计算机组成原理

https://blog.csdn.net/KysonLai/article/details/81625797

【例 6.1】 假设指令字长为 16 位，操作数的地址码为 6 位，指令有零地址和一地址两种格式。

（1）设操作码固定，零地址指令有 512 种，则一地址指令最多有几种？

（2）采用扩展操作码技术，零地址指令有 512 种，则一地址指令最多有几种？

解：

（1）对于一地址指令，操作码长度=16-6=10，这 10 位操作码可有 210=1024 种操作。由于操作码固定，也就是说零地址和一地址的操作码长度均为 10 位，则除去零地址指令 512种，剩下一地址指令最多 1024-512＝512 种。

（2）采用扩展操作码技术，操作码位数可变，则一地址和零地址的操作码长度分别为10 和 16 位。可见一地址指令操作码每减少一种，就可多构成 26种零地址指令操作码。

  设一地址指令有 X 种，则零地址指令最多有(2^10-X)×2^6种，依题意：

  (2^10-X)×2^6=512

  所以，X=1016，即此种情况下，一地址指令最多有 1016 种。

以下不属于立即寻址特点的是_。D 
A.该类型指令在执行阶段不需要访问内存 
B.取回指令既同时取回操作数 
C.操作数的范围受指令长度限制 
D.指令中的形式地址就是操作数的真实地址

 

 

【例】用1K x 4的存储芯片组成4kb存储器，需要几片这样的芯片？

  4k=半个字节，所以需要8片

 

【例】下列说法中正确的是____C__。
A:虚拟存储器技术提高了计算机的速度。
B:若主存由两部分组成，容量分别为2n和2m，则主存地址需要n+m位
C:闪速存储器是一种高密度、非易失性的读/写半导体存储器
D:存取时间是指连续两次读操作所需间隔的最小时间

 

【例】下列关于闪存的叙述中，错误的是（   ）
A: 信息可读可写，并且读、写速度一样快
B: 存储元由MOS管组成，是一种半导体存储器
C: 掉电后信息不丢失，是一种非易失性存储器
D:采用随机访问方式，可替代计算机外部存储器
答案：A

 

【例】主存中的块可以放入Cache中的唯一的位置，这种Cache是           的。
A:全相联
B:组相联
C:块相联
D:直接映象
答案：D
 

【例】下列说法不正确的是（      ）
A:硬连线控制器比微程序控制器设计复杂
B:硬连线控制器不便于实现复杂指令的控制
C:微程序控制器比硬连线控制器速度要快
D:微程序控制器将指令执行所需要的控制信号存放在存储器中

答案：C
 

【例】17、 DMA访问内存时让CPU进入等待状态，等待DMA的批数据访存结束后再恢复工作，这种情况称为（） 。
A: 透明的DMA
B:交替访问
C: CPU等待
D:周期挪用
 

【例】______是构成控制信号序列的最小单位。
A:微程序
B:微命令
C:微指令
D:机器指令

答案：B
 

 

【例】以下说法错误的是______ 。
A:硬盘是外围设备
B:软件的功能与硬件的功能在逻辑上是等效的
C:硬件实现的功能一般比软件实现具有更高的执行速度
D:软件的功能不能用硬件取代

答案：D

 

【例】22、 在CPU中，程序计数器PC用来存放（      ）
A:现行指令
B:下条指令
C:操作数的地址
D:下条指令的地址

答案：D

 

【例】下列元件中存取速度最快的是______。
A:Cache
B:寄存器
C:内存
D:外存

答案：B
 

&随机存取存储器（random access memory，RAM）又称作“随机存储器”，是与CPU直接交换数据的内部存储器，也叫主存(内存)。它可以随时读写，而且速度很快，通常作为操作系统或其他正在运行中的程序的临时数据存储媒介。

 

【例】

动态RAM存储信息依靠的是(      )
A:磁场
B:双稳态触发器
C:晶体管
D:电容

答案：D
 

【例】所谓三总线结构的计算机是指______。
A:地址线、数据线和控制线三组传输线
B:I/O总线、主存总统和DMA总线三组传输线
C:I/O总线、主存总线和系统总线三组传输线
D:设备总线、主存总线和控制总线三组传输线

答案：B
 

【例】

在浮点数编码表示中，______在机器数中不出现，是隐含的。
A:阶码
B:符号
C:尾数
D:基数

答案：D
 

 

【例】 Cache是内存的一部分，它可由指令直接访问。

答案：×
 

 

【例】

双端口存储器之所以能高速读写，是因为采用了流水技术。
答案：×
是因为：采用了两套相互独立的读写电路 
 

 

【例】49、 浮点机器数由阶码E和尾数M两部分构成，阶码是（A）数，尾数是（B）数。

答案：A 定点整数 B 定点小数    
 

 

【例】

什么是RISC？RISC指令系统的特点是什么？

答案：

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。

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.

 

【例】 一台计算机的主存容量为1MB，字长为32位，Cache的容量为512字，确定下列情况下主存和Cache的地址格式：

（1）直接映像的Cache，块长8字

（2）组相联映像的Cache，块长4字，组内4块

解：(1)主存容量为1MB＝1M*8＝256K*32＝256K字   256K字/8字＝2^15块

Cache的容量为512字       512字/8字＝64块＝2^6块

主存地址格式：

标记	块号	块内地址
9	6	3

 

Cache地址格式：

块号	块内地址
6	3

 

1.       1.主存块号就是cache的块号，因为是直接映像
2.  主存标记就是主存分几块=总的主存位数/一块的位数
   1. 块内地址的单位是字，块长8字代表有3位

（2）)主存容量为1MB＝1M*8＝256K*32＝256K字   256K字/4字＝2^16块

Cache的容量为512字       512字/4字＝128块＝2^7块

1组＝4块＝2^2块

主存地址格式：

标记	组号	块内地址
11	5	2

 

Cache地址格式：

组号	块内地址
5	2

组相联：

1：主存的组号就是cache的组号，cache容量是2^7块，一组要2^2块，那么一共要2^5组，所以组号就是5

2：块内地址就是块长4也就是2^2

3：标记就是主存的位数-组号了

 

 

【例】 某8位微型机地址码为20位，若使用8K×4位的RAM芯片组成模块板结构的存储器，试问：

（1）该机所允许的最大主存空间是多少？

（2）若每个模块板为16K×8位，共需几个模块板？

（3）每个模块板内共有几片RAM芯片？

（4）共有多少片RAM？

解：（1）该机所允许的最大主存空间是2^20*8＝1MB

（2）若每个模块板为16K×8位，共需2^20*8/16K*8=2^6=64个模块板。

（3）每个模块板内共有16K*8/8K*4=4片RAM芯片。

（4）共有2^20*8/8K*4=256片RAM

 

 

【例】

  设主存容量为2MB，采用直接映射方式的Cache容量为8KB，块长为4，每字16位。试问主存地址为12345H的存储单元在Cache中的哪一个块的哪一个单元？

解：主存容量为2MB  ＝2M*8/4*16＝2^18块

Cache容量为8KB=8K*8/4*16=2^10块

主存地址格式：

标记	块号	块内地址
8	10	2

12345H=0001  0010  0011  0100  0101=0001  0010  00  1101  0001    01

12345H在cache的0D1H块的01单元

1：0D1H就是获取到对应的块号，然后补齐，这里就是 0000 1101 0001

 

 

 

【例】

5、 某计算机系统的内存系统中，已知cache存取周期为45ns，主存存取周期为200ns。 CPU执行一段程序时，CPU访问内存系统共5000次，其中访问主存的次数为500次，问：

1. Cache 命中率H是多少？
2. CPU访问内存的平均访问时间Ta是多少？
3. Cache/主存系统的访问效率e是多少？

解：（1）Cache 命中率H＝（5000－500）/5000=95%

1. CPU访问内存的平均访问时间Ta=H*Tc+(1-H)*Tm=0.95*45+0.05*200=52.75ns

     （命中率*cache存取周期+不命中率*主存存取周期）

1. Cache/主存系统的访问效率e=Tc/Ta=45/52.75=85.3%

（cache存取周期/CPU访问内存的平均访问时间）

 

 

 

【例】

6、 有一个64K×16位的存储器，由16K×4位的DRAM芯片（芯片内是256×256结构）构成，存储器读/写周期为500ns。试问：

（1）需要多少DRAM芯片？

（2）采用异步刷新方式，如果单元刷新间隔不超过8ms，则刷新信号周期是多少？

（3）如果采用集中式刷新，存储器刷新一遍最少要用多少时间？

（4）进行字扩展时需要选用什么样的译码器来实现对地址线的扩展？

（5）请写出该存储器的最大地址，假设最小地址从0000H开始。

解：（1）需要64K*16/16K*4=16片DRAM芯片

1. 采用异步刷新方式，单元刷新间隔不超过8ms，8ms/256＝31.25us
2. 如果采用集中式刷新，存储器刷新一遍最少要用256*500ns=128us
3. 进行字扩展时64K/16K=4片芯片进行字扩展，要采用2：4译码器
4. 最小地址从0000H开始，64K*16的存储器，该存储器的最大地址是0FFFFH

F代表的是15，从0开始就是有16，所以64K=2^16

 

 

 

【例】

10、设某机主存容量为4MB ，Cache 容量为16KB ，每块包含8 个字，每字32 位，设计一个四路组相联映像（即Cache 每组内共有四个块）的Cache 组织，要求：

（1） 画出主存地址字段中各段的位数。

（2） 设Cache 的初态为空，CPU 依次从主存第0 、1 、2 、⋯ 、99 号单元读出100 个字（主存一次读出一个字） ，并重复按此次序读8 次，问命中率是多少？

（3） 若Cache 的速度是主存的6倍，试问有Cache 和无Cache 相比，速度提高多少倍？

解：（1）主存容量为4MB ＝4M*8   4M*8/8*32=2^17块

Cache 容量为16KB＝16K*8    16K*8/8*32=2^9块

1组＝4块

主存地址格式：

标记	组号	块内地址
10	7	3（）

 

 

（2）主存第0 、1 、2 、⋯ 、99 号单元，共100个单元，100/8=12.25，分布于13个块，因此刚开始每个块的第1个单元都不命中，其它单元都命中，其后7次所有块都命中，因此

命中率＝(800－13)/800=98.375%

 

(3)假设Cache的访问时间为 Tc=t，主存的访问时间为Tm=6t,

Ta=HTc+(1-H)Tm=0.98375*t+0.01625*6t=1.08125t(CPU访问内存的平均访问时间)

6t/1.08125t-1=4.45

速度大约提高4.45倍。

 

 

 

【例】

11、已知采用页式虚拟存储器， 某程序中一条指令的虚地址是：000001111111100000 。该程序的页表起始地址是0011 ，页面大小1K ，页表中有关单元最末四位（实页号）见下表：

请指出指令地址（虚地址）变换后的主存实地址。

解：虚拟地址格式

虚业号	页内地址
	10位

00000111  11  1110  0000

虚页号为0000  0111（根据页内地址有10位可以得出）

页面起始地址为0011  

两个组合后虚页号为  0011  0000  0111＝307H

307H对应的实页号为1100，所以实地址为1100  11 1110  0000

实地址=实页号+页内地址

 

 

 

【例】

1. 指令字长16位，每个操作数的地址码长6位，指令分为无操作数、单操作数和双操作数三类。若双操作数指令有K条，无操作数指令有L条，问单操作数最多可能有多少条？

解：

op	A1	A2
4	6	6

假设双操作数指令有K条，则4位二进制位最多可以扩展16条，还剩下16－K的空间可以扩展，每一次扩展一个地址码6位，假设单操作数指令为X条，则[（16－K）*2^6-X]*2^6为余下的零地址码可扩展的指令。

[（16－K）*2^6-X]*2^6>=L

X<=（16－K）*26-L*2-6

双操作数就是占了两个操作数的地址位，一共12位

 

 

 

 

【例】

1. 某机器字长16位，采用单字长指令，每个地址码6位。试采用操作码扩展技术，设计14条二地址指令，80条单地址指令，60条零地址指令。下图为指令的编码示意图。
   （1）请分别计算出OP、A1、A2的各占多少位二进制位。
   （2）假设A作为二地址指令的操作码编码，请计算出A的范围，假设A从0开始，请用二进制数进行表示A的起止范围。
   （3）假设B作为一地址指令的操作码编码，请计算出B的范围，假设B承接A的编码，请用二进制数进行表示B的起止范围。
   （4）假设C作为零地址指令的操作码编码，请计算出C的范围，假设C承接B的编码，请用二进制数进行表示C的起止范围。
   （5）如果地址码A2用来表示内存地址，请问它的地址范围是多少，假设地址从0开始，请用十六进制表示。

解：

1. OP=16-2*6=4  A1=6   A2=6
2. 二地址有14条，操作码占了4位，所以 0000—1101
3. 一共80条，操作吗占了10位，所以1110 0000000—1111001111
4. 一共60位，1111010000000000--1111010000111011

 

 

 

【例】

假设相对寻址的转移指令占两个字节，第一个字节是操作码和寻址方式，第二个字节是相对偏移量，用补码表示。若当前转移指令的第一个字节所在地址为0019H，且CPU每取出一个字节指令便会自动执行（PC）+1->PC操作。试问：(1)若转移的目标地址分别为0006H时，转移指令第二个字节的内容是什么？(2)若转移的目标地址分别为00025H时，转移指令第二个字节的内容是什么？

解：

内存地址	内存内容
００１９Ｈ	ＯＰ
００１ＡＨ	Ａ

 

1：Ea=(ＰＣ)+Ａ=0019+2+Ａ=0006（因为移动了两个字节，所以要加2）

A=0006-001B=FFEBH

2： EA=(PC)+A=0019+2+A=0025H   

A=0025-001B=000AH

 

 

 

【例】

6、 已知某机器字长16位，主存按字编址，其双操作数指令格式为：

OP	R	D
6位	2位	8位

 

其中OP为操作码，R为通用寄存器地址，试问下列寻址方式能访问的最大主存区为多少机器字？

1. D为立即数 
2. D为主存直接地址                 
3. D为主存间接地址          
4. D为变址形式地址，变址寄存器为R1(字长16位)
5. D为基址形式地址，基址寄存器的Rb（字长16位）
6. D为相对寻址的偏移量

解：

1. D为立即数     2^0
2. D为主存直接地址   2^8              
3. D为主存间接地址         2^16 
4. D为变址形式地址，变址寄存器为R1(字长16位) 2^16
5. D为基址形式地址，基址寄存器的Rb（字长16位）2^16
6. D为相对寻址的偏移量     2^16

 

 

【例】

设主存容量为512K字，Cache容量为32K字，块长为8，假设相联存储器由主存标记和4个控制位构成。

（1）Cache中可装入多少块数据，主存有多少块数据？

（2）在直接映射方式下，请分别计算各部分的二进制位，并计算出相联存储器的容量。

（3）在四路组相联映射方式下，请分别计算各部分的二进制位数，并计算出相联存储器的容量。

（4）在全相联映射方式下，请分别计算各部分的二进制位数，并计算出相联存储器的容量。

答案：

（1）212块数据

（2）直接映射的情况下，主存地址格式如下，主存标记4位，块地址12位，块内地址3位

T＝4

C＝12

B＝3

（3）四路组相联的情况下，主存地址格式如下，主存标记6位，组地址10位，块内地址3位

T+r=6

C－r=10

B=3

(4)全相联的地址格式如下，主存标记16位，块内地址3位

T=16

B=3

就是块地址为0
 

 

 

 

【例】

77、

 

参见图1，这是一个二维中断系统，请问：

    ①  在中断情况下，CPU和设备的优先级如何考虑？请按降序排列各设备的中断优先级。

    ②  若CPU现执行设备C的中断服务程序，IM2，IM1，IM0的状态是什么？如果CPU执行设备H的中断服务程序，IM2，IM1，IM0的状态又是什么？

    ③  每一级的IM能否对某个优先级的个别设备单独进行屏蔽？如果不能，采取什么方法可达到目的？

    ④  若设备C一提出中断请求，CPU立即进行响应，如何调整才能满足此要求？

答案：

 ①  ABCDEFGHI

    ②  111   001

    ③  不可，将EI清零。

    ④  将C单独取出来放在第3级上，使第3级最高，让IM3＝0.

 

 

 

【例】

某机型16位字长指令格式如下：

其中，Ｄ是形式地址，采用补码表示（包括一位符号位），Ｍ是寻址方式：

Ｍ＝０　　立即寻址；

Ｍ＝１　　直接寻址（这是Ｄ为地址，无符号数）；

Ｍ＝２　　间接寻址；

Ｍ＝３　　变址寻址（变址寄存器Ｒi，１６位）；

Ｍ＝４　　基址寻址（基址寄存器Ｒb，１６位）；

Ｍ＝５　　相对寻址。

（１）该指令格式最多可以定义多少种不同的操作？
（2）立即数寻址操作数的范围是什么？

（3）写出各种寻址方式的操作数的计算表达式。

（4）各种寻址方式能访问的最大主存范围是多少？

答案：

解：由于操作码占5位，因此可以进行32种不同的操作，由于形式地址占8位，采用补码表示，因此立即数的操作数范围从－128到127

寻址方式的有效地址的计算;

Ｍ＝０　　立即寻址；无EA  data=D

Ｍ＝１　　直接寻址（这是Ｄ为地址，无符号数）；EA=D  data=(D)

Ｍ＝２　　间接寻址；EA=(D)  data=((D))

Ｍ＝３　　变址寻址（变址寄存器Ｒi，１６位）；EA＝（Ｒi）＋D  data=((Ri)+D)

Ｍ＝４　　基址寻址（基址寄存器Ｒb，１６位）；EA＝（Ｒb）＋D  data=((Rb)+D)

Ｍ＝５　　相对寻址。EA＝（PC）＋D  data=((PC)+D)

寻址方式能访问的最大主存范围

Ｍ＝０　　立即寻址；无有效地址，不用计算

Ｍ＝１　　直接寻址（这是Ｄ为地址，无符号数）；0－255

Ｍ＝２　　间接寻址；0－216－1

Ｍ＝３　　变址寻址（变址寄存器Ｒi，１６位）；0－216－1

Ｍ＝４　　基址寻址（基址寄存器Ｒb，１６位）；0－216－1

Ｍ＝５　　相对寻址。0－216－1

 

 

 

【例】

4.某机字长16位，问在下列几种情况下所能表示数值的范围：

1. 无符号整数；
2. 用原码表示定点小数；
3. 用补码表示定点小数；
4. 用原码表示定点整数；
5. 用补码表示定点整数。

解：

（１） 无符号整数；

0~2^16-1

（２） 用原码表示定点小数；

-1+2^(-15)~1-2^(-15)

（３） 用补码表示定点小数；

-1~1-2^(-15)

（４） 用原码表示定点整数；

-2^15+1~ 2^15-1

（５） 用补码表示定点整数。

-2^15~2^15-1

 

 

 

【例】

10．设浮点数的阶码和尾数部分均用补码表示，按照浮点数的运算规则，计算下列各题：

（1）X=2101×（-0.100010），Y=2100×（-0.111110）

（2）X=2-101×0.101100，Y=2-100×（-0.101000）

注：此题中阶码用二进制表示。

求：X+Y，X-Y

解：（1）X=0101  1.011110

Y=0100  1.000010

阶差=1

Y=0101  1.100001（向右移动一位，开头补1）

Mx+My=  11.011110 +11.100001=10.111111

规格化

Mx+My=1.011111  阶码+1=0110

X+Y= 0110  1.011111