计算机组成课后答案.docx

1、第一章 计算机系统概论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：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。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：冯诺依曼计算机的特点是：P8计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成； 指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问； 指令和数据均用二进制表示； 指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存

2、储器中的位置； 指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行； 机器以运算器为中心（原始冯诺依曼机）。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：P9-10 主机：是计算机硬件的主体部分，由 CPU和主存储器 MM合成为主机。CPU：中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成；（早期的运算器和控制器不在同一芯片上，现在的 CPU内除含有运算器和控制器外还集成了 CACHE）。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

3、。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。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：指 CPU一次能处理的二进制数据的位数，通常与 CPU的寄存器位数有关。 指令字长：一条指令的二进制代码位数。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

4、全称、中文名、功能三部分。CPU：Central Processing Unit，中央处理机（器），是计算机硬件的核心部件，主要由运算器和控制器组成。PC：Program Counter，程序计数器，其功能是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。IR：Instruction Register，指令寄存器，其功能是存放当前正在执行的指令。CU：Control Unit，控制单元（部件），为控制器的核心部件，其功能是产生微操作命令序列。ALU：Arithmetic Logic Unit，算术逻辑运算单元，为运算器的核心部件，其功能是进行算术、逻辑运算。ACC：Accumulat

5、or，累加器，是运算器中既能存放运算前的操作数，又能存放运算结果的寄存器。MQ：Multiplier-Quotient Register，乘商寄存器，乘法运算时存放乘数、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；MAR：Memory Address Register，存储器地址寄存器，在主存中用来存放欲访问的存储单元的地址。MDR：Memory Data Register，存储器数据缓冲寄存器，在主存中用来存放从某单元读出、或要写入某存储单元的数据。I/O：Input/Output equipment

6、，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。MIPS：Million Instruction Per Second，每秒执行百万条指令数，为计算机运算速度指标的一种计量单位。9. 画出主机框图，分别以存数指令“STA M”和加法指令“ADD M”（M 均为主存地址）为例，在图中按序标出完成该指令（包括取指令阶段）的信息流程（如）。假设主存容量为 256M*32位，在指令字长、存储字长、机器字长相等的条件下，指出图中各寄存器的位数。解：主机框图如 P13图 1.11所示。（1）STA M 指令：PCMAR，MARMM，MMMDR，MDRIR，OP(IR)

7、CU，Ad(IR) MAR，ACCMDR，MARMM，WR（2）ADD M 指令：PCMAR，MARMM，MMMDR，MDRIR，OP(IR) CU，Ad(IR) MAR，RD，MMMDR，MDRX，ADD，ALUACC，ACCMDR，WR假设主存容量 256M*32位，在指令字长、存储字长、机器字长相等的条件下，ACC、X、IR、MDR 寄存器均为 32位，PC 和 MAR寄存器均为 28位。10. 指令和数据都存于存储器中，计算机如何区分它们？解：计算机区分指令和数据有以下 2种方法： 通过不同的时间段来区分指令和数据，即在取指令阶段（或取指微程序）取出的为指令，在执行指令阶段（或相应微程

8、序）取出的即为数据。 通过地址来源区分，由 PC提供存储单元地址的取出的是指令，由指令地址码部分提供存储单元地址的取出的是操作数。第 3章 系统总线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？ 答：P41.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。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？答：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

9、控制有三种：链式查询、计数器定时查询、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；计数器定时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；独立请求方式速度最快，但硬件器件用量大，连线多，成本较高。5. 解释下列概念：总线宽度、总线带宽、总线复用、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。答：P46。总线宽度：通常指数据总线的根数；总线带宽：总线的数据传输率，指单位时间内总线上传输数据的位数；总线复用：指同一条信号线可以分时传输不同的信号。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

10、的从设备（从模块）：指一次总线传输期间，配合主设备完成数据传输的设备（模块），它只能被动接受主设备发来的命令；总线的传输周期：指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。答：同步通信：指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：指没有统一时钟控制的通信，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

11、特点？答：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？答：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. 画一个具有双向传输功能的总线逻辑图。答：在总线的两端分别配置三态门，就可以使总线具有双向传输功能。a0a1an01n12. 设数据总线上接有 A、B、C、D 四个寄存器，要求

12、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）由 T打开三态门将 D 寄存器中的内容送至总线 bus，由 cp脉冲同时将总线上的数据打入到 A、B、C 寄存器中。 T 和 cp的时间关系如图（1）所示。cp总线图（1） （2）三态门 1受 T0T1 控制，以确保 T0时刻 D总线，以及 T1时刻总线接收门 1A。三态门 2受 T2T3 控制，以确保 T2时刻 A总线，以及 T3时刻总线接收门

13、2B。T0、T1、T2、T3 波形图如图（2）所示。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？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

14、。主存与 CACHE之间的信息调度功能全部由硬件自动完成。而主存与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分通过软硬结合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

15、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量。存储器带宽 = 1/200ns 32 位 = 160M 位/秒 = 20MB/秒 = 5M 字/秒注意：字长 32位，不是 16位。（注：1ns=10s）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 64K，如按字编址，其寻址范围为： 64K / （32/8）= 16K主存字地址和字节地址的分配情况：（略

16、）。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；选择不同的芯片时，各需要的片数为：1K4：（16K32） / （1K4） = 168 = 128 片2K8：（16K32） / （2K8） = 84 = 32 片4K4：（16K32） / （4K4） = 48 = 32 片16K1：（16K32）/ （16K1） = 132 = 32 片4K8：（16K32）/ （4K8） = 44 = 16 片

17、 -98K8：（16K32） / （8K8） = 24 = 8 片8. 试比较静态 RAM和动态 RAM。答：PPT 112 页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，集中安排一段时间进行刷新，存在 CPU访存死时间。 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。10. 半导体存储器芯片的译码驱动方式有几种？解：半导体

18、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. 一个 8K8位的动态 RAM芯片，其内部结构排列成 256256形式，存取周期为 0.1s。试问采用集中刷新、分散刷新和异步刷新三种方式的刷新间隔各为多少？解：采用分散刷新方式刷新间隔为:2ms，其中刷新死时间为：2560.1s=25.6s采用分散刷新方式刷新间隔为：256（0.1s+0.1s）=51.2s采用异步刷

19、新方式刷新间隔为:2ms12. 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，则：总片数 = （64K8 位） / （10244 位）= 642 = 128 片题意分析：本题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 / 4 = 16K8 位，4 片 16K8字串联成 64K8位组容量 = 页面容量 / 组数 = 16K8 位 / 16 = 1K8 位，16 片 1K8位字串联

20、成 16K8位组内片数 = 组容量 / 片容量 = 1K8 位 / 1K4 位 = 2 片，两片 1K4位芯片位并联成 1K8位存储器逻辑框图：（略）。13. 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 = 2 位； 19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。解：设地址线根数为

21、a，数据线根数为 b，则片容量为：2b = 2；b = 2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。片字数减 1、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 根。14. 某 8位微型机地址码为 18位，若使用 4K4位的 RAM芯片

22、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）该机所允许的最大主存空间是：2 8 位 = 256K8 位 = 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位地址译码输出选择模板，次高 3位地址译码输出选择芯片。地址格式分配如下：模板号（3 位）芯片号 （

23、3 位）片内地址（12 位）18a1919-a；15. 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：系统程序区（ROM 共

24、 4KB）：0000H-0FFFH用户程序区（RAM 共 12KB）：1000H-FFFFH（2）选片：ROM：选择 4K4位芯片 2片，位并联RAM：选择 4K8位芯片 3片，字串联(RAM1 地址范围为:1000H-1FFFH,RAM2 地址范围为 2000H-2FFFH, RAM3地址范围为:3000H-3FFFH)（3）各芯片二进制地址分配如下：CPU和存储器连接逻辑图及片选逻辑如下图(3)所示：图（3）16. 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）

25、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：RAM0:0000H-1FFFHRAM1:2000H-3FFFHRAM2:4000H-5FFFHRAM3:6000H-7FFFHRAM4:8000H-9FFFHRAM5:A000H-BFFFHRAM6:C000H-DFFFHRAM7:E000H-FFFFH（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

26、址的存储芯片(RAM5)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。假设芯片与译码器本身都是好的，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。（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. 写

27、出 1100、1101、1110、1111 对应的汉明码。解：有效信息均为 n=4位，假设有效信息用 b4b3b2b1表示校验位位数 k=3位，（2=n+k+1）设校验位分别为 c1、c2、c3，则汉明码共 4+3=7位，即：c1c2b4c3b3b2b1校验位在汉明码中分别处于第 1、2、4 位c1=b4b3b1c2=b4b2b1 kc3=b3b2b1当有效信息为 1100时，c3c2c1=011,汉明码为 1110100。当有效信息为 1101时，c3c2c1=100,汉明码为 0011101。当有效信息为 1110时，c3c2c1=101,汉明码为 1011110。当有效信息为 1111时

28、，c3c2c1=010,汉明码为 0110111。18. 已知收到的汉明码（按配偶原则配置）为 1100100、1100111、1100000、1100001，检查上述代码是否出错？第几位出错？解：假设接收到的汉明码为：c1c2b4c3b3b2b1纠错过程如下：P1=c1b4b3b1P2=c2b4b2b1P3=c3b3b2b1如果收到的汉明码为 1100100，则 p3p2p1=011，说明代码有错，第 3位（b4）出错，有效信息为：1100如果收到的汉明码为 1100111，则 p3p2p1=111，说明代码有错，第 7位（b1）出错，有效信息为：0110如果收到的汉明码为 1100000，

29、则 p3p2p1=110，说明代码有错，第 6位（b2）出错，有效信息为：0010如果收到的汉明码为 1100001，则 p3p2p1=001，说明代码有错，第 1位（c1）出错，有效信息为：000122. 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，可采取八体交叉存取技术，8 体交叉访问时序如下图：启动存储体 0启动存储体 1启动存储体 2启动存储体 3启动存储体 4启动存储体 5启动存储体 6启动存储体 718. 什么是“程序访问的局部性”？存储系统中哪

30、一级采用了程序访问的局部性原理？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。25. 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

31、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和数据 Cache分开有如下好处：1）可支持超前控制和流水线控制，有利于这类控制方式下指令预取操作的完成。2）指令 Cache可用 ROM实现，以提高指令存取的可靠性。3）数据 Cache对不同数据类型的支持更为灵活，既可支持整数（例 32位），也可支持浮点数据（如 64位）。补充：Cache结构改进的第三个措施是分级实现，如二级缓存结构，即在片内 Cache（L1）和主存之间再设一个片外 Cache（L2），片

32、外缓存既可以弥补片内缓存容量不够大的缺点，又可在主存与片内缓存间起到平滑速度差的作用，加速片内缓存的调入调出速度。30. 一个组相连映射的 CACHE由 64块组成，每组内包含 4块。主存包含 4096块，每块由 128字组成，访存地址为字地址。试问主存和高速存储器的地址各为几位？画出主存地址格式。 解：cache 组数：64/4=16 ，Cache 容量为：64*128=2 字，cache 地址 13位主存共分 4096/16=256区，每区 16块主存容量为：4096*128=2 字，主存地址 19位，地址格式如下：1913第 六 章12. 设浮点数格式为：阶码 5位（含 1位阶符），尾数

33、 11位（含 1位数符）。写出 51/128、-27/1024 所对应的机器数。要求如下：（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：据题意画出该浮点数的格式：-5 将十进制数转换为二进制：x1= 51/128= 0.0110011B= 2 * 0.110 011B x2= -27/1024= -0.0000011011B = 2*(-0.11011B）则以上各数的浮点规格化数为：（1）x1浮=1，0001；0.110 011 000 0x2浮=1，0101；1.110 110 000 0（2）x1浮=1，1111；0.110 011 000 0x2浮

34、=1，1011；1.001 010 000 0（3）x1浮=0，1111；0.110 011 000 0x2浮=0，1011；1.001 010 000 016设机器数字长为 16位，写出下列各种情况下它能表示的数的范围。设机器数采用一位符号位，答案均用十进制表示。（1）无符号数；（2）原码表示的定点小数。（3）补码表示的定点小数。（4）补码表示的定点整数。（5）原码表示的定点整数。（6）浮点数的格式为：阶码 6位（含 1位阶符），尾数 10位（含 1位数符）。分别写出其正数和负数的表示范围。（7）浮点数格式同（6），机器数采用补码规格化形式，分别写出其对应的正数和负数的真值范围。解：（1）无符号整数：0 2 - 1，即：0 65535；无符号小数：0 1 - 2 ，即：0 0.99998；