第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論,2020年7月23日星期四,2,4. 馮諾依曼型計(jì)算機(jī)的主要設(shè)計(jì)思想是什么？它包括哪些主要組成部分？,馮諾依曼計(jì)算機(jī)的主要設(shè)計(jì)思想 存儲(chǔ)程序并按地址順序執(zhí)行 馮諾依曼計(jì)算機(jī)主要包括 存儲(chǔ)器、運(yùn)算器、控制器、輸入和輸出五部分組成,2020年7月23日星期四,3,5. 什么是存儲(chǔ)容量？什么是單元地址？什么是數(shù)據(jù)字？什么是指令字？,存儲(chǔ)容量 存儲(chǔ)器所能保存二進(jìn)制數(shù)據(jù)的總數(shù); 常用單位為KB、MB等。 單元地址 用于識(shí)別存儲(chǔ)器中每個(gè)存儲(chǔ)單元的編號(hào)，即單元地址。 數(shù)據(jù)字 表示計(jì)算機(jī)所要處理數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)字，稱為數(shù)據(jù)字。 指令字 表示一條指令的計(jì)算機(jī)字，稱為指令字。,2020年7月23日星期四,4,6. 什么是指令？什么是程序？,指令 由操作碼和操作數(shù)兩部分構(gòu)成 能夠表示計(jì)算機(jī)中的一個(gè)基本操作的代碼或二進(jìn)制串。 程序 用于求解某一問題的一串指令序列，稱為該問題的計(jì)算程序，簡稱為程序。,2020年7月23日星期四,5,7. 指令和數(shù)據(jù)均存放在內(nèi)存中，計(jì)算機(jī)如何區(qū)分它們是指令還是數(shù)據(jù)？,計(jì)算機(jī)對指令和數(shù)據(jù)的區(qū)分是依靠指令的執(zhí)行階段來決定的； 在取指階段，從存儲(chǔ)器中讀取的均是CPU要執(zhí)行的指令； 在執(zhí)行階段，從存儲(chǔ)器中讀取的一定是指令執(zhí)行所需要的操作數(shù)；,2020年7月23日星期四,6,8. 什么是內(nèi)存？什么是外存？什么是CPU？什么是適配器？簡述其功能。,內(nèi)存： 用于存放系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行所需要的程序和數(shù)據(jù)的半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，稱為內(nèi)存儲(chǔ)器，簡稱內(nèi)存； 外存 用于存放程序和數(shù)據(jù)，但不能被CPU直接訪問的大容量存儲(chǔ)器，稱為外存儲(chǔ)器，簡稱為外存； 外存一般包括磁盤存儲(chǔ)器和光盤存儲(chǔ)器。 CPU 運(yùn)算器和控制器合稱為中央處理器，簡稱CPU。 適配器 主機(jī)和不同速度的外設(shè)之間的一種部件，用于主機(jī)和外設(shè)之間的信息轉(zhuǎn)換。,第2章 運(yùn)算方法和運(yùn)算器,2020年7月23日星期四,8,1. 用8位編碼表示下列各整數(shù)的原碼、反碼、補(bǔ)碼。,2020年7月23日星期四,9,若a7 0，則X為正數(shù)，顯然a0 a6取任何值均可。 若a7 1，則X為負(fù)數(shù)，X移0. a6 a5 a0 0.5D = 0.100000B，則0.5D 移0.100000 若要X0.5，即等價(jià)于X移 0.5D 移 即0. a6 a5 a00.100000，因此必須是a5 a0不全為0。 結(jié)論： 如果a7 0， a6 a0取任何值均可； 如果a7 1 ，必須滿足a6 =1 且a5 a0不全為0。,2. 設(shè)X補(bǔ)a7.a6 a5 a0 ，其中ai 取0或1， 若要X-0.5，求a0 a1 a2 a7 的取值。,2020年7月23日星期四,10,3. 有一個(gè)字長為32位的浮點(diǎn)數(shù)，符號(hào)位1位；階碼8位，用移碼表示；尾數(shù)23位，用補(bǔ)碼表示；基數(shù)為2。請寫出：(1)最大數(shù)的二進(jìn)制表示，(2)最小數(shù)的二進(jìn)制表示，(3)規(guī)格化數(shù)所能表示的數(shù)的范圍。,設(shè)移碼采用移128碼，且機(jī)器數(shù)格式如右： 最大值（最大正數(shù)） 0 1111 1111 111 1111 1111 1111 1111 1111 即 x = (1-2-23) * 2127 二進(jìn)制表示： x = (1-0.0000 0000 0000 0000 0000 001) * 2111 1111 最小值（最小負(fù)數(shù)） 1 1111 1111 000 0000 0000 0000 0000 0000 即 x = 1 * 2127 二進(jìn)制表示： x = -1* 2111 1111,2020年7月23日星期四,11,3. 有一個(gè)字長為32位的浮點(diǎn)數(shù)，符號(hào)位1位；階碼8位，用移碼表示；尾數(shù)23位，用補(bǔ)碼表示；基數(shù)為2。請寫出：(1)最大數(shù)的二進(jìn)制表示，(2)最小數(shù)的二進(jìn)制表示，(3)規(guī)格化數(shù)所能表示的數(shù)的范圍。,設(shè)移碼采用移128碼，且機(jī)器數(shù)格式如右： 規(guī)格化數(shù)表示范圍 最大正數(shù)： 0 1111 1111 111 1111 1111 1111 1111 1111 即 x = (1-2-23) * 2127 最小正數(shù)： 0 0000 0000 100 0000 0000 0000 0000 0000 即 x = 2-1 * 2-128 最大負(fù)數(shù)： 1 0000 0000 011 1111 1111 1111 1111 1111 即 x = -(2-1+2-23) * 2-128 最小負(fù)數(shù)： 1 1111 1111 000 0000 0000 0000 0000 0000 即 x = 1 * 2127 規(guī)格化的正數(shù)范圍2-129 (1-2-23) * 2127 負(fù)數(shù)范圍2127 (2-1+2-23) * 2-128,2020年7月23日星期四,12,4、將下列十進(jìn)制數(shù)表示成IEEE754標(biāo)準(zhǔn)的32位浮點(diǎn)規(guī)格化數(shù)。,27/64 27/64 = 0.011011B = 1.1011 * 2-2 e=2，則Ee127125 規(guī)格化數(shù) 27/64 27/64 =0.011011B =1.1011 * 2-2 規(guī)格化數(shù),2020年7月23日星期四,13, y補(bǔ) 00.00011,5、已知x和y，用變形補(bǔ)碼計(jì)算xy，同時(shí)指出結(jié)果是否溢出。,x=0.11011 y=0.00011 x補(bǔ)00.11011 ，y補(bǔ)00.00011 x+y補(bǔ)00.11110，未溢出 x+y = +0.11110,x補(bǔ) 00.11011,00.11110,2020年7月23日星期四,14,x=0.11011 y=0.10101 x補(bǔ)00.11011 ，y補(bǔ)11.01011 x+y補(bǔ) 00.00110 ，未溢出 x+y = +0.00110, y補(bǔ) 11.01011,5、已知x和y，用變形補(bǔ)碼計(jì)算xy，同時(shí)指出結(jié)果是否溢出。,x補(bǔ) 00.11011,00.00110,2020年7月23日星期四,15,x=0.10110 y=0.00001 x補(bǔ)11.01010 ，y補(bǔ)11.11111 x+y補(bǔ) 11.01001 ，未溢出 x+y = - 0.10111, y補(bǔ) 11.11111,5、已知x和y，用變形補(bǔ)碼計(jì)算xy，同時(shí)指出結(jié)果是否溢出。,x補(bǔ) 11.01010,11.01001,2020年7月23日星期四,16,6、已知x和y，用變形補(bǔ)碼計(jì)算xy，同時(shí)指出結(jié)果是否溢出。,x=0.11011 y=0.11111 x補(bǔ)00.11011，y補(bǔ) 00.11111 x-y溢出（上溢）,x補(bǔ) 00.11011, y補(bǔ) 00.11111,01.11010,2020年7月23日星期四,17,6、已知x和y，用變形補(bǔ)碼計(jì)算xy，同時(shí)指出結(jié)果是否溢出。,x=0.10111 y=0.11011 x補(bǔ)00.10111，y補(bǔ) 11.00101 x-y補(bǔ) 11.11100 ，未溢出 x-y = - 0.00100,x補(bǔ) 00.10111, y補(bǔ) 11.00101,11.11100,2020年7月23日星期四,18,6、已知x和y，用變形補(bǔ)碼計(jì)算xy，同時(shí)指出結(jié)果是否溢出。,x=0.11011 y=0.10011 x補(bǔ)00.11011，y補(bǔ) 00.10011 x-y補(bǔ)溢出（上溢）,x補(bǔ) 00.11011, y補(bǔ) 00.10011,01.01110,2020年7月23日星期四,19,7、用原碼陣列乘法器計(jì)算xy。,x11011 y11111 機(jī)器內(nèi)部補(bǔ)碼數(shù)據(jù)： x補(bǔ)0 11011 y補(bǔ)1 00001 符號(hào)位單獨(dú)運(yùn)算： 011 算前求補(bǔ)器輸出： |x|=11011 |y|=11111 乘法陣列： |x| |y| 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 算后求補(bǔ)器輸出： xy補(bǔ) 1 0010111011 xy = - 1101000101,1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1,1 1 0 1 0 0 0 1 0 1, 1 1 1 1 1,1 1 0 1 1,2020年7月23日星期四,20,7、用原碼陣列乘法器計(jì)算xy。,x11111 y11011 機(jī)器內(nèi)部補(bǔ)碼數(shù)據(jù)： x補(bǔ) 1 00001 y補(bǔ) 1 00101 符號(hào)位單獨(dú)考慮：110 算前求補(bǔ)器輸出： |x|= 11111 |y|= 11011 乘法陣列： |x| |y| 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 算后求補(bǔ)輸出： xy補(bǔ) 0 1101000101 xy = 0 1101000101,1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1,1 1 0 1 0 0 0 1 0 1, 1 1 0 1 1,1 1 1 1 1,2020年7月23日星期四,21,9-1、x=2-0110.100101，y=2-010(-0.011110)，求x+y,設(shè)尾數(shù)階碼均使用雙符號(hào)位的補(bǔ)碼表示 x浮 11 101，00.100101 y浮 11 110，11.100010 1)求階差并對階 EExEyEx補(bǔ)Ey補(bǔ)11 101 00 01011 111 修改后的x表示為： x浮 11 110，0.010010(1) 2)尾數(shù)求和 MS= Mx+My =11 . 1101 00 (1) 3)規(guī)格化處理 執(zhí)行2次左規(guī)處理， MS= 11 . 0 1 0 0 1 0 (0)， ES= 11 100 4)舍入處理 5)判溢出 故得最終結(jié)果為 xy2100（0.101110）,00. 0 1 0 0 1 0, 11. 1 0 0 0 1 0,11 . 1 1 0 1 0 0,采用0舍1入法處理，則舍去0,階碼符號(hào)位為11，不溢出,2020年7月23日星期四,22,9-1、x=2-0110.100101，y=2-010(-0.011110)，求x-y,設(shè)尾數(shù)階碼均使用雙符號(hào)位的補(bǔ)碼表示 x浮 11 101，00.100101 y浮 11 110，11.100010 1)求階差并對階 EExEyEx補(bǔ)Ey補(bǔ)11 101 00 01011 111 修改后的x表示為： x浮 11 110，0.010010 (1) 2)尾數(shù)求差 MS= Mx My =00. 110000 (1) 3)規(guī)格化處理 4)舍入處理 5)判溢出 故得最終結(jié)果為 xy20100. 110001,00. 0 1 0 0 1 0, 00. 0 1 1 1 1 0,00. 1 1 0 0 0 0,采用0舍1入法處理，則進(jìn)位，MS= 00.110001,階碼符號(hào)位為11，不溢出,My補(bǔ),Mx補(bǔ),不需規(guī)格化,2020年7月23日星期四,23,9-2、x=2-101(-0.010110)、y=2-1000.010110 ，求x+y,設(shè)尾數(shù)階碼均使用雙符號(hào)位的補(bǔ)碼表示 x浮11 011,11.101010 y浮11 100 ,00.010110 1)求階差并對階 EExEyEx補(bǔ)Ey補(bǔ)11 011 00 10011 111 即E為1，x的階碼小，應(yīng)使Mx右移1位，Ex加1， x浮 11 100，1.110101 （0） 2)尾數(shù)求和 MS= Mx+My =00. 0 0 1 0 1 1 （0） 3)規(guī)格化處理 執(zhí)行2次左規(guī)處理， MS= 00 . 1 0 1 0 0 0 (0)，ES= 11 010 4)舍入處理 5)判溢出 故得最終結(jié)果為 xy2110（0.101100）,11. 1 1 0 1 0 1 （0）, 00. 0 1 0 1 1 0,00. 0 0 1 0 1 1 （0）,采用0舍1入法處理，則舍去0,階碼符號(hào)位為11，不溢出,2020年7月23日星期四,24,9-2、 x=2-101(-0.010110) y=2-1000.010110 ，求x-y,設(shè)尾數(shù)階碼均使用雙符號(hào)位的補(bǔ)碼表示 x浮11 011,11.101010 y浮11 100 ,00.010110 1)求階差并對階 EExEyEx補(bǔ)Ey補(bǔ)11 011 00 10011 111 即E為1，x的階碼小，應(yīng)使Mx右移1位，Ex加1， x浮 11 100，1.110101 （0） 2)尾數(shù)求差 MS= Mx-My =11. 0 1 1 1 1 1 （0） 3)規(guī)格化處理 4)舍入處理 5)判溢出 故得最終結(jié)果為 xy 2100（0.100001）,11 . 1 1 0 1 0 1, 11. 1 0 1 0 1 0,11. 0 1 1 1 1 1,My補(bǔ),Mx補(bǔ),采用0舍1入法處理，則舍去0,階碼符號(hào)位為11，不溢出,不需規(guī)格化,第3章 內(nèi)部存儲(chǔ)器,2020年7月23日星期四,26,1、設(shè)有一個(gè)具有20位地址和32位字長的存儲(chǔ)器，問：,該存儲(chǔ)器能存儲(chǔ)多少字節(jié)的信息？ 存儲(chǔ)容量 = 存儲(chǔ)單元個(gè)數(shù)每單元字節(jié)數(shù) = 22032 bit 如果存儲(chǔ)器有512K8位SRAM芯片組成，需要多少片? 需要做存儲(chǔ)芯片的字位擴(kuò)展； 位擴(kuò)展：4片512K8位芯片構(gòu)成512K32位的存儲(chǔ)組； 字?jǐn)U展：2組512K32位存儲(chǔ)組構(gòu)成1M32位的存儲(chǔ)器； 因此，共需要24=8片給定的SRAM芯片 需要多少位地址做芯片選擇？ 字?jǐn)U展的是2個(gè)存儲(chǔ)組，因此，需1位地址做片選。,2020年7月23日星期四,27,由16K8位的芯片字位擴(kuò)展構(gòu)成64K32位的存儲(chǔ)器； 位擴(kuò)展：由4片16K8位的芯片構(gòu)成16K32位的存儲(chǔ)組； 字?jǐn)U展：由4組16K32位存儲(chǔ)組構(gòu)成16K32位的存儲(chǔ)器； 因此，4個(gè)存儲(chǔ)組的片選信號(hào)應(yīng)由最高兩位地址A14和A15產(chǎn)生； 該存儲(chǔ)器的組成邏輯框圖如下：,3、用16K8位的DRAM芯片構(gòu)成64K32位存儲(chǔ)器，問：（1）畫出該存儲(chǔ)器的組成邏輯框圖。,2020年7月23日星期四,28,位擴(kuò)展,/CS,/WE,2020年7月23日星期四,29,字?jǐn)U展,/WE,A13A0,D31D0,/MREQ,A14,A15,2020年7月23日星期四,30,3、用16K8的DRAM芯片構(gòu)成64K32位存儲(chǔ)器，要求：(2)設(shè)儲(chǔ)器讀/寫周期為0.5s，CPU在1s內(nèi)至少要訪問一次。試問采用哪種方式比較合理？兩次刷新的最大時(shí)間間隔是多少？對全部存儲(chǔ)單元刷新一遍所需的實(shí)際刷新時(shí)間是多少？,假定16K8位的DRAM芯片的存儲(chǔ)矩陣是128行(1288)列； 若集中刷新，則有128行0.5us=64us的死時(shí)間，不合適； 若分散刷新，則每訪存一次需要1us，也不合適； 所以，應(yīng)采用異步式刷新方式。 假定DRAM芯片的刷新周期為2ms 兩行的刷新間隔為：2ms/128 = 0.015625ms=15.625us 若取15.5us作為實(shí)際的刷新間隔 刷新存儲(chǔ)體一遍實(shí)際所用時(shí)間為： 15.5us1281984us = 1.984ms,2020年7月23日星期四,31,6、用32K8位的EPROM芯片組成128K16位的只讀存儲(chǔ)器，試問：,數(shù)據(jù)寄存器多少位？ 因?yàn)橄到y(tǒng)數(shù)據(jù)總線為16位，所以數(shù)據(jù)寄存器16位 地址寄存器多少位？ 因?yàn)榇鎯?chǔ)器容量為128K，需系統(tǒng)地址總線17位， 所以地址寄存器17位 共需多少個(gè)EPROM芯片？ 所需芯片總數(shù)： (128K/32K)(16/8)=8片,2020年7月23日星期四,32,6、用32K8位的EPROM芯片組成128K16位的只讀存儲(chǔ)器，試問：（4）畫出此存儲(chǔ)器的組成框圖。,2020年7月23日星期四,33,8、設(shè)存儲(chǔ)器容量為64M，字長為64位，模塊數(shù)m=8，分別用順序和交叉方式進(jìn)行組織。存儲(chǔ)周期T=100ns，數(shù)據(jù)總線寬度為64位，總線傳送周期=50ns。求：順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器的帶寬各是多少？,順序存儲(chǔ)器和交叉存儲(chǔ)器連續(xù)讀出m=8個(gè)字的數(shù)據(jù)信息量為： q = 864 = 512位 順序存儲(chǔ)器所需要的時(shí)間為 t1 = mT =8100ns =800ns =810-7s 故順序存儲(chǔ)器的帶寬為 W1= q/t1 = 512/(810-7) = 64107bit/s 交叉存儲(chǔ)器所需要的時(shí)間為 t2 = T+ (m-1)= 100ns + (8-1)50ns = 450ns =4.510-7s 故交叉存儲(chǔ)器的帶寬為 W1= q/t2 = 512/(4.510-7) = 113.8107bit/s,2020年7月23日星期四,34,9、CPU執(zhí)行一段程序時(shí)，cache完成存取的次數(shù)為2420次，主存完成存取的次數(shù)為80次，已知cache存儲(chǔ)周期為40ns，主存存儲(chǔ)周期為240ns，求cache/主存系統(tǒng)的效率和平均訪問時(shí)間。,命中率 h = Nc/(Nc+Nm) = 2420/(2420+80) = 0.968 主存與Cache的速度倍率 r = tm/tc = 240ns/40ns = 6 訪問效率 e = 1/(r+(1-r)h) = 1/(6+(1-6)0.968) = 86.2% 平均訪問時(shí)間 ta = tc/e = 40ns/0.862 = 46.4ns,2020年7月23日星期四,35,10、已知cache存儲(chǔ)周期40ns，主存存儲(chǔ)周期200ns，cache/主存系統(tǒng)平均訪問時(shí)間為50ns，求cache的命中率是多少？,由 ta = htc+(1-h)tm，可得,2020年7月23日星期四,36,13、一個(gè)組相聯(lián)Cache由64個(gè)行組成，每組4行。主存儲(chǔ)器包含4K個(gè)塊，每塊128字。請表示內(nèi)存地址的格式。,組相聯(lián)映射下的主存地址格式如下： 每塊128字，假定主存以字進(jìn)行組織 塊內(nèi)的字地址需要7位 Cache由64個(gè)行組成，每組4行 Cache中共包含16組，需4位組號(hào) 主存包含4K個(gè)塊 主存塊號(hào)為12位 主存標(biāo)記位有124=8位,7位,4位,8位,2020年7月23日星期四,37,14、某機(jī)主存容量1MB，字長1B，塊大小16B，Cache容量64KB，若Cache采用直接映射方式，請給出2個(gè)不同標(biāo)記的內(nèi)存地址，它們映射到同一個(gè)Cache行。,直接映射下的主存地址格式如下： 每塊16B 塊內(nèi)的字節(jié)地址需要4位 Cache容量64KB 共包含4K行 Cache塊號(hào)12位 主存容量1MB 主存地址20位 主存標(biāo)記位20124 = 4位 兩個(gè)滿足題目要求的主存地址： 0000 1001 0000 1110 0000 0001 1001 0000 1110 0000,4位,12位,4位,2020年7月23日星期四,38,15、假設(shè)主存容量16M32位，Cache容量64K32位，主存與Cache之間以每塊432位大小傳送數(shù)據(jù)，請確定直接映射方式的有關(guān)參數(shù)，并畫出主存地址格式。,直接映射下的主存地址格式如下： 每塊4字 塊內(nèi)的字地址需要2位 Cache容量64KB Cache共包含16K個(gè)塊 Cache塊號(hào)需要14位 主存16MB 主存地址為24位 主存標(biāo)記位有24142 = 8位,2位,14位,8位,第4章 指令系統(tǒng),2020年7月23日星期四,40,3、指令格式結(jié)構(gòu)如下所示，試分析指令格式與尋址方式特點(diǎn)。,單字長雙地址碼的RR型指令。 操作碼6位，系統(tǒng)中可以包含64種不同的指令。 源、目的操作數(shù)只能采用寄存器尋址方式。,2020年7月23日星期四,41,4、指令格式結(jié)構(gòu)如下所示，試分析指令格式與尋址方式特點(diǎn)。,雙字長雙地址碼的RS型指令。 操作碼6位，系統(tǒng)中可以包含64種不同的指令。 源操作數(shù)只能使用寄存器尋址方式；目的操作數(shù)只能使用變址尋址方式； 其中，變址寄存器可使用16個(gè)通用寄存器之一；偏移量為16位。,2020年7月23日星期四,42,6、一種單地址指令格式如下所示，R變址寄存器，R1基址寄存器，PC程序計(jì)數(shù)器，填寫下列尋址方式。,2020年7月23日星期四,43,7、某計(jì)算機(jī)字長為16位，主存容量為64K字，采用單字長單地址指令，共有40條指令，試采用直接、立即、變址、相對四種尋址方式設(shè)計(jì)指令格式。,40條指令 指令操作碼需6位，26=64，其中24種編碼未用； 4種尋址方式 尋址特征需2位； 單字長單地址指令 剩余8位作為形式地址； 設(shè)計(jì)方案： 方案1：專用變址寄存器； 方案2：通用寄存器作為變址寄存器；,2020年7月23日星期四,44,方案1：專用變址寄存器,各操作數(shù)的尋址范圍： 立即數(shù)尋址方式 指令中的立即數(shù)不能超過8位； 直接尋址方式 直接地址為8位，可直接尋址范圍為28個(gè)單元； 變址尋址方式 E=（R）+D，其中變址寄存器R為16位； 由于主存容量64K字，可直接尋址整個(gè)主存空間； 相對尋址方式 E=（PC）+D，可直接尋址整個(gè)主存空間；,2020年7月23日星期四,45,方案2：通用寄存器作為變址寄存器,各操作數(shù)的尋址范圍： 立即數(shù)尋址方式 指令中的立即數(shù)不能超過4位； 直接尋址方式 直接地址為4位，可直接尋址范圍為24個(gè)單元； 變址尋址方式 E=（R）+D，其中變址寄存器R為16位； 由于主存容量64K字，可直接尋址整個(gè)主存空間； 相對尋址方式 E=（PC）+D，可直接尋址整個(gè)主存空間；,2020年7月23日星期四,46,9、某機(jī)字長為32位，CPU中有16個(gè)32位通用寄存器，設(shè)計(jì)一種能容納64種操作的指令系統(tǒng)，如果采用通用寄存器作為基址寄存器，則RS型指令的最大存儲(chǔ)空間是多少？,指令格式 64種操作 操作碼占6位； 16個(gè)通用寄存器一個(gè)操作數(shù)和基址寄存器各占4位； 單字長指令 形式地址占32 6 4 4 = 18位； 操作數(shù)S的地址E （R1）D，其中R1為32位的； 若系統(tǒng)的地址總線32位，則可尋址整個(gè)主存； 若系統(tǒng)的地址總線32位，則可尋址的最大存儲(chǔ)空間為232+218,6位,4位,4位,18位,2020年7月23日星期四,47,12、根據(jù)操作數(shù)所在的位置，指出其尋址方式。,操作數(shù)在寄存器中，為 尋址方式； 操作地址在寄存器，為 尋址方式； 操作數(shù)在指令中，為 尋址方式； 操作數(shù)地址（主存）在指令中，為 方式； 操作數(shù)的地址為某一寄存器內(nèi)容與位移量之和，可以是 尋址方式；,寄存器,寄存器間接,立即數(shù),直接尋址,相對，基址，變址,第5章 中央處理機(jī),2020年7月23日星期四,49,2、參見圖5.15的數(shù)據(jù)通路，畫出存數(shù)指令STO R1，（R2）的指令周期流程圖，其含義是將寄存器R1的內(nèi)容傳送至（R2）為地址的數(shù)存單元中。,指令 地址,指令,數(shù)據(jù)單元,數(shù)據(jù) 地址,數(shù)據(jù),2020年7月23日星期四,50,存數(shù)指令STO R1，（R2）,(PC)AR,(M)DR,(DR)IR,譯碼,(R2)AR,(R1)DR,DRMM,取指周期,執(zhí)行周期,PC0 G ARi,DR0 G IRi,R20 G ARi,R10 G DRi,2020年7月23日星期四,51,3、參見圖5.15的數(shù)據(jù)通路，畫出取數(shù)指令LAD (R3)，R0的指令周期流程圖，其含義是將(R3)為地址數(shù)存單元的內(nèi)容取至寄存器R0中。,指令 地址,指令,數(shù)據(jù),數(shù)據(jù) 地址,2020年7月23日星期四,52,取數(shù)指令LAD (R3)，R0的指令周期,(PC)AR,(M)DR,(DR)IR,譯碼,(R3)AR,MMDR,DRR0,取指周期,執(zhí)行周期,PC0 G ARi,DR0 G IRi,R30 G ARi,DR0 G R0i,2020年7月23日星期四,53,6、假設(shè)某機(jī)器有80條指令，平均每條指令有4條微指令組成，其中有一條取值微指令是所有指令公用的，已知微指令長度為32位，請估算控制存儲(chǔ)器容量。,微指令的數(shù)目為803+1=241條； 微指令字長為32/8=4字節(jié)； 故，控制存儲(chǔ)器的容量為 2414=964字節(jié) 該容量為控制存儲(chǔ)器的最小容量。,2020年7月23日星期四,54,8、某機(jī)有8條指令I(lǐng)1I8，每條微指令所包含的微命令控制信號(hào)如下表所示。aj分別對應(yīng)10種不同性質(zhì)的微命令信號(hào)。假設(shè)一條微指令的控制字段僅為8位，請安排微指令的控制字段格式。,微命令數(shù)目操作控制字段，則采用混合表示法設(shè)計(jì)微指令； 從左表中選擇互斥的微操作； a命令：與i互斥 b命令：與f、g、i、j互斥 c命令：與f、j互斥 d命令：與i、j互斥 e命令：與f、h、j互斥 f命令：與b、c、e、h、i、j互斥 g命令：與b、h、j互斥 h命令：與e、f、g、i互斥 i命令：與a、b、d、f、h、j互斥 j命令：與b、c、d、e、f、g、i互斥 互斥信號(hào)組 e、f、h和b、i、j e、f、h和d、i、j e、f、h和b、g、j i、f、h和b、g、j,2020年7月23日星期四,55,8、某機(jī)有8條指令I(lǐng)1I8，每條微指令所包含的微命令控制信號(hào)如下表所示。aj分別對應(yīng)10種不同性質(zhì)的微命令信號(hào)。假設(shè)一條微指令的控制字段僅為8位，請安排微指令的控制字段格式。,解法1： 將 （d, i, j）和（e, f, h）分別組成兩個(gè)小組，進(jìn)行譯碼，可得六個(gè)微命令信號(hào)，剩下的a, b, c, g四個(gè)微命令信號(hào)可進(jìn)行直接控制，其整個(gè)控制字段組成如右圖所示： 解法2： 將 （b, i, j）和（e, f, h）分別組成兩個(gè)小組，進(jìn)行譯碼，可得六個(gè)微命令信號(hào)，剩下的a, b, c, g四個(gè)微命令信號(hào)可進(jìn)行直接控制，其整個(gè)控制字段組成如右圖所示：,注意：00表示兩位均不產(chǎn)生控制信號(hào),2020年7月23日星期四,56,12、今有4級流水線，分別完成取指、指令譯碼并取數(shù)、運(yùn)算、送結(jié)果四步操作。假設(shè)完成各步操作的時(shí)間依次為100ns、100ns、80ns、50ns。請問：,流水線的操作周期應(yīng)設(shè)計(jì)為多少？ 流水線的操作周期應(yīng)按各步操作的最大時(shí)間來考慮，即流水線時(shí)鐘周期性 ，故取100ns。 若相鄰兩條指令發(fā)生數(shù)據(jù)相關(guān)，硬件上不采取措施，那么第2條指令要推遲多少時(shí)間進(jìn)行？ 遇到數(shù)據(jù)相關(guān)時(shí)，就推遲第2條指令的執(zhí)行； 要推遲到所需讀取的數(shù)據(jù)已產(chǎn)生為止，因此至少需要延遲2個(gè)時(shí)鐘周期。 如果再硬件設(shè)計(jì)上加以改進(jìn)，至少需推遲多少時(shí)間？ 如采用專用通路技術(shù)，應(yīng)保證取數(shù)之前結(jié)果已計(jì)算出來； 因此，至少需要延遲1個(gè)時(shí)鐘周期。,流水時(shí)空圖,2020年7月23日星期四,57,流水時(shí)空圖,可能出現(xiàn)的 數(shù)據(jù)相關(guān),2020年7月23日星期四,58,13、指令流水線有取指（IF）、譯碼（ID）、執(zhí)行（EX）、訪存（MEM）、寫回寄存器堆（WB）五個(gè)過程段，共有20條指令連續(xù)輸入此流水線。,畫出流水處理的時(shí)空圖，假設(shè)時(shí)鐘周期為100ns。,EX,2020年7月23日星期四,59,13、指令流水線有取指（IF）、譯碼（ID）、執(zhí)行（EX）、訪存（MEM）、寫回寄存器堆（WB）五個(gè)過程段，共有20條指令連續(xù)輸入此流水線。,求流水線的實(shí)際吞吐量（單位時(shí)間內(nèi)執(zhí)行完畢的指令條數(shù)）。 求流水線的加速比。,2020年7月23日星期四,60,16、判斷以下三組指令中各存在哪種類型的數(shù)據(jù)相關(guān)？,I1 LDA R1 , A ;M(A)R1I2 ADD R2 , R1 ;(R2)+(R1)R2 I3 ADD R3 , R4 ;(R3)+(R4)R3I4 MUL R4 , R5 ;(R4) (R5) R4 I5 LDA R6 , B ;M(B)R6I6 MUL R6 , R7 ;(R6) (R7) R6,寫后讀相關(guān),讀后寫相關(guān),寫后寫相關(guān),第6章 總線系統(tǒng),2020年7月23日星期四,62,1、比較單總線、雙總線、三總線結(jié)構(gòu)的性能特點(diǎn)。,單總線結(jié)構(gòu) 使用一條系統(tǒng)總線來連接CPU、內(nèi)存和I/O設(shè)備； 特點(diǎn)：簡單易行；系統(tǒng)總線負(fù)載重； 雙總線結(jié)構(gòu) 在CPU和主存之間專門設(shè)置了一組高速的存儲(chǔ)總線； 保持單總線結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，減輕了CPU的負(fù)擔(dān)； 三總線結(jié)構(gòu) 在各外部設(shè)備與通道之間增加一組I/O總線。 提高了CPU工作效率，同時(shí)也最大限度的提高外設(shè)的工作速度；但硬件成本進(jìn)一步增加。,2020年7月23日星期四,63,8、同步通信之所以比異步通信具有較高的傳輸頻率，是因?yàn)橥酵ㄐ牛?）。 A、不需要應(yīng)答信號(hào)B、總線長度較短 C、用一個(gè)公共時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行同步 D、各部件存取時(shí)間比較接近 9、在集中式總線仲裁中，（ ）方式響應(yīng)時(shí)間最快，（ ）方式對（ ）最敏感。 A、菊花鏈方式B、獨(dú)立請求方式 C、電路故障D、計(jì)數(shù)器定時(shí)查詢方式,C,B,A,C,2020年7月23日星期四,64,10、采用串行接口7位ASCII碼傳送，帶有1位奇校驗(yàn)位、1位起始位和1位停止位，當(dāng)波特率為9600波特時(shí)，字符傳送速率為（ ）。 A、960B、873C、1371D、480 11、系統(tǒng)總線中地址線的功能是（ ）。 A、選擇主存單元地址 B、選擇進(jìn)行信息傳輸?shù)脑O(shè)備 C、選擇外存地址 D、指定主存和I/O設(shè)備接口電路的地址 12系統(tǒng)總線中控制線的功能是（ ）。 A、提供主存、 I/O接口設(shè)備的控制信號(hào)和響應(yīng)信號(hào) B、提供數(shù)據(jù)信息C、提供時(shí)序信號(hào) D、提供主存、 I/O接口設(shè)備的響應(yīng)信號(hào),A,D,A,2020年7月23日星期四,65,總線帶寬Dr 一個(gè)總線周期傳送的字節(jié)數(shù)D總線周期T 一個(gè)總線周期傳送的字節(jié)數(shù)D總線時(shí)鐘頻率f 870M560MB/s,20、某總線在一個(gè)總線周期中并行傳送8個(gè)字節(jié)的信息，假設(shè)一個(gè)總線周期等于一個(gè)總線時(shí)鐘周期，總線時(shí)鐘頻率為70MHz，總線帶寬是多少？,第7章 外圍設(shè)備,2020年7月23日星期四,67,1、計(jì)算機(jī)的外圍設(shè)備是指（ ） A、輸入/輸出設(shè)備B、外存設(shè)備 C、輸入/輸出設(shè)備及外存儲(chǔ)器 D、除了CPU和內(nèi)存以外的其他設(shè)備 2、打印機(jī)根據(jù)印字方式可分為（ ）和（ ）兩大類，在（ ）類打印機(jī)中，只有（ ）型打印機(jī)能打印漢字。 A、針型打印機(jī) B、活字型打印機(jī) C、擊打式 D、非擊打式,D,C,D,C,A,2020年7月23日星期四,68,磁盤存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)容量是多少？ 每道記錄信息容量 = 12288字節(jié) 每個(gè)記錄面信息容量 = 27512288字節(jié) 磁盤組總?cè)萘繛?：4面27512288字節(jié) = 13516800字節(jié) 最高位密度與最低位密度是多少？ 最高位密度D1，即最內(nèi)層磁道的位密度（R1 =115mm） D1 = 12288字節(jié) /（ 2R1） = 17字節(jié) / mm 最低位密度D2 ，即最外層磁道的位密度（R2） R2 = R1 + （275 5） = 115 + 55 = 170mm D2 = 12288字節(jié) / （2R2） = 11.5 字節(jié) / mm,7、某磁盤存儲(chǔ)器轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，共有4個(gè)記錄面，每毫米5道，每道記錄信息為12288B，最小磁道直徑為230mm，共有275道。問：,2020年7月23日星期四,69,磁盤數(shù)據(jù)傳輸率是多少？ 磁盤傳輸率 C =盤片轉(zhuǎn)速 r 道容量 N 盤片轉(zhuǎn)速 r = 3000 / 60 = 50 周 / 秒 道容量 N = 12288字節(jié)（每道信息容量） C = r N = 50 12288 = 614400字節(jié) / 秒 平均等待時(shí)間是多少？ 平均等待時(shí)間 = （1/2）* 1/r = （1 /2）* (1/50) = 10 ms,7、某磁盤存儲(chǔ)器轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，共有4個(gè)記錄面，每毫米5道，每道記錄信息為12288B，最小磁道直徑為230mm，共有275道。問：,2020年7月23日星期四,70,存取時(shí)間平均找道時(shí)間平均等待時(shí)間 數(shù)據(jù)傳播率DrrN，r為磁盤轉(zhuǎn)速，N為每道容量,8、已知某磁盤存儲(chǔ)器的轉(zhuǎn)速為2400轉(zhuǎn)/分，每個(gè)記錄面道數(shù)為200道，平均找道時(shí)間為60ms，每道存儲(chǔ)容量為96Kbit，求磁盤的存取時(shí)間與數(shù)據(jù)傳播率。,第8章 輸入輸出系統(tǒng),2020年7月23日星期四,72,1、如果認(rèn)為CPU等待設(shè)備的狀態(tài)信號(hào)是處于非工作狀態(tài)（即踏步等待），那么在下面幾種主機(jī)與設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳送中，（ ）主機(jī)與設(shè)備是串行工作的；（ ）主機(jī)與設(shè)備是并行工作的；（ ）主機(jī)程序與設(shè)備是并行運(yùn)行的。 A、程序查詢方式 B、程序中斷方式 C、DMA方式 2、中斷向量的地址是（ ）。 A、子程序入口地址 B、中斷服務(wù)程序入口地址 C、中斷服務(wù)程序入口地址指示器 D、例行程序入口地址 4、采用DMA方式傳送數(shù)據(jù)時(shí)，每傳送一個(gè)數(shù)據(jù)就要占用一個(gè)（ ）的時(shí)間。 A、指令周期 B、機(jī)器周期 C、存儲(chǔ)周期 D、總線周期,A,C,B,B,C,2020年7月23日星期四,73,（1）將表中各級中斷處理程序的各中斷屏蔽值如何設(shè)置？ 每級對應(yīng)一位，該位為0表示允許中斷，為1表示中斷屏蔽,8、設(shè)某機(jī)器有5級中斷：L0，L1，L2，L3，L4，其中斷響應(yīng)優(yōu)先次序?yàn)椋篖0最高，L1次之，L4最低，現(xiàn)在要求將中斷處理次序改為L1L3L0L4L2，試問：,2020年7月23日星期四,74,按優(yōu)先次序先調(diào)用L0，L0屏蔽了本級和低級中斷請求，而L1的中斷請求未屏蔽，則L1發(fā)生中斷嵌套響應(yīng)； L1中斷時(shí)，不允許任何中斷，服務(wù)完畢后，退回到L0的中斷服務(wù)程序，這時(shí)，允許L3的中斷嵌套響應(yīng)； L3服務(wù)完畢后，返回L0中斷服務(wù)程序； L0服務(wù)完畢后，按照順序應(yīng)處理L2，L2開放了更高級中斷L4，因此響應(yīng)了L4，L4響應(yīng)完成后再繼續(xù)執(zhí)行L2級中斷服務(wù)程序。,(2) 若這5級中斷同時(shí)發(fā)出中斷請求，按更改后的次序畫出進(jìn)入各級中斷處理程序的過程示意圖。( L1L3L0L4L2),2020年7月23日星期四,75,12、下列陳述中正確的是（ ） A、在DMA周期內(nèi)，CPU不能執(zhí)行程序 B、中斷發(fā)生時(shí)，CPU首先執(zhí)行入棧指令將程序計(jì)數(shù)器內(nèi)容保護(hù)起來 C、DMA傳送方式中，DMA控制器每傳送一個(gè)數(shù)據(jù)就竊取一個(gè)指令周期 D、輸入輸出操作的最終目的是要實(shí)現(xiàn)CPU與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸 14、IEEE1394是（ ）I/O標(biāo)準(zhǔn)接口，與SCSI（ ） I/O標(biāo)準(zhǔn)接口相比，它具有更高的（ ），更強(qiáng)的（ ），體積（ ），連接方便。 A、并行 B、串行 C、數(shù)據(jù)傳輸速率 D、數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性E、小,D,D,B,C,A,E,2020年7月23日星期四,76,14、Pentium系統(tǒng)有兩類中斷源：由CPU外部的硬件信號(hào)引發(fā)的稱為_，它分為_和_；由指令引發(fā)的稱為_，其中一種是_，另一種是_。 15、SCSI是系統(tǒng)級（ ），是處于主適配器和智能設(shè)備控制器之間的（ ）IO接口。SCSI-3標(biāo)準(zhǔn)允許SCSI總線上連接的設(shè)備由（ ）個(gè)提高到（ ）個(gè)，可支持（ ）位數(shù)據(jù)傳輸。 A. 并行 B. 接口 C. 16 D. 8 E. 16,B,A,D,C,E,外部中斷,可屏蔽中斷,非屏蔽中斷,異常中斷,執(zhí)行異常,指令中斷,2020年7月23日星期四,77,通道方式 利用通道來管理外設(shè)的工作，可以實(shí)現(xiàn)對外設(shè)的統(tǒng)一管理和外設(shè)與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)傳送，減輕了CPU的負(fù)擔(dān)，大大提高了CPU的工作效率。 DMA方式 需要硬件DMAC的控制管理主存與高速外設(shè)之間大批數(shù)據(jù)交換； 數(shù)據(jù)傳送速度很高，傳送速率僅受到內(nèi)存訪問時(shí)間的限制。 中斷方式 一般適用于隨機(jī)出現(xiàn)的慢速外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)； 一旦提出請求應(yīng)立即進(jìn)行，節(jié)省了CPU的時(shí)間開銷，但硬件結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜一些。,16、比較通道、DMA、中斷三種基本I/O方式的異同點(diǎn)。,