同济大学计算机组成原理复习综合题

1、综合题1、某计算机的CPU主频为500MHz, CPI为5 （即执行每条指令平均需5个时钟周期）。假定某外设的数 据传输率为0.5MB/S，采用中断方式与主机进行数据传送，以32位为传输单位，对应的中断服务程序包 含18条指令，中断服务的其他开销相当于2条指令的执行时间。请回答下列问题，要求给出计算过程。（1）在中断方式下，CPU用于该外设I/O的时间占整个CPU时间的百分比是多少？（2）当该外设的数据传输率达到5MB/S时，改用DMA方式传送数据。假设每次DMA传送大小为5000B， 且DMA预处理和后处理的总开销为500个时钟周期，则CPU用于该外设I/O的时间占整个CPU时间的 百分比是

2、多少？（假设DMA与CPU之间没有访存冲突）（1）在中断方式下，每32位（4B）被中断一次，故每秒中断0.5MB/4B=0.5X 106/4=12.5 X104 次因为中断服务程序包含18条指令，中断服务的其他开销相当于2条指令的执行时间，且执行每条指令平均需5个时钟周期，所以，1秒内用于中断的时钟周期数为（18+2） X5X 12.5X 104=12.5X106CPU用于外设I/O的时间占整个CPU时间的百分比：12.5/500=2.5%（2）在DMA方式下，每秒进行DMA操作5MB/5000B=5X 106/5000=1X103次因为DMA预处理和后处理的总开销为500个时钟周期，所以1秒

3、钟之内用于DMA操作的时钟周期数为500X1X103=5X105故在DMA方式下，占整个CPU时间的百分比是（5X105） / （500X106）X100%=0.1%2、某计算机字长16位，采用16位定长指令字结构，部分数据通路结构如图所示。图中所有控制信号为 1时表示有效、为0时表示无效。例如控制信号MDRinE为1表示允许数据从DB打入MDR，MDRin为 1表示允许数据从内总线打入MDR。假设MAR的输出一直处于使能状态。加法指令“ADD(R1)，R0” 的功能为(R0) + (R1)f(R1),即将R0中的数据与R1的内容所指主存单元的数据相加，并将结果 送入R1的内容所指主存单元中保

4、存。数据通路结构下表给出了上述指令取值和译码阶段每个节拍(时钟周期)的功能和有效控制信号，请按表中描述方式用表格列出指令执行阶段每个节拍的功能和有效控制信号。 功能和控制信号时钟功能有效控制信号C1MAR-(PC)PCout,MARinC2MDR-M(MAR)PC(PC)+1MemR,MDRinE PC+1C3IRj(MDR)MDRout,IRinC4指令译码无指令执行阶段每个节拍的功能和有效控制信号如下:1、C5MARTR1)R1out,MARinC6MDR-M(MAR)MemR, ,MDRinEC7A(R0)R0out,AinC8AC(MDR)+(A)MDRout, Add , ACinC

5、9MDR-(AC)ACout, MDRinC10M(MAR) MDRMDRoutE, MemW2、C5MARTR1)R1out,MARinC6MDR-M(MAR)MemR, ,MDRinEC7ATMDR)MDRout,AinC8AC(R0)+(A)Rout, Add , ACinC9MDR-(AC)ACout, MDRinC10M(MAR) MDRMDRoutE, MemW3、请求分页管理系统中，假设某进程的页表内容如下表所示。页号页框号有效位 （存在位）0101H1102254H1页面大小为4KB, 次内存的访问时间是100ns， 次快表（TLB）的访问时间是10ns，处理一次缺页的平均 时

6、间为108ns （已含更新TLB和页表的时间），进程的驻 留集大小固定为2,采用最近最少使用置换算法（LRU） 和局部淘汰策略。假设TLB初始为空；地址转换时先访问TLB，若TLB未命中，再访问页表 （忽略访问页表之后的TLB更新时间）；有效位为0表示页面不在内存，产生缺页中断，缺页中断处理后，返回到产生缺页中断的 指令处重新执行。设有虚地址访问序列2362H、1565H、25A5H，请问：（1）依次访问上述三个虚地址，各需多少时间？给出计算过程。（2）基于上述访问序列，虚地址1565H的 物理地址是多少？请说明理由。（1）根据页式管理的工作原理，应先考虑页面大小，以便将页号和页内位移分解出来

7、。页面大小为 4KB，即212,则得到页内位移占虚地址的低12位，页号占剩余高位。可得三个虚地址的页号P如下（十六进制的一位数字转换成4位二进制，因此，十六进制的低三位正好为页内位移，最高位为页 号）：2362H： P=2，访问快表10ns，因初始为空，访问页表100ns得到页框号，合成物理地址后访问主存 100ns，共计 10ns+100ns+100ns=210ns。1565H： P=1，访问快表10ns，落空，访问页表100ns落空，进行缺页中断处理108ns，访问快表10ns, 合成物理地址后访问主存 100ns，共计 10ns+100ns+108ns+10ns+100ns 108ns

8、o25A5H： P=2，访问快表，因第一次访问已将该页号放入快表，因此花费10ns便可合成物理地址， 访问主存 100ns，共计 10ns+100ns=110ns。（2）当访问虚地址1565H时，产生缺页中断，合法驻留集为2,必须从页表中淘汰一个页面，根据 题目的置换算法，应淘汰0号页面，因此1565H的对应页框号为101Ho由此可得1565H的物理地址 为 101565H。4、某计算机字长为16位，主存地址空间大小为128KB，按字编址，采用字长指令格式，指令名字段定义如 下：1512116 5OpMsRd源操作数目的操作数转移指令采用相对寻址方式，相对偏移是用补码表示，寻址方式定义如下：M

9、s/Md寻址方式助记符含义000B寄存器直接Rn操作数=(Rn)001B寄存器间接(Rn)操作数=(Rn)010B寄存器间接、自增(Rn) +操作数=(Rn) )，(Rn) +Rn011B相对D (Rn)转移目标地垢(PC) + (Rn)注：(X)表示有储蓄地址X或寄存器X的内容，请回答下列问题：该指令系统最多可有多少条指令？该计算机最多有多少个通用寄存器？存储器地址寄存器MDR)和存储器数据寄存器(MDR)至少各需多少位？转移指令的目标地址范围是多少？若操作码0010B表示加法操作(助记符为a d d)，寄存器R4和R5的编号分别为100B和101B，R4的 内容为1 2 3 4 H，R5的

10、内容为5 6 7 8瓦地址1 2 3 4 H中的内容为5 6 7 8 H，地址5678H中的内容 为1 2 3 4 H则汇编语言为a d d (R4)，(R5)+ (逗号前原操作数，逗号后为目的操作数)对应的机器码 是什么(用十六进制表示)？该指令执行后，哪些寄存器和存储单元的内容会改变？改变后的内容是什么？操作码占4位，则该指令系统最多可有24=16条指令；操作数占6位，寻址方式占3位，于是寄存 器编号占3位，则该机最多有23=8个通用寄存器；主存容量128KB，按字编址，计算机字长为16位， 划分为128KB/2B=216个存储单元，故MDR和MAR至少各需16位。PC和Rn可表示的地址范

11、围均为0216-1，而主存地址空间为216，故转移指令的目标地址范围是 0000HFFFFH (0216-1)a d d (R4)，(R5) + 对应的机器码为 0010 001 100 010 101执行后R5和5678H的内容会改变，从5678H变为5679H存储器 5678H 的内容=5678H+1234H=68ACH5、某计算机的主存地址空间为256MB，按字节编址，指令Cache和数据Cache分离，均有8个Cache行， 每个Cache行的大小为64B，数据Cache采用直接映射方式，现有两个功能相同的程序A和B,其伪代码如下 所示：程序& int a 256 256程序B： in

12、t a256256int sm_ariayl 0int is j, sujrfO;for(i=0;i256;foi(j=0; j256;sun+=aireturn sum,int sum_axray2()int i, j, sum=0;for (户0；j256;j+)for(i=0;i256;i+) sum+=ai j;return sum;假定int类型数据用32位补码表示，程序编译时i,j, sum均分配在寄存器中，数据3按行优先方式存放, 其地址为320(十进制数)，请回答下列问题，要求说明理由或给出计算过程。若不考虑用于cache 一致性维护和替换算法的控制位，则数据Cache的总容量

13、是多少？要组元素a031和a11各自所在的主存块对应的Cache行号分别是多少(Cache行号从0开始)？、程序A和B的数据访问命令率各是多少？那个程序的执行时间更短？ 数据Cache有8个Cache行，每个Cache行大小为64B，Cache中每个字块的Tag字段的位数是 28 9=19位，需使用一个有效位，合计20位。因此，数据Cache的总容量应为：8X(64+20 / 8)B = 532B。数组a在主存的存放位置及其与Cache之间的映射关系如下图所示：数组按行优先方式存放，首地址为320,数组元素占四个字节a031所在的主存块对应的Cache行号为： (320+31X4) DIV 6

14、4 = 6 ；a11所在的主存块对应的Cache行号为： (320+256X4+1X4) DIV 64 MOD 8 = 5。编译时i、j、sum均分配在寄存器中，故数据访问命中率仅考虑数组a的情况。该程序的特点是数组中的每一个元素仅被使用一次。数组a按行优先存放，数据Cache正好放下数 组半行中的全部元素，即元素的存储顺序与使用次序高度的吻合，每个字块的16个int型元素中，除访 问的第一个不会命中，接下来的15个都会命中。访问全部字块都符合这一规律，故命中率为15 / 16， 即程序A的数据访问命中率是93.75%。程序B按照数组的列执行外层循环，在执行内层循环的过程中，将连续访问不同行的

15、同一列的数据， 不同行的同一列数组使用的是同一个Cache单元，每次都不会命中，故命中率是0由于从Cache读数据比从主存读数据快很多，所以程序A的执行比程序B快得多。6、设某磁盘有两个记录面，存储区内径为2.36英寸，外径为5英寸。道密度1250TPI（磁道数/英寸）， 内径处的位密度52400bpi （位/英寸），转速2400rpm（转/分）问：（1）每面有多少磁道，每磁道能存储多少字节？（2）数据传输率是多少？（3）设找道时间在10ms40ms之间，在一个磁道上写8000字节数据，平均需要多少时间？（1） 每面有多少磁道=1250 X （5-2.36）/2=1650每磁道能存储字节=2.

16、34 X 3.14 X52400/8=48562字节（2）数据传输率=48562 X 2400/60=1.94 X 106 B /s（3）平均时间=（10+40）/2 +（60s/2400）/2 +8000/（1.94X 106）=25+12.5+4.2=41.7ms7、某磁盘转速为5400转/分，共有4个记录面，每道记录信息为16384字节，最小磁道直径为200mm， 最大磁道直径为400mm，共有400道，磁头从中心移动到边缘为40ms。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bpm（bit/mm）？（3）道密度是多少TPM（T/mm）？（4）磁盘数据传输率是多

17、少？（5）平均寻址时间是多少（1）每道记录信息容量=16384字节每个记录面信息容量=400X16384字节共有4个记录面，所以磁盘存储器总容量为：4 X 400X16384 字节=26214400 字节（2）最高位密度D按最小磁道半径R计算（R= 100mm）：D = 16384 字节 *8/ 2n R = 208bit / mm最低位密度D按最大磁道半径R计算（R= 200mm）：D =16384 字节*8 / 2n R2 = 104bit / mm（3 ）道密度=400/（400-200）/2=4/mm（4）磁盘传输率R =B/TR= 16384 / （60/5400） = 198445

18、4 字节/ 秒（5）平均寻道时间 最差：（40+0） /2=20ms，最佳：（20+0） /2=10ms平均寻道时间=（10+20） /2=15ms平均等待时间=（60*1000/5400 ） /2= 5.5ms平均寻址时间=15+5.5=20.5ms8、某指令系统指令长16位，如果固定操作码为4位，则三地址格式的指令共有几条？如果采用扩展操 作码技术，对于三地址、二地址、单地址和零地址这四种格式的指令，每种指令最多可以安排几条？写出 它们的格式。9、某计算机存储器容量为64KX16位，该机器访存指令格式如下:03 4567815OPMIXD其中M为寻址模式，00为直接寻址，01为基址寻址，10为相对寻址，11为立即寻址；I为间址特征 （1 = 1间址）；X