计算机原理平时作业

平时作业

1．请简要概述冯。诺伊曼计算机的主要设计思想、主要组成部分及各部分的功能。

答：主要设计思想是：数字计算的数制采用二进制，计算机应该按照程序顺序执行，主要组成部分有：运算器、逻辑控制装置、存储器、输入和输出设备

2．请给出下列数的原码，补码，反码和移码。

a.27/64

b.-27/64

答：a. 27/64的原码是0.011011，补码是0.011011，反码是0.011011，小数无移码（正数的原码补码反码都不变）

b. -27/64的原码是1.011011，补码是1.100101，反码是1.100100，小数无移码（负数反码=原码除符号位外每位取反；补码=反码+1；反码=补码-1）

3．已知x和y,用变形补码计算x+y,同时指出结果是否溢出。

a.x=11001，y=01011;

b.x=11001, y=-01011;

c.x=-11001, y=-01011;

答：a. 0011001+0001011=0100100 正溢出

b. 0011001+1101011=0000100 没有溢出

c. 1111001+1101011=1100100 没有溢出

4．请概要描述进行浮点算术运算的几个主要步骤。

答：

1、浮点加减法的运算步骤

①对阶操作：小阶向大阶看齐

②进行尾数加减运算

③规格化处理

④舍入操作

⑤判结果的正确性

2、浮点乘除法的运算步骤

①阶码运算：阶码求和（乘法）或阶码求差（除法）

②浮点数的尾数处理：浮点数中尾数乘除法运算结果要进行舍入处理

5．请概要描述计算机多级存储体系结构的工作原理。在多级存储体系中，如何进行字容量扩充？如何进行位宽扩充？

答：计算机系统中通常采用三级层次结构来构成存储系统，主要是由高速缓冲存储器cache，主存储器，和辅助存储器组成。主存储器用来存放需CPU运行的程序和数据。

可由CPU直接编程访问，采取随机存取方式。Cache位于CPU与主存之间(有些Cache 集在CPU芯片之中)，高速缓冲存储器（Cache）设置在CPU和主存之间，可以放在CPU 内部或外部。用来存放当前运行的程序和数据，它的内容是主存某些局部区域(页)的复制品。其作用也是解决主存与CPU的速度匹配问题，辅助存储器用来存放暂不运行但需联机存放的程序和数据。从CPU看来，这个整体的速度接近于Cache和寄存器的操

作速度、容量是辅存（或海量存储器）的容量，每位价格接近于辅存的位价格。从而较好地解决了存储器中速度、容量、价格三者之间的矛盾，满足了计算机系统的应用需要。

可以缩小主存和cpu之间的速度差距，从整体上提高存储器系统的存取速度。

进行字容量扩充扩展每个存储单元的位数，进行位宽扩充扩展存储单元的个数。

6．一个Cache存储器的的主要技术指标包括cache/主存平均访问时间和cache的命中率，请简要描述这两个指标的推导过程。

答：

Cache的命中率

基于程序访问的局部性原理，增加Cache使得要访问的数据绝大多数都可以在Cache中找到，这样才能在性能上使主存的平均读出时间尽可能接近Cache的读出时间。Cache 的工作效率通常用“命中率”来表示。

命中率指的是CPU要访问的信息在Cache中的概率，Cache的命中率越高，CPU访问主存的速度就越接近访问Cache的速度。通常Cache的容量越大，存储的块也越多，CPU 的命中率就越高。但是，当Cache的容量达到一定值时，命中率并不会随着容量的增大而增加，而且Cache容量的增大将导致成本的增加，所以，Cache的容量一般是命中率与成本价格的折中。

在一个程序执行期间，设Nc表示Cache完成存取的总次数，Nm表示主存完成存取的总次数，h定义为命中率，则有

若tc表示命中时的Cache访问时间，tm表示未命中时的主存访问时间，1-h表示未命中率，则Cache－主存系统的平均访问时间ta为：

设e表示访问效率，则有

为提高访问效率e，命中率h越接近1越好。命中率h与程序的行为、Cache的容量、组织方式、块的大小有关。

7．请列出至少五种操作数寻址方式。

答：立即寻址，寄存器寻址，直接寻址，寄存器间接寻址，寄存器相对寻址，基址变址寻址，相对基址变址寻址。

8．请简要描述流水线的基本工作原理。对于一个五级流水线系统，在理想情况下，与非流水线设计相比，系统性能最多能提高多少倍？为什么？

答：对于一个五级流水线，如果流水线各阶段操作平衡，那么在流水线上指令执行时间为(在理想情况下)：指令执行时间(流水线)=指令执行时间(非流水线)/流水线步骤数即在理想的情况下，流水线所带来的加速比与流水线的执行步骤的数目相同。系统性能可以从加速比来分析，一个有五个执行步骤的流水线能获得加速比也是五。

然而，在实际处理过程中，各个步骤间并不是完全的平衡的。另外，流水线中还包括一

些常规的额外开销。所以，在流水线机器中每一条指令的执行时间会超过这个最小的可能值，因此流水线能够获得加速比也就小于流水线的步骤数。

9．请简要描述总线系统中，集中式仲裁方式的几种工作模式。

答：

(1) 链式查询方式：离中央仲裁器最近的设备具有最高优先级，通过接口的优先级排队

电路来实现。

(2)计数器定时查询方式：总线上的任一设备要求使用总线时，发出总线请求，中央仲裁

器接到请求信号以后让计数器开始计数，计数值通过一组地址线发向各设备。每个设备接口都有一个设备地址判别电路，当地址线上的计数值与请求总线的设备地址相一致时，该设备获得了总线使用权，此时中止计数查询。优先级均等而且可以用程序改变。

(3)独立请求方式：每一个共享总线的设备均有一对总线请求线和总线授权线。当设备要

求使用总线时，便发出该设备的请求信号。总线仲裁器重根据一定的优先次序决定首先响应那个请求。

10．请简要描述一个计算机系统与输入输出系统进行信息交换的几种主要方式。

答：

程序查询方式，程序中断方式，DMA方式和通道方式

1.程序查询方式：数据传送完全靠计算机程序控制，程序进入查询循环时白白浪费掉

CPU很多时间

2.程序中断方式：中断时外围设备来主动通知CPU，准备送出输入数据或者接收输出

数据的一种方法，它节省了CPU宝贵时间，中断方式一般适用于随机出现的服务

3.DMA方式：是一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式，DMA控制器从CPU完全

接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，这种方式适用于内存和高速外围设备之间大批数据交换的场合

4.通道方式：通道是一个具有特殊功能的处理器，某些应用中称为输入输出处理器

IOP，他可以实现对外围设备的统一管理和外围与内存之间的数据传送