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计算机组成原理期末考试试卷一 名词解释（每小题2分，共10分）1 总线2 DMA3 虚拟存储器4 动态刷新5 微程序二 1填空题十六进制数0A2.4的十进制书表示为_。2最大的16位二进制数转换成十进制数是_。3十进制数57的补码表示为_。4已知X补=1.101010，则X原=_。5六位定点小数补码表示的范围是_。6 补码加法中只有当_时，才会产生溢出。7 在补码乘法中（BOOTH算法），若乘数判别位为10，则下一步的操作是_。8 原码出发乘用恢复余数法时，只有当_才需要恢复余数。9 操作数在存储器中，操作数的偏移地址由寄存器指出，这是_寻址方式。10 SRAM是用_存储的0，1信息。DRAM是用_存储0，1信息的。11 64K16位的SRAM芯片需要_条地址域，_位数据域。12 CPU中用来指示下一条指令的地址的部件是_-。三 简答题1 何谓浮点规格化？浮点加减运算分为哪几步？简述各步的操作规则。2 何谓存储的层次结构？各曾分别解决什么问题？增加CACHE的目的是什么？3 半导体存储器分为哪几类？简述各类存储器的特点。4 在PC机中何谓逻辑地址？何谓物理地址？如何将逻辑地址变换为物理地址？5 简述控制器的功能和各组成部分的作用。6 控制器通常分为哪两种？简述各类控制器的含义及特点。四 计算题3.设一个具有16位地址和8位字长的存储器，问：（1） 该存储器能存储多少字节的信息。（2） 如果用2K8的芯片来构成该存储器，共需要多少芯片。（3） 芯片的片内地址多少位片选地址多少位？五 综合应用题1. 画出2K8的SRAM芯片组成8K8的存储器及其与CPU的硬件连接图。西北工业大学计算机组成原理考试题一、（21分）完成下列运算1（14分）已知X= -65，Y=66，求：（1）X的二进制（X2）、八进制（X8）、十六进制（X16）、X原、X反、X补、X移、XBCD（2）用8bit补码计算求X+Y=?，X-Y=?，并判断结果是否正确。（要求写出运算过程）2（7分）用IEEE754单精度格式表示下列数：-6、1/16二、（52分）回答下列问题1（13分）请说明CPU由哪几部分构成，每一部分的作用是什么？通常情况下与指令执行有关的寄存器有哪些？它们各自的作用是什么？2（10分）请说明随机替换策略、FIFO替换策略、LRU替换策略的方法和优缺点。answer:方法：随机地选择被替换得块优点：简单，易于硬件实现，并且对于硬件调试很有用缺点：没有考虑块被使用的情况，反映不了程序的局部性方法：最先装入的块最先被替换优点：简单，易于实现缺点：虽然利用了各块进入Cache的顺序这一“历史”信息，但是还是不能正确反映程序的局部性。因为最先进入的块，很可能是经常用到的块。方法：最近最少被使用的块作为被替换的块优点：反映了程序的局部性，因而失效率在三种方法中最低缺点：比较复杂，硬件实现比较困难，特别是当Cache容量增加时，实现代价越来越高，而且经常只能是近似的实现（选最久没有被使用过的块作为被替换的块）3（14分）什么是中断？通常中断周期完成哪些工作？解释下列术语：（1）中断源 （2）中断系统 （3）断点 （4）向量中断 （5）单重中断4（15分）为什么要进行总线仲裁？集中式总线仲裁有哪几种仲裁方法？请说明每一种仲裁方法是怎样进行仲裁的，并比较它们的优缺点。 answer:为了解决多个主设备同时竞争总线控制权，必须具有总线仲裁部件，以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主方。对多个主设备提出的占用总线请求，一般采用优先级或公平策略进行仲裁。 按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式仲裁和分布式仲裁两类。1.集中式仲裁 集中式仲裁中每个功能模块有两条线连到中央仲裁器：一条是送往仲裁器的总线请求信号线BR，一条是仲裁器送出的总线授权信号线BG。 (1) 链式查询方式链式查询方式的主要特点：总线授权信号BG串行地从一个I/O接口传送到下一个I/O接口。假如BG到达的接口无总线请求，则继续往下查询；假如BG到达的接口有总线请求，BG信号便不再往下查询，该I/O接口获得了总线控制权。离中央仲裁器最近的设备具有最高优先级，通过接口的优先级排队电路来实现。链式查询方式的优点: 只用很少几根线就能按一定优先次序实现总线仲裁，很容易扩充设备。 链式查询方式的缺点: 对询问链的电路故障很敏感，如果第i个设备的接口中有关链的电路有故障，那么第i个以后的设备都不能进行工作。查询链的优先级是固定的，如果优先级高的设备出现频繁的请求时，优先级较低的设备可能长期不能使用总线。 (2)计数器定时查询方式总线上的任一设备要求使用总线时，通过BR线发出总线请求。中央仲裁器接到请求信号以后，在BS线为“0”的情况下让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。每个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时，该设备 置“1”BS线，获得了总线使用权，此时中止计数查询。 每次计数可以从“0”开始，也可以从中止点开始。如果从“0”开始，各设备的优先次序与链式查询法相同，优先级的顺序是固定的。如果从中止点开始，则每个设备使用总线的优先级相等。计数器的初值也可用程序来设置，这可以方便地改变优先次序，但这种灵活性是以增加线数为代价的。 (3)独立请求方式每一个共享总线的设备均有一对总线请求线BRi和总线授权线BGi。当设备要求使用总线时，便发出该设备的请求信号。中央仲裁器中的排队电路决定首先响应哪个设备的请求，给设备以授权信号BGi。独立请求方式的优点：响应时间快，确定优先响应的设备所花费的时间少，用不着一个设备接一个设备地查询。其次，对优先次序的控制相当灵活，可以预先固定也可以通过程序来改变优先次序；还可以用屏蔽(禁止)某个请求的办法，不响应来自无效设备的请求。三、（10）请画出如下寻址方式的示意图（1）立即寻址 （2）直接寻址 （3）间接寻址 （4）寄存器寻址 （5）前变址四、（10分）请用4K4bit的SRAM芯片，组成一个8K8bit的存储器。画出该存储器与CPU连接的示意图。五、（7分）某计算机字长16位，主存容量64K字。指令系统共有60条指令，有直接、间接、相对和立即四种寻址方式，指令为单字长单地址指令。请设计该指令系统的指令格式，并分析每一种寻址方式的寻址范围。4、冯诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？它包括那些主要组成部分？计算机的硬件是由有形的电子器件等构成的，它包括运算器、存储器、控制器、适配器、输入输出设备。传统上将运算器和控制器成为CPU，而将CPU和存储器成为主机。存储程序并按地址顺序执行，这就是冯诺依曼型计算机的主要设计思想。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？存储器所有存储单元的总数成为存储器的存储容量；存储器中是由许多存储单元组成的，每个存储单元都有编号，称为单元地址；如果某字代表要处理的数据，则称为数据字；如果某字为一条指令，则称为指令字。9、什么是指令？什么是程序？指令是机器所能领会的一组编排成特定格式的代码串，它要求机器在一个指令周期内，完成一组特定的操作。程序是为特定问题求解而设计的指令序列7、用16K16位的DRAM芯片构成64K32位存储器。问需要多少个这样的DRAM芯片？画出该存储器的组成逻辑框图。所需芯片总数（64K32）（16K16）= 8片 因此存储器可分为4个模块，每个模块16K32位，各模块通过A15、A14进行2：4译码 图C3.28、DRAM存储器为什么要刷新？DRAM存储元是通过栅极电容存储电荷来暂存信息。由于存储的信息电荷终究是有泄漏的，电荷数又不能像SRAM存储元那样由电源经负载管来补充，时间一长，信息就会丢失。为此必须设法由外界按一定规律给栅极充电，按需要补给栅极电容的信息电荷，此过程叫“刷新”。9、主存储器的性能指标有哪些？含义是什么？主存储器的性能指标有存储容量、存取时间、存储周期和存储器带宽。在一个存储器中可以容纳的存储单元总数通常称为该存储器的存储容量。存取时间又称存储器访问时间，是指从启动一次存储器操作到完成该操作所经历的时间。存储周期是指连续启动两次读操作所需间隔的最小时间。存储器带宽是单位时间里存储器所存取得信息量。2、什么叫指令？什么叫指令系统？指令是机器所能领会的一组编排成特定格式的代码串，它要求机器在一个指令周期内，完成一组特定的操作。 一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。4、假设某计算机指令长度为20位，具有双操作数、单操作数、无操作数三类指令格式，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：由于设定全部指令采用8位固定的OP字段，故这台计算机最多的指令条数为28=256条。因此最多还可以设计出（256-m-n）条单操作数指令。 10、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。2、说明总线结构对计算机系统性能的影响。(1）最大存储容量单总线系统中，最大内存容量必须小于由计算机字长所决定的可能的地址总线。双总线系统中，存储容量不会受到外围设备数量的影响（2）指令系统 双总线系统，必须有专门的I/O指令系统单总线系统，访问内存和I/O使用相同指令（3）吞吐量总线数量越多，吞吐能力越大6、总线的一次信息传送过程大致分哪几个阶段？分五个阶段：总线请求，总线仲裁，寻址（目的地址），信息传送，状态返回（或错误报告）。7、何谓总线仲裁？一般采用何种策略进行仲裁，简要说明它们的应用环境。连接到总线上功能模块有主动和被动两种形态。主方可以启动一个总线周期，而从方只能响应主方的请求。每次总线操作，只能有一个主方占用总线控制权，但同一时间里可以有一个或多个从方。除CPU模块外，I/O功能模块也可以提出总线请求。为了解决多个主设备同时竞争总线控制权，必须具有总线仲裁部件，以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主方。一般来说，采用优先级或公平策略进行仲裁。在多处理器系统中对CPU模块的总线请求采用公平原则处理，而对I/O模块的总线请求采用优先级策略。8、集中式仲裁有几种方式？集中式仲裁有链式查询方式、计数器定时查询方式、独立请求方式。9、一个计算机系统中的总线，大致分为哪几类？一个计算机系统中的总线，大致分为三类：（1） CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线，称为内部总线。（2） CPU同计算机系统的其他高速功能部件，如存储器、通道等互相连接的总线，称为系统总线。（3） 中、低速I/O设备之间互相连接的总线，称为I/O总线。6、简要描述外设进行DMA操作的过程及DMA方式的主要优点。（1）外设发出DMA请求 （2）CPU响应请求，DMA控制器从CPU接管总线的控制 （3）由DMA控制器执行数据传送操作 （4）向CPU报告DMA操作结束 （5）主要优点是数据传送速度快西北工业大学考试试题（卷）20 20 学年第 学期开课学院 软件学院 课程 计算机组成原理 学时 60 考试日期 元月7日 考试时间 2小时 考试形式（）（）卷 考生班级学号姓名说明：所有答案都写在答题纸上。试卷连同答题纸一起上交，试卷和答题纸不得分开。缺少试卷者记“0”分。一、（10）名词解释 系统总线 中断向量 微操作 存储元 EEPROM二、（32）完成下列运算1（8）已知X= 0. 625，求：X的二进制（X2）、八进制（X8）、十六进制（X16）、X原、X反 、X补、X补 、XBCD表示。2（8）写出8bit定点整数和定点小数原码和补码的取值范围。3（6）将数12用IEEE 754单精度浮点格式表示。4（10）用Booth（布斯）算法计算7（-3），要求写出运算步骤。三、（38）回答下列问题1（9）请说明总线的组成及各部分的作用。注：1. 命题纸上一般不留答题位置，试题请用小四、宋体打印且不出框。2. 命题教师和审题教师姓名应在试卷存档时填写。 共2页第1页西北工业大学命题专用纸2 （10）什么是中断？中断响应周期完成那些工作？在向量中断系统中，设备为什么将中断向量放在数据总线上，而不放在地址总线上？3 （9）通常情况下，CPU中有哪些主要的控制寄存器？各有什么作用？控制寄存器的设计中要考虑那些因素，为什么？4 （10）微程序控制器有几部分组成？请画出微程序控制器的结构示意图，并说明每一部分的作用。四、（10）谋计算机指令长度36位。请设计一种变长操作码，满足下列要求：（1）7条指令有两个15位地址和一个3位机存器号（2）505条指令有一个15位地址和一个3位寄存器号（3）50条指令没有地址或没有寄存器五（10）请分析下列问题： （1）Cache块的大小会带来什么问题？ （2）统一/分立的Cache各有什么优缺点？ （3）使用两级Cache的目的并指出原因。西北工业大学考试试题（卷）20 20 学年第 学期开课学院 软件学院 课程 计算机组成原理 学时 60 考试日期 元月7日 考试时间 2小时 考试形式（）（）卷 考生班级学号姓名说明：所有答案都写在答题纸上。试卷连同答题纸一起上交，试卷和答题纸不得分开。缺少试卷者记“0”分。一、（10）名词解释 ALU 中断 微操作 存储单元 EEPR