大学专业试卷-山东大学《计算机组成原理》202-2.docx

计算题：
1、设机器数字长为8位(含1位符号位在内)，写出对应以下各真值的原码、 补码和反码。
-13/64, 29/128, 100, -872、［x］补,求［x］原和X。
l) ［x］补=1.1100；
5)［x］补=1,0101；3、当十六进制数9BH和FFH分别表示为原码、补码、反码、移码和无符号数时, 所对应的十进制数各为多少(设机器数采用一位符号位)？
4、6.12 将十进制数转换为二进制：
x2= -27/10245、利用卡诺图法化简以下函数
F(ABCD)二 N(°，1，2,暴,7,8,9,13,14)F(ABCD) = A + BCD + BCD
6、用原码一位乘和补码一位乘(Booth算法)计算x・y。
(1) x= 0.110 111, y= -0.101110；7、按机器补码浮点运算步骤计算［x+y］补
(1) x=2-011X 0.101100, y=2-010X (-0.011100)；二、存储器局部:
1）二者的比拟可用两种中断的服务程序流程图（见教材P201）的比照来说明, 此处略。
2）单重中断和多重中断的区别在于“开中断”的设置时间不同。对于单重中断， 开中断指令设置在最后“中断返回”之前，意味着在整个中断服务处理过程中, 不能再响应其他中断源的请求。而对于多重中断，开中断指令提前至“保护现场” 之后，意味着在保护现场之后，假设有更高级别的中断源提出请求，CPU也可以响 应，从而实现中断嵌套，这是二者的主要区别。
15, 结合DMA接口电路说明其工作过程。
DMA的数据传送过程可分为预处理、数据传送和后处理3个阶段。工作过程如以下图所示:
CPU
—> DMA
DMA
一 DMA
预处理： 主存起始地址 设备地址一 传送够个数 启动设备
数据传送： cpu继续执行主®T 同时DMA完成一批数据传送
后处理： 中断服务程序 做DMA结束处理
数据传送
主存地址送总线 数据送I/O设备（或主存） 修改主存地址 修改字计数器
向CPU申请程序中断
继续执行主程序各阶段完成的工作如下:
1）预处理阶段：CPU执行主程序实现DMA传送的初始化设置；2）数据传送阶段：由DMA控制器实现内存和外设间的数据传送。
3）后处理阶段：中断处理程序判断传送的正误，，对写入主存的数据进行校验, 完成善后工作。
16. 以硬盘读写为例，说明在主机和外设之间进行数据传送，为什么需要采用DMA方式？
参考答案要点：
一些高速外设，如硬盘、光盘等I/O设备，经常需要和主存进行大批量的数据交 换；假设采用程序查询方式或程序中断方式来完成，即通过CPU执行程序来完成 数据交换，速度较慢，极可能造成数据的丧失，因而不能满足批量数据的高速传 递需求。因此，需要借助于硬件，比方DMA控制器来实现主存和高速外设之间 的直接数据传送。
17. 中断周期前是什么阶段？中断周期后又是什么阶段？在中断周期CPU应完成 什么操作？
1）中断周期前是一条指令的执行周期；2）中断周期后是取指周期（取中断服务程序的第1条指令）；
3）中断周期中，CPU由硬件（中断隐指令）完成如下操作：
① 保护程序的断点；关中断；
② 转中断服务程序入口。
8、假设CPU执行某段程序时共访问Cache命中4800次，访问主存200次，己 知Cache的存取周期是30ns,主存的存取周期是150ns,求Cache的命中率以及 Cache-主存系统的平均访问时间和效率，试问该系统的性能提高了多少？
9、设CPU有16根地址线，8根数据线，用（低电平有效）作访存控制信号，R/作读写控制信号（高电平为读，低电平为写），现有1KX4位、4KX8位的RAM 芯片，2KX8位，4KX4位的ROM芯片，以及74138译码器和各种门电路，画出 CPU与存储器连接图，图中标明信号线的方向、种类和条数；并写出每片RAM 芯片的地址范围（用十六进制描述）。
要求：主存地址空间分配：A000H---A7FFH为系统程序区；A800H—AFFFH为用 户程序区。
10、一个4体低位交叉的存储器，假设存取周期为T, CPU每隔1/4存取周期启 动一个存储体，试问依次访问64个字需多少个存取周期？
11、cache映射题三、指令系统题
12、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，试问还可安排多少条一地址指令？
13、某机指令字长16位，每个操作数的地址码为6位，设操作码长度固定，指 令分为零地址、一地址和二地址三种格式。假设零地址指令有M种，一地址指令 有N种，那么二地址指令最多有几种？假设操作码位数可变，那么二地址指令最多允 许有几种?
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。试问当执行“JMP *+8” 和“JMP *-9”指令时，转移指令第二字节的内容各为多少？补充：操作数的有 效地址是多少？
15、某机器指令格式如下所示：
1510 9870
操作码OP
X
位移量D

x=oo
直接寻址
X=01
寄存器间接寻址，用寄存器R1寻址
X=10
变址寻址，用变址寄存器R2寻址
X=ll
PC相对寻址
设(PC) =5431H, (Rl) =3525H,(R2)=6783H (H 代表十六进制数)，请确定以下指令的寻址方式和有效地址。(假定主存按字节寻址处理)
(1) 8341H (2) 1468H(3)8100H(4)6264H10系统与中断处理局部
16. 设某机有三个中断源，其优先级次序为A>B>C,系统允许多重中断，每个 中断源的中断服务程序时间均为T。在以下图所示时间共发生5次中断请求，①为 A中断源发出的请求信号，②为A中断源发出的请求信号，③为A中断源发出的请求信号，请画出中断服务程序运行轨迹。
程序
A服务
B服务
C服务
主程序 r-
0 T
f t
|T
4T
5T
6T
①③ ② ③①
17. 设某机有五个中断源Lo、虹、1_2、L3、U,按中断响应的优先次序由高向低排 序为Lo—>L1 —>L2 —>La ―>1-4>现要求中断处理次序改为Li->L4 ->1«2 ->Lo->L3,根据下 面的格式，写出各中断源的屏蔽字。
18. 有四个中断源1#、2#、3#、4 #,分属四级中断1级、2级、3级、4级， CPU响应顺序为1级一2级一3级一4级，其中1级优先级最高，4级优先级最 低（假定CPU运行的现行程序优先级最低）。要求CPU处理顺序为2级-> 4级 一 1级一3级。写出各级中断屏蔽字；在某时刻四级中断源同时提出中断请求， 画出CPU的运行轨迹。
概念问答：
1、存储器的层次结构主要表达在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如 何管理这些层次？
答：1）存储器的层次结构主要表达在Cache—主存和主存一辅存这两个存储 层次上。
2）Cache—主存层次主要解决CPU和主存速度不匹配的问题，在存储系 统中主要对CPU访存起加速作用。从CPU的角度看，该层次的速度接近于 Cache,而容量和每位价格却接近于主存。这就解决了存储器的高速度和低成
本之间的矛盾;
主存一辅存层次主要解决存储系统的容量问题，在存储系统中主要起扩 容作用。从程序员的角度看，其所使用的存储器的容量和每位价格接近于辅 存，而速度接近于主存。该层次解决了大容量和低本钱之间的矛盾。
3）主存与Cache之间的数据调度是由硬件自动完成的，对程序员是透明 的。而主存一辅存之间的数据调动，是由硬件和操作系统共同完成的。换言 之，即采用虚拟存储技术实现。
2、说明存取周期和存取时间的区别。
答：存取时间是指存储器完成一次读/写所用的时间，即从本次读/写开始至本次 读/写结束；而存取周期是指相邻两次读/写操作之间的时间间隔，即从本次读/ 写开始至下一次读/写开始。因此存取周期要略长于存取时间。
（具体要分读写两种不同操作来分析：
读周期=读出时间+片选失效到地址失效的时间写周期=滞后时间+写入时间+写恢复时间）
3、试比拟静态RAM和动态RAMo1）静态RAM的特点：依靠双稳态触发器保存信息，不断电信息不丧失；功耗 较大，集成度较低，速度快，每位价格高，适合于作Cache或存取速度要求 较高的小容量主存。
2）动态RAM的特点：依靠电容存储电荷来保存信息，需刷新电路进行动态刷 新；功耗较小，集成度高，每位价格较低，适合于作大容量主存。
4、简述动态RAM的各种刷新方式及其特点。
答案要点：动态RAM的刷新方式有集中式刷新、分散式刷新、异步式刷新和透 明式刷新等四种方式。 集中式刷新的特点：在最大刷新间隔时间内，集中安排一段时间进行刷新。其缺 点是进行刷新时必须停止读、写操作。这对主机而言是个“死区”分散式刷新的特点：刷新工作安排在系统的存取周期内进行，对主机而言不再有 “死区”。但该方式加长了系统的存取周期，存在无谓刷新，降低了整机运行效 率。因此，分散方式刷新不适用于高速存储器。
异步式刷新的特点：结合了上述两种方式的优点，充分利用了最大刷新间隔。相 对于分散式刷新而言，它减少了刷新次数；相对于集中方式来说，主机的“死区” 又缩短很多。因此，这种方式使用得比拟多。
透明式刷新的特点：该方式不占用CPU时间，对CPU而言是透明的操作；但控 制线路复杂。
5. 以全相联映射技术为例，说明在带有Cache的存储系统中，“读”操作是怎样 完成的。
答：当CPU发出主存地址后，地址映射机构按照全相联映射方式将主存地址标 记与Cache所有字块的标记进行比拟，以判断出所访主存字（主存地址的内容） 是否己在Cache中。假设命中，直接访问Cache,将该字送至CPU；假设未命中，一 方面要访问主存，将该字传送给CPU,与此同时，要按照全相联映射方式转换的 Cache地址将该字所在的主存块装入Cache,如果此时Cache己装满，就要执行 替换算法，腾出空位才能将新的主存块调入。
6. 简述Cache-主存地址映射有哪几种方式，以及各自的优缺点。
答：Cache-主存地址映射有直接映射方式、全相联映射方式和组相联映射方式三 种。
直接映射方式的特点：主存的字块只可以和固定的Cache字块对应，优点是方式 直接，硬件实现电路简单，本钱低；缺点是利用率低，同时命中率和效率较低。 全相联映射方式主存中的字块可以和Cache的任何字块对应，优点是方式灵活, 利用率高；缺点是所需逻辑电路复杂，使用本钱太高。
组相联映射方式是对前两种映射方式的折衷，组间全相联，组内直接映像。其特 点是集中了两个方式的优点，本钱也不太高，是目前应用最为广泛的Cache映射 方式。
7. 什么是指令周期？指令周期是否有一个固定值？为什么？
解：1）指令周期是指CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间。
2）由于计算机中各种指令执行所需的时间差异很大，因此为了提高CPU 运行效率，即使在同步控制的机器中，不同指令的指令周期长度都是不一致的, 也就是说指令周期对于不同的指令来说不是一个固定值。
3）指令周期长度不一致的根本原因在于设计人员，为了提高CPU运行效率 而这样安排的，指令功能不同，需完成的微操作复杂程度亦不同，因此，不同指 令的指令周期也不同。
8. 画出指令周期的流程图，分别说明图中每个子周期的作用。
解答：流程图见教材P343o取指周期：完成取指令和分析指令的操作。
间址周期：取操作数的有效地址。
执行周期：执行指令的操作。
中断周期：将程序断点保存到存储器。
9. 什么是指令周期、机器周期和时钟周期？三者有何关系？
解：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，所有指令执行过程中（执行一步相对完整的操作）的一个基 准时间，通常以访问一次存储器所需的时间作为一个机器周期；时钟周期是指计 算机主工作时钟的周期时间，它是计算机运行时最基本的时序单位，通常时钟周 期=计算机主频的倒数。
三者之间的关系：指令周期常常用假设干个机器周期数来表示，机器周期也叫CPU 周期；而一个机器周期又包含假设干个时钟周期（也称为节拍脉冲或T周期）。
10. 简述微程序控制器的工作原理和工作过程。
这是微程序控制器的工作原理：
将控制器所需要的微操作命令，以微代码的形式编成微指令，存在专门的控制存 储器中，CPU执行机器指令时，从控制存储器中取出微指令，对微指令中的操作 控制字段进行解释，即产生执行机器指令所需的微操作命令序列。
微程序控制器的工作过程如下：
首先将用户程序的首地址送至PC,然后进入取指阶段。
1）取机器指令：从控制存储器中读取“取指微程序”，用产生的微命令控制CPU 访存，读取机器指令，并送入指令寄存器IR。
2）形成微程序入口地址：根据机器指令的操作码，通过微地址形成电路，产生 与该机器指令对应的微程序入口地址，并送入CMAR。
3）逐条取出机器指令对应的微程序并执行之。
4）返回取指微指令，开始又一条机器指令的执行。如此不断重复，直到整个程 序执行完为止。
11 .试分析比拟组合逻辑控制器和微程序控制器的优缺点。
组合逻辑控制器的优点：速度快;组合逻辑控制器的缺点：设计不规整，指令系统调整和扩充很难;
微程序控制器的优点：①结构规整，设计效率高；②易于修改和扩展指令系统功能； 微程序控制器的缺点：①执行速度较慢；②执行效率不高
12.1/0设备与主机交换信息时，共有哪几种控制方式？简述它们的特点。
I/O设备与主机交换信息时，共有5种控制方式：程序查询方式、程序中断方式、DMA方式、I/。通道方式和I/O处理机方式。其中前3种方式是基本的且广泛应 用的控制方式。
程序查询方式的特点：控制简单，硬件开销小；CPU与外设是串行工作的，系统 效率低。适用于CPU不太忙且传送速度要求不太高的场合。
程序中断方式的特点：CPU和外设可并行工作，提高了 CPU的效率，不仅适于主机和外设之间的数据交换，还特别适于对外界随机事件的处理。适用于CPU 较忙，传送速度不太高的系统中，尤其适合实时控制及紧急事件的处理。
DMA方式的特点：完全由硬件（DMA控制器）负责完成信息交换，信息传递从 以CPU为中心，转为以内存为中心，CPU和外设可并行工作，对高速大批量数 据传送特别有用。但缺点是只能进行简单数据交换，电路结构复杂，硬件开销大。
13 .CPU响应中断的条件是什么？
CPU响应中断的条件可以归纳为三条： 1）有中断请求;2）CPU允许中断，即中断允许状态IF=1 （或EINT=1）；
3）一条指令执行结束。
14.试比拟单重中断和多重中断服务程序的处理流程，说明它们不同的原因。