天津理工大学计算机组成原理期末考试复习题.pdf
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。
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。
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。
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
第4章存储器
5. 什么是存储器的带宽？若存储器的数据总线宽度为32位，存取周期为200ns，则存储器的带宽是多少？解：存储器的带宽指单位时间内从存储器进出信息的最大数量。
存储器带宽= 1/200ns ×32位= 160M位/秒= 20MB/秒= 5M字/秒
注意：字长32位，不是16位。（注：1ns=10-9s）
7. 一个容量为16K×32位的存储器，其地址线和数据线的总和是多少？当选用下列不同规格的存储芯片时，各需要多少片？
1K×4位，2K×8位，4K×4位，16K×1位，4K×8位，8K×8位
解：地址线和数据线的总和= 14 + 32 = 46根；选择不同的芯片时，各需要的片数为：
1K×4：（16K×32）/ （1K×4）= 16×8 = 128片
2K×8：（16K×32）/ （2K×8）= 8×4 = 32片
4K×4：（16K×32）/ （4K×4）= 4×8 = 32片
16K×1：（16K×32）/ （16K×1）= 1×32 = 32片
4K×8：（16K×32）/ （4K×8）= 4×4 = 16片
8K×8：（16K×32）/ （8K×8）= 2×4 = 8片
15. 设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用MREQ（低电平有效）作访存控制信号，W
/
R作读写命令信号（高电平为读，低电平为写）。现有下列存储芯片：ROM（2K×8位，4K×4位，8K×8位），RAM （1K×4位，2K×8位，4K×8位），及74138译码器和其他门电路（门电路自定）。试从上述规格中选用合适芯片，画出CPU和存储芯片的连接图。要求：
（1）最小4K地址为系统程序区，4096~16383地址范围为用户程序区。
（2）指出选用的存储芯片类型及数量。
（3）详细画出片选逻辑。
解：（1）地址空间分配图：
系统程序区（ROM共4KB）：0000H-0FFFH
用户程序区（RAM共12KB）：1000H-3FFFH
（2）选片：ROM：选择4K×4位芯片2片，位并联
RAM：选择4K×8位芯片3片，字串联(RAM1地址范围为:1000H-1FFFH，
RAM2地址范围为2000H-2FFFH, RAM3地址范围为:3000H-3FFFH)
（3）各芯片二进制地址分配如下：
CPU 和存储器连接逻辑图及片选逻辑如下图(3)所示：
图（3）
28. 设主存容量为256K 字，Cache 容量为2K 字，块长为4。
（1）设计Cache 地址格式，Cache 中可装入多少块数据？ （2）在直接映射方式下，设计主存地址格式。 （3）在四路组相联映射方式下，设计主存地址格式。 （4
）在全相联映射方式下，设计主存地址格式。
（5）若存储字长为32位，存储器按字节寻址，写出上述三种映射方式下主存的地址格式。 解：（1）Cache 容量为2K 字，块长为4，Cache 共有2K/4=211/22=29=512块，
Cache 字地址9位，字块内地址为2
位
因此，Cache 地址格式设计如下：
（2）主存容量为256K 字=218字，主存地址共18位，共分256K/4=216块，
主存字块标记为18-9-2=7位。
直接映射方式下主存地址格式如下：
（3）根据四路组相联的条件，一组内共有4块，得Cache 共分为512/4=128=27组，
主存字块标记为18-7-2=9位，主存地址格式设计如下：
（4）在全相联映射方式下，主存字块标记为18-2=16位，其地址格式如下：
（5）若存储字长为32位，存储器按字节寻址，则主存容量为256K*32/4=221B ，
Cache 容量为2K*32/4=214B ，块长为4*32/4=32B=25B ，字块内地址为5位， 在直接映射方式下，主存字块标记为21-9-5=7位，主存地址格式为：
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：
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：
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： t a =0.96*30ns+(1-0.96)*150ns=34.8ns Cache-主存系统的访问效率为：e=t c /t a *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。
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：
（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：
984.08
9012
890=?-?
（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：
54.5112
t 6t )12890(8
90t 6≈-?+-???
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/（π×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 /(π×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6章计算机的运算方法
12. 设浮点数格式为：阶码5位（含1位阶符），尾数11位（含1位数符）。写出51/128、-27/1024所对应的机器数。要求如下：
（1）阶码和尾数均为原码。
（2）阶码和尾数均为补码。
（3）阶码为移码，尾数为补码。
解：据题意画出该浮点数的格式：
将十进制数转换为二进制：x1= 51/128= 0.0110011B= 2 * 0.110 011B
x2= -27/1024= -0.0000011011B = 2-5*(-0.11011B）
则以上各数的浮点规格化数为：
（1）[x1]浮=1，0001；0.110 011 000 0
[x2]浮=1，0101；1.110 110 000 0
（2）[x1]浮=1，1111；0.110 011 000 0
[x2]浮=1，1011；1.001 010 000 0
（3）[x1]浮=0，1111；0.110 011 000 0
[x2]浮=0，1011；1.001 010 000 0
16．设机器数字长为16位，写出下列各种情况下它能表示的数的范围。设机器数采用一位符号位，答案均用十进制表示。
（1）无符号数；
（2）原码表示的定点小数。
（3）补码表示的定点小数。
（4）补码表示的定点整数。
（5）原码表示的定点整数。
（6）浮点数的格式为：阶码6位（含1位阶符），尾数10位（含1位数符）。分别写出其正数和负数的表示范围。
（7）浮点数格式同（6），机器数采用补码规格化形式，分别写出其对应的正数和负数的真值范围。