计算机组成原理经典大题及解析

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1.某机主存容量为4M×16位，且存储字长等于指令字长，若该机的指令系统具备97种操作。操作码位数固定，且具有直接、间接、立即、相对、基址五种寻址方式。 （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（十进制表示）； （3）一次间址的寻址范围（十进制表示）； （4）相对寻址的位移量（十进制表示）。 （注意：答案原题为85种操作）

2、主存容量16MB，Cache容量8KB，块大小32B，CPU字长为4B、访问的主存地址为字地址。4路组相联映像方式时。

（1）设Cache初态为空，CPU需从主存0#字单元起依次读出100个字(每次1个字)，CPU访问Cache的命中率是多少？

（2）对上一小题，若Cache速度是主存的5倍，相对于无Cache时，CPU访存速度提高多少倍？

##例4：CPU支持最大主存容量16MB、按字节编址，块大小为32B，Cache容量为8KB。4路组相联映像方式时，

⑴主存及Cache地址格式及参数？ ⑵设Cache初态为空，CPU从0#主存单元起依次读出200个字节(每次1个字节)，CPU访问Cache的命中率是多少？

⑶对上一小题，若Cache速度是主存的5倍(包含地址变换时间)，相对于无Cache时，CPU访存速度提高多少倍？

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3、设某机有5级中断：L0,L1,L2,L3,L4，其中断响应优先次序为：L0最高，L1次之，L4最低。现在要求将中断处理次序改为L1>L3>L0>L4>L2,请填写下表，设置各级中断处理程序的各中断屏蔽值（每级对应一位，该位为“0”表示允许中断，该位为“1”表示中断屏蔽）。

解： （1）操作码字段为6位，可指定 26 = 64种操作，即64条指令。 （2）单字长（32）二地址指令。

（3）一个操作数在原寄存器（共16个），另一个操作数在存储器中（由变址寄存器内容 + 偏移量决定），所以是RS型指令。 （4）这种指令结构用于访问存储器。

6、盘磁组有六片磁盘，每片有两个记录面，存储区域内径22cm，外径33cm，道密度40道/cm，内层位密度400位/cm ,转速2400转/分。问： （1）有多少个存储面可用？ （2）有多少柱面？

（3）盘组总存储容量是多少？ （4）数据据传输率是多少？

（5）如采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什么？ 解：(1)有效存储区域＝16.5－11＝5.5(cm) 因为道密度＝40道/cm，

所以共有40×5.5＝220道，即220个圆柱面。

(2)内层磁道周长为2πR＝2×3.14×11＝69.08（cm） 每道信息量＝400位/cm×69.08cm＝27632位 ＝3454B 每面信息量＝3454B×220＝759880B

盘组总容量＝759880B×l0＝7598800B＝7.25MB (3)磁盘数据传输率Dr＝r×N

N为每条磁道容量，N＝3454B

r为磁盘转速，r＝2400转/60秒＝40转/秒 Dr＝r×N＝40×3454B＝13816B/s

(4)磁盘旋转一圈的时间为

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平均寻址时间

Ta＝10ms＋25/2ms＝22.5ms

(5) 采用定长数据块格式，直接寻址的最小单位是一个 扇区，

7、用32K*8位的EPROM芯片组成128K*16位的只读存储器，试问： (1) 数据寄存器多少位? (2) 地址寄存器多少位?

(3) 共需多少个EPROM芯片? (4) 画出此存储器组成框图 解：（1）32K×8位的只读存储器芯片内数据寄存器应为8位

（2）32K×8位的只读存储器应有32K个存储单元，32K= 215 ，所以有15位地址，芯片的地址寄存器应为15位。

（3）需要的芯片数= （128K×16位）/（32K×8位）=8（片）

其中 采用位扩展方式，2片32K×8位扩展为32K×16位芯片组， 采用字扩展方式，4组32K×16位芯片组构成128K×16位的存储器。

（4）32K×8位的存储器芯片需要15位地址， 128K×16位存储器需要17位地址，高2位地址进行译码产生4个片选信号，可选择4组芯片组一组进行操作。 CPU和存储器的硬件接线图如下：

8、假设机器字长16位，主存容量为128K字节，指令字长度为16位或32位，共有128条指令，设计计算机指令格式，要求有直接、立即数、相对、基值、间接、变址六种寻址方式。 解：由已知条件，机器字长16位，主存容量128KB / 2 = 64KB字，因此MAR = 18位，共128条指令，故OP字段占7位。采用单字长和双字长两种指令格式，其中单字长指令用于算术逻辑和I / O类指令，双字长用于访问主存的指令。

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寻址方式由寻址模式X定义如下： X = 000 直接寻址 E = D（64K） X = 001 立即数 D = 操作数

X = 010 相对寻址 E = PC + D PC = 16位 X = 011 基值寻址 E = Rb + D ，Rb =16 位 X = 100 间接寻址 E = （D）

X = 101 变址寻址 E = RX + D ，RX = 10位

64位机主存采用半导体存储器，其地址码为26位，若使用4M×8位的DRAM芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用内存条结构形式，问： (1)若每个内存条为16M×64位，共需几个内存条？ (2)每个内存条内共有多少DRAM芯片？

(3)主存共需多少DRAM芯片？CPU如何选择各内存条

10、图1是从实时角度观察到的中断嵌套。试问，这个中断系统可以实行几重 中断？并分析图1的中断过程。

解：该中断系统可以实行5重中断，中断优先级的顺序是，优先权1最高，主程序运行于最低优先权（优先权为6）。图B15.2中出现了4重中断。 图B15.2中中断过程如下： 主程序运行到T1时刻，响应优先权4的中断源的中断请求并进行中断服务；到T3时刻，优先权4的中断服务还未结束，但又出现了优先权3的中断源的中断请求；暂停优先权4

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的中断服务，而响应优先权3的中断。到T4时刻，又被优先权2的中断源所中断，直到T6时刻，返回优先权3的服务程序，到T7时刻，又被优先权1的中断源所中断，到T8时刻，优先权1的中断服务完毕，返回优先权3的服务程序，直到T10优先权3的中断服务结束，返回优先权4的服务程序，优先权4的服务程序到T11结束，最后返回主程序。图中，优先权3的服务程序被中断2次，而优先权5的中断又产生。

知某机采用微程序控制方式，其控制存储器容量为512×48（位），微程序在整个控制存储器中实现转移，可控制的条件共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，如图所示：

微指令中的三个字段分别应多少位？

画出对应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，（如采用字段译码只需3位），下地址字段为9位，因为控制容量为512单元，微命令字段是（ 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B1.2如下：其中微地址寄存器对应下地址字段，P字段即为判别测试字段，控制字段即为微命令子段，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OP码，各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。 图B1.2

12、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： 磁盘存贮器的容量是多少？

最高位密度与最低位密度是多少？ 磁盘数据传输率是多少？ （4）平均等待时间是多少？

解（1）每道记录信息容量 = 12288字节

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每个记录面信息容量 = 275×12288字节

共有4个记录面，所以磁盘存储器总容量为 ： 4 ×275×12288字节 = 13516800字节

（2）最高位密度D1按最小磁道半径R1计算（R1 = 115mm）： D1 = 12288字节 / 2πR1 = 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 / 2πR2 = 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 = 50 × 12288 = 614400字节 / 秒 （4）平均等待时间 = 1/2r = 1 / (2×50) = 10毫秒

13、某微机的指令格式如下所示：

D: 位移量 X:寻址特征位

X=00：直接寻址；

X=01：用变址寄存器X1进行变址； X=10：用变址寄存器X2进行变址； X=11：相对寻址

设（PC）=1234 H,( X1)=0037H,( X2)=1122H(H代表十六进制数)，请确定下列指令的有效地址。

①4420H ②2244H ③1322H ④3521H ⑤6723H

14、某16机机器所使用的指令格式和寻址方式如下所示，该机有20位基值寄存器，16个16位通用寄存器。指令汇编格式中的S（源），D（目标）都是通用寄存器，M是主存中的

一个单元。三种指令的操作码分别是MOV（OP）=（A）H，STA（OP）=（1B）H，LDA（OP）=（3C）H。MOV是传送指令，STA为写数指令，LDA为读数指令，如图1：

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要求： 下列情况下每个十六进制指令字分别代表什么操作？其中如果有编码不正确，如何改正才能成为合法指令？ ○1（F0F1）H （3CD2）H ○2 （2856）H ○3（6DC6）H 解：

根据以知条件：MOV（OP）=00010101，STA（OP）=011011，LDA（OP）=111100，将指令的十六进制格式转换为二进制代码且比较后可知： ○1（F0F1）H （3CD2）H指令代表LDA指令，编码正确，其含义是把主存（13CD2）H地址单元的内容取至15号寄存器。 ○2 （2856）H代表MOV指令，编码正确，含义是把5号源寄存器的内容传送至6目标寄存器。 ○3（6DC6）H是单字长指令，一定是MOV指令，但编码错误，可改正为（28D6）H。 ○4 （1C2）H是单字长指令，代表MOV指令，但编码错误，可改正为 （28D6）H。

16、设存储器容量为32字，字长64位，模块数m = 4，分别用顺序方式和交叉方式进行组织。存储周期T = 200ns,数据总线宽度为64位，总线周期τ = 50ns .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 ×4 =256位

顺序存储器和交叉存储器读出4个字的时间分别是： t2 = m T = 4×200ns =8×10 –7 (s)

t1 = T + (m – 1)τ = 200 + 3×50 = 3.5 ×10 –7 (s) 顺序存储器带宽是：

W1 = q / t2 = 32 ×107 （位/ S） 交叉存储器带宽是：

W2 = q / t1 = 73 ×107 （位/ S）

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