计算机组成原理的相关课后习题答案.docx
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计算机组成原理的相关课后习题答案
第一章概论
1.电子数字计算机和电子模拟计算机的区别在哪里?
解:
电子数字计算机中处理的信息是在时间上离散的数字量,运算的过程是不连续的;电子模拟计算机中处理的信息是连续变化的物理量,运算的过程是连续的。
2.冯·诺依曼计算机的特点是什么?
其中最主要的一点是什么?
解:
冯·诺依曼计算机的特点如下:
①计算机(指硬件)应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成;
②计算机内部采用二进制来表示指令和数据;
③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。
第③点是最主要的一点。
3.计算机的硬件是由哪些部件组成的?
它们各有哪些功能?
解:
计算机的硬件应由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备五大基本部件组成。
它们各自的功能是:
①输入设备:
把人们编好的程序和原始数据送到计算机中去,并且将它们转换成计算机内部所能识别和接受的信息方式。
②输出设备:
将计算机的处理结果以人或其他设备所能接受的形式送出计算机。
③存储器:
用来存放程序和数据。
④运算器:
对信息进行处理和运算。
⑤控制器:
按照人们预先确定的操作步骤,控制整个计算机的各部件有条不紊地自动工作。
4.什么叫总线?
简述单总线结构的特点。
解:
总线是一组能为多个部件服务的公共信息传送线路,它能分时地发送与接收各部件的信息。
单总线结构即各大部件都连接在单一的一组总线上,这个总线被称为系统总线。
CPU与主存、CPU与外设之间可以直接进行信息交换,主存与外设、外设与外设之间也可以直接进行信息交换,而无须经过CPU的干预。
6.计算机系统的主要技术指标有哪些?
解:
计算机系统的主要技术指标有:
机器字长、数据通路宽度、主存容量和运算速度等。
机器字长是指参与运算的数的基本位数,它是由加法器、寄存器的位数决定的。
数据通路宽度是指数据总线一次所能并行传送信息的位数。
主存容量是指主存储器所能存储的全部信息量。
运算速度与机器的主频、执行什么样的操作、主存本身的速度等许多因素有关。
第二章数据的机器层次表示
1.设机器数的字长8位(含1位符号位),分别写出下列各二进制数的原码、补码和
反码:
0,-0,0.1000,-0.1000,0.1111,-0.1111,1101,-1101。
3.已知下列数的原码表示,分别写出它们的补码表示:
[X1]原=0.10100,[X2]原=1.10111。
解:
[X1]补=0.10100,[X2]补=1.01001。
4.已知下列数的补码表示,分别写出它们的真值:
[X1]补=0.10100,[X2]补=1.10111。
解:
X1=0.10100,X2=-0.01001。
11.某浮点数字长12位,其中阶符1位,阶码数值3位,数符1位,尾数数值7位,阶码以2为底,阶码和尾数均用补码表示。
它所能表示的最大正数是多少?
最小规格化正数是多少?
绝对值最大的负数是多少?
12.某浮点数字长16位,其中阶码部分6位(含1位阶符),移码表示,以2为底;尾
数部分10位(含1位数符,位于尾数最高位),补码表示,规格化。
分别写出下列各题的二
进制代码与十进制真值。
(1)非零最小正数;
(2)最大正数;
(3)绝对值最小负数;
(4)绝对值最大负数。
15.某浮点数字长32位,格式如下。
其中阶码部分8位,以2为底,移码表示;尾数部分一共24位(含1位数符),补码表示。
现有一浮点代码为(8C5A3E00)16,试写出它所表示的十进制真值。
18.将下列IEEE短浮点数转换为十进制数:
(1)11000000111100000000000000000000;
(2)00111111000100000000000000000000;
(3)01000011100110010000000000000000;
(4)01000000000000000000000000000000;
(5)01000001001000000000000000000000;
(6)00000000000000000000000000000000。
19.对下列ASCII码进行译码:
1001001,0100001,1100001,1110111
1000101,1010000,1010111,0100100
20.以下列形式表示(5382)10。
(1)8421码; (2)余3码;
(3)2421码; (4)二进制数。
22.已知下面数据块约定:
横向校验、纵向校验均为奇校验,请指出至少有多少位出错。
23.求有效信息位为01101110的海明校验码。
24.设计算机准备传送的信息是:
1010110010001111,生成多项式是X5+X2+1,计算校验位,写出CRC码。
第三章指令系统
1.指令长度和机器字长有什么关系?
半字长指令、单字长指令、双字长指令分别表示什么意思?
解:
指令长度与机器字长没有固定的关系,指令长度可以等于机器字长,也可以大于或小于机器字长。
通常,把指令长度等于机器字长的指令称为单字长指令;指令长度等于半个机器字长的指令称为半字长指令;指令长度等于两个机器字长的指令称为双字长指令。
2.零地址指令的操作数来自哪里?
一地址指令中,另一个操作数的地址通常可采用什么寻址方式获得?
各举一例说明。
解:
双操作数的零地址指令的操作数来自堆栈的栈顶和次栈顶。
双操作数的一地址指令的另一个操作数通常可采用隐含寻址方式获得,即将另一操作数预先存放在累加器中。
例如,前述零地址和一地址的加法指令。
4.设某机为定长指令字结构,指令长度12位,每个地址码占3位,试提出一种分配
方案,使该指令系统包含:
4条三地址指令,8条二地址指令,180条单地址指令。
7.试比较间接寻址和寄存器间址。
解:
间接寻址方式的有效地址在主存中,操作数也在主存中;寄存器间址方式的有效地址在寄存器中,操作数在主存中。
所以间接寻址比较慢。
第四章数值的机器运算
1.证明在全加器里,进位传递函数
。
解:
并行加法器中的每一个全加器都有一个从低位送来的进位和一个传送给较高位的进位。
进位表达式为
欲证明
,也就是要证明
用卡诺图法,图4-10(a)和4-10(b)分别是两个逻辑表达式的卡诺图。
两个卡诺图相同,两个逻辑表达式就相等,则进位传递函数的两种形式相等。
2.某加法器采用组内并行、组间并行的进位链,4位一组,写出进位信号C6的逻辑表达式。
3.设计一个9位先行进位加法器,每3位为一组,采用两级先行进位线路。
4.已知X和Y,试用它们的变形补码计算出X+Y,并指出结果是否溢出。
(1)X=0.11011,Y=0.11111
(2)X=0.11011,Y=-0.10101
(3)X=-0.10110,Y=-0.00001
(4)X=-0.11011,Y=0.11110
5.已知X和Y,试用它们的变形补码计算出X-Y,并指出结果是否溢出。
(1)X=0.11011,Y=-0.11111
(2)X=0.10111,Y=0.11011
(3)X=0.11011,Y=-0.10011
(4)X=-0.10110,Y=-0.00001
9
7.设下列数据长8位,包括1位符号位,采用补码表示,分别写出每个数据右移或左移2位之后的结果。
(1)0.1100100
(2)1.0011001
(3)1.1100110
(4)1.0000111
第五章存储系统和结构
1.如何区别存储器和寄存器?
两者是一回事的说法对吗?
解:
存储器和寄存器不是一回事。
存储器在CPU的外边,专门用来存放程序和数据,访问存储器的速度较慢。
寄存器属于CPU的一部分,访问寄存器的速度很快。
2.存储器的主要功能是什么?
为什么要把存储系统分成若干个不同层次?
主要有哪些层次?
解:
存储器的主要功能是用来保存程序和数据。
存储系统是由几个容量、速度和价格各不相同的存储器用硬件、软件、硬件与软件相结合的方法连接起来的系统。
把存储系统分成若干个不同层次的目的是为了解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾。
由高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器构成的三级存储系统可以分为两个层次,其中高速缓存和主存间称为Cache-主存存储层次(Cache存储系统);主存和辅存间称为主存—辅存存储层次(虚拟存储系统)。
4.SRAM记忆单元电路的工作原理是什么?
它和DRAM记忆单元电路相比有何异同点?
解:
SRAM记忆单元由6个MOS管组成,利用双稳态触发器来存储信息,可以对其进行读或写,只要电源不断电,信息将可保留。
DRAM记忆单元可以由4个和单个MOS管组成,利用栅极电容存储信息,需要定时刷新。
5.动态RAM为什么要刷新?
一般有几种刷新方式?
各有什么优缺点?
解:
DRAM记忆单元是通过栅极电容上存储的电荷来暂存信息的,由于电容上的电荷会随着时间的推移被逐渐泄放掉,因此每隔一定的时间必须向栅极电容补充一次电荷,这个过程就叫做刷新。
常见的刷新方式有集中式、分散式和异步式3种。
集中方式的特点是读写操作时不受刷新工作的影响,系统的存取速度比较高;但有死区,而且存储容量越大,死区就越长。
分散方式的特点是没有死区;但它加长了系统的存取周期,降低了整机的速度,且刷新过于频繁,没有充分利用所允许的最大刷新间隔。
异步方式虽然也有死区,但比集中方式的死区小得多,而且减少了刷新次数,是比较实用的一种刷新方式。
6.一般存储芯片都设有片选端
,它有什么用途?
解:
片选线
用来决定该芯片是否被选中。
=0,芯片被选中;
=1,芯片不选中。
7.DRAM芯片和SRAM芯片通常有何不同?
解:
主要区别有:
①DRAM记忆单元是利用栅极电容存储信息;SRAM记忆单元利用双稳态触发器来存储信息。
②DRAM集成度高,功耗小,但存取速度慢,一般用来组成大容量主存系统;SRAM的存取速度快,但集成度低,功耗也较大,所以一般用来组成高速缓冲存储器和小容量主存系统。
③SRAM芯片需要有片选端
,DRAM芯片可以不设
,而用行选通信号
、列选通
兼作片选信号。
④SRAM芯片的地址线直接与容量相关,而DRAM芯片常采用了地址复用技术,以减少地址线的数量。
10.一个1K×8的存储芯片需要多少根地址线、数据输入线和输出线?
解:
需要10根地址线,8根数据输入和输出线。
12.一个容量为16K×32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?
1K×4位,2K×8位,4K×4位,16K×1位,4K×8位,8K×8位。
解:
地址线14根,数据线32根,共46根。
若选用不同规格的存储芯片,则需要:
1K×4位芯片128片,2K×8位芯片32片,4K×4位芯片
32片,16K×1位芯片32片,4K×8位芯片16片,8K×8位芯片8片。
23.什么是高速缓冲存储器?
它与主存是什么关系?
其基本工作过程如何?
解:
高速缓冲存储器位于主存和CPU之间,用来存放当前正在执行的程序段和数据中的活跃部分,使CPU的访存操作大多数针对Cache进行,从而使程序的执行速度大大提高。
高速缓冲存储器的存取速度接近于CPU的速度,但是容量较小,它保存的信息只是主存中最急需处理的若干块的副本。
当CPU发出读请求时,如果Cache命中,就直接对Cache进行读操作,与主存无关;如果Cache不命中,则仍需访问主存,并把该块信息一次从主存调入Cache内。
若此时Cache已满,则须根据某种替换算法,用这个块替换掉Cache中原来的某块信息。
24.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?
解:
Cache做在CPU芯片内可以提高CPU访问Cache的速度。
将指令Cache和数据Cache分开的好处是分体缓存支持并行访问,即在取指部件取指令的同时,取数部件要取数据。
并且,指令在程序执行中一般不需要修改,故指令Cache中的内容不需写回到主存中去。
26.什么叫虚拟存储器?
采用虚拟存储技术能解决什么问题?
解:
虚拟存储器由主存储器和联机工作的辅助存储器(通常为磁盘存储器)共同组成,这两个存储器在硬件和系统软件的共同管理下工作,对于应用程序员,可以把它们看作是一个单一的存储器。
采用虚拟存储技术可以解决主存容量不足的问题。
虚拟存储器将主存和辅存的地址空间统一编址,形成一个庞大的存储空间。
在这个大空间里,用户可以自由编程,完全不必考虑程序在主存是否装得下以及这些程序将来在主存中的实际存放位置。
第六章中央处理器
4.中央处理器有哪些功能?
它由哪些基本部件所组成?
解:
从程序运行的角度来看,CPU的基本功能就是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的控制。
对于冯·诺依曼结构的计算机而言,数据流是根据指令流的操作而形成的,也就是说数据流是由指令流来驱动的。
中央处理器由运算器和控制器组成。
5.中央处理器中有哪几个主要寄存器?
试说明它们的结构和功能。
解:
CPU中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终结果及控制、状态信息的,它可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。
通用寄存器可用来存放原始数据和运算结果,有的还可以作为变址寄存器、计数器、地址指针等。
专用寄存器是专门用来完成某一种特殊功能的寄存器,如程序计数器PC、
指令寄存器IR、存储器地址寄存器MAR、存储器数据寄存器MDR、状态标志寄存器PSWR等。
8.什么是指令周期?
什么是CPU周期?
它们之间有什么关系?
解:
指令周期是指取指令、分析取数到执行指令所需的全部时间。
CPU周期(机器周期)是完成一个基本操作的时间。
一个指令周期划分为若干个CPU周期。
10.CPU中指令寄存器是否可以不要?
指令译码器是否能直接对存储器数据寄存器MDR中的信息译码?
为什么?
请以无条件转移指令JMPA为例说明。
解:
指令寄存器不可以不要。
指令译码器不能直接对MDR中的信息译码,因为在取指周期MDR的内容是指令,而在取数周期MDR的内容是操作数。
以JMPA指令为例,假设指令占两个字,第一个字为操作码,第二个字为转移地址,它们从主存中取出时都需要经过MDR,其中只有第一个字需要送至指令寄存器,并且进行指令的译码,而第二个字不需要送指令寄存器。
第七章外部设备
1.外部设备有哪些主要功能?
可以分为哪些大类?
各类中有哪些典型设备?
解:
外部设备的主要功能有数据的输入、输出、成批存储以及对信息的加工处理等。
外部设备可以分为五大类:
输入输出设备、辅助存储器、终端设备、过程控制设备和脱机设备。
其典型设备有键盘、打印机、磁盘、智能终端、数/模转换器和键盘-软盘数据站等。
2.说明磁介质存储器的存储原理。
解:
磁介质存储器的存储过程是一种电磁转换的过程。
在磁介质存储器中,信息是记录在一薄层磁性材料上的,这个薄层称为磁层。
磁层与所附着的载体称为记录介质或记录媒体。
磁头是磁记录设备的关键部件之一,是一种电磁转换元件,能把电脉冲表示的二进制代码转换成磁记录介质上的磁化状态,即电→磁转换;反过来,能把磁记录介质上的磁化状态转换成电脉冲,即磁→电转换。
5.主存储器与磁介质存储器在工作速度方面的指标有什么不同?
为什么磁盘存储器采用两个以上的指标来说明其工作速度?
解:
主存储器速度指标主要有存取速度和存取周期,而磁介质存储器速度指标为平均存取时间,这是因为磁介质存储器采用顺序存取或直接存取方式。
磁盘存储器的平均存取时间至少应当包括平均寻道时间和平均等待时间两部分,因为磁盘存储器首先需要将磁头移动到指定的磁道上,然后将记录块旋转到磁头下方才能进行读写。
10.什么是光盘?
简述光盘的工作原理。
解:
相对于利用磁通变化和磁化电流进行读写的磁盘而言,用光学方式读写信息的圆盘称为光盘,以光盘为存储介质的存储器称为光盘存储器。
CD唱ROM光盘上有一条从内向外的由凹痕和平坦表面相互交替而组成的连续的螺旋形路径,当一束激光照射在盘面上,靠盘面上有无凹痕的不同反射率来读出程序和
数据。
CD唱R光盘的写入是利用聚焦成1μm左右的激光束的热能,使记录介质表面的形状发生永久性变化而完成的,所以只能写入一次,不能抹除和改写。
CD唱RW光盘是利用激光照射引起记录介质的可逆性物理变化来进行读写的,光盘上有一个相位变化刻录层,所以CD唱RW光盘又称为相变光盘。
11.键盘属于什么设备?
它有哪些类型?
如何消除键开关的抖动?
简述非编码键盘查询键位置码的过程。
解:
键盘是计算机系统不可缺少的输入设备。
键盘可分为两大类型:
编码键盘和非编码键盘。
非编码键盘用较为简单的硬件和专门的键盘扫描程序来识别按键的位置。
消除键开关抖动的方法分硬件和软件两种。
硬件的方法是增设去抖电路;软件的方法是在键盘程序中加入延时子程序,以避开抖动时间。
键盘扫描程序查询键位置码的过程为:
①查询是否有键按下。
②查询已按下键的位置。
③按行号和列号求键的位置码。
12.说明针式打印和字模式打印有何不同?
各有什么优缺点?
解:
针式打印机利用若干根打印针组成的点阵来构成字符;字模式打印机将各种字符塑压或刻制在印字机构的表面上,印字机构如同印章一样,可将其上的字符在打印纸上印出。
针式打印机以点阵图拼出所需字形,不需要固定字模,它组字非常灵活,可打印各种字符和图形、表格和汉字等,字形轮廓一般不如字模式清晰;字模式打印机打印的字迹清晰,但字模数量有限,组字不灵活,不能打印汉字和图形。
15.某字符显示器,采用7×9点阵方式,每行可显示60个字符,缓存容量至少为1260字节,并采用7位标准编码,试问:
(1)如改用5×7字符点阵,其缓存容量为多少?
(设行距、字距不变———行距为5,字距为1。
)
(2)如果最多可显示128种字符,上述两种显示方式各需多大容量的字符发生器ROM?
解:
(1)因为显示器原来的缓存为1260B,每行可显示60个字符,据此可计算出显示器的字符行数:
1260÷60=21(行)
因为,原字符窗口=8×14=(7+1)×(9+5),现字符窗口=6×12=(5+1)×(7+5)。
所以,现显示器每行可显示80个字符,显示器可显示的字符行数为24行。
故缓存的容量为80×24=1920B。
(2)ROM中为行点阵码
7×9点阵方式:
128×9×7=1152×7(位)=1152(字节)
5×7点阵方式:
128×7×5=896×5(位)=896(字节)
注:
为存储方便,每个行点阵码占用一个字节。
第八章输入输出系统
1.什么是计算机的输入输出系统?
输入输出设备有哪些编址方式?
有什么特点?
解:
计算机的输入输出系统包括输入输出接口和输入输出信息传送控制方式等,它们是整个计算机系统中最具有多样性和复杂性的部分。
输入输出设备有两种编址方式:
I/O映射方式(独立编址)和存储器映射方式(统一编址),独立编址的优点是I/O指令和访存指令容易区分,外设地址线少,译码简单,主存空间不会减少,缺点是控制线增加了I/O读和I/O写信号;统一编址的优点是总线结构简单,全部访存类指令都可用于控制外设,可直接对外设寄存器进行各种运算,占用主存一部分地址,缩小了可用的主存空间。
2.什么是I/O接口?
I/O接口有哪些特点和功能?
接口有哪些类型?
解:
I/O接口是主机和外设之间的交接界面,通过接口可以实现主机和外设之间的信息交换。
接口的基本功能有:
实现主机和外设的通信联络控制;进行地址译码和设备选择;实现数据缓冲;完成数据格式的变换;传递控制命令和状态信息。
接口按数据传送方式分类,有串行接口和并行接口;按控制方式分类,有程序查询接口、程序中断接口、DMA接口;按灵活性分类,有可编程接口和不可编程接口;按通用性分类,有通用接口和专用接口;按I/O信号分类,有数字接口和模拟接口;按应用分类,有运行辅助接口、用户交互接口、传感接口、控制接口。
4.I/O数据传送可以采用哪些方式?
它们各有什么特点及应用场所?
试比较之。
解:
主机和外设之间的信息传送控制方式,经历了由低级到高级、由简单到复杂、由集中管理到各部件分散管理的发展过程,按其发展的先后次序和主机与外设并行工作的程度,可以分为4种。
程序查询方式是主机与外设间进行信息交换的最简单方式,输入和输出完全是通过CPU执行程序来完成的。
这种方式控制简单,但外设和主机不能同时工作,系统效率很低,因此,仅适用于外设的数目不多、对I/O处理的实时要求不高、CPU的操作任务比较单一、并不很忙的情况。
程序中断方式无需等待查询,外设在做好输入输出准备时,向主机发中断请求,主机接到请求后就暂时中止原来执行的程序,转去执行中断服务程序对外部请求进行处理,在中断处理完毕后返回原来的程序继续执行。
程序中断不仅适用于外部设备的输入输出操作,也适用于对外界发生的随机事件的处理。
由于完成一次程序中断还需要许多辅助操作,因此主要适用于中、低速外设。
DMA方式是在主存和外设之间开辟直接的数据通路,可以进行基本上不需要CPU
介入的主存和外设之间的信息传送,这样不仅能保证CPU的高效率,而且能满足高速外
设的需要。
DMA方式只能进行简单的数据传送操作,在数据块传送的起始和结束时还
需CPU及中断系统进行预处理和后处理。
I/O通道控制方式是DMA方式的进一步发展,在系统中设有通道控制部件,每个通道挂若干外设,主机在执行I/O操作时,只需启动有关通道,通道将执行通道程序,从而完成I/O操作。
5.程序查询方式、程序中断方式、DMA方式各自适用什么范围?
下面这些结论正确吗?
为什么?
(1)程序中断方式能提高CPU利用率,所以在设置了中断方式后就没有再应用程序查询方式的必要了。
(2)DMA方式能处理高速外部设备与主存间的数据传送,高速工作性能往往能覆盖低速工作要求,所以DMA方式可以完全取代程序中断方式。
解:
程序查询方式、程序中断方式、DMA方式各自适用的范围见前述。
(1)不正确。
程序查询方式接口简单,可用于外设与主机速度相差不大,且外设数量很少的情况。
(2不正确。
DMA方式用于高速外部设备与主存间的数据传送,但DMA结束时仍需程序中断方式做后处理。
9.什么是中断?
外部设备如何才能产生中断?
解:
中断是指:
计算机执行现行程序的过程中,出现某些急需处理的异常情况和特殊请求,CPU暂时中止现行程序,而转去对随机发生的更紧迫的事件进行处理,在处理完毕后,CPU将自动返回原来的程序继续执行。
外部设备(中断源)准备就绪后会主动向CPU发出中断请求。
通常由外设的完成信号将相应的中断
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