【计算机组成原理】 期末复习 大题 重置版

写在前面

内容与https://blog.csdn.net/qq_46640863/article/details/124998142
完全一致。但本文不是手写版本。

第一章

1.某计算机主频4MHz,各类指令平均执行时间和使用频度如下表所示。则该机MIPS为$\underline{0.5}$,CPI为$\underline{8}$
$$\begin{array}{ccccc}指令类型& 存取& 加减、比较、转移& 乘除& 其他\\ 平均执行时间& 1.0\mu s& 0.5\mu s& 10\mu s& 2.5\mu s\\ 使用频度& 30\%& 40\%& 10\%& 20\%\end{array}$$
单条指令总平均时间：$1.0\ast 30\%+0.5\ast 40\%+10\ast 10\%+2.5\ast 20\%=2\mu s$
$$\begin{gathered} MIPS=\frac{指令数}{时间}=\frac{1(一条指令)}{2\times 10^{-6}\times 10^6}=0.5 \\ CPI=\frac{主频}{MIPS\ast 10^6}=\frac{4\ast 10^6}{0.5\ast 10^6}=8 \end{gathered}$$

2.假定计算机$M_1$和$M_2$具有相同指令体系结构，主频分别为1.5GHz和1.2GHz，在$M_1$和$M_2$上运行程序P，平均CPI分别是2和1，则程序1和2的运行时间比
$$\frac{\frac{1}{1.5GHz}\times 2}{\frac{1}{1.2GHz}\times 1}=\frac{8}{5}$$

3.冯诺依曼计算机体系结构的基本思想？核心思想？

(1)采用二进制；(2)程序存储，把指令存放在存储器，指令控制计算机。（核心思想）；(3)由运算器、存储器、控制器、输入、输出五大部件组成。

第二章

1.设某机器数为10001000，分别写出其为原码、反码、补码对应的十进制数。

原码：-8

反码：对应原码1111 0111，真值-119

补码：对应原码1111 1000，真值-120

2.有如下C语言语句

short s=-32767;
unsigned us=s;

执行上述语句后，us值是多少？

s原码：1111 1111 1111 1111

s补码：1000 0000 0000 0001（根据-32768的补码为1000 0000 0000 0000推导）

us=s,us原码=s补码=1000 0000 0000 0001

us=32769

3.float数据采用IEEE 754单精度表示，假定两个float X、Y存放在32位寄存器$F_1$,$F_2$中，$F_1$=CC90 0000H,$F_2$=B0C0 0000H，则X，Y的大小关系是什么？

$F_1=CC900000H=1\underline{10011001}\overline{00100000000000000000000}$

则符号为1，阶码（偏置127）为153，数值位为1.001

$F_1=(1.001{)}_2\times 2^{26}=-\frac{9}{8}\times 2^{26}$

$F_2=B0C00000H=1\underline{01100001}\overline{10000000000000000000000}$

则符号为1，阶码（偏置127）为97，数值位为1.1

$F_2=(1.1{)}_2\times 2^{-30}=-{\frac{3}{2}}^{-30}$

$F_1<F_2$

4.写出-5的IEEE 754浮点数编码

$5=(101{)}_2=1.01\times 10^{(10{)}_2}$

符号位：1

阶码偏置位：2+127=129=1000 0001

$1\underline{10000001}\overline{01000000000000000000000}$

C0A0 0000

5.将$\frac{67}{128}$用浮点数表示

128有7位，所以可以用7位小数表示。

$(67{)}_{10}=(01000011{)}_2$

$(\frac{67}{128}{)}_{10}=0.100011=1.000011\times 10^{-1}$

$0\underline{01111110}\overline{00001100000000000000000}$

3F06 0000

第三章

1.设机器字长8位（含一位符号位），用补码加减计算$[X-Y{]}_{补}$,将结果还原为真值，并说明PSW中的SF,OF,ZF,CF分别是什么。其中，X=-65,Y=78
$$\begin{gathered} X=X_{n-1}...X_0 \\ Y=Y_{n-1}...Y_0 \\ S=X\mathrm{op}Y=S_n{S}_{n-1}...S_0 \end{gathered}$$
$OF$用于判断补码溢出，需要双符号位判断

$CF=S_n$;

$SF=S_{n-1}$

$ZF=\overline{S_{n-1}+S_{...}+S_0}$

则$X=(-65{)}_{10}=10111111$；$Y=(78{)}_{10}=01001110$

$-Y_{补}$为$Y$连同符号位一起变反+1=1011 0010

$[X{]}_{补}+[-Y{]}_{补}=10111111+10110010=101110001$

所以，CF=1,SF=0,ZF=0.

将0111 0001还原为真值113

OF：双符号位判断。双符号位运算结果不看最高位，只看第2/3位。

$X=1101111111$

$-Y=110110010$

$X-Y=1\underline{10}1110001$

发生了负溢出，则OF=1

2.设浮点数字长12位，阶码4位（阶符2位），尾数8位（尾符2位），机器数形式自定(可以定位阶码在前，尾数在后)，按浮点数加减求$[X+Y{]}_{浮}$,$X=0.110101\times 2^{-01},Y=-0.100101\times 2^{+01}$

$$\begin{gathered} X=0.110101\times 2^{-01} \\ Y=-0.100101\times 2^{+01} \end{gathered}$$

对阶：(01)-(-01)=2,X右移2位变成$X=0.001101\times 2^{01}$

0.0000 1101+0.1110 0101=0.1111 0010
$$0.11110010\times 2^{0001}$$

3.某字长8位加减运算电路如图

(1)假设dst=86H,src=F6H,控制op0~op3进行减法，F=? FLAG=?

$o{p}_{3\sim 0}=1010$

dst=1000 0110,src=1111 0110

F=dst-src=0 1001 0000

CF=0,SF=1,ZF=0,双符号计算得01 1001 0000，OF=0

(2)如果上述两运算数是无符号数，十进制值是多少？根据什么判断溢出？是否溢出？

144 CF判断溢出，溢出。（无符号减法中CF=0为溢出，CF=1为不溢出）

(3)如果两运算数是有符号数，十进制值是多少？怎么判断是否溢出？

-112 OF 不溢出

4.假定一个8位字长计算机运行如下C程序段

unsigned int x = 134;
unsigned int y = 246;
int m = x;
int n = y;
unsigned int z1 = x-y;
unsigned int z2 = x+y;
int k1 = m-n;
int k2 = m+n;

假设编译器将$R_1\sim R_8$分配给x,y,m,n,z1,z2,k1,k2

(1)执行上述程序段后，$R_1,R_5,R_6$的内容分别是？

$R_1=X=10000110=86H$

y=1111 0110,$(-y_{补})$=0000 1010,$R_5$=x-y=1001 0000=90H,$R_6$=x+y=0111 1100=7CH

(2)m和k1的值分别是？

m=x=$(10000110{)}_{补}$=-122

k1=m-n=$(10010000{)}_{补}$=-112

(3)上述程序段涉及带符号整数加减、无符号整数加减，能否用同一种加法器及辅助电路？

能

(4)计算机内部如何判断带符号整数加减是否溢出？哪些带符号数执行结果溢出？

OF状态，k2溢出。

第五章

1.设有一个具有14位地址和8位数据的存储器
(1)该存储器容量是多少？
(2)如果该存储器用1K*1的存储芯片构成，需要多少片？
(3)需要用哪几位地址译码片选？

(1)
$$2^{14}\times 2^8=2^{22}=4M$$
(2)

位扩展：$\frac{8}{1}=8$

字扩展：$\frac{2^{14}}{2^{10}}=2^4=16$

16*8=128

(3)
$$A_{13}{A}_{12}{A}_{11}{A}_{10}$$
2.某个存储器容量为4KB，ROM为2KB，选用2K$\times 8$的ROM芯片；RAM为2KB，选用1K$\times 8$的RAM芯片，画主存储器的存储结构

ROM要1片，RAM要2片，字扩展

ROM地址：
$$片内11位\{\begin{array}{l}0|00000000000\\ 0|11111111111\end{array}$$
RAM地址：
$$片内10位\{\begin{array}{l}RA{M}_1\{\begin{array}{l}10|0000000000\\ 10|1111111111\end{array}\\ RA{M}_2\{\begin{array}{l}11|0000000000\\ 11|1111111111\end{array}\end{array}$$
$ROM=\overline{A_1}$,
$RA{M}_1=A_{11}\overline{A_{10}}$
$RA{M}_2=A_{11}{A}_{10}$

第六章

1.某机器字长32位，指令为单字长指令，系统中具有二地址指令、一地址指令和零地址指令若干条。已知每个地址码长12位，采用扩展操作码方式，则二地址指令、一地址指令最多几条？
$$\begin{array}{ccc}OP& 地址1& 地址2\\ 8& 12& 12\end{array}$$
二地址指令：$2^8-1=255$
一地址指令：假设二地址指令有且只有一条，则一地址指令$255\ast 2^{12}-1$条

2.主存按字节编址，地址为7EA8H为首地址存放一条两字节指令，第一个为操作码OP是转移指令，第二个字节为相对寻址，位移量是D，是一个8位补码
1.位移量D表示范围？
-128~+127
2.该指令转移空间？
7EA8H为首地址，操作码+2为7EAA
7EAA-128=7E2A
7EAA+127=7F29
3.某计算机采用16位定长指令字格式，设计3条件转移（N为符号标志）
$$\begin{array}{ccccc}15\sim 11& 10& 9& 8& 7\sim 0\\ 00000& C& Z& N& OFFSET\end{array}$$
00000为op，CZN为CF、ZF、NF检测位，某检测位为1就检测对应位，CF、ZF、NF有一个为1就转移，OFF为相对偏移量，转移时目标地址$(PC)+2+2\times OFFSET$,顺序执行时$(PC)+2$

(1)某条件转移指令地址为200CH，若该指令执行时CF=0，ZF=0，NF=1，则执行后的PC值？若执行时CF=1，ZF=0，NF=0，则PC值又是？
$$\begin{array}{ccccc}15\sim 11& 10& 9& 8& 7\sim 0\\ 00000& 0& 1& 1& 11100011\end{array}$$
NF=1，
OFFSET=1110 0011=1111 1111 1110 0011=FFE3
PC=200C+2+2*FFE3=1FD4
CF=1,ZF=0,NF=0时，不转移。200C+2=200E

(2)实现无符号数比较小于等于时转移，CZN应是什么？

Z=1,C=1

第七章

1.指令DEC(100H)为减1指令，操作数寻址方式为间接寻址
$$\begin{array}{cc}0000H& 1000H\\ 1000H& 2000H\\ 2000H& 0000H\end{array}$$

(1)该指令操作数是？
0000H

(2)该指令周期中，DR改变几次？
5

(3)该指令执行结束，DR=FFFF

(4)SOCZ
1000

取指令，改变一次DR
将1000H取出，改变一次
将2000H取出，改变一次
将0000H取出，改变一次
执行0000H，FFFH->DR

2.某CPU主频1.03GHz，采用4级指令流水线，每个流水线执行需要1个时钟周期。假定CPU执行100条指令没有阻塞，则吞吐率？
$$TP=\frac{n}{kT+(n-1)T}=\frac{100}{(4+99)\frac{1}{主频}}=1\times 10^9$$
3.某计算机采用微程序控制器，微操作控制字段直接编码，共33个微命令。5个互斥类，分别包括7,3,12,5,6微命令。控制字段需要几位？
$$\begin{array}{ccccc}7& 3& 12& 5& 6\\ 3& 2& 4& 3& 3\end{array}$$
3+2+4+3+3=15

4.在5个功能段指令流水线中，假设每段执行时间10ns,8ns,10ns,10ns,7ns,对12条指令流水线而言，加速比多少？实际吞吐率多少？
$$\begin{gathered} S_p=加速比=\frac{不流水线时间}{流水线时间}=\frac{nkT}{kT+(n-1)T}=3.375 \\ T=\underset{i}{\max }{T}_i=\max (T_1,T_2,...,T_n) \\ {T}_p=\frac{n}{kT+(n-1)T}=\frac{12}{10\times 5+11\times 10}=0.075 \end{gathered}$$

第八章

1.主存-高速缓存采用直接映像，块大小32B，高速缓存单元4块，主存容量64块

(1)画主存和高速缓存地址格式
$$\begin{array}{cccccc}区号& 区内块号& 块内& & cache块号& 块内地址\\ 4& 2& 5& & 2& 5\end{array}$$
(2)若开始时cache无数据，CPU依次读21H，23H，05H，3FH，63H，82H（内存按字节编码），写出区号和块号，地址变换表内容？

21H：000 0010 0001，初次，地址变换表01块内tag为0000
23H：000 0010 0011，命中，地址变换表01块内tag为0000
05H：000 0000 0101，初次，地址变换表00块内tag为0000
3FH：000 0011 1111，命中，地址变换表01块内tag为0000
63H：000 0110 0011，初次，地址变换表11块内tag为0000
82H：000 1000 0010，没命中，地址变换表00内tag为0001

命中率$\frac{1}{3}$

地址变换表
$$\begin{array}{cc}地址变换表tag& 块号\\ 1& 00\\ 0& 01\\ x& 10\\ 0& 11\end{array}$$
2.主存-高速缓冲器采用全相连映像，块大小32B，cache有4个块，主存容量64块

(1)画出主存和cache的地址格式
$$\begin{array}{ccccc}主存块号& 块内地址& & cache块号& 块内地址\\ 6& 5& & 2& 5\end{array}$$
(2)开始时cache无数据，装入时从小到大顺序装入空cache块，cache按FIFO替换，若CPU依次读21H，23H，05H，3FH，63H，82H，写出块号，这些操作完成后，地址变换表4个单元内容？

21H：0010 0001
23H：0010 0011 命中
05H：0000 0101
3FH：0011 1111 命中
63H：0110 0011
82H：1000 0010
命中率$\frac{1}{3}$
$$\begin{array}{cc}tag& 块号\\ 001& 00\\ 000& 01\\ 011& 10\\ 100& 11\end{array}$$

第九章

1.设某计算机有四级中断ABCD，硬件排队优先级ABCD，下表给出了执行每级中断服务程序所需时间，以执行中断服务程序时间作为中断处理优先级依据，时间越短优先级越高
$$\begin{array}{ccccc}程序& A& B& C& D\\ 时间& 5\mu s& 15\mu s& 3\mu s& 12\mu s\end{array}$$
(1)设置屏蔽字
$$\begin{array}{ccccc}& A& B& C& D\\ A& 1& 1& 0& 1\\ B& 0& 1& 0& 0\\ C& 1& 1& 1& 1\\ D& 0& 1& 0& 1\end{array}$$
(2)如果ABCD分别在6$\mu s$,8$\mu s$,10$\mu s$,0s发出中断请求，画出执行序列

2.CPU与外设之间采用中断的方式实现数据输入输出，连接方式如图

(1)INTA的有效条件是什么？

CPU允许中断

(2)中断响应优先级从高到低？

2->3->4->1

(3)如果允许中断嵌套处理优先级从大到小顺序4231，则3屏蔽字？

1010

(4)中断响应周期需要解决娜几个问题？

CPU响应请求INTR后，由INTA回答中断机构。
中断机构将申请中断优先级最高的向量地址VA送给CPU
CPU将当前PC和PSW压栈保护
根据向量地址从内存中的中断向量表取出中断向量送入PC，关中断。
硬布线控制器需要占用几个机器周期时间为中断响应周期。

3.某总线有104根信号线，其中数据线32根，地址线25根，控制总线47根，工作频率33MHz，该总线宽度？传输率？

32bit，$\frac{32}{8}\times 33M=132MB/s$

4.结合查询方式输入接口电路，说明CPU与外设数据传输过程

当输入设备准备好数据，将数据送入数据寄存器，产生脉冲信号STB，将输入数据锁存入数据寄存器中，将状态寄存器Ready位置1.

CPU检测状态字，先读取状态字，检测Ready位是否为1，若Ready=1，则执行第2步：从数据端口读取数据，将Ready置0

5.某计算机指令分4功能：IF、ID、EXE、WR，假设各功能时间90ns，80ns，70ns，60ns

(1)该CPU时钟周期至少是？
90ns

(2)若相邻指令数据相关，则后一条指令推迟多少个时钟周期？
$$\begin{array}{ccccccc}IF& ID& EX& WR& & & \\ & 阻塞& 阻塞& IF& ID& EX& WR\\ & IF& 阻塞& 阻塞& ID& EX& WR\end{array}$$
（两种阻塞与取指令先后方式都可以)

(3)若相邻指令数据相关，为了不推迟后一条指令，可采取什么措施？

$\frac{32}{8}\times 33M=132MB/s$

4.结合查询方式输入接口电路，说明CPU与外设数据传输过程

当输入设备准备好数据，将数据送入数据寄存器，产生脉冲信号STB，将输入数据锁存入数据寄存器中，将状态寄存器Ready位置1.

CPU检测状态字，先读取状态字，检测Ready位是否为1，若Ready=1，则执行第2步：从数据端口读取数据，将Ready置0

5.某计算机指令分4功能：IF、ID、EXE、WR，假设各功能时间90ns，80ns，70ns，60ns

(1)该CPU时钟周期至少是？
90ns

(2)若相邻指令数据相关，则后一条指令推迟多少个时钟周期？
$$\begin{array}{ccccccc}IF& ID& EX& WR& & & \\ & 阻塞& 阻塞& IF& ID& EX& WR\\ & IF& 阻塞& 阻塞& ID& EX& WR\end{array}$$
（两种阻塞与取指令先后方式都可以)

(3)若相邻指令数据相关，为了不推迟后一条指令，可采取什么措施？

转发、旁路（建立专用数据通路，将寄存器运算结果直接给ALU输入）