计算机组成技术作业参考答案

计算机组成技术作业参考答案习题11．ENIAC、莫克利、埃克特、巴贝奇、冯.诺依曼5．图灵、图灵机8．第一代：电子管计算机。采用电子管作为逻辑元件，能够处理定点数，用机器语言或汇编语言编程，应用仅局限于科学计算第二代：晶体管计算机。采用晶体管作为逻辑元件，用磁芯做主存，磁带磁鼓纸带卡片机等做外设。采用algol60等高级语言。除科学计算外，还应用于数据处理和工业过程控制。第三代：集成电路计算机。采用集成电路代替分离的晶体管元件，半导体存储器，微程序控制技术，操作系统成熟，并行、多处理机、虚拟存储、系列机、图形用户界面等技术。高级语言编程，除上述外还用于企业管理、人工智能等第四代：大规模集成电路计算机。采用大规模集成电路，半导体存储器，UNIX操作系统，微处理器与个人计算机。采用高级语言、组件技术编程，应用于工作及生活的方方面面。第五代：巨大规模集成电路。具有广泛知识、能推理、会学习的智能计算机。10．第一代：4位微处理器和微型计算机。4004CPU及MCS-4微型机，用机器语言或汇编语言编程，进行十进制算术运算。第二代：8位微处理器和微型计算机。指令系统较完善，具有典型的计算机组成结构以及中断、DMA等控制功能。软件丰富，汇编语言、高级语言编程，采用操作系统。第三代：16位微处理器和微型计算机。采用高级语言编程，操作系统、数据库系统较完善，性能开始超越小型机，第四代：32位微处理器和微型计算机。性能大幅提高，可做多媒体处理。采用图形用户界面。用于工作、生活、娱乐等。第五代：64位微处理器和微型计算机。性能进一步提升，采用多核、并行处理技术。13．每18个月微处理器内部的晶体管数目增加一倍，同时计算性能翻一番，而价格保持不变。摩尔定律是科学规律，从科学角度看这是大规模集成电路的发展方向。习题22．(1)计算机由运算器、存储器、输入/输出设备和控制器组成，并以运算器为中心连接在一起。(2)存储器由一组一维排列、线性编址的存储单元组成，每个存储单元的位数是相等且固定的，存储单元按地址访问。(3)“程序”是由一条一条的指令有序排列而成，而指令由操作码和地址码两部分组成。(4)指令和数据均采用二进制数表示，并以二进制数形式进行运算。(5)程序（指令）与数据是同等地不加区分地存储在同一个存储器中。(6)设置“程序计数器PC”来指示下一条将要执行的指令的地址6．“程序计数器PC”来指示下一条将要执行的指令的地址。每执行完一条指令，程序计数器就自动加1，指向下一条指令的存储单元。用于实现程序中指令的逐条顺序执行。7．系统软件、应用软件、支持软件、测试与维护软件8．固件9．CU是PU的指挥机构，由程序计数器PC、存放当前指令的指令寄存器IR、解释指令的指令译码器ID、发出各种命令信号的控制信号发生器CSG及相应的控制逻辑组成。CU依据指令译码器产生的一系列操作命令/信号来指挥、协调PU乃至计算机系统中各个部件的工作10．电子计算机由控制单元、运算单元、存储器、输入单元和输出单元组成。14．可移植性是指一台计算机上能够运行的程序，不加修改或只需少许加工就可以在另外一台计算机上正确运行，并给出相同的结果。唯一区别就是运行时间的长短。（1）软件方式：以软件兼容（统一机器语言）的方式解决程序的可移植性问题，（2）硬件方式：计算机体系结构，或程序员看到的机器属性相同的系列机、兼容机16．解决程序的可移植，硬件的接插兼容，机器的性能分档。System360系列机20．软件兼容为同一个程序可以不加修改的在具有相同体系结构的各档机器上正确运行，唯一区别就是运行时间长短不同。计算机体系结构相同（统一机器语言）21．逻辑功能22．虚拟机31．基本字长37．（1）能在程序控制下自动连续的工作（2）运算速度快，计算精度高（3）具有逻辑判断能力（4）通用性强（5）具有很强的“记忆”功能习题31．B2．（1）[+1110B]原=00001110B[+1110B]反=00001110B[+1110B]补=00001110B（2）[-1110B]原=10001110B[-1110B]反=11110001B[-1110B]补=11110010B(3)[+0.0001000B]原=00001000B[+0.0001000B]反=00001000B[+0.0001000B]补=00001000B(4)[-0.0001000B]原=10001000B[-0.0001000B]反=11110111B[-0.0001000B]补=11111000B5．-（1-2-7）~（1-2-7）（1-2-7）-111.Xor11110000B或Xxor11110000B12．Xand00001111B13．Xxor11111111B14．（1）[X]补=01110101B[Y]补=11110100B[X]补+[Y]补=01110101B+11110100B=01101001B[X+Y]补=[X]补+[Y]补=01101001BX+Y=+1101001B（2）[X]补=10001011B[Y]补=11100100B[X]补+[Y]补=10001011B+11100100B=01101111B[X+Y]补=[X]补+[Y]补=01101111B同符号位相加，结果符号位与其不同，溢出X+Y=+1101111B溢出，结果无意义21补码28．+20H或+3229．输入编码、机内码、字模码习题41．逻辑左右移、算术左右移指令，相当于乘以2或除以24．1）因为数据或指令的位置不同，在指令中、CPU中、内存中、IO接口中。2）方便程序对数据或指令的访问，如对数组、矩阵、结构等信息的访问，使程序编制简单易懂。6．转移指令是从当前位置跳转到指定位置处，并不再回来。所以不需要保存当前的位置。在子程序中也不需要现场保护，现场恢复，不需要返回原来位置。子程序调用指令是指调用一个子程序，执行完再回来。需要保存当前的位置。在子程序中要现场保护、现场恢复，返回原来位置。10．能、能。可以用整数运算指令、加减法指令模拟，就像没有sin、cos等指令，计算机程序也可以进行三角函数运算。13．指令分为操作码和操作数，一般指令在代码段、数据在数据段或堆栈段、辅加段。从时间上来说，CPU先取指令，进行译码分析，然后再执行指令，在执行指令过程中根据需要访问数据。数据可以在内存中（代码段的指令后，数据段、堆栈段或辅加段），CPU中的寄存器，或者IO端口中。15.RISC精简指令集计算机，指令条数较少，指令格式固定，多数在一个时钟周期完成，指令功能简单，复杂功能通过编制子程序实现。优点：CPU设计简化，主频可以很高，整体性能高，设计周期短，成本低。缺点：只有load/store可以访问存储器，编程不方便。cpu寄存器多采用硬联控制逻辑解释指令，设计复杂，指令不能太多。指令格式固定，寻址方式少，使编程不够灵活对编译优化技术要求高16.背景：单核处理器局限性越来越突出，发展出现了瓶颈。而市场对处理器性能的增长却越来越迫切。解决问题：并行性问题，即问题任务中具有可以同时进行计算和操作的特性。包括同时性和并发性问题。同时性指在两个或多个事件在同一时刻发生，并发性指两个或多个事件在同一时间间隔内发生。解决办法：simd、mimd型并行计算机。Simd：向量流水线处理器、阵列处理器、相联处理器Mimd:共享存储的多处理器系统、分布存储的多计算机系统、多线程处理器/计算机系统。看法：这个技术早就有了，只不过这项技术展示避开了单核处理器的功耗和散热的难题。习题51．总线：总线是计算机系统中各个部件之间（甚至各个系统之间）传递信息的一组共享的电导线。优点：实现了系统的模块化设计、简化了系统组成，降低了设计、生产、维护、升级的成本，便于专业厂商的生产。缺点：安全降低、性能降低4．地址总线、数据总线、控制总线8．串行链接/链式查询、定时查询/计数器定时查询、独立请求方式、固定时间片方式1）串行链接/链式查询优点：选择算法简单、良好可扩展性、易于提高总线分配的可靠性。缺点：可靠性、灵活性差，总线仲裁速度低2）定时查询/计数器定时查询优点：可靠性高，缺点：可扩展性差3）独立请求方式优点：总线分配速度快、性能最高，灵活性强。缺点：成本最昂贵。4）固定时间片方式优点：实现简单、硬件成本低，每个部件公平使用总线。缺点是总线利用率低。12．同步通信优点：信号传送速率高，缺点：有同步误差和同步错误问题，成本高。异步通信优点：抗干扰强，成本低。缺点：信号传送速率低13.总线意义：实现了系统的模块化设计，简化了系统的组成，降低了设计、生产、维护、升级的成本，便于专业厂商的生产。常用：PCI、USB、ISA等14.AB习题63.存储器有半导体存储器、磁表面存储器、光盘存储器和铁电存储器等4.时间局部性和空间局部性,时间局部性是指将要访问的信息就是现在正在访问的信息。空间局部性是指将要用到的信息就在正使用的信息旁边。6.每秒传送的二进制位数64b/50ns=1280Mb/s9.单译码、双译码10．采用电容存储信息的原理，而电容上的电荷会慢慢丢失。刷新方式：集中式刷新、分散式刷新、异步式刷新。集中式刷新是在一个刷新间隔内，集中一段时间对全部存储单元进行逐行刷新，在此期间正常的读/写操作将被停止。分散式刷新是指对每行存储单元的刷新分散到每个读/写周期中进行。具体来说，就是延长原先的读/写周期，将新的读/写周期分成前/后两段，前半段用来读/写或维持，后半段用来刷新。异步式刷新是将前两种方法结合起来，在一个刷新间隔内，均匀地进行逐行刷新。11.（1）掩模型ROM，MROM（2）可编程ROM，PROM（3）可擦除的可编程ROM，EPROM（4）可用电擦除的可编程ROM，EEPROM12.64M256M17.地址分析：6000H~67FFH为2K，ROM，用2K*8位的1片6800H~6BFFH为1K，RAM，用1K*4位的2片151413121110987654321001100000000000006000011000111111111163FF01100100000000006400011001111111111167FF0110100000000000680001101011000000006Bff图略20.为了解决“主存储器的速度始终赶不上处理器的速度”的问题，在主存和处理器之间增加一级高速缓冲存储器。指令和数据各有自己的时间和空间上的局部性，分开后能提高各部分的有效性和性能21.全相联映像、直接映像、组相联映像、段相联映像。直接映像、全相联22.LRU、FIFO、Random习题81．设备选择与寻址功能。传送命令的功能。传送数据的功能。反映I/O设备工作状态的功能。I/O接口一般都由数据锁存/缓冲器、状态寄存器、命令寄存器、地址译码和控制逻辑等电路组成。2．I/O接口通常是指主机与外部设备之间设置的一个硬件电路及其相应的软件控制。端口是指接口电路中的一些寄存器，分别用来存放数据信息、控制信息和状态信息。接口和端口是两个不同的概念，若干端口加上相应的控制逻辑才能组成接口。3．独立编址I/O、存储器映象I/O。独立编址I/O是指I/O存储单元独立与存储器系统单独隔离开一个独立的存储空间。这种方式的缺点是只能使用IN、OUT指令在I/O与处理器之间传送数据。但它的优点是显著的，端口与存储空间隔离开来，用户可以充分的扩展存储器而无须考虑给I/O留出空间。存储器映象I/O中，端口地址是内存地址的一部分。任一存储器的指令均能执行I/O数据传送。指令灵活。5．无条件传送方式、程序查询、中断、DMA、专用处理机7．中断：中断是一个过程。它是指CPU在正常运行程序时，由于内部/外部事件，由主程序转到为中断事件服务的程序中去，服务完毕，再返回执行原程序。这一过程称为中断。中断源：发出中断请求的外设或引起中断的内部原因称为中断源。断点：发生中断请求时，CPU正要执行的程序的位置。中断屏蔽：程序执行的过程中允许还是不允许相应中断请求。包括CPU的IF位，和8259中断控制器的IMR中断屏蔽寄存器