计算机组成原理解答题和计算题

第一章：计算机系统概论

1.衡量计算机的指标主要有哪些？（答主要三项）说明为什么？

（1）字长
计算机CPU能同时并行处理二进制信息的位数。与加法器、寄存器、数据总线的位数有关，字长越长，精度越高，可以表示数的范围越大。
（2）运算速度
计算机单位时间内能执行机器指令的平均条数，以每秒百万条指令MIPS为单位。
（3）存储容量
存储器能存储的二进制信息量的多少。

2.冯诺依曼结构计算机的特点有哪些？

1、计算机有五大部件组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备
2、指令由操作码和地址码组成
3、指令和数据以二进制形式存储
4、指令和数据以同等地位存储在存储器中
5、以运算器为中心
6、存储程序思想

第三章：系统总线

1.系统总线接口有哪几项基本功能？

控制：传递总线上控制信息，主设备会通过总线接口向从设备发出控制信息。
数据缓存：在总线传递信息时，在总线接口中临时存放数据。
状态设置：通过总线和转换从设备的工作信息，便于主设备了解从设备的信息。
数据转换：某些总线接口需要对传递的数据进行转换。
整理：对接口本身进行调整。

2.PCI总线周期类型可指定多少种总线命令？实际给出多少种？请说明存储器读 / 写总线周期的功能。

存储器读 / 写总线周期从猝发式传送为基本机制，一次猝发式传送总线周期通常由一个地址周期和一个或几个数据周期组成。存储器读 / 写周期的解释，取决于PCI总线上的存储器控制器是否支持存储器 / cache之间的PCI传输协议。如果支持，则存储器读 / 写一般是通过cache来进行；否则，是以数据非缓存方式来传输。

3.什么是系统总线？系统总线又分为几类，它们各有何作用，是单向的，还是双向的，它们与机器字长，存储字长，存储单元有何关系？

（1）系统总线是指CPU、主存、I/O设备各大部件之间信息传输线。由于这些部件通常安放在主板或各个插件板上，故又称为板级总线或板间总线。
分为三类分别是数据总线、地址总线、控制总线。
（2）数据总线：用来传输各个功能部件之间的数据信息，它是双向传输总线，其位数与机器字长，存储字长有关。一般为8位、16位、32位，其位数称为数据总线宽度衡量系统参数的一个重要性能。
（3）地址总线：用来指出数据总线上的源数据或目的数据在主存单元的地址或I/O设备的地址，它是单向的地址总线上的代码用来指明CPU欲访问的的存储单元或I/O端口的地址，地址位数与存储单元个数有关。
（3）控制总线：用来发出各种控制信号的传输线。对任意控制线而言，它是单向的；但对控制总线总体来说，他又是双向的

4.什么是总线标准？为什么要设置总线标准？

（1）总线标准可视为系统与各模块，模块与模块之间的一个互连的标准界面。这个界面对它的两端模块都是透明的，任一方只需根据总线标准的要求完成自身一方接口的功能要求，而无需了解对方接口与总线的连接要求。
（2）为什么要设置总线标准，是因为计算机系统中各类模块品种及其复杂，往往一种模块要配一种总线，很难再总线上更换、组合各类模块和设备，造成设备之间总线复杂，传输速度慢等一系列问题。

5.设一个32位微处理器配有16位的外部数据总线，时钟频率为50Mhz，若总线传输的最短周期为4个时钟周期，请问处理器的最大数据传输率是多少?若想提高一倍数据传输率，可采用什么措施？

该总线的最短传输周期为T=4/50Mhz=42010-9s=8010-9s
对于外部总线为16位的处理器，最大数据传输率为：
2B/T=2B/(8010-9s)=25106Bps
若想提高一倍数据传输率，可采用以下两种措施：
（1）外部数据总线宽度改为32B，CPU的时钟频率仍为50Mhz，则数据传输率为：4B/T=50106Bps
（2）时钟频率加倍至100Mhz，外部数据总线宽度仍为16位，则数据传输率为：2B/(4010-9s)=50106Bps

6.某总线在一个总线周期中并行传送4个字节的数据，假设一个总线周期等于一个总线时钟周期，总线时钟频率为33MHZ ，求总线带宽是多少？（2）如果一个总线中并行传送64位数据，总线频率升为66MHZ，求总线带宽是多少？

(1)设总线带宽用Dr表示，总线时钟周期用T = 1/f表示，一个总线周期传送的数据量用D表示，根据定义可得：
Dr ＝ T / D = D ×1/ｆ　＝　4B×33×106/s
(2)64位＝８Ｂ，Dr＝Ｄ×ｆ＝８Ｂ×66×106/s＝528MB/s

7.异步通信方式传送ASCII码，数据位8位，奇校验1位，停止位1位。计算当波特率为4800时，字符传送的速率是多少？每个数据位的时间长度是多少？数据位的传送速率是多少？

每个字符格式包含十个位，
因此字符传送速率4800波特/10=480字符/秒，
每个数据位时间长度T=1/4800=0.208ms，
数据位传送速率8×480=3840位/秒

第四章：存储器

1.什么是中断方式？它与转子程序方式有何异同？

中断方式是指CPU暂停现行程序的执行，转去执行一段中断服务程序以处理某些随机事态，处理完毕后自动恢复原程序的执行。
相同点：都是一种程序的切换过程
不同点：转子程序无随机性，中断具有随机性。

2.请分别解释向量中断、中断向量、中断向量地址三个概念。

向量中断：响应中断后，直接由硬件获得对应于中断源的服务程序入口地址。
中断向量：所有的中断服务程序的入口地址和中断服务程序的状态字。
向量地址：中断向量表的地址。

3.简述程序查询方式和程序中断方式的区别？

（1）在程序查询方式中，何时对何设备进行I/O操作完全受CPU控制，在程序中断方式中，何时对I/O设备进行操作由I/O设备主动通知CPU.
（2）在程序查询方式中，CPU与I/O设备不能并行工作，中断方式由于不需要CPU与I/O设备同步工作，所以他们可以并行工作。
（3）程序查询方式无法处理异常事件，而程序中断方式i处理异常情况
（4）程序查询方式的有点是硬件结构比较简单，缺点是CPU效率低，且只能进行数据传送，程序中断方式的硬件结构相对复杂一点。

4.DMA方式中的中断请求和程序中断方式中的中断请求有何区别？

DMA方式中的中断请求不是为了传送信息（信息是通过主存和I/O间的直接数据通路传送的），只是为了报告CPU一组数据传送数据，有待CPU做一些后处理工作，如测试传送过程中是否出错，决定是否继续使用DMA方式传送等。而程序中断方式的中断请求是为了传送数据，I/O和主机交换信息完全靠CPU响应中断后，转至中断服务程序完成的。

第六章：计算机运算方法

1.设浮点数选x=20100.110101，y=2100（-0.101010），若阶码取3位，尾数取6位（均不包括符号位），按补码运算步骤计算x+y。

加上符号位，阶码为4位，位数为7位
[x]补=0010,0110101 [y]补=0100,1010110
对阶：0010-0100=-2，对x对阶，对阶后为0100,0001101
尾数相加：0001101+1010110=1100011
尾数规格化：尾数左移一位，阶码减一
[x]补+[y]补=0011,1000110=2011*（-0.111010）

2.已知X= -0.01111，Y= +0.11001 用变形补码（二位符号位）求 [X]补、[ - X ]补、[Y]补、[ -Y]补、X+Y和X-Y的值并判断溢出情况。

[X]补 = 11.10001
[ - X ]补= 00.01111
[Y]补= 00.11001
[ -Y ]补 = 11.00111
[X+Y]补=[X]补+[Y]补
[X - Y]补= [X]补 + [ -Y ]补
[X]补 11.10001 [X]补 11.10001
+ [Y]补 00.11001 + [ -Y ]补 11. 00111

     00.01010           10 .11000

[X+Y]补 = 00.01010 运算结果无溢出，X+Y= + 0.01010
[X-Y]补 = 10 .11000运算结果发生负向溢出（超出负数能表示的最大范围）。

3.将十进制数20.59375转换成32位浮点数的二进制格式来存储。

先将十进制数转换为二进制数：
（20.59375）10=（10100.10011）2
然后移动小数点，使其在1，2位之间
10100.10011=1.0010011×24 ,e =4
于是得到 S=0， E = 4+127 = 131 M=01001011
最后得到32位浮点数的二进制格式为：
0100 0001 01010 0100 1100 0000 0000 0000 =（41A4C000)16

第七章：指令系统

1.某机器指令码长度16位，地址码长度都为6位，包含单地址指令，双地址指令和零地址指令，请问单地址指令最多能有多少条，此时双地址指令和零地址指令各位多少条？

机器指令码字长16位，操作数地址码6位，双地址、单地址、零地址的操作码长度分别为4位，6位，16位.双地址指令每减少一种，就可多构成2^6种单地址指令操作码
单地址指令最多能有[(2^4）-1]*(26)-1=959条，
此时双地址指令只有1条
零地址指令最多可有2^6=64条

2.某机指令字长16位，具有二地址指令、一地址指令和零地址三种指令格式，规定每个操作数的地址码为5位，采用操作码扩展技术，每种指令最多可安排几条？写出它们的格式。

采用操作码扩展技术，操作码位数可变，采用操作码扩展技术
机器指令码字长16位，操作数地址码为5位，包含单地址指令，双地址指令和零地址指令，则指令格式为，
OP A1 A2
二地址操作码长度为6位，则二地址指令最多64-1条，剩下一条用来扩展成一地址指令
A1为5位，把A1扩展成操作码，则一地址指令最多32-1条，剩下一条用来扩展成零地址指令
A1为5位，把A2扩展成操作码，则零地址指令最多32条

第八章：CPU的结构和功能

1.什么是指令周期？指令周期是否有一个固定值？为什么？

指令周期是CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间，也即CPU完成一条指令的时间。由于各种指令操作功能不同，因此各种指令的指令周期是不同的，指令周期的长短主要和指令在执行阶段的访存次数和执行阶段所需要完成的操作有关。

第九章：控制单元功能

1.什么是指令周期、机器周期（CPU周期）和T周期？

指令周期：每取出并执行一条指令所需的全部时间。
机器周期（CPU周期）：所有指令执行过程中的一个基准时间，机器周期取决于指令的功能及器件速度。也是CPU访问一次内存所花的时间较长，因此用从内存读取一条指令字的最短时间来定义。
时钟周期：通常称为节拍脉冲或T周期。一个CPU周期包含若干个时钟周期。

2.CPU的工作周期可分为哪几类？它们访存的目的分别是什么？

根据CPU访存性质不同，CPU的工作周期可分为取指周期、间址周期、执行周期和中断周期四类。
他们访问的目的：
取指周期：取指令和分析指令
间指周期：取操作数的有效地址
执行周期：执行阶段完成执行指令操作
中断周期：若有中断请求，CPU进入中断响应阶段，将程序断点保存到存储器中。

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