《组成原理》问答计算题、、

（1）微操作：

 计算机在执行一条指令时，总是把一条指令分成若干基本操作，称之为微操作

（2）数据通路：

数字系统中，各个子系统通过数据总线连接形成的数据传送路径称为数据通路。

（3）同步控制：

是一种常用的工控技术。按照一定比率来协调主机和从机之间的位置、转速、扭矩等量

（4）异步控制：

当控制器发出进行某一微操作控制信号后，等待执行部件完成此操作后发回的“回答”信号或“结束”信号，再开始新的微操作，称为异步控制方式。

（6）微指令：在微程序控制的计算机中，将由同时发出的控制信号所执行的一组微操作称为微指令。

（7）微程序：

它是实现程序的一种手段，具体就是将一条机器指令编写成一段微程序。

(1)存储元:

存储器的最小存储单元，它的作用是用来存放一位二进制代码0或1，任何具有两个稳定状态（双稳态）的物理器件都可以来做存储元。

（8）硬件（Hardware）：电子计算机系统中所有实体部件和设备的统称。

（9）软件（Software）：一系列按照特定顺序组织的计算机数据和指令的集合。

(10)总线（Bus）：计算机各种功能部件之间传递信息的公共通信干线，是由导线组成的线束。常用：AB、DB、CB

(11)机器字长：计算机进行一次整数运算所能处理的二进制数据位（CPU内部数                  据通路的宽度）

(12)虚拟机（Virtual Machine）：

通过软件模拟的，具有完整硬件系统功能的，运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。

（1）机器数： 把符号“数字化”的数，是数字在计算机中的二进制表示形式。

（2）定点数： 计算机中采用的一种数的表示方法。参与运算数的小数点位置固定不变

（3） 浮点数： 属于有理数中某种特定子集的数的数字表示。

 在计算机中用以近似表示任意某个实数。

（4）寻址方式： 一个CPU指令系统中规定的寻找操作数或者操作数地址的方式。

（5）堆栈： 一种执行“先进后出”算法的数据结构。

（6）CICS:  IBM公司的强大主机交易服务器，集成平台。

（7）RICS:  精简指令系统计算机。CISC:复杂指令系统计算机。

（8）变形补码：（也叫“模4的补码”） 

 用2个二进制位表示数字的符号位，其余与补码相同。

“00”表示正数，“11”表示负数；“01”正溢出（上溢）、“10”负溢出（下溢）

(9)溢出：  要表示的数据超出计算机所使用的数据范围时所产生的行为。

（10）对阶：  将两个进行运算的浮点数的阶码对齐的操作

求出两个浮点数阶码的差——>将小阶码加上  E，使之与大阶码相等——>小阶码对应浮点数的尾数右移相应位数，保证浮点数值不变

（11）规格化：  浮点数中，为了在尾数中表示最多的有效数据位，同时使浮点数具有唯一的表示方式，浮点数的编码所采用的规范格式。【小数点后首位不为0（1/R<=X<=1）】

四. 简答题（每小题7分，共28分）

1.说明计数器定时查询工作原理。

计数器定时查询方式工作原理：总线上的任一设备要求使用总线时，通过BR线发出总线请求。总线控制器接到请求信号以后，在BS线为“0”的情况下让计数器开始计数，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相一致时，该设备置“1”BS线，获得总线使用权，此时中止计数查询。

2.什么是刷新存储器？其存储容量与什么因素有关？

为了不断提供刷新图像的信号，必须把一帧图像信息存储在刷新存储器，也叫视频存储器。其存储容量由图像灰度级决定。分辨率越高，灰度级越多，刷新存储器容量越大。

3.外围设备的I/O控制方式分哪几类？各具什么特点？

    外围设备的I/O控制方式分类及特点：

（1）程序查询方式：CPU的操作和外围设备的操作能够同步，而且硬件结构比较简单

（2）程序中断方式：一般适用于随机出现的服务，且一旦提出要求应立即进行，节省了CPU的时间，但硬件结构相对复杂一些。

（3）直接内存访问（DMA）方式：数据传输速度很高，传输速率仅受内存访问时间的。需更多硬件，适用于内存和高速外设之间大批交换数据的场合。

（4）通道方式：可以实现对外设的统一管理和外设与内存之间的数据传送，大大提高了CPU的工作效率。

（5）外围处理机方式：通道方式的进一步发展，基本上于主机工作，结果更接近一般处理机。

4.什么是指令周期？什么是机器周期？什么是时钟周期？三者有什么关系？

指令周期是指取出并执行一条指令的时间，指令周期常常用若干个CPU周期数来表示，CPU周期也称为机器周期，而一个CPU周期又包含若干个时钟周期（也称为节拍脉冲或T周期）。

   6. 解释下列名词的含义：

（1）总线仲裁 :  

  为了解决多个主设备同时竞争总线控制权，必须具有总线仲裁部件，以某种方式选择其中一个主设备作为总线的下一次主方。对多个主设备提出的占用总线请求，一般采用优先级或公平策略进行仲裁。 按照总线仲裁电路的位置不同，仲裁方式分为集中式仲裁和分布式仲裁两类。

（2）虚拟存储器:

     虚拟存储器是建立在主存一外存层次上的由操作系统存储管理软件及附加硬件装置（存储器管理部件MMU）组成的存储体系。它以透明的方式给用户提供了一个访问速度接近（略大于）主存储器，而存储空间比实际主存空间大得多的虚拟存储器。此时程序的逻辑地址称为虚拟地址(虚地址)，程序的逻辑地址空间称为虚拟地址空间。因此，虚拟存储器不仅解决了人们追求的存储容量大、存取速度快和成本低之间的矛盾，而且它也是一种有效的存储体系管理方式。

物理地址(实地址)由CPU地址引脚送出，它是用于访问主存的地址。虚拟地址是程序设计者使用的地址。工作在虚拟地址模式下的CPU理解这些虚拟地址，并将它们转换成物理地址。

2、计算机中输入输出传送方式有几种？各有何特点？各自用在什么场合？

答：传送方式一般有4种，即无条件方式、查询方式、中断方式和DMA方式。

（1）无条件方式

在这种传送方式时，CPU已认定外设作好输入或输出准备，所以不必查询外设的状态而直接与外设进行数据传送。这种传送方式的特点是：硬件电路和程序设计都很简单，常常用在对外设要求不高的系统中，如交通灯管理、路灯管理和广告牌显示等系统中。

（2）查询方式

查询方式是指CPU在传送数据（包括读入和写出）之前，要检查外设是否“准备好”，若没有准备好，则继续查其状态，直至外设准备好了，即确认外部设备已具备传送条件之后，才能进行数据传送。显然，在这种方式下，CPU每传送一个数据，需花费很多时间来等待外设进行数据传送的准备，且CPU与外设不能同时工作，各种外设也不能同时工作，因此，信息传送的效率非常之低。但这种方式传送数据比无条件传送数据的可靠性高，接口电路也较简单，硬件开销小，在CPU不太忙且传送速度要求不高的情况下采用。

（3）中断方式

中断传送方式的特点是：外设具有主动向CPU申请服务的能力。当输入设备已将数据准备好，或者输出设备可以接收数据时，便可以向CPU发出中断请求，CPU可中断正在执行的程序而和外设进行一次数据传输。待输入操作或输出操作完成后，CPU再恢复执行原来的程序。与查询工作方式不同的是，这时的CPU不用主动去不断地查询等待，而可以去处理其他事情。因此，采用中断传送时，CPU和外设是处在并行工作的状况下，这样就大大提高了CPU的效率。

（4）DMA方式

在DMA方式下，外设通过DMA的一种专门接口电路——DMA控制器(DMAC)，向CPU提出接管总线控制权的总线请求，CPU在当前的总线周期结束后，响应DMA请求，把对总线的控制权交给DMA控制器。于是在DMA控制器的管理下，外设和存储器直接进行数据交换，而不需CPU干预，这样可以大大提高数据传送速度。

3、指令的地址与指令中的地址码含义有何不同？

答：指令的地址是指该指令在主存储器中的地址，而指令中的地址码是指该指令所需操作数的形式地址。

4、微程序逻辑控制器有哪些部分组成？简述各部分的作用。

   答：它主要由控制存储器、微指令寄存器和地址转移逻辑三大部分组成。　　

(1) 控制存储器

控制存储器用来存放实现全部指令系统的微程序，它是一种只读存储器。一旦微程序固化，机器运行时则只读不写。 

(2) 微指令寄存器

微指令寄存器用来存放由控制存储器读出的一条微指令信息。其中微地址寄存器决定将要访问的下一条微指令的地址，而微命令寄存器则保存一条微指令的操作控制字段和判别测试字段的信息。

(3) 地址转移逻辑 

在一般情况下，微指令由控制存储器读出后直接给出下一条微指令的地址，通常我们简称微地址，这个微地址信息就存放在微地址寄存器中。如果微程序不出现分支，那么下一条微指令的地址就直接由微地址寄存器给出。当微程序出现分支时，意味着微程序出现条件转移。在这种情况下，通过判别测试字段P和执行部件的“状态条件”反馈信息，去修改微地址寄存器的内容，并按改好的内容去读下一条微指令。地址转移逻辑就承担自动完成修改微地址的任务。

1．计算机的发展历史经历了哪三个发展阶段？

 手工阶段、机械阶段、电子计算阶段 

    2.冯·诺依曼思想的基本思想是什么？

（1）、采用二进制

       （2）、采用存储控制

（3）、计算机由五大部件（运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备）构成 

3.控制器应该具有哪两项主要任务？

（1）、按照程序要求，控制程序中指令的执行程序 

（2）、根据指令寄存器中的指令码控制每一条指令的执行 

4.计算机系统的层次结构主要包括哪些层次？

（0--6层）数字逻辑层、微程序设计层、机器语言层、操作系统层、汇编语言层、高级语言层、应用语言层

5.CPU应该具有哪四项基本功能？

6.试画出MOV  A，B指令的指令周期操作流程图。

7.计算机内部有哪两股信息在流动？它们彼此有什么关系？

8.指令和数据均存放在内存中，CPU如何区分它们是指令还是数据？指令有专门的指令码，一般指令是存放在特定的内存空间里，根数据区域是完全分开的

9.微程序控制器有何特点？

微程序控制器设计方便，结构简单，修改或扩充都方便，修改一条机器指令的功能，只需重编所对应的微程序

10．控制器的控制方式解决什么问题?有哪几种基本控制方式？

同步控制  异步控制  联合控制  人工控制   就这4种方式

11．什么叫指令？什么叫微指令？二者有什么关系？

机器指令是 CPU能直接识别并执行的指令，它的表现形式是二进制编码。机器指令通常由操作码和操作数两部分组成，操作码指出该指令所要完成的操作，即指令的功能，操作数指出参与运算的对象，以及运算结果所存放的位置等。 

机器语言是用来直接描述机器指令、使用机器指令的规则等。它是CPU能直接识别的唯一一种语言，也就是说，CPU能直接执行用机器语言描述的程序。 　　

在微程序控制的计算机中，将由同时发出的控制信号所执行的一组微操作称为微指令。

12．机器指令包括哪两个基本要素？微指令又包括哪两个基本要素？程序靠什么实现顺序执行？靠什么实现转移？微程序中顺序执行和转移依靠什么方法？

13．在组合逻辑控制器中，指令寄存器IR提供哪些与微操作命令形成有关的信息？时序部件提供哪些信号？它们在微命令形成中起什么作用？为什么微命令的形成与状态信息（PSW中的标志位）有关？

14．请画出控制器的基本组成框图。

15．简述CPU设计的基本步骤。

16．计算机存储系统分哪几个层次？每一层次主要采用什么存储介质？其存储容量和存取速度的相互关系如何？

计算机系统中存储层次可分为高速缓冲存储器、主存储器、辅助存储器三级

高速缓冲存储器用来改善主存储器与处理器的速度匹配问题

辅助存储器用于扩大存储空,即硬盘，光盘等，容量大，但存取数据慢，计算机都是先把辅存中要读的东西放到主存后处理，然后在依据情况是否写回。

主存即为内存，断电信息丢失，但存取数据块，它的容量大小直接影响计算机运行速度。由于储存速度，储存器各种类的造价问题，及储存器的容量问题，电脑就形成了以CPU内置高速Cache（最快最贵），内存（快速贵），硬盘（便宜容量大），为主的储存方式，而光碟，闪存是方便移动的储存器介质

17．SRAM、DRAM各有何特点？

【解答】特点是容量大、存取速度快、体积小、功耗低、集成度高、价格便宜。

SRAM存放的信息在不停电的情况下能长时间保留不变，只要不掉电所保存的信息就不会丢失。而DRAM保存的内容即使在不掉电的情况下隔一定时间后也会自动消失，因此要定时对其进行刷新。

18．简述Cache的替换策略。

19．简述页表的作用。

为实现段页式存储管理，系统应为每个进程设置一个段表，包括每段的段号，该每个段有自己的页表，记录段中的每一页的页号和存放在主存中的物理块号。

20．程序局部性原理是什么？

是指程序在执行时呈现出局部性规律，即在一段时间内，整个程序的执行仅限于程序中的某一部分。

21．接口的基本功能有哪些？接口的基本组成包括哪些部件？

接口的基本功能是 输入缓冲 和 输出锁存；

22．常用的输入输出控制方式有哪几种？

23．程序查询式接口由哪些部件组成？

24．中断过程一般包括哪几个阶段？

中断请求   中断判优    中断响应   中断处理     中断返回

25．CPU响应中断的条件是什么？

1、有中断源发出的中断请求；

2、中断总允许位EA=1，即CPU开中断；

3、申请中断的中断源的中断允许位为1，即中断没有被屏蔽；

4、无同级或更高级中断正在被服务；

5、当前的指令周期已经结束

26．程序中断与一般所指的转子程序有何不同？

中断是程序自己终结，子程序是程序跳转，没有终结

27．如果系统中有多个I/O请求，决定其优先权高低的一般原则是什么？

五. 应用计算题（每小题8分，共32分）

1.已知：X=0.1011,Y=－0.0101,求[X/2]补,[X/4]补[－X]补，

[Y/2]补,[Y/4]补，[－Y]补

解：[X]补 = 0.1011   [X/2]补 = 0.01011    

[X/4]补 = 0.001011   [－X]补 =  1.0101

[Y] 补 = 1.1011   [Y/2]补 = 1.11011    

[Y/4]补 = 1.111011   [－Y]补 = 0.0101

1．设机器字长8位，写出下列各数的原码、反码和补码。（每小题3分，共12分）

　　　（1）+56       （2）-56  （3）+126     （4）-126

答：

（1）[+56]原=00111000B；[+56]反=00111000B；[+56]补=00111000B。

（2）[-56]原=10111000B；[-56]反=11000111B；[-56]补=11001000B。

（3）[+126]原=01111110B；[+126]反=01111110B；[+126]补=01111110B。

    （4）[-126]原=11111110B；[-126]反=10000001B；[-126]补=10000010B。

2．设机器字长8位，完成下列运算，并写出运算过程。（每小题6分，共12分）

1．已知X= +0000111，Y= -0010011，用补码计算X＋Y。

2．已知X= -0111000，Y= -0010001，用补码计算X－Y。

答： 

（1）因为　    [X]补=0 0000111，[Y]补=1 1101101

  则                  [X]补=0 0000111                   +7

             　+) 　[Y]补= 1 1101101             +）  -19

                 [X]补+[Y]补=1 1110100                  -12

所以　         [X]补+[Y]补=1 1110100       （mod 28）

此和数为负，将负数的补码还原为原码，即：

[X+Y]原=[(X+Y)补]补=1 0001100

（2）因为        ［X］补=1 1001000

                     ［Y］补=1 1101111 ［-Y］补=0 0010001

  则                   [X]补=1 1001000

3．求下列整数补码的真值。

             　+) 　[-Y]补= 1 1101111

                 [X]补+[-Y]补 =1 1011001

所以　　　[X]补-[Y]补=[X]补+[-Y]补= 1 1011001

1．已知[X]原=10011011是定点纯小数，写出X的浮点数规格化形式，设其阶码是4位，补码表示，尾数是8位，原码表示。

2．将下列十进制数写成字长为16位的二进制原码、反码、补码。

（1）+39            （2）-65            （3）-35

（1）10110110        （2）01000110    （3）11110010

3．已知X＝－0.1001，Y＝＋0.0011，用补码求X－Y＝？请分步列出运算过程。

4．已知X＝－0.0101，Y＝＋0.0011，用补码一位乘法求XY＝？请分步列出运算过程，并给出完整的乘积。

5．已知X＝－0.1010，Y＝＋0.1101，用原码不恢复余数除法求X/Y＝？请分步列出运算过程，并给出商和余数。

6．回答下列各机器数所表示数的范围

(1)8位二进制无符号定点整数；  ：+127 ~ -128

(2)8位二进制无符号定点小数；

(3)16位二进制无符号定点整数；

(4)用补码表示的16位二进制有符号整数；

(5)用浮点数表示（阶码是4位原码，尾数是8位原码）的数。

在电子数字计算机中，无论是数据还是控制信息都采用二进制数字化方式来表示。信息表示数字化通常包含了哪两层含义？

简述基址寻址方式和变址寻址方式的主要区别。

为什么通用计算机中多采用补码运算？

溢出和进位有何不同？

处理器内部以补码表示有符号数,8个二进制位能够表达的整数范围是：+127 ~ -128,16位表达的范围是：+32767 ~ -32768.如果运算结果超出了这个范围，就是产生了溢出,有溢出，说明有符号数的运算结果不正确

溢出标志OF和进位标志CF是两个意义不同的标志.进位标志表示无符号数运算结果是否超出范围，运算结果仍然正确；溢出标志表示有符号数运算结果是否超出范围，运算结果已经不正确。

简述采用单符号位检测溢出的方法。

浮点数采用规格化表示，是何含义？

简述原码一位乘法运算的运算步骤。

简述浮点加减法运算的运算步骤。

简述浮点运算中溢出的处理方法。

五、设计题

1.用16K×16位的SRAM芯片构成K×32位的存储器。要求画出该存储器的组成逻辑框图。

所需芯片总数（K×32）÷（16K×16）= 8片 因此存储器可分为4个模块，每个模块16K×32位，各模块通过A15、A14进行2：4译码

3．CPU结构如图所示，其中一个累加寄存器AC，一个状态条件寄存器和其它四个寄存器，各部分之间的连线表示数据通路，箭头表示信息传送方向。

(1) 标明图中四个寄存器的名称。

(2) 简述指令从主存取到控制器的数据通路。

  (3) 数据在运算器和主存之间进行存/取访问的数据通路。

答：（1）a为数据缓冲寄存器DR，b为指令寄存器IR，c为主存地址寄存器AR，d为程序计数器PC；

（2）PC→AR→主存 → 缓冲寄存器DR → 指令寄存器IR → 操作控制器

（3）存储器读：M → DR → ALU → AC      存储器写：AC → DR → M

4．总线的一次信息传送过程大致分哪几个阶段？若采用同步定时协议，画出读数据的同步时序图。

答：分五个阶段：总线请求，总线仲裁，寻址（目的地址），信息传送，状态返回（或错误报告）。

时序图：

六.设计题

1、某静态RAM芯片具有1k×4位的容量，数据线供输入/输出公用，读写线为R/W，片选线为CS，请用此芯片构成2k×8位的存储器，地址范围为3000H～37FFH，画出其连接图。（10分）

2、设某模型计算机的数据通路结构如图所示，请画出模型机ADD R0，M ；R0←（R0）+（M）指令的微程序流程图。（10分）

假设ADD R0，M为双字长指令，格式如下所示：