计算机组成原理同步练习册答案.docx

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计算机组成原理同步练习册答案

计算机组成原理

第1章计算机系统概论

一.填空题

1.计算机系统是由　硬件和软件两大部分组成的，前者是计算机系统的物质基础，而后者则是计算机系统解题的灵魂，两者缺一不可。

2.存储程序是指　解题之前预先把程序存入存储器；程序控制是指　控制器依据所存储的程序控制计算机自动协调地完成解题的任务，这两者合称为存储程序控制，它是冯·诺依曼型计算机的重要工作方式。

3.通常将控制器和运算器合称为中央处理器（CPU）；而将控制器、运算器和内存储器合称为计算机的主机。

4.计算机系统的硬件包括控制器、运算器、存储器、I/O接口和I/O设备等五大部分。

二.选择题

1.指令周期是指（C）。

A.CPU从主存取出一条指令的时间

B.CPU执行一条指令的时间

C.CPU从主存取出一条指令加上执行该指令的时间

三.问答题

1.存储程序控制是冯•诺依曼型计算机重要的工作方式，请解释何谓存储程序、程序控制？

答：

存储程序是指将解题程序（连同原始数据）预先存入存储器；

程序控制是指控制器依据存储的程序，控制全机自动、协调的完成解题任务。

2.计算机系统按功能通常可划分为哪五个层次？

画出其结构示意图加以说明。

答：

.五级组成的计算机系统如图1.7（课本P18）

1）微程序设计级：

微指令直接由硬件执行。

2）一般机器级（机器语言级）：

由微程序解释机器指令系统，属硬件级。

3）操作系统级：

由操作系统程序实现。

4）汇编语言级：

由汇编程序支持执行。

5）高级语言级：

由高级语言编译程序支持执行。

这五级的共同特点是各级均可编程。

四.计算题

1.设某计算机指令系统有4种基本类型的指令A、B、C和D，它们在程序中出现的频度（概率）分别为0.3、0.2、0.15和0.35，指令周期分别为5ns、5.5ns、8ns和10ns，求该计算机的平均运算速度是多少MIPS（百万条指令每秒）？

解:

指令平均运算时间：

T=5×0.3＋5.5×0.2＋8×0.15＋10×0.35＝7.3（ns）

平均运算速度：

V=1/T=1/（7.3×10－3）＝137（MIPS）

第2章运算方法与运算器

一.填空题

1.若某计算机的字长是8位，已知二进制整数x＝10100，y＝–10100，则在补码的表示中，[x]补＝　00010100　，[y]补＝　11101100　。

2.若浮点数格式中阶码的基数已确定，而且尾数采用规格化表示法，则浮点数表示的数，其范围取决于浮点数阶码　的位数，而精度则取决于　尾数的位数。

3.浮点加减法运算对阶的原则是_小阶向大阶看齐__，即将小阶的尾数右移。

浮点运算结果的溢出是指阶码大于所能表示的最大正阶_，溢出时应将溢出标志位置为1。

4.设有4位二进制数1101，采用奇校验码，则校验位P=__0__；奇偶校验码只能检测出_奇数位_的错误，但无纠错能力。

5.16位（包括1位符号位）的定点小数，若用补码表示，其表示的真值范围是　－1～＋（1－2－15）　，最多能表示　65536（或216）　个不同的数。

6.计算机中的溢出标志OF受算术运算类指令的影响；而零标志“ZF”则在结果为__零__时被置为1。

7.汉字在计算机中的表示方法有汉字的输入编码，还有汉字内码和汉字字模码等三种。

二.选择题

1．下列各数中，最大的数是（B）。

A.（101001）2B.（53）8C.（42）10

2.下列机器数中，真值最小的数是（C　）。

　　A．[x]补＝1.10101　　　　　　　　　　　B．[y]补＝1.10110

　　C．[z]补＝1.01011

3.下列各组机器数，真值相等的一组是（　A　）。

　　A．[x]原＝1.1000[y]补＝1.1000　B．[x]原＝1.1010　[y]补＝1.1010

　　C．[x]补＝11000　[y]移＝11000D．[x]补＝11001　[y]反＝11001

4．用n位字长的补码（其中1位符号位）表示定点整数时，所能表示的数值范围是（　C　）。

　A．0≤｜N｜≤2n-1　　　　　　　B．0≤｜N｜≤2n-1-1

　C．-1≤N≤-（2n-1-1）和0≤N≤2n-1-1　

D．-1≤N≤-2n-1和0≤N≤2n-1-1

5.用8位二进制数控制输出状态，若要使高4位都为1，而使低4位保持不变，可用8位逻辑数11110000与原来的8位输出数据进行（　C　）运算即可。

A．逻辑非　　　B．逻辑乘　　C．逻辑加　D．逻辑异

三.问答题

1.通常，计算机中的基本逻辑运算是哪4种？

逻辑运算的特点是什么？

答：

计算机中的基本逻辑运算是逻辑非、逻辑乘、逻辑加和逻辑异等4种

逻辑运算的特点是：

1）.按位进行,各位的结果互不牵连；所以无借位、进位、溢出等问题。

2）.运算简单；3）.每一位都可看成一个逻辑变量。

所以无符号位、数值位、阶码和尾数的区分。

四.计算题

1.已知二进制数x＝－0.101110，y＝－0.101011，用双符号位补码求x＋y和x-y的值，要求写出计算机中的运算步骤，并指出是否有溢出。

解：

[X]补=11.010010，[Y]补=11.010101，[－Y]补=00.101011

[x]补11.010010

+[y]补11.010101

[x+y]补10.100111

运算结果溢出，x＋y＝－1.011001

[x]补11.010010

+[－y]补00.101011

[x－y]补11.111101

运算结果无溢出，x－y＝－0.000011

2.已知x＝0.1011，y＝-0.1010，用原码一位乘法求x×y的值，要求写出计算机中的运算步骤。

解：

[x]原＝0.1011，[y]原＝1.1010

乘积的符号位Zs＝0⊕1＝1，尾数绝对值相除。

所以｜x×y｜＝P4＝0.01101110

[x×y]原＝1.01101110

故　x×y＝-0.01101110

3.设浮点数的阶为5位（包括2位阶符），尾数为8位（包括2位尾符），用补码表示，已知二进制数x=2-011×0.101011，y=2-010×（-0.110101），按浮点规格化的运算方法，求x+y的值，要求写出机器的运算步骤。

解：

x和y的浮点机器数（阶和尾数均用补码表示）

　　[x]浮＝11101，00.101011

　　[y]浮＝11110，11.001011

①求阶差

　[△E]补＝[Ex]补+[-Ey]补

　　　　＝11101＋00010＝11111

　可见　△E＝－1，说明x的阶码小。

将[Mx]补右移一位

　即[Mx＋My]补＝11.100000

（1）

　尾数运算结果应向左规格化（这里要左移1位），阶码减1，即：

　[x＋y]浮＝11101，11.000001

所以　x＋y＝2-011×（-0.111111），运算结果无溢出。

第3章存储系统

一.填空题

1.在当今计算机系统的三级存储系统中,CPU能直接访问的存储器是_Cache和主存储器___，不能直接访问的存储器是_辅助存储器_。

2．在有一级Cache的系统中，设主存和Cache的存储周期分别是TM和TC，若不命中率是（1-H），则CPU访问存储器的平均时间TA＝HTC+（1-H）TA。

3.在并行操作的存储器中，有双端口存储器、相联存储器和多模块交叉存储器等。

4.主存和Cache的映射方式有全相联映射、直接映射和_组相联_映射三种，其中灵活性大、Cache的行利用率高但速度较慢的映射方式是_全相联映射。

5.虚拟存储器指的是_主存储器－辅助存储器___这一存储层次，它给用户提供了一个比实际__物理地址______空间大得多的虚拟地址空间。

6.某32位CPU有32根地址线，内存按字节编址，则主存物理存储空间是__4____GB；虚拟地址码46位，则虚拟存储空间是___64_____TB。

二.选择题

1.存储周期是指（C）。

A．存储器的读出时间

B．存储器的写入时间

C．存储器进行连续读或写操作所允许的最短时间间隔

D．存储器进行连续写操作所允许的最短时间间隔

2.主存储器和CPU之间增加Cache的目的是（B）。

A.扩大主存的容量

B.解决CPU与主存之间的速度匹配问题

C.扩大CPU中通用寄存器的数量

3.某SRAM芯片，其存储容量为64K×l6位，该芯片的地址线和数据线数目为（B）。

A．64，16B．16，16C．64，8D．16，64

4．计算机系统中的存储系统是指（　C　）

　A.内存储器　　　　　　　　　B.半导体存储器和磁盘存储器

　C.内存储器和外存储器　　　　D.半导体读写存储器

5.某4模块交叉存储器，每个模块的存储容量为128K×64位，存储周期为40ns。

则存储器的总容量512K×64位。

连续启动存储模块的时间τ应为10ns。

6．某DRAM芯片，其存储容量为4M×8位，该芯片的地址线采用行、列地址复用，而且行、列地址位数相同，则该芯片的地址线和数据线数目分别是（B）条。

A．11，1B．11，8C．22，8

7．相联存储器是按（C）进行寻址的存储器。

A.地址指定方式B.堆栈存取方式

C.内容指定方式

8.交叉存储器实质上是一种（模块式）存储器，它能（并行）执行多个独立的读写操作。

A.模块式，并行

B.模块式，串行

C.整体式，并行

9.活动头磁盘存储器的平均存取时间是指（D）。

A.平均找道时间B.最小找道时间

C.平均等待时间D.平均找道时间加上平均等待时间

10.某机字长为32位，主存容量为1MB，若按字编址，它的寻址范围是（C）。

供选择的答案：

A.0―1MB.0―512KBC.0―（256K-1）D.0―256KB

11.在Cache的地址映射中，若主存中的任何一块均可映射到Cache的任一行的位置上，则这种方法称为（B）。

A.直接映射

B.全相联映射

C.组相联映射

三.问答题

1．当前存储系统通常采用三级或三级以上的存储结构，试画出三级存储结构的框图，并说明每一级存储器的功能。

答：

通常采用三级的存储结构如下图所示，各级存储器的功能如下：

1）.高速缓冲存储器（Cache）

利用CPU运行程序的局部性原理，Cache存放最活跃的程序和数据；若使CPU访问存储器时在Cache访问到的概率高，则从CPU的角度看存储系统，看到的存储器是Cache的速度。

2）.主存储器（M.S）

即是主要存储器（主存），存放计算机运行期间的大量程序和数据；既能为CPU直接访问，又能把最活跃的程序和数据存放到Cache中，供CPU使用。

3）.辅助存储器

存放当前暂不参与运行的程序和数据，当CPU需要时，再与主存成批交换信息。

由磁盘存储器、光盘存储器和磁带存储器构成。

2．MOS动态存储器为什么要进行刷新？

常用的刷新方式是哪三种？

并加以说明？

答：

由于ＭＯＳ动态存储元是以电荷形式存储信息的，栅极电容会缓慢泄放电荷，为维持所存信息，需定时补充电荷，这就是刷新。

常用的刷新方式有三种

集中刷新方式：

刷新操作集中进行。

优点：

存储器系统的读写周期接近于存储器件的读写周期，速度快。

缺点：

刷新期间不能进行读/写（死时间），增加存储管理困难。

②分散刷新方式：

在每次读/写后都进行一行的刷新操作。

优点:

不存在死时间。

缺点:

刷新占时多，降低了存储系统的速度。

异步刷新方式：

在行刷新的间隔时间里按序进行一行的刷新操作。

可安排在存储器不读不写时进行。

优点:

不存在死时间，刷新占时少。

缺点:

控制线路复杂。

3．解决主存与CPU速度不匹配的主要途径有哪些？

试加以说明。

答：

解决主存与CPU速度不匹配的的主要途径：

在CPU内部设置多个通用寄存器；

采用并行操作的存储器；

在CPU和主存之间插入Cache；

采用更高速的存储芯片。

由于通用寄存器的速度与CPU匹配，多个通用寄存器可以存放运算的中间结果，减少CPU访存次数；并行操作的存储器有双端口存储器、多模块交叉存储器等。

它们能实现并行的操作，速度快。

高速缓冲存储器（Cache）是介于CPU与主存之间的用于存放当前最活跃的程序块和数据的高速、小容量的存储器。

Cache是CPU运行程序的局部性原理，使CPU访问内存储器绝大多数都能在Cache访问到，大大提高访问内存的平均时间。

4．什么叫虚拟存储器？

其基本特征是什么？

答：

虚拟存储器是一个容量非常大的存储器的逻辑模型，借助于磁盘等辅存来扩大主存容量，是指“主存－外存”的存储层次。

虚存空间大于实存空间是虚拟存储器的基本特征；虚存空间是由辅存支持的。

四.计算题

1.设存储器容量为64M字，字长为64位，模块数m＝8，分别用顺序和交叉方式进行组织。

存储周期T＝48ns，数据总数宽度为64位，总线传送周期τ=5ns。

求顺序存储器和交叉存储器的带宽各是多少MB/s？

解：

8个字的字节数：

q＝（64/8）×8＝64（B）

顺序存储器与交叉存储器读出8个字的时间分别是：

t1＝8T＝8×48＝384×10-9（s）

t2＝T+（m-1）τ＝48+7×（48/8）＝90×10-9（s）

则顺序存储器带宽为

W1＝q/t1＝0.167×109（B/s）=167（MB/s）

交叉存储器带宽为

W2＝q/t2＝0.711×109（B/s）=711（MB/s）

2．某计算机系统的内存储器由Cache和主存构成，Cache的存储周期为5ns，主存的存取周期为30ns。

已知在一段给定的时间内，CPU共访问内存6000次，其中300次访问主存。

问：

①Cache的命中率H是多少?

②CPU访问内存的平均时间是多少ns（纳秒）?

③Cache-主存系统的效率是多少?

解：

①Cache的命中率：

②CPU访存的平均时间

③Cache-主存系统的效率

3．有一台磁盘机，其平均找道时间为10ms，平均等待时间为20ms，数据传输速率为2000B/ms，磁盘机上存放着100块数据，每块大小平均为4000B。

现要把每一块数据取出，并且加以更新，更新后再放回原处，假设一次取出或写入所需时间为：

平均找道时间+平均等待时间+数据传送时间。

另外，使用CPU更新一块数据所需时间为2ms，设更新时间与输入或输出操作不相重叠。

试问：

（1）更新磁盘上全部数据需要多少时间？

（2）若磁盘机旋转速度和数据传输速率都提高一倍，更新全部数据需要多少时间？

解：

（1）每次磁盘读或写的时间＝找道时间+等待时间+数据传输时间，故总的文件更新时间为

（2）若磁盘机的旋转速度提高一倍，则平均旋转等待时间缩短为10毫秒；若磁盘机的数据传输率都提高一倍，则变为4000B/ms，故总的文件更新时间为

五.分析题

1．用16K×8位的DRAM芯片构成64K×16位的主存，要求：

（1）画出该主存的组成逻辑框图。

（2）设DRAM芯片存储体结构为128行，每行为128×8个存储元。

存储周期为0.5μs，CPU在1μs内至少要访问主存一次。

试问采用何种刷新方式较合理？

对全部存储单元刷新一遍的实际刷新时间又是多少μs？

解：

所需芯片数量S

S＝（M/L）×（N/K）（3.1）

=（64K/16K）×（16b/8b）＝8（片）

64K字需16位地址码A15~A0，用A15A14二位地址码经2：

4译码器产生4个片选信号，每个片选信号和两片存储芯片的片选端连接，A13~A0与8片存储器芯片连接，具体接法参考课本相关内容，此处略。

采用异步刷新方式较合理，对全部存储单元刷新一遍的实际刷新时间是

T=0.5×128＝64（μs）

2．试分析当前计算机存储系统为什么采用三级或三级以上的层次结构。

解：

为了尽可能达到存储系统的设计目标：

即在一定的成本下，获得尽可能大的存储容量，尽可能高的存取速度以及可靠性等。

例如三级存储系统的分级结构（课本P109图3.1）：

（1）高速缓冲存储器

在计算机系统中用于存放最活跃的程序和数据的高速小容量存储器。

（2）主存储器

用于存放计算机运行期间的大量程序和数据的半导体存储器。

（3）辅助存储器（外存储器）

存放当前暂不参与运行的程序和数据，需要时再与主存成批交换信息的存储器。

例如磁表面存储器（磁盘、磁带）、光盘存储器。

这就有效地把各种不同速度，不同位价格，不同容量的存储器有机地联系起来，充分发挥各级存储器的特点，尽可能达到存储系统的设计目标。

3.某8位计算机有16位地址码A15—A0（A0为最低位），现需配置满足下列要求的主存：

地址空间0000H—3FFFH为用户程序区，地址空间D000H—DFFFH为系统程序工作区，地址空间E000H—FFFFH为系统程序区（ROM）。

可供选用的EPROM芯片为2716（容量为2K×8位）、2764（8K×8位），SRAM芯片有4K×8位、8K×8位和16K×8位共5种，数量不限。

试计算出所选用的各种芯片的数量，并画出产生片选信号的译码逻辑。

解：

地址空间为0000H—3FFFH的用户程序区，即16KB，可选用2片8K×8位的SRAM芯片；地址空间为D000H—DFFFH的系统程序工作区，即4KB，可选用1片4K×8位的SRAM芯片；地址空间为E000H—FFFFH的系统程序区（ROM），即8KB，可选用1片8K×8位的EPROM芯片。

产生片选信号的译码逻辑,可参考课本P137的存储器组成实例【例3.1】，此处略。

4.若某磁盘装置的平均找道时间为10毫秒，平均旋转等待时间为8毫秒，数据传输率为2.5M字节/秒。

磁盘机上存放着100个文件，每个文件的平均长度是1M字节。

现需将所有文件独一读出并检查更新，然后写回磁盘机，每个文件平均需要2毫秒的额外处理时间。

问：

（1）检查并更新所有文件需要占用多少秒的时间？

（2）若磁盘机有4个记录面，某一文件的容量大于一条磁道的容量但不大于一个柱面的容量，则在更新过程中，应将文件记录在同一个记录面上还是在同一个柱面上？

为什么

【解】

（1）每次磁盘读或写的时间＝找道时间+等待时间+数据传输时间，故总的文件更新时间为

（2）应将文件记录在同一个柱面上，可以不必再次找道，避免再次找道耗费时间。

5.设磁盘的平均找道时间是ts秒，平均等待时间是tw秒,数据传输率是R字节/秒，试分析写入一块字节数为B的数据所需的时间TB是多少秒?

解：

读/写一块字节数为B的数据所需的时间为tB，则

第4章指令系统

一.填空题

1．机器指令的基本结构主要有操作码字段和地址码字段两部分。

2．存储器堆栈包括的主要硬件有_内存储区_和_堆栈指针SP_，通常用PUSH、POP指令完成进栈和出栈操作。

3．指令的寻址方式有顺序寻址方式和跳跃寻址方式两类。

4.在寄存器间接寻址方式中，有效地址存放在寄存器中，而操作数存放在主存单元中。

5．二地址指令按操作数的来源不同，可分为RR型、RS型和SS型等三种类型的指令。

二.选择题

1．下列几项中，不符合RISC指令系统的特点是（B）。

A．指令长度固定，指令种类少

B．寻址方式种类尽量减少，指令功能尽可能强

C．增加寄存器的数目，以尽量减少访存次数

D．选取使用频率最高的一些简单指令，以及很有用但不复杂的指令

2．堆栈寻址方式中，设A为累加器，SP为堆栈指针，Msp为SP指示的栈顶单元，如果进栈操作的动作是：

先（A）→Msp，后（SP）-1→SP，则出栈操作的动作应为（B）。

A．先（Msp）→A，后（SP）+1→SP

B．先（SP）+1→SP，后（Msp）→A

C．先（SP）-l→SP，后（Msp）→A

3.指令的寻址方式有顺序和跳跃两种方式。

采用跳跃寻址方式，可以实现（D）。

A.堆栈寻址B.程序的无条件转移

C.程序的条件转移D.程序的条件转移或无条件转移

4.寄存器间接寻址方式中，操作数是在（C）中。

A.程序计数器

B.通用寄存器

C.主存单元

5.为了便于实现多级中断，保存现场信息最有效的方法是采用（C）。

A.通用寄存器B.控制存储器C.堆栈

三.问答题

1．指令系统按功能划分，可分为哪几类？

答：

指令系统按功能可划分为：

1）数据传送类指令：

实现主存单元和主存单元之间、主存和寄存器之间，寄存器和寄存器之间的数据传送。

2）算术/逻辑运算类指令：

完成定点/浮点数的四则运算，以及求补等运算；完成逻辑运算、移位操作等。

3）程序控制类指令：

改变程序执行顺序。

4）输入输出类指令：

实现外设和主机之间，外围设备之间的信息交换。

5）其他指令：

例如字符串处理指令、特权指令、程序状态字寄存器置位复位指令、测试指令、暂停指令等。

字符串处理指令是非数值处理指令，包括字符串传送、转换、比较、查找和替换等。

特权指令是指具有特殊权限的指令，它主要用于系统资源的分配和管理，一般不直接提供给用户使用。

2．在计算机中，有哪两种堆栈的结构？

并说明堆栈有哪些应用。

答：

在计算机中，有寄存器堆栈和存储器堆栈两种堆栈的结构，

1）寄存器堆栈是在CPU中设置一组专门的具有对位串联的若干个寄存器组成堆栈。

2）存储器堆栈的硬件组成：

（1）.在内存开辟一个专用的存储区作为堆栈。

（2）.堆栈指针SP（堆栈指示器，堆栈地址计数器）提供“压入”或“弹出”数据的地址。

堆栈指令PUSH（进栈）,POP（出栈）

堆栈的应用

1）.为零地址指令提供操作数；

2）．存放返主地址，实现子程序嵌套；

3）．存放多级中断的有关信息，实现多级中断的嵌套。

四.分析题

1．指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式的特点。

15107430

OP

目标寄存器

源寄存器

其中OP为操作码。

解：

指令为单字长二地址指令；可指定多达26＝64种指令；两个操作数都是来自寄存器，属于RR型指令；这种指令多用于算术逻辑运算。

2.已知计算机指令字长为16位，内存储器按字编址，其双操作数指令的格式如下：

15109870

OP

R

D

其中OP为操作码，R为通用寄存器地址，试说明在下列各种情况下能访问的最大主存区为多少机器字?

①D为直接操作数；

②D为直接主存地址；

③D为间接地址（一次间址）；

④D为变址的形式地址，假定变址寄存器为R1（字长为16位）。

解：

①D为直接操作数，可给定8位二进制数据；

②D为直接主存地址，可访问28＝256个存储单元；

③D为间接地址（一次间址），可访问内存，从中得到16位字长的地址码，能访问的最大主存区是216＝64K；

④D为变址的形式地址，假定变址寄存器为R1（字长为16位），有效地址E＝（R1）+D，能访问的最大主存区是216＝64K