计算机组成原理教材习题解答(1)

系统。把存储系统分成若干个不同层次的目的是为了解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾。由高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器构成的三级存储系统可以分为两个层次，其中高速缓存和主存间称为Cache － 主存存储层次

解：采用半导体器件制造的存储器，主要有MOS 型存储器和双极型存储器两大类。

半导体存储器具有容量大、速度快、体积小、可靠性高等特点。半导体随机存储器存储的 信息会因为断电而丢失。

９ ．说明存取周期和存取时间的区别。

解：存取周期是指主存进行一次完整的读写操作所需的全部时间，即连续两次访问

存储器操作之间所需要的最短时间。存取时间是指从启动一次存储器操作到完成该操作 所经历的时间。存取周期一定大于存取时间。

１０ ．一个１K × ８ 的存储芯片需要多少根地址线、数据输入线和输出线？ 解：需要１０ 根地址线，８ 根数据输入和输出线。

１２ ．一个容量为１６K × ３２ 位的存储器，其地址线和数据线的总和是多少？ 当选用下

列不同规格的存储芯片时，各需要多少片？ 存储系统和结构

１K × ４ 位，２K × ８ 位，４K × ４ 位，１６K × １ 位，４K × ８ 位，８K × ８ 位。 解：地址线１４ 根，数据线３２ 根，共４６ 根。

若选用不同规格的存储芯片，则需要：１K × ４ 位芯片１２８ 片，２K × ８ 位芯片３２ 片，

４K × ４ 位芯片３２ 片，１６K × １ 位芯片３２ 片，４K × ８ 位芯片１６ 片，８K × ８ 位芯片８ 片。 １３ ．现有１０２４ × １ 的存储芯片，若用它组成容量为１６K × ８ 的存储器。试求：

<１） 实现该存储器所需的芯片数量？

<２） 若将这些芯片分装在若干块板上，每块板的容量为４K × ８ ，该存储器所需的地址

线总位数是多少？ 其中几位用于选板？ 几位用于选片？ 几位用作片内地址？ 解：<１） 需１０２４ × １ 的芯片１２８ 片。

<２） 该存储器所需的地址线总位数是１４ 位，其中２ 位用于选板，２ 位用于选片，１０ 位

用作片内地址。

１４ ．已知某机字长８ 位，现采用半导体存储器作主存，其地址线为１６ 位，若使用 １K × ４ 的SRAM 芯片组成该机所允许的最大主存空间，并采用存储模板结构形式。 <１） 若每块模板容量为４K × ８ ，共需多少块存储模板？ <２） 画出一个模板内各芯片的连接逻辑图。 解： 解：

（1） 根据题干可知存储器容量为216＝ 64KB ，

64KB/4KB=16，故共需16块存储模板。

<2） 一个模板内各芯片的连接逻辑图如所示：

１７ ．用容量为１６K × １ 的DRAM 芯片构成６４KB 的存储器。 <１） 画出该存储器的结构框图。 图５唱２１ 存储器的逻辑结构图

解：<１） 存储器的结构框图如图５唱２２ 所示。

２３ ．什么是高速缓冲存储器？ 它与主存是什么关系？ 其基本工作过程如何？

解：高速缓冲存储器位于主存和CPU 之间，用来存放当前正在执行的程序段和数据中的活跃部分，使CPU 的访存操作大多数针对Cache 进行，从而使程序的执行速度大大 提高。

高速缓冲存储器的存取速度接近于CPU 的速度，但是容量较小，它保存的信息只是 主存中最急需处理的若干块的副本。

当CPU 发出读请求时，如果Cache 命中，就直接对Cache 进行读操作，与主存无关； 如果Cache 不命中，则仍需访问主存，并把该块信息一次从主存调入Cache 内。若此时 Cache 已满，则须根据某种替换算法，用这个块替换掉Cache 中原来的某块信 第6章中央处理器

１ ．控制器有哪几种控制方式？ 各有何特点？

解：控制器的控制方式可以分为３ 种：同步控制方式、异步控制方式和联合控制 方式。

同步控制方式的各项操作都由统一的时序信号控制，在每个机器周期中产生统一数

目的节拍电位和工作脉冲。这种控制方式设计简单，容易实现；但是对于许多简单指令来 说会有较多的空闲时间，造成较大数量的时间浪费，从而影响了指令的执行速度。 异步控制方式的各项操作不采用统一的时序信号控制，而根据指令或部件的具体情

况决定，需要多少时间，就占用多少时间。异步控制方式没有时间上的浪费，因而提高了 机器的效率，但是控制比较复杂。

联合控制方式是同步控制和异步控制相结合的方式。 ２ ．什么是三级时序系统？

解：三级时序系统是指机器周期、节拍和工作脉冲。计算机中每个指令周期划分为 若干个机器周期，每个机器周期划分为若干个节拍，每个节拍中设置一个或几个工作

脉冲。

３ ．控制器有哪些基本功能？ 它可分为哪几类？ 分类的依据是什么？ 解：控制器的基本功能有：

<１） 从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置。

<２） 对指令进行译码或测试，产生相应的操作控制信号，以便启动规定的动作。 <３） 指挥并控制CPU 、主存和输入输出设备之间的数据流动。

控制器可分为组合逻辑型、存储逻辑型、组合逻辑与存储逻辑结合型３ 类，分类的依 据在于控制器的核心———微操作信号发生器<控制单元CU）的实现方法不同。 ４ ．中央处理器有哪些功能？ 它由哪些基本部件所组成？

解：从程序运行的角度来看，CPU 的基本功能就是对指令流和数据流在时间与空间 上实施正确的控制。对于冯·诺依曼结构的计算机而言，数据流是根据指令流的操作而 形成的，也就是说数据流是由指令流来驱动的。 中央处理器由运算器和控制器组成。

５ ．中央处理器中有哪几个主要寄存器？ 试说明它们的结构和功能。

解：CPU 中的寄存器是用来暂时保存运算和控制过程中的中间结果、最终结果及控 制、状态信息的，它可分为通用寄存器和专用寄存器两大类。

通用寄存器可用来存放原始数据和运算结果，有的还可以作为变址寄存器、计数器、 地址指针等。专用寄存器是专门用来完成某一种特殊功能的寄存器，如程序计数器PC 、 指令寄存器IR 、存储器地址寄存器MAR 、存储器数据寄存器MDR 、状态标志寄存器 PSWR 等。

７ ．以一条典型的单地址指令为例，简要说明下列部件在计算机的取指周期和执行周 期中的作用。

<１） 程序计数器PC ； <２） 指令寄存器IR ；

<３） 算术逻辑运算部件ALU ； <４） 存储器数据寄存器MDR ； <５） 存储器地址寄存器MAR 。

解：<１） 程序计数器PC ：存放指令地址； <２） 指令寄存器IR ：存放当前指令；

<３） 算术逻辑运算部件ALU ：进行算逻运算；

<４） 存储器数据寄存器MDR ：存放写入或读出的数据／指令；

<５） 存储器地址寄存器MAR ：存放写入或读出的数据／指令的地址。

8. 以单地址指令“加１

ALU

８ ．什么是指令周期？ 什么是CPU 周期？ 它们之间有什么关系？

解：指令周期是指取指令、分析取数到执行指令所需的全部时间。CPU 周期<机器 周期）是完成一个基本操作的时间。一个指令周期划分为若干个CPU 周期。

９ ．指令和数据都存放在主存，如何识别从主存储器中取出的是指令还是数据？

解：指令和数据都存放在主存，它们都以二进制代码形式出现，区分的方法为：

<１） 取指令或数据时所处的机器周期不同：取指周期取出的是指令；分析取数或执行 周期取出的是数据。

<２） 取指令或数据时地址的来源不同：指令地址来源于程序计数器；数据地址来源于 地址形成部件。

１０ ．CPU 中指令寄存器是否可以不要？ 指令译码器是否能直接对存储器数据寄存器 MDR 中的信息译码？ 为什么？ 请以无条件转移指令JMP A 为例说明。

解：指令寄存器不可以不要。指令译码器不能直接对MDR 中的信息译码，因为在 取指周期MDR 的内容是指令，而在取数周期MDR 的内容是操作数。以JMP A 指令为

例，假设指令占两个字，第一个字为操作码，第二个字为转移地址，它们从主存中取出时都

需要经过MDR ，其中只有第一个字需要送至指令寄存器，并且进行指令的译码，而第二 个字不需要送指令寄存器。

１４ ．CPU 结构如图６-30所示，其中有一个累加寄存器AC 、一个状态条件寄存器和其 他４ 个寄存器，各部件之间的连线表示数据通路，箭头表示信息传送方向。 <１） 标明４ 个寄存器的名称。

<２） 简述指令从主存取出送到控制器的数据通路。

<３） 简述数据在运算器和主存之间进行存取访问的数据通路。 图６唱２５ 某机CPU 结构

解：<１） 这４ 个寄存器中，a 为存储器数据寄存器MDR ，b 为指令寄存器IR ，c 为存 储器地址寄存器MAR ，d 为程序计数器PC 。 <２）取指令的数据通路： PC →MAR →MM →MDR →IR

<３） 数据从主存中取出的数据通路<设数据地址为X） ： X →MAR →MM →MDR →ALU →AC

数据存入主存中的数据通路<设数据地址为Y） ： Y →MAR ，AC →MDR →MM

１５ ．什么是微命令和微操作？ 什么是微指令？ 微程序和机器指令有何关系？ 微程序 和程序之间有何关系？

解：微命令是控制计算机各部件完成某个基本微操作的命令。微操作是指计算机中

最基本的、不可再分解的操作。微命令和微操作是一一对应的，微命令是微操作的控制信 号，微操作是微命令的操作过程。 微指令是若干个微命令的集合。

微程序是机器指令的实时解释器，每一条机器指令都对应一个微程序。

微程序和程序是两个不同的概念。微程序是由微指令组成的，用于描述机器指令，实 际上是机器指令的实时解释器，微程序是由计算机的设计者事先编制好并存放在控制存 储器中的，一般不提供给用户；程序是由机器指令组成的，由程序员事先编制好并存放在 主存储器中。

１６ ．什么是垂直型微指令？ 什么是水平型微指令？ 它们各有什么特点？ 又有什么区别？

解：垂直型微指令是指一次只能执行一个微命令的微指令；水平型微指令是指一次 能定义并能并行执行多个微命令的微指令。

垂直型微指令的并行操作能力差，一般只能实现一个微操作，控制１ ～ ２ 个信息传送 通路，效率低，执行一条机器指令所需的微指令数目多，执行时间长；但是微指令与机器