第13章计算机组成原理课后习题答案

1、第1-3章计算机组成原理课后习 题答案第1章计算机系统概论1.1 什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？解：计算机系统由硬件和软件两大部分组成。成，用来充分发挥硬件功能' 提高机器工作效率, 便于人们使用机器彳指挥整个计算机硬件系统工 作的程序、资料、数据集合。硬件和软件在计算硬件即指计算机的实体部分，它由看得见摸得着 的各种出子元器件，,类当机设备的塞脚 组成，如主机、外设等。软件是看不见摸不着的， 由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组 机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要1.2 如何理解计算机系统的层次结构？语言程序先翻译成机器语言4）第零级:解：

2、（1）第一级：实际机器 M1 （机器语言机 入机器语言程序直接在 M1上执行；（2）第 级:一虚拟机器M2 （汇编语言机器），将汇编 一二二:序，一不连 M1 上执 行；（3）第三级：虚拟机器M3（局级语言机器）, 将高级语言程序先翻译成汇编语言程序，再在M2、M1 （或直接到M1）上执行；（4）第零级: 极程序机醇M0 （微指令系统），由葩件直接成 行微指令。（5）实际上，实际机器M1和虚拟机 器M2之间还有一级虚拟机，它是由操作系统政 件构成白该级虚拟机用机器语言解释操作系统。（6）虚拟机器M3还可以向上延伸，构成应用 格言虚拟系统。1.3 说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及联系。脚

3、：机器语言由01 1代好|成,是机、 别的一种语言。用机器语言编写程序时要求程序员对他们既使奥白犷t算机啤件&其指令普统十 分熟悉，编写程序难度很大，操作过程也极易出 错。指令。用汇编语言编写的汇编语言程序必须先被翻译成机器语言程序，才能被机器接受并自动运、汇编遗言曷符号式的程序设中苛兀缅也 二是面向机器的语言，它由一些特殊的符号表示 行。汇编语言的每一条语句都与机器语言的某一 条语句(0、1代码)对应。一声狗登言是向向用户的诺直 > 与具体的寸算 机指令系统无关、对问题的描述更接近于人们习 惯，且易于掌握和书写。它具有较强的通用性， 程序员完全不必了解、掌握实际机器 M1的机

4、型、内部的具体组成及其指令系组 只要掌握这 类高缪谚言的诱法和语义工便可苴接叩这种高级 语言来编程？给程序员带来了极大的方便。但是, 用高级语言编写的高级语言程序必须先被翻译 成汇编语言程序，然后再将其翻译成机器语言程 序或者将高级语言程序直接翻译成机器语言程 序才能被机器接受并自动运行。1.4 如何理解计算机组成和计算机体系结构？理仁计到您成是指如何塞现寸算机体呈结 构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是 透明的硬件细节。到的计重机系统的属性，即胧念佳的结构与功能 特性？通常是指用机器语言编程的程序员所看到 的传统机器的属性，包括指令集、数据类型、存 储器寻址技术、I/O机理等等，大都属

5、于抽象的 属性。1.5 冯诺依曼计算机的特点是什么？解：冯西依率t算加的特点考 (1)计算机由运算器、控制器、存储器、输 入设备、输出设备五大部件组成；(2)指令和数据以同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问八 指令和教戏均用二进制表示；，一一,(4)_指令由操作?K地址码顶演部分粗也 操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操 作数在存储器中的位置；(5)指令在存储器中顺序存放，通常自动顺(6)机器以运算器为中心(典型的冯诺依 曼机)。1.6 画出计算机硬件组成框图，说明各部件的作用及计算机硬件的主要技术指 标。解：现代的计算机组成框图如图1.1所示:1一计算步骤和原始数据图1.1以存储器

6、为中心的计算机结构框图各部件的作用：将崎牖Siif； 运和逻辑运算，并指挥程序和数据的输入,为鼎盛瀛相祺I熟耙阿I髻式H鬻!8*廿示等M(1)尤端字长：抵WPUu达熊卷理数据的位 数，施常与CPU的寄存器位数有关。、心(2%套脩鸯至：乂包括圭充箱量却H存至史存 放二旌制代码的总数=存储单兀个数X存储字云嗜速度：主频、Gibson法、MIPS每秒 常令、CPI执行一条指令所需时钟周期数、FLOPS每秒浮点运算次数1.7解释概念：主机、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、 存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长。解：主机：是计算机硬件的主体部分, 和主存储器MM合成为主机由

7、CPUCPU:中央处理器，是计算机硬件四核心部件白 由运算器和控制器组放（早期病算端和控制器 不在同一芯片上，现在的 CPU内除含有运算器 和控制器外还集成了 CACHE ）主存：计算机中存放正在运行的程序和数据的可随机存春储群二力寸算机时主要工作存伸胃. - 取；由存储体、各种逻辑部件及控制电路组成。存储单元：可存放一个机器字并具有特定存储地址的存储单位：存脩二#二进制信息惘理芟件区一 是存储器中最小的存储单位，又叫存储基元或存 储元，不能单独存取。存储字：一个存储单元所存二进制代码的逻辑存储元件单位。、，存储字长：一个存储单元所存二进制代码的位行储容量：存储器中可存二进制代码的总量（遇道生

8、 辅存容量分开地逑） 机器字长：指CPU 一次能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关 指令字长：一条指令的二进制代码位数1.8解释英文代号:CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS解：全面的回答应分英文全称、中文名、 功能 三部分。CPU :日Cent® _Processing_Unit）、博韶舞机 ）主要由运算（器），是计算机硬件的核，门部件, 器和控制器组成。PC: Program Counter）程序计数器工其功能 是存放当前款执行指令的地址，并可自动计数形 成下一条才旨令m。IR : Instru

9、ction Register ）指令寄存器）其功 能是存放当前正在执咨的指令。CU: Control Unit ,控制单元 O件），为控 制器的核心部件，其功能是产生微赧作如令序CU: Control UnitALU : Arithmetic Logic Unit 单元，为运算器的核心密件.逻辑运算ACC : Accumulator）累加器？是 能存放运算前的操作数，又能存放运算2 存器±1的寄MQ : Multiplier-Quotient Register ,乘商寄存 器，乘法运算向存放乘数、除法时存放商的寄存F=r.可以用隹任 即运直器中-都阴瞽麓！， 工作寄存罄之一，用来存放

10、操作数；MAR : Memory Address Register）存储器地 址寄存器，在主存中用来存放款汾问的存括单元 的地址I/O : Input/Output equipment ）输入/输出设 备？为输火设备和褊出故客的总称 内部和外界信息的转换与传送。冲M矗,Mem第Dat患e颊集庭If螫据饕 要写入某存储单元的数据。用于计算机I/O : Input/Output equip ，为输火设备和输出铁备MIPS : Million Instruction Per Second 每秒 执行百万条指令数，为计算机运算速度指标的一 种计量单位1.9 画出主机框图，分别以存数指令 “STA M和

11、加法指令“ADD M （M均为主 存地址）为例，在图中按序标出完成该指令（包括取指令阶段）的信息流程。假设主存容量为256M*32位，在指令字长、存储字长、机器字长相等的条件下， 指出图中各寄存器的位数。解：主机框图如图1.2所示（省略了在图中标出信息流程）。MMDR , MDRIR ,OP(IR) -CU, Ad(IR) -MAR, ACC 一 MDR , MAR M： WR(2) ADD M 指令：PCMAR , MAR M ,MMDR , MDRIR , OP(IR) -CU, Ad(IR) -MAR, RD, M MDR MDR X, ADD , ALU ACC , ACCMDR, W

12、R假设主存容量256M*32位，在指令字长、存 储字长、机器字长相等的条件下，ACC、X、IR、 MDR寄存器均为32位，PC和MAR寄存器均为28位1.10 根据迭代公式 正=1/2(yn+x/yn),初始态y0=1,要求精度为e,试编制求, 的解题程序(指令系统自定)，并结合所编程序简述计算机的解题过程。解：主要有以下步骤：(1)取 X 到 ACC(2)加1存于ACC一(3)除2存于MQ ,又MQ一主存单元m(4)取 X 至ij ACC(5)将y1从m中取出，执行m -X ,ACC +凶MQ 彳4 x/ yn(6) MQ ACC 执行 yn + x/yn,即ACC +X ACC(7)除2得

13、结果于 MQ ,又MQf ACC , MQ m(8) ACC X f ACq 然后判断ACC与 £ 的大小，若1ACC三£则到(9),否则扳回(5)(9)即m(10)停机1.11 指令和数据都存于存储器中，计算机如何区分它们?,(2),速过地域来源区分？出人pc提供存情单 元地址的取出的是指令*由指令地址码部分提供 存储单元地址的取出的是操作数。解：计算机区分指令和数据有以下 2种方法: 一(。起过不同的胆间段西区分报令和数据一 即在取指令阶段(或取指微程序)取出的为指令, 在执行指令阶段(或相应微程序)取出的即为数 据。1.12 什么是指令？什么是程序？人斛：堂令：堂令盘

14、指本计算机执行熨秋端饵的一 命令，它由一串二进制数码组成，告诉计算机从 事某一特殊运算的代码。一条指令通常由操作码 和地址码两部分组成。一程邛儿程序悬为实现的喔目标度甦决特定问题 而用计算机语言编写的命令序列的集合。 为实现 预期目的而进行操作的一系列语句和指令。第2章计算机的发展及应用2.1 通常，计算机的更新换代以什么为依据？r蟹:用即町计算机白域新换代，主詈以组成"毙. 机基本电路的元器件为依据，如电子管、晶体管、 集成由寤莓。进入20世纪70年代后，通常人们以微处理器 为标志来划分微型计算机，如 286机、386机、 486 机、pentium 机。2.2 举例说明专用计算机

15、和通用计算机的区别。解：按照计算机的效率、速度、价格和运行的 经济性和实用性可以将计算机划分为通用计算 机和专用计算机。通用计算机适应性苑 但牺牲 了效率、速度和经济性，而专用计算机是最有效、 最经济和最快的计算机，但适应性很差。例如个 人电脑和计算器。2.3 什么是摩尔定律？该定律是否永远生效？为什么？解：Gordon Moore提出的“微芯片上集成的 晶体管的数目每3年翻两番”的规律，这就是人 们常称的Moore （摩尔）定律。该定律不能永远生效。原因有：其一，硅芯片 的集成度要受其物理极限的制约，集成度不可能 永无止境地提高；其二由于芯片集成度提高时，其制作成本也在不断提高；其三，随着集

16、成度的 提高，微处理器内部的功耗、散热、线延迟等一 系列的问题将难以解决。所以该定律不能永久生 效。2.4 举3个实例，说明网络技术的应用。解：例1：电子商务。电子商务的应用中？任 何一个组织结构司司同Internet柒改变他扪与 客户、供应商、业务伙伴和内部员工的交遹也 可以认为是消费者;销售者和结算部门之间利用 嘴修嗝辞号稣睚侬朋丽学生 受教育可以不受时间、空间和地域的限制，通过 网络延伸到全球的每个角落，建立真正意义上的 开放式虚拟学校，每个学生可以在任意时刻、任 意地点通过网络自由地学习。J3;期!制造。I敏烤地t町座用山，当起现 某种市场机遇时，由于敏捷制造基础结构所形成 的虚拟企业

17、通过网络上联络若干个具有核心组 织者，他们以各自的资金、技术、厂房、设备等 优势？通过国家的法律和彼此的合同， 组建成一 个虚拟企业。该企业不必有集中的办公场地和固 定的组织机构，完全通过网络实现产品的技术设 计、制造、网上销售和网上服务，充分发挥各自 的优势，以最优化的组合、最低的成本获取最大 的利润。2.5 举例说明人工智能方面的应用有哪些？爸二怏式识别亶用领域：圈像处理技术入国像 识别技术等。文字、语音识别、语言翻译应用领 域：手写体的计算机输入系统，语音录入计算机 的软件，文字、语言翻译机等。专家系统应用领 域：远程虚拟治疗，虚拟课堂）虚拟考试等。机 器人应用领域：海底探测，智能机器人

18、等。2.6 举例说明哪些计算机的应用需采用多媒体技术。解：（1）通信：例如视频会议技术；(2)之园展木：其基林是匚货行业.(3)军事：飞行仿真训练系统、视熹仿真；(4)办公自动化：移动多媒体办公自动 花家统.(5)“勺作：主型应用在影视作品中，如 合成首京、电子当回；(6)教育：远程教育，虚拟演播室。2.7设想一下计算机的未来。、解：计算机技术是世聚上发展恭典敢科学装小 之一，广品不断升级换代。当前计算机正朝着巨 型化、微型化、智能化、网络化等方向发展，计 算机本身的性能越来越优越2应用范围也越来越 广泛。21世纪除了人们继续追求超级智能计算 机的问世外，更引人注目的是价格低廉、使用方 便、体

19、积更小、外形多变、具有人性化的计算机 的研究和应用。在普及型的计算机发展同时2 大 型系统也将获得巨大发展，将来由低价、通用的 多处理机组成的群机系统来代替单一的大型系 统。，'计算机技术的翁展主要有多极用二 ,智能 绮化、色媒体傕的特点。才来计算机发屣方诃 量子计算机？神经网络计算机，化学、生物计算 机和光计算机等。第3章系统总线3.1 什么是总线？总线传输有何特点？为了减轻总线负载，总线上的部件应具备什么特点？解：总线是连接多个部件的信息传输线， 是各 部件共享的传输介质。、后线传加的特点考：入二时1%只”有了个 部件向总线发送信息，而多个部件可以同时从总 线上接受相同的信息。为了

20、减轻总线负载，总线上的部件应通过三态 驱动缓冲电路与总线连通。3.2 总线如何分类？什么是系统总线？系统总线又分几类？它们各有何作用? 是单向的还是双向的？它们与机器字长、存储字长、存储单元有何关系？解：忠级的允类:，、 t »(1)按数据传送方式分：并行传输总线和串 行传输总线；(2)按总线的使用范围分：计算机总线、测 控总线、网络通信总线等；系统总线是指 CPU、主存、I/O设备(通过热m挪件之间的信息传输线，又叫板心、°按系统总线传输信息不同，可分为 3类：数据总线、地址总线和控制(3)按连接部件分：片内总线、系统总线和 通信总线。(2)地址总线：地址总线主要是用来指

21、出数 据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地 址。地址总线上的代码是用来指明 CPU欲访问、，(1 )、教端肾线L数据总线是用强住输各功熊、 部件之间的数据信息，它是双向传输总线，其位 勤与机器字长、存储字长有关，一般为 8位、16 仓戢32的存储单元或I/O端口的地址，由CPU输出， 是单向的？地址线的位数与存储单元的个数有 关，如地址线有20根，则对应的存储单元个数 为 220。一、（触废朝S线:皮制总线1叩来发出各利空 制信号的传输线，使各部件能在不同时刻占有总 线使用权，控制总线还起到监视各部件状态的作 用。对任一控制线而言，其传输是单向的，但对 于控制总线总体来说，可认为是双向的。

22、3.3 常用的总线结构有几种？不同的总线结构对计算机的性能有什么影响？举 例说明。解：总线结构通常有单总线结构和多总线结 构。（1）单总线结构是将CPU、主存、I/O设备 （通过I/O接口）都挂在一组总线上，允许I/O 设备之间、I/O设备与CPU之间或I/O设备与主 存之间直接交换信息。这种结构简单，也便于扩 充，但是所有的传送都通过这组共享总线,易形成瓶颈。这类总线多数为小型机或微型机所采 同° （2）多总线结构又分为双总线结构、三总线 结构和四总线结构。入费速率不画的J/O以负进行力塞一然后将它们 连接在不同的通道（具有特殊功能的处理器）上, 那么计算机系统的利用率将会更高，由

23、此发展成 多总线结构。举例：PCI总线结构33M/I ISA、Q皆z勺孽理，ModfWj速Wj性图3.1 PCI总线结构由图可见，PCI总线是通过PCI桥路与CPU 总线相连。3.4 为什么要设置总线判优控制？常见的集中式总线控制有几种？各有何特点？哪种方式响应时间最快？哪种方式对电路故障最敏感？人解：总线判你控市（或励仲裁覆狎）蹙决多 个部件同时申请总线时的使用权分配问题， 分为 集中式和分布式两种，前者将控制逻辑集中在一 处（如在CPU中）,后者将控制逻辑分散在与总 线连接电至郃件或设甬上 f 常见的集中式总线控制有三种：链式查询、计数器定时查询、独立请求；特点:,链式津型方邛阵线他单二组

24、于犷允,一 对电路故障最敏感；计数器定时查询方式优先级 设置较灵活对故障不敏感，连线及控制过程较 复杂；独立请求方式速度最快，但硬件器件用量 大，连线多，成术较高。3.5 解释下列概念：总线宽度、总线带宽、总线复用、总线的主设备（或主模块）、 总线的从设备（或从模块）、总线的传输周期和总线的通信控制解星线宽度溥H指数强总线的根藜;I、总线带宽：总线的数据传输率，指单位时间 内总线上传输数据的位数；总线复用：指同一条信号线可以分时传输不 同的信号。:指一次总线传输期总线的主设备(主模块八间，拥隹邕线丹啊瞰备(怏却，总线的从设备(从模块)：指一次总线传输期 间J配合主设备完成数据传输的设备(模块)

25、 它只能被或壕受主设雷发来响令；, 总线的传输周期：指总线完成一次完整而可总线的通信控制：指总线传送过程中双方的 时间配合方式。3.6 试比较同步通信和异步通信。解上同步通，信L指南言双方省统一町标拴制 数据传送的通信？控制方式简单，灵活性差，当 系统中各部件工作速度差异较大叱总线工作效 率明显下降。适合于总线长度较短、各部件存取 时间比较一致的场合。日止潮乏指没有纯川钟管制煦邂贪部一 幻二二覆小二三、三工"控制方式较同戈复 杂，灵活性高？当系统中各部件工作速度差异较 大时，有利于提高总线工作效率件间采用应答方式进行联系3.7 画图说明异步通信中请求与回答有哪几种互锁关系？请求回答请

26、求一回答解：有三种：不互锁方式、半互锁方式和全 互锁方式。(b)半互锁(a)不互锁(c)全互锁图3.2异步通信中请求与回答的几种互锁关系3.8 为什么说半同步通信同时保留了同步通信和异步通信的特点？，解；并同步承值里能像，同我画言那柱由邹一时钟控制，又能像异步通信那样允许传输时间不一致，因此工作效率介于两者之间。3.9 分离式通信有何特点，主要用于什么系统？解：（1）各模块欲占用总线使用权都必须提 出市请，（2。在得别段线使用权后%主怏挑住限定的 时间内向对方传送信息，米用同步方式传送，不 再等待对方的回答信号；（3）各模块在准备数据的过程中都不占用总 线，使总线可接受其他模块的请求；（4）肩

27、线被"!时都在财吸工作，或食 过它发送命令，或者通过它传送数据？不存在空 闲等待时间：充分地利用了总线的有效占用，从 西实现了后线在多个主、丛怏史间进行值息辽 重叠并行式传送，这对大型计算机系统是极为重 要的。3.10 什么是总线标准？为什么要设置总线标准？你知道目前流行的总线标准有 哪些？什么叫plug and play ?哪些总线有这一特点？解：所谓总线标准大可视为系统与各模块、 模块与模块之间的一个互连的标准界面。总线标准的设置主要解决不同厂家各类模块 化产品的兼容问题；目前流行的总线标准有：ISA、EISA、PCI 等；olugAtand play :即插即用，EISA、PCI 等具3.11 画一个具有双向传送功能的总线逻辑图图3.3具有双向传送功能的总线逻辑图3.12 设数据总线上接有 A B、C、D四个寄存器，要求选用合适的74系列芯片, 完成下列逻辑设计：(1)设计一个电路，在同一时间实现 A