计算机组成原理习题与答案.docx

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计算机组成原理习题与答案

简答题

1.什么是存储程序原理？

按此原理，计算机应具有哪几大功能？

1.答：

存储程序原理是用户事先编号的程序先存入主存中，然后CPU在从主存中取出指令、运行指令。

按此原理，计算机应具有输入输出设备，即能把程序和数据通过输入输出设备送入主存中；还应具有存储设备，即内存能存储程序和数据；最后应具有控制器和运算器，即CPU能从主存中取出程序和数据，并按顺序一条一条取出、执行。

2.存储器与CPU连接时，应考虑哪些问题？

2.答：

应考虑

（1）合理选择存储芯片，要考虑芯片的类型和数量尽量使连线简单方便；

（2）地址线的连接，将CPU地址线的低位与存储芯片的地址线相连，以选择芯片中的某一单元，儿高位则在扩充存储芯片时用，用来选择存储芯片；（3）数据线的连接，CPU的数据线与存储芯片的数据线不一定相等，相等时可直接连接，不相等时要对存储芯片进行扩位，使其相等连接；（4）读/写控制线的连接，高电平为读，低电平为写；（5）片选线的连接，CPU的高位地址来产生片选信号。

3.什么叫地址重叠区，什么情况下会产生地址重叠区？

3.答：

存储系统中的某些存储单元有多个地址，这种现象叫地址重叠区。

原因是，存储系统是由多个芯片组成的，在产生片选信号时，如果只用部分高位地址来产生片选信号，则有一部分高位地址线没用，这样这部分地址线的值就不确定，可以为0也可以为1，所以存储芯片的地址空间也不确定了，出现了重复值，产生了地址重叠区。

4.什么叫“对准字”和“未对准字”，CPU对二者的访问有何不同？

4.答：

CPU访问的数据类型有字节，半字，字和双字。

若字长为32位，则字节8位，半字16位，字32位，双字64位。

对准字就是存储这四种数据类型时，字节的起始地址任意，半字的起始地址为2的倍数，字的起始地址为4的倍数，双字的起始地址为8的倍数。

未对准字就是四种数据类型在存储时都任意，无论从哪个存储单元开始都可以。

CPU访问对准字只要一个存储周期就行了，因为对准字都在同一行，能同时选中；访问未对准字需要多个存取周期，引文他们对应的存储单元可能不在同一行。

5.中断周期的前和后各是CPU的什么工作周期，如何工作？

5.答：

中断周期的前一周期是指令的执行周期，CPU根据指令的操作码，发出不同的操作指令完成指令的执行；中断周期的后一周期是取指周期，因为中断周期是指令周期的最后一个周期，若执行周期结束，有中断请求且符合中断执行的条件则进入中断周期，当中断周期结束时，就进入的下一条指令的取指周期，取指周期主要是根据程序计数器的值，从主存中把要执行的指令取到cpu中来分析、执行。

6.为什么要设置总线标准，你知道目前流行的总线标准有哪些？

6.答：

总线标准可视为系统与各模块、模块与模块之间的一个互连的标准界面。

如果没有总线标准，各个设备之间如果要传送数据，就必须相互了解特征、属性，计算机系统内有多种设备，每个设备的特征都各不想通过，相互之间传送数据都要有独立的数据线，这样数据线就很复杂，且设备的接口多。

使用了总线标准，每个设备就只有一个接口接向总线，而不需要了解其他设备的接口特点。

目前流行的总线标准有：

EISA\PCI\USB\AGP\RS232等等。

计算器

1.设某机有4个中断源A、B、C、D，其硬件排队优先次序为A>B>C>D，现要求将中断处理

次序改为D>A>C>B。

（1）写出每个中断源对应的屏蔽字

（2）按图时间轴给出的四个中断源的请求时刻，画出CPU执行程序的轨迹。

设每个中断源的中断服务程序时间均为20us。

1.答：

（1）在中断处理次序改为D>A>C>B后，每个中断源新的屏蔽字如下：

中断源屏蔽字

A1110

B0100

C0110

D1111

2.请写出数据10110100110的海明码，用4位校验位，采用偶校验。

根据海明码的定义有：

D11D10D9D8D7D6D5P4D4D3D2P3D1P2P1

10110100110

P1=D1⊕D2⊕D4⊕D5⊕D7⊕D9⊕D11

=0⊕1⊕0⊕0⊕0⊕1⊕1=1

P2=D1⊕D3VD4⊕D6⊕D7⊕D10⊕D11

=0⊕1⊕0⊕1⊕0⊕0⊕1=1

P3=D2⊕D3⊕D4⊕D8⊕D9⊕D10⊕D11

=1⊕1⊕0⊕1⊕1⊕0⊕1=1

P4=D5⊕D6⊕D7⊕D8⊕D9⊕D10⊕D11

=0⊕1⊕0⊕1⊕1⊕0⊕1=0

所以，数据10110100110的海明码为101101000111011

加上下划线为校验位。

3.CPU执行一段程序时，Cache完成存取次数为3800次，主存完成存取的次数为200次，已知Cache存取周期为50ns，主存为250ns，求Cache/主存系统的效率和平均访问时间。

3.解：

命中率H=3800/（3800+200）=0.95

平均访问时间为Ta=50*0.95+250*（1-0.95）=60ns

效率e=50/60*100%=83.33%

4.已知某8位机的主存采用半导体存储器，地址码为18位，若使用4K*4位RAM芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用模块条的形式，问：

（1）若每个模块条为32k*8位，共需几个模块条

（2）每个模块内共有多少片RAM芯片

（3）主存共需多少RAM芯片？

CPU如何选择各模块条？

4.地址线为18位的8位机主存容量为218*8=256KB

（1）共需8个模块板

（2）每个模块板内有16片RAM芯片

（3）主存共需128片RAM芯片，18根地址线分配如下：

A11---A0作为4K*4位芯片本身的地址线；

A14---A12作为模块板内片选地址，采用74LS138译码器，共8个输出，每个输出选择2片4K*4位的RAM芯片；

A17---A15作为模块板的地址，用74LS138译码器，每个输出选8个模块板中的任一块。

5.CPU执行一段程序时，Cache完成存取次数为5000次，主存完成存取的次数为200次，已知Cache存取周期为40，主存为160，求命中率，Cache/主存系统的效率和平均访问时间。

解：

①命中率H=Nc/（Nc+Nm）=5000/（5000+2000）=5000/5200=0.96

②主存慢于cache的倍率R=Tm/Tc=160ns/40ns=4

访问效率：

ｅ＝１／［ｒ＋（１－ｒ）Ｈ］＝１／［４+（１－４）×０.９６］

＝８９.３℅//:

2分

③平均访问时间Ｔａ＝Ｔｃ／ｅ＝４０／０.８９３＝４５nｓ

6．某磁盘存储器转速为3000rpm，共有4个记录盘面，道密度为5tpm，每道记录信息12288B,最小磁道直径为230mm，共有275道，求：

（1）磁盘存储器的存储容量

（2）最高位密度和最低位密度（3）磁盘数据传输率

（4）平均等待时间

（1）每道记录信息容量=12288B

每个记录面信息容量=12288B*275

4个记录面信息容量=12288B*275*4=13516800B

（2）最高位密度D1按最小磁道半径R1=115mm计算

D1=12288/（2*3.14*115）=17Bpm

最低位密度D2按最大磁道半径R2计算

R2=R1+（275/5）=115+55=170mm

D2=12288/（2*3.14*170）=11.5Bpm

（3）磁盘数据传输率C=Nr

N为每道信息容量12288B

r=3000rpm=50r/s

C=Nr=12288*50=614400Bps

（4）平均等待时间=（1/50）/2=1/100s=10ms

7．要求用128Kⅹ16的SRAM芯片组成512Kⅹ16随机存储器，用64Kⅹ16的EPROM芯片组成128Kⅹ16的只读存储器。

试问：

（1）数据寄存器多少位？

（2）地址寄存器多少位？

（3）两种芯片各需多少片？

（4）若EPROM的地址从00000H开始，RAM的地址从A0000H开始，写出各芯片的地址分配情况

（1）芯片都是*16的，数据寄存器的位数为16位

（2）存储器的总容量为512K+128K=640K,则需要220=1024K的地址才能把所有存储单元都能寻址。

地址寄存器是20位；

（3）128k*16组成512k*16，需要4片，64k*16组成128k*16，需要2片

（4）按照题目的要求，地址信号和地址分配如下：

A19A18A17A16A15---A0

00000---0EPROM1:

00000H—1FFFFH

00011---1

00100---0EPROM2:

20000H—3FFFFH

00111---1

01000---0EPROM3:

40000H—5FFFFH

01011---1

01100---0EPROM3:

60000H—7FFFFH

01111---1

10100---0RAM1:

A0000H—AFFFFH

10101---1

10110---0RAM2:

B0000H—BFFFFH

10111---1

8．CPU内有32个32位的通用寄存器，设计一种能容纳64种操作的指令系统。

假设指令字长等于机器字长，回答下列问题：

（1）如果主存可直接或间接寻址，采用寄存器-存储器型指令，能直接寻址的最大存储董建是多少？

画出指令格式并说出各字段的含义。

（2）在满足

（1）的前提下，如果采用通用寄存器作基址寄存器，则上述寄存器-存储器型指令的指令格式有何特点？

画出指令格式并指出这类指令可访问多大的存储空间？

寄存器是32位，则机器字长为32位，指令字长等于机器字长为32位

（1）指令格式为：

OP6

寄存器号R5

形式地址A21

64种操作，则操作码需要6位；32个寄存器，则寄存器号需要5位；剩下21位为形式地址。

直接寻址的最大空间为221=2M字

（2）满足

（1），采用寄存器-存储器型指令，寻址方式用基址寻址方式，则需要加上寄存器号，指令格式为：

OP6

寄存器号1R5

寄存器号2R5

形式地址A16

寄存器号1为第一操作数；寄存器号2和形式地址构成第二操作数，用的是基址寻址方式，寄存器为32位，按照基址寻址方式EA=（R）+A，则EA为32位，所以寻址空间为232=4G字

9．磁盘组有6片磁盘，最外两侧盘片可以记录，存储区域内径22cm，外径33cm，道密度为40道/cm，内层密度为400位/cm，转速为3600转/分。

（1）共有多少存储面可用?

（2）共有多少柱面

（3）盘组总存储容量是多少（4）数据传输率是多少？

（1）6片，最外两侧可以记录，则有12个存储面可用

（2）柱面即磁道面，（33-22）/2=5.5cm，磁道数为40道/cm*5.5cm=220道

则有220个柱面

（3）内径22cm，周长为3.14*22=69.08cm，内层密度为400位/cm，则一条磁道的容量为69.08*400=27632位=3454B

盘组总存储容量为：

3454*220*12=9MB

（4）数据传输率为每条磁道容量*转速，转速为3600转/分，即60转/秒

3454*60=200KB/S

10.将十进制数-0.625转换为IEEE短浮点数；采用IEEE754单精度浮点数格式表示一个数为45100000H,则该数的值是多少？

（1）-0.625=-0.101=-1.01*2-1

符号位=1

阶码=127-1=126

010*********

结果=BF200000H

（2）符号位1位，阶码8位（用移码表示，移码为127），尾数数值为23位，隐含1位，用原码表示，01000101000100000000000000000000

0,10001010，00100000000000000000000

此数为正数，阶码为138-127=11，尾数为1.001=1.125

数值为1.001*211=1001*28=9*256=2304

应用题

1.为某8位微机（地址总线为16位）设计一个12KB容量的存储器，要求EPROM区为8KB，从0000H开始，采用2716芯片（2K*8）；RAM区为4KB，从2000H开始采用6116芯片（2K*8）。

求：

（1）对各芯片的地址分配；

（2）指出各芯片的片内选择地址线和芯片选择地址线；

（3）采用74LS138译码器，画出片选地址译码电路。

1.解：

（1）EPROM需要4片，从0000H开始；RAM需要2片从2000H开始，芯片都是2K*8的，则片内地址需要11根，从A0---A10地址分配如下：

A15A14A13A12A11A10---A0

000000---0EPROM1：

0000H-07FFH

000001---1

000010---0EPROM2：

0800H-0FFFH

000011---1

000100---0EPROM3：

1000H-07FFH

000101---1

000110---0EPROM4：

1800H-1FFFH

000111---1

001000---0RAM1：

2000H-07FFH

001001---1

001010---0RAM2：

2800H-2FFFH

001011---1

（2）用低位地址作为芯片的片内选择地址线，6个芯片都是2K*8的，片内地址需要11根，则从A0---A10，6个芯片需要3位地址才能实现片选，使用A11---A13.

（3）用74LS138译码器，A11--A13接CBA，/Y0---/Y5即可作为6个芯片的片选信号，电路图如下：

2.假设机器字长为16位，CPU内有32个通用寄存器，主存容量为128KB，且存储字长等于机器字长；指令长度为16位或32位，共有128条指令，设计指令格式，要求有直接、立即数、相对、基址、间接、变址六种寻址方式，画出指令格式，写出有效地址的计算方法、寻址空间、立即数的范围

2.解：

128条指令，需要操作码7位；主存容量为128KB，若能把所有主存空间都访问完需要17位地址线；机器字长为16位，则寄存器的位数也为16位，32个通用寄存器，寄存器号需要5位；六种寻址方式，需要寻址特征位3位，指令格式如下：

直接寻址：

指令字长16位，形式地址A为6位，EA=A，寻址空间为26=64B

OP7

寻址特征3

形式地址A6

立即数寻址：

指令字长16位，立即数A为6位，没有有效地址，A的范围为-32---+31

OP7

寻址特征3

立即数A6

相对寻址：

指令字长16位，形式地址A为6位，EA=（PC）+A,PC为17为，寻址空间为217=128KB

OP7

寻址特征3

形式地址A6

基址寻址：

指令长度为32位，寄存器号5位，形式地址A为17位，EA=（R）+EA,寄存器为16位，则EA为17位，寻址空间为217=128KB

OP7

寻址特征3

寄存器号R5

形式地址A17

间接寻址：

指令字长16位，形式地址A为6位，EA=（A）,存储字长等于机器字长，则（A）为16位，寻址空间为216=64KB

OP7

寻址特征3

形式地址A6

变址寻址：

指令长度为32位，寄存器号5位，形式地址A为17位，EA=（R）+EA,寄存器为16位，则EA为17位，寻址空间为217=128KB

OP7

寻址特征3

寄存器号R5

形式地址A17

3.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，设计四种（寄存器，直接，变址，相对）寻址方式的指令格式，指出每种寻址方式的有效地址计算方法和寻址空间。

3.解：

字长为32位，采用单字长指令，则指令长度为32位，16个通用寄存器，需要寄存器号为4位，主存容量为1M字，若要访问到主存的任意空间，则有效地址位数为20位。

4种寻址方式，寻址特征需要2位，64条指令，操作码需要6位。

寄存器寻址：

指令字长为16位，不需要计算有效地址，不需要访存取操作数

OP6

寻址特征2

寄存器号R14

寄存器R24

直接寻址：

指令字长为32位，有效地址EA=A，A为20位，访存空间为220=1M

OP6

寻址特征2

寄存器号R14

形式地址A20

变址寻址寻址：

指令字长为32位，字长为32位，寄存器值也为32位，有效地址EA=（变址寄存器）+A，共为32位，可访存空间232=4G

OP6

寻址特征2

寄存器号R14

变址寄存器4

形式地址A16

相对寻址

OP6

寻址特征2

形式地址A8

寄存器寻址：

指令字长为16位，EA=（PC）+A,主存需地址线为20位，则PC为20位，所以EA也为20为，可访存空间为：

220=1M

4.用16k*1位的DRAM芯片构成64k*8位的存储器，地址范围是0000H--FFFFH，问：

（1）需要多少片，怎么构成，地址怎么分配，画出片选信号；

（2）设存储器读写周期均为0.5us，CPU在1us内至少要访存一次。

可以采取什么刷新方式？

两次刷新的时间间隔是多少？

对全部存储单元刷新一遍，所需实际刷新时间是多少？

4.解：

（1）需要32片。

先用16k*1位的用位扩展成16k*8位的，8片组成一组，这一组除了数据线不同之外，其余线的接法完全相同。

再用16k*8位的4组用扩展成64K*8位，这四组，用高位地址线形成片选线，其余线的接法完全相同。

16K需要14根，组内地址为A13--A0，每组的地址分配如下：

A15A14A13----A0

000----0DRAM1组：

0000H--3FFFH

001----1

010----0DRAM2组：

4000H--7FFFH

011----1

100----0DRAM3组：

8000H--BFFFH

101----1

110----0DRAM4组：

C000H--FFFFH

111----1

用访存控制信号，M=1，A15，A14作为74ls138译码器的CBA输入端，/Y4选择DARM1组，/Y5选择DRAM2组，/Y6选择DRAM3组，/Y7选择DRAM4组，片选产生电路图如下：

（2）64k*8位，216*23位=219位，可写成210*29行列形式，刷新是以行为单位的，即要刷新所有存储单元即要刷新1024行。

CPU在1us内至少要访存一次，不能采用集中刷新方式，可以采取分散刷新和异步刷新方式.

分散刷新：

刷一行，读写一次，1us时间内正好0.5us刷新，0.5us读写，两次刷新间隔为1us，1024行都刷新完需要1024us，即1.024ms。

2ms的其余时间为正常读写。

异步刷新：

2ms内要刷新1024行，则平均1.95us要刷新一行，两次刷新间隔为1.95us，所有行都刷新完需要2ms。

5．某机存储器容量为64K*16位，该机访存指令格如下

其中M为寻址模式：

0为直接寻址，1为基址寻址，2为相对寻址，3为立即寻址；I为

间址特征（I=1间址）；X为变址特征（X=1变址），设PC为程序计数器，RX为变址寄存器，RB为基址寄存器，问

（1）该指令能定义多少种操作？

（2）立即寻址操作数的范围？

（3）写出每种寻址方式计算有效地址的表达式

（4）设基址寄存器为14位，在非变址直接基址寻址时，指令的寻址范围是多少？

（5）间接寻址时，寻址范围是多少？

若允许多重寻址，寻址范围又是多少？

5.解：

（1）该指令能定义16种操作

（2）立即寻址操作数的范围是-128—+127

（3）直接寻址EA=A基址寻址EA=（RB）+A

变址寻址EA=（RX）+A相对寻址EA=（PC）+A

间接寻址EA=（（A））

（4）非变址直接基址寻址时EA=（RB）+A，RB为14位，故可寻址范围为214.

（5）间接寻址时，如不考虑多次间址，寻址范围为64K。

如果考虑多次间址，则需要最高1位作为多次间址标志，此时寻址范围为32K。

6．设cache的容量为8KB，主存的容量为512KB，每块有16B，请回答：

（1）采用直接映射方式，画出主存和cache的地址分配？

（2）cache采用4路组相联映射，画出主存和cache的地址分配？

（3）直接映射方式下，将主存的第513块调入cache，则cache的块号为什么？

组号是什么？

若送出的主存地址为04011H时是否命中？

6.

（1）cache为8KB/16B=512，则cache地址分配为

主存为512KB/16B=32K,则主存的地址分配为

cache采用4路组相联，则地址分配为

（3）513mod512=1，即第1号块，组号为512/512=1.