哈工大计算机组成原理试卷1及答案

哈工大学年秋季学期
计算机组成原理试题
一、填空（12分）
1.某浮点数基值为2，阶符1位，阶码3位，数符1位，尾数7位，
阶码和尾数均用补码表示，尾数采用规格化形式，用十进制数写
出它所能表示的最大正数，非0最小正数，
最大负数，最小负数。

2.变址寻址和基址寻址的区别是：在基址寻址中，基址寄存器提
供，指令提供；而在变址寻址中，变址寄存
器提供，指令提供。

3.影响流水线性能的因素主要反映在和
两个方面。

4.设机器数字长为16位（含1位符号位）。

若1次移位需10ns，一
次加法需10ns，则补码除法需时间，补码BOOTH
算法最多需要时间。

5.CPU从主存取出一条指令并执行该指令的时间
叫，它通常包含若干个，而后者又
包含若干个。

组成多级时序系统。

二、名词解释(8分)
1.微程序控制
2.存储器带宽
3.RISC
4.中断隐指令及功能
三、简答（18分）
1. 完整的总线传输周期包括哪几个阶段？简要叙述每个阶段的工作。

2. 设主存容量为1MB，Cache容量为16KB，每字块有16个字，每字32位。

(1)若Cache采用直接相联映像，求出主存地址字段中各段的位数。

(2)若Cache采用四路组相联映像，求出主存地址字段中各段的位数。

3. 某机有五个中断源，按中断响应的优先顺序由高到低为L0,L1,L2,L3,L4，现要求优先顺序改为L3,L2,L4,L0,L1，写出各中断源的屏蔽字。

4. 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120种操作。

操作码位数固定，且具有直接、间接、立即、相对四种寻址方式。

（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；
（3）一次间址的寻址范围；
（4）相对寻址的寻址范围。

四、（6分）
设阶码取3位，尾数取6位（均不包括符号位），按浮点补码运算规则
计算 [25169⨯] + [24)16
11(-⨯]
五、画出DMA 方式接口电路的基本组成框图，并说明其工作过程（以输入设备为例）。

（8分）
六、（10分）设CPU 共有16根地址线，8根数据线，并用MREQ 作访存控制信号，用W R /作读
写控制信号，现有下列存储芯片：
RAM ：1K ×8位、2K ×4位、4K ×8位
ROM ：2K ×8位、4K ×8位
以及74138译码器和各种门电路（自定），画出CPU 与存储器连接图。

要求：
（1）最大4K 地址空间为系统程序区，与其相邻2K 地址空间为用户
程序区。

（2）合理选用上述存储芯片，说明各选几片？写出每片存储芯片的地址范围。

（3）详细画出存储芯片的片选逻辑。

i 0CS D n D 0PD/Progr
i 0
CS D n D 0
OE
WE
Y7
Y6
Y0
74138
七、假设CPU在中断周期用堆栈保存程序断点，且进栈时栈指针减一，出栈时栈指针加一。

试写出中断返回指令（中断服务程序的最后一条指令），在取指阶段和执行阶段所需的全部微操作命令及节拍安排。

若采用微程序控制，则还需要增加哪些微操作。

（10分）
八、除了采用高速芯片外，从计算机的各个子系统的角度分析，指出6种以上提高整机速度的措施。

（8分）
计算机组成原理试题答案
一、填空（12分）
1．127；1/512；-1/512-1/32768；-128。

2．基地址；形式地址；基地址；形式地址。

3．访存冲突；相关问题。

4．300ns；310ns。

5．指令周期；机器周期；节拍。

二、名词解释(8分)
1．微程序控制
答：采用与存储程序类似的方法来解决微操作命令序列的形成，将一条机器指令编写成一个微程序，每一个微程序包含若干条微指令，每一条指令包含一个或多个微操作命令。

2．存储器带宽
答：每秒从存储器进出信息的最大数量，单位可以用字/秒或字节/秒或位/秒来表示。

3．RISC
答：RISC是精简指令系统计算机，通过有限的指令条数简化处理器设计，已达到提高系统执行速度的目的。

4．中断隐指令及功能
答：中断隐指令是在机器指令系统中没有的指令，它是CPU在中断周期内由硬件自动完成的一条指令，其功能包括保护程序断点、寻找中断服务程序的入口地址、关中断等功能。

三、简答（18分）
1．答：
总线在完成一次传输周期时，可分为四个阶段：
申请分配阶段：由需要使用总线的主模块（或主设备）提出申请，经总线仲裁机构决定下一传输周期的总线使用权授于某一申请者；
寻址阶段：取得了使用权的主模块，通过总线发出本次打算访问的从模块（或从设备）的存储地址或设备地址及有关命令，启动参与本次传输的从模块；
传数阶段：主模块和从模块进行数据交换，数据由源模块发出经数据总线流入目的模块；
结束阶段：主模块的有关信息均从系统总线上撤除，让出总线使用权。

2．答：
（1）若Cache采用直接相联映像：
字块中含64个字节，字块的位数为b=6。

Cache中含有256个字块，所以字块地址位数c=8。

主存容量为1M字节，总位数为20。

主存字块标记位数t=6。

（2）若Cache采用四路组相联映像，
字块中含64个字节，字块的位数为b=6。

每组含有四个字块，每组含256个字节。

Cache中含有64个字块，所以组地址位数q=6。

主存容量为1M字节，总位数为20。

主存字块标记位数t=8。

3．答：
设屏蔽位为“1”时表示对应的中断源被屏蔽，屏蔽字排列如下：
4．答：
（1）指令字长16位，操作码为7位，寻址特征位2位，地址码7位；
（2）-64~63；
（3）216；
（4）216．
四、（6分）
答：
被加数为 0,101;0.100100，[x]补 = 00,101; 00.100100
加数为 0,100;1.010100，[y]补 = 00,100; 11.010100
（1）对阶：
[△j ]补 = [j x ]补- [j y ]补 = 00,101 + 11,100 = 00,001
即△j = 1，则y 的尾数向右移一位，阶码相应加1，即
[y]’补= 00,101; 11.101010
② 求和
补x ][S '+补
y ][S '= 补x ][S '+[S y ]补 = 00.100100 + 11.101010
= 00.001110
即 [x+y]补 = 00,101; 00.001110
尾数出现“00.0”，需左规。

③ 规格化
左规后得 [x+y]补 = 00,011; 00.111000
∴[x+y]补 = 00,111; 00.111000
五、（8分）
答：DMA 方式接口电路的基本组成框图如下：
以数据输入为例，具体操作如下：
①从设备读入一个字到DMA 的数据缓冲寄存器BR 中，表示数据缓冲寄存器“满”（如果I/O 设备是面向字符的，则一次读入一个字节，组装成一个字）；
②设备向DMA接口发请求（DREQ）；
③DMA接口向CPU申请总线控制权（HRQ）；
④CPU发回HLDA信号，表示允许将总线控制权交给DMA接口；
⑤将DMA主存地址寄存器中的主存地址送地址总线；
⑥通知设备已被授予一个DMA 周期（DACK），并为交换下一个字做准备；
⑦将DMA数据缓冲寄存器的内容送数据总线；
⑧命令存储器作写操作；
⑨修改主存地址和字计数值；
⑩判断数据块是否传送结束，若未结束，则继续传送；若己结束，（字计数器溢出），则向CPU申请程序中断，标志数据块传送结束。

六、（10分）
方法一：
答：地址空间描述如下：
ROM对应的空间：
1111 1111 1111 1111
1111 0000 0000 0000
RAM对应的空间：
1110 1111 1111 1111
1110 1000 0000 0000
选择ROM芯片为2K×8位的两片，RAM芯片为2K×4位的两片
ROM芯片1：
1111 1111 1111 1111
1111 1000 0000 0000
ROM芯片2：
1111 0111 1111 1111
1111 0000 0000 0000
RAM芯片1、2：（位扩展）
1110 1111 1111 1111
1110 1000 0000 0000
CPU与存储器连接图见下页：
方法二：
答：地址空间描述如下：
ROM对应的空间：
1111 1111 1111 1111
1111 0000 0000 0000
RAM对应的空间：
1110 1111 1111 1111
1110 1000 0000 0000
选择ROM芯片为4K×8位的一片，RAM芯片为2K×4位的两片
七、（10分）
答：
组合逻辑设计的微操作命令：
取指：
T0：PC → MAR
T1：M[MAR] → MDR, PC+1 → PC
T2：MDR → IR, OP[IR] →微操作形成部件
执行：
T0：SP → MAR
T1：M[MAR] → MDR
T2：MDR → PC, SP+1 → SP
微程序设计的微操作命令：
取指微程序：
T0：PC → MAR
T1：Ad[CMIR] → CMAR
T2：M[MAR] → MDR, PC+1 → PC
T3：Ad[CMIR] → CMAR
T4：MDR → IR, OP[IR] →微操作形成部件
T5：OP[IR] → CMAR
中断返回微程序：
T0：SP → MAR
T1：Ad[CMIR] → CMAR
T2：M[MAR] → MDR
T3：Ad[CMIR] → CMAR
T4：MDR → PC, SP+1 → SP
T5：Ad[CMIR] → CMAR
八、（8分）
答：
针对存储器，可以采用Cache-主存层次的设计和管理提高整机的速度；针对存储器，可以采用主存-辅存层次的设计和管理提高整机的速度；针对控制器，可以通过指令流水或超标量设计技术提高整机的速度；针对控制器，可以通过超标量设计技术提高整机的速度；
针对运算器，可以对运算方法加以改进，如进位链、两位乘除法；
针对I/O系统，可以运用DMA技术来减少CPU对外设访问的干预。

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