计算机组成原理课后答案.docx
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计算机组成原理课后答案
第一章计算机系统概论
1.比较数字计算机和模拟计算机的特点。
答:
模拟计算机的特点是数值由连续量来表示,运算过程也是连续的。
数字计算机的主要特点是按位运算,并且不连续地跳动计算。
模拟计算机用电压表示数据,采用电压组合和测量值的计算方式,盘上连线的控制方式,而数字计算机用数字0和1表示数据,采用数字计数的计算方式,程序控制的控制方式。
数字计算机与模拟计算机相比,精度高,数据存储量大,逻辑判断能力强。
2.数字计算机如何分类?
分类的依据是什么?
答:
数字计算机可分为专用计算机和通用计算机,是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。
3.数字计算机有哪些主要应用?
答:
数字计算机的主要应用有:
科学计算、自动控制、测量和测试、信息处理、教育和卫生、家用电器、人工智能。
4.冯.诺依曼型计算机的主要设计思想是什么?
它由哪些主要组成部分?
答:
冯.诺依曼型计算机的主要设计思想是存储程序并按地址顺序执行,它由运算器,控制器,存储器,接口及I/O设备组成。
5.什么是存储容量?
什么是单元地址?
什么是数据字,什么是地址字?
答:
存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量。
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,称为数据字。
如果某字为一条指令,称为指令字。
6.什么是指令?
什么是程序?
答:
每一个基本操作称为一条指令,而解算某一问题的一串指令序列,称为程序。
7.指令和数据均存放在内存中,计算机如何区分它们是指令还是数据?
答:
计算机可以从时间和空间两方面来区分指令和数据,在时间上,取指周期从内存中取出的是指令,而执行周期从内存取出或往内存中写入的是数据,在空间上,从内存中取出指令送控制器,而执行周期从内存从取的数据送运算器、往内存写入的数据也是来自于运算器。
8.什么是内存?
什么是外存?
什么是CPU?
什么是适配器?
简述其功能。
答:
内存是指计算机内的半导体存储器,包括ROM和RAM。
ROM用来存放监控程序和一些不变的数据表格,RAM存放正运算的程序和正在处理的数据,外存通常指的是磁盘、磁带、光盘存储器等,用于存放暂不运行的程序和暂不处理的数据。
CPU是运算器和控制器的合称,适配器是指连接主机与外设一个中间电路,也叫接口,其作用相当于一个转换器,保证外设用与主机要求相适应的形式发送和接收信息。
9.计算机的系统软件包括哪几类?
说明它们的用途。
答:
计算机的软件包括系统软件和应用软件。
系统软件用来简化程序设计,简化使用方法,提高计算机的使用效率,发挥和扩大计算机的功能及用途。
它可分为四类:
(1)各种服务性程序,如诊数据程序、排错程序、练习程序等;
(2)语言程序,如汇编程序、编译程序、解释程序等;(3)操作系统程序;(4)数据库管理系统(DBMS)。
而应用软件是用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序,如工程设计程序,数据加工程序,自动控制程序,企业管理程序、情报检索程序、科学计算程序等等。
10.说明软件发展的演变过程。
答:
在早期的计算机中,人们是直接用机器语言来编写程序的,这种程序称为手编程序或目的程序;后来,为了编写程序方便和提高使用效率,人们使用汇编语言来编写程序,称为汇编程序;为了进一步实现程序自动化和便于程序交流,使不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机,人们又创造了算法语言,用算法语言编写的程序称为源程序,源程序通过编译系统产生编译程序,也可通过解释系统进行解释执行;随着计算机技术的日益发展,人们又创造出操作系统;随着计算机在信息处理、情报检索及各种管理系统中应用的发展,要求大量处理某些数据,建立和检索大量的表格,于是产生了数据库管理系统。
11.现代计算机系统如何进行多级划分?
这种分级观点对计算机设计会产生什么影响?
答:
现代计算机系统可分为五个层次,第一级是微程序设计级;第二级是一般机器级;第三级是操作系统级;第四级是汇编语言级;第五级是高级语言级。
其中前二级是硬件系统、后两级是软件系统对硬件系统的功能扩展,第三级是可以说是软件与硬件的一个交界面。
这种分级不是绝对的,也不是惟一的,比如随着大规模集成电路和固件的发展,硬件的功能在不断往上层延伸。
而且,不同的硬件结构,其层次也不同,如硬布线控制器的计算机,就没有微程序级。
12.为什么软件能够转化为硬件?
硬件能够转化为软件?
实现这种转化的媒介是什么?
答:
随着大规模集成电路和计算机系统结构的发展,实体硬件机的功能范围不断从一、二级向三、四级扩展,原因有:
(1)容量大、价格低、体积小、可改写的只读存储器提供了软件固化的良好物质基础,固件即固化的软件,从功能上讲是软件,从形态上看又是硬件。
(2)在一片硅单晶芯片上制作复杂的逻辑电路已实际可行,这又为扩大指令功能提供了相应的技术手段,而且成本降低使实用成为可能。
因此,传统的软件今后有可能“固化”甚至“硬化”而变成硬件,而在不追求高速处理时为了降低硬件成本,也可以用软件来模拟硬件的功能。
13.“计算机应用”与“应用计算机”在概念上等价吗?
用学科角度和计算机系统的层次结构来说明你的观点。
答:
计算机应用是一个学科的名词,它包含计算机网络、信息管理、数据库技术、人工智能、计算机辅助设计等多个领域,而应用计算机,从计算机层次结构的角度来看,不同的应用者,应用的方法和目标是不同的,如CPU的设计者是在微程序级应用计算机,目的是要后面的应用者提供功能强大的指令系统、而操作系统的设计者是在汇编语言级应用计算机,目的是扩展硬件功能,为后面的应用者提供良好的操作环境和手段。
第二章运算方法和运算器
1.写出下列各数的原码、反码、补码表示(用8位二进制数),其中MSB是最高位(又是符号位),LSB是最高位。
如果是小数,小数点在MSB之后;如果是整数,小数点在LSB之后。
(1)-35/64
(2)23/128(3)–127(4)用小数表示-1(5)用整数表示-1
解:
(1)-35/64=-0.100011
原码1.1000110反码1.0111001补码1.0111010
(2)23/128=0.0010111
原码0.0010111反码0.0010111补码0.0010111
(3)–127=1111111
原码11111111反码10000000补码10000001
(4)用小数表示-1
补码1.0000000
(5)用整数表示-1
原码10000001反码11111110补码111111111
2.设[x]补=a0.a1a2…a6其中ai取0或1,若要x>-0.5,求a0,a1,a2,…,a6的取值。
解:
[x]补=a0.a1a2…a6
解法一、
(1)若a0=0,则x>0,也满足x>-0.5
此时a1→a6可任意
(2)若a0=1,则x<=0,要满足x>-0.5,需a1=1
即a0=1,a1=1,a2→a6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,a1→a6任意即可
[x]补=x=a0.a1a2…a6
(2)若x<0,则x>-0.5
只需-x<0.5,-x>0
[x]补=-x,[0.5]补=01000000
即[-x]补<01000000
即a0a1=11,a2→a6不全为0或至少有一个为1(但不是“其余取0”)
3.有一个字长为32位的浮点数,符号位1位,阶码8位,用移码表示,尾数23位,用补码表示;基数为2。
请写出:
(1)最大数的二进制表示;
(2)最小数的二进制表示;(3)规格化数所能表示数的范围。
解:
用IEEE754格式(E的取值范围:
1~254,留出全0和全1分别表示0和无穷大)
31302322200
S
E
M
(1)最大数的二进制表示:
011111110111111*********11111111即2127(2-2-23)
(2)最小数的二进制表示:
111111110111111*********11111111即-2127(2-2-23)
(3)规格化数所能表示数的范围:
最小的正数:
00000000100000000000000000000001即2-126(1+2-23)
绝对最小的负数:
10000000100000000000000000000001即-2-126(1+2-23)
所以范围是:
-2127(2-2-23)至-2-126(1+2-23),2-126(1+2-23)至2127(2-2-23)
4.将下列十进制数表示成IEEE754标准的32位浮点规格化数。
(1)27/64
(2)–27/64
解:
27/64=0.011011=1.1011*2-2
(1)00111110110110000000000000000000
(2)10111110110110000000000000000000
5.已知x和y,用变形补码计算x+y,同时指出结果是否溢出。
(1)x=0.11011y=0.00011
(2)x=0.11011y=-0.10101
(3)x=-0.10110y=-0.00001
解:
(1)x=0.11011,y=0.00011
0011011
+0000011
0011110
x+y=0.11110
无溢出
(2)x=0.11011,y=-0.10101
[x]补=0011011
[y]补=+1101011
0000110
x+y=0.00110
无溢出
(3)x=-0.10110
y=-0.00001
[x]补=1101010
[y]补=+1111111
1101001
x+y=-0.10111
无溢出
6.已知x和y,用变形补码计算x-y,同时指出运算结果是否溢出。
(1)x=0.11011y=-0.11111
(2)x=0.10111y=0.11011
(3)x=0.11011y=-0.10011
解:
(1)x=0.11011
y=-0.11111
[x]补=00.11011
[y]补=+00.11111
01.11010
溢出
(2)x=0.10111
y=0.11011
[x]补=00.10111
[y]补=+11.00101
11.11100
x-y=-0.00100
无溢出
(3)x=0.11011
y=-0.10011
[x]补=00.11011
[y]补=+00.10011
01.01110
溢出
7.用原码阵列乘法器、补码阵列乘法器分别计算x*y。
(1)x=0.11011y=-0.11111
(2)x=-0.11111y=-0.11011
11011
*11111
11011
11011
11011
11011
11011
1101000101
解:
(1)原码阵列
x=0.11011,y=-0.11111
符号位:
x0⊕y0=0⊕1=1
[x]原=11011,[y]原=11111
[x*y]原=1,1101000101
直接补码阵列
[x]补=(0)11011,[y]补=
(1)00001
(0)11011
(1)00001
(0)11011
(0)00000
(0)00000
(0)00000
(0)00000
0
(1)
(1)(0)
(1)
(1)
0
(1)
(1)(0)
(1)
(1)11011
1,00101,11011
[x*y]补=1,00101,11011
带求补器的补码阵列
[x]补=011011,[y]补=100001
乘积符号位单独运算0⊕1=1
尾数部分算前求补输出│X│=11011,│y│=11111
11011
*11111
11011
11011
11011
11011
11011
1101000101
X×Y=-0.1101000101
(2)原码阵列
x=-0.11111,y=-0.11011
符号位:
x0⊕y0=1⊕1=0
[x]补=11111,[y]补=11011
11111
11011
11111
11111
00000
11111
11111
1101000101
[x*y]补=0,11010,00101
直接补码阵列
[x]补=
(1)00001,[y]补=
(1)00101
(1)00001
(1)00101
(1)00001
(0)00000
(1)00001
(0)00000
(0)00000
1(0)(0)(0)(0)
(1)
100
(1)
(1)000101
01101000101
[x*y]补=0,11010,00101
带求补器的补码阵列
[x]补=100001,[y]补=100101
乘积符号位单独运算1⊕1=0
尾数部分算前求补输出│X│=11111,│y│=11011
11111
11011
11111
11111
00000
11111
11111
1101000101
X×Y=0.1101000101
8.用原码阵列除法器计算x÷y。
(1)x=0.11000y=-0.11111
(2)x=-0.01011y=-0.11001
解:
(1)符号位Sf=0⊕1=1
去掉符号位后:
[y’]补=00.11111
[-y’]补=11.00001
[x’]补=00.11000
0011000
+[-y’]补1100001
11110010
←1110010
+[y’]补0011111
00100010.1
←0100010
+[-y’]补1100001
00000110.11
←0000110
+[-y’]补1100001
11001110.110
←1001110
+[y’]补0011111
11011010.1100
←1011010
+[y’]补0011111
11110010.11000
(2)符号位Sf=1⊕0=1
去掉符号位后:
[y’]补=00.11001
[-y’]补=11.00111
[x’]补=00.01011
0001011
+[-y’]补1100111
11100100
←1100100
+[y’]补0011001
11111010.0
←1111010
+[y’]补0011001
00100110.01
←0100110
+[-y’]补1100111
00011010.011
←0011010
+[-y’]补1100111
00000010.0111
←0000010
+[-y’]补1100111
11010010.01110
9.设阶码3位,尾数6位,按浮点运算方法,完成下列取值的[x+y],[x-y]运算。
(1)x=2-011*0.100101y=2-010*(-0.011110)
(2)x=2-101*(-0.010110)y=2-100*(0.010110)
解:
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:
题
(1)[x]浮=11101,0.100101[y]浮=11110,1.100010
(1)求阶差并对阶
ΔE=Ex-Ey=[Ex]补-[Ey]补=[Ex]补+[-Ey]补=11101+00010=11111
即ΔE为-1,x阶码小,应使Mx右移1位,Ex加1
[x]浮=11110,0.010010
(1)
(2)尾数求和
0.010010
(1)
+1.100010
1.110100
(1)
(3)规格化
可见尾数运算结果的符号位与最高位相同,应执行左规格化处理,每左移尾数一次,相应阶码减1,所以结果尾数为1.010010,阶码为11100
(4)舍入处理对本题不需要。
(5)判溢出
阶码两符号位为11,不溢出,故最后结果为
[x]浮+[y]浮=11100,1010010
真值为2-100*(-0.101110)
(2)尾数求差
0.010010
(1)
+0.011110
0.110000
(1)
[x]浮-[y]浮=11100,0.110001
真值为2-100*0.110001
题
(2)[x]浮=11011,1.101010[y]浮=11100,0.010110
(1)求阶差并对阶
ΔE=Ex-Ey=[Ex]补-[Ey]补=[Ex]补+[-Ey]补=11011+00100=11111
即ΔE为-1,x阶码小,应使Mx右移1位,Ex加1
[x]浮=11100,1.110101(0)
(2)尾数求和
1.110101(0)
+0.010110
0.001011(0)
(3)规格化
可见尾数运算结果的符号位与最高位相同,应执行左规格化处理,每左移尾数一次,相应阶码减1,所以结果尾数为0.101100,阶码为11010
(4)舍入处理对本题不需要。
(5)判溢出
阶码两符号位为11,不溢出,故最后结果为
[x]浮+[y]浮=11010,010100
真值为2-110*(0.010100)
10.设数的阶码为3位,尾数6位,用浮点运算方法,计算下列各式
(1)(23×13/16)×[24×(-9/16)]
(2)(2-2×13/32)÷(23×15/16)
Mx*My0.1101
*0.1001
01101
00000
00000
01101
00000
001110101
解:
(1)Ex=0011,Mx=0.110100
Ey=0100,My=0.100100
Ez=Ex+Ey=0111
规格化:
26*0.111011
(2)Ex=1110,Mx=0.011010
Ey=0011,My=0.111100
Ez=Ex-Ey=1110+1101=1011
[Mx]补=00.011010
[My]补=00.111100,[-My]补=11.000100
00011010
+[-My]11000100
110111100
10111100
+[My]00111100
111110000.0
11110000
+[My]00111100
001011000.01
01011000
+[-My]11000100
000111000.011
00111000
+[-My]11000100
111111000.0110
11111000
+[My]00111100
001101000.01101
01101000
+[-My]11000100
001011000.01101
商=0.110110*2-6,余数=0.101100*2-6
11.某加法器进位链小组信号为C4C3C2C1,低位来的进位信号为C0,请分另按下述两种方法写出C4C3C2C1逻辑表达式:
(1)串行进位方式
(2)并行进位方式
解:
4位加法器如上图,
(1)串行进位方式
C1=G1+P1C0其中:
G1=A1B1P1=A1⊕B1(A1+B1也对)
C2=G2+P2C1G2=A2B2P2=A2⊕B2
C3=G3+P3C2G3=A3B3P3=A3⊕B3
C4=G4+P4C3G4=A4B4P4=A4⊕B4
(2)并行进位方式
C1=G1+P1C0
C2=G2+P2G1+P2P1C0
C3=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1C0
C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1+P4P3P2P1C0
12.某机字长16位,使用四位74181组成ALU,设最低位序号标注为第0位,要求:
(1)写出第5位的进位信号C5的逻辑表达式。
(2)若用一片74182构成二级组间先行进位,请画出逻辑图。
解:
(1)组成最低四位的74181进位输出为:
C4=Cn+4=G+PCn=G+PC0,C0为向第0位进位
其中,G=y3+y
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