计算机组成原理第七章课后部分答案 0528
计算机组成原理-第7章以后作业答案
第七章指令系统ღ7-1指令，程序指令：计算机执行某种操作的命令程序：由有序的指令串构成，程序要解决一个具体的问题指令系统：一台计算机能执行的全部指令的集合指令系统的重要性：软件编程的基础，硬件设计的依据，综合考虑计算机的软硬件是计算机设计的关键因素。
ღ7-2操作码操作码用来指明该指令所要完成的操作。
通常位数反映了机器的操作种类，即机器允许的指令条数，如7位→2^7=128条指令固定长度操作码：操作码长度(占二进制位数)固定不变硬件设计相对简单指令译码时间开销小指令空间利用率较低可变长度操作码：操作码长度随指令地址数目的不同而不同(可平均缩短指令长度) 硬件设计相对复杂指令译码时间开销较大指令空间利用率较高例：某机器采用固定长度指令系统，16位，包括3地址指令15条，双地址指令10条，单地址指令若干，每个地址占4位。
问：该指令系统最多容纳多少个单地址指令，并设计该指令系统的操作码编码方案析：每条指令：一个唯一操作码编码，不同类型指令具有不同标识，用扩展操作码方案三15条，1111双10条，6个没用6*16=96个๑ 7.3什么是指令字长、机器字长和存储字长？๑ 7.6某指令系统字长为16位，地址码取4位，试提出一种方案，使该指令系统有8条三地址指令、16条二地址指令、100条一地址指令。
固定操作码为4位。
8条三地址指令操作码为：0000~0111（剩下1000~1111共8个扩展窗口）16条二地址指令操作码为：1000 0000~1000 1111（剩下1001 0000~1111 1111共112个扩展窗口）100条一地址指令操作码为：10010000 0000~10010000 111110010001 0000~10010001 111110010010 0000~10010010 111110010011 0000~10010011 111110010100 0000~10010100 111110010101 0000~10010101 111110010110 0000~10010110 0011๑7.9试比较间接寻址和寄存器间接寻址。
计算机组成原理习题答案第七章
１．控制器有哪几种控制方式？各有何特点？解：控制器的控制方式可以分为３种：同步控制方式、异步控制方式和联合控制方式。
同步控制方式的各项操作都由统一的时序信号控制，在每个机器周期中产生统一数目的节拍电位和工作脉冲。
这种控制方式设计简单，容易实现；但是对于许多简单指令来说会有较多的空闲时间，造成较大数量的时间浪费，从而影响了指令的执行速度。
异步控制方式的各项操作不采用统一的时序信号控制，而根据指令或部件的具体情况决定，需要多少时间，就占用多少时间。
异步控制方式没有时间上的浪费，因而提高了机器的效率，但是控制比较复杂。
联合控制方式是同步控制和异步控制相结合的方式。
２．什么是三级时序系统？解：三级时序系统是指机器周期、节拍和工作脉冲。
计算机中每个指令周期划分为若干个机器周期，每个机器周期划分为若干个节拍，每个节拍中设置一个或几个工作脉冲。
３．控制器有哪些基本功能？它可分为哪几类？分类的依据是什么？解：控制器的基本功能有：（１）从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置。
（２）对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。
（３）指挥并控制CPU 、主存和输入输出设备之间的数据流动。
控制器可分为组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型３类，分类的依据在于控制器的核心———微操作信号发生器（控制单元CU）的实现方法不同。
４．中央处理器有哪些功能？它由哪些基本部件所组成？解：从程序运行的角度来看，CPU 的基本功能就是对指令流和数据流在时间与空间上实施正确的控制。
对于冯? 诺依曼结构的计算机而言，数据流是根据指令流的操作而形成的，也就是说数据流是由指令流来驱动的。
５．中央处理器中有哪几个主要寄存器？试说明它们的结构和功能。
解：CPU 中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终结果及控制、状态信息的，它可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。
通用寄存器可用来存放原始数据和运算结果，有的还可以作为变址寄存器、计数器、地址指针等。
《计算机组成原理》课后题答案_清华大学出版_秦磊华_吴非··
1、l 解释下列名词摩尔定律:对集成电路上可容纳的晶体管数目、性能与价格等发展趋势的预测,其主要内容就是:成集电路上可容纳的晶体管数量每18个月翻一番,性能将提高一倍,而其价格将降低一半。
主存: 计算机中存放正在运行的程序与数据的存储器,为计算机的主要工作存储器,可随机存取。
控制器:计算机的指挥中心,它使计算机各部件自动协调地工作。
时钟周期:时钟周期就是时钟频率的倒数,也称为节拍周期或T周期,就是处理操作最基本的时间单位。
多核处理器:多核处理器就是指在一枚处理器中集成两个或多个完整的计算引擎(内核)。
字长:运算器一次运算处理的二进制位数。
存储容量: 存储器中可存二进制信息的总量。
CPI:指执行每条指令所需要的平均时钟周期数。
MIPS:用每秒钟执行完成的指令数量作为衡量计算机性能的一个指标,该指标以每秒钟完成的百万指令数作为单位。
CPU时间:计算某个任务时CPU实际消耗的时间,也即CPU真正花费在某程序上的时间。
计算机系统的层次结构:计算机系统的层次结构由多级构成,一般分成5级,由低到高分别就是:微程序设计级,机器语言级,操作系统级,汇编语言级,高级语言级。
基准测试程序:把应用程序中使用频度最高的那那些核心程序作为评价计算机性能的标准程序。
软/硬件功能的等价性:从逻辑功能的角度来瞧,硬件与软件在完成某项功能上就是相同的,称为软/硬件功能就是等价的,如浮点运算既可以由软件实现,也可以由专门的硬件实现。
固件:就是一种软件的固化,其目的就是为了加快软件的执行速度。
可靠性:可靠性就是指系统或产品在规定的条件与规定的时间内,完成规定功能的能力。
产品可靠性定义的要素就是三个“规定”:“规定条件”、“规定时间”与“规定功能”。
MTTF:平均无故障时间,指系统自使用以来到第一次出故障的时间间隔的期望值。
MTTR:系统的平均修复时间。
MTBF:平均故障间隔时间,指相邻两次故障之间的平均工作时间。
可用性:指系统在任意时刻可使用的概率,可根据MTTF、MTTR与MTBF等指标计算处系统的可用性。
计算机组成与设计第三版第七章课后答案
7.12存储器读写操作时，地址信号、片选信号、读写命 令、读出的数据或写入的数据，在时间配合上要满足些 什么关系？
答：存储器读写操作时，地址信号、片选信号、读写 命令、读出的数据或写入的数据，它们之间在时序配 合要满足以下这些条件：有了稳定的地址与片选信号 才可以读；有了稳定的地址和写入的数据，再有了片 选信号才能再给出写命令，以便保证无误的写操作。 此外，这些信号应有一定的持续时间，以保证读写操 作得以正常完成。
7.2多级结构的存储器是由哪三级存储器组成的？每一级 存储器使用什么类型的存储器介质，这些介质的主要特 性是什么？在多级结构的存储器系统中，何谓信息的一 致性原则和包含性原则？
解：三级存储器由高速缓冲储存器，主存储器，虚拟存储器组成。 使用的存储器介质：高速缓存SRAM、主存DRAM、虚存DISC。 这些介质的主要特性：高速缓存块传送、主存以页传送、虚存以 文件传送；它们的速度依次降低，每位价格依次降低；它们的管 理依次由硬件、OS、OS/用户；。 一致性原则：同一个信息会同时存放在几个级别的存储器中，此 时，这一信息在几个级别的存储器中必须保持相同的值。 包含性原则：处在内层（更靠近CPU）存储器中的信息一定被 包含在各外层的存储器中，即内层（更靠近CPU）存储器中的 全部信息一定是各外层存储器中所存信息中一小部分的副本。
7.28阵列磁盘应用什么类型的接口卡？该卡上大体有些什么组成部 件？阵列盘中的RAID1，RAID1，RAID4和RAID5指的是什么类型的 容错处理？
RAID4模式，是为N个存储数据的磁盘分配另外一个专用于存储 奇偶校验信息的磁盘，它仍以数据散放为基础，但在把文件数据 分块写进多个数据磁盘的同时，对这些数据中相应的几位求出它 们的奇偶校验值，最终形成一个由奇偶校验值组成的信息块，并 将其写入专用于存储奇偶校验信息的磁盘，这被称为数据保护。 好处是提供了容错能力，缺点是比较费时，受奇偶磁盘的制约， 不支持多个数据磁盘的并行写操作。 RAID5模式，是对RAID4的改进。不再区分N个存储数据的磁盘 和另外一个专用的奇偶校验磁盘，它是把N+1个磁盘同等对待， 都用于存放数据和奇偶校验信息，在同一物理盘中，数据和奇偶 校验信息是以不同扇区的形式体现出来的，这被称为分布式数据 保护。它也提供了容错能力，而且可能可以对多个磁盘执行并行 的写操作。
计算机组成原理第七章课后部分答案
7.1 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指令的主要功能以及与硬件结构之间存在着密切的关系？机器指令：是CPU能直接识别并执行的指令，它的表现形式是二进制编码。
机器指令通常由操作码和操作数两部分组成。
指令系统：计算机所能执行的全部指令的集合，它描述了计算机内全部的控制信息和“逻辑判断”能力。
指令系统是计算机硬件和软件的接口部分，是全部机器指令的集合。
7.2 什么叫寻址方式？为什么要学习寻址方式？寻址方式：指确定本条指令的数据地址以及下一条将要执行的指令地址的方法，它与硬件结构紧密相关，而且直接影响指令格式和指令功能。
学习寻址方式，是为了找到指令中参与操作的数据，然后根据指令，得出结果。
7.3什么是指令字长、机器字长和存储字长？指令字长：是指机器指令中二进制代码的总位数。
指令字长取决于从操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数。
不同的指令的字长是不同的。
机器字长：是指计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（整数运算即定点整数运算）。
机器字长也就是运算器进行定点数运算的字长，通常也是CPU内部数据通路的宽度。
即字长越长，数的表示范围也越大，精度也越高。
机器的字长也会影响机器的运算速度。
存储字长：一个存储单元存储一串二进制代码（存储字），这串二进制代码的位数称为存储字长，存储字长可以是8位、16位、32位等。
7.6 某指令系统字长为16位，地址码取4位，提出一种方案，使该指令系统有8条三地址指令、16条二地址指令、100条一地址指令。
解：三地址指令格式如下：4 4 4 4OP A1 A2 A3指令操作码分配方案如下：4位OP0000，……， A1,A2,A3:8条三地址指令0111，1000，0000，……，……， A2，A3:16条二地址指令1000，1111，1001，0000，0000，……，……，……， A3:100条一地址指令1001，0110，0011，1001，0110，0100，……，……，……，冗余编码1001，1111，1111，可用来扩充一、零地址指令条数1010，……，冗余编码1111，可用来扩充三、二、一、零地址指令条数7.7 设指令字长为16位，采用扩展操作码技术，每个操作数的地址为6位。
计算机组成原理课后答案
计算机组成原理课后答案习题解答第一章思考题与习题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？计算机系统是指计算机硬件、软件和数据通信设备的物理或逻辑的综合体。
硬件即指计算机的实体部分。
软件是由计算机运行所需的程序及相关文档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。
5．冯·诺依曼计算机的特点是什么？(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，并可以按地址寻访(3) 指令和数据均可以用二进制代码表示(4) 指令由操作码和地址码组成(5) 指令在存储器内按顺序存放。
(6) 机器以运算器为中心。
6．画出计算机硬件组成框图，说明各部件的作用及计算机硬件的主要技术指标。
硬件的主要技术指标：(1) 机器字长：指CPU 一次能处理数据的位数，通常与CPU 的寄存器位数有关(2) 存储容量：包括主存容量和辅存容量，存放二进制代码的总数＝存储单元个数×存储字长(3) 运算速度：主频、Gibson 法、MIPS 每秒执行百万条指令、CPI 执行一条指令所需时钟周期数、FLOPS 每秒浮点运算次数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。
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，是计算机硬件的核心部件，由运算器+控制器组成；存储字长——存储器一次存取操作的最大位数；存储容量——存储器中可存二进制代码的总量；机器字长——CPU能同时处理的数据位数；等于处理器内部寄存器位数指令字长——一条指令包含的二进制代码位数；8．解释下列英文代号：CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS。
计算机组成原理课后参考答案(部分)
A2A1A0 连 3-8 译码器的 C、B、A 端， M / IO 通过非门连译码器的 G2A 非和 G2B 非使能端，译码器的
G1 使能端接+5V 电源。 （5）CPU 和存储芯片的连接图：略
4.28 设主存容量为 256K 字，Cache 容量为 2K 字，块长为 4。
（1）设计 Cache 地址格式，Cache 中可装入多少块数据？ （2）在直接映射方式下，设计主存地址格式。 （3）在四路组相联映射方式下，设计主存地址格式。
Cache 块号 字块内地址
9位
2位
（2）根据主存容量为 256K 字=218，得主存字地址为 18 位。在直接映射方式下，主存字块标记为 18-11=7， 故主存地址格式为：
主存字块标记 7位
Cache 字块地址 字块内地址
9位
2位
第 3 页 共 19 页
3
（3）根据四路组相联的条件，一组内有 4 块，得 Cache 共分 512/4=128=2q 组，即 q=7，主存字块标 记为 18-q-b=18-7-2=9 位，其地址格式为：
16K ´ 32位
（5）当选用 4K×8 位的存储芯片时，需要 4K ´ 8位 =16 片。
16K ´ 32位
（6）当选用 8K×8 位的存储芯片时，需要 8K ´ 8位 =8 片。
第7章习题答案 计算机组成原理课后答案(清华大学出版社 袁春风主编)
• 159 •
7. 假定以下 MIPS 指 令序列在图 7.18 所示 的流 水线数据通路中 执行：
addu $s3, $s1, $s0
subu $t2, $s0, $s3
流水线深度（ Pipeline Depth） 流 水 线 冒 险 （ Hazar d） 控制冒险（Control hazard） 流水线阻塞（ Pipeline stall） 空 操 作 （ nop） 分支预测（Branch predict） 动态分支预测（Dynamic predict） 分支 延迟槽（Delayed branch slot） 旁 路 （ Bypassing） IPC（Instructions Per Cycle） 动态多发射（Dynamic multiple issue） 超长指令字 VLIW 动态流水线（Dynamic pipelining） 指令分发（Instruction dispatch） 无序发射（ out-of-order issue） 重排序缓冲（Reorder buffer） 乱序执行（ out-of-order execution） 无序完成（ out-of-order completion）
（1）插入 一个流水段寄 存器，得到 一个两级 流水线 （2）插 入两个流水段 寄存器，得 到一个三 级流水线 （3）插入 三个流水段寄 存器，得到 一个四级 流水线 （4）吞 吐量最大的流 水线 参考答案：
（1）两级流水线的平衡点在 C 和 D 之间，其前面一个流水段的组合逻辑延时为 80+30+60=170ps，后 面一 个流水 段的 组合逻 辑延时 为 50+70+10=130ps。这 样每个 流水段 都 以 最 长 延 时 调 整 为 170+20=190ps ， 故 时 钟 周 期 为 190ps ， 指 令 吞 吐 率 为 1/190ps=5.26GOPS，每条 指令的执行时 间为 2x190=380ps。
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计算机组成原理第七章课后部分答案
7.1 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指令的主要
功能以及与硬件结构之间存在着密切的关系？
机器指令：是CPU能直接识别并执行的指令，它的表现形式是二进制编码。
机器指令通常由操作码和操作数两部分组
成。
指令系统：计算机所能执行的全部指令的集合，它描述了计算机
内全部的控制信息和“逻辑判断”能力。
指令系统是计算机硬件和软件的接口部分，是全部机器指令的集合。
7.2 什么叫寻址方式？为什么要学习寻址方式？
寻址方式：指确定本条指令的数据地址以及下一条将要执行的指令地址的方法，它与硬件结构紧密相关，而且直接影
响指令格式和指令功能。
学习寻址方式，是为了找到指令中参与操作的数据，然后根据指令，得出结果。
7.3什么是指令字长、机器字长和存储字长？
指令字长：是指机器指令中二进制代码的总位数。
指令字长取决于从操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址
的个数。
不同的指令的字长是不同的。
机器字长：是指计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据
的位数（整数运算即定点整数运算）。
机器字长也就是运算器进行定点数运
算的字长，通常也是CPU内部数据通
路的宽度。
即字长越长，数的表示范
围也越大，精度也越高。
机器的字长
也会影响机器的运算速度。
存储字长：一个存储单元存储一串二进制代码（存储字），这串二进制代码的位数称为存储字长，存储字长可以是8
位、16位、32位等。
7.6 某指令系统字长为16位，地址码取4位，提出一种方案，使该指令系统有
8条三地址指令、16条二地址指令、100条一地址指令。
解：三地址指令格式如下：
4 4 4 4
OP A1 A2 A3
指令操作码分配方案如下：
4位OP
0000，
……， A1,A2,A3:8条三地址指令
0111，
1000，0000，
……，……， A2，A3:16条二地址指令
1000，1111，
1001，0000，0000，
……，……，……， A3:100条一地址指令
1001，0110，0011，
1001，0110，0100，
……，……，……，冗余编码
1001，1111，1111，可用来扩充一、零地址指令条数
1010，
……，冗余编码
1111，可用来扩充三、二、一、零地址指令条数
7.7 设指令字长为16位，采用扩展操作码技术，每个操作数的地址为6位。
如
果定义了13条二地址指令，还可以安排多少条一地址指令？
解：二地址指令格式如下：
4 6 6
OP A1 A2 设二地址指令格式为该指令系统的基本格式，4位操作码共
有16种编码，其中13种用来定义二地址指令，还剩3种可
用来作扩展标志。
如不考虑零地址指令，该指令系统最多还
能安排：
一地址指令条数 = 3 * 2^6 = 192条
7.9 比较间接寻址和寄存器间接寻址。
解：计算机组成原理: 试比较间接寻址和寄存器间接寻址。
7.10 比较基址寻址和变址寻址。
解：1）都可以有效的扩大指令寻址范围。
2）基址寻址时，基准地址由基址寄存器给出，地址的改变
反映在位移量A 的取值上，变址寻址时，基准地址由
A 给出，地址的改变反映在变址值的自动修改上，变
址值由变址寄存器给出。
3）基址寄存器内容通常由系统程序设定，变址寄存器内容
通常由用户设定。
4）基址寻址适用于程序的动态重定位，变址寻址适用于数
组或字符串处理，适用场合不同。
7.14 设相对寻址的转移指令占两个字节，第一个字节是操作码，第二个字节是
相对位移量，用补码表示。
假设当前转移指令第一字节所在的地址为2000H ，且CPU 每取出一个字节便自动完成（PC ）+1→PC 的操作。
问当执行“JMP * +8”和“JMP * -9”指令时，转移指令第二字节的内容各为多少？ 解：据题意，相对寻址的转移指令格式如下：
2000H
2001H
2002H 当执行JMP 指令时，指令第二字节的内容不变，PC 的内容
变为2002H 。
此时转移指令第二字节内容各为：
A1 = +8 = 0000 1000 = 08H
A2 = -9 = 1111 0111 = F7H OP A
其有效地址各为：
EA1 = (PC) + 8 = 2002H + 0008H = 200AH
EA2 = (PC) –9 = 2002H + FFF7H = 1FF9H
7.20 什么是RISC？简述它的主要特点。
解：RISC（reduced instruction set computer，精简指令集计算机）是一种执行较少类型计算机指令的微处理器，起
源于80 年代的MIPS主机（即RISC 机），RISC机中采用
的微处理器统称RISC处理器。
主要特点：
(1)选取使用频度较高的一些简单指令以及一些很有用但
又不复杂的指令，让复杂指令的功能由频度高的简单指
令的组合来实现。
(2)指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少。
(3)只有取数/存数指令访问存储器，其余指令的
操作都在寄存器内完成。
(4)CPU中有多个通用寄存器。
(5)采用流水线技术，大部分指令在一个时钟周
期内完成。
采用超标量和超流水线技术，可
使每条指令的平均执行时间小于一个时钟周
期。
(6)控制器采用组合逻辑控制，不用微程序控制。
(7)采用优化的编译程序。
7.21 比较RISC和CISC。
解：（1）指令系统：RISC 设计者把主要精力放在那些经常使用的指令上，尽量使它们具有简单高效的特色。
对不常
用的功能，常通过组合指令来完成。
因此，在RISC 机
器上实现特殊功能时，效率可能较低。
但可以利用流
水技术和超标量技术加以改进和弥补。
而CISC 计算
机的指令系统比较丰富，有专用指令来完成特定的功
能。
因此，处理特殊任务效率较高。
（2）存储器操作：RISC 对存储器操作有限制，使控制简单化；而CISC 机器的存储器操作指令多，操作直接。
（3）程序：RISC 汇编语言程序一般需要较大的内存空间，实现特殊功能时程序复杂，不易设计；而CISC 汇编
语言程序编程相对简单，科学计算及复杂操作的程序
设计相对容易，效率较高。
（4）中断：RISC 机器在一条指令执行的适当地方可以响应中断；而CISC 机器是在一条指令执行结束后响应中
断。
（5）CPU：RISC CPU 包含有较少的单元电路，因而面积小、功耗低；而CISC CPU 包含有丰富的电路单元，因而功
能强、面积大、功耗大。
（6）设计周期：RISC 微处理器结构简单，布局紧凑，设计
周期短，且易于采用最新技术；CISC 微处理器结构复杂，设计周期长。
（7）用户使用：RISC 微处理器结构简单，指令规整，性能容易把握，易学易用；CISC微处理器结构复杂，功能强大，实现特殊功能容易。
（8）应用范围：由于RISC 指令系统的确定与特定的应用领域有关，故RISC 机器更适合于专用机；而CISC 机
器则更适合于通用机。