計算機組成原理期末試題及答案

1、第一章 計算機系統(tǒng)概論 計算機的硬件是由有形的電子器件等構(gòu)成的，它包括運算器、存儲器、控制器、適配器、輸入輸出設(shè)備。早起將運算器和控制器合在一起稱為CPU（中央處理器）。目前的CPU包含了存儲器，因此稱為中央處理器。存儲程序并按地址順序執(zhí)行，這是馮·諾依曼型計算機的工作原理，也是CPU自動工作的關(guān)鍵。 計算機系統(tǒng)是一個有硬件、軟件組成的多級層次結(jié)構(gòu)，它通常由微程序級、一般程序級、操作系統(tǒng)級、匯編語言級、高級語言級組成，每一級上都能進行程序設(shè)計，且得到下面各級的支持。習(xí)題：4 馮·諾依曼型計算機的主要設(shè)計思想是什么？它包括那些主要組成部分？主要設(shè)計思想是：存儲程序通用電子計算

2、機方案，主要組成部分有：運算器、邏輯控制裝置、存儲器、輸入和輸出設(shè)備5 什么是存儲容量？什么是單元地址？什么是數(shù)據(jù)字？什么是指令字？存儲器所有存儲單元的總數(shù)稱為存儲器的存儲容量。每個存儲單元都有編號，稱為單元地址。如果某字代表要處理的數(shù)據(jù)，稱為數(shù)據(jù)字。如果某字為一條指令，稱為指令字7 指令和數(shù)據(jù)均存放在內(nèi)存中，計算機如何區(qū)分它們是指令還是數(shù)據(jù)？每一個基本操作稱為一條指令，而解算某一問題的一串指令序列，稱為程序第二章 運算方法和運算器 按IEEE754標(biāo)準(zhǔn)，一個浮點數(shù)由符號位S、階碼E、尾數(shù)M三個域組成。其中階碼E的值等于指數(shù)的真值e加上一個固定偏移值。數(shù)的真值變成機器碼時有四種表示方法：原碼表

3、示法，反碼表示法，補碼表示法，移碼表示法。其中移碼主要用于表示定點數(shù)的階碼E，以利于比較兩個指數(shù)的大小和對階操作。直接使用西文標(biāo)準(zhǔn)鍵盤輸入漢字，進行處理，并顯示打印漢字，是一項重大成就。為此要解決漢字的輸入編碼、漢字內(nèi)碼、子模碼等三種不同用途的編碼。1第三章 內(nèi)部存儲器 對存儲器的要求是容量大、速度快、成本低。為了解決這三方面的矛盾，計算機采用多級存儲體系結(jié)構(gòu)，即cache、主存和外存。CPU能直接訪問內(nèi)存（cache、主存），但不能直接訪問外存。存儲器的技術(shù)指標(biāo)有存儲容量、存取時間、存儲周期、存儲器帶寬。 雙端口存儲器和多模塊交叉存儲器屬于并行存儲器結(jié)構(gòu)。前者采用空間并行技術(shù)，后者采用時間并

4、行技術(shù)。這兩種類型的存儲器在科研和工程中大量使用。 cache是一種高速緩沖存儲器，是為了解決CPU和主存之間速度不匹配而采用的一項重要的硬件技術(shù)，并且發(fā)展為多級cache體系，指令cache與數(shù)據(jù)cache分設(shè)體系。要求cache的命中率接近于1。主存與cache的地址映射有全相聯(lián)、直接、組相聯(lián)三種方式。其中組相聯(lián)方式是前二者折衷方案，適度地兼顧了二者的優(yōu)點又盡量避免其缺點，從靈活性、命中率、硬件投資來說較為理想，因而得到了普遍采用。習(xí)題： 1設(shè)有一個具有20位地址和32位字長的存儲器，問： （1）該存儲器能存儲多少個字節(jié)的信息？（2）如果存儲器由512K×8位SRAM芯片組成，需

5、要多少片； （3）需要多少位地址做芯片選擇？(1) (2) (3)1位地址作芯片選擇2 已知某64位機主存采用半導(dǎo)體存儲器，其地址碼為26位，若使用4M×8位DRAM芯片組成該機所允許的最大主存空間，并選用內(nèi)存條結(jié)構(gòu)形式，問： （1） 若每個內(nèi)存條16M×64位，共需幾個內(nèi)存條？（2）每個內(nèi)存條共有多少DRAM芯片？ （3）主存共需多少DRAM芯片？CPU如何選擇各內(nèi)存條？(1).共需模塊板數(shù)為m：m=÷224=4(塊)(2). 每個模塊板內(nèi)有DRAM芯片數(shù)為32 (片)(3) 主存共需DRAM芯片為：4*32=128 (片)每個模塊板有32片DRAM芯片，容量為

6、16M×64位，需24根地址線(A23A0)完成模塊板內(nèi)存儲單元尋址。一共有4塊模塊板，采用2根高位地址線，通過2：4譯碼器譯碼產(chǎn)生片選信號對各模塊板進行選擇。3用16K×8位的DRAM芯片構(gòu)成64K×32位存儲器，要求： （1） 畫出該存儲器的組成邏輯圖。2：4譯碼器A14A15CS3CS2CS0CS1D0D7A13A0（2） 設(shè)存儲器讀/寫周期為0.5us，CPU在1us內(nèi)至少要訪問一次。試問采用哪種刷新方式比較合理？兩次刷新的最大時間間隔是多少？對全部存儲單元刷新一遍所需的實際刷新時間是多少？(1)根據(jù)題意，存儲總?cè)萘繛?4KB，故地址總線需16位?，F(xiàn)使用1

7、6K*8位DRAM芯片，共需16片。芯片本身地址線占14位，所以采用位并聯(lián)與地址串聯(lián)相結(jié)合的方法來組成整個存儲器，其組成邏輯圖如圖所示，其中使用一片2：4譯碼器。(2)根據(jù)已知條件，CPU在1us內(nèi)至少訪存一次，而整個存儲器的平均讀/寫周期為0.5us，如果采用集中刷新，有64us的死時間，肯定不行,如果采用分散刷新，則每1us只能訪存一次，也不行,所以采用異步式刷新方式。假定16K*1位的DRAM芯片用128*128矩陣存儲元構(gòu)成，刷新時只對128行進行異步方式刷新，則刷新間隔為2ms/128 = 15.6us可取刷新信號周期15us。刷新一遍時間15us×1281.92ms6用3

8、2K×8位的E2 PROM芯片組成128K×32位的只讀存儲器，試問： （1）數(shù)據(jù)寄存器多少位？（2）地址寄存器多少位？ （3）共需多少個E2 PROM芯片？ （4）畫出磁存儲器組成框圖。 答（1）系統(tǒng)16位數(shù)據(jù)，所以數(shù)據(jù)寄存器16位（2）系統(tǒng)地址128K217，所以地址寄存器17位 (3)共需要8片 組成框圖如下CPU地址寄存器數(shù)據(jù)寄存器32K*832K*832K*832K*832K*832K*832K*832K*8CS3CS2CS1CS02:4譯碼器CS0CS3A16A15一個組相聯(lián)cache由64個行組成，每組4行。主存儲器包含4K個塊，每塊128個字。請表示內(nèi)存地址

9、的格式。64行.4行一組,共64÷4=16組,主存儲器有4k個快,每塊128字,212第五章 中央處理器 CPU是計算機的中央處理部件，具有指令控制、操作控制、時間控制、數(shù)據(jù)加工等基本功能。早期的CPU由運算器和控制器兩大部分組成。隨著高密度集成電路技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)今的CPU芯片變成運算器、cache和控制器三大部分，其中還包括浮點數(shù)運算器、存儲管理部件等。CPU中至少要有如下六類寄存器：指令寄存器、地址寄存器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器、通用寄存器、狀態(tài)條件寄存器。 微程序設(shè)計技術(shù)是利用軟件方法設(shè)計操作控制器的一門技術(shù)，具有規(guī)整性、靈活性、可維護性等一系列優(yōu)點，因而在計算機設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用

10、。但是隨著ULSI技術(shù)的發(fā)展和對機器速度的要求，硬連線邏輯設(shè)計思想又得到了重視。硬連線控制器的基本思想是：某一微操作信號是指令操作碼譯碼輸出、時序信號和狀態(tài)條件信號的邏輯函數(shù)，即用布爾代數(shù)寫出邏輯表達式，然后用門電路、觸發(fā)器等器件實現(xiàn)。 不論微型機還是超級計算機，并行處理技術(shù)。并行處理技術(shù)可貫穿于信息加工的各個步驟和階段。概括起來，主要有三種形式：時間并行；空間并行；時間并行+空間并行。    流水CPU是以時間并行性為原理構(gòu)造的處理機，是一種非常經(jīng)濟而實用的并行技術(shù)。目前的高性能微處理機幾乎無一例外地使用了流水技術(shù)。流水技術(shù)中的主要問題是資源相關(guān)、數(shù)據(jù)相關(guān)和控制

11、相關(guān)，為此需要采取相應(yīng)的技術(shù)對策，才能保證流水線暢通而不斷流。習(xí)題：8某機有8條微指令I(lǐng)1I8，每條微指令所包含的微命令控制信號如下表所示。a-j分別對應(yīng)10種不同性質(zhì)的微命令信號。假設(shè)一條微指令的控制字段僅限為8位，請安排微指令的控制字段指令。經(jīng)分析，（d, i, j）和（e, f, h）可分別組成兩個小組或兩個字段，然后進行譯碼，可得六個微命令信號，剩下的a, b, c, g四個微命令信號可進行直接控制，其整個控制字段組成如下：11 已知某機采用微程序控制方式，控存容量為512×48位。微程序可在整個程序控存中實現(xiàn)轉(zhuǎn)移，控制微程序轉(zhuǎn)移的條件共4個，微指令采用水平型格式，后繼微指令

12、地址采用斷定方式。請問：（1）微指令的三個字段分別應(yīng)為多少位？（2）畫出對應(yīng)這種指令格式的微程序控制器邏輯圖(1)假設(shè)判別測試字段中每一位作為一個判別標(biāo)志，那么由于有4個轉(zhuǎn)移條件，故該字段為4位。下地址字段為9位，因為控存容量為512單元。微命令字段則是（48-4-9）=35位。 (2)對應(yīng)上述微指令格式的微程序控制器邏輯框圖如圖所示。其中微地址寄存器對應(yīng)下地址字，P字段即為判別測試字段，控制字段即為微命令字段，后兩部分組成微指令寄存器。地址轉(zhuǎn)移邏輯的輸入是指令寄存器的OP碼、各種狀態(tài)條件以及判別測試字段所給的判別標(biāo)志（某一位為1），其輸出修改微地址寄存器的適當(dāng)位數(shù)，從而實現(xiàn)微程序的分支轉(zhuǎn)移。

13、就是說，此處微指令的后繼地址采用斷定方式。 12 今有4級流水線，分別完成取指、指令譯碼并取數(shù)、運算、送結(jié)果四步操作。今假設(shè)完成各步操作的時間依次為100ns,100ns,80ns,50ns。請問： （1）流水線的操作周期應(yīng)設(shè)計為多少？（2）若相鄰兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)，硬件上不采取措施，那么第二條指令要推遲多少時間進行？（3）如果在硬件設(shè)計上加以改進，至少需要推遲多少時間？(1)流水線的操作周期應(yīng)按各步操作的最大時間來考慮，即流水線時鐘周期性(2)遇到數(shù)據(jù)相關(guān)時，就停頓第2條指令的執(zhí)行，直到前面指令的結(jié)果已經(jīng)產(chǎn)生，因此至少需要延遲2個時鐘周期。 (3)如果在硬件設(shè)計上加以改進，如采用專用通路技

14、術(shù)，就可使流水線不發(fā)生停頓。第六章 總線系統(tǒng) 總線仲裁是總線系統(tǒng)的核心問題之一。為了解決多個主設(shè)備同時競爭總線控制權(quán)的問題，必須具有總線仲裁部件。它通過采用優(yōu)先級策略或公平策略，選擇其中一個主設(shè)備作為總線的下一次主方，接管總線控制權(quán)。按照總線仲裁電路的位置不同:（1）集中式仲裁:仲裁方式必有一個中央仲裁器，它受理所有功能模塊的總線請求，按優(yōu)先原則或公平原則。（2）分布式仲裁：分布式仲裁不需要中央仲裁器，每個功能模塊都有自己的仲裁號和仲裁器?？偩€定時是總線系統(tǒng)的又一核心問題之一。為了同步主方、從方的操作，必須制訂定時協(xié)議，通常采用同步定時與異步定時兩種方式。在同步定時協(xié)議中，事件出現(xiàn)在總線上的時

15、刻由總線時鐘信號來確定，總線周期的長度是固定的。在異步定時協(xié)議中，后一事件出現(xiàn)在總線上的時刻取決于前一事件的出現(xiàn)，即建立在應(yīng)答式或互鎖機制基礎(chǔ)上，不需要統(tǒng)一的公共時鐘信號。在異步定時中，總線周期的長度是可變的。第七章： 外圍設(shè)備外圍設(shè)備大體分為輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、外存設(shè)備、數(shù)據(jù)通信設(shè)備、過程控制設(shè)備五大類。每一種設(shè)備，都是在它自己的設(shè)備控制器控制下進行工作，而設(shè)備控制器則通過I/O接口模塊和主機相連，并受主機控制。硬磁盤按盤片結(jié)構(gòu)分為可換盤片式、固定盤片式兩種，磁頭也分為可移動磁頭和固定磁頭兩種。溫徹斯特磁盤是一種采用先進技術(shù)研制的可移動磁頭、固定盤片的磁盤機，組裝成一個不可拆卸的機電一體化整

16、體，防塵性能好，可靠性高，因而得到了廣泛的應(yīng)用，成為最有代表性的硬磁盤存儲器。磁盤存儲器的主要技術(shù)指標(biāo)有：存儲密度、存儲容量、平均存取時間、數(shù)據(jù)傳輸速率。不同的CRT顯示標(biāo)準(zhǔn)所支持的最大分辨率和顏色數(shù)目是不同的。VESA標(biāo)準(zhǔn)，是一個可擴展的標(biāo)準(zhǔn)，它除兼容傳統(tǒng)的VGA等顯示方式外，還支持1280×1024像素光柵，每像素點24位顏色深度，刷新頻率可達75MHz。顯示適配器作為CRT與CPU的接口，由刷新存儲器、顯示控制器、ROM BIOS三部分組成。先進的顯示控制器具有圖形加速能力。習(xí)題：6 某雙面磁盤，每面有220道，已知磁盤轉(zhuǎn)速r=4000轉(zhuǎn)/分，數(shù)據(jù)傳輸率為185000B/s，求

17、磁盤總?cè)萘俊? 某磁盤存儲器轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，共有4個記錄面，每道記錄信息12288B，最小磁道直徑為230mm，共有275道。問: (1)磁盤存儲器的存儲容量是多少？ （2）最高位密度與最低位密度是多少？（3）磁盤數(shù)據(jù)傳輸率是多少？ （ 4）平均等待時間是多少？ （5）給出一個磁盤地址格式方案。解：（1） 每道記錄信息容量 = 12288字節(jié)每個記錄面信息容量 = 275×12288字節(jié) 共有4個記錄面，所以磁盤存儲器總?cè)萘繛?：4 ×275×12288字節(jié) = 13516800字節(jié)（2） 最高位密度D1按最小磁道半徑R1計算（R1 = 115mm）：D1

18、= 12288字節(jié) / 2R1 = 17字節(jié) / mm最低位密度D2按最大磁道半徑R2計算：R2 = R1 + （275 ÷ 5） = 115 + 55 = 170mmD2 = 12288字節(jié) / 2R2 = 11.5 字節(jié) / mm（3） 磁盤傳輸率 C = r · N r = 3000 / 60 = 50 周 / 秒N = 12288字節(jié)（信道信息容量）C = r · N = 50 × 12288 = 614400字節(jié) / 秒（4）平均等待時間 = 1/2r = 1 / (2×50) = 10毫秒 （5）磁盤存貯器假定只有一臺，所以可不考慮臺號地址。有4個記錄面，每個記錄面有275個磁道。假定每個扇區(qū)記錄1024個字節(jié)，則需要12288 ÷1024字節(jié) = 12個扇區(qū)。由此可得如下地址格式：此地址格式表示有4臺磁盤，每臺有4個記錄面，每個記錄面最多可容納512