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1、唐朔飞计算机组成原理习题答案 唐朔飞 计算机组成原理课后答案第 一 章 1. 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：P3计算机系统计算机硬件、软件和数据通信设备的物理或逻辑的综合体。计算机硬件计算机的物理实体。计算机软件计算机运行所需的程序及相关资料。硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。5. 冯诺依曼计算机的特点是什么？解：冯氏计算机的特点是：P9 由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成； 指令和数据以同一形式（二进制形式）存于存储器中； 指令由操作码、地址码两大部分组成； 指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行； 以

2、运算器为中心（原始冯氏机）。7. 解释下列概念：主机、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长。解：P10主机是计算机硬件的主体部分，由CPU+MM（主存或内存）组成；CPU中央处理器（机），是计算机硬件的核心部件，由运算器+控制器组成；（早期的运、控不在同一芯片上）主存计算机中存放正在运行的程序和数据的存储器，为计算机的主要工作存储器，可随机存取；由存储体、各种逻辑部件及控制电路组成。存储单元可存放一个机器字并具有特定存储地址的存储单位；存储元件存储一位二进制信息的物理元件，是存储器中最小的存储单位，又叫存储基元或存储元，不能单独存取

3、；存储字一个存储单元所存二进制代码的逻辑单位；存储字长一个存储单元所存二进制代码的位数；存储容量存储器中可存二进制代码的总量；（通常主、辅存容量分开描述）机器字长CPU能同时处理的数据位数；指令字长一条指令的二进制代码位数；讲评：一种不确切的答法：CPU与MM合称主机；运算器与控制器合称CPU。这两个概念应从结构角度解释较确切。 8. 解释下列英文缩写的中文含义：CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS解：全面的回答应分英文全称、中文名、中文解释三部分。CPUCentral Processing Unit，中央处理机（器），见7题

4、；PCProgram Counter，程序计数器，存放当前欲执行指令的地址，并可自动计数形成下一条指令地址的计数器； IRInstruction Register，指令寄存器，存放当前正在执行的指令的寄存器； CUControl Unit，控制单元（部件），控制器中产生微操作命令序列的部件，为控制器的核心部件；ALUArithmetic Logic Unit，算术逻辑运算单元，运算器中完成算术逻辑运算的逻辑部件；ACCAccumulator，累加器，运算器中运算前存放操作数、运算后存放运算结果的寄存器； MQMultiplier-Quotient Register，乘商寄存器，乘法运算时存放乘

5、数、除法时存放商的寄存器。 X此字母没有专指的缩写含义，可以用作任一部件名，在此表示操作数寄存器，即运算器中工作寄存器之一，用来存放操作数；MARMemory Address Register，存储器地址寄存器，内存中用来存放欲访问存储单元地址的寄存器； MDRMemory Data Register，存储器数据缓冲寄存器，主存中用来存放从某单元读出、或写入某存储单元数据的寄存器； I/OInput/Output equipment，输入/输出设备，为输入设备和输出设备的总称，用于计算机内部和外界信息的转换与传送；MIPSMillion Instruction Per Second，每秒执行百

6、万条指令数，为计算机运算速度指标的一种计量单位；10. 指令和数据都存于存储器中,计算机如何区分它们？解：计算机硬件主要通过不同的时间段来区分指令和数据，即：取指周期（或取指微程序）取出的既为指令，执行周期（或相应微程序）取出的既为数据。另外也可通过地址来源区分，从PC指出的存储单元取出的是指令，由指令地址码部分提供操作数地址。问题讨论： 由控制器分析是指令还是数据； 数据进控制器？ 指令由指令寄存器存取；指令寄存器有控制功能？ 指令和数据的格式不一样；指令由操作码和地址码组成）两者的二进制代码形式不一样？ 指令顺序存放，而数据不是；数据为什么不能顺序存放？ MAR放地址，MDR放数据；取指时

7、MDR中也是数据？ 存取数据和存取指令的操作在机器中完全一样；无法区分？ 指令和数据的地址不一样；某一存储单元只能放数据（或指令）? 指令放在ROM中，数据放在RAM中；用户程序放在哪？第 三 章1. 什么是总线？总线传输有何特点？为了减轻总线负载，总线上的部件应具备什么特点？解：总线是多个部件共享的传输部件。总线传输的特点是：某一时刻只能有一路信息在总线上传输，即分时使用。为了减轻总线负载，总线上的部件应通过三态驱动缓冲电路与总线连通。讲评： 围绕“为减轻总线负载”的几种说法： 应对设备按速率进行分类，各类设备挂在与自身速率相匹配的总线上； 应采用多总线结构； 总线上只连接计算机的五大部件；

8、 总线上的部件应为低功耗部件。上述措施都无法从根上（工程上）解决问题，且增加了许多不必要（或不可能）的限制。 总线上的部件应具备机械特性、电器特性、功能特性、时间特性；这是不言而喻的。4. 为什么要设置总线判优控制？常见的集中式总线控制有几种？各有何特点？哪种方式响应时间最快？哪种方式对电路故障最敏感？解：总线判优控制解决多个部件同时申请总线时的使用权分配问题；常见的集中式总线控制有三种：链式查询、计数器查询、独立请求；特点：链式查询方式连线简单，易于扩充，对电路故障最敏感；计数器查询方式优先级设置较灵活，对故障不敏感，连线及控制过程较复杂；独立请求方式判优速度最快，但硬件器件用量大，连线多，

9、成本较高。5. 解释下列概念：总线的主设备（或主模块）、总线的从设备（或从模块）、总线的传输周期和总线的通信控制。解：总线的主设备（主模块）指一次总线传输期间，拥有总线控制权的设备（模块）；总线的从设备（从模块）指一次总线传输期间，配合主设备完成传输的设备（模块），它只能被动接受主设备发来的命令；总线的传输周期总线完成一次完整而可靠的传输所需时间；总线的通信控制指总线传送过程中双方的时间配合方式。6. 试比较同步通信和异步通信。解：同步通信由统一时钟控制的通信，控制方式简单，灵活性差，当系统中各部件工作速度差异较大时，总线工作效率明显下降。适合于速度差别不大的场合；异步通信不由统一时钟控制的通

10、信，部件间采用应答方式进行联系，控制方式较同步复杂，灵活性高，当系统中各部件工作速度差异较大时，有利于提高总线工作效率。8. 为什么说半同步通信同时保留了同步通信和异步通信的特点？解：半同步通信既能像同步通信那样由统一时钟控制，又能像异步通信那样允许传输时间不一致，因此工作效率介于两者之间。10. 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？什么叫plug and play？哪些总线有这一特点？解：总线标准的设置主要解决不同厂家各类模块化产品的兼容问题；目前流行的总线标准有：ISA、EISA、PCI等；plug and play即插即用，EISA、PCI等具有此功能。11. 画一个具

11、有双向传输功能的总线逻辑图。解：此题实际上是要求设计一个双向总线收发器，设计要素为三态、双向、使能等控制功能的实现，可参考74LS245等总线收发器芯片内部电路。 逻辑图如下：（n位）几种错误的设计：几种错误的设计：12. 设数据总线上接有A、B、C、D四个寄存器，要求选用合适的74系列芯片，完成下列逻辑设计：（1） 设计一个电路，在同一时间实现DA、DB和DC寄存器间的传送；（2） 设计一个电路，实现下列操作：T0时刻完成D总线； T1时刻完成总线A； T2时刻完成A总线； T3时刻完成总线B。解： （1）采用三态输出的D型寄存器74LS374做A、B、C、D四个寄存器，其输出可直接挂总线。

12、A、B、C三个寄存器的输入采用同一脉冲打入。注意-OE为电平控制，与打入脉冲间的时间配合关系为： 现以8位总线为例，设计此电路，如下图示：（2）寄存器设置同（1），由于本题中发送、接收不在同一节拍，因此总线需设锁存器缓冲，锁存器采用74LS373（电平使能输入）。节拍、脉冲配合关系如下：节拍、脉冲分配逻辑如下：节拍、脉冲时序图如下：以8位总线为例，电路设计如下：（图中，A、B、C、D四个寄存器与数据总线的连接方法同上。）几种错误的设计：（1）几种错误的设计：（1）几种错误的设计：（2）几种错误的设计：（2）几种错误的设计：第 四 章3. 存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？

13、计算机如何管理这些层次？答：存储器的层次结构主要体现在Cache主存和主存辅存这两个存储层次上。 Cache主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。主存辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。综合上述两个存储层次的作用，从整个存储系统来看，就达到了速度快、容量大、位价低的优化效果。主存与CACHE之间的信息调度功能全部由硬件自动完成。而主存辅存层次的调度目前广泛采用虚拟存储技术实现，即将主存与辅存的一部份通过软硬结合

14、的技术组成虚拟存储器，程序员可使用这个比主存实际空间（物理地址空间）大得多的虚拟地址空间（逻辑地址空间）编程，当程序运行时，再由软、硬件自动配合完成虚拟地址空间与主存实际物理空间的转换。因此，这两个层次上的调度或转换操作对于程序员来说都是透明的。4. 说明存取周期和存取时间的区别。解：存取周期和存取时间的主要区别是：存取时间仅为完成一次操作的时间，而存取周期不仅包含操作时间，还包含操作后线路的恢复时间。即：存取周期 = 存取时间 + 恢复时间5. 什么是存储器的带宽？若存储器的数据总线宽度为32位，存取周期为200ns，则存储器的带宽是多少？解：存储器的带宽指单位时间内从存储器进出信息的最大数

15、量。存储器带宽 = 1/200ns 32位= 160M位/秒 = 20MB/S = 5M字/秒注意字长（32位）不是16位。（注：本题的兆单位来自时间=106） 6. 某机字长为32位，其存储容量是64KB，按字编址它的寻址范围是多少？若主存以字节编址，试画出主存字地址和字节地址的分配情况。解：存储容量是64KB时，按字节编址的寻址范围就是64KB，则：按字寻址范围 = 64K8 / 32=16K字 按字节编址时的主存地址分配图如下：讨论： 1、一个存储器不可能有两套地址，注意字长32位，不是16位 ，不能按2字节编址； 2、本题与IBM370、PDP-11机无关； 3、按字寻址时，地址仍为1

16、6位；（ ：地址14位，单元16K个，按字编址4K空间。） 4、字寻址的单位为字，不是B。 5、按字编址的地址范围为016K-1，空间为16K字；按字节编址的地址范围为064K-1，空间为64KB。不能混淆； 6、画存储空间分配图时要画出上限。7. 一个容量为16K32位的存储器，其地址线和数据线的总和是多少？当选用下列不同规格的存储芯片时，各需要多少片？1K4位，2K8位，4K4位，16K1位，4K8位，8K8位解：地址线和数据线的总和 = 14 + 32 = 46根；各需要的片数为：1K4：16K32 / 1K4 = 168 = 128片 2K8：16K32 / 2K8 = 84 = 32

17、片 4K4：16K32 / 4K4 = 48 = 32片 16K1：16K32 / 16K1 = 32片4K8：16K32 / 4K8 = 44 = 16片8K8：16K32 / 8K8 = 24 = 8片 讨论：地址线根数与容量为2的幂的关系，在此为214，14根；：32=25，5根）数据线根数与字长位数相等，在此为32根。（不是2的幂的关系。9. 什么叫刷新？为什么要刷新？说明刷新有几种方法。解：刷新对DRAM定期进行的全部重写过程；刷新原因因电容泄漏而引起的DRAM所存信息的衰减需要及时补充，因此安排了定期刷新操作；常用的刷新方法有三种集中式、分散式、异步式。集中式：在最大刷新间隔时间内

18、，集中安排一段时间进行刷新；分散式：在每个读/写周期之后插入一个刷新周期，无CPU访存死时间；异步式：是集中式和分散式的折衷。讨论： 1、刷新与再生的比较： 共同点：动作机制一样。都是利用DRAM存储元破坏性读操作时的重写过程实现；操作性质一样。都是属于重写操作。区别：解决的问题不一样。再生主要解决DRAM存储元破坏性读出时的信息重写问题；刷新主要解决长时间不访存时的信息衰减问题。操作的时间不一样。再生紧跟在读操作之后，时间上是随机进行的；刷新以最大间隔时间为周期定时重复进行。动作单位不一样。再生以存储单元为单位，每次仅重写刚被读出的一个字的所有位；刷新以行为单位，每次重写整个存储器所有芯片内

19、部存储矩阵的同一行。芯片内部I/O操作不一样。读出再生时芯片数据引脚上有读出数据输出；刷新时由于CAS信号无效，芯片数据引脚上无读出数据输出（唯RAS有效刷新，内部读）。鉴于上述区别，为避免两种操作混淆，分别叫做再生和刷新。2、CPU访存周期与存取周期的区别：CPU访存周期是从CPU一边看到的存储器工作周期，他不一定是真正的存储器工作周期；存取周期是存储器速度指标之一，它反映了存储器真正的工作周期时间。 3、分散刷新是在读写周期之后插入一个刷新周期，而不是在读写周期内插入一个刷新周期，但此时读写周期和刷新周期合起来构成CPU访存周期。 4、刷新定时方式有3种而不是2种，一定不要忘了最重要、性能

20、最好的异步刷新方式。10. 半导体存储器芯片的译码驱动方式有几种？解：半导体存储器芯片的译码驱动方式有两种：线选法和重合法。线选法：地址译码信号只选中同一个字的所有位，结构简单，费器材；重合法：地址分行、列两部分译码，行、列译码线的交叉点即为所选单元。这种方法通过行、列译码信号的重合来选址，也称矩阵译码。可大大节省器材用量，是最常用的译码驱动方式。11. 画出用10244位的存储芯片组成一个容量为64K8位的存储器逻辑框图。要求将64K分成4个页面，每个页面分16组，指出共需多少片存储芯片。解：设采用SRAM芯片，总片数 = 64K8位 / 10244位 = 642 = 128片题意分析：本题

21、设计的存储器结构上分为总体、页面、组三级，因此画图时也应分三级画。首先应确定各级的容量：页面容量 = 总容量 / 页面数= 64K8位 / 4 = 16K8位；组容量 = 页面容量 / 组数 = 16K8位 / 16 = 1K8位；组内片数 = 组容量 / 片容量 = 1K8位 / 1K4位 = 2片；地址分配：页面逻辑框图：（字扩展）存储器逻辑框图：（字扩展）讨论： 页选地址取A11、A10，页内片选取A15A12； （页内组地址不连贯？ ） 不分级画；问题：1、不合题意；2、芯片太多难画；3、无页译码，6：64译码选组。 页选直接联到芯片；问题：1、SRAM一般只一个片选端；2、译码输出负

22、载能力需考虑。 附加门电路组合2级译码信号； （应利用译码器使能端输入高一级的译码选通信号） 不设组选，页选同时选8组（16组），并行存取？ 组译码无页选输入； 2片芯片合为一体画； 文字叙述代替画图； 地址线、数据线不标信号名及信号序号。 12. 设有一个64K8位的RAM芯片，试问该芯片共有多少个基本单元电路（简称存储基元）？欲设计一种具有上述同样多存储基元的芯片，要求对芯片字长的选择应满足地址线和数据线的总和为最小，试确定这种芯片的地址线和数据线，并说明有几种解答。解：存储基元总数 = 64K8位 = 512K位 = 219位；思路：如要满足地址线和数据线总和最小，应尽量把存储元安排在字

23、向，因为地址位数和字数成2的幂的关系，可较好地压缩线数。设地址线根数为a，数据线根数为b，则片容量为：2ab = 219；b = 219-a；若a = 19，b = 1，总和 = 19+1 = 20； a = 18，b = 2，总和 = 18+2 = 20； a = 17，b = 4，总和 = 17+4 = 21； a = 16，b = 8，总和 = 16+8 = 24； 由上可看出：片字数越少，片字长越长，引脚数越多。片字数、片位数均按2的幂变化。结论：如果满足地址线和数据线的总和为最小，这种芯片的引脚分配方案有两种：地址线 = 19根，数据线 = 1根；或地址线 = 18根，数据线 = 2

24、根。 采用字、位扩展技术设计；13. 某8位微型机地址码为18位，若使用4K4位的RAM芯片组成模块板结构的存储器，试问：（1）该机所允许的最大主存空间是多少？（2）若每个模块板为32K8位，共需几个模块板？（3）每个模块板内共有几片RAM芯片？（4）共有多少片RAM？（5）CPU如何选择各模块板？解： （1）218 = 256K，则该机所允许的最大主存空间是256K8位（或256KB）； （2）模块板总数 = 256K8 / 32K8 = 8块； （3）板内片数 = 32K8位 / 4K4位= 82 = 16片； （4）总片数 = 16片8 = 128片； （5）CPU通过最高3位地址译码选

25、板，次高3位地址译码选片。地址格式分配如下：讨论： 不对板译码、片译码分配具体地址位； 板内片选设4位地址； 不设板选，8个板同时工作，总线分时传送； 8位芯片； 8板通过3：8译码器组成256K 14. 设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用-MREQ（低电平有效）作访存控制信号，R/-W作读写命令信号（高电平为读，低电平为写）。现有下列存储芯片：ROM（2K8位，4K4位，8K8位），RAM（1K4位，2K8位，4K8位），及74138译码器和其他门电路（门电路自定）。试从上述规格中选用合适芯片，画出CPU和存储芯片的连接图。要求：（1）最小4K地址为系统程序区，409616383地址

26、范围为用户程序区；（2）指出选用的存储芯片类型及数量；（3）详细画出片选逻辑。解：（1）地址空间分配图：（2）选片：ROM：4K4位：2片； RAM：4K8位：3片；（3）CPU和存储器连接逻辑图及片选逻辑：讨论： 1）选片：当采用字扩展和位扩展所用芯片一样多时，选位扩展。 理由：字扩展需设计片选译码，较麻烦，而位扩展只需将数据线按位引出即可。 本题如选用2K8 ROM，片选要采用二级译码，实现较麻烦。 当需要RAM、ROM等多种芯片混用时，应尽量选容量等外特性较为一致的芯片，以便于简化连线。 2）应尽可能的避免使用二级译码，以使设计简练。但要注意在需要二级译码时如果不使用，会使选片产生二义性

27、。 3）片选译码器的各输出所选的存储区域是一样大的，因此所选芯片的字容量应一致，如不一致时就要考虑二级译码。另外如把片选译码输出“或”起来使用也是不合理的。 4）其它常见错误： 138的C输入端接地；（相当于把138当2-4译码器用，不合理） EPROM的PD端接地；（PD为功率下降控制端，当输入为高时，进入功率下降状态。因此PD端的合理接法是与片选端-CS并联。） ROM连读/写控制线-WE；（ROM无读/写控制端）15. CPU假设同上题，现有8片8K8位的RAM芯片与CPU相连，试回答：（1）用74138译码器画出CPU与存储芯片的连接图；（2）写出每片RAM的地址范围；（3）如果运行时

28、发现不论往哪片RAM写入数据后，以A000H为起始地址的存储芯片都有与其相同的数据，分析故障原因。（4）根据（1）的连接图，若出现地址线A13与CPU断线，并搭接到高电平上，将出现什么后果？解： （1）CPU与存储器芯片连接逻辑图：（2）地址空间分配图：（3）如果运行时发现不论往哪片RAM写入数据后，以A000H为起始地址的存储芯片(第5片)都有与其相同的数据，则根本的故障原因为：该存储芯片的片选输入端很可能总是处于低电平。可能的情况有：1）该片的-CS端与-WE端错连或短路；2）该片的-CS端与CPU的-MREQ端错连或短路；3）该片的-CS端与地线错连或短路；在此，假设芯片与译码器本身都是

29、好的。（4）如果地址线A13与CPU断线，并搭接到高电平上，将会出现A13恒为“1”的情况。此时存储器只能寻址A13=1的地址空间(奇数片)，A13=0的另一半地址空间（偶数片）将永远访问不到。若对A13=0的地址空间（偶数片）进行访问，只能错误地访问到A13=1的对应空间(奇数片)中去。17. 某机字长16位，常规的存储空间为64K字，若想不改用其他高速的存储芯片，而使访存速度提高到8倍，可采取什么措施？画图说明。解：若想不改用高速存储芯片，而使访存速度提高到8倍，可采取多体交叉存取技术，图示如下：8体交叉访问时序：18. 什么是“程序访问的局部性”？存储系统中哪一级采用了程序访问的局部性原

30、理？解：程序运行的局部性原理指：在一小段时间内，最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问；在空间上，这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区；在访问顺序上，指令顺序执行比转移执行的可能性大 (大约 5:1 )。存储系统中Cache主存层次采用了程序访问的局部性原理。20. Cache做在CPU芯片内有什么好处？将指令Cache和数据Cache分开又有什么好处？答：Cache做在CPU芯片内主要有下面几个好处： 1）可提高外部总线的利用率。因为Cache在CPU芯片内，CPU访问Cache时不必占用外部总线； 2）Cache不占用外部总线就意味着外部总线可更多地支持I/O设备与主存的信息传输，增强了系统的整体效率； 3）可提高存取速度。因为Cache与CPU之间的数据通路大大缩短,故存取速度得以提高；将指令Cache和数