计算机组成原理第二版课后习题答案

第1章 计算机系统概论

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：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。 计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。 计算机软件：计算机运行所需的程序及相关资料。

硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要。

2. 如何理解计算机的层次结构？

答：计算机硬件、系统软件和应用软件构成了计算机系统的三个层次结构。

（1）硬件系统是最内层的，它是整个计算机系统的基础和核心。 （2）系统软件在硬件之外，为用户提供一个基本操作界面。 （3）应用软件在最外层，为用户提供解决具体问题的应用系统界面。

通常将硬件系统之外的其余层称为虚拟机。各层次之间关系密切，上层是下层的扩展，下层是上层的基础，各层次的划分不是绝对的。

3. 说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及其联系。 答：机器语言是计算机硬件能够直接识别的语言，汇编语言是机器语

言的符号表示，高级语言是面向算法的语言。高级语言编写的程序（源程序）处于最高层，必须翻译成汇编语言，再由汇编程序汇编成机器语言（目标程序）之后才能被执行。

4. 如何理解计算机组成和计算机体系结构？

答：计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，如指令系统、数据类型、寻址技术组成及I/O机理等。计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，包含对程序员透明的硬件细节，如组成计算机系统的各个功能部件的结构和功能，及相互连接方法等。

5. 冯?诺依曼计算机的特点是什么？ 解：冯?诺依曼计算机的特点是：P8

? 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；

? 指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；

? 指令和数据均用二进制表示；

? 指令由操作码、地址码两大部分组成，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； ? 指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行； ? 机器以运算器为中心（原始冯?诺依曼机）。

6. 画出计算机硬件组成框图，说明各部件的作用及计算机系统的主要技术指标。

答：计算机硬件组成框图如下：

控制器运算器CPU存储器接口接口输入设备主机外设输出设备 各部件的作用如下：

控制器：整机的指挥中心，它使计算机的各个部件自动协调工作。

运算器：对数据信息进行处理的部件，用来进行算术运算和逻辑运算。

存储器：存放程序和数据，是计算机实现“存储程序控制”的基础。

输入设备：将人们熟悉的信息形式转换成计算机可以接受并识别的信息形式的设备。

输出设备：将计算机处理的结果（二进制信息）转换成人类或其它设备可以接收和识别的信息形式的设备。 计算机系统的主要技术指标有：

机器字长：指CPU一次能处理的数据的位数。通常与CPU的寄

存器的位数有关，字长越长，数的表示范围越大，精度也越高。机器字长也会影响计算机的运算速度。

数据通路宽度：数据总线一次能并行传送的数据位数。 存储容量：指能存储信息的最大容量，通常以字节来衡量。一般包含主存容量和辅存容量。

运算速度：通常用MIPS（每秒百万条指令）、MFLOPS（每秒百万次浮点运算）或CPI（执行一条指令所需的时钟周期数）来衡量。CPU执行时间是指CPU对特定程序的执行时间。

主频：机器内部主时钟的运行频率，是衡量机器速度的重要参数。 吞吐量：指流入、处理和流出系统的信息速率。它主要取决于主存的存取周期。

响应时间：计算机系统对特定事件的响应时间，如实时响应外部中断的时间等。

7. 解释下列概念：

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：P9-10

主机：是计算机硬件的主体部分，由CPU和主存储器MM合成为主机。

CPU：中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成；（早期的运算器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存储器，为计算机的主要工作存储器，可随机存取；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。 存储元件：存储一位二进制信息的物理元件，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单位。 存储字长：一个存储单元所存储的二进制代码的总位数。 存储容量：存储器中可存二进制代码的总量；（通常主、辅存容量分开描述）。

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：机器指令中二进制代码的总位数。

8. 解释下列英文缩写的中文含义：

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：Central Processing Unit，中央处理机（器），是计算机硬件的核心部件，主要由运算器和控制器组成。

PC：Program Counter，程序计数器，其功能是存放当前欲执行

指令的地址，并可自动计数形成下一条指令地址。

IR：Instruction Register，指令寄存器，其功能是存放当前正在执行的指令。

CU：Control Unit，控制单元（部件），为控制器的核心部件，其功能是产生微操作命令序列。

ALU：Arithmetic Logic Unit，算术逻辑运算单元，为运算器的核心部件，其功能是进行算术、逻辑运算。

ACC：Accumulator，累加器，是运算器中既能存放运算前的操作数，又能存放运算结果的寄存器。

MQ：Multiplier-Quotient Register，乘商寄存器，乘法运算时存放乘数、除法时存放商的寄存器。

X：此字母没有专指的缩写含义，可以用作任一部件名，在此表示操作数寄存器，即运算器中工作寄存器之一，用来存放操作数；

MAR：Memory Address Register，存储器地址寄存器，在主存中用来存放欲访问的存储单元的地址。

MDR：Memory Data Register，存储器数据缓冲寄存器，在主存中用来存放从某单元读出、或要写入某存储单元的数据。

I/O：Input/Output equipment，输入/输出设备，为输入设备和输出设备的总称，用于计算机内部和外界信息的转换与传送。

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。

9. 画出主机框图，分别以存数指令“STA M”和加法指令“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（如→①）。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P13图1.11所示。

（1）STA M指令：PC→MAR，MAR→MM，MM→MDR，MDR→IR，

OP(IR)→CU，Ad(IR)→MAR，ACC→MDR，MAR

→MM，WR

（2）ADD M指令：PC→MAR，MAR→MM，MM→MDR，MDR→IR， OP(IR)→CU，Ad(IR)→MAR，RD，MM→MDR，MDR→X，ADD，ALU→ACC，ACC→MDR，WR

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。

10. 指令和数据都存于存储器中，计算机如何区分它们？ 解：计算机区分指令和数据有以下2种方法：

? 通过不同的时间段来区分指令和数据，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。

? 通过地址来源区分，由PC提供存储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。

第2章 计算机的发展及应用

1. 通常计算机的更新换代以什么为依据？ 答：P22

主要以组成计算机基本电路的元器件为依据，如电子管、晶体管、集成电路等。

2. 举例说明专用计算机和通用计算机的区别。

答：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。通用计算机适应性强，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。

3. 什么是摩尔定律？该定律是否永远生效？为什么？ 答：P23，否，P36

第3章 系统总线

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？

答：P41.总线是一种能由多个部件分时共享的公共信息传送线路。

总线传输的特点是：某一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，但多个部件可以同时从总线上接收相同的信息。

为了减轻总线负载，总线上的部件应通过三态驱动缓冲电路与总线连通。

2. 总线如何分类？什么是系统总线？系统总线又分为几类，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？

答：按照连接部件的不同，总线可以分为片内总线、系统总线和通信总线。

系统总线是连接CPU、主存、I/O各部件之间的信息传输线。 系统总线按照传输信息不同又分为地址线、数据线和控制线。地址线是单向的，其根数越多，寻址空间越大，即CPU能访问的存储单元的个数越多；数据线是双向的，其根数与存储字长相同，是机器字长的整数倍。

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。 答：略。见P52-55。

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？ 答：总线判优控制解决多个部件同时申请总线时的使用权分配问题；

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：链式查询方式连线简单，易于扩充，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，成本较高。

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。 答：P46。

总线宽度：通常指数据总线的根数；

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。 总线的主设备（主模块）：指一次总线传输期间，拥有总线控制

权的设备（模块）；

总线的从设备（从模块）：指一次总线传输期间，配合主设备完成数据传输的设备（模块），它只能被动接受主设备发来的命令；

总线的传输周期：指总线完成一次完整而可靠的传输所需时间； 总线的通信控制：指总线传送过程中双方的时间配合方式。

6. 试比较同步通信和异步通信。

答：同步通信：指由统一时钟控制的通信，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时，总线工作效率明显下降。适合于速度差别不大的场合。

异步通信：指没有统一时钟控制的通信，部件间采用应答方式进行联系，控制方式较同步复杂，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。

7. 画图说明异步通信中请求与回答有哪几种互锁关系？ 答：见P61-62，图3.86。

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？ 答：半同步通信既能像同步通信那样由统一时钟控制，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。

9. 分离式通讯有何特点，主要用于什么系统？

答：分离式通讯的特点是：（1）各模块欲占用总线使用权都必须提出申请；（2）在得到总线使用权后，主模块在先定的时间内向对方传送信息，采用同步方式传送，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，使总线可接受其它模块的请求；（4）总线被占用时都在做有效工作，或者通过它发送命令，或者通过它传送数据，不存在空闲等待时间，充分利用了总线的占用，从而实现了总线在多个主、从模块间进行信息交叉重叠并行传送。 分离式通讯主要用于大型计算机系统。

10. 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？

答：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； plug and play：即插即用，EISA、PCI等具有此功能。

11. 画一个具有双向传输功能的总线逻辑图。

答：在总线的两端分别配置三态门，就可以使总线具有双向传输功能。

a0a1anb0b1bna至bb至a

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D→A、D→B和D→C寄存器间的传送；

（2） 设计一个电路，实现下列操作：

T0时刻完成D→总线； T1时刻完成总线→A； T2时刻完成A→总线； T3时刻完成总线→B。

解：（1）由T打开三态门将 D寄存器中的内容送至总线bus，由cp脉冲同时将总线上的数据打入到 A、B、C寄存器中。 T和cp的时间关系如图（1）所示。

cp脉冲ABC总线busT三态门TcpD 图（1）

（2）三态门1受T0＋T1控制，以确保T0时刻D→总线，以及T1时刻总线→接收门1→A。三态门2受T2＋T3控制，以确保T2时刻A→总线，以及T3时刻总线→接收门2→B。T0、T1、T2、T3波形图如图（2）所示。

CPT0T1A接收门1三态门2T2+T3T1T2T3BUS三态门1T0+T1接收门2T3DB

图(2)

13. 什么是总线的数据传输率，它与哪些因素有关？

答：总线数据传输率即总线带宽，指单位时间内总线上传输数据的位数，通常用每秒传输信息的字节数来衡量。它与总线宽度和总线频率有关，总线宽度越宽，频率越快，数据传输率越高。

14. 设总线的时钟频率为8MHZ，一个总线周期等于一个时钟周期。如果一个总线周期中并行传送16位数据，试问总线的带宽是多少？ 解：由于：f=8MHz,T=1/f=1/8M秒，一个总线周期等于一个时钟周期 所以：总线带宽=16/（1/8M） = 128Mbps

15. 在一个32位的总线系统中，总线的时钟频率为66MHZ，假设总线最短传输周期为4个时钟周期，试计算总线的最大数据传输率。若想提高数据传输率，可采取什么措施？ 解：总线传输周期=4*1/66M秒

总线的最大数据传输率=32/(4/66M)=528Mbps

若想提高数据传输率，可以提高总线时钟频率、增大总线宽度或者减少总线传输周期包含的时钟周期个数。

16. 在异步串行传送系统中，字符格式为：1个起始位、8个数据位、1个校验位、2个终止位。若要求每秒传送120个字符，试求传送的波特率和比特率。

解：一帧包含：1+8+1+2=12位

故波特率为：（1+8+1+2）*120=1440bps 比特率为：8*120=960bps

+5VG1G2AMREQY7A15A14A13A12A0G2BABC74138......Y2Y1Y0...WE...WE.........CSWECPUD0D7RAM0...CSRAM1RAM7......CSR/W...

（2）地址空间分配图： RAM0：0000H——1FFFH RAM1：2000H——3FFFH RAM2：4000H——5FFFH RAM3：6000H——7FFFH RAM4：8000H——9FFFH RAM5：A000H——BFFFH RAM6：C000H——DFFFH RAM7：E000H——FFFFH

（3）如果运行时发现不论往哪片RAM写入数据后，以A000H为起始地址的存储芯片(RAM5)都有与其相同的数据，则根本的故障原因为：该存储芯片的片选输入端很可能总是处于低电平。假设芯片与译码器本身都是好的，可能的情况有：

1）该片的CS端与WE端错连或短路； 2）该片的CS端与CPU的MREQ端错连或短路； 3）该片的CS端与地线错连或短路。

（4）如果地址线A13与CPU断线，并搭接到高电平上，将会出现A13恒为“1”的情况。此时存储器只能寻址A13=1的地址空间(奇数片)，A13=0的另一半地址空间（偶数片）将永远访问不到。若对A13=0的地址空间（偶数片）进行访问，只能错误地访问到A13=1的对应空间(奇数片)中去。

17. 写出1100、1101、1110、1111对应的汉明码。 解：有效信息均为n=4位，假设有效信息用b4b3b2b1表示 校验位位数k=3位，（2k>=n+k+1）

设校验位分别为c1、c2、c3，则汉明码共4+3=7位，即：c1c2b4c3b3b2b1

校验位在汉明码中分别处于第1、2、4位 c1=b4⊕b3⊕b1 c2=b4⊕b2⊕b1 c3=b3⊕b2⊕b1

当有效信息为1100时，c3c2c1=110,汉明码为0111100。 当有效信息为1101时，c3c2c1=001,汉明码为1010101。 当有效信息为1110时，c3c2c1=000,汉明码为0010110。 当有效信息为1111时，c3c2c1=111,汉明码为1111111。

18. 已知收到的汉明码（按配偶原则配置）为1100100、1100111、1100000、1100001，检查上述代码是否出错？第几位出错？

解：假设接收到的汉明码为：c1’c2’b4’c3’b3’b2’b1’

纠错过程如下：

P1=c1’⊕b4’⊕b3’⊕b1’ P2=c2’⊕b4’⊕b2’⊕b1’ P3=c3’⊕b3’⊕b2’⊕b1’

如果收到的汉明码为1100100，则p3p2p1=011，说明代码有错，第3位（b4’）出错，有效信息为：1100

如果收到的汉明码为1100111，则p3p2p1=111，说明代码有错，第7位（b1’）出错，有效信息为：0110

如果收到的汉明码为1100000，则p3p2p1=110，说明代码有错，第6位（b2’）出错，有效信息为：0010

如果收到的汉明码为1100001，则p3p2p1=001，说明代码有错，第1位（c1’）出错，有效信息为：0001

19. 已经接收到下列汉明码，分别写出它们所对应的欲传送代码。 （1）1100000（按偶性配置） （2）1100010（按偶性配置） （3）1101001（按偶性配置） （4）0011001（按奇性配置） （5）1000000（按奇性配置） （6）1110001（按奇性配置）

解：（一）假设接收到的汉明码为C1’C2’B4’C3’B3’B2’B1’，

按偶性配置则：

P1=C1’⊕B4’⊕B3’⊕B1’ P2=C2’⊕B4’⊕B2’⊕B1’ P3=C3’⊕B3’⊕B1’

（1）如接收到的汉明码为1100000， P1=1⊕0⊕0⊕0=1 P2=1⊕0⊕0⊕0=1 P3=0⊕0⊕0=0

P3P2P1=011，第3位出错，可纠正为1110000，故欲传送的信息为1000。

（2）如接收到的汉明码为1100010， P1=1⊕0⊕0⊕0=1 P2=1⊕0⊕1⊕0=0 P3=0⊕0⊕0=0

P3P2P1=001，第1位出错，可纠正为0100010，故欲传送的信息为0010。

（3）如接收到的汉明码为1101001， P1=1⊕0⊕0⊕1=0 P2=1⊕0⊕0⊕1=0 P3=1⊕0⊕1=0

P3P2P1=000，传送无错，故欲传送的信息为0001。

（二）假设接收到的汉明码为C1’C2’B4’C3’B3’B2’B1’，

按奇性配置则：

P1=C1’⊕B4’⊕B3’⊕B1’⊕1 P2=C2’⊕B4’⊕B2’⊕B1’⊕1 P3=C3’⊕B3’⊕B1’⊕1

（4）如接收到的汉明码为0011001， P1=0⊕1⊕0⊕1⊕1=1 P2=0⊕1⊕0⊕1⊕1=1 P3=1⊕0⊕1⊕1=1

P3P2P1=111，第7位出错，可纠正为0011000，故欲传送的信息为1000。

（5）如接收到的汉明码为1000000， P1=1⊕0⊕0⊕0⊕1=0 P2=0⊕1⊕0⊕0⊕1=0 P3=0⊕0⊕0⊕1=1

P3P2P1=100，第4位出错，可纠正为1001000，故欲传送的信息为0000。

（6）如接收到的汉明码为1110001， P1=1⊕1⊕0⊕1⊕1=0 P2=1⊕1⊕0⊕1⊕1=0 P3=0⊕0⊕1⊕1=0

P3P2P1=000，传送无错，故欲传送的信息为1001。

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