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白中英计算机组成原理课后习题答案.doc

白中英计算机组成原理课后习题答案

旋舞之蝶
2009-10-22 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《白中英计算机组成原理课后习题答案doc》,可适用于高等教育领域

wwwkhdawcom课后答案网第一章.模拟计算机的特点是数值由连续量来表示运算过程也是连续的。数字计算机的主要特点是按位运算并且不连续地跳动计算。模拟计算机用电压表示数据采用电压组合和测量值的计算方式盘上连线的控制方式而数字计算机用数字和表示数据采用数字计数的计算方式程序控制的控制方式。数字计算机与模拟计算机相比精度高数据存储量大逻辑判断能力强。.数字计算机可分为专用计算机和通用计算机是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。.科学计算、自动控制、测量和测试、信息处理、教育和卫生、家用电器、人工智能。.主要设计思想是:存储程序通用电子计算机方案主要组成部分有:运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备.存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量。每个存储单元都有编号称为单元地址。如果某字代表要处理的数据称为数据字。如果某字为一条指令称为指令字。.每一个基本操作称为一条指令而解算某一问题的一串指令序列称为程序。.取指周期中从内存读出的信息流是指令流而在执行器周期中从内存读出的信息流是指令流。.半导体存储器称为内存存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器称为外存内存和外存共同用来保存二进制数据。运算器和控制器合在一起称为中央处理器简称CPU它用来控制计算机及进行算术逻辑运算。适配器是外围设备与主机联系的桥梁它的作用相当于一个转换器使主机和外围设备并行协调地工作。.计算机的系统软件包括系统程序和应用程序。系统程序用来简化程序设计简化使用方法提高计算机的使用效率发挥和扩大计算机的功能用用途应用程序是用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序。.在早期的计算机中人们是直接用机器语言来编写程序的这种程序称为手编程序或目的程序后来为了编写程序方便和提高使用效率人们使用汇编语言来编写程序称为汇编程序为了进一步实现程序自动化和便于程序交流使不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机人们又创造了算法语言用算法语言编写的程序称为源程序源程序通过编译系统产生编译程序也可通过解释系统进行解释执行随着计算机技术的日益发展人们又创造出操作系统随着计算机在信息处理、情报检索及各种管理系统中应用的发展要求大量处理某些数据建立和检索大量的表格于是产生了数据库管理系统。.从第一至五级分别为微程序设计级、一般机器级、操作系统级、汇编语言级、高级语言级。采用这种用一系列的级来组成计算机的概念和技术对了解计算机如何组成提供了一种好的结构和体制。而且用这种分级的观点来设计计算机对保证产生一个良好的系统结构也是很有帮助的。.因为任何操作可以由软件来实现也可以由硬件来实现任何指令的执行可以由硬件完成也可以由软件来完成。实现这种转化的媒介是软件与硬件的逻辑等价性。.(略)第二章.()()()=F=原=补=反=移=()原=补=反=移=()=原=补=反=移=.x补=aaa…a解法一、()若a=,则x>,也满足x>此时a→a可任意()若a=,则x<=,要满足x>,需a=即a=,a=,a→a有一个不为解法二、=()==,()若x>=,则a=,a→a任意即可x补=x=aaa…a()若x<,则x>只需x<,x>x补=x,补=即x补<即aa=,a→a不全为或至少有一个为(但不是“其余取”).字长位浮点数阶码位用移码表示尾数位用补码表示基为()最大的数的二进制表示E=Ms=,M=…(全)表示为:……个个即:()最小的二进制数E=Ms=,M=…(全)(注意:用…来表示尾数-)表示为:……个个即:()规格化范围正最大E=…M=…Ms=个个即:正最小E=…M=…Ms=个个即:负最大E=…M=…Ms=个个(最接近的负数)即:负最小E=…M=…Ms=个个即:规格化所表示的范围用集合表示为:,,()最接近于的正规格化数、负规格化数(由上题可得出)正规格化数E=…M=…Ms=个个负规格化数E=…M=…Ms=个个.假设浮点数格式如下:()阶补码:尾数补码:机器数:()阶补码:尾数补码:机器数:.()x=,y=xy=无溢出()x=,y=xy=无溢出()x=y=xy=无溢出.()x=y=溢出()x=y=xy=无溢出()x=y=溢出.()原码阵列x=,y=符号位:x⊕y=⊕=x原=,y原=x*y原=直接补码阵列x补=(),y补=()x*y补=,,(直接补码阵列不要求)带求补器的补码阵列x补=,y补=乘积符号位单独运算⊕=尾数部分算前求补输出│X│=│y│=X×Y=()原码阵列x=,y=符号位:x⊕y=⊕=x补=,y补=x*y补=,,直接补码阵列x补=(),y补=()x*y补=,,(直接补码阵列不要求)带求补器的补码阵列x补=,y补=乘积符号位单独运算⊕=尾数部分算前求补输出│X│=│y│=X×Y=.()符号位Sf=⊕=去掉符号位后:y’补=y’补=x’补=()符号位Sf=⊕=去掉符号位后:y’补=y’补=x’补=.()x=*,y=*()x浮=,y浮=,ExEy==x浮=,()规格化处理:阶码xy=*=*规格化处理:阶码xy=*()x=*(),y=*x浮=,y浮=,ExEy==x浮=,()规格化处理:阶码xy=*规格化处理:阶码xy=*.()Ex=,Mx=Ey=,My=Ez=ExEy=规格化:*()Ex=,Mx=Ey=,My=Ez=ExEy==Mx补=My补=,My补=商=*,余数=*.INCLUDEPICTURE"D:jinerwork组成白中英版改编visiojpg"*MERGEFORMATINETINCLUDEPICTURE"D:jinerwork组成白中英版改编visiojpg"*MERGEFORMATINETINCLUDEPICTURE"D:jinerwork组成白中英版改编visiojpg"*MERGEFORMATINET位加法器如上图()串行进位方式C=GPC其中:G=ABP=A⊕B(A+B也对)C=GPCG=ABP=A⊕BC=GPCG=ABP=A⊕BC=GPCG=ABP=A⊕B()并行进位方式C=GPCC=GPGPPCC=GPGPPGPPPCC=GPGPPGPPPGPPPPC.()组成最低四位的进位输出为:C=Cn=GPCn=GPCC为向第位进位其中G=yyxyxxyxxxP=xxxx所以C=yxCC=yxC=yxyxxC()设标准门延迟时间为T“与或非”门延迟时间为T则进位信号C由最低位传送至C需经一个反相器、两级“与或非”门故产生C的最长延迟时间为T*T=T()最长求和时间应从施加操作数到ALU算起:第一片有级“与或非”门(产生控制参数x,y,Cn)第二、三片共级反相器和级“与或非”门(进位链)第四片求和逻辑(级与或非门和级半加器设其延迟时间为T)故总的加法时间为:t=*TT*TTT=T.串行状态下:C=GPCOC=GPCC=GPCC=GPC并行状态下:C=GPCC=GPC=GPGPPCC=GPC=GPGPPGPPPCC=GPC=GPPCPPPCPPPPC.设余三码编码的两个运算数为Xi和Yi第一次用二进制加法求和运算的和数为Si’进位为Ci’校正后所得的余三码和数为Si进位为Ci则有:Xi=XiXiXiXiYi=YiYiYiYiSi’=Si’Si’Si’Si’根据以上分析可画出余三码编码的十进制加法器单元电路如图所示。.第三章()()()位地址作芯片选择()()每个模块要个DRAM芯片()*=块由高位地址选模块()根据题意存储总容量为KB故地址总线需位。现使用K*位DRAM芯片共需片。芯片本身地址线占位所以采用位并联与地址串联相结合的方法来组成整个存储器其组成逻辑图如图所示其中使用一片:译码器。()根据已知条件CPU在us内至少访存一次而整个存储器的平均读写周期为us如果采用集中刷新有us的死时间肯定不行如果采用分散刷新则每us只能访存一次也不行所以采用异步式刷新方式。假定K*位的DRAM芯片用*矩阵存储元构成刷新时只对行进行异步方式刷新则刷新间隔为ms=us可取刷新信号周期us。刷新一遍所用时间=us×=ms()()()如果选择一个行地址进行刷新刷新地址为AA因此这一行上的个存储元同时进行刷新即在ms内进行个周期。刷新方式可采用:在ms中进行次刷新操作的集中刷新方式或按ms=us刷新一次的异步刷新方式。所设计的存储器单元数为M字长为故地址长度为位(A~A)所用芯片存储单元数为K字长为位故占用的地址长度为位(A~A)。由此可用位并联方式与地址串联方式相结合的方法组成组成整个存储器共片RAM芯片并使用一片:译码器。其存储器结构如图所示。()系统位数据所以数据寄存器位()系统地址K=所以地址寄存器位()共需要片()组成框图如下()组内地址用A~A()小组译码器使用:译码器()RAM~RAM各用两片K*的芯片位并联连接顺序存储器和交叉存储器连续读出m=个字的信息总量都是:q=位*=位顺序存储器和交叉存储器连续读出个字所需的时间分别是:t=mT=*ns=*s顺序存储器和交叉存储器的带宽分别是:cache的命中率cache主存系统效率e为平均访问时间Ta为h*tc(h)*tm=ta虚拟地址为位物理地址为位。页表长度:虚拟存储器借助于磁盘等辅助存储器来扩大主存容量使之为更大或更多的程序所使用。在此例中若用户不具有虚存则无法正常运行程序而具有了虚存则很好地解决了这个问题。设取指周期为T总线传送周期为τ指令执行时间为t()t=(Tτt)*=Tτt()t=(Tτt)*=Tτt故不相等。页面访问序列命中率a=bc命中命中命中DC第四章不合理。指令最好半字长或单字长设位比较合适。单操作数指令为:mn条()RR型指令()寄存器寻址()单字长二地址指令()操作码字段OP可以指定=种操作()双字长二地址指令用于访问存储器。操作码字段可指定种操作。()RS型指令一个操作数在通用寄存器(共个)另一个操作数在主存中。()有效地址可通过变址寻址求得即有效地址等于变址寄存器(共个)内容加上位移量。()双操作数指令()=种寻址方式()=种操作()直接寻址方式()相对寻址方式()变址寻址方式()基址寻址方式()间接寻址方式()变址间接寻址方式条指令需占位=剩余条可作为扩充种寻址方式需占位剩余位作为地址X=直接寻址方式E=DX=立即寻址方式X=变址寻址方式E=(R)DX=相对寻址方式E=(PC)D()种操作码占位种寻址方式占位X=页面寻址方式E=PCHDX=立即寻址方式X=直接寻址方式E=D()PC高位形成主存个页面每页个单元()寻址模式X=尚未使用故可增加一种寻址方式。由于CPU中给定的寄存器中尚可使用PC故可增加相对寻址方式其有效地址E=PCD如不用相对寻址还可使用间接寻址此时有效地址E=(D)。当位移量变成位时寻址模式变成位可有更多的寻址方式。个通用寄存器占位种操作占位剩下位用于存储器地址采用R为基址寄存器寻址地址=(R)+D当基址最大D也是最大的时候寻址能力最大而寄存器是位的故最大存储空间是+=GB+MB。、、、、C()寄存器()寄存器间接()立即()直接()相对、基值、变址第五章IR、AR、DR、ACSTAR(R)LDA(R),R节拍脉冲TTT的宽度实际上等于时钟脉冲的周期或是它的倍数。此处T=T=ns,T=ns所以主脉冲源的频率应为。为了消除节拍脉冲上的毛刺环形脉冲发生器采用移位寄存器形式。图中画出了题目要求的逻辑电路图与时序信号关系图。根据时序信号关系TTT三个节拍脉冲的逻辑表达式如下:T用与门实现T和T则用C的端和C的Q端加非门实现其目的在于保持信号输出时延时间的一致性并与环形脉冲发生器隔离。M=GS=HDFS=ABHDEFGS=ABFGC=HDEyFyGφ经分析(d,i,j)和(e,f,h)可分别组成两个小组或两个字段然后进行译码可得六个微命令信号剩下的a,b,c,g四个微命令信号可进行直接控制其整个控制字段组成如下:P=按IR、IR转移P=按进位C转移()将CD两个暂存器直接接到ALU的AB两个输入端上。与此同时除CD外其余个寄存器都双向接到单总线上。()()假设判别测试字段中每一位作为一个判别标志那么由于有个转移条件故该字段为位。下地址字段为位因为控存容量为单元。微命令字段则是()=位。()对应上述微指令格式的微程序控制器逻辑框图如图所示。其中微地址寄存器对应下地址字P字段即为判别测试字段控制字段即为微命令字段后两部分组成微指令寄存器。地址转移逻辑的输入是指令寄存器的OP码、各种状态条件以及判别测试字段所给的判别标志(某一位为)其输出修改微地址寄存器的适当位数从而实现微程序的分支转移。就是说此处微指令的后继地址采用断定方式。()流水线的操作周期应按各步操作的最大时间来考虑即流水线时钟周期性()遇到数据相关时就停顿第条指令的执行直到前面指令的结果已经产生因此至少需要延迟个时钟周期。()如果在硬件设计上加以改进如采用专用通路技术就可使流水线不发生停顿。()()()如上两图所示执行相同的指令在个单位时间内流水计算机完成条指令而非流水计算机只完成条显然流水计算机比非流水计算机有更高的吞吐量。证:设n条指令K级流水每次流水时间τ则用流水实现Tp=Kτ(n)τ非流水实现Ts=Kτnn>∞时n=时则可见n>时Ts>Tp故流水线有更高吞吐量()写后读RAW()读后写WAR()写后写WAW()()第六章单总线结构:它是一组总线连接整个计算机系统的各大功能部件各大部件之间的所有的信息传送都通过这组总线。其结构如图所示。单总线的优点是允许IO设备之间或IO设备与内存之间直接交换信息只需CPU分配总线使用权不需要CPU干预信息的交换。所以总线资源是由各大功能部件分时共享的。单总线的缺点是由于全部系统部件都连接在一组总线上所以总线的负载很重可能使其吞量达到饱和甚至不能胜任的程度。故多为小型机和微型机采用。双总线结构:它有两条总线一条是内存总线用于CPU、内存和通道之间进行数据传送另一条是IO总线用于多个外围设备与通道之间进行数据传送。其结构如图所示。双总线结构中通道是计算机系统中的一个独立部件使CPU的效率大为提高并可以实现形式多样而更为复杂的数据传送。双总线的优点是以增加通道这一设备为代价的通道实际上是一台具有特殊功能的处理器所以双总线通常在大、中型计算机中采用。三总线结构:即在计算机系统各部件之间采用三条各自独立的总线来构成信息通路。这三条总线是:内存总线输入输出(IO)总线和直接内存访问(DMA)总线如图所示。内存总线用于CPU和内存之间传送地址、数据的控制信息IO总线供CPU和各类外设之间通讯用DMA总线使内存和高速外设之间直接传送数据。一般来说在三总线系统中任一时刻只使用一种总线但若使用多入口存储器内存总线可与DMA总线同时工作此时三总线系统可以比单总线系统运行得更快。但是三总线系统中设备到不能直接进行信息传送而必须经过CPU或内存间接传送所以三总线系统总线的工作效率较低。()简化了硬件的设计。从硬件的角度看面向总线是由总线接口代替了专门的IO接口由总线规范给出了传输线和信号的规定并对存储器、IO设备和CPU如何挂在总线上都作了具体的规定所以面向总线的微型计算机设计只要按照这些规定制作CPU插件、存储器插件以及IO插件等将它们连入总线即可工作而不必考虑总线的详细操作。()简化了系统结构。整个系统结构清晰连线少底板连线可以印刷化。()系统扩充性好。一是规模扩充二是功能扩充。规模扩充仅仅需要多插一些同类型的插件功能扩充仅仅需要按总线标准设计一些新插件。插件插入机器的位置往往没有严格的限制。这就使系统扩充既简单又快速可靠而且也便于查错。()系统更新性能好。因为CPU、存储器、IO接口等都是按总线规约挂到总线上的因而只要总线设计恰当可以随时随着处理器芯片以及其他有关芯片的进展设计新的插件新的插件插到底板上对系统进行更新而这种更新只需更新需要更新的插件其他插件和底板连线一般不需更改。“A”的ASCII码为H=B的个数为偶数故校验位为“”的ASCII码为H=B的个数为奇数故校验位为。CB、A、CADAD、C、A、BB、A、E、D、CC、A、B、D、EPCI总线上有HOST桥、PCILAGACY总线桥、PCIPCI桥。桥在PCI总线体系结构中起着重要作用它连接两条总线使彼此间相互通信。桥是一个总线转换部件可以把一条总线的地址空间映射到另一条总线的地址空间上从而使系统中任意一个总线主设备都能看到同样的一份地址表。桥可以实现总线间的猝发式传送可使所有的存取都按CPU的需要出现在总线上。由上可见以桥连接实现的PCI总线结构具有很好的扩充性和兼容性允许多条总线并行工作。分布式仲裁不需要中央仲裁器每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。当它们有总线请求时把它们唯一的仲裁号发送到共享的仲裁总线上每个仲裁器将仲裁总线上得到的号与自己的号进行比较。如果仲裁总线上的号大则它的总线请求不予响应并撤消它的仲裁号。最后获胜者的仲裁号保留在仲裁总线上分布式仲裁是以优先级仲裁策略为基础。总线的一次信息传送过程大致可分为:请求总线总线仲裁寻址信息传送状态返回。*=MHzs第七章.D.C、D、C、A.()**=字节()**=位=字节()()*()*()*()*()=MHz.()**=B**=*字符s带宽>*字符s()*()*()*()*()=MHz点计数器:字计数器:行计数器:排计数器:()..***=KB.设读写一块信息所需总时间为tB平均找道时间为ts平均等待时间为tl读写一块信息的传输时间为tm则tB=tstltm假设磁盘以每秒r转速率旋转每条磁道容量为N个字则数据传输率=rN个字秒。又假设每块的字数为n因而一旦读写头定位在该块始端就能在秒的时间中传输完毕。tl是磁盘旋转半周的时间tl=(r)秒。由此可得:.()**=MB()()()()此地址格式表示有台磁盘每台有个记录面每个记录面最多可容纳个磁道每道有个扇区。..转分=转秒=道秒道秒*扇区道*B扇区=KB秒写入B需时:由于找道时间为~ms故平均找道时间为ms最大找道时间为ms所以平均需时:msms=ms最长需时:msms=ms.()()传送一个数据块所需时间为一个数据块占用长度为每块间隙L=m数据块总数为故磁带存储器有效存储容量为块*K字节=K字节..()磁盘内径为:英寸英寸=英寸内层磁道周长为每道信息量=位英寸*英寸=*位磁盘有道英寸*英寸=道盘片组总容量:***=*位=兆位()每转即每道含有信息量*位即*B.()(***)***=s()(***)***=s.()存储容量从大到小依次为:活动头磁盘存储器光盘存储器主存软磁盘高速缓存寄存器组存储周期从大到小依次为:软磁盘光盘存储器活动头磁盘存储器主存高速缓存寄存器组()().刷新存储器是用来存储一图像信息以不断提供刷新图像的信号。其存储容量由图像分辨率和灰度级决定。**bit=MB.()**=MB()**B*s=MBs.**=MB第八章A、B、CBAC组织外围设备和内存进行数据传输控制外围设备选择数组多路字节多路能响应因为设备A的优先级比设备B高。若要设备B总能立即得到服务可将设备B从第二级取出来单独放在第三级上使第三级的优先级最高即令IM=。依次处理设备A设备D设备G的时间为:T=tttttAT=tttttDT=tttttG总时间为T=TTT=*(tttt)tAtDtG()()要将通用寄存器内容保存到主存中去。只需保存中断处理程序用到的那个寄存器内容。()IMIMIM=()IMIMIM=()若要设备B总能立即得到服务可将设备B从第二级取出来单独放在第三级上使第三级的优先级最高即令IM=。D中断、蔽中断、中断、异常、异常、执行软件中断指令B、A、C、D、EB、A、()通道方式:可以实现对外设的统一管理和外设与内存之间的数据传送大大提高了CPU的工作效率。()DMA方式:数据传送速度很高传送速率仅受到内存访问时间的限制。需要更多硬件适用于内存和高速外设之间大批数据交换的场合。()中断方式:一般适用于随机出现的服务且一旦提出要求应立即进行节省了CPU的时间开销但硬件结构稍复杂一些。类似P题MsEsE→EMMMME→EEsMsCSCSCSCS:译码器D~DAAA~ACPU地址寄存器数据寄存器K*K*K*K*K*K*K*K*CSCSCSCS:译码器CS~CSAAROMRAMRAMRAMRAMRAMHHHAHCHEHHy’补←y’补←y’补←y’补←y’补←y’补xy()()xy()()xyxyMx*My*MyMyMyMyMyMyMy()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()(),,*x补=y补=x补=y补=x补=y补=x补=y补=x补=y补=y’补←y’补←y’补←y’补←y’补←y’补OP()X()D()D()X()OP()D()R()*PC>ARPC,G,ARiR�EMBEDEquation���=RDR,G,ARiR,G,ARiR,G,DRiR�EMBEDEquation���=WM>DRDR>IRR>ARR>DRDR>MDR>RM>DRR>ARDR>IR

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