《计算机组成原理》白中英第三版课后答案.docx
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《计算机组成原理》白中英第三版课后答案
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第一章计算机系统概论
习题参考答案
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?
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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:
指存储器能够容纳的二进制信息的数量,一般见单位KB、MB、GB来度量,存储
容
.com
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。
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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
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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
.com
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。
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（略）
第二章运算方法和运算器
习题参考答案
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]补=0.0001011
[x]反=0.0001011
[x]移=1.0001011
（3）先把十进制数-127写成二进制小数:
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（-127）10=（-1111111）2
令x=-1111111B
∴[x]原=1.1111111
[x]补=1.0000001
[x]反=1.0000000
[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
[Y]反=11111110
.com
（5）令Y=-1=-0000001B
∴[Y]原=10000001
[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;
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（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）
（2）
（3）～
（4）～
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
（2）-27/64=-11011B×=-0.011011B=-0.11011B×
浮点规格化数:
1111
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=0.11011Y=0.00011
（2）X=0.11011Y=-0.10101
（3）X=-0.10110Y=-0.00001
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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wwx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=0.11011Y=-0.11111
（2）X=0.10111Y=0.11011
（3）X=0.11011Y=-0.10011
解:
（1）先写出x和y的变形补码,再计算它们的差
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[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=0.11011Y=-0.11111
（2）X=-0.11111Y=-0.11011
解:
（1）用原码阵列乘法器计算:
[x]补=0.11011[y]补=1.00001
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（0）11011
×）
（1）00001
----------------------------------
（0）11011
（0）00000
（0）00000
（0）00000
（0）00000
（0）
（1）
（1）（0）
（1）
（1）
-----------------------------------------
.com
（1）0010111011
[x×y]补=1.
∴x×y=-0.
8．用原码阵列除法器计算X÷Y。
（1）X=0.11000Y=-0.11111
（2）X=-0.01011Y=0.11001
解:
（1）[x]原=[x]补=0.11000
[-∣y∣]补=1.00001
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被除数X0.11000
+[-∣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
----------------------
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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:
.com
（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
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∴Ex=Ey
②尾数相加
相加
相减
00.100101
00.100101
+11.000100
------------
11.101001
+00.111100
--------------
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）
+00.010110
--------------
00.001011（0）
11.110101（0）
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+11.101010
------------------
11.011111（0）
[x+y]浮=1100,00.001011（0）左规[x+y]浮=1010,00.1011000
∴x+y=
[x-y]浮=1100,11.011111（0）
∴x-y=
×0.1011B
×（-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
.com
C4C3C2C1的逻辑表示式。
（1）串行进位方式
（2）并行进位方式
解:
（1）串行进位方式:
C1=G1+P1C0其中:
G1=A1B1,P1=A1⊕B1
C2=G2+P2C1
C3=G3+P3C2
C4=G4+P4C3
（2）并行进位方式:
C1=G1+P1C0
G2=A2B2,P2=A2⊕B2
G3=A3B3,P3=A3⊕B3
G4=A4B4,P4=A4⊕B4
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C2=G2+P2G1+P2P1C0
C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1C0
C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1+P4P3P2P1C0
其中G1-G4,P1-P4表示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的逻辑表示式;
（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+PC0,C0为向第0位的进位
其中:
G=y3+x3y2+x2x3y1+x1x2x3y0,P=x0x1x2x3
因此:
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
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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
.com
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。
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画出框图:
第三章存储系统习题
参考答案
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）
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（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）
.com
（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）,经过
6:
64译码器译码产生片选信号对各模块板进行选择。
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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A15A14经2:
4译码器
产生片选信号
逻辑框图如下所示:
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（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
.com
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tR
tR＝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
（访存）,要求:
的地址总线为A15-A0,数据总线为D15-D0,控制信号为R/（读/写）,
（1）画出地址译码方案。
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（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:
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（2）
.com
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
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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=mT=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）
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