计算机组成原理基础-孙德文课后习题解答

计算机组成基础习题详解(初稿)孙德文上海交通大学软件学院2009.3第1章 计算机系统概论1.1 数字计算机和模拟计算机的区别？解：电子数字计算机的特点是数据由离散量来表示，是对离散变量进行处理和运算的解算装置。 电子模拟计算机的特点是数据由连续量来表示，是对连续变量进行运算的解算装置。在电子模拟计算机中，变量为连续变化的直流电压、电流或电荷。1.2 说明冯诺依曼计算机的设计思想？写出冯诺依曼计算机的主要组成部分？解：冯诺依曼计算机的设计思想是：提出了“存储程序”的概念，程序设计者按计算要求编制好程序，将程序和运行程序中所用的数据以二进制代码的形式存入计算机的存储器中，由计算机自动执行程序。使电子计算机有了通用性，只要能写出正确的指令，计算机执行时就无须人工干预。冯诺依曼计算机的主要组成部分是：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。其中运算器和控制器合称“中央处理机”（或称为CPU，Central Processing Unit），CPU与存储器(内存储器)合称为“主机”,而输入设备和输出设备合称为“外部设备”。1.3 描述计算机的发展过程及应用范围？解：电子数字计算机从1946年第一台ENIAC机至今可分为4代： 第一代 电子管计算机；第二代晶体管计算机第三代集成电路计算机第四代大规模和超大规模集成电路计算机应用范围1.4 计算机软件的组成？并举例说明。解：计算机的主要应用领域包括：数值计算、数据处理、计算机控制、计算机辅助设计计算机辅助制造和人工智能等。1.5 说明计算机系统的层次结构及各层次结构的特点？解：计算机系统的层次结构共分8级，从L0L7，其中：L0为硬联逻辑，实现微指令的控制时序，是计算机系统硬件的内核；L1为微程序控制，根据机器指令配备一套微指令，给出微操作控制信号；L2为机器语言级计算机，该级的机器语言就是该计算机的指令系统； L3为操作系统，为用户提供一个操作环境；L4为汇编语言级计算机，该级的机器语言是汇编语言，由相应级的计算机进行解释、执行；L5为高级语言类计算机，该级的机器语言是各种高级语言，该级计算机基本上脱离了物理计算机，供程序员使用；L6 为应用语言计算机，该级的机器语言是面向非计算机专业人员直接使用的应用语言；L7为应用系统分析和设计，是系统总体分析级，用以建立数学模型和算法，确定系统配置。第2章 运算基础-数值的机器级表示2.1 写出下列十进制数的8位二进制补码表示 (1) 54 (2) 37 (3) 111 (4) 253 (5) 0.1 (6) 0.63 (7) 0.34 (8) 0.21解: (1) +54 = B (32+16+6)(2) +37 = B (32+5)(3) +111 = B (64+32+15)(4) +253 =0 B (2552) 超过8位补码范围(5) +0.1 = 0. (0.1 = 12.8/128 = 13/128 )(6) +0.63 = 0.B (0.63=80.6/128=81 /128)(7) +0.34 = 0. (0.34 = 43.52/128 =44/ 128)(8) +0.21 = 0. (0.21 = 26.88 / 128= 27 /128)2.2 转换下列二进制数为十进制数 (1) (2) (3) 0. (4) 0. (5) . (6) 解:(1) = 189 (255642)(2) = 137 (128+9)(3) 0. = 95 / 128 =0. ( (12732)/ 128 )(4) 0. = 13 / 64 = 0. (5) . = 153 +51/64 = 153. ( 153 = 128+16+9 , 51/64 = (6312)/64 )(6) = 455 (455 = 51132168)2.3 写出下列带符号数的原码、反码、补码和移码表示(用8位二进制代码表示) (1) +112 (2) 0.625 (3) 124 (4) 0.375 (5) +197 (6)+0.8125 (7) 6 (8) 03125 (9) 127 (10) 1解:(1) +112 = 12715 +112 原 = B +112 反 = B +112 补 = B +112 移 = B(2) 0.625 = 0.B 0.625 原 = 0.625 反= 0.625 补 =0.B 小数无移码(3) 124 =(1273) =B124 原 = B124 反 = B124 补 = B124 移 = B(4) 0.375 =48/128 =0.B0.375 原=1.B0.375 反=1.B0.375 补=1.B小数无移码(5) +197超过8位范围。无法表示。(6) +0.8125 =104/128 =0.B+0.8125原=+0.8125反=+0.8125补= 0.B小数无移码(7) 6 6 原 = B6 反 = B6 补 = B6 移 = B (8) 03125 = 40/128 =0.03125 原=1. B03125 反=1.B03125 补=1.B小数无移码(9) 127 = 127原 = B127 反 = B127 补 = B127 移 = B (10) 1 1原 = B1反 = B1 补 = B1 移 = B2.4 给出以下机器数，求其真值(用二进制和十进制数表示） (1) x原= (2) x补=. (3) x补= (4) x原= (5) x移= (6) x移= 解:(1) X =+B=+(32+7) =+39(2) x补=B x原=BX=B =( 64+16+3)=83(3) X = +B=64+6 =+70(4) X原=BX= B =(32+13) =45 (5) x移= x补= X=58(6) x移=x补= X=832.5 已知生成多项式为x4+x+1 ,有效信息为，求CRC校验码。解:信息数据字块M = （共8位） 除数代码为G = 10011 即生成多项式G(X)= x4+x+1 求循环冗余校验码二进制除法过程如下： 10011 0 10011 11001 10011 10101 10011 11000 10011 10110 10011 1010 此余数即所求之循环冗余码。R = 1010得循环冗余校验码CRC为02.6 已知生成多项式为x4+x+1 ,有效信息为，求CRC校验码。解:信息数据字块M = （共9位） 除数代码为G = 10011 即生成多项式G(X)= x4+x+1 求循环冗余校验码二进制除法过程如下： 10011 00 10011 11011 10011 10000 10011 11000 10011 1011 此余数即所求之循环冗余码。R = 1011得循环冗余校验码CRC为112.7 已知生成多项式为x4+x+1，接收到的CRC校验码为01，请检查有无出错解:循环冗余校验码CRC为01 除数为10011 进行CRC检查 10011 01 10011 11011 10011 10001 10011 10101 10011 110 R=110 有错 2.8 已知生成多项式为x4+x+1，接收到的CRC校验码为10，请检查有无出错解:循环冗余校验码CRC为10 除数为10011 进行CRC检查 10011 10 10011 11011 10011 10001 10011 10010 10011 1 R=1 有错 第3章 数值的机器运算3.1 已知x补和y 补的值，用补.码加减法计算x+y和x-y（写出结果的二进制表示和十进制表示），并指出结果是否溢出以及溢出的类型(建议采用变形补码什算)。 (1) x 补=0.11011 , y补=0.00011 (2) x 补=0.10111 y补=1.00101 (3) x 补=1.01010 y补=1.10001 (4) x 补=1.10011 y补=0.11001解: y补=0.00011 (1) x补=0.11011 , y补=1.11101X+Y补=x补+y补= 00.11011+ 00.00011_ 00.11110X+Y= +15/16 =+0.1111B XY补=x补+y补=00.11011+11.11101_ 00.11000XY= +12/16 =3/4=+0.11B检验【 X= + 27/ 32Y= +3/32X+Y = +(27+3)/32 =+30/32=0.11110BXY = (273)/32=+24/32=+3/4=0.11B 】(2) x补=0.10111 , y补=1.00101 Y原=1.11011y补=0.11011X+Y补=x补+y补= 00.10111+ 11.00101_ 11.11100X+Y= 0.001B=1/8 XY补=x补+y补= 00.10111+00.11011_ 01.10010 (上溢)XY补=1.10010 (上溢)【 修正：XY=0.01110 = 7 / 16+2 = 25 / 16 】检验【 X= +23/ 32Y= 27/32X+Y = (2327)/32 =-4/32=1/8XY = (23+27)/32=+50/32 =25/16 (上溢) 】(3) x补=1.01010 , y补=1.10001 y补=0.01111X+Y补=x补+y补= 11.01010+ 11.10001_ 10.11011X+Y=0.11011B=+27/32 修正 27/322=2764=37/32 XY补=x补+y补= 11.01010+ 00.01111_ 11.11001 XY=0.00111B=7/32检验【X= 22/ 32=11/16Y=15/32X+Y = (1522) /32 =37/32 (下溢)XY = (22(15) / 32 = 7/32 】 (4) x补=1.10011 , y补=0.11001 X= 0.01101=13/ 32Y= +0.11001=25/32X+Y = (13+25)/32 =12/32=3/8XY = (1325)/32=38/32 = -19 / 16 (下溢) y补=1.00111X+Y补=x补+y补= 11.10011+ 00.11001_ 00.01100X+Y=0.01100B=3/8 XY补=x补+y补= 11.10011+ 11.00111_ 10.11010 (下溢)XY补=0.11010 (下溢)【 修正： XY = 13 / 16 2 = 19 / 16 】检验【 X= 0.01101=13/ 32Y= +0.11001=25/32X+Y = (13+25)/32 =12/32=3/8XY = (1325)/32=38/32 = -19 / 16 (下溢) 】3.2 给出x和y的二进制值，用补码加减法计算x+y和x-y（写出结果的二进制表示和十进制表示），并指出结果是否溢出以及溢出的类型(建议采用变形补码什算)、 (1) x=0.10111 y=0.11011 (2) x=0.11101 y=0.10011 (3) x=0.11011 y=-0.1010 (4) x=-0.11111 y=0.11011 (5) x=-0.11011 y=0.1010 (6) x=-0.11010 y=-0.11001 (7) x=- y=+ (8) x=+ y=- (9) x=+ y=+ (10) x=- y=-解：(1) X=0.10111 Y=0.11011 X补=0.10111 Y补=0.11011 Y补=1.00101 X+Y补=X补+Y补= 00.10111+ 00.11011 _01.10010 (上溢) X+Y 上溢 XY补=X补Y补= 00.10111+ 11.00101_ 11.11100X-Y=0.00100 =1/8检验【X=23/32 Y=27/32X+Y=50/32 修正：X+Y=-0.0111 = 7 / 16 +2 =25 / 16 XY=1/8】(2) X=0.11101 Y=0.10011 X补=0.11101 Y补=0.10011 Y补=1.01101 X+Y补=X补+Y补= 00.11101+ 00.10011 _01.10000 (上溢) X+Y 上溢 XY补=X补Y补= 00.11101+ 11.01101_ 00.01010X-Y=0.01010 =5/16检验【X=29/32 Y=19/32X+Y=48/32 =3 / 2 修正：X+Y = 0.1 = 1 / 2+2 =1.5 XY=10/32=5 / 16】(3) X=0.11011 Y=0.1010 X补=0.11011 Y补=1.01100 Y补=0.10100 X+Y补=X补+Y= 00.11011+ 11.01100 _00.00111 X+Y =7/32 XY补=X补Y补= 00.11011+ 00.10100_ 01.01111XY=0.10001=17/32 (上溢) 修正 17/32+2=47/32 检验【X=27/32 Y=20/32X+Y=7/32 XY=47/32】(4) X=0.11111 Y=0.11011 X补=1.00001 Y补=0.11011 Y补=1.00101 X+Y补=X补+Y补= 11.00001+ 00.11011 _11.11100 X+Y =0.00100=1/8 XY补=X补Y补= 11.00001+ 11.00101_ 10.00110 (下溢)XY=0.00110=3/16 (下溢) 修正 6/322=58/32 =29/16 检验【X=31/32 Y=27/32X+Y=4/32 =1/8 XY=58/32=29/16】(5) X=0.11011 Y=0.10100 X补=1.00101 Y补=0.10100 Y补=1.01100 X+Y补=X补+Y补= 11.00101+ 00.10100 _11.11011 X+Y =0.00111=7/32 XY补=X补Y补= 11.00101+ 11.01100_ 10.10001 (下溢)XY=17/32 (下溢) 修正 17/322=47/32 检验【X=27/32 Y=20/32X+Y=7/32 XY=47/32】(6) X=0.11010 Y=0.11001 X补=1.00110 Y补=1.00111 Y补=0.11001 X+Y补=X补+Y补= 11.00110+ 11.00111 _10.01101 X+Y =13/32 (下溢) 修正 13/322=51/32 XY补=X补Y补= 11.00110+ 00.11001_ 11.11111 XY=0.00001= 1/32检验【X=26/32 Y=25/32X+Y=51/32 XY=1/32】 (7) X= Y=+ X补= Y补= Y补=1.01100 X+Y补=X补+Y补= + _ X+Y =16 XY补=X补Y补= + _ (下溢)XY=54 (下溢) 修正 54256=202 检验【X=93 Y=109X+Y=16 XY=202】 (8) X=+ Y= X补= Y补= Y补= X+Y补=X补+Y补= + _ X+Y =41 XY补=X补Y补= + _ (上溢)XY=61 (上溢) 修正 61+256=195 检验【X=118 Y=77X+Y=41XY=195】 (9) X=+ Y=+ X补= Y补= Y补= X+Y补=X补+Y补= + _ (上溢) X+Y =61 修正 61+256=195 XY补=X补Y补= + _ XY=25检验【X=110 Y=85X+Y=195XY=25】 (10) X= Y= X补= Y补= Y补= X+Y补=X补+Y补= + _ (下溢) X+Y =20 修正 20256=236 XY补=X补Y补= + _ 检验【XY=18X=127 Y=109X+Y=236XY=18】3.3 给出x和y的二进制值，试用原码一位乘法求XY，（写出结果的二进制表示和十进制表示，要求写出运算过程）， （1）X=0100，Y=0011 （2）X=0.0101，Y=0. 1010， （3）X = +1001，Y =1101 (4）X=0.1011，Y=0.1101 （5）X=1010，Y=+1011 （6） X=0.1001，Y=0.0101（7）X=1010，Y=+1101 （8） X=0.0110，Y=0.0101（9）X10101，Y10011 （10）X0.10111，Y0.10101解：（1）X=0100，Y=0011按乘法规则，符号位Zs = Xs Ys = 0 1 = 1；绝对值相乘如下 0 0 0 0 0 0 1 1 部分积初值 0 1 0 0 Y4=1，加上被乘数X 0 1 0 0 0 0 1 1 第一次部分积 0 0 1 0 0 0 0 1 右移一位 0 1 0 0 Y3=1，加加上被乘数X 0 1 1 0 0 0 0 1 第二次部分积 0 0 1 1 0 0 0 0 右移一位 0 0 0 0 Y2=0，加0 0 0 1 1 0 0 0 0 第三次部分积 0 0 0 1 1 0 0 0 右移一位 0 0 0 0 Y1=0， 加0 0 0 0 1 1 0 0 0 第四次部分积 0 0 0 0 1 1 0 0 右移一位得乘积得：Z原 = 1 0 0 0 0 1 1 0 0 Z = - 0 0 0 0 1 1 0 0 B = - 12（2）X=0.0101，Y=0. 1010按乘法规则，符号位Zs = Xs Ys = 0 1 = 1；绝对值相乘如下 0 0 0 0 1 0 1 0 部分积初值 0 0 0 0 Y3=0，加0 0 0 0 0 1 0 1 0 第一次部分积 0 0 0 0 0 1 0 1 右移一位 0 1 0 1 Y2=1，加上被乘数X 0 1 0 1 0 1 0 1 第二次部分积 0 0 1 0 1 0 1 0 右移一位 0 0 0 0 Y3=0，加0 0 0 1 0 1 0 1 0 第三次部分积 0 0 0 1 0 1 0 1 右移一位 0 1 0 1 Y1=1，加上被乘数X 0 1 1 0 0 1 0 1 第四次部分积 0 0 1 1 0 0 1 0 右移一位得乘积得：Z原 = 1. 0 0 1 1 0 0 1 0Z = - 0. 0 0 1 1 0 0 1 0 B = - 50 / 256（3）X = +1001，Y =1101 按乘法规则，符号位Zs = Xs Ys = 0 1 = 1；绝对值相乘如下 0 0 0 0 1 1 0 1 部分积初值 1 0 0 1 Y4=1，加上被乘数X 1 0 0 1 1 1 0 1 第一次部分积 0 1 0 0 1 1 1 0 右移一位 0 0 0 0 Y3=0，加0 0 1 0 0 1 1 1 0 第二次部分积 0 0 1 0 0 1 1 1 右移一位 1 0 0 1 Y4=1，加上被乘数X 1 0 1 1 0 1 1 1 第三次部分积 0 1 0 1 1 0 1 1 右移一位 1 0 0 1 Y4=1，加上被乘数X 1 1 1 0 1 0 1 1 第四次部分积 0 1 1 1 0 1 0 1 右移一位得乘积得：Z原 = 1 0 1 1 1 0 1 0 1 Z = - 0 1 1 1 0 1 0 1 B = - 117（4）X=0.1011，Y=0.1101按乘法规则，符号位Zs = Xs Ys = 0 1 = 1；绝对值相乘如下 0 0 0 0 1 1 0 1 部分积初值 1 0 1 1 Y4=1，加上被乘数X 1 0 1 1 1 1 0 1 第一次部分积 0 1 0 1 1 1 1 0 右移一位 0 0 0 0 Y3=0，加0 0 1 0 1 1 1 1 0 第二次部分积 0 0 1 0 1 1 1 1 右移一位 1 0 1 1 Y2=1，加上被乘数X 1 1 0 1 1 1 1 1 第三次部分积 0 1 1 0 1 1 1 1 右移一位 1 0 1 1 Y1=1，加上被乘数X 1 0 0 0 1 1 1 1 1 第四次部分积 1 0 0 0 1 1 1 1 右移一位得乘积得：Z原 = 1.Z = - 0. B = - 143（5）X=1010，Y=+1011 按乘法规则，符号位Zs = Xs Ys = 1 0 = 1；绝对值相乘如下 0 0 0 0 1 0 1 1 部分积初值 1 0 1 0 Y4=1，加上被乘数X 1 0 1 0 1 0 1 1 第一次部分积 0 1 0 1 0 1 0 1 右移一位 1 0 1 0 Y4=1，加上被乘数X 1 1 1 1 0 1 0 1 第二次部分积 0 1 1 1 1 0 1 0 右移一位 0 0 0 0 Y4=0，加0 0 1 1 1 1 0 1 0 第三次部分积 0 0 1 1 1 1 0 1 右移一位 1 0 1 0 Y4=1，加上被乘数X 1 1 0 1 1 1 0 1 第四次部分积 0 1 1 0 1 1 1 0 右移一位得乘积得：Z原 = 1 0 1 1 0 1 1 1 0 Z = - 0 1 1 0 1 1 1 0 B = - 110（6） X=0.1001，Y=0.0101按乘法规则，符号位Zs = Xs Ys = 0 1 = 1；绝对值相乘如下 0 0 0 0 0 1 0 1 部分积初值 1 0 0 1 Y4=1，加上被乘数X 1 0 0 1 0 1 0 1 第一次部分积 0 1 0 0 1 0 1 0 右移一位 0 0 0 0 Y3=0，加0 0 1 0 0 1 0 1 0 第二次部分积 0 0 1 0 0 1 0 1 右移一位 1 0 0 1 Y2=1，加上被乘数X 1 0 1 1 0 1 0 1 第三次部分积 0 1 0 1 1 0 1 0 右移一位 0 0 0 0 Y3=0，加0 0 1 0 1 1 0 1 0 第四次部分积 0 0 1 0 1 1 0 1 右移一位得乘积得：Z原 = 1. 0 0 1 0 1 1 0 1Z = -0 . 0 0 1 0 1 1 0 1 B = - 45 /256（7）X=1010，Y=+1101 按乘法规则，符号位Zs = Xs Ys = 1 0 = 1；绝对值相乘如下 0 0 0 0 1 1 0 1 部分积初值 1 0 1 0 Y4=1，加上被乘数X 1 0 1 0 1 1 0 1 第一次部分积 0 1 0 1 0 1 1 0 右移一位 0 0 0 0 Y3=0，加0 0 1 0 1 0 1 1 0 第二次部分积 0 0 1 0 1 0 1 1 右移一位 1 0 1 0 Y4=1，加上被乘数X 1 1 0 0 1 0 1 1 第三次部分积 0 1 1 0 0 1 0 1 右移一位 1 0 1 0 Y4=1，加上被乘数X 1 0 0 0 0 0 1 0 1 第四次部分积 1 0 0 0 0 0 1 0 右移一位得乘积得：Z原 = 1 1 0 0 0 0 0 1 0Z = - 1 0 0 0 0 0 1 0 B = - 130（8） X=0.0110，Y=0.0101按乘法规则，符号位Zs = Xs Ys = 1 0 = 1；绝对值相乘如下 0 0 0 0 0 1 0 1 部分积初值 0 1 1 0 Y4=1，加上被乘数X 0 1 1 0 0 1 0 1 第一次部分积 0 0 1 1 0 0 1 0 右移一位 0 0 0 0 Y3=0，加0 0 0 1 1 0 0 1 0 第二次部分积 0 0 0 1 1 0 0 1 右移一位 0 1 1 0 Y2=1，加上被乘数X 0 1 1 1 1 0 0 1 第三次部分积 0 0 1 1 1 1 0 0 右移一位 0 0 0 0 Y3=0，加0 0 0 1 1 1 1 0 0 第四次部分积 0 0 0 1 1 1 1 0 右移一位得乘积得：Z原 = 1. 0 0 0 1 1 1 1 0Z = -0. 0 0 0 1 1 1 1 0 B = - 30 / 256（9）X10101，Y10011 按乘法规则，符号位Zs = Xs Ys = 0 1 = 1；绝对值相乘如下 0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 部分积初值 1 0 1 0 1 Y4=1，加上被乘数X 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 右移一位 1 0 1 0 1 Y4=1，加上被乘数X 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 第二次部分积 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 右移一位 0 0 0 0 0 Y4=0，加0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 第三次部分积 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 右移一位 0 0 0 0 0 Y4=0，加0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 第四次部分积 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 右移一位 1 0 1 0 1 Y4=1，加上被乘数X 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 右移一位得乘积得：Z原 = 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1Z = - 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 = - 399（10）X0.10111，Y0.10101 1 0 1 1 1按乘法规则，符号位Zs = Xs Ys = 1 0 = 1；绝对值相乘如下 0