計算機(jī)組成原理習(xí)題參考答案

計算機(jī)組成原理習(xí)題參考答案

僅供參考，與考試無直接關(guān)聯(lián)

第一章計算機(jī)系統(tǒng)概論習(xí)題參考答案

1.比較數(shù)字計算機(jī)和模擬計算機(jī)的特點(diǎn)。

解：模擬計算機(jī)的特點(diǎn)：數(shù)值由連續(xù)量來表示，運(yùn)算過程是連續(xù)的；

數(shù)字計算機(jī)的特點(diǎn)：數(shù)值由數(shù)字量（離散量）來表示，運(yùn)算按位進(jìn)行。

兩者主要區(qū)別見P1表1.1。

2.數(shù)字計算機(jī)如何分類？分類的依據(jù)是什么？

解：分類：數(shù)字計算機(jī)分為專用計算機(jī)和通用計算機(jī)。通用計算機(jī)又分為巨型機(jī)、大型機(jī)、

中型機(jī)、小型機(jī)、微型機(jī)和單片機(jī)六類。

分類依據(jù)：專用和通用是根據(jù)計算機(jī)的效率、速度、價格、運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和適應(yīng)性來劃分的。

通用機(jī)的分類依據(jù)主要是體積、簡易性、功率損耗、性能指標(biāo)、數(shù)據(jù)存儲容量、

指令系統(tǒng)規(guī)模和機(jī)器價格等因素。

3.數(shù)字計算機(jī)有那些主要應(yīng)用？

（略）

4.馮.諾依曼型計算機(jī)的主要設(shè)計思想是什么？它包括哪些

主要組成部分？

解：馮.諾依曼型計算機(jī)的主要設(shè)計思想是：存儲程序和程序控制。

存儲程序：將解題的程序（指令序列）存放到存儲器中；

程序控制：控制器順序執(zhí)行存儲的程序，按指令功能控制全機(jī)協(xié)調(diào)地完成運(yùn)算任務(wù)。

主要組成部分有：控制器、運(yùn)算器、存儲器、輸入設(shè)備、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？

解：存儲容量：指存儲器可以容納的二進(jìn)制信息的數(shù)量，通常用單位KB、MB、GB來度量，存儲

容量越大，表示計算機(jī)所能存儲的信息量越多，反映了計算機(jī)存儲空間的大小。

單元地址：單元地址簡稱地址，在存儲器中每個存儲單元都有唯一的地址編號，稱為單元地

址。

數(shù)據(jù)字：若某計算機(jī)字是運(yùn)算操作的對象即代表要處理的數(shù)據(jù)，則稱數(shù)據(jù)字。

指令字：若某計算機(jī)字代表一條指令或指令的一部分，則稱指令字。

6.什么是指令？什么是程序？

解：指令：計算機(jī)所執(zhí)行的每一個基本的操作。

程序：解算某一問題的一串指令序列稱為該問題的計算程序，簡稱程序。

7.指令和數(shù)據(jù)均存放在內(nèi)存中，計算機(jī)如何區(qū)分它們是指

令還是數(shù)據(jù)？

解：一般來講，在取指周期中從存儲器讀出的信息即指令信息；而在執(zhí)行周期中從存儲器中讀出

的信息即為數(shù)據(jù)信息。

8.什么是內(nèi)存？什么是外存？什么是CPU?什么是適配

器？簡述其功能。

解：內(nèi)存：一般由半導(dǎo)體存儲器構(gòu)成，裝在底版上，可直接和CPU交換信息的存儲器稱為內(nèi)存儲

器，簡稱內(nèi)存。用來存放經(jīng)常使用的程序和數(shù)據(jù)。

外存：為了擴(kuò)大存儲容量，乂不使成木有很大的提高，在計算機(jī)中還配備了存儲容量更大的

磁盤存儲器和光盤存儲器，稱為外存儲器，簡稱外存。外存可存儲大量的信息，計算機(jī)需要使用

時，再調(diào)入內(nèi)存。

CPU：包括運(yùn)算器和控制器?；竟δ転椋褐噶羁刂?、操作控制、時間控制、數(shù)據(jù)加工。

適配器：連接主機(jī)和外設(shè)的部件，起一個轉(zhuǎn)換器的作用，以使主機(jī)和外設(shè)協(xié)調(diào)工作。

9.計算機(jī)的系統(tǒng)軟件包括哪幾類？說明它們的用途。

解：系統(tǒng)軟件包括：(1)服務(wù)程序：診斷、排錯等

(2)語言程序：匯編、編譯、解釋等

(3)操作系統(tǒng)

(4)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)

用途：用來簡化程序設(shè)計，簡化使用方法，提高計算機(jī)的使用效率，發(fā)揮和擴(kuò)大計算機(jī)的功

能

及用途。

10.說明軟件發(fā)展的演變過程。

(略)

11.現(xiàn)代計算機(jī)系統(tǒng)如何進(jìn)行多級劃分？這種分級觀點(diǎn)對計算機(jī)設(shè)計會產(chǎn)生什么影響？

解：多級劃分圖見P16圖1.6?？煞譃椋何⒊绦蛟O(shè)計級、一般機(jī)器級、操作系統(tǒng)級、匯編語言級

和

高級語言級。

用這種分級的觀點(diǎn)來設(shè)計計算機(jī)，對保證產(chǎn)生一個良好的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是有很大幫助的。

12.為什么軟件能夠轉(zhuǎn)化為硬件？硬件能夠轉(zhuǎn)化為軟件？實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)化的媒介是什么？

(略)

13.”計算機(jī)應(yīng)用"與”應(yīng)用計算機(jī)〃在概念上等價嗎？用學(xué)科角度和計算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)來壽

命你的觀點(diǎn)。

(略)

第二章運(yùn)算方法和運(yùn)算器習(xí)題參考答案

1.寫出下列各數(shù)的原碼、反碼、補(bǔ)碼、移碼表示(用8位二進(jìn)制數(shù))。其中MSB是最高位(又

是符號位)LSB是最低位。如果是小數(shù)，小數(shù)點(diǎn)在MSB之后；如果是整數(shù)，小數(shù)點(diǎn)在L$B之后。

(1)-35/64(2)23/128(3)-127(4)用小數(shù)表示T(5)用整數(shù)表示T

解：(1)先把十進(jìn)制數(shù)-35/64寫成二進(jìn)制小數(shù)：

(-35/64)10=(-100011/1000000)2=(-100011X26)2=(-0.100011)2

令x=-O.100011B

[x]原=1.1000110(注意位數(shù)為8位)[x]反=1.0111001

[x]補(bǔ)=1.0111010[x]移=0.0111010

(2)先把十進(jìn)制數(shù)23/128寫成二進(jìn)制小數(shù)：

(23/128)IO=(1O111/1OOOOOOO)2=(1O111X2-111)2=(O.0001011)2

令x=0.000101IB

[x]原=0.0001011[x]反=0.0001011

[x]補(bǔ)=0.0001011[x]移=1.0001011

⑶先把十進(jìn)制數(shù)T27寫成二進(jìn)制小數(shù)：

(-127)10=(-1111111)2

令乂=-1111111B

[x]?=l.1111111[x]反=1.0000000

[x]補(bǔ)=1.0000001[x]移=1.0000001

(4)令x=-l.000000B

原碼、反碼無法表示

［x］補(bǔ)=1.0000000[x]移=0.0000000

⑸令Y=-1=-OOOOOO1B

[Y]?=10000001[Y]反=11111110

[Y]?b=llllllll[Y]移=01111111

2.設(shè)口］補(bǔ)=ao,ai,a2—a6,其中ai取0或1,若要x>—0.5,求ao,al,a2,…，a6的取

值。

解：ao=1,ai=0,a2,a6=l…1。

3.有一個字長為32位的浮點(diǎn)數(shù)，階碼10位(包括1位階符)，用移碼表示；尾數(shù)22位(包括

1位尾符)用補(bǔ)碼表示，基數(shù)R=2。請寫出：

(1)最大數(shù)的二進(jìn)制表示；

(2)最小數(shù)的二進(jìn)制表示；

(3)規(guī)格化數(shù)所能表示的數(shù)的范圍；

(4)最接近于零的正規(guī)格化數(shù)與負(fù)規(guī)格化數(shù)。

解：⑴11111111110111111111111111111111

(2)11111111111000000000000000000000

(3)11111111110111111111111111111111—01111111111000000000000000000000

(4)00000000000000000000000000000001~00000000001111111111111111111111

4.將下列十進(jìn)制數(shù)表示成浮點(diǎn)規(guī)格化數(shù)，階碼3位，用補(bǔ)碼表示：尾數(shù)9位，用補(bǔ)碼表示。

(1)27/64

(2)-27/64

解:(1)27/64=11011BX2-6=O.011011B=0.11011BX2-1

浮點(diǎn)規(guī)格化數(shù)：11110110110000

(2)-27/64=-11011BX2-6=-0.011011B=-0.1101IBX24

浮點(diǎn)規(guī)格化數(shù)：mi1001010000

5.已知X和Y,用變形補(bǔ)碼計算X+Y,同時指出運(yùn)算結(jié)果是否溢出。

(1)X=0.11011Y=0.00011

(2)X=0.11011Y=-0.10101

(3)X=-0.10110Y=-0.00001

解：(1)先寫出X和y的變形補(bǔ)碼再計算它們的和

[x]補(bǔ)=00.11011[y]#=00.00011

[x+y]#=[x]n+[y1#=00.11011+00.00011=0.11110

x+y=o.HUB無溢出o

(2)先寫出X利y的變形補(bǔ)碼再計算它們的和

[x]補(bǔ)=00.11011[y]補(bǔ)=11.01011

[x+y]補(bǔ)=[x]補(bǔ)+[y]^=00.11011+11.01011=00.00110

:.x+y=0.001IB無溢出。

(3)先寫出x和y的變形補(bǔ)碼再計算它們的和

[x]補(bǔ)=11.01010[y]#=ll.11111

[x+y]補(bǔ)=[xl補(bǔ)+[y]補(bǔ)=11.01010+11.11111=11.01001

x+y=-0.1011IB無溢出

6.已知X和Y,用變形補(bǔ)碼計算X-Y,同時指出運(yùn)算結(jié)果是否溢出。

(1)x=o.nonY=-o.mu

(2)X=0.10111Y=0.11011

(3)X=0.11011Y=-0.10011

解：(1)先寫出x和y的變形補(bǔ)碼，再計算它們的差

[x]補(bǔ)=00.11011[y]補(bǔ)=11.00001[-y]補(bǔ)=00.11111

[x-y]補(bǔ)=[x]補(bǔ)+[-y]補(bǔ)=00.11011+00.11111=01.11010

???運(yùn)算結(jié)果雙符號不相等?.為正溢出

X-Y=+l.1101B

(2)先寫出x和y的變形補(bǔ)碼，再計算它們的差

[x]補(bǔ)=00.10111[y]補(bǔ)=00.11011[-y]補(bǔ)=11.00101

[x-y]^b=OO.10111+11.00101=11.11100

二x-y=-0.001B無溢出

(3)先寫出x和y的變形補(bǔ)碼，再計算它們的差

[x]補(bǔ)=00.11011[y]lb=l1.01101[-y]補(bǔ)=00.10011

[x-y]ft=[x]^+[-y]?b=00.11011+00.10011=01.01110

???運(yùn)算結(jié)果雙符號不相等為正溢出

X-Y=+1.0111B

7.用原碼陣列乘法器、補(bǔ)碼陣列乘法器分別計算XXY。

(1)x=o.lionY=-o.mu

(2)x=-o.innY=-O.non

解：(i)用原碼陣列乘法器計算：

[x]補(bǔ)=0.11011[y]補(bǔ)=1.00001

(0)11011

X)(1)00001

(0)11011

(0)00000

(0)00000

(0)00000

(0)00000

(0)(1)(1)(0)(1)(1)

(1)0010111011

[xXy]補(bǔ)=1.0010111011

/.xXy=-0.1101000101

8.用原碼陣列除法器計算X+Y。

(1)X=0.11000Y=-0.11111

(2)X=-0.01011Y=0.11001

解：(1)[x]原=[x]補(bǔ)=0.11000[-IyI1^=1.00001

被除數(shù)X0.11000

+[-Iy門補(bǔ)1.00001

余數(shù)為負(fù)1.11001-q0=0

左移1.10010

+[|y|]補(bǔ)o.11111

余數(shù)為正0.10001-ql=l

左移1.00010

+[Ty|]補(bǔ)1.00001

余數(shù)為正0.00011fq2=l

左移0.00110

+[Ty|]補(bǔ)1.00001

余數(shù)為負(fù)1.00111fq3=0

左移0.01110

+[|y|]補(bǔ)0.11111

余數(shù)為負(fù)1.01101fq4=0

左移0.11010

+[|y|]補(bǔ)0.11111

余數(shù)為負(fù)1.11001~q5=0

+［|y|］補(bǔ)0.H111

余數(shù)0.11000

故［x+y］-=1.11000即x+y=-0.11000B

余數(shù)為0.11000BX2*101

9.設(shè)階為5位(包括2位階符)，尾數(shù)為8位(包括2位數(shù)符)，階碼、尾數(shù)均用補(bǔ)碼表示，完成

下列取值的［X+Y］,［X-Y］運(yùn)算：

(1)X=2'011X0.100101Y=2'010X(-0.011110)

(2)X=2-101X(-0.010110)Y=2-100X(0.010110)

解：(1)將y規(guī)格化得：(-0.111100)

［x］浮=1101,00.100101［y］浮=1101,11.000100［-y］浮=1101,00.111100

①對階

［AE］補(bǔ)=［Ex］補(bǔ)+［-Ey］補(bǔ)=1101+0011=0000

Ex=Ey

②尾數(shù)相加

相加相減

00.10010100.100101

+11.000100+00.111100

11.10100101.100001

［x+y］浮=1101,11.101001左規(guī)［x+y］浮=1100,11.010010

?-100

...x+y=2X(-0.101110)

［x-y］浮=1101,01.100001右規(guī)［x-y］浮=1110,00.1100001

舍入處理得［x-y］浮=1110,00.110001

二x-y=2-10X0.110001

(2)［x］浮=1011,11.101010［y］浮=1100,00.010110［-y］浮=1100,11.101010

①對階

［AE］補(bǔ)=［Ex］補(bǔ)+［-Ey］補(bǔ)=1011+0100=1111

AE=-1［x］浮=1100,11.110101(0)

②尾數(shù)相加

相加相減

11.110101(0)11.110101(0)

+00.010110+11.101010

00.001011(0)11.011111(0)

［x+y］浮=1100,00.001011(0)左規(guī)［x+y］浮=1010,00.1011000

?110

.??x+y=2X0.1011B

［x—y］浮=1100,11.011111(0)

X(-0.100001B)

13.某加法器進(jìn)位鏈小組信號為C4c3c2C1,低位來的信號為Co,請分別按下述兩種方式寫出

C4c3c2cl的邏輯表達(dá)式。

（1）串行進(jìn)位方式（2）并行進(jìn)位方式

解：（1）串行進(jìn)位方式:

CiGi+PiCo其中:GiAiBi,Pi=Ai?Bi

C2G2+P2ClG2A2B2，P2A2十B2

C3G3+P3C2G3A3B3，P3A3?B3

C4G4+P4C3G4A4B4,P4A4eB4

（2）并行進(jìn)位方式:

Ci=Gi+PiCo

C2=G2+P2Gi+P2PlCo

C3=G3+P3G2+P3P2Gl+P3P2PlCO

C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2Gl+P4P3P2PlCO

其中G1-G4，P1-P4表達(dá)式與串行進(jìn)位方式相同。

14.某機(jī)字長16位,使用四片74181組成ALU,設(shè)最低位序標(biāo)注為0位，要求：

（1）寫出第5位的進(jìn)位信號C6的邏輯表達(dá)式；

（2）估算產(chǎn)生C6所需的最長時間；

（3）估算最長的求和時間。

解：（1）組成最低四位的74181進(jìn)位輸出為：C4=G+PCo,Co為向第0位的進(jìn)位

其中：G=y3+x3y2+x2X3yi+xlX2X3y0,P=XOX1X2X3

所以;C5=y4+x4C4

C6=y5+X5C5=y5+X5y4+X5X4C4

（2）設(shè)標(biāo)準(zhǔn)門延遲時間為T,〃與或非〃門延遲時間為1.5T,則進(jìn)位信號Co由最低位傳送

至C6需經(jīng)一個反相器，兩級〃與或非〃門，故產(chǎn)生C6的最長延遲時間為：

T+2X1.5T二4T

（3）最長求和時間應(yīng)從施加操作數(shù)到ALU算起：第一片74181有3級〃與或非〃門（產(chǎn)生控

制參數(shù)xo,yoCn+4），第二、第三片74181共2級反相器和2級〃與或非〃門（進(jìn)位鏈），第四片

74181求和邏輯（1級〃勺或非〃門和1級半加器，其延遲時間為3T）,故總的加法時間為：

T=3X1.5T+2T+2X1.5T+1.5T+1.5T+3T=14T

17.設(shè)A,B,C是三個16位的通用寄存器，請設(shè)計一個16位定點(diǎn)補(bǔ)碼運(yùn)算器，能實(shí)現(xiàn)下述功能:

（1）A±B-A

（2）BXC-A,C（高位積在寄存器A中）

（3）A+B-C（商在寄存器C中）

解：設(shè)計能完成加、減、乘、除運(yùn)算的16位定點(diǎn)補(bǔ)碼運(yùn)算器框圖。

分析各寄存器作用：

加減乘除

A被加數(shù)一和同左初始為0被除數(shù)一余數(shù)

部分積一乘積（H）除數(shù)

B加數(shù)同左被乘數(shù)

C——乘數(shù)f乘積（L）商

A：累加器（16位），具有輸入、輸出、累加功能及雙向移位功能;

B：數(shù)據(jù)寄存器（16位），具有輸入、輸出功能；

C：乘商寄存器（16位），具有輸入、輸出功能及雙向移位功能。

畫出框圖：

第三章存儲系統(tǒng)習(xí)題參考答案

1.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義8位SRAM芯片組成，需要多少芯片？

（3）需要多少位地址作芯片選擇？

解：（1）；220=1M,該存儲器能存儲的信息為：1MX32/8=4MB

(2)(1000/512)X(32/8)=8(片)

(3)需要1位地址作為芯片選擇。

2.已知某64位機(jī)主存采用半導(dǎo)體存儲器，其地址碼為26位，若使用256Kxi6位的DRAM芯片

組成該機(jī)所允許的最大主存空間，并選用模塊板結(jié)構(gòu)形式，問：

(1)每個模塊板為1024Kx64位，共需幾個模塊板？

(2)個模塊板內(nèi)共有多少DRAM芯片？

(3)主存共需多少DRAM芯片？CPU如何選擇各模塊板？

解：(D.共需模塊板數(shù)為m：

m=2264-220=64(塊)

(2).每個模塊板內(nèi)有DRAM芯片數(shù)為n:

n=(220/218)X(64/16)=16(片)

(3)主存共需DRAM芯片為：16X64=1024(片)

每個模塊板有16片DRAM芯片，容量為1024Kx64位，需20根地址線(A19~A0)完成

模塊

板內(nèi)存儲單元尋址。一共有64塊模塊板，采用6根高位地址線(A25~A20),通過

6：64譯碼器譯碼產(chǎn)生片選信號對各模塊板進(jìn)行選擇。

3.用16Kx8位的DRAM芯片組成64Kx32位存儲器，要求：

(1)畫出該存儲器的組成邏輯框圖。

(2)設(shè)存儲器讀/寫周期為0.5瞳，CPU在內(nèi)至少要訪問一次。試間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(shí)際刷新時間是多少？

解：(1)組成64Kx32位存儲器需存儲芯片數(shù)為

N=(64K/16K)x(32位/8位)=161片)

每4片組成16Kx32位的存儲區(qū)，有A13-AO作為片內(nèi)地址，用Ai5A14經(jīng)2：4譯碼器

產(chǎn)生片選信號CS。-us?,邏輯框圖如下所示：

(2)依題意，采用異步刷新方式較合理，可滿足CPU在WS內(nèi)至少訪問內(nèi)存?次的要求。

設(shè)16Kx8位存儲芯片的陣列結(jié)構(gòu)為128行X128列，按行刷新，刷新周期T=2ms,則異

步

刷新的間隔時間為:

2ms

=15.5(HS)

國

則兩次刷新的最大時間間隔發(fā)生的示意圖如下

REF|IREFIIREF

?15.5WS玉15.5WS-0^

可見，兩次刷新的最大時間間隔為tmaX

tmax=15.5_0.5=15(US)

對全部存儲單元刷新一遍所需時間為tR

tR=0.5X128=64(nS)

7.某機(jī)器中，已知配有一個地址空間為0000H-3FFFH的ROM區(qū)域。現(xiàn)在再用一個RAM芯片(8KX8)

形成40KX16位的RAM區(qū)域，起始地址為6000H,假定RAM芯片有函和麗信號控制端。CPU的

地址總線為A15-A0,數(shù)據(jù)總線為Dis-Do,控制信號為R/jy(讀/寫)，MBEQ(訪存)，要求：

(1)畫出地址譯碼方案。

(2)將ROM與RAM同CPU連接。

解：(1)依題意，主存地址空間分布如右圖所示，可選用2片27128(16KX8位)的EPROM作為

ROM區(qū)；10片的8KX8位RAM片組成40Kxi6位的RAM區(qū)。27128需14位片內(nèi)地址，而RAM需

13位

片內(nèi)地址，故可用A15-A13三位高地址經(jīng)譯碼產(chǎn)生片選信號,方案如下：

0000H

16Kxi6位

3FFFHROM

4000H8Kxi6位

5FFFH留空

6000H40Kxi6位

FFFFHRAM

cs

(ROM)

MREQ

Ai5A14

用

MREQ

A”(

A”見

畝

)

05

二

8.存儲器容量為64M,字長64位，模塊數(shù)m=8,分別用順序方式和交叉方式進(jìn)行組織。存儲

周期T=100ns,數(shù)據(jù)總線寬度為64位，總線周期T=10ns.問順序存儲器和交叉存儲器的帶

寬各是多少？

解：信息總量：q=64位X8=512位

順序存儲器和交叉存儲器讀出8個字的時間分別是：

t2=mT=8X100ns=8X10-7(s)

ti=T+(m-I)1=100+7X10=1.7X10-7(s)

順序存儲器帶寬是：

W2=q/t2=512+(8X10-7)=64X107(位/S)

交叉存儲器帶寬是：

Wi=q/ti=5124-(1.7X10-7)=301X107(位/S)

9.CPU執(zhí)行一段程序時，cache完成存取的次數(shù)為2420次，主存完成存取的次數(shù)為80

次，已知cache存儲周期為40ns,主存存儲周期為240ns,求cache/主存系統(tǒng)的效率和平均訪

問時間。

解：先求命中率h

h=nc/(nc+nm)=24204-(2420+80)=0.968

則平均訪問時間為ta

ta=0.968X40+(1-0.968)X240=46.4(ns)

r=240+40=6

cache/主存系統(tǒng)的效率為e

e=l/[r+(l-r)X0.968]=86.2%

10.已知Cache存儲周期40ns,主存存儲周期200ns,Cache/主存系統(tǒng)平均訪問時間為50ns,

求Cache的命中率是多少？

解：,/ta=tcXh+trXd-h)

h=(ta-tr)/(tc-tr)=(50-200)/(40-200)=15/16=0.94

11.主存容量為4MB,虛存容量為1GB,則虛存地址和物理地址各為多少位？如頁面大小為4KB,

則頁表長度是多少？

解：已知主存容量為4MB,虛存容量為1GB

V2=4M.?.物理地址為理位

?30

又2=1G虛擬地址為30位

頁表長度為1GB+4KB=230+212=218=256K

14.假設(shè)主存只有a,b,c三個頁框，組成a進(jìn)c出的FIFO隊列，進(jìn)程訪問頁面的序列是

0,1,2.4,2,3,0,2,1.3,2號。用列表法求采用LRU替換策略時的命中率。

解:

頁面訪問序列01242302132

A01242302132

LRUB0124230213

C011423021

命中命中命中

命中率為

3

n=—=27.3%

11

15.從卜列有關(guān)存儲器的描述中，選擇出正確的答案：

A.多體交叉存儲主要解決擴(kuò)充容量問題；

B.訪問存儲器的請求是由CPU發(fā)出的；

C.Cache與主存統(tǒng)一編址，即主存空間的某一一部分屬于Cache;

D.Cache的功能全由硬件實(shí)現(xiàn)。

解：D

16.從卜列有關(guān)存儲器的描述中，選擇出正確的答案：

A.在虛擬存儲器中，外存和主存一相同的方式工作，因此允許程序員用比主存空間大得

多的外存空間編程；

B.在虛擬存儲器中，邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址是由硬件實(shí)現(xiàn)的，僅在頁面失效時才由操

作系統(tǒng)將被訪問頁面從外存調(diào)到內(nèi)存，必要時還要先把被淘汰的頁面內(nèi)容寫入外存；

C.存儲保護(hù)的目的是：在多用戶環(huán)境中，既要防止一個用戶程序出錯而破壞系統(tǒng)軟件或

其他用戶程序，又要防止一個用戶訪問不是分配給他的生存區(qū)，以達(dá)到數(shù)據(jù)安全和保

密的要求。

解：C

第四章指令系統(tǒng)習(xí)題參考答案

1.ASCII碼是7位，如果設(shè)計主存單元字長為32位，指令字長為12位，是否合理？為什

么？

解：指令字長設(shè)計為12位不是很合理。主存單元字長為32位，一個存儲單元可存放4個ASCH

碼，

余下4位可作為ASCII碼的校驗(yàn)位（每個ASCH碼帶一位校驗(yàn)位），這樣設(shè)計還是合理的。

但是，設(shè)計指令字長為12位就不合理了，12位的指令碼存放在字長32位的主存單元中，

造成19位不能用而浪費(fèi)了存儲空間。

2.假設(shè)某計算機(jī)指令長度為20位，具有雙操作數(shù)、單操作數(shù)、無操作數(shù)三類指令形式，每個操

作數(shù)地址規(guī)定用6位表示。問：

若操作碼字段固定為8位，現(xiàn)已設(shè)計出m條雙操作數(shù)指令，n條無操作數(shù)指令，在此情況下，這

臺計算機(jī)最多可以設(shè)計出多少條單操作數(shù)指令？

解：這臺計算機(jī)最多可以設(shè)計出256-m-n條單操作數(shù)指令

3.指令格式結(jié)構(gòu)如下所示，試分析指令格式及尋址方式特點(diǎn)。

15107430

OP目標(biāo)寄存器源寄存器

解：指令格式及尋址方式特點(diǎn)如下：

①單字長二地址指令；

②操作碼0P可指定26=64條指令；

③RR型指令，兩個操作數(shù)均在寄存器中，源和目標(biāo)都是通用寄存器（可分別指定16個寄

存器

之一）；

④這種指令格式常用于算術(shù)邏輯類指令。

4.指令格式結(jié)構(gòu)如卜所示，試分析指令格式及尋址方式特點(diǎn)。

15107430

OP源寄存器變址寄存器

偏彳展量（16位）

解：指令格式及尋址方式特點(diǎn)如F：

①雙字長二地址指令；

②操作碼0P可指定2丘=64條指令；

③RS型指令，兩個操作數(shù)一個在寄存器中（16個寄存器之一），另一個在存儲器中;

④有效地址通過變址求得：E=（變址寄存器）土D,變址寄存器可有16個。

5.指令格式結(jié)構(gòu)如下所示，試分析指令格式及尋址方式特點(diǎn)。

1512119865320

OP尋址方式|寄存器尋訪式|寄神

L___目的械

解：指令格式及尋址方式特點(diǎn)如下：

①單字長二地址指令；

②操作碼0P可指定24=16條指令；

③有8個通用寄存器，支持8種尋址方式；

?可以是RR型指令、SS型指令、RS型指令、

6.一種單地址指令格式如下所示，其中I為間接特征，X為尋址模式，D為形式地址。I,X,D

組成該指令的操作數(shù)有效地址E。設(shè)R為變址寄存器，R1為基值寄存器，PC為程序計數(shù)器，請

在下表中第一列位置填入適當(dāng)?shù)膶ぶ贩绞矫Q。

OPIXD

尋址方式名好1X療效地址E

?330E-D

②)31E-<PO+D

IUSOU+D

?：＞11E=(R]]+D

⑤L00E=S)

101

解：①直接尋址

②相對尋址

③變址尋址

④基址尋址

⑤間接尋址

⑥基址間址尋址

7.某計算機(jī)字長16位，主存容量為64K字，采用單字長單地址指令，共有40條指令，試采用

直接、立即、變址、相對四種尋址方式設(shè)計指令格式。

解：40條指令需占用操作碼字段(0P)6位，這樣指令余下長度為10位。為了覆蓋主存640K

字的地

址空間，設(shè)尋址模式(X)2位，形式地址(D)8位，其指令格式如下：

15109870

OPXD

尋址模式定義如下：

X=00直接尋址有效地址E=D(直接尋址為256個存儲單元)

X=01立即尋址D字段為操作數(shù)

X=10變址尋址有效地址E=(Rx)+D(可尋址64K個存儲單元)

X=11相對尋址有效地址E=(PC)+D(可尋址64K個存儲單元)

其中Rx為變址寄存器(16位)，PC為程序計數(shù)器(16位)，在變址和相對尋址時，位移

量D可正可負(fù)。

8.某機(jī)字長為32位，主存容量為1M,單字長指令，有50種操作碼，采用頁面尋址、立即、直接

等尋址方式。CPU中有PC,IR,AR,DR和16個通用寄存器，頁面尋址可用PC高位部分與形式

地址部分拼接成有效地址。問：

(1)指令格式如何安排？

(2)主存能劃分成多少頁面？每頁多少單元？

(3)能否增加其他尋址方式？

解：(1)依題意，指令字長32位，主存字，需20位地址A19-A0。50種操作碼，需6位OP,

指令

尋址方式Mode為2位，指定寄存器Rn需4位。設(shè)有單地址指令、雙地址指令和零地

址指

令，現(xiàn)只討論前二種指令。

單地址指令的格式為：

312625242320190

0PModeRnD

Mode=00時為立即尋址方式，指令的23-0位為立即數(shù)；

Mode=01時為直接尋址方式，指令的19-0位為有效地址。

雙地址指令的格式為：

31262524232019181714130

OPModelRnMode2RnD

Mode1=01時為寄存器直接尋址方式，操作數(shù)S=(Rn)；

Mode1=11時為寄存器間址尋址方式，有效地址E=(Rn)。

Mode2=00時為立即尋址方式，指令的13-0位為立即數(shù);

Mode2=01時為頁面尋址方式；

Mode2=10時為變址尋址方式，E=(Rn)+D；

Mode2=ll時為變址間址尋址方式,E=((Rn)+D)。

(2)由于頁面尋址方式時，D為14位，所以頁面大小應(yīng)為2"=16K字，則1M字可分為

26=64個頁面。可由PC的高6位指出頁面號。

(3)能增加其它尋址方式，例上述間址方式、變址間址尋址方式。

14.從以下有關(guān)RISC的描述中，選擇正確答案。

A.采用RISC技術(shù)后，計算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)乂恢復(fù)到早期的比較簡單的情況。

B.為了實(shí)現(xiàn)兼容，新設(shè)計的RISC,是從原來CISC系統(tǒng)的指令系統(tǒng)中挑選一部分實(shí)現(xiàn)的。

C.RISC的主要目標(biāo)是減少指令數(shù)，提高指令執(zhí)行效率。

D.RISC設(shè)有乘、除法指令和浮點(diǎn)運(yùn)算指令。

解：C

15.根據(jù)操作數(shù)所在位置，指出其尋址方式(填空)：

(1)操作數(shù)在寄存器中，為(A)尋址方式。

(2)操作數(shù)地址在寄存器，為(B)尋址方式。

(3)操作數(shù)在指令中，為(C)尋址方式。

(4)操作數(shù)地址(主存)在指令中，為(D)尋址方式

(5)操作數(shù)的地址，為某一寄存器內(nèi)容與位移量之和可以是(E,F,G)尋址方式。

解：A：寄存器直接；B：寄存器間接；C：立即；

D：直接；E：相對；F：基值；G：變址

第五章中央處理器習(xí)題參考答案

1.請在括號內(nèi)填入適當(dāng)答案。在CPU中：

(1)保存當(dāng)前正在執(zhí)行的指令的寄存器是(指令寄存器IR)；

(2)保存當(dāng)前正要執(zhí)行的指令地址的寄存器是(程序計數(shù)器PC)；

(3)算術(shù)邏輯運(yùn)算結(jié)果通常放在(通用寄存器)和(數(shù)據(jù)緩沖寄存器DR)。

2.參見下圖(課本P166圖5.15)的數(shù)據(jù)通路。畫出存數(shù)指令〃$TARI,(R2)”的指令周期

流程圖，其含義是將寄存器R1的內(nèi)容傳送至(R2)為地址的主存單元中。標(biāo)出各微操作信

號序列。

外起或

圖B12.1

解："STARI,(R2)”指令是一條存數(shù)指令，其指令周期流程圖如下圖所示:

PCD,G,ARt

R/方=R

3.參見課本P166圖5.15的數(shù)據(jù)通路，畫出取數(shù)指令“IDA(R3),RO”的指令周期流程圖，

其含義是將(R3)為地址的主存單元的內(nèi)容取至寄存器R0中，標(biāo)出各微操作控制信號序列。

5.如果在一個CPU周期中要產(chǎn)生3個脈沖Ti=200ns,T2=400ns,T3=200ns,試畫出

時序產(chǎn)生器邏輯圖。

解：節(jié)拍脈沖Ti,T2,T3的寬度實(shí)際等于時鐘脈沖的周期或是它的倍數(shù)，此時Ti=T3=200ns,

T2=400ns,所以主脈沖源的頻率應(yīng)為f=1/Ti=5MHZ。為了消除節(jié)拍脈沖上的毛刺,

環(huán)

型脈沖發(fā)生器可采用移位寄存器形式。卜圖畫出了題目要求的邏輯電路圖和時序信號關(guān)系。

根據(jù)關(guān)

系，節(jié)拍脈沖T1,T2,T3的邏輯表達(dá)式如下：

Tl=C1?。2,丁2=。2,T3=C1

6.假設(shè)某機(jī)器有80條指令，平均每條指令由4條微指令組成，其中有一條取指微指令是所有指

令公用的。已知微指令長度為32位，請估算控制存儲器容量。

解：微指令條數(shù)為：(4T)X80+l=241條

取控存容量為：256X32位=1KB

7.某ALU器件使用模式控制碼M,S3,S2,SI,C來控制執(zhí)行不同的算術(shù)運(yùn)算和邏輯操作。

下表列出各條指令所要求的模式控制碼，其中y為二進(jìn)制變量，F(xiàn)為0或1任選。

試以指令碼(A,B,H,D,E,F,G)為輸入變量，寫出控制參數(shù)M,S3,S2,SI,C的

邏輯表達(dá)式。

指令碼MS3S2SIc

A,B00110

H,D01101

E0010y

F0111Y

G1011①

解：M=G

S3=H+D+F

S2=l

S1=H+D+E

C=H+D+(E+F)y

8.某機(jī)有8條微指令I(lǐng)1T8,每條微指令所包含的微命令控制信號如下表所示。

微命令信號

It指令

J

II\Z\Z5/

k>/

I,\Zs/

11V

k>/7

17V

U\Z

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為8位，請安排微指

令的控制字段格式。

解：經(jīng)分析，（e,f,h）和（b,i,j）可分別組成兩個小組或兩個字段，然后進(jìn)行譯碼，可得

六個

微命令信號，剩下的a,c,d,g四個微命令信號可進(jìn)行直接控制，其整個控制字段組成如

下：

-efh-bijacdg

1111Illi

譯碼譯碼

微指令控制字段：0706050403020100

01：e01：b

10：f10：i

11:h11:j

11.已知某機(jī)采用微程序控制方式，其控制存儲器容量為512X48(位)。微程序可在整個控

制存儲器中實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移，可控制微程序轉(zhuǎn)移的條件共4個，微指令采用水平型格式，后繼微

指令地址采用斷定方式。請問：

(1)微指令中的三個字段分別應(yīng)為多少位？

(2)畫出圍繞這種微指令格式的微程序控制器邏輯框圖。

解：

(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；

又因?yàn)榭卮嫒萘繛?12單元，所以下地址字段為9位，。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下圖所示。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0P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),其輸出用于控制修改微地址寄存器的適當(dāng)位數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)微程序的分支轉(zhuǎn)

移(此例微指令的后繼地址采用斷定方式)。

12.今右4級流水線分別完成取值、指令譯碼并取數(shù)、運(yùn)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)，而且在硬件上不采取措施，那么第二條指令要

推遲多少時間進(jìn)行。

(3)如果在硬件設(shè)計上加以改進(jìn)，至少需推遲多少時間？

解：

(1)流水線的操作時鐘周期t應(yīng)按四步操作中最長時間來考慮，所以t=100ns；

(2)兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)沖突情況：：

ADDR1,R2,R3;R2+R3-R1

SUBR4,R1,R5;R1-R5-R4

兩條指令在流水線中執(zhí)行情況如卜表所示:

、時鐘1234567

才衿、

ADDIFIDEXWB

SUBIFIDEXWB

不采取措施IFIDEXWB

采取措施IFIDEXWB

ADD指令在時鐘4時才將結(jié)果寫入寄存器R1中，但SUB指令在時鐘3時就需讀寄存器RIT.

顯然發(fā)生

數(shù)據(jù)相關(guān)，不能讀到所需數(shù)據(jù)，只能等待。如果硬件上不采取措施,第2條指令SUB至少應(yīng)推

遲2個

操作時鐘周期，即t=2X100ns=200ns；

(3)如果硬件上加以改進(jìn)(采取旁路技術(shù))，這樣只需推遲1個操作時鐘周期就能得到所需數(shù)據(jù),

即t=100ns。

15.用定量描述法證明流水計算機(jī)比非流水計算機(jī)具有更高的吞吐率。

解：衡量并行處理器性能的一個有效參數(shù)是數(shù)據(jù)帶寬(最大吞吐量)，它定義為單位時間內(nèi)可以

產(chǎn)生

的最大運(yùn)算結(jié)果個數(shù)。

設(shè)P1是有總延時T1的非流水處理器，故其帶寬為1/T1。又設(shè)Pm是相當(dāng)于Plm段流水處

理器延遲時間Tr,故Pm的帶寬為1/(Tc+Tr)?如果Pm是將P1劃分成相同延遲的若干段形

成的，則TianTc因

此Pi的帶寬接近于1/mTc,由此可見，當(dāng)mTc〉Tc+Tr滿足時，Pm比Pi具有更大的帶寬。

16.流水線中有三類數(shù)據(jù)相關(guān)沖突：寫后讀(RAW)相關(guān)；讀后寫(WAR)相關(guān)；寫后寫

(WAW)相關(guān)。判斷以下三組指令各存在哪種類型的數(shù)據(jù)相關(guān)。

(1)IlLADRI,A；M(A)-RI,M(A)是存儲器單元

12ADDR2,RI；(R2)+(RI)-R2

(2)13ADDR3,R4；(R3)+(R4)-R3

14MULR4,R5；(R4)X(R5)-R4

(3)15LADR6,B；M(B)-R6,M(B)是存儲器單元

16MULR6,R7；(R6)X(R7)-R6

解：(1)寫后讀(RAW)相關(guān);

(2)讀后寫(WAR)相關(guān)，但不會引起相關(guān)沖突；

(3)寫后讀(RAW)相關(guān)、寫后寫(WAW)相關(guān)

17.參考教科書圖5.42所示的超標(biāo)量流水線結(jié)構(gòu)模型，現(xiàn)有如下6條指令序列:

IlLADRI,B;M(B)-RI,M(B)是存儲器單元

12SUBR2,RI;(R2)-(R1)-R2

13MULR3,R4;(R3)X(R4)-*R3

14ADDR4,R5;(R4)+(R5)->R4

15LADR6,A;M(A)-*R6,M(A)是存儲器單元

16ADDR6,R7;(R6)+(R7)-R6

請畫出：(1)按序發(fā)射按序完成各段推進(jìn)情況圖。

(2)按序發(fā)射按序完成的流水線時空圖。

解：⑴

譯在段執(zhí)行段寫回段