1、计算机系统复习重点6. 画出计算机硬件组成框图，说明各部件的作用及计算机系统的主要技术指标。答：计算机硬件组成框图如下： 各部件的作用如下： 控制器：整机的指挥中心，它使计算机的各个部件自动协调工作。 运算器：对数据信息进行处理的部件，用来进行算术运算和逻辑运算。 存储器：存放程序和数据，是计算机实现“存储程序控制”的基础。 输入设备：将人们熟悉的信息形式转换成计算机可以接受并识别的信息形式的设备。 输出设备：将计算机处理的结果（二进制信息）转换成人类或其它设备可以接收和识别的信息形式的设备。计算机系统的主要技术指标有： 机器字长：指CPU一次能处理的数据的位数。通常与CPU的寄存器的位数有关
2、，字长越长，数的表示范围越大，精度也越高。机器字长也会影响计算机的运算速度。数据通路宽度：数据总线一次能并行传送的数据位数。存储容量：指能存储信息的最大容量，通常以字节来衡量。一般包含主存容量和辅存容量。运算速度：通常用MIPS（每秒百万条指令）、MFLOPS（每秒百万次浮点运算）或CPI（执行一条指令所需的时钟周期数）来衡量。CPU执行时间是指CPU对特定程序的执行时间。主频：机器内部主时钟的运行频率，是衡量机器速度的重要参数。吞吐量：指流入、处理和流出系统的信息速率。它主要取决于主存的存取周期。响应时间：计算机系统对特定事件的响应时间，如实时响应外部中断的时间等。7. 解释下列概念：主机、
3、CPU、主存、存储单元、存储元件、存储基元、存储元、存储字、存储字长、存储容量、机器字长、指令字长。解：P9-10主机：是计算机硬件的主体部分，由CPU和主存储器MM合成为主机。CPU：中央处理器，是计算机硬件的核心部件，由运算器和控制器组成；（早期的运算器和控制器不在同一芯片上，现在的CPU内除含有运算器和控制器外还集成了CACHE）。主存：计算机中存放正在运行的程序和数据的存储器，为计算机的主要工作存储器，可随机存取；由存储体、各种逻辑部件及控制电路组成。存储单元：可存放一个机器字并具有特定存储地址的存储单位。存储元件：存储一位二进制信息的物理元件，是存储器中最小的存储单位，又叫存储基元或
4、存储元，不能单独存取。存储字：一个存储单元所存二进制代码的逻辑单位。存储字长：一个存储单元所存储的二进制代码的总位数。存储容量：存储器中可存二进制代码的总量；（通常主、辅存容量分开描述）。机器字长：指CPU一次能处理的二进制数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。指令字长：机器指令中二进制代码的总位数。8. 解释下列英文缩写的中文含义：CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS解：全面的回答应分英文全称、中文名、功能三部分。CPU：Central Processing Unit，中央处理机（器），是计算机硬件的核心部件，主要由运算
5、器和控制器组成。PC：Program Counter，程序计数器，其功能是存放当前欲执行指令的地址，并可自动计数形成下一条指令地址。IR：Instruction Register，指令寄存器，其功能是存放当前正在执行的指令。CU：Control Unit，控制单元（部件），为控制器的核心部件，其功能是产生微操作命令序列。ALU：Arithmetic Logic Unit，算术逻辑运算单元，为运算器的核心部件，其功能是进行算术、逻辑运算。ACC：Accumulator，累加器，是运算器中既能存放运算前的操作数，又能存放运算结果的寄存器。MQ：Multiplier-Quotient Registe
6、r，乘商寄存器，乘法运算时存放乘数、除法时存放商的寄存器。X：此字母没有专指的缩写含义，可以用作任一部件名，在此表示操作数寄存器，即运算器中工作寄存器之一，用来存放操作数；MAR：Memory Address Register，存储器地址寄存器，在主存中用来存放欲访问的存储单元的地址。MDR：Memory Data Register，存储器数据缓冲寄存器，在主存中用来存放从某单元读出、或要写入某存储单元的数据。I/O：Input/Output equipment，输入/输出设备，为输入设备和输出设备的总称，用于计算机内部和外界信息的转换与传送。MIPS：Million Instruction
7、Per Second，每秒执行百万条指令数，为计算机运算速度指标的一种计量单位。9. 画出主机框图，分别以存数指令“STA M”和加法指令“ADD M”（M均为主存地址）为例，在图中按序标出完成该指令（包括取指令阶段）的信息流程（如）。假设主存容量为256M*32位，在指令字长、存储字长、机器字长相等的条件下，指出图中各寄存器的位数。解：主机框图如P13图1.11所示。（1）STA M指令：PCMAR，MARMM，MMMDR，MDRIR，OP(IR)CU，Ad(IR)MAR，ACCMDR，MARMM，WR（2）ADD M指令：PCMAR，MARMM，MMMDR，MDRIR， OP(IR)CU，
8、Ad(IR)MAR，RD，MMMDR，MDRX，ADD，ALUACC，ACCMDR，WR假设主存容量256M*32位，在指令字长、存储字长、机器字长相等的条件下，ACC、X、IR、MDR寄存器均为32位，PC和MAR寄存器均为28位。1. 什么是总线？总线传输有何特点？为了减轻总线负载，总线上的部件应具备什么特点？答：P41.总线是一种能由多个部件分时共享的公共信息传送线路。总线传输的特点是：某一时刻只允许有一个部件向总线发送信息，但多个部件可以同时从总线上接收相同的信息。为了减轻总线负载，总线上的部件应通过三态驱动缓冲电路与总线连通。2. 总线如何分类？什么是系统总线？系统总线又分为几类，它
9、们各有何作用，是单向的，还是双向的，它们与机器字长、存储字长、存储单元有何关系？答：按照连接部件的不同，总线可以分为片内总线、系统总线和通信总线。系统总线是连接CPU、主存、I/O各部件之间的信息传输线。系统总线按照传输信息不同又分为地址线、数据线和控制线。地址线是单向的，其根数越多，寻址空间越大，即CPU能访问的存储单元的个数越多；数据线是双向的，其根数与存储字长相同，是机器字长的整数倍。4. 为什么要设置总线判优控制？常见的集中式总线控制有几种？各有何特点？哪种方式响应时间最快？哪种方式对电路故障最敏感？答：总线判优控制解决多个部件同时申请总线时的使用权分配问题；常见的集中式总线控制有三种
10、：链式查询、计数器定时查询、独立请求；特点：链式查询方式连线简单，易于扩充，对电路故障最敏感；计数器定时查询方式优先级设置较灵活，对故障不敏感，连线及控制过程较复杂；独立请求方式速度最快，但硬件器件用量大，连线多，成本较高。5. 解释下列概念：总线宽度、总线带宽、总线复用、总线的主设备（或主模块）、总线的从设备（或从模块）、总线的传输周期和总线的通信控制。答：P46。总线宽度：通常指数据总线的根数；总线带宽：总线的数据传输率，指单位时间内总线上传输数据的位数；总线复用：指同一条信号线可以分时传输不同的信号。总线的主设备（主模块）：指一次总线传输期间，拥有总线控制权的设备（模块）；总线的从设备（
11、从模块）：指一次总线传输期间，配合主设备完成数据传输的设备（模块），它只能被动接受主设备发来的命令；总线的传输周期：指总线完成一次完整而可靠的传输所需时间；总线的通信控制：指总线传送过程中双方的时间配合方式。1. 解释概念：主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory。答：主存：主存储器，用于存放正在执行的程序和数据。CPU可以直接进行随机读写，访问速度较高。辅存：辅助存储器，用于存放当前暂不执行的程序和数据，以及一些需要永久保存的信息。Cache：高速缓冲存储器，介于CPU和主存之间，用于解决CPU和主存
12、之间速度不匹配问题。RAM：半导体随机存取存储器，主要用作计算机中的主存。SRAM：静态半导体随机存取存储器。DRAM：动态半导体随机存取存储器。ROM：掩膜式半导体只读存储器。由芯片制造商在制造时写入内容，以后只能读出而不能写入。PROM：可编程只读存储器，由用户根据需要确定写入内容，只能写入一次。EPROM：紫外线擦写可编程只读存储器。需要修改内容时，现将其全部内容擦除，然后再编程。擦除依靠紫外线使浮动栅极上的电荷泄露而实现。EEPROM：电擦写可编程只读存储器。CDROM：只读型光盘。Flash Memory：闪速存储器。或称快擦型存储器。7. 一个容量为16K32位的存储器，其地址线和
13、数据线的总和是多少？当选用下列不同规格的存储芯片时，各需要多少片？1K4位，2K8位，4K4位，16K1位，4K8位，8K8位解：地址线和数据线的总和 = 14 + 32 = 46根；选择不同的芯片时，各需要的片数为：1K4：（16K32） / （1K4） = 168 = 128片2K8：（16K32） / （2K8） = 84 = 32片4K4：（16K32） / （4K4） = 48 = 32片16K1：（16K32）/ （16K1） = 132 = 32片4K8：（16K32）/ （4K8） = 44 = 16片8K8：（16K32） / （8K8） = 24 = 8片13. 设有一个6
14、4K8位的RAM芯片，试问该芯片共有多少个基本单元电路（简称存储基元）？欲设计一种具有上述同样多存储基元的芯片，要求对芯片字长的选择应满足地址线和数据线的总和为最小，试确定这种芯片的地址线和数据线，并说明有几种解答。解：存储基元总数 = 64K8位 = 512K位 = 219位；思路：如要满足地址线和数据线总和最小，应尽量把存储元安排在字向，因为地址位数和字数成2的幂的关系，可较好地压缩线数。设地址线根数为a，数据线根数为b，则片容量为：2ab = 219；b = 219-a；若a = 19，b = 1，总和 = 19+1 = 20；a = 18，b = 2，总和 = 18+2 = 20； a
15、 = 17，b = 4，总和 = 17+4 = 21； a = 16，b = 8，总和 = 16+8 = 24； 由上可看出：芯片字数越少，芯片字长越长，引脚数越多。芯片字数减1、芯片位数均按2的幂变化。结论：如果满足地址线和数据线的总和为最小，这种芯片的引脚分配方案有两种：地址线 = 19根，数据线 = 1根；或地址线 = 18根，数据线 = 2根。14. 某8位微型机地址码为18位，若使用4K4位的RAM芯片组成模块板结构的存储器，试问：（1）该机所允许的最大主存空间是多少？（2）若每个模块板为32K8位，共需几个模块板？（3）每个模块板内共有几片RAM芯片？（4）共有多少片RAM？（5）
16、CPU如何选择各模块板？解：（1）该机所允许的最大主存空间是：218 8位 = 256K8位 = 256KB（2）模块板总数 = 256K8 / 32K8 = 8块（3）板内片数 = 32K8位 / 4K4位 = 82 = 16片（4）总片数 = 16片8 = 128片（5）CPU通过最高3位地址译码输出选择模板，次高3位地址译码输出选择芯片。地址格式分配如下：15. 设CPU共有16根地址线，8根数据线，并用（低电平有效）作访存控制信号，作读写命令信号（高电平为读，低电平为写）。现有下列存储芯片：ROM（2K8位，4K4位，8K8位），RAM（1K4位，2K8位，4K8位），及74138译码
17、器和其他门电路（门电路自定）。试从上述规格中选用合适芯片，画出CPU和存储芯片的连接图。要求：（1）最小4K地址为系统程序区，409616383地址范围为用户程序区。（2）指出选用的存储芯片类型及数量。（3）详细画出片选逻辑。解：（1）地址空间分配图： 系统程序区（ROM共4KB）：0000H-0FFFH 用户程序区（RAM共12KB）：1000H-3FFFH （2）选片：ROM：选择4K4位芯片2片，位并联 RAM：选择4K8位芯片3片，字串联(RAM1地址范围为:1000H-1FFFH,RAM2地址范围为2000H-2FFFH, RAM3地址范围为:3000H-3FFFH) （3）各芯片二
18、进制地址分配如下：A15A14A13A12A11A10A9A8A7A6A5A4A3A2A1A0ROM1,200000000000000000000011111111111RAM100010000000000000001111111111111RAM200100000000000000010111111111111RAM300110000000000000011111111111111CPU和存储器连接逻辑图及片选逻辑如下图(3)所示：图（3）16. CPU假设同上题，现有8片8K8位的RAM芯片与CPU相连，试回答：（1）用74138译码器画出CPU与存储芯片的连接图；（2）写出每片RAM的地
19、址范围；（3）如果运行时发现不论往哪片RAM写入数据后，以A000H为起始地址的存储芯片都有与其相同的数据，分析故障原因。（4）根据（1）的连接图，若出现地址线A13与CPU断线，并搭接到高电平上，将出现什么后果？解：（1）CPU与存储器芯片连接逻辑图： （2）地址空间分配图： RAM0：0000H1FFFH RAM1：2000H3FFFHRAM2：4000H5FFFH RAM3：6000H7FFFH RAM4：8000H9FFFH RAM5：A000HBFFFH RAM6：C000HDFFFH RAM7：E000HFFFFH（3）如果运行时发现不论往哪片RAM写入数据后，以A000H为起始地
20、址的存储芯片(RAM5)都有与其相同的数据，则根本的故障原因为：该存储芯片的片选输入端很可能总是处于低电平。假设芯片与译码器本身都是好的，可能的情况有：1）该片的端与端错连或短路；2）该片的端与CPU的端错连或短路；3）该片的端与地线错连或短路。（4）如果地址线A13与CPU断线，并搭接到高电平上，将会出现A13恒为“1”的情况。此时存储器只能寻址A13=1的地址空间(奇数片)，A13=0的另一半地址空间（偶数片）将永远访问不到。若对A13=0的地址空间（偶数片）进行访问，只能错误地访问到A13=1的对应空间(奇数片)中去。17. 写出1100、1101、1110、1111对应的汉明码。解：有
21、效信息均为n=4位，假设有效信息用b4b3b2b1表示校验位位数k=3位，（2k=n+k+1）设校验位分别为c1、c2、c3，则汉明码共4+3=7位，即：c1c2b4c3b3b2b1校验位在汉明码中分别处于第1、2、4位c1=b4b3b1 c2=b4b2b1 c3=b3b2b1当有效信息为1100时，c3c2c1=110,汉明码为0111100。当有效信息为1101时，c3c2c1=001,汉明码为1010101。当有效信息为1110时，c3c2c1=000,汉明码为0010110。当有效信息为1111时，c3c2c1=111,汉明码为1111111。18. 已知收到的汉明码（按配偶原则配置）
22、为1100100、1100111、1100000、1100001，检查上述代码是否出错？第几位出错？解：假设接收到的汉明码为：c1c2b4c3b3b2b1纠错过程如下：P1=c1b4b3b1P2=c2b4b2b1P3=c3b3b2b1如果收到的汉明码为1100100，则p3p2p1=011，说明代码有错，第3位（b4）出错，有效信息为：1100如果收到的汉明码为1100111，则p3p2p1=111，说明代码有错，第7位（b1）出错，有效信息为：0110如果收到的汉明码为1100000，则p3p2p1=110，说明代码有错，第6位（b2）出错，有效信息为：0010如果收到的汉明码为110000
23、1，则p3p2p1=001，说明代码有错，第1位（c1）出错，有效信息为：000120. 欲传送的二进制代码为1001101，用奇校验来确定其对应的汉明码，若在第6位出错，说明纠错过程。解：欲传送的二进制代码为1001101，有效信息位数为n=7位，则汉明校验的校验位为k位，则：2k=n+k+1，k=4，进行奇校验设校验位为C1C2C3C4，汉明码为C1C2B7C3B6B5B4C4B3B2B1，C1=1B7B6B4B3B1=110111=1C2=1B7B5B4B2B1=110101=0C3=1B6B5B4=1001=0C4=1B3B2B1=1101=1 故传送的汉明码为10100011101，
24、若第6位(B5)出错，即接收的码字为10100111101，则P1=1C1B7B6B4B3B1=1110111=0P2=1C2B7B5B4B2B1=1011101=1P3=1C3B6B5B4=10011=1P4=1C4B3B2B1=11101=0P4P3P2P1=0110说明第6位出错，对第6位取反即完成纠错。26. 计算机中设置Cache的作用是什么？能否将Cache的容量扩大，最后取代主存，为什么？答：计算机中设置Cache的作用是解决CPU和主存速度不匹配问题。不能将Cache的容量扩大取代主存，原因是:（1）Cache容量越大成本越高，难以满足人们追求低价格的要求；（2）如果取消主存，
25、当CPU访问Cache失败时，需要将辅存的内容调入Cache再由CPU访问，造成CPU等待时间太长，损失更大。4. 设CPU内有下列部件：PC、IR、SP、AC、MAR、MDR和CU。（1）画出完成间接寻址的取数指令LDAX（将主存某地址单元X的内容取至AC中）的数据流（从取指令开始）。（2）画出中断周期的数据流。解：CPU中的数据流向与所采用的数据通路结构直接相关，不同的数据通路中的数据流是不一样的。常用的数据通路结构方式有直接连线、单总线、双总线、三总线等形式，目前大多采用总线结构，直接连线方式仅适用于结构特别简单的机器中。为简单起见，本题采用单总线将题中所给部件连接起来，框图如下： （1
26、）LDAX指令周期数据流程图： （2）中断周期流程图如下：注：解这道题有两个要素，首先要根据所给部件设计好数据通路，即确定信息流动的载体。其次选择好描述数据流的方法，无论采用什么样的表达方式，其关键都要能清楚地反映数据在通路上流动的顺序，即强调一个“流”字。较好的表达方式是流程图的形式。17. 在中断系统中INTR、INT、EINT三个触发器各有何作用？解：INTR中断请求触发器，用来登记中断源发出的随机性中断请求信号，以便为CPU查询中断及中断排队判优线路提供稳定的中断请求信号。EINT中断允许触发器，CPU中的中断总开关。当EINT=1时，表示允许中断（开中断），当EINT=0时，表示禁止
27、中断（关中断）。其状态可由开、关中断等指令设置。INT中断标记触发器，控制器时序系统中周期状态分配电路的一部分，表示中断周期标记。当INT=1时，进入中断周期，执行中断隐指令的操作。5. 设机器A的主频为8MHz，机器周期含4个时钟周期，且该机的平均指令执行速度是0.4MIPS，试求该机的平均指令周期和机器周期，每个指令周期中含几个机器周期？如果机器B的主频为12MHz，且机器周期也含4个时钟周期，试问B机的平均指令执行速度为多少MIPS?解：先通过A机的平均指令执行速度求出其平均指令周期，再通过主频求出时钟周期，然后进一步求出机器周期。B机参数的算法与A机类似。计算如下：A机平均指令周期=1
28、/0.4MIPS=2.5sA机时钟周期=1/8MHz=125nsA机机器周期=125ns4=500ns=0.5s A机每个指令周期中含机器周期个数=2.5s0.5s=5个B机时钟周期 =1/12MHz 83nsB机机器周期 =83ns4=332ns设B机每个指令周期也含5个机器周期，则：B机平均指令周期=332ns5=1.66sB机平均指令执行速度=1/1.66s=0.6MIPS 结论：主频的提高有利于机器执行速度的提高。3. 什么是指令周期、机器周期和时钟周期？三者有何关系？答：CPU每取出并执行一条指令所需的全部时间叫指令周期；机器周期是在同步控制的机器中，执行指令周期中一步相对完整的操作
29、（指令步）所需时间，通常安排机器周期长度等于主存周期；时钟周期是指计算机主时钟的周期时间，它是计算机运行时最基本的时序单位，对应完成一个微操作所需时间，通常时钟周期等于计算机主频的倒数。7. 某CPU的主频为10MHz，若已知每个机器周期平均包含4个时钟周期，该机的平均指令执行速度为1MIPS，试求该机的平均指令周期及每个指令周期含几个机器周期？若改用时钟周期为0.4s的CPU芯片，则计算机的平均指令执行速度为多少MIPS？若要得到平均每秒80万次的指令执行速度，则应采用主频为多少的CPU芯片？解：先通过主频求出时钟周期时间，再进一步求出机器周期和平均指令周期。时钟周期=1/10MHz=0.110-6s机器周期=0.110-6s4=0.410-6s平均指令周期=1/1MIPS=10-6s每个指令周期所含机器周期个数=10-6s /0.410-6s =2.5个当芯片改变后：机器周期=0.4s4=1.6s平均指令周期=1.6s2.5=4s平均指令执行速度=1/4s=0.25MIPS若要得到平均每秒80万次的指令执行速度，则:平均指令周期=1/0.8MIPS=1.
