计算机组成原理经典大题及解析.doc

-BM 整理1. 某机主存容量为 4M 16 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。（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） 。（注意：答案原题为 85 种操作）2、主存容量 16MB ，Cache 容量 8KB ，块大小 32B，CPU 字长为 4B、访问的主存地址为字地址。 4 路组相联映像方式时。（1）设 Cache 初态为空， CPU 需从主存 0#字单元起依次读出 100 个字(每次 1 个字)，CPU访问 Cache 的命中率是多少？（2）对上一小题，若 Cache 速度是主存的 5 倍，相对于无 Cache 时，CPU 访存速度提高多少倍？#例 4：CPU 支持最大主存容量 16MB 、按字节编址，块大小为 32B，Cache 容量为 8KB 。4 路组相联映像方式时，主存及 Cache 地址格式及参数？设 Cache 初态为空， CPU 从 0#主存单元起依次读出 200 个字节 (每次 1 个字节 )，CPU访问 Cache 的命中率是多少？对上一小题，若 Cache 速度是主存的 5 倍(包含地址变换时间 )，相对于无 Cache 时，CPU 访存速度提高多少倍？#Page 1 of 7-BM 整理3、设某机有 5 级中断： L0,L1,L2,L3,L4 ，其中断响应优先次序为： L0 最高， L1 次之， L4最低。现在要求将中断处理次序改为 L1L3L0L4L2, 请填写下表，设置各级中断处理程序的各中断屏蔽值 （每级对应一位， 该位为“0”表示允许中断， 该位为“1”表示中断屏蔽） 。 中断处理级屏蔽位中断处理程序L0 级 L1 级 L2 级 L3 级 L4 级L0 中断处理程序L1 中断处理程序L2 中断处理程序L3 中断处理程序L4 中断处理程序4、指令格式如下所示， OP 为操作码字段，试分析指令格式特点。 （10 分）31 26 22 18 17 16 15 0OP 源寄存器 变址寄存器 偏移量解： （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、盘磁组有六片磁盘，每片有两个记录面，存储区域内径 22cm，外径 33cm，道密度 40道/cm，内层位密度 400 位/cm ,转速 2400 转/分。问：（1）有多少个存储面可用？（2）有多少柱面？（3）盘组总存储容量是多少？（4）数据据传输率是多少？（5）如采用定长数据块记录格式，直接寻址的最小单位是什么？解：(1)有效存储区域 16.5115.5(cm)因为道密度 40 道/cm，所以共有 40 5.5220 道，即 220 个圆柱面。(2)内层磁道周长为 2R2 3.14 1169.08（cm）每道信息量 400 位/cm 69.08cm27632 位3454B每面信息量 3454B 220759880B盘组总容量 759880B l07598800B 7.25MB(3)磁盘数据传输率 Drr NN 为每条磁道容量， N3454Br 为磁盘转速， r2400 转/60 秒40 转/秒Drr N40 3454B13816B/s(4)磁盘旋转一圈的时间为Page 2 of 7BM 整理平均寻址时间Ta10ms25/2ms22.5ms(5) 采用定长数据块格式，直接寻址的最小单位是一个扇区，7、用 32K*8 位的 EPROM 芯片组成 128K*16 位的只读存储器，试问：(1) 数据寄存器多少位 ?(2) 地址寄存器多少位 ?(3) 共需多少个 EPROM 芯片?(4) 画出此存储器组成框图解：（1）32K 8 位的只读存储器芯片内数据寄存器应为 8 位（2）32K 8 位的只读存储器应有 32K 个存储单元， 32K= 215 ，所以有 15 位地址，芯片的地址寄存器应为 15 位。（3）需要的芯片数 = （128K 16 位） /（32K 8 位）=8（片）其中 采用位扩展方式， 2 片 32K 8 位扩展为 32K 16 位芯片组，采用字扩展方式， 4 组 32K 16 位芯片组构成 128K 16 位的存储器。（4）32K 8 位的存储器芯片需要 15 位地址， 128K 16 位存储器需要 17 位地址，高2 位地址进行译码产生 4 个片选信号，可选择 4 组芯片组一组进行操作。CPU 和存储器的硬件接线图如下：8、假设机器字长 16 位，主存容量为 128K 字节，指令字长度为 16 位或 32 位，共有 128 条指令， 设计计算机指令格式， 要求有直接、 立即数、 相对、 基值、 间接、 变址六种寻址方式。解：由已知条件，机器字长 16 位，主存容量 128KB / 2 = 64KB 字，因此 MAR = 18 位，共128 条指令，故 OP 字段占 7 位。采用单字长和双字长两种指令格式，其中单字长指令用于算术逻辑和 I / O 类指令，双字长用于访问主存的指令。Page 3 of 7BM 整理寻址方式由寻址模式 X 定义如下：X = 000 直接寻址 E = D（64K）X = 001 立即数 D = 操作数X = 010 相对寻址 E = PC + D PC = 16 位X = 011 基值寻址 E = Rb + D ，Rb =16 位X = 100 间接寻址 E = （D）X = 101 变址寻址 E = RX + D ，RX = 10 位64 位机主存采用半导体存储器，其地址码为 26 位，若使用 4M 8 位的 DRAM 芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用内存条结构形式，问：(1)若每个内存条为 16M 64 位，共需几个内存条？(2)每个内存条内共有多少 DRAM 芯片？(3)主存共需多少 DRAM 芯片？ CPU 如何选择各内存条10、图 1 是从实时角度观察到的中断嵌套。试问，这个中断系统可以实行几重中断？并分析图 1 的中断过程。解：该中断系统可以实行 5 重中断， 中断优先级的顺序是， 优先权 1 最高，主程序运行于最低优先权（优先权为 6）。图 B15.2 中出现了 4 重中断。图 B15.2 中中断过程如下：主程序运行到 T1 时刻，响应优先权 4 的中断源的中断请求并进行中断服务； 到 T3 时刻，优先权 4 的中断服务还未结束，但又出现了优先权 3 的中断源的中断请求；暂停优先权 4Page 4 of 7BM 整理的中断服务，而响应优先权 3 的中断。到 T4 时刻，又被优先权 2 的中断源所中断，直到 T6时刻，返回优先权 3 的服务程序，到 T7 时刻，又被优先权 1 的中断源所中断，到 T8 时刻，优先权 1 的中断服务完毕，返回优先权 3 的服务程序，直到 T10 优先权 3 的中断服务结束，返回优先权 4 的服务程序，优先权 4 的服务程序到 T11 结束，最后返回主程序。图中，优先权 3 的服务程序被中断 2 次，而优先权 5 的中断又产生。知某机采用微程序控制方式，其控制存储器容量为 512 48（位），微程序在整个控制存储器中实现转移， 可控制的条件共 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 微指令中的三个字段分别应多少位？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，因为控制容量为 512 单元，微命令字段是（ 48 4 - 9 ）= 35 位。（2）对应上述微指令格式的微程序控制器逻辑框图 B1.2 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），其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。图 B1.212、某磁盘存贮器转速为 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：磁盘存贮器的容量是多少？最高位密度与最低位密度是多少？磁盘数据传输率是多少？（4）平均等待时间是多少？解（1）每道记录信息容量 = 12288 字节Page 5 of 7BM 整理每个记录面信息容量 = 275 12288 字节共有 4 个记录面，所以磁盘存储器总容量为 ：4 275 12288 字节 = 13516800 字节（2）最高位密度 D1 按最小磁道半径 R1 计算（ R1 = 115mm）：D1 = 12288 字节 / 2R1 = 17 字节 / mm最低位密度 D2 按最大磁道半径 R2 计算：R2 = R1 + （275 5） = 115 + 55 = 170mmD2 = 12288 字节 / 2R2 = 11.5 字节 / mm(3) 磁盘传输率 C = r Nr = 3000 / 60 = 50 周 / 秒N = 12288 字节（信道信息容量）C = r N = 50 12288 = 614400 字节 / 秒（4）平均等待时间 = 1/2r = 1 / (2 50) = 10 毫秒13、某微机的指令格式如下所示：15 10 9 8 7 0操作码 X DD: 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。4420H 2244H 1322H 3521H 6723H14、某 16 机机器所使用的指令格式和寻址方式如下所示，该机有 20 位基值寄存器， 16 个16 位通用寄存器。指令汇编格式中的 S（源），D（目标）都是通用寄存器， M 是主存中的一个单元。三种指令的操作码分别是 MOV （OP）=（A）H，STA（OP）=（1B）H，LDA（OP）=（3C）H。MOV 是传送指令， STA 为写数指令， LDA 为读数指令，如图 1：BM 整理要求： 下列情况下每个十六进制指令字分别代表什么操作？其中如果有编码不正确，如何改正才能成为合法指令？1 （F0F1）H （3CD2 ）H 2 （2856）H 3 （6DC6 ）H解：根据以知条件： MOV （OP）=00010101 ，STA（OP）=011011，LDA （OP）=111100，将指令的十六进制格式转换为二进制代码且比较后可知：1 （F0F1）H （3CD2）H 指令代表 LDA 指令，编码正确，其含义是把主存（ 13CD2 ）H地址单元的内容取至 15 号寄存器。2 （2856）H 代表 MOV 指令，编码正确，含义是把 5 号源寄存器的内容传送至 6 目标寄存器。3 （6DC6）H 是单字长指令，一定是 MOV 指令，但编码错误，可改正为（ 28D6）H。4 （1C2）H 是单字长指令，代表 MOV 指令，但编码错误，可改正为（28D6）H。16、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 = 50ns .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 4 =256 位顺序存储器和交叉存储器读出 4 个字的时间分别是：t2 = m T = 4 200ns =8 10 7 (s)t1 = T + (m 1) = 200 + 3 50 = 3.5 10 7 (s)顺序存储器带宽是：W1 = q / t2 = 32 107 （位 / S）交叉存储器带宽是：W2 = q / t1 = 73 107 （位 / S）Page 7 of 7