計算機組成原理 課后答案

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1、第一章 計算機系統(tǒng)概論 p.19 1。1 什么是計算機系統(tǒng)、計算機硬件和計算機軟件？硬件和軟件哪個更重要？ 計算機系統(tǒng)：計算機硬件、軟件和數(shù)據(jù)通信設(shè)備的物理或邏輯的綜合體 計算機硬件：計算機的物理實體 計算機軟件：計算機運行所需的程序及相關(guān)資料 硬件和軟件在計算機系統(tǒng)中相互依存，缺一不可，因此同樣重要 1.2 如何理解計算機系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)？ 實際機器Ml向上延伸構(gòu)成了各級虛擬機器，機器M1內(nèi)部也可向下延伸而形成下一級 的微程序機器Mo,硬件研究的主要對象歸結(jié)為傳統(tǒng)機器Ml和微程序機器Mo,軟件研 究對象主要是操作系統(tǒng)及以上的各級虛擬機 1.3 說明高級語言、匯編語言和機器語言的差別及其

2、聯(lián)系。 機器語言是可以直接在機器上執(zhí)行的二進制語言 匯編語言用符號表示指令或數(shù)據(jù)所在存儲單元的地址，使程序員可以不再使用繁雜而又 易錯的二進制代碼來編寫程序 高級語言對問題的描述十分接近人們的習(xí)慣，并且還具有較強的通用性 1.4 如何理解計算機組成和計算機體系結(jié)構(gòu)? 計算機體系結(jié)構(gòu)是對程序員可見的計算機系統(tǒng)的屬性 計算機組成對程序員透明，如何實現(xiàn)計算機體系結(jié)構(gòu)所體現(xiàn)的屬性 1。5馮?諾依曼計算機的特點是什么？ 由運算器、控制器、存儲器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備五大部件組成 指令和數(shù)據(jù)以同一形式（二進制形式）存于存儲器中 指令由操作碼、地址碼兩大部分組成 指令在存儲器中順序存放，通常自動順序取

3、出執(zhí)行 以運算器為中心（原始馮氏機） 1.6 畫出計算機硬件組成框圖，說明各部件的作用及計算機硬件的主要技術(shù)指標(biāo)。 計算機硬件各部件 運算器:ACC, MQ, ALU, X 控制器：CU, IR, PC 主存儲器： M， MDR， MAR I/O 設(shè)備:設(shè)備,接口 計算機技術(shù)指標(biāo)： 機器字長：一次能處理數(shù)據(jù)的位數(shù)，與CPU的寄存器位數(shù)有關(guān) 存儲容量:主存：存儲單元個數(shù)X存儲字長 運算速度： MIPS, CPI, FLOPS 1。 7 解釋概念 主機：計算機硬件的主體部分，由CPU+MM （主存或內(nèi)存）組成 CPU:中央處理器，是計算機硬件的核心部件，由運算器+控制器組成 主

4、存：計算機中存放正在運行的程序和數(shù)據(jù)的存儲器，可隨機存取;由存儲體、各種邏 輯部件及控制電路組成 存儲單元：可存放一個機器字并具有特定存儲地址的存儲單位 存儲元件/存儲基元/存儲元：存儲一位二進制信息的物理元件，是存儲器中最小的存儲 單位，不能單獨存取 存儲字：一個存儲單元所存二進制代碼的邏輯單位 存儲字長:一個存儲單元所存二進制代碼的位數(shù) 存儲容量：存儲器中可存二進制代碼的總量 機器字長：CPU能同時處理的數(shù)據(jù)位數(shù) 指令字長：一條指令的二進制代碼位數(shù) 1.8 解釋英文代號 CPU: Central Processing Unit PC： Program Counter IR：

5、 Instruction Register CU: Control Unit ALU: Arithmetic Logic Unit ACC: Accumulator MQ: Multiplier-Quotient Register X： 操作數(shù)寄存器 MAR： Memory Address Register MDR： Memory Data Register I/O: Input/Output MIPS： Million Instructions Per Second CPI： Cycle Per Instruction FLOPS： Floating—point Ope

6、ration Per Second 1。9存數(shù)指令和加法指令的信息流程，主存容量256MX32位,在指令字長、存儲字長、機器 字長相等的條件下，指出圖中各寄存器的位數(shù)。 ① 存數(shù)指令的信息流程: 取指令：PC-MAR-M-MDR-IR 分析指令：Ad (IR)-MAR 執(zhí)行指令： ACC-MDR-M ② 加法指令的信息流程： 取指令： PC-MAR-M-MDR-IR; 分析指令： OP(IR)-CU; 執(zhí)行指令： Ad(IR)-MAR-M-MDR-X ACC-ALU,同時 X-ALU ALU-ACC 主存容量是256MX32位，得2的28次方=256M.故 MAR=28

7、, PC=28, MDR=32；又指令字長=存儲字長=機器字長，則IR=ACC=MQ=X=32. 1。10根據(jù)迭代公式Vx =1/2 (yn +x/yn), 設(shè)初態(tài)yo=i,要求精度為&。試編制求Vx的 解題程序,并結(jié)合所編程序簡述解題過程。 牛頓迭代法開根號：精度是| yn+1-yn I <￡ 指令系統(tǒng)可以自行定義，下面給出一個例子. 操作碼 操作性質(zhì) 000111 除一將ACC中的數(shù)與指令地址碼指示的存儲單元中的數(shù)相除，結(jié)果存 于ACC中 001000 減一將ACC中的數(shù)與指令地址碼指示的存儲單元中的數(shù)相減，結(jié)果存 于ACC中 001001 取絕對值一將ACC中的數(shù)

8、取絕對值，結(jié)果存于ACC中 001010 將ACC中的數(shù)與0做比較，小于則繼續(xù)執(zhí)行下一條指令,大于則跳轉(zhuǎn)到 地址碼指示的存儲單元上的指令 題中y0事先存入yn+1單元中 主存地址 指令 注釋 操作碼 地址碼 0 000001 17 取數(shù)yn+i至ACC 1 000010 16 存數(shù)，將yn+1存于yn單元中 2 000001 13 取數(shù)x至ACC 3 000111 16 除yn得x/yn存于acc中 4 000100 16 加yn得yn+x/yn存于acc中 5 000111 15 除2得（yn+x/yn）/2存于ACC中

9、6 000010 17 存數(shù)，將（yn+x/yn）/2存于yn+1單元中 7 001000 16 減yn得yn+1-yn存于acc中 8 001001 一 1 yn+i—yn 1 存于 ACC 中 9 001000 14 M+1—人1—￡存于ACC中 10 001010 0 比較 11 000101 17 打印 12 000110 一 停機 13 x 14 ￡ 15 2 16 yn 17 yn + 1 1.11 指令和數(shù)據(jù)都存于存儲器中，計算機如何區(qū)分它們? 計算機硬件主要通過不同的時間段來區(qū)分指

10、令和數(shù)據(jù)，即:取指周期（或取指微程序）取 出的既為指令,執(zhí)行周期（或相應(yīng)微程序）取出的既為數(shù)據(jù)。 另外也可通過地址來源區(qū)分，從pc指出的存儲單元取出的是指令，由指令地址碼部分 提供操作數(shù)地址。 1。 12 什么是指令？什么是程序？ 指令：人為輸入計算機，由計算機識別并執(zhí)行一步步操作的命令的形式稱為指令. 程序：一系列指令的有序集合稱為程序. 第二章計算機的發(fā)展及應(yīng)用p。38 2.1 通常，計算機的更新?lián)Q代以什么為依據(jù)？ 主要以組成計算機基本電路的元器件為依據(jù)，如電子管、晶體管、集成電路等。 2.2 舉例說明專用計算機和通用計算機的區(qū)別 按照計算機的效率、速度、價格和運行的經(jīng)濟性和

11、實用性可以將計算機劃分為通用計算 機和專用計算機。通用計算機適應(yīng)性強,但犧牲了效率、速度和經(jīng)濟性，而專用計算機 是最有效、最經(jīng)濟和最快的計算機，但適應(yīng)性很差.例如個人電腦和計算器. 2。 3 什么事摩爾定律？該定律是否永遠生效？為什么? 微芯片上集成的晶體管數(shù)目每3年翻兩番的規(guī)律,不是永遠生效,因為每代芯片的成本大 約為前一代芯片成本的兩倍 2。4 舉三個實例， 說明網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用. 網(wǎng)絡(luò)教育, 網(wǎng)絡(luò)共享, 遠程協(xié)助 2。5 舉例說明人工智能方面的應(yīng)用有哪些 自然語言處理： 機器翻譯, 自然語言理解 模式識別：指紋識別,臉部識別，語音識別 人機對弈: 2.6 舉例說明那些計算

12、機的應(yīng)用需采用多媒體技術(shù) 數(shù)據(jù)壓縮，圖像處理，音頻處理，數(shù)據(jù)庫內(nèi)容檢索，著作工具,通信及分布式多媒 體應(yīng)用 2。7設(shè)想一下計算機的未來 體型小, 價格低廉,使用方便。 第三章系統(tǒng)總線 3。1 什么是總線？總線傳輸有何特點? 為了減輕總線的負載，總線上的不見都應(yīng)具備什 么特點? 總線是連接各個部件的信息傳輸線，是 各個部件共享的傳輸介質(zhì) 特點: 某一時刻只允許有一個部件向總線發(fā)送信息, 多個部件可以同時從總線接收相 同信息 為了減輕總線負載，總線上的部件應(yīng)通過三態(tài)驅(qū)動緩沖電路與總線連通 3.2 總線如何分類？什么是系統(tǒng)總線? 系統(tǒng)總線又分為幾類,它們各有何作用，是單向的， 還是雙向

13、的，它們與機器字長、存儲字長、存儲單元有何關(guān)系？ 按照連接部件的不同,總線可以分為片內(nèi)總線、系統(tǒng)總線和通信總線 系統(tǒng)總線是CPU，主存，I/O,設(shè)備（通過I/O接口）各大部件之間的信息傳輸線 系統(tǒng)總線按照傳輸信息不同分為數(shù)據(jù)總線,地址總線，控制總線 數(shù)據(jù)總線是雙向的，根數(shù)與存儲子長相同， 是機器字長的整數(shù)倍 地址總線是單向的，根數(shù)越多，尋址空間越大，即CPU能訪問的存儲單元的個數(shù) 越多 3。3常用的總線結(jié)構(gòu)有幾種？不同的總線結(jié)構(gòu)對計算機的性能有什么影響？舉例說明 單總線結(jié)構(gòu)：將CPU，主存，I/O設(shè)備都掛在一組總線上，極易形成計算機系統(tǒng)瓶頸 雙總線結(jié)構(gòu)：將速度較低I/O設(shè)備從單總線上分

14、離出來，形成主存總線與I/O總線分 開的結(jié)構(gòu)。CPU將一部分功能下放給通道,使其對I/O設(shè)備具有統(tǒng)一管理 三總線結(jié)構(gòu)：I/O總線，DMA總線，主存總線，任何時刻只能使用一種總線 三總線結(jié)構(gòu)： 局部總線，擴展總線，系統(tǒng)總線 3。4為什么要設(shè)置總線判優(yōu)控制？常見的集中式總線控制有幾種?各有何特點？哪種方式響 應(yīng)時間最快？哪種方式對電路故障最敏感？ 解決多個部件同時申請總線時的使用權(quán)分配問題 鏈?zhǔn)讲樵儯哼B線簡單，已與擴充，對電路故障最敏感 計數(shù)器定時查詢：優(yōu)先級設(shè)置較靈活， 對故障不敏感， 連線機控制過程較復(fù)雜 獨立請求方式： 速度最快，但硬件器件用量大，連線多， 成本較高 3.5解釋下列概念

15、：總線寬度、總線帶寬、總線復(fù)用、總線的主設(shè)備（或主模塊）、總線的從 設(shè)備（或從模塊）、總線的傳輸周期和總線的通信控制。 總線寬度：通常只數(shù)據(jù)總線的根數(shù) 總線帶寬：總線的數(shù)據(jù)傳輸率，直單位時間內(nèi)總線上傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù) 總線復(fù)用：指同一條信號線可以分是傳輸不同的信號 總線的主設(shè)備：指一次總線傳輸期間，擁有總線控制權(quán)的設(shè)備 總線的從設(shè)備：指一次總線傳輸期間，配合主設(shè)備完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備，只能被動接 受主設(shè)備發(fā)來的命令 總線的傳輸周期： 指總線完成一次完整而可靠的傳輸所需時間 總線的通信控制: 指總線傳送過程中雙方的時間配合方式 3.6試比較同步通信和異步通信 同步通信：指由統(tǒng)一時鐘控制的通信

16、，控制方式簡單，靈活性差，當(dāng)系統(tǒng)中各部件工作 速度差異較大時，總線工作效率明顯下降。適合于速度差別不大的場合 異步通信：指沒有統(tǒng)一時鐘控制的通信,部件間采用應(yīng)答方式進行聯(lián)系,控制方式較同步 復(fù)雜，靈活性高，當(dāng)系統(tǒng)中各部件工作速度差異較大時,有利于提高總線工作效率 3。7畫圖說明異步通信中請求與回答有哪幾種互鎖關(guān)系 不互鎖，半互鎖，全互鎖 3.8為什么說半同步通信同時保留了同步通信和異步通信的特點？ 半同步通信既能像同步通信那樣由統(tǒng)一時鐘控制，又能像異步通信那樣允許傳輸時間不 一致，因此工作效率介于兩者之間 3.9分離式通訊有何特點，主要用于什么系統(tǒng)？ 1。各模塊欲占用總線使用權(quán)都

17、必須提出申請 2. 在得到總線使用權(quán)后，主模塊在先定的時間內(nèi)向?qū)Ψ絺魉托畔?，采用同步方式傳? 不再等待對方的回答信號 3。 各模塊在準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的過程中都不占用總線，使總線可接受其它模塊的請求 4。 總線被占用時都在做有效工作，或者通過它發(fā)送命令，或者通過它傳送數(shù)據(jù),不存 在空閑等待時間，充分利用了總線的占用，從而實現(xiàn)了總線在多個主、從模塊間進行信 息交叉重疊并行傳送 主要用于大型計算機系統(tǒng) 3。10什么是總線標(biāo)準(zhǔn)？為什么要設(shè)置總線標(biāo)準(zhǔn)?你知道目前流行的總線標(biāo)準(zhǔn)有哪些？什么 叫plug and play?哪些總線有這一特點？ 總線標(biāo)準(zhǔn)：系統(tǒng)與各模塊,模塊與模塊之間的一個互連的標(biāo)準(zhǔn)界面

18、 為了使系統(tǒng)設(shè)計簡化，模塊生產(chǎn)批量化，確保其性能穩(wěn)定，質(zhì)量可靠，實現(xiàn)可移化 ISA，EISA，PCI,AGP，USB plug and play:即任何擴展卡只要插入系統(tǒng)便可工作，PCI, USB 3。11畫一個具有雙向傳輸功能的總線邏輯圖 rbo a 0 a1 a至b b至a 3.12設(shè)數(shù)據(jù)總線上接有A、B、C、D四個寄存器，要求選用合適的74系列芯片，完成下列 邏輯設(shè)計： (1)設(shè)計一個電路，在同一時間實現(xiàn)D—A、D—B和D—C寄存器間的傳送； (2)設(shè)計一個電路，實現(xiàn)下列操作： T0時刻完成D-總線； T1時刻完成總線—A； T2時刻完成A-總線； T3時刻完成

19、總線一B。 (1)由T打開三態(tài)門將D寄存器中的內(nèi)容送至總線bus,由cp脈沖同時將總線上的數(shù) 據(jù)打入到A、B、C寄存器中。T和cp的時間關(guān)系如圖(1)所示 (2)三態(tài)門1受TO+T1控制，以確保T0時刻D-總線，以及T1時刻總線一接收門1 -A。三態(tài)門2受T2+T3控制，以確保T2時刻A-總線，以及T3時刻總線一接收門2 -B。TO、T1、T2、T3波形圖如圖(2)所示 3 。 1 3什么是總線的數(shù)據(jù)傳輸率，它與哪些因素有關(guān)？ 總線數(shù)據(jù)傳輸率即總線帶寬，指單位時間內(nèi)總線上傳輸數(shù)據(jù)的位數(shù)， 通常用每秒傳輸信 息的字節(jié)數(shù)來衡量.它與總線寬度和總線頻率有關(guān)， 總線寬度越寬，頻率越快，數(shù)

20、據(jù)傳輸 率越高 3.14設(shè)總線的時鐘頻率為8MHZ, —個總線周期等于一個時鐘周期。如果一個總線周期中并 行傳送16位數(shù)據(jù)，試問總線的帶寬是多少？ 解:由于：f=8MHz,T=1/f=1/8M秒，一個總線周期等于一個時鐘周期 所以：總線帶寬=16/ (1/8M) = 128Mbps 3.15在一個32位的總線系統(tǒng)中，總線的時鐘頻率為66MHZ,假設(shè)總線最短傳輸周期為4個 時鐘周期，試計算總線的最大數(shù)據(jù)傳輸率。若想提高數(shù)據(jù)傳輸率,可采取什么措施？ 解：總線傳輸周期=4*1/66M秒 總線的最大數(shù)據(jù)傳輸率=32/(4/66M) =528Mbps 若想提高數(shù)據(jù)傳輸率，可以提高總線時鐘頻率、增大總線寬度或者減少總線傳輸周期包 含的時鐘周期個數(shù). 3.16在異步串行傳送系統(tǒng)中，字符格式為：1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、1個校驗位、2個終 止位.若要求每秒傳送120 個字符，試求傳送的波特率和比特率。 解： 一幀包含：1+8+1+2=12 位 波特率為：（1+8+1+2）火12O=i44obps 比特率為： 8＊120=960bps