计算机组成原理课后作业解答

计算机组成原理,课后习题解答,第三章：系统总线,题：,CPUI/O,P66页12题：在数据总线上接有A、B、C、D寄存器，画出满足下列要求的电路框图：,(1)在同一时间实现DA，DB，DC寄存器间传送,(2)要求：T0时刻完成D总线；T1时刻完成总线A；T2时刻完成A总线；T3时刻完成总线B,补充作业：,1.假设总线的时钟频率为33MHz，且一个总线时钟周期为一个总线传输周期。若在一个总线传输周期可并行传送4个字节数据，求该总线带宽，并分析哪些因素影响总线的带宽。解：总线带宽是指单位时间内总线上可传输的数据位数（字节/秒）。总线带宽=4B/T=4Bf=4B33106Hz=132MBps影响总线带宽的因素：总线宽度、传输距离、总线发送和接收电路的工作频率的限制以及数据传输形式等。,2在一个16位的总线系统中,若时钟频率为100MHz，总线传输周期为5个时钟周期，每一个总线传输周期可传送1个字，试计算总线的数据传输率。解：时钟频率为100MHz，所以：1个时钟周期为1/f=1/100=0.01s5个时钟周期为0.05s总线的数据传输率=16b/（T5）=16b/（1/f5）=16b/（1/1005）=320106bps,第四章存储器,21题:(教材P146页)解:(1)根据题意:每字块有8个字,每个字32位故主存地址字段中字块内地址字段为5位(25=32),字块大小为832b=32B=25B所以16KB的CACHE共有214B/25B=29块,即C=9。根据四路组相联映象2r=4得r=2故q=c-r=9-2=7主存容量为4MB=222B，主存地址字段中主存字块标记位数为22-7-5=10位。,主存地址字段各段格式为：主存字块标记(12位)组地址(7位)字块内地址(5位)(2)CACHE开始空，CPU访问0单元时肯定不命中，会读取内存，并将内存所在块(0-7号单元)调入CACHE，CPU以后访问1-7号单元会命中，而访问8号单元又不命中，再替换.,所以，CPU在访问0-99号单元时会不命中8,16,96共13个单元。故命中率=（1008-13）/（1008）100%=98.375%(3)设主存存取周期为6t，CACHE存取周期为t，没有CACHE的访问时间为6t800，有CACHE的访问时间为t（800-13）+6t13则速度提高倍数=（6t800）/（t（800-13）+6t13）=4.5,教材P146页26题,解：(1)硬盘由6片磁盘组成,每片2个记录面,由于上下2个面不用,所以共有10个记录面可以用。(2)柱面数也就是每张磁盘磁道数=盘半径/道密度盘半径=外半径-内半径=33/2-11/2=5.5cm=55mm柱面数=盘半径/道密度=5.540=220面(3)硬盘总容量=面容量记录面数=(道容量道数)记录面数=(内道周长内层密度)道数)记录面数=(23.1422/2)400)220)10=60790400位(4)数据传输率=转速道容量=40(23.1422/2)400)=4027632=1105280位,教材P146页27题,解（1）磁盘总容量=道容量道数记录面数=122882754=13516800字节（2）最高位密度（最小磁道位密度）=道容量/（23.14最小磁道直径）=12288字节/(23.14230mm）=17字节/mm最低位密度（最大磁道位密度）=道容量/（23.14最大磁道直径）=12288字节/(23.14(最小磁道直径+磁盘半径2)）=12288字节/(23.14(230mm+磁道数/道密度2)）=12288字节/(23.14(230mm+275/52)）=11.7字节/mm(3)数据传输率=转速道容量=(3000/60)12288字节=614.4字节/秒=614.4B/S(4)因为平均等待时间为磁盘转一圈时间的一半，所以：平均等待时间=（1/转速）/2=(60/3000)/2=10ms,补充作业:,1.一个1K4位的DRAM芯片,若其内部结构排列成6464形式,且存取周期为0.1s.(1)若采用分散刷新和集中刷新相结合的方式,刷新信号周期应该取多少?(2)若采用集中刷新,则对存储器芯片刷新一遍需多少时间?死亡时间率是多少?解:(1)采用分散刷新和集中刷新相结合的方式,对排列成6464形式的DRAM芯片,需在2ms内将64行各刷新一遍,故刷新信号的时间间隔为2ms/64=31.25s,故取刷新周期31s(2)采用集中刷新对排列成6464形式的DRAM芯片,需在2ms内集中64个存取周期刷新64行。因为存取周期为0.1s，故对存储器芯片刷新一遍需640.1s=6.4s,死亡时间率=(64/20000)100%=0.32%。,第6章,例1:设浮点数字长为32位,欲表示6104的十进数,在保证最大精度条件下,除阶符、数符各取1位外，阶码和尾数各取几位？按这样分配，该浮点数溢出的条件是什么？,解:因为216=65536,故欲表示6104的十进数需要16位二进制数;而(16)10=(10000)2,故除阶符外,阶码至少取5位,为保证数的最大精度,则阶码取5+1=6位,而尾数取32-6=26位,其中尾符占1位。按照此分配，当阶码大于+31时，浮点数溢出，需中断处理。,例2：什么是机器零？浮点数采用什么机器数形式时，可用全“0”表示机器零？,解：浮点数机器0条件：当一个浮点数的尾数为0时，不论阶码为何值，机器都把该浮点数当机器0处理；当一个浮点数的阶码它所能表示的最小数时，不论尾数阶码为何值，机器都把该浮点数当机器0处理。当浮点数的阶码用移码表示，则最小的阶码（移码）全为0，而浮点数的尾数用补码表示，则当其为全0时即表示尾数的真值为0。综合以上情况，此时机器0可用全0表示。,例3.写出对应0的各种机器数(机器字长8位),小数+0原=0.0000000-0原=1.0000000+0补=0.0000000-0补=0.0000000+0反=0.0000000-0反=1.1111111整数+0原=0,0000000-0原=1,0000000+0补=0,0000000-0补=0,0000000+0反=0,0000000-0反=1,1111111+0移=1,0000000-0移=1,0000000,例4:设机器字长为16位,写出下列各种情况下它能表示的数的范围(十进制数,定点数采用1位符号位),无符号数;原码表示的定点小数;补码表示的定点小数;原码表示的定点整数;补码表示的定点整数;假设浮点数阶码5位(含1位符号位)尾数11位(含1位符号位)分别写出其对应的正数和负数范围;浮点数格式同上,机器数用原码规格化形式,分别写出其对应的正数和负数范围;浮点数格式同上,机器数用补码规格化形式,分别写出其对应的正数和负数范围。,解答:,0655350000H-FFFFH-32767/32768+32767/32768-1+32767/32768-32767+32767FFFFH-7FFFH-32768+327678000H-7FFFH浮点数(负数)-215(1-2-10)-2-152-10浮点数(正数)2-152-10215(1-2-10)正数(原码)2152-1215(1-2-10)1,1111;0.1000000000-0,1111;0.1111111111负数(原码)-215(1-2-10)-2-152-10,1111;1.1111111111-1,1111;1.1000000000规格化正数(补码)2-162-1215(1-2-10)1,0000;0.1000000000-0,1111;0.1111111111规格化负数(补码)-215-2-16(2-1+2-10)0,1111;1.0000000000-1,0000;1,0111111111,举例,最大正数,=215(1210),最小正数,最大负数,最小负数,=21521,=215(1210),=216,=21521,=216,16位浮点数(设m=4，n=10)尾数规格化后的浮点数表示范围,例5.浮点数格式为阶码3位(包含1位符号位)尾数5位(包含1位符号位).阶码和尾数均用补码表示.要求:（1）将3.25,-1.75表示成规格化的浮点数求出该格式浮点数所表示的最大正数、最小正数、最大负数、最小负数。,解:(1)3.25=11.01B=0.1101B22E补=010S补=0.1101规格化为01001101-1.75=-1.11B=-0.1110B21E补=001S补=1.0010规格化为00110010(2)最大正数01101111=20110.1111=111.1=7.5最小正数1000000001=21000.0001=0.0000001=28最大负数10011111=21001.1111=-28最小负数01110000=20111.0000=-8,例6：将下列数由小到大排序16,1010.11B,25.3Q,X1补=10001101,1CH,X2反=01001101,0110.1001BCD,X3原=10101011,-X4补=10111111,-X5=10100101,答案:由小到大排序X3,0110.1001BCD,1010.11B,16,1CH,25.3Q,X4,X2,X5,X1,例7:已知X=23,Y=-106,试用补码完成下列运算:(1)X+Y,X-Y(2)2X补,1/2X补,8X补(3)2Y补,1/2Y补,1/4Y补,解:X=23=10111BY=-106=-1101010BX补=00010111Y补=10010110-Y补=01101010X+Y补=X补+Y补=00010111+10010110=10101101,X+Y原=11010011X+Y=-(1010011B)=-83X-Y补=X补+-Y补=00010111+01101010=10000001,溢出,即X-Y溢出,(2)X补=000101112X补=001011104X补=010111008X补=10111000移位后符号位由0变1,溢出(3)Y补=100101102Y补=00101100移位后符号位由1变0,溢出1/2Y补=110010111/4Y补=11100101,例8:某计算机中浮点数的阶码、尾数均用补码表示。已知X=1010B，Y=111B。试求X+Y和X-Y的值。,例9：利用SN74181，SN74182组成下列ALU：（1）16位行波进位ALU（2）16位并行ALU（3）64位并行ALU,例10：已知有16位字长ALU，能实现补码加、减运算和多种逻辑运算；1616阵列补码乘法器（MUL），其乘积为双备字长；1616阵列补码除法器（DIV），商为16位。其它所需要的器件可自行选择。请设计一个16位字长的定点补码四则运算，它既能实现补码四则运算，又能完成多种逻辑运算，通用寄存器组包含4个16位寄存器。,第七章,12题:P336页(1)一地址指令格式:,OPMA,OP：操作码字段，97中操作需要设置7位。M：寻址方式特征字段，6种寻址方式需设置3位。A：形式地址字段。由于指令字长16位，所以A字段长度为16-7-3=6位,（2）因为A字段6位，26=64，所以，直接寻址最大范围为64个字。（3）因为存储字长16位，所以一次间址的寻址范围为216；若多次间址，需用最高位来区别是否继续见解寻址，故寻址范围为216。,（4）立即数的范围是-32+32（有符号数），或063（无符号数）。（5）相对寻址位移量-32+32（6）立即寻址时间最短；间接寻址时间最长；变址寻址的指令便于用户编制处理数组问题的程序；相对寻址有利于程序浮动。（7）若指令格式改为双字指令（第1字：OP7位，M3位，A16位；第2字：A216位。）故指令的地址字段共16+6=22位，22220=4M即，采用双字指令可以使指令的直接寻址扩大为4M。（8）为了使一条转移指令能转移到主存的任一位置（4M16），可采用如下办法：上格式双字指令；配备22位的基址寄存器或22位的变址寄存器；还可仿照8086，通过16位基址寄存器左移6位再加上A地址形成22位地址。,15题（P336页）,解：（1）根据题意，设计指令格式如下：,OP：操作码字段。需设置64种操作，因为26=64，所以可设置6位。I：直接间接寻址方式位，设置1位。R：通用寄存器编码；因为有32个32位寄存器，25=32，所以R设置5位。A：内存形式地址编码。因为32-6-1-5=20，所以此字段设置为20位。则直接寻址内存最大存储空间为220=1M,（2）要采用通用寄存器作为基址寄存器，进行内存寻址，则需增加5位基址寄存器编码B，则形式地址A位数=32-6-5-1-5=15位，由于此时内存地址=基址寄存器（32位）+形式地址（15位）=32位地址，所以可寻址内存232。,16题：P336页,解：（1）因为内存直接寻址空间128字，27=128，所以2地址A1和A2各需设置7位，则OP位=16-7-7=2位，满足设置3条指令要求。指令格式：OP（2）A1（7）A2（7）OP编码00、01、10（2）变址寄存器16个，24=16，R编码需4位；又因为变址位移量-64+63，所以形式地址A需设置7位，故OP编码剩余16-4-7=5位，6条指令操作码可设置为11000、11001、11010、11011、11100、11101，剩余的11110、11111可作为扩展指令用。,（3）两寄存器Ri和Rj可选择16个寄存器，24=16，所以Ri和Rj各设置4位，则OP位数=16-4-4=8位，OP编码1111000011110111（4）直接寻址A需7位，故OP有16-7=9位，12条指令操作码编码111110000111111011（5）零地址指令OP共16位，OP编码范围11111110000000001111111000011111,17题（P337页）,解：（1）根据题意，操作数地址6位，故2地址指令需占26=12位，则操作码位数=16-12=4位，可设置24=16条指令。因为操作码长度固定，为4位，故总共可以设置16条指令，根据题意0地址指令M条，1地址指令N条，则剩下全部设置为二地址指令，最多16-M-N条。（2）若操作码位数可变，4位操作码共16种编码，去掉其中一种编码（如1111）用于1地址指令扩展，最多2地址指令可有16-1=15种编码。,第8章CPU结构和功能,例1：设CPU内有下列部件：PC、IR、SP、AC、MAR、MDR和CU，要求：写出完成间接寻址的取数指令LDAX(内存内容AC)的数据流;画出中断周期的信息流,并简要说明。,12题：计算机中断系统需设置什么硬件？各有何作用？,中断请求触发器：记录中断源中断情况中断屏蔽触发器：控制中断响应排队器：中断判优向量地址形成部件：产生中断源的向量地址中断允许触发器：为,CPU允许响应中断.中断标志触发器：标志系统进入中断周期.堆栈：保护中断现场.中断查询信号电路：在每条指令执行周期结束时刻,该电路向各中断源发查询信号.,11题：设计中断系统需考虑哪些问题？,中断源如何向CPU提出请求?多中断源同时提出中断请求时,CPU如何确定响应的先后顺序?CPU在什么时候(时间、条件）响应中断？如何保护现场？如何找到中断服务程序入口地址？如何恢复现场？出现中断嵌套如何处理？,14题：什么是中断隐指令？有什么功能？,中断隐指令是指令系统中没有的指令。它由CPU在中断响应周期自动完成。功能：保护中断断点硬件关中断向量地址送PC,思考问题：CPU响应中断的条件？什么时候响应中断？,条件：中断允许触发器为1；中断源提出中断请求，未被屏蔽，并排上队。中断响应时刻：CPU在每条指令执行周期结束时刻向所有中断源发中断查询信号，此时条件满足，就可响应中断。,20题（P367页）答案,21题(P367页)答案,第九章,1.设CPU内有下列部件:PC、。（）写出取指周期的全部操作；（）写出加法指令，取数指令，存数指令在执行阶段所需的全部微操作；（）当上述指令为间接寻址时，写出运行这些指令所需的全部微操作；（）写出无条件转移指令和结果为零则转移指令在执行阶段所需的全部微操作。,解答：,（）取指周期的全部微操作：（）（）（）,（）写出如下指令采用直接寻址时执行阶段所需全部微操作,指令d(）（）指令d(）（）,指令d(）（）（）（）,（）写出如下指令采用间接寻址时所需全部微操作,间址周期所需微操作d(）（）执行周期所需微操作（）,指令,间址周期所需微操作d(）（）执行周期所需微操作（）,指令,指令,间址周期所需微操作d(）（）执行周期所需微操作（）（）（）,（）写出如下两条指令在执行阶段所需全部微操作,无条件转移指令Ad(IR)PC结果为零则转移指令ZAd(IR)PC说明：为标记触发器，结果为时,P387页作业3,3.什么是指令周期、机器周期和时钟周期？三者有何关系？解：指令周期是CPU取出并执行一条指令所需的全部时间，即完成一条指令的时间。机器周期是所有指令执行过程中的一个基准时间，通常以存取周期作为机器周期。时钟周期是机器主频的倒数，也可称为节拍，它是控制计算机操作的最小单位时间。三者关系：一个指令周期包含若干个机器周期，一个机器周期又包含若干个时钟周期，每个指令周期内的机器周期数可以不等，每个机器周期内的时钟周期数也可以不等。,教材P290页6题,解：主频8MHz，时钟周期=1/8=0.125s机器周期=20.125s=0.25s指令周期=2.50.25s=0.625s(1).平均指令执行速度=1/0.625=1.6MIPS(2)机器周期=40.125s=0.5s指令周期=50.5s=2.5s平均指令执行速度=1/2.5=0.4MIPS结论:机器的速度并不完全取决于主频.,教材P290页8题,解(1)该机速度=1/(0.635%+0.850%+105%+1.410%)=1/1.25=0.8MIPS(2)芯片主频=6MHz，该机速度=（0.8MIPS6MHz)/4MHz=1.2MIPS,作业：教材页作业,解答：因为主频为z，故时钟周期0.125s(1)因为平均指令执行速度为0.8MIPS,故平均指令周期0.1.25s(2)每个指令周期含1.250.5=2.5个机器周期(3)若改用时钟周期为0.4s的CPU芯片,则主频=1/0.4=2.5z平均指令执行速度=(0.8MIPS2.5z)/8z=0.25MIPS(4)若要得到每秒40万次的指令执行速度,即0.4MIPS,则CPU芯片主频=(8z2.5z)/0.8MIPS=4MHz,第十章,题：解答：因为控存容量为51248位，故微指令字长为48位，已知微程序可在整个控存空间实现转移，故512个存储字寻址时需要9位下地址（29=512）；因为题意知道4个控制转移的条件采用直接控制，所以转移条件可设立4位，这样，操作控制位可设立48-4-9=35位，最多可以设立35个控制信号（直接控制）。,第十章,P411页,4题解:做题时首先明确带返转指令执行过程:计算机首先执行主程序,当执行到M单元指令时,要转去执行子程序,子程序执行结束要返回到M+1单元，继续执行主程序。由于子程序中JMP指令是间址寻址，要转到K单元，所以K单元必须存入地址M+1，真正子程序从K+1开始执行。取指阶段T0PCMAR,1RT1M(MAR)MDR,(PC)+1PCT2MDRIR,OP(IR)ID,执行阶段：,T0Ad（IR）MAR,1WT1PCMDRT2MDRM（MAR），Ad（IR）+1PC问题：如果采用微程序控制，需增加哪些微操作命令？需增加给出下条微指令地址的命令。Ad（CMDR）CMAROP（IR）微地址形成部件CMAR,举例：,某微程序控制器中，采用水平型直接控制（编码）方式微指令格式，后继微指令地址由微指令的下地址字段给出。已知机器共有22个微命令、5个互斥的可判定的外部条件，控制存储器的容量为12832位。（1）设计微指令格式