计算机组成原理习题

复习大纲
第一章 概论
1、计算机的诺依曼体制特点
2、计算机硬件系统的组织
第二章 计算机中信息表示
1、进制转换
2、信息的码值表示
3、指令格式机器指令寻址方式
4、指令功能和类型
第三章 CPU子系统
1、CPU的组成
2、时序控制的方式
3、组合逻辑控制方式和微程序控制方式
4、ALU
5、运算方法
第四章 存储子系统
1、存储器芯片的基本构成和内部结构
2、存储器的组织
3、cache和虚拟存储器
第五章 输入输出系统
1、主机与外设的连接方法
2、接口的分类和工作原理
第六章 输入输出设备
1、CRT显示器及显卡的工作原理和特点

期末考试分值分布（选择题20分，填空题20分，简答题3题共30分，应用题3题，共30分）
模拟试题
一、选择题
1．完整的计算机系统应包括__D___。[微软1]
A. 运算器、存储器、控制器 B. 外部设备和主机
C. 主机和实用程序 D. 配套的硬件设备和软件系统
2．冯.诺依曼机工作方式的基本特点是___B___。
A. 多指令流单数据流 B. 按地址访问并顺序执行指令
C. 堆栈操作 D. 存储器按内容选择地址
3．目前的计算机，从原理上讲_C_____。
A．指令以二进制形式存放，数据以十进制形式存放
B．指令以十进制形式存放，数据以二进制形式存放
C．指令和数据都以二进制形式存放
D．指令和数据都以十进制形式存放
4．下列数中最大的数是__B____。[微软2]
A．（10010101）2 B．（227）8 C.（96）16 D．（143）5
5. 设［X］补=1.x1x2x3x4,当满足___A___时，X > -1/2成立。
Ａ．x1必须为1，x2x3x4至少有一个为1 Ｂ．x1必须为1，x2x3x4任意
Ｃ．x1必须为0，x2x3x4至少有一个为1 Ｄ．x1必须为0，x2x3x4任意
6．机器数__B____中,零的表示形式是唯一的。[微软3]
A. 原码 B. 补码 C. 移码 D. 反码
7．用32位字长（其中1位符号位）表示定点小数时，所能表示的数值范围是__B____。
A. 0≤│N|≤1-2-32 B. 0≤│N|≤1-2-31
C. 0≤│N|≤1-2-30 D. 0≤│N|≤1-2-29
8．____D__用于保存当前正在执行的一条指令。
A. 缓冲寄存器 B. 地址寄存器 C. 程序计数器 D. 指令寄存器
9．四片74181ALU和一片74182CLA器件相配合，具有如下进位传递功能__B____。
A. 形波进位 B. 组内先行进位，组间先行进位
C. 组内先行进位，组间行波进位 D. 组内形波进位，组间先行进位
10．存储器是计算机系统的记忆设备，主要用于____D__。
A.存放程序 B.存放软件 C.存放微程序 D.存放程序

和数据
11. 在主存和CPU之间增加cache存储器的目的是____C__。
A. 增加内存容量 B. 提高内存可靠性
C. 解决CPU和主存之间的速度匹配问题 D. 增加内存容量，同时加快存取速度
12．指令系统中采用不同寻址方式的目的主要是__B____。
A．实现存储器程序和程序控制
B．可以直接访问外存
C．缩短指令长度，扩大寻址空间，提高编程灵活性
D．提供扩展操作码的可能并降低指令译码难度
13．常用的虚拟存储系统由____A__两级存储器组成。
A．主存—辅存 B．快存—主存 C．快存—辅存 D．通用寄存器—主存
14．某一SRAM芯片，其容量为512×8位，考虑电源端和接地端，该芯片引出线的最小数目应为____D__。
A.23 B.25 C.50 D.19
15．堆栈寻址方式中，设A为累加器，SP为堆栈指示器，MSP为SP指示的栈顶单元。如果进栈操作的动作顺序是（A）→MSP，(SP)-1→SP。那么出栈操作的动作顺序应为__B____。
A.(MSP)→A，(SP)+1→SP B.(SP)+1→SP，(MSP)→A
C.(SP-1)→SP，(MSP)→A D.(MSP)→A， （SP）-1→SP
16．单地址指令中为了完成两个数的算术运算，除地址码指明的一个操作数外，另一个数常需采用__C____。
A．堆栈寻址方式 B．立即寻址方式 C．隐含寻址方式 D．间接寻址方式
17. 设变址寄存器为X，形式地址为D，（X）表示寄存器X的内容，这种寻址方式的有效地址为____A__。
A. EA=(X)+D B. EA=(X)+(D) C.EA=((X)+D) D. EA=((X)+(D))
18．一个子程序在主程序执行期间可以多次被调用，甚至可以自己调用自己，实现这种调用的最好的办法是使用___B___。
A. 寄存器 B. 堆栈 C. 锁存器 D. 主存
19．假设下列字符码中有奇偶位校验，但没有数据错误，采用偶校验的字符码是___D___。
A. 11001011 B. 11010110 C. 11000001 D. 11001001
20．系统总线中控制线的功能是____A__。
A．提供主存、I/O接口设备的控制信号和响应信号及时序信号
B．提供数据信息
C．提供主存、I/O接口设备的控制信号
D．提供主存、I/O接口设备的响应信号
21．当采用__A____对设备进行编址情况下，不需要专门的I/O指令组。
A.统一编址法 B.单独编址法 C.两者都是 D.两者都不是
22．指令周期是指___B___。
A．CPU从主存取出一条指令的时间 B．CPU执行一条指令的时间
C．CPU从主存取出一条指令加上执行这条指令的时间 D．时钟周期时间
23．异步控制常用于___A___作为其主要控制方式。
A．在单总线结构计算机中访问主存与外围

设备时 B．微型机的CPU控制中
C．组合逻辑控制的CPU中 D．微程序控制器中
24．CPU读/写控制信号的作用是___B___。
A. 决定数据总线上的数据流方向 B. 控制存储器操作（R/W）的类型
C. 控制流入、流出存储器信息的方向 D. 以上任一作用
25．为了确定下一条微指令的地址，通常采用断定方式，其基本思想是__B____。
A．用程序计数器PC来产生后继微指令地址
B．通过微指令顺序控制字段由设计者指定或由设计者指定的判别字段控制产生后继微指令地址
C．用微程序计数器μPC来产生后继微指令地址
D．通过指令中指定一个专门字段来控制产生后继微指令地址
二、填空题
1. 主存储器的性能指标主要是A._ 存储容量_____、B.__ 存取时间____、存储周期和存储器带宽。
2．CPU能直接访问A.___ 内存储器___和B.__cache____,但不能直接访问磁盘和光盘。
3．Cache是一种A. _高速缓冲_存储器，是为了解决CPU和主存之间B. __读写速度____不匹配而采用的一项重要硬件技术。现发展为多级cache体系，C. __指令cache与数据cache__分设体系。
4．双端口存储器和多模块交叉存储器属于A._ 并行?_____存储器结构。前者采用B.__ 空间并行?____技术，后者采用C.__ 时间并行_技术。
5．CPU中至少有如下六类寄存器A.__ 地址____寄存器，B._ 程序_____计数器，C._ 指令__寄存器，通用寄存器，状态条件寄存器，缓冲寄存器。
6．半导体SRAM靠A.___ 触发器___存储信息，半导体DRAM靠B._ 电荷存储器件__存储信息。
7．指令格式中，地址码字段是通过A.__ 寻址方式_来体现的，因为通过某种方式的变换，可以给出 B.___ 操作数有效_地址。常用的指令格式有零地址指令、C. 二地址指令 、二地址指令三种.
8．计算机软件一般分为两大类：一类叫A._ 系统软件_____,另一类叫B._ 应用软件_____。操作系统属于 C.__ 系统软件____ 类。
9．在计算机术语中，将A.__ 运算器____ 和B.____ 控制器__ 和在一起称为CPU，而将CPU和C.__ 存储器____ 合在一起称为主机。
10．在计算机系统中，多个系统部件之间信息传送的公共通路称为A.___ 总线___。就其所传送信息的性质而言，在公共通路上传送的信息包括数据、B.____ 地址__、C.__ 控制____信息。

三、简答题
1．指令和数据均存放在内存中，计算机如何从时间和空间上区分它们是指令还是数据。
时间上讲，取指令事件发生在“取指周期”，取数据事件发生在“执行周期”。从空间上讲，从内存读出的指令流流向控制器（指令寄存器）。从内存读出的数据流流向运算器（通用寄存器）。

2．简述CPU的主要功能。
CPU主要

有以下四方面的功能：
　(1)指令控制 程序的顺序控制，称为指令控制。
　(2)操作控制 CPU管理并产生由内存取出的每条指令的操作信号，把各种操作信号送往相应部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。
　(3)时间控制 对各种操作实施时间上的控制，称为时间控制。
　(4)数据加工 对数据进行算术运算和逻辑运算处理，完成数据的加工处理。


3．一个较完善的指令系统应包括哪几类？
、一个较完善的指令系统包含　数据传送 类指令，　算术运算 类指令， 逻辑运算 指令，　程序控制 类指令，　I/O 指令， 字符串 指令， 系统控制　类指令。

4．DRAM存储器采用何种方式刷新？有哪几种常用的刷新方式？
DRAM存储元是通过栅极电容存储电荷来暂存信息。由于存储的信息电荷终究是有泄漏的，电荷数又不能像SRAM存储元那样由电源经负载管来补充，时间一长，信息就会丢失。为此必须设法由外界按一定规律给栅极充电，按需要补给栅极电容的信息电荷，此过程叫“刷新”。
DRAM采用读出方式进行刷新。因为读出过程中恢复了存储单元的MOS栅极电容电荷，并保持原单元的内容，所以读出过程就是再生过程。
常用的刷新方式由三种：集中式、分散式、异步式。

5．外围设备的I/O控制方式分哪几类？各具什么特点？
外围设备的I/O控制方式分类及特点：
(1)程序查询方式：CPU的操作和外围设备的操作能够同步，而且硬件结构比较简单
(2)程序中断方式：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，但硬件结构相对复杂一些。
(3)直接内存访问（DMA）方式：数据传输速度很高，传输速率仅受内存访问时间的限制。需更多硬件，适用于内存和高速外设之间大批交换数据的场合。
(4)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。
(5)外围处理机方式：通道方式的进一步发展，基本上独立于主机工作，结果更接近一般处理机。


6．请说明指令周期、机器周期、时钟周期之间的关系。

指令周期是完成一条指令所需的时间。包括取指令、分析指令和执行指令所需的全部时间。
机器周期也称为CPU周期，是指被确定为指令执行过程中的归一化基准时间，通常等于取指时间（或访存时间）。
时钟周期是时钟频率的倒数，也可称为节拍脉冲或T周期，是处理操作的最基本单位。
一个指令周期由若干个机器周期组成，每个机器周期又由若干个时钟周期组成

。


7．比较水平微指令与垂直微指令的优缺点。
(1)水平型微指令并行操作能力强、效率高、灵活性强，垂直型微指令则较差。
(2)水平型微指令执行一条指令的时间短，垂直型微指令执行时间长。
(3)由水平型微指令解释指令的微程序，具有微指令字比较长，但微程序短的特点，而垂直型微指令正好相反。
(4)水平型微指令用户难以掌握，而垂直型微指令与指令比较相似，相对来说比较容易掌握


四、应用题
1．现有一64K×2位的存储器芯片，欲设计具有同样存储容量的存储器,应如何安排地址线和数据线引脚的数目，使两者之和最小。并说明有几种解答。
2．某磁盘里，平均找道时间为20毫秒，平均旋转等待时间为7毫秒，数据传输率为2.5M字节/秒。磁盘机上存放着500个文件，每个文件的平均长度为1M字节。现需将所有文件逐一读出并检查更新，然后写回磁盘机，每个文件平均需要2毫秒的额外处理时间。问：
（1）检查并更新所有文件需要占用多少时间？
（2）若磁盘机的旋转速度和数据传输率都提高一倍，检查并更新全部文件的时间是多少？

（1）每次磁盘读写时间=找道时间+等待时间+数据传输时间，故总的文件更新
时间为：
[（20×10-3+7×10-3+1/2.5）×2+2×10-3 ]×500=428（s）；
(2)若磁盘机的旋转速度提高1倍，则平均旋转等待时间缩短为3.5ms，若磁盘机的数据传输率提高1倍，则变为5MB/s，故总的文件更新时间为：
[（20×10-3+3.5×10-3+1/5）×2+2×10-3 ]×500=233.5（s）

3．设有一个具有20位地址和32位字长的存储器，问：
（1）该存储器能存储多少个字节的信息？
（2）如果该存储器用512k×8位的SRAM组成，需多少片？
（3）需要多少位地址作芯片选择？并画出其逻辑框图。

(1)因为32位字长为4B,220 = 1M = 1024K,存储器容量为220×4B = 4MB,可存储4M字节的信息
(2)SRAM芯片容量为512K×8位 = 512KB = 0.5MB
所需芯片数目为:4MB ÷ 0.5MB = 8片
(3)因为219 = 512K,即:芯片片内地址线19位.又因为地址线为20位,所以存储器容量为1M, 故需1位地址线作芯片片选选择(CS),用A19选第1个模块,用A19选第2个模块.

4．设存储器容量为32字，字长64位，模块数m = 4，分别用顺序方式和交叉方式进行组织。存储周期T = 200ns,数据总线宽度为64位，总线周期τ = 50ns .问顺序存储器和交叉存储器的带宽各是多少？

8. 存储器容量为64M,字长64位,模块数m = 8,分别用顺序方式和交叉方式进行组织.存储周期T = 100ns,数据总线宽度为64位,总线周期τ = 10ns .问顺序存储器和交叉存储器的带宽各是多少
解:信息总量: q = 64位 ×8 =512位
顺序存储器和交叉存储器读出8个字的时间分

别是:
t2 = m T = 8×100ns =8×10 (s)
t1 = T + (m - 1) = 100 + 7×10 = 1.7 ×10 (s)
顺序存储器带宽是:
W2 = q / t2 = 512÷(8×10 )= 64 ×10(位/ S)
交叉存储器带宽是:
W1 = q / t1 = 512÷(1.7 ×10)= 301 ×10 (位/ S)
5．指令格式如下所示，OP为操作码字段，试分析指令格式特点。
31 26 22 18 17 16 15 0
OP 源寄存器 变址寄存器 偏移量
五．解：（1）操作码字段为6位，可指定 26 = 64种操作，即64条指令。
?? （2）单字长（32）二地址指令。
?? （3）一个操作数在原寄存器（共16个），另一个操作数在存储器中（由变址寄
???????????? 存器内容 + 偏移量决定），所以是RS型指令。
??????? （4）这种指令结构用于访问存储器。

6．某微机的指令格式如下所示：
15 10 9 8 7 0
操作码 X D D: 位移量
X:寻址特征位
X=00：直接寻址；
X=01：用变址寄存器X1进行变址；
X=10：用变址寄存器X2进行变址；
X=11：相对寻址
设（PC）=1234 H,( X1)=0037H,( X2)=1122H(H代表十六进制数)，请确定下列指令的有效地址。
①4420H ②2244H ③1322H ④3521H ⑤6723H

源地址
目标地址
OP(6)
X(2)
D(24)
7.已知cache 命中率 H=0.98，主存比cache 慢4倍，以知主存存取周期为200ns，求cache/主存的效率和平均访问时间。
R=Tm/Tc=4；Tc=Tm/4=50ns
E=1/[R+（1-R）H]=1/[4+（1-4）×0.98]=0.94
Ta=Tc/E=Tc×[4-3×0.98]= 50×1.06=53ns。


8．CPU执行一段程序时，cache完成存取的次数为5000次，主存完成存取的次数为200次。已知cache存取周期为40ns，主存存取周期为160ns。求：
　1．Cache 命中率H。
　2．Cache/主存系统的访问效率e。
　3．平均访问时间Ta。

CPU执行一段程序时,cache完成存取的次数为2000次,主存完成存取的次数为180次,已知cache存储周期为40ns,主存存储周期为250ns,求cache的命中率,cache/主存系统的效率和平均访问时间.(7分)
【解】
Nc = 2000,Nm = 180
tc = 40 ns,tm = 250 ns
∴命中率h = Nc/(Nc+Nm) = 2000/(2000+180) = 0.917 = 91.7%
平均访问时间ta = h*tc+(1-h)tm = 0.917*40+(1-0.917)*250 = 57.43 ns
效率e = tc/ta = 40/57.43 = 0.6965 = 69.65%
9．显存的主要性能指标是它的带宽。实际工作时显示适配器的几个功能部分要争用刷存的带宽。假定总带宽的50%用于刷新屏幕，保留50%带宽用于其他非刷新功能。
（1） 若显示工作方式采用分辨率为1024×768，颜色深度为3B，帧频（刷新速率）为72HZ，计算总带宽。
（2） 为达到这样高的刷存带宽，应采取何种技术措施？
1)∵ 刷新所需带宽=分辨率×每个像素点颜色深度×刷新速率
 ∴ 1024×768×3B×72/s=165888KB/s=162MB/s


刷存总带宽应为162MB/s×100/50=324MB/s
(2)为达到这样高的刷存带宽，可采用如下技术措施：
①使用高速的DRAM芯片组成刷存；
② 刷存采用多体交叉结构；
③刷存至显示控制器的内部总线宽度由32位提高到64位，甚至128位 ；
④刷存采用双端口存储器结构，将刷新端口与更新端口分开。

10．某磁盘存储器转速为3000转 / 分，共有4个记录面，每毫米5道，每道记录信息为12288字节，最小磁道直径为230mm，共有275道。问：
（1） 磁盘存储器的容量是多少？
（2） 最高位密度与最低位密度是多少？
（3） 磁盘数据传输率是多少？
（4） 平均等待时间是多少？
（5） 给出一个磁盘地址格式方案。

解：(1)磁盘存储器的存储容量=4*275*12288=13516800字节
(2)因为最小半径R1=230/2=115，
最小磁道长度为2πR1=2*3.14159*115=722.57mm
所以最高位密度=12288/722.57=17字节
又因为最大半径R2=R1+275/5=115+55=170
最大磁道长度为2πR2=2*3.14159*170=1068
所以最低位密度=12288/1068=11.5字节
(3)磁盘数据传输率c=r*N
r=3000/60=50转/秒；N=12288字节/道
所以c=50*12288=614400字节。
(4)平均等待时间 = 旋转一圈时间的一半 = 1/（2*r）=1/(2*50)=10ms
(5)给出一个磁盘地址格式方案。
设每个扇区为512字区，则12288/512=24，所以地址为5位；
因记录面为4，所地址为2位，道数为275，所以地址为9位，因此整个地址格式为16位，即柱面号（9位）盘面号（2位）扇区号（5位）。

[微软1]一个完整的计算系统应该是:硬件系统和软件系统,硬件系统应该包括运算器,控制器,存储器,输入设备和输出设备,软件系统包括系统软件和应用软件.
[微软2]选B
A 二进制128+16+4+1=149
B 八进制2*64+2*8+7=151
C 16进制9*16+6=150
D 10进制143
[微软3]B
补码为反码加一
如00000000
反码11111111
补码11111111+1=00000000