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组成原理作业标准答案

组成原理作业答案

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第一章计算机系统概论

5.冯•诺依曼计算机的特点是什么？

解：

冯•诺依曼计算机的特点是：

P8

●计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；

●指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；

●指令和数据均用二进制表示；

●指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；

●指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；

●机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。

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。

解：

P9-10

 主机：

是计算机硬件的主体部分，由CPU和主存储器MM合成为主机。

 CPU：

中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成；（早期的运算器和控制器不在同一芯片上，现在的CPU内除含有运算器和控制器外还集成了CACHE）。

 主存：

计算机中存放正在运行的程序和数据的存储器，为计算机的主要工作存储器，可随机存取；由存储体、各种逻辑部件及控制电路组成。

 存储单元：

可存放一个机器字并具有特定存储地址的存储单位。

 存储元件：

存储一位二进制信息的物理元件，是存储器中最小的存储单位，又叫存储基元或存储元，不能单独存取。

 存储字：

一个存储单元所存二进制代码的逻辑单位。

 存储字长：

一个存储单元所存二进制代码的位数。

 存储容量：

存储器中可存二进制代码的总量；（通常主、辅存容量分开描述）。

 机器字长：

指CPU一次能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。

 指令字长：

一条指令的二进制代码位数。

8.解释下列英文缩写的中文含义：

CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS

解：

全面的回答应分英文全称、中文名、功能三部分。

CPU：

CentralProcessingUnit，中央处理机（器），是计算机硬件的核心部件，主要由运算器和控制器组成。

PC：

ProgramCounter，程序计数器，其功能是存放当前欲执行指令的地址，并可自动计数形成下一条指令地址。

IR：

InstructionRegister，指令寄存器，其功能是存放当前正在执行的指令。

CU：

ControlUnit，控制单元（部件），为控制器的核心部件，其功能是产生微操作命令序列。

ALU：

ArithmeticLogicUnit，算术逻辑运算单元，为运算器的核心部件，其功能是进行算术、逻辑运算。

ACC：

Accumulator，累加器，是运算器中既能存放运算前的操作数，又能存放运算结果的寄存器。

MQ：

Multiplier-QuotientRegister，乘商寄存器，乘法运算时存放乘数、除法时存放商的寄存器。

X：

此字母没有专指的缩写含义，可以用作任一部件名，在此表示操作数寄存器，即运算器中工作寄存器之一，用来存放操作数；

MAR：

MemoryAddressRegister，存储器地址寄存器，在主存中用来存放欲访问的存储单元的地址。

MDR：

MemoryDataRegister，存储器数据缓冲寄存器，在主存中用来存放从某单元读出、或要写入某存储单元的数据。

I/O：

Input/Outputequipment，输入/输出设备，为输入设备和输出设备的总称，用于计算机内部和外界信息的转换与传送。

MIPS：

MillionInstructionPerSecond，每秒执行百万条指令数，为计算机运算速度指标的一种计量单位。

第3章系统总线

1.什么是总线？

总线传输有何特点？

为了减轻总线负载，总线上的部件应具备什么特点？

答：

P41.总线是多个部件共享的传输部件。

总线传输的特点是：

某一时刻只能有一路信息在总线上传输，即分时使用。

为了减轻总线负载，总线上的部件应通过三态驱动缓冲电路与总线连通。

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？

答：

总线判优控制解决多个部件同时申请总线时的使用权分配问题；

常见的集中式总线控制有三种：

链式查询、计数器定时查询、独立请求；

特点：

链式查询方式连线简单，易于扩充，对电路故障最敏感；计数器定时查询方式优先级设置较灵活，对故障不敏感，连线及控制过程较复杂；独立请求方式速度最快，但硬件器件用量大，连线多，成本较高。

5.解释下列概念：

总线宽度、总线带宽、总线复用、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。

答：

P46。

总线宽度：

通常指数据总线的根数；

总线带宽：

总线的数据传输率，指单位时间内总线上传输数据的位数；

总线复用：

指同一条信号线可以分时传输不同的信号。

总线的主设备（主模块）：

指一次总线传输期间，拥有总线控制权的设备（模块）；

总线的从设备（从模块）：

指一次总线传输期间，配合主设备完成数据传输的设备（模块），它只能被动接受主设备发来的命令；

总线的传输周期：

指总线完成一次完整而可靠的传输所需时间；

总线的通信控制：

指总线传送过程中双方的时间配合方式。

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？

答：

总线标准的设置主要解决不同厂家各类模块化产品的兼容问题；

目前流行的总线标准有：

ISA、EISA、PCI等；

plugandplay：

即插即用，EISA、PCI等具有此功能。

第四章

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？

答：

存储器的层次结构主要体现在Cache-主存和主存-辅存这两个存储层次上。

Cache-主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。

主存-辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。

综合上述两个存储层次的作用，从整个存储系统来看，就达到了速度快、容量大、位价低的优化效果。

主存与CACHE之间的信息调度功能全部由硬件自动完成。

而主存与辅存层次的调度目前广泛采用虚拟存储技术实现，即将主存与辅存的一部分通过软硬结合的技术组成虚拟存储器，程序员可使用这个比主存实际空间（物理地址空间）大得多的虚拟地址空间（逻辑地址空间）编程，当程序运行时，再由软、硬件自动配合完成虚拟地址空间与主存实际物理空间的转换。

因此，这两个层次上的调度或转换操作对于程序员来说都是透明的。

11.一个8K×8位的动态RAM芯片，其内部结构排列成256×256形式，存取周期为0.1μs。

试问采用集中刷新、分散刷新和异步刷新三种方式的刷新间隔各为多少？

解：

采用分散刷新方式刷新间隔为:

2ms，其中刷新死时间为：

256×0.1μs=25.6μs

采用分散刷新方式刷新间隔为：

256×（0.1μs+×0.1μs）=51.2μs

采用异步刷新方式刷新间隔为:

2ms

30.一个组相连映射的CACHE由64块组成，每组内包含4块。

主存包含4096块，每块由128字组成，访存地址为字地址。

试问主存和高速存储器的地址各为几位？

画出主存地址格式。

解：

cache组数：

64/4=16，Cache容量为：

64*128=213字，cache地址13位

主存共分4096/16=256区，每区16块

主存容量为：

4096*128=219字，主存地址19位，地址格式如下：

主存字块标记（8位）

组地址（4位）

字块内地址（7位）

第六章

12.设浮点数格式为：

阶码5位（含1位阶符），尾数11位（含1位数符）。

写出51/128、-27/1024所对应的机器数。

要求如下：

（1）阶码和尾数均为原码。

（2）阶码和尾数均为补码。

（3）阶码为移码，尾数为补码。

解：

据题意画出该浮点数的格式：

阶符1位

阶码4位

数符1位

尾数10位

   将十进制数转换为二进制：

x1=51/128=0.0110011B=2-1*0.110011B

  x2=-27/1024=-0.0000011011B=2-5*（-0.11011B）

则以上各数的浮点规格化数为：

（1）[x1]浮=1，0001；0.1100110000

[x2]浮=1，0101；1.1101100000

（2）[x1]浮=1，1111；0.1100110000

[x2]浮=1，1011；1.0010100000

（3）[x1]浮=0，1111；0.1100110000

[x2]浮=0，1011；1.0010100000

16．设机器数字长为16位，写出下列各种情况下它能表示的数的范围。

设机器数采用一位符号位，答案均用十进制表示。

（1）无符号数；

（2）原码表示的定点小数。

  （3）补码表示的定点小数。

  （4）补码表示的定点整数。

  （5）原码表示的定点整数。

  （6）浮点数的格式为：

阶码6位（含1位阶符），尾数10位（含1位数符）。

分别写出其正数和负数的表示范围。

  （7）浮点数格式同（6），机器数采用补码规格化形式，分别写出其对应的正数和负数的真值范围。

解：

（1）无符号整数：

0——216-1，即：

0——65535；

  无符号小数：

0——1-2-16，即：

0——0.99998；

（2）原码定点小数：

-1+2-15——1-2-15，即：

-0.99997——0.99997

（3）补码定点小数：

-1——1-2-15，即：

-1——0.99997

（4）补码定点整数：

-215——215-1，即：

-32768——32767

（5）原码定点整数：

-215+1——215-1，即：

-32767——32767

（6）据题意画出该浮点数格式，当阶码和尾数均采用原码，非规格化数表示时：

最大负数=1，11111；1.000000001，即-2-9⨯2-31

最小负数=0，11111；1.111111111，即-（1-2-9）⨯231

则负数表示范围为：

-（1-2-9）⨯231——-2-9⨯2-31

最大正数=0，11111；0.111111111，即（1-2-9）⨯231

最小正数=1，11111；0.000000001，即2-9⨯2-31

则正数表示范围为：

2-9⨯2-31——（1-2-9）⨯231

（7）当机器数采用补码规格化形式时，若不考虑隐藏位，则

最大负数=1，00000；1.011111111，即-2-1⨯2-32

最小负数=0，11111；1.000000000，即-1⨯231

则负数表示范围为：

-1⨯231——-2-1⨯2-32

最大正数=0，11111；0.111111111，即（1-2-9）⨯231

最小正数=1，00000；0.100000000，即2-1⨯2-32

则正数表示范围为：

2-1⨯2-32——（1-2-9）⨯231

17.设机器数字长为8位（包括一位符号位），对下列各机器数进行算术左移一位、两位，算术右移一位、两位，讨论结果是否正确。

[x1]原=0.0011010；[y1]补=0.1010100；[z1]反=1.0101111；

 [x2]原=1.1101000；[y2]补=1.1101000；[z2]反=1.1101000；

 [x3]原=1.0011001；[y3]补=1.0011001；[z3]反=1.0011001。

解：

算术左移一位：

[x1]原=0.0110100；正确

[x2]原=1.1010000；溢出（丢1）出错

[x3]原=1.0110010；正确

[y1]补=0.0101000；溢出（丢1）出错

[y2]补=1.1010000；正确

[y3]补=1.0110010；溢出（丢0）出错

[z1]反=1.1011111；溢出（丢0）出错

[z2]反=1.1010001；正确

[z3]反=1.0110011；溢出（丢0）出错

算术左移两位：

[x1]原=0.1101000；正确

[x2]原=1.0100000；溢出（丢11）出错

[x3]原=1.1100100；正确

[y1]补=0.1010000；溢出（丢10）出错

[y2]补=1.0100000；正确

[y3]补=1.1100100；溢出（丢00）出错

[z1]反=1.0111111；溢出（丢01）出错

[z2]反=1.0100011；正确

[z3]反=1.1100111；溢出（丢00）出错

算术右移一位：

[x1]原=0.0001101；正确

[x2]原=1.0110100；正确

[x3]原=1.0001100

（1）；丢1，产生误差

[y1]补=0.0101010；正确

[y2]补=1.1110100；正确

[y3]补=1.1001100

（1）；丢1，产生误差

[z1]反=1.1010111；正确

[z2]反=1.1110100（0）；丢0，产生误差

[z3]反=1.1001100；正确

算术右移两位：

[x1]原=0.0000110（10）；产生误差

[x2]原=1.0011010；正确

[x3]原=1.0000110（01）；产生误差

[y1]补=0.0010101；正确

[y2]补=1.1111010；正确

[y3]补=1.1100110（01）；产生误差

[z1]反=1.1101011；正确

[z2]反=1.1111010（00）；产生误差

[z3]反=1.1100110（01）；产生误差

19.设机器数字长为8位（含1位符号位），用补码运算规则计算下列各题。

（1）A=9/64，B=-13/32，求A+B。

（2）A=19/32，B=-17/128，求A-B。

 （3）A=-3/16，B=9/32，求A+B。

 （4）A=-87，B=53，求A-B。

 （5）A=115，B=-24，求A+B。

解：

（1）A=9/64=0.0010010B,B=-13/32=-0.0110100B

   [A]补=0.0010010,[B]补=1.1001100

[A+B]补=0.0010010+1.1001100=1.1011110——无溢出

A+B=-0.0100010B=-17/64

（2）A=19/32=0.1001100B,B=-17/128=-0.0010001B

    [A]补=0.1001100,[B]补=1.1101111,[-B]补=0.0010001

[A-B]补=0.1001100+0.0010001=0.1011101——无溢出

A-B=0.1011101B=93/128B

（3）A=-3/16=-0.0011000B,B=9/32=0.0100100B

  [A]补=1.1101000,[B]补=0.0100100

[A+B]补=1.1101000+0.0100100=0.0001100——无溢出

A+B=0.0001100B=3/32

（4）A=-87=-1010111B,B=53=110101B

   [A]补=10101001,[B]补=00110101,[-B]补=11001011

[A-B]补=10101001+11001011=01110100——溢出

（5）A=115=1110011B,B=-24=-11000B

  [A]补=01110011,[B]补=1，1101000

[A+B]补=01110011+11101000=01011011——无溢出

A+B=1011011B=91

26.按机器补码浮点运算步骤，计算[x±y]补.

（1）x=2-011×0.101100，y=2-010×（-0.011100）；

（2）x=2-011×（-0.100010），y=2-010×（-0.011111）；

 （3）x=2101×（-0.100101），y=2100×（-0.001111）。

解：

先将x、y转换成机器数形式：

（1）x=2-011×0.101100，y=2-010×（-0.011100）

[x]补=1，101；0.101100,[y]补=1，110；1.100100

[Ex]补=1,101,[y]补=1,110,[Mx]补=0.101100,[My]补=1.100100

  1）对阶：

[∆E]补=[Ex]补+[-Ey]补=11,101+00,010=11,111<0，

应Ex向Ey对齐，则：

[Ex]补+1=11，101+00，001=11，110=[Ey]补

[x]补=1，110；0.010110

2）尾数运算：

 [Mx]补+[My]补=0.010110+11.100100=11.111010

[Mx]补+[-My]补=0.010110+00.011100=00.110010

3）结果规格化：

 [x+y]补=11，110；11.111010=11，011；11.010000（尾数左规3次，阶码减3）

 [x-y]补=11，110；00.110010,已是规格化数。

4）舍入：

无

5）溢出：

无

则：

x+y=2-101×（-0.110000）

  x-y=2-010×0.110010

（2）x=2-011×（-0.100010）,y=2-010×（-0.011111）

  [x]补=1，101；1.011110,[y]补=1，110；1.100001

1）对阶：

过程同

（1）的1），则

[x]补=1，110；1.101111

 2）尾数运算：

  [Mx]补+[My]补=11.101111+11.100001=11.010000

  [Mx]补+[-My]补=11.101111+00.011111=00.001110

3）结果规格化：

[x+y]补=11，110；11.010000,已是规格化数

[x-y]补=11，110；00.001110=11，100；00.111000（尾数左规2次，阶码减2）

4）舍入：

无

5）溢出：

无

则：

x+y=2-010×（-0.110000）

  x-y=2-100×0.111000

（3）x=2101×（-0.100101）,y=2100×（-0.001111）

  [x]补=0，101；1.011011,[y]补=0，100；1.110001

1）对阶：

[∆E]补=00，101+11，100=00，001>0，应Ey向Ex对齐，则：

[Ey]补+1=00，100+00，001=00，101=[Ex]补

[y]补=0，101；1.111000

（1）

2）尾数运算：

 [Mx]补+[My]补=11.011011+11.111000

（1）=11.010011

（1）

 [Mx]补+[-My]补=11.011011+00.000111

（1）=11.100010

（1）

2）结果规格化：

 [x+y]补=00，101；11.010011

（1），已是规格化数

 [x-y]补=00，101；11.100010

（1）=00，100；11.000101（尾数左规1次，阶码减1）

4）舍入：

[x+y]补=00，101；11.010011（舍）

[x-y]补不变

5）溢出：

无

则：

x+y=2101×（-0.101101）

x-y=2100×（-0.111011）

32.设机器字长为16位，分别按4、4、4、4和5、5、3、3分组后，

（1）画出按两种分组方案的单重分组并行进位链框图，并比较哪种方案运算速度快。

（2）画出按两种分组方案的双重分组并行进位链框图，并对这两种方案进行比较。

 （3）用74181和74182画出单重和双重分组的并行进位链框图。

解：

（1）4—4—4—4分组的16位单重分组并行进位链框图见教材286页图6.22。

  5—5—3—3分组的16位单重分组并行进位链框图如下：

（2）4—4—4—4分组的16位双重分组并行进位链框图见教材289页图6.26。

  5—5—3—3分组的16位双重分组并行进位链框图如下：

  5—5—3—3分组的进位时间=2.5ty⨯3=7.5ty；

 4—4—4—4分组的进位时间=2.5ty⨯3=7.5ty；

可见，两种分组方案最长加法时间相同。

结论：

双重分组并行进位的最长进位时间只与组数和级数有关，与组内位数无关。

（3）单重分组16位并行加法器逻辑图如下（正逻辑）：

注意：

1）74181芯片正、负逻辑的引脚表示方法；

 2）为强调可比性，5-5-3-3分组时不考虑扇入影响；

 3）181芯片只有最高、最低两个进位输入/输出端，组内进位无引脚；

 4）181为4位片，无法5-5-3-3分组，只能4-4-4-4分组；

 5）单重分组跳跃进位只用到181，使用182的一定是双重以上分组跳跃进位；

 6）单重分组跳跃进位是并行进位和串行进位技术的结合；双重分组跳跃进位是二级并行进位技术；特别注意在位数较少时，双重分组跳跃进位可以采用全先行进位技术实现；位数较多时，可采用双重分组跳跃进位和串行进位技术结合实现。