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计算机组成原理课后习题答案（⼀到九章）作业解答第⼀章作业解答1.1 基本的软件系统包括哪些内容？答：基本的软件系统包括系统软件与应⽤软件两⼤类。
系统软件是⼀组保证计算机系统⾼效、正确运⾏的基础软件，通常作为系统资源提供给⽤户使⽤。
包括：操作系统、语⾔处理程序、数据库管理系统、分布式软件系统、⽹络软件系统、各种服务程序等。
1.2 计算机硬件系统由哪些基本部件组成？它们的主要功能是什么？答：计算机的硬件系统通常由输⼊设备、输出设备、运算器、存储器和控制器等五⼤部件组成。
输⼊设备的主要功能是将程序和数据以机器所能识别和接受的信息形式输⼊到计算机内。
输出设备的主要功能是将计算机处理的结果以⼈们所能接受的信息形式或其它系统所要求的信息形式输出。
存储器的主要功能是存储信息，⽤于存放程序和数据。
运算器的主要功能是对数据进⾏加⼯处理，完成算术运算和逻辑运算。
控制器的主要功能是按事先安排好的解题步骤，控制计算机各个部件有条不紊地⾃动⼯作。
1.3 冯·诺依曼计算机的基本思想是什么？什么叫存储程序⽅式？答：冯·诺依曼计算机的基本思想包含三个⽅⾯：1) 计算机由输⼊设备、输出设备、运算器、存储器和控制器五⼤部件组成。
2) 采⽤⼆进制形式表⽰数据和指令。
3) 采⽤存储程序⽅式。
存储程序是指在⽤计算机解题之前，事先编制好程序，并连同所需的数据预先存⼊主存储器中。
在解题过程（运⾏程序）中，由控制器按照事先编好并存⼊存储器中的程序⾃动地、连续地从存储器中依次取出指令并执⾏，直到获得所要求的结果为⽌。
1.4 早期计算机组织结构有什么特点？现代计算机结构为什么以存储器为中⼼？答：早期计算机组织结构的特点是：以运算器为中⼼的，其它部件都通过运算器完成信息的传递。
随着微电⼦技术的进步，⼈们将运算器和控制器两个主要功能部件合⼆为⼀，集成到⼀个芯⽚⾥构成了微处理器。
同时随着半导体存储器代替磁芯存储器，存储容量成倍地扩⼤，加上需要计算机处理、加⼯的信息量与⽇俱增，以运算器为中⼼的结构已不能满⾜计算机发展的需求，甚⾄会影响计算机的性能。
计算机组成原理课后答案习题解答第一章思考题与习题1．什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件？硬件和软件哪个更重要？计算机系统是指计算机硬件、软件和数据通信设备的物理或逻辑的综合体。
硬件即指计算机的实体部分。
软件是由计算机运行所需的程序及相关文档硬件和软件在计算机系统中相互依存，缺一不可，因此同样重要4．如何理解计算机组成和计算机体系结构？计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性，通常是指用机器语言编程的程序员所看到的传统机器的属性，包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O 机理等等计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。
5．冯·诺依曼计算机的特点是什么？(1) 计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成(2) 指令和数据以同等的地位存放于存储器内，并可以按地址寻访(3) 指令和数据均可以用二进制代码表示(4) 指令由操作码和地址码组成(5) 指令在存储器内按顺序存放。
(6) 机器以运算器为中心。
6．画出计算机硬件组成框图，说明各部件的作用及计算机硬件的主要技术指标。
硬件的主要技术指标：(1) 机器字长：指 CPU 一次能处理数据的位数，通常与 CPU 的寄存器位数有关(2) 存储容量：包括主存容量和辅存容量，存放二进制代码的总数＝存储单元个数×存储字长(3) 运算速度：主频、Gibson 法、MIPS 每秒执行百万条指令、CPI 执行一条指令所需时钟周期数、FLOPS 每秒浮点运算次数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。
主机——是计算机硬件的主体部分，由CPU+MM（主存或内存）组成；CPU——中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器+控制器组成；存储字长——存储器一次存取操作的最大位数；存储容量——存储器中可存二进制代码的总量；机器字长——CPU能同时处理的数据位数；等于处理器内部寄存器位数指令字长——一条指令包含的二进制代码位数；8．解释下列英文代号：CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS。
《计算机组成原理》各章练习题参考答案第一章思考练习题一.填空1.电子数字计算机可以分为专用计算机和通用计算机两类。
2.硬件采用LSI或VLSI的电子计算机属于计算机发展过程中的第四代。
3.存储器中存放数据和程序。
4.一台计算机包括运算、存储、控制、输入及输出五个单元。
5.完成算术运算和逻辑运算的部件是运算器(或ALU)；运算器的核心是加法器；控制、指挥程序和数据的输入、运行以及处理运算结果的部件是控制器。
6.CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线是内部总线；CPU同存储器、通道等互相连接的总线是系统总线；中、低速I/O设备之间互相连接的总线是I/O总线。
7.在多总路线结构中，CPU总线、系统总线和高速总线相连通过桥实现。
8.计算机软件一般分为系统软件和应用软件。
9.完整的计算机系统由硬件系统和软件系统构成。
10.机器字长是指一台计算机一次所能够处理的二进制位数量。
11.数据分类、统计、分析属于计算机在数据处理方面的应用。
12.计算机是一种信息处理机，它最能准确地反映计算机的主要功能。
13.个人台式商用机属于微型机。
14.对计算机软硬件进行管理，是操作系统的功能。
15.用于科学技术的计算机中，标志系统性能的主要参数是MFLOPS。
16.通用计算机又可以分为超级机、大型机、服务器、工作站、微型机和单片机六类。
17.“存储程序控制”原理是冯.诺依曼提出的。
18.运算器和控制器构成CPU，CPU和主存构成主机。
19.取指令所用的时间叫取指周期，执行指令所用的时间叫执行周期。
20.每个存储单元都有一个编号，该编号称为地址。
21.现代计算机存储系统一般由高速缓存、主存和辅存构成。
22.计算机能够自动完成运算或处理过程的基础是存储程序和程序控制原理。
二.单选1.存储器用来存放( C )。
A.数据B.程序C.数据和程序D.正在被执行的数据和程序2.下面的描述中，正确的是( B )A.控制器能够理解、解释并执行所有的指令及存储结果。
7.1 什么叫机器指令？什么叫指令系统？为什么说指令系统与机器指令的主要功能以及与硬件结构之间存在着密切的关系？机器指令：是CPU能直接识别并执行的指令，它的表现形式是二进制编码。
机器指令通常由操作码和操作数两部分组成。
指令系统：计算机所能执行的全部指令的集合，它描述了计算机内全部的控制信息和“逻辑判断”能力。
指令系统是计算机硬件和软件的接口部分，是全部机器指令的集合。
7.2 什么叫寻址方式？为什么要学习寻址方式？寻址方式：指确定本条指令的数据地址以及下一条将要执行的指令地址的方法，它与硬件结构紧密相关，而且直接影响指令格式和指令功能。
学习寻址方式，是为了找到指令中参与操作的数据，然后根据指令，得出结果。
7.3什么是指令字长、机器字长和存储字长？指令字长：是指机器指令中二进制代码的总位数。
指令字长取决于从操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数。
不同的指令的字长是不同的。
机器字长：是指计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（整数运算即定点整数运算）。
机器字长也就是运算器进行定点数运算的字长，通常也是CPU内部数据通路的宽度。
即字长越长，数的表示范围也越大，精度也越高。
机器的字长也会影响机器的运算速度。
存储字长：一个存储单元存储一串二进制代码（存储字），这串二进制代码的位数称为存储字长，存储字长可以是8位、16位、32位等。
7.6 某指令系统字长为16位，地址码取4位，提出一种方案，使该指令系统有8条三地址指令、16条二地址指令、100条一地址指令。
解：三地址指令格式如下：4 4 4 4OP A1 A2 A3指令操作码分配方案如下：4位OP0000，……， A1,A2,A3:8条三地址指令0111，1000，0000，……，……， A2，A3:16条二地址指令1000，1111，1001，0000，0000，……，……，……， A3:100条一地址指令1001，0110，0011，1001，0110，0100，……，……，……，冗余编码1001，1111，1111，可用来扩充一、零地址指令条数1010，……，冗余编码1111，可用来扩充三、二、一、零地址指令条数7.7 设指令字长为16位，采用扩展操作码技术，每个操作数的地址为6位。
计算机组成原理3-7章作业答案(总6页)-本页仅作为预览文档封面，使用时请删除本页-第3章习题参考答案2.已知某64位机主存采用半导体存储器, 其地址码为26位, 若使用4M ×8位的DRAM 芯片组成该机所允许的最大主存空间, 并选用内存条结构形式, 问；(1) 若每个内存条为16M ×64位, 共需几个内存条 (2) 每个内存条内共有多少DRAM 芯片(3) 主存共需多少DRAM 芯片 CPU 如何选择各内存条 解：(1) 共需条4641664226=⨯⨯M 内存条 (2) 每个内存条内共有32846416=⨯⨯M M 个芯片(3) 主存共需多少 个RAM 芯片, 共有4个内存条, 故CPU 选择内存条用最高两位地址A24和A25通过2: 4译码器实现；其余的24根地址线用于内存条内部单元的选择。
3.用16K ×8位的DRAM 芯片构成64K ×32位存储器, 要求: (1) 画出该存储器的组成逻辑框图。
(2) 设存储器读/写周期为μS, CPU 在1μS 内至少要访问一次。
试问采用哪种刷新方式比较合理两次刷新的最大时间间隔是多少对全部存储单元刷新一遍所需的实际刷新时间是多少 解：(1) 用16K ×8位的DRAM 芯片构成64K ×32位存储器, 需要用 个芯片, 其中每4片为一组构成16K ×32位——进行字长位数扩展(一组内的4个芯片只有数据信号线不互连——分别接D0(D7、D8(D15.D16(D23和D24(D31, 其余同名引脚互连), 需要低14位地址(A0(A13)作为模块内各个芯片的内部单元地址——分成行、列地址两次由A0(A6引脚输入；然后再由4组进行存储器容量扩展, 用高两位地址A14.A15通过2: 4译码器实现4组中选择一组。
画出逻辑框图如下。
(1) (2) (3) (4)(5) (6) (7) (8) (9) (10) (11) (12) (13) (14) (15) (16) CPUD 0~D 31RAS 0RAS 1RAS 2RAS 3A 0~A 13A 14 A 15A 0~A 6A 0~A 6 A 0~A 6 A 0~A 6 WE WE2-4 译码RASD 0~7 D 8~15 D 16~23 D 24~31D 0~7 D 8~15 D 16~23 D 24~31D 0~7 D 8~15 D 16~23 D 24~31D 0~7 D 8~15 D 16~23 D 24~31WEWEWERASRASRAS(2) 设刷新周期为2ms, 并设16K(8位的DRAM 结构是128(128(8存储阵列, 则对所有单元全部刷新一遍需要128次(每次刷新一行, 共128行)若采用集中式刷新, 则每2ms 中的最后128((s=64(s 为集中刷新时间, 不能进行正常读写, 即存在64(s 的死时间若采用分散式刷新, 则每1(s 只能访问一次主存, 而题目要求CPU 在1μS 内至少要访问一次, 也就是说访问主存的时间间隔越短越好, 故此方法也不是最适合的比较适合采用异步式刷新:采用异步刷新方式, 则两次刷新操作的最大时间间隔为 , 可取(s ；对全部存储单元刷新一遍所需的实际刷新时间为：(s(128=；采用这种方式, 每(s 中有(s 用于刷新, 其余的时间用于访存(大部分时间中1(s 可以访问两次内存)。
第七章指令系统
ღ7-1指令，程序
指令：计算机执行某种操作的命令
程序：由有序的指令串构成，程序要解决一个具体的问题
指令系统：一台计算机能执行的全部指令的集合
指令系统的重要性：软件编程的基础，硬件设计的依据，综合考虑计算机的软硬件是计算机设计的关键因素。
ღ7-2操作码
操作码用来指明该指令所要完成的操作。
通常位数反映了机器的操作种类，即机器允许的指令条数，如7位→2^7=128条指令
固定长度操作码：操作码长度(占二进制位数)固定不变
硬件设计相对简单
指令译码时间开销小
指令空间利用率较低
可变长度操作码：操作码长度随指令地址数目的不同而不同(可平均缩短指令长度) 硬件设计相对复杂
指令译码时间开销较大
指令空间利用率较高
例：某机器采用固定长度指令系统，16位，包括3地址指令15条，双地址指令10条，单地址指令若干，每个地址占4位。
问：该指令系统最多容纳多少个单地址指令，并设计该指令系统的操作码编码方案
析：每条指令：一个唯一操作码编码，不同类型指令具有不同标识，用扩展操作码方案
三15条，1111
双10条，6个没用6*16=96个
๑ 7.3什么是指令字长、机器字长和存储字长？
๑ 7.6某指令系统字长为16位，地址码取4位，试提出一种方案，使该指令系统
有8条三地址指令、16条二地址指令、100条一地址指令。
固定操作码为4位。
8条三地址指令操作码为：0000~0111（剩下1000~1111共8个扩展窗口）
16条二地址指令操作码为：1000 0000~1000 1111
（剩下1001 0000~1111 1111共112个扩展窗口）100条一地址指令操作码为：10010000 0000~10010000 1111
10010001 0000~10010001 1111
10010010 0000~10010010 1111
10010011 0000~10010011 1111
10010100 0000~10010100 1111
10010101 0000~10010101 1111
10010110 0000~10010110 0011
๑7.9试比较间接寻址和寄存器间接寻址。
๑7.10试比较基址寻址和变址寻址。
1）都可有效地扩大指令寻址范围。
2）基址寻址时，基准地址由基址寄存器给出，地址的改变反映在位移量A的取值上；变址寻址时，基准地址由A给出，地址的改变反映在变址值的自动修改上，变址值由变址寄存器给出。
3）基址寄存器内容通常由系统程序设定，变址寄存器内容通常由用户设定。
4）基址寻址适用于程序的动态重定位，变址寻址适用于数组或字符串处理，适用场合不同。
๑7.11画出先变址再间址及先间址再变址的寻址过程示意图。
解：1）先变址再间址寻址过程简单示意如下：
๑7.14设相对寻址的转移指令占两个字节，第一字节是操作码，第二字节是相对位移量（用补码表示），假设当前转移指令第一字节所在地址为2000H，且CPU 每取出一个字节便自动完成（PC）+1→PC的操作。
试问当执行“JMP * +8”和“JMP * -9”指令时，转移指令第二字节的内容各为多少？
（1）根据汇编语言指令JMP * +8，即要求转移后的目标地址为2000H+08H=2008H，但因为CPU取出该指令后PC值已修改为2002H，故转移指令第二字节的内容应为+6（十进制），写成补码为06H。
（2）同理，执行“JMP * -9”指令时，要求转移指令第二字节的内容应为-11（十进制），写成补码为：F5H
๑8.1 CPU有哪些功能？画出其结构框图并简要说明各个部件的作用。
答：参考P328和图8.2。
๑8.2什么是指令周期？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。
๑8.3画出指令周期的流程图，分析说明图中每个子周期的作用。
答：参看P343及图8.8。
๑8.4设CPU内有下列部件：PC、IR、SP、AC、MAR、MDR和CU，要求：（1）画出完成间接寻址的取数指令LDA@X（将主存某地址单元X的内容取至AC中）的数据流（从取指令开始）。
（2）画出中断周期的数据流。
解：CPU中的数据流向与所采用的数据通路结构直接相关，不同的数据通路中的数据流是不一样的。
常用的数据通路结构方式有直接连线、单总线、双总线、三总线等形式，目前大多采用总线结构，直接连线方式仅适用于结构特别简单的机器中。
为简单起见，本题采用单总线将题中所给部件连接起来，框图如下：
（1）LDA@X指令周期数据流程图：
（2）中断周期流程图如下：
๑8.5中断周期前是什么阶段？中断周期后又是什么阶段？在中断周期CPU应完成什么操作？
从CPU机器周期的时序层次来看，中断周期前是指令的执行阶段。
中断周期后是取指令阶段。
在中断周期CPU应完成关中断、保存断点和转中断服务程序入口三个操作。
๑9.2控制单元的功能是什么？其输入受什么控制？
答：控制单元的主要功能是发出各种不同的控制信号。
其输入受时钟信号、指令寄存器的操作码字段、标志和来自系统总线的控制信号的控制。
๑9.3什么是指令周期、机器周期和时钟周期？三者有何关系？
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。
机器周期是所有指令执行过程中的一个基准时间，通常以存取周期作为机器周期。
时钟周期是机器主频的倒数，也可称为节拍，它是控制计算机操作的最小单位时间。
一个指令周期包含若干个机器周期，一个机器周期又包含若干个时钟周期，每个指令周期内的机器周期数可以不等，每个机器周期的时钟周期数也可以不等。
๑9.4能不能说CPU的主频越快，计算机的运行速度就越快？为什么？
不能说CPU的主频越快，计算机的运行速度就越快。
因为机器的速度不仅与主频有关，还与机器周期中所含的时钟周期数以及指令周期中所含的机器周期数有关。
同样主频的机器，由于机器周期所含时钟周期数不同，机器的速度也不同。
机器周期中所含时钟周期数少的机器，速度更快。
此外，机器的速度还和其他很多因素有关，如主存的速度、机器是否配有Cache、总线的数据传输率、硬盘的速度以及机器是否采用流水技术等。
๑10.15设控制存储器的容量为512×48位，微程序可在整个控存空间实现转移，而控制微程序转移的条件共有4个（采用直接控制），微指令格式如下：
试问微指令中的三个字段分别为多少位？
解：微指令各字段位数分配如下：操作控制35，转移条件4，下地址9
๑10.21下表给出8条微指令I1~I8及所包含的微命令控制信号，设计微指令操作控制字段格式，要求所使用的控制位最少，而且保持微指令本身内在的并行性。
解：为使设计出的微指令操作控制字段最短，并且保持微指令本身内在的并行性，
应采用混合编码法。
首先找出互斥的微命令组，为便于分析，将微命令表重画如下：
由表中微命令的分布情况可看出：a、b、c、d、e微命令的并行性太高，因此不能放在同一字段中。
另外，由分析可知，在2、3、4分组的互斥组中，3个一组的微命令互斥组对控制位的压缩作用最明显。
因此，应尽可能多的找出3个一组的互斥组。
现找出的互斥组有：cfj，dij，efh，fhi，bgj，ehj，efj……等等。
从中找出互不相重的互斥组有两个：dij，efh。
则：微指令操作控制字段格式安排如下：
2
b：0 无操作，1 b微命令；
c: 0 无操作, 1 c微命令；
g :0 无操作, 1 g微命令；
dij ：00 无操作；01 d微命令；10 i微命令；11 j微命令；
efh：00 无操作；01 e微命令；10 f微命令；11 h微命令与采用直接控制法比较：直接控制法：10个微命令需10位操作控制位；本方案中10个微命令需8位操作控制位，压缩了2位。
