计算机组成原理哈工大习题集DOC.docx
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计算机组成原理哈工大习题集DOC
第一章思考题与习题
1.什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件?
硬件和软件哪个更重要?
2.如何理解计算机系统的层次结构?
3.说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别和联系。
4.如何理解计算机组成和计算机体系结构?
5.冯·诺依曼计算机的特点是什么?
6.画出计算机硬件组成框图,说明各部件的作用及计算机硬件的主要技术指标。
7.解释下列概念:
主机、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长。
8.解释下列英文代号:
CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS。
9.根据迭代公式
,设初态y0=1,要求精度为ε,试编制求
的解题程序(指令系统自定),并结合所编程序简述计算机的解题过程。
10.指令和数据都存于存储器中,计算机如何区分它们?
第一章计算机系统概论习题答案
1、答:
计算机系统由硬件和软件两大部分组成。
硬件即指计算机的实体部分,它由看得见摸的着的各种电子元器件,各类光电、机设备的实物组成,如主机、外设等。
软件时看不见摸不着的,由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成,用来充分发挥硬件功能,提高机器工作效率,便于人们使用机器,指挥整个计算机硬件系统工作的程序集合。
软件和硬件都很重要。
2、答:
从计算机系统的层次结构来看,它通常可有五个以上的不同级组成,每一个上都能进行程序设计。
由下至上可排序为:
第一级微程序机器级,微指令由硬件直接执行;第二级传统机器级,用微程序解释机器指令;第三级操作系统级,一般用机器语言程序解释作业控制语句;第四级汇编语言机器级,这一级由汇编程序支持合执行;第五级高级语言机器级,采用高级语言,由各种高级语言编译程序支持合执行,还可以有第六级应用语言机器级,采用各种面向问题的应用语言。
3、答:
机器语言由0、1代码组成,是机器能识别的一种语言。
汇编语言是面向机器的语言,它由一些特殊的符号表示指令,高级语言是面向用户的语言,它是一种接近于数学的语言,直观,通用,与具体机器无关。
4、答:
计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性,它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。
计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性,即概念性的结构与功能特性,通常是指用机器语言编程的程序员所看到的传统机器的属性,包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理等等,大都属于抽象的属性。
5、答:
特点是:
(1)计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成
(2)指令和数据以同等的地位存放于存储器内,并可以按地址寻访
(3)指令和数据均可以用二进制代码表示
(4)指令由操作码和地址码组成,操作码用来表示操作的性质,地址码用来表示操作数所在存储器中的位置
(5)指令在存储器内按顺序存放。
通常,指令是顺序执行的,在特定情况下,可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序
(6)机器以运算器为中心,输入输出设备与存储器的数据传送通过运算器。
6、答:
见下图
运算器用来完成算术和逻辑运算,并将运算的中间结果暂存再运算器内,它内部各部分用途如下:
ACC:
累加器,用于存放操作数,如被加数及和,被减数及差,乘积高位、被除数及系数等。
MQ:
乘商寄存器,用于存放乘数及乘积地位、商。
X:
操作数寄存器,用于存放加数、减数、被乘数、除数。
ALU:
算逻部件,用来完成算术逻辑运算。
控制器用来控制,指挥程序和数据的输入,运行以及处理运算结果。
它内部各部分用途如下:
CU:
控制但愿,用来分析当前指令所需完成的操作,并发出各种微操作命令序列,用以控制所有被控对象。
PC:
程序计数器,用来存放当前欲执行指令的地址,而且具有计数功能。
IR:
指令寄存器,存放当前指令。
存储器:
用来存放数据和程序。
它内部各部分用途如下:
MAR:
存放欲访问的存储但愿和地址。
MDR:
存放从存储体某但愿取出的代码或者准备往某存储单元存入的代码。
硬件的主要技术指标:
(1)机器字长:
指CPU一次能处理数据的位数,通常与CPU的寄存器位数有关
(2)存储容量:
包括主存容量和辅存容量,存放二进制代码的总数=存储单元个数×存储字长
(3)运算速度:
主频、Gibson法、MIPS每秒执行百万条指令、CPI执行一条指令所需时钟周期数、FLOPS每秒浮点运算次数
7、答:
主机:
中央处理器,CPU与主存储器合起来称为主机。
CPU:
运算器合控制器合起来称为中央处理器。
主存:
是存储器子系统的一类,用来存放程序合数据,可直接与CPU交换信息。
存储单元:
由若干个连续的存储元件构成,是组成存储体的单位
存储(基)元:
即存储元件,是构成存储单元的单位,每个存储(基)元只能寄存一位二进制代码0或1。
存储字:
一个存储单元可存储一串二进制代码,称这串二进制代码为一个存储字。
存储字长:
存储字所对应的二进制代码的个数称为存储字长。
存储容量:
存储单元个数×存储字长,存储容量包括主存容量合辅存容量。
机器字长:
指CPU一次能处理数据的位数,通常与CPU寄存器位数有关。
指令字长:
一条指令在计算机中用一串二进制代码表示,此二进制代码的个数称为指令字长。
8、答:
CPU:
centralprocessingunit中央处理器
PC:
programcounter程序计数器
IR:
instructionregister指令寄存器
CU:
controlunit控制单元
ALU:
arithmeticlogicunit算术逻辑运算单元
ACC:
accumulator累加器
MQ:
multiplier-quotientregister乘商寄存器
X:
操作数寄存器
MAR:
memoryaddressregister存储器地址寄存器
MDR:
memorydataregister存储器数据寄存器
I/O:
input/outputequipment输入与输出设备
MIPS:
millioninstructionpersecond每秒执行百万条指令
CPI:
cycleperinstruction执行一条指令所需的时钟周期数
FLDPS:
floatingpointoperationpersecond每秒浮点运算次数来衡量运算速度。
9、答:
主要有以下步骤:
(1)取X到ACC
(2)加1存于ACC
(3)除2存于MQ,又[MQ]→主存单元m
(4)取X到ACC
(5)将y1从m中取出,执行[m]→X,[ACC]÷[X]→MQ,得x/yn
(6)[MQ]→ACC,执行yn+x/yn,即[ACC]+[X]→ACC
(7)除2得结果于MQ,又[MQ]→ACC,[MQ]→m
(8)[ACC]-[X]→ACC,然后判断[ACC]与ε的大小,若|[ACC]|≦ε则到(9),否则返回(5)
(9)打印[m]
(10)停机
10、答:
在取指阶段从存储器取出的信息即为指令,在执行阶段从存储器取出的信息为数据。
第三章思考题与习题
1.什么是总线?
总线传输有何特点?
为了减轻总线的负载,总线上的部件都应具备什么特点?
2.总线如何分类?
什么是系统总线?
系统总线又分几类?
它们各有何作用?
是单向的还是双向的?
它们与机器字长、存储字长、存储单元有何关系?
3.常用的总线结构有几种?
不同的总线结构对计算机的性能有什么影响?
举例说明。
4.为什么要设置总线判优控制?
常见的集中式总线控制有几种?
各有何特点?
哪种方式响应时间最快?
哪种方式对电路故障最敏感?
5.解释下列概念:
总线的主设备(或主模块)、总线的从设备(或从模块)、总线的传输周期和总线的通信控制。
6.试比较同步通信和异步通信。
7.画图说明异步通信中请求与回答有那几种互锁关系?
8.为什么说半同步通信同时保留了同步通信和异步通信的特点?
9.分离式通信有何特点?
主要用于什么系统?
10.为什么要设置总线标准?
你知道目前流行的总线标准有哪些?
什么叫plugandplay?
哪些总线有这一特点?
11.画一个具有双向传送功能的总线逻辑图。
12.设数据总线上接有A、B、C、D、四个寄存器,要求选用合适的74系列芯片,完成下列逻辑设计:
(1)设计一个电路,在同一时间实现D→A、D→B和D→C寄存器间的传送;
(2)设计一个电路,实现下列操作:
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。
第三章系统总线习题部分答案
1、答:
①总线是连接多个部件的信息传输线,是个部件共享的传输介质。
②总线传输特点:
在某一时刻,只允许有一个部件向总线发送信息,而多个部件可以同时从总线上接受相同的信息。
③为减轻总线上的负载,各种I/O设备要通过I/O接口接在总线上,而且还要通过三态门挂在总线上,没有数据交换时置成高阻态。
2、答:
①分类:
按数据传输方式,可分为并行传输总线和串行传输总线。
按使用范围,可分为计算机总线,控制总线,网络通信总线。
按连接部件,可分为片内总线,系统总线,通信总线。
②系统总线指CPU,主存,I/O各大部件之间的信息传输线,按系统总线传输信息的不同,分为数据总线,地址总线,控制总线。
数据总线:
用来传输各功能部件之间的数据信息,是双向传输总线,其位数与机器字长,存储字长有关,一般为8位,16位或32位。
地址总线:
用来指出数据总线上的源数据或目的数据在贮存单元的地址,是单向传输的,其位数与存储单元的个数有关(几次幂的关系)
控制总线:
用来发出各种控制信号的,对任意控制线,是单向的;对与机器字长,存储字长,存储单元无关系。
3、答:
常用的总线结构有单总线结构,双总线结构,三总线结构,四总线结构。
①单总线结构:
将CPU,主存,I/O设备都挂在一组总线上,允许I/O之间或I/O与主存之间直接交换信息。
因为所有的传送都通过这组共享总线,极易形成计算机系统的瓶颈,不允许两个以上部件在同一时刻向总线传输信息,必然会影响系统工作效率的提高,其结构图见课本图3.2ISA.EISA总线是单总线结构
②双总线结构:
双总线结构的特点是将速度较低的设备从总线上分离出来,形成主存总线与I/O总线分开的结构,见课本图3.5。
途中通道是一个具有特殊功能的处理器,CPU将一部分功能下放给通道,使其对I/O设备具有统一管理的功能,系统的吞吐能力可以相当大。
如果将不同速率的I/O设进行分类,然后将它们连接在不同的通道上,将成为总线结构。
③三总线结构:
图3.6:
主存总线用于CPU与主存间的传输;I/O总线供CPU与各类I/O之间传递信息,DMA总线用于高速外设(磁盘,磁带等)与主存之间直接交换信息。
图3.7:
处理器于高速缓冲存储器Cache之间怎叫一条局部总线,Cache可以通过系统总线与主存传输信息,I/O与主存之间也不必通过CPU。
还有一条扩展总线,可以支持相当多的I/O设备。
④四总线结构(见图3.8)在三总线基础上,增加一条与计算机系统机密相连的高速总线,这种结构对高速设备而言,其自身的工作可以很少依赖处理器,同时他们又比扩展总线上的设备更贴近处理器。
4、答:
①如多个主设备同时要使用总线时,就由总线控制器的判优,仲裁逻辑按一定的优先级顺序,确定那个主设备能使用总线,只有获得总线使用权的主设备才能开始传送数据。
②常见的集中式总线控制有三种
⑴链式查询:
其特点是只需很少几根线就能按一定优先次序实现总线控制,并且很容易扩充设备,但对电路故障很敏感。
⑵计数器定时查询:
其特点是,计数可以从“0”开始,此时设备的优先次序是固定的,计数也可以从终止点开始,既是一种循环方式,此时设备使用总线的优先级相等,计数器的初始值还可以由程序设置,故优先次序可以改变。
此外,对电路故障不如链式查询方式敏感,但增加了主控线数,控制也较复杂。
⑶独立请求方式:
其特点是:
响应速度快,优先次序控制灵活(通过程序改变),但控制线数量多,总线控制更复杂。
③独立请求方式响应时间最快,链式查询对电路故障最敏感。
第四章思考题与习题
1.解释下列概念
主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、FlashMemory
2.计算机中哪些部件可用于存储信息,请按其速度、容量和价格/位排序说明。
3.存储器的层次结构主要体现在什么地方?
为什么要分这些层次,计算机如何管理这些层次?
4.说明存取周期和存取时间的区别。
5.什么是存储器的带宽?
若存储器的数据总线宽度为32位,存取周期为200ns,则存储器的带宽是多少?
6.某机字长为32位,其存储容量是64KB,按字编址它的寻址范围是多少?
若主存以字节编址,试画出主存字地址和字节地址的分配情况。
7.一个容量为16K32位的存储器,其地址线和数据线的总和是多少?
当选用下列不同规格的存储芯片时,各需要多少片?
1K4位,2K8位,4K4位,16K1位,4K8位,8K8位
8.试比较静态RAM和动态RAM。
9.什么叫刷新?
为什么要刷新?
说明刷新有几种方法。
10.半导体存储器芯片的译码驱动方式有几种?
11.画出用10244位的存储芯片组成一个容量为64K8位的存储器逻辑框图。
要求将64K分成4个页面①,每个页面分16组,指出共需多少片存储芯片。
(①将存储器分成若干个容量相等的区域,每一个区域可看作一个页面。
)
12.设有一个64K8位的RAM芯片,试问该芯片共有多少个基本单元电路(简称存储基元)?
欲设计一种具有上述同样多存储基元的芯片,要求对芯片字长的选择应满足地址线和数据线的总和为最小,试确定这种芯片的地址线和数据线,并说明有几种解答。
13.某8位微型机地址码为18位,若使用4K4位的RAM芯片组成模块板结构的存储器,试问:
(1)该机所允许的最大主存空间是多少?
(2)若每个模块板为32K8位,共需几个模块板?
(3)每个模块板内共有几片RAM芯片?
(4)共有多少片RAM?
(5)CPU如何选择各模块板?
14.设CPU共有16根地址线,8根数据线,并用
(低电平有效)作访存控制信号,
作读写命令信号(高电平为读,低电平为写)。
现有下列存储芯片:
ROM(2K8位,4K4位,8K8位),
RAM(1K4位,2K8位,4K8位)
及74138译码器和其他门电路(门电路自定)。
试从上述规格中选用合适芯片,画出CPU和存储芯片的连接图。
要求:
(1)最小4K地址为系统程序区,4096~16383地址范围为用户程序区;
(2)指出选用的存储芯片类型及数量;
(3)详细画出片选逻辑。
15.CPU假设同上题,现有8片8K8位的RAM芯片与CPU相连,试回答:
(1)用74138译码器画出CPU与存储芯片的连接图;
(2)写出每片RAM的地址范围;
(3)如果运行时发现不论往哪片RAM写入数据后,以A000H为起始地址的存储芯片都有与其相同的数据,分析故障原因。
(4)根据
(1)的连接图,若出现地址线A13与CPU断线,并搭接到高电平上,将出现什么后果?
16.反映主存和外存的速度指标有何不同?
17.某机字长16位,常规的存储空间为64K字,若想不改用其他高速的存储芯片,而使访存速度提高到8倍,可采取什么措施?
画图说明。
18.什么是“程序访问的局部性”?
存储系统中哪一级采用了程序访问的局部性原理?
19.计算机中设置Cache的作用是什么?
能不能把Cache的容量扩大,最后取代主存,为什么?
20.Cache做在CPU芯片内有什么好处?
将指令Cache和数据Cache分开又有什么好处?
21.设某机主存容量为4MB,Cache容量为16KB,每字块有8个字,每字32位,设计一个四路组相联映象(即Cache每组内共有4个字块)的Cache组织,要求:
(1)画出主存地址字段中各段的位数;
(2)设Cache的初态为空,CPU依次从主存第0、1、2、……99号单元读出100个字(主存一次读出一个字),并重复按此次序读8次,问命中率是多少?
(3)若Cache的速度是主存的6倍,试问有Cache和无Cache相比,速度约提高多少倍?
22.简要说明提高访存速度可采取那些措施?
23.画出NR、NRZ、NRZ1、PE、FM写入数字串1011001的写入电流波形图。
24.以写入10010110为例,比较调频制和改进调频制的写电流波形图。
25.画出调相制记录01100010的驱动电流、记录磁通、感应电势、同步脉冲及读出代码等几种波形。
26.磁盘组有六片磁盘,每片有两个记录面,存储区域内径22cm,外径33cm,道密度为40道/cm,内层密度为400位/cm,转速2400转/分,问:
(1)共有多少存储面可用?
(2)共有多少柱面?
(3)盘组总存储容量是多少?
(4)数据传输率是多少?
27.某磁盘存储器转速为3000转/分,共有4个记录盘面,每毫米5道,每道记录信息12288字节,最小磁道直径为230mm,共有275道,求:
(1)磁盘存储器的存储容量;
(2)最高位密度(最小磁道的位密度)和最低位密度;
(3)磁盘数据传输率;
(4)平均等待时间。
28.磁表面存储器和光盘存储器记录信息的原理有何不同?
29.试从存储容量、存取速度、使用寿命和应用场合方面比较磁盘、磁带和光盘存储器。
30.写出1100、1101、1110、1111对应的海明码。
(1)按配偶原则配置;
(2)按配奇原则配置。
31.已知接受到的海明码(按配偶原则配置)为1100100,1100111,1100000,1100001,检查上述代码是否出错?
第几位出错?
32.已知接收到下列海明码,分别写出它们所对应的欲传送代码。
1100000(按偶性配置);
1100010(按偶性配置);
1101001(按偶性配置);
0011001(按奇性配置);
1000000(按奇性配置);
1110001(按奇性配置);
33.欲传送的二进制代码为1001101,用奇校验来确定其对应的海明码,若在第六位出错,说明它的纠错过程。
34.为什么海明码纠错过程中,新的检测位P4P2P1的状态即指出了编码中错误的信息位?
35.设有效信息为1100,试用生成多项式G(x)=1011,将其编成循环冗余校验码。
36.有一个(7,4)码,其生成多项式G(x)=x3+x+1,写出代码1001的循环冗余校验码。
第四章存储器习题部分答案
1、答:
主存:
与CPU直接交换信息,用来存放数据和程序的存储器。
辅存:
主存的后援存储器,用来存放当前暂时不用的程序和数据,不予CPU直接交换信息。
CACHE:
为了解决CPU和主存的速度匹配,提高访存速度的一种存储器,它设在主存与CPU间,起缓冲作用。
RAM:
可读可写存储器,是随机存取的,在程序执行过程中既可读出也可写入,而且存取时间与存储单元所在位置无关。
SRAM:
静态RAM,以触发器原理寄存信息。
DRAM:
动态RAM,以电容充放电原理寄存信息。
ROM:
只能对其存储的内容读出,而不能对其写入的只读存储器。
PROM:
可实现一次性编程的只读存储器。
EPROM:
可擦洗可编程的只读存储器,用紫外线照射进行擦写。
EEPROM:
用电气方法进行擦写的可擦洗可编程的只读存储器。
CDROM:
只读型光盘,此中光盘内数据程序由厂家事先写入,用户只能读出,不能修改或写入新的内容。
FlashMemory:
快擦型存储器,是性能价格比号,可靠性高的可擦写非易失型存储器。
2、答:
计算机中有以下部件可以存储信息:
寄存器、缓存、主存、磁盘、磁带等。
速度上:
寄存器>缓存>主存>磁盘>磁带
容量上:
寄存器<缓存<主存<磁盘<磁带
价格/位:
寄存器>缓存>主存>磁盘>磁带
3、答:
(1)存储器的层次结构主要体现在:
缓存-主存和主存-缓存这两个存储层次上。
(2)从CPU的角度来看,缓存-主存这一层次的速度接近于缓存,高于主存,其容量和位价却接近于主存。
从主存-缓存这一层次,其速度接近于主存,容量接近辅存,平均位价也接近于辅存,从而解决了速度、容量、成本这三者间的矛盾。
(3)主存与缓存之间的数据调动是由硬件自动完成的,CPU不能直接访问辅存,辅存只能与主存交换数据,他们之间的信息调动均由硬件和操作系统来实现。
4、答:
存取周期:
是指存储器进行连续两次独立的存储器操作(如连续两次读操作)所需的最小间隔时间。
存取时间:
是指启动一次存储器操作(读或写)到完成该操作所需的全部时间。
由概念可知,这两个概念是有很大区别的,通常存取周期大于存取时间。
5、答:
(1)存储器带宽:
每秒从存储器进出信息的最大数量。
(2)带宽=32bit/200ns=160M位/秒
7、答:
因为容量为16K×32,所以需地址线14根,数据线32根,总和是46根。
需要128片1K×4,32片2K×8,32片4K×4,32片16K×1,16片4K×8,8片8K×8
8、答:
静态RAM是触发器存储信息,因此即使信息读出后,它仍保持其原状态,不需要在城,但电源掉电时,原存信息丢失。
动态RAM靠电容存储电荷的原理来寄存信息,即使电源不掉电,信息也会自动消失。
动态RAM的优点:
①在同样大小的芯片中,动态RAM的集成度远高于静态RAM,如动态RAM的基本单元电路为一个MOS管,静态RAM的基本单元电路为六个MOS管;②动态RAM行、累地址按先后顺序输送,减少了芯片引脚,封装尺寸也减少;③动态RAM的功耗仅为静态RAM的1/6;动态RAM的价格仅为静态RAM的1/4
动态RAM的缺点:
①由于使用动态元件,因此他的速度比静态RAM低;②动态RAM需要再生,故需配置再生电路,也需要消耗一部分功率。
15、答:
(1)见下图
(2)第一片0000H~1FFFH,第二片2000H~3FFFH,……,第八片E000H~FFFFH
(3)说明译码器有误,第六根线的输出始终是0。
24、答:
见下图
30、答:
配奇:
1010100,0111101,1111110,0010111
配偶:
0111100,1010101,0010110,1111111
31、答:
1100100第6位错,1100111第7位错,1100000第3位错,1100001第4位错
32、答:
1100000欲传送代码是1000,1100010欲传送代码是0110,1101001欲传送代码是0001,
0011001欲传送代码是1000,1000000欲传送代码是0010,1110001欲传送代码是1001
35、答:
1101100
36、答:
1001110
第五章思考题与习题
1.I/O有哪些编址方式?
各有何特点?
2.简要说明CPU与I/O之间传递信息可采用哪几种联络方式?
它们分别用于什么场合?
3.I/O与主机交换信息时,共有哪几种控制方式?
简述它们的特点。
4.试比较程序查询方式、程序中断方式和DMA方式对CPU工作效率的影响。
5.图形显示和图像显示有何区别?
6.字符显示器的接口电路中配有缓冲存储器和只读存储器,各有何作用?
7.试比较针式打印机、激光打印机和喷墨打印机。
8.某计算机的I/O设备采用异步串行传
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