组成原理作业答案

第一章1.2如何理解计算机系统的层次结构？从计算机系统的层次结构来看，它通常可划分五个以上的层次，在每一层次（级）上都能进行程序设计。由下至上可排序为：微程序机器M0级（微指令系统），微指令由硬件直接执行；传统机器M1（机器语言机器级），用微程序解释机器指令；虚拟机器M2（操作系统机器级），用机器语言程序解释操作系统的作业控制语句；虚拟机器M3（汇编语言机器级），用汇编程序翻译成机器语言程序；虚拟机器M4（高级语言机器级），用编译程序翻译成汇编语言程序。还可以有应用语言机器级，采用各种面向问题的应用语言。1.4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（也包括汇编语言程序设计者和汇编程序设计者）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，大都属于抽象的属性。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（即程序员不知道的）硬件细节。1.9STAM指令信息流程取指令：PC→MAR→M→MDR→IR分析指令：OP(IR)→CU执行指令：Ad(IR)→MAR→M，ACC→MDR→MADDM指令信息流程取指令：PC→MAR→M→MDR→IR分析指令：OP(IR)→CU执行指令：Ad(IR)→MAR→M→MDR→X，ACC→ALU，同时X→ALU，ALU→ACC假设主存容量为256M*32位，在指令字长、存储字长、机器字长相等的条件下，指出图中各寄存器的位数.256M*32即主存共有256M个存储单元，每个存储单元长为32位，即MDR寄存器为32位。因256M=2^28，故MAR、PC寄存器为28位。又因指令字长、存储字长、机器字长相等，故ACC、MQ、X、IR寄存器与MDR长度相同，均为32位。第三章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。14.设总线的时钟频率为8MHz，一个总线周期等于一个时钟周期。如果一个总线周期中并行传送16位数据，试问总线的带宽是多少？解：总线宽度=16位/8=2B总线带宽=8MHz×2B=16MB/s15.在一个32位的总线系统中，总线的时钟频率为66MHz，假设总线最短传输周期为4个时钟周期，试计算总线的最大数据传输率。若想提高数据传输率，可采取什么措施？解法1：总线宽度=32位/8=4B时钟周期=1/66MHz=0.015µs总线最短传输周期=0.015µs×4=0.06µs总线最大数据传输率=4B/0.06µs=66.67MB/s解法2：总线工作频率=66MHz/4=16.5MHz总线最大数据传输率=16.5MHz×4B=66MB/s若想提高总线的数据传输率，可提高总线的时钟频率，或减少总线周期中的时钟个数，或增加总线宽度。16.在异步串行传送系统中，字符格式为：1个起始位、8个数据位、1个校验位、2个终止位。若要求每秒传送120个字符，试求传送的波特率和比特率。解：一帧=1+8+1+2=12位波特率=120帧/秒×12位=1440波特比特率=1440波特×（8/12）=960bps或：比特率=120帧/秒×8=960bps第四章6.某机字长为32位，其存储容量是64KB，按字编址其寻址范围是多少？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：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=2X4=8片13.设有一个64K×8位的RAM芯片，试问该芯片共有多少个基本单元电路（简称存储基元）？欲设计一种具有上述同样多存储基元的芯片，要求对芯片字长的选择应满足地址线和数据线的总和为最小，试确定这种芯片的地址线和数据线，并说明有几种解答。解：存储基元总数=64K×8位=512K位=219位；思路：如要满足地址线和数据线总和最小，应尽量把存储元安排在字向，因为地址位数和字数成2的幂的关系，可较好地压缩线数。设地址线根数为a，数据线根数为b，则片容量为：2a×b=219；b=219-a；若a=19，b=1，总和=19+1=20；a=18，b=2，总和=18+2=20；a=17，b=4，总和=17+4=21；a=16，b=8总和=16+8=24；…………由上可看出：片字数越少，片字长越长，引脚数越多。片字数、片位数均按2的幂变化。结论：如果满足地址线和数据线的总和为最小，这种芯片的引脚分配方案有两种：地址线=19根，数据线=1根；或地址线=18根，数据线=2根。15：（2）选片：ROM：4K×4位：2片；RAM：4K×8位：3片；（3）CPU和存储器连接逻辑图及片选逻辑：24.一个4体低位交叉的存储器，假设存取周期为T，CPU每隔1/4存取周期启动一个存储体，试问依次访问64个字需多少个存取周期？解：本题中，只有访问第一个字需一个存取周期，从第二个字开始，每隔1/4存取周期即可访问一个字，因此，依次访问64个字需：存取周期个数=(64-1)×(1/4)T+T=（63/4+1）T=15.75+1=16.75T与常规存储器的速度相比，加快了：（64-16.75）T=47.25T注：4体交叉存取虽然从理论上讲可将存取速度提高到4倍，但实现时由于并行存取的分时启动需要一定的时间，故实际上只能提高到接近4倍。第五章第六章第七章第八章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意所给部件连接起来，框图如下：（1）假设为一重间址，在上述数据通路中，完成间接寻址的取数指令LDA@X的数据流如下页：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？答：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。24.现有A、B、C、D四个中断源，其优先级由高向低按A→B→C→D顺序排列。若中断服务程序的执行时间为20µs，请根据下图所示时间轴给出的中断源请求中断的时刻，画出CPU执行程序的轨迹。解：CPU执行程序的轨迹图如下：这是一个多重中断的程序运行轨迹，图中忽略了中断响应时间。25.设某机有五个中断源L0、L1、L2、L3、L4，按中断响应的优先次序由高向低排序为L0L1L2L3L4，现要求中断处理次序改为L1L4L2L0L3，根据下面的格式，写出各中断源的屏蔽字。解：各中断源屏蔽状态见下表：表中：设屏蔽位=1表示屏蔽，屏蔽位=0表示中断开放。为了使所有中断都能得到及时响应，现行程序的中断屏蔽字一般设为全开放（全0）状态。讨论：按照修改过的优先次序，当五个中断请求信号同时到来时，CPU中断处理过程如下图：图中括号内为各程序的屏蔽码。注意：中断屏蔽码的判优作用体现在对低级中断请求的屏蔽上，对于多个同时到来的高级中断请求信号之间则只有开放作用，没有判优作用。此时还需依赖硬件排队线路完成进一步的判优。中断处理过程示意图（画法二：时空图表示）26.设某机配有A、B、C三台设备，其优先级按A→B→C降序排列，为改变中断处理次序，它们的中断屏蔽字设置如下：设备屏蔽字A111B010C011请按下图所示时间轴给出的设备请求中断的时刻，画出CPU执行程序的轨迹。设A、B、C中断服务程序的执行时间均为20s。解：CPU执行程序的轨迹图如下：这是一个多重中断的程序运行轨迹，图中忽略了中断响应时间。28.设某机有4个中断源1、2、3、4，其响应优先级按1→2→3→4降序排列，现要求将中断处理次序改为4→1→3→2。根据下图给出的4个中断源的请求时刻，画出CPU执行程序的轨迹。设每个中断源的中断服务程序时间均为20µs。解：CPU执行程序的轨迹图如下：