计算机组成原理课后习题及答案-唐朔飞(完整版)

计算机组成原理课后习题及答案这是一本详细的计算机组成原理课后习题集,包含完整的答案解析。它可以帮助学生深入理解课程中的关键概念,巩固所学知识。SabySadeeqaalMirza计算机系统概述本章将全面介绍计算机系统的组成和分类,以及计算机系统的性能指标和发展历程。通过学习这一章,读者可以对计算机系统有一个整体的认知,为后续章节的学习奠定良好的基础。1.1计算机系统的组成硬件计算机系统的硬件包括中央处理器(CPU)、内存、输入设备和输出设备等。这些硬件部件协同工作,执行各种计算和信息处理任务。软件计算机系统的软件包括操作系统、各种应用程序和系统工具。软件为硬件提供指挥和控制,使计算机能够完成各种功能。人员计算机系统需要由人员进行管理和维护,包括系统分析师、程序员、操作人员等。人员是计算机系统不可或缺的组成部分。计算机系统的分类按功能分类计算机系统可以分为通用计算机和专用计算机。通用计算机可以处理各种类型的数据和程序,而专用计算机则针对特定的任务和应用进行优化。按规模分类计算机系统可以按照规模大小分为超级计算机、大型计算机、中型计算机、小型计算机和微型计算机。它们在处理能力、存储容量和价格等方面存在显著差异。按结构分类计算机系统可以分为集中式结构和分布式结构。集中式结构下,所有资源集中在一台主机上,而分布式结构则将资源分散在多台计算机上。计算机系统的性能指标1处理速度衡量计算机处理数据的能力，通常用MIPS(每秒百万条指令)或FLOPS(每秒浮点运算次数)来表示。2存储容量主内存和辅助存储器的存储能力，决定了系统可处理的数据量。3可靠性系统运行的稳定性和抗干扰能力，通常用MTBF(平均无故障时间)来衡量。4可扩展性系统硬件和软件的可升级性，可以满足不同用户的需求。计算机系统的发展历程1机械时代最早的计算机是基于机械装置的,如帕斯卡计算机和莱布尼茨计算机,它们使用齿轮和旋转轴来执行简单的计算任务。2电子时代1930年代开始出现使用电子管的电子计算机,如艾尼亚克的ENIAC,这些计算机体积庞大,功耗高,但运算速度快于机械计算机。3集成电路时代1960年代出现集成电路技术,使计算机变得更小、更便携和更实用。这一时期出现了第一台个人电脑和微型计算机。4微处理器时代1970年代英特尔推出第一款微处理器,计算机进入了高度集成化和小型化的时代,从此掀起了个人电脑革命。数据的表示和运算本章将介绍计算机如何表示和处理各种类型的数据,包括数制转换、数值运算以及编码方式等。这些是理解计算机系统工作原理的基础知识。2.1数制及其转换1十进制十进制是最常用的数制，包含0到9共10个数字。它适用于日常生活和大多数计算机系统。2二进制二进制是计算机系统的基础数制，只包含0和1两个数字。二进制数可以被直接转换为电子信号。3八进制和十六进制八进制包含0到7共8个数字,十六进制包含0到9以及A到F共16个数字。它们可以用于简化二进制数的表达。4进制转换不同进制之间可以通过乘除法和查表法进行相互转换,以满足计算机系统的数据处理需求。数的运算1加法与减法将同种数制的数字对应相加或相减即可得到结果。需注意在不同数制之间进行运算时需要先进行进制转换。2乘法与除法在进行乘法和除法运算时需要重点关注乘数和除数的数制。可以通过先转换成同种数制再进行运算来获得最终结果。3取反与移位对数字进行取反和移位运算可以快速实现某些逻辑运算。这些操作对于计算机内部的数据处理非常有用。4溢出与舍入在执行数值运算时需要特别注意数值的表示范围,避免因为溢出而导致结果出现错误。同时还要考虑舍入误差的影响。定点数和浮点数1定点数表示定点数是用固定数目的位来表示整数和小数部分的数字。它可以精确地表示数值,但是受限于表示范围。2浮点数表示浮点数采用指数形式表示,可以表示更大范围的数值,但精度相对较低。它由符号、指数和尾数三部分组成。3运算特性定点数运算简单,但存在溢出和舍入误差。浮点数运算相对复杂,但可以表示更广泛的数值范围。4应用场景定点数常用于固定精度要求的场合,如货币计算。浮点数则更适用于需要广泛数值范围的科学计算。编码方式1二进制编码使用只有0和1两个数字的二进制码来表示信息,是计算机系统中最基本的编码方式。它简单高效,适合计算机硬件的电子信号特性。2ASCII编码一种广泛使用的字符编码标准,可以表示英文字母、数字和常用符号,为计算机信息交换奠定了基础。3Unicode编码一种更加全面的编码体系,可以表示全世界所有语言的字符,成为当前主流的国际字符编码标准。4其他编码还有一些特殊用途的编码,如BCD码、格雷码等,适用于特定的应用场景。存储系统存储系统是计算机系统中用于存储和保存数据的重要组成部分。它包括主存储器和辅助存储器两大类,具有不同的性能特点和应用领域。了解存储系统的分类、特点和工作原理,有助于更好地掌握计算机系统的整体架构。计算机存储系统的分类1主存储器主存储器是计算机系统中最基本和最重要的存储系统,用于存储程序指令和数据,可直接被CPU访问。主存通常采用半导体存储器技术,如DRAM和SRAM。2辅助存储器辅助存储器用于存储大量数据和程序,容量大但访问速度较慢。常见的辅助存储器包括硬盘驱动器(HDD)和固态硬盘(SSD)。3缓存存储器缓存存储器位于CPU和主存之间,用于暂存常用的指令和数据,提高CPU访问速度。常见的缓存包括L1缓存、L2缓存和L3缓存。4虚拟存储器虚拟存储器是一种利用硬盘等辅助存储器模拟出的大容量逻辑存储空间,为用户提供了更大的可用存储空间。3.2主存储器1主存储器类型主存储器分为随机存取存储器(RAM)和只读存储器(ROM)两大类,前者可读写,后者只可读。RAM可进一步分为动态RAM(DRAM)和静态RAM(SRAM)。2主存容量与访问速度现代计算机主存容量可达数十GB,访问速度也越来越快,以配合CPU的高速运行。主存是CPU与外围设备之间的中介。3主存层次结构为了缓解主存与CPU速度差异,计算机系统通常采用多级缓存存储器的层次结构设计,如L1、L2和L3缓存。4主存储器容错技术为提高可靠性,主存通常采用校验位或纠错码等容错技术,可检测和纠正一定范围内的存储错误。辅助存储器磁性存储设备包括硬盘驱动器(HDD)和软盘驱动器,利用磁性介质进行数据存储,具有大容量和非易失性特点。光学存储设备如CD-ROM、DVD-ROM和蓝光光盘,通过激光束对光敏介质进行读写,可实现大容量和随机访问。固态存储设备包括固态硬盘(SSD)和U盘等,采用闪存芯片进行数据存储,速度快、耐震性强、可靠性高。磁光存储设备利用磁光效应实现数据存储和读写,具有大容量、高密度和快速访问的特点。存储器层次结构1多级存储器计算机系统采用多级存储器结构,包括寄存器、高速缓存、主存储器和辅助存储器等不同层次的存储器,形成存储器层次结构。2性能与成本权衡存储器层次结构设计的目标是平衡存储性能和成本,较快速的存储器层次较为昂贵,而较慢速的存储器层次较为廉价。3存储器层次优化通过缓存技术和虚拟存储技术等手段,可以优化存储器层次结构,提高整体系统的性能和可扩展性。4存储器层次管理操作系统负责管理计算机的存储器层次结构,确保数据和程序能够高效地在不同层次存储器之间传输。指令系统计算机系统的核心部件是中央处理器(CPU)。而CPU的关键组成部分是指令系统,它决定了计算机能够执行什么样的指令。本章将详细介绍指令的格式、寻址方式、设计原则,以及指令流水线技术。4.1指令的格式1标准指令格式典型的标准指令格式包括操作码、寄存器地址、立即数等字段,用于描述指令的功能和参数。2机器指令的编码机器指令需要编码为二进制的比特串,以便CPU可以解读和执行。编码方式包括定长编码和变长编码。3指令格式的设计在设计指令格式时,需考虑指令的功能、代码密度、寻址方式等因素,以提高整体系统性能。4典型指令格式举例如LOAD、ADD、JMP等常见指令,其格式各有不同,反映了不同的功能需求。4.2指令的寻址方式1存储器寻址通过指定存储单元的地址来访问数据和指令,是最基本的寻址方式。可以使用直接地址、间接地址等方式。2立即寻址将操作数直接嵌入到指令中,不需要访问存储器即可获取数据。这种方式计算速度快,但灵活性较低。3寄存器寻址从CPU内部的寄存器中读取数据,不需要访问存储器。这种方式访问速度快,但寄存器数量有限。4索引寻址通过计算基地址加上索引值的方式访问存储单元,适用于处理数组等数据结构。指令系统的设计1指令格式指令系统的设计需要确定指令的格式,包括操作码、地址码和数据码等各个字段的长度。这决定了指令系统的编码方式和执行效率。2寻址方式设计指令系统时需要考虑不同的寻址方式,如立即寻址、直接寻址和间接寻址等,以满足程序设计的需求。3指令集架构指令系统的设计要确定指令集架构,如CISC(复杂指令集)或RISC(精简指令集),以达到性能和成本的最佳平衡。4指令流水线指令系统的设计还要考虑如何实现指令流水线,以提高CPU的执行效率。这涉及到指令的取、译、执、访存和写回等阶段。指令流水线1串行执行传统的处理器采用串行执行指令的方式,即在一个指令执行完毕后才能开始执行下一个指令。这种执行方式效率较低。2指令流水线指令流水线将指令的执行过程划分为多个阶段,各个阶段可以并行执行不同的指令,提高了指令执行效率。3流水线阶段一般包括取指令、指令译码、执行操作、访问存储器和写回结果等阶段。每个阶段都是独立的硬件单元,可以同时处理不同的指令。4流水线优化通过优化流水线的结构和控制机制,可以进一步提高处理器的执行效率和吞吐量。中央处理器中央处理器是计算机系统的核心部件,负责执行指令并协调整个系统的工作。本节将深入探讨CPU的基本结构和功能,包括控制单元和算术逻辑单元等重要组成部分。5.1CPU的结构1中央处理器(CPU)核心组成CPU由控制单元、算术逻辑单元和存储器接口三大部分组成，负责整个计算机系统的运算和控制。2控制单元控制单元负责解码指令并生成相应的控制信号,协调各部件之间的工作。3算术逻辑单元(ALU)算术逻辑单元执行各种算术和逻辑运算,如加减乘除、与或非等操作。4存储器接口存储器接口负责CPU与内存之间的数据传输和地址寻址。控制单元1指令解码控制单元负责解读从主存读取的指令,识别出指令的操作码和地址码等关键信息。2执行控制控制单元协调CPU内部各部件的工作,确保指令能按正确的顺序执行。3时序控制控制单元生成各种时钟信号,协调整个计算机系统的运行节奏。4状态控制控制单元监控CPU运行状态,根据条件指令决定下一步操作。5.3算术逻辑单元1基本功能算