计算机组成原理课后习题参考答案

计算机组成原理答案

第一章计算机系统概论

1.比较数字计算机和模拟计算机的特点。

解：模拟计算机的特点：数值由连续量来表示，运算过程是连续的；

数字计算机的特点：数值由数字量（离散量）来表示，运算按位进行。

两者主要区别见P1表l.lo

2.数字计算机如何分类？分类的依据是什么？

解：分类：数字计算机分为专用计算机和通用计算机。

通用计算机又分为巨型机、大型机、中型机、小型机、微型机和单片机六类。

分类依据：专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划

分的。通用机的分类依据主要是体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、指令

系统规模和机器价格等因素。

4.冯.诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？它包括哪些主要组成部分？

解：冯.诺依曼型计算机的主要设计思想是：存储程序和程序控制。

存储程序：将解题的程序（指令序列）存放到存储器中；

程序控制：控制器顺序执行存储的程序，按指令功能控制全机协调地完成运算任务。

主要组成部分有：（控制器、运算器）（CPU的两部分组成）、存储器、输入设备、输出

设备（I/O设备）。

5.什么是存储容量？什么是单元地址？什么是数据字？什么是指令字？

解：存储容量：指存储器可以容纳的二进制信息的数量，通常用单位KB、MB、GB来度量,

存储容量越大，表示计算机所能存储的信息量越多，反映了计算机存储空间的大小。

单元地址：简称地址，在存储器中每个存储单元都有唯一的地址编号，称为单元地址。

数据字：若某计算机字是运算操作的对象即代表要处理的数据，则称数据字。

指令字：若某计算机字代表一条指令或指令的一部分，则称指令字。

6.什么是指令？什么是程序？

解：指令：计算机所执行的每一个基本的操作。

程序：解算某一问题的一串指令序列称为该问题的计算程序，简称程序。

7.指令和数据均存放在内存中，计算机如何区分它们是指令还是数据？

解：一般来讲，在取指周期中从存储器读出的信息即指令信息；而在执行周期中从存储器中

读出的信息即为数据信息。

8.什么是内存？什么是外存？什么是CPU?什么是适配器？简述其功能。

解：内存：又称主存（主存储器，内存储器）一般由半导体存储器构成，装在底版上，可直

接和CPU交换信息的存储器称为内存储器，简称内存。用来存放经常使用的程序和数据。

外存：为了扩大存储容量，又不使成本有很大的提高，在计算机中还配备了存储容量更大的

磁盘存储器和光盘存储器，称为外存储器，简称外存。外存可存储大量的信息，计算机需要

使用时，再调入内存。

CPU：包括运算器和控制器。基本功能为：指令控制、操作控制、时间控制、数据加工。

适配器：连接主机和外设的部件，起一个转换器的作用，以使主机和外设协调工作。

9.计算机的系统软件包括哪几类？说明它们的用途。

解：系统软件包括：(1)服务程序：诊断、排错等(2)语言程序：汇编、编译、解释等

(3)操作系统(4)数据库管理系统

用途：用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功

能及用途。

11.现代计算机系统如何进行多级划分？这种分级观点对计算机设计会产生什么影响？

解：多级划分图见P16图1.6。可分为：微程序设计级、一般机器级、操作系统级、汇编语

言级和高级语言级。

用这种分级的观点来设计计算机，对保证产生一个良好的系统结构是有很大帮助的。

第二章运算方法和运算器习题参考答案

1.写出下列各数的原码、反码、补码、移码表示(用8位二进制数)。其中MSB是最高位

(又是符号位)LSB是最低位。如果是小数，小数点在MSB之后；如果是整数，小数点在

LSB之后。

(1)-35/64(2)23/128(3)-127(4)用小数表示-1(5)用整数表示-1

解：(1)先把十进制数-35/64写成二进制小数：

(-35/64)10=(-100011/1000000)2=(-100011X2-110)2=(-0.100011)2

令x=-0.100011B

冈原=1.1000110(注意位数为8位)［x］反=1.0111001

［x］补=1.0111010［x］移=0.0111010

(2)先把十进制数23/128写成二进制小数：

(23/128)10=(10111/10000000)2=(10111X2-111)2=(0.0001011)2

令x=0.0001011B

二［x］原=0.0001011［x］反=0.0001011

［x］补=0.0001011［x］移=1.0001011

(3)先把十进制数-127写成二进制小数：

(-127)10=(-1111111)2

令x=-lllHUB

［x］原=1.1111111［x］反=1.0000000

［x］补=1.0000001［x］移=1.0000001

(4)4-x=-1.000000B

...原码、反码无法表示

［x］补=1.0000000［x］移=0.0000000

(5)令Y=-l=-0000001B

:.［Y］原=10000001［Y］反=11111110

［Y］补=11111111［Y］移=01111111

2.设值］补=20,al,a2…a6,其中ai取0或1,若要x>-0.5,求a0,al,a2,…，a6的取

值。

解:a0=1,al=0,a2,…，a6=l…1。

3.有一个字长为32位的浮点数，阶码10位(包括1位阶符)，用移码表示；尾数22位(包

括1位尾符)用补码表示，基数R=2。请写出：

(1)最大数的二进制表示；

(2)最小数的二进制表示；

(3)规格化数所能表示的数的范围；

(4)最接近于零的正规格化数与负规格化数。

解：⑴11111111110111111111111111111111

(2)11111111111000000000000000000000

(3)11111111110111111111111111111111—01111111111000000000000000000000

(4)000(X)000000000000000000000000001〜00000000001111111111111111111111

4.将下列十进制数表示成浮点规格化数，阶码3位，用补码表示；尾数9位，用补码表示。

(1)27/64

(2)-27/64

解：⑴27/64=11011BX=O.O11011B=O.11011BX

浮点规格化数:11110110110000

(2)-27/64=-11011BX=-0.011011B=-0.11011BX

浮点规格化数:11111001010000

5.已知X和Y,用变形补码计算X+Y,同时指出运算结果是否溢出。

(1)X=0.11011Y=0.00011

(2)X=0.11011Y=-0.10101

(3)X=-0.10110Y=-0.00001

解：(1)先写出x和y的变形补码再计算它们的和

[x]补=00.11011[y]补=00.00011

[x+y-[x]补+[y]补=0011011+00.00011=0.11110

:.x+y=0.1111B无溢出。

(2)先写出x和y的变形补码再计算它们的和

[x]补=00.11011[y]补=11.01011

民+丫]补=区补+[y]补=00.11011+11.01011=00.00110

二x+y=0.0011B无溢出。

(3)先写出x和y的变形补码再计算它们的和

[x]补=11.01010[y]补=11.11111

[x+y]^=[x]1h+[y]#=l1.01010+11.11111=11.01001

:.x+y=-0.1011IB无溢出

6.已知X和Y,用变形补码计算X-Y,同时指出运算结果是否溢出。

(l)X=0.11011Y=-0.11111

(2)X=0.10111Y=0.11011

(3)X=0.11011Y=-0.10011

解：(1)先写出x和y的变形补码，再计算它们的差

|x]补=00.11011[y]补=11.00001[-y]补=00.11111

[x-y]补=区补+[-y]补=00.11011+00.11111=01.11010

•••运算结果双符号不相等/.为正溢出

X-Y=+1.1101B

(2)先写出x和y的变形补码，再计算它们的差

[x]补=00.10111[y]补=00.11011[-y]补=11.00101

[x-y]#=00.10111+11.00101=11.11100

x-y=-0.001B无溢出

(3)先写出x和y的变形补码，再计算它们的差

[X]补=00.HOU[y]#=11.01101[-y]#=00.10011

[x-y]补=因补+[-y]补=00.11011+00.10011=01.01110

•.•运算结果双符号不相等为正溢出

X-Y=+1.01UB

7.用原码阵列乘法器、补码阵列乘法器分别计算XXY。

(1)X=0.11011Y=-0.11111

(2)X=-0.11111Y=-0.11011

解：(1)用原码阵列乘法器计算：

[x]补=0.11011[y]补=1.00001

(0)11011

X)(l)00001

(0)11011

(0)00000

(0)00000

(0)00000

(0)00000

(0)⑴⑴(0)(1)(1)

(1)0010111011

[xXy]补=1.0010111011

xXy=-0.1101000101

8.用原码阵列除法器计算X+Y。

(1)X=0.11000Y=-0.11111

(2)X=-0.01011Y=0.11001

解：(1)因原=[x]补=0.11000[-|y|]补=1.00001

被除数X0.11000

+[-IyI]补1.00001

余数为负1.11001--q0=0

左移1.10010

+[|y|]补0.11111

余数为正0.10001-*ql=l

左移1.00010

+[-|y|]补1.00001

余数为正0.00011fq2=l

左移0.00110

+1Ty|]补i.ooooi

余数为负1.00111fq3=0

左移0.01110

+及|]补0.11111

余数为负1.01101-q4=0

左移0.11010

+[|y]]补0.11111

余数为负1.11001fq5=0

+[|y]]补0.11111

余数0.11000

故收+丫］原=1.11000即x4-y=-0.11000B

余数为0.11000BX

9.设阶为5位（包括2位阶符），尾数为8位（包括2位数符），阶码、尾数均用补码表示，完成

下列取值的［X+Y］,［X-Y］运算：

(1)X=X0.l00101Y=X(-0.01U10)

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

解:(1)将y规格化得：y=X(-0.111100)

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

①对阶

［AE^k=［Ex］补+［-Ey］补=1101+0011=0000

Ex=Ey

②尾数相加

相加相减

00.10010100.100101

+11.000100+00.111100

11.10100101.100001

［x+y］浮=1101,11.101001左规［x+y］浮=1100,11.010010

x+y=X(-0.101110)

［x-y］浮=1101,00100001右规［x-y］浮=1110,00.1100001

舍入处理得［x-y］浮=1110,00.110001

x-y=X0.110001

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

①对阶

［AE］补=［Ex］补+［-Ey］补=1011+0100=1111

:.△£=」［x］浮=1100,11.110101(0)

②尾数相加

相加相减

11.110101(0)11.110101(0)

+00.010110+11.101010

00.001011(0)11.011111(0)

[x+y]7?=l100,00.001011(0)左规[x+y]7?=1010,00.1011000

.・.x+y=X0.1011B

[x-y]浮=1100,11.011111(0)

...x-y=X(-0.100001B)

13.某加法器进位链小组信号为C4C3C2C1,低位来的信号为C0,请分别按下述两种方

式写出C4C3C2C1的逻辑表达式。

(1)串行进位方式(2)并行进位方式

解：(1)串行进位方式:

Cl=G1+P1C0其中：G1=A1Bl,Pl=AieBl

C2=G2+P2C1G2=A2B2,P2=A2㊉B2

C3=G3+P3C2G3=A3B3,「3=人3㊉83

C4=G4+P4C3G4=A4B4，P4=A4㊉B4

(2)并行进位方式:

Cl=G1+P1CO

C2=G2+P2G1+P2P1CO

C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2PlCO

C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1+P4P3P2PlCO

其中G1-G4,P1-P4表达式与串行进位方式相同。

14.某机字长16位，使用四片74181组成ALU,设最低位序标注为0位，要求：

（1）写出第5位的进位信号C6的逻辑表达式；

（2）估算产生C6所需的最长时间；

（3）估算最长的求和时间。

解：（1）组成最低四位的74181进位输出为：C4=G+PC0,CO为向第0位的进位

其中：G=y3+x3y2+x2x3y1+x1x2x3y0,P=xOx1x2x3

所以：C5=y4+x4C4

C6=y5+x5C5=y5+x5y4+x5x4C4

（2）设标准门延迟时间为T,"与或非”门延迟时间为L5T,则进位信号CO由最低位

传送至C6需经一个反相器，两级"与或非"门，故产生C6的最长延迟时间为：

T+2X1.5T=4T

（3）最长求和时间应从施加操作数到ALU算起：第一片74181有3级"与或非"门（产

生控制参数xO,yOCn+4）,第二、第三片74181共2级反相器和2级"与或非"门（进位链）,

第四片74181求和逻辑（1级”与或非”门和1级半加器，其延迟时间为3T）,故总的加法时

间为：

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

17.设A,B,C是三个16位的通用寄存器，请设计一个16位定点补码运算器，能实现下

述功能：

（1）A±BfA

（2）BXC-A,C（高位积在寄存器A中）

（3）A+BfC（商在寄存器C中）

解：设计能完成加、减、乘、除运算的16位定点补码运算器框图。

分析各寄存器作用:

加减乘除

A被加数f和同左初始为0被除数f余数

部分积一乘积（H）除数

B加数同左被乘数

C乘数f乘积（L）商

A：累加器（16位）,具有输入、输出、累加功能及双向移位功能;

B：数据寄存器（16位），具有输入、输出功能;

C：乘商寄存器（16位），具有输入、输出功能及双向移位功能。

画出框图:

第三章存储系统习题参考答案

1.有一个具有20位地址和32位字长的存储器，问：

（1）该存储器能存储多少个字节的信息？

（2）如果存储器由512Kx8位SRAM芯片组成，需要多少芯片？

（3）需要多少位地址作芯片选择？

解：⑴V220=1M,，该存储器能存储的信息为：1MX32/8=4MB

(2)(1000/512)X(32/8)=8(片)

(3)需要1位地址作为芯片选择。

2.已知某64位机主存采用半导体存储器，其地址码为26位，若使用256Kxi6位的DRAM

芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用模块板结构形式，问：

(1)每个模块板为1024Kx64位，共需几个模块板？

(2)个模块板内共有多少DRAM芯片？

(3)主存共需多少DRAM芯片？CPU如何选择各模块板？

解：(1).共需模块板数为m：

m=+=64(块)

(2).每个模块板内有DRAM芯片数为n:

n=(/)X(64/16)=16(片)

(3)主存共需DRAM芯片为：16X64=1024(片)

每个模块板有16片DRAM芯片-，容量为1024Kx64位，需20根地址线(A19~A0)

完成模块

板内存储单元寻址。一共有64块模块板，采用6根高位地址线(A25~A20),通

过

6：64译码器译码产生片选信号对各模块板进行选择。

3.用16Kx8位的DRAM芯片组成64Kx32位存储器，要求：

(1)画出该存储器的组成逻辑框图。

(2)设存储器读/写周期为0.5US,CPU在1US内至少要访问一次。试问采用哪种刷新方式

比较合理？两次刷新的最大时间间隔是多少？对全部存储单元刷新一遍所需的实际刷新时

间是多少？

解：(1)组成64Kx32位存储器需存储芯片数为

N=(64K/16K)X(32位/8位)=16(片)

每4片组成16Kx32位的存储区，有A13-A0作为片内地址，用Al5A14经2：4

译码器产生片选信号，逻辑框图如下所示：

(2)依题意，采用异步刷新方式较合理，可满足CPU在1US内至少访问内存一次的要

求。

设16Kx8位存储芯片的阵列结构为128行X128歹U，按行刷新，刷新周期T=2ms,

则异步

刷新的间隔时间为：

则两次刷新的最大时间间隔发生的示意图如下

可见，两次刷新的最大时间间隔为tmax

tmax=15.5-0.5=15(US)

对全部存储单元刷新一遍所需时间为tR

tR=0.5X128=64(uS)

7.某机器中，已知配有一个地址空间为0000H-3FFFH的ROM区域。现在再用一个RAM

芯片(8KX8)形成40KX16位的RAM区域，起始地址为6000H,假定RAM芯片有和信号控

制端。CPU的地址总线为A15-A0,数据总线为D15-D0,控制信号为R/(读/写)，(访存)，

要求：

(1)画出地址译码方案。

(2)将ROM与RAM同CPU连接。

解：(1)依题意，主存地址空间分布如右图所示，可选用2片27128(16KX8位)的EPROM

作为

ROM区；10片的8KX8位RAM片组成40Kxi6位的RAM区。27128需14位片内地址，

而RAM需13位

片内地址，故可用A15-A13三位高地址经译码产生片选信号，方案如下:

(2)

8.存储器容量为64M,字长64位，模块数m=8,分别用顺序方式和交叉方式进行组织。

存储周期T=100ns,数据总线宽度为64位，总线周期T=10ns.问顺序存储器和交叉存储器

的带宽各是多少？

解：信息总量：q=64位X8=512位

顺序存储器和交叉存储器读出8个字的时间分别是：

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

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

顺序存储器带宽是：

W2=q/t2=512+(8X10)=64X10(位/S)

交叉存储器带宽是：

Wl=q/tl=512+(1.7X10)=301X10(位/S)

9.CPU执行一段程序时,cache完成存取的次数为2420次，主存完成存取的次数为80

次，已知cache存储周期为40ns,主存存储周期为240ns,求cache/主存系统的效率和平均

访问时间。

解：先求命中率h

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

则平均访问时间为ta

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

r=240+40=6

cache/主存系统的效率为e

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

10.已知Cache存储周期40ns,主存存储周期200ns,Cache/主存系统平均访问时间为50ns,

求Cache的命中率是多少？

解：Vta=tcXh+trX(l-h)

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

11.主存容量为4MB,虚存容量为1GB,则虚存地址和物理地址各为多少位？如页面大小

为4KB,则页表长度是多少？

解：已知主存容量为4MB,虚存容量为1GB

=4M,物理地址为22位

又=1G虚拟地址为30位

页表长度为1GB+4KB=230+212=218=256K

14.假设主存只有a,b,c三个页框，组成a进c出的FIFO队列，进程访问页面的序列是

0,1,2.4,2,3,0,2,1.3,2号。用列表法求采用LRU替换策略时的命中率。

解：

.♦.命中率为

15.从下列有关存储器的描述中，选择出正确的答案：

A.多体交叉存储主要解决扩充容量问题；

B.访问存储器的请求是由CPU发出的；

C.Cache与主存统一编址，即主存空间的某一部分属于Cache;

D.Cache的功能全由硬件实现。

解：D

16.从下列有关存储器的描述中，选择出正确的答案：

A.在虚拟存储器中，外存和主存一相同的方式工作，因此允许程序员用比主存空间大得

多的外存空间编程；

B.在虚拟存储器中，逻辑地址转换成物理地址是由硬件实现的，仅在页面失效时才由操

作系统将被访问页面从外存调到内存，必要时还要先把被淘汰的页面内容写入外存；

C.存储保护的目的是：在多用户环境中，既要防止一个用户程序出错而破坏系统软件或

其他用户程序，又要防止一个用户访问不是分配给他的主存区，以达到数据安全和保

密的要求。

解：C

第四章指令系统习题参考答案

1.ASCII码是7位，如果设计主存单元字长为32位，指令字长为12位，是否合理？为什

么？

解：指令字长设计为12位不是很合理。主存单元字长为32位，一个存储单元可存放4个

ASCH码,

余下4位可作为ASCH码的校验位（每个ASCH码带一位校验位），这样设计还是合理

的。

但是，设计指令字长为12位就不合理了，12位的指令码存放在字长32位的主存单元

中,

造成19位不能用而浪费了存储空间。

2.假设某计算机指令长度为20位，具有双操作数、单操作数、无操作数三类指令形式，每

个操作数地址规定用6位表示。问：

若操作码字段固定为8位，现已设计出m条双操作数指令，n条无操作数指令，在此情况下，

这台计算机最多可以设计出多少条单操作数指令？

解：这台计算机最多可以设计出256-m-n条单操作数指令

3.指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。

解：指令格式及寻址方式特点如下：

①单字长二地址指令；

②操作码OP可指定=64条指令；

③RR型指令，两个操作数均在寄存器中，源和目标都是通用寄存器（可分别指定16

个寄存器

之一）；

④这种指令格式常用于算术逻辑类指令。

4.指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。

解：指令格式及寻址方式特点如下：

①双字长二地址指令；

②操作码OP可指定=64条指令；

③RS型指令，两个操作数一个在寄存器中（16个寄存器之一），另一个在存储器中；

④有效地址通过变址求得：E=（变址寄存器）土D,变址寄存器可有16个。

5.指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。

解：指令格式及寻址方式特点如下：

①单字长二地址指令；

②操作码0P可指定=16条指令；

③有8个通用寄存器，支持8种寻址方式；

④可以是RR型指令、SS型指令、RS型指令、

6.一种单地址指令格式如下所示，其中1为间接特征，X为寻址模式，D为形式地址。I,

X,D组成该指令的操作数有效地址E。设R为变址寄存器，R1为基值寄存器，PC为程序

计数器，请在下表中第一列位置填入适当的寻址方式名称。

解：①直接寻址

②相对寻址

③变址寻址

④基址寻址

⑤间接寻址

⑥基址间址寻址

7.某计算机字长16位，主存容量为64K字，采用单字长单地址指令，共有40条指令，试

采用直接、立即、变址、相对四种寻址方式设计指令格式。

解：40条指令需占用操作码字段（OP）6位，这样指令余下长度为10位。为了覆盖主存640K

字的地

址空间，设寻址模式（X）2位，形式地址（D）8位，其指令格式如下：

寻址模式定义如下：

X=00直接寻址有效地址E=D（直接寻址为256个存储单元）

X=01立即寻址D字段为操作数

X=10变址寻址有效地址E=（RX）+D（可寻址64K个存储单元）

X=11相对寻址有效地址E=（PC）+D（可寻址64K个存储单元）

其中RX为变址寄存器（16位），PC为程序计数器（16位），在变址和相对寻址时，位

移量D可正可负。

8.某机字长为32位，主存容量为1M,单字长指令，有50种操作码，采用页面寻址、立即、

直接等寻址方式。CPU中有PC,IR,AR,DR和16个通用寄存器，页面寻址可用PC高位

部分与形式地址部分拼接成有效地址。问：

（1）指令格式如何安排？

（2）主存能划分成多少页面？每页多少单元？

（3）能否增加其他寻址方式？

解：（1）依题意，指令字长32位，主存1M字，需20位地址A19-A0。50种操作码，需6

位OP,指令

寻址方式Mode为2位，指定寄存器Rn需4位。设有单地址指令、双地址指令和

零地址指

令，现只讨论前二种指令。

单地址指令的格式为：

Mode=00时为立即寻址方式，指令的23-0位为立即数；

Mode=01时为直接寻址方式，指令的19—0位为有效地址。

双地址指令的格式为：

Mode1=01时为寄存器直接寻址方式，操作数S=（Rn）；

Model=ll时为寄存器间址寻址方式，有效地址E=（Rn）。

Mode2=00时为立即寻址方式，指令的13-0位为立即数;

Mode2=01时为页面寻址方式；

Mode2=10时为变址寻址方式，E=(Rn)+D；

Mode2=ll时为变址间址寻址方式,E=((Rn)+D)。

(2)由于页面寻址方式时，D为14位，所以页面大小应为=16K字，则1M字可分为

=64个页面。可由PC的高6位指出页面号。

(3)能增加其它寻址方式，例上述间址方式、变址间址寻址方式。

14.从以下有关RISC的描述中，选择正确答案。

A.采用RISC技术后，计算机的体系结构又恢复到早期的比较简单的情况。

B.为了实现兼容，新设计的RISC,是从原来CISC系统的指令系统中挑选一部分实现的。

C.RISC的主要目标是减少指令数，提高指令执行效率。

D.RISC设有乘、除法指令和浮点运算指令。

解：C

15.根据操作数所在位置，指出其寻址方式(填空)：

(1)操作数在寄存器中，为(A)寻址方式。

(2)操作数地址在寄存器，为(B)寻址方式。

(3)操作数在指令中，为(C)寻址方式。

(4)操作数地址(主存)在指令中，为(D)寻址方式

(5)操作数的地址，为某一寄存器内容与位移量之和可以是(E,F,G)寻址方式.

解：A：寄存器直接；B：寄存器间接；C：立即；

D：直接;E：相对;F：基值；G：变

第五章中央处理器习题参考答案

1.请在括号内填入适当答案。在CPU中：

(1)保存当前正在执行的指令的寄存器是(指令寄存器IR)；

(2)保存当前正要执行的指令地址的寄存器是(程序计数器PC)；

(3)算术逻辑运算结果通常放在(通用寄存器)和(数据缓冲寄存器DR)。

2.参见下图(课本P166图5.15)的数据通路。画出存数指令"STAR1,(R2)"的指令周期

流程图，其含义是将寄存器R1的内容传送至(R2)为地址的主存单元中。标出各微操

作信

号序列。

解："STAR1,(R2)”指令是一条存数指令，其指令周期流程图如下图所示：

3.参见课本P166图5.15的数据通路，画出取数指令"LDA(R3),RO”的指令周期流程图，

其含义是将(R3)为地址的主存单元的内容取至寄存器R0中，标出各微操作控制信号序

列。

5.如果在一个CPU周期中要产生3个脉冲Tl=200ns,T2=400ns,T3=200ns,试画出

时序产生器逻辑图。

解：节拍脉冲Tl,T2,T3的宽度实际等于时钟脉冲的周期或是它的倍数，此时T1=T3

=200ns,

T2=400ns,所以主脉冲源的频率应为f=l/Tl=5MHZ。为了消除节拍脉冲上的毛

刺，环

型脉冲发生器可采用移位寄存器形式。下图画出了题目要求的逻辑电路图和时序信号关

系。根据关

系，节拍脉冲T1,T2,T3的逻辑表达式如下:

T1=C1•,T2=,T3=

6.假设某机器有80条指令，平均每条指令由4条微指令组成，其中有一条取指微指令是所

有指

令公用的。已知微指令长度为32位，请估算控制存储器容量。

解:微指令条数为:(4-1)X80+l=241条

取控存容量为：256X32位=1KB

7.某ALU器件使用模式控制码M,S3,S2,SI,C来控制执行不同的算术运算和逻辑操作。

下表列出各条指令所要求的模式控制码，其中y为二进制变量，F为0或1任选。

试以指令码(A,B,H,D,E,F,G)为输入变量，写出控制参数M,S3,S2,S1,

C的逻

辑表达式。

解：M=G

S3=H+D+F

S2=l

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

8.某机有8条微指令11-18,每条微指令所包含的微命令控制信号如下表所示。

a-j分别对应10种不同性质的微命令信号。假设一条微指令的控制字段为8位，请安排

微指令的控制字段格式。

解：经分析，（e,f,h）和（b,i,j）可分别组成两个小组或两个字段，然后进行译码，可得六

个

微命令信号，剩下的a,c,d,g四个微命令信号可进行直接控制，其整个控制字段组成如

下：

11.已知某机采用微程序控制方式，其控制存储器容量为512X48（位）。微程序可在整个控

制存储器中实现转移，可控制微程序转移的条件共4个，微指令采用水平型格式，后继

微

指令地址采用断定方式。请问：

（1）微指令中的三个字段分别应为多少位？

（2）画出围绕这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。

解：

（1）假设判别测试字段中每一位作为一个判别标志，那么由于有4个转移条件，故该字段

为4位；

又因为控存容量为512单元，所以下地址字段为9位,。微命令字段则是：

（48-4-9）=35位。

（2）对应上述微指令格式的微程序控制器逻辑框图如下图所示。其中微地址寄存器对应下

地址

字，P字段即为判别测试字段，控制字段即为微命令字段，后两部分组成微指令寄存

器。地址转移逻辑的输入是指令寄存器的0P码、各种状态条件以及判别测试

字段所给的判别标志

（某一位为1）,其输出用于控制修改微地址寄存器的适当位数，从而实现微程序的分

支转移（此例微指令的后继地址采用断定方式）。

12.今有4级流水线分别完成取值、指令译码并取数、运算、送结果四步操作,

今假设完成各步操作的时间依次为100ns,100ns,80ns,50ns。

请问：(D流水线的操作周期应设计为多少？

(2)若相邻两条指令发生数据相关，而且在硬件上不采取措施，那么第二条指

令要

推迟多少时间进行。

(3)如果在硬件设计上加以改进，至少需推迟多少时间？

解：

(1)流水线的操作时钟周期t应按四步操作中最长时间来考虑，所以t=100ns；

(2)两条指令发生数据相关冲突情况：：

ADDR1,R2,R3;R2+R3-R1

SUBR4,R1,R5;R1-R5-R4

两条指令在流水线中执行情况如下表所示：

ADD指令在时钟4时才将结果写入寄存器R1中，但SUB指令在时钟3时就需读寄存器

R1了，显然发生

数据相关，不能读到所需数据，只能等待。如果硬件上不采取措施，第2条指令SUB至少

应推迟2个

操作时钟周期，即t=2X100ns=200ns；

(3)如果硬件上加以改进(采取旁路技术),这样只需推迟1个操作时钟周期就能得到所需数据,

即t=100ns。

15.用定量描述法证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。

解：衡量并行处理器性能的一个有效参数是数据带宽(最大吞吐量)，它定义为单位时间内

可以产生

的最大运算结果个数。

设Pl是有总延时T1的非流水处理器，故其带宽为1/TU又设Pm是相当于Plm段流

水处理器延迟时间Tr,故Pm的带宽为1/(Tc+Tr)。如果Pm是将P1划分成相同延迟的

若干段形成的，则Tl^mTc因

此P1的带宽接近于1/mTc,由此可见，当mTc>Tc+Tr满足时，Pm比P1具有更大的带宽。

16.流水线中有三类数据相关冲突：写后读(RAW)相关；读后写(WAR)相关；写后写

(WAW)相关。判断以下三组指令各存在哪种类型的数据相关。

(1)11LADR1,A；M(A)-RI,M(A)是存储器单元

12ADDR2,RI；(R2)+(RI)-R2

(2)13ADDR3,R4；(R3)+(R4)fR3

14MULR4,R5；(R4)X(R5)fR4

(3)15LADR6,B；M(B)-R6,M(B)是存储器单元

16MULR6,R7；(R6)X(R7)fR6

解：(1)写后读(RAW)相关；

(2)读后写(WAR)相关，但不会引起相关冲突；

(3)写后读(RAW)相关、写后写(WAW)相关

17.参考教科书图5.42所示的超标量流水线结构模型，现有如下6条指令序列：

IlLADR1,B;M(B)-*R1,M(B)是存储器单元

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

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

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

15LADR6,A;M(A)-R6,M(A)是存储器单元

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

请画出：(1)按序发射按序完成各段推进情况图。

(2)按序发射按序完成的流水线时空图。

解：(1)

⑵

第六章总线系统

习题参考答案

1.比较单总线、双总线、三总线结构的性能特点。

3.用异步通信方式传送字符“A”和"8",数据有7位，偶校验1位。起始位1位,

停止位1位，请分别画出波形图。

解：字符A的ASCII码为41H=1000001B；

字符8的ASCII码为38H=O111OOOB；

串行传送波形图为：

注：B：起始位

C：校验位

S：停止位

8.同步通信之所以比异步通信具有较高的传输频率，是因为同步通信―。

A.不需要应答信号;

B.总线长度较短；

C.用一个公共时钟信号进行同步；

D.各部件存取时间比较接近。

解：C

9.在集中式总线仲裁中，—方式响应时间最快，—方式对一最敏感。

A.菊花链方式B.独立请求方式C.电路故障D.计数器定时查询方式

解：BAC

10.采月串行接口进行7位ASCH码传送，带有1位奇校验位，1位起始位和1位停止位，当

传输率为9600波特时，字符传送速率为。

A.960B.873.C.1372D.480

解：A

11.系统总线中地址线的功能是。

A.选择主存单元地址

B.选择进行信息传输的设备

C.选择外存地址

D.指定主存和I/O设备接口电路的地址

解：D

12.系统总线中控制器的功能是。

A.提供主存、I/O接口设备的控制信号和响应信号

B.提供数据信息

C.提供时序信号

D.提供主存、I/O接口设备的响应信号

解：D

14.PCI是一个与处理器无关的,它采用—时序协议和—式仲裁策略，并具有一

能力。

A.集中B.自动配置C.同步D.高速外围总线

解：DCAB

15.PCI总线的基本传输机制是—传送。利用—可以实现总线间的一传送，使所有的

存取都按CPU的需要出现在总线上。PCI允许—总线一工作。

A.桥B.猝发式C.并行D.多条E.猝发式

解：BACDE

17.PCI总线中三种桥的名称是什么？桥的功能是什么？

解：PC1总线有三种桥，即HOST/PCI桥（简称HOST桥），PCI/PCI桥和PCI/LAGACY

桥。

在PCI总线体系结构中，桥起着重要作用：

（1）接两条总线，使总线间相互通信；

（2）是一个总线转换部件，可以把一条总线的地址空间映射到另一条总线的地址空间

上，

从而使系统中任意一个总线主设备都能看到同样的一份地址表。

（3）利用桥可以实现总线间的卒发式传送。

19.总线的一次信息传送过程大致分哪几个阶段？若采用同步定时协议，请画出

读数据的同步时序图。

解：分五个阶段：请求总线、总线仲裁、寻址（目的地址）、信息传送、状

态返回（错误报告）。读数据的同步时序图为:

20.某总线在一个总线周期中并行传送8个字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时

钟周期，总线时钟频率为70MHz,求总线带宽是多少？

解：设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用T=l/f表示，一个总线周期传送的数据量用D

表示，

根据定义可得：

第七章外围设备

习题参考答案

1.计算机的外围设备是指（）

A.输入/输出设备B.外存储器

C.输入/输出设备及外存储器D.除了CPU和内存以外的其他设备

解：D

2.打印机根据印字方式可以分为（）和（）两大类，在（）类打印机中，只有（）型

打印机能打印汉字，请从下面答案中选择填空。

A.针型打印机B.活字型打印机

C.击打式D.非击打式

解：CDCA

7.试推导磁盘存贮器读写一块信息所需总时间的公式。

解：设读写一块信息所需总时间为Tb,平均找道时间为Ts,平均等待时间为TL,读写一块

信息的

传输时间为Tm,贝ij：Tb=Ts+TL+Tm。假设磁盘以每秒r转速率旋转，每条磁道容量

为N个字，

则数据传输率=rN个字/秒。又假设每块的字数为n,因而一旦读写头定位在该块始端,

就能在

Tmg(n/rN)秒的时间中传输完毕。TL是磁盘旋转半周的时间，TL=(l/2r)秒，

由此可得：

Tb=Ts+l/2r+n/rN秒

8.某磁盘存贮器转速为3000转/分，共有4个记录面，每毫米5道，每道记录信息为12288

字节，最小磁道直径为230mm,共有275道。问：

(1)磁盘存贮器的容量是多少？

(2)最高位密度与最低位密度是多少？

(3)磁盘数据传输率是多少？

(4)平均等待时间是多少？

(5)给出一个磁盘地址格式方案。

解：

(1)每道记录信息容量=12288字节

每个记录面信息容量=275X12288字节

共有4个记录面，所以磁盘存储器总容量为：

4X275X12288字节=13516800字节

(2)最高位密度D1按最小磁道半径R1计算(RI=115mm)：

D1=12288字节/2nR1=17字节/mm

最低位密度D2按最大磁道半径R2计算：

R2=R1+(275+5)=115+55=170mm

D2=12288字节/2JTR2=11.5字节/mm

(3)磁盘传输率C=r,N

r=3000/60=50周/秒

N=12288字节（信道信息容量）

C=r•N=50X12288=614400字节/秒

（4）平均等待时间=l/2r=1/（2X50）=10毫秒

（5）磁盘存贮器假定只有一台，所以可不考虑台号地址。有4个记录面，每个记录面有275

个磁

道。假定每个扇区记录1024个字节，则需要12288+1024字节=12个扇区。由此

可得如

下地址格式：

14.有一台磁盘机，其平均寻道时间为了30ms,平均旋转等待时间为120ms,数据传输速率

为500B/ms,磁盘机上存放着1000件每件3000B的数据。现欲把一件数据取走，更新后在

放回原地，假设一次取出或写入所需时间为：

平均寻道时间+平均等待时间+数据传送时间

另外，使用CPU更新信息所需时间为4ms,并且更新时间同输入输出操作不相重叠。

试问：

（1）盘上全部数据需要多少时间？

（2）若磁盘及旋转速度和数据传输率都提高一倍，更新全部数据需要多少间？

解：（1）磁盘上总数据量=1000X3000B=3000000B

读出全部数据所需时间为3000000B+500B/ms=6000ms

重新写入全部数据所需时间=6000ms

所以，更新磁盘上全部数据所需的时间为：

2X（平均找道时间+平均等待时间+数据传送时间）+CPU更新时间

=2(30+120+6000)ms+4ms=12304ms

（2）磁盘机旋转速度提高一倍后，平均等待时间为60ms；