计算机组成原理练习题答案.docx
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计算机组成原理练习题答案
一、填空题
1.对存储器的要求是速度快,_容量大_____,_价位低_____。
为了解决这方面的矛盾,计算机采用多级存储体系结构。
2.指令系统是表征一台计算机__性能__的重要因素,它的____格式__和___功能___不仅直接影响到机器的硬件结构而且也影响到系统软件。
3.CPU中至少有如下六类寄存器__指令____寄存器,__程序_计数器,_地址__寄存器,通用寄存器,状态条件寄存器,缓冲寄存器。
4.完成一条指令一般分为取指周期和执行周期,前者完成取指令和分析指令操作,后者完成执行指令操作。
5.常见的数据传送类指令的功能可实现寄存器和寄存器之间,或寄存器和存储器之间的数据传送。
6.微指令格式可分为垂直型和水平型两类,其中垂直型微指令用较长的微程序结构换取较短的微指令结构。
7.对于一条隐含寻址的算术运算指令,其指令字中不明确给出操作数的地址,其中一个操作数通常隐含在累加器中
8.设浮点数阶码为8位(含1位阶符),尾数为24位(含1位数符),则32位二进制补码浮点规格化数对应的十进制真值范围是:
最大正数为2^127(1-2^-23),最小正数为2^-129,最大负数为2^-128(-2^-1-2^-23),最小负数为-2^127。
9.某小数定点机,字长8位(含1位符号位),当机器数分别采用原码、补码和反码时,其对应的真值范围分别是-127/128~+127/128-1~+127/128-127/128~+127/128(均用十进制表示)。
10.在DMA方式中,CPU和DMA控制器通常采用三种方法来分时使用主存,它们是停止CPU访问主存、周期挪用和DMA和CPU交替访问主存。
11.设n=8(不包括符号位),则原码一位乘需做8次移位和最多8次加法,补码Booth算法需做8次移位和最多9次加法。
12.设浮点数阶码为8位(含1位阶符),尾数为24位(含1位数符),则32位二进制补码浮点规格化数对应的十进制真值范围是:
最大正数为,最小正数为,最大负数为,最小负数为。
13.一个总线传输周期包括申请分配阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段四个阶段。
14.CPU采用同步控制方式时,控制器使用机器周期和节拍组成的多极时序系统。
15.在组合逻辑控制器中,微操作控制信号由指令操作码、时序和状态条件决定。
15.32位字长的浮点数,其中阶码8位(含1位阶符),基值为2,尾数24位(含1位数符),则其对应的最大正数是,最小的绝对值是;若机器数采用补码表示,且尾数为规格化形式,则对应的最小正数是,最小负数是。
(均用十进制表示)
16.CPU从主存取出一条指令并执行该指令的时间叫指令周期,它通常包含若干个机器周期,而后者又包含若干个节拍。
机器周期和节拍组成多级时序系统。
17.假设微指令的操作控制字段共18位,若采用直接控制,则一条微指令最多可同时启动18个微操作命令。
若采用字段直接编码控制,并要求一条微指令能同时启动3个微操作,则微指令的操作控制字段应分3段,若每个字段的微操作数相同,这样的微指令格式最多可包含192个微操作命令。
18.在组合逻辑控制器中,微操作控制信号由指令操作码、时序和状态条件决定。
19.I/O与主机交换信息的控制方式中,程序查询方式CPU和设备是串行工作的。
程序中断和DMA方式CPU和设备是并行工作的,前者传送与主程序是并行的,后者传送和主机是串行的。
20.设n=16位(不包括符号位在内),原码两位乘需做8次移位,最多做9次加法;补码Booth算法需做16次移位,最多做17次加法。
一、简答题:
1.主存储器的性能指标有哪些?
含义是什么?
存储器的性能指标主要是存储容量、存储速度和存储器带宽。
存储容量是指在主存能存放二进制代码的总位数。
存储速度是由存取时间和存取周期来表示的。
存取时间又称存储访问时间,是指从启动一次存储器操作到完成该操作所需的全部时间。
存储周期是指存储器进行连续两次独立的存储器操作(如连续两次读操作)所需的最小间隔时间。
存储器带宽是指单位时间内存储器存取的信息量。
2.请说明指令周期、机器周期、时钟周期之间的关系。
指令周期是完成一条指令所需的时间。
包括取指令、分析指令和执行指令所需的全部时间。
机器周期也称为CPU周期,是指被确定为指令执行过程中的归一化基准时间,通常等于取指时间(或访存时间)。
时钟周期是时钟频率的倒数,也可称为节拍脉冲或T周期,是处理操作的最基本单位。
一个指令周期由若干个机器周期组成,每个机器周期又由若干个时钟周期组成。
3.CPU响应中断应具备哪些条件?
(1)在CPU内部设置的中断允许触发器必须是开放的。
(2)外设有中断请求时,中断请求触发器必须处于“1”状态,保持中断请求信号。
(3)外设(接口)中断允许触发器必须为“1”,这样才能把外设中断请求送至CPU。
(4)当上述三个条件具备时,CPU在现行指令结束的最后一个状态周期响应中断。
4.从计算机的各个子系统的角度分析,指出提高整机速度的措施。
针对存储器,可以采用Cache-主存层次的设计和管理提高整机的速度;
针对存储器,可以采用主存-辅存层次的设计和管理提高整机的速度;
针对控制器,可以通过指令流水或超标量设计技术提高整机的速度;
针对控制器,可以通过超标量设计技术提高整机的速度;
针对运算器,可以对运算方法加以改进,如进位链、两位乘除法;
针对I/O系统,可以运用DMA技术来减少CPU对外设访问的干预。
5.控制器中常采用哪些控制方式,各有何特点?
答:
控制器常采用同步控制、异步控制和联合控制。
同步控制即微操作序列由基准时标系统控制,每一个操作出现的时间与基准时标保持一致。
异步控制不存在基准时标信号,微操作的时序是由专用的应答线路控制的,即控制器发出某一个微操作控制信号后,等待执行部件完成该操作时所发回的“回答”或“终了”信号,再开始下一个微操作。
联合控制是同步控制和异步控制相结合的方式,即大多数微操作在同步时序信号控制下进行,而对那些时间难以确定的微操作,如涉及到I/O操作,则采用异步控制。
6.指令和数据都以二进制代码存放在内存中,CPU如何区分它们是指令还是数据?
指令和数据的区分:
(1)从主存中取出的机器周期不同,取指周期取的是指令,分析取数或执行周期取的是数据。
(2)取指令和取数据时地址的来源不同,指令地址来自程序计数器PC,数据地址来自地址形成部件
7.请说明SRAM的组成结构,与SRAM相比DRAM在电路组成上有什么不同之处?
SRAM存储器由存储体、读写电路、地址译码电路、控制电路组成,DRAM还需要有动态刷新电路。
8.说明微程序控制器中微指令的地址有几种形成方式。
(1)直接由微指令的下地址字段指出。
(2)根据机器指令的操作码形成。
(3)增量计数器法。
(4)根据各种标志决定微指令分支转移的地址。
(5)通过测试网络形成。
(6)由硬件产生微程序入口地址。
9.外围设备要通过接口与CPU相连,接口有哪些功能?
外围设备要通过接口与CPU相连的原因主要有:
(1)一台机器通常配有多台外设,它们各自有其设备号(地址),通过接口可实现对设备的选择。
(2)I/O设备种类繁多,速度不一,与CPU速度相差可能很大,通过接口可实现数据缓冲,达到速度匹配。
(3)I/O设备可能串行传送数据,而CPU一般并行传送,通过接口可实现数据串并格式转换。
(4)I/O设备的入/出电平可能与CPU的入/出电平不同,通过接口可实现电平转换。
(5)CPU启动I/O设备工作,要向外设发各种控制信号,通过接口可传送控制命令。
(6)I/O设备需将其工作状况(“忙”、“就绪”、“错误”、“中断请求”等)及时报告CPU,通过接口可监视设备的工作状态,并保存状态信息,供CPU查询。
可见归纳起来,接口应具有选址的功能、传送命令的功能、反映设备状态的功能以及传送数据的功能(包括缓冲、数据格式及电平的转换)。
10.以I/O设备的中断处理过程为例,说明一次程序中断的全过程。
一次程序中断大致可分为五个阶段。
中断请求,中断判优,中断响应,中断服务,中断返回
11、基址寻址方式和变址寻址方式的应用场合有什么不同?
(1)基址寻址方式面向系统,主要用于逻辑地址到物理地址的交换,解决程序在存储器中的定位,扩大寻址空间等问题。
(2)变址寄存器方式面向用户,主要用于解决程序循环控制问题,用于访问成批数据,支持向量线性表操作等。
12、一个典型CPU应由哪几部分组成?
一个典型的CPU组成应该包括:
(1)六个主要寄存器,保存CPU运行时所需的各类数据信息或运行状态信息。
(2)算术逻辑电路(ALU),对寄存器中的数据进行加工处理。
(3)操作控制器和指令译码器,产生各种操作控制信号,以便在各寄存器之间建立数据通路。
(4)时序产生器,用来对各种操作控制信号进行定时,以便进行时间上的约束。
二、设计题:
1.设CPU共有16根地址线,8根数据线,并用MREQ作访存控制信号(低电平有效),用WR作读写控制信号(高电平为读,低电平为写)。
现有下列芯片及各种门电路(门电路自定),如图所示。
其中有2K×8位、8K×8位、32K×8位的ROM芯片;1K×4位、2K×8位、8K×8位、16K×1位、4K×4位的RAM芯片,画出CPU与存储器的连接图,要求:
(1)存储芯片地址空间分配为:
0~8191为系统程序区;8192~32767为用户程序区。
(2)指出选用的存储芯片类型及数量;
(3)详细画出片选逻辑。
(1)二进制地址码
(2)0~8191为系统程序区,选用1片8K×8位ROM芯片
8192~32767为用户程序区,选用3片8K×8位RAM芯片。
(3)存储器片选逻辑图
2、
1.设CPU共有16根地址线,8根数据线,并用MREQ作访存控制信号(低电平有效),用WR作读写控制信号(高电平为读,低电平为写)。
现有下列芯片及各种门电路(门电路自定),如下图所示。
其中有2K×8位、4K×8位、8K×8位、32K×8位的ROM芯片;1K×4位、2K×8位、8K×8位、16K×1位、4K×4位的RAM芯片,画出CPU与存储器的连接图,要求:
(1)存储芯片地址空间分配为:
最小4K地址空间为系统程序区,相邻的4K地址空间为系统程序工作区,与系统程序工作区相邻的是24K用户程序区;
(2)指出选用的存储芯片类型及数量;(3)详细画出片选逻辑。
(2)选出所用芯片类型及数量
最小4K地址空间为系统程序区,选用1片4K×8位ROM芯片;
相邻的4K地址空间为系统程序工作区,选用2片4K×4位RAM芯片
与系统程序工作区相邻的24K为用户程序区,选用3片8K×8位RAM芯片。
(3)CPU与存储芯片的连接图如图所示
3、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。
4、设某计算机主存容量为64K×32位。
要求完成以下设计内容:
(1)画出主机框图(要求画到寄存器级)并指出图中各寄存器的位数;
(2)写出组合逻辑控制器完成STAX(X为主存地址)指令发出的全部微操作命令及节拍安排。
(3)若采用微程序控制,还需要哪些微操作?
5、已知待返回指令的含义如下图所示。
写出机器在完成待反转指令时,取指阶段和执行阶段所需的全部微操作命令及节拍安排,如果采用微程序控制需增加哪些微操作命令?
6、假设CPU在中断周期用堆栈保存程序断点,而且进栈时指针减1,出栈时指针加1,分别写出组合逻辑控制和微程序控制在完成中断返回指令时,取指阶段和执行阶段所需的全部微操作命令及节拍安排。
三、应用题
1、设机器A的主频为8MHz,机器周期含4个时钟周期,且该机的平均指令执行速度是0.4MIPS,试求该机的平均指令周期和机器周期。
每个指令周期包含几个机器周期?
如果机器B的主频为12MHz,且机器周期也含4个时钟周期,试问B机的平均指令执行速度为多少MIPS?
2、设某机有四个中断源A、B、C、D,其硬件排队器的优先次序为A>B>C>D,现要求将中断处理次序改为D>A>C>B.按下图的时间轴给出的四个中断源请求时刻.
(1)写出每个中断源对应的屏蔽字。
(2)画出CPU执行程序的轨迹。
设每个中断源的中断服务程序的执行时间是20us
3、某机主存容量为4M×16位,且存储字长等于指令字长,若该机的指令系统具备97种操作。
操作码位数固定且具有直接、间接、立即、相对、基址五种寻址方式。
(本小题6分)
(1)画出一地址指令格式并指出各字段的作用;
(2)该指令直接寻址的最大范围(十进制表示);
(3)一次间址的寻址范围(十进制表示);
(4)相对寻址的位移量(十进制表示)。
4、某计算机字长32位,有16个通用寄存器,主存容量为1M字,采用单字长二地址指令,共有64条指令,试采用四种寻址方式(寄存器、直接、变址、相对)设计指令格式。
5、有一个16K×16位的存储器,由1K×4位的DRAM芯片构成(芯片是64×64结构)。
问:
(1)共需要多少RAM芯片?
(2)存储体的组成框图
(3)采用异步刷新方式,如单元刷新间隔不超过2ms,则刷新信号周期是多少
(4)如采用集中刷新方式,存储器刷新一遍最少用多少读/写周期?
死时间率是多少?
6、已知:
两浮点数x=0.1101×210,y=0.1011×201求:
x+y
7、已知:
x=0.1011,y=-0.0101,求:
[
x]补,[
x]补,[-x]补,[
y]补,[
y]补,[-y]补,x+y=?
x–y=?
8、某机字长32位,定位表示,尾数31位,数符1位,问:
(1)定点原码整数表示时,最大正数是多少?
最小负数是多少?
(2)定点原码小数表示时,最大正数是多少?
最小负数是多少?