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文檔簡介
2022年東南大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)《計(jì)算機(jī)組成原理》科目期末
試卷B(有答案)
一、選擇題
1、某計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)由Cache一主存系統(tǒng)構(gòu)成,Cache的存取周期為10ms,主存的
存取周期為50ms。在CPU執(zhí)行一段程序時(shí),Cache完成存取的次數(shù)為4800次,主存
完成的存取次數(shù)為200次,該Cache一主存系統(tǒng)的效率是()。
【注:計(jì)算機(jī)存取時(shí),同時(shí)訪問Cache和主存,Cache訪問命中,則主存訪問失效;
Cache訪問未命中,則等待主存訪問】
A.0.833B.0.856C.0.958D.0.862
2,下列關(guān)于頁式虛擬存儲(chǔ)器的論述,正確的是()。
A.根據(jù)程序的模塊性,確定頁面大小
B.可以將程序放置在頁面內(nèi)的任意位置
C.可以從邏輯上極大地?cái)U(kuò)充內(nèi)存容量,并且使內(nèi)存分配方便、利用率高
D.將正在運(yùn)行的程序全部裝入內(nèi)存
3、在原碼兩位乘中,符號位單獨(dú)處理,參加操作的數(shù)是()。
A.原碼B.絕對值的補(bǔ)碼C.補(bǔ)碼D.絕對值
4、下列關(guān)于各種移位的說法中正確的是()。
I.假設(shè)機(jī)器數(shù)采用反碼表示,當(dāng)機(jī)器數(shù)為負(fù)時(shí),左移時(shí)最高數(shù)位丟0,結(jié)果出錯(cuò);右移時(shí)
最低數(shù)位丟0,影響精度
n在算術(shù)移位的情況下,補(bǔ)碼左移的前提條件是其原最高有效位與原符號位要相同
ni.在算術(shù)移位的情況下,雙符號位的移位操作中只有低符號位需要參加移位操作()
A.m、nB.只有nc.只有mD.全錯(cuò)
5、假定有4個(gè)整數(shù)用8位補(bǔ)碼分別表示:rl=FEH,r2=F2H,r3=90H,r4=F8H,若將
運(yùn)算結(jié)果存放在一個(gè)8位寄存器中,則下列運(yùn)算會(huì)發(fā)生溢出的是()。
A.rlxr4B.r2xr3C.rlxr4D.r2xr4
6、總線的通信控制主要解決()問題。
A.由哪個(gè)主設(shè)備占用總線
B.通信雙方如何獲知傳輸開始和結(jié)束
C.通信過程中雙方如何協(xié)調(diào)配合
D.B和C
7、在()結(jié)構(gòu)中,外部設(shè)備可以和主存儲(chǔ)器單元統(tǒng)一編址。
A.單總線B.雙總線C.三總線D.以上都可以
8、下列描述中,正確的是()。
A.控制器能理解、解釋并執(zhí)行所有指令以及存儲(chǔ)結(jié)果
B.所有數(shù)據(jù)運(yùn)算都在CPU的控制器中完成
C.ALU可存放運(yùn)算結(jié)果
D.輸入、輸出裝置以及外界的輔助存儲(chǔ)器稱為外部設(shè)備
9、假定機(jī)器M的時(shí)鐘頻率為200MHz,程序P在機(jī)器M上的執(zhí)行時(shí)間為12s。對P優(yōu)
化時(shí),將其所有乘4指令都換成了一條左移兩位的指令,得到優(yōu)化后的程序P。若在M
上乘法指令的CPI為102,左移指令的CPI為z,P的執(zhí)行時(shí)間是P"執(zhí)行時(shí)間的1.2倍,
則P中的乘法指令條數(shù)為()。
A.200萬B.400萬C.800萬D.1600萬
10、為提高存儲(chǔ)器的存取效率,在安排磁盤上信息分布時(shí),通常是().
A.存滿一面,再存另一面
B.盡量將同一文件存放在一個(gè)扇區(qū)或相鄰崩區(qū)的各磁道上
C.盡量將同一文件存放在不同面的同一磁道上
D.上述方法均有效
11、禁止中斷的功能可以由()來完成。
A.中斷觸發(fā)器
B.中斷允許觸發(fā)器
C.中斷屏蔽觸發(fā)器
D.中斷禁止觸發(fā)器
12、關(guān)于微指令操作控制字段的編碼方法,下面敘述正確的是()。
A.直接編碼、字段間接編碼法和字段直接編碼法都不影響微指令的長度
B.一般情況下,直接編碼的微指令位數(shù)最多
C.一般情況下,字段間接編碼法的微指令位數(shù)最多
D.一般情況下,字段直接編碼法的微指令位數(shù)最多
13、單周期處理器中所有指令的指令周期為一個(gè)時(shí)鐘周期。下列關(guān)于單周期處理器的敘述
中,錯(cuò)誤的是()。
A.可以采用單總線結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通路
B.處理器時(shí)鐘頻率較低
C.在指令執(zhí)行過程中控制信號不變
D.每條指令的CPI為1
14、某計(jì)算機(jī)主存空間為4GB,字長為32位,按字節(jié)編址,采用32位定長指令字格式。
若指令按字邊界對齊存放,則程序計(jì)數(shù)器(PC)和指令寄存器(IR)的位數(shù)至少分別是
()。
A.30,30B.30,32C.32,30D.32,32
15、下列尋址方式中,最適合按下標(biāo)順序訪問一維數(shù)組的是()。
A.相對尋址B.寄存器尋址C.直接尋址D.變址尋址
二、填空題
16、計(jì)算機(jī)軟件一般分為兩大類:一類叫_____,另一類叫操作系統(tǒng)屬于類。
17、總線仲裁部件通過采用策略或策略,選擇其中一個(gè)主設(shè)備作為總線
的下次,接管總線控制權(quán)。
18、雙端口存儲(chǔ)器和多模塊交叉存儲(chǔ)器屬于存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)。前者采用技術(shù),
后者采用技術(shù)。
19、廣泛使用的和都是半導(dǎo)體隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器,它們共同的缺點(diǎn)是
20、通道是一個(gè)特殊功能的,它有自己的專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)輸入輸出的傳輸控制。
21、從操作數(shù)的物理位置來說,可將指令歸結(jié)為三種類型:存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器型,
22、不同機(jī)器有不同的,RISC指令系統(tǒng)是指令系統(tǒng)的改進(jìn)。
23、主存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)主要是存儲(chǔ)容量、存取時(shí)間、和
24、堆棧是一種特殊的尋址方式,它采用原理。按構(gòu)造不同,分為寄存器
堆棧和堆棧。
25、中斷處理過程可以嵌套進(jìn)行,的設(shè)備可以中斷的中斷服務(wù)程序。
三、名詞解釋題
26、檢錯(cuò)碼:
27、總線協(xié)議:
28、雙重分組跳躍進(jìn)位:
29、指令格式:
四、簡答題
30、請說明SRAM的組成結(jié)構(gòu),與SRAM相比,DRAM在電路組成上有什么不同之處?
31、簡述計(jì)算機(jī)控制器的功能和執(zhí)行一條指令所需的步驟。
32、主存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)有哪些?含義是什么?
33、中斷處理過程包括哪些操作步驟?
五、計(jì)算題
34、設(shè)存儲(chǔ)字長和指令字長均為24位,若指令系統(tǒng)可完成108種操作,且具有直
接、一一次間接尋址、多次間接尋址、變址、基址、相對和立即這7種尋址方式,
則可在保證最大范圍內(nèi)直接尋址的前提下,指令字中操作碼占幾位?尋址特征位占
幾位?可直接尋址的范圍是多少?一次間接尋址的范圍是多少?多次間接尋址的范
圍又是多少?
35、設(shè)有一個(gè)64Kx8位的RAM芯片,試問該芯片共有多少個(gè)基本單元電路(簡稱
存儲(chǔ)基元)?欲設(shè)計(jì)一種具有上述同樣多存儲(chǔ)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。
36、某計(jì)算機(jī)的主存地址位數(shù)為32位,按字節(jié)編址。假定數(shù)據(jù)Cache中最多存放
128個(gè)主存塊,采用4路組相聯(lián)方式,塊大小為64B,每塊設(shè)置了I位有效位。采用
一次性寫回策略,為此每塊設(shè)置了1位"臟位"。要求:
1)分別指出主存地址中標(biāo)記(Tag)、組號(Index)和塊內(nèi)地址(Offset)3部
分的位置和位數(shù)。
2)計(jì)算該數(shù)據(jù)Cache的總位數(shù)。
六、綜合題
37、現(xiàn)有4級流水線,分別完成取指、指令譯碼并取數(shù)、運(yùn)算、回寫4步操作,假
設(shè)完成各部操作的時(shí)間依次為100ns,100ns,80ns,50ns。試問:
1)流水線的操作周期應(yīng)設(shè)計(jì)為多少?
2)試給出相鄰兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)的例子(假設(shè)在硬件上不采取措施),試分
析第2條指令要推遲多少時(shí)間進(jìn)行才不會(huì)出錯(cuò)?
3)如果在硬件設(shè)計(jì)上加以改進(jìn),至少需要推遲多少時(shí)間?
38、某計(jì)算機(jī)的主存地址空間大小為256MB,按字節(jié)編址。指令Cache和數(shù)據(jù)
Cache分離,均有8個(gè)Cache行,每個(gè)Cache行大小為64B,數(shù)據(jù)Cache采用直接
映射方式。現(xiàn)有兩個(gè)功能相同的程序A和B,其偽代碼如下所示:
程序A:程序B:
inta[256][256];inta[256][256];
假…
定
intsumarray)()inisumarray2()
{
inti,j,sum=0:inti,j,sum=0;
fdr(i=0:i<256;i++)for0=O;j<256;*)
for(j=0;j<256;j-H)for(i=0:i<256;i++)
sum+=a[i][j]:sum+=a[i][J]i
returnsum;returnsum;
int類型數(shù)據(jù)用32位補(bǔ)碼表示,程序編譯時(shí),i、j、sum均分配在寄存器中,數(shù)組a
按行優(yōu)先方式存放,其首地址為320(+進(jìn)制)。請回答下列問題,要求說明理由
或給出計(jì)算過程。
1)若不考慮用于Cache一致性維護(hù)和替換算法的控制位,則數(shù)據(jù)Cache的總?cè)萘?/p>
為多少?
2)數(shù)組元素a[0][31]和a[l]5各自所在的主存塊對應(yīng)的Cache行號分別是多少
(Cache行號從0開始)?
3)程序A和B的數(shù)據(jù)訪問命中率各是多少?哪個(gè)程序的執(zhí)行時(shí)間更短?
39、某計(jì)算機(jī)采用16位定長指令字格式,其CPU中有一個(gè)標(biāo)志寄存器,其中包
含進(jìn)位/借位標(biāo)志CF、零標(biāo)志ZF和符號標(biāo)志NF。假定為該機(jī)設(shè)計(jì)了條件轉(zhuǎn)移指
令,其格式如圖所示。
1511109870
00000CZNOFFSET
其中,00000為操作碼OP;C、Z和N分別為CF、ZF和NF的對應(yīng)檢測位,某檢測
位為I時(shí)表示需檢測對應(yīng)標(biāo)志,需檢測的標(biāo)志位中只要有一個(gè)為1就轉(zhuǎn)移,否則不轉(zhuǎn)
移,例如,若C=l,Z=0,N=l,則需檢測CF和NF的值,當(dāng)CF=I或NF=1時(shí)發(fā)生
轉(zhuǎn)移;OFFSET是相對偏移量,用補(bǔ)碼表示。轉(zhuǎn)移執(zhí)行時(shí),轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址為(PC)
+2+2xOFFSET;順序執(zhí)行時(shí),下條指令地址為(PC)+2。請回答下列問題。
1)該計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器按字節(jié)編址還是按字編址?該條件轉(zhuǎn)移指令向后(反向)最多
可跳轉(zhuǎn)多少條指令?
2)某條件轉(zhuǎn)移指令的地址為200CH,指令內(nèi)容如圖所示,若該指令執(zhí)行時(shí)CF=O,
ZF=O,NF=1,則該指令執(zhí)行后PC的值是多少?若該指令執(zhí)行時(shí)CF=1,ZF=O,
NF=O,則該指令執(zhí)行后PC的值又是多少?請給出計(jì)算過程。
15II109870
0000001111100011
3)實(shí)現(xiàn)"無符號數(shù)比較小于等于時(shí)轉(zhuǎn)移”功能的指令中,C、Z和N應(yīng)各是什么?
4)下圖是該指令對應(yīng)的數(shù)據(jù)通路示意圖,要求給出圖中部件①?③的名稱或功能
說明
參考答案
一、選擇題
1,D
2、C
3、B
4、D
5、B
6、D
7、A
8,D
9、B
10、C
11、B
12>B
13、A
14、B
15、D
二、填空題
16、系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件
17、優(yōu)先級公平主方
18、并行空間并行時(shí)間并行
19、SRAMDRAM斷電后不能保存信息
20、處理器指令和程序
21、寄存器一寄存器型寄存器一存儲(chǔ)器型
22、指令系統(tǒng)CISC
23、存儲(chǔ)周期存儲(chǔ)器帶寬
24、數(shù)據(jù)先進(jìn)后出存儲(chǔ)器
25、優(yōu)先級高優(yōu)先級低
三、名詞解釋題
26、檢錯(cuò)碼:
能夠發(fā)現(xiàn)某些錯(cuò)誤或具有自動(dòng)糾錯(cuò)能力的數(shù)據(jù)編碼。
27、總線協(xié)議:
總線通信同步方式規(guī)則,規(guī)定實(shí)現(xiàn)總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩〞r(shí)規(guī)則。
28、雙重分組跳躍進(jìn)位:
n位全加器分成若干大組,大組內(nèi)又分成若干小組,大組中小組的最高進(jìn)位同時(shí)產(chǎn)生,大
組與大組間的進(jìn)位串行傳送。
29、指令格式:
指定指令字段的個(gè)數(shù),字段編碼的位數(shù)和編碼的方式.
四、簡答題
30、答:SRAM存儲(chǔ)器由存儲(chǔ)體、讀寫電路、地址譯碼電路、控制電路組成,DRAM還
需要有動(dòng)態(tài)刷新電路。
31、解析:控制器部件是計(jì)算機(jī)的五i大功能部件之一,其作用是向整機(jī)的每個(gè)部
件(包括控制器部件木身)提供協(xié)同運(yùn)行所需要的控制信號。計(jì)算機(jī)最本質(zhì)的功能
是連續(xù)執(zhí)行指令,而每一條指令往往又要分成幾個(gè)執(zhí)行步驟才得以完成。因此又可
以說,計(jì)算機(jī)控制器的基本功能是依據(jù)當(dāng)前正在執(zhí)行的指令和它所處的執(zhí)行步驟,
形成(或稱得到)并提供出在這一時(shí),刻整機(jī)各部件要用到的控制信號。執(zhí)行一條
指令,要經(jīng)過讀取指令、分析指令、執(zhí)行指令3個(gè)階段,控制器還要保證能按程序
中設(shè)定的指令運(yùn)行次序,自動(dòng)地連續(xù)執(zhí)行指令序列。
32、答:存儲(chǔ)器的性能指標(biāo)主要是存儲(chǔ)容量,存儲(chǔ)時(shí)間、存儲(chǔ)周期和存儲(chǔ)器帶寬。在一個(gè)
存儲(chǔ)器中可以容納的存儲(chǔ)單元總數(shù)通常稱為該存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量。
存取時(shí)間又稱存儲(chǔ)訪問時(shí)間,是指從啟動(dòng)一次存儲(chǔ)器操作到完成該操作所經(jīng)歷的時(shí)間。存
儲(chǔ)周期是指連續(xù)兩次獨(dú)立的存儲(chǔ)器操作(如連續(xù)兩次讀操作)所需間隔的最小時(shí)間。
存儲(chǔ)器帶寬是指存儲(chǔ)器在單位時(shí)間中的數(shù)據(jù)傳輸速率
33、答:中斷處理過程如下:
⑴設(shè)備提出中斷請求;
⑵當(dāng)一條指令執(zhí)行結(jié)束時(shí)CPU響應(yīng)中斷
(3)CPU設(shè)置"中斷屏蔽"標(biāo)志,不再響應(yīng)其它中斷請求
⑷保存程序斷點(diǎn)(PC)
⑸硬件識(shí)別中斷源(移到中斷服務(wù)子程序入口地,址)
⑹用軟件方法保存CPU現(xiàn)場
⑺為設(shè)備服務(wù)
⑻恢復(fù)CPU現(xiàn)場
⑼"中斷屏蔽"標(biāo)志復(fù)位,以便接收其它設(shè)備中斷請求
⑩返回主程序
五、計(jì)算題
34、解析:
1)由于此指令系統(tǒng)可完成108種操作,因此指令字中的操作碼占7位(27=128)。
2)由于指令系統(tǒng)中有7種尋址方式,因此尋址特征位占3位。
3)由于地址碼的位數(shù)為24-7-3=14位,因此直接尋址的范圍為214。
4)由于存儲(chǔ)字長為24位,因此一次間接尋址的范圍為224。
5)由于多次間接尋址需要使用一位來標(biāo)志是否間接尋址完畢,因此只有23位用做
尋址,尋址范圍為223。
35、解析:存儲(chǔ)基元總數(shù)=64Kx8位=512K位=219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(chǔ)元安排在字向,因
為地址位數(shù)和字?jǐn)?shù)成2的塞的關(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=219;b=2i%a。
若a=19,b=l,總和=19+1=20;
若a=18,b=2,總和=18+2=20;
若a=17,b=4,總和=17+4=21;
若a=16,b=8,總和=16+8=24;
由上可看出,片字?jǐn)?shù)越少,片字長越長,引腳數(shù)越多。片字?jǐn)?shù)、片位數(shù)均按
2的幕變化。
通過證明也是能得出結(jié)論的,我們要最小化a+b=a+219-4。
令F(a)=a+b=a+2】+4,對a求導(dǎo)后,得到1-In2xax29。
在14a4l8時(shí),F(xiàn)是單調(diào)遞減函數(shù),所以在這個(gè)區(qū)間最小值為F(18)=20,
剩下F(19)=20。
所以得出結(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;地址線=18根,數(shù)據(jù)線=2根。
36、解析:主存地址由標(biāo)記(Tag)、組號(Index)和塊內(nèi)地址(Offset)3部
分組成,標(biāo)記字段在前,組號字段居中,塊內(nèi)地址字段在后。
1)因?yàn)閴K大小為64B,所以塊內(nèi)地址字段為6位:因?yàn)镃ache中有128個(gè)主
存塊,采用4路組相聯(lián),Cache分為32組(128/4-32),所以組號字段為5位;標(biāo)
記字段為剩余位,32-5-6=21位。
2)數(shù)據(jù)Cache的總位數(shù)應(yīng)包括標(biāo)記項(xiàng)的總位數(shù)和數(shù)據(jù)塊的位數(shù)。每個(gè)Cache
塊對應(yīng)一個(gè)標(biāo)記項(xiàng),標(biāo)記項(xiàng)中應(yīng)包括標(biāo)記字段、有效位和"臟位"(僅適用于寫回
法)。因止匕,標(biāo)記項(xiàng)的總位數(shù)=128x(21+1+1)=128x23=2944位。又由于數(shù)
據(jù)塊位數(shù)=128x64x8=65536位,因此數(shù)據(jù)Cache的總位數(shù)
=2944+65536=68480位。
六、綜合題
37、解析:
1)流水線操作的時(shí)鐘周期T應(yīng)按4步操作中所需時(shí)問最長的一個(gè)步驟來考慮,所以
T=100ns.
2)兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)沖突的例子如下:
ADDRI,R2,R3(R2)+(R3)-R1
(將寄存器R2和R3的內(nèi)容相加存儲(chǔ)到寄存器RI)
SUBR4,RI,R5(RI)-(R5)-R4
(將寄存器RI的內(nèi)容減去寄存器R5的內(nèi)容,并將相減的結(jié)果存儲(chǔ)到寄存器R4)
分析如下:首先這兩條指令發(fā)生寫后讀(RAW)相關(guān)。兩條指令在流水線中的執(zhí)
行情況見表。
時(shí)仲
指令三、1234567
ADD取指指令詳碼沖取數(shù)運(yùn)*引可
SUB取拈指令評碼升取數(shù)運(yùn)算寫一
ADD指令在時(shí)鐘4時(shí)將結(jié)果寫入寄存器堆(R1),但SUB指令在時(shí)鐘3時(shí)讀寄存器
堆
(RI)o本來ADD指令應(yīng)先寫入RLSUB指令后讀R1,結(jié)果變成SUB指令先
讀R1.ADD指令后寫R1,因而發(fā)生數(shù)據(jù)沖突。如果硬件上不采取措施,則第2條
指令SUB至少應(yīng)該推遲兩個(gè)時(shí)鐘周期(2x100ns),即SUB指令中的指令譯碼
并取數(shù)周期應(yīng)該在ADD指令的寫回周期之后才能保證不會(huì)出錯(cuò),見表。
時(shí)鐘
12y4567
ADD取指指令令碼井井?dāng)?shù)n同
SUB取指指令譯碼川僅數(shù)運(yùn)儀、和1
3)如果硬件上加以改進(jìn),則只延遲一個(gè)時(shí)鐘周期即可(100ns)。因?yàn)樵贏DD指
令中,運(yùn)算周期就已經(jīng)將結(jié)果得到了,可以通過數(shù)據(jù)旁路技術(shù)在運(yùn)算結(jié)果得到的時(shí)
候?qū)⒔Y(jié)果快速地送入寄存器RL而不需要等到寫回周期完成,見表。
1234567
指
運(yùn)駕(井采川數(shù)據(jù)旁路
ADD取指指令譯碼井井?dāng)?shù)寫回
技術(shù)丐人寄〃需RI)
SUB收指折令許和并取效運(yùn)尊‘?;?/p>
38、解析:1)Cache結(jié)構(gòu)如下。
V???TagData
此處的行即為塊(Block)?直接映射下,每塊的Cache結(jié)構(gòu)一般分為4個(gè)部
分,其中,V:1位,表示所在的塊是否有效。
...:表示用于Cache一致性維護(hù)和替換算法的控制位。
TAG:地址轉(zhuǎn)換標(biāo)記。
如果不計(jì)算"…"部分,貝UCache的大小由V、Tag和Data(數(shù)據(jù))3部分組
成。在直接映射中,可以將地址分為如下3個(gè)部分:
Tag快索引塊內(nèi)
本題中,總的尋址位數(shù)為28位(228=256M):塊內(nèi)位為6位(25-64),
5~0位;塊索引為3位(23=8),8~6位。因此,Tag=28-6-3=19位,即27?9
位。
每行(塊)的大小=V+Tag+數(shù)據(jù)=1+19+64x8位。
數(shù)據(jù)Cache有8行,總?cè)萘繛?1+19+64x8)x8/8=532B。
2)由于數(shù)組在存儲(chǔ)器中按行優(yōu)先方式存放,因此每個(gè)數(shù)組元素占4B。數(shù)組
首地址為320,因此可知:
a[0][31]在存儲(chǔ)器中的地址為320+31x4=444=000110111100B
a皿1]在存儲(chǔ)器中的地址為320+(256+1)x4=1348=01存01000100B按
直接映射方式,地址分為3部分,塊索引在地址的8~6位,因此兩地址所對應(yīng)的塊
索引分別為6(110B)>5(101B)o
3
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