计算机组成与系统结构教材习题参考答案(陈书开).doc

习题参考答案 26习题参考答案习题1参考答案1.6、计算题，解：假设某机器指令系统按指令周期长短分为4种，t1=10ns，t2=15ns，t3=16ns，t4=20ns，这4种指令在程序中出现的概率分别为1=20%，2=16%，3=40%，4=24%，计算出平均运算速度是多少MIPS？解：由式（1.1）先计算出Tm。 =100.2+150.16+160.4+200.24=15.6 ns由式（1.2）求得平均运算速度为Vm=1/Tm =1/（15.610-9）=64.10（MIPS） 习题2参考答案2、11010111，327,D73、12.5，28.875，205.43754、原码：-127+127；补码：-128+127；反码：-127+127。7、0.1110,1.00101,1.011108、0.1101，-0.0001，-0.11119、10101101，0001001110、x补 =a0.a1a2a6解法一、 （1）若a0=0, 则x0, 满足x-0.5，此时a1a6可任意 （2）若a0=1, 则x-0.5, 需a1=1 即a0=1, a1=1, a2a6有一个不为0 解法二、 -0.5=-0.1(2)=-0.100000=1,100000（1）若x=0, 则a0=0, a1a6任意即可 x补=x=a0.a1a2a6 （2）若x-0.5 只需-x0 x补=-x,0.5补=01000000 即-x补01000000 即a0a1=11,a2a6不全为0或至少有一个为1（但不是“其余取0”）11字长32位浮点数，阶码10位，用移码表示，尾数22位，用补码表示，基为2， （1）最大的二进制数表示 E=111111111 Ms = 0, M = 111（全1） 表示为： 111 0111 10个 21个即：（2)最小的二进制数 E=111111111 Ms=1,M=000（全0）（注意：用10.0来表示尾数1） 表示为： 111 1000 10个 21个 即：（3）规格化范围 正数最大 E = 111，M = 111，Ms = 0 10个 21个 即： 正数最小 E = 000，M=1000， Ms = 0 10个 20个 即： 负数最大 E = 000，M = 0111， Ms = 1 10个 20个 （最接近0的负数）即： 负数最小 E = 111， M = 000， Ms =1，即： 10个 21个规格化所表示的范围用集合表示为： , ,（4）最接近于0的正规格化数、负规格化数（由上题可得出） 正规格化数 E = 000， M = 1000， Ms = 0，即 10个 20个 负规格化数 E = 000， M = 0111， Ms = 1，即 10个 20个 12、假设浮点数格式如下：（1） 阶码补码：1 11 尾数补码：0 1101 1000机器数：1110 1101 1000 （2） 阶码补码：1 11 尾数补码：1 0010 1000机器数：1110 0010 100013、(1) 1 (2) 014、需5个检验位。应放在从低到高的第1、2、4、8、16位上。15、1001001 010习题3参考答案3.2 解：-127的二进制表示为-01111111 X原=11111111；X反=10000000；X补=10000001；X移=000000013.3 解：X补=1.10001，-X补=0.01111，Y补=0.11001，-Y补=1.00111 X+Y补=X补+Y补 X-Y补=X补+-Y补 即 11.10001 11.10001 + 00.11001 + 11.00111 00.01010 10.11000X+Y=+0.01010 X-Y 结果发生溢出，因为两位符号位不相同3.4 解：为了便于直观理解，假设两数均以补码表示，阶码采用双符号位，尾数采用单符号位，则它们的浮点表示分别为： X浮=00010，0.11011011 Y浮=00100，1.01010100（1） 求阶差并对阶：E=ExEy=Ex补+-Ey补=00010+11100=11110即E为2，x的阶码小，应使Mx右移2位，Ex加2， X浮=00100，0.00110110（11）其中（11）表示Mx 右移2位后移出的最低两位数。（2） 尾数和+0. 0 0 1 1 0 1 1 0 （11）1. 0 1 0 1 0 1 0 01. 1 0 0 0 1 0 1 0 （11）（3） 规格化处理尾数运算结果的符号位与最高数值位为同值，应执行左规处理，结果为1.0001010（11），阶码为00 011 。（4） 舍入处理采用0舍1入法处理，则有1. 0 0 0 1 0 1 0 1 + 11. 0 0 0 1 0 1 1 0（5） 判溢出阶码符号位为00 ，不溢出，故得最终结果为 x + y = 2011 (-0.11101010)3.5解：因为X+Y=2Ex（Sx+Sy） （Ex=Ey），所以求X+Y要经过对阶、尾数求和及规格化等步骤。（1） 对阶： J=ExEY=（-10）2（+10）2=（-100）2 所以Ex640K，所以地址寄存器20位。（3）所需EPROM芯片数为（128K2B）/（64K2B）=2（片）（4）设存储器地址空间分配如下：128K EPROM512K SRAM题4.6 存储器组成框图#1#5#4#3#2#2（5）各芯片存储地址范围：#1：00000H-0FFFFH #2：10000H-1FFFFH#3：20000H-3FFFFH#4：40000H-5FFFFH#5：60000H-7FFFFH#6：80000H-9FFFFH4.7解：六、（10分）解 CS 1M 8R/W D7D0 CS 1M 8R/W D7D0R/WA23A22A0A19A0 A19A0DB（1）简单译码器（门电路组成）SRAM的地址：000000H-7FFFFFH DRAM的地址：800000H-FFFFFFH4.8解 ：存储器地址空间分布如图2所示，分三组，每组8K16位。由此可得存储器方案要点如下：（1） 组内地址 ：A12 A0 （A0为低位）；（2） 组号译码使用2 ：4 译码器；（3） RAM1 ，RAM 2 各用两片SRAM芯片位进行并联连接，其中一片组成高8位，另一片组成低8位。（4） 用 MREQ 作为2 ：4译码器使能控制端，该信号低电平（有效）时，译码器工作。（5） CPU的R / W 信 号与SRAM的WE端连接，当R / W = 1时存储器执行读操作， 当R / W = 0时，存储器执行写操作。如图3 图2 CPU 图34.9 解：信息总量： q = 64位 8 =512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 = 8200ns =1.610 7 (s) t1 = T + (m 1) = 200 + 350 = 5.5 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 = 93 107 （位/ S）4.10 解：刷新存储器容量分辨率每个像素点颜色深度 102410243B3MB 刷新存储器带宽刷新存储器容量刷新速率 3MB72/S216MB/S 刷新存储器的总带宽应为 216MB/S100/60360MB/S4.11 解：根据图1中已知，ROM1的空间地址为0000H3FFFH，ROM2的地址空 间地址为4000H7FFFH，RAM1的地址空间为C000HDFFFH，RAM2的地址空间为E000HFFFFH。 对应上述空间，地址码最高4位A15A12状态如下：00000011 ROM101000111 ROM211001101 RAM111101111 RAM2 2 ：4译码器对A15A14两位进行译码，产生四路输出，其中 ：y0 = 00 对应ROM1 ， y1 = 01对应ROM2 ，y3 = 11 对应 RAM1和RAM2。然后用A13区分是RAM1（A13 = 0）还是RAM2（A13 = 1），此处采用部分译码。由此，两组端子的连接方法如下：16， 25， 37， 812， 1114， 913 4.12 解：因为：ta = tc / e 所以 ：tc = tae = 600.85 = 510ns (cache存取周期) tm = tcr =510 4 = 204ns (主存存取周期) 因为：e = 1 / r + (1 r )H 所以： H = 2.4 / 2.55 = 0.944.13 解：写入存贮器时时序信号必须同步。通常，当R/线加负脉冲时，地址和数据线的电平必须是稳定的。当R/线一达到逻辑0电平时，数据立即被存贮。因此，当R/线处于低态时，如果数据线改变了数值，那么存贮器将存贮新的数据。同样，当R/处于低态时地址线发生了变化，那么同样的数据将存贮到新的地址（或）。正确的写入如下图习题5参考答案 (习题解答不全黄金文)四、综合题6 解：1 立即2 寄存器3 直接4 基址5 基址+偏移量6 比例娈址+偏移量7 基址+变址+偏移量8 基址+比例变址+偏移量9 相对习题6参考答案6.5，解：1. 列出机器的全部控制信号一览表 题中已给出，见表6.5。2. 写出指令操作流程及时序划分 题中已写出指令操作流程和时序划分。3. 确立微指令格式 题中已要求采用直接编码方式，操作控制字段取23位，下址字段取4位。4. 编写微指令代码 微指令字长共27位，编写微指令代码如题6.5表，其中操作控制字段23位，各位的位号及表示的微命令控制信号与表5中的序号及微命令控制信号相对应，表中空格中“0”缺省。题6.5表 加法指令对应的微指令代码机器周期节拍地址 微指令二进制代码 控制字段下址字段123456789101112131415161718192021222324252627M1T100H11T201H1111T302H1111M2T103H1111T204H111T305H111M3T106H1111T207H1111T308H111M4T109H11111T20AH1111T30BH16.9解：C1=M2T4I3C2=M2T4I4C3=M2T1I5C4=M1 (T2+T3)+M2 (T2+T3) (I1+I3+I4)&C1C2C3&C4微操作控制信号的形成逻辑电路6.10 解：为了压缩指令字的长度，必须设法把一个微指令周期中的互斥性微命令信号组合在一个小组中，进行分组译码。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下： 01 e 01 b 直接控制 10 f 10i a c d g 11 h 11j 4位 2位 2位 6.11 解：（1） a为数据缓冲寄存器 DR ，b为指令寄存器 IR ，c为主存地址寄存器，d为程序计数器PC。（2） 主存 M 缓冲寄存器 DR 指令寄存器 IR 操作控制器。 (3)存储器读 ：M DR ALU AC 存储器写 ：AC DR M6.12解：1）n条指令进入流水线的时空图如下：2）从流程图可以看出，用k个时钟周期完成第1条指令，其余n-1完成个时钟周期完成n-1条指令，n条指令所需的总时间Tk为：Tk=（k+n-1）tP= 6.13 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 = T2 =200ns ，T3 = 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，环型脉冲发生器采用移位寄存器形式。题6.13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 = C1C2 ，T2 = C2 ，T3 = C1 题6.13图6.14 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所示：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。6.15 解：（1）时间重叠是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。（2）资源重复是指在并行性概念中引入空间因素，通过重复设置硬件资源来提高可靠性或性能。（3）资源共享是指利用软件的方法让多个任务按一定时间顺序轮流地使用同一套资源，以提高其利用率，这样相应地也可以提高整个系统的性能。习题7参考答案7.5 解：（1）60（34-20）/2=420（2）8003.1420420（102-2）=45MB（3）8003.14202400=14MB/mim7.6解：解：（1）失效的虚页号为1，3，5，7 虚页号 实页号 装入位 0 3 1 1 1 0 2 2 1 3 3 0 4 1 1 5 2 0 6 0 1 7 0 0（2）由虚地址计算主存实地址的情况如下所示 虚地址虚页号 页内移位装入位实页号 页内移位 实地址 0 0 0 1 3 0 1536 1864 3 324 0 页面失效 无 511 0 511 1 3 511 2047 512 1 0 0 页面失效 无 1028 2 4 1 2 4 1028 3900 7 316 0 页面失效 无 2048 4 0 1 1 0 512 3400 6 328 1 0 328 3287.7 解：（1） 每道记录信息容量 = 12288字节每个记录面信息容量 = 27512288字节共有4个记录面，所以磁盘存储器总容量为 ： 4 27512288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 / 2R1 = 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 / 2R2 = 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 / (250) = 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12288 1024字节 = 12个扇区。由此可得如下地址格式：柱面（磁道）号 盘面（磁头）号 扇区号 14 6 5 4 3 0 7.8 解：设读写一块信息所需总时间为T，平均找到时间为Ts，平均等待时间为TL，读写一块信息的传输时间为Tm，则：T=TsTLTm。假设磁盘以每秒r的转速率旋转，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： T=Ts1/2rn/rN 秒 7.9 解：（1）磁盘上总数据量 = 10003000B = 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 = 6184ms7.10 解：2400转 / 分 = 40转 / 秒 平均等待时间为：1 / 40 0.5 = 12.5（ms） 磁盘存取时间为：60 ms + 12.5ms = 72.5ms 数据传播率： Dr = r N , N = 96K bit , r = 40转 / 秒 Dr = r N = 40 96K = 3840K (bit/s)7.11 解：（1） 用虚拟地址为1的页号15作为快表检索项，查得页号为15的页在主存中的起始地址为80000，故将80000与虚拟地址中的页内地址码0324相加，求得主存实地址码为80324。 （2）主存实地址码 = 96000 + 0128 = 96128（3）虚拟地址3的页号为48，当用48作检索项在快表中检索时，没有检索到页号为48的页面，此时操作系统暂停用户作业程序的执行，转去执行查页表程序。如该页面在主存中，则将该页号及该页在主存中的起始地址写入主存；如该页面不存在，则操作系统要将该页面从外存调入主存，然后将页号及其在主存中的起始地址写入快表。7.12 解：(1)颜色的位数：28=256 (2)刷新存储器容量为102410248=1M字节。 7.13 解（1）122882754=33792004=13516800B（2）122888/211.5=1361位/cm （3）磁盘数据传输率Dr=rN, N为每条磁道容量， N=12288B,r为磁盘转速， r=3000转/60秒=50转/秒 Dr=rN= 1228850=614400B/s （4）平均等待时间：t=1/50 1/2=10ms （5）磁盘地址格式：台号 柱面(磁道)号 盘面(磁头)号 扇区号17 16 15 7 6 5 4 0 习题8 参考答案8.1.答：单总线、双总线、三总线结构的优缺点如下表。类型连线数结构传输并行性单总线少简单差双总线中等较简单中等三总线结构多复杂好8.2.答：总线控制方式有集中式控制和分散式控制，每种控制方式中又分为串行链接控制、定时查询、独立请求三种。方式优先级连线电路敏感性仲裁机构复杂程度设备扩充性串行链接控制固定少敏感低好定时查询循环较少敏感中较好独立请求灵活多不敏感高差8.3.答：把I/O设备连接到计算机系统时，必须解决外观形状是否能插入总线，信号线上的电压和电流是否与总线上的要求相符，每条线上的功能是否与总路线上的对应，每条线上传输的信号是否与总线上的一致等问题。8.4.答：计算机使用总线结构的目的是共享信息传输线，减少传输线的数目。8.5.答：同步通信是指所有的通信操作都是在基准时钟的控制来完成的，异步通信是指通信操作需要多少时间，就给予多少时间，它不受系统时钟控制。8.6.答：总线有四个特性,即机械特性、功能特性、电气特性、过程特性。8.7.答：从传送信息的角度，总线可以分成： 串行总线。它是指在传送信息时只有一根传送线，所有的信息都在该传输线上传输，每次只传送一位。若需要传送的信息有8位，则需要传送8次，即需要8个时钟周期用于传送。 并行总线。它是指在传送信息时有多根传送线，所有的信息都在这些传输线上同时传输，每次传送多位。若有8根传送线，需要传送的信息有8位，则需要传送1次，即只需要1个时钟周期用于传送。 复合总线。它是指在数据总线上，先传送地址，再传送数据。8.8.答：总线的一次信息传送过程分为总线请求，总线仲裁，寻址（目的地址），信息传送，状态返回五个阶段。为了使数据通信能圆满地进行，要对通信双方如何交换信息建立一些规定和过程，这些规定和过程称为协议或规程。根据通信双方进行信息传送时是否有统一的时钟信号，信息在总线上的传送方式可分为同步通信和异步通信两种方式。对于操作时间差别不大的设备，一般采用同步通信协议；对操作时间差别大的设备，一般采用异步通信协议。8.9答：控制信号一般包括：读写信号、访问存储器或I/O设备、中断请求与响应信号、DMA请求与响应信号、时钟与周期信号。8.10.解：总线带宽要达到160MB/S，则传输1个字节所需的时间=1/160M秒;传送一个字节所需的时间=8*1/160M=1/20M秒。由于一个总线周期=2个时钟周期，故总线的时间周期=1/20M/2=1/40M,总线的时钟频率=40MHz.8.11.解：PCI总线结构框图如下图所示。 PCI总线有三种桥，即HOST / PCI桥（简称HOST桥），PCI / PCI桥，PCI / LAGACY桥。在PCI总线体系结构中，桥起着重要作用：（1）它连接两条总线，使总线间相互通信。（2）桥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。利用桥可以实现总线间的卒发式传送。8.12笿：三种系统总线结构如下图。 习题9 参考答案9.1.答：I/O控制方式有五种，它们是程序查询方式、中断方式、DMA方式、通道方式、I/O处理机方式。他们的优缺点及适用场合如下表。I/O控制方式控制方式接口电路CPU与外设工作外设与外设工作能否发现异常情况CPU效率处理方式适用场合程序查询方式简单简单串行串行不能低程序调试机器中断方式较复杂较复杂并行并行能中等程序多种场合均可DMA方式简单较复杂并行并行高硬件数据传送通道方式复杂复杂并行并行能高软件硬件大型、巨型机I/O处理机方式复杂复杂并行并行能高独立的计算机大型、巨型机9.2.答：设共有n+1个中断请示。（1）固定优先级读中断请求寄存器进入中断处理是n号中断？运行中断请求n处理程序是n-1号中断？运行中断请求n-1处理程序是0号中断？运行中断请求0处理程序结束中断处理TFTTFF(2)轮流优先，使机会均衡 需要设置一个计数器counter。读中断请求寄存器，tmp=Counter开始中断处理Counter号有中断？运行中断请求Counter处理程序Counter0？Counter=n中断请求=0？结束中断处理FTTFCounter-FT9.3.解：可采用串行链判优方式进行中断扩展。图中INTS0，INTS1，INTS2，INTS3为中断请求信号INTR0，INTR1，INTR2，INTR3对应的中断排队选中信号。INTA是由CPU送来的中断响应信号，它串行地通过连接的所有中断源。当INTA为高电平时，读取离CPU距离最近的有中断请求的中断源的中断设备码；当INTA为低电平时允许中断源提出中断请求并进行排队判优。若某个设备没有中断请求，它就将中断响应信号INTA传给下一设备；若某设备有中断请求信号，它就封锁INTA信号，不再往下传送，使它终止在该设备上，同时产生该设备的识别信号INTSi，然后由编码电路产生该设备的设备码，通过数据总线送入CPU，然后CPU取走该设备码。通过设备码找到对应的中断处理程序，并执行其中断处理程序。9.4.解：设1表示开放，0表示屏蔽。（1）屏蔽字设定如下表0#中断程序1#中断程序2#中断程序3#中断程序目标程序11110#中断00001#中断10002#中断11003#中断1110（2）屏蔽字设定如下表0#中断程序1#中断程序2#中断程序3#中断程序目标程序11110#中断00011#中断10002#中断01003#中断00109.14.解：设0为开放，1为屏蔽，则屏蔽码如下一级二级三级四级用户程序0000一级程序1000二级程序1110三级程序1010四级程序1111如果在时刻t0，分属于4个级别的4个设备同时发出中断请求，CPU响应各级中断的运动轨迹如下图所示。t0一级二级三级四级用户9.15.解：（1）中断接口如下图所示。主站设备选择器中断排队和设备码回送逻辑中断屏蔽寄存器命令/状态寄存器中断寄存器数据寄存器从站IO总线数据线数据线完成忙完成启动选择设备屏蔽码中断请求（2）由于该中断接口需要中断屏蔽寄存器、中断寄存器、命令/状态寄存器、数据寄存器4个寄存器，故需要4个地址，地址分配如下表所示设备地址主站0000H从站001000103H从站101040107H从站20108010BH从站3010C-011FH设备选择电路可采用416译码器来完成（3）由于命令为输出，而状态为输入。故当对地址读时，读出来的为状态字，当对该地址写时，写入的为命令字。命令/状态字格式如下：命令字/状态字启动/忙或空闲清除/申请中断屏蔽/故障选择9.16.解：（1）该通道实际的最大流量1/(100*10-6)=10000B/S=10KB/S（2）在极限流量的情况下，传送每个字需要1/0.16*106=6.25*10-6=6.25 uS所以100 uS /6.25 uS =16个，最多还能接8台终端。9.17.解：数据采集接口方案设计如下图所示。现结合两种工作方式说明上述部件的工作。（1）定期检寻方式 主机定期以输出指令DOA、设备码；（或传送指令）送出控制字到A寄存器，其中用四位分别指定选中的缓冲寄存器（四个B寄存器分别与四个采集器相应）。然后，主机以输入指令DIA、设备码；（或传送指令）取走数据。(2) 中断方式比较结果形成状态字A，共8位，每二位表示一个采集器状态：00 正常 ，01 过低 ，10 过高。有任一处不正常（A 中有一位以上为“1”）都将通过中断请求逻辑（内含请求触发器、屏蔽触发器）发出中断请求。中断响应后，服务程序以DIA、设备码；或传送指令）取走状态字。可判明有几处采集数据越限、是过高或过低，从而转入相应处理。译码器选中设备码控制字A状态字A比较结果主机主机缓冲寄存器B0缓冲寄存器B1缓冲寄存器B2缓冲寄存器B3中断请求逻辑请求屏蔽请求信号设备状态屏蔽字习题10参考答案10.4 解：根据传输速率，磁盘优先权最高，磁带次之，打印机最低。如下图： 习题11参考答案略11.5 应用题解