唐朔飞《计算机组成原理》课后习题详解(CPU的结构和功能)【圣才出品】
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此文档下载后即可编辑第1章计算机系统概论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：由计算机硬件系统和软件系统组成的综合体。
计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。
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。
2. 如何理解计算机的层次结构？答：计算机硬件、系统软件和应用软件构成了计算机系统的三个层次结构。
（1）硬件系统是最内层的，它是整个计算机系统的基础和核心。
（2）系统软件在硬件之外，为用户提供一个基本操作界面。
（3）应用软件在最外层，为用户提供解决具体问题的应用系统界面。
通常将硬件系统之外的其余层称为虚拟机。
各层次之间关系密切，上层是下层的扩展，下层是上层的基础，各层次的划分不是绝对的。
3. 说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别及其联系。
答：机器语言是计算机硬件能够直接识别的语言，汇编语言是机器语言的符号表示，高级语言是面向算法的语言。
高级语言编写的程序（源程序）处于最高层，必须翻译成汇编语言，再由汇编程序汇编成机器语言（目标程序）之后才能被执行。
4. 如何理解计算机组成和计算机体系结构？答：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，如指令系统、数据类型、寻址技术组成及I/O机理等。
计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，包含对程序员透明的硬件细节，如组成计算机系统的各个功能部件的结构和功能，及相互连接方法等。
5. 冯•诺依曼计算机的特点是什么？解：冯•诺依曼计算机的特点是：P8●计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；●指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；●指令和数据均用二进制表示；●指令由操作码、地址码两大部分组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置；●指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行；●机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。
计算机组成原理课后习题和答案_唐朔飞[完整版]
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5. 解释概念：总线宽度、总线带宽、总线复
用、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、总线的通信控制。
解： 总线宽度——指数据总线的位（根）数，用 bit（位）作单位。 总线带宽——指总线在单位时间内可以传输的 数据总量，相当于总线的数据传输率，等于总线工 作频率与总线宽度（字节数）的乘积。 总线复用——指两种不同性质且不同时出现的 信号分时使用同一组总线，称为总线的“多路分时 复用”。
运算。 • ACC：Accumulator，累加器，是运算器中既能存放运算前的操作数，又能存放运算结果的寄存器
。 • MQ：Multiplier-Quotient Register，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
作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置； • 指令在存储器中顺序存放，通常自动顺序取出执行； • 机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。
• 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：P9-10 • 主机：是计算机硬件的主体部分，由CPU和主存储器MM合成为主机。 • CPU：中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成；（早期的运
• 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、功能三部分。 • CPU：Central Processing Unit，中央处理机（器），是计算机硬件的核心部件，主要由运算器和
唐朔飞《计算机组成原理》课后习题详解(指令系统)【圣才出品】
7.2课后习题详解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的主要功能以及与硬件结构之间存在着密切的关系？答：机器语言是由一条条语句组成，每一条语句都能准确地表达某种语义。
人们习惯将每一条机器语言的语句称为机器指令，而将所有机器指令的集合称为机器的指令系统。
计算机实现全自动工作就是通过连续执行每一条机器语句。
计算机设计人员主要研究如何确定机器的指令系统以及如何使用硬件电路、芯片、设备来实现机器指令系统的功能。
计算机用户使用汇编语言根据机器提供的指令系统编译各种程序。
根据机器指令系统描述的机器功能，计算机用户可以清楚地了解计算机内部寄存器一存储器的结构，以及计算机可以直接支持的各种数据类型。
因此，指令系统与机器的主要功能以及与硬件结构密切相关。
2．什么叫寻址方式？为什么要学习寻址方式？答：寻址方式：指的是确定本条指令的数据地址和下一条要执行的指令地址的方法。
它与硬件结构密切相关，直接影响指令的格式和功能。
寻址方法可分为指令寻址和数据寻址。
指令寻址相对简单，可以分为两种类型：顺序寻址和跳转寻址：顺序寻址可以通过程序计数器PC加1来自动形成下一条指令的地址；跳跃寻址则通过转移类指令实现。
有许多种数据寻址方法，必须在指令字中设置字段以指明是哪一种寻址方式。
指令的地址码字段通常不代表操作数的实际地址，它被称为形式地址并记为A。
操作数的实际地址称为有效地址，记为EA。
它是由寻址方式和形式地址共同来确定的。
学习寻址方式目的：从高级语言的角度考虑问题，机器指令的寻址方式对用户来说并不重要，但一旦使用汇编语言，用户要想正确编程，只有理解并掌握了寻址方式，否则程序将无法正常运行。
如果程序员参与机器指令系统的设计，那么理解用于确定机器指令格式的寻址方式是必不可少的。
从另一个角度来看，如果我们对机器指令的寻址方式有了透彻的了解，程序员将进一步加深对机器中信息流程和整机工作概念的理解。
3．什么是指令字长、机器字长和存储字长？答：指令字长：指令字取决于操作数代码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的数量。
计算机组成原理课后答案(第二版)_唐朔飞_第八章
t
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 A B C 屏蔽字 111 010 011
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20s。
向量编码器——向量中断时，用 来产生向量地址； 中断允许触发器（EINT）—— CPU中的中断总开关，完成开、关中 断状态的设置； 中断标记触发器（INT）——用来 建立中断周期状态。INT=1，表示进 入中断周期，即开始执行中断隐指令； 中断屏蔽触发器——对于可屏蔽 的中断源进行开、关中断操作，可视 为各中断源的中断分开关； 采用程序中断技术时，指令系统 中往往有相关指令支持。常见的指令 有：开中断、关中断、中断返回等。
17. 在中断系统中，INTR、INT、 EINT这三个触发器各有何作用？ 解：INTR——中断请求触发器，用 来登记中断源发出的随机性中断请求信号， 以便为CPU查询中断及中断排队判优线路 提供稳定的中断请求信号； EINT——中断允许触发器，CPU中 的中断总开关。当EINT=1时，表示允许 中断（开中断），当EINT=0时，表示禁 止中断（关中断）。其状态可由开、关中 断等指令设置； INT——中断标记触发器，控制器时 序系统中周期状态分配电路的一部分，表 示中断周期标记。当INT=1时，进入中断 周期，执行中断隐指令的操作。
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。
计算机组成原理课后习题及的答案唐朔飞
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。
寄存器之一，用来存放操作数； • MAR：Memory Address Register，存储器地址寄存器，在主存中用来存放欲访问的存储单元的地
址。 • MDR：Memory Data Register，存储器数据缓冲寄存器，在主存中用来存放从某单元读出、或要写
入某存储单元的数据。 • I/O：Input/Output equipment，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
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. 什么是总线标准？为什么要设
置总线标准？目前流行的总线标准有哪些？ 什么是即插即用？哪些总线有这一特点？
解： 总线标准——可理解为系统与模块、 模块与模块之间的互连的标准界面。 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； 即插即用——指任何扩展卡插入系统 便可工作。EISA、PCI等具有此功能。
第一章 计算机系统概论
• 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：由计算机硬件系统和软件系统组成
的综合体。 • 计算机硬件：指计算机中的电子线路和物理装置
计算机组成原理课后习题与答案_唐朔飞(完整版)
量单位。
• 9. 画出主机框图，分别以存数指令“STA M”和加法指令“ADD M”（ M均为主存地址）为例，在图中按序标出完成该指令（包括取指令阶 段）的信息流程（如→①）。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。
• 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、功能三部分。 • CPU：Central Processing Unit，中央处理机（器），是计算机硬件的核心部件，主要由运算器和
MM
I/O1 I/O2 …… I/On
这个方案的错误是： 不合题意。按题意要求应画出逻辑线路图而
不是逻辑框图。
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：
BUSA
BUSB
BUSC
BUSD
1Q
8Q
OE 373 G
1D
8D
令：ABUS = -T2 DBUS = -T0 BUSA = P1 BUSB = P3
>=1 >=1 T1 T3 T0 T2
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？
计算机组成原理(唐朔飞)课后答案全-第9章
PCMAR
MM读
PC+1 PC
MDR IR
JMP
B PC
（2） “STA @ X”指令流程图及微命令序列如下：
PCo，MARi 1 R +1（图中未标出， 可与前一步并行） MDRo，IRi
I=1？
PCMAR
MM读
PC+1 PC
MDR IR
SUB A，H；((AC)-(H) AC) 解：先画出相应指令的流程图，然后将图中每一步数据通路操作分解成相应的微操作，再写出同名的微命令即可。
01
03
02
控制信号举例：图9.4 在此基础上再加B、C、D、E、H、L六个寄存器，连法和控制信号定义方式与图中其它寄存器一样。
当芯片改变后，相应参数变为： 机器周期=0.4µs×4=1.6µs 平均指令周期=1.6µs×2.5=4µs 平均指令执行速度=1/4µs =0.25MIPS 若要得到平均每秒80万次的指令执行速度，则应采用的主频为： 平均指令周期=1/0.8MIPS =1.25 ×10-6=1.25µs 机器周期=1.25µs÷2.5=0.5µs 时钟周期= 0.5µs÷4=0.125µs 主频=1/0.125µs=8MHz 应采用主频为8MHz的CPU芯片。
解：先通过主频求出时钟周期时间，再进一步求出机器周期和平均指令周期。
1
时钟周期=1/10MHz=0.1×10-6
2
=100ns
3
机器周期=100ns×4=400ns=0.4µs
4
平均指令周期=1/1MIPS
5
=1×10-6=1µs
6
每个指令周期所含机器周期个数
7
= 1µs/0.4µs=2.5个
计算机组成原理-唐朔飞-习题解答[1]
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第一章计算机系统概论习题答案1、答：计算机系统由硬件和软件两大部分组成。
硬件即指计算机的实体部分，它由看得见摸的着的各种电子元器件，各类光电、机设备的实物组成，如主机、外设等。
软件时看不见摸不着的，由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成，用来充分发挥硬件功能，提高机器工作效率，便于人们使用机器，指挥整个计算机硬件系统工作的程序集合。
软件和硬件都很重要。
2、答：从计算机系统的层次结构来看，它通常可有五个以上的不同级组成，每一个上都能进行程序设计。
由下至上可排序为：第一级微程序机器级，微指令由硬件直接执行；第二级传统机器级，用微程序解释机器指令；第三级操作系统级，一般用机器语言程序解释作业控制语句；第四级汇编语言机器级，这一级由汇编程序支持合执行；第五级高级语言机器级，采用高级语言，由各种高级语言编译程序支持合执行，还可以有第六级应用语言机器级，采用各种面向问题的应用语言。
3、答：机器语言由0、1代码组成，是机器能识别的一种语言。
汇编语言是面向机器的语言，它由一些特殊的符号表示指令，高级语言是面向用户的语言，它是一种接近于数学的语言，直观，通用，与具体机器无关。
4、答：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。
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，大都属于抽象的属性。
5、答：特点是：(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ACC：累加器，用于存放操作数，如被加数及和，被减数及差，乘积高位、被除数及系数等。
MQ：乘商寄存器，用于存放乘数及乘积地位、商。
X：操作数寄存器，用于存放加数、减数、被乘数、除数。
ALU：算逻部件，用来完成算术逻辑运算。
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8.2课后习题详解
1．CPU有哪些功能？画出其结构框图并简要说明每个部件的作用。
答：CPU功能：CPU具有控制程序的顺序执行、产生完成每条指令所需的控制命令、控制各种操作的执行时间、对数据进行算术和逻辑运算以及处理中断等功能，其框图如图8-5所示。
图8-5
图中寄存器包括专用寄存器（如程序计数器、指令寄存器、堆栈指示器、存储器地址寄存器、存储器数据寄存器、状态寄存器等）以及通用寄存器（存放操作数）；CU产生各种微操作命令序列；ALU完成算术和逻辑运算；中断系统用于处理各种中断。
2．什么是指令周期？指令周期是否有一个固定值？为什么？
答：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。
操作指令又可以分为：取指，分析，执行指令。
取指阶段完成取指令和分析指令的操作，又称取指周期；执行阶段完成执行指令的操作，又称执行周期。
指令周期=取指周
期+执行周期。
因为各种指令操作功能不同，所以各种指令的指令周期也不同，指令周期的长度主要受到指令在执行阶段的访存次数和执行阶段需要完成的操作的影响。
如图8-6所示，各种指令周期的比较结果表明指令周期没有固定值。
图8-6各种指令周期的比较
3．画出指令周期的流程图，分别说明图中每个子周期的作用。
答：指令周期图如图8-7所示：取指周期完成取指令和分析指令的操作；间址周期用于取操作数的有效地址；执行周期完成执行指令的操作；中断周期是当CPU响应中断时，由中断隐指令完成保护程序断点、硬件关中断和向量地址送PC（硬件向量法）的操作。
图8-7
4．设CPU内有这些部件：PC、IR、SP、AC、MAR、MDR和CU。
（1）画出完成间接寻址的取数指令“LDA @X”（将主存某地址单元的内容取至AC 中）的数据流（从取指令开始）。
（2）画出中断周期的数据流。
答：CPU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。
通常用的数据通路结构方法有直接连接、单总线、双总线、三总线等形式。
目前大多采用总线结构，直接连线方式适用于结构特别简单的机器中。
本题采用单总线将题中所给部件连接起来，如图8-8所示。
图8-8
（1）假设为一重间址，在数据通路中，完成间接寻址的取数指令LDA @X的数据流如图8-9左侧所示。
图8-9
（2）中断周期数据流图如图8-9右侧所示。
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：CPU中断周期前为执行周期，中断周期后为取指周期。
一个完整的指令周期应包括取指、间址、执行和中断4个子周期。
中断周期CPU完成下列操作：CPU访存操作；保存程序断点；硬件关中断；将向量地址送程序计数器（硬件
向量法）或将中断识别程序入口地址送程序计数器（软件查询法）。
6．存储器中有若干数据类型：指令代码、运算数据、堆栈数据、字符代码和BCD码，计算机如何识别这些代码？
答：指令代码是CPU在取指阶段从存储器取出的信息。
CPU在执行阶段从存储器取出的可以是运算数据、字符代码或BCD码，具体是哪一种信息取决于指令的操作码。
堆栈数据是根据堆栈指示器SP所指示的地址访存时所获得的数据。
7．什么叫系统的并行性？粗粒度并行和细粒度并行有何区别？
答：并行性包括两个方面：同时性和并发性。
前者是指两个或多个事件在同一时刻发生，后者是指两个或多个事件在同一时段发生。
换言之，两种或两种以上性质相同或不同的功能同时或在同一时间段内得到完成，只要在时间上相互重叠，就存在并行性。
并行性可分粗粒度并行和细粒度并行两类。
粗粒度并行性是在多个处理机上分别运行多个进程，由多台处理机合作完成一个程序，一般用算法（软件）实现。
细粒度并行性是指在处理机的操作级和指令级的并行性，一般用硬件实现，其中指令流水就是一项重要技术。
8．什么是指令流水？画出指令二级流水和四级流水的示意图，它们中哪一个更能提高处理器速度，为什么？
答：指令流水就是改变每条指令按顺序串行执行的规则，以便机器在执行上一条指令时可以取出下一条指令，指令的二级流水和四级流水示意图如图8-10所示。