計算機(jī)組成原理白中英版第五版課后答案.pdf

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第1章 計算機(jī)系統(tǒng)概論 2015年3月25日星期三2 4. 馮諾依曼型計算機(jī)的主要設(shè)計思想是什 么？它包括哪些主要組成部分？ null馮諾依曼計算機(jī)的主要設(shè)計思想 null存儲程序并按地址順序執(zhí)行 null馮諾依曼計算機(jī)主要包括 null存儲器、運(yùn)算器、控制器、輸入和輸出五部分組成 2015年3月25日星期三3 5. 什么是存儲容量？什么是單元地址？ 什么是數(shù)據(jù)字？什么是指令字？ null存儲容量 null存儲器所能保存二進(jìn)制數(shù)據(jù)的總數(shù); null常用單位為KB、MB等。 null單元地址 null用于識別存儲器中每個存儲單元的編號，即單元地址。 null數(shù)據(jù)字 null表示計算機(jī)所要處理數(shù)據(jù)的計算機(jī)字，稱為數(shù)據(jù)字。 null指令字 null表示一條指令的計算機(jī)字，稱為指令字。 2015年3月25日星期三4 6. 什么是指令？什么是程序？ null指令 null由操作碼和操作數(shù)兩部分構(gòu)成 null能夠表示計算機(jī)中的一個基本操作的代碼或二 進(jìn)制串。 null程序 null用于求解某一問題的一串指令序列，稱為該問 題的計算程序，簡稱為程序。 2015年3月25日星期三5 7. 指令和數(shù)據(jù)均存放在內(nèi)存中，計算機(jī)如 何區(qū)分它們是指令還是數(shù)據(jù)？ null計算機(jī)對指令和數(shù)據(jù)的區(qū)分是依靠指令的執(zhí)行階段 來決定的； null在取指階段，從存儲器中讀取的均是CPU要執(zhí) 行的指令； null在執(zhí)行階段，從存儲器中讀取的一定是指令執(zhí) 行所需要的操作數(shù)； 2015年3月25日星期三6 8. 什么是內(nèi)存？什么是外存？什么是CPU？ 什么是適配器？簡述其功能。 null內(nèi)存： null用于存放系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行所需要的程序和數(shù)據(jù)的半導(dǎo)體存儲 器，稱為內(nèi)存儲器，簡稱內(nèi)存； null外存 null用于存放程序和數(shù)據(jù)，但不能被CPU直接訪問的大容量 存儲器，稱為外存儲器，簡稱為外存； null外存一般包括磁盤存儲器和光盤存儲器。 nullCPU null運(yùn)算器和控制器合稱為中央處理器，簡稱CPU。 null適配器 null主機(jī)和不同速度的外設(shè)之間的一種部件，用于主機(jī)和外設(shè) 之間的信息轉(zhuǎn)換。 第2章 運(yùn)算方法和運(yùn)算器 2015年3月25日星期三8 1. 用8位編碼表示下列各整數(shù)的原碼、反碼、 補(bǔ)碼。 -1 -127 127 -35 1111 11111111 11101000 0001-000 0001 1000 00011000 00001111 1111-111 1111 0111 11110111 11110111 1111+111 1111 1101 11011101 11001010 0011- 010 0011 補(bǔ)碼反碼原碼真值 2015年3月25日星期三9 null若a 7 ＝0，則X為正數(shù)，顯然a 0 a 6 取任何值均可。 null若a 7 ＝1，則X為負(fù)數(shù)，[X] 移 ＝0. a 6 a 5 a 0 ∵ －0.5D = －0.100000B，則[－0.5D ] 移 ＝0.100000 ∴ 若要X>－0.5，即等價于[X] 移 > [－0.5D ] 移 即0. a 6 a 5 a 0 >0.100000，因此必須是a 5 a 0 不全為0。 null 結(jié)論： null如果a 7 ＝0， a 6 a 0 取任何值均可； null如果a 7 ＝1 ，必須滿足a 6 =1 且a 5 a 0 不全為0。 2. 設(shè)[X] 補(bǔ) ＝a 7 .a 6 a 5 a 0 ，其中a i 取0或1， 若要X>-0.5，求a 0 a 1 a 2 a 7 的取值。 2015年3月25日星期三10 3. 有一個字長為32位的浮點數(shù)，符號位1位；階碼8位，用移碼 表示；尾數(shù)23位，用補(bǔ)碼表示；基數(shù)為2。請寫出：(1)最大 數(shù)的二進(jìn)制表示，(2)最小數(shù)的二進(jìn)制表示，(3)規(guī)格化數(shù)所能 表示的數(shù)的范圍。 null設(shè)移碼采用移128碼，且機(jī)器數(shù)格式如右： ①最大值（最大正數(shù)） null0 1111 1111 111 1111 1111 1111 1111 1111 null即 x = (1-2 -23 ) * 2 127 null二進(jìn)制表示： x = (1-0.0000 0000 0000 0000 0000 001) * 2 111 1111 ②最小值（最小負(fù)數(shù)） ①1 1111 1111 000 0000 0000 0000 0000 0000 null即 x = －1 * 2 127 null二進(jìn)制表示： x = -1* 2 111 1111 尾數(shù)M(23位)階碼E(8位)符號位S(1位) 2015年3月25日星期三11 3. 有一個字長為32位的浮點數(shù)，符號位1位；階碼8位，用移碼表 示；尾數(shù)23位，用補(bǔ)碼表示；基數(shù)為2。請寫出：(1)最大數(shù)的 二進(jìn)制表示，(2)最小數(shù)的二進(jìn)制表示，(3)規(guī)格化數(shù)所能表示的 數(shù)的范圍。 null設(shè)移碼采用移128碼，且機(jī)器數(shù)格式如右： ③規(guī)格化數(shù)表示范圍 null最大正數(shù)： 0 1111 1111 111 1111 1111 1111 1111 1111 即 x = (1-2 -23 ) * 2 127 null最小正數(shù)： 0 0000 0000 100 0000 0000 0000 0000 0000 即 x = 2 -1 * 2 -128 null最大負(fù)數(shù)： 1 0000 0000 011 1111 1111 1111 1111 1111 即 x = -(2 -1 +2 -23 ) * 2 -128 null最小負(fù)數(shù)： 1 1111 1111 000 0000 0000 0000 0000 0000 即 x = －1 * 2 127 null規(guī)格化的正數(shù)范圍2 -129 ～ (1-2 -23 ) * 2 127 負(fù)數(shù)范圍－2 127 ～－ (2 -1 +2 -23 ) * 2 -128 尾數(shù)M(23位)階碼E(8位)符號位S(1位) 2015年3月25日星期三12 4、將下列十進(jìn)制數(shù)表示成IEEE754標(biāo)準(zhǔn)的 32位浮點規(guī)格化數(shù)。 null 27/64 null27/64 = 0.011011B = 1.1011 * 2 -2 nulle=－2，則E＝e＋127＝125 null∴ 規(guī)格化數(shù) null－27/64 null－27/64 =－0.011011B =－1.1011 * 2 -2 null∴ 規(guī)格化數(shù) 符號位 階碼(8) 尾數(shù)(23) 0 0111 1101 1011 0000 0000 0000 0000 000 符號位 階碼(8) 尾數(shù)(23) 1 0111 1101 1011 0000 0000 0000 0000 000 2015年3月25日星期三13 ＋ [y] 補(bǔ) 00.00011 5、已知x和y，用變形補(bǔ)碼計算x＋y，同 時指出結(jié)果是否溢出。 ①x=0.11011 y=0.00011 null[x] 補(bǔ) ＝00.11011 ，[y] 補(bǔ) ＝00.00011 null∴[x+y] 補(bǔ) ＝00.11110，未溢出 x+y = +0.11110 [x] 補(bǔ) 00.11011 00.11110 2015年3月25日星期三14 ②x=0.11011 y=－0.10101 null[x] 補(bǔ) ＝00.11011 ，[y] 補(bǔ) ＝11.01011 null∴[x+y] 補(bǔ) ＝ 00.00110 ，未溢出 x+y = +0.00110 ＋ [y] 補(bǔ) 11.01011 5、已知x和y，用變形補(bǔ)碼計算x＋y，同 時指出結(jié)果是否溢出。 [x] 補(bǔ) 00.11011 00.00110 2015年3月25日星期三15 ③x=－0.10110 y=－0.00001 null[x] 補(bǔ) ＝11.01010 ，[y] 補(bǔ) ＝11.11111 null∴[x+y] 補(bǔ) ＝ 11.01001 ，未溢出 x+y = - 0.10111 ＋ [y] 補(bǔ) 11.11111 5、已知x和y，用變形補(bǔ)碼計算x＋y，同 時指出結(jié)果是否溢出。 [x] 補(bǔ) 11.01010 11.01001 2015年3月25日星期三16 6、已知x和y，用變形補(bǔ)碼計算x－y，同 時指出結(jié)果是否溢出。 ①x=0.11011 y=－0.11111 null[x] 補(bǔ) ＝00.11011，[－y] 補(bǔ) ＝ 00.11111 null∴x-y溢出（上溢） [x] 補(bǔ) 00.11011 ＋ [－ y] 補(bǔ) 00.11111 01.11010 2015年3月25日星期三17 6、已知x和y，用變形補(bǔ)碼計算x－y，同 時指出結(jié)果是否溢出。 ②x=0.10111 y=0.11011 null[x] 補(bǔ) ＝00.10111，[－y] 補(bǔ) ＝ 11.00101 null∴[x-y] 補(bǔ) ＝ 11.11100 ，未溢出 x-y = - 0.00100 [x] 補(bǔ) 00.10111 ＋ [－ y] 補(bǔ) 11.00101 11.11100 2015年3月25日星期三18 6、已知x和y，用變形補(bǔ)碼計算x－y，同 時指出結(jié)果是否溢出。 ③x=0.11011 y=－0.10011 null[x] 補(bǔ) ＝00.11011，[－y] 補(bǔ) ＝ 00.10011 null∴[x-y] 補(bǔ) 溢出（上溢） [x] 補(bǔ) 00.11011 ＋ [－ y] 補(bǔ) 00.10011 01.01110 2015年3月25日星期三19 7、用原碼陣列乘法器計算xy。 ①x＝11011 y＝－11111 null 機(jī)器內(nèi)部補(bǔ)碼數(shù)據(jù)： [x] 補(bǔ) ＝0 11011 [y] 補(bǔ) ＝1 00001 null 符號位單獨運(yùn)算： 0⊕1＝1 null 算前求補(bǔ)器輸出： |x|=11011 |y|=11111 null 乘法陣列： |x| |y| ＝ 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 null 算后求補(bǔ)器輸出： [xy] 補(bǔ) ＝ 1 0010111011 ∴ xy = - 1101000101 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 2015年3月25日星期三20 7、用原碼陣列乘法器計算xy。 ②x＝－11111 y＝－11011 null 機(jī)器內(nèi)部補(bǔ)碼數(shù)據(jù)： [x] 補(bǔ) ＝ 1 00001 [y] 補(bǔ) ＝ 1 00101 null 符號位單獨考慮：1⊕1＝0 null 算前求補(bǔ)器輸出： |x|= 11111 |y|= 11011 null 乘法陣列： |x| |y| ＝ 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 null 算后求補(bǔ)輸出： [xy] 補(bǔ) ＝ 0 1101000101 ∴ xy = 0 1101000101 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 2015年3月25日星期三21 9-1、x=2 -011 0.100101，y=2 -010 (-0.011110)，求[x+y] null設(shè)尾數(shù)階碼均使用雙符號位的補(bǔ)碼表示 [x] 浮 ＝ 11 101，00.100101 [y] 浮 ＝ 11 110，11.100010 1)求階差并對階 △E＝Ex－Ey＝[Ex] 補(bǔ) ＋[－Ey] 補(bǔ) ＝11 101 ＋00 010＝11 111 修改后的x表示為： [x] 浮 ＝ 11 110，0.010010(1) 2)尾數(shù)求和 M S = Mx+My =11 . 1101 00 (1) 3)規(guī)格化處理 執(zhí)行2次左規(guī)處理， M S = 11 . 0 1 0 0 1 0 (0)， E S = 11 100 4)舍入處理 5)判溢出 故得最終結(jié)果為 x＋y＝2 －100 （－0.101110） 00. 0 1 0 0 1 0 ＋ 11. 1 0 0 0 1 0 11 . 1 1 0 1 0 0 采用0舍1入法處理，則舍去0 階碼符號位為11，不溢出 2015年3月25日星期三22 9-1、x=2 -011 0.100101，y=2 -010 (-0.011110)，求[x-y] null設(shè)尾數(shù)階碼均使用雙符號位的補(bǔ)碼表示 [x] 浮 ＝ 11 101，00.100101 [y] 浮 ＝ 11 110，11.100010 1)求階差并對階 △E＝Ex－Ey＝[Ex] 補(bǔ) ＋[－Ey] 補(bǔ) ＝11 101 ＋00 010＝11 111 修改后的x表示為： [x] 浮 ＝ 11 110，0.010010 (1) 2)尾數(shù)求差 M S = Mx － My =00. 110000 (1) 3)規(guī)格化處理 4)舍入處理 5)判溢出 故得最終結(jié)果為 x＋y＝2 －010 0. 110001 00. 0 1 0 0 1 0 ＋ 00. 0 1 1 1 1 0 00. 1 1 0 0 0 0 采用0舍1入法處理，則進(jìn)位，M S = 00.110001 階碼符號位為11，不溢出 [－M y ] 補(bǔ) [M x ] 補(bǔ) 不需規(guī)格化 2015年3月25日星期三23 9-2、x=2 -101 (-0.010110)、y=2 -100 0.010110 ，求[x+y] null設(shè)尾數(shù)階碼均使用雙符號位的補(bǔ)碼表示 [x] 浮 ＝11 011,11.101010 [y] 浮 ＝11 100 ,00.010110 1)求階差并對階 △E＝E x －E y ＝[E x ] 補(bǔ) ＋[－E y ] 補(bǔ) ＝11 011 ＋00 100＝11 111 即△E為－1，x的階碼小，應(yīng)使M x 右移1位，E x 加1， [x] 浮 ＝ 11 100，1.110101 （0） 2)尾數(shù)求和 M S = Mx+My =00. 0 0 1 0 1 1 （0） 3)規(guī)格化處理 執(zhí)行2次左規(guī)處理， M S = 00 . 1 0 1 0 0 0 (0)，E S = 11 010 4)舍入處理 5)判溢出 故得最終結(jié)果為 x＋y＝2 －110 （0.101100） 11. 1 1 0 1 0 1 （0） ＋ 00. 0 1 0 1 1 0 00. 0 0 1 0 1 1 （0） 采用0舍1入法處理，則舍去0 階碼符號位為11，不溢出 2015年3月25日星期三24 9-2、 x=2 -101 (-0.010110) y=2 -100 0.010110 ，求[x-y] null設(shè)尾數(shù)階碼均使用雙符號位的補(bǔ)碼表示 [x] 浮 ＝11 011,11.101010 [y] 浮 ＝11 100 ,00.010110 1)求階差并對階 △E＝E x －E y ＝[E x ] 補(bǔ) ＋[－E y ] 補(bǔ) ＝11 011 ＋00 100＝11 111 即△E為－1，x的階碼小，應(yīng)使M x 右移1位，E x 加1， [x] 浮 ＝ 11 100，1.110101 （0） 2)尾數(shù)求差 M S = Mx-My =11. 0 1 1 1 1 1 （0） 3)規(guī)格化處理 4)舍入處理 5)判溢出 故得最終結(jié)果為 x＋y＝ 2 －100 （－0.100001） 11 . 1 1 0 1 0 1 ＋ 11. 1 0 1 0 1 0 11. 0 1 1 1 1 1 [－M y ] 補(bǔ) [M x ] 補(bǔ) 采用0舍1入法處理，則舍去0 階碼符號位為11，不溢出 不需規(guī)格化 第3章 內(nèi)部存儲器 2015年3月25日星期三26 1、設(shè)有一個具有20位地址和32位字長 的存儲器，問： ①該存儲器能存儲多少字節(jié)的信息？ null存儲容量 = 存儲單元個數(shù)每單元字節(jié)數(shù) = 2 20 32 bit ②如果存儲器有512K8位SRAM芯片組成，需要多少片? null需要做存儲芯片的字位擴(kuò)展； 位擴(kuò)展：4片512K8位芯片構(gòu)成512K32位的存儲組； 字?jǐn)U展：2組512K32位存儲組構(gòu)成1M32位的存儲器； null因此，共需要24=8片給定的SRAM芯片 ③需要多少位地址做芯片選擇？ null字?jǐn)U展的是2個存儲組，因此，需1位地址做片選。 4M字節(jié) 8 32 *2 20 null 8片4*2 8*512K 32*1024K nullnull 2015年3月25日星期三27 null由16K8位的芯片字位擴(kuò)展構(gòu)成64K32位的存儲器； null位擴(kuò)展：由4片16K8位的芯片構(gòu)成16K32位的存儲組； null字?jǐn)U展：由4組16K32位存儲組構(gòu)成16K32位的存儲器； null因此，4個存儲組的片選信號應(yīng)由最高兩位地址A 14 和A 15 產(chǎn)生； null該存儲器的組成邏輯框圖如下： 3、用16K8位的DRAM芯片構(gòu)成64K32位存儲器，問： （1）畫出該存儲器的組成邏輯框圖。 2:4 譯 碼 器 A 14 A 15 CS 3 CS 2 CS 0 CS 1 A 13 ~A 0 D 0 ~D 7 /WE 2015年3月25日星期三28 位擴(kuò)展 16K8 RAM A 13 ~A 0 D 7 ~D 0 /WE /CS 16K8 RAM A 13 ~A 0 D 7 ~D 0 /WE /CS A 13 ~A 0 D 7 ~D 0 D 15 ~D 8 16K8 RAM A 13 ~A 0 D 7 ~ D 0 /CS /WE 16K8 RAM A 13 ~A 0 D 7 ~ D 0 /CS /WE D 23 ~D 16 D 31 ~D 23 /CS /WE 2015年3月25日星期三29 字?jǐn)U展 16K32 存儲組 A 13 ~A 0 D 31 ~D 0 /WE /CS 16K32 存儲組 A 13 ~A 0 D 31 ~D 0 /WE /CS 16K32 存儲組 A 13 ~A 0 D 31 ~D 0 /WE /CS 16K32 存儲組 A 13 ~A 0 D 31 ~D 0 /CS /WE /WE A 13 ~A 0 D 31 ~D 0 74LS139 /G 1 B A /Y 0 /Y 1 /Y 2 /Y 3 /MREQ A 14 A 15 2015年3月25日星期三30 3、用16K8的DRAM芯片構(gòu)成64K32位存儲器，要求： (2)設(shè)儲器讀/寫周期為0.5μs，CPU在1μs內(nèi)至少要訪問一次。 試問采用哪種方式比較合理？兩次刷新的最大時間間隔是多少？ 對全部存儲單元刷新一遍所需的實際刷新時間是多少？ null假定16K8位的DRAM芯片的存儲矩陣是128行(1288)列； null若集中刷新，則有128行0.5us=64us的死時間，不合適； null若分散刷新，則每訪存一次需要1us，也不合適； null所以，應(yīng)采用異步式刷新方式。 null假定DRAM芯片的刷新周期為2ms null兩行的刷新間隔為：2ms/128 = 0.015625ms=15.625us null若取15.5us作為實際的刷新間隔 null刷新存儲體一遍實際所用時間為： 15.5us128＝1984us = 1.984ms 2015年3月25日星期三31 6、用32K8位的EPROM芯片組成128K16 位的只讀存儲器，試問： ①數(shù)據(jù)寄存器多少位？ null 因為系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線為16位，所以數(shù)據(jù)寄存器16位 ②地址寄存器多少位？ null 因為存儲器容量為128K，需系統(tǒng)地址總線17位， null 所以地址寄存器17位 ③共需多少個EPROM芯片？ null 所需芯片總數(shù)： (128K/32K)(16/8)=8片 2015年3月25日星期三32 6、用32K8位的EPROM芯片組成128K16位的只讀存儲器， 試問：（4）畫出此存儲器的組成框圖。 CPU 地址 寄存器 數(shù)據(jù) 寄存器 32K 8 32K 8 32K 8 32K 8 32K 8 32K 8 32K 8 32K 8 CS 3 CS 2 CS 1 CS 0 2:4 譯碼器 CS 0 ~ CS 3 A 16 A 15 2015年3月25日星期三33 8、設(shè)存儲器容量為64M，字長為64位，模塊數(shù)m=8，分 別用順序和交叉方式進(jìn)行組織。存儲周期T=100ns，數(shù) 據(jù)總線寬度為64位，總線傳送周期τ=50ns。求：順序 存儲器和交叉存儲器的帶寬各是多少？ null順序存儲器和交叉存儲器連續(xù)讀出m=8個字的數(shù)據(jù)信息量為： q = 864 = 512位 null順序存儲器所需要的時間為 t 1 = mT =8100ns =800ns =810 -7 s null故順序存儲器的帶寬為 W 1 = q/t 1 = 512/(810 -7 ) = 6410 7 [bit/s] null交叉存儲器所需要的時間為 t 2 = T+ (m-1)τ= 100ns + (8-1)50ns = 450ns =4.510 -7 s null故交叉存儲器的帶寬為 W 1 = q/t 2 = 512/(4.510 -7 ) = 113.810 7 [bit/s] 2015年3月25日星期三34 9、CPU執(zhí)行一段程序時，cache完成存取的次數(shù)為2420 次，主存完成存取的次數(shù)為80次， 已知cache存儲周期為40ns，主存存儲周期為240ns， 求cache/主存系統(tǒng)的效率和平均訪問時間。 null命中率 h = N c /(N c +N m ) = 2420/(2420+80) = 0.968 null主存與Cache的速度倍率 r = t m /t c = 240ns/40ns = 6 null訪問效率 e = 1/(r+(1-r)h) = 1/(6+(1-6)0.968) = 86.2% null平均訪問時間 t a = t c /e = 40ns/0.862 = 46.4ns 2015年3月25日星期三35 10、已知cache存儲周期40ns，主存存儲周期 200ns，cache/主存系統(tǒng)平均訪問時間為50ns，求 cache的命中率是多少？ null由 t a = ht c +(1-h)t m ，可得 %75.93 20040 20050 null null null null null null null mc ma tt tt h 2015年3月25日星期三36 13、一個組相聯(lián)Cache由64個行組成，每組4行。 主存儲器包含4K個塊，每塊128字。請表示內(nèi)存地 址的格式。 null組相聯(lián)映射下的主存地址格式如下： null每塊128字，假定主存以字進(jìn)行組織 null塊內(nèi)的字地址需要7位 nullCache由64個行組成，每組4行 nullCache中共包含16組，需4位組號 null主存包含4K個塊 null主存塊號為12位 null主存標(biāo)記位有12－4=8位 塊內(nèi)地址組號主存標(biāo)記 7位4位8位 2015年3月25日星期三37 14、某機(jī)主存容量1MB，字長1B，塊大小16B， Cache容量64KB，若Cache采用直接映射方 式，請給出2個不同標(biāo)記的內(nèi)存地址，它們映 射到同一個Cache行。 null直接映射下的主存地址格式如下： null每塊16B