《计算机组成原理》第一章——第三章习题

一、选择题（每小题1分，共15分）

1 从器件角度看，计算机经历了五代变化。但从系统结构看，至今绝大多数计算机仍属于（ B）计算机。

A 并行 B 冯·诺依曼 C 智能 D 串行

2 某机字长32位，其中1位表示符号位。若用定点整数表示，则最小负整数为（ A ）。

A -(231-1) B -(230-1) C -(231+1) D -(230+1) 3 以下有关运算器的描述，（C ）是正确的。

A 只做加法运算 B 只做算术运算

C 算术运算与逻辑运算 D 只做逻辑运算 4 EEPROM是指（ D ）。

A 读写存储器 B 只读存储器

C 闪速存储器 D 电擦除可编程只读存储器

5 常用的虚拟存储系统由（B ）两级存储器组成，其中辅存是大容量的磁表面存储器。

A cache-主存 B 主存-辅存 C cache-辅存 D 通用寄存器-cache

6 冯·诺依曼机工作的基本方式的特点是（B ）。

A 多指令流单数据流

B 按地址访问并顺序执行指令 C 堆栈操作

D 存贮器按内容选择地址

7 在机器数（ B）中，零的表示形式是唯一的。 A 原码 B 补码 C 移码 D 反码

8 在定点二进制运算器中，减法运算一般通过（ D ）来实现。

A 原码运算的二进制减法器 B 补码运算的二进制减法器 C 原码运算的十进制加法器 D 补码运算的二进制加法器

9 某计算机字长32位，其存储容量为256MB，若按单字编址，它的寻址范围是（ D ）。

A 0—64MB B 0—32MB C 0—32M D 0—64M 10虚拟存储技术主要解决存储器的（B ）问题。

A 速度 B 扩大存储容量 C 成本 D 前三者兼顾 11 下列数中最小的数是（C ）。

A （101001）2 B （52）8 C （101001）BCD D （233）16 12 某DRAM芯片，其存储容量为512×8位，该芯片的地址线和数据线的数目是（ D ）。

A 8，512 B 512，8 C 18，8 D 19，8

13 交叉存储器实质上是一种多模块存储器，它用（ A ）方式执行多个独立的读写操作。

A 流水 B 资源重复 C 顺序 D 资源共享 14 运算器的核心功能部件是（ B ）。

A 数据总线 B ALU C 状态条件寄存器 D 通用寄存器 15 某单片机字长32位，其存储容量为4MB。若按字编址，它的寻址范围是（A ）。

A 1M B 4MB C 4M D 1MB

16 某SRAM芯片，其容量为1M×8位，除电源和接地端外，控制端有E和R/W#，该芯片的管脚引出线数目是（ D ）。 A 20 B 28 C 30 D 32

17 双端口存储器所以能进行高速读/写操作，是因为采用（D ）。

A 高速芯片 B 新型器件

C 流水技术 D 两套相互独立的读写电路

18 某机字长64位，1位符号位，63位表示尾数，若用定点整数表示，则最大正整数位（ A ）。

A +(263-1) B +(264-1) C -(263-1) D -(264-1) 19 请从下面浮点运算器中的描述中选出两个描述正确的句子（ BC ）。 A 浮点运算器可用两个松散连接的定点运算部件一阶码和尾数部件来实现。

B 阶码部件可实现加，减，乘，除四种运算。 C 阶码部件只进行阶码相加，相减和比较操作。 D 尾数部件只进行乘法和除法运算。 20 存储单元是指（B ）。

A 存放1个二进制信息位的存储元 B 存放1个机器字的所有存储元集合 C 存放1个字节的所有存储元集合 D 存放2个字节的所有存储元集合

21 某机字长32位，存储容量1MB，若按字编址，它的寻址范围是（C ）。 A 0—1M B 0—512KB C 0—56K D 0—256KB

22 直接映射cache的主要优点是实现简单。这种方式的主要缺点是（B ）。

A 它比其他cache映射方式价格更贵

B 如果使用中的2个或多个块映射到cache同一行，命中率则下降

C 它的存取时间大于其它cache映射方式 D cache中的块数随着主存容量增大而线性增加 23 虚拟存储器中段页式存储管理方案的特性为（ D ）。

A 空间浪费大，存储共享不易，存储保护容易，不能动态连接 B 空间浪费小，存储共享容易，存储保护不易，不能动态连接

C 空间浪费大，存储共享不易，存储保护容易，能动态连接 D 空间浪费小，存储共享容易，存储保护容易，能动态连接

24 从器件角度看，计算机经历了五代变化。但从系统结构看，至今绝大多数计算机仍属于（ B ）计算机。

A 并行 B 冯·诺依曼 C 智能 D 串行

25 某机字长32位，其中1位表示符号位。若用定点整数表示，则最小负整数为（A ）。

A -(231-1) B -(230-1) C -(231+1) D -(230+1) 26 以下有关运算器的描述，（ C ）是正确的。 A 只做加法运算 B 只做算术运算 C 算术运算与逻辑运算 D 只做逻辑运算 27 冯·诺依曼机工作的基本方式的特点是（ B ）。

A 多指令流单数据流

B 按地址访问并顺序执行指令 C 堆栈操作

D 存贮器按内容选择地址

28 在机器数（ B ）中，零的表示形式是唯一的。 A 原码 B 补码 C 移码 D 反码

29 在定点二进制运算器中，减法运算一般通过（D ）来实现。 A 原码运算的二进制减法器 B 补码运算的二进制减法器 C 原码运算的十进制加法器 D 补码运算的二进制加法器

30 某计算机字长32位，其存储容量为256MB，若按单字编址，它的寻址范围是（ D ）。

A 0-64MB B 0-32MB C 0-32M D 0-64M 31 主存贮器和CPU之间增加cache的目的是（ A ）。

A 解决CPU和主存之间的速度匹配问题 B 扩大主存贮器容量

C 扩大CPU中通用寄存器的数量

D 既扩大主存贮器容量，又扩大CPU中通用寄存器的数量 32 下列数中最小的数是（ C ）。

A （101001）2 B （52）8 C （101001）BCD D （233）16 33 某DRAM芯片，其存储容量为512×8位，该芯片的地址线和数据线的数目是（ D ）。

A 8，512 B 512，8 C 18，8 D 19，8

34 在下面描述的汇编语言基本概念中，不正确的表述是（CD ）。

A 对程序员的训练要求来说，需要硬件知识 B 汇编语言对机器的依赖性高

C 用汇编语言编写程序的难度比高级语言小 D 汇编语言编写的程序执行速度比高级语言慢

35 交叉存储器实质上是一种多模块存储器，它用（A ）方式执行多个独立的读写操作。

A 流水 B 资源重复 C 顺序 D 资源共享 36 运算器的核心功能部件是（ B ）。

A 数据总线 B ALU C 状态条件寄存器 D 通用寄存器 37 某单片机字长32位，其存储容量为4MB。若按字编址，它的寻址范围是（A ）。

A 1M B 4MB C 4M D 1MB

38 某SRAM芯片，其容量为1M×8位，除电源和接地端外，控制端有E和R/W#，该芯片的管脚引出线数目是（D ）。 A 20 B 28 C 30 D 32

39 双端口存储器所以能进行高速读/写操作，是因为采用（ D ）。 A 高速芯片 B 新型器件 C 流水技术 D 两套相互独立的读写电路

40 某机字长64位，1位符号位，63位表示尾数，若用定点整数表示，则最大正整数位（ A ）。

A +(263-1) B +(264-1) C -(263-1) D -(264-1)

41 请从下面浮点运算器中的描述中选出两个描述正确的句子（AC ）。 A 浮点运算器可用两个松散连接的定点运算部件一阶码和尾数部件来实现。

B 阶码部件可实现加，减，乘，除四种运算。 C 阶码部件只进行阶码相加，相减和比较操作。 D 尾数部件只进行乘法和除法运算。

42 某机字长32位，存储容量1MB，若按字编址，它的寻址范围是（C ）。 A 0—1M B 0—512KB C 0—56K D 0—256KB

43 直接映射cache的主要优点是实现简单。这种方式的主要缺点是（B ）。

A 它比其他cache映射方式价格更贵

B 如果使用中的2个或多个块映射到cache同一行，命中率则下降 C 它的存取时间大于其它cache映射方式 D cache中的块数随着主存容量增大而线性增加

44 虚拟存储器中段页式存储管理方案的特性为（D ）。

A 空间浪费大，存储共享不易，存储保护容易，不能动态连接 B 空间浪费小，存储共享容易，存储保护不易，不能动态连接 C 空间浪费大，存储共享不易，存储保护容易，能动态连接 D 空间浪费小，存储共享容易，存储保护容易，能动态连接

二、填空题（每小题2分，共20分）

1 字符信息是符号数据，属于处理（非数值 ）领域的问题，国际上采用的字符系统是七单位的（ ASCII ）码。

2 按IEEE754标准，一个32位浮点数由符号位S（1位）、阶码E（8位）、尾数M（23位）三个域组成。其中阶码E的值等于指数的真值（ e ）加上一个固定的偏移值（127 ）。

3 双端口存储器和多模块交叉存储器属于并行存储器结构，其中前者采用（ 空间 ）并行技术，后者采用（ 时间 ）并行技术。 4 虚拟存储器分为页式、（ 段 ）式、（ 段页 ）式三种。

5 在计算机术语中，将ALU控制器和（ cache ）存储器合在一起称为（ 中央处理器CPU ）。

6 数的真值变成机器码可采用原码表示法，反码表示法，（补码 ）表示法，（移码 ）表示法。

7 广泛使用的（SRAM ）和（ DRAM ）都是半导体随机读写存储器。前者的速度比后者快，但集成度不如后者高。

8 反映主存速度指标的三个术语是存取时间、（存储周期 ）和（ 存储带宽 ）。 9 定点32位字长的字，采用2的补码形式表示时，一个字所能表示的整数范围是（ ）。

10 IEEE754标准规定的64位浮点数格式中，符号位为1位，阶码为11位，尾数为52位，则它能表示的最大规格化正数为（ ）。

11 浮点加、减法运算的步骤是（0操作数检查 ）、（ 比较阶码大小并完成对阶 ）、（尾数求和运算 ）、（ 结果规格化 ）。

12 某计算机字长32位，其存储容量为64MB，若按字编址，它的存储系统的地址线至少需要（ 21 ）条。

13 计算机系统的层次结构从下至上可分为五级，即微程序设计级（或逻辑电路级）、一般机器级、操作系统级、（汇编语言级 ）级、（ 高级语言级 ）级。 14 十进制数在计算机内有两种表示形式：（ 字符串 ）形式和（ 压缩的十进制数串 ）形式。前者主要用在非数值计算的应用领域，后者用于直接完成十进制数的算术运算。

15 一个定点数由符号位和数值域两部分组成。按小数点位置不同，定点数有（ 纯小数 ）和（ 纯整数 ）两种表示方法。

16 对存储器的要求是容量大、速度快、成本低，为了解决这三方面的矛盾，计算机采用多级存储体系结构，即（高速缓冲存储器cache ）、（ 主存储器 ）、（ 外存储器 ）。

17 高级的DRAM芯片增强了基本DRAM的功能，存取周期缩短至20ns以下。举出三种高级DRAM芯片，它们是（ FPM-DRAM ）、（CDRAM ）、（SDRAM ）。 18 IEEE6754标准规定的64位浮点数格式中，符号位为1位，阶码为11位，尾数为52位。则它所能表示的最大规格化正数为（ ）。

19 直接使用西文键盘输入汉字，进行处理，并显示打印汉字，要解决汉字的（ 输入编码 ）、（汉字内码 ）和（ 字模码 ）三种不同用途的编码。 20 数的真值变成机器码时有四种表示方法，即（ 原码 ）表示法，（反码 ）表示法，（ 补码 ）表示法，（ 移码 ）表示法。

21 主存储器的技术指标有（存储容量 ），（ 存取时间 ），（ 存储周期 ），（存储器带宽 ）。

22 cache和主存构成了（ 内存储器 ），全由（ 半导体 ）来实现。 35 一个组相联映射的Cache，有128块，每组4块，主存共有16384块，每块64个字，则主存地址共（ ）位，其中主存字块标记应为（ ）位，组地址应为（ ）位，Cache地址共（ ）位。

三、简答题（每小题8分，共16分）

1 画图说明现代计算机系统的层次结构。课本14页

2 简要总结一下，采用哪几种技术手段可以加快存储系统的访问速度？ 1）双端口存储器采用空间并行技术；2)多体交叉存储器，采用时间并行技术。

3、存储系统中加入chche存储器的目的是什么？有哪些地址映射方式，各有什么特点？

Cache是一种高速缓冲存储器，是为了解决CPU和主存之间速度不匹配而采用的一项重要技术；

2）全相联映射方式：全部标记用一个相联存储起来实现，全部数据用一个普通RAM来实现，全相联方式的主要缺点是比较器电路难于设计和实现，因此只适合于小容量Cache采用。

直接映射方式：硬件简单，成本低，缺点是每个主存块只有一个固定的行位置可存放。

组相联映射方式：适度的兼顾了前二者的优点又尽量避免二者的缺点。 4、已知浮点加法流水线由阶码比较、对阶、尾数相加、规格化四个流水段组成，每段所需的时间（包括缓冲寄存器时间）分别为30ns、25ns、55ns、50ns。请画出该流水线的时空图，并计算加速比。 5、比较cache与虚存的相同点和不同点。 6、数字计算机如何分类？分类的依据是什么？

7、解释概念：存储容量、单元地址、数据字、指令字、指令、程序、内存、外存、CPU、适配器

8、计算机的系统软件包括几类？说明它们的用途。 9、设一个具有20位地址和32位字长的存储器，问：

（1）该存储器存储多少字节的信息？

（2）如果存储器由512K×8位的SRAM芯片组成，需要多少片？ （3）需要多少位地址作芯片选择？

10、已知某64位机主存采用半导体存储器，其地址码为26位，若采用4M×8位的DRAM芯片组成该机所允许的最大主存空间，并选用内存条结构形式，问： （1）若每个内存条为16M×64位，共需几个内存条？ （2）每个内存条共有多少个DRAM芯片？

（3）主存共需多少DRAM芯片？CPU如何选择各内存条？

四、计算题（10分）

1、 设x=-15，y=+13，数据用补码表示，用带求补器的阵列乘法器求出乘积x×y，并用十进制数乘法进行验证。 设最高位为符号位，输入数据为原码； 【X】原=11111，【Y】原=01101；

因符号为单独考虑，算前求补器输出后，|X|=1111，|Y|=1101 1 1 1 1 符号位运算：0⊕1=1 X 1 1 0 1 -------------- 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1 1 1 + 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 1

算后求补级输出为11000011，加上乘积符号位1，得【x*y】原=111000011 换算成二进制数真值是x，y=（-11000011）2=（-195）10 十进制数乘法验证：-15*13=-195

2、已知x=-0.01111，y=+0.11001,求：（不确定对不对） ① [x]补，[-x]补，[y]补，[-y]补； ② x+y,x-y,判断加减运算是否溢出。 【X】补=1.10001 【-X】补=0.01111 【Y】补=0.11001 【-Y】补=1.00111 【X】补 1.10001

+ 【Y】补 0.11001 10.01000 【X】补 1.10001 + 【-Y】补 1.00111 10.11000 检测溢出 高二位为双符号位 【X】补=11.10001 【-X】补=00.01111 【Y】补=00.11001 【-Y】补=11.00111 【X】补 11.10001 + 【Y】补 00.11001 00.01010

【X】补 11.10001 + 【-Y】补 11.00111 10.11000

3、有两个浮点数N1=2j1×S1,N2=2j2×S2，其中阶码用4位移码、尾数用8位原码表示（含1位符号位）。

设j1=(11)2,S1=(+0.0110011)2,j2=(-10)2,S2=(+0.1101101)2，求N1+N2，写出运算步骤及结果。

4、设存储器容量为64M字，字长为64位，模块数m=8，分别用顺序和交叉方式进行组织。存储周期T=100ns，数据总线宽度为64位，总线传送周期?=50ns。

求：顺序存储器和交叉存储器的带宽各是多少？

顺序存储器和交叉存储器连续独处m=8个字的信息总量都是 q=64b*8=512b

顺序存储器连续读出8个字所需的时间分别是 t2=mT=8*100ns=8*10-7s

t1=T+（m-1）τ=100ns+7*50ns=450ns=4.5*10-7s 顺序存储器和交叉存储器的带宽分别是 W2=q/t2=640Mb/s W1=q/t1=113Mb/s

5、CPU执行一段程序时，cache完成存取的次数为2420次，主存完成的次数为80次，已知cache存储周期为40ns，主存存储周期为200ns，求cache/主存系统的效率和平均访问时间。

h=Nc/(Nc+Nm)=2420/(2420+80)=0.968 r=tm/tc=200ns/40ns=5

e=1/{r+(1-r)h}=1/{5+(1-5)*0.968}=88.6% ta=tc/e=40ns/88.6%=45ns

6、某计算机的存储系统由cache、主存和磁盘构成。cache的访问时间为15ns；如果被访问的单元在主存中但不在cache中，需要用60ns的时间将其装入

cache，然后再进行访问；如果被访问的单元不在主存中，则需要10ms的时间将其从磁盘中读入主存，然后再装入cache中并开始访问。若cache的命中率为90%，主存的命中率为60%，求该系统中访问一个字的平均时间。

7、某计算机系统的内存储器又cache和主存构成，cache的存储周期为30ns，主存的存取周期为150ns。已知在一段给定的时间内，CPU共访问内存5000次，其中400次访问主存。问：

① cache的命中率是多少？

h=Nc/(Nc+Nm)=5000/(5000+400)=0.925 ②

CPU访问内存的平均时间是多少纳秒？

R=tm/tc=150ns/30ns=5

③ cache-主存系统的效率是多少？ e=1/{r+(1-r)h}=1/{5+(1-5)*0.925}=76.9% ta=tc/e=30ns/76.9%=39ns

8、设两个浮点数N1=2j1×S1,N2=2j2×S2，其中阶码3位（移码），尾数4位，数符1位。设：

j1=(-10)2,S1=(+0.1001)2 j2=(+10)2,S2=(+0.1011)2

求：N1×N2，写出运算步骤及结果，积的尾数占4位，按原码阵列乘法器计算步骤求尾数之积。

9、已知cache存储周期40ns，主存存储周期200ns，cache/主存系统平均访问时间为50ns，求cache的命中率是多少？

10、一盘组共11片，记录面为20面，每面上外道直径为14英寸，内道直径为10英寸，分203道。数据传输率为983040B/S，磁盘转速为3600转/分。假定每个记录块记录1024B，且系统可挂多达16台这样的磁盘，请给出适当的磁盘地址格式，并计算盘组总的存储容量。 有效存储区域：7-5=2英寸

内层磁道周长为2πR=2*3.14*5=31.4英寸 柱面有203个

每道信息量=Dr/n=983040/60转/s=16384B 每面信息量=16384*203=3325952B 盘组总容量=3325952B*20=66519040B

五、设计题（12分）

1、 用2M×8位的SRAM芯片，设计8M×32位的SRAM存储器。

2、机器字长32位，常规设计的物理存储空间≤32M，若将物理存储空间扩展到256M，请提出一种设计方案。

3、用16K×8位的DRAM芯片构成64K×32位的存储器，要求： （1）画出该存储器的组成逻辑框图。

（2）设存储器读写周期为0.5us,CPU在1us内至少访问一次，试问采用哪种刷新方式比较合理？两次刷新的最大

六、证明题（12分）

1、 用定量分析方法证明多模块交叉存储器带宽大于顺序存储器带宽。 2、一条机器指令的指令周期包括取指（IF）、译码（ID）、执行（EX）、写回（WB）四个过程段，每个过程段1个时钟周期T完成。

先段定机器指令采用以下三种方式执行：①非流水线（顺序）方式，②标量流水线方式，③超标量流水线方式。

请画出三种方式的时空图，证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。

3、用定量分析法说明流水处理机比非流水（顺序）处理机具有更高的吞吐率。