计算机组成原理课后习题解答.docx

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计算机组成原理课后习题解答

《计算机组成原理》习题解答

第1章

1.解释概念或术语：

实际机器、虚拟机器，机器指令、机器指令格式，主机、CPU、主存、I/O、PC、IR、ALU、CU、AC、MAR、MDR，机器字长、存储字长、指令字长、CPI、TC、主频、响应时间、吞吐量、MIPS、MFLOPS。

答：

略

2.如何理解计算机系统的层次结构？

说明高级语言、汇编语言及机器语言的差别与联系。

答：

（1）计算机系统是由软件和硬件结合而成的整体。

为了提高计算机系统的好用性，程序设计语言的描述问题能力越来越强，各种程序设计语言大体上是一种层次结构，即高等级编程语言指令包含低等级编程语言指令的全部功能。

对于使用不同层次编程语言的程序员来说，他们所看到的同一计算机系统的属性是不同的，这些属性反映了同一计算机系统的不同层次的特征，即同一计算机系统可划分成多个层次结构，不同层次的结构反映的计算机系统的特征不同而已。

（2）机器语言是能够被计算机硬件直接识别和执行的程序设计语言，机器语言是一种面向硬件的、数字式程序设计语言；汇编语言和高级语言均用符号表示机器语言指令，指令很容易阅读和编写、但不能被硬件直接识别和执行，它们均是一种面向软件的、符号式程序设计语言；相对于汇编语言而言，高级语言描述问题的能力更强；高级语言和汇编语言程序必须翻译成机器语言程序后，才能在计算机硬件上执行。

3.计算机系统结构、计算机组成的定义各是什么？

两者之间有何关系？

答：

计算机系统结构是指机器语言程序员或编译程序编写者所看到的计算机系统的属性，包括概念性结构和功能特性两个方面。

主要研究计算机系统软硬件交界面的定义及其上下的功能分配。

计算机组成是指计算机硬件设计人员所看到的计算机系统的属性。

主要研究如何合理地逻辑实现硬件的功能。

计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。

4.冯·诺依曼模型的存储程序原理包含哪些内容、对计算机硬件和软件有哪些要求？

冯·诺依曼模型计算机的特点有哪些？

答：

存储程序原理是指程序和数据预先存放在存储器中，机器工作时自动按程序的逻辑顺序从存储器中逐条取出指令并执行。

存储程序原理要求存储器是由定长单元组成的、按地址访问的、一维线性空间结构的存储部件；要求软件指令支持用地址码表示操作数在存储器中的地址，指令长度为存储单元长度的倍数，编程语言中必须有转移型指令，以实现程序存储顺序到程序逻辑顺序的转变。

冯·诺依曼模型计算机的特点可归纳为如下几点：

⑴计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备组成；

⑵存储器是由定长单元组成的、按地址访问的、一维线性空间结构；

⑶程序由指令组成，指令和数据以等同地位存放在存储器中；

⑷机器工作时自动按程序的逻辑顺序从存储器中逐条取出指令并执行；

⑸指令由操作码和地址码组成，操作码用于表示操作的性质，地址码用于表示操作数在存储器中的地址；

⑹指令和数据均采用二进制方式表示，运算亦采用二进制方式；

⑺机器以运算器为中心，输入/输出设备与存储器间的数据传送都经过运算器。

5.现代计算机均采用冯·诺依曼模型、但进行了改进，画出现代计算机硬件组成及结构图，并说明各部件的作用。

答：

现代计算机结构大多在冯·诺依曼模型基础上进行了改进，以进一步提高系统的性能。

改进主要包括以存储器为中心、多种存储器共存、采用总线互连三个方面。

基本的硬件组成及结构图如下：

CPU由运算器和控制器组成，运算器负责实现数据加工，实现算术逻辑运算；控制器负责指挥和控制各部件协调地工作，实现程序执行过程。

存储器由主存和辅存（如磁盘）组成，负责实现信息存储。

主存由小容量、快速元器件组成，存放近期常用程序和数据；辅存由大容量、低价格元器件组成，存放所有的程序和数据；主存可被CPU直接访问，这样在提高访存速度的同时，可降低存储器总成本。

I/O设备负责实现信息的输入和输出，以及信息的格式变换。

通过总线实现部件互连的好处是可以实现CPU的操作标准化，而操作标准化的具体实现部件是I/O接口，它负责缓冲和中转相关操作。

6.若某计算机的机器指令格式如表1.2所示，请写出求s=a+b+c的机器语言程序，其中a、b、c存放在起始地址为0000100000的连续3个主存单元中，而s则要求存放到地址为0000001000的主存单元中。

解：

假设程序第一条指令存放在第1000000000号存储单元中，则程序清单如下：

主存单元地址

（二进制）

指令（二进制）

注释

操作码

地址码

…

…

0000001000

s

结果数据s

…

…

0000100000

a

原始数据a

0000100001

b

原始数据b

0000100010

c

原始数据c

…

…

1000000000

000001

0000100000

取数a到累加器AC中

1000000001

000011

0000100001

（AC）＋b，结果存于AC中

1000000010

000011

0000100010

（AC）＋c，结果存于AC中

1000000011

000010

0000001000

将AC中内容存到s所在主存单元中

1000000100

000100

**********

停机，地址码空闲（值可任意）

7．画出基于累加器CPU的主机框图，说明题6的机器语言程序的执行过程（尽可能详细）。

简述执行过程与冯·诺依曼模型的存储程序原理的关系。

答：

基于累加器CPU的的主机框图如下：

假设s=a+b+c程序已被调入主存、首指令地址已写入到PC中，即（PC）=1000000000。

程序运行启动后，计算机硬件自动地、逐条地、按（PC）为指令地址实现取指令、分析指令、执行指令的对应操作，直到执行到停机指令为止。

假设IR中操作码记为OP（IR）、地址码记为AD（IR），则s=a+b+c程序执行过程的具体操作如下：

（1）PC→MAR、MAR→ABus、Read→CBus；MAR＝PC＝1000000000，取指令开始

（2）WMFC，（PC）＋1→PC；PC＝1000000001（下条指令地址）

（3）MDR→IR；IR＝0000010000100000，取指令完成

ID对OP（IR）译码；CU得知当前为取数指令

（4）AD（IR）→MAR、MAR→ABus、Read→Cbus；MAR＝0000100000，执行指令开始

（5）WMFC

（6）MDR→AC；AC＝MDR＝a，执行指令完成

（7）PC→MAR、MAR→ABus、Read→CBus；MAR＝PC＝1000000001，取指令开始

（8）WMFC，（PC）＋1→PC；PC＝1000000010（下条指令地址）

（9）MDR→IR；IR＝0000110000100001，取指令完成

ID对OP（IR）译码；CU得知当前为加法指令

（10）AD（IR）→MAR、MAR→ABus、Read→CBus；MAR＝0000100001，执行指令开始

（11）WMFC

（12）（MDR）＋（AC）→AC；AC＝a＋b，执行指令完成

（13）PC→MAR、MAR→ABus、Read→CBus；MAR＝PC＝1000000010，取指令开始

（14）WMFC，（PC）＋1→PC；PC＝1000000011（下条指令地址）

（15）MDR→IR；IR＝0000110000100010，取指令完成

ID对OP（IR）译码；CU得知当前为加法指令

（16）AD（IR）→MAR、MAR→ABus、Read→CBus；MAR＝0000100010，执行指令开始

（17）WMFC

（18）（MDR）＋（AC）→AC；AC＝a＋b+c，执行指令完成

（19）PC→MAR、MAR→ABus、Read→CBus；MAR＝PC＝1000000011，取指令开始

（20）WMFC，（PC）＋1→PC；PC＝1000000100（下条指令地址）

（21）MDR→IR；IR＝0000100000001000，取指令完成

ID对OP（IR）译码；CU得知当前为存数指令

（22）AD（IR）→MAR、MAR→ABus、Write→Cbus；MAR＝0000100000，执行指令开始

（23）AC→MDR、MDR→DBus、WMFC；MDR＝AC＝a＋b+c，执行指令完成

（24）PC→MAR、MAR→ABus、Read→Cbus；MAR＝PC＝1000000100，取指令开始

（25）WMFC，（PC）＋1→PC；PC＝1000000101（下条指令地址）

（26）MDR→IR；IR＝000100**********，取指令完成

ID对OP（IR）译码；CU得知当前为停机指令

（27）机器自动停机；执行停机指令完成

从程序执行过程可以看出：

由于指令存放在存储器中，故指令执行过程分为取指令（含分析指令）、执行指令两个阶段；由于存储器同时只接收一个访问操作，故程序执行过程是循环的指令执行过程，循环变量为PC中的指令地址；只要按照程序逻辑顺序改变（PC），可以实现按程序逻辑顺序执行程序的目标。

8.指令和数据均存放在存储器中，计算机如何区分它们？

答：

由于存储器访问只使用地址和命令（Read/Write）信号，而指令和数据均以二进制编码形成存放在存储器中，因此，从存储器取得的信息本身是无法区分是指令还是数据的。

计算机只能通过信息的用途来区分，即取指令时取得的是指令，指令执行时取操作数或写结果对应的信息是数据。

即计算机通过程序执行过程或指令执行过程的不同阶段来区分。

9.在某CPU主频为400MHz的计算机上执行程序A，程序A中指令类型、执行数量及平均时钟周期数如下表所示。

指令类型

指令执行数量

平均时钟周期数（/指令）

整数

45000

1

数据传送

75000

2

浮点数

8000

4

条件转移

1500

2

求该计算机执行程序A时的程序执行时间、平均CPI及MIPS。

解：

CPU时钟周期TC＝1/f＝1/（400×106）=2.5ns

程序执行时间TCPU＝[45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2]×2.5＝0.575ms。

平均CPI＝（45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2）

÷（45000＋75000＋8000＋1500）

＝1.776（时钟周期/指令）

MIPS＝（45000＋75000＋8000＋1500）/（0.575×10-3×106）＝225.2百万条/秒

10.冯·诺依曼模型计算机的性能瓶颈有哪些？

简述缓解性能瓶颈严重性的方法。

答：

冯·诺依曼模型计算机的性能瓶颈有CPU-MEM瓶颈、指令串行执行瓶颈两个。

对缓解CPU-MEM瓶颈而言，主要目标是减少MEM访问延迟、提高MEM传输带宽，常用的方法有采用多种存储器构成层次结构存储系统、采用多级总线互连、采用并行结构存储器等。

对缓解指令串行执行瓶颈而言，主要目标是尽可能实现并行处理，常用的方法有采用流水线技术、数据流技术、超标量技术、超线程技术、多核技术等。

第2章

1.解释概念或术语：

进制、机器数、原码、补码、移码、变形补码、BCD码、交换码、内码、奇校验、CRC、上溢、下溢、左规、对阶、溢出标志、进位标志、部分积、Booth算法、交替加减法除法、警戒位、全加器、并行加法器、行波进位、先行进位。

答：

略

2.完成下列不同进制数之间的转换

（1）（347.625）10＝（）2＝（）8＝（）16

（2）（9C.E）16＝（）2＝（）8＝（）10

（3）（11010011）2＝（）10＝（）8421BCD

解：

（1）（347.625）10＝（101011011.101）2＝（533.5）8＝（15B.A）16

（2）（9C.E）16＝（10011100.1110）2＝（234.7）8＝（156.875）10

（3）（11010011）2＝（211）10＝（001000010001）8421BCD

3.对下列十进制数，分别写出机器数长度为8位（含1位符号位）时的原码及补码。

（1）＋23/128

（2）－35/64（3）43（4）－72

（5）＋7/32（6）－9/16（7）＋91（8）－33

解：

（1）[+23/128]原＝0.0010111，[+23/128]补＝0.0010111；

（2）[-35/64]原＝1.1000110，[-35/64]补＝1.0111010；

（3）[43]原＝00101011，[43]补＝00101011；

（4）[-72]原＝11001000，[-72]补＝10111000；

（5）[+7/32]原＝0.0011100，[+7/32]补＝0.0011100；

（6）[-9/16]原＝1.1001000，[-9/16]补＝1.0111000；

（7）[+91]原＝01011011，[+91]补＝01011011；

（8）[-33]原＝10100001，[-33]补＝11011111。

4.对下列机器数（含1位符号位），若为原码时求补码及真值，若为补码或反码时求原码及真值。

（1）[X]原＝100011

（2）[X]补＝0.00011（3）[X]反＝1.01010

（4）[X]原＝1.10011（5）[X]补＝101001（6）[X]反＝101011

解：

（1）[X]补＝111101，X＝-00011＝-3；

（2）[X]原＝0.00011，X＝+0.00011＝+3/32；

（3）[X]原＝1.10101，X＝-0.10101＝-21/32；

（4）[X]补＝1.01101，X＝-0.10011＝-19/32；

（5）[X]原＝110111，X＝-10111＝-23/32；

（6）[X]原＝110100，X＝-10100＝-20/32。

5.

（1）若[X]补＝1.01001，求[－X]补及X；

（2）若[－X]补＝101001，求[X]补及X。

解：

（1）[-X]补＝0.10111，X＝-0.10111＝-23/32；

（2）[X]补＝010111，X＝+10111＝+23。

6.

（1）若X＝＋23及－42，分别求8位长度的[X]移；

（2）若[X]移＝1100101及0011101，分别求X。

解：

（1）[+23]移＝10010111，[-42]移＝01010110；

（2）[X]移＝1100101时的X＝+100101＝+37，

[X]移＝0011101时的X＝-100011＝-35。

7.若[X]补＝0.x－1x－2x－3x－4x－5，[Y]补＝1y4y3y2y1y0，求下列几种情况时，x－i或yi的取值。

（1）X＞1/4

（2）1/8≥X＞1/16（3）Y＜－16（4）－32＜Y≤－8

解：

（1）[1/4]补＝0.01000，

故[（x-1＝0）∧（x-3＝1∨x-4＝1∨x-5＝1）]∨（x-1＝1）时X＞1/4；

（2）[1/8]补＝0.00100，[1/16]补＝0.00010，

故（x-1＝0∧x-2＝0）∧[（x-3＝1∧x-4＝0∧x-5＝0）∨（x-3＝0∧x-4＝1∧x-5＝1）]时1/8≥X＞1/16；

（3）[-16]补＝110000，故y4＝0时Y＜－16；

（4）[-8]补＝111000，[-32]补＝100000，故（y4＝1∧y3＝1∧y2＝0∧y1＝0∧y0＝0）∨（y4

y3＝1）∨[y4＝0∧y3＝0∧（y2＝1∨y1＝1∨y0＝1）]时－32＜Y≤－8。

8.冗余校验的基本原理是什么？

答：

数据发送时，除发送数据信息外，还冗余发送按某种规律形成的校验信息；数据接收时，用所接收数据信息形成新的校验信息，与所接收的校验信息比较，以此判断是否发生了错误，出错时报告出错或自动校正错误。

9.若采用奇校验，下述两个数据的校验位的值是多少？

（1）0101001

（2）0011011

答：

（1）数据0101001的奇校验位值为0

1

0

1

0

0

1

1=0；

（2）数据0011011的奇校验位值为0

0

1

1

0

1

1

1=1。

10.若下列奇偶校验码中只有一个有错误，请问采用的是奇/偶校验？

为什么？

（1）10001101

（2）01101101（3）10101001

答：

上述奇偶校验码采用的是偶校验编码方式。

由于三个奇偶校验码中分别有偶数、奇数、偶数个“1”，而只有一个校验码有错误，

故第2个奇偶校验码（01101101）有错误；

又由于第2个奇偶校验码有奇数个“1”，故校验码采用的是偶校验编码方式。

11.设有8位数据信息01101101，请写出求其海明校验码的过程。

解：

本题中数据位数n＝8，数据信息m8…m1＝01101101，设检验信息位数为k位，

（1）先求得校验信息位数k，根据2k-1≥8＋k的要求，可得k＝4位；

（2）列出n＋k＝8＋4＝12位校验码中的信息排列：

m8m7m6m5p4m4m3m2p3m1p2p1。

（3）设各校验组采用偶校验编码方式，各校验组校验位的值为：

p4＝m8

m7

m6

m5＝0

1

1

0＝0，

p3＝m8

m4

m3

m2＝0

1

1

0＝0，

p2＝m7

m6

m4

m3

m1＝1

1

1

1

1＝1，

p1＝m7

m5

m4

m2

m1＝1

0

1

0

1＝1；

（4）海明偶校验码为：

011001100111。

12.若机器数表示时字长为8位，写出下列情况时它能够表示的数的范围（十进制）。

（1）无符号整数；

（2）原码编码的定点整数；

（3）补码编码的定点整数；（4）原码编码的定点小数；

（5）补码编码的定点小数。

解：

（1）无符号整数的表示范围是00000000～11111111，即0～255；

（2）原码定点整数的表示范围是-1111111～+1111111，即-127～+127；

（3）补码定点整数的表示范围是-（1111111+1）～+1111111，即-128～+127；

（4）原码定点小数的表示范围是-0.1111111～+0.1111111，即-127/128～+127/128；

（5）补码定点小数的表示范围是-1.0000000～+0.1111111，即-128/128～+127/128。

13.对两个8位字长的定点数9BH及FFH，分别写出它们采用原码编码、补码编码及移码编码时的十进制整数的真值，并写出它们表示为无符号数时的十进制真值。

解：

机器码9BHFFH

原码编码的真值（整数）-27-127

补码编码的真值（整数）-101-1

移码编码的真值（整数）+27+127

无符号编码的真值（整数）155255

14.若浮点数表示格式（从高位到低位）为：

阶码6位（含1位阶符）、尾数10位（含1位数符），请写出51/128、－27/1024、7.375、－86.5所对应的机器数。

（1）阶码和尾数均为原码；

（2）阶码和尾数均为补码；

（3）阶码为移码、尾数为补码。

解：

（1）阶码和尾数均为原码时，

[51/128]浮=[0.0110011]浮=1000010110011000或0000000011001100或…，

[-27/1024]浮=[-0.0000011011]浮=1001011110110000或1000011000011011或…，

[7.375]浮=[111.011]浮=0000110111011000或0001100000111011或…，

[-86.5]浮=[-1010110.1]浮=0001111101011010或0010001010101101或…；

（2）阶码和尾数均为补码时，

[51/128]浮=1111110110011000或0000000011001100或…，

[-27/1024]浮=1110111001010000或1111111111100101或…，

[7.375]浮=0000110111011000或0001100000111011或…，

[-86.5]浮=0001111010100110或0010001101010011或…；

（3）阶码为移码、尾数为补码时，

[51/128]浮=0111110110011000或1000000011001100或…，

[-27/1024]浮=0110111001010000或0111111111100101或…，

[7.375]浮=1000110111011000或1001100000111011或…，

[-86.5]浮=1001111010100110或1010001101010011或…。

15.若浮点数表示格式采用6位阶码（含1位阶符）、10位尾数（含1位数符），阶码和尾数均采用补码编码。

（1）写出浮点数能表示的正数及负数的范围；

（2）写出规格化浮点数能表示的正数及负数的范围。

解：

（1）浮点数正数区的范围为：

+2-9×2-32～+（1-2-9）×2+31，

浮点数负数区的范围为：

-1×2+31～-2-9×2-32；

（2）规格化浮点数正数区的范围为：

+2-1×2-32～+（1-2-9）×2+31，

规格化浮点数负数区的范围为：

-1×2+31～-（2-1+2-9）×2-32。

16.若浮点数表示格式为：

6位阶码（含1位阶符）、10位尾数（含1位数符）。

分别写出阶码和尾数均为原码及均为补码时，下列数值为规格化数时的机器码。

（1）＋51/128

（2）－51/128（3）－1/64

解：

（1）阶码和尾数均为原码时，规格化数的机器码为1000010110011000，

阶码和尾数均为补码时，规格化数的机器码为1111110110011000；

（2）阶码和尾数均为原码时，规格化数的机器码为1000011110011000，

阶码和尾数均为补码时，规格化数的机器码为1111111001101000；

（3）阶码和尾数均为原码时，规格化数的机器码为1001011100000000，

阶码和尾数均为补码时，规格化数的机器码为1110101000000000。

17.若机器中单精度浮点数采用IEEE754标准表示。

（1）对机器码为（99D00000）16及（59800000）16的浮点数，请写出它们的真值；

（2）请写出－51/128的机器码。

解：

（1）由于机器码（99D00000）16＝10011001110100000000000000000000B，

故浮点数的符号码S＝1、阶码E＝00110011、尾数码M＝10100000000000000000000，

因1＜E＜255，故机器码表示的为规格化浮点数，

（99D00000）16的真值N＝（-1）1×251-127×1.10100000000000000000000＝-0.1101×2-76；

由于机器码（59800000）16=01011001100000000000000000000000B，

故浮点数的符号码S＝0、阶码E＝10110