計(jì)算機(jī)組成原理習(xí)題課

...v.1．什么是指令周期？什么是機(jī)器周期？什么是時(shí)鐘周期？三者之間的關(guān)系如何？指令周期是完成一條指令所需的時(shí)間。包括取指令、分析指令和執(zhí)行指令所需的全部時(shí)間。機(jī)器周期也稱為CPU周期，是指被確定為指令執(zhí)行過程中的歸一化基準(zhǔn)時(shí)間，通常等于取指時(shí)間〔或訪存時(shí)間〕。時(shí)鐘周期是時(shí)鐘頻率的倒數(shù)，也可稱為節(jié)拍脈沖或T周期，是處理操作的最根本單位。一個(gè)指令周期由假設(shè)干個(gè)機(jī)器周期組成，每個(gè)機(jī)器周期又由假設(shè)干個(gè)時(shí)鐘周期組成。2．描述外設(shè)進(jìn)展DMA操作的過程及DMA方式的主要優(yōu)點(diǎn)。(1)外設(shè)發(fā)出DMA請求(2)CPU響應(yīng)請求，DMA控制器從CPU接收總線的控制(3)由DMA控制器執(zhí)行數(shù)據(jù)傳送操作(4)向CPU報(bào)告DMA操作完畢(5)主要優(yōu)點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳送速度快3．某機(jī)指令格式如下圖：OPXD15109870圖中X為尋址特征位，且X=0時(shí)，不變址；X=1時(shí)，用變址存放器X1進(jìn)展變址；X=2時(shí)，用變址存放器X2進(jìn)展變址；X=3時(shí)，相對尋址。設(shè)〔PC〕=1234H，〔X1〕=0037H,(X2)=1122H，請確定以下指令的有效地址〔均用十六進(jìn)制表示，H表示十六進(jìn)制〕(1)4420H(2)2244H(3)1322H(4)3521H(5)6723H答：〔1〕0020H〔2〕1166H〔3〕1256H〔4〕0058H〔5〕1257H4．浮點(diǎn)數(shù)格式如下：1位階符，6位階碼，1位數(shù)符，8位尾數(shù)，請寫出浮點(diǎn)數(shù)所能表示的范圍〔只考慮正數(shù)值〕。最小值2-111111×0.00000001最大值2111111×0.111111115．現(xiàn)有一64K×2位的存儲(chǔ)器芯片，欲設(shè)計(jì)具有同樣存儲(chǔ)容量的芯片，應(yīng)如何安排地址線和數(shù)據(jù)線引腳的數(shù)目，使兩者之和最小。并說明有幾種解答。設(shè)地址線x根，數(shù)據(jù)線y根，那么2x·y=64K×2假設(shè)y=1x=17y=2x=16y=4x=15y=8x=14因此，當(dāng)數(shù)據(jù)線為1或2時(shí)，引腳之和為18。共有2種解答6．異步通信方式傳送ASCII碼，數(shù)據(jù)位8位，奇校驗(yàn)1位，停頓位1位。計(jì)算當(dāng)波特率為4800時(shí)，字符傳送的速率是多少？每個(gè)數(shù)據(jù)位的時(shí)間長度是多少？數(shù)據(jù)位的傳送速率是多少？每個(gè)字符格式包含十個(gè)位，因此字符傳送速率4800波特/10=480字符/秒每個(gè)數(shù)據(jù)位時(shí)間長度T=1/4800=0.208ms數(shù)據(jù)位傳送速率8×480=3840位/秒7．試說明總線構(gòu)造對計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能的影響。(1)最大存儲(chǔ)容量單總線系統(tǒng)中，最大內(nèi)存容量必須小于由計(jì)算機(jī)字長所決定的可能的地址總線。雙總線系統(tǒng)中，存儲(chǔ)容量不會(huì)受到外圍設(shè)備數(shù)量的影響〔2〕指令系統(tǒng)雙總線系統(tǒng)，必須有專門的I/O指令系統(tǒng)單總線系統(tǒng)，訪問內(nèi)存和I/O使用一樣指令〔3〕吞吐量總線數(shù)量越多，吞吐能力越大8.CPU構(gòu)造如下圖，其中一個(gè)累加存放器AC，一個(gè)狀態(tài)條件存放器和其它四個(gè)存放器，各局部之間的連線表示數(shù)據(jù)通路，箭頭表示信息傳送方向。(1)標(biāo)明圖中四個(gè)存放器的名稱。(2)簡述指令從主存取到控制器的數(shù)據(jù)通路。(3)數(shù)據(jù)在運(yùn)算器和主存之間進(jìn)展存/取訪問的數(shù)據(jù)通路。圖C3.1答：〔1〕a為數(shù)據(jù)緩沖存放器DR，b為指令存放器IR，c為主存地址存放器，d為程序計(jì)數(shù)器PC〔2〕主存→緩沖存放器DR→指令存放器IR→操作控制器〔3〕存儲(chǔ)器讀：M→DR→ALU→AC存儲(chǔ)器寫：AC→DR→M8.指令格式如下所示，其中OP為操作碼，試分析指令格式特點(diǎn)：15107430OP源存放器目標(biāo)存放器解：〔1〕操作數(shù)字段OP可以指定64種根本操作〔2〕單字長〔16位〕=地址指令〔3〕源存放器和目標(biāo)存放器都是通用存放器〔各指定16個(gè)〕，所以是RR型指令，兩個(gè)操作數(shù)均在通用存放器中〔4〕這種指令構(gòu)造常用于算術(shù)/邏輯運(yùn)算類運(yùn)算指令，執(zhí)行速度最快。9.總線的一次信息傳送過程大致分哪幾個(gè)階段？假設(shè)采用同步定時(shí)協(xié)議，畫出讀數(shù)據(jù)的同步時(shí)序圖。答：分五個(gè)階段：總線請求，總線仲裁，尋址〔目的地址〕，信息傳送，狀態(tài)返回〔或錯(cuò)誤報(bào)告〕。時(shí)序圖：圖C3.310.舉出三種中斷向量產(chǎn)生的方法。答：〔1〕由編碼電路實(shí)現(xiàn)，直接產(chǎn)生?！?〕由硬件產(chǎn)生一個(gè)“位移量〞，再加上CPU某存放器里存放的基地址〔3〕向量地址轉(zhuǎn)移法：由優(yōu)先級編碼電路產(chǎn)生對應(yīng)的固定地址碼，其地址中存放的是轉(zhuǎn)移指令，通過轉(zhuǎn)移指令可以轉(zhuǎn)入設(shè)備各自的中斷效勞程序入口。11.CD－ROM光盤的外緣有5mm的范圍因記錄數(shù)據(jù)困難，一般不使用，故標(biāo)準(zhǔn)的播放時(shí)間為60分鐘。請計(jì)算模式2情況下光盤存儲(chǔ)容量是多少？解：扇區(qū)總數(shù)=60×60×75=270000模式2存放聲音、圖像等多媒體數(shù)據(jù)，其存儲(chǔ)容量為270000×2336/1024/1024=601MB12.A、B、C是采用中斷方式交換信息的與主機(jī)連接的三臺設(shè)備，它們的中斷響應(yīng)的先后次序?yàn)锳→B→C→CPU，假設(shè)使中斷處理的次序?yàn)锽→C→A→CPU，那么它們的中斷屏蔽碼應(yīng)如何設(shè)置？假設(shè)CPU在運(yùn)行主程序時(shí)，A、B、C三臺設(shè)備同時(shí)發(fā)出中斷請求，請畫出CPU執(zhí)行程序的軌跡?！财帘未a中，“0〞表示允許中斷，“1〞表示屏蔽中斷〕。答：解：〔1〕假設(shè)中斷控制器采用獨(dú)立請求方式進(jìn)展仲裁，根據(jù)優(yōu)先次序，B、C、A三臺設(shè)備與CPU連接示意圖如C20.1所示。其中IM為“中斷屏蔽〞標(biāo)志，IR為“中斷請求〞標(biāo)志。中斷處理次序?yàn)锽→C→A→CPU,應(yīng)設(shè)“中斷屏蔽〞標(biāo)志IM2IM1IM0=000，其中設(shè)備B優(yōu)先級最高，設(shè)備C優(yōu)先級次之。三臺設(shè)備組成三級中斷系統(tǒng)。01010101CPU中央仲裁器IM2IR2IR1IM1IM0IR0設(shè)備B設(shè)備C設(shè)備A2級1級圖C20.10級〔2〕三臺設(shè)備同時(shí)發(fā)生中斷請求時(shí)CPU執(zhí)行程序的軌跡如圖C20.2所示。設(shè)備A中斷設(shè)備C中斷設(shè)備B中斷效勞程序效勞程序效勞程序主程序圖C20.213.用8K×8位的ROM芯片和8K×8位的RAM芯片組成一個(gè)32K×8位的存儲(chǔ)器，其中RAM地址占24K〔地址為2000H～7FFFH〕，ROM地址占8K〔地址為0000H～1FFFH〕。RAM芯片有兩個(gè)輸入端：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。ROM芯片只有一個(gè)控制輸入端——片選CS。要求畫出此存儲(chǔ)器組成構(gòu)造圖。〔包括與CPU的連接〕。解：存儲(chǔ)器地址空間分布如圖C20.3所示ROM(8K×8位)RAM(8K×8位)0000ROM芯片容量為8K×8位，只需一片即滿足設(shè)計(jì)要求。該芯片地址線共14位〔214=8K〕，即A13ROM(8K×8位)RAM(8K×8位)1FFFRAM芯片容量為8K×8位，需3片才滿足設(shè)計(jì)要求。該芯片地址線也是A13-A0,數(shù)據(jù)線8位：D7-D0.存儲(chǔ)器總?cè)萘繛?2K，CPU需提供15條地址線A15A14A13……A0，其中A13-A0作為片內(nèi)地址線，A15A14通過2：4譯碼器產(chǎn)生4個(gè)片信號CS。7FFF圖C20.3存儲(chǔ)器與CPU的連接圖如圖C20.4所示：圖C20.414.指令格式構(gòu)造如下所示，試分析指令格式特點(diǎn)。1512119865320OP尋址方式存放器尋址方式存放器源地址目標(biāo)地址答：〔1〕OP字段指定16種操作〔2〕單字長二地址指令〔3〕每個(gè)操作數(shù)可以指定8種尋址方式〔4〕操作數(shù)可以是RR型、RS型、SS型15.總線在一個(gè)總線周期內(nèi)并行傳送2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，設(shè)一個(gè)總線周期等于一個(gè)總線時(shí)鐘，總線時(shí)鐘頻率為33MHz，求總線帶寬是多少？解：設(shè)總線帶寬用Dr表示，總線時(shí)鐘周期用T=1/f表示，一個(gè)周期傳送的數(shù)據(jù)量用D表示，根據(jù)總線帶寬定義，有：Dr=D/T=D×f=2B×33×106/s=66MB/s16.某雙面磁盤，每面有220道，磁盤轉(zhuǎn)速r=3000轉(zhuǎn)/分，數(shù)據(jù)傳輸率為17500B/S,求磁盤總?cè)萘?。答：因?yàn)椋篋r=r×Nr=3000轉(zhuǎn)/分=50轉(zhuǎn)/秒所以：N=Dr/r=〔175000B/s〕÷〔50/s〕=3500B總?cè)萘?3500B×220=1540000B17．磁盤、磁帶、打印機(jī)三個(gè)設(shè)備同時(shí)工作，磁盤以30μs的間隔向控制器發(fā)DMA請求，磁帶以45μs的間隔發(fā)DMA請求，打印機(jī)以150μs間隔發(fā)DMA請求。假定DMA控制器每完成一次DMA傳送所需時(shí)間為5μS，畫出裸露DMA控制器工作時(shí)空圖。解：根據(jù)傳輸速率，磁盤優(yōu)先權(quán)最高，磁帶次之，打印機(jī)最低。如以下圖：18．有一臺磁盤機(jī)，器平均尋道時(shí)間為了30ms,平均旋轉(zhuǎn)等待時(shí)間為120ms，數(shù)據(jù)傳輸速率為500B/ms，磁盤機(jī)上存放著1000件每件3000B的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)欲把一件數(shù)據(jù)取走，更新后在放回原地，假設(shè)一次取出或?qū)懭胨钑r(shí)間為：平均尋道時(shí)間+平均等待時(shí)間+數(shù)據(jù)傳送時(shí)間。另外，使用CPU更新信息所需時(shí)間為4ms,,并且更新時(shí)間同輸入輸出操作不相重疊。試問：磁盤上全部數(shù)據(jù)需要多少時(shí)間？假設(shè)磁盤及旋轉(zhuǎn)速度和數(shù)據(jù)傳輸率都提高一倍，更新全部數(shù)據(jù)需要多少間？答：〔1〕重新寫入全部數(shù)據(jù)所需時(shí)間=6000ms所以，更新磁盤上全部數(shù)據(jù)所需的時(shí)間為：2×〔平均找道時(shí)間