计算机组成原理作业1-10章答案（唐朔飞）

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：P3

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

方案三：在采用单字长指令（16位）格式时，还可通过页面寻址方案使指令寻址范围扩大到4M。安排如下：

硬件设页面寄存器PR（16位），用来存放页面地址。指令寻址方式中增设页面寻址。当需要使指令寻址范围扩大到4M时，编程选择页面寻址方式，则：EA =（PR）‖A （有效地址=页面地址“拼接”6位形式地址），这样得到22位有效地址。

（8）为使一条转移指令能转移到主存的任一位置，寻址范围须达到4M，除了采用(7) 方案一中的双字长一地址指令的格式外，还可配置22位的基址寄存器或22位的变址寄存器，使EA = (BR) + A （BR为22位的基址寄存器)或EA =（IX）+ A(IX为22位的变址寄存器)，便可访问4M存储空间。还可以通过16位的基址寄存器左移6位再和形式地址A相加，也可达到同样的效果。

总之，不论采取何种方式，最终得到的实际地址应是22位。

19. 某CPU内有32个32位的通用寄存器，设计一种能容纳64种操作的指令系统。假设指令字长等于机器字长，试回答以下问题：

（1）如果主存可直接或间接寻址，采用寄存器—存储器型指令，能直接寻址的最大存储空间是多少？画出指令格式并说明各字段的含义。

（2）在满足（1）的前提下，如果采用通用寄存器作基址寄存器，则上述寄存器—存储器型指令的指令格式有何特点？画出指令格式并指出这类指令可访问多大的存储空间？ 解：（1）如采用RS型指令，则此指令一定是二地址以上的地址格式，指令格式如下： OP（6位） R（5位） I(1位) A（20位） 操作码字段OP占6位，因为26>=64； 寄存器编号R占5位，因为25>=32；

间址位I占1位，当I=0，存储器寻址的操作数为直接寻址，当I=1时为间接寻址；

形式地址A占20位，可以直接寻址220字。

（2）如采用基址寻址，则指令格式中应给出基址寄存器号，以指定哪一个通用寄存器用作基址寄存器。指令格式变为： OP（6位） 源R（5位） I（1位） X（1位） 目标R（5A（14位） 位） 增加寻址特征位X，当X=1时，以目标寄存器R作为基址寄存器进行基址寻址。

基址寻址可访问存储空间为：232字。

第8章 CPU的结构和功能

1. CPU有哪些功能？画出其结构框图并简要说明各个部件的作用。 答：参考P328和图8.2。

2. 什么是指令周期？指令周期是否有一个固定值？为什么？ 解：指令周期是指取出并执行完一条指令所需的时间。

由于计算机中各种指令执行所需的时间差异很大，因此为了提高CPU运行效率，即使在同步控制的机器中，不同指令的指令周期长度都是不一致的，也就是说指令周期对于不同的指令来说不是一个固定值。

3. 画出指令周期的流程图，分析说明图中每个子周期的作用。 答：参看P343及图8.8。

4. 设CPU内有下列部件：PC、IR、SP、AC、MAR、MDR和CU。

（1）画出完成间接寻址的取数指令LDA@X（将主存某地址单元X的内容取至AC中）的数据流（从取指令开始）。

（2）画出中断周期的数据流。

解：CPU中的数据流向与所采用的数据通路结构直接相关，不同的数据通路中的数据流是不一样的。常用的数据通路结构方式有直接连线、单总线、双总线、三总线等形式，目前大多采用总线结构，直接连线方式仅适用于结构特别简单的机器中。

为简单起见，本题采用单总线将题中所给部件连接起来，框图如下：

busPCMARSPMDRCUIRAC地址线数据线控制线

（1）LDA@X指令周期数据流程图：

PC→MARM(MAR)→MDR(MDR)→IRPC+1→PCAd(IR)→MARM(MAR)→MDRMDR→Ad(IR)Ad(IR)→MARM(MAR)→MDRMDR→AC

（2）中断周期流程图如下：

SP-1→SPSP→MARPC→MDRMDR→M(MAR)向量地址→PC

注：解这道题有两个要素，首先要根据所给部件设计好数据通路，即确定信息流动的载体。其次选择好描述数据流的方法，无论采用什么样的表达方式，其关键都要能清楚地反映数据在通路上流动的顺序，即强调一个“流”字。较好的表达方式是流程图的形式。

5. 中断周期前是什么阶段？中断周期后又是什么阶段？在中断周期CPU应完成什么操作？

答：中断周期前是执行周期，中断周期后是取指周期。在中断周期，CPU应完成保存断点、将中断向量送PC和关中断等工作。

7. 什么叫系统的并行性？粗粒度并行和细粒度并行有何区别？ 答：所谓并行性包含同时性和并发性。同时性是指两个或两个以上的事件在同一时刻发生，并发性是指两个或多个事件在同一时间段发生。即在同一时刻或同一时间段内完成两个或两个以上性质相同或性质不同的功能，只要在时间上存在相

0→EINT互重叠，就存在并行性。

并行性又分为粗粒度并行和细粒度并行两类。粗粒度并行是指在多个处理机上分别运行多个进程，由多台处理机合作完成一个程序，一般用算法实现。细粒度并行是指在处理机的指令级和操作级的并行性。

8. 什么是指令流水？画出指令二级流水和四级流水的示意图，它们中哪个更能提高处理机速度，为什么？ 答：指令流水是指将一条指令的执行过程分为n个操作时间大致相等的阶段，每个阶段由一个独立的功能部件来完成，这样n个部件就可以同时执行n条指令的不同阶段，从而大大提高CPU的吞吐率。

指令二级流水和四级流水示意图如下：

IF，IDEX，WRIF，IDEX，WRIF，ID二级指令流水示意图EX，WRIF IDEX WREX WREX WRIF IDIF ID四级指令流水示意图

四级流水更能提高处理机的速度。分析如下：

假设IF、ID、EX、WR每个阶段耗时为t，则连续执行n条指令

采用二级流水线时，耗时为：4t+(n-1)2t=(2n+2)t 采用四级流水线时，耗时为：4t+(n-1)t=(n+3)t

在n>1时，n+3<2n+2，可见四级流水线耗时比二级流水线耗时短，因此更能提高处理机速度。

17. 在中断系统中INTR、INT、EINT三个触发器各有何作用？

解：INTR——中断请求触发器，用来登记中断源发出的随机性中断请求信号，以便为CPU查询中断及中断排队判优线路提供稳定的中断请求信号。

EINT——中断允许触发器，CPU中的中断总开关。当EINT=1时，表示允许中断（开中断），当EINT=0时，表示禁止中断（关中断）。其状态可由开、关中断等指令设置。

INT——中断标记触发器，控制器时序系统中周期状态分配电路的一部分，表示中断周期标记。当INT=1时，进入中断周期，执行中断隐指令的操作。

24. 现有A、B、C、D四个中断源，其优先级由高向低按A、B、C、D顺序排列。若中断服务程序的执行时间为20μs，请根据下图所示时间轴给出的中断源请求中断的时刻，画出CPU执行程序的轨迹。

解：A、B、C、D的响优先级即处理优先级。CPU执行程序的轨迹图如下：

程序D服务A服务B服务C服务B服务C服务0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 t/usB与C请求D请求B服务D服务A服务B服务B请求A请求

25. 某机有五个中断源L0、L1、L2、 L3、L4，按中断响应的优先次序由高向低排序为L0? L1?L2?L3?L4，根据下示格式，现要求中断处理次序改为L1?L4?L2?L0?L3，根据下面的格式，写出各中断源的屏蔽字。 解：各中断源屏蔽状态见下表： 中断源 屏蔽字 0 1 2 3 4 I0 1 0 0 1 0 I1 1 1 1 1 1 I2 1 0 1 1 0 I3 0 0 0 1 0 I4 1 0 1 1 1 表中：设屏蔽位=1，表示屏蔽；屏蔽位=0，表示中断开放。

26. 设某机配有A、B、C三台设备，其优先顺序按A?B?C降序排列，为改变中断处理次序，它们的中断屏蔽字设置如下： 设备 屏蔽字 A 111 B 010 C 011 请按下图所示时间轴给出的设备请求中断的时刻，画出CPU执行程序的轨迹。设A、B、C中断服务程序的执行时间均为20? s。

解：A、B、C设备的响应优先级为A最高、B次之、C最低，处理优先级为A最高、C次之、B最低。CPU执行程序的轨迹图如下：

程序A服务B服务C服务0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 t/usA请求B请求C请求

[A+B]补= 0.0010010 + 1.1001100 = 1.1011110 ——无溢出 A+B= -0.010 0010B = -17/64

（2）A=19/32= 0.100 1100B, B= -17/128= -0.001 0001B [A]补=0.100 1100, [B]补=1.110 1111 , [-B]补=0.001 0001

[A-B]补= 0.1001100 + 0.0010001= 0.1011101 ——无溢出 A-B= 0.101 1101B = 93/128B

（3）A= -3/16= -0.001 1000B, B=9/32= 0.010 0100B [A]补=1.110 1000, [B]补= 0.010 0100

[A+B]补= 1.1101000 + 0.0100100 = 0.0001100 —— 无溢出 A+B= 0.000 1100B = 3/32

（4） A= -87= -101 0111B, B=53=110 101B

[A]补=1 010 1001, [B]补=0 011 0101, [-B]补=1 100 1011

[A-B]补= 1 0101001 + 1 1001011 = 0 1110100 —— 溢出 （5）A=115= 111 0011B, B= -24= -11 000B [A]补=0 1110011, [B]补=1，110 1000

[A+B]补= 0 1110011 + 1 1101000 = 0 1011011——无溢出 A+B= 101 1011B = 91

20. 用原码一位乘、两位乘和补码一位乘（Booth算法）、两位乘计算x·y。 （1）x= 0.110 111，y= -0.101 110； （2）x= -0.010 111，y= -0.010 101； （3）x= 19，y= 35；

（4）x= 0.110 11，y= -0.111 01。

解：先将数据转换成所需的机器数，然后计算，最后结果转换成真值。 （1）[x]原=0.110111，[y]原=1.101110，x*=0.110111， y*=0.101110 原码一位乘： 部分积 乘数y* 说明 0.000 000 101 110 部分积初值为0，乘数为0加0 +0.000 000 0.000 000 右移一位 0.000 000 010 111 乘数为1，加上x* +0.110 111 0.110 111 右移一位 0.011 011 101 011 乘数为1，加上x* +0.110 111 1.010 010 右移一位 0.101 001 010 101 乘数为1，加上x* +0.110 111 1.100 000 右移一位 0.110 000 001 010 乘数为0，加上0 +0.000 000 0.110 000 右移一位 0.011 000 000 101 乘数为1，加上x* +0.110 111 1.001 111 右移一位 0.100 111 100 010 即x*×y*=0.100 111 100 010，z0=x0? y0=0 ?1=1， [x×y]原=1.100 111 100 010，x·y= -0. 100 111 100 010 原码两位乘：[-x*]补=1.001 001，2x*=1.101 110 部分积 乘数y* Cj 说明 000 . 000 00 101 110 0 部分积初值为0，Cj=0 000 根据yn-1ynCj=100，加2x*，保持+001 . 101 Cj=0 110 001 . 101 0 110 000 . 011 10 001 011 0 右移2位 011 10 001 011 根据yn-1ynCj=110，加[-x*]补，置+111 . 001 Cj=1 001 111 . 100 右移2位 100 00 100 010 1 111 . 111 根据yn-1ynCj=101，加[-x*]补，置001 Cj=1 +111 . 001 001 111 . 000 010 10 001 000 1 右移2位 111 . 110 根据yn-1ynCj=001，加x*，保持Cj=0 000 +000 . 110 111 000 . 100 10 001 0 111 即x*×y*=0.100 111 100 010，z0=x0? y0=0 ?1=1， [x×y]原=1.100 111 100 010，x·y= -0. 100 111 100 010

补码一位乘：[x]补=0.110111，[-x]补=1.001001，[y]补=1.010010 部分积 乘数 Yn+1 说明 00 . 000 1 010 010 0 Ynyn+1=00，部分积右移1位 000 0 101 001 0 Ynyn+1=10，部分积加[-x]补 00 . 000 000 +11 . 001 001 11 . 001 右移1位 001 11 . 100 1 010 100 1 Ynyn+1=01，部分积加[x]补 100 +00 . 110 111 00 . 011 右移1位 011 00 . 001 1 101 010 0 Ynyn+1=00，部分积右移1位 101 1 110 101 0 Ynyn+1=10，部分积加[-x]补 00 . 000 110 +11 . 001 001 11 . 001 右移1位 111 11 . 100 1 111 010 1 Ynyn+1=01，部分积加[x]补 111 +00 . 110 111 00 . 011 右移1位 110 0 111 101 0 Ynyn+1=10，部分积加[-x]补 00 . 001 111 +11 . 001 001 11 . 011 0 111 10 000 即 [x×y]补=1.011 000 011 110，x·y= -0.100 111 100 010 补码两位乘：

2[x]补=001.101110，2[-x]补=1.001001 部分积 乘数 Yn+1 说明

结果同补码一位乘， x·y= -0. 100 111 100 010 00

21. 用原码加减交替法和补码加减交替法计算x÷y。 （1）x=0.100111，y=0.101011； （2）x=-0.10101， y=0.11011； （3）x=0.10100， y= -0.10001； （4）x=13/32， y= -27/32。 解：（1）x*=[x]原=[x]补=x= 0.100 111 y*=[y]原=[y]补=y= 0=0 ?y0=0 ?0.101 011 [-y*]补=[-y]补=1.010 101 q0=x0 y]原=0.111 010 r*=0.000 010×2-6=0.000 000 000 010 ?y*=[x?y=x*?x 计算过程如下： 原码加减交替除法： 被除数（余数） 商 0 . 1 0 0 1 1

1 0 . 0 0 0 0 0 0 + 1 . 0 1 0 1 0 1 试减，+[-y*]补 1 . 1 1 1 1 0 1 . 1 1 1 0 0 0 0 . + 0 . 1 0 1 0 1 1 ?0 1 r< 1 . 0 0 0 1 1 0 ?0，+y* 0 . 1 0 0 0 1 1 1 0.1 + 1 . 0 1 0 1 0 1 r>?0， +[-y*]补 0 . 0 1 1 0 1 1 1 0 . 1 1 0 1 1 0 0.1 1 + 1 . 0 1 0 1 0 1 r>0， +[-y*]补 0 . 0 0 1 0 1 1

0 .?续： 被除数（余数） 商 1 0 1 0 1 1 0 0 . 1 1 1 + 1 . 0 1 0 1 0 1 r>0， 1 . 0 1 0 1 1 0 0.1 1 1 0 ?+[-y*]补 1 . 1 0 1 0 1 1 1 + 0 . 1 0 1 0 1 1 r< 0 . 0 0?0，+y* 0 . 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0.1 1 1 0 1 + 1 . 0 1 0 1 0 1 r>0， 0.1 1 1 0 1 0 + 0 . 1 0 1 0 1 1 ?+[-y*]补 1 . 0 1 0 1 1 1 1 r<0，+y*（恢复余数） 0 . 0 0 0 0 1 0 补码加减交替除法： 被除数（余数） 商 0 0 . 1 0 0 1 1 1 0 . 0 0 0 0 0 0 + 1 1 . 0 1 0 1 0 1 1 . 1 1 1 0 0 0 ?1 试减，x、y同号，+[-y]补 1 1 . 1 1 1 1 0 0 1 0 . + 0 0 . 1 0 1 0 1 1 r、y异号，+[y]补 0 0 0 1 . 0 0 0 1 1 0 0.1 + 1 1 . 0 1?. 1 0 0 0 1 1 1 0 0 . 1 1 0?0 1 0 1 r、y同号， +[-y]补 0 0 . 0 1 1 0 1 1 1 1 1 0 0.1 1 + 1 1 . 0 1 0 1 0 1 r、y同号， +[-y]补 0 0 . 0 0 1 0 1 1

0 0 . 0 1 0 ?续： 被除数（余数） 商 1 1 1 0 0 . 1 1 1 + 1 1 . 0 1 0 1 0 1 r、y同号， +[-y]补 1 1 . 0 1 0 1 1 0 0.1 1 1 0 + ? 1 1 . 1 0 1 0 1 1 1 0 0 . 0?0 0 . 1 0 1 0 1 1 r、y异号，+[y]补 0 0 . 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0.1 1 1 0 1 + 1 1 . 0 1 0 1 0 1 r、y同号， 0.1 1 1 0 1 1 —— 恒置1 + 0 0 . 1 0 1 ?+[-y]补 1 1 . 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 r、x异号，（恢复余数） 0 0 . 0 0 0 0 1 0 且r、y异号， +[y]补 y]补= 0.111 011 [r6]补=0.000 010，r=r*=0.000 000 000 010?y=[x?注：恒置1引入误差。 x

（2）x= -0.101 01，y=0.110 11 [x]原=1.101 01 x*= 0.101 01 y* = [y]原 = [y]补= y = 0.110 11 [-y*]补= [-y]补= 1.001 01 [x]补= 1.010 11 y?y]原=1.110 00 x?y*= 0.110 00 [x? 0 = 1 x*? y0 = 1 ? q0 = x0 = -0.110 00 r*=0.110 00×2-5 =0.000 001 100 0 计算过程如下： 原码加减交替除法： 被除数（余数） 商 0 . 1 0 1 0 1 0 . 0 ?0 0 0 0 + 1 . 0 0 1 0 1 试减，+[-y*]补 1 . 1 1 0 1 0 1 1 . 1 0 1 0 0 0 . + 0 . 1 1 0 1 1 r< 0 . 1 1 1 1 0 0.1 ?0，+y* 0 . 0 1 1 1 1 1 + 1 . 0 0 1 0 1 r> 0 . 0 0?0， +[-y*]补 0 . 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0.1 1 + 1 . 0 0 1 0 1 r>0， +[-y*]补 1 . 0 1 0 1 1

0 . 1 0 1 1 0 ?续： 被除数（余数） 商 1 0 . 1 1 0 + 0 . 1 1 0 1 1 r<0， +y* 1 . 1 0 0 0 1 . 0 0 0 1 0 0.1 1 0 0 + 0 . 1 1 0 1 1 ?1 1 r< 0.1 1 0 0

0 + 0 . 1 1 0 1 1 ?0，+y* 1 . 1 1 1 0 1 1 r<0， +y*（恢复余数） 0 . 1 1 0 0 0

补码加减交替除法： 被除数（余数） 商 1 1 . 0 1 0 1 1 0 . 0 0 0 0 0 + 0 0 . 1 1 0 1 1 0 0 . 0 1 1 0 0 ? 试减，x、y异号，+[y]补 0 0 . 0 0 1 1 0 1 1 . + 1 1 . 0 0 1 0 1 r、y同号，+[-y]补 1 1 . 1 0 0 0 1 1 . 0 0 0 1 0 1.0 + 0 0 . 1 1 0 1 1 ?1 1 1 1 . 1 1 0 1 0 ? r、y异号， +[y]补 1 1 . 1 1 1 0 1 1 1.0 0 + 0 0 . 1 1 0 1 1 r、y异号， +[y]补 0 0 . 1 0 1 0 1

0 1 . 0 1 0 1 0 1 . 0 0 1?续： 被除数（余数） 商 1 0 0? + 1 1 . 0 0 1 0 1 r、y同号， +[-y]补 0 0 . 0 1 1 1 1 1 . 1 1 1 1 0 1.0 0 1 1 + 1 1 . 0 0 1 0 1 1.0 0 1 1 1 —— 恒置1 + 1 1 . 0 0?r、y同号，+[-y]补 0 0 . 0 0 0 1 1 1 1 0 1 r、x异号，（恢复余数） 1 1 . 0 1 0 0 0 且r、y同号，+[-y]补 y=?y]补=1.001 11，x?注：恒置1引入误差。 [r5]补=1.010 00， r= -0.000 001 100 0 [x -0.110 01

（3）x= 0.101 00，y= -0.100 01 x*= [x]原= [x]补= x=0.101 00 [y]原 = 1.100 01 y* = 0.100 01 [-y*]补=1.011 11 [y]补= 1.011 11 y*= 1.001 01 —— 溢出 ? 1 = 1 x*? y0 = 0 ? [-y]补= 0.100 01 q0 = x0 y = -1.001 01 r*=0.010 11×2-5 =0.000?y]原：无定义 x? [x 000 101 1 计算过程如下： 原码加减交替除法： 被除数（余数） 商 0 . 1 0 1 0 0 0 . 0 0 0 0 0 + 1 . 0 1 1 1 1 试减，+[-y*]补 0 . 0 0 0 . 0 0 1 1 0 1?0 1 1 1 . + 1 . 0 1 1 1 1 r>0， +[-y*]补 1 . 1 0 1 0 1 1 . 0 1 0 1 0 1.0 + 0 . 1 0? 1 0 0 1 r< 1 . 1 0 1 1 0 ?0， +y* 1 . 1 1 0 1 1 1 1.0 0 + 0 . 1 0 0 0 1 r<0， +y* 0 . 0 0 1 1 1

0 . 0 1 1 1 0 1 . 0 0 1 ?续： 被除数（余数） 商 1 + 1 . 0 1 1 1 1 r> 1 . 1 1?0， +[-y*]补 1 . 1 1 1 0 1 1 0 1 0 1.0 0 1 0 + 0 . 1 0 0 0 1 r<0，+y* 1.0 0 1 0 1 r?0 . 0 1 0 1 1 1>0， 结束 注：当x*>y*时产生溢出，这种情况在第一步运算后判断r的正负时就可发现。此时数值位占领小数点左边的1位，原码无定义，但算法本身仍可正常运行。

补码加减交替除法： 被除数（余数） 商 0 0 . 1 0 1 0 0 0 . 0 0 0 0 0 + 1 0 0 . 0 0 1 ?1 . 0 1 1 1 1 试减，x、y异号，+[y]补 0 0 . 0 0 0 1 1 1 1 0 0 . + 1 1 . 0 1 1 1 1 r、y异号，+[y]补 1 1 . 0 1 0 1 0 0.1 + 0 0 .? 1 1 . 1 0 1 0 1 1 1 1 . 1 0 1?1 0 0 0 1 r、y同号， +[-y]补 1 1 . 1 1 0 1 1 1 1 0 0.1 1 + 0 0 . 1 0 0 0 1 r、y同号， +[-y]补 0 0 . 0 0 1 1 1

0 0 . 0 1 1 1 0 ?续： 被除数（余数） 商 1 0 . 1 1 0 + 1 1 . 0 1 1 1 1 r、y异号， +[y]补 1 1 . 1 1 . 1 1 0 1 0 0.1 1 0 1 + 0 0 . 1 0 0 0?1 1 1 0 1 1 0.1 1 0 1 1 ——

恒置1 ?1 r、y同号，+[-y]补 0 0 . 0 1 0 1 1 1 r、x同号，结束 [r5]补=0.010 11，r=r*=0.000 000 101 1 ?y= -1.001 01 判溢出：qf ?y]补=10.110 11，x? 1 = 1 [x? y0 = 0 ?真符位的产生：qf = x0 0 = 1，溢出?q0 = 1

注：由于本题中x*>y*，有溢出。除法运算时一般在运算前判断是否x* >y*，如果该条件成立则停止运算，转溢出处理。但此算法本身在溢出情况下仍可正常运行，此时数值位占领小数点左边的1位，商需设双符号位（变形补码），以判溢出。采用这种方法时运算前可不判溢出，直接进行运算，运算完后再判溢出。 （4）x=13/32=（0.011 01）2 y= -27/32=（-0.110 11）2 x*= [x]原= [x]补= x=0. 011 01 [y]原 = 1.110 11 y* = 0.110 11 [-y*]补=1.001 01 [y]补= 1.001 01 y*= 0.011 11 ? 1 = 1 x*? y0 = 0 ?[-y]补= 0.110 11 q0 = x0 y =（-0.011 11）2 = -15/32 r*=0.010 11×2-5 ?y]原=1.011 11 x?[x =0.000 000 101 1 原码加减交替除法： 被除数（余数） 商 0 . 0 1 1 0 1 0 . 0 0 0 0 0 + 1 . 0 0 1 0 1 试减，+[-y*]补 1 . 1 0 0 1 . 0 0 1 0 0 0 .? 1 0 1 + 0 . 1 1 0 1 1 r<0， +y* 1 . 1 1 1 1 1 1 . 1 1 1 1 0 0.0 + 0 . 1 1 0 1? 1 1 r< 1 . 1 0 0 1 0 ?0， +y* 0 . 1 1 0 0 1 1 0.0 1 + 1 . 0 0 1 0 1 r>0， +[-y*]补 0 . 1 0 1 1 1

1 . 0 1 1 1 0 0 . 0 1 1 ?续： 被除数（余数） 商 1 + 1 . 0 0 1 0 1 r> 1 . 0 0?0， +[-y*]补 0 . 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0.0 1 1 1 + 1 . 0 0 1 0 1 r>0， +[-y*]补 0.0 1 1 1 1 r? 0 . 0 1 0 1 1 1>0， 结束

补码加减交替除法： 被除数（余数） 商 0 0 . 0 1 1 0 1 0 . 0 0 ?0 0 0 + 1 1 . 0 0 1 0 1 试减，x、y异号，+[y]补 1 1 . 1 0 0 1 0 1 1 1 . 0 0 1 0 0 1 . + 0 0 . 1 1 0 1 1 1 1 . 1 1 1 1 0 ? r、y同号，+[-y]补 1 1 . 1 1 1 1 1 1 1.1 + 0 0 . 1 1 0 1 1 r、y同号，+[-y]补 0 0 . 1 1 0 0 1 0 1 . 1 0 0 1 0 1.1 0 + 1 1 . 0 0 1 0 1 ?1 r、y异号， +[y]补 0 0 . 1 0 1 1 1

0 1?续： 被除数（余数） 商 1 . 0 1 1 1 0 1 . 1 0 0 + 1 1 . 0 0 1 0 1 r、y异号， 0 1 . 0 0 1 1 0 1.1 0 0 0 +?+[y]补 0 0 . 1 0 0 1 1 1 1.1 0? 1 1 . 0 0 1 0 1 r、y异号，+[y]补 0 0 . 0 1 0 1 1 1 0 0 1 —— 恒置1 r、x同号，结束 [r]补=0.010 y=（-0.011 11）2 = -15/32?y]补=1.100 01，x?11，r=r*=0.000 000 101 1 [x

26.按机器补码浮点运算步骤，计算[x±y]补. （1）x=2-011× 0.101 100，y=2-010×（-0.011 100）； （2）x=2-011×（-0.100 010），y=2-010×（-0.011 111）； （3）x=2101×（-0.100 101），y=2100×（-0.001 111)。 解：先将x、y转换成机器数形式： （1）x=2-011× 0.101 100，y=2-010×（-0.011 100）

[x]补=1，101；0.101 100, [y]补=1，110；1.100 100

[Ex]补=1,101, [y]补=1,110, [Mx]补=0.101 100, [My]补=1.100 100 1）对阶：

[?E]补=[Ex]补+[-Ey]补 = 11,101+ 00,010=11,111 < 0，

应Ex向Ey对齐，则：[Ex]补+1=11，101+00，001=11，110 = [Ey]

补

[x]补=1，110；0.010 110 2）尾数运算：

[Mx]补+[My]补= 0.010 110 + 11.100 100=11.111010

[Mx]补+[-My]补=0.010 110 + 00.011100= 00.110 010 3）结果规格化：

[x+y]补=11，110；11.111 010 = 11，011；11.010 000 （尾数左规3次，阶码减3）

[x-y]补=11，110；00.110 010, 已是规格化数。 4）舍入：无 5）溢出：无 则：x+y=2-101×（-0.110 000）

-010

x-y =2×0.110 010

（2）x=2-011×（-0.100010）,y=2-010×（-0.011111）

[x]补=1，101；1.011 110, [y]补=1，110；1.100 001 1） 对阶：过程同(1)的1），则 [x]补=1，110；1.101 111 2）尾数运算：

[Mx]补+[My]补= 11.101111 + 11. 100001 = 11.010000 [Mx]补+[-My]补= 11.101111 + 00.011111 = 00.001110

3）结果规格化：

[x+y]补=11，110；11.010 000,已是规格化数

[x-y]补=11，110；00.001 110 =11，100；00.111000 （尾数左规2次，

阶码减2）

4）舍入：无 5）溢出：无 则：x+y=2-010×（-0.110 000） x-y =2-100×0.111 000

（3）x=2101×（-0.100 101）,y=2100×（-0.001 111）

[x]补=0，101；1.011 011, [y]补=0，100；1.110 001 1）对阶：

[?E]补=00，101+11，100=00，001 >0，应Ey向Ex对齐，则： [Ey]补+1=00，100+00，001=00，101=[Ex]补 [y]补=0，101；1.111 000（1） 2）尾数运算：

[Mx]补+[My]补= 11.011011+ 11.111000（1）= 11.010011（1） [Mx]补+[-My]补= 11.011011+ 00.000111（1）= 11.100010（1）

3）结果规格化：

[x+y]补=00，101；11.010 011（1），已是规格化数

[x-y]补=00，101；11.100 010（1）=00，100；11.000 101 （尾数左规1次，阶码减1）

4）舍入：

[x+y]补=00，101；11.010 011（舍） [x-y]补 不变 5）溢出：无 则：x+y=2101×（-0.101 101）

x-y =2100×（-0.111 011）

32. 设机器字长为16位，分别按4、4、4、4和5、5、3、3分组后，

（1）画出按两种分组方案的单重分组并行进位链框图，并比较哪种方案运算速度快。

（2）画出按两种分组方案的双重分组并行进位链框图，并对这两种方案进行比较。

（3）用74181和74182画出单重和双重分组的并行进位链框图。 解：（1）4—4—4—4分组的16位单重分组并行进位链框图见教材286页图6.22。

5—5—3—3分组的16位单重分组并行进位链框图如下： （2）4—4—4—4分组的16位双重分组并行进位链框图见教材289页图6.26。 5—5—3—3分组的16位双重分组并行进位链框图如下：

5—5—3—3分组的进位时间=2.5ty?3=7.5ty； 4—4—4—4分组的进位时间=2.5ty?3=7.5ty； 可见，两种分组方案最长加法时间相同。

结论：双重分组并行进位的最长进位时间只与组数和级数有关，与组内位数无关。

（3）单重分组16位并行加法器逻辑图如下（正逻辑）：

注意： 1）74181芯片正、负逻辑的引脚表示方法；

2）为强调可比性，5-5-3-3分组时不考虑扇入影响； 3）181芯片只有最高、最低两个进位输入/输出端，组内进位无引脚； 4）181为4位片，无法5-5-3-3分组，只能4-4-4-4分组；

5）单重分组跳跃进位只用到181，使用182的一定是双重以上分组

跳跃进位；

6）单重分组跳跃进位是并行进位和串行进位技术的结合；双重分组

跳跃进位是二级并行进位技术；特别注意在位数较少时，双重分组跳跃进位可以采用全先行进位技术实现；位数较多时，可采用双重分组跳跃进位和串行进位技术结合实现。

第7章 指令系统

1. 什么叫机器指令？什么叫指令系统？为什么说指令系统与机器的主要功能以及与硬件结构之间存在着密切的关系？ 答：参考P300。

2. 什么叫寻址方式？为什么要学习寻址方式？ 答：参看P310。

3. 什么是指令字长、机器字长和存储字长？ 答：略。

4. 零地址指令的操作数来自哪里？？各举一例说明。 答：零地址指令的操作数来自ACC，为隐含约定。

在一地址指令中，另一个操作数的地址通常可采用ACC隐含寻址方式获得。

5. 对于二地址指令而言，操作数的物理地址可安排在什么地方？举例说明。 答：对于二地址指令而言，操作数的物理地址可安排在寄存器内、指令中或内存单元内等。

8. 某机指令字长16位，每个操作数的地址码为6位，设操作码长度固定，指令分为零地址、一地址和二地址三种格式。若零地址指令有M条，一地址指令有N种，则二地址指令最多有几种？若操作码位数可变，则二地址指令最多允许有几种？

解：1）若采用定长操作码时，二地址指令格式如下： OP（4位） A1（6A2（6位） 位） 设二地址指令有K种，则：K=24-M-N 当M=1（最小值），N=1（最小值）时，二地址指令最多有：Kmax=16-1-1=14

种

2）若采用变长操作码时，二地址指令格式仍如1）所示，但操作码长度可随地址码的个数而变。此时，K= 24 -（N/26 + M/212 ）；

当（N/26 + M/212 ）?1时（N/26 + M/212 向上取整），K最大，则二地址指令最多有：

Kmax=16-1=15种（只留一种编码作扩展标志用。）

9. 试比较间接寻址和寄存器间接寻址。 答：略。

10. 试比较基址寻址和变址寻址。 略。

11. 画出先变址再间址及先间址再变址的寻址过程示意图。 解：1）先变址再间址寻址过程简单示意如下：

EA=[(IX)+A]，IX?(IX)+1

2）先间址再变址寻址过程简单示意如下：EA=(IX)+(A)，IX? (IX)+1

16. 某机主存容量为4M?16位，且存储字长等于指令字长，若该机指令系统可完成108种操作，操作码位数固定，且具有直接、间接、变址、基址、相对、立即等六种寻址方式，试回答：（1）画出一地址指令格式并指出各字段的作用； （2）该指令直接寻址的最大范围； （3）一次间址和多次间址的寻址范围； （4）立即数的范围（十进制表示）； （5）相对寻址的位移量（十进制表示）； （6）上述六种寻址方式的指令哪一种执行时间最短？哪一种最长？为什么？哪一种便于程序浮动？哪一种最适合处理数组问题？

（7）如何修改指令格式，使指令的寻址范围可扩大到4M？ （8）为使一条转移指令能转移到主存的任一位置，可采取什么措施？简要说明之。 解：（1）单字长一地址指令格式： OP（7位） M（3位） A（6位） OP为操作码字段，共7位，可反映108种操作； M为寻址方式字段，共3位，可反映6种寻址操作； A为地址码字段，共16-7-3=6位。

（2）直接寻址的最大范围为26=64。

（3）由于存储字长为16位，故一次间址的寻址范围为216；若多次间址，需用存储字的最高位来区别是否继续间接寻址，故寻址范围为215。

（4）立即数的范围为-32——31（有符号数），或0——63（无符号数）。 （5）相对寻址的位移量为-32——31。

（6）上述六种寻址方式中，因立即数由指令直接给出，故立即寻址的指令执行时间最短。间接寻址在指令的执行阶段要多次访存(一次间接寻址要两次访存，多次间接寻址要多次访存)，故执行时间最长。变址寻址由于变址寄存器的内容由用户给定，而且在程序的执行过程中允许用户修改，而其形式地址始终不变，故变址寻址的指令便于用户编制处理数组问题的程序。相对寻址操作数的有效地址只与当前指令地址相差一定的位移量，与直接寻址相比，更有利于程序浮动。

（7）方案一：为使指令寻址范围可扩大到4M，需要有效地址22位，此时可将单字长一地址指令的格式改为双字长，如下图示： OP（7位） MOD（3位） A（高6位） A（低16位） 方案二：如果仍采用单字长指令（16位）格式，为使指令寻址范围扩大到4M，可通过段寻址方案实现。安排如下：

硬件设段寄存器DS（16位），用来存放段地址。在完成指令寻址方式所规定的寻址操作后，得有效地址EA（6位），再由硬件自动完成段寻址，最后得22位物理地址。 即：物理地址=（DS）?26 + EA

注：段寻址方式由硬件隐含实现。在编程指定的寻址过程完成、EA产生之后由硬件自动完成，对用户是透明的。

主存字块标记（7位） Cache字块地址（9位） 字块内地址（5位） 在四路组相联映射方式下，主存字块标记为21-7-5=9位，主存地址格

式为：

主存字块标记（9位） 组地址（7位） 字块内地址（5位） 在全相联映射方式下，主存字块标记为21-5=16位，主存地址格式为：

主存字块标记（16位） 字块内地址（5位）

29. 假设CPU执行某段程序时共访问Cache命中4800次，访问主存200次，已知Cache的存取周期为30ns，主存的存取周期为150ns，求Cache的命中率以及Cache-主存系统的平均访问时间和效率，试问该系统的性能提高了多少倍？ 解：Cache被访问命中率为：4800/(4800+200)=24/25=96%

则Cache-主存系统的平均访问时间为：ta=0.96*30ns+(1-0.96)*150ns=34.8ns Cache-主存系统的访问效率为：e=tc/ta*100%=30/34.8*100%=86.2% 性能为原来的150ns/34.8ns=4.31倍，即提高了3.31倍。

30. 一个组相连映射的CACHE由64块组成，每组内包含4块。主存包含4096块，每块由128字组成，访存地址为字地址。试问主存和高速存储器的地址各为几位？画出主存地址格式。

解：cache组数：64/4=16 ，Cache容量为：64*128=213字，cache地址13位

主存共分4096/16=256区，每区16块

主存容量为：4096*128=219字，主存地址19位，地址格式如下： 主存字块标记（8组地址（4位） 字块内地址（7位） 位）

31. 设主存容量为1MB，采用直接映射方式的Cache容量为16KB，块长为4，每字32位。试问主存地址为ABCDEH的存储单元在Cache中的什么位置？ 解：主存和Cache按字节编址，

Cache容量16KB=214B，地址共格式为14位，分为16KB/(4*32/8B)=210块，每块4*32/8=16B=24B，Cache地址格式为： Cache字块地址（10位） 字块内地址（4位） 主存容量1MB=220B，地址共格式为20位，分为1MB/(4*32/8B)=216块，每块24B，采用直接映射方式，主存字块标记为20-14=6位，主存地址格式为：

字块内地址（4主存字块标记（6位） Cache字块地址（10位） 位） 主存地址为ABCDEH=1010 1011 1100 1101 1110B，主存字块标记为101010，Cache字块地址为11 1100 1101，字块内地址为1110，故该主存单元应映射到Cache的101010块的第1110字节，即第42块第14字节位置。或者在Cache的第11 1100 1101 1110=3CDEH字节位置。

32. 设某机主存容量为4MB，Cache容量为16KB，每字块有8个字，每字32位，

设计一个四路组相联映射（即Cache每组内共有4个字块）的Cache组织。

（1）画出主存地址字段中各段的位数。

（2）设Cache的初态为空，CPU依次从主存第0，1，2，…，89号单元读出90个字（主存一次读出一个字），并重复按此次序读8次，问命中率是多少？

（3）若Cache的速度是主存的6倍，试问有Cache和无Cache相比，速度约提高多少倍？ 解：（1）根据每字块有8个字，每字32位（4字节），得出主存地址字段中字块内地址为3+2=5位。

根据Cache容量为16KB=214B，字块大小为8*32/8=32=25B，得Cache地址共14位，Cache共有214-5=29块。

根据四路组相联映射，Cache共分为29/22=27组。

根据主存容量为4MB=222B，得主存地址共22位，主存字块标记为22-7-5=10位，故主存地址格式为： 主存字块标记（10位） 组地址（7位） 字块内地址（5位） （2）由于每个字块中有8个字，而且初态为空，因此CPU读第0号单元时，未命中，必须访问主存，同时将该字所在的主存块调入Cache第0组中的任一块内，接着CPU读第1~7号单元时均命中。同理，CPU读第8，16，…，88号时均未命中。可见，CPU在连续读90个字中共有12次未命中，而后8次循环读90个字全部命中，命中率为：

90?8?12?0.984 90?8（3）设Cache的周期为t，则主存周期为6t，没有Cache的访问时间为6t*90*8，有Cache的访问时间为t（90*8-12）+6t*12，则有Cache和无Cache相比，速度提高的倍数为：

6t?90?8?1?5.54

(90?8?12)t?6t?1233．简要说明提高访存速度可采取的措施。 答：提高访存速度可采取三种措施：

（1）采用高速器件。即采用存储周期短的芯片，可提高访存速度。

（2）采用Cache。CPU最近要使用的信息先调入Cache，而Cache的速度比主存快得多，这样CPU每次只需从Cache中读写信息，从而缩短访存时间，提高访存速度。

（3）调整主存结构。如采用单体多字或采用多体结构存储器。

38. 磁盘组有6片磁盘，最外两侧盘面可以记录，存储区域内径22cm，外径33cm，道密度为40道/cm，内层密度为400位/cm，转速3600转/分，问：

（1）共有多少存储面可用？ （2）共有多少柱面？

（3）盘组总存储容量是多少？ （4）数据传输率是多少？ 解：（1）共有：6×2=12个存储面可用。

（2）有效存储区域=（33-22）/ 2 = 5.5cm 柱面数 = 40道/cm × 5.5= 220道

（3）内层道周长=?×22=69.08cm

道容量=400位/cm×69.08cm= 3454B 面容量=3454B×220道=759，880B

盘组总容量=759，880B ×12面= 9 ，118，560B （4）转速 = 3600转 / 60秒 = 60转/秒

数据传输率 = 3454B × 60转/秒 = 207，240 B/S

39. 某磁盘存储器转速为3000转/分，共有4个记录盘面，每毫米5道，每道记录信息12 288字节，最小磁道直径为230mm，共有275道，求： （1）磁盘存储器的存储容量。

（2）最高位密度（最小磁道的位密度）和最低位密度。 （3）磁盘数据传输率。 （4）平均等待时间。 解：（1）存储容量 = 275道×12 288B/道×4面 = 13 516 800B （2）最高位密度 = 12 288B/（?×230）= 17B/mm = 136位/mm（向下取整）

最大磁道直径=230mm+2×275道/(5道/mm) = 230mm + 110mm = 340mm

最低位密度 = 12 288B /(?×340)= 11B/mm = 92位 / mm （向下取整） （3）磁盘数据传输率= 12 288B × 3000转/分=12 288B × 50转/秒=614 400B/s （4）平均等待时间 = 1s/50 / 2 = 10ms

第5章 输入输出系统

1. I/O有哪些编址方式？各有何特点？

解：常用的I/O编址方式有两种： I/O与内存统一编址和I/O独立编址。

特点：I/O与内存统一编址方式的I/O地址采用与主存单元地址完全一样的格式，I/O设备和主存占用同一个地址空间，CPU可像访问主存一样访问I/O设备，不需要安排专门的I/O指令。

I/O独立编址方式时机器为I/O设备专门安排一套完全不同于主存地址格式的地址编码，此时I/O地址与主存地址是两个独立的空间，CPU需要通过专门的I/O指令来访问I/O地址空间。

2. 简要说明CPU与I/O之间传递信息可采用哪几种联络方式？它们分别用于什么场合？ 答： CPU与I/O之间传递信息常采用三种联络方式：直接控制（立即响应）、 同步、异步。 适用场合分别为： 直接控制适用于结构极简单、速度极慢的I/O设备，CPU直接控制外设处于某种状态而无须联络信号。

同步方式采用统一的时标进行联络，适用于CPU与I/O速度差不大，近距离传送的场合。

异步方式采用应答机制进行联络，适用于CPU与I/O速度差较大、远距离传送的场合。

6. 字符显示器的接口电路中配有缓冲存储器和只读存储器，各有何作用？ 解：显示缓冲存储器的作用是支持屏幕扫描时的反复刷新；只读存储器作为字符发生器使用，他起着将字符的ASCII码转换为字形点阵信息的作用。

8. 某计算机的I/O设备采用异步串行传送方式传送字符信息。字符信息的格式为1位起始位、7位数据位、1位校验位和1位停止位。若要求每秒钟传送480个字符，那么该设备的数据传送速率为多少？ 解：480×10=4800位/秒=4800波特

波特——是数据传送速率波特率的单位。

10. 什么是I/O接口，与端口有何区别?为什么要设置I/O接口？I/O接口如何分类？

解：I/O接口一般指CPU和I/O设备间的连接部件，而端口是指I/O接口内CPU能够访问的寄存器，端口加上相应的控制逻辑即构成I/O接口。

I/O接口分类方法很多，主要有：

（1）按数据传送方式分有并行接口和串行接口两种；

（2）按数据传送的控制方式分有程序控制接口、程序中断接口、DMA接口三种。

12. 结合程序查询方式的接口电路，说明其工作过程。 解：程序查询接口工作过程如下（以输入为例）：

1）CPU发I/O地址设备开始工作；地址总线?接口?设备选择器译码?选

中?发SEL信号； 2）CPU发启动命令 DBR?开命令接收门； ? D置0，B置1 ? 接口向设备发启动命令；3）CPU等待，输入设备读出数据；4）外设工作完成，B置0，D置1；5）准备就绪信号?接口?完成信号?控制总线? CPU；6）输入：CPU通过输入指令（IN）将DBR中的数据取走。

若为输出，除数据传送方向相反以外，其他操作与输入类似。工作过程如下： 开命令接收门；?选中，发SEL信号?设备选择器译码?接口?地址总线?1）CPU发I/O地址 2）输出： CPU通过输出指令（OUT）将数据放入接口DBR中；设备开始工作；?接口向设备发启动命令? D置0，B置1 ? 3）CPU发启动命令 4）CPU等待，输出设备将数据从 DBR取走； B置0，D置1；?接口? 5）外设工作完成，完成信号 CPU，CPU可通过指令再次向接口DBR输出数据，进行第二次传送。?控制总线?6）准备就绪信号。

13. 说明中断向量地址和入口地址的区别和联系。 解：中断向量地址和入口地址的区别：

向量地址是硬件电路（向量编码器）产生的中断源的内存地址编号，中断入口地址是中断服务程序首址。

中断向量地址和入口地址的联系：

中断向量地址可理解为中断服务程序入口地址指示器（入口地址的地址），通过它访存可获得中断服务程序入口地址。 (两种方法：在向量地址所指单元内放一条JMP指令；主存中设向量地址表。参考8.4.3）

14. 在什么条件下，I/O设备可以向CPU提出中断请求？

解：I/O设备向CPU提出中断请求的条件是：I/O接口中的设备工作完成状态为1（D=1），中断屏蔽码为0 （MASK=0），且CPU查询中断时，中断请求触发器状态为1（INTR=1）。

15. 什么是中断允许触发器？它有何作用？ 解：中断允许触发器是CPU中断系统中的一个部件，他起着开关中断的作用（即中断总开关，则中断屏蔽触发器可视为中断的分开关）。

16. 在什么条件和什么时间，CPU可以响应I/O的中断请求？

解：CPU响应I/O中断请求的条件和时间是：当中断允许状态为1（EINT=1），且至少有一个中断请求被查到，则在一条指令执行完时，响应中断。

17. 某系统对输入数据进行取样处理，每抽取一个输入数据，CPU就要中断处理一次，将取样的数据存至存储器的缓冲区中，该中断处理需P秒。此外，缓冲区内每存储N个数据，主程序就要将其取出进行处理，这个处理需Q秒。试问该系统可以跟踪到每秒多少次中断请求？

解：这是一道求中断饱和度的题，要注意主程序对数据的处理不是中断处理，因此Q秒不能算在中断次数内。 N个数据所需的处理时间=P×N+Q秒 平均每个数据所需处理时间= （P×N+Q）/N秒

求倒数得：该系统跟踪到的每秒中断请求数=N/（P×N+Q）次。

19. 在程序中断方式中，磁盘申请中断的优先权高于打印机。当打印机正在进行打印时，磁盘申请中断请求。试问是否要将打印机输出停下来，等磁盘操作结束后，打印机输出才能继续进行？为什么？

解：这是一道多重中断的题，由于磁盘中断的优先权高于打印机，因此应将打印机输出停下来，等磁盘操作结束后，打印机输出才能继续进行。因为打印机的速度比磁盘输入输出的速度慢，并且暂停打印不会造成数据丢失。

26. 什么是多重中断？实现多重中断的必要条件是什么？

解：多重中断是指：当CPU执行某个中断服务程序的过程中，发生了更高级、更紧迫的事件，CPU暂停现行中断服务程序的执行，转去处理该事件的中断，处理完返回现行中断服务程序继续执行的过程。

实现多重中断的必要条件是：在现行中断服务期间，中断允许触发器为1，即开中断。

28. CPU对DMA请求和中断请求的响应时间是否一样？为什么？

解： CPU对DMA请求和中断请求的响应时间不一样，因为两种方式的交换速度相差很大，因此CPU必须以更短的时间间隔查询并响应DMA请求。响应中断请求是在每条指令执行周期结束的时刻，而响应DMA请求是在存取周期结束的时刻。

中断方式是程序切换，而程序又是由指令组成，所以必须在一条指令执行完毕才能响应中断请求，而且CPU只有在每条指令执行周期结束的时刻才发出查询信号，以获取中断请求信号，若此时条件满足，便能响应中断请求。

DMA请求是由DMA接口根据设备的工作状态向CPU申请占用总线，此时只要总线未被CPU占用，即可立即响应DMA请求；若总线正被CPU占用，则必须等待该存取周期结束时，CPU才交出总线的使用权。

30. DMA的工作方式中，CPU暂停方式和周期挪用方式的数据传送流程有何不同？画图说明。

解：两种DMA方式的工作流程见如下，其主要区别在于传送阶段，现行程序是否完全停止访存。

停止CPU访存方式的DMA工作流程如下：

现行程序 CPU DMAC I/O CPU DMAC I/O

B C D 周期窃取方式的DMA工作流程如下：

现行程序 CPU DMAC I/O CPU DMAC I/O

B C D

31. 假设某设备向CPU传送信息的最高频率是40 000次/秒，而相应的中断处理程序其执行时间为40?s，试问该外设是否可用程序中断方式与主机交换信息，为什么？

解：该设备向CPU传送信息的时间间隔 =1/40000=0.025×10-3=25 ? s < 40?s 则：该外设不能用程序中断方式与主机交换信息，因为其中断处理程序的执

行速度比该外设的交换速度慢。

32. 设磁盘存储器转速为3000转/分，分8个扇区，每扇区存储1K字节，主存与磁盘存储器数据传送的宽度为16位（即每次传送16位）。假设一条指令最长执行时间是25?s，是否可采用一条指令执行结束时响应DMA请求的方案，为什么？若不行，应采取什么方案？

解：先算出磁盘传送速度，然后和指令执行速度进行比较得出结论。

道容量= 1K ×8 ×8 位= 8KB = 4K字 数传率=4K字×3000转/分=4K字×50转/秒 =200K字/秒

一个字的传送时间=1/200K秒? 5?s （注：在此1K=1024，来自数据块单位缩写。）

因为5 ?s<<25?s，所以不能采用一条指令执行结束响应DMA请求的方案，应采取每个CPU机器周期末查询及响应DMA请求的方案（通常安排CPU机器周期=MM存取周期）。

33. 试从下面七个方面比较程序查询、程序中断和DMA三种方式的综合性能。 （1）数据传送依赖软件还是硬件。 （2）传送数据的基本单位。 （3）并行性。 （4）主动性。 （5）传输速度。 （6）经济性。 （7）应用对象。 解：比较如下：

（1）程序查询、程序中断方式的数据传送主要依赖软件，DMA主要依赖硬件。 （注意：这里指主要的趋势）

（2）程序查询、程序中断传送数据的基本单位为字或字节，DMA为数据块。 （3）程序查询方式传送时，CPU与I/O设备串行工作；程序中断方式时，CPU与I/O设备并行工作，现行程序与I/O传送串行进行；DMA方式时，CPU与I/O设备并行工作，现行程序与I/O传送并行进行。

（4）程序查询方式时，CPU主动查询I/O设备状态；程序中断及DMA方式时，CPU被动接受I/O中断请求或DMA请求。

（5）程序中断方式由于软件额外开销时间比较大，因此传输速度最慢；程序查询方式软件额外开销时间基本没有，因此传输速度比中断快；DMA方式基本由硬件实现传送，因此速度最快；

注意：程序中断方式虽然CPU运行效率比程序查询高，但传输速度却比程序查询慢。

（6）程序查询接口硬件结构最简单，因此最经济；程序中断接口硬件结构稍微复杂一些，因此较经济；DMA控制器硬件结构最复杂，因此成本最高； （7）程序中断方式适用于中、低速设备的I/O交换；程序查询方式适用于中、低速实时处理过程；DMA方式适用于高速设备的I/O交换； 讨论：

问题1：这里的传送速度指I/O设备与主存间，还是I/O与CPU之间？ 答：视具体传送方式而定，程序查询、程序中断为I/O与CPU之间交换，DMA

为I/O与主存间交换。

问题2：主动性应以CPU的操作方式看，而不是以I/O的操作方式看。 补充题：

一、某CRT显示器可显示64种ASCII字符，每帧可显示72字×24排；每个字符字形采用7×8点阵，即横向7点，字间间隔1点，纵向8点，排间间隔6点；帧频50Hz，采取逐行扫描方式。假设不考虑屏幕四边的失真问题，且行回扫和帧回扫均占扫描时间的20%，问： 1）显存容量至少有多大？

2）字符发生器（ROM）容量至少有多大？ 3）显存中存放的是那种信息？

4）显存地址与屏幕显示位置如何对应？ 5）设置哪些计数器以控制显存访问与屏幕扫描之间的同步？它们的模各是多少？

6）点时钟频率为多少？ 解：1）显存最小容量=72×24×8 =1728B

2）ROM最小容量=64×8行×8列= 512B（含字间隔1点） 3）显存中存放的是ASCII码信息。

4）显存每个地址对应一个字符显示位置，显示位置自左至右，从上到下，分别对应缓存地址由低到高。

5）设置点计数器、字计数器、行计数器、排计数器控制显存访问与屏幕扫描之间的同步。

它们的模计算如下： 点计数器模 = 7+1 = 8 行计数器模 = 8 + 6 = 14

字、排计数器的模不仅与扫描正程时间有关，而且与扫描逆程时间有关，因此计算较为复杂。

列方程： （72+x）× 0.8 = 72

（24+y）× 0.8 = 24

解方程得：x = 18，y = 6，则： 字计数器模 = 72 + 18 = 90 排计数器模 = 24 + 6 = 30 6）点频 = 50Hz × 30排 × 14行 × 90字 × 8点 = 15 120 000Hz= 15.12MHz

二、有一编码键盘，其键阵列为8行×16列，分别对应128种ASCII码字符，采用硬件扫描方式确认按键信号，问： 1）扫描计数器应为多少位？ 2）ROM容量为多大？ 3）若行、列号均从0开始编排，则当第5行第7列的键表示字母“F”时，CPU从键盘读入的二进制编码应为多少（设采用奇校验）？ 4）参考教材图5.15，画出该键盘的原理性逻辑框图； 5）如果不考虑校验技术，此时ROM是否可省？ 解：1）扫描计数器 = 7位（与键的个数有关）

2）ROM容量 = 128 × 8 = 128B（与字符集大小有关）

3）CPU从键盘读入的应为字符“F”的ASCII码 = 01000110 （46H） ，其中最高位为奇校验位（注：不是位置码）。

4）该键盘的原理性逻辑框图见下页，与教材图5.15类似，主要需标明参数。 5）如果不考虑校验技术，并按ASCII码位序设计键阵列（注意） ，则ROM编码表可省，此时7位计数器输出值（扫描码或键位置码）即为ASCII码。

该键盘的原理性逻辑框图如下：

三、一针式打印机采用7列×9行点阵打印字符，每行可打印132个字符，共有96种可打印字符，用带偶校验位的ASCII码表示。问： 1）打印缓存容量至少有多大？ 2）字符发生器容量至少有多大？ 3）列计数器应有多少位？

4）缓存地址计数器应有多少位？ 解：1）打印缓存最小容量 = 132×8= 132B（考虑偶校验位）

2）ROM最小容量 = 96×7列×9行= 672×9位 3）列计数器 = 3位（7列向上取2的幂）

4）缓存地址计数器 = 8位（132向上取2的幂） 讨论：

1．由于针打是按列打印，所以ROM一个存储单元中存一列的9个点，则容量为672×9位；

2．列计数器是对列号进行计数，所以模=7，3位（模不等于位数）； 3．同样缓存地址计数器模=132，8位。

第6章 计算机的运算方法

2. 已知X=0.a1a2a3a4a5a6（ai为0或1），讨论下列几种情况时ai各取何值。 （1）X?1

2（2）X?1

8

（3）1?X?4116

2解： （1）若要X?1，只要a1=1，a2~a6不全为0即可。

（2）若要X?1，只要a1~a3不全为0即可。

8

（3）若要1?X?4116，只要a1=0，a2可任取0或1；

当a2=0时，若a3=0，则必须a4=1，且a5、a6不全为0；

若a3=1，则a4~a6可任取0或1；

当a2=1时， a3~a6均取0。

3. 设x为整数，[x]补=1，x1x2x3x4x5，若要求 x < -16，试问 x1~x5 应取何值？ 解：若要x < -16，需 x1=0，x2~x5 任意。（注：负数绝对值大的补码码值反而小。）

4. 设机器数字长为8位（含1位符号位在内），写出对应下列各真值的原码、补码和反码。 -13/64，29/128，100，-87 解：真值与不同机器码对应关系如下： 真值 -13/64 29/128 100 -87 二进制 -0.001101 0.0011101 1100100 -1010111 原码 1.001 1010 0.001 1101 0110 0100 1101 0111 补码 1.1100110 0.001 1101 0110 0100 10101001 反码 1.1100101 0.001 1101 0110 0100 10101000

5. 已知[x]补，求[x]原和x。

[x1]补=1.1100; [x2]补=1.1001; [x3]补=0.1110; [x4]补=1.0000;

[x5]补=1,0101; [x6]补=1,1100; [x7]补=0,0111; [x8]补=1,0000; 解：[x]补与[x]原、x的对应关系如下： [x]补 1.1100 1.1001 0.1110 1.0000 1,0101 1,1100 0,0111 1,0000 [x]原 1.0100 1.0111 0.1110 无 1,1011 1,0100 0,0111 无 x -0.0100 -0.0111 0.1110 -1 -1011 -100 0,0111 -10000

6. 设机器数字长为8位（含1位符号位在内），分整数和小数两种情况讨论真

值x为何值时，[x]补=[x]原成立。

解：当x为小数时，若x? 0，则 [x]补=[x]原成立；

若x < 0，当x= -1/2时，[x]补=[x]原=1.100 0000，则 [x]补=[x]

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