计算机组成原理总结

计算机组成原理总结

五道大题

1.调度算法题

写出禁止表、冲突向量、状态图、调度方案

步骤（2）原始冲突向量

步骤（3）状态转移图

步骤（4）调度

2.磁盘容量

存储容量=记录面数×每面磁道数×磁道容量

某磁盘存储器转速为3000转/分，共有4个记录盘面，每毫米5道，每道记录信息12288字节，最内层磁道直径为230mm，共275道，求：

磁盘的存储容量为多大？

存储容量 = 记录面数×每面磁道数×磁道容量

= 4面×275道× 1288字节

= 13516800字节

最高位密度和最低位密度分别是多少？

位密度 = 道容量÷磁道周长（2πR）

最内层磁道半径Rmin = 230mm ÷2 = 115mm

最外层磁道半径Rmax = Rmin + 275/5 = 115 + 55 = 170mm

最高位密度 = 12288字节÷ 2π Rmin = 17字节/mm

最低位密度=12288字节÷ 2π Rmax =11.5字节/mm

3.操作码扩展

设某指令长16位，包括4位基本操作码字段和3个4位地址码字段。

若全是三地址指令，则最多能有多少条指令？

操作码为4位的，则指令条数为24=16。

若三地址指令需15条─┐

两地址指令需15条│应如何安排？

单地址指令需15条│

零地址指令需16条─┘

可使用操作码扩展技术，缩短固定操作码长度；

某机指令字长32位，一个操作数地址为12位，有双地址码、单地址码、零地址码3种格式的指令。

若采用扩展操作码的方式来设计指令，已知双地址码指令K条，单地址码指令L条，问零地址码指令有多少条？

双地址码指令

操作码长度为（32－12×2）＝8位；

单地址码指令

操作码长度为（32－12）＝20位；

操作码的可扩展位为20－8＝12位。

零地址码指令

操作码长度为32位

操作码的可扩展位为32－20＝12位。

由以上分析的指令格式，及题目可知：

双地址码指令最多有28条；

可用于扩展单地址码指令的编码有(28－K)个；

单地址码指令最多有（28－K）×212条：

可用于扩展零地址码指令的编码有[ (28－K)×212－L]个；

因此，零地址码指令最多有 [（28－K）×212 －L] ×212条。

某指令系统指令字长为20位，具有双操作数、单操作数和无操作数3中指令格式，每个操作数地址规定用6位表示，当双操作数指令条数取最大值，而且单操作数指令条数也取最大值时，这3种指令最多可能拥有的指令数各是多少？

解：按操作码扩展技术来设计，双操作数指令最多28-1条，单操作数指令最多63条，因此无操作数指令条数的最大值为64条。

00000000 XXXXXX XXXXXX

11111110 XXXXXX XXXXXX

11111111 000000 XXXXXX

11111111 111110 XXXXXX

11111111 111111 000000

11111111 111111 111111

4.字位扩展

字扩展：每个单元位数不变，总的单元个数增加。

例如：用1K×8的存储芯片构成2K×8的存储器

存储芯片与CPU的引脚连接方法：

地址线：各芯片的地址线与CPU的低位地址线直接连接；

数据线：各芯片的数据线直接与CPU数据线连接；

读写线：各芯片的读写信号直接与CPU的读写信号连接；

片选信号：各芯片的片选信号由CPU的高位地址和访存信号产生；

注意： CPU对该存储器的访问是对某一字扩展芯片的一个单元的访问。

例题：由1K×8的存储芯片构成2K×8的存储器

存储芯片的字位扩展

字位扩展：每个单元位数和总的单元个数都增加。

例如：用1K×4的存储芯片构成2K×8的存储器

扩展方法

先进行位扩展，形成满足位要求的存储芯片组；

再使用存储芯片组进行字扩展。

要求：能够计算出字位扩展所需的存储芯片的数目。例如：用L×K的芯片构成M×N的存储系统；

所需芯片总数为M/L×N/K 片。

5.微程序

写出“ADD (R1)，R2”指令的执行流程

1浮点数加减运算的步骤

零操作数检查

两操作数对阶

尾数相加减

结果的规格化

结果的舍入处理

结果的溢出判断

浮点数乘除运算的步骤

0 操作数检查；

阶码加/减操作；

尾数乘/除操作；

结果规格化、舍入和溢出处理；

2.CUP内部寄存器

数据缓冲寄存器（DR）

暂时存放CPU与外界传送的数据，可以是指令字或数据字。

作用：

作为CPU和内存、外部设备之间信息传送的中转站；

补偿CPU和内存、外围设备之间在操作速度上的差别；

通用寄存器

功能：暂时存放ALU运算的数据或结果。

CPU中的通用寄存器可多达16个，32个，甚至更多。

状态条件寄存器（PSW）

保存各种状态和条件控制信号；

进位标志(C)，溢出标志(V)，零标志(Z)，符号标志(N)

每个信号由一个触发器保存，从而拼成一个寄存器。

地址寄存器（AR）

保存当前CPU所访问数据的内存单元地址；

主要用于解决主存/外设和CPU之间的速度差异，使地址信息可以保持到主存/外设的读写操作完成为止

程序计数器（PC）

始终存放下一条指令的地址，对应于指令Cache的访问；

其内容变化分两种情况

顺序执行： PC+1→PC

转移执行： (指令OPR)→PC

指令寄存器（IR）

保存当前正在执行的一条指令。

指令寄存器中操作码字段的输出就是指令译码器的输入。

3.四种传输方式

程序查询方式、程序中断方式、DMA方式、通道方式

DMA与程序中断的区别：

DMA是程序中断传送技术的发展。它在硬件逻辑结构的支持下以更快的速度，更简便的形式传送数据。两者之间的明显区别是：

1.中断方式通过过程实现数据传送，而DMA方式不使用程序，直接靠硬件来实现。

2.CPU对中断的响应是在执行完一条指令之后，而对DMA的响应，则可以在指令执行过程中的任何两个存储周期之间。

3.中断方式不仅具有数据传送能力，而且还能处理异常事件。DMA指能进行数据传送。

4.中断方式必须切换程序，要进行CPU现场的保护和恢复操作。DMA仅挪用了一个存储周期，不改变CPU现场。

5.DMA请求的优先权比中断请求高。CPU优先响应DMA请求，是为了避免DMA所连接的高速外设丢失数据。

通道方式与DMA方式比较：

DMA和通道方式最基本的相同点是把外设与主机交换数据过程控制权从CPU中接管，使外设能与主机并行工作。它们之间主要的不同在于如下几个方面：

1.DMA与通道的工作原理不同

DMA完全采用硬件控制数据交换的过程，速度较快；而通道则采用软硬件结合的方法，通过执行通道程序控制数据交换的过程。

2.DMA与通道的功能不同

通道是在DMA的基础上发展的，因此，通道功能要比DMA的功能更强。在DMA中，CPU 必须进行设备的选择、切换、启动、终止，并进行数据校验。CPU在输入输出过程中的开销较大，通道控制则把这些工作都接管，以减轻CPU的负担。

3.DMA与通道所控制的外设类型不同

DMA只能控制速度较快，类型单一的外设，而通道支持多种外设。

其他题

1.32外浮点数

若浮点数ｘ的754标准存储格式为(41360000)16，求其浮点数的十进制数值。解：

(41360000)16 = 0100 0001 0011 0110 0000 0000 0000 0000

指数e=E-127= 1000 0010 － 0111 1111=0000 0011=3

尾数1.M=1.011 0110 0000 0000 0000 0000=1.011011

浮点数 N =（-1）S×（1.M）×2e

= （-1）0×（1. 011011）×23

= (11.375)10

将(20.59375)10转换成754标准的32位浮点数的二进制存储格式。

解：

(20.59375)10＝(10100.10011)2

将尾数规范为1.M的形式：

10100.10011＝1.010010011×24e＝4

可得：M ＝ 010010011

S ＝ 0

E ＝ 4＋127＝131＝1000 0011

故，32位浮点数的754标准格式为：

0100 0001 1010 0100 1100 0000 0000 0000＝(41A4C000)16

将下列十进制数表示成IEEE754格式的32位浮点数二进制存储形式。

11/512= (0000 1011)2*2-9

尾数：1.011 ；阶码：e=-9+3=-6 ，E=e+127=121

IEEE754数据：0 0111 1001 0110 0000 0000 0000 0000 00 2.原码、反码、补码表示法

原码表示法

[+110]原＝ 0110

[-110]原＝ 23- (-110) ＝ 1000 +110 = 1110

补码表示法

[+110]补＝ 0110

[-110] 补＝ 24+(-110 ) ＝ 10000 -110 = 1010

由[X]补求[-X]补

连符号位一起各位求反，末位加1。

例：[X]补=1.1010101

3.加减运算

补码加法运算基本公式

定点整数： [x+y]补＝[x]补 + [y]补（mod 2n+1）

定点小数： [x+y]补＝[x]补 + [y]补（mod 2）

ｘ＝+1001, ｙ＝+0101，

求ｘ＋ｙ。

解：

[ｘ]补＝0 1001, [ｙ]补＝0 0101

[ｘ]补 0 1001

＋[ｙ]补0 0101

[ｘ＋ｙ]补 0 1110

所以ｘ＋ｙ＝＋1110

x＝＋1011, ｙ＝－0101,

求ｘ＋ｙ。

解：

[ｘ]补＝0 1011, [ｙ]补＝1 1011

[ｘ]补0 1011

＋[ｙ]补 1 1011

[ｘ＋ｙ]补 10 0110

所以ｘ＋ｙ＝+ 0110

补码减法运算基本公式

定点整数：[x - y]补＝[x]补 - [y]补＝[x]补 + [-y]补（mod 2n+1）定点小数：[x - y]补＝[x]补 - [y]补＝[x]补 + [-y]补（mod 2）ｘ＝＋1101，ｙ＝＋0110，求ｘ－ｙ。

解:

[ｘ]补＝0 1101，[ｙ]补＝0 0110，[－ｙ]补＝1 1010

[ｘ－ｙ]补＝ [ｘ]补＋[－ｙ]补

＝ 0 1101 ＋1 1010

＝ 10 0111

＝ 0 0111

∴ｘ－ｙ＝＋0111

4.溢出判别方法——变形补码判别法

举例：

若[x]补=00101，[y]补=00100，则[x+y]补=01001

若[x]补=11011，[y]补=11100，则[x+y]补=10111

若[x]补=00101，[y]补=11100 ，则[x-y]补=01001

5.与、或、异或

X=01101010 Y=00100010计算X和Y的与、或、异或的结果

与：

或：

异或：

6.总线带宽

单位时间内通过总线的数据位数，总线的数据传输率；

单位一般为MB/s。

如果一个总线周期中并行传送64位数据，总线时钟频率升为66MHz，则总线带宽是多少?

总线带宽Dr = D×f = 8B×66×106/s = 528MB/s

利用串行方式传送字符，每秒钟传送的比特(bit)位数常称为波特率。

假设数据传送速率是120个字符/秒，每一个字符格式规定包含10位（起始位、停止位、8个数据位），问传送的波特率是多少?每位占用的时间是多少?

解：

波特率为：10位×120/秒=1200波特

每个bit占用的时间Td是波特率的倒数：

Td=1/1200=0.833×0.001s=0.833ms

7.舍入处理方法

方法１：０舍１入法

保留右移时的移出位，若最高位为１，则尾数加１；否则舍去；

特点：精度较高，但需要记录所有的移出位。

方法２：恒置１法

若之前步骤有右移操作，则直接将结果的最低位置1;

特点：精度较0舍1入法较低，但应用简单。

例：结果的尾数MS = 00.100 001 保留三位０舍１入法： MS = 00.100

恒置１法： MS = 00.101