计算机组成原理同步练习册答案

计算机组成原理

第1章

计算机系统概论

一. 填空题

1. 计算机系统是由 硬件 和软件两大部分组成的，前者是计算机系统的物质基础，而后者则是 计算机系统解题的灵魂 ，两者缺一不可。

2. 存储程序是指 解题之前预先把程序存入存储器 ；程序控制是指 控制器依据所存储的程序控制计算机自动协调地完成解题的任务 ，这两者合称为存储程序控制，它是冯·诺依曼型计算机的重要工作方式。

3.通常将控制器和运算器合称为 中央处理器(CPU) ；而将控制器、运算器和 内存储器 合称为计算机的主机。

4.计算机系统的硬件包括 控制器 、 运算器 、存储器、I/O接口和I/O设备等五大部分。 二. 选择题

1. 指令周期是指（ C ）。

A. CPU从主存取出一条指令的时间 B. CPU执行一条指令的时间

C. CPU从主存取出一条指令加上执行该指令的时间 三. 问答题

1. 存储程序控制是冯?诺依曼型计算机重要的工作方式，请解释何谓存储程序、程序控制？

答：存储程序是指将解题程序(连同原始数据)预先存入存储器；

程序控制是指控制器依据存储的程序，控制全机自动、协调的完成解题任务。

2. 计算机系统按功能通常可划分为哪五个层次？画出其结构示意图加以说明。

答：.五级组成的计算机系统如图1.7 (课本P18) 1）微程序设计级：微指令直接由硬件执行。

2）一般机器级(机器语言级)：由微程序解释机器指令系统，属硬件级。 3）操作系统级：由操作系统程序实现。 4）汇编语言级：由汇编程序支持执行。

5）高级语言级：由高级语言编译程序支持执行。 这五级的共同特点是各级均可编程。

四. 计算题

1. 设某计算机指令系统有4种基本类型的指令A、B、C和D，它们在程序中出现的频度(概率)分别为0.3、0.2、0.15和0.35，指令周期分别为5ns、5.5ns、8ns和10ns，求该计算机的平均运算速度是多少MIPS(百万条指令每秒)？

解:指令平均运算时间：

T=5×0.3＋5.5×0.2＋8×0.15＋10×0.35＝7.3 (ns) 平均运算速度：

V=1/T=1/(7.3×10－3)＝137(MIPS)

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第2章 运算方法与运算器

一. 填空题

1. 若某计算机的字长是8位，已知二进制整数x＝10100，y＝–10100，则在补码的表示中， [x]补＝ 00010100 ，[y]补＝ 11101100 。

2. 若浮点数格式中阶码的基数已确定，而且尾数采用规格化表示法，则浮点

数表示的数，其范围取决于浮点数 阶码 的位数，而精度则取决于 尾数 的位数。

3.浮点加减法运算对阶的原则是 _小阶向大阶看齐__，即将小阶的尾数右移。浮点运算结果的溢出是 指阶码大于所能表示的最大正阶_，溢出时应将溢出标志位置为1。

4.设有4位二进制数1101，采用奇校验码，则校验位P= __ 0 __；奇偶校验码只能检测出_奇数位_ 的错误，但无纠错能力。

5. 16位（包括1位符号位）的定点小数，若用补码表示，其表示的真值范围是 －1～＋（1－2－15） ，最多能表示 65536（或216） 个不同的数。

6.计算机中的溢出标志OF受 算术运算类 指令的影响；而零标志“ZF”则在结果为__零 __时被置为1。

7. 汉字在计算机中的表示方法有汉字的输入编码，还有 汉字内码 和汉字字模码 等三种。

二. 选择题

1．下列各数中，最大的数是（ B ）。

A. (101001)2 B. (53)8 C. (42)10

2. 下列机器数中，真值最小的数是（ C ）。

A．[x]补＝1.10101 B．[y]补＝1.10110 C．[z]补＝1.01011

3. 下列各组机器数，真值相等的一组是（ A ）。

A．[x]原＝1.1000 [y]补＝1.1000 B．[x]原＝1.1010 [y]补＝1.1010 C．[x]补＝11000 [y]移＝11000 D．[x]补＝11001 [y]反＝11001

4．用n位字长的补码（其中1位符号位）表示定点整数时，所能表示的数值范围是（ C ）。

A．0≤｜N｜≤2n-1 B．0≤｜N｜≤2n-1-1 C．-1≤N≤- (2n-1-1) 和 0≤N≤2n-1-1 D．-1≤N≤-2n-1 和 0≤N≤2n-1-1

5. 用8位二进制数控制输出状态，若要使高4位都为1，而使低4位保持不变，可用8位逻辑数11110000与原来的8位输出数据进行（ C ）运算即可。

A．逻辑非 B．逻辑乘 C．逻辑加 D．逻辑异 三. 问答题

1.通常，计算机中的基本逻辑运算是哪4种？逻辑运算的特点是什么？ 答：计算机中的基本逻辑运算是逻辑非、逻辑乘、逻辑加和逻辑异等4种 逻辑运算的特点是：1）.按位进行,各位的结果互不牵连；所以无借位、进位、溢出等问题。2）.运算简单；3）.每一位都可看成一个逻辑变量。 所以无符号位、数值位、阶码和尾数的区分。

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四. 计算题

1. 已知二进制数x＝－0.101110，y＝－0.101011，用双符号位补码求x＋y和x-y的值，要求写出计算机中的运算步骤，并指出是否有溢出。

解： [X]补= 11.010010 ， [Y]补= 11.010101，[－Y]补=00.101011

[x]补 11.010010 + [y]补 11.010101 [x+y]补 10.100111

运算结果溢出，x＋y＝－1.011001

[x]补 11.010010 + [－y]补 00.101011 [x－y]补 11.111101

运算结果无溢出，x－y＝－0.000011

2.已知x＝0.1011，y＝-0.1010，用原码一位乘法求x×y的值，要求写出计算机中的运算步骤。

解：[x]原＝0.1011，[y]原＝1.1010

乘积的符号位Zs＝0⊕1＝1，尾数绝对值相除。

部分积 R0 0. 0000 ＋0. 0000 0. 0000 0. 0000 ＋0. 1011 0. 1011 0. 0101 ＋0. 0000 0. 0101 0. 0010 ＋0. 1011 0. 1101 0. 0110

乘数 R1 1 0 1 0

说明

开始 P0＝0 y4=0，+0

(R0，R1)右移一位，得P1 y3=1，+x

(R0，R1)右移一位，得P2 y2=0，+0

(R0，R1)右移一位，得P3 y1=1，+x

(R0，R1)右移一位，得P4

0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 0 所以｜x×y｜＝P4＝0.01101110

[x×y]原＝1.01101110 故 x×y＝-0.01101110

3. 设浮点数的阶为5位（包括2位阶符），尾数为8位（包括2位尾符），用补码表示，已知二进制数 x=2-011×0.101011，y=2-010×(-0.110101)，按浮点规格化的运算方法，求x+y的值，要求写出机器的运算步骤。

解： x和y的浮点机器数（阶和尾数均用补码表示） [x]浮＝11101，00.101011 [y]浮＝11110，11.001011 ① 求阶差

[△E]补＝[Ex]补+ [-Ey]补

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＝11101＋00010＝11111

可见 △E＝－1，说明x的阶码小。将[Mx]补右移一位

[-Mx]补＝00.0101011

② 尾数按指令的要求相加，运算时采用双符号位补码运算

[Mx]补 00. 0101011 [My]补 11. 001011

11. 1000001

即 [Mx＋My]补＝11.100000(1)

尾数运算结果应向左规格化（这里要左移1位），阶码减1，即： [x＋y]浮＝11101，11.000001

所以 x＋y＝2-011×(-0.111111)，运算结果无溢出。

第3章 存储系统

一. 填空题

1. 在当今计算机系统的三级存储系统中,CPU能直接访问的存储器是_Cache和主存储器_ __，不能直接访问的存储器是_辅助存储器_ 。

2．在有一级Cache的系统中，设主存和Cache的存储周期分别是TM和TC，若不命中率是(1-H)，则CPU访问存储器的平均时间TA＝HTC +(1-H) TA 。

3. 在并行操作的存储器中，有 双端口存储器 、 相联存储器 和多模块交叉存储器等。

4.主存和Cache的映射方式有全相联映射、直接映射和_组相联 _映射三种，其中灵活性大、Cache的行利用率高但速度较慢的映射方式是_全相联映射 。 5.虚拟存储器指的是_主存储器－辅助存储器___这一存储层次，它给用户提供了一个比实际__物理地址______空间大得多的虚拟地址空间。

6.某32位CPU有32根地址线，内存按字节编址，则主存物理存储空间是__4____GB； 虚拟地址码46位，则虚拟存储空间是___64_____TB。 二. 选择题

1. 存储周期是指( C )。 A．存储器的读出时间 B．存储器的写入时间

C．存储器进行连续读或写操作所允许的最短时间间隔 D．存储器进行连续写操作所允许的最短时间间隔 2. 主存储器和CPU之间增加Cache的目的是 ( B )。 A. 扩大主存的容量

B. 解决CPU与主存之间的速度匹配问题

C. 扩大CPU中通用寄存器的数量

3. 某SRAM芯片，其存储容量为64K×l6位，该芯片的地址线和数据线数目为 ( B )。

A．64，16 B．16，16 C．64，8 D．16，64 4．计算机系统中的存储系统是指（ C ）

A. 内存储器 B. 半导体存储器和磁盘存储器 C. 内存储器和外存储器 D. 半导体读写存储器

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5. 某4模块交叉存储器，每个模块的存储容量为128K×64位，存储周期为40ns。则存储器的总容量 512 K×64位 。连续启动存储模块的时间τ应为 10 ns。

6．某DRAM芯片，其存储容量为4M×8位，该芯片的地址线采用行、列地址复用，而且行、列地址位数相同，则该芯片的地址线和数据线数目分别是（ B ）条。

A．11，1 B．11，8 C．22，8 7．相联存储器是按（ C ）进行寻址的存储器。 A . 地址指定方式 B. 堆栈存取方式

C. 内容指定方式

8. 交叉存储器实质上是一种( 模块式 )存储器，它能（并行 ）执行多个独立的读写操作。

A. 模块式，并行 B. 模块式，串行 C. 整体式，并行

9. 活动头磁盘存储器的平均存取时间是指( D )。 A. 平均找道时间 B. 最小找道时间

C. 平均等待时间 D. 平均找道时间加上平均等待时间 10.某机字长为32位，主存容量为1MB，若按字编址，它的寻址范围是( C )。 供选择的答案：A. 0―1M B. 0―512KB C. 0―(256K-1) D. 0―256KB 11. 在Cache的地址映射中，若主存中的任何一块均可映射到Cache的任一行的位置上，则这种方法称为（ B ）。

A. 直接映射 B. 全相联映射 C. 组相联映射 三. 问答题

1．当前存储系统通常采用三级或三级以上的存储结构，试画出三级存储结构的框图，并说明每一级存储器的功能。

答：通常采用三级的存储结构如下图所示，各级存储器的功能如下：

1）. 高速缓冲存储器（Cache）

利用CPU运行程序的局部性原理，Cache存放最活跃的程序和数据；若使CPU访问存储器时在Cache访问到的概率高，则从CPU的角度看存储系统，看到的存储器是Cache的速度。 2）. 主存储器（M.S） 即是主要存储器（主存），存放计算机运行期间的大量程序和数据；既能为CPU直接访问，又能把最活跃的程序和数据存放到Cache中，供CPU使用。

3）. 辅助存储器

存放当前暂不参与运行的程序和数据，当CPU需要时，再与主存成批交换信息。

由磁盘存储器、光盘存储器和磁带存储器构成。

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2）．存放返主地址，实现子程序嵌套； 3）．存放多级中断的有关信息，实现多级中断的嵌套。

四. 分析题

1．指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式的特点。

15 10 7 4 3 0 OP

目标寄存器 源寄存器 其中OP为操作码。

解：指令为单字长二地址指令；可指定多达26＝64种指令；两个操作数都是来自寄存器，属于RR型指令；这种指令多用于算术逻辑运算。

2.已知计算机指令字长为16位，内存储器按字编址，其双操作数指令的格式如下：

15 10 9 8 7 0 OP R D

其中OP为操作码，R为通用寄存器地址，试说明在下列各种情况下能访问的最大主存区为多少机器字?

① D为直接操作数； ② D为直接主存地址；

③ D为间接地址(一次间址)；

④ D为变址的形式地址，假定变址寄存器为R1 (字长为16位)。 解：① D为直接操作数，可给定8位二进制数据； ② D为直接主存地址，可访问28＝256个存储单元；

③ D为间接地址(一次间址)，可访问内存，从中得到16位字长的地址码，能访问的最大主存区是216＝64K；

④ D为变址的形式地址，假定变址寄存器为R1 (字长为16位)，有效地址E＝(R1)+D ，能访问的最大主存区是216＝64K 。

第5章 中央处理器

一. 填空题

1.CPU的主要功能包括指令控制、操作控制、_时间控制_和_数据加工_等四个方面。

2．设计启停控制电路的两个基本要求：一是启动时，一定要从第一个节拍电位的前沿开始工作；二是 停机时，一定要在指令最末一个节拍脉冲结束后才关闭时序发生器 。

3. 在微命令的字段编码表示法中， 相斥性 的微命令可编在同一字段中；相容性 的微命令应编在不同的字段中。

4．微指令的基本结构主要包括 操作控制字段 和 顺序控制字段 两部分。

5．CPU中，保存当前正在执行的指令的寄存器是 指令寄存器（IR） ，

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保存下一条指令地址的寄存器是 程序计数器（PC） 。

6．在微程序控制器中， 控制存储器(CM) 用来存放完成机器指令系统功能的微程序，它一般是高速的 只读 存储器，这个存储器的地址称为微地址 7. 计算机中时序信号的作用是为计算机各部分的协调工作提供时序标志 ，时序信号的基本体制是 电位-脉冲制 。

8.在组合逻辑控制器中，时序信号通常采用_主状态（CPU）周期－节拍电位－节拍脉冲__三级体制；而在微程序控制器中，一般采用_节拍电位－节拍脉冲二级体制。

9.并行处理技术已成为计算机技术发展的主流。并行性的含义一是 同时性，即指两个或两个以上的事件在同一时刻发生；二是_并发性__，即指两个或两个以上的事件在同一时间间隔内发生。 二. 选择题

1．CPU内通用寄存器的位数，通常取决于（ C ）。

A．存储单元的位数 B．程序计数器PC的位数 C．机器字长

2．在采用微程序控制的计算机中，（ B ）。

A．每条指令由一条微指令来执行 B．每条指令由一段微程序来执行

C．每条微指令由一条机器指令来执行 D．每一段微程序由一条机器指令来执行 3. 以下说法错误的是（ B ）。

A. 指令执行过程的第一步都是取指令操作

B. 为了进行取指令操作，控制器需要得到相应的指令 C. 取指令操作是控制器自动进行的

D. 在指令长度相同的情况下，所有取指令的操作都是相同的 三. 问答题

1．时序信号的作用是什么？总清信号的作用又是什么？

答：时序信号的作用是为计算机各部分的协调工作提供时序标志。

总清信号的作用主要是使计算机处于正常的初始状态，例如把时序电路的有关触发器和I/O接口电路中的设备状态触发器预置为正确的初始状态等，这些触发器的状态在开机时是随机的，不能保证启动后计算机能正常工作。为此必须有总清信号，它在机器启动时由电源电路产生或按下总清开关产生。

2.什么叫指令周期？在组合逻辑（硬布线）控制器中，通常采用的是哪三级的时序体制？

答：取出并执行一条指令所需的时间，称为指令周期。通常，指令周期的长短与指令的复杂程度有关。

组合逻辑控制器通常采用三级的时序体制：即主状态(CPU)周期-节拍电位-节拍脉冲。

3． CPU对整个计算机系统的运行是极其重要的，试谈谈CPU所具有的四个方面的功能。

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答：CPU所具有的四个方面的功能： （1）指令控制，即程序的顺序控制。

主要是由程序计数器PC（顺序寻址）和控制类指令的执行（跳跃寻址）

实现的。

（2）操作控制

由执行指令的一系列微操作信号进行控制。 （3）时间控制

对各种操作实施时间上的控制。主要是由时序信号发生器等实现。 （4）数据加工

对数据实现算逻运算等的处理。

CPU的前三个功能主要是由控制器实现的，最后一个功能则是在运算器实现的。 四. 计算题

1．若某计算机的主频为200MHz，每个CPU周期平均包含4个主频周期，每个指令周期平均有3个CPU周期，问：

（1）该机平均指令执行速度为多少MIPS（百万条指令每秒）？

（2）若主频提高到500MHz，每个CPU周期平均包含4个主频周期，采用流水方式，每个指令周期平均为1.2个CPU周期，则平均指令执行速度又是多少MIPS？

解：（1）该机平均指令执行速度为：

V=200÷(4×3)=16.7 ( MIPS) (T=1/F) （2）平均指令执行速度:

V=500÷(4×1.2)=104 (MIPS)

五. 分析题

1. 今有4级指令流水线，分别完成取指、指令译码并且取数、运算、送结果四步操作。假设完成各步操作的时间依次为10ns，12ns，10ns，8ns。请问：

(1) 流水线操作的时钟周期应设计为多少ns？

(2) 若相邻两条指令I和I+1分别是：ADD R1，R3和SUB R3，R5。前者完成 (R1)+(R3) → R3的操作；后者完成 (R3) - (R5) → R5的操作，问是否发生数据相关？假设在硬件上不采取措施，那么第I+1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）流水线操作的时钟周期应设计为12ns

（2）发生数据相关。假设在硬件上不采取措施，那么第I+1条指令要推迟两个时钟周期即24ns进行。

（3）如果在硬件设计上加以改进，例如采用内部向前技术，则可不需推迟。

2.已知某机采用微程序控制方式，其控制存储器的容量为1024×40（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).微指令中的微命令字段、判别测试字段和下地址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的逻辑框图。 解：(1).控制存储器的容量为1024×40（位），所以下址字段为10位（210

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＝1024），可控制微程序转移的条件共4个，故P字段为4位，操作控制字段为40－（10＋4）＝26位。

(2).微程序控制器的逻辑框图如下：（课本P234，图5.22）

第6章 总线及其互联机构

一. 填空题

1．总线是构成计算机系统的 互联机构 ，是多个 系统功能 部件之间进行数据传送的公共通路。

2. 根据总线传送信息的性质不同，总线可分为地址总线、 数据 总线和控制 总线等三种。

3．衡量总线传输性能的指标是 总线带宽 ，它定义为总线本身所能达到的最高传输速率，其单位是B/s或MB/s。

4．衡量总线传输性能的指标是 总线带宽 ，它定义为总线本身所能达到的最高 传输速率 ，其单位通常是B/s或MB/s。

5. 在计算机总线中，数据的传送有二种基本方式： 串行 传送和 并行 传送。

6.为了解决多个主设备同时竞争总线的_使用权_,机器必须具有总线_仲裁_ __部件。 二. 选择题

1. 在计数器定时查询方式下，若计数从中止点开始，则（C ）。

A. 设备号小的优先级高 B. 设备号大的优先级高 C. 每个设备使用总线的机会相等 D. 以上都不对

三. 问答题

1．什么叫总线？总线按其所传送的信息不同，可分为哪三种？计算机系统采用总线结构的优缺点是什么？

答: 总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能 部件之间进行数据传送的公共通路。

根据总线传送信息的不同，总线可分为地址总线、 数据总线和控制总线等三种。

计算机系统采用总线结构的优点主要是减少传输线的数量,提高系统的可靠性。缺点主要是挂在总线上的主设备（主方），必须分时使用总线。

2．PCI总线的特点是什么？它采用自身的总线频率33MHz，如果处理器字长为32位，则其数据传输速率是多少MB/s？

答：PCI总线的特点：高带宽（132MB/s，264MB/s）且与处理器无关的高速外围总线。它采用同步时序协议和集中式仲裁，并且有自动配置能力。

数据传输速率是：(32/8)×33＝132 (MB/s)

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第7章 输入/输出系统

一. 填空题

1．当前微型机常用的显示设备有 CRT显示器 和 液晶显示器 两种。 2．光盘是近年来发展起来的一种辅助存储器，是多媒体计算机不可缺少的

设备，按读写性质分，光盘可分为 只读 型、 一次写入 型和 可重写 型三类。

3．CPU响应中断时，完成关中断操作、保护两个关键性的硬件状态是断点 和 程序状态字(PSW) ，通常把它们存放在 堆栈 中，以便于存取。

4.分辨率为1280×1024的显示器，若灰度为256级，则所需刷新存储器的最小容量为 _1280K_ 字节，若采用32位真彩色方式，则所需刷新存储器的最小容量为 _5120K __字节。

二. 选择题

1．计算机的外围设备是指（ D ）。

A．输入/输出设备 B．外存设备

C．远程通信设备 D．除了CPU和内存以外的其他设备 2．若CRT的分辨率为1024×768像素，像素的颜色数为256色，则下列规格的存储器，最合适作刷新存储器的容量是( D )。 A. 256KB B. 2MB

C. 512KB D. 1MB 三. 问答题

1. 什么叫中断？对程序中断请求信号为什么要排队判优？

答：当某种事件发生时，计算机暂停当前程序的执行，转向为该事件服务，服务完毕，返回原程序继续执行，这种功能称为中断。

通常，CPU在任一时刻只能响应一个中断源的中断请求信号，而可能有多个中断源同时发出中断请求信号，为解决“一－多”的矛盾，必须对程序中断请求信号进行排队判优。

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