(新)計算機組成原理期末復習資料

1、所謂的光輝歲月，并不是以后，閃耀的日子，而是無人問津時，你對夢想的偏執(zhí)。計算機組成原理期末復習資料(一) 復習資料及試題匯編 (00.1-01.7)一、數據表示、運算和運算器部件1. 將十進制數 +107/128 和-52 化成二進制數， 再寫出各自的原碼、反碼、 補碼表示(符號位 和數值位共 8 位)。解： +107/128 = +6BH/80H = +1101011B/10000000B =+0.110101152 =-34H=110100原碼0110101110110100反碼0110101111001011補碼01101011110011002. 判斷下面的二元碼的編碼系統(tǒng)是有權還是無

2、權碼，寫出判斷的推導過程。十進制數 二元碼的編碼000001 01112 01103 01014 01005 10116 10107 10018 10009 1111解：設 4 位二元嗎每位分別為 ABCD，且假定其為有權碼。則從 4 的編碼 0100 可求得 B 的位權為 4；從 8 的編碼 1000 可求得 A 的位權為 8； 從 7 的編碼 1001可求得 D的位權為 -1；從 6 的編碼 1010可求得 C的位權為 -2； 再用 ABCD的位權分別為 84-2-1 來驗證 112359 的編碼值，結果均正確。所以，該編 碼系統(tǒng)為有權碼。3. 說明海明碼糾錯的實現(xiàn)原理。 為能發(fā)現(xiàn)并改正一

3、位、也能發(fā)現(xiàn)二位錯，校驗位和數據位在 位數上應滿足什么關系？解：(1) 海明碼是對多個數據位使用多個校驗位的一種檢錯糾錯編碼方案， 。它是對每個校驗位 采用偶校驗規(guī)則計算校驗位的值，通過把每個數據位分配到幾個不同的校驗位的計算 中去。若任何一個數據位出錯，必將引起相關的幾個校驗位的值發(fā)生變化，這樣也就 可以通過檢查這些校驗位取值的不同情況，不僅可以發(fā)現(xiàn)是否出錯，還可以發(fā)現(xiàn)是哪 一位出錯，從而提供了糾錯檢錯的可能。(2) 設數據位為 k，校驗位為 r ，則應滿足的關系是 2r-1 >=k+r。4. 什么叫二 - 十進制編碼？什么叫有權碼和無權碼？夠舉出有權、無權碼的例子。 解：(1) 二

4、- 十進制編碼通常是指用 4 位二進制碼表示一位十進制數的編碼方案。(2) 有權碼是指 4 位二進制碼中，每一位都有確定的位權， 4 位的位權之和代表該十進制 的數值。例如 8421碼從高到低 4 位二進制碼的位權分別為 8、4、2、1；無權碼則相反，4 位二進制碼中， 每一位都沒有確定的位權， 只能用 4 位的總的狀態(tài)組合關系來表示該十 進制數值。例如循環(huán)碼就找不出 4 個二進制位中的每一位的位權。5. 已知： X 補=010111101,Y 補=011010101, 計算X+Y補，X-Y 補。并判斷溢出。解： -Y 補=/y 補+1=100101010+1=10010101100 1011

5、1101（ +189）+） 00 11010101（ +213）01 10010010 （+402） X+Y補=X 補+Y 補=01 10010010, 結果出現(xiàn)上溢。00 10111101（ +189）+） 11 00101011（ -213 ）11 11101000 （ -24 ） X-Y 補=X 補-Y 補=11 11101000，計算結果無溢出。6. 已知： X=0.1101,Y=-0.1011 ，利用原碼一位乘法實現(xiàn) X*Y。解： 高位部分積 低位部分積 / 乘數00 0000 1011+ ） 00 110100 1101 00 0110 + ) 00 1101110101 0011

6、 00 10011110+ ) 00 000000 1001 00 01001111+ ) 00 110101 0001 00 1000 1111結果符號位為負， X*Y=100011117.P91 例題-3 -28.設 A=0.101101*2 -3,B= 0.101001*2 -2,先將 A、 B表示為規(guī)格化的浮點數。要求階碼 用 4 位（含階符號）移碼表示，尾數用 8 位（含浮點數的符號）原碼表示，再寫出 A+B 的計算步驟和每一步的運算結果。解： - 0.101101*2 -3的浮點數的格式為： 1 0101 1011010 或 0 101 1 1011010-20.101001*2

7、-2的浮點數的格式為： 0 0110 1010010 或 0 110 0 1010010 計算 A+B：（雙符號位補碼相加）（1）求階差 ：| E|=|0101-0110|=0001（2）對階 ： A 變?yōu)?1 0110 01011010（3）尾數相加 ： 11 10100110 （補碼）+ 00 101001000 0100101（4）規(guī)格化：左規(guī)，尾數為 0 1001010， 階碼為 0101 （5）無舍入操作，也沒有溢出。計算結果為： 0 0101 1001010 ，即 +1001010*2-39. 浮點數階碼選用移碼表示有何優(yōu)點？浮點數表示中的隱藏位技術的作用是什么？在什么 時刻完成對

8、隱藏位的處理？當尾數選用補碼表示時，如何表示十進制數 -0.5 , 才能滿足規(guī) 格化表示的要求。解：（1）移碼表示有利于表示和處理浮點數的機器零（或簡化機器中的判 0 線路）。（2）隱藏位是指可以把規(guī)格化浮點數的尾數最高位的值（原碼時為1，補碼時為與符號位相反）省去，以提高一位二進制尾數的表示精度。這一處理應出現(xiàn)在保存俘點數到存 儲器之前（隱藏） ，或從存儲器讀俘點數到運算器中（恢復）的時刻來進行。（3） -0.5 應表示為 -1*2 -110. 說明定點運算器的功能組成以及乘商寄存器的主要功能。解：（1）功能是完成算術運算和邏輯運算的數據加工部件。（2）組成： 1）算術邏輯運算部件 ALU；

9、 2）一組通用寄存器； 3）乘商寄存器（專用的串行 寄存器）；4）實現(xiàn)各部件之間的相互連接和數據傳送的多路選擇器，以及接受外部數據輸入和送出運算結果的邏輯電路。（3）乘商寄存器的主要功能是實現(xiàn)硬件的乘除法指令和自身的左右移位。11. 舉例說明 ALU通常提供的至少 5 種運算能力？運算器使用多累加器的好處是什么？乘商寄 存器的基本功能是什么？解：（1）ALU 提供加、減、與、或、異或等算術運算和邏輯運算。（2）使用多累加器有利于減少運算器執(zhí)行運算過程中訪問內存存儲器的次數，即可把一些 中間結果暫存在累加器中，有利于提高計算機系統(tǒng)的運行效率。（3）乘商寄存器的最基本功能是支持硬件乘法和除法指令的

10、快速運算。 在乘法指令運算時， 開始存乘數，最后則是乘積的低位部分。在除法指令運算時，開始存被除數的地位部分， 最后則是商。其支持左右移位，用戶在程序中不能訪問它。12. 畫出一個相對完整的定點數運算器組成框圖，包括輸入輸出數據和基本控制信號。 （略）二、指令、指令系統(tǒng)和控制器部件1. 在設計指令系統(tǒng)時，通常應從哪 4 個方面考慮？ * （ P137）2. 舉例說明計算機中常用的四種尋址方式 （寄存器尋址， 寄存器間接尋址， 變址尋址， 堆棧 尋址），從形式地址到得到操作數的尋址處理過程。解：（1）寄存器尋址，形式地址為寄存器名（或編號） ，寄存器中的內容為操作數；（2）寄存器間接尋址，形式地

11、址為寄存器名（或編號） ，寄存器中的內容為操作數的地址， 再讀一次內存得到操作數。（3）變址尋址，形式地址為變址寄存器名（或編號）和變址偏移值，把變址寄存器中內容 與變址偏移值相加得到操作數的地址，再讀一次內存得到操作數。（4）堆棧尋址， 通常形式地址為將寫入堆棧的、 或接收堆棧讀出內容的寄存器名 （或編號）， 指令中不直接給出內存地址，用默認堆棧指針SP，修改 SP操作。3. 原理性地說明： ADDR 0,R1（SUB R3,R2） 、條件相對轉移 （子程序調用 ）指令的指令格式和執(zhí) 行步驟。解：（1）ADD R0 ，R1：指令中給出操作碼和 R0、R1的編號；指令執(zhí)行步驟：1）程序計數器

12、（ PC）的內容送地址寄存器； 2）讀內存， 讀出內容送指令寄存器 （IR ）； PC內容+1（增量）；3）R0、R1送 ALU，ALU執(zhí)行加運算，運算結果存回 R0寄存器； 保存運算結果的特征狀態(tài)； 4）檢查有無中斷請求，有，則響應中斷，無則轉入下一 條指令的執(zhí)行過程。（2）條件相對轉移指令：指令中給出操作碼和相對轉移后的地址。指令的執(zhí)行步驟：1）程序計數器 （PC）的內容送地址寄存器； 2）讀內存， 讀出內容送指令寄存器 （IR）； PC內容+1（增量）； 3）執(zhí)行條件轉移指令時，要判別指定的條件，若為真，才執(zhí)行： 尚未修改的 PC內容送 ALU，相對轉移偏移值送 ALU， ALU 執(zhí)行加

13、操作，結果送入 PC； 否則順序執(zhí)行下條指令。 4）檢查有無中斷請求，有，則響應中斷，無則轉入下一條 指令的執(zhí)行過程。4. 原理性說明條件轉移指令和無條件轉移指令的相同點和不同點。 子程序調用與轉移指令的 區(qū)別是什么？解：（ 1）相同點是：都必須在指令中給出轉移地址；不同點是：條件轉移指令還必須在 指令中給出判斷是否執(zhí)行轉移所依據的條件。（2）區(qū)別在于：子程序調用指令轉移后還有個對應的返回的操作；二一般轉移指令不 涉及轉移后是否和如何再次返回。5. 簡要說明組合控制器應由哪幾個功能部件組成。解：組合邏輯控制器由以下幾個部件組成：（1） 由組合邏輯電路組成的時序控制信號產生部件直接形成并提供控制

14、計算機各部件協(xié)同 運行所需要的時序控制信號。 （取代微程序的控存）（2） 由節(jié)拍發(fā)生器提供執(zhí)行指令的步驟（時序）標記信號和時序信號（取代下地址形成部件）（3）由操作碼譯碼器輸出用于標識不同的指令，并與節(jié)拍發(fā)生器和其它控制條件信號共同 形成全部時序控制信號。6. 在微程序控制器中，通常有哪 5 種得到下一條微指令地址的方式？（p163）7. 說明組合邏輯控制器與微程序控制器在組成和原理上異同處及優(yōu)缺點。解：（1） 相同之處： 1）基本功能相同，即提供計算機各個部件協(xié)同運行所需的控制信號；2）基本組成也相同，即 PC、 IR 及幾個步驟完成每一條指令的具體功能。（2） 不同之處： 1）處理指令執(zhí)行

15、步驟方法不同：組合邏輯控制器是利用節(jié)拍發(fā)生器的節(jié)拍 信號區(qū)分指令執(zhí)行步驟；而微程序控制器是通過微指令地址的銜接區(qū)分指令執(zhí)行步驟； 2）提供控制信號的方案不同：組合邏輯控制器采用組合邏輯電路直接產生控制信號； 微程序控制器是通過微地址譯碼器找到控存單元，取出的微指令才是控制信號。8. 簡要說明組合邏輯控制器中的節(jié)拍發(fā)生器的作用是什么？簡述其運行原理。（略）三、多級結構的存儲器系統(tǒng)1. 說明多級結構存儲器是建立在什么原理之上的？什么是多級結構存儲器相同中的一致性 原則和和包含性原則？解：（1） 多級結構的存儲器是建立在局部性原理之上的， 即即在一小段時間內運行的程序只使 用少量的指令和數據，而該指

16、令和數據又往往集中在存儲器的一小片存儲區(qū)中，且順 序執(zhí)行較轉移執(zhí)行比例大。因此可按所使用指令和數據的急迫和頻繁程度將其存入容 量、速度和價格不同的存儲器中，從而取得更高的性能價格比。（2） 一致性原則是指保存在不同級的存儲器中的同一數據必須有相同的值。 包含性原則是 指保存在內層的存儲器中的數據一定也保存在外層存儲器中。2. 說明采用多級結構的存儲器系統(tǒng)的目的？使用多體結構的主存儲器的目的？解：（1） 采用三級結構的目的是： Cache- 主存層次結構用于解決 CPU 與主存間速度不匹配問題，使系統(tǒng)具有主存容量和接近于 Cache 速度；虛擬存儲器 -主存層次結構用于解決主 存容量小、運行成本

17、高的問題，使系統(tǒng)具有輔存容量和接近主存速度，且造價和運行 成本低。(2) 使用多體結構的目的是：實現(xiàn)主存儲器的并行讀寫，即在一個存取周期或略多的時間 內并行讀取多個字，以提高數據的傳輸速度。3. DRAM和 SRAM器件的特性有那些主要區(qū)別？各自主要應用在什么地方？(略P266)4. 說明主存儲器、高速緩存、虛存各自的組成及優(yōu)缺點。解：( 1)組成：主存儲器通常由動態(tài)存儲器 DRAM芯片組成； 高速緩存是由靜態(tài)存儲器 SRAM 組成；而虛存是由快速磁盤設備中的一片存儲區(qū)組成。( 2)比較： 1)在存取時間上高速緩存最快，虛存最慢，主存在其間；2)在處處容量上高速緩存最小，虛存最大，而主存在其間

18、；3)在存儲成本上高速緩存最高，虛存最低，而主存在其間。5. 說明高速緩存的組成、 工作原理、 映像方式、優(yōu)缺點。 衡量高速緩存的最重要的指標是什 么？解：(1) 高速緩存是由容量小、速度塊的靜態(tài)存儲器器件組成。其工作原理如下： 1)CPU將主存信息讀入 CPU的同時也寫入 Cache 的數據字段， 并將該數據所對應的主 存地址寫入標志字段。 2)CPU下次訪問主存時， 先將該地址與標志字段的內容相比較， 若地址值相同，則數據內容即為要讀的數據，可直接訪問Cache，且有效位字段置 1(命中)；否則，再訪問主存，有效位字段置0。 3)利用算法將非命中的數據逐步替換掉。 4)根據局限性原理， C

19、PU訪問的絕大部分信息可直接從 Cache 中得到。(2) 映像方式有： 1)全相聯(lián)映像，即將主存的一個字塊可以映像到整個Cache 的任何一個字塊。靈活性大，但線路過于復雜，成本太高；2)直接映像，即將主存的一個字塊只能映像到 Cache 的確定一個字塊。線路簡單， 成本低，但靈活性差，影響命中率； 3) 多組相聯(lián)映像即將 Cache 分為若干組，每個組含若干個多體。是前兩著方式的折中方 案，命中率較高，線路也不太復雜。(3) 衡量高速緩存的最重要的指標是它的命中率。6. 說明一次性寫光盤的組成與工作原理。解：(1) 由光盤機和盤片組成。 其中光盤機由激光器、 光束分離器、 光聚焦鏡、 主軸

20、驅動機構、 讀寫頭及尋道定位機構組成，盤片由基板、鋁質反射層和薄金屬膜組成。(2) 工作原理：激光器產生一定強度的激光束，經光束分離器將激光束分離為寫光束和 讀光束兩部分。寫入時，寫光束通過跟蹤反射鏡和聚焦鏡實現(xiàn)尋道定位，將很細的光 束照射到指定光盤位置，在金屬膜上融化出一個小坑，表示已完成 1 信號的寫入；讀 出時，讀光束也照射到該光盤位置，將是否有無小坑通過反射光的強弱并光電轉換器 還原為 1、 0 信號。7. 使用磁盤陣列的目的是什么？ RADI0各有什么樣的容錯能力？解：(1) 使用磁盤陣列的目的是通過多個統(tǒng)一管理和調度的物理盤， 得到比單個磁盤高大的存 儲容量、更快的讀寫速度、更高的

21、容錯能力和更好的性能價格比。(2)RAID0 無容錯能力； RADI1 是鏡像工作方式， 每個數據都寫到兩個磁盤中， 容錯能力強； RADI4和 RADI5都是拿出 N 個磁盤總容量的 1/N 保存奇偶校驗信息，有容錯能力，磁 盤存儲容量的有使用效率也較高。8.用 16K*8的 SRAM實現(xiàn) 64k*16 的主存系統(tǒng)， 按字尋址， 設計該主存的邏輯圖， 并說明總 線解：和數據總線的位數，該存儲器 16 位字長 CPU的連接關系。(1) 邏輯圖(2) 用 4 片 16k*8 的 SRAM可實現(xiàn)字擴展， 2 片實現(xiàn)位擴展， 故共需要 8 片 SRAM。要尋址 64K 字，內存地址應為 16 位。

22、CPU與內存字長為 16 位，故數據總線也應為 16 位。四、輸入 / 輸出設備與輸入 / 輸出系統(tǒng)1. 比較針式、噴墨和激光打印機的優(yōu)缺點和主要應用場合。解：(1) 針式打印機的印字機械裝置是多個用電磁鐵控制的打印針。打印速度慢，噪聲大，打 印質量一般。多用于質量要求不高且希望價格較低的場合。(2) 噴墨打印機是非擊打式打印機。打印速度較快，噪聲低，打印質量較高。多用于彩色 打的場合。(3) 激光打印機也是非擊打式打印機。打印速度更快，噪聲低，打印質量更高。多用于要 求打印質量較高的場合， 高檔的激光打印機在電子照排印刷系統(tǒng)中得到了普遍的應用。2. 說明激光打印機的原理性組成及完成打印操作的

23、運行過程。解：(1) 組成：帶電器、記錄鼓、印字機控制器、 碳粉盒、 打印紙及走紙機構、激光掃描系統(tǒng)、 轉印裝置以及加熱部分等。(2) 運行過程：帶電器將記錄鼓表面渡有一層感光材料且充滿一層電荷。由印字控制器將 要打印的內容形成點陣信息脈沖控制激光器系統(tǒng)輸出激光束， 對作圓周運動的記錄鼓進 行橫向重復掃描。掃描時激光器對鼓表面進行有選擇地暴光(照相) 。被暴光部分釋放 電荷， 而未暴光部分仍保留電荷并使鼓表面形成“潛像” (潛影)。當記錄鼓轉到碳粉盒 時，帶靜電電荷的潛像部分(信息區(qū)域)被吸附上碳粉(顯影) 。因打印紙的背面施以 反向靜電荷，則鼓表面上的碳粉由轉印裝置被吸附在打印紙上(轉印)

24、。碳粉經加熱部 分加熱后將融化烘干后凝沾在打印紙上(定影) 。記錄鼓每旋轉一周打印一頁內容。在 打印下一之頁前清除掉鼓表面的碳粉和殘余的電荷。3. 說明通用可編程輸入 / 輸出接口中應包括哪些組成部件及各自的功能，并解釋通用和可編 程的含義。解：(1) 通用可編程接口的組成與功能： 1)設備識別電路，用于 CPU尋找要用的設備； 2)控 制命令寄存器，用于存放 CPU 的控制命令； 3)狀態(tài)寄存器，用于指出接口設備的運 行狀態(tài)； 4)數據緩沖寄存器，用于解決 CPU與設備間交換數據時的速度匹配； 5)中 斷邏輯電路，用于記憶中斷請求、處理中斷屏蔽、響應中斷及中斷處理等。(2) 通用是指該接口電

25、路具有多功能和用法； 可編程是指可利用指令對該接口的功能、 運 行方式及控制參數進行設置。4. 說明 DMA接口的組成與功能以及與通用接口的比較。解：(1)DMA 的組成與功能： 1)主存地址計數器，用于存放主存地址；2)數據數量計數器，用于存放傳送數據的數量； 3)控制狀態(tài)邏輯，用于修改主存地址計數器和數據數量 計數器、指定傳送功能及協(xié)調CPU和 DMA信號的配合與同步； 4)請求觸發(fā)器，用于接收和記憶設備送來的請求數據傳送的信號；5 )數據緩沖寄存器，用于存放高速設備與主存間的數據； 6)中斷機構，用于實現(xiàn)中斷處理。(2) 結構相似的是中斷機構、數據緩沖寄存器和控制狀態(tài)邏輯；其余結構不同。5. 比較程序直接控制、程序中斷傳送和直接存儲器訪問方式在完成輸入輸出操作時的優(yōu)缺點。解：(1) 程序查詢方式是指在用戶