计算机组成原理试卷A卷及答案

华侨大学 2009年一、选择题（每题2分，共18分）1、下列关于冯诺依曼型计算机的描述，不正确的是_C_。A）计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备五大部件组成B）指令和数据在存储器中都是二进制码存储C）指令存储器和数据存储器独立分设在不同的存储器D）存储程序并按地址顺序执行是CPU自动工作的关键2、若机器数为补码，某寄存器中的内容为BF(十六进制)，则该寄存器存储的数据真值是_B_(用十进制表示)。A）65 B）-65 C）64 D）-643、下列关于存储器的描述，不正确的是_C_。A）SRAM和DRAM都是易失性存储器B）ROM存储器内容是预置的，固定的，无法改写 C）多模块交叉存储器主要是解决主存空间不够大的问题D）cache存储器是为了解决CPU和主存之间在速度上不匹配的问题4、下列关于RISC的描述中，不正确的是_C_。A）指令条数比CISC少B）指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少C）在程序中出现频率占80%的指令占指令总数的20%D）只有取数/存数指令访问存储器5、设机器数字长为16位，一个容量为32MB的存储器，CPU按半字长寻址，其寻址范围是_C_。A）223 B）224 C）225 D）2266、在程序的执行过程中，cache与主存的地址映射是由_D_。A）程序员调度的B）操作系统管理的C）由程序员和操作系统共同协调完成的D）硬件自动完成的7、下列关于指令的描述，不正确的是_A_。A）指令周期是指CPU执行某条指令的时间B）一个指令周期常常包含若干个CPU周期C）一个CPU周期包含若干时钟周期D）一条机器指令对应一个微程序，微程序是由若干条微指令序列组成8、在多总线结构中，用于连接高速I/O设备模块的总线是_C_。A）CPU总线 B）系统总线C）PCI总线 D）ISA总线9、下列关于磁盘存储器的描述，不正确的是_D_。A）数据的写入和读出是合用一个磁头，称为读写磁头B）磁盘控制器是主机和磁盘驱动器之间的接口C）磁盘的道密度指沿磁盘半径方向单位长度上的磁道数D）磁盘记录面外圈的扇区比内圈的扇区要长，因此每个扇区记录的信息也要多二、填空题（共30分）1、摩尔定律指的是_芯片单位面积上晶体管的数目_每18个月翻一番。（2分）2、SRAM存储器的存储元是_触发器_，DRAM存储器的存储元是_MOS晶体管和电容器_。（2分）3、指令的寻址方式有_顺序_寻址方式和_跳跃_寻址方式两种。（2分）4、假设某机器有120条指令，平均每条指令由5条微指令组成，其中有一条取指微指令是所有指令公用的。已知微指令长度位32bit，则控制存储器的容量最少是_15392bit_。5、流水线技术利用的是_时间_并行性，超标量技术利用的是_空间_并行性。（2分）6、总线的定时方式中，_异步定时_适用于快速和慢速功能模块都连接到同一总线的情况，_同步定时_适用于总线长度较短、各功能模块速度比较接近的情况。（2分）7、总线仲裁方式有_分布式仲裁_和集中式仲裁。集中式仲裁又分为三种，分别是_链式查询方式_，_计数器定时查询方式_，和_独立请求方式_。（4分）8、Infiniband是一个高性能的_I/O_标准，是一种基于_开关_的体系结构。(2分)9、PCI采用的是_同步_时序协议和_集中式_仲裁策略，其基本传输机制是_猝发式传送_。（3分）10、采用串行接口进行字符传送，假设波特率为3600波特，字符传送速率为400字符/秒，则每个字符包含_9_bit。（2分）11、读写操作时，磁盘是恒_角速_旋转，光盘是恒_线速_旋转。（2分）12、某磁盘存储器有20个可用盘面，每个盘面有200个磁道，每个磁道均记录18000B信息，最小磁道直径是240mm，最大磁道直径是340mm，是则该磁盘存储器的道密度为_4道/mm_，柱面数为_200_，磁盘总容量为_72000000B_。（3分）13、某磁盘存储器转速为6000RPM，平均找道时间为12ms，数据传输率为1KB/ms，则读出磁盘上连续存放的1MB数据需要的平均时间是_1041ms_。（2分）三、简答题（每题3分，共12分）2、什么是程序的局部性原理？（3分）程序总是趋向于使用最近使用过的数据和指令，包括程序的时间局部性和程序的空间局部性。1）程序的时间局部性：指程序即将用到的信息可能就是目前正在使用的信息。2）程序的空间局部性：指程序即将用到的信息可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者临近。4、在多总线结构中有三种总线（HOST总线、PCI总线和LEGACY总线）和三种桥（北桥、南桥和PCI/LEGACY桥），请说出这三种桥分别连接的是哪些总线？（3分）北桥连接HOST总线和PCI总线，南桥连接PCI总线和PCI总线，PCI/LEGACY桥连接PCI总线和LEGACY总线。四、设有浮点数x=23(+11/16)，y24(-13/16)，阶码用4位（含一位符号位）补码表示，尾数用5位（含一位符号位）补码表示，求真值x/y=？要求（1）写出x，y的浮点数表示，（2）用补码加减交替法完成尾数除法运算。（7分）（1）11/16=0.1011，故x的浮点数表示为001101011-13/16=1.1101，故y的浮点数表示为010010011（2）现依然用x和y表示其尾数，则x=0.1011，y=-0.1101，用补码加减交替法进行x/y的尾数运算如下：五、有一个2048K16位的存储器，由若干片256K8位的DRAM芯片构成。问：（8分）（1）需要多少片DRAM芯片？（1分）（2）该存储器需要多少字节地址位？（2分）（3）画出该存储器与CPU连接的结构图，设CPU的接口信号有地址信号、数据信号、控制信号MREQ#和R/W#。（5分）（1）需要DRAM芯片数=2048K16位/(256K8位)=16（2）该存储器容量为2048K16位=4096KB，4096K=212，故需要12个字节地址位(22)（3）存储器与CPU连接的结构图六、某cache的行数为4，采用全相联的地址映射，LRU替换算法；假设初始时cache为空，现主存中的块访问序列为（3，5，7，3，8，20，7，11）。（8分）（1）用示意图画出该访问序列中各块写入和换出cache的过程。（2）对该块访问序列而言，cache命中率是多少？（1）访问块写入和换出cache的过程示意图（2）命中次数为2，故命中率=2/8=25%七、设某机的指令格式、有关寄存器和主存内容如下，X为寻址方式，D为形式地址，请在下表中填入有效地址E及操作数的值。（7分）答案如下：八、下图所示为单总线CPU内部框图，其中R0R3为通用寄存器，ALU具有加、减运算功能。完成下列问题：（10分）1）说明图中IR,PC,AR,DR,Y,Z寄存器的作用。2）画出加法指令SUB R1,(R2)的指令周期流程图，其中“(Ri)”表示寄存器间接寻址，指令左边的操作数为目的操作数。答案如下：1）IR为指令寄存器，PC为程序计数器，AR为内存地址暂存器，DR为内存数据暂存器，Y用于暂存ALU的一个操作数，Z用于暂存ALU的运算结果。2）SUB R1,(R2)的指令周期流程图如下：2、当机器字长一定时，_B_越长，浮点数表示的范围越大，精度越低。A）阶符 B）阶码C）尾符 D）尾数3、下列关于cache地址映射的描述，不正确的是_D_。A）全相联映射方式中，主存的一个块可能存放到cache中任意一行B）直接映射方式中，主存的一个块只能存放在cache的一个特定行C）全相联映射方式的cache利用率高，直接映射方式的cache利用率低D）组相联映射方式是全相联映射和直接映射方式的折中方案，即主存中的一个块放到cache的哪个组是灵活的，而放到该组的哪个行是固定的。4、CPU响应中断的时间是_C_。A）中断源提出请求B）取指周期结束C）执行周期结束D）间址周期结束5、分支预测的目的是为了_D_。A）提高转移指令的执行速度B）提高每条指令的流水执行速度C）提高程序的正确性D）提高指令预取的成功率6、在堆栈寻址中，设A为累加器，SP为堆栈指示器，Msp为SP指示的栈顶单元。如果进栈操作顺序是：（SP）-1SP，（A）Msp；那么出栈操作的顺序应是_A_。A）（Msp）A，（SP）+1SPB）（SP）+1SP，（Msp）AC）（SP）-1SP，（Msp）AD）（Msp）A，（SP）-1SP7、中断处理过程中，_A_是由硬件完成。A）关中断B）开中断C）保存CPU现场D）恢复CPU现场8、下列说法中正确的是_D_。A）多体交叉存储器主要解决扩充容量问题。B）Cache地址空间是主存地址空间的一部分。C）主存都是由易失性的随机读写存储器构成的。D）Cache的功能全部由硬件实现。9、计算机操作的最小单位时间是_A_。A）时钟周期B）指令周期C）CPU周期D）中断周期。二、填空题（共22分）1、若机器数为补码，某寄存器中的内容为BF(十六进制)，则该寄存器存储的数据真值是_-65_(用十进制表示)。（2分）2、多模块交叉存储器中，地址在模块中的安排方式有_顺序_和_交叉_两种。（2分）3、已知cache存储周期为20ns，主存存储周期为220ns，cache/主存系统平均访问时间为60ns，则cache命中率是_80%_。（2分）4、假设某机器有120条指令，平均每条指令由5条微指令组成，其中有一条取指微指令是所有指令公用的。已知微指令长度位32bit，则控制存储器的容量最少是_15392bit_。（2分）5、流水线中存在的三种相关冲突分别是_资源相关_，_数据相关_和_控制相关_。（3分）6、按总线仲裁电路的位置不同，总线总裁分为_集中式_仲裁和_分布式_仲裁。（2分）7、设字长8位（含1位符号位），则原码定点小数能表示的绝对值最大负数是_-（1-2-7）_。（2分）8、在组合逻辑控制器中，微操作控制信号由_时序_、_状态条件_和_ 指令_ 决定。（3分）9、已知有四位数P1P2P3P4采用偶校验，其校验位C的表达式为_P1异或 P2异或P3异或P4_。（2分）10、在不改变中断响应优先级次序的条件下，通过_中断屏蔽_可以改变中断处理次序。（2分）三、浮点数标准IEEE754的规格化数表示方式为(-1)s*1.m*2e-127，其中s为符号位，m为尾数，e为阶码，32位浮点数的s、e、m分别占1，8，23bit，请写出下列十进制数的IEEE754标准的32位浮点规格化数。（10分）(1) 25/64(2) -35/128答：25/64=(0.00011001)2=(1.1001x2-4)2-35/64=(-0.00100011)2=(-1.00011x2-3)2故25/64的IEEE754标准的32位浮点规格化数为：0,01111011,10010000000000000000000-35/64的IEEE754标准的32位浮点规格化数为：1,00111110,00011000000000000000000四、已知x=0.1011，y=0.1101，求xy（用补码加减交替法进行运算）。（7分， 五、设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用MREQ作访存控制信号（低电平有效），用WR作读写控制信号（高电平为读，低电平为写）。现有下列存储芯片：1K4位RAM，4K8位RAM，2K8位ROM，以及74138译码器和各种门电路。要求：（15分）1）写出主存地址空间分配，要求：8000H87FFH为系统程序区；8800H8BFFH为用户程序区。2）合理选用上述存储芯片，说明各选几片？3）详细画出存储芯片的组成框图以及CPU与存储器连接图。答：1）根据主存地址空间分配为A15 A0 2K8位 1000 0000 0000 0000 1000 0111 1111 11111K8位 1000 1000 0000 0000 1000 1011 1111 11112）选出所用芯片类型及数量 2K8位ROM 1片1K4位RAM 2片3）CPU与存储芯片的连接图如图所示：六、某机主存容量为4M16位，且存储字长等于指令字长，若该机的指令系统具备97种操作。操作码位数固定，且具有直接、间接、立即、相对、基址五种寻址方式。（12分）1）画出一地址指令格式并指出各字段的作用；2）该指令直接寻址的最大范围（十进制表示）；3）一次间址的寻址范围（十进制表示）；4）相对寻址的位移量（十进制表示）。答：1）一地址指令格式为OPMAOP 操作码字段，共7位，可反映120种操作；M 寻址方式特征字段，共3位，可反映5种寻址方式；A 形式地址字段，共1673 = 6位 2）直接寻址的最大范围为26 = 64 3）由于存储字长为16位，故一次间址的寻址范围为216 = 65536 4）相对寻址的位移量为32+31一、选择题（共10分 每小题 1 分）1、假定下列字符码中有奇偶校验位，但没有数据错误，采用偶校校验的字符码是_D_。 A 11001011 B 11010110 C 11000001 D 110010012、在机器数_B_中，零的表示是唯一的。 A 原码 B 补码 C 移码 D 反码3、某机字长32位，存储容量64MB，若按字编址，它的寻址范围是_C_。A 8M B 16MB C 16M D 8MB4、采用虚拟存储器的主要目的是_B_。A 提高主存储器的存取速度； B 扩大主存储器的存储空间，并能进行自动管理和调度；C 提高外存储器的存取速度； D 扩大外存储器的存储空间；5、微程序控制器中，机器指令与微指令的关系是_B_。A 每一条机器指令由一条微指令来执行；B 每一条机器指令由一段用微指令编成的微程序来解释执行；C 一段机器指令组成的程序可由一条微指令来执行；D 一条微指令由若干条机器指令组成；6、同步传输之所以比异步传输具有较高的传输频率是因为同步传输_C_。A 不需要应答信号； B 总线长度较短；C 用一个公共时钟信号进行同步； D 各部件存取时间较为接近；7、计算机系统中的存储器系统是指_D_。A RAM存储器 B ROM存储器 C主存储器 D cache、主存储器和外存储器8、存储单元是指_B_。A 存放一个二进制信息位的存储元 B 存放一个机器字的所有存储元集合C 存放一个字节的所有存储元集合 D 存放两个字节的所有存储元集合；9、双端口存储器所以能高速进行读 / 写，是因为采用_B_。A 高速芯片 B 两套相互独立的读写电路 C 流水技术 D 新型器件10、描述流水CPU基本概念正确的句子是_D_。A.流水CPU是以空间并行性为原理构造的处理器B.流水CPU一定是RISC机器C.流水CPU一定是多媒体CPUD.流水CPU是一种非常经济而实用的时间并行技术二、填空题（共25 分 每空 1 分）1、冯诺依曼计算机在硬件上是由 控制器 、 存储器 、 运算器 、 输入设备 、 输出设备 五大部分构成。2、IEEE754标准，一个浮点数由符号位S_、阶码E、尾数M三个域组成。其中阶码E的值等于指数的_真值e_加上一个固定_偏移位_。3、根据地址格式不同，虚拟存储器分为_页式_、_段式_和_段页式_三种。4、CPU从主存取出一条指令并执行该指令的时间叫做_指令周期_，它常用若干个_机器周期_来表示，而后者又包含有若干个_时钟周期_。5、对存储器的要求是_容量大，速度快_，_成本低。为了解决这方面的矛盾，计算机采用多级存储体系结构。6、指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式和_功能_不仅直接影响到机器的硬件结构而且也影响到系统软件。7、CPU中至少有如下六类寄存器_指令_寄存器，_程序_计数器，地址_寄存器， 通用寄存器，状态条件寄存器， 缓冲 寄存器。三、简答题（共20分）1、什么是RISC？RISC指令系统的特点是什么？（4分）答： RISC是精简指令系统计算机，它有以下特点：（1） 选取使用频率最高的一些简单指令，以及很有用但不复杂的指令。（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之间进行。（4） 大部分指令在一个机器周期内完成。（5） CPU中通用寄存器数量相当多。（6） 以硬布线控制为主，不用或少用微指令码控制。（7） 一般用高级语言编程，特别重视编译优化工作，以减少程序执行时间。2、简述控制器的基本功能？（8分）答：一台电子计算机基本上可以划分为两大部分-控制器和执行部件，控制器就是控制部件，运算器、存储器、外设对控制器来说就是执行部件。控制器具有如下四个方面的基本功能：1）指令控制，程序的顺序控制，称为指令控制。2）操作控制，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的部件，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定时，称为时间控制。4）数据控制，所谓数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。3、CPU响应中断应具备哪些条件？画出中断处理过程流程图。（8分）条件：（1）在CPU中的中断屏蔽触发器IM必须是开放的。(2）外设有中断请求时，中断请求触发器IR必须处于“1”状态，保持中断请求信号。（3）外设接口中中断允许触发器EI必须为“1”，这样才能把外设中断请求送至CPU。（4）当上述三个条件具备时，CPU在现行指令结束的最后一个机器周期响应中断。 四、有两个浮点数 x=2(+01)2 (-0.111)2 Y=2(+01)2 (+0.101)2 ，设阶码2位，阶符1位，数符1位，尾数3位，用补码运算规则计算x-y的值。（10 分）1) 设Sx为x的尾数，Sy为y的尾数，则Sx=(-0.111)2 Sx补=1.001Sy=(+0.101)2 Sy补=0.101 （2分）又设Ex为x的阶码，Ey为y的阶码，则Ex=(+01)2 ， Ex补=001Ey=(+01)2， Ey补=001 （2分）2）对阶：Ex-Ey=(01)2，阶码相等，故不需要对阶。 3）尾数相减 Sy补=0.101 -Sy补=1.011 （2分） Sx补=1.001 + Sy补=1.011 Sx-Sy补=10.100 （2分） 4)规格化与舍入尾数符号位10，需要右规，尾数右移1位，最低有效位舍掉，阶码加1（右规）则，Sx-Sy补=1.010 Ex补=Ey补=010 （2分） 规格化结果： 010，1.010五、已知cache 命中率 H=0.98，主存存取时间是cache 存取时间的4倍，已知主存存取周期为200ns，求cache/主存的效率和平均访问时间。（8 分）解： R=Tm/Tc=4；Tc=Tm/4=50ns （2分） E=1/R+（1-R）H=1/4+（1-4）0.98=0.94 （3分） Ta=Tc/E=Tc4-30.98= 501.06=53ns。 （3分）六、（10 分）用512K16位的SRAM芯片组成一个2M32的SRAM，试问： 1）数据线几条？ 2）地址线几条？ 3）共需要多少个这样的芯片？ 4）画出此存储器的组成框图.1.数据寄存器32位（2分） 2.地址寄存器21位（2分）3.共需要8片SRAM（2分）存储器的组成原理如图（4分） 七、（7分）下表列出了常用寻址方式有效地址E算法，请在第2列中填写寻址方式名称。序号寻址方式名称有效地址E算法说明（1）立即操作数在指令中（2）寄存器操作数在某个寄存器内，指令给出寄存器号（3） 直接E=DDisp为偏移量（4） 基址E=(B)B为基址寄存器（5） 基址+偏移量E=(B)+D（6）基址+变址+偏移量 E=(B)+(I)+D（7）相对指令地址=(PC)+DPC为程序计数器或当前指令指针寄存器八、（10 分）已知某机采用微程序控制方式，其控制存储器容量为51248（位），微程序可在整个控制存储器中实现转移，可控制微程序转移条件共4个，微指令采用水平型格式，后继微指令地址采用断定方式，如图所示： 微命令字段 判别测试字段 下地址字段 操作控制 顺序控制 (1) 微指令中的三个字段分别应多少位？(2) 画出对应这种微指令格式的微程序控制器逻辑框图。解：（1）假设判别测试字段中每一位为一个判别标志，那么由于有4个转移条件，故该字段为4位（如采用字段译码只需3位），下地址字段为9位，因此控制存储器容量为512个单元，微命令字段是（ 48 4 - 9 ）= 35 位。 （3分）（2）对应上述微指令格式的微程序控制器逻辑框图如下：其中微地址寄存器对应下地址字段，P字段即为判别测试字段，控制字段即为微命令子段，后两部分组成微指令寄存器。地址转移逻辑的输入是指令寄存器OP码，各状态条件以及判别测试字段所给的判别标志（某一位为1），转移逻辑输出修改微地址寄存器的适当位数，从而实现微程序的分支转移。15