計(jì)算機(jī)組成原理習(xí)題及答案

1、簡答題1. 什么是存儲(chǔ)程序原理？按此原理，計(jì)算機(jī)應(yīng)具有哪幾大功能？1 .答：存儲(chǔ)程序原理是用戶事先編號白程序先存入主存中，然后CPU在從主存中取出指令、運(yùn)行指令。按此原理，計(jì)算機(jī)應(yīng)具有輸入輸出設(shè)備，即能把程序和數(shù)據(jù)通過輸入輸出設(shè)備送入主存中；還應(yīng)具有存儲(chǔ)設(shè)備，即內(nèi)存能存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)；最后應(yīng)具有控制器和運(yùn)算器，即CPU能從主存中取出程序和數(shù)據(jù)，并按順序一條一條取出、執(zhí)行。2 .存儲(chǔ)器與CPU連接時(shí)，應(yīng)考慮哪些問題？2 .答： 應(yīng)考慮 （ 1） 合理選擇存儲(chǔ)芯片，要考慮芯片的類型和數(shù)量盡量使連線簡單方便；（ 2）地址線的連接，將CPU地址線的低位與存儲(chǔ)芯片的地址線相連，以選擇芯片中的某一單元，兒高

2、位則在擴(kuò)充存儲(chǔ)芯片時(shí)用，用來選擇存儲(chǔ)芯片； （3）數(shù)據(jù)線的連接，CPU的數(shù)據(jù)線與存 儲(chǔ)芯片的數(shù)據(jù)線不一定相等，相等時(shí)可直接連接，不相等時(shí)要對存儲(chǔ)芯片進(jìn)行擴(kuò)位，使其相等連接； （ 4）讀/寫控制線的連接，高電平為讀，低電平為寫；（ 5）片選線的連接，CPU 的高位地址來產(chǎn)生片選信號。3 .什么叫地址重疊區(qū)，什么情況下會(huì)產(chǎn)生地址重疊區(qū)？4 .答：存儲(chǔ)系統(tǒng)中的某些存儲(chǔ)單元有多個(gè)地址，這種現(xiàn)象叫地址重疊區(qū)。原因是，存儲(chǔ)系統(tǒng)是由多個(gè)芯片組成的，在產(chǎn)生片選信號時(shí)，如果只用部分高位地址來產(chǎn)生片選信號，則有一部分高位地址線沒用，這樣這部分地址線的值就不確定，可以為0 也可以為1 ，所以存儲(chǔ)芯片的地址空間也不確

3、定了，出現(xiàn)了重復(fù)值，產(chǎn)生了地址重疊區(qū)。5 .什么叫“對準(zhǔn)字”和“未對準(zhǔn)字”，CPU對二者的訪問有何不同？6 .答： CPU 訪問的數(shù)據(jù)類型有字節(jié)，半字，字和雙字。若字長為32 位，則字節(jié)8 位，半字16 位，字 32 位，雙字64 位。對準(zhǔn)字就是存儲(chǔ)這四種數(shù)據(jù)類型時(shí)，字節(jié)的起始地址任意，半字的起始地址為2 的倍數(shù)， 字的起始地址為4 的倍數(shù)，雙字的起始地址為8 的倍數(shù)。 未對準(zhǔn)字就是四種數(shù)據(jù)類型在存儲(chǔ)時(shí)都任意，無論從哪個(gè)存儲(chǔ)單元開始都可以。CPU訪問對準(zhǔn)字只要一個(gè)存儲(chǔ)周期就行了，因?yàn)閷?zhǔn)字都在同一行，能同時(shí)選中；訪問未對準(zhǔn)字需要多個(gè)存取周期，引文他們對應(yīng)的存儲(chǔ)單元可能不在同一行。7 .中斷周期

4、的前和后各是 CPU的什么工作周期，如何工作？5 .答：中斷周期的前一周期是指令的執(zhí)行周期，CPU根據(jù)指令的操作碼，發(fā)出不同的操作指令完成指令的執(zhí)行；中斷周期的后一周期是取指周期，因?yàn)橹袛嘀芷谑侵噶钪芷诘淖詈笠粋€(gè)周期， 若執(zhí)行周期結(jié)束，有中斷請求且符合中斷執(zhí)行的條件則進(jìn)入中斷周期，當(dāng)中斷周期結(jié)束時(shí)， 就進(jìn)入的下一條指令的取指周期，取指周期主要是根據(jù)程序計(jì)數(shù)器的值，從主存中把要執(zhí)行的指令取到cpu 中來分析、執(zhí)行。6 .為什么要設(shè)置總線標(biāo)準(zhǔn)，你知道目前流行的總線標(biāo)準(zhǔn)有哪些？7 .答：總線標(biāo)準(zhǔn)可視為系統(tǒng)與各模塊、模塊與模塊之間的一個(gè)互連的標(biāo)準(zhǔn)界面。如果沒有總線標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)設(shè)備之間如果要傳送數(shù)據(jù)，就必

5、須相互了解特征、屬性，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)有多種設(shè)備， 每個(gè)設(shè)備的特征都各不想通過，相互之間傳送數(shù)據(jù)都要有獨(dú)立的數(shù)據(jù)線，這樣數(shù)據(jù)線就很復(fù)雜，且設(shè)備的接口多。使用了總線標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)設(shè)備就只有一個(gè)接口接向總線，而不需要了解其他設(shè)備的接口特點(diǎn)。目前流行的總線標(biāo)準(zhǔn)有：EISAPCIUSBAGPRS23輯等。計(jì)算器1.設(shè)某機(jī)有4個(gè)中斷源A、B、C、D,其硬件排隊(duì)優(yōu)先次序?yàn)锳BCD現(xiàn)要求將中斷處理次序改為DACB。（ 1 ）寫出每個(gè)中斷源對應(yīng)的屏蔽字（ 2）按圖時(shí)間軸給出的四個(gè)中斷源的請求時(shí)刻，畫出CPU 執(zhí)行程序的軌跡。設(shè)每個(gè)中斷源的中斷服務(wù)程序時(shí)間均為20us。1 .答：(1)在中斷處理次序改為 DACB后，每

6、個(gè)中斷源新的屏蔽字如下：中斷源屏蔽字A 1 1 1 0B 0 1 0 0C 0 1 1 0D 1 1 1 12 .請寫出數(shù)據(jù)10110100110 的海明碼，用4 位校驗(yàn)位，采用偶校驗(yàn)。根據(jù)海明碼的定義有：D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 P4 D4 D3 D2 P3 D1 P2 P11 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0P1=D1D2D4D5D7D9D11=0 1 0 0 0 1 1=1P2=D1 D3VD4 D6 D7 D10 D11=0101001=1P3=D2 D3 D4 D8 D9 D10 D11=1101101=1P4=D5 D6 D7 D8 D9 D10 D11=

7、0101101=0所以，數(shù)據(jù)10110100110 的海明碼為1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 0 1 1加上下劃線為校驗(yàn)位。3.CPU執(zhí)行一段程序時(shí)，Cache完成存取次數(shù)為3800次，主存完成存取的次數(shù)為200次，已知Cache存取周期為50ns,主存為250ns,求Cache/主存系統(tǒng)的效率和平均訪問時(shí)間。3 .解：命中率H=3800/(3800+200)=0.95平均訪問時(shí)間為Ta=50*0.95+250*( 1-0.95) =60ns效率 e=50/60*100%=83.33%4 .已知某8 位機(jī)的主存采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，地址碼為18 位，若使用4K*4 位 RAM 芯片

8、組成該機(jī)所允許的最大主存空間，并選用模塊條的形式，問：( 1 )若每個(gè)模塊條為32k*8 位，共需幾個(gè)模塊條(2)每個(gè)模塊內(nèi)共有多少片RAM 芯片(3)主存共需多少 RAM芯片？ CPU如何選擇各模塊條？4 .地址線為18位的 8 位機(jī)主存容量為218*8=256KB(1)共需8 個(gè)模塊板(2)每個(gè)模塊板內(nèi)有16 片 RAM 芯片(3)主存共需128 片 RAM 芯片， 18 根地址線分配如下：A11-A0 作為 4K*4 位芯片本身的地址線；A14-A12 作為模塊板內(nèi)片選地址，采用74LS138 譯碼器，共8 個(gè)輸出，每個(gè)輸出選擇2 片4K*4 位的 RAM 芯片；A17-A15作為模塊板

9、的地址，用74LS138譯碼器，每個(gè)輸出選 8個(gè)模塊板中的任一塊。5 .CPU執(zhí)行一段程序時(shí)，Cache完成存取次數(shù)為5000次，主存完成存取的次數(shù)為200次，已知Cache存取周期為40,主存為160,求命中率，Cache/主存系統(tǒng)的效率和平均訪問時(shí)間。解：命中率 H=Nc/ (Nc+Nm) =5000/ (5000+2000) =5000/5200=0.96主存慢于cache 的倍率 R=Tm/Tc=160ns/40ns=4訪問效率：e=l/ r + (l r) H =1/ 4+ (1-4) XO .96=89 . 3 % /:2 分平均訪問時(shí)間T a =T c/e = 4 0 / 0.8

10、 9 3 = 4 5 ns6 某磁盤存儲(chǔ)器轉(zhuǎn)速為3000 rpm ， 共有 4 個(gè)記錄盤面，道密度為5 tpm ， 每道記錄信息12288B,最小磁道直徑為 230 mm,共有275道，求：（ 1 ）磁盤存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量（2）最高位密度和最低位密度（3）磁盤數(shù)據(jù)傳輸率（ 4）平均等待時(shí)間（ 1 ）每道記錄信息容量=12288B每個(gè)記錄面信息容量=12288B*2754 個(gè)記錄面信息容量=12288B*275*4=13516800B（ 2）最高位密度D1 按最小磁道半徑R1=115mm 計(jì)算D1=12288/（2*3.14*115）=17 Bpm最低位密度D2 按最大磁道半徑R2 計(jì)算R2=R1

11、+（275/5）=115+55=170mmD2=12288/（2*3.14*170）=11.5 Bpm（ 3）磁盤數(shù)據(jù)傳輸率C=NrN 為每道信息容量12288Br=3000 rpm=50r/sC=Nr=12288*50=614400Bps（ 4）平均等待時(shí)間=（1/50）/2=1/100 s=10ms7.要求用128Kx 16的SRAM芯片組成512Kx 16隨機(jī)存儲(chǔ)器，用 64Kx 16的EPROM芯片 組成128Kx 16的只讀存儲(chǔ)器。試問：（ 1 ）數(shù)據(jù)寄存器多少位？（2）地址寄存器多少位？（3）兩種芯片各需多少片？（4）若EPROM的地址從00000H開始，RAM的地址從A0000H

12、開始，寫出各芯片的地址分配情況（ 1 ）芯片都是*16 的，數(shù)據(jù)寄存器的位數(shù)為16 位（2）存儲(chǔ)器的總?cè)萘繛?12K+128K=640K則需要220=1024K的地址才能把所有存儲(chǔ)單元都能尋址。地址寄存器是20 位；（3） 128k*16 組成 512k*16 ,需要 4 片，64k*16 組成 128k*16 ,需要 2 片（ 4）按照題目的要求，地址信號和地址分配如下：A19 A18 A17 A16 A15-A00 0 0 0 0-0 EPROM1:00000H 1FFFFH0 0 0 1 1-10 0 1 0 0-0 EPROM2:20000H 3FFFFH0 0 1 1 1-10 1

13、0 0 0-0 EPROM3:40000H 5FFFFH0 1 0 1 1-10 1 1 0 0-0 EPROM3:60000H 7FFFFH0 1 1 1 1-11 0 1 0 0-0 RAM1:A0000H AFFFFH1 0 1 0 1-11 0 1 1 0-0 RAM2:B0000H BFFFFH1 0 1 1 1-18 . CPU內(nèi)有32個(gè)32位的通用寄存器，設(shè)計(jì)一種能容納64種操作的指令系統(tǒng)。假設(shè)指令字長等于機(jī)器字長，回答下列問題：（ 1 ）如果主存可直接或間接尋址，采用寄存器-存儲(chǔ)器型指令，能直接尋址的最大存儲(chǔ)董建是多少？畫出指令格式并說出各字段的含義。（ 2）在滿足（1）的前提

14、下，如果采用通用寄存器作基址寄存器，則上述寄存器-存儲(chǔ)器型指令的指令格式有何特點(diǎn)？畫出指令格式并指出這類指令可訪問多大的存儲(chǔ)空間？寄存器是32 位，則機(jī)器字長為32 位，指令字長等于機(jī)器字長為32 位（ 1 ）指令格式為：OP 6寄存器號R 5形式地址A 2164 種操作，則操作碼需要6 位； 32 個(gè)寄存器，則寄存器號需要5 位；剩下21 位為形式地址。直接尋址的最大空間為221=2M 字（ 2）滿足（1） ，采用寄存器-存儲(chǔ)器型指令，尋址方式用基址尋址方式，則需要加上寄存器號，指令格式為：OP 6寄存器號1R 5寄存器號2R 5形式地址A 16寄存器號1 為第一操作數(shù)；寄存器號2 和形式地

15、址構(gòu)成第二操作數(shù)，用的是基址尋址方式，寄存器為32位，按照基址尋址方式 EA=（R）+A,則EA為32位，所以尋址空間為 232=4G字9 .磁盤組有6片磁盤，最外兩側(cè)盤片可以記錄，存儲(chǔ)區(qū)域內(nèi)徑22cm,外徑33cm,道密度為 40 道 /cm ，內(nèi)層密度為400 位 /cm ，轉(zhuǎn)速為3600 轉(zhuǎn) /分。（ 1 ）共有多少存儲(chǔ)面可用?（ 2）共有多少柱面（ 3）盤組總存儲(chǔ)容量是多少（4）數(shù)據(jù)傳輸率是多少？（ 1） 6 片，最外兩側(cè)可以記錄，則有12 個(gè)存儲(chǔ)面可用（2）柱面即磁道面，（33-22） /2=5.5cm,磁道數(shù)為 40道/cm*5.5cm=220道則有 220 個(gè)柱面（3）內(nèi)徑22c

16、m,周長為3.14*22=69.08cm ,內(nèi)層密度為 400位/cm ,則一條磁道的容量為69.08*400=27632 位 =3454B盤組總存儲(chǔ)容量為：3454*220*12=9MB（ 4）數(shù)據(jù)傳輸率為每條磁道容量*轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速為3600 轉(zhuǎn) /分，即 60 轉(zhuǎn) /秒3454*60=200KB/S10.將十進(jìn)制數(shù)-0.625轉(zhuǎn)換為IEEE短浮點(diǎn)數(shù)；采用IEEE754單精度浮點(diǎn)數(shù)格式表示一個(gè)數(shù)為45100000H,則該數(shù)的值是多少？（ 1） -0.625=-0.101=-1.01*2-1符號位 =1階碼 =127-1=1261,01111110,0結(jié)果 =BF200000H（2）符號位1 位

17、，階碼8 位（用移碼表示，移碼為127） ，尾數(shù)數(shù)值為23位，隱含1 位，用原碼表示，0100 0101 0001 0000 0000 0000 0000 00000,10001010， 0此數(shù)為正數(shù)，階碼為138-127=11，尾數(shù)為1.001=1.125數(shù)值為 1.001*211=1001*28=9*256=2304應(yīng)用題1.為某8位微機(jī)（地址總線為16位）設(shè)計(jì)一個(gè)12KB容量的存儲(chǔ)器，要求EPROM區(qū)為8KB, 從 0000H 開始， 采用 2716 芯片 （ 2K*8） ； RAM 區(qū)為 4KB， 從 2000H 開始采用6116 芯片 （ 2K*8） 。求： （ 1 ）對各芯片的地址

18、分配；（ 2）指出各芯片的片內(nèi)選擇地址線和芯片選擇地址線；（3）采用74LS138譯碼器，畫出片選地址譯碼電路。1 .解：（1） EPROM需要4片，從0000H開始；RAM需要2片從2000H開始，芯片都是 2K*8的，則片內(nèi)地址需要11 根，從A0-A10 地址分配如下：A15 A14 A13 A12 A11 A10-A00 0 0 0 0 0-0 EPROM1： 0000H-07FFH0 0 0 0 0 1-10 0 0 0 1 0-0 EPROM2： 0800H-0FFFH0 0 0 0 1 1-10 0 0 1 0 0-0 EPROM3： 1000H-07FFH0 0 0 1 0 1

19、-10 0 0 1 1 0-0 EPROM4： 1800H-1FFFH0 0 0 1 1 1-1 0 0 1 0 0 0-0 RAM1： 2000H-07FFH0 0 1 0 0 1-10 0 1 0 1 0-0 RAM2： 2800H-2FFFH0 0 1 0 1 1-12 2） 用低位地址作為芯片的片內(nèi)選擇地址線，6 個(gè)芯片都是2K*8 的， 片內(nèi)地址需要11 根，則從A0-A10， 6 個(gè)芯片需要3 位地址才能實(shí)現(xiàn)片選，使用A11-A13.（3）用74LS138譯碼器，A11-A13接CBA, /Y0-/Y5即可作為6個(gè)芯片的片選信號，電路圖如下：2 .假設(shè)機(jī)器字長為16位，CPU內(nèi)有3

20、2個(gè)通用寄存器，主存容量為128KB,且存儲(chǔ)字長等于機(jī)器字長；指令長度為16 位或32 位，共有128 條指令，設(shè)計(jì)指令格式，要求有直接、立即數(shù)、相對、基址、間接、變址六種尋址方式，畫出指令格式，寫出有效地址的計(jì)算方法、尋址空間、立即數(shù)的范圍2.解：128條指令，需要操作碼 7位；主存容量為128KB，若能把所有主存空間都訪問完需要 17 位地址線；機(jī)器字長為16位，則寄存器的位數(shù)也為16 位， 32 個(gè)通用寄存器，寄存器號需要 5 位；六種尋址方式，需要尋址特征位3 位，指令格式如下：直接尋址：指令字長 16位，形式地址 A為6位，EA=A,尋址空間為26=64BOP 7尋址特征3形式地址A

21、 6立即數(shù)尋址：指令字長 16位，立即數(shù) A為6位，沒有有效地址，A的范圍為-32-+31OP 7尋址特征3立即數(shù) A 6相對尋址：指令字長16位，形式地址 A為6位，EA=(PC)+A,P 17為，尋址空間為217=128KBOP 7尋址特征3形式地址A 6基址尋址：指令長度為 32位，寄存器號5位，形式地址 A為17位,EA=(R)+EA寄存器為16 位，則 EA為17位，尋址空間為 217=128KBOP 7尋址特征3寄存器號R 5形式地址A 17間接尋址：指令字長 16位，形式地址 A為6位，EA= (A),存儲(chǔ)字長等于機(jī)器字長，則(A)為 16 位，尋址空間為216=64KBOP 7

22、尋址特征3形式地址A 6變址尋址：指令長度為 32位，寄存器號5位，形式地址A為17位，EA=(R)+EA寄存器為16 位，則 EA為17位，尋址空間為 217=128KBOP 7尋址特征3寄存器號R 5形式地址A 173 .某計(jì)算機(jī)字長32 位，有 16 個(gè)通用寄存器，主存容量為1M 字，采用單字長二地址指令，共有 64 條指令，設(shè)計(jì)四種（寄存器，直接，變址，相對）尋址方式的指令格式，指出每種尋址方式的有效地址計(jì)算方法和尋址空間。3.解：字長為32 位，采用單字長指令，則指令長度為32位， 16 個(gè)通用寄存器，需要寄存器號為 4 位，主存容量為1M 字，若要訪問到主存的任意空間，則有效地址位

23、數(shù)為20 位。 4種尋址方式，尋址特征需要2 位， 64 條指令，操作碼需要6 位。寄存器尋址：指令字長為16 位，不需要計(jì)算有效地址，不需要訪存取操作數(shù)OP 6尋址特征2寄存器號R1 4寄存器 R2 4直接尋址：指令字長為 32位，有效地址 EA=A A為20位，訪存空間為 220=1MOP 6尋址特征2寄存器號R1 4形式地址A 20變址尋址尋址：指令字長為32位，字長為32位，寄存器值也為 32位，有效地址EA=0Bt寄存器）+A,共為32位，可訪存空間 232=4GOP 6尋址特征2寄存器號R1 4變址寄存器4形式地址A 16相對尋址OP 6尋址特征2形式地址A 8寄存器尋址：指令字長

24、為16位，EA= （PQ +A,主存需地址線為20位，則PC為20位，所以EA也為20為，可訪存空間為：220=1M4 .用16k*1位的DRAM芯片構(gòu)成64k*8位的存儲(chǔ)器，地址范圍是0000H-FFFFH問：（ 1 ）需要多少片，怎么構(gòu)成，地址怎么分配，畫出片選信號；（2）設(shè)存儲(chǔ)器讀寫周期均為 0.5us, CPU在1us內(nèi)至少要訪存一次。可以采取什么刷新方式？兩次刷新的時(shí)間間隔是多少？對全部存儲(chǔ)單元刷新一遍，所需實(shí)際刷新時(shí)間是多少？4.解： （ 1）需要 32 片。先用16k*1 位的用位擴(kuò)展成16k*8 位的， 8 片組成一組，這一組除了數(shù)據(jù)線不同之外，其余線的接法完全相同。再用 16

25、k*8 位的 4 組用擴(kuò)展成64K*8 位， 這四組，用高位地址線形成片選線，其余線的接法完全相同。16K需要14根，組內(nèi)地址為 A13-A0,每組的地址分配如下：A15 A14 A13A00 0 0 0 DRAM1 組：0000H-3FFFH0 0 110 1 0 0 DRAM2 組：4000H-7FFFH0 1 111 0 0 0 DRAM3 組：8000H-BFFFH1 0 111 1 0 0 DRAM4 組：C000H-FFFFH1 1 11用訪存控制信號，M=1,A15, A14作為741s138譯碼器的CBA輸入端，/Y4選才i DARM1組，/Y5 選擇 DRAM2 組， /Y6 選擇 DRAM3 組， /Y7 選擇 DRAM4 組，片選產(chǎn)生電路圖如下：2 2） 64k*8 位， 216*23 位 =219 位，可寫成210*29 行列形式，刷新是以行為單位的，即要刷新所有存儲(chǔ)單元即要刷新1024 行。 CPU 在 1us 內(nèi)至少要訪存一次，不能采用集中刷新方式，可以采取分散刷新和異步刷新方式.分散刷新：刷一行，讀寫一次，1us時(shí)間內(nèi)正好0.5us刷新，0.5us讀寫，兩次刷新間隔為1us, 1024行都刷新完需要 10