计算机组成原理第九章课后部分答案教学文案
计算机组成原理第九章课后部分答案
9.2 控制单元的功能是什么？其输入受什么控制？答：控制单元的主要功能是发出各种不同的控制信号。
其输入受时钟信号、指令寄存器的操作码字段、标志和来自系统总线的控制信号的控制。
9.3 什么是指令周期、机器周期和时钟周期？三者有何关系？答：CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周期；机器周期是在同步控制的机器中，执行指令周期中一步相对完整的操作（指令步）所需时间，通常安排机器周期长度等于主存周期；时钟周期是指计算机主时钟的周期时间，它是计算机运行时最基本的时序单位，对应完成一个微操作所需时间，通常时钟周期等于计算机主频的倒数。
9.4 能不能说机器的主频越快，机器的速度就越快，为什么？解：不能说机器的主频越快，机器的速度就越快。
因为机器的速度不仅与主频有关，还与数据通路结构、时序分配方案、ALU运算能力、指令功能强弱等多种因素有关，要看综合效果。
9.6 设某机主频为8MHz，每个机器周期平均含2个时钟周期，每条指令平均有4个机器周期，试问该机的平均指令执行速度为多少MIPS？若机器主频不变，但每个机器周期平均含4个时钟周期，每条指令平均有4个机器周期，则该机的平均指令执行速度又是多少MIPS？由此可得出什么结论？解：先通过主频求出时钟周期，再求出机器周期和平均指令周期，最后通过平均指令周期的倒数求出平均指令执行速度。
计算如下：时钟周期=1/8MHz=0.125×10-6s.机器周期=0.125×10-6s×2=0.25×10-6s平均指令周期=0.25×10-6s×4=10-6s平均指令执行速度=1/10-6s=1MIPS当参数改变后：机器周期= 0.125×10-6s×4=0.5×10-6s平均指令周期=0.5×10-6s×4=2×10-6s平均指令执行速度=1/（2×10-6s） =0.5MIPS结论：两个主频相同的机器，执行速度不一定一样。
《计算机组成原理》教学课件 第九章
式大大提高了CPU的工作效率，但是需要花费更多的硬件。
(5)
I/O处理机方式：I/O处理机又称外围处理机，它基本独立于主机工作，即可完
成I/O通道要完成的I/O控制，又可完成码制变换、格式处理、数据块检错等操作。
概述
第22页
其中，程序查询方式和程序中断方式主要用于数据传输率比较低的外围设备，而 DMA方式、I/O通道方式和I/O处理机方式主要用于数据传输率比较高的设备。
概述
外围设备 01
外围设备包括利用光、电、磁、机械等原理制
成的各种设备，将信息转换为二进制数码的表示形式。 在第8章中已详细介绍。
第9页
概述
第10页
设备控制器 02
设备控制器的功能是将外围设备生成的各种形式的二进制数码转换成电信 号，并根据输入信号的要求，对设备的运行进行控制。设备控制器属于外围设备
I/O过程的 程序直接控制
I/O过程的程序直接控制
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I/O过程的程序直接控制的特点是I/O过程完全处于CPU指令控制下，即外围设备的
有关操作（如启动、停止、传送开始等）都要由CPU指令直接指定。在典型情况下，I/O操作在 CPU寄存器与外围设备（或接口）的数据缓冲寄存器间进行，I/O设备不直接访问主存。采用程序
的一个组成部分，是该外围设备与计算机连接的界面。
概述
第11页
I/O接口 03
I/O接口用来完成外围设备与CPU交换信息时在速度、代码形式上的相互匹 配。在CPU中，数据和外围设备的传送速度相差悬殊。二进制数据是并行传输的，并且有标
准的电位要求，而外围设备因其种类的不同，其数据的传输方式有串行的，有并行的，还有 串并行的。
状态上，故只适用于CPU不忙且数据传送速度要 求不高的系统。
计算机组成原理课后习题-参考答案
习题参考答案
5-2：计算机为什么要设置时序部件？ 周期、节拍、脉冲三级时序关系如何 表示？
一条指令运行的各种操作控制信号在时间上有严格 的定时关系， 的定时关系，时序部件用以控制时序以保证指令 的正确执行。 的正确执行。 将指令周期划分为几个不同的阶段， 将指令周期划分为几个不同的阶段，每个阶段称为 一个机器周期。 一个机器周期。 一个机器周期又分为若干个相等的时间段， 一个机器周期又分为若干个相等的时间段，每个时 时间段称为一个时钟周期（节拍）。 时间段称为一个时钟周期（节拍）。 在一个时钟周期（节拍）内可设置几个工作脉冲， 在一个时钟周期（节拍）内可设置几个工作脉冲， 用于寄存器的清除、接收数据等工作。 用于寄存器的清除、接收数据等工作。
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习题什么特点？
依据控制器中的时序控制部件和微操作控制信号形 成部件的具体组成与运行原理不同，通常把控制 成部件的具体组成与运行原理不同， 器区分为微程序控制器和硬布线控制器两大类。 器区分为微程序控制器和硬布线控制器两大类。 微程序控制方式是用一个ROM做为控制信号产生 微程序控制方式是用一个 做为控制信号产生 的载体， 中存储着一系列的微程序， 的载体，ROM中存储着一系列的微程序，组成微 中存储着一系列的微程序 程序的微指令代码产生相应的操作控制信号， 程序的微指令代码产生相应的操作控制信号，这 是一种存储逻辑型的控制器。方便修改和扩充， 是一种存储逻辑型的控制器。方便修改和扩充， 但指令执行速度较慢。 但指令执行速度较慢。 硬布线控制方式采用组合逻辑电路实现各种控制功 在制造完成后， 能，在制造完成后，其逻辑电路之间的连接关系 就固定下来，不易改动。其运行速度快， 就固定下来，不易改动。其运行速度快，但构成 复杂。 复杂。
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习题参考答案
计算机组成原理第9章习题参考答案
第9章习题(有关虚拟存储器的题目)参考答案3. 下述有关存储器的描述中，正确的是( B、D )A. 多级存储体系由Cache、主存和虚拟存储器构成B. 存储保护的目的是：在多用户环境中，既要防止一个用户程序出错而破坏系统软件或其它用户程序，又要防止用户访问不是分配给他的主存区，以达到数据安全与保密的要求。
C. 在虚拟存储器中，外存和主存以相同的方式工作，因此允许程序员用比主存空间大得多的外存空间编程。
D. Cache和虚拟存储器这两种存储器管理策略都利用了程序的局部性原理。
5．虚拟段页式存储管理方案的特性为( D )A.空间浪费大、存储共享不易、存储保护容易、不能动态连接。
B.空间浪费小、存储共享容易、存储保护不易、不能动态连接。
C.空间浪费大、存储共享不易、存储保护容易、能动态连接。
D.空间浪费小、存储共享容易、存储保护容易、能动态连接。
6. 某虚拟存储器采用页式存储管理，使用LRU页面替换算法，若每次访问在一个时间单位内完成，页面访问序列如下：1、8、1、7、8、2、7、2、1、8、3、8、2、1、3、1、7、1、3、7。
已知主存只允许放4个页面，初始状态时4个页面是全空的，则页面失效次数是___6____。
解答过程：LRU算法的思想：每页设置一个计数器，每次命中一页，该页对应的计数器清零，其他各页的计数器加1；需要替换时，将计数值最大的页换出，所以，对应的访7. 主存容量为4MB，虚存容量为1GB，则虚拟地址和物理地址各为多少位?如页面大小为4KB，则页表长度是多少?解：主存容量为4MB，物理地址22位虚存容量为1GB，虚拟地址30位页表长度，即页面数=1GB/ 4KB=218=256K8. 设某系统采用页式虚拟存储管理，页表存放在内存中。
(1) 如果一次内存访问使用50ns，访问一次主存需用多少时间?(2) 如果增加TLB，忽略查找页表项占用的时间，并且75%的页表访问命中TLB，内存的有效访问时间是多少？解：(1) 若页表存放在主存中，则要实现一次主存访问需两次访问主存：一次是访问页表，确定所存取页面的物理地址；第二次才根据该地址存取页面数据。
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
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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。
计算机组成原理第9章习题
（2）SUB A,H
((AC)-(H) AC)
取指：PC→BUS → MAR PCo，MARi 1→R 通过控制总线向主存发读命令 M(MAR) →MDR MARo, MDRi MDR →BUS →IR MDRo, IRi OP(IR) →CU 操作码送至CU PC+1 →PC PC内容+1 执行：AC →BUS →Y ACo, Yi H →BUS →ALU Ho, ALUi Y-BUS →Z Yo, Zi Z →BUS →AC Zo, ACi
取指：PC→BUS → MAR PCo，MARi 1→R 通过控制总线向主存发读命令 M(MAR) →MDR MARo, MDRi MDR →BUS →IR MDRo, IRi OP(IR) →CU 操作码送至CU PC+1 →PC PC内容+1 执行：B →BUS →Y Bo, Yi C →BUS →ALU Co, ALUi Y+BUS →Z Yo, Zi Z →BUS →B Zo, Bi
控制信号
11. 设CPU内部结构如图 时钟 9.4所示，此外还设有B、 C、D、E、H、L六个寄存 器，它们各自的输入和输 出端都与内部总线相通， 地址线 并分别受控制信号控制 （如Bi为寄存器B的输入 控制；Bo为B的输出控 制）。要求从取指令开始， 写出完成下列指令所需的 全部微操作和控制信号。
1) ADD B, C ((B)+(C) B) 2) SUB A, H ((AC)-(H) AC) 控制信号
…
… CU CU
IR
PC
MARi
MAR MDR
MDRO ACi
CPU ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 部 总 线
计算机组成原理课后习题答案
作业解答第一章作业解答1.1 基本的软件系统包括哪些内容？答：基本的软件系统包括系统软件与应用软件两大类。
系统软件是一组保证计算机系统高效、正确运行的基础软件，通常作为系统资源提供给用户使用。
包括：操作系统、语言处理程序、数据库管理系统、分布式软件系统、网络软件系统、各种服务程序等。
1.2 计算机硬件系统由哪些基本部件组成？它们的主要功能是什么？答：计算机的硬件系统通常由输入设备、输出设备、运算器、存储器和控制器等五大部件组成。
输入设备的主要功能是将程序和数据以机器所能识别和接受的信息形式输入到计算机内。
输出设备的主要功能是将计算机处理的结果以人们所能接受的信息形式或其它系统所要求的信息形式输出。
存储器的主要功能是存储信息，用于存放程序和数据。
运算器的主要功能是对数据进行加工处理，完成算术运算和逻辑运算。
控制器的主要功能是按事先安排好的解题步骤，控制计算机各个部件有条不紊地自动工作。
1.3 冯·诺依曼计算机的基本思想是什么？什么叫存储程序方式？答：冯·诺依曼计算机的基本思想包含三个方面：1) 计算机由输入设备、输出设备、运算器、存储器和控制器五大部件组成。
2) 采用二进制形式表示数据和指令。
3) 采用存储程序方式。
存储程序是指在用计算机解题之前，事先编制好程序，并连同所需的数据预先存入主存储器中。
在解题过程（运行程序）中，由控制器按照事先编好并存入存储器中的程序自动地、连续地从存储器中依次取出指令并执行，直到获得所要求的结果为止。
1.4 早期计算机组织结构有什么特点？现代计算机结构为什么以存储器为中心？答：早期计算机组织结构的特点是：以运算器为中心的，其它部件都通过运算器完成信息的传递。
随着微电子技术的进步，人们将运算器和控制器两个主要功能部件合二为一，集成到一个芯片里构成了微处理器。
同时随着半导体存储器代替磁芯存储器，存储容量成倍地扩大，加上需要计算机处理、加工的信息量与日俱增，以运算器为中心的结构已不能满足计算机发展的需求，甚至会影响计算机的性能。
计算机组成原理课后答案第二版唐朔飞第九章省公共课一等奖全国赛课获奖课件
11. 设CPU内部结构如图9.4所表 示，另外还设有B、C、D、E、H、L 六个存放器，它们各自输入和输出端 都与内部总线相通，并分别受控制信 号控制（如Bi为存放器B输入控制；Bo 为存放器B输出控制）。要求从取指 令开始，写出完成以下指令所需全部 微操作和控制信号。 （1）ADD B，C；((B)+(C) B) （2）SUB A，H；((AC)-(H) AC)
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14. 设单总线计算机结构如图9.5所表示，其中 M为主存，XR为变址存放器，EAR为有效地址 存放器，LATCH为锁存器。假设指令地址已存 于PC中，画出“LDA * D”和“SUB D(XR)”指 令周期信息流程图，并列出对应控制信号序列。
说明：
（1） “LDA * D”指令字中*表示相对寻址， D为相对位移量。
（AC）–（H）Z
ZAC
Ho，Yi ACo，ALUi，– Zo，ACi
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12. CPU结构同上题，写出完成 以下指令所需全部微操作和控制信号 （包含取指令）。
（1）存放器间接寻址无条件转移 指令“JMP @ B”。
（2）间接寻址存数指令“STA @ X”。
解：解题方法步骤同上题。 （1） “JMP @ B”指令流程图和 全部微操作控制信号以下：
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4. 能不能说CPU主频越快，计算 机运行速度就越快？为何？
解：不能说机器主频越快，机器 速度就越快。因为机器速度不但与主 频相关，还与数据通路结构、时序分 配方案、ALU运算能力、指令功效强 弱等各种原因相关，要看综合效果。
第3页
5. 设机器ACPU主频为8MHz，机 器周期含4个时钟周期，且该机平均指 令执行速度是0.4MIPS，试求该机平均 指令周期和机器周期，每个指令周期 中含几个机器周期？假如机器BCPU主 频为12MHz，且机器周期也含4个时钟 周期，试问B机平均指令执行速度为多 少MIPS?
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9.2 控制单元的功能是什么？其输入受什么控制？
答：控制单元的主要功能是发出各种不同的控制信号。
其输入受时钟信号、指令寄存器的操作码字段、标志和来自系统总线的控制信号的控制。
9.3 什么是指令周期、机器周期和时钟周期？三者有何关系？
答：CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周期；
机器周期是在同步控制的机器中，执行指令周期中一步相对完整的操作
（指令步）所需时间，通常安排机器周期长度等于主存周期；
时钟周期是指计算机主时钟的周期时间，它是计算机运行时最基本的时
序单位，对应完成一个微操作所需时间，通常时钟周期等于计算机主频
的倒数。
9.4 能不能说机器的主频越快，机器的速度就越快，为什么？
解：不能说机器的主频越快，机器的速度就越快。
因为机器的速度不仅与主频有关，还与数据通路结构、时序分配方案、ALU运算能力、指令功能
强弱等多种因素有关，要看综合效果。
9.6 设某机主频为8MHz，每个机器周期平均含2个时钟周期，每条指令平均有4
个机器周期，试问该机的平均指令执行速度为多少MIPS？若机器主频不变，但每个机器周期平均含4个时钟周期，每条指令平均有4个机器周期，则该机的平均指令执行速度又是多少MIPS？由此可得出什么结论？
解：先通过主频求出时钟周期，再求出机器周期和平均指令周期，最后通过平均指令周期的倒数求出平均指令执行速度。
计算如下：
时钟周期=1/8MHz=0.125×10-6s.
机器周期=0.125×10-6s×2=0.25×10-6s
平均指令周期=0.25×10-6s×4=10-6s
平均指令执行速度=1/10-6s=1MIPS
当参数改变后：机器周期= 0.125×10-6s×4=0.5×10-6s
平均指令周期=0.5×10-6s×4=2×10-6s
平均指令执行速度=1/（2×10-6s） =0.5MIPS
结论：两个主频相同的机器，执行速度不一定一样。
9.8 某计算机的主频为6MHz，各类指令的平均执行时间和使用频度如下表所示，
试计算该机的速度（单位用MIPS表示），若上述CPU芯片升级为10MHz，则该机的速度又为多少？
解: (1)指令平均运行时间 =（0.6×0.35+0.8×0.45+10×0.05+1.4×0.15）μs= 1.28μs
机器平均运行速度= 1/1.28μs≈0.78MIPS
(2) 时钟周期 = 1/6MHz≈0.167μs
指令平均运行周期数= 1.28μs ÷0.167μs≈7.66CPI
若CPU芯片升级为10MHz，时钟周期= 1/10MHz=0.1μs
指令平均运行时间= 0.1μs×7.66=0.766μs
机器平均运行速度= 1/0.766μs≈1.3MIPS
9.14设单总线计算机结构如图9.5所示，其中M为主存，XR为变址寄存器，EAR
为有效地址寄存器，LATCH为锁存器。
假设指令地址已存于PC中，画出“LDA *D”和“SUB X,D”指令周期信息流程图，并列出相应的控制信号序列。
说明：
（1）“LDA *D”指令字中*表示相对寻址，D为相对位移量。
（2）“SUB X,D”指令字中X为变址寄存器XR，D为形式地址。
（3）寄存器的输入和输出均受控制信号控制，例如，PCi表示PC的输入控制信号，MDRo表示MDR的输出控制信号。
（4）凡是需要经过总线实现寄存器之间的传送，需要在流程图中注明，如PC.Bus.MAR，相应控制信号为PCo和MARi。
解：（1）“LDA *D”指令周期信息流程图及微操作控制信号如下：
（2）“SUB X,D” 指令周期信息流程图及微操作控制信号如下：。