计算机组成原理 第四版课后习题答案完整版.docx

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计算机组成原理第四版课后习题答案完整版

第一章

1．比较数字计算机和模拟计算机的特点。

解：

模拟计算机的特点：

数值由连续量来表示，运算过程是连续的；

　　数字计算机的特点：

数值由数字量（离散量）来表示，运算按位进行。

　　两者主要区别见P1表1.1。

2．数字计算机如何分类？

分类的依据是什么？

解：

分类：

　　数字计算机分为专用计算机和通用计算机。

通用计算机又分为巨型机、大型机、

　　　　　　　中型机、小型机、微型机和单片机六类。

　　分类依据：

专用和通用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。

　　　　　　　通用机的分类依据主要是体积、简易性、功率损耗、性能指标、数据存储容量、

　　　　　　　指令系统规模和机器价格等因素。

3．数字计算机有那些主要应用？

（略）

4．冯.诺依曼型计算机的主要设计思想是什么？

它包括哪些主要组成部分？

解：

冯.诺依曼型计算机的主要设计思想是：

存储程序和程序控制。

　　存储程序：

将解题的程序（指令序列）存放到存储器中；

　　程序控制：

控制器顺序执行存储的程序，按指令功能控制全机协调地完成运算任务。

　　主要组成部分有：

控制器、运算器、存储器、输入设备、输出设备。

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？

解：

存储容量：

指存储器可以容纳的二进制信息的数量，通常用单位KB、MB、GB来度量，存储容

　　　　　　　量越大，表示计算机所能存储的信息量越多，反映了计算机存储空间的大小。

　　单元地址：

单元地址简称地址，在存储器中每个存储单元都有唯一的地址编号，称为单元地

　　　　　　　址。

　　数据字：

若某计算机字是运算操作的对象即代表要处理的数据，则称数据字。

　　指令字：

若某计算机字代表一条指令或指令的一部分，则称指令字。

6．什么是指令？

什么是程序？

解：

指令：

计算机所执行的每一个基本的操作。

　　程序：

解算某一问题的一串指令序列称为该问题的计算程序，简称程序。

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？

解：

一般来讲，在取指周期中从存储器读出的信息即指令信息；而在执行周期中从存储器中读出的

　　信息即为数据信息。

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。

解：

内存：

一般由半导体存储器构成，装在底版上，可直接和CPU交换信息的存储器称为内存储

　　　　　器，简称内存。

用来存放经常使用的程序和数据。

　　外存：

为了扩大存储容量，又不使成本有很大的提高，在计算机中还配备了存储容量更大的

　　　　　磁盘存储器和光盘存储器，称为外存储器，简称外存。

外存可存储大量的信息，计算

　　　　　机需要使用时，再调入内存。

　　CPU：

包括运算器和控制器。

基本功能为：

指令控制、操作控制、时间控制、数据加工。

　　适配器：

连接主机和外设的部件，起一个转换器的作用，以使主机和外设协调工作。

9．计算机的系统软件包括哪几类？

说明它们的用途。

解：

系统软件包括：

（1）服务程序：

诊断、排错等

（2）语言程序：

汇编、编译、解释等

　　　　　　　　　（3）操作系统

　　　　　　　　　（4）数据库管理系统

　　用途：

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。

10．说明软件发展的演变过程。

（略）

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？

解：

多级划分图见P16图1.6。

可分为：

微程序设计级、一般机器级、操作系统级、汇编语言级和

　　高级语言级。

　　用这种分级的观点来设计计算机，对保证产生一个良好的系统结构是有很大帮助的。

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？

（略）

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寿命你的观点。

（略）

第二章

1.写出下列各数的原码、反码、补码、移码表示（用8位二进制数）。

其中MSB是最高位（又是符号位）LSB是最低位。

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）先把十进制数-35/64写成二进制小数：

　　　　（-35/64）10=（-100011/1000000）2=（-100011×2-110）2=（-0.100011）2

　　　　令x=-0.100011B

　　　　∴[x]原=1.1000110（注意位数为8位）[x]反=1.0111001

　　　　　[x]补=1.0111010　　　　　　　　[x]移=0.0111010

（2）先把十进制数23/128写成二进制小数：

　　　　（23/128）10=（10111/10000000）2=（10111×2-111）2=（0.0001011）2

　　　　令x=0.0001011B

　　　　∴[x]原=0.0001011　　　　　　　　[x]反=0.0001011

　　　　　[x]补=0.0001011　　　　　　　　[x]移=1.0001011

　　（3）先把十进制数-127写成二进制小数：

　　　　（-127）10=（-1111111）2

　　　　令x=-1111111B

　　　　∴[x]原=1.1111111　　　　　　　　[x]反=1.0000000

　　　　　[x]补=1.0000001　　　　　　　　[x]移=1.0000001

　　（4）令x=-1.000000B

　　　　∴原码、反码无法表示

　　　　[x]补=1.0000000　　　　　　　　　[x]移=0.0000000

　　（5）令Y=-1=-0000001B

　　　　∴[Y]原=10000001　　　　　　　　[Y]反=11111110

　　　　　[Y]补=11111111　　　　　　　　[Y]移=01111111

2.设[X]补=a0，a1，a2…a6,其中ai取0或1，若要x＞－0.5,求a0，a1，a2，…，a6的取值。

解：

a0=1，a1=0，a2，…，a6=1…1。

3.有一个字长为32位的浮点数，阶码10位（包括1位阶符），用移码表示；尾数22位（包括1位尾符）用补码表示，基数R=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）规格化数所能表示的数的范围；

（4）最接近于零的正规格化数与负规格化数。

解：

（1）11111111110111111111111111111111

（2）11111111111000000000000000000000

　　（3）11111111110111111111111111111111～01111111111000000000000000000000

　　（4）00000000000000000000000000000001～0000000000111111*********1111111

4.将下列十进制数表示成浮点规格化数，阶码3位，用补码表示；尾数9位，用补码表示。

（1）27/64

（2）-27/64

解：

（1）27/64=11011B×

=0.011011B=0.11011B×

　　　　浮点规格化数:

11110110110000

（2）-27/64=-11011B×

=-0.011011B=-0.11011B×

　　　　浮点规格化数:

11111001010000

5.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=0.00011

（2）X=0.11011Y=-0.10101

（3）X=-0.10110Y=-0.00001

解：

（1）先写出x和y的变形补码再计算它们的和

　　　　　　[x]补=00.11011[y]补=00.00011

　　　　　　[x+y]补=[x]补+[y]补=00.11011+00.00011=0.11110

　　　　　　∴x+y=0.1111B无溢出。

（2）先写出x和y的变形补码再计算它们的和

　　　　　　[x]补=00.11011[y]补=11.01011

　　　　　　[x+y]补=[x]补+[y]补=00.11011+11.01011=00.00110

　　　　　　∴x+y=0.0011B无溢出。

　　（3）先写出x和y的变形补码再计算它们的和

　　　　　　[x]补=11.01010[y]补=11.11111

　　　　　　[x+y]补=[x]补+[y]补=11.01010+11.11111=11.01001

　　　　　　∴x+y=-0.10111B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）先写出x和y的变形补码，再计算它们的差

　　　　　　[x]补=00.11011[y]补=11.00001[-y]补=00.11111

　　　　　　[x-y]补=[x]补+[-y]补=00.11011+00.11111=01.11010

　　　　　　∵运算结果双符号不相等∴为正溢出

　　　　　　　X-Y=+1.1101B

（2）先写出x和y的变形补码，再计算它们的差

　　　　　　[x]补=00.10111[y]补=00.11011[-y]补=11.00101

　　　　　　[x-y]补=00.10111+11.00101=11.11100

　　　　　　∴x-y=-0.001B无溢出

　　（3）先写出x和y的变形补码，再计算它们的差

　　　　　　[x]补=00.11011[y]补=11.01101[-y]补=00.10011

　　　　　　[x-y]补=[x]补+[-y]补=00.11011+00.10011=01.01110

　　　　　　∵运算结果双符号不相等∴为正溢出

　　　　　　X-Y=+1.0111B

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

解：

（1）用原码阵列乘法器计算：

　　　[x]补=0.11011[y]补=1.00001

　　　　　　　　　　（0）　1　1　0　1　1　

　　　　　　　　×）

（1）　0　0　0　0　1

　　　　　----------------------------------

　　　　　　　　　　（0）　1　1　0　1　1

　　　　　　　　（0）　0　0　0　0　0

　　　　　（0）　0　0　0　0　0

　　　　（0）　0　0　0　0　0

　　（0）　0　0　0　0　0

（0）

（1）

（1）（0）

（1）

（1）

-----------------------------------------

（1）　0　0　1　0　1　1　1　0　1　1

　　　[x×y]补=1.0010111011

　　∴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）[x]原=[x]补=0.11000　　[-∣y∣]补=1.00001

　　　　　　　　　被除数X　0.11000

　　　　　　　　+[-∣y∣]补1.00001

　　　　　　　----------------------

　　　　　　　　　　余数为负1.11001→q0=0

　　　　　　　　　　　　左移1.10010

　　　　　　　　　+[|y|]补　0.11111

　　　　　　　----------------------

　　　　　　　　　　余数为正0.10001→q1=1

　　　　　　　　　　　　左移1.00010

　　　　　　　　　+[-|y|]补1.00001

　　　　　　　----------------------

　　　　　　　　　　余数为正0.00011→q2=1

　　　　　　　　　　　左移0.00110

　　　　　　　　　+[-|y|]补1.00001

　　　　　　　----------------------

　　　　　　　　　　余数为负1.00111→q3=0

　　　　　　　　　　　　左移0.01110

　　　　　　　　　+[|y|]补　0.11111

　　　　　　　----------------------

　　　　　　　　　　余数为负1.01101→q4=0

　　　　　　　　　　　　左移0.11010

　　　　　　　　　+[|y|]补　0.11111

　　　　　　　----------------------

　　　　　　　　　　余数为负1.11001→q5=0

　　　　　　　　　+[|y|]补　0.11111

　　　　　　　----------------------

　　　　　　　　　　　　余数0.11000

　　　　故[x÷y]原=1.11000即x÷y=-0.11000B

　　　　余数为0.11000B×

9.设阶为5位（包括2位阶符）,尾数为8位（包括2位数符）,阶码、尾数均用补码表示,完成下列取值的[X+Y]，[X-Y]运算：

（1）X=

×0.100101Y=

×（-0.011110）

（2）X=

×（-0.010110）Y=

×（0.010110）

解：

（1）将y规格化得：

y=

×（-0.111100）

　　　[x]浮=1101，00.100101[y]浮=1101，11.000100[-y]浮=1101，00.111100

　　　①对阶

　　　　[ΔE]补=[Ex]补+[-Ey]补=1101+0011=0000

　　　　∴Ex=Ey

　　　②尾数相加

　　　　　　相加　　　　　　　　　　　　　　　　相减

　　　　　00.100101　　　　　　　　　　　　　00.100101

　　　　+11.000100　　　　　　　　　　　　+00.111100

　　　　------------　　　　　　　　　　　--------------

　　　　　11.101001　　　　　　　　　　　　　01.100001

　　　[x+y]浮=1101,11.101001　左规[x+y]浮=1100,11.010010

　　　　∴x+y=

×（-0.101110）

　　　[x-y]浮=1101,01.100001　右规[x-y]浮=1110,00.1100001

　　　　　　　　　　　　　舍入处理得[x-y]浮=1110,00.110001

　　　　∴x-y=

×0.110001

（2）[x]浮=1011，11.101010[y]浮=1100，00.010110[-y]浮=1100，11.101010

　　　①对阶

　　　　[ΔE]补=[Ex]补+[-Ey]补=1011+0100=1111

　　　　∴△E=-1[x]浮=1100，11.110101（0）

　　　②尾数相加

　　　　　　相加　　　　　　　　　　　　　　　　相减

　　　　　11.110101（0）　　　　　　　　　　　11.110101（0）

　　　　+00.010110　　　　　　　　　　　+11.101010

　　　　--------------　　　　　　　　　------------------

　　　　　00.001011（0）　　　　　　　　　　　11.011111（0）

　　　[x+y]浮=1100,00.001011（0）左规[x+y]浮=1010,00.1011000

　　　∴x+y=

×0.1011B

　　　[x-y]浮=1100,11.011111（0）

　　　∴x-y=

×（-0.100001B）

13.某加法器进位链小组信号为C4C3C2C1，低位来的信号为C0，请分别按下述两种方式写出C4C3C2C1的逻辑表达式。

（1）串行进位方式

（2）并行进位方式

解：

（1）串行进位方式：

　　　　C1=G1+P1C0其中：

G1=A1B1，P1=A1⊕B1

　　　　C2=G2+P2C1　　　G2=A2B2，P2=A2⊕B2

　　　　C3=G3+P3C2　　　G3=A3B3，P3=A3⊕B3

　　　　C4=G4+P4C3　　　G4=A4B4，P4=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

　　其中G1-G4，P1-P4表达式与串行进位方式相同。

14.某机字长16位，使用四片74181组成ALU，设最低位序标注为0位，要求：

（1）写出第5位的进位信号C6的逻辑表达式；

（2）估算产生C6所需的最长时间；

（3）估算最长的求和时间。

解：

（1）组成最低四位的74181进位输出为：

C4=G+PC0，C0为向第0位的进位

　　　　　其中：

G=y3+x3y2+x2x3y1+x1x2x3y0,P=x0x1x2x3

　　　　　所以：

C5=y4+x4C4

　　　　　　　　　　　C6=y5+x5C5=y5+x5y4+x5x4C4

（2）设标准门延迟时间为T，"与或非"门延迟时间为1.5T，则进位信号C0由最低位传送至C6需经一个反相器，两级"与或非"门，故产生C6的最长延迟时间为：

　　　　　　　T+2×1.5T=4T

　　（3）最长求和时间应从施加操作数到ALU算起：

第一片74181有3级"与或非"门（产生控制参数x0，y0Cn+4）,第二、第三片74181共2级反相器和2级"与或非"门（进位链），第四片74181求和逻辑（1级"与或非"门和1级半加器，其延迟时间为3T），故总的加法时间为：

　　　　　　　T=3×1.5T+2T+2×1.5T+1.5T+1.5T+3T=14T

17．设A，B，C是三个16位的通用寄存器，请设计一个16位定点补码运算器，能实现下述功能：

（1）A±B→A

（2）B×C→A,C（高位积在寄存器A中）

（3）A÷B→C（商在寄存器C中）

解：

设计能完成加、减、乘、除运算的16位定点补码运算器框图。

分析各寄存器作用：

　　　　　　加　　　　减　　　　　乘　　　　　除

　　A　被加数→和　　同左　　　初始为0　　　被除数→余数

　　　　　　　　　　　　　　　部分积→乘积（H）　除数

　　B　加数　　　　　同左　　　被乘数

　　C　　--　　　　　　--　　乘数→乘积（L）　商

∴A：

累加器（16位），具有输入、输出、累加功能及双向移位功能；

　B：

数据寄存器（16位），具有输入、输出功能；

　C：

乘商寄存器（16位），具有输入、输出功能及双向移位功能。

画出框图：

第三章

1．有一个具有20位地址和32位字长的存储器，问：

（1）该存储器能存储多少个字节的信息？

（2）如果存储器由512K×8位SRAM芯片组成，需要多少芯片？

（3）需要多少位地址作芯片选择？

解：

（1）∵220=1M，∴该存储器能存储的信息为：

1M×32/8=4MB

（2）（1000/512）×（32/8）=8（片）

　　（3）需要1位地址作为芯片选择。

2.已知某64位机主存采用半导体存储器，其地址码为26位，若使用256K×16位的DRAM芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用模块板结构形式，问：

（1）每个模块板为1024K×64位，共需几个模块板？

（2）个模块板内共有多少DRAM芯片?

（3）主存共需多少DRAM芯片?

CPU如何选择各模块板？

解：

（1）.　共需模块板数为m：

　　　　　　m=

÷

=64（块）　

（2）.每个模块板内有DRAM芯片数为n:

　　　　　　n=（

/

）×（64/16）=16（片）

　　（3）主存共需DRAM芯片为：

16×64=1024（片）

　　　　　每个模块板有16片DRAM芯片，容量为1024K×64位，需20根地址线（A19~A0）完成模块

　　　　　板内存储单元寻址。

一共有64块模块板，采用6根高位地址线（A25~A20），通过

　　　　　6：

64译码器译码产生片选信号对各模块板进行选择。

3．用16K×8位的DRAM芯片组成64K×32位存储器，要求：

（1）画出该存储器的组成逻辑框图。

（2）设存储器读/写周期为0.5μS,CPU在1μS内至少要访问一次。

试问采用哪种刷新方式比较合理？

两次刷新的最大时间间隔是多少？

对全部存储单元刷新一遍所需的实际刷新时间是多少？

解：

（1）组成64K×32位存储器需存储芯片数为

　　　　　　N=（64K/16K）×（32位/8位）=16（片）

　　　　每4片组成16K×32位的存储区，有A13-A0作为片内地址，用A15A14经2：

4译码器产生片选信号

，逻辑框图如下所示：

（2）依题意，采用异步刷新方式较合理，可满足CPU在1μS内至少访问内存一次的要求。

　　　设16K×8位存储芯片的阵列结构为128行×128列，按行刷新，刷新周期T=2ms，则异步

　　　刷新的间隔时间为：

　　　则两次刷新的最大时间间隔发生的示意图如下

　　　可见，两次刷新的最大时间间隔为ｔｍａｘ

　　　　　ｔｍａｘ＝15.5-0.5=15（μS）

　　　对全部存储单元刷新一遍所需时间为tR

　　　　　tR＝0.5×128=64　（μS）

7．某机器中，已知配有一个地址空间为0000H-3FFFH的ROM区域。

现在再用一个RAM芯片（8K×8）形成40K×16位的RAM区域，起始地址为6000H,假定RAM芯片有

和

信号控制端。

CPU的地址总线为A15-A0，数据总线为D15-D0，控制信号为R/

（读/写），

（访存），要求：

（1）画出地址译码方案。

（2）将ROM与RAM同CPU连接。

解：

（1）依题意，主存地址空间分布如右图所示，可选用2片27128（16K×8位）的EPROM作为

ROM区；10片的8K×8位RAM片组成40K×16位