計算機(jī)組成原理第二版課后習(xí)題答案

1、第1章計算機(jī)系統(tǒng)概論1. 什么是計算機(jī)系統(tǒng)、計算機(jī)硬件和計算機(jī)軟件？硬件和軟件哪個更重要？解：計算機(jī)系統(tǒng)：由計算機(jī)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成的綜合體。計算機(jī)硬件：指計算機(jī)中的電子線路和物理裝置。計算機(jī)軟件：計算機(jī)運行所需的程序及相關(guān)資料。硬件和軟件在計算機(jī)系統(tǒng)中相互依存，缺一不可，因此同樣重要2. 如何理解計算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)？答：計算機(jī)硬件、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件構(gòu)成了計算機(jī)系統(tǒng)的三個層次結(jié)構(gòu)。（1）硬件系統(tǒng)是最內(nèi)層的，它是整個計算機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心。（2）系統(tǒng)軟件在硬件之外，為用戶提供一個基本操作界面。（3）應(yīng)用軟件在最外層，為用戶提供解決具體問題的應(yīng)用系統(tǒng)界面。通常將硬件系統(tǒng)之外的其余層稱為虛擬機(jī)。

2、各層次之間關(guān)系密切，上層是下層的擴(kuò)展，下層是上層的基礎(chǔ)，各層次的劃分不是絕對的。3. 說明高級語言、匯編語言和機(jī)器語言的差別及其聯(lián)系。答：機(jī)器語言是計算機(jī)硬件能夠直接識別的語言，匯編語言是機(jī)器語言的符號表示，高級語言是面向算法的語言。高級語言編寫的程序（源程序）處于最高層，必須翻譯成匯編語言，再由匯編程序匯編成機(jī)器語言（目標(biāo)程序）之后才能被執(zhí)行。4. 如何理解計算機(jī)組成和計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)？答：計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)是指那些能夠被程序員所見到的計算機(jī)系統(tǒng)的屬性，如指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)類型、尋址技術(shù)組成及I/O機(jī)理等。計算機(jī)組成是指如何實現(xiàn)計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性，包含對程序員透明的硬件細(xì)節(jié)，如組成計算機(jī)系統(tǒng)的

3、各個功能部件的結(jié)構(gòu)和功能，及相互連接方法等。5. 馮諾依曼計算機(jī)的特點是什么？解：馮諾依曼計算機(jī)的特點是：P8計算機(jī)由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部件組成； 指令和數(shù)據(jù)以同同等地位存放于存儲器內(nèi)，并可以按地址訪問； 指令和數(shù)據(jù)均用二進(jìn)制表示； 指令由操作碼、地址碼兩大部分組成，操作碼用來表示操作的性質(zhì)，地址碼用來表示操作數(shù)在存儲器中的位置； 指令在存儲器中順序存放，通常自動順序取出執(zhí)行；機(jī)器以運算器為中心（原始馮諾依曼機(jī)）。6. 畫出計算機(jī)硬件組成框圖，說明各部件的作用及計算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)。答：計算機(jī)硬件組成框圖如下：各部件的作用如下：控制器：整機(jī)的指揮中心，它使計算機(jī)

4、的各個部件自動協(xié)調(diào)工作。運算器：對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理的部件，用來進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算。存儲器：存放程序和數(shù)據(jù)，是計算機(jī)實現(xiàn)“存儲程序控制”的基礎(chǔ)。輸入設(shè)備：將人們熟悉的信息形式轉(zhuǎn)換成計算機(jī)可以接受并識別的信息形式的設(shè)備。輸出設(shè)備：將計算機(jī)處理的結(jié)果（二進(jìn)制信息）轉(zhuǎn)換成人類或其它設(shè)備可以接收和識別的信息形式的設(shè)備。計算機(jī)系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)有：機(jī)器字長：指CPU次能處理的數(shù)據(jù)的位數(shù)。通常與CPU的寄存器的位數(shù)有關(guān)，字長越長，數(shù)的表示范圍越大，精度也越高。機(jī)器字長也會影響計算機(jī)的運算速度。數(shù)據(jù)通路寬度：數(shù)據(jù)總線一次能并行傳送的數(shù)據(jù)位數(shù)。存儲容量：指能存儲信息的最大容量，通常以字節(jié)來衡量。一般包含主存

5、容量和輔存容量。運算速度：通常用MIPS（每秒百萬條指令）、MFLOPS（每秒百萬次浮點運算）或CPI（執(zhí)行一條指令所需的時鐘周期數(shù)）來衡量。CPU執(zhí)行時間是指CPU對特定程序的執(zhí)行時間。主頻：機(jī)器內(nèi)部主時鐘的運行頻率，是衡量機(jī)器速度的重要參數(shù)。吞吐量：指流入、處理和流出系統(tǒng)的信息速率。它主要取決于主存的存取周期。響應(yīng)時間：計算機(jī)系統(tǒng)對特定事件的響應(yīng)時間，如實時響應(yīng)外部中斷的時間等。7. 解釋下列概念：主機(jī)、CPU、主存、存儲單元、存儲元件、存儲基元、存儲元、存儲字、存儲字長、存儲容量、機(jī)器字長、指令字長。解：P9-10主機(jī)：是計算機(jī)硬件的主體部分，由CPU和主存儲器MM合成為主機(jī)。CPU：中

6、央處理器，是計算機(jī)硬件的核心部件，由運算器和控制器組成；（早期的運算器和控制器不在同一芯片上，現(xiàn)在的CPU內(nèi)除含有運算器和控制器外還集成了CACHE）。主存：計算機(jī)中存放正在運行的程序和數(shù)據(jù)的存儲器，為計算機(jī)的主要工作存儲器，可隨機(jī)存取；由存儲體、各種邏輯部件及控制電路組成。存儲單元：可存放一個機(jī)器字并具有特定存儲地址的存儲單位。存儲元件：存儲一位二進(jìn)制信息的物理元件，是存儲器中最小的存儲單位，又叫存儲基元或存儲元，不能單獨存取。存儲字：一個存儲單元所存二進(jìn)制代碼的邏輯單位。存儲字長：一個存儲單元所存儲的二進(jìn)制代碼的總位數(shù)。存儲容量：存儲器中可存二進(jìn)制代碼的總量；（通常主、輔存容量分開描述）。

7、機(jī)器字長：指CPU次能處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，通常與CPU的寄存器位數(shù)有關(guān)。指令字長：機(jī)器指令中二進(jìn)制代碼的總位數(shù)。8. 解釋下列英文縮寫的中文含義：CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS解：全面的回答應(yīng)分英文全稱、中文名、功能三部分。CPU：CentralProcessingUnit，中央處理機(jī)（器）是計算機(jī)硬件的核心部件，主要由運算器和控制器組成。PC：ProgramCounter，程序計數(shù)器，其功能是存放當(dāng)前欲執(zhí)行指令的地址，并可自動計數(shù)形成下一條指令地址。IR：InstruetionRegister,指令寄存器，其功能是

8、存放當(dāng)前正在執(zhí)行的指令。CU：ControlUnit,控制單元（部件），為控制器的核心部件，其功能是產(chǎn)生微操作命令序列。ALU：ArithmetieLogieUnit,算術(shù)邏輯運算單元,為運算器的核心部件,其功能是進(jìn)行算術(shù)、邏輯運算。ACC：Accumulator,累加器，是運算器中既能存放運算前的操作數(shù),又能存放運算結(jié)果的寄存器。MQ：Multiplier-QuotientRegister,乘商寄存器，乘法運算時存放乘數(shù)、除法時存放商的寄存器。X：此字母沒有專指的縮寫含義，可以用作任一部件名，在此表示操作數(shù)寄存器,即運算器中工作寄存器之一,用來存放操作數(shù)；MAR：MemoryAddressR

9、egister，存儲器地址寄存器，在主存中用來存放欲訪問的存儲單元的地址。MDR：MemoryDataRegister，存儲器數(shù)據(jù)緩沖寄存器，在主存中用來存放從某單元讀出、或要寫入某存儲單元的數(shù)據(jù)。I/O：Input/Outputequipment，輸入/輸出設(shè)備，為輸入設(shè)備和輸出設(shè)備的總稱,用于計算機(jī)內(nèi)部和外界信息的轉(zhuǎn)換與傳送。MIPS：MillionInstruetionPerSecond，每秒執(zhí)行百萬條指令數(shù)，為計算機(jī)運算速度指標(biāo)的一種計量單位。9. 畫出主機(jī)框圖，分別以存數(shù)指令“STAM”和加法指令“ADDM”(M均為主存地址)為例，在圖中按序標(biāo)出完成該指令(包括取指令階段)的信息流程

10、(如一)。假設(shè)主存容量為256M*32位，在指令字長、存儲字長、機(jī)器字長相等的條件下，指出圖中各寄存器的位數(shù)。解：主機(jī)框圖如P13圖1.11所示。(1) STAM指令：PCMAR,MARMM,MMMDR,MDRIR,OP(IR)CU,Ad(IR)MAR,ACCMDR,MARMM，WR(2) ADDM指令：PCMAR,MARMM,MMMDR,MDRIR,OP(IR)CU,Ad(IR)MAR,RD,MMMDR,MDRX,ADD,ALUACC,ACCMDR,WR假設(shè)主存容量256M*32位，在指令字長、存儲字長、機(jī)器字長相等的條件下，ACC、X、IR、MDR寄存器均為32位，PC和MAR寄存器均為2

11、8位。10. 指令和數(shù)據(jù)都存于存儲器中,計算機(jī)如何區(qū)分它們？解：計算機(jī)區(qū)分指令和數(shù)據(jù)有以下2種方法：通過不同的時間段來區(qū)分指令和數(shù)據(jù)，即在取指令階段(或取指微程序)取出的為指令,在執(zhí)行指令階段(或相應(yīng)微程序)取出的即為數(shù)據(jù)。通過地址來源區(qū)分，由PC提供存儲單元地址的取出的是指令，由指令地址碼部分提供存儲單元地址的取出的是操作數(shù)。第2章計算機(jī)的發(fā)展及應(yīng)用1. 通常計算機(jī)的更新?lián)Q代以什么為依據(jù)？答：P22主要以組成計算機(jī)基本電路的元器件為依據(jù)，如電子管、晶體管、集成電路等。2. 舉例說明專用計算機(jī)和通用計算機(jī)的區(qū)別。答：按照計算機(jī)的效率、速度、價格和運行的經(jīng)濟(jì)性和實用性可以將計算機(jī)劃分為通用計算機(jī)

12、和專用計算機(jī)。通用計算機(jī)適應(yīng)性強(qiáng)，但犧牲了效率、速度和經(jīng)濟(jì)性，而專用計算機(jī)是最有效、最經(jīng)濟(jì)和最快的計算機(jī)，但適應(yīng)性很差。例如個人電腦和計算器。3. 什么是摩爾定律？該定律是否永遠(yuǎn)生效？為什么？答：P23,否，P36第3章系統(tǒng)總線1. 什么是總線？總線傳輸有何特點？為了減輕總線負(fù)載，總線上的部件應(yīng)具備什么特點？答：P41.總線是一種能由多個部件分時共享的公共信息傳送線路。總線傳輸?shù)奶攸c是：某一時刻只允許有一個部件向總線發(fā)送信息，但多個部件可以同時從總線上接收相同的信息。為了減輕總線負(fù)載，總線上的部件應(yīng)通過三態(tài)驅(qū)動緩沖電路與總線連通。2. 總線如何分類？什么是系統(tǒng)總線？系統(tǒng)總線又分為幾類，它們各有

13、何作用，是單向的，還是雙向的，它們與機(jī)器字長、存儲字長、存儲單元有何關(guān)系？答：按照連接部件的不同，總線可以分為片內(nèi)總線、系統(tǒng)總線和通信總線。系統(tǒng)總線是連接CPU、主存、I/O各部件之間的信息傳輸線。系統(tǒng)總線按照傳輸信息不同又分為地址線、數(shù)據(jù)線和控制線。地址線是單向的，其根數(shù)越多，尋址空間越大，即CPU能訪問的存儲單元的個數(shù)越多；數(shù)據(jù)線是雙向的，其根數(shù)與存儲字長相同，是機(jī)器字長的整數(shù)倍。3. 常用的總線結(jié)構(gòu)有幾種？不同的總線結(jié)構(gòu)對計算機(jī)的性能有什么影響？舉例說明。答：略。見P52-55。4. 為什么要設(shè)置總線判優(yōu)控制？常見的集中式總線控制有幾種？各有何特點？哪種方式響應(yīng)時間最快？哪種方式對電路故

14、障最敏感？答：總線判優(yōu)控制解決多個部件同時申請總線時的使用權(quán)分配問題；常見的集中式總線控制有三種：鏈?zhǔn)讲樵?、計?shù)器定時查詢、獨立請求；特點：鏈?zhǔn)讲樵兎绞竭B線簡單，易于擴(kuò)充，對電路故障最敏感；計數(shù)器定時查詢方式優(yōu)先級設(shè)置較靈活，對故障不敏感，連線及控制過程較復(fù)雜；獨立請求方式速度最快，但硬件器件用量大，連線多，成本較高。5. 解釋下列概念：總線寬度、總線帶寬、總線復(fù)用、總線的主設(shè)備（或主模塊）、總線的從設(shè)備（或從模塊）、總線的傳輸周期和總線的通信控制。答：P46?？偩€寬度：通常指數(shù)據(jù)總線的根數(shù)；總線帶寬：總線的數(shù)據(jù)傳輸率，指單位時間內(nèi)總線上傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)；總線復(fù)用：指同一條信號線可以分時傳輸不同

15、的信號?？偩€的主設(shè)備（主模塊）：指一次總線傳輸期間，擁有總線控制權(quán)的設(shè)備（模塊）；總線的從設(shè)備（從模塊）：指一次總線傳輸期間，配合主設(shè)備完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備（模塊），它只能被動接受主設(shè)備發(fā)來的命令；總線的傳輸周期：指總線完成一次完整而可靠的傳輸所需時間；總線的通信控制：指總線傳送過程中雙方的時間配合方式。6. 試比較同步通信和異步通信。答：同步通信：指由統(tǒng)一時鐘控制的通信，控制方式簡單，靈活性差，當(dāng)系統(tǒng)中各部件工作速度差異較大時，總線工作效率明顯下降。適合于速度差別不大的場合。異步通信：指沒有統(tǒng)一時鐘控制的通信，部件間采用應(yīng)答方式進(jìn)行聯(lián)系，控制方式較同步復(fù)雜，靈活性高，當(dāng)系統(tǒng)中各部件工作速度差異

16、較大時，有利于提高總線工作效率。7. 畫圖說明異步通信中請求與回答有哪幾種互鎖關(guān)系？答：見P61-62，圖3.86。8. 為什么說半同步通信同時保留了同步通信和異步通信的特點？答：半同步通信既能像同步通信那樣由統(tǒng)一時鐘控制，又能像異步通信那樣允許傳輸時間不一致，因此工作效率介于兩者之間。9. 分離式通訊有何特點，主要用于什么系統(tǒng)？答：分離式通訊的特點是：（1）各模塊欲占用總線使用權(quán)都必須提出申請；（2）在得到總線使用權(quán)后，主模塊在先定的時間內(nèi)向?qū)Ψ絺魉托畔?，采用同步方式傳送，不再等待對方的回答信號；?）各模塊在準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的過程中都不占用總線，使總線可接受其它模塊的請求；（4）總線被占用時都在做

17、有效工作，或者通過它發(fā)送命令，或者通過它傳送數(shù)據(jù)，不存在空閑等待時間，充分利用了總線的占用，從而實現(xiàn)了總線在多個主、從模塊間進(jìn)行信息交叉重疊并行傳送。分離式通訊主要用于大型計算機(jī)系統(tǒng)。10. 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？什么叫plugandplay?哪些總線有這一特點？答：總線標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)置主要解決不同廠家各類模塊化產(chǎn)品的兼容問題；目前流行的總線標(biāo)準(zhǔn)有：ISA、EISA、PCI等；plugandplay：即插即用，EISA、PCI等具有此功能。11. 畫一個具有雙向傳輸功能的總線邏輯圖。答：在總線的兩端分別配置三態(tài)門，就可以使總線具有雙向傳輸功能。氣b1bna1W亶只l勺

18、a至bb至a12. 設(shè)數(shù)據(jù)總線上接有A、B、C、D四個寄存器，要求選用合適的74系列芯片，完成下列邏輯設(shè)計：(1) 設(shè)計一個電路，在同一時間實現(xiàn)D-A'D-B和D-C寄存器間的傳送；(2) 設(shè)計一個電路，實現(xiàn)下列操作：T0時刻完成D-總線；T1時刻完成總線-A；T2時刻完成A-總線；T3時刻完成總線-Bo解：(1)由T打開三態(tài)門將D寄存器中的內(nèi)容送至總線bus，由cp脈沖同時將總線上的數(shù)據(jù)打入到A、B、C寄存器中。T和cp的時間關(guān)系如圖(1)所示。圖(1)(2)三態(tài)門1受T0+T1控制，以確保T0時刻D-總線，以及T1時刻總線一接收門1-A。三態(tài)門2受T2+T3控制，以確保T2時刻A-

19、總線，以及T3時刻總線一接收門2-B。T0、T1、T2、T3波形圖如圖(2)所示。Tl|T2|T3I圖(2)T013. 什么是總線的數(shù)據(jù)傳輸率，它與哪些因素有關(guān)？答：總線數(shù)據(jù)傳輸率即總線帶寬，指單位時間內(nèi)總線上傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)，通常用每秒傳輸信息的字節(jié)數(shù)來衡量。它與總線寬度和總線頻率有關(guān)，總線寬度越寬，頻率越快，數(shù)據(jù)傳輸率越高。14. 設(shè)總線的時鐘頻率為8MHZ,個總線周期等于一個時鐘周期。如果一個總線周期中并行傳送16位數(shù)據(jù)，試問總線的帶寬是多少？解：由于：f=8MHz,T=l/f=l/8M秒，一個總線周期等于一個時鐘周期所以：總線帶寬=16/(1/8M)=128Mbps15. 在一個32位的

20、總線系統(tǒng)中，總線的時鐘頻率為66MHZ，假設(shè)總線最短傳輸周期為4個時鐘周期，試計算總線的最大數(shù)據(jù)傳輸率。若想提高數(shù)據(jù)傳輸率，可采取什么措施？解：總線傳輸周期=4*1/66M秒總線的最大數(shù)據(jù)傳輸率=32/(4/66M)=528Mbps若想提高數(shù)據(jù)傳輸率，可以提高總線時鐘頻率、增大總線寬度或者減少總線傳輸周期包含的時鐘周期個數(shù)。16. 在異步串行傳送系統(tǒng)中，字符格式為：1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個校驗位、2個終止位。若要求每秒傳送120個字符，試求傳送的波特率和比特率。解：一幀包含：1+8+1+2=12位故波特率為：(1+8+1+2)*120=1440bps比特率為：8*120=960bps存儲器

21、1. 解釋概念：主存、輔存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、FlashMemory。答：主存：主存儲器，用于存放正在執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)°CPU可以直接進(jìn)行隨機(jī)讀寫，訪問速度較高。輔存：輔助存儲器，用于存放當(dāng)前暫不執(zhí)行的程序和數(shù)據(jù)，以及一些需要永久保存的信息。Cache:高速緩沖存儲器，介于CPU和主存之間，用于解決CPU和主存之間速度不匹配問題。RAM：半導(dǎo)體隨機(jī)存取存儲器，主要用作計算機(jī)中的主存。SRAM:靜態(tài)半導(dǎo)體隨機(jī)存取存儲器。DRAM:動態(tài)半導(dǎo)體隨機(jī)存取存儲器。ROM:掩膜式半導(dǎo)體只讀存儲器。由芯片制造商在制造時寫

22、入內(nèi)容，以后只能讀出而不能寫入。PROM：可編程只讀存儲器，由用戶根據(jù)需要確定寫入內(nèi)容，只能寫入一次。EPROM:紫外線擦寫可編程只讀存儲器。需要修改內(nèi)容時，現(xiàn)將其全部內(nèi)容擦除，然后再編程。擦除依靠紫外線使浮動?xùn)艠O上的電荷泄露而實現(xiàn)。EEPROM:電擦寫可編程只讀存儲器。CDROM:只讀型光盤。FlashMemory：閃速存儲器?；蚍Q快擦型存儲器。2. 計算機(jī)中哪些部件可以用于存儲信息？按速度、容量和價格/位排序說明。答：計算機(jī)中寄存器、Cache、主存、硬盤可以用于存儲信息。按速度由高至低排序為：寄存器、Cache、主存、硬盤；按容量由小至大排序為：寄存器、Cache、主存、硬盤；按價格/位

23、由高至低排序為：寄存器、Cache、主存、硬盤。3. 存儲器的層次結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在什么地方？為什么要分這些層次？計算機(jī)如何管理這些層次？答：存儲器的層次結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在Cache-主存和主存-輔存這兩個存儲層次上。Cache-主存層次在存儲系統(tǒng)中主要對CPU訪存起加速作用，即從整體運行的效果分析，CPU訪存速度加快，接近于Cache的速度，而尋址空間和位價卻接近于主存。主存-輔存層次在存儲系統(tǒng)中主要起擴(kuò)容作用，即從程序員的角度看，他所使用的存儲器其容量和位價接近于輔存，而速度接近于主存。綜合上述兩個存儲層次的作用，從整個存儲系統(tǒng)來看，就達(dá)到了速度快、容量大、位價低的優(yōu)化效果。主存與CACHE之間的

24、信息調(diào)度功能全部由硬件自動完成。而主存與輔存層次的調(diào)度目前廣泛采用虛擬存儲技術(shù)實現(xiàn)，即將主存與輔存的一部分通過軟硬結(jié)合的技術(shù)組成虛擬存儲器，程序員可使用這個比主存實際空間（物理地址空間）大得多的虛擬地址空間（邏輯地址空間）編程，當(dāng)程序運行時，再由軟、硬件自動配合完成虛擬地址空間與主存實際物理空間的轉(zhuǎn)換。因此，這兩個層次上的調(diào)度或轉(zhuǎn)換操作對于程序員來說都是透明的。4. 說明存取周期和存取時間的區(qū)別。解：存取周期和存取時間的主要區(qū)別是：存取時間僅為完成一次操作的時間，而存取周期不僅包含操作時間，還包含操作后線路的恢復(fù)時間。即：存取周期=存取時間+恢復(fù)時間5. 什么是存儲器的帶寬？若存儲器的數(shù)據(jù)總線

25、寬度為32位，存取周期為200ns,則存儲器的帶寬是多少？解：存儲器的帶寬指單位時間內(nèi)從存儲器進(jìn)出信息的最大數(shù)量。存儲器帶寬二l/200nsX32位二160M位/秒二20MB/秒二5M字/秒注意：字長32位，不是16位。（注：lns=10-9s）6. 某機(jī)字長為32位，其存儲容量是64KB，按字編址它的尋址范圍是多少？若主存以字節(jié)編址,試畫出主存字地址和字節(jié)地址的分配情況。解：存儲容量是64KB時，按字節(jié)編址的尋址范圍就是64K,如按字編址，其尋址范圍為：64K/(32/8)=16K字節(jié)地址字地址7. 一個容量為16KX32位的存儲器，其地址線和數(shù)據(jù)線的總和是多少？當(dāng)選用下列不同規(guī)格的存儲芯片

26、時，各需要多少片？1KX4位，2KX8位，4KX4位，16KX1位，4KX8位，8KX8位解：地址線和數(shù)據(jù)線的總和=14+32=46根；選擇不同的芯片時，各需要的片數(shù)為：1KX4：(16KX32)/(1KX4)=16X8=128片2KX8：(16KX32)/(2KX8)=8X4=32片4KX4：(16KX32)/(4KX4)=4X8=32片16KX1：(16KX32)/(16KX1)=1X32=32片4KX8：(16KX32)/(4KX8)=4X4=16片8KX8：(16KX32)/(8KX8)=2X4=8片8. 試比較靜態(tài)RAM和動態(tài)RAM。答：略。（參看課件）9. 什么叫刷新？為什么要刷新

27、？說明刷新有幾種方法。解：刷新：對DRAM定期進(jìn)行的全部重寫過程；刷新原因：因電容泄漏而引起的DRAM所存信息的衰減需要及時補充，因此安排了定期刷新操作；常用的刷新方法有三種：集中式、分散式、異步式。集中式：在最大刷新間隔時間內(nèi)，集中安排一段時間進(jìn)行刷新，存在CPU訪存死時間。分散式：在每個讀/寫周期之后插入一個刷新周期，無CPU訪存死時間。異步式：是集中式和分散式的折衷。10. 半導(dǎo)體存儲器芯片的譯碼驅(qū)動方式有幾種？解：半導(dǎo)體存儲器芯片的譯碼驅(qū)動方式有兩種：線選法和重合法。線選法：地址譯碼信號只選中同一個字的所有位，結(jié)構(gòu)簡單，費器材；重合法：地址分行、列兩部分譯碼，行、列譯碼線的交叉點即為所

28、選單元。這種方法通過行、列譯碼信號的重合來選址，也稱矩陣譯碼。可大大節(jié)省器材用量，是最常用的譯碼驅(qū)動方式。11. 一個8KX8位的動態(tài)RAM芯片，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)排列成256X256形式，存取周期為O.lus。試問采用集中刷新、分散刷新和異步刷新三種方式的刷新間隔各為多少？解：采用分散刷新方式刷新間隔為：2ms，其中刷新死時間為：256X0.1us=25.6us采用分散刷新方式刷新間隔為：256X（0.1卩s+X0.1卩s）=51.2卩s采用異步刷新方式刷新間隔為：2ms12. 畫出用1024X4位的存儲芯片組成一個容量為64KX8位的存儲器邏輯框圖。要求將64K分成4個頁面，每個頁面分16組，指出

29、共需多少片存儲芯片。解：設(shè)采用SRAM芯片，貝U：總片數(shù)二（64KX8位）/（1024X4位）二64X2=128片題意分析：本題設(shè)計的存儲器結(jié)構(gòu)上分為總體、頁面、組三級，因此畫圖時也應(yīng)分三級畫。首先應(yīng)確定各級的容量：頁面容量二總?cè)萘?頁面數(shù)二64KX8/4=16KX8位，4片16KX8字串聯(lián)成64KX8位組容量二頁面容量/組數(shù)二16KX8位/16=1KX8位，16片1KX8位字串聯(lián)成16KX8位組內(nèi)片數(shù)二組容量/片容量二1KX8位/1KX4位二2片，兩片1KX4位芯片位并聯(lián)成1KX8位存儲器邏輯框圖：（略）。13. 設(shè)有一個64KX8位的RAM芯片，試問該芯片共有多少個基本單元電路（簡稱存儲基

30、元）？欲設(shè)計一種具有上述同樣多存儲基元的芯片，要求對芯片字長的選擇應(yīng)滿足地址線和數(shù)據(jù)線的總和為最小，試確定這種芯片的地址線和數(shù)據(jù)線，并說明有幾種解答。解：存儲基元總數(shù)二64KX8位二512K位二2i9位；思路：如要滿足地址線和數(shù)據(jù)線總和最小，應(yīng)盡量把存儲元安排在字向，因為地址位數(shù)和字?jǐn)?shù)成2的冪的關(guān)系，可較好地壓縮線數(shù)。設(shè)地址線根數(shù)為a,數(shù)據(jù)線根數(shù)為b,則片容量為：2aXb=2i9；b=219-a；若a=19,b=1,總和二19+1=20；a=18，b=2，總和=18+2=20；a=17,b=4,總和=17+4=21；a=16,b=8,總和=16+8=24；由上可看出：芯片字?jǐn)?shù)越少,芯片字長越長

31、,引腳數(shù)越多。芯片字?jǐn)?shù)減1、芯片位數(shù)均按2的冪變化。結(jié)論：如果滿足地址線和數(shù)據(jù)線的總和為最小,這種芯片的引腳分配方案有兩種：地址線=19根,數(shù)據(jù)線=1根；或地址線=18根,數(shù)據(jù)線=2根。14. 某8位微型機(jī)地址碼為18位，若使用4KX4位的RAM芯片組成模塊板結(jié)構(gòu)的存儲器，試問：（1）該機(jī)所允許的最大主存空間是多少？（2）若每個模塊板為32KX8位，共需幾個模塊板？（3）每個模塊板內(nèi)共有幾片RAM芯片？（4）共有多少片RAM?（5）CPU如何選擇各模塊板？解：（1）該機(jī)所允許的最大主存空間是：218X8位=256KX8位二256KB（2）模塊板總數(shù)=256KX8/32KX8=8塊（3）板內(nèi)片數(shù)

32、二32KX8位/4KX4位=8X2=16片（4）總片數(shù)二16片X8=128片（5）CPU通過最高3位地址譯碼輸出選擇模板，次高3位地址譯碼輸出選擇芯片。地址格式分配如下：模板號（3位）芯片號（3位）片內(nèi)地址（12位）15. 設(shè)CPU共有16根地址線，8根數(shù)據(jù)線，并用MRE®（低電平有效）作訪存控制信號，R/W作讀寫命令信號（高電平為讀，低電平為寫）?，F(xiàn)有下列存儲芯片：ROM（2KX8位，4KX4位，8KX8位），RAM（1KX4位，2KX8位，4KX8位），及74138譯碼器和其他門電路（門電路自定）。試從上述規(guī)格中選用合適芯片，畫出CPU和存儲芯片的連接圖。要求：(1) 最小4K地

33、址為系統(tǒng)程序區(qū)，409616383地址范圍為用戶程序區(qū)。(2) 指出選用的存儲芯片類型及數(shù)量。(3) 詳細(xì)畫出片選邏輯。解：(1)地址空間分配圖：系統(tǒng)程序區(qū)(ROM共4KB)：0000H-0FFFH用戶程序區(qū)(RAM共12KB)：1000H-3FFFH(2) 選片：ROM:選擇4KX4位芯片2片，位并聯(lián)RAM：選擇4KX8位芯片3片，字串聯(lián)(RAM1地址范圍為：1000HTFFFH,RAM2地址范圍為2000H-2FFFH,RAM3地址范圍為：3000H-3FFFH)(3) 各芯片二進(jìn)制地址分配如下A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0ROM1000000

34、0000000000,20000011111111111RAM100010000000000000001111111111111RAM200100000000000000010111111111111RAM300110000000000000011111111111111CPU和存儲器連接邏輯圖及片選邏輯如下圖(3)所示:圖(3)16. CPU假設(shè)同上題，現(xiàn)有8片8KX8位的RAM芯片與CPU相連，試回答：(1) 用74138譯碼器畫出CPU與存儲芯片的連接圖；(2) 寫出每片RAM的地址范圍；(3) 如果運行時發(fā)現(xiàn)不論往哪片RAM寫入數(shù)據(jù)后，以A000H為起始地址的存儲芯片都有與其相同的數(shù)據(jù)

35、，分析故障原因。(4) 根據(jù)(1)的連接圖，若出現(xiàn)地址線A13與CPU斷線，并搭接到高電平上，將出現(xiàn)什么后果？解：(1)CPU與存儲器芯片連接邏輯圖：2)地址空間分配圖：RAM0：0000H1FFFHRAM1：2000H3FFFHRAM2：4000H5FFFHRAM3：6000H7FFFHRAM4：8000H9FFFHRAM5：A000HBFFFHRAM6：C000HDFFFHRAM7：E000HFFFFH(3)如果運行時發(fā)現(xiàn)不論往哪片RAM寫入數(shù)據(jù)后，以A000H為起始地址的存儲芯片(RAM5)都有與其相同的數(shù)據(jù)，則根本的故障原因為：該存儲芯片的片選輸入端很可能總是處于低電平。假設(shè)芯片與譯碼

36、器本身都是好的，可能的情況有：1) 該片的cs端與WE端錯連或短路；2) 該片的CS端與CPU的五玩端錯連或短路；3) 該片的&端與地線錯連或短路。（4）如果地址線A13與CPU斷線，并搭接到高電平上，將會出現(xiàn)A13恒為“1”的情況。此時存儲器只能尋址A13=1的地址空間（奇數(shù)片），A13=0的另一半地址空間（偶數(shù)片）將永遠(yuǎn)訪問不到。若對A13=0的地址空間（偶數(shù)片）進(jìn)行訪問，只能錯誤地訪問到A13=1的對應(yīng)空間（奇數(shù)片）中去。17. 寫出1100、1101、1110、1111對應(yīng)的漢明碼。解：有效信息均為n=4位，假設(shè)有效信息用b4b3b2b1表示校驗位位數(shù)k=3位，（2k二n+k+

37、1）設(shè)校驗位分別為c1、c2、c3,則漢明碼共4+3=7位，即：c1c2b4c3b3b2b1校驗位在漢明碼中分別處于第1、2、4位c1=b4b3b1c2=b4b2b1c3=b3b2b1當(dāng)有效信息為1100時，c3c2c1=110,漢明碼為0111100。當(dāng)有效信息為1101時，c3c2c1=001,漢明碼為1010101。當(dāng)有效信息為1110時，c3c2c1=000,漢明碼為0010110O當(dāng)有效信息為1111時，c3c2c1=111,漢明碼為1111111o18. 已知收到的漢明碼（按配偶原則配置）為1100100、1100111、1100000、1100001，檢查上述代碼是否出錯？第幾位

38、出錯？解：假設(shè)接收到的漢明碼為：Cl'c2'b4'c3'b3'b2'bl'糾錯過程如下：P1=c1'b4'b3'bl'P2=c2'b4'b2'bl'P3=c3'b3'b2'bl'如果收到的漢明碼為llOOlOO,則p3p2pl=0ll,說明代碼有錯,第3位（b4'出錯，有效信息為：1100如果收到的漢明碼為1100111，則p3p2p1=111，說明代碼有錯,第7位（bl'出錯，有效信息為：0110如果收到的漢明碼為110000

39、0，則p3p2p1=110，說明代碼有錯,第6位（b2'出錯，有效信息為：0010如果收到的漢明碼為1100001，則p3p2p1=001，說明代碼有錯,第1位（cl'出錯，有效信息為：000119. 已經(jīng)接收到下列漢明碼，分別寫出它們所對應(yīng)的欲傳送代碼。（1）1100000（按偶性配置）（2）1100010（按偶性配置）（3）1101001（按偶性配置）（4）0011001（按奇性配置）（5）1000000（按奇性配置）（6）1110001（按奇性配置）解：（一）假設(shè)接收到的漢明碼為C1'C2'B4'C3'B3'B2'B1

40、9;，按偶性配置則：P1=C1'3B4'3B3'3B1'P2=C2'3B4'3B2'3B1P3=C3'3B3'3B1'（1）如接收到的漢明碼為1100000，Pl=l03030=1P2=l03030=1P3=03030=0P3P2P1=011，第3位出錯，可糾正為1110000,故欲傳送的信息為1000。（2）如接收到的漢明碼為1100010，P1=1303030=1P2=1303130=0P3=03030=0P3P2P1=001，第1位出錯，可糾正為0100010,故欲傳送的信息為0010。（3）如接收到的漢明碼

41、為1101001，P1=1303031=0P2=1303031=0P3=13031=0P3P2P1=000，傳送無錯，故欲傳送的信息為0001。（二）假設(shè)接收到的漢明碼為C1'C2'B4'C3'B3'B2'B1'按奇性配置則：P1=C1'3B4'3B3'3B1'31P2=C2'3B4'3B2'3B1'31P3=C3'3B3'3B1'31（4）如接收到的漢明碼為0011001，P1=01303131=1P2=031303131=1P3=1303131=1

42、P3P2P1=111，第7位出錯，可糾正為0011000,故欲傳送的信息為1000。（5）如接收到的漢明碼為1000000，P1=130303031=0P2=031303031=0P3=0303031=1P3P2P1=100，第4位出錯，可糾正為1001000,故欲傳送的信息為0000。（6）如接收到的漢明碼為1110001，P1=131303131=0P2=131303131=0P3=0303131=0P3P2P1=000，傳送無錯，故欲傳送的信息為1001。20. 欲傳送的二進(jìn)制代碼為1001101，用奇校驗來確定其對應(yīng)的漢明碼，若在第6位出錯，說明糾錯過程。解：欲傳送的二進(jìn)制代碼為100

43、1101,有效信息位數(shù)為n=7位，則漢明校驗的校驗位為k位，貝Ij：2k二n+k+1,k=4,進(jìn)行奇校驗設(shè)校驗位為C1C2C3C4，漢明碼為C1C2B7C3B6B5B4C4B3B2B1,C1=1B7B6B4B3B1=110111=1C2=1B7B5B4B2B1=110101=0C3=1B6B5B4=1001=0C4=1B3B2B1=1313031=1故傳送的漢明碼為10100011101,若第6位(B5)出錯，即接收的碼字為10100111101,則P1=1C1'B7'B6'B4'B3'B1'=1313130313131=0P2=1C2'

44、B7'B5'B4'B2'B1'=1303131313031=1P3=1C3'B6'B5'B4'=130303131=1P4=1C4'B3'B2'B1'=131313031=0P4P3P2P1=0110說明第6位出錯，對第6位取反即完成糾錯。21. 為什么在漢明碼糾錯過程中，新的檢測位P4P2P1的狀態(tài)即指出了編碼中錯誤的信息位？答：漢明碼屬于分組奇偶校驗，P4P2P1=000，說明接收方生成的校驗位和收到的校驗位相同，否則不同說明出錯。由于分組時校驗位只參加一組奇偶校驗，有效信息參加至少兩組

45、奇偶校驗，若果校驗位出錯，P4P2P1的某一位將為1，剛好對應(yīng)位號4、2、1；若果有效信息出錯，將引起P4P2P1中至少兩位為1，如B1出錯，將使P4P1均為1，P2=0,P4P2P1=101,22. 某機(jī)字長16位，常規(guī)的存儲空間為64K字，若想不改用其他高速的存儲芯片，而使訪存速度提高到8倍，可采取什么措施？畫圖說明。解：若想不改用高速存儲芯片，而使訪存速度提高到8倍，可采取八體交叉存取技術(shù)，8體交叉訪問時序如下圖：IIIIIIIIIIIIIIII啟動存儲體o_；iii；|_jIIIIIIIII啟動存儲體il_hIIiii廠!iiiiii啟動存儲體2|J|iIIIIiII啟動存儲體3!II

46、|II!IIIlliIIIIIiiiiiiii啟動存儲體4>；|；iiiiiiiii啟動存儲體5|口|IIIIIIIII啟動存儲體6|IiiIIIIIIIIIiiiiiii|i啟動存儲體7IIiiiiii|單體訪存周一23. 設(shè)CPU共有16根地址線，8根數(shù)據(jù)線，并用M丘作為訪問存儲器或1/0的控制信號（高電平為訪存，低電平為訪I/O）,WR（低電平有效）為寫命令，RD低電平有效）為讀命令。設(shè)計個容量為64KB的采用低位交叉編址的8體并行結(jié)構(gòu)存儲器?，F(xiàn)有下圖所示的jA0RAMCeWE存儲器芯片和138譯碼器。DnD0畫出CPU和存儲器芯片(芯片容量自定)的連接圖，并寫出圖中每個存儲芯片的

47、地址范圍(用十六進(jìn)制數(shù)表示)。解：8體低位交叉并行存儲器的每個存儲體容量為64KB/8=8KB,因此應(yīng)選擇8KBRAM芯片，芯片地址線12根(A0-A12),數(shù)據(jù)線8根(D0-D7),用138譯碼器進(jìn)行存儲體的選擇。設(shè)計如下：C24. 一個4體低位交叉的存儲器，假設(shè)存儲周期為T，CPU每隔1/4存取周期啟動一個存儲體，試問依次訪問64個字需多少個存取周期？解：4體低位交叉的存儲器的總線傳輸周期為t,t=T/4，依次訪問64個字所需時間為：t二T+(64T)t二T+63T/4=16.75T25. 什么是“程序訪問的局部性”？存儲系統(tǒng)中哪一級采用了程序訪問的局部性原理？答：程序運行的局部性原理指：

48、在一小段時間內(nèi)，最近被訪問過的程序和數(shù)據(jù)很可能再次被訪問；在空間上，這些被訪問的程序和數(shù)據(jù)往往集中在一小片存儲區(qū)；在訪問順序上，指令順序執(zhí)行比轉(zhuǎn)移執(zhí)行的可能性大（大約5:1）。存儲系統(tǒng)中Cache-主存層次和主存-輔存層次均采用了程序訪問的局部性原理。26. 計算機(jī)中設(shè)置Cache的作用是什么？能否將Cache的容量擴(kuò)大，最后取代主存，為什么？答：計算機(jī)中設(shè)置Cache的作用是解決CPU和主存速度不匹配問題。不能將Cache的容量擴(kuò)大取代主存，原因是：（1）Cache容量越大成本越高，難以滿足人們追求低價格的要求；（2）如果取消主存，當(dāng)CPU訪問Cache失敗時，需要將輔存的內(nèi)容調(diào)入Cache

49、再由CPU訪問，造成CPU等待時間太長，損失更大。27. Cache做在CPU芯片內(nèi)有什么好處？將指令Cache和數(shù)據(jù)Cache分開又有什么好處？答：Cache做在CPU芯片內(nèi)主要有下面幾個好處：（1）可提高外部總線的利用率。因為Cache在CPU芯片內(nèi)，CPU訪問Cache時不必占用外部總線。（2）Cache不占用外部總線就意味著外部總線可更多地支持I/O設(shè)備與主存的信息傳輸，增強(qiáng)了系統(tǒng)的整體效率。（3）可提高存取速度。因為Cache與CPU之間的數(shù)據(jù)通路大大縮短,故存取速度得以提高。將指令Cache和數(shù)據(jù)Cache分開有如下好處：1）可支持超前控制和流水線控制，有利于這類控制方式下指令預(yù)取

50、操作的完成。2）指令Cache可用ROM實現(xiàn)，以提高指令存取的可靠性。3）數(shù)據(jù)Cache對不同數(shù)據(jù)類型的支持更為靈活，既可支持整數(shù)（例32位），也可支持浮點數(shù)據(jù)（如64位）。補充：Cache結(jié)構(gòu)改進(jìn)的第三個措施是分級實現(xiàn)，如二級緩存結(jié)構(gòu)，即在片內(nèi)Cache（L1）和主存之間再設(shè)一個片外Cache（L2）,片外緩存既可以彌補片內(nèi)緩存容量不夠大的缺點，又可在主存與片內(nèi)緩存間起到平滑速度差的作用，加速片內(nèi)緩存的調(diào)入調(diào)出速度。28. 設(shè)主存容量為256K字，Cache容量為2K字，塊長為4。（1）設(shè)計Cache地址格式，Cache中可裝入多少塊數(shù)據(jù)？（2）在直接映射方式下，設(shè)計主存地址格式。（3）在四

51、路組相聯(lián)映射方式下，設(shè)計主存地址格式。（4）在全相聯(lián)映射方式下，設(shè)計主存地址格式。（5）若存儲字長為32位，存儲器按字節(jié)尋址，寫出上述三種映射方式下主存的地址格式。解：（l）Cache容量為2K字，塊長為4,Cache共有2K/4=2n/22=29=512塊，Cache字地址9位，字塊內(nèi)地址為2位因此，Cache地址格式設(shè)計如下：Cache字塊地址（9位）字塊內(nèi)地址（2位）（2）主存容量為256K字=2搦字,主存地址共18位，共分256K/4=2】6塊，主存字塊標(biāo)記為18-9-2=7位。直接映射方式下主存地址格式如下：主存字塊標(biāo)記（7位）Cache字塊地址（9位）字塊內(nèi)地址（2位）（3）根據(jù)四

52、路組相聯(lián)的條件，一組內(nèi)共有4塊，得Cache共分為512/4=128=27組，主存字塊標(biāo)記為18-7-2=9位，主存地址格式設(shè)計如下：主存字塊標(biāo)記（9位）組地址（7位）字塊內(nèi)地址（2位）（4）在全相聯(lián)映射方式下，主存字塊標(biāo)記為18-2=16位，其地址格式如下：主存字塊標(biāo)記（16位）字塊內(nèi)地址（2（5）若存儲字長為32位，存儲器按字節(jié)尋址，則主存容量為256K*32/4=221B，Cache容量為2K*32/4=2i4B，塊長為4*32/4=32B=2sB，字塊內(nèi)地址為5位，在直接映射方式下，主存字塊標(biāo)記為21-9-5=7位，主存地址格式為：主存字塊標(biāo)記（7位）Cache字塊地址（9位）字塊內(nèi)地

53、址（5位）在四路組相聯(lián)映射方式下，主存字塊標(biāo)記為21-7-5=9位主存地址格式為：主存字塊標(biāo)記（9位）組地址（7位）字塊內(nèi)地址（5位）在全相聯(lián)映射方式下，主存字塊標(biāo)記為21-5=16位，主存地址格式為：主存字塊標(biāo)記（16位）字塊內(nèi)地址（5位）29. 假設(shè)CPU執(zhí)行某段程序時共訪問Cache命中4800次，訪問主存200次，已知Cache的存取周期為30ns，主存的存取周期為150ns，求Cache的命中率以及Cache-主存系統(tǒng)的平均訪問時間和效率，試問該系統(tǒng)的性能提高了多少倍？解：Cache被訪問命中率為：4800/（4800+200）=24/25=96%則Cache-主存系統(tǒng)的平均訪問時間

54、為：t=0.96*30ns+（1-0.96）*150ns=34.8nsaCache-主存系統(tǒng)的訪問效率為：e=t/t*100%=30/34.8*100%=86.2%ca性能為原來的150ns/34.8ns=4.31倍，即提高了3.31倍。30. 一個組相連映射的CACHE由64塊組成，每組內(nèi)包含4塊。主存包含4096塊，每塊由128字組成，訪存地址為字地址。試問主存和高速存儲器的地址各為幾位？畫出主存地址格式。解：cache組數(shù)：64/4=16，Cache容量為：64*128=213字，cache地址13位主存共分4096/16=256區(qū)，每區(qū)16塊主存容量為：4096*128=219字，主存

55、地址19位，地址格式如下：主存字塊標(biāo)記（8位）組地址（4位）字塊內(nèi)地址（7位）31. 設(shè)主存容量為1MB，采用直接映射方式的Cache容量為16KB，塊長為4,每字32位。試問主存地址為ABCDEH的存儲單元在Cache中的什么位置？解：主存和Cache按字節(jié)編址，Cache容量16KB=2i4B,地址共格式為14位，分為16KB/（4*32/8B）=2i。塊，每塊4*32/8=16B=24B，Cache地址格式為：Cache字塊地址（10位）字塊內(nèi)地址（4位）主存容量1MB=22°B,地址共格式為20位，分為1MB/（4*32/8B）=216塊，每塊24B，采用直接映射方式，主存字塊標(biāo)記為20-14=6位，主存地址格式為：主存字塊標(biāo)記（6位）Cache字塊地址（10位）字塊內(nèi)地址（4位）主存地址為ABCDEH=10101011110011011110B主存字塊標(biāo)記為101010，Cache字塊地址為1111001101，字塊內(nèi)地址為1110，故該主存單元應(yīng)映射到Cache的101010塊的第1110字