计组综合练习（期末复习大题部分适用）

参考教材：《计算机组成原理(第六版)》白中英主编 科学出版社

题型均为基础题

一. 论述题（共8题，64分）

1. (论述题, 8分)

 8K*8位DRAM芯片组成32K*16位的存储器，试问：

（1） 数据寄存器多少位？地址寄存器多少位？ 

（2） 共需要多少个芯片？如何组织？

（3）需要多少根地址线？其中要多少根作片选译码信号？

（4）画出此存储器与CPU的连接图。需要标注MREQ和读写信号。

（每问2分）

1）数据寄存器16位、地址寄存器15位（32K--2^15）；

2）8片，2片一组构成8K*16位，共4组；

3）A12~A0共13根地址线共用，A13、A14二根地址线作为片选译码信号

4）图中MREQ非需要连接到2-4译码器也要标出【此图为基础原理框图】

2. (论述题, 8分) 在一个分页虚存系统中，用户虚地址空间为512页，页长为2KB，主存物理为64KB。

已知用户程序有10页长，若虚页0、1、2、3已经被调入到主存4、7、8、10页中。 

请问：

1）物理地址和虚地址的格式。

2）虚地址01883和4BCD(十六进制)对应的物理地址是多少？

（每问4分）

（1）地址空间分配情况

页长2KB—211，页内地址11位   

物理地址空间：

64KB/2KB=32页—25, 页面地址5位，页内地址11位，共16位地址码

虚地址空间：

       512页—29,页面地址9位，页内地址11位。共20位地址码

（2）地址对应情况

当前内存状况在反映在页表中，页表的内容 为4、7、8、10

虚地址01883H=0000 0001 1000 1000 0011B，页面号为3，查表得已被调入到主存页10，

所以，物理地址中的页面号为10，页内地址与虚地址的页内地址相同，

所以物理地址是：101 0000 1000 0011B=5083H

虚地址4BCDEH=0100 1011 1100 1101 B，页面号为9，查表，发现该页未被调入到主存中，所以无物理地址，会发生缺页中断。

3. (论述题, 8分)

 设主存容量为512K字，CACHE容量为2K字，块长为16个字。

1）在直接映射方式下，设计主存地址格式。

2）在直接映射方式下，字地址为01234H的单元调入Cache，该地址的标记。

3）直接映射的优缺点。

4）全相联映射下，主存格式。

5）4路组相联映射下，主存格式。

(1) 主存容量512K字，地址位数19；块长16字，位数为4      

        Cache容量2K字，共有2K/16=128块，行地址可用7位表示 

        标记位数为19-7-4=8

        在直接映射方式下，设计主存地址格式为  

标记	行地址	块内地址
8	7	4

  (2) 在直接映射方式下，                               

    字地址为01234H= 000 0001 0010 0011 0100，前8位00000010为标记，即02H。

（3）直接映射的优点是硬件简单、成本低。 缺点是每个主存块只能调入Cache中固定的行，如果Cache容量小，会出现内存块频繁调入调出Cache的情况。

（4）在全相联映射方式下，主存地址格式为  

标记	块内地址
15	4

（5）Cache容量2K字，共有2K/16=128块，4路组相联，128/4=32组，组地址可用5位表示 

        标记位数为19-5-4=10

        在组相联映射方式下，设计主存地址格式为  

标记	组地址	块内地址
10	5	4

4. (论述题, 8分) 某微程序控制器中，微指令采用水平格式，微命令编码方法采用字段直接译码法，共有20个微操作控制信号，构成3个相斥类的微命令组，各组分别包含5、7、8个微命令。已知可判定的外部条件有两个，微指令的下地址字段直接给出后续微指令地址，微指令字长20位。 

1）按水平型微指令格式设计微指令。

2）画出微程序控制器原理框图。

3）计算控制存储器容量

1）按水平型微指令格式设计微指令             

直接译码法中，微命令编码时全0保留不用，所以5、7、8个微命令构成的3组分别需要

5+1——3位   7+1——3位     8+1——4位

判定条件有2个，加上直接地址，需要2位。

下地址字段的位数为  20-(3+3+4)-2=8

微指令格式为 

             5个微命令  7个微命令  8个微命令    2个判定条件      

操作控制字段

条件测试

下地址

               3位       3位       4位                       2位                                         8位

2）微程序控制器原理框图                                  

3）计算控制存储器容量

下地址8位，最多可有2^8条微指令，

每条微指令字长20位

容量：2^8*20/8=640B

5. (论述题, 8分)

设某机有5级中断：L0、L1、L2、L3、L4，其中中断响应优先次序为：L0到L4，L0最高，L4最低，现在要求将中断处理顺序改为L1、L3、L0、L4、L2，试问：

 （1）下表中各级中断处理程序的各中断级屏蔽值如何设置（每级对应一位，该位为“0”表示允许，该位为“1”表示中断屏蔽？

 （2）如这5级中断同时都发出中断请求，按更改后的次序画出进入各级中断处理程序的过程示意图。并叙述处理过程。

（1）处理程序中需屏蔽本级和低级中断，各级中断处理程序的屏蔽值设置如下表：

中断处理程序	中断处理屏蔽位
	I0级	I1级	I2	I3	I4
I0	1	0	1	0	1
I1	1	1	1	1	1
I2	0	0	1	0	0
I3	1	0	1	1	1
I4	0	0	1	0	1

（2）若这5级中断同时发出中断请求，按优先次序先调用L0，L0屏蔽了本级和低级中断请求，而L1的中断请求未屏蔽，则L1发生中断嵌套响应；L1中断时，不允许任何中断，服务完毕后，退回到L0的中断服务程序，这时，允许L3的中断嵌套响应；L3服务完毕后，返回L0中断服务程序；L0服务完毕后，按照顺序应处理L2，进入L2的处理程序，L2被L4中断，执行L4级中断服务程序；L4执行完毕，执行L2的处理程序。

6. (论述题, 8分) 若变址寄存器R的内容为1000H，指令中的形式地址为2000H，地址1000H中的内容为2000H，地址2000H中的内容为3000H，地址3000H中的内容为4000H，地址4000H中的内容为5000H，则变址寻址方式下访问到的操作数是多少？请画图回答问题。

变址寻址的有效地址为变址寄存器的内容加上偏移，即1000H+2000H=3000H

3000H中保存的内容为4000H，故操作数为4000H

7. (论述题, 8分) 指令流水线有取指(IF)、译码(ID)、执行(EX)、写回 (WB)四个过程，共有10条指令连续输入此流水线。

（1）画出指令周期流程图

（2）画出非流水线时空图

（3）画出流水线时空图

（4）假设时钟周期为100ns，求流水线的实际吞吐率（单位时间里执行完毕的指令数）。

（1）指令周期包括4个子过程，流程图如下。

（2）非流水CPU时空图          

（3）流水CPU时空图    

（4）第一条指令输出结果需要4个周期，其他指令仅需要一个时钟，故实际的吞吐率为

           10/[(4+9)*100ns]=7.7*106条/秒    

8. (论述题, 8分) 今有4级流水线，分别完成取指、指令译码并取数、运算、送结果四步操作。假设完成各步操作的时间依次为100ns、100ns、80ns、50ns。请问：

①    流水线的操作周期应设计为多少？

②    若相邻两条指令发生数据相关，硬件上不采取措施，那么第2条指令要推迟多少时间进行？

③    如果再硬件设计上加以改进，至少需推迟多少时间？

④    设共有20条指令流入此流水线，求流水线的实际吞吐量（单位时间内执行完毕的指令条数）

⑤    设共有20条指令流入此流水线，求流水线的加速比。（非流水时间/流水时间）

①    流水线的操作周期应设计为多少？

 流水线的操作周期应按各步操作的最大时间来考虑，即流水线时钟周期性  ，故取100ns。

②    若相邻两条指令发生数据相关，硬件上不采取措施，那么第2条指令要推迟多少时间进行？

 遇到数据相关时，就推迟第2条指令的执行；

要推迟到所需读取的数据已产生为止，因此至少需要延迟2个时钟周期。

③    如果再硬件设计上加以改进，至少需推迟多少时间？

如采用专用通路技术，应保证取数之前结果已计算出来；

因此，至少需要延迟1个时钟周期。

流水线实际吞吐量

④ n=20,k=4,   t=100ns  H=20/((4+20-1)*100*10^-9)=8.70*10^6条/s

⑤流水线加速比  n=20,K=4, S=20*4/(4+20-1)=3.48

二. 计算题（共7题，36分）

9. (计算题, 5分)

求十进制数-17的原码表示，反码表示，补码表示和移码表示（用8位二进制表示，并设最高位为符号位，真值为7位）。

17 =(10001)2   

-17

原码 10010001  

反码 11101110 

补码 11101111  

移码 01101111  

10. (计算题, 6分) 已知x=1011,y=-1000,用变形补码计算x+y，x-y 并指出是否溢出。

变形补码，双符号位

故[X]补=001011  [Y]补=111000   

[X+Y]补=[X]补+[Y]补       

     00 1011

  + 11 1000  

     00 0011              

符号位为00，无溢出   X+Y=0011 

  [X-Y]补=[X]补+[-Y]补  

  [X]补=001011  [-Y]补=00 1000

     00 1011

  + 00 1000  

     01 0011   

   符号位为01，正溢出    

11. (计算题, 5分) 设x=+9，y=-7，用带求补器的补码阵列乘法器计算X×Y。

 [X]补=01001  [Y]补=11001算前求补器输出为  |X|=1001   |Y|=0111

                 1001

         ×      0111   

                 1001

               1001

             1001

    +     0000        

           0111111

符号位单独计算 0⊕1=1，

算后求补器输出为

[ X×Y]补=111000001 = -28+27+26+1=-256+128+64+1=-63

验算 X=9  Y=-7  X×Y=-63   (可不验算)

12. (计算题, 5分) CPU执行一段程序时,cache完成存取的次数为3800次,主存完成存取的次数为200次,已知cache存取周期为50ns,主存为250ns,求cache / 主存系统的效率和平均访问时间。

命中率 H = Ne / (NC + Nm) = 3800 / (3800 + 200) = 0.95
主存慢于cache的倍率 :r = tm / tc = 250ns / 50ns = 5
访问效率 :e = 1 / [r + (1 – r)H] = 1 / [5 + (1 – 5)×0.95] = 83.3%
平均访问时间 :ta = tc / e = 50ns / 0.833 = 60ns

13. (计算题, 5分) 用一台50MHz处理机执行标准测试程序，它包含的混合指令数和相应所需的平均时钟周期数如表所示

求有效CPI、MIPS速率、处理机程序执行时间tcpu.

14. (计算题, 5分) 将下列十进制数表示为IEEE754标准的32位规格化数

27/64

-27/64

27转换为二进制11011

64转换为二进制1000000

27/64 转换为二进制 0.011011

表示成十六进制分别为   0011 1110 1101 1000 0000 0000 0000 0000B =3ED80000 H

表示成十六进制分别为   1011 1110 1101 1000 0000 0000 0000 0000B =BED80000 H

15. (计算题, 5分) 某IEEE754标准的32位规格化数为BED80000H，求真值。

一个规格化的32位浮点数x的真值表示为

BED80000 H=1011 1110 1101 1000 0000 0000 0000 0000B

1  011 1110 1   101 1000 0000 0000 0000 0000

数符S为1   阶码E为01111101   尾数M为1011

e=125-127=-2  真值为-1.1011*2^-2=-0.011011B=-27/64