. 0 1 1 1 1 1 （0） E 11 100 舍入處理： 采用0舍1入法，舍去0 判斷溢出： E 11 100 -4，不溢出 故得最終結(jié)果為 xy 2100（0.110001）,滿足規(guī)格化要求,（1）（2313/16） 24（- 9/16） （2）（2-213

18、/32）（2315/16）,2.10 設(shè)數(shù)的階碼3位，尾數(shù)6位，用浮點(diǎn)運(yùn)算方法，計(jì)算下列各式：,（1）（2313/16） 24（- 9/16）,x= 2313/16 = 0.1101002011y= 24(- 9/16) = - 0.1001002100 設(shè)兩數(shù)均以補(bǔ)碼表示，階碼采用移碼雙符號(hào)位，尾數(shù)采用補(bǔ)碼單符號(hào)位，則x、y的浮點(diǎn)數(shù)表示為 x浮 01 011，0.110100 y浮 01 100，1.011100 (1) 階碼求和 EE移E移E補(bǔ) 01 01100 10001 111,0 1 0 1 1,0 1 1 1 1, 0 0 1 0 0,+7,(2) 尾數(shù)乘法運(yùn)算： M補(bǔ)M補(bǔ) 0.1

19、10100補(bǔ)1.011100補(bǔ) 1.011101，010000補(bǔ) (3) 規(guī)格化處理 M補(bǔ)M補(bǔ) 1.011101，010000補(bǔ) (4) 舍入處理： 運(yùn)算結(jié)果尾數(shù)保留高7位(含符號(hào)位) 則尾數(shù)為1.011101(010000) 。 最終相乘結(jié)果為浮 01 111 ，1.011101 其真值為27(0.100011),滿足規(guī)格化要求,舍去,（2）（2-213/32）（2315/16）,x= 2-213/32 = 0.0110102-010y= 2315/16 = 0.1111002011 設(shè)兩數(shù)均以補(bǔ)碼表示，階碼采用移碼雙符號(hào)位，尾數(shù)采用補(bǔ)碼單符號(hào)位，則x、y的浮點(diǎn)數(shù)表示為 x浮 00 110，

20、0.011010 y浮 01 011，0.111100 (1) 階碼求差 EE移E移 E補(bǔ) 00 110 11 10100 011,0 0 1 1 0,0 0 0 1 1, 1 1 1 0 1,5,(2) 尾數(shù)乘法運(yùn)算： M補(bǔ) M補(bǔ) 0.011010補(bǔ)0.111100補(bǔ) 0.000011 011101補(bǔ) (3) 規(guī)格化處理 M補(bǔ)M補(bǔ) 0.000011 011101補(bǔ) 則M補(bǔ)M補(bǔ) 0.110111 01補(bǔ) E 01 001+ - 4補(bǔ) 00 011+ 11 100 11 111 (4) 舍入處理： 運(yùn)算結(jié)果尾數(shù)保留高7位(含符號(hào)位) 則尾數(shù)為0.110111 (01) 。 (5) 判斷溢出： E

21、 11 111 x y產(chǎn)生溢出，結(jié)果無意義。,符號(hào)位與最高數(shù)值位相同，需要左規(guī)4位,下溢,第三章 存儲(chǔ)系統(tǒng),(1) 該存儲(chǔ)器能存儲(chǔ)多少個(gè)字節(jié)的信息？ 存儲(chǔ)容量=存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)每單元字節(jié)數(shù)= (2) 如果存儲(chǔ)器由512K8位SRAM芯片組成，需要多少片？ 由512K8位的芯片構(gòu)成1M32位的存儲(chǔ)器，需要做字位擴(kuò)展； 其中，位擴(kuò)展需要4片基本芯片構(gòu)成512K32位的存儲(chǔ)組； 字?jǐn)U展需要2組存儲(chǔ)組構(gòu)成1M32位的存儲(chǔ)器； 因此共需要24=8片 (3) 需要多少為地址作芯片選擇？ 字?jǐn)U展時(shí)使用了2組存儲(chǔ)組，因此只需1位地址做芯片選擇 ，每次同時(shí)選擇4片位擴(kuò)展的基本芯片。,3.1 設(shè)有一個(gè)具有20位地址和

22、32位字長的存儲(chǔ)器，問：,3.2 已知某64位機(jī)主存采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，其地址碼為26位，若使用256K16位的DRAM芯片組成該機(jī)所允許的最大主存空間，并選用模塊板結(jié)構(gòu)形式，問：,(1) 若每個(gè)模塊板為1024K64位，共需幾個(gè)模塊板？ (2) 每個(gè)模塊板內(nèi)共有多少DRAM芯片？ (3) 主存共需多少DRAM芯片？CPU如何選擇各模塊板？ 主存共需6416 = 1024塊 由高位地址選模塊，A0A19用于地址線，A20A25用于譯碼控制。,個(gè)芯片,(1) 畫出該存儲(chǔ)器的組成邏輯框圖。 由16K8位的芯片構(gòu)成64K32位的存儲(chǔ)器，共需16片基本芯片，其中每4片構(gòu)成一個(gè)存儲(chǔ)組，存儲(chǔ)器共由4個(gè)存儲(chǔ)組

23、構(gòu)成； 因此，4個(gè)存儲(chǔ)組的片選信號(hào)應(yīng)由最高兩位地址A14和A15產(chǎn)生； 該存儲(chǔ)器的組成邏輯框圖如下：,3.3 用16K8位的DRAM芯片構(gòu)成64K32位存儲(chǔ)器，問：,(2) 設(shè)存儲(chǔ)器讀/寫周期為0.5us，CPU在1us內(nèi)至少要訪問一次。試問：采用哪種刷新方式比較合理？ 兩次刷新的最大時(shí)間間隔是多少？ 對(duì)全部存儲(chǔ)單元刷新一遍所需的實(shí)際刷新時(shí)間是多少？,由于16K8位的DRAM芯片內(nèi)部用128(1288)的矩陣構(gòu)成 若采用集中刷新，則有128行 0.5us=64us的死時(shí)間，不合適； 若采用分散刷新，則每訪存一次需要1us，也不合適； 所以采用異步式刷新方式。 刷新時(shí)，由于每次刷新存儲(chǔ)矩陣的1行

24、 因此，刷新間隔為：2ms/128 = 0.015625ms=15.625us， 如果取15.6us作為實(shí)際的刷新間隔，則刷新一遍實(shí)際所用時(shí)間為： 15.6us1281996.8us=1.9968ms,刷新是存儲(chǔ)芯片內(nèi)部的操作，因此各芯片的刷新是同步進(jìn)行的，不需要考慮64K32位存儲(chǔ)器,(1) 總共需要多少DRAM芯片？ (2) 設(shè)計(jì)此存儲(chǔ)體組成框圖。,3.4 有一個(gè)1024K32位的存儲(chǔ)器，由128K8位的DRAM芯片構(gòu)成,刷新信號(hào)周期：存儲(chǔ)芯片刷新一行的時(shí)間間隔； 128K8的DRAM芯片，行地址為9位，因此，共29=512行； 異步刷新方式：在一個(gè)刷新周期分散地刷新所有行； 則刷新信號(hào)周

25、期=8ms/512= 15.5us,3.4 (3) 采用異步刷新方式，如單元刷新間隔不超過8ms，則刷新信號(hào)周期是多少？,8ms,512行,3.5 要求用256K16位SRAM芯片設(shè)計(jì)1024K32位的存儲(chǔ)器。SRAM芯片有兩個(gè)控制端：當(dāng)/CS有效時(shí)，該片選中。當(dāng)W/R=1時(shí)執(zhí)行讀操作，當(dāng)W/R=0時(shí)執(zhí)行寫操作。,存儲(chǔ)器容量擴(kuò)展所需總的芯片數(shù)為：(1024K/256K)(32/16)=8片,3.6 用32K8位的EPROM芯片組成128K16位的只讀存儲(chǔ)器，試問：,（1）數(shù)據(jù)寄存器多少位？ 因?yàn)橄到y(tǒng)數(shù)據(jù)總線為16位，所以數(shù)據(jù)寄存器16位 （2）地址寄存器多少位？ 因?yàn)榇鎯?chǔ)器容量為128K，需系

26、統(tǒng)地址總線17位， 所以地址寄存器17位 （3）共需多少個(gè)EPROM芯片？ 所需芯片總數(shù)： (128K/32K)(16/8)=8片,（4）系統(tǒng)邏輯圖如下：,(1)畫出地址譯碼方案。 存儲(chǔ)空間的分配如右圖： 需要2片8K8的RAM芯片進(jìn)行位擴(kuò)展，形成存儲(chǔ)組； 再需要5組存儲(chǔ)組進(jìn)行字?jǐn)U展構(gòu)成40K16的RAM區(qū) 組內(nèi)地址線為A12A0 用于產(chǎn)生片選信號(hào)的地址線為A15A13 可用74LS138譯碼器,3.7 某機(jī)器中，已知配有一個(gè)地址空間為0000H3FFFH的ROM區(qū)域。現(xiàn)在再用一個(gè)RAM芯片（8K8）形成40K16位的RAM區(qū)域，起始地址為6000H。假設(shè)RAM芯片有/CS和/WE信號(hào)控制端。

27、CPU的地址總線為A15A0，數(shù)據(jù)總線為D15D0，控制信號(hào)為R/W、/MREQ，要求：,（2）將ROM與RAM同CPU連接。,A13,3.8 設(shè)存儲(chǔ)器容量為64M，字長為64位，模塊數(shù)m=8，分別用順序和交叉方式進(jìn)行組織。存儲(chǔ)周期T=100ns，數(shù)據(jù)總線寬度為64位，總線傳送周期=50ns。求：順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器的帶寬各是多少？,順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器連續(xù)讀出m=8個(gè)字的數(shù)據(jù)信息量為：q=864=512位 順序存儲(chǔ)器所需要的時(shí)間為：t1=mT=8100ns=800ns=810-7s 故順序存儲(chǔ)器的帶寬為：W1=q/t1=512/(810-7)=64107bit/s 交叉存儲(chǔ)器所需要的時(shí)間

28、為：t2= T+ (m-1)=100ns + (8-1) 50ns= 450ns =4.510-7s 故交叉存儲(chǔ)器的帶寬為：W1=q/t1=512/(4.510-7)=113.8107bit/s,命中率： h=Nc/(Nc+Nm)=2420/(2420+80)=0.968 主存與Cache的速度倍率： r=tm/tc=240ns/40ns=6 訪問效率： e=1/(r+(1-r)h)=1/(6+(1-6)0.968)=86.2% 平均訪問時(shí)間： ta=tc/e=40ns/0.862=46.4ns,3.9 CPU執(zhí)行一段程序時(shí)，cache完成存取的次數(shù)為2420次，主存完成存取的次數(shù)為80次，已

29、知cache存儲(chǔ)周期為40ns，主存存儲(chǔ)周期為240ns，求cache/主存系統(tǒng)的效率和平均訪問時(shí)間。,由 ta = htc+(1-h)tm，可得,3.10 已知cache存儲(chǔ)周期40ns，主存存儲(chǔ)周期200ns，cache/主存系統(tǒng)平均訪問時(shí)間為50ns，求cache的命中率是多少？,3.13 一個(gè)組相聯(lián)Cache由64個(gè)行組成，每組4行。主存儲(chǔ)器包含4K個(gè)塊，每塊128字。請(qǐng)表示內(nèi)存地址的格式。,3.14 有一個(gè)處理機(jī)，主存容量1MB，字長1B，塊大小16B，Cache容量64KB，若Cache采用直接映射方式，請(qǐng)給出2個(gè)不同標(biāo)記的內(nèi)存地址，它們映射到同一個(gè)Cache行。,0000 100

30、1 1110 0000 0001 1001 1110 0000,3.15 假設(shè)主存容量16M32位，Cache容量64K32位，主存與Cache之間以每塊432位大小傳送數(shù)據(jù)，請(qǐng)確定直接映射方式的有關(guān)參數(shù)，并畫出主存地址格式。,第四章 指令系統(tǒng),答： 不合理。 一般，存儲(chǔ)字長和指令字長最好均是字節(jié)的整數(shù)倍，以便于從內(nèi)存單元中存取和有效地利用存儲(chǔ)空間。 因此，將指令字長設(shè)計(jì)為16位比較合適。,4-1 ASCII碼是7位，如果設(shè)計(jì)主存單元字長為32位，指令字長為12位，是否合理？為什么？,(1) 若操作碼字段固定為8位，則最多可設(shè)計(jì)出多少條單操作數(shù)指令？ 答： 單操作數(shù)指令條數(shù)：28-m-n條 (

31、2) 若操作碼字段長度可變，則最多可設(shè)計(jì)出多少條單操作數(shù)指令？ 答：設(shè)單操作數(shù)指令條數(shù)為k條， 則 (28-m) 26 k 26 n， 即k (28-m) 26 n/ 26,4-2. 假設(shè)某計(jì)算機(jī)指令長度為20位，具有雙操作數(shù)，單操作，無操作數(shù)三類指令形式，每個(gè)操作數(shù)地址規(guī)定用六位表示。若現(xiàn)已設(shè)計(jì)出m條雙操作數(shù)指令，n條無操作數(shù)指令，問：,4-3 指令格式結(jié)構(gòu)如下所示，試分析指令格式與尋址方式特點(diǎn)。,單字長雙操作數(shù)指令。 屬于RR型指令。 操作碼6位，可以指定64種操作。,4-4 指令格式結(jié)構(gòu)如下所示，試分析指令格式與尋址方式特點(diǎn)。,雙字長指令。 操作碼OP占6位，可以指定64種操作。 屬于R

32、S型指令。,4-6 一種單地址指令格式如下所示，R變址寄存器，R1基址寄存器，PC程序計(jì)數(shù)器，填寫下列尋址方式,40條指令指令操作碼需6位，26=64，剩余24種編碼未用； 4種尋址方式尋址特征需2位； 單字長單地址指令剩余8位作為形式地址； 四種尋址方式中，只有相對(duì)尋址可以訪問640K范圍的主存單元。,4-7 某計(jì)算機(jī)字長為16位，主存容量為640k，采用單字長單地址指令，共有40條指令，試采用直接、立即、變址、相對(duì)四種尋址方式設(shè)計(jì)指令格式。,4-9 某機(jī)字長為32位，CPU中有16個(gè)32位通用寄存器，設(shè)計(jì)一種能容納64種操作的指令系統(tǒng)，如果采用通用寄存器作為基址寄存器，則RS型指令的最大存

33、儲(chǔ)空間是多少？,64種操作操作碼占6位； 16個(gè)通用寄存器一個(gè)操作數(shù)和基址寄存器各占4位； 單字長指令形式地址占18位； 存儲(chǔ)單元的地址E （R1）D， 由于R1為32位，因此可尋址的最大存儲(chǔ)空間為232 = 4GB。 注意不是232+218,6位,4位,4位,18位,4-12 根據(jù)操作數(shù)所在的位置，指出其尋址方式。,操作數(shù)在寄存器中，為 尋址方式； 操作地址在寄存器，為 尋址方式； 操作數(shù)在指令中，為 尋址方式； 操作數(shù)地址（主存）在指令中，為 方式； 操作數(shù)的地址為某一寄存器內(nèi)容與位移量之和，可以是 尋址方式；,寄存器,寄存器間接,立即數(shù),直接尋址,相對(duì)，基址，變址,第五章 中央處理器,（

34、1）保存當(dāng)前正在執(zhí)行的指令的寄存器是（IR）指令寄存器； （2）保存當(dāng)前正在被執(zhí)行的指令地址的寄存器是（AR）地址寄存器； （3）算術(shù)邏輯運(yùn)算結(jié)果通常放在（DR）數(shù)據(jù)寄存器和（AC）累加寄存器。,5-1 填空,5-2 參見圖5.1的數(shù)據(jù)通路，畫出存數(shù)指令STO R1，（R2）的指令周期流程圖，其含義是將寄存器R1的內(nèi)容傳送至（R2）為地址的數(shù)存單元中。,指令 地址,指令,數(shù)據(jù)單元,數(shù)據(jù) 地址,數(shù)據(jù),5-3 參見圖5.1的數(shù)據(jù)通路，畫出存數(shù)指令LAD (R3)，R0的指令周期流程圖，其含義是將(R3)為地址數(shù)存單元的內(nèi)容取至寄存器R0中。,指令 地址,指令,數(shù)據(jù),數(shù)據(jù) 地址,解： 微指令的數(shù)目為

35、803+1=241條； 微指令字長為32/8=4字節(jié)； 故，控制存儲(chǔ)器的容量為 2414=964字節(jié),5-6 假設(shè)某機(jī)器有80條指令，平均每條指令有4條微指令組成，其中有一條取值微指令是所有指令公用的，已知微指令長度為32位，請(qǐng)估算控制存儲(chǔ)器容量。,5-8 某機(jī)有8條指令I(lǐng)1I8，每條微指令所包含的微命令控制信號(hào)如下表所示。aj分別對(duì)應(yīng)10種不同性質(zhì)的微命令信號(hào)。假設(shè)一條微指令的控制字段僅為8位，請(qǐng)安排微指令的控制字段格式。,微命令數(shù)目操作控制字段，則采用混合表示法設(shè)計(jì)微指令； 從左表中選擇互斥的微操作； a命令：與i互斥 b命令：與f、g、i、j互斥 c命令：與f、j互斥 d命令：與i、j互

36、斥 e命令：與f、h、j互斥 f命令：與b、c、e、h、i、j互斥 g命令：與b、h、j互斥 h命令：與c、d、e、f、g、i互斥 i命令：與a、b、d、f、h、j互斥 j命令：與b、c、d、e、f、g、i互斥,解法1： 將 （d, i, j）和（e, f, h）分別組成兩個(gè)小組，進(jìn)行譯碼，可得六個(gè)微命令信號(hào)，剩下的a, b, c, g四個(gè)微命令信號(hào)可進(jìn)行直接控制，其整個(gè)控制字段組成如右圖所示： 解法2： 將 （b, i, j）和（e, f, h）分別組成兩個(gè)小組，進(jìn)行譯碼，可得六個(gè)微命令信號(hào)，剩下的a, b, c, g四個(gè)微命令信號(hào)可進(jìn)行直接控制，其整個(gè)控制字段組成如下： 注意：00表示兩位

37、均不產(chǎn)生控制信號(hào) 此題還有其他解法。,（1）微指令的三個(gè)字段分別對(duì)應(yīng)為多少位？ 判別測(cè)試字段：假設(shè)每一位作為一個(gè)判別標(biāo)志（直接控制），那么由于有4個(gè)轉(zhuǎn)移條件，故該字段為4位。 下址字段：控存容量為512單元，所以下地址字段用9位來尋址。 微命令字段：（48-4-9）=35位。,5-11 已知某機(jī)采用微程序控制方式，控制容量為51248位。微程序可在整個(gè)控存中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移，控制微程序轉(zhuǎn)移的條件共四個(gè)，微指令采用水平型格式，后繼微指令采用斷定方式。問：,其中，微地址寄存器對(duì)應(yīng)下址字段，微指令寄存器對(duì)應(yīng)于P字段(判別測(cè)試字段)和控制字段(微命令字段)。 地址轉(zhuǎn)移邏輯的輸入是指令寄存器的OP碼、各種狀態(tài)條

38、件以及判別測(cè)試字段所給的判別標(biāo)志（某一位為1），其輸出修改微地址寄存器的適當(dāng)位數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)微程序的分支轉(zhuǎn)移。就是說，此處微指令的后繼地址采用斷定方式。,（2）畫出對(duì)應(yīng)這種微指令格式的微程序控制器邏輯框圖。,5-12 今有4級(jí)流水線，分別完成取指、指令譯碼并取數(shù)、運(yùn)算、送結(jié)果四步操作。假設(shè)完成各步操作的時(shí)間依次為100ns、100ns、80ns、50ns。請(qǐng)問：,(1)流水線的操作周期應(yīng)設(shè)計(jì)為多少？ 流水線的操作周期應(yīng)按各步操作的最大時(shí)間來考慮，即流水線時(shí)鐘周期性 ，故取100ns。 (2)若相鄰兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)，硬件上不采取措施，那么第2條指令要推遲多少時(shí)間進(jìn)行？ 遇到數(shù)據(jù)相關(guān)時(shí)，就停頓第

39、2條指令的執(zhí)行；直到前面指令的結(jié)果已經(jīng)產(chǎn)生，因此至少需要延遲2個(gè)時(shí)鐘周期。 (3)如果再硬件設(shè)計(jì)上加以改進(jìn)，至少需推遲多少時(shí)間？ 如采用專用通路技術(shù)，就可使流水線不發(fā)生停頓。,5-13 指令流水線有取指（IF）、譯碼（ID）、執(zhí)行（EX）、訪存（MEM）、寫回寄存器堆（WB）五個(gè)過程段，共有20條指令連續(xù)輸入此流水線。,（1）畫出流水處理的時(shí)空?qǐng)D，假設(shè)時(shí)鐘周期為100ns。,5-13 指令流水線有取指（IF）、譯碼（ID）、執(zhí)行（EX）、訪存（MEM）、寫回寄存器堆（WB）五個(gè)過程段，共有20條指令連續(xù)輸入此流水線。,（2）求流水線的實(shí)際吞吐量（單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完畢的指令條數(shù)）。 （3）求流水線

40、的加速比。,5-16 判斷以下三組指令中各存在哪種類型的數(shù)據(jù)相關(guān)？,（1）I1 LDA R1 , A ;M(A)R1 I2 ADD R2 , R1 ;(R2)+(R1)R2 （2）I1 ADD R3 , R4 ;(R3)+(R4)R3 I2 MUL R4 , R5 ;(R4) (R5) R4 （3）I1 LDA R6 , B ;M(B)R6 I2 MUL R6 , R7 ;(R6) (R7) R6,寫后讀相關(guān),讀后寫相關(guān),寫后寫相關(guān),第六章 總線系統(tǒng),單總線結(jié)構(gòu) 連接：采用一組總線（系統(tǒng)總線）連接整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的各大功能部件，所有的信息傳送都通過這組總線。 優(yōu)點(diǎn)：允許各功能部件之間直接交換信息

41、；系統(tǒng)擴(kuò)充容易。 缺點(diǎn)：系統(tǒng)總線的負(fù)載很重。,6-1 比較單總線、雙總線、三總線結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)。,雙總線結(jié)構(gòu) 連接：系統(tǒng)總線連接CPU、主存、和I/O設(shè)備；存儲(chǔ)總線連接CPU和主存。 特點(diǎn)：保持單總線結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，減輕了CPU的負(fù)擔(dān)；但增加了硬件的成本和復(fù)雜度。,6-1 比較單總線、雙總線、三總線結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)。,三總線結(jié)構(gòu) 連接：系統(tǒng)總線負(fù)責(zé)連接CPU、主存、I/O通道；存儲(chǔ)總線負(fù)責(zé)連接CPU與主存；I/O總線負(fù)責(zé)連接各I/O適配器。 特點(diǎn)：設(shè)置了通道，對(duì)外設(shè)進(jìn)行統(tǒng)一的管理，分擔(dān)了CPU的工作。提高了CPU工作效率，同時(shí)也最大限度的提高外設(shè)的工作速度。但硬件成本進(jìn)一步增加。,6-1 比較

42、單總線、雙總線、三總線結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)。,6-8 同步通信之所以比異步通信具有較高的傳輸頻率，是因?yàn)橥酵ㄐ牛?）。 A、不需要應(yīng)答信號(hào)B、總線長度較短 C、用一個(gè)公共時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行同步 D、各部件存取時(shí)間比較接近 6-9 在集中式總線仲裁中，（ ）方式響應(yīng)時(shí)間最快，（ ）方式對(duì)（ ）最敏感。 A、菊花鏈方式B、獨(dú)立請(qǐng)求方式 C、電路故障D、計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式,C,B,A,C,6-10 采用串行接口7位ASCII碼傳送，帶有1位奇校驗(yàn)位、1位起始位和1位停止位，當(dāng)波特率為9600波特時(shí)，字符傳送速率為（ ）。 A、960B、873C、1371D、480 （說明：傳送一個(gè)字符需要7+1+1+1=10

43、位，9600/10=960） 6-11 系統(tǒng)總線中地址線的功能是（ ）。 A、選擇主存單元地址 B、選擇進(jìn)行信息傳輸?shù)脑O(shè)備 C、選擇外存地址 D、指定主存和I/O設(shè)備接口電路的地址 6-12 系統(tǒng)總線中控制線的功能是（ ）。 A、提供主存、 I/O接口設(shè)備的控制信號(hào)和響應(yīng)信號(hào) B、提供數(shù)據(jù)信息C、提供時(shí)序信號(hào) D、提供主存、 I/O接口設(shè)備的響應(yīng)信號(hào),A,D,A,總線帶寬Dr 一個(gè)總線周期傳送的字節(jié)數(shù)D總線周期T 一個(gè)總線周期傳送的字節(jié)數(shù)D總線時(shí)鐘頻率f 870M560MB/s,6-20、某總線在一個(gè)總線周期中并行傳送8個(gè)字節(jié)的信息，假設(shè)一個(gè)總線周期等于一個(gè)總線時(shí)鐘周期，總線時(shí)鐘頻率為70MH

44、z，總線帶寬是多少？,第七章 外圍設(shè)備,7-1、計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備是指（ ） A、輸入/輸出設(shè)備 B、外存設(shè)備 C、輸入/輸出設(shè)備及外存儲(chǔ)器 D、除了CPU和內(nèi)存以外的其他設(shè)備 7-2、打印機(jī)根據(jù)印字方式可分為（ ）和（ ）兩大類，在（ ）類打印機(jī)中，只有（ ）型打印機(jī)能打印漢字。 A、針型打印機(jī) B、活字型打印機(jī) C、擊打式 D、非擊打式,D,C,D,C,A,（1）磁盤存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量是多少？ 每道記錄信息容量 = 12288字節(jié) 每個(gè)記錄面信息容量 = 27512288字節(jié) 共有4個(gè)記錄面 所以磁盤組總?cè)萘繛?：4 27512288字節(jié) = 13516800字節(jié) （2）最高位密度與最低位密度

45、是多少？ 最高位密度D1，即最內(nèi)層磁道的位密度（R1 =115mm） D1 = 12288字節(jié) /（ 2R1） = 17字節(jié) / mm 最低位密度D2 ，即最外層磁道的位密度（R2） R2 = R1 + （275 5） = 115 + 55 = 170mm D2 = 12288字節(jié) / （2R2） = 11.5 字節(jié) / mm,7-7、 某磁盤存儲(chǔ)器轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，共有4個(gè)記錄面，每毫米5道，每道記錄信息為12288B，最小磁道直徑為230mm，共有275道。問：,（3）磁盤數(shù)據(jù)傳輸率是多少？ 磁盤傳輸率 C =盤片轉(zhuǎn)速 r 道容量 N 盤片轉(zhuǎn)速 r = 3000 / 60 = 50 周

46、 / 秒 道容量 N = 12288字節(jié)（每道信息容量） C = r N = 50 12288 = 614400字節(jié) / 秒 （4）平均等待時(shí)間是多少？ 平均等待時(shí)間 = （1/2）* 1/r = （1 /2）* (1/50) = 10毫秒,答： 存取時(shí)間平均找道時(shí)間平均等待時(shí)間 數(shù)據(jù)傳播率DrrN，r為磁盤轉(zhuǎn)速，N為每道容量,7-8、已知某磁盤存儲(chǔ)器的轉(zhuǎn)速為2400轉(zhuǎn)/分，每個(gè)記錄面道數(shù)為200道，平均找道時(shí)間為60ms，每道存儲(chǔ)容量為96Kbit，求磁盤的存取時(shí)間與數(shù)據(jù)傳播率。,答：360轉(zhuǎn)/分 = 60轉(zhuǎn)/秒 = 60道/秒 數(shù)據(jù)傳輸率Dr =60道/秒15扇區(qū)/道512B/扇區(qū) = 4

47、60800B/秒 寫入4096B需時(shí)： 所以，平均需時(shí)=平均找道時(shí)間+平均等待時(shí)間+數(shù)據(jù)讀取時(shí)間 =(10+40)/2ms+(1/2)*(1000/60) ms+8.9ms = 25ms+8.3ms+8.9ms=42.2ms 最長需時(shí)：40ms+1000/60+8.9ms =40+16.7+ 8.9=65.6ms,7-10、軟盤驅(qū)動(dòng)器使用雙面雙密度軟盤，每面80道，每道15扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)存儲(chǔ)512B。已知磁盤轉(zhuǎn)速為360轉(zhuǎn)/分，假設(shè)找道時(shí)間為10 40ms，今寫入4096B，平均需要多少時(shí)間？最長時(shí)間是多少？,第八章 輸入輸出系統(tǒng),8-1、如果認(rèn)為CPU等待設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)是處于非工作狀態(tài)（即踏步等待），那么在下面幾種主機(jī)與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送中，（ ）主機(jī)與設(shè)備是串行工作的；（ ）主機(jī)與設(shè)備是并行工作的；（ ）主機(jī)程序與設(shè)備是并行運(yùn)行的。 A、程序查詢方式 B、程序中斷方式 C、DMA方式 8-2、中斷向量的地址是（ ）。 A、子程序入口地址 B、中斷服務(wù)程序入口地址 C、中斷服務(wù)程序入口地址指示器 D、例行程序入口地址 8-4、采用DMA方式傳送數(shù)據(jù)時(shí)，每傳送一個(gè)數(shù)據(jù)就要占用一個(gè)（ ）的時(shí)間。 A、指令周期 B、機(jī)器周期 C、存儲(chǔ)周期 D、總線周期,A,C,B,B,C,8-6、 在圖8.7中，當(dāng)CPU對(duì)設(shè)備B