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1章习题及解答
1-4冯·诺依曼计算机体系的基本思想是什么?
按此思想设计的计算机硬件系统应由哪些部件组成?
各起什么作用?
答:
冯•诺依曼计算机体系的基本思想是:
(1)计算机内部采用二进制来表示指令和数据。
(2)将编好的程序和原始数据事先存入存储器中,然后再启动计算机工作,使计算机在不需要人工干预的情况下,自动、高速地从存储器中取出指令加以执行。
(3)计算机由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。
1-5计算机系统从功能上可划分为哪些层次?
各层次在计算机中起什么作用?
答:
有五级
第一级是微程序设计级。
这是一个实在的硬件级,它由机器硬件直接执行微指令。
第二级是一般机器级,也称为机器语言级,它由微程序解释机器指令系统。
这一级也是硬件级。
第三级是操作系统级。
它由操作系统程序实现,称为混合级。
操作系统由机器指令和广义指令组成。
广义指令是指操作系统定义和解释的软件指令。
第四级是汇编语言级。
一级由汇编程序支持和执行。
第五级是高级语言级。
这是面向用户的,为方便用户编写应用程序而设置的。
1-6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:
因为硬件和软件在逻辑中逻辑上等价,媒介是固件(将程序固定在ROM中组成的部件)。
固件是一种软件特性的硬件,它既具有硬件的快速性特点,又有软件的灵活性特点。
这是软件和硬件相互转化的典型实例。
第2章 习题及解答
2-2 将下列十进制表示成二进制浮点规格化的数(尾数取12位,包括一位符号位;阶取4位,包括一位符号位),并写出它的原码、反码、补码三和阶移尾补四种码制形式;
(1)7.75
解:
X=7.75=(111.11)2=0.11111×211
[X]原=0011×0.11111000000
[X]反=0011×0.11111000000
[X]补=0011×0.11111000000
[X]阶称,尾补=1011×0.11111000000
(2)–3/64
解:
X=-3/64=(-11/26)2=(-0.00001)2=-0.11×2-100
[X]原=1100×1.11000000000
[X]反=1011×1.00111111111
[X]补=1100.010********
[X]阶称,尾补=0100.010********
(3)83.25
解:
X=-3/64=(1010011.01)2=0.101001101×2111
[X]原=0111×0.101001101
[X]反=[X]补=[X]原
[X]阶称,尾补=1111×0.10100110
(4)–0.3125
解:
X=(–0.3125)10=(-0.0101)2=-0.101×2-1
[X]原=1001×1.10100000000
[X]反=1110.010********
[X]补=1111×1.01100000000
[X]阶称,尾补=0111×1.01100000000
2-4 已知x和y,用变形补码计算x+y,并对结果进行讨论。
(2)x=0.11101,y=-0.10100
解:
[X]补=00.11101,[Y]补=11.01100,[-Y]补=00.10100
[X]补+[Y]补=00.11101+11.01100=00.01001
X+Y=0.01001
[X]补-[Y]补=[X]补+[-Y]补=00.11101+00.10100=01.10001
X+Y正溢
(3)x=-0.10111,y=-0.11000
解:
[X]补=11.01001,[Y]补=11.01000,[-Y]补=00.11000
[X]补+[Y]补=11.01001+11.01000=11.10001
X+Y=-.011111
[X]补-[Y]补=[X]补+[-Y]补=11.01001+00.11000=00.00001
X-Y=0.00001
2-5 已知x和y,用变形补码计算x-y,并对结果进行讨论。
(1) x=0.11011,y=0.11101
解:
[X]补=00.11011,[Y]补=00.11101,[-Y]补=11.00011
[X]补+[Y]补=00.11011+00.11101=01.11000X+Y正溢
[X]补-[Y]补=[X]补+[-Y]补=00.11011+11.00011=11.11110X-Y=-0.00010
(2) x=0.11111,y=-0.11001
解:
[X]补=00.11111,[Y]补=11.00111,[-Y]补=00.11001
[X]补+[Y]补=00.11111+11.00111=00.00110
X+Y=0.00110
[X]补-[Y]补=[X]补+[-Y]补=00.11111+00.11001=01.1100X-Y正溢
2-6 用原码一位乘法和补码一位乘法计算x×y=?
(2) x=-0.11010,y=-0.01011
解|x|=00.11010(用双符号表示),|y|=0.01011(用单符号表示)
部分积乘数yn说明
00.0解|x|=00.11010(用双符号表示),|y|=0.01011(用单符号表示)
部分积乘数yn说明
00.000000.01011yn=1,加|x|
+00.11010
00.11010001011
00.0110100.0101右移一位得p1
+00.11010yn=1,加|x|
01.0011100.0101
00.10011100.010右移一位得p2
+00.00000yn=0,加0
00.10011100.010
00.010001100.01右移一位得p3
+00.11010yn=1,加|x|
01.000101100.01
00.1000111100.0右移一位得p4
+00.00000yn=1,加|x|
00.1000111100.1
00.01000111100.右移一位得p5
ps=xs⊕ys=1⊕1=0
|p|=|x|•|y|=0.0100011110
所以[x•y]原=0.100011110
解[x]补=11.00110,[–x]补=00.11010(用双符号表示),[y]补=1.10101(用单符号表示)
部分积乘数ynyn+1说明
00.000001.101010
+00.11010ynyn+1=10.加[–x]补
00.11010
00.0110101.10101右移一位得p1
+11.00110ynyn+1=01.加[x]补
11.10011
11.11001101.1010右移一位得p2
+00.11010ynyn+1=10.加[–x]补
00.10011
00.010011101.101右移一位得p3
11.00110ynyn+1=01加[x]补
11.01111
11.1011111101.10右移一位得p4
+00.11010ynyn+1=10.加[–x]补
001000111101.10
0001000111101.1ynyn+1=11右移
00001000111101.最后不移位
[x•y]补.010*******
2-7 用补码两位乘法计算x×y=?
(1) x=0.10110,y=-0.00011
答案为:
[x•y]补=1.1110111110
解解[x]补=000.10110,[-x]补=111.01010,2[-x]补=110.10100,2[x]补=001.01100
[y]补=1.11101(尾数为5,是偶数,用单符号位表示)
部分积乘数ynyn+1说明
000.000001.111010
000.10110yn-1ynyn+1=010加[x]补
000.10110
000.00101101.1110右移两位
111.01010yn-1ynyn+1=110加[-x]补
111.01111101.1110
111.1101111101.11右移两位
000.00000yn-1ynyn+1=1110
111.1101111101.11最后的位移一位
111.11101111101.1
故[x×y]补=1.1110111110
2-8 用原码不恢复余数法和补码不恢复余数法计算x÷y=?
(1) x=0.10101,y=0.11011
原码不恢复余数法
[|x|]补=00.10101,[|y|]补=00.11011,[–|y|]补=11.00101(用双符号表示)
被除数x/余数r商数q说明
00.10101
+[–|y|]补11.00101减去除数
11.110100余数为负,商上0
←11.101000r和q左移一位
+[|y|]补00.11011加上除数
00.011110.1余数为正,商上1
←00.111100.1r和q左移一位
+[–|y|]补11.00101减去除数
00.000110.11余数为正,商上1
←00.001100.11r和q左移一位
+[–|y|]补11.00101减去除数
11.010110.110余数为负,商上0
←10.101100.110r和q左移一位
+[|y|]补00.11011加上除数
11.100010.1100余数为负,商上0
←11.000100.110r和q左移一位
+[|y|]补00.11011加上除数
11.111010.11000余数为负,商上0
QS=XS⊕YS=0⊕0=0
答案为:
[x/y]原=0.11000,
解[x]补=00.10101,[y]补=00.11011,[–y]补=11.00101(用双符号表示)
被除数x/余数r商数q说明
00.10101
+[-y]补11.00101x和y同号,[x]补+[-y]补
11.110100余数与y异号,商上0
←11.101000r和q左移一位
+[y]补00.110110.1加上除数
00.011110.1余数与y同号,商上1,
←0.0111100.1r和q左移一位
+[y]补11.0010101减去除数
00.000110.11余数与y同号,商上1
←0.0001100.11r和q左移一位
+[–y]补11.00101减去除数
11.010011.110余数与y异号,商上0
←10.100101.011r和q左移一位
+[y]补00.11011加上除数
11.100011.0110余数与y异号,商上0
←11.000101.011r和q左移一位
+[y]补00.11011加上除数
11.111011.01100余数与y异号,商上0
不能除尽,商为正,不需校正:
[x/y]补=[x/y]补=0.11000,
答案为:
[x/y]原=0.11000,[x/y]补=0.11000,
2-9 设数的阶码为3位,尾数为6位(均不包括符号位),按机器补码浮点运算步骤,完成下列[x+y]补,和[x-y]补的运算;
(1) x=2-011×0.100100,y=2-010×(-0.011010)
解:
为了便于直观理解,假设两数均以补码表示,阶码采用双符号位,尾数采用双符号位,则它们的浮点表示分别为:
[X]补=11.101,00.100100
[Y]补=11.110,11.100110[-Y]补=11.110,00.011010
(1)求阶差并对阶:
[-Ey]补=00.010
ΔE=Ex–Ey=[Ex]补+[-Ey]补=11.101+00.010=11111
即ΔE为–1,x的阶码小,应使Mx右移1位,Ex加1,
[X]浮=11.110,00.010010
(2)尾数和差
[Mx]补+[My]补=00.010010+11.100110=11.111000
[Mx]补-[My]补=00.010010+00.011010=00.101100
(3)规格化处理
尾数运算结果的符号位与最高数值位为同值,
[Mx]补+[My]补应执行左规3位,阶减3,
结果为11.000000,阶码为11011。
[Mx]补-[My]补不要规格化
(4)判溢出
阶码符号位为11,不溢出,故得最终结果为x+y=2-101×(-1)=2-5×(-1)
x-y=2-010×(0.101100)
2-10 如何判断浮点数据运算的溢出?
答:
用阶的降号位
2-12 影响加法器速度的主要因素是什么?
如何提高加法器的工作速度?
答:
是生产进位传递时间,采用分组进位的方法,组内并行进位,组间并行进位。
2-13某加法器最低进位为第0位,分别按串行进位方式和并行进位方式写出进位信号C4的逻辑表达式(从原始输入到产生C4)。
串行进位C1=G1+P1C0,C1=G2+P2C1,C3=G3+P3C2,C4=G4+P4C3,
32位三重进位方式
并行进位C1=G1+P1C0
C2=G2+P2C1=G2+P2(G1+P1C0)=G2+P2G1+P2P1C0
C3=G3+P3C2=G3+P3(G2+P2C1)=G3+P3G2+P3P2G1+P3P2P1C0
C4=G4+P4G3+P4P3G2+P4P3P2G1+P4P3P2P1C0
2-14某加法器采用组内并行、组间并行的进位链,四位一组,写出进位信号C6的逻辑表达式。
C6=G6+P6G5+P6P5(G*1+P*1C0)
2-15利用74181和74182芯片构成一个32位的ALU,采用多级分组并行进位链。
第3章习题解答
3-1解释下列名词:
存储元,存储单元,存储体,存储容量,存取周期。
答:
基本存储元是用来存储一位二进制信息0或1。
存储单元需要n个存储元才能组成一个存储单元。
存储体是存储单元的集合。
存储容量就是存储器可以容纳的二进制信息的数量,常以字节(Byte)为单位。
存储周期时间是指存储器完成一次的存取操作所需的时间,即存储器进行两次连续、独立的操作(或读写)之间所需的时间,用TM表示。
3-3存储器的功能是什么?
答:
存储器是计算机中信息的存放地,是CPU与外界进行数据交流的窗口,是计算机中的核心组成部分。
3-6为什么动态RAM需要刷新?
常用的刷新方式有哪几种?
答:
动态RAM存在电容,电容放电需要刷新,常用的刷新有集中式刷新,分散式刷新,异步刷新三种
3-8八体交叉主存系统,每体并行读出两个字,每字长两字节,主存周期为T,求存储器最大频宽。
答:
频宽为单位时间读出的二进制位数W=Q/T
Q为读出信息的总量Q=2×2×8B=32B
W=32B/T
3-9设主存容量为4MB,如果分别采用字为32位或16位编址,则需要地址码至少多少位?
如果系统允许字节编址,则需要地址码至少多少位?
答:
4MB=4×220B=222B
32位编址222B/22B=220需要地址码为20位
16位编址222B/2B=221需要地址码为21位
允许字节编址需要地址码为22位
3-11设有一个具有14位地址和8位字长的存储器,问:
(1)该存储器能存储多少字节的信息?
(2)如果存储器由4K×4位RAM芯片组成,需要多少片?
(3)需要多少位地址作芯片选择?
答:
(1)14位214B=24KB=16KB
(2)
片
(3)14位->12位高2位地址作芯片选择。
3-12有一个4K×16位的存储器,由1K×4位的DRAM芯片构成(芯片内部结构是64×64),问:
(1)总共需要多少DRAM芯片?
(2)设计此存储体组成框图。
(3)采用异步刷新方式,如单元刷新间隔不超过2ms,则刷新信号周期是多少?
(4)如采用集中刷新方式,存储器刷新一遍最少用多少读/写周期?
答:
(1)
片
(2)字向4片,位向4片组成4行×4列的矩阵,地址线A0-A9直接接1k×4芯片的地址,A10和A11经译码器译出4根地址分别接向每一行的1k×4芯片的片选信号,第一列1k×4的4位数据线接总芯片的D0-D3,第二列1k×4的4位数据线接总芯片的D4-D7,第三列1k×4的4位数据线接总芯片的D8-D11,第四列1k×4的4位数据线接总芯片的D12-D15,
(3)2ms/64=31.25üS取31üS
(4)64周期
3-14某高速缓冲存储器与主存采用组相联映像方式,Cache存储器容量为32字块,分为8组,主存容量为4096字块,每块64字。
(1)主存地址有多少位?
(2)主存地址字段如何划分?
各字段各需要多少位?
解:
(1)Cache32字块为258组23
主存4096×64=212×26==21818位地址
主存地址字段如何划分为
936
标记
组
块内
3-15设在具有高速缓存的计算机中,如果程序对字块的要求依次为
B1B7B6B7B3B6B4B7B5B7B2
设Cache容量为3个字块,且开始时Cache为空,求用FIFO和LRU算法时各自的命中率。
解:
LRU不中中FIFO不中中
B1B11B11
0
B7B1B71B1B71
1`0
B6B1B7B61B1B7B61
210
B7B1B7B61B1B7B61
301
B3B3B7B61B7B6B31
012
B6B1B7B61B7B6B31
120
B4B3B4B61B6B3B41
201
B7B7B4B61B3B4B71
012
B5B7B4B51B4B7B51
120
B7B7B4B61B4B7B51
031
B2B7B2B61B7B5B21
102
LRU为3/11FIFO为3/11
第4章习题与解答
4-1什么是指令?
什么是指令系统?
如何评价一个指令系统的性能优劣?
答:
指令就是要计算机执行某种操作的命令,因又称为机器指令。
一台计算机中所有机器指令的集合,称为这台计算机的指令系统。
从完备性,高效性、规整性和兼容性几个方面进行评价。
4-2什么叫做寻址方式?
寻址方式有哪几类?
操作数基本寻址方式有哪几种?
每种寻址方式有效地址的数学形式如何表达?
答:
所谓寻址方式,就是寻找该操作数或指令的有效地址的方式。
寻址方式有2类,寻找该操作数或指令的有效地址
操作数基本寻址方式有
(1)隐含寻址,指令中隐含着操作数的地址;
(2)立即寻址指令的地址字段指出的不是操作数的地址,而是操作数本身;
(3)寄存器寻址操作数放在CPU的通用寄存器中;
(4)直接寻址EA=(A)
(5)间接寻址EA=((A))
(6)相对寻址方式EA=(PC)+D
(7)变址和基址寻址方式
(8)复合寻址方式
(9)块寻址方式
(10)段寻址方式
4-5某机16位字长指令格式如下:
其中:
D为形式地址,补码表示(包括号一位符号位)。
M为寻址方式M=0立即寻址;
M=1直接寻址(此时D视为无符号数);
M=2间接寻址;
M=3变址寻址(变地址寄存器为RX);
M=4相对寻址
试问:
(1)该指令格式能定义多少种不同的操作?
立即寻址操作数的范围是多少?
(2)写出各种寻址方式计算有效地址的表达式。
(3)当M=1、2、4时,能访问的最大主存区为多少机器字(主存容量为64K字)?
答:
(1)该指令格式能定义25=32种不同的操作;立即寻址操作数的范围是(-128,128)
(2)M=0Data=D
M=1EA=AData=(D)
M=2EA=(A)Data=((D))
M=3EA=(RX)+D
M=4EA=(PC)+D
(3)M=1范围28=256
M=2范围216=64K字
M=4范围216=64K字
4-6基址寻址与变址寻址有什么不区别?
答:
变址寻址和基址寻址的地址计算方
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