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计算机组成原理实验报告_百度文库
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计算机组成原理实验报告
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&&计​算​机​组​成​原​理​实​验​报​告
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计算机组成原理实验报告周辰宇
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计算机组成原理 实验一 运算器组成实验
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计算机组成原理
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你可能喜欢计算机组成原理_第四版课后习题答案(完整版)
1.&比较数字计算机和模拟计算机的特点。
解:模拟计算机的特点:数值由连续量来表示,运算过程是连续的;
  数字计算机的特点:数值由数字量(离散量)来表示,运算按位进行。
  两者主要区别见P1&表1.1。
2.&数字计算机如何分类?分类的依据是什么?
解:分类:  数字计算机分为专用计算机和通用计算机。通用计算机又分为巨型机、大型机、
       中型机、小型机、微型机和单片机六类。
    分类依据:专用和通用是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。
       通用机的分类依据主要是体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、
       指令系统规模和机器价格等因素。
3.&数字计算机有那些主要应用?
4.&冯.&诺依曼型计算机的主要设计思想是什么?它包括哪些主要组成部分?
解:冯.&诺依曼型计算机的主要设计思想是:存储程序和程序控制。
  存储程序:将解题的程序(指令序列)存放到存储器中;
  程序控制:控制器顺序执行存储的程序,按指令功能控制全机协调地完成运算任务。
  主要组成部分有:控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。
5.&什么是存储容量?什么是单元地址?什么是数据字?什么是指令字?
解:存储容量:指存储器可以容纳的二进制信息的数量,通常用单位KB、MB、GB来度量,存储容
       量越大,表示计算机所能存储的信息量越多,反映了计算机存储空间的大小。
  单元地址:单元地址简称地址,在存储器中每个存储单元都有唯一的地址编号,称为单元地
       址。  数据字:&若某计算机字是运算操作的对象即代表要处理的数据,则称数据字。
  指令字:&若某计算机字代表一条指令或指令的一部分,则称指令字。&
6.&什么是指令?什么是程序?
解:指令:计算机所执行的每一个基本的操作。
  程序:解算某一问题的一串指令序列称为该问题的计算程序,简称程序。&
7.&指令和数据均存放在内存中,计算机如何区分它们是指令还是数据?
解:一般来讲,在取指周期中从存储器读出的信息即指令信息;而在执行周期中从存储器中读出的
  信息即为数据信息。
8.&什么是内存?什么是外存?什么是CPU?什么是适配器?简述其功能。
解:内存:一般由半导体存储器构成,装在底版上,可直接和CPU交换信息的存储器称为内存储
     器,简称内存。用来存放经常使用的程序和数据。
  外存:为了扩大存储容量,又不使成本有很大的提高,在计算机中还配备了存储容量更大的
     磁盘存储器和光盘存储器,称为外存储器,简称外存。外存可存储大量的信息,计算
     机需要使用时,再调入内存。&
  CPU:包括运算器和控制器。基本功能为:指令控制、操作控制、时间控制、数据加工。
  适配器:连接主机和外设的部件,起一个转换器的作用,以使主机和外设协调工作。&
9.&计算机的系统软件包括哪几类?说明它们的用途。
解:系统软件包括:(1)服务程序:诊断、排错等
         (2)语言程序:汇编、编译、解释等
         (3)操作系统
         (4)数据库管理系统
  用途:用来简化程序设计,简化使用方法,提高计算机的使用效率,发挥和扩大计算机的功能
     及用途。&
10.&说明软件发展的演变过程。
11.&现代计算机系统如何进行多级划分?这种分级观点对计算机设计会产生什么影响?
解:多级划分图见P16图1.6。可分为:微程序设计级、一般机器级、操作系统级、汇编语言级和
  高级语言级。  用这种分级的观点来设计计算机,对保证产生一个良好的系统结构是有很大帮助的。
12.&为什么软件能够转化为硬件?硬件能够转化为软件?实现这种转化的媒介是什么?
13.&"计算机应用"与"应用计算机"在概念上等价吗?用学科角度和计算机系统的层次结构来寿命你的观点。&
1.&写出下列各数的原码、反码、补码、移码表示(用8位二进制数)。其中MSB是最高位(又是符号位)LSB是最低位。如果是小数,小数点在MSB之后;如果是整数,小数点在LSB之后。
(1)&-35/64&(2)&23/128&(3)&-127&(4)&用小数表示-1&(5)&用整数表示-1
解:(1)先把十进制数-35/64写成二进制小数:
    (-35/64)10=(-0000)2=(--110)2=(-0.100011)2
    令x=-0.100011B
    ∴&[x]原=1.1000110&(注意位数为8位)&[x]反=1.0111001
     &[x]补=1.0111010&        [x]移=0.0111010
  (2)&先把十进制数23/128写成二进制小数:
    (23/128)10=(00)2=()2=(0.0001011)2
    令x=0.0001011B
    ∴&[x]原=0.0001011&        [x]反=0.0001011
     &[x]补=0.0001011&        [x]移=1.0001011
  (3)&先把十进制数-127写成二进制小数:
    (-127)10=(-1111111)2    令x=&-1111111B
    ∴&[x]原=1.1111111&        [x]反=1.0000000
     &[x]补=1.0000001&        [x]移=1.0000001
  (4)&令x=-1.000000B
    ∴&原码、反码无法表示
    [x]补=1.0000000&         &[x]移=0.0000000
  (5)&令Y=-1=-0000001B
    ∴&[Y]原=&        &[Y]反=
     &[Y]补=&        &[Y]移=
2.&设[X]补=&a0,a1,a2&a6&,&其中ai取0或1,若要x>-0.5,求a0,a1,a2,&,a6&的取值。
解:a0=&1,a1=&0,&a2,&,a6=1&1。
3.&有一个字长为32位的浮点数,阶码10位(包括1位阶符),用移码表示;尾数22位(包括1位尾符)用补码表示,基数R=2。请写出:
(1)&最大数的二进制表示;
(2)&最小数的二进制表示;
(3)&规格化数所能表示的数的范围;
(4)&最接近于零的正规格化数与负规格化数。
解:(1)&
  (2)&
  (3)&~&
  (4)&~&
4.&将下列十进制数表示成浮点规格化数,阶码3位,用补码表示;尾数9位,用补码表示。
(1)&27/64
(2)&-27/64
解:(1)27/64=11011B&=0..11011B&    浮点规格化数&:&000
  (2)&-27/64=&-11011B&=&-0.011011B=&-0.11011B&    浮点规格化数&:&000
5.&已知X和Y,&用变形补码计算X+Y,&同时指出运算结果是否溢出。
(1)X=0.11011&Y=0.00011
(2)X=&0.11011&Y=&-0.10101
(3)X=-0.10110&Y=-0.00001
解:(1)先写出x和y的变形补码再计算它们的和
      [x]补=00.11011&[y]补=00.00011
      [x+y]补=[x]补+[y]补=00.11=0.11110
      ∴&x+y=0.1111B&无溢出。
  (2)先写出x和y的变形补码再计算它们的和
      [x]补=00.11011&[y]补=11.01011
      [x+y]补=[x]补+[y]补=00.11=00.00110
      ∴&x+y=0.0011B&无溢出。
  (3)先写出x和y的变形补码再计算它们的和&
      [x]补=11.01010&[y]补=11.11111
      [x+y]补=[x]补+[y]补=11.11=11.01001
      ∴&x+y=&-0.10111B&无溢出
6.&已知X和Y,&用变形补码计算X-Y,&同时指出运算结果是否溢出。
(1)&X=0.11011&Y=&-0.11111
(2)&X=0.10111&Y=0.11011
(3)&X=0.11011&Y=-0.10011
解:(1)先写出x和y的变形补码,再计算它们的差
      [x]补=00.11011&[y]补=11.00001&[-y]补=00.11111
      [x-y]补=[x]补+[-y]补=00.11=01.11010
      ∵运算结果双符号不相等&∴&为正溢出
       X-Y=+1.1101B
  (2)先写出x和y的变形补码,再计算它们的差
      [x]补=00.10111&[y]补=00.11011&[-y]补=11.00101
      [x-y]补=00.01=11.11100
      ∴&x-y=&-0.001B&无溢出
  (3)先写出x和y的变形补码,再计算它们的差
      [x]补=00.11011&[y]补=11.01101&[-y]补=00.10011
      [x-y]补=[x]补+[-y]补=00.11=01.01110
      ∵运算结果双符号不相等&∴&为正溢出
      X-Y=+1.0111B
7.&用原码阵列乘法器、补码阵列乘法器分别计算X&Y。
(1)X=0.11011&Y=&-0.11111
(2)X=-0.11111&Y=-0.11011&
解:(1)用原码阵列乘法器计算:
   [x]补=0.11011&[y]补=1.00001
          (0) 1& 1& 0& 1& 1& 
        &)&(1) 0& 0& 0& 0& 1&
     ----------------------------------
          (0) 1& 1& 0& 1& 1
        (0) 0& 0& 0& 0& 0&
     &(0) 0& 0& 0& 0& 0&
    (0) 0& 0& 0& 0& 0
  (0) 0& 0& 0& 0& 0
(0)&(1)&(1)&(0)&(1)&(1)
-----------------------------------------
(1) 0& 0& 1& 0& 1& 1& 1& 0& 1& 1&
    [x&y]补=1.
  ∴&x&y=&-0.
8.&用原码阵列除法器计算&X&Y。
(1)X=0.11000&Y=&-0.11111
(2)X=-0.01011&Y=0.11001
解:(1)[x]原=[x]补=0.11000&  [-∣y∣]补=1.00001
            & 被除数&X 0.11000
        &+[-∣y∣]补&1.00001
       ----------------------
          余数为负&1.11001&&q0=0
            左移&1.10010
         &+[|y|]补 0.11111
       ----------------------
          余数为正&0.10001&&q1=1
            左移&1.00010&
        & +[-|y|]补&1.00001
       ----------------------
          余数为正&0.00011&&q2=1&
          & &左移&0.00110&
        & +[-|y|]补&1.00001
       ----------------------
          余数为负&1.00111&&q3=0
            左移&0.01110
         &+[|y|]补 0.11111
       ----------------------
          余数为负&1.01101&&q4=0
            左移&0.11010
         &+[|y|]补 0.11111
       ----------------------
          余数为负&1.11001&&q5=0
         &+[|y|]补 0.11111
       ----------------------
            余数&0.11000
    故&[x&y]原=1.11000&即&x&y=&-0.11000B
    余数为&0.11000B&
9.&设阶为5位(包括2位阶符),&尾数为8位(包括2位数符),&阶码、尾数均用补码表示,&完成下列取值的[X+Y],[X-Y]运算:
(1)X=&0.100101&??Y=&(-0.011110)
(2)X=&(-0.010110)&Y=&(0.010110)
解:(1)将y规格化得:y=&(-0.111100)   [x]浮=101&[y]浮=100&[-y]浮=100
   ①&对阶    [&DE]补=[Ex]补+[-Ey]补=00
    ∴&Ex=Ey   ②&尾数相加&
      相加&                相减
     00.100101&           &  00.100101
    +&11.000100&           & +&00.111100
    ------------&           --------------
     11.101001&             &01.100001
   [x+y]浮=001& 左规&[x+y]浮=010&
    ∴&x+y=&(-0.101110)&
   [x-y]浮=001& 右规&[x-y]浮=0001
             舍入处理得&[x-y]浮=001&
    ∴&x-y=&0.110001  (2)&[x]浮=010&[y]浮=110&[-y]浮=010
   ①&对阶    [&DE]补=[Ex]补+[-Ey]补=11
    ∴&△E=&-1&[x]浮=101(0)&
   ②&尾数相加
      相加&                相减
     11.)&           11.)
    +&00.010110&           &+&11.101010
    --------------         ------------------
     00.)&           11.)
   [x+y]浮=011(0)&左规&[x+y]浮=1000&
   ∴&x+y=&0.1011B   [x-y]浮=111(0)&
   ∴&x-y=&(-0.100001B)
13.&某加法器进位链小组信号为C4C3C2C1&,低位来的信号为C0&,请分别按下述两种方式写出C4C3C2C1的逻辑表达式。
(1)&串行进位方式&(2)&并行进位方式
解&:(1)串行进位方式:
    C1&=&G1&+&P1&C0&其中:&G1&=&A1&B1&,&P1&=&A1&B1
    C2&=&G2&+&P2&C1&   &G2&=&A2&B2&,&P2&=&A2&B2
    C3&=&G3&+&P3&C2&   &G3&=&A3&B3&,&P3&=&A3&B3
    C4&=&G4&+&P4&C3&   &G4&=&A4&B4&,&P4&=&A4&B4
   (2)&并行进位方式:
    C1&=&G1&+&P1&C0&
    C2&=&G2&+&P2&G1&+&P2&P1&C0
    C3&=&G3&+&P3&G2&+&P3&P2&G1&+&P3&P2&P1&C0
    C4&=&G4&+&P4&G3&+&P4&P3&G2&+&P4&P3&P2&G1&+&P4&P3&P2&P1&C0
  其中&G1-G4&,P1-P4&表达式与串行进位方式相同。
14.&某机字长16位,使用四片74181组成ALU,设最低位序标注为0位,要求:
(1)写出第5位的进位信号C6的逻辑表达式;
(2)估算产生C6所需的最长时间;&
(3)估算最长的求和时间。
解:(1)&组成最低四位的74181进位输出为:C4=G+P&C0&,C0为向第0位的进位
     其中:G=y3+x3y2+x2x3y1+x1x2x3y0,&P=x0x1x2x3     所以&:C5=y4+x4C4
           C6=y5+x5C5=y5+x5y4+x5x4C4  (2)&设标准门延迟时间为T,"与或非"门延迟时间为1.5T,则进位信号C0由最低位传送至C6需经一个反相器,两级"与或非"门,故产生C6的最长延迟时间为:
       T+2&1.5T=4T
  (3)最长求和时间应从施加操作数到ALU算起:第一片74181有3级"与或非"门(产生控制参数x0,y0Cn+4),第二、第三片74181共2级反相器和2级"与或非"门(进位链),第四片74181求和逻辑(1级"与或非"门和1级半加器,其延迟时间为3T),故总的加法时间为:
       T=3&1.5T+2T+2&1.5T+1.5T+1.5T+3T=14T
17.设A,B,C是三个16位的通用寄存器,请设计一个16位定点补码运算器,能实现下述功能:
(1)&A&B&A
(2)&B&C&A,&C(高位积在寄存器A中)
(3)&A&B&C(商在寄存器C中)
解:设计能完成加、减、乘、除运算的16位定点补码运算器框图。
分析各寄存器作用:      加&  &  减&     乘&     除
  A& 被加数&和&  同左&   初始为0&   被除数&余数
               部分积&乘积(H) 除数
  B& 加数&     同左&   被乘数
  C  --&      --&  乘数&乘积(L)& 商
∴&A:累加器(16位),具有输入、输出、累加功能及双向移位功能;
 &B:数据寄存器(16位),具有输入、输出功能;
 &C:乘商寄存器(16位),具有输入、输出功能及双向移位功能。
画出框图:
1.有一个具有20位地址和32位字长的存储器,问:
(1)&该存储器能存储多少个字节的信息?
(2)&如果存储器由512K&8位SRAM芯片组成,需要多少芯片?
(3)&需要多少位地址作芯片选择?
解:(1)∵&220=&1M,&∴&该存储器能存储的信息为:1M&32/8=4MB
  (2)()&(32/8)=&8(片)
  (3)&需要1位地址作为芯片选择。
2.&已知某64位机主存采用半导体存储器,其地址码为26位,若使用256K&16位的DRAM芯片组成该机所允许的最大主存空间,并选用模块板结构形式,问:
(1)&每个模块板为1024K&64位,共需几个模块板?
(2)&个模块板内共有多少DRAM芯片?
(3)主存共需多少DRAM芯片?&CPU如何选择各模块板?
解:(1). 共需模块板数为m:
      m=&=64&(块) 
  (2).&每个模块板内有DRAM芯片数为n:
      n=(/)&&(64/16)=16&(片)
  (3)&主存共需DRAM芯片为:16&64=1024&(片)
     每个模块板有16片DRAM芯片,容量为1024K&64位,需20根地址线(A19~A0)完成模块
     板内存储单元寻址。一共有64块模块板,采用6根高位地址线(A25~A20),通过
     6:64译码器译码产生片选信号对各模块板进行选择。
3.&用16K&8位的DRAM芯片组成64K&32位存储器,要求:
(1)&画出该存储器的组成逻辑框图。
(2)&设存储器读/写周期为0.5&S,&CPU在1&S内至少要访问一次。试问采用哪种刷新方式比较合理?两次刷新的最大时间间隔是多少?对全部存储单元刷新一遍所需的实际刷新时间是多少?
解:(1)组成64K&32位存储器需存储芯片数为
      N=(64K/16K)&(32位/8位)=16(片)
    &每4片组成16K&32位的存储区,有A13-A0作为片内地址,用A15&A14经2:4译码器产生片选信号&,逻辑框图如下所示:
 (2)依题意,采用异步刷新方式较合理,可满足CPU在1&S内至少访问内存一次的要求。
   &设16K&8位存储芯片的阵列结构为128行&128列,按行刷新,刷新周期T=2ms,则异步
   &刷新的间隔时间为:
              &则两次刷新的最大时间间隔发生的示意图如下
   可见,两次刷新的最大时间间隔为tmax
     tmax=15.5-0.5=15&(&S)
   对全部存储单元刷新一遍所需时间为t&R
     t&R&=0.5&128=64& (&S)
7.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。
解:(1)依题意,主存地址空间分布如右图所示,可选用2片位)的EPROM作为
ROM区;10片的8K&8位RAM片组成40K&16位的RAM区。27128需14位片内地址,而RAM需13位
片内地址,故可用A15-A13三位高地址经译码产生片选信号,方案如下:
8.&存储器容量为64M,字长64位,模块数m&=&8,分别用顺序方式和交叉方式进行组织。存储周期T&=&100ns,数据总线宽度为64位,总线周期&&=&10ns&.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&&8&=512位
  顺序存储器和交叉存储器读出8个字的时间分别是:
   t2&=&m&T&=&8&100ns&=8&10&(s)   t1&=&T&+&(m&-&1)&=&100&+&7&10&=&1.7&&10&(s)  顺序存储器带宽是:   W2&=&q&/&t2&=&512&(8&10&)=&64&&10(位/&S)  交叉存储器带宽是:   W1&=&q&/&t1&=&512&(1.7&&10)=&301&&10&(位/&S)
9.&CPU执行一段程序时,&cache完成存取的次数为2420次,主存完成存取的次数为80
次,已知cache存储周期为40ns,主存存储周期为240ns,求cache/主存系统的效率和平均访问时间。
解:先求命中率h   h=nc/(nc&+nm&)=+80)=0.968
  则平均访问时间为ta   ta=0.968&40+(1-0.968)&&240=46.4(ns)
   r&=240&40=6
  cache/主存系统的效率为e
   e=1/[r+(1-r)&0.968]=86.2%
10.已知Cache存储周期40ns,主存存储周期200ns,Cache/主存系统平均访问时间为50ns,求Cache的命中率是多少?
解:&∵&ta&=&tc&&h&+tr&(1-h)
  &∴&h&=(ta-tr)/(tc-tr)=(50-200)/(40-200)=15/16=0.94
11.主存容量为4MB,虚存容量为1GB,则虚存地址和物理地址各为多少位?如页面大小为4KB,则页表长度是多少?
解:已知主存容量为4MB,虚存容量为1GB
  &∵&=4M&∴物理地址为22位
 又&∵&=1G&∴虚拟地址为30位
 页表长度为&1GB&4KB=230&212=218=256K
14.假设主存只有a,b,c三个页框,组成a进c出的FIFO队列,进程访问页面的序列是0,1,2.4,2,3,0,2,1.3,2号。用列表法求采用LRU替换策略时的命中率。
解:∴命中率为        
15.从下列有关存储器的描述中,选择出正确的答案:
 A.&多体交叉存储主要解决扩充容量问题;
 B.&访问存储器的请求是由CPU发出的;
 C.&Cache与主存统一编址,即主存空间的某一部分属于C
 D.&Cache的功能全由硬件实现。
16.从下列有关存储器的描述中,选择出正确的答案:
 A.在虚拟存储器中,外存和主存一相同的方式工作,因此允许程序员用比主存空间大得
  &多的外存空间编程;
 B.在虚拟存储器中,逻辑地址转换成物理地址是由硬件实现的,仅在页面失效时才由操
  &作系统将被访问页面从外存调到内存,必要时还要先把被淘汰的页面内容写入外存;
 C.存储保护的目的是:在多用户环境中,既要防止一个用户程序出错而破坏系统软件或
  &其他用户程序,又要防止一个用户访问不是分配给他的主存区,以达到数据安全和保
  &密的要求。
1.ASCll码是7位,如果设计主存单元字长为32位,指令字长为12位,是否合理?为什
解:指令字长设计为12位不是很合理。主存单元字长为32位,一个存储单元可存放4个ASCII码,
  余下4位可作为ASCII码的校验位(每个ASCII码带一位校验位),这样设计还是合理的。
  但是,设计指令字长为12&位就不合理了,12位的指令码存放在字长32位的主存单元中,
  造成19位不能用而浪费了存储空间。
2.假设某计算机指令长度为20位,具有双操作数、单操作数、无操作数三类指令形式,每个操作数地址规定用6位表示。问:
若操作码字段固定为8位,现已设计出m条双操作数指令,n条无操作数指令,在此情况下,这台计算机最多可以设计出多少条单操作数指令?
解:这台计算机最多可以设计出256-m-n条单操作数指令
3.指令格式结构如下所示,试分析指令格式及寻址方式特点。
解:指令格式及寻址方式特点如下:
  ①&单字长二地址指令;
  ②&操作码OP可指定=64条指令;  ③&RR型指令,两个操作数均在寄存器中,源和目标都是通用寄存器(可分别指定16个寄存器
  & 之一);
  ④&这种指令格式常用于算术逻辑类指令。
4.指令格式结构如下所示,试分析指令格式及寻址方式特点。
解:指令格式及寻址方式特点如下:
  ①&双字长二地址指令;
  ②&操作码OP可指定=64条指令;  ③&RS型指令,两个操作数一个在寄存器中(16个寄存器之一),另一个在存储器中;
  ④&有效地址通过变址求得:E=(变址寄存器)&&D,变址寄存器可有16个。
5.指令格式结构如下所示,试分析指令格式及寻址方式特点。
解:指令格式及寻址方式特点如下:
  ①&单字长二地址指令;
  ②&操作码OP可指定=16条指令;  ③&有8个通用寄存器,支持8种寻址方式;
  ④&可以是RR型指令、SS型指令、RS型指令、
6.一种单地址指令格式如下所示,其中I为间接特征,X为寻址模式,D为形式地址。I,X,D组成该指令的操作数有效地址E。设R为变址寄存器,R1&为基值寄存器,PC为程序计数器,请在下表中第一列位置填入适当的寻址方式名称。
解:&①&直接寻址
  &②&相对寻址
  &③&变址寻址
  &④&基址寻址
  &⑤&间接寻址
  &⑥&基址间址寻址
7.某计算机字长16位,主存容量为64K字,采用单字长单地址指令,共有40条指令,试采用直接、立即、变址、相对四种寻址方式设计指令格式。
解:40条指令需占用操作码字段(OP)6位,这样指令余下长度为10位。为了覆盖主存640K字的地
  址空间,设寻址模式(X)2位,形式地址(D)8位,其指令格式如下:
   &  寻址模式定义如下:   X=&0&0&直接寻址&有效地址&E=D(直接寻址为256个存储单元)
   X=&0&1&立即寻址&D字段为操作数
   X=&1&0&变址寻址&有效地址&E=&(RX)+D&(可寻址64K个存储单元)
   X=&1&1&相对寻址&有效地址&E=(PC)+D&(可寻址64K个存储单元)
  其中RX为变址寄存器(16位),PC为程序计数器(16位),在变址和相对寻址时,位移量D可  正可负。
8.某机字长为32位,主存容量为1M,单字长指令,有50种操作码,采用页面寻址、立即、直接等寻址方式。CPU中有PC,IR,AR,&DR和16个通用寄存器,页面寻址可用PC高位部分与形式地址部分拼接成有效地址。问:
(1)指令格式如何安排?
(2)主存能划分成多少页面?每页多少单元?
(3)能否增加其他寻址方式?
解:&(1)依题意,指令字长32位,主存1M字,需20位地址A19-A0。50种操作码,需6位OP,指令
    &寻址方式Mode为2位,指定寄存器Rn需4位。设有单地址指令、双地址指令和零地址指
    &令,现只讨论前二种指令。
   单地址指令的格式为:
         Mode=00时为立即寻址方式,指令的23-0位为立即数;
    Mode=01时为直接寻址方式,指令的19-0位为有效地址。
   双地址指令的格式为:
         Mode1=01时为寄存器直接寻址方式,操作数S=(Rn);
    Mode1=11时为寄存器间址寻址方式,&有效地址E=(Rn)。
    Mode2=00时为立即寻址方式,指令的13-0位为立即数;
    Mode2=01时为页面寻址方式;
    Mode2=10时为变址寻址方式,E=(Rn)+D;
    Mode2=11时为变址间址寻址方式,&E=((Rn)+D)。
  (2)由于页面寻址方式时,D为14位,所以页面大小应为=16K字,则1M字可分为
    &=64个页面。可由PC的高6位指出页面号。
  (3)能增加其它寻址方式,例上述间址方式、变址间址寻址方式。
14.&从以下有关RISC的描述中,选择正确答案。
 A.采用RISC技术后,计算机的体系结构又恢复到早期的比较简单的情况。
 B.为了实现兼容,新设计的RISC,是从原来CISC系统的指令系统中挑选一部分实现的。
 C.RISC的主要目标是减少指令数,提高指令执行效率。
 D.RISC设有乘、除法指令和浮点运算指令。&
15.&根据操作数所在位置,指出其寻址方式(填空):
(1)操作数在寄存器中,为(A)寻址方式。
(2)操作数地址在寄存器,为(B)寻址方式。
(3)操作数在指令中,为(C)寻址方式。
(4)操作数地址(主存)在指令中,为(D)寻址方式
(5)操作数的地址,为某一寄存器内容与位移量之和可以是(E,F,G)寻址方式。
解:A:寄存器直接;&B:&寄存器间接;&C:立即;
  D:&直接;&  &E:相对;&   &F:基值;G:变址
1.请在括号内填入适当答案。在CPU中:
(1)&保存当前正在执行的指令的寄存器是(指令寄存器IR);
(2)&保存当前正要执行的指令地址的寄存器是(程序计数器PC);
(3)&算术逻辑运算结果通常放在(通用寄存器&)和(数据缓冲寄存器DR&)。
2.参见下图(课本P166图5.15)的数据通路。画出存数指令"STA&R1&,(R2)"的指令周期
 &流程图,其含义是将寄存器R1的内容传送至(R2)为地址的主存单元中。标出各微操作信
 &号序列。
解:"STA&R1&,(R2)"指令是一条存数指令,其指令周期流程图如下图所示:
      
3.参见课本P166图5.15的数据通路,画出取数指令"LDA(R3),RO"的指令周期流程图,
 &其含义是将(R3)为地址的主存单元的内容取至寄存器R0中,标出各微操作控制信号序列。
5.如果在一个CPU周期中要产生3个脉冲&T1&=&200ns&,T2&=&400ns&,T3&=&200ns,试画出
 &时序产生器逻辑图。
解:节拍脉冲T1&,T2&,T3&的宽度实际等于时钟脉冲的周期或是它的倍数,此时T1&=&T3&=200ns&,
 &T2&=&400&ns&,所以主脉冲源的频率应为&f&=&1&/&T1&=5MHZ&。为了消除节拍脉冲上的毛刺,环
 &型脉冲发生器可采用移位寄存器形式。下图画出了题目要求的逻辑电路图和时序信号关系。根据关
 &系,节拍脉冲T1&,T2&,T3&的逻辑表达式如下:
         T1&=&C1&&,&T2&=&,&T3&=&    
6.假设某机器有80条指令,平均每条指令由4条微指令组成,其中有一条取指微指令是所有指
 &令公用的。已知微指令长度为32位,请估算控制存储器容量。
解:微指令条数为:(4-1)&80+1=241条
 &取控存容量为:256&32位=1KB
7.&某ALU器件使用模式控制码M,S3,S2,S1,C来控制执行不同的算术运算和逻辑操作。
 &下表列出各条指令所要求的模式控制码,其中y为二进制变量,F为0或1任选。
 &试以指令码(A,B,H,D,E,F,G)为输入变量,写出控制参数M,S3,S2,S1,C的逻
 &辑表达式。
 解:&M=G  &S3=H+D+F
  &S2=1  &  &C=H+D+(E+F)y
8.某机有8条微指令I1-I8,每条微指令所包含的微命令控制信号如下表所示。
      &
 &a-j分别对应10种不同性质的微命令信号。假设一条微指令的控制字段为8位,请安排微指 &令的控制字段格式。
解:经分析,(e&,f&,h)和(b,&i,&j)可分别组成两个小组或两个字段,然后进行译码,可得六个
 &微命令信号,剩下的a,&c,&d,&g&四个微命令信号可进行直接控制,其整个控制字段组成如
11.已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)微指令中的三个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逻辑框图。
解:(l)假设判别测试字段中每一位作为一个判别标志,那么由于有4个转移条件,故该字段为4位;
  &又因为控存容量为512单元,所以下地址字段为9位,。微命令字段则是:
        (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如下图所示。其中微地址寄存器对应下地址
  &字,P字段即为判别测试字段,控制字段即为微命令字段,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的OP码、各种状态条件以及判别测试字段所给的判别标志
  (某一位为1),其输出用于控制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    (此例微指令的后继地址采用断定方式)。
12.今有4级流水线分别完成取值、指令译码并取数、运算、送结果四步操作,
  今假设完成各步操作的时间依次为100ns,100ns,80ns,50ns。
  请问:(1)流水线的操作周期应设计为多少?
     (2)若相邻两条指令发生数据相关,而且在硬件上不采取措施,那么第二条指令要
      & 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)&流水线的操作时钟周期&t应按四步操作中最长时间来考虑,&所以t=100ns;
(2)&两条指令发生数据相关冲突情况::
    ADD&R1,R2,R3&;&R2+R3&R1
    SUB&R4,R1,R5&;&R1-R5&R4
 两条指令在流水线中执行情况如下表所示:
 ADD指令在时钟4时才将结果写入寄存器R1中,&但SUB指令在时钟3时就需读寄存器R1了,显然发生
 数据相关,不能读到所需数据,只能等待。如果硬件上不采取措施,第2条指令SUB至少应推迟2个
 操作时钟周期,即t=2&100ns=200ns;
(3)如果硬件上加以改进(采取旁路技术),这样只需推迟1个操作时钟周期就能得到所需数据,
 &即t=100ns。
15.用定量描述法证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。
解:衡量并行处理器性能的一个有效参数是数据带宽(最大吞吐量),它定义为单位时间内可以产生
  的最大运算结果个数。  设P1是有总延时T1的非流水处理器,故其带宽为1/T1。又设Pm是相当于P1&m&段流水处理器延迟时 间Tr,故Pm的带宽为1/(Tc+Tr)。如果Pm是将P1划分成相同延迟的若干段形成的,则T1&mTc&因
 此P1的带宽接近于1/mTc,由此可见,当mTc&Tc+Tr满足时,Pm比P1具有更大的带宽。
16.&流水线中有三类数据相关冲突:写后读(RAW)相关;读后写(WAR)相关;写后写
(WAW)相关。判断以下三组指令各存在哪种类型的数据相关。&
(1)&I1&LAD&R1,A&;&M(A)&R1,M(A)是存储器单元
  &I2&ADD&R2,R1&;(R2)+(R1)&R2
(2)&I3&ADD&R3,R4&;(R3)+(R4)&R3
  &I4&MUL&R4,R5&;(R4)&(R5)&&R4
(3)&I5&LAD&R6,B&;&M(B)&R6,M(B)是存储器单元
  &I6&MUL&R6,R7&;(R6)&(R7)&&R6
解:(1)写后读(RAW)相关;
  (2)读后写(WAR)相关,但不会引起相关冲突;
  (3)写后读(RAW)相关、写后写(WAW)相关
17.参考教科书图5.42所示的超标量流水线结构模型,现有如下6条指令序列:
    I1&LAD&R1,&B;&M(B)&&&R1,M(B)是存储器单元
    I2&SUB&R2,&R1;&(R2)-(R1)&&&R2
    I3&MUL&R3,&R4;&(R3)&(R4)&&&R3
    I4&ADD&R4,&R5;&(R4)+(R5)&&&R4
    I5&LAD&R6,&A;&M(A)&&&R6,M(A)是存储器单元
    I6&ADD&R6,&R7;&(R6)+(R7)&&R6
请画出:(1)&按序发射按序完成各段推进情况图。
    (2)&按序发射按序完成的流水线时空图。
解:(1)(2)
1.比较单总线、双总线、三总线结构的性能特点。
3.&用异步通信方式传送字符"A"和"8",数据有7位,偶校验1&位。起始位1位,
停止位l位,请分别画出波形图。
解:&字符A的ASCII码为&41H=1000001B;&
  &字符8的ASCII码为&38H=0111000B;
  &串行传送波形图为:
注:&B:起始位
  &C:校验位&
  &S:停止位&
8.同步通信之所以比异步通信具有较高的传输频率,是因为同步通信____。
 A.不需要应答信号;
 B.总线长度较短;
 C.用一个公共时钟信号进行同步;
 D.各部件存取时间比较接近。
9.&在集中式总线仲裁中,____方式响应时间最快,____方式对____最敏感。
A.菊花链方式&B.独立请求方式&C.电路故障&D.计数器定时查询方式
解:&B&A&C
10.&采月串行接口进行7位ASCII码传送,带有1位奇校验位,l位起始位和1位停止位,当传输率为9600波特时,字符传送速率为____。
A.960&B.873.&C.1372&D.480
11.系统总线中地址线的功能是______。
 A.&选择主存单元地址&
 B.&选择进行信息传输的设备
 C.&选择外存地址
 D.&指定主存和I/O设备接口电路的地址
12.系统总线中控制器的功能是______。
 A.&提供主存、I/O接口设备的控制信号和响应信号
 B.&提供数据信息
 C.&提供时序信号
 D.&提供主存、I/O接口设备的响应信号
14.&PCI是一个与处理器无关的_____,它采用____时序协议和____式仲裁策略,并具有____能力。
A.集中&B.自动配置&C.同步&D.高速外围总线
解:D&C&A&B
15.&PCI总线的基本传输机制是____传送。利用____可以实现总线间的____传送,使所有的存取都按CPU的需要出现在总线上。PCI允许____总线____工作。
A.桥&B.猝发式&C.并行&D.多条&E.&猝发式&
解:&B&A&C&D&E
17.PCI总线中三种桥的名称是什么?桥的功能是什么?
解:PCI总线有三种桥,即HOST&/&PCI桥(简称HOST桥),PCI&/&PCI桥和PCI&/&LAGACY桥。
  在PCI总线体系结构中,桥起着重要作用:
  (1)&接两条总线,使总线间相互通信;
  (2)&是一个总线转换部件,可以把一条总线的地址空间映射到另一条总线的地址空间上,
     从而使系统中任意一个总线主设备都能看到同样的一份地址表。&
  (3)&利用桥可以实现总线间的卒发式传送。
19.总线的一次信息传送过程大致分哪几个阶段?若采用同步定时协议,请画出
读数据的同步时序图。
解:分五个阶段:请求总线、总线仲裁、寻址(目的地址)、信息传送、状
  态返回(错误报告)。读数据的同步时序图为:
    20.某总线在一个总线周期中并行传送8个字节的数据,假设一个总线周期等于一个总线时钟周期,总线时钟频率为70MHZ&,求总线带宽是多少?
解:设总线带宽用Dr表示,总线时钟周期用T&=&1/f表示,一个总线周期传送的数据量用D表示,
  根据定义可得:       Dr&=&T&/&D&=&D&&1/f=8B&70&106/s&=&560MB/
1.&计算机的外围设备是指(&)
A.输入/输出设备&      B.&外存储器
C.&输入/输出设备及外存储器& D.&除了CPU和内存以外的其他设备
2.打印机根据印字方式可以分为(&)和(&)两大类,在(&)类打印机中,只有(&)型打印机能打印汉字,请从下面答案中选择填空。
A.&针型打印机&B.&活字型打印机
C.&击打式&  &D.&非击打式
解:C&D&C&A
5.试推导磁盘存贮器读写一块信息所需总时间的公式。
解:设读写一块信息所需总时间为Tb,平均找道时间为Ts,平均等待时间为TL,读写一块信息的
  传输时间为Tm,则:Tb=Ts+TL+Tm。假设磁盘以每秒r转速率旋转,每条磁道容量为N个字,
  则数据传输率=rN个字/秒。又假设每块的字数为n,因而一旦读写头定位在该块始端,就能在
  Tm&(n&/&rN)秒的时间中传输完毕。TL是磁盘旋转半周的时间,TL=(1/2r)秒,
  由此可得:&
     Tb=Ts+1/2r+n/rN&秒
7.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:
(1)&磁盘存贮器的容量是多少?
(2)&最高位密度与最低位密度是多少?
(3)&磁盘数据传输率是多少?
(4)&平均等待时间是多少?
(5)&给出一个磁盘地址格式方案。
解:(1)&每道记录信息容量&=&12288字节
   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&=&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&/&2&R1&=&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&/&2&R2&=&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&
(5)磁盘存贮器假定只有一台,所以可不考虑台号地址。有4个记录面,每个记录面有275个磁
  &道。假定每个扇区记录1024个字节,则需要1字节&=&12个扇区。由此可得如
  &下地址格式:
14.有一台磁盘机,其平均寻道时间为了30ms,平均旋转等待时间为120ms,数据传输速率为500B/ms,磁盘机上存放着1000件每件3000B&的数据。现欲把一件数据取走,更新后在放回原地,假设一次取出或写入所需时间为:
     平均寻道时间+平均等待时间+数据传送时间
 &另外,使用CPU更新信息所需时间为4ms,&并且更新时间同输入输出操作不相重叠。
 (1)&盘上全部数据需要多少时间?
 (2)&若磁盘及旋转速度和数据传输率都提高一倍,更新全部数据需要多少间?
解:(1)磁盘上总数据量&=&B&=&3000000B
    &读出全部数据所需时间为&3000000B&&&500B&/&ms&=&6000ms
    &重新写入全部数据所需时间&=&6000ms
    &所以,更新磁盘上全部数据所需的时间为&:
       2&(平均找道时间&+&平均等待时间&+&数据传送时间&)+&CPU更新时间&
  =&2(30&+&120&+&6000)ms&+&4ms&=&12304ms
  (2)&磁盘机旋转速度提高一倍后,平均等待时间为60ms;
    数据传输率提高一倍后,数据传送时间变为:
       3000000B&&&1000B&/&ms&=&3000ms
    更新全部数据所需时间为:
      2&&(30&+&60&+&3000)ms&+&4ms&=&6184ms
17.&刷新存储器的重要性能指标是它的带宽。若显示工作方式采用分辨率为,颜色深度为24位,帧频(刷新速率)为72HZ,求:
 (1)刷新存储器的存储容量是多少?
 (2)刷新存储器的贷款是多少?
解:(1)因为刷新存储器所需存储容量&=&分辨率&&&每个像素点颜色深度
       ∴&1024&&&768&&&3B&&&4MB
  (2)因为刷新所需带宽&=&分辨率&&&每个像素点颜色深度&&&刷新速度
       ∴&1024&&&768&&&3B&&&72&/&S&=&165888KB&/&S&&&162MB&/&S
1.如果认为CPU等待设备的状态信号是处于非工作状态(即踏步等待),那么在下面几种主机与设备之间的数据传送中:(&)主机与设备是串行工作的;(&)主机与设备是并行工作的;(&)主程序与设备是并行运行的。
A.程序查询方式&B.&程序中断方式&C.&DMA方式
解:&A&C&B
2.中断向量地址是_____。
A.子程序入口地址&B.&中断服务程序入口地址
C.中断服务程序入口地址指示器&C.&例行程序入口地址
3.利用微型机制作了对输入数据进行采样处理的系统。在该系统中,每抽取一个输入数据就要中断CPU一次,中断处理程序接受采样的数据,将其放到主存的缓冲区内。该中断处理需时x秒,另一方面缓冲区内每存储n个数据,主程序就将其取出进行处理,这种处理需时y秒。因此该系统可以跟踪到每秒_____次的中断请求。
A.N/(n&x+y)&B.&N/(x+y)&n&C.&Min(1/x,&n/y)
4.采用DMA方式传送数据时,每传送一个数据就要占用一个____的时间。
A.&指令周期&B.&机器周期&
C.&存储周期&D.&总线周期
5.通道的功能是:(1)________,(2)______。按通道的工作方式分,通道有______通道、_______通道和______通道三种类型。
解:(1)执行通道指令,组织外围设备和内存进行数据传输;
  (2)执行CPU的I/O指令,以及向CPU报告中断。
    &选择通道、字节多路通道、数组多路通道
6.在教科书图8.7中,当CPU对设备B的中断请求进行服务时,如设备A提出请求,CPU能够响应中断吗?为什么?如果设备B一提出请求总能立即得到服务,问怎样调整才能满足此要求?
解:(1)CPU不能响应中断
  (2)因为同级中断不能嵌套,而A、B设备属于同级中断
  (3)如果想要设备B一提出请求即能得到服务,则应该使设备B为最高优先级,这里可将设备    &B单独接至3级IR,处于最高优先级。
8.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,试问:
(1)&下表中各级中断处理程序的各中断级屏蔽值如何设置(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)?
(2)&若这5级中断同时都发出中断请求,按更改后的次序画出进入各级中断处理程
   序的过程示意图。
解:(1)   &
  (2)&   &
9.某机器CPU中有16个通用寄存器,运行某中断处理程序时仅用到其中2个寄存器,请问响应中断而进入该中断处理程序时,是否要将通用寄存器内容保存到主存中去?需保存几个寄存器?
解:响应中断而进入该中断处理程序时,需将通用寄存器内容保存到主存中去,但为减少中断处
  理时间,不必保存所有通用寄存器内容,这里只需将2个中断处理程序中用到的寄存器内容
  保存起来。
12.下列陈述中正确的是_____。
A.&在DMA周期内,CPU不能执行程序
B.&中断发生时,CPU首先执行入栈指令将程序计数器内容保护起来
C.&DMA传送方式中,DMA控制器每传送一个数据就窃取一个指令周期
D.&输入输出操作的最终目的是要实现CPU与外设之间的数据传输
13.Pentium系统有两类中断源:①由CPU外部的硬件信号引发的称为_____,它分为可屏蔽______和非屏蔽_____;②由指令引发的称为_______,其中一种是执行______,另一种是_______。
解:①&外部中断&INTR&NMI&
  ②&异常中断&执行软件中断指令引发的&出错或故障引发的
14.IEEE1394是______I/O标准接口,与SCSI_____I/O标准接口相比,它具有更高的______,更强的_______,提及_____,连接方便。
解:B&A&C&D&E
15.SCSI是系统级_____,是处于主适配器和智能设备控制器之间的_____I/O接口。SCSI-3标准允许SCSI总线上连接的设备由______个提高到_____个,可支持_____位数据传输。
A.&并行&B.&接口&C.&16&D.&8&E.&32
解:&B&A&D&C&D
18.若设备的优先级依次为CD-ROM、扫描仪、硬盘、磁带机、打印机,请用标准接口SCSI进行配置,画出配置图。
解:PCI&HBA&&&CD-ROM&&&扫描仪&&&硬盘&&&磁带机&&&打印机&&&终端器
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