计算机组成原理课后习题答案-唐朔飞版

唐朔飞《计算机组成原理》课后答案第一章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？解：P3计算机系统——计算机硬件、软件和数据通信设备的物理或逻辑的综合体。计算机硬件——计算机的物理实体。计算机软件——计算机运行所需的程序及相关资料。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。5.冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯氏计算机的特点是：P9•由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；•指令和数据以同一形式（二进制形式）存于存储器中；•指令由操作码、地址码两大部分组成；•指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；•以运算器为中心（原始冯氏机）。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：P10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（机），是计算机硬件的核心部件，由运算器+控制器组成；（早期的运、控不在同一芯片上）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——CPU能同时处理的数据位数；指令字长——一条指令的二进制代码位数；讲评：一种不确切的答法：CPU与MM合称主机；运算器与控制器合称CPU。这两个概念应从结构角度解释较确切。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、中文解释三部分。CPU——CentralProcessingUnit，中央处理机（器），见7题；PC——ProgramCounter，程序计数器，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的计数器；IR——InstructionRegister，指令寄存器，存放当前正在执行的指令的寄存器；CU——ControlUnit，控制单元（部件），控制器中产生微操作命令序列的部件，为控制器的核心部件；ALU——ArithmeticLogicUnit，算术逻辑运算单元，运算器中完成算术逻辑运算的逻辑部件；ACC——Accumulator，累加器，运算器中运算前存放操作数、运算后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，内存中用来存放欲访问存储单元地址的寄存器；MDR——MemoryDataRegister，存储器数据缓冲寄存器，主存中用来存放从某单元读出、或写入某存储单元数据的寄存器；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；10.指令和数据都存于存储器中,计算机如何区分它们？解：计算机硬件主要通过不同的时间段来区分指令和数据，即：取指周期（或取指微程序）取出的既为指令，执行周期（或相应微程序）取出的既为数据。另外也可通过地址来源区分，从PC指出的存储单元取出的是指令，由指令地址码部分提供操作数地址。问题讨论：×由控制器分析是指令还是数据；数据进控制器？×指令由指令寄存器存取；指令寄存器有控制功能？×指令和数据的格式不一样；指令由操作码和地址码组成）两者的二进制代码形式不一样？×指令顺序存放，而数据不是；数据为什么不能顺序存放？×MAR放地址，MDR放数据；取指时MDR中也是数据？×存取数据和存取指令的操作在机器中完全一样；无法区分？×指令和数据的地址不一样；某一存储单元只能放数据（或指令）?×指令放在ROM中，数据放在RAM中；用户程序放在哪？第三章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？解：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。讲评：围绕“为减轻总线负载”的几种说法：×应对设备按速率进行分类，各类设备挂在与自身速率相匹配的总线上；×应采用多总线结构；×总线上只连接计算机的五大部件；×总线上的部件应为低功耗部件。上述措施都无法从根上（工程上）解决问题，且增加了许多不必要（或不可能）的限制。×总线上的部件应具备机械特性、电器特性、功能特性、时间特性；这是不言而喻的。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？解：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；独立请求方式判优速度最快，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。解：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——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。6.试比较同步通信和异步通信。解：同步通信——由统一时钟控制的通信，控制方式简单，灵活性差，当系统中各部件工作速度差异较大时，总线工作效率明显下降。适合于速度差别不大的场合；异步通信——不由统一时钟控制的通信，部件间采用应答方式进行联系，控制方式较同步复杂，灵活性高，当系统中各部件工作速度差异较大时，有利于提高总线工作效率。8.为什么说半同步通信同时保留了同步通信和异步通信的特点？解：半同步通信既能像同步通信那样由统一时钟控制，又能像异步通信那样允许传输时间不一致，因此工作效率介于两者之间。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？解：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。11.画一个具有双向传输功能的总线逻辑图。解：此题实际上是要求设计一个双向总线收发器，设计要素为三态、双向、使能等控制功能的实现，可参考74LS245等总线收发器芯片内部电路。逻辑图如下：（n位）几种错误的设计：几种错误的设计：12.设数据总线上接有A、B、C、D四个寄存器，要求选用合适的74系列芯片，完成下列逻辑设计：（1）设计一个电路，在同一时间实现D→A、D→B和D→C寄存器间的传送；（2）设计一个电路，实现下列操作：T0时刻完成D→总线；T1时刻完成总线→A；T2时刻完成A→总线；T3时刻完成总线→B。解：（1）采用三态输出的D型寄存器74LS374做A、B、C、D四个寄存器，其输出可直接挂总线。A、B、C三个寄存器的输入采用同一脉冲打入。注意-OE为电平控制，与打入脉冲间的时间配合关系为：现以8位总线为例，设计此电路，如下图示：（2）寄存器设置同（1），由于本题中发送、接收不在同一节拍，因此总线需设锁存器缓冲，锁存器采用74LS373（电平使能输入）。节拍、脉冲配合关系如下：节拍、脉冲分配逻辑如下：节拍、脉冲时序图如下：以8位总线为例，电路设计如下：（图中，A、B、C、D四个寄存器与数据总线的连接方法同上。）几种错误的设计：（1）几种错误的设计：（1）几种错误的设计：（2）几种错误的设计：（2）几种错误的设计：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—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份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。4.说明存取周期和存取时间的区别。解：存取周期和存取时间的主要区别是：存取时间仅为完成一次操作的时间，而存取周期不仅包含操作时间，还包含操作后线路的恢复时间。即：存取周期=存取时间+恢复时间5.什么是存储器的带宽？若存储器的数据总线宽度为32位，存取周期为200ns，则存储器的带宽是多少？解：存储器的带宽指单位时间内从存储器进出信息的最大数量。存储器带宽=1/200ns×32位=160M位/秒=20MB/S=5M字/秒注意字长（32位）不是16位。（注：本题的兆单位来自时间=106）6.某机字长为32位，其存储容量是64KB，按字编址它的寻址范围是多少？若主存以字节编址，试画出主存字地址和字节地址的分配情况。解：存储容量是64KB时，按字节编址的寻址范围就是64KB，则：按字寻址范围=64K×8/32=16K字按字节编址时的主存地址分配图如下：讨论：1、一个存储器不可能有两套地址，注意字长32位，不是16位，不能按2字节编址；2、本题与IBM370、PDP-11机无关；3、按字寻址时，地址仍为16位；（：地址14位，单元16K个，按字编址4K空间。）4、字寻址的单位为字，不是B。5、按字编址的地址范围为0~16K-1，空间为16K字；按字节编址的地址范围为0~64K-1，空间为64KB。不能混淆；6、画存储空间分配图时要画出上限。7.一个容量为16K×32位的存储器，其地址线和数据线的总和是多少？当选用下列不同规格的存储芯片时，各需要多少片？1K×4位，2K×8位，4K×4位，16K×1位，4K×8位，8K×8位解：地址线和数据线的总和=14+32=46根；各需要的片数为：1K×4：16K×32/1K×4=16×8=128片2K×8：16K×32/2K×8=8×4=32片4K×4：16K×32/4K×4=4×8=32片16K×1：16K×32/16K×1=32片4K×8：16K×32/4K×8=4×4=16片8K×8：16K×32/8K×8=2×4=8片讨论：地址线根数与容量为2的幂的关系，在此为214，14根；：32=25，5根）数据线根数与字长位数相等，在此为32根。（不是2的幂的关系。9.什么叫刷新？为什么要刷新？说明刷新有几种方法。解：刷新——对DRAM定期进行的全部重写过程；刷新原因——因电容泄漏而