计算机组成原理练习题 答案

一、填空题

1．对存储器的要求是速度快，_容量大_____，_价位低_____。为了解决这方面的矛盾，计算机采用多级存储体系结构。

2．指令系统是表征一台计算机__性能__的重要因素，它的____格式__和___功能___不仅直接影响到机器的硬件结构而且也影响到系统软件。

3．CPU中至少有如下六类寄存器__指令____寄存器，__程序_计数器，_地址__寄存器，通用寄存器，状态条件寄存器，缓冲寄存器。

4．完成一条指令一般分为取指周期和执行周期，前者完成取指令和分析指令操作，后者完成执行指令操作。

5．常见的数据传送类指令的功能可实现寄存器和寄存器之间，或寄存器和存储器之间的数据传送。

6．微指令格式可分为垂直型和水平型两类，其中垂直型微指令用较长的微程序结构换取较短的微指令结构。

7．对于一条隐含寻址的算术运算指令，其指令字中不明确给出操作数的地址，其中一个操作数通常隐含在累加器中

8．设浮点数阶码为8位（含1位阶符），尾数为24位（含1位数符），则32位二进制补码浮点规格化数对应的十进制真值范围是：最大正数为2^127(1-2^－23) ，最小正数为2^－129 ，最大负数为2^－128(-2^－1-2^－23) ，最小负数为-2^127 。

9．某小数定点机，字长8位（含1位符号位），当机器数分别采用原码、补码和反码时，其对应的真值范围分别是-127/128 ～+127/128 -1 ～+127/128 -127/128 ～+127/128 （均用十进制表示）。

10．在DMA方式中，CPU和DMA控制器通常采用三种方法来分时使用主存，它们是停止CPU访问主存、周期挪用和DMA和CPU交替访问主存。

11．设n = 8 （不包括符号位），则原码一位乘需做8 次移位和最多8 次加法，补码Booth算法需做8 次移位和最多9 次加法。

12．设浮点数阶码为8位（含1位阶符），尾数为24位（含1位数符），则32位二进制补码浮点规格化数对应的十进制真值范围是：最大正数为，最小正数为，最大负数为，最小负数为。

13．一个总线传输周期包括申请分配阶段、寻址阶段、传输阶段和结束阶段四个阶段。

14．CPU采用同步控制方式时，控制器使用机器周期和节拍组成的多极时序系统。

15．在组合逻辑控制器中，微操作控制信号由指令操作码、时序和状态条件决定。

位字长的浮点数，其中阶码8位（含1位阶符），基值为2，尾数24位（含1位数符），则其对应的最大正数是，最小的绝对值是；若机器数采用补码表示，且尾数为规格化形式，则对应的最小正数是，最小负数是。（均用十进制表示）

16．CPU从主存取出一条指令并执行该指令的时间叫指令周期，它通常包含若干个机器周期，而后者又包含若干个节拍。机器周期和节拍组成多级时序系统。17．假设微指令的操作控制字段共18 位，若采用直接控制，则一条微指令最多可同时启动18 个微操作命令。若采用字段直接编码控制，并要求一条微指令能同时启动3个微操作，则微指令的操作控制字段应分 3 段，若每个字段的微操作数相同，这样的微指令格式最多可包含192 个微操作命令。

18．在组合逻辑控制器中，微操作控制信号由指令操作码、时序和状态条件决定。19．I/O与主机交换信息的控制方式中，程序查询方式CPU和设备是串行工作的。程序中断和DMA方式CPU和设备是并行工作的，前者传送与主程序是并行的，后者传送和主机是串行的。

20．设n =16位（不包括符号位在内），原码两位乘需做8 次移位，最多做9 次加法；补码Booth算法需做16 次移位，最多做17 次加法。

一、简答题：

1.主存储器的性能指标有哪些含义是什么

存储器的性能指标主要是存储容量、存储速度和存储器带宽。

存储容量是指在主存能存放二进制代码的总位数。存储速度是由存取时间和存取周期来表示的。存取时间又称存储访问时间，是指从启动一次存储器操作到完成该操作所需的全部时间。存储周期是指存储器进行连续两次独立的存储器操作（如连续两次读操作）所需的最小间隔时间。存储器带宽是指单位时间内存储器存取的信息量。

2.请说明指令周期、机器周期、时钟周期之间的关系。

指令周期是完成一条指令所需的时间。包括取指令、分析指令和执行指令所需的全部时间。机器周期也称为CPU周期，是指被确定为指令执行过程中的归一化基准时间，通常等于取指时间（或访存时间）。时钟周期是时钟频率的倒数，也可称为节拍脉冲或T周期，是处理操作的最基本单位。一个指令周期由若干个机器周期组成，每个机器周期又由若干个时钟

周期组成。

3.CPU响应中断应具备哪些条件

(1)在CPU内部设置的中断允许触发器必须是开放的。

(2)外设有中断请求时，中断请求触发器必须处于“1”状态，保持中断请求信号。

(3)外设（接口）中断允许触发器必须为“1”，这样才能把外设中断请求送至CPU。

(4)当上述三个条件具备时，CPU在现行指令结束的最后一个状态周期响应中断。

4.从计算机的各个子系统的角度分析，指出提高整机速度的措施。

针对存储器，可以采用Cache-主存层次的设计和管理提高整机的速度；

针对存储器，可以采用主存-辅存层次的设计和管理提高整机的速度；

针对控制器，可以通过指令流水或超标量设计技术提高整机的速度；

针对控制器，可以通过超标量设计技术提高整机的速度；

针对运算器，可以对运算方法加以改进，如进位链、两位乘除法；

针对I/O系统，可以运用DMA技术来减少CPU对外设访问的干预。

5.控制器中常采用哪些控制方式，各有何特点

答：控制器常采用同步控制、异步控制和联合控制。

同步控制即微操作序列由基准时标系统控制，每一个操作出现的时间与基准时标保持一致。异步控制不存在基准时标信号，微操作的时序是由专用的应答线路控制的，即控制器发出某一个微操作控制信号后，等待执行部件完成该操作时所发回的“回答”或“终了”信号，再开始下一个微操作。联合控制是同步控制和异步控制相结合的方式，即大多数微操作在同步时序信号控制下进行，而对那些时间难以确定的微操作，如涉及到I/O操作，则采用异步控制。

6.指令和数据都以二进制代码存放在内存中，CPU如何区分它们是指令还是数据

指令和数据的区分：

（1）从主存中取出的机器周期不同，取指周期取的是指令，分析取数或执行周期取的是数据。

（2）取指令和取数据时地址的来源不同，指令地址来自程序计数器PC，数据地址来自地址形成部件

7. 请说明SRAM的组成结构，与SRAM相比DRAM在电路组成上有什么不同之处

SRAM存储器由存储体、读写电路、地址译码电路、控制电路组成，DRAM还需要有动态刷新电路。

8．说明微程序控制器中微指令的地址有几种形成方式。

（1）直接由微指令的下地址字段指出。

（2）根据机器指令的操作码形成。

（3）增量计数器法。

（4）根据各种标志决定微指令分支转移的地址。

（5）通过测试网络形成。

（6）由硬件产生微程序入口地址。

9．外围设备要通过接口与CPU相连，接口有哪些功能

外围设备要通过接口与CPU相连的原因主要有：

（1）一台机器通常配有多台外设，它们各自有其设备号（地址），通过接口可实现对设备的选择。

（2）I/O设备种类繁多，速度不一，与CPU速度相差可能很大，通过接口可实现数据缓冲，达到速度匹配。

（3）I/O设备可能串行传送数据，而CPU一般并行传送，通过接口可实现数据串并格式转换。（4）I/O设备的入/出电平可能与CPU的入/出电平不同，通过接口可实现电平转换。

（5）CPU启动I/O设备工作，要向外设发各种控制信号，通过接口可传送控制命令。

（6）I/O设备需将其工作状况（“忙”、“就绪”、“错误”、“中断请求”等）及时报告CPU，通过接口可监视设备的工作状态，并保存状态信息，供CPU查询。

可见归纳起来，接口应具有选址的功能、传送命令的功能、反映设备状态的功能以及传送数据的功能（包括缓冲、数据格式及电平的转换）。

10．以I/O设备的中断处理过程为例，说明一次程序中断的全过程。

一次程序中断大致可分为五个阶段。中断请求，中断判优，中断响应，中断服务，中断返回

11、基址寻址方式和变址寻址方式的应用场合有什么不同

（1）基址寻址方式面向系统，主要用于逻辑地址到物理地址的交换，解决程序在存储器中的定位，扩大寻址空间等问题。

（2）变址寄存器方式面向用户，主要用于解决程序循环控制问题，用于访问成批数据，支持向量线性表操作等。

12、一个典型CPU应由哪几部分组成

一个典型的CPU组成应该包括：

(1)六个主要寄存器，保存CPU运行时所需的各类数据信息或运行状态信息。

(2)算术逻辑电路(ALU)，对寄存器中的数据进行加工处理。

(3)操作控制器和指令译码器，产生各种操作控制信号，以便在各寄存器之间建立数据通路。

(4)时序产生器，用来对各种操作控制信号进行定时，以便进行时间上的约束。

二、设计题：

1．设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用MREQ作访存控制信号（低电平有效），用WR 作读写控制信号（高电平为读，低电平为写）。现有下列芯片及各种门电路（门电路自定），如图所示。其中有2K×8位、8K×8位、32K×8位的ROM芯片；1K×4位、2K×8位、8K×8位、16K×1位、4K×4位的RAM芯片，画出CPU与存储器的连接图，要求：

（1）存储芯片地址空间分配为：0～8191为系统程序区；8192～32767为用户程序区。（2）指出选用的存储芯片类型及数量；

（3）详细画出片选逻辑。

(1)二进制地址码

(2)0～8191 为系统程序区，选用1 片8K×8 位ROM 芯片

8192～32767 为用户程序区，选用3 片8K ×8 位RAM 芯片。

(3)存储器片选逻辑图

2、1.设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用MREQ作访存控制信号（低电平有效），

用WR作读写控制信号（高电平为读，低电平为写）。现有下列芯片及各种门电路（门电路自定），如下图所示。其中有2K×8位、4K×8位、8K×8位、32K×8位的ROM芯片；1K ×4位、2K×8位、8K×8位、16K×1位、4K×4位的RAM芯片，画出CPU与存储器的连接图，要求：

（1）存储芯片地址空间分配为：最小4K地址空间为系统程序区，相邻的4K地址空间为系统程序工作区，与系统程序工作区相邻的是24K用户程序区；（2）指出选用的存储芯片类型及数量；（3）详细画出片选逻辑。

(2)选出所用芯片类型及数量

最小4K 地址空间为系统程序区，选用1 片4K ×8 位ROM 芯片;

相邻的4K 地址空间为系统程序工作区，选用2 片4K ×4 位RAM 芯片

与系统程序工作区相邻的24K 为用户程序区，选用3 片8K×8 位RAM 芯片。

(3)CPU 与存储芯片的连接图如图所示

3、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(8K×8)形成40K×16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。

4、设某计算机主存容量为64K×32位。要求完成以下设计内容：

（1）画出主机框图（要求画到寄存器级）并指出图中各寄存器的位数；

（2）写出组合逻辑控制器完成STA X（X为主存地址）指令发出的全部微操作命令及节拍安排。

（3）若采用微程序控制，还需要哪些微操作

5、已知待返回指令的含义如下图所示。写出机器在完成待反转指令时，取指阶段和执行阶段所需的全部微操作命令及节拍安排，如果采用微程序控制需增加哪些微操作命令

6、假设CPU在中断周期用堆栈保存程序断点，而且进栈时指针减1，出栈时指针加1，分别写出组合逻辑控制和微程序控制在完成中断返回指令时，取指阶段和执行阶段所需的全部微操作命令及节拍安排。

三、应用题

1、设机器A的主频为8MHz，机器周期含4个时钟周期，且该机的平均指令执行速度是，试求该机的平均指令周期和机器周期。每个指令周期包含几个机器周期如果机器B的主频为12MHz，且机器周期也含4个时钟周期，试问B机的平均指令执行速度为多少MIPS

2、设某机有四个中断源A、B、C、D，其硬件排队器的优先次序为A＞B＞C＞D,现要求将中断处理次序改为D＞A＞C＞B. 按下图的时间轴给出的四个中断源请求时刻.

（1）写出每个中断源对应的屏蔽字。

（2）画出CPU执行程序的轨迹。设每个中断源的中断服务程序的执行时间是20us

3、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。（本小题6分）（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）。

4、某计算机字长32位，有16个通用寄存器，主存容量为1M字，采用单字长二地址指令，共有64条指令，试采用四种寻址方式（寄存器、直接、变址、相对）设计指令格式。

5、有一个１６K×16位的存储器，由1K×4位的DRAM芯片构成（芯片是64×64结构）。问：

(1)共需要多少RAM芯片

(2)存储体的组成框图

(3)采用异步刷新方式，如单元刷新间隔不超过２ms，则刷新信号周期是多少

(4)如采用集中刷新方式，存储器刷新一遍最少用多少读／写周期死时间率是多少

6、已知：两浮点数x = ×210，y = ×201 求：x + y

7、已知：x= ，y = - ，求 ：[ 21x]补，[ 41 x]补，[ - x ]补，[21y]补，[4

1y]补，[ - y ]补 ，x + y = , x – y =

8、某机字长32位，定位表示，尾数31位，数符1位，问：（1）定点原码整数表示时，最大正数是多少最小负数是多少（2）定点原码小数表示时，最大正数是多少最小负数是多少