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计算机组成原理

机密★启用前

大连理工大学网络教育学院

2017年春《计算机组成原理》

期末考试复习题

☆注意事项：

本复习题满分共：

400分。

一、名词解释

1.汇编语言虚拟机：

将汇编语言源程序汇编为机器语言程序，然后在实际机器上执行。

2.高级语言虚拟机：

将高级语言程序翻译为汇编语言，然后再翻译为机器语言程序在实际机器上执行。

3.微程序机器：

每条机器指令的执行通过一段微程序的执行来实现。

4.存储字：

存储单元中二进制代码的组合。

5.存储字长：

存储单元中二进制代码的位数。

6.存储容量：

大小为字数×字长。

7.PC（程序计数器）：

存放当前欲执行指令的地址，具有自动“＋1”功能。

8.IR（指令寄存器）：

存放当前欲执行的指令。

9.ID（指令译码器）：

分析当前指令的功能。

10.机器字长：

CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。

11.MIPS：

每秒执行的百万条指令数。

12.FLOPS：

每秒执行的浮点指令数。

13.CPI：

平均每条指令所需时间。

14.同步通信：

发送时钟信号来同步数据传送。

15.异步通信：

没有时钟，采用握手信号同步。

16.半同步通信：

同步、异步结合，插入等待周期。

17.分离式通信：

传输周期划分为功能独立的子周期。

18.存储容量：

主存能存放的二进制数的总位数，存储器容量＝存储单元个数×存储字长。

19.存取时间：

启动一次存储器操作到完成操作的时间。

也叫做访问时间。

分为读出时间和写入时间。

20.存取周期：

进行两次连续存储器操作间的最小间隔。

MOS型为100ns，TTL型为10ns。

21.存储器带宽：

单位时间内存储器存取的信息量（字节/秒、字/秒、位/秒）。

22.总线:

是连接多个部件的信息传输线，是各部件共享的传输介质。

总线由许多传输线或通道构成，每条线可以传送一个二进制位。

23.片内总线：

芯片内部总线，例如运算器和cache之间的总线。

24.系统总线：

处理器与主存、I/O等部件之间的信息传输线。

25.三总线结构：

数据总线、地址总线、控制总线。

26.通信总线：

计算机系统之间，或计算机与其他设备之间的信息传输线。

27.数据总线宽度：

数据总线的位数。

位数即为机器位数，与机器字长、存储器字长有关。

28.地址总线：

用来标识主存或I/O设备上存储单元的位置。

29.控制总线：

用来发出各种控制信号的传输线。

30.串行通信：

数据在单条1位宽的传输线上一位一位按顺序依次传送。

31.并行通信：

数据在多条1位宽的传输线上并行传送，同时由源传送到目的地。

32.总线标准：

系统与模块、模块与模块之间互连的某种标准界面，能够隐藏符合标准的部件内部操作细节。

33.闪存：

Flash-ROM已经成为了目前最成功、最流行的一种固态内存，与EEPROM相比具有读写速度快，而与RAM相比具有非易失、以及价廉等优势。

34.通道：

是用来负责管理I/O设备以及实现主存与I/O设备之间交换信息的部件，可视为从属于CPU的专用处理器。

35.外围处理机：

又称为I/O处理机，独立于主机工作，除了具备通道功能之外，还具备码制转换、格式处理、数据校验等功能。

36.I/O指令：

即CPU指令，是机器指令的一类。

37.通道指令：

通道自身的指令，用于执行I/O操作，存放于主存，由通道执行，完成输入输出功能。

38.统一编址：

I/O占用存储器地址空间，无须专门的I/O指令。

减少了存储器最大容量。

39.独立编址：

I/O地址与存储器地址分开，采用专门指令来访问I/O。

不占用主存容量。

40.设备寻址：

每台设备都有设备号，启动设备时，由I/O指令的设备码字段直接指出设备号，经接口中的设备选择电路选中设备。

41.外部设备：

计算机中除主机外的其余部分，称为外部设备（I/O设备、外设）。

42.平板显示器：

一般是指显示器的深度小于显示屏幕对角线1/4长度的显示器件。

43.图形：

指由线和面构成的，没有亮暗层次变化的线条图，如建筑、机械所用的工程设计图、电路图等。

44.图像：

指由象素描绘的，具有亮暗层次的图。

45.像素：

在显示屏幕上，图形和图像都是由称作像素的光点组成的。

46.分辨率：

显示设备所能表示的像素个数，即光点的个数。

取决于荧光粉的粒度，屏的尺寸和电子束的聚焦能力。

47.灰度级：

所显示像素点的亮暗差别，在彩色显示器中则表现为颜色的不同。

48.显示器刷新：

为了使人眼能看到稳定的图像，就必须在图像消失之前使电子束不断地重复扫描整个屏幕。

49.显示器刷新频率：

每秒刷新的次数称刷新频率或扫描频率。

50.视频存储器：

不断提供刷新图像的信号，必须把图像存储起来，存储图像的存储器叫“帧存储器”或“视频存储器”。

VRAM的容量由图像分辨率和灰度级决定。

51.随机扫描：

是控制电子束在CRT屏幕上随机地运动，从而产生图形和字符。

电子束只在需要作图的地方扫描，而不必扫描全屏幕，所以这种扫描方式画图速度快，图象清晰。

52.光栅扫描：

是电视中采用的扫描方法。

在电视中，要求图像充满整个画面，因此要求电子束扫过整个屏幕。

光栅扫描是从上至下顺序扫描，采用逐行扫描和隔行扫描两种方式。

53.汉字内码：

用于汉字信息的存储、交换、检索等的机内代码。

54.半加器：

实现两个一位二进制数相加的电路，称为半加器。

半加器有两个输入端（被加数和加数），两个输出端（和与进位）。

55.全加器：

当多位二进制数据相加时，对每一位而言，除了有被加数和加数之外，还有从低位送来的进位，考虑到进位的加法器称为全加器。

56.并联加法器：

多位二进制数据的加法可用多个全加器来完成，参加运算的两组数据并行加入，进位信号串行传递，称为n位串行加法器，或并联加法器。

57.指令周期：

取出并执行一条指令所需的全部时间。

58.中断：

计算机在执行程序的过程中，当出现异常情况或特殊请求时，计算机停止现行程序的运行，转向对这些异常情况或特殊请求的处理，处理结束后再返回到现行程序的间断处，继续执行原程序，这就是中断。

59.单重中断：

不允许中断现行的中断服务程序。

60.多重中断（中断嵌套）：

允许更高级别的中断源中断现行的中断服务程序。

61.机器指令：

物理的计算机只能够执行机器语言程序，组成程序的每一条语句称作一条机器指令。

62.计算机的指令系统：

计算机能够执行的机器指令的集合就是这种计算机的指令系统。

63.指令的操作码：

位数反映机器指令数目，内容反映机器做什么操作。

64.指令的地址码：

用来指定该指令操作数的地址、结果的地址，以及（可能有的）下一条指令的地址。

65.零地址指令：

指令系统中，有一种指令可以不设置地址字段，即零地址指令。

如：

NOP、HLT指令。

66.陷阱（TRAP）指令：

一旦机器运行出现意外故障（未定义指令、除0等），计算机发出陷阱信号，暂停当前指令的执行，转入故障处理程序。

陷阱指令不提供给用户使用，由机器自动执行。

67.无符号数：

没有符号的数，寄存器的每一位存放的都是数值。

68.有符号数：

数字的极性也用二进制数表示，0代表正数，1代表负数，即符号位也被数字化了，符号位放在数字的前端，这种把符号“数字化”的数，叫做机器数。

69.带符号的绝对值：

符号位为0表示正数，为1表示负数，数值部分为真值的绝对值。

70.溢出：

运算结果超出计算机字长所能表示范围的情况，称为溢出。

71.机器周期：

指令执行的每个阶段，称为一个机器周期。

72.时钟周期：

将一个机器周期分成若干个时间相等的时间段（节拍、状态、时钟周期）。

时钟周期是控制计算机操作的最小单位时间。

二、填空题

1.______________年研制成功的第一台电子计算机称为______________。

答案：

1946、ENIAC

2.计算机系统的软件可分为______________和______________。

答案：

系统软件、应用软件

3.若以电视来比喻计算机硬件和软件的关系，则______________好比硬件，电视节目好比______________。

答案：

电视机、软件

4.存储器的容量可以用KB、MB等表示，它们分别代表______________B和______________KB。

答案：

1024、1024

5.存储______________并按地址顺序执行，这是______________型计算机的工作原理。

答案：

程序、冯?

诺依曼

6.计算机的基本部件包括中______________、控制器、______________、______________和输出设备。

答案：

运算器、存储器、输入设备教材P3

7.存储器分为主存储器和______________。

在CPU运行程序时，必须把程序放在______________。

答案：

外存储器、主存储器。

8.一个浮点数，当其“向右规格化”时，欲使其值基本不变，阶码必须______________。

尾数右移一位，阶码______________。

答案：

增加、加一

9.采用浮点表示时，若尾数为规格化形式，则浮点数的表示范围取决于______________的位数，精度取决于______________的位数，尾数的符号确定浮点数的正负。

答案：

阶码、尾数

10.在浮点加减运算中，对阶时需小阶向大阶看齐，即小阶的尾数向______________移位，每移一位，阶码______________，直到两数的阶码相等为止。

答案：

右、加一

11.浮点运算器由______________和______________组成，它们都是定点运算器。

其中，______________只要求能执行______________运算。

答案：

阶码运算器，尾数运算器，阶码运算器，加法和减法

12．移码表示法最高位为______________，在计算机中，一般阶码可以用移码表示，只能执行______________运算。

答案：

符号位、加减

13.在进行浮点加法运算时，需要完成______________、尾数求和、规格化操作、______________和检查阶码是否溢出。

答案：

对阶、舍入

14.指令流通常是从______________流向______________。

答案：

主存、控制器

15.数的真值变成机器码可采用______________表示法，补码表示法，反码表示法，______________表示法。

答案：

原码、移码

16.动态半导体存储器的刷新一般有______________和______________两种方式。

答案：

集中刷新、分布式刷新

17.存储器可分为主存和______________，程序必须存于______________内，CPU才能执行其中的指令。

答案：

辅存、主存

18.存储器的技术指标主要有______________、______________和制作工艺等。

答案：

存储容量、存取速度

19.广泛使用的______________和______________都是半导体随机读写存储器。

前者的速度比后者快，但容量不如后者大。

答案：

SRAM、DRAM

20.立即数寻址指令的地址字段指出的不是______________的地址，而是______________。

答案：

操作数、操作数本身。

21.寻址方式中，寄存器寻址的操作数在______________中。

答案：

寄存器

22.寄存器间接寻址操作数在______________中。

答案：

存储器

23.程序控制类指令包括各类转移指令，用户常用的有______________转移指令、______________转移指令和过程调用与返回指令等。

答案：

无条件、条件

24.计算机的指令格式与机器的字长、存储器的容量等都有很大的关系，一条指令实际上包含两种信息即______________和______________。

答案：

操作码、地址码

25.地址码表示______________。

以其数量为依据，可以将指令分为______________、______________、______________和三地址指令和多地址指令等几种。

答案：

操作数的地址、零地址指令、一地址指令、二地址指令

26.RISC指令系统的最大特点是：

指令长度固定，指令格式和______________种类少。

只有______________指令访问存储器。

答案：

寻址方式、取数/存数

27.在程序执行过程中，控制器控制计算机的运行总是处于______________、分析指令和______________的循环当中。

答案：

取指令，执行指令教材p167

28.______________、______________和辅存组成三级存储系统，分级的目的是提高访存速度、扩大存储容量。

答案：

cache、主存

29.主存与cache的地址映像方式有______________、______________组相联映像三种方式。

答案：

直接映像、全相联映像

30.衡量存储器的指标是______________、______________和价格/位。

答案：

容量、速度

31.相联存储器不按地址而是按______________访问的存储器，多应用于虚拟存储器和______________之中。

答案：

内容、cache

32.相联存储器不按地址而是按______________访问的存储器。

答案：

内容

33.辅助存储器主要技术指标有______________、______________、寻址时间、数据传输率、价格等。

答案：

存储密度、存储容量教材p256

34.软磁盘和硬磁盘的存储原理与______________基本相同，但在______________性能上存在较大差别。

答案：

记录方式、结构

35.鼠标是常见的输入设备，目前鼠标主要有______________式和______________式。

答案：

机械、光电

36.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______________、CPU周期窃取方式和______________。

答案：

CPU暂停方式、直接访问存储器工作方式

37.通道是具有特殊功能的处理器，根据多台设备共享通道的不同情况，可将通道分为字节多路通道、______________、______________。

答案：

选择通道、数组多路通道

38.如果CPU处于开中断状态，一旦接受了中断请求，CPU就会自动______________，防止再次接受中断，同时为了返回主程序断点，CPU需将______________中的内容存至存储器（或堆栈）中。

答案：

关中断、程序计数器

39.DMA技术的出现使得外围设备可通过______________直接访问______________。

答案：

DMA控制器、内存储器

40.现代计算机一般通过总线结构来组织。

总线的组织方法很多，按其总线数不同，大体有单总线结构和______________两种形式。

答案：

多总线结构

41.为了解决多个______________同时竞争总线的控制权，必须具有______________机构。

答案：

设备或部件、总线判优控制

42.计算机的字长取决于________________________。

答案：

主机和外设一次交换信息的长度

43.存放欲执行指令的寄存器是______________。

答案：

指令寄存器IR

三、简答题

1.刷存的主要性能指标是它的带宽。

实际工作时显示适配器的几个功能部件要争用刷存的带宽。

假定总带宽的50%用于刷新屏幕，保留50%带宽用于其他非刷新功能。

若显示工作方式采用分辨率为1024×768，颜色深度为3B，刷新速率为72Hz，计算总带宽。

答案：

因为刷新所需带宽=分辨率×每个像素点颜色深度×刷新速度（5分）

=1024×768×3B×72/S=165888KB/S=162MB/S（5分）

2.已知X=-0.00101100，Y=-0.00011110，将X，Y转换成双符号位变形补码形式，并采用双符号位变形补码计算[X]补+[Y]补。

答案：

[X][Y]

[X]补+[Y]

3．刷新存储器的重要性能指标是它的带宽。

实际工作时，显示适配器的几个功能部件要采用刷新存储器的带宽。

假定总带宽60%用于刷新屏幕，保留40%带宽用于其他非刷新功能。

若显示工作方式采用分辨率为1024×1024，颜色深度为3B，刷新速率为72Hz，计算刷新存储器总带宽是多少？

答案：

刷新存储器容量＝分辨率×每个像素点颜色深度＝1024×1024×3B＝3MB（4分）

刷新存储器带宽＝刷新存储器容量×刷新速率＝3MB×72/S＝216MB/S（4分）

刷新存储器的总带宽应为216MB/S×100/60＝360MB/S（2分）

4.已知X=0.1001,Y=-0.0101，求[-X]补和[-Y]补。

答案：

[-X]补=1.0111（5分），[-Y]补=0.0101（5分）

5.假设机器字长8位，定点表示，尾数7位，数符1位（0表示正数，1表示负数），问：

定点原码整数表示时，最大正数是多少？

最大负数是多少？

答案：

最大正数：

01111111（1分）数值=十进制数（

-1）（4分）

最大负数：

11111111（1分）数值=十进制数-（

-1）（4分）

6.写出二进制数（±1011）的原码、反码、补码和移码（采用五位表示，最高位为符号位）。

答案：

（＋1011）原＝01011（－1011）原＝11011（1分）

（＋1011）反＝01011（－1011）反＝10100（1分）

（＋1011）补＝01011（－1011）补＝10101（2分）

（＋1011）移＝11011（－1011）移＝00101（2分）

7.写出二进制数（±0．1101）的原码、反码、补码和移码（采用五位表示，最高位为符号位）。

答案：

[＋0.1101]原＝0.1101[－0.1101]原＝1.1101

[＋0.1101]反＝0.1101[－0.1101]反＝1.0010

[＋0.1101]补＝0.1101[－0.1101]补＝1.0011

[＋0.1101]移＝1.1101[－0.1101]移＝0.0011

8.在浮点数中，阶码的正负和尾数的正负各代表什么含义？

答案：

（1）阶码为正，表示将尾数扩大。

（3分）

（2）阶码为负，表示将尾数缩小。

（3分）

（3）尾数的正负代表浮点数的正负。

（4分）

9.已知x=0.1001，y=0.0101，求[x+y]补。

答案：

[x]补=0.1001，（2分）[y]补=0.0101（4分）

[x+y]补=[x]补+[y]补=0.1110+0.0101=0.1110（6分）

10.已知x=-0.01111，y=+0.11001，求[x]原、[y]原、[x]补、[-x]补、[y]补、[-y]补。

答案：

[x]原=1.01111[x]补=1.10001[-x]补=0.01111

[y]原=0.11001[y]补=0.11001[-y]补=1.00111

11.二进制浮点数补码表示为49AH，前4位阶码，后8位尾数，符号位均为1位，试问真值十进制数为多少？

写出计算步骤。

答案：

×2-7，（5分）所以其十进制真值为-24×2-7×102=-2-3×102。

（5分）

可分析出为负数，负数的补码还原为正数后取反+1,0011010得到1100110为102

12.设有一个具有24位地址和8位字长的存储器，回答以下两个问题。

（1）该存储器能够存储多少字节的信息？

（2）如果存储器由4M×1位的RAM芯片组成，需要多少片？

答案：

（1）存储单元数为224=16M，每一个单元存放8位数据，即1B，总共存放信息为16M×1B=16MB（5分）

（2）（16M/4M）×（8位/1位）=4×8=32片（5分）

13.某半导体存储器容量8K×8位，可选用的RAM芯片容量为2K×4位，回答以下问题。

（1）该存储系统要采用什么形式的扩展方式？

（2）总共需要多少个RAM芯片？

（3）如果有一个16K×16位的存储器，用1K×4位的DRAM芯片构成，那么总共需要多少DRAM芯片？

答案：

（1）采用字位扩展方式。

（5分）

（2）芯片数量为（8K/2K）×（8位/4位）=4×2=8片（5分）

（3）（16K/1K）×（16位/4位）=16×4=64片

14.静态存储器依靠什么存储信息？

动态存储器又依靠什么原理存储信息？

试比较它们的优缺点。

答案：

（1）静态存储器以双稳态触发器为存储信息的物理单元，依靠内部交叉反馈保存信息。

（2分）速度较快，不需动态刷新，但集成度稍低，功耗大。

（2分）

（2）动态存储器依靠电容上暂存电荷来存储信息，电容上有电荷为1，无电荷为0。

（2分）集成度高，功耗小，速度稍慢，需定时刷新。

（4分）

15.CPU执行一段程序时，cache完成存取的次数为5000次，主存完成存取的次数为200次。

已知cache存取周期为40ns，主存存取周期为160ns。

求：

（1）Cache命中率H（小数点后保留两位有效数字）。

（2）Cache/主存系统的访问效率e（小数点后保留三位有效数字，最后化为百分比形式）。

（3）平均访问时间Ta（四舍五入后保留整数）。

答案：

（1）命中率H=5000/（5000+200）=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]=0.893=89.3%

（3）平均访问时间Ta=Tc/e=40/0.893=45ns

16.解释机器指令和微指令的关系。

答案：

机器指令是控制计算机完成一个基本操作的命令；（2分）微指令则是控制部件中一组实现一定操作功能的微命令的组合。

（2分）在微程序控制器中，一条机器指令需要由一组微指令组成的微程序来完成，即微程序完成对机器指令的解释执行。

（3分）因此，一条机器指令对应多条微指令，而一条微指令则可为多个机器指令服务。

（3分）

17.假设某计算机指令字长度为32位，具有二地址、一地址、零地址3种指令格式，每个操作数地址规定用8位表示，若操作码字段固定为8位，现已设计出K条二地址指令，L条零地址指令，那么这台计算机最多能设计出多少条单地址指令？

答案：

因为操作码字段固定为8位，所以最多能设计2的8次方等于256条指令。

（5分）现已设计出K条二地址指令，L条零地址指令，所以这台计算机最多还能设计出（256-K-L）条单地址指令。

（5分）

18.请比较说明中断方式与DMA方式的异同。

答案：

（1）相同点：

二者都由随机请求引起。

（3分）

（2）不同点：

中断方式通过执行处理程序进行处理，DMA方式直接依靠硬件实现数据直传。

（3分）中断方式可处理复杂事件、控制中低速I/O操作，DMA方式适于简单的、高速的数据批量传送。

（4分）

19.加速CPU和存储器之间有效传输的措施主要有哪些？

答案：

主要有：

1）加长存储器的字长（2分）

2）采用双端口存储器（2分）

3）加入CACHE（2分）

4）采用多体交叉存储器（4分）

20.请分别写出-0.001011的原码、补码、反码、移码。

答案：

原码=1.001011（2分），补码=1.110101（2分），反码=1.110100（2分），移码=0.110101（4分）

21.假设一个cache的容量是4KB，每块是16B，请回答以下两个问题。

（1）该cache可容纳多少块？

（2）cache的地址有多少位？

答案：

4×1024/16=4096/16=256块

4