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- 2022-04-22 11:28:55 发布
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'唐朔飞《计算机组成原理》课后答案第 一 章1.什么是计算机系统、计算机硬件和计算机软件?硬件和软件哪个更重要? 解:P3 计算机系统——计算机硬件、软件和数据通信设备的物理或逻辑的综合体。 计算机硬件——计算机的物理实体。 计算机软件——计算机运行所需的程序及相关资料。 硬件和软件在计算机系统中相互依存,缺一不可,因此同样重要。5.冯•诺依曼计算机的特点是什么? 解:冯氏计算机的特点是:P9 •由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成; •指令和数据以同一形式(二进制形式)存于存储器中; •指令由操作码、地址码两大部分组成; •指令在存储器中顺序存放,通常自动顺序取出执行; •以运算器为中心(原始冯氏机)。7.解释下列概念:主机、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:P10 主机——是计算机硬件的主体部分,由CPU+MM(主存或内存)组成; CPU——中央处理器(机),是计算机硬件的核心部件,由运算器+控制器组成;(早期的运、控不在同一芯片上) 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——一个存储单元所存二进制代码的位数; 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——CPU能同时处理的数据位数; 指令字长——一条指令的二进制代码位数;讲评:一种不确切的答法: CPU与MM合称主机; 运算器与控制器合称CPU。 这两个概念应从结构角度解释较确切。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、中文解释三部分。 CPU——CentralProcessingUnit,中央处理机(器),见7题; PC——ProgramCounter,程序计数器,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的计数器; IR——InstructionRegister,指令寄存器,存放当前正在执行的指令的寄存器; CU——ControlUnit,控制单元(部件),控制器中产生微操作命令序列的部件,为控制器的核心部件; ALU——ArithmeticLogicUnit,算术逻辑运算单元,运算器中完成算术逻辑运算的逻辑部件; ACC——Accumulator,累加器,运算器中运算前存放操作数、运算后存放运算结果的寄存器; MQ——Multiplier-QuotientRegister,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——MemoryAddressRegister,存储器地址寄存器,内存中用来存放欲访问存储单元地址的寄存器; MDR——MemoryDataRegister,存储器数据缓冲寄存器,主存中用来存放从某单元读出、或写入某存储单元数据的寄存器; I/O——Input/Outputequipment,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——MillionInstructionPerSecond,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;10.指令和数据都存于存储器中,计算机如何区分它们? 解:计算机硬件主要通过不同的时间段来区分指令和数据,即:取指周期(或取指微程序)取出的既为指令,执行周期(或相应微程序)取出的既为数据。 另外也可通过地址来源区分,从PC指出的存储单元取出的是指令,由指令地址码部分提供操作数地址。 问题讨论: ×由控制器分析是指令还是数据; 数据进控制器? ×指令由指令寄存器存取;指令寄存器有控制功能? ×指令和数据的格式不一样;指令由操作码和地址码组成)两者的二进制代码形式不一样? ×指令顺序存放,而数据不是;数据为什么不能顺序存放? ×MAR放地址,MDR放数据;取指时MDR中也是数据? ×存取数据和存取指令的操作在机器中完全一样;无法区分?
×指令和数据的地址不一样;某一存储单元只能放数据(或指令)? ×指令放在ROM中,数据放在RAM中;用户程序放在哪?第三章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? 解:总线是多个部件共享的传输部件。 总线传输的特点是:某一时刻只能有一路信息在总线上传输,即分时使用。 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。 讲评: 围绕“为减轻总线负载”的几种说法:×应对设备按速率进行分类,各类设备挂在与自身速率相匹配的总线上;×应采用多总线结构;×总线上只连接计算机的五大部件;×总线上的部件应为低功耗部件。上述措施都无法从根上(工程上)解决问题,且增加了许多不必要(或不可能)的限制。×总线上的部件应具备机械特性、电器特性、功能特性、时间特性;这是不言而喻的。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? 解: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:链式查询、计数器查询、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;独立请求方式判优速度最快,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。 解: 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(从模块)——指一次总线传输期间,配合主设备完成传输的设备(模块),它只能被动接受主设备发来的命令; 总线的传输周期——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。6.试比较同步通信和异步通信。 解:
同步通信——由统一时钟控制的通信,控制方式简单,灵活性差,当系统中各部件工作速度差异较大时,总线工作效率明显下降。适合于速度差别不大的场合; 异步通信——不由统一时钟控制的通信,部件间采用应答方式进行联系,控制方式较同步复杂,灵活性高,当系统中各部件工作速度差异较大时,有利于提高总线工作效率。 8.为什么说半同步通信同时保留了同步通信和异步通信的特点? 解: 半同步通信既能像同步通信那样由统一时钟控制,又能像异步通信那样允许传输时间不一致,因此工作效率介于两者之间。10.为什么要设置总线标准?你知道目前流行的总线标准有哪些?什么叫plugandplay?哪些总线有这一特点? 解: 总线标准的设置主要解决不同厂家各类模块化产品的兼容问题; 目前流行的总线标准有:ISA、EISA、PCI等; plugandplay——即插即用,EISA、PCI等具有此功能。11.画一个具有双向传输功能的总线逻辑图。 解:此题实际上是要求设计一个双向总线收发器,设计要素为三态、双向、使能等控制功能的实现,可参考74LS245等总线收发器芯片内部电路。逻辑图如下:(n位)几种错误的设计:几种错误的设计:12.设数据总线上接有A、B、C、D四个寄存器,要求选用合适的74系列芯片,完成下列逻辑设计:(1)设计一个电路,在同一时间实现D→A、D→B和D→C寄存器间的传送;(2)设计一个电路,实现下列操作: T0时刻完成D→总线; T1时刻完成总线→A; T2时刻完成A→总线; T3时刻完成总线→B。 解: (1)采用三态输出的D型寄存器74LS374做A、B、C、D四个寄存器,其输出可直接挂总线。A、B、C三个寄存器的输入采用同一脉冲打入。注意-OE为电平控制,与打入脉冲间的时间配合关系为: 现以8位总线为例,设计此电路,如下图示: (2)寄存器设置同(1),由于本题中发送、接收不在同一节拍,因此总线需设锁存器缓冲,锁存器采用74LS373(电平使能输入)。节拍、脉冲配合关系如下: 节拍、脉冲分配逻辑如下:节拍、脉冲时序图如下:
以8位总线为例,电路设计如下:(图中,A、B、C、D四个寄存器与数据总线的连接方法同上。) 几种错误的设计:(1) 几种错误的设计:(1) 几种错误的设计:(2) 几种错误的设计:(2) 几种错误的设计:第四章3.存储器的层次结构主要体现在什么地方?为什么要分这些层次?计算机如何管理这些层次? 答:存储器的层次结构主要体现在Cache—主存和主存—辅存这两个存储层次上。 Cache—主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用,即从整体运行的效果分析,CPU访存速度加快,接近于Cache的速度,而寻址空间和位价却接近于主存。 主存—辅存层次在存储系统中主要起扩容作用,即从程序员的角度看,他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存,而速度接近于主存。 综合上述两个存储层次的作用,从整个存储系统来看,就达到了速度快、容量大、位价低的优化效果。 主存与CACHE之间的信息调度功能全部由硬件自动完成。而主存—辅存层次的调度目前广泛采用虚拟存储技术实现,即将主存与辅存的一部份通过软硬结合的技术组成虚拟存储器,程序员可使用这个比主存实际空间(物理地址空间)大得多的虚拟地址空间(逻辑地址空间)编程,当程序运行时,再由软、硬件自动配合完成虚拟地址空间与主存实际物理空间的转换。因此,这两个层次上的调度或转换操作对于程序员来说都是透明的。 4.说明存取周期和存取时间的区别。 解:存取周期和存取时间的主要区别是:存取时间仅为完成一次操作的时间,而存取周期不仅包含操作时间,还包含操作后线路的恢复时间。即: 存取周期=存取时间+恢复时间 5.什么是存储器的带宽?若存储器的数据总线宽度为32位,存取周期为200ns,则存储器的带宽是多少? 解:存储器的带宽指单位时间内从存储器进出信息的最大数量。 存储器带宽=1/200ns×32位=160M位/秒=20MB/S=5M字/秒 注意字长(32位)不是16位。(注:本题的兆单位来自时间=106)
6.某机字长为32位,其存储容量是64KB,按字编址它的寻址范围是多少?若主存以字节编址,试画出主存字地址和字节地址的分配情况。 解:存储容量是64KB时,按字节编址的寻址范围就是64KB,则: 按字寻址范围=64K×8/32=16K字 按字节编址时的主存地址分配图如下:讨论: 1、一个存储器不可能有两套地址,注意字长32位,不是16位,不能按2字节编址; 2、本题与IBM370、PDP-11机无关; 3、按字寻址时,地址仍为16位;´ (:地址14位,单元16K个,按字编址4K空间。) 4、字寻址的单位为字,不是B。 5、按字编址的地址范围为0~16K-1,空间为16K字;按字节编址的地址范围为0~64K-1,空间为64KB。不能混淆; 6、画存储空间分配图时要画出上限。 7.一个容量为16K×32位的存储器,其地址线和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? 1K×4位,2K×8位,4K×4位,16K×1位,4K×8位,8K×8位 解:地址线和数据线的总和=14+32=46根; 各需要的片数为:1K×4:16K×32/1K×4=16×8=128片2K×8:16K×32/2K×8=8×4=32片4K×4:16K×32/4K×4=4×8=32片16K×1:16K×32/16K×1=32片4K×8:16K×32/4K×8=4×4=16片8K×8:16K×32/8K×8=2×4=8片讨论: 地址线根数与容量为2的幂的关系,在此为214,14根; :32=25,5根)´数据线根数与字长位数相等,在此为32根。(不是2的幂的关系。 9.什么叫刷新?为什么要刷新?说明刷新有几种方法。 解:刷新——对DRAM定期进行的全部重写过程; 刷新原因——因电容泄漏而引起的DRAM所存信息的衰减需要及时补充,因此安排了定期刷新操作; 常用的刷新方法有三种——集中式、分散式、异步式。 集中式:在最大刷新间隔时间内,集中安排一段时间进行刷新; 分散式:在每个读/写周期之后插入一个刷新周期,无CPU访存死时间; 异步式:是集中式和分散式的折衷。讨论: 1、刷新与再生的比较:
共同点: •动作机制一样。都是利用DRAM存储元破坏性读操作时的重写过程实现; •操作性质一样。都是属于重写操作。区别: •解决的问题不一样。再生主要解决DRAM存储元破坏性读出时的信息重写问题;刷新主要解决长时间不访存时的信息衰减问题。 •操作的时间不一样。再生紧跟在读操作之后,时间上是随机进行的;刷新以最大间隔时间为周期定时重复进行。 •动作单位不一样。再生以存储单元为单位,每次仅重写刚被读出的一个字的所有位;刷新以行为单位,每次重写整个存储器所有芯片内部存储矩阵的同一行。 •芯片内部I/O操作不一样。读出再生时芯片数据引脚上有读出数据输出;刷新时由于CAS信号无效,芯片数据引脚上无读出数据输出(唯RAS有效刷新,内部读)。鉴于上述区别,为避免两种操作混淆,分别叫做再生和刷新。 2、CPU访存周期与存取周期的区别: CPU访存周期是从CPU一边看到的存储器工作周期,他不一定是真正的存储器工作周期;存取周期是存储器速度指标之一,它反映了存储器真正的工作周期时间。 3、分散刷新是在读写周期之后插入一个刷新周期,而不是在读写周期内插入一个刷新周期,但此时读写周期和刷新周期合起来构成CPU访存周期。 4、刷新定时方式有3种而不是2种,一定不要忘了最重要、性能最好的异步刷新方式。 10.半导体存储器芯片的译码驱动方式有几种? 解:半导体存储器芯片的译码驱动方式有两种:线选法和重合法。 线选法:地址译码信号只选中同一个字的所有位,结构简单,费器材; 重合法:地址分行、列两部分译码,行、列译码线的交叉点即为所选单元。这种方法通过行、列译码信号的重合来选址,也称矩阵译码。可大大节省器材用量,是最常用的译码驱动方式。 11.画出用1024×4位的存储芯片组成一个容量为64K×8位的存储器逻辑框图。要求将64K分成4个页面,每个页面分16组,指出共需多少片存储芯片。 解:设采用SRAM芯片, 总片数=64K×8位/1024×4位 =64×2=128片 题意分析:本题设计的存储器结构上分为总体、页面、组三级,因此画图时也应分三级画。首先应确定各级的容量: 页面容量=总容量/页面数 =64K×8位/4 =16K×8位; 组容量=页面容量/组数 =16K×8位/16=1K×8位; 组内片数=组容量/片容量 =1K×8位/1K×4位=2片;
地址分配: 页面逻辑框图:(字扩展) 存储器逻辑框图:(字扩展)讨论:页选地址取A11、A10,页内片选取A15~A12;´ (页内组地址不连贯?) 不分级画;问题:´1、不合题意;2、芯片太多难画;3、无页译码,6:64译码选组。´ 页选直接联到芯片;问题:1、SRAM一般只一个片选端;2、译码输出负载能力需考虑。附加门电路组合2级译码信号;´ (应利用译码器使能端输入高一级的译码选通信号)不设组选,页选同时选8组(16组),并行存取?´ 组译码无页选输入;´ ´ 2片芯片合为一体画;文字叙述代替画图;´ 地址线、数据线不标信号名及信号序号。´ 12.设有一个64K×8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=64K×8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:2a×b=219;b=219-a;若a=19,b=1,总和=19+1=20; a=18,b=2,总和=18+2=20; a=17,b=4,总和=17+4=21; a=16,b=8,总和=16+8=24; …… …… 由上可看出:片字数越少,片字长越长,引脚数越多。片字数、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。 采用字、位扩展技术设计;´ 13.
某8位微型机地址码为18位,若使用4K×4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32K×8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)CPU如何选择各模块板? 解: (1)218=256K,则该机所允许的最大主存空间是256K×8位(或256KB); (2)模块板总数=256K×8/32K×8 =8块; (3)板内片数=32K×8位/4K×4位 =8×2=16片; (4)总片数=16片×8=128片; (5)CPU通过最高3位地址译码选板,次高3位地址译码选片。地址格式分配如下:讨论:不对板译码、片译码分配具体地址位;´ ´ 板内片选设4位地址;不设板选,8个板同时工作,总线分时传送;´ 8位芯片;´8板通过3:8译码器组成256K´ 14.设CPU共有16根地址线,8根数据线,并用-MREQ(低电平有效)作访存控制信号,R/-W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(2K×8位,4K×4位,8K×8位),RAM(1K×4位,2K×8位,4K×8位),及74138译码器和其他门电路(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,4096~16383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: (2)选片:ROM:4K×4位:2片; RAM:4K×8位:3片; (3)CPU和存储器连接逻辑图及片选逻辑:讨论: 1)选片:当采用字扩展和位扩展所用芯片一样多时,选位扩展。 理由:字扩展需设计片选译码,较麻烦,而位扩展只需将数据线按位引出即可。 本题如选用2K×8ROM,片选要采用二级译码,实现较麻烦。 当需要RAM、ROM等多种芯片混用时,应尽量选容量等外特性较为一致的芯片,以便于简化连线。 2)应尽可能的避免使用二级译码,以使设计简练。但要注意在需要二级译码时如果不使用,会使选片产生二义性。
3)片选译码器的各输出所选的存储区域是一样大的,因此所选芯片的字容量应一致,如不一致时就要考虑二级译码。另外如把片选译码输出“或”起来使用也是不合理的。 4)其它常见错误:138的C输入端接地;(相当于把138当2-4译码器用,不合理)´´EPROM的PD端接地;(PD为功率下降控制端,当输入为高时,进入功率下降状态。因此PD端的合理接法是与片选端-CS并联。)´ROM连读/写控制线-WE;(ROM无读/写控制端) 15.CPU假设同上题,现有8片8K×8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: (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(第5片)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。可能的情况有:1)该片的-CS端与-WE端错连或短路;2)该片的-CS端与CPU的-MREQ端错连或短路;3)该片的-CS端与地线错连或短路; 在此,假设芯片与译码器本身都是好的。 (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.某机字长16位,常规的存储空间为64K字,若想不改用其他高速的存储芯片,而使访存速度提高到8倍,可采取什么措施?画图说明。 解:若想不改用高速存储芯片,而使访存速度提高到8倍,可采取多体交叉存取技术,图示如下:8体交叉访问时序: 18.什么是“程序访问的局部性”?存储系统中哪一级采用了程序访问的局部性原理? 解:程序运行的局部性原理指:在一小段时间内,最近被访问过的程序和数据很可能再次被访问;在空间上,这些被访问的程序和数据往往集中在一小片存储区;在访问顺序上,指令顺序执行比转移执行的可能性大(大约5:1
)。存储系统中Cache—主存层次采用了程序访问的局部性原理。20.Cache做在CPU芯片内有什么好处?将指令Cache和数据Cache分开又有什么好处? 答:Cache做在CPU芯片内主要有下面几个好处: 1)可提高外部总线的利用率。因为Cache在CPU芯片内,CPU访问Cache时不必占用外部总线; 2)Cache不占用外部总线就意味着外部总线可更多地支持I/O设备与主存的信息传输,增强了系统的整体效率; 3)可提高存取速度。因为Cache与CPU之间的数据通路大大缩短,故存取速度得以提高; 将指令Cache和数据Cache分开有如下好处: 1)可支持超前控制和流水线控制,有利于这类控制方式下指令预取操作的完成; 2)指令Cache可用ROM实现,以提高指令存取的可靠性; 3)数据Cache对不同数据类型的支持更为灵活,既可支持整数(例32位),也可支持浮点数据(如64位)。 补充讨论: Cache结构改进的第三个措施是分级实现,如二级缓存结构,即在片内Cache(L1)和主存之间再设一个片外Cache(L2),片外缓存既可以弥补片内缓存容量不够大的缺点,又可在主存与片内缓存间起到平滑速度差的作用,加速片内缓存的调入调出速度(主存—L2—L1)。 21.设某机主存容量为4MB,Cache容量为16KB,每字块有8个字,每字32位,设计一个四路组相联映象(即Cache每组内共有4个字块)的Cache组织,要求:(1)画出主存地址字段中各段的位数;(2)设Cache的初态为空,CPU依次从主存第0、1、2……99号单元读出100个字(主存一次读出一个字),并重复按此次序读8次,问命中率是多少?(3)若Cache的速度是主存的6倍,试问有Cache和无Cache相比,速度提高多少倍? 答:(1)由于容量是按字节表示的,则主存地址字段格式划分如下: 8 7 2 3 2(2)由于题意中给出的字地址是连续的,故(1)中地址格式的最低2位不参加字的读出操作。当主存读0号字单元时,将主存0号字块(0~7)调入Cache(0组x号块),主存读8号字单元时,将1号块(8~15)调入Cache(1组x号块)……主存读96号单元时,将12号块(96~103)调入Cache(12组x号块)。» 共需调100/813次,就把主存中的100个数调入Cache。除读第1遍时CPU需访问主存13次外,以后重复读时不需再访问主存。则在800个读操作中: 访Cache次数=(100-13)+700=787次
»0.98» Cache命中率=787/80098%(3)设无Cache时访主存需时800T(T为主存周期),加入Cache后需时: (131.167+13)T»T/6+13T´787144.167T» 5.55倍»则:800T/144.167T 有Cache和无Cache相比,速度提高4.55倍左右。 23.画出RZ、NRZ、NRZ1、PE、FM写入数字串1011001的写入电流波形图。 解: 24.以写入10010110为例,比较调频制和改进调频制的写电流波形图。 解:写电流波形图如下: 比较: 1)FM和MFM写电流在位周期中心处的变化规则相同; 2)MFM制除连续一串“0”时两个0周期交界处电流仍变化外,基本取消了位周期起始处的电流变化; 3)FM制记录一位二进制代码最多两次磁翻转,MFM制记录一位二进制代码最多一次磁翻转,因此MFM制的记录密度可提高一倍。上图中示出了在MFM制时位周期时间缩短一倍的情况。由图可知,当MFM制记录密度提高一倍时,其写电流频率与FM制的写电流频率相当; 4)由于MFM制并不是每个位周期都有电流变化,故自同步脉冲的分离需依据相邻两个位周期的读出信息产生,自同步技术比FM制复杂得多。 25.画出调相制记录01100010的驱动电流、记录磁通、感应电势、同步脉冲及读出代码等几种波形。 解:注意: 1)画波形图时应严格对准各种信号的时间关系。 2)读出感应信号不是方波而是与磁翻转边沿对应的尖脉冲; 3)同步脉冲的出现时间应能“包裹”要选的读出感应信号,才能保证选通有效的读出数据信号,并屏蔽掉无用的感应信号。 4)最后读出的数据代码应与写入代码一致。 26.磁盘组有六片磁盘,每片有两个记录面,存储区域内径22厘米,外径33厘米,道密度为40道/厘米,内层密度为400位/厘米,转速2400转/分,问: (1)共有多少存储面可用? (2)共有多少柱面? (3)盘组总存储容量是多少? (4)数据传输率是多少? 解: (1)若去掉两个保护面,则共有:6×2-2=10个存储面可用; (2)有效存储区域
=(33-22)/2=5.5cm 柱面数=40道/cm×5.5=220道=p (3)内层道周长=2269.08cm 道容量=400位/cm×69.08cm =3454B 面容量=3454B×220道 =759,880B 盘组总容量=759,880B×10面 =7,598,800B(4)转速=2400转/60秒 =40转/秒 数据传输率=3454B×40转/秒 =138,160B/S注意:1)计算盘组容量时一般应去掉上、下保护面;的精度选取不同将引起答案不同,一般取两位小数;p2)盘组总磁道数(=一个盘面上的磁道数)¹3)柱面数4)数据传输率与盘面数无关;5)数据传输率的单位时间是秒,不是分。 27.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,最小磁道直径为230mm,共有275道,求: (1)磁盘存储器的存储容量; (2)最高位密度(最小磁道的位密度)和最低位密度; (3)磁盘数据传输率; (4)平均等待时间。解: (1)存储容量=275道×12288B/道×4面=13516800B (2)最高位密度=p12288B/230=17B/mm=136位/mm(向下取整) 最大磁道直径 =230mm+275道/5道×2 =230mm+110mm=340mmp 最低位密度=12288B/340=11B/mm=92位/mm(向下取整) (3)磁盘数据传输率 =12288B×3000转/分 =12288B×50转/秒=614400B/S (4)平均等待时间=1/50/2=10ms讨论: 1、本题给出的道容量单位为字节,因此算出的存储容量单位也是字节,而不是位; 2、由此算出的位密度单位最终应转换成bpm(位/毫米); 3、平均等待时间是磁盘转半圈的时间,与容量无关。
第五章1.I/O有哪些编址方式?各有何特点? 解:常用的I/O编址方式有两种:I/O与内存统一编址和I/O独立编址; 特点:
I/O与内存统一编址方式的I/O地址采用与主存单元地址完全一样的格式,I/O设备和主存占用同一个地址空间,CPU可像访问主存一样访问I/O设备,不需要安排专门的I/O指令。 I/O独立编址方式时机器为I/O设备专门安排一套完全不同于主存地址格式的地址编码,此时I/O地址与主存地址是两个独立的空间,CPU需要通过专门的I/O指令来访问I/O地址空间。讨论:I/O编址方式的意义: I/O编址方式的选择主要影响到指令系统设计时I/O指令的安排,因此描述其特点时一定要说明此种I/O编址方式对应的I/O指令设置情况。´ I/O与内存统一编址方式将I/O地址看成是存储地址的一部分,占用主存空间; 问题:确切地讲,I/O与内存统一编址的空间为总线空间,I/O所占用的是内存的扩展空间。I/O独立编址方式有明显的I/O地址标识,´ 而I/O与内存统一的编址方式没有; 问题:无论哪种编址方式,I/O地址都是由相应的指令提供的,而地址本身并没有特殊的标识。 2.简要说明CPU与I/O之间传递信息可采用哪几种联络方式?它们分别用于什么场合? 答:CPU与I/O之间传递信息常采用三种联络方式:直接控制(立即响应)、同步、异步。适用场合分别为: 直接控制适用于结构极简单、速度极慢的I/O设备,CPU直接控制外设处于某种状态而无须联络信号。 同步方式采用统一的时标进行联络,适用于CPU与I/O速度差不大,近距离传送的场合。 异步方式采用应答机制进行联络,适用于CPU与I/O速度差较大、远距离传送的场合。讨论:注意I/O交换方式、I/O传送分类方式与I/O联络方式的区别: 串行、并行I/O传送方式常用于描述I/O传送宽度的类型; I/O交换方式主要讨论传送过程的控制方法; I/O联络方式主要解决传送时CPU与I/O之间如何取得通信联系以建立起操作上的同步配合关系。´ 同步方式适用于CPU与I/O工作速度完全同步的场合。 问题:I/O要达到与CPU工作速度完全同步一般是不可能的。同步方式的实质是“就慢不就快”,如采用同步方式一般CPU达不到满负荷工作。 6.字符显示器的接口电路中配有缓冲存储器和只读存储器,各有何作用? 解:显示缓冲存储器的作用是支持屏幕扫描时的反复刷新;只读存储器作为字符发生器使用,他起着将字符的ASCII码转换为字形点阵信息的作用。 8.某计算机的I/O设备采用异步串行传送方式传送字符信息。字符信息的格式为一位起始位、七位数据位、一位校验位和一位停止位。若要求每秒钟传送480个字符,那么该设备的数据传送速率为多少? 解:480×10=4800位/秒=4800波特; 波特——是数据传送速率波特率的单位。
注:题意中给出的是字符传送速率,即:字符/秒。要求的是数据传送速率,串行传送时一般用波特率表示。 两者的区别:字符传送率是数据的“纯”有效传送率,不含数据格式信息;波特率是“毛”传送率,含数据格式信息。 10.什么是I/O接口?为什么要设置I/O接口?I/O接口如何分类? 解:I/O接口一般指CPU和I/O设备间的连接部件;I/O接口分类方法很多,主要有: 按数据传送方式分有并行接口和 串行接口两种; 按数据传送的控制方式分有程序控制接口、程序中断接口、DMA接口三种。 12.结合程序查询方式的接口电路,说明其工作过程。 解:程序查询接口工作过程如下(以输入为例):开命令接收门;®选中,发SEL信号®设备选择器译码®接口®地址总线® 1)CPU发I/O地址 设备开始工作;®接口向设备发启动命令®D置0,B置1® 2)CPU发启动命令DBR;® 3)CPU等待,输入设备读出数据 B置0,D置1;®接口®4)外设工作完成,完成信号CPU;®控制总线® 5)准备就绪信号 6)输入:CPU通过输入指令(IN)将DBR中的数据取走; 若为输出,除数据传送方向相反以外,其他操作与输入类似。工作过程如下: 开命令接收门;®选中,发SEL信号®设备选择器译码®接口®地址总线®1)CPU发I/O地址 2)输出:CPU通过输出指令(OUT)将数据放入接口DBR中;设备开始工作;®接口向设备发启动命令®D置0,B置1® 3)CPU发启动命令 4)CPU等待,输出设备将数据从DBR取走;B置0,D置1;®接口® 5)外设工作完成,完成信号 CPU,CPU可通过指令再次向接口DBR输出数据,进行第二次传送。®控制总线®6)准备就绪信号 13.说明中断向量地址和入口地址的区别和联系。 解: 中断向量地址和入口地址的区别: 向量地址是硬件电路(向量编码器)产生的中断源的内存地址编号,中断入口地址是中断服务程序首址。 中断向量地址和入口地址的联系: 中断向量地址可理解为中断服务程序入口地址指示器(入口地址的地址),通过它访存可获得中断服务程序入口地址。(两种方法:在向量地址所指单元内放一条JUM指令;主存中设向量地址表。参考8.4.3)讨论: 硬件向量法的实质:
当响应中断时,为了更快、更可靠的进入对应的中断服务程序执行,希望由硬件直接提供中断服务程序入口地址。但在内存地址字较长时这是不可能的。因此由硬件先提供中断源编号、再由编号间接地获得中断服务程序入口地址。这种中断源的编号即向量地址。 由于一台计算机系统可带的中断源数量很有限,因此向量地址比内存地址短得多,用编码器类逻辑部件实现很方便。 14.在什么条件下,I/O设备可以向CPU提出中断请求? 解:I/O设备向CPU提出中断请求的条件是:I/O接口中的设备工作完成状态为1(D=1),中断屏蔽码为0(MASK=0),且CPU查询中断时,中断请求触发器状态为1(INTR=1)。 15.什么是中断允许触发器?它有何作用? 解:中断允许触发器是CPU中断系统中的一个部件,他起着开关中断的作用(即中断总开关,则中断屏蔽触发器可视为中断的分开关)。 16.在什么条件和什么时间,CPU可以响应I/O的中断请求? 解:CPU响应I/O中断请求的条件和时间是:当中断允许状态为1(EINT=1),且至少有一个中断请求被查到,则在一条指令执行完时,响应中断。 17.某系统对输入数据进行取样处理,每抽取一个输入数据,CPU就要中断处理一次,将取样的数据存至存储器的缓冲区中,该中断处理需P秒。此外,缓冲区内每存储N个数据,主程序就要将其取出进行处理,这个处理需Q秒。试问该系统可以跟踪到每秒多少次中断请求? 解:这是一道求中断饱和度的题,要注意主程序对数据的处理不是中断处理,因此Q秒不能算在中断次数内。 N个数据所需的处理时间=P×N+Q秒 平均每个数据所需处理时间=(P×N+Q)/N秒; 求倒数得: 该系统跟踪到的每秒中断请求数=N/(P×N+Q)次。 19.在程序中断方式中,磁盘申请中断的优先权高于打印机。当打印机正在进行打印时,磁盘申请中断请求。试问是否要将打印机输出停下来,等磁盘操作结束后,打印机输出才能继续进行?为什么? 解:这是一道多重中断的题,由于磁盘中断的优先权高于打印机,因此应将打印机输出停下来,等磁盘操作结束后,打印机输出才能继续进行。因为打印机的速度比磁盘输入输出的速度慢,并且暂停打印不会造成数据丢失。讨论:´打印机不停,理由有如下几种:打印内容已存入打印机缓存;´ 问题:1)如果打印机无缓存呢? 2)如果打印机有缓存,还需要用程序中断方式交换吗?(应用DMA)由于在指令执行末查中断,因此执行打印指令时不会响应磁盘中断。´
问题:打印中断处理程序=打印指令?采用字节交叉传送方式,当两者同时请求中断时,先响应盘,再响应打印机,交叉服务。´ 问题:这是程序中断方式吗?由于打印机速度比CPU慢得多,CPU将数据发送给打印机后,就去为磁盘服务,而这时打印机可自己慢慢打印。´ 问题:停止打印机传送=停止打印机动作?我有打印机,感觉上打印机工作是连贯的;´ 问题:人的感觉速度=计算机工作速度? 22.CPU对DMA请求和中断请求的响应时间是否一样?为什么? 解:CPU对DMA请求和中断请求的响应时间不一样,因为两种方式的交换速度相差很大,因此CPU必须以更短的时间间隔查询并响应DMA请求(一个存取周期末)。讨论: CPU对DMA的响应是即时的;´ 随时都能响应?CPU响应DMA的时间更短;´ ´ DMA比中断速度高; 短、高或不一样的具体程度?´不一样。因为DMA与CPU共享主存,会出现两者争用主存的冲突,CPU必须将总线让给DMA接口使用,常用停止CPU访存、周期窃取及DMA与CPU交替访存三种方式有效的分时使用主存; 这种情况仅仅存在于DMA与中断程序之间吗?答非所问。 24.DMA的工作方式中,CPU暂停方式和周期挪用方式的数据传送流程有何不同?画图说明。 解:两种DMA方式的工作流程见下页,其主要区别在于传送阶段,现行程序是否完全停止访存。停止CPU访存方式的DMA工作流程如下:现行程序 CPU DMAC I/O CPU DMAC I/O B C D周期窃取方式的DMA工作流程如下:现行程序 CPU DMAC I/O CPU DMAC I/O B C D 25.s,试问该外设是否可用程序中断方式与主机交换信息,为什么?m假设某设备向CPU传送信息的最高频率是40K次/秒,而相应的中断处理程序其执行时间为40 sm 解:该设备向CPU传送信息的时间间隔=1/40K=0.025×103=251/8; ³1/2; (2)XX³ (3)1/4>1/16 解:(1)若要X>1/2,只要a1=1,a2~a6不全为0即可(a2ora3ora41/8,只要a1~a3不全为0即可(a1ora2ora3=1),³ora5ora6=1); (2)若要Xa4~a6可任取0或1;X³(3)若要1/4>1/16,只要a1=0,a2可任取0或1; 当a2=0时,若a3=0,则必须a4=1,且a5、a6不全为0(a5ora6=1;若a3=1,则a4~a6可任取0或1; 当a2=1时,a3~a6可任取0或1。 3.设x为整数,[x]补=1,x1x2x3x4x5,若要求x<-16,试问x1~x5应取何值? 解:若要x<-16,需x1=0,x2~x5任意。(注:负数绝对值大的补码码值反而小。) 4.
设机器数字长为8位(含1位符号位在内),写出对应下列各真值的原码、补码和反码。 -13/64,29/128,100,-87 解:真值与不同机器码对应关系如下: 5.已知[x]补,求[x]原和x。[x1]补=1. 1100;[x2]补=1. 1001;[x3]补=0. 1110; [x4]补=1. 0000;[x5]补=1,0101;[x6]补=1,1100;[x7]补=0,0111;[x8]补=1,0000; 解:[x]补与[x]原、x的对应关系如下: 6.0,则³设机器数字长为8位(含1位符号位在内),分整数和小数两种情况讨论真值x为何值时,[x]补=[x]原成立。 解: 当x为小数时,若x [x]补=[x]原成立; 若x<0,则当x=-1/2时, [x]补=[x]原成立。 0,则 [x]补=[x]原成立; 若x³当x为整数时,若x<0,则当x=-64时, [x]补=[x]原成立。 7.设x为真值,x*为绝对值,说明[-x*]补=[-x]补能否成立。 解:当x为真值,x*为绝对值时,[-x*]补=[-x]补不能成立。[-x*]补=[-x]补的结论只在x>0时成立。当x<0时,由于[-x*]补是一个负值,而[-x]补是一个正值,因此此时[-x*]补不等于[-x]补。 8.讨论若[x]补>[y]补,是否有x>y? 解:若[x]补>[y]补,不一定有x>y。[x]补>[y]补时x>y的结论只在x>0、y>0,及x<0、y<0时成立。当x>0、y<0时,有x>y,但由于负数补码的符号位为1,则[x]补<[y]补。同样,当x<0、y>0时,有x[y]补。注意:1)绝对值小的负数其值反而大,且负数的绝对值越小,其补码值越大。因此,当x<0、y<0时,若[x]补>[y]补,必有x>y。2)补码的符号位和数值位为一体,不可分开分析。3)完整的答案应分四种情况分析,但也可通过充分分析一种不成立的情况获得正确答案。4)由于补码0的符号位为0,因此x、y=0可归纳到>0的一类情况讨论。5)不考虑不同数字系统间的比较。(如有人分析x、y字长不等时的情况,无意义。) 9.当十六进制数9B和FF分别表示为原码、补码、反码、移码和无符号数时,所对应的十进制数各为多少(设机器数采用一位符号位)? 解:真值和机器数的对应关系如下: 10.在整数定点机中,设机器数采用一位符号位,写出±0的原码、补码、反码和移码,得出什么结论? 解:0的机器数形式如下:解:机器数与对应的真值形式如下:续表1:续表2:续表3:
12.设浮点数格式为:阶符1位、阶码4位、数符1位、尾数10位。写出51/128、-27/1024、7.375、-86.5所对应的机器数。要求按规格化形式写出: (1)阶码和尾数均为原码; (2)阶码和尾数均为补码; (3)阶码为移码,尾数为补码。 解:据题意画出该浮点数的格式: 1 4 1 10 将十进制数转换为二进制: x1=51/128=(0.011001(0.110011)2 x2=-27/1024=(-0.0000011011)2 =2-5´1)2 =2-1(0.111011)2 x4=´(-0.11011)2 x3=7.375=(111.011)2 =23´(-0.10101101)2 则以上各数的浮点规格化数为:´-86.5=(-1010110.1)2 =27(1)[x1]浮=1,0001;0.1100110000(2)[x1]浮=1,1111;0.1100110000(3)[x1]浮=0,1111;0.1100110000(1)[x2]浮=1,0101;1.1101100000(2)[x2]浮=1,1011;1.0010100000(3)[x2]浮=0,1011;1.0010100000(1)[x3]浮=0,0011;0.1110110000(2)[x3]浮=0,0011;0.1110110000(3)[x3]浮=1,0011;0.1110110000(1)[x4]浮=0,0111;1.1010110100(2)[x4]浮=0,0111;1.0101001100(3)[x4]浮=1,0111;1.0101001100注:以上浮点数也可采用如下格式: 1 1 4 10 13.浮点数格式同上题,当阶码基值分别取2和16时, (1)说明2和16在浮点数中如何表示。 (2)基值不同对浮点数什么有影响? (3)当阶码和尾数均用补码表示,且尾数采用规格化形式,给出两种情况下所能表示的最大正数和非零最小正数真值。 解:(1)阶码基值不论取何值,在浮点数中均为隐含表示,即:2和16不出现在浮点格式中,仅为人为的约定。 (2)当基值不同时,对数的表示范围和精度都有影响。即:在浮点格式不变的情况下,基越大,可表示的浮点数范围越大,但精度越下降。 (3)r=2时,最大正数的浮点格式为: 0,1111;0.1111111111 其真值为:N+max=215×(1-2-10) 非零最小规格化正数浮点格式为: 1,0000;0.1000000000 其真值为:N+min=2-16×2-1=2-17 r=16时,最大正数的浮点格式为: 0,1111;0.1111111111 其真值为:N+max=1615×(1-2-10) 非零最小规格化正数浮点格式为: 1,0000;0.0001000000 其真值为:N+min=16-16×16-1=16-17 14.设浮点数字长为32位,欲表示±6万间的十进制数,在保证数的最大精度条件下,除阶符、数符各取一位外,阶码和尾数各取几位?按这样分配,该浮点数溢出的条件是什么? 解:若要保证数的最大精度,应取阶的基=2。 若要表示±6万间的十进制数,由于32768(215)<6万<65536(216),则:阶码除阶符外还应取5位(向上取2的幂)。 故:尾数位数=32-1-1-5=25位 25(32) 该浮点数格式如下: 1 5 1 ³按此格式,该浮点数上溢的条件为:阶码 25
15.什么是机器零?若要求全0表示机器零,浮点数的阶码和尾数应采取什么机器数形式? 解:机器零指机器数所表示的零的形式,它与真值零的区别是:机器零在数轴上表示为“0”点及其附近的一段区域,即在计算机中小到机器数的精度达不到的数均视为“机器零”,而真零对应数轴上的一点(0点)。若要求用“全0”表示浮点机器零,则浮点数的阶码应用移码、尾数用补码表示(此时阶码为最小阶、尾数为零,而移码的最小码值正好为“0”,补码的零的形式也为“0”,拼起来正好为一串0的形式)。 16.设机器数字长为16位,写出下列各种情况下它能表示的数的范围。设机器数采用一位符号位,答案均用十进制表示。 (1)无符号数; (2)原码表示的定点小数; (3)补码表示的定点小数; (4)补码表示的定点整数; (5)原码表示的定点整数; (6)浮点数的格式为:阶符1位、阶码5位、数符1位、尾数9位(共16位)。分别写出其正数和负数的表示范围(非规格化浮点形式); (7)浮点数格式同(6),机器数采用补码规格化形式,分别写出其对应的正数和负数的真值范围。解:各种表示方法数据范围如下:(1)无符号整数:0~216-1, 即:0~65535; 无符号小数:0~1-2-16, 即:0~0.99998;(2)原码定点小数: 1-2-15~-(1-2-15), 即:0.99997~-0.99997;(3)补码定点小数:1-2-15~-1, 即:0.99997~-1;(4)补码定点整数:215-1~-215, 即:32767~-32768;(5)原码定点整数: 215-1~-(215-1), 即:32767~-32767; (6)据题意画出该浮点数格式:1 5 1 9最大负数=1,11111;1.000000001最小负数=0,11111;1.111111111 则负数表示范围为: (1-2-9)~2-32´(1-2-9)2)当采用阶移尾原非规格化数时, 正数表示范围为: 231´(-2-9)~-231´2-31(1-2-9) 注:零视为中性数,不在此范围内。´(-2-9)~-231´2-9 负数表示范围为: 2-32´ (7)当机器数采用补码规格化形式时,若不考虑隐藏位,则最大正数=0,11111;0.111111111最小正数=1,00000;0.1000002-1最大负数=1,00000;1.011111111´(1-2-9)~2-32´000 其对应的正数真值范围为: 231(2-1+2-9)~231´最小负数=0,11111;1.000000000 其对应的负数真值范围为: -2-32(-1)´,不要用£或³ 注意: 1)应写出可表示范围的上、下限精确值(用>或<)。 2)应用十进制2的幂形式分阶、尾两部分表示,这样可反映出浮点数的格式特点。括号不要乘开,不要用十进制小数表示,不直观且无意义。 3)书写时二进制和十进制不能混用(如:231写成1031)。 MSB位=1)Å4)原码正、负域对称,补码正、负域不对称,浮点数阶、尾也如此。特别要注意浮点负数补码规格化范围。(满足条件:数符 17.设机器数字长为8位(包括一位符号位),对下列各机器数进行算术左移一位、两位,算术右移一位、两位,讨论结果是否正确。 [x1]原=0.0011010; [x2]原=1.1101000; [x3]原=1.0011001;
[y1]补=0.1010100; [y2]补=1.1101000; [y3]补=1.0011001; [z1]反=1.0101111; [z2]反=1.1101000; [z3]反=1.0011001。解:算术左移一位:[x1]原=0.0110100;正确[x2]原=1.1010000;溢出(丢1)出错[x3]原=1.0110010;正确[y1]补=0.0101000;溢出(丢1)出错[y2]补=1.1010000;正确[y3]补=1.0110010;溢出(丢0)出错[z1]反=1.1011111;溢出(丢0)出错[z2]反=1.1010001;正确[z3]反=1.0110011;溢出(丢0)出错 算术左移两位:[x1]原=0.1101000;正确[x2]原=1.0100000;溢出(丢11)出错[x3]原=1.1100100;正确 算术左移两位:[y1]补=0.1010000;溢出(丢10)出错[y2]补=1.0100000;正确[y3]补=1.1100100;溢出(丢00)出错[z1]反=1.0111111;溢出(丢01)出错[z2]反=1.0100011;正确[z3]反=1.1100111;溢出(丢00)出错 算术右移一位:[x1]原=0.0001101;正确[x2]原=1.0110100;正确[x3]原=1.0001100(1);丢1,产生误差[y1]补=0.0101010;正确[y2]补=1.1110100;正确[y3]补=1.1001100(1);丢1,产生误差 算术右移一位:[z1]反=1.1010111;正确[z2]反=1.1110100(0);丢0,产生误差[z3]反=1.1001100;正确 算术右移两位:[x1]原=0.0000110(10);产生误差[x2]原=1.0011010;正确[x3]原=1.0000110(01);产生误差[y1]补=0.0010101;正确[y2]补=1.1111010;正确[y3]补=1.1100110(01);产生误差[z1]反=1.1101011;正确[z2]反=1.1111010(00);产生误差[z3]反=1.1100110(01);产生误差 18.试比较逻辑移位和算术移位。 解:逻辑移位和算术移位的区别: 逻辑移位是对逻辑数或无符号数进行的移位,其特点是不论左移还是右移,空出位均补0,移位时不考虑符号位。 算术移位是对带符号数进行的移位操作,其关键规则是移位时符号位保持不变,空出位的补入值与数的正负、移位方向、采用的码制等有关。补码或反码右移时具有符号延伸特性。左移时可能产生溢出错误,右移时可能丢失精度。 19.设机器数字长为8位(含1位符号位),用补码运算规则计算下列各题。 (1)A=9/64,B=-13/32,求A+B; (2)A=19/32,B=-17/128,求A-B; (3)A=-3/16,B=9/32, 求A+B; (4)A=-87, B=53, 求A-B; (5)A=115,B=-24, 求A+B。 解:(1)A=9/64=(0.0010010)2 B=-13/32=(-0.0110100)2 [A]补=0.0010010 [B]补=1.1001100[A+B]补=0.001 0010 +1.100 1100 1.101 1110——无溢出 A+B=(-0.0100010)2=-17/64 (2)A=19/32=(0.1001100)2 B=-17/128=(-0.0010001)2 [A]补=0.1001100 [B]补=1.1101111 [-B]补=0.0010001[A-B]补=0.100 1100 +0.001 0001 0.101 1101——无溢出 A-B=(0.1011101)2=93/128(3)A=-3/16=(-0.0011000)2 B=9/32=(0.010
0100)2 [A]补=1.1101000 [B]补=0.0100100[A+B]补=1.110 1000 + 0.010 0100 0.000 1100——无溢出 A+B=(0.0001100)2=3/32(4)A=-87=(-1010111)2 B=53=(110101)2 [A]补=1,0101001 [B]补=0,0110101 [-B]补=1,1001011[A-B]补=1,010 1001 + 1,100 1011 0,111 0100——溢出 A-B=(-1,0001100)2=-140(5)A=115=(1110011)2 B=-24=(-11000)2 [A]补=0,1110011 [B]补=1,1101000[A+B]补=0,111 0011 + 1,110 1000 0,101 1011——无溢出 A+B=(1011011)2=91 20.用原码一位乘、两位乘和补码一位乘(Booth算法)、两位乘计算x·y。 (1)x=0.110111,y=-0.101110; (2)x=-0.010111,y=-0.010101; (3)x=19, y= 35; (4)x=0.11011,y=-0.11101。 解:先将数据转换成所需的机器数,然后计算,最后结果转换成真值。(1)[x]原=x=0.110111,[y]原=1.101110 x*=0.110111, y*=0.101110 1=1 x*×y*=0.100111100010 [x×y]原=1.100Åy0=0Åx0=0,y0=1,z0=x0111100010 x·y=-0.100111100010原码一位乘: 部分积 1 0.0® 乘数y* 0.000 000 .1 0 1 1 1 0——+000 000 0.1 0 1 1 1——+x* + 0.110 111 01 0.011 011 1 0.1 0 1 1——+x* +®.110 1111 0.101 001 0 1 ® 0.110 111 1.010 0101 0.®0 .1 0 1——+x* + 0.110 111 1.100 0001 0.011 000 0®110 000 0 0 1 0.1 0——+01 ® 0 0 1 0.1——x* + 0.110 111 1.001 1110.100 111 1 0 0 0 1 02x*=01.101110,[-x*]补=[-x]补=1.001001原码两位乘: 部分积 乘数 Cj 000.000 000 00.101110 0 + 001.101 110 +2x* 001.101 12 000.011 011 10 00®10 0.1011 + 111.001 001 +[-x*]补 111.2 111.111 001 ®100 100 100 1000.10 + 111.001 001 +[-x*]补 2 111.110 0® 111.000 010 100 10 001000. + 000.110 111 +x* 000.100 111 10 0010 0结果同一位乘,x·y=-0.100111100010[x]补=x=0.110111[y]补=1.010010[-x]补=1.001001[2x]补=01.101110[-2x]补=10.010010[x×y]补=1.0110000111100x·y=-0.1001111000100补码一位乘、两位乘运算过程如下:
补码一位乘:部分积 乘数[y]补 yn+1 001 00.000 0®.000 000 1.0 1 0 0 1 0 0——+000 0 1.0 1 0 0 1 0 + 11.001 001 1 11.100 100 1® +[-x]补 11.001 001 0 1.0 1 0 0 1 + 00.110 111 1 00.001 101 1 1 0 1® +[x]补 00.011 0111 00.000 110 1 1 1 0 1.0 ® .0 1 0 0——+01 0 + 11.001 001 +[-x]补 11 11.100 111 1 1 1 1 0 1.0 1®1.001 111 + 00.110 111 +[x]补 00.011 1 00.001 111 0 1 1 1 1 0 1 .0 + 11®110.001 001 +[-x]补 11.011 000 0 1 1 1 1 0 0——清0补码两位乘: 部分积 乘数 yn+1 000.000 000 11.010 010 0 + 110.010 010 +[-2x]补 110.02 111.100 100 10®10 010 11.0 100 1 + 000.110 111 2 000.0®+[x]补 000.011 011 00 110 11 101 1.01 0 + 000.110 111 +[x]补 000.111 101 2 000.001 111 01 111 011 .0 + 111.® 001 001 +[-x]补 111.011 000 01 111 000. 结果同补码一位乘,x·y=-0.10011110001000(2)x=-0.010111, y=-0.010101 [x]原=1.010111, [y]原=1.010101 x*=0.010111, y*=0.010101 [-x*]补=1.101001,2x*=0.101110 1=0 [x]补=1.101001,Åy0=1Å[-2x*]补=1.010010 x0=1,y0=1,z0=x0[y]补=1.101011 [-x]补=0.010111,[2x]补=1.010010 [-2x]补=0.101110 x*×y*=0.000111100011 [x×y]原=0.000111100011 [x×y]补=0.0001111000110 x·y=0.000111100011运算过程如下:原码一位乘: 部分积 乘数y* 0.000 000 .0 1 0 1 0 1——+x* 1 0.001 011 1.®+ 0.010 111 0.010 1111 0.000 101 1 1.0 1 0 1®0 1 0 1 0——+01 0.001 110 ®——+x* + 0.010 111 0.011 1001 0.000 111 0 0 1 1.® 0 1 1 .0 1 0——+01 0.001 1®0 1——+x* + 0.010 111 0.011 1101 0.000 111 1 0 0 ®11 0 0 0 1 1.0——+0 0 1 1原码两位乘: 部分积 乘数y* Cj 000.000 000 00.010 101 0 + 000.010 111 +x* 000.010 111 2 000
.000 101 11 00.0 101 + 000.® 0010 111 +x* 000.011 100 2 000.000 111 00 110 0.01 ® 0+ 000.010 111 +x* 000.011 1102 000.000 111 ® 010 001 100. +0 结果同一位乘,x·y=0.000111100011补码一位乘:部分积 乘数[y]补 yn+1 00.000 000 1.1 0 1 0 1 1 0 + 00.010 111 1 00.001 011 ® +[-x]补 00.010 1111 00.000 101 1 1 ® 1 1.1 0 1 0 1 1——+0 1.1 0 1 0 1 + 11.101 001 1 11.110 111 0 1 1 1 .1®+[x]补 11.101 110 0 1 0 + 00.010 111 +[-x]补 1 00.000 111 0 0 1 1 1.1 0® 00.001 110 1 + 11.101 001 +[x]补 11.11 11.111 000 0 0 0 1 1 1.1 0 + ®10 00000.010 111 +[-x]补 00.001 111 00.000 111 1 0 0 0 1 1 1 .1——®1 +0补码两位乘: 部分积 乘数 yn+1 000.000 000 11.101 0 11 0 + 000.010 1112 000.000® +[-x]补 000.010 111 101 11 11.1 0 10 1 + 000.010 111 +[-x]补 000.011 100 2 000.000 111 00 111 1.10 1 + 000.® 010 111 +[-x]补 000.011 110 2 000.000 111 10 001 1 ® 11 .1 清0+0结果同补码一位乘,x·y=0.00011110001100(3)x= 19, y= 35 x=(10011)2,y=(100011)2 x*=[x]原=[x]补=0,010011 y*=[y]原=[y]补=0,100011 [-x*]补=[-x]补=1,101101 2x*=[2x]补=0,100110 0=0 x*×y*=Åy0=0Å[-2x*]补=[-2x]补=1,011010 x0=0,y0=0,z0=x0[x×y]原=[x×y]补 =0,001010011001 x·y=665运算过程如下:原码一位乘: 部分积 乘数y* 0,000 000 1 0 0 0 1 1——+x* + 0,010 011 0,010 0111 0,001 001 1 1 0 0 0 1——+x* + 0,010 011®1 0,001 110 0 1 1 0 0 0——+0® 0,011 1001 0,000 011 ®1 0,000 111 0 0 1 1 0 0——+0®1 0,000 001 1 1 0 0 1® 1 0 0 1 1 0——+01 0,001 010 ® 1——+x* + 0,010 011
0,010 100 0 1 1 0 0 1原码两位乘: 部分积 乘数y* Cj 000,000 000 00,10 0 0 11 0 + 111,101 101 +[-x*]补 111,101 101 2 111,111 011 01 00,1 0 00 ® 1 + 000,010 011 +x* 000,001 1102 000,000 011 10 01 0 ® 00,10 + 000,100 110 +2x* 000,102 000,001 010 01 1®1 001 00 0 1 00, +0 结果同一位乘,x·y=0,001010011001补码一位乘:部分积 乘数[y]补 yn+1 00,000 000 0,1 0 0 0 1 1 0 + 11,101 1011 11,110 11® +[-x]补 11,101 1011 11,111 011 0 1 ®0 1 0,1 0 0 0 1 1——+0 0,1 0 0 0 1 + 00,010 011 +[x]补1 00,000 111 0 0 1 0,1 0 0 ® 00,001 1101 0®1 00,000 011 1 0 0 1 0,1 0 0——+0®0——+00,000 001 1 1 0 0 1 0,1 0 + 11,101 101 1 11,110 11® +[-x]补 11,101 110 1 0 1 1 0 0 1 0, 1 + 00,010 011 +[x]补 00,001 010 0 1 1 0 0 1 0补码两位乘: 部分积 乘数 yn+1 000,000 000 00,10 0 0 11 0 + 111,101 101 2 111,111 011 01 00,1 0® +[-x]补 111,101 101 00 1 + 000,010 011 +[x]补 002 000,000 011 10®0,001 110 01 0 0,10 0 + 111,011 010 2 111,1®+[-2x]补 111,011 101 10 111 01 10 0 1 00,1 + 000,010 011 +0 000,001 010 01 10 0 1 00 结果同补码一位乘,x·y=0,00101001100100(4)x=0.11011,y=-0.11101 x*=[x]原=[x]补=0.11011 [y]原=1.11101,y*=0.11101 [y]补=1.00011 [-x*]补=[-x]补=1.00101 2x*=[2x]补=01.10110 [-2x*]补=1=1 x*×y*=0.1100001111Åy0=0Å[-2x]补=10.01010 x0=0,y0=1,z0=x0 [x×y]原=1.1100001111 [x×y]补=1.00111100010 x·y=-0.1100001111运算过程如下:原码一位乘:部分积 乘数y* 0.000 00 1 ®.1 1 1 0 1——+x* + 0.110 11 0.110 111 0.001 10 1 1®0.011 01 1.1 1 1 0——+01 0.100®.1 1 1——+x* + 0.110 11 1.000 01 0
0 1 1 1 .1 1——+x* + 0.110 11 1.010 11 0.101 01 1 1 1 1.1——+x* + 0.110 11 ®11 0.110 00 0 1 1 1 1 ® 1.100 00原码两位乘: 部分积 乘数y* Cj 000.000 00 0.11 1 01 0 + 000.110 11 +x*2 000.001 1® 000.110 11 00 1 10.1 11 + 111.001 01 +[-x*]补2 111.110 1® 111.010 11 10 1 11 1 .01 + 001.101 10 +2x* 1 000.110 00® 001.100 00 0 0 11 1 10. +0 结果同一位乘,x·y=-0.1100001111补码一位乘: 部分积 乘数[y]补 yn+1 00.000 00 1.0 0 0 1 1 0 + 11.1 11.10®001 01 +[-x]补 11.001 011 11.110 01 0 ®0 10 1 1.0 0 0 1 1——+0 1 1.0 0 0 1 + 00.110 11 +[x]补 1 00.010 10 0 0 1 1 .0 0 0® 00.101 001 00.®1 00.001 01 0 0 0 1 1.0 0——+0®——+0000 10 1 0 0 0 1 1. 0 + 11.001 01 +[-x]补 11.001 11 1 0 0 0 1 0——清0补码两位乘: 部分积 乘数 yn+1 000.000 00 1.00 0 1 1 0 + 111.001 01 2 111.110 01 0 ® +[-x]补 111.001 0111.0 0 0 1 + 000.110 11 +[x]补2 000.001 0® 000.101 00 1 0 00 1 1.0 0 + 110.010 10 1 1® +[-2x]补 110.011 11 11.001 11 1 00 0 1 0.——清0 结果同补码一位乘,x·y=-0.11000011110 21.用原码加减交替法和补码加减交替法计算x÷y。 (1)x=0.100111,y=0.101011; (2)x=-0.10101,y=0.11011; (3)x=0.10100,y=-0.10001; (4)x=13/32, y=-27/32。 解: (1)x*=[x]原=[x]补=x=0.100111 y*=[y]原=[y]补=y=0=0 Åy0=0Å0.101011 [-y*]补=[-y]补=1.010101 q0=x0y]原=0.111010 r*=0.000010×2-6=0.000000000010 ¸y*=[x¸y=x*¸x计算过程如下:原码加减交替除法: 被除数(余数) 商 0.100 111 0.000 000 + 1.010 101 试减,+[-y*]补 1.111 10 1.111 000 0. + 0.101 011 ¬01 r< 1.000 110 ¬0,+y* 0.100 011 10.1 + 1.010 101 r>¬0,+[-y*]补
0.011 0111 0.110 110 0.11 + 1.010 101 r>0,+[-y*]补 0.001 011 0.¬续: 被除数(余数) 商1010 110 0.111 + 1.010 101 r>0, 1.010 110 0.1 110 ¬+[-y*]补 1.101 0111+ 0.101 011 r< 0.00¬0,+y* 0.000 00110 010 0.11 101 + 1.010 101 r>0,0.111 010 + 0.101 011 ¬+[-y*]补 1.010 111 1 r<0,+y*(恢复余数) 0.000 010补码加减交替除法: 被除数(余数) 商 00.100 111 0.000 000 + 11.010 10 11.111 000 ¬1 试减,x、y同号,+[-y]补 11.111 1001 0. + 00.101 011 r、y异号,+[y]补 00 01.000 110 0.1 + 11.01¬.100 011 1 00.110¬0 101 r、y同号,+[-y]补 00.011 0111 110 0.11 + 11.010 101 r、y同号,+[-y]补 00.001 011 00.010 ¬续: 被除数(余数) 商1110 0.111 + 11.010 101 r、y同号,+[-y]补 11.010 110 0.1 110 + ¬ 11.101 0111 00.0¬00.101 011 r、y异号,+[y]补 00.000 001100 010 0.11 101 + 11.010 101 r、y同号,0.111 011——恒置1 + 00.101 ¬+[-y]补 11.010 111 1011 r、x异号,(恢复余数) 00.000 010 且r、y异号,+[y]补y]补=0.111011 [r6]补=0.000010,r=r*=0.000000000010¸y=[x¸注:恒置1引入误差。x(2)x=-0.10101,y=0.11011 [x]原=1.10101 x*=0.10101 y*=[y]原=[y]补=y=0.11011 [-y*]补=[-y]补=1.00101 [x]补=1.01011 y¸y]原=1.11000 x¸y*=0.11000 [x¸0=1 x*Åy0=1Å q0=x0=-0.11000 r*=0.11000×2-5 =0.0000011000 计算过程如下:原码加减交替除法: 被除数(余数) 商 0.101 01 0.0 ¬00 00 + 1.001 01 试减,+[-y*]补 1.110 1011.101 00 0. + 0.110 11 r< 0.111 10 0.1 ¬0,+y* 0.011 11 1+ 1.001 01 r> 0.00¬0,+[-y*]补 0.000 1111 10 0.11 + 1.001 01 r>0,+[-y*]补 1.010 11 0.101 10 ¬续: 被除数(余数) 商1 0.110 + 0.110 11 r<0,+y* 1.100 0 1.000 10 0.1 100 + 0.110 11 ¬11r<0.11 000 + 0.110 11 ¬0,+y* 1.111 01 1 r<0,+y*(恢复余数) 0.110 00补码加减交替除法: 被除数(余数) 商 11.010 1
1 0.000 00 + 00.110 11 00.011 00 ¬ 试减,x、y异号,+[y]补 00.001 101 1. + 11.001 01 r、y同号,+[-y]补 11.100 0 11.000 10 1.0 + 00.110 11 ¬1 1 11.110 10 ¬ r、y异号,+[y]补 11.111 011 1.00 + 00.110 11 r、y异号,+[y]补 00.101 01 01.010 10 1.001¬续: 被除数(余数) 商1 00¬ + 11.001 01 r、y同号,+[-y]补 00.011 111.111 10 1.0 011 + 11.001 01 1.0 0111——恒置1 + 11.00¬r、y同号,+[-y]补 00.000 11 11 01 r、x异号,(恢复余数) 11.010 00 且r、y同号,+[-y]补 y=¸y]补=1.00111,x¸注:恒置1引入误差。 [r5]补=1.01000, r=-0.0000011000 [x-0.11001(3)x=0.10100,y=-0.10001 x*=[x]原=[x]补=x=0.10100 [y]原=1.10001 y*=0.10001 [-y*]补=1.01111 [y]补=1.01111 y*=1.00101——溢出 ¸1=1 x*Åy0=0Å [-y]补=0.10001 q0=x0y=-1.00101 r*=0.01011×2-5 =0.000¸y]原:无定义 x¸ [x0001011 计算过程如下:原码加减交替除法: 被除数(余数) 商 0.101 00 0.000 00 + 1.011 11 试减,+[-y*]补 0.00 0.001 10 1¬0 11 1. + 1.011 11 r>0,+[-y*]补 1.101 01 1.010 10 1.0 + 0.10¬ 10 01 r< 1.101 10 ¬0,+y* 1.110 111 1.00 + 0.100 01 r<0,+y* 0.001 11 0.011 10 1.001 ¬续: 被除数(余数) 商1+ 1.011 11 r> 1.11¬0,+[-y*]补 1.111 0110 10 1.0 010 + 0.100 01 r<0,+y* 1.00 101 r¬0.010 11 1>0,结束 注:当x*>y*时产生溢出,这种情况在第一步运算后判断r的正负时就可发现。此时数值位占领小数点左边的1位,原码无定义,但算法本身仍可正常运行。补码加减交替除法: 被除数(余数) 商 00.101 00 0.000 00 + 1 00.001 ¬1.011 11 试减,x、y异号,+[y]补 00.000 11110 0. + 11.011 11 r、y异号,+[y]补 11.010 10 0.1 + 00.¬ 11.101 01 1 11.101¬100 01 r、y同号,+[-y]补 11.110 111 10 0.11 + 00.100 01 r、y同号,+[-y]补 00.001 11 00.011 10 ¬续: 被除数(余数) 商1 0.1
10 + 11.011 11 r、y异号,+[y]补 11. 11.110 10 0.1 101 + 00.100 0¬111 0110.1 1011——恒置1 ¬1 r、y同号,+[-y]补 00.010 11 1 r、x同号,结束 [r5]补=0.01011,r=r*=0.0000001011 Åy=-1.00101 判溢出:qf¸y]补=10.11011,x¸1=1 [xÅy0=0Å真符位的产生:qf=x00=1,溢出Åq0=1 注:由于本题中x*>y*,有溢出。除法运算时一般在运算前判断是否x*>y*,如果该条件成立则停止运算,转溢出处理。但此算法本身在溢出情况下仍可正常运行,此时数值位占领小数点左边的1位,商需设双符号位(变形补码),以判溢出。采用这种方法时运算前可不判溢出,直接进行运算,运算完后再判溢出。(4)x=13/32=(0.01101)2 y=-27/32=(-0.11011)2 x*=[x]原=[x]补=x=0.01101 [y]原=1.11011 y*=0.11011 [-y*]补=1.00101 [y]补=1.00101 y*=0.01111 ¸1=1 x*Åy0=0Å[-y]补=0.11011 q0=x0y=(-0.01111)2=-15/32 r*=0.01011×2-5 ¸y]原=1.01111 x¸[x =0.0000001011原码加减交替除法: 被除数(余数) 商 0.011 01 0.000 00 + 1.001 01 试减,+[-y*]补 1.100 1.001 00 0.¬ 10 1 + 0.110 11 r<0,+y* 1.111 11 1.111 10 0.0 + 0.110 1¬ 11 r< 1.100 10 ¬0,+y* 0.110 011 0.01 + 1.001 01 r>0,+[-y*]补 0.101 11 1.011 10 0.011 ¬续: 被除数(余数) 商1+ 1.001 01 r> 1.00¬0,+[-y*]补 0.100 1111 10 0.0 111 + 1.001 01 r>0,+[-y*]补0.01 111 r¬ 0.010 11 1>0,结束补码加减交替除法: 被除数(余数) 商 00.011 01 0.00¬0 00 + 11.001 01 试减,x、y异号,+[y]补 11.100 101 11.001 00 1. + 00.110 11 11.111 10 ¬ r、y同号,+[-y]补 11.111 11 1 1.1 + 00.110 11 r、y同号,+[-y]补 00.110 01 01.100 10 1.10 + 11.001 01 ¬1 r、y异号,+[y]补 00.101 11 01¬续: 被除数(余数) 商1.011 10 1.100 + 11.001 01 r、y异号, 01.001 10 1.1 000 +¬+[y]补 00.100 1111.1 0¬ 11.001 01 r、y异号,+[y]补 00.010 11 1001——恒置1 r、x同号,结束 [r]补=0.010y=(-0.01111)2=-15/32¸y]补=1.10001,x¸11,r=r*=0.0000001011 [x
22.设机器字长为16位(含1位符号位),若一次移位需1µs,一次加法需1µs,试问原码一位乘、补码一位乘、原码加减交替除法和补码加减交替除法各最多需多少时间? 解:原码一位乘最多需时 1µs×15(加)+1µs×15(移位)=30µs 补码一位乘最多需时 1µs×16+1µs×15=31µs 原码加减交替除最多需时 1µs×(16+1)+1µs×15=32µs(或33µs) 补码加减交替除最多需时 1µs×(16+1)+1µs×15=32µs(或33µs) (包括最后恢复余数!) 23.对于尾数为40位的浮点数(不包括符号位在内),若采用不同的机器数表示,试问当尾数左规或右规时,最多移位次数各为多少? 解:对于尾数为40位的浮点数,若采用原码表示,当尾数左规时,最多移位39次;反码表示时情况同原码;若采用补码表示,当尾数左规时,正数最多移位39次,同原码;负数最多移位40次。当尾数右规时,不论采用何种码制,均只需右移1次。 24.按机器补码浮点运算步骤,计算[x±y]补 (1)x=2-011× 0.101100, y=2-010×(-0.011100); (2)x=2-011×(-0.100010), y=2-010×(-0.011111); (3)x=2101×(-0.100101), y=2100×(-0.001111)。 解:先将x、y转换成机器数形式:(1)[x]补=1,101;0.101100 [y]补=1,110;1.100100 注:为简单起见,源操作数可直接写成浮点格式,不必规格化。E]补=[Ex]补+[-Ey]补 D1)对阶: [E]补D=11,101+00,010=11,111 [<0,应Ex向Ey对齐,则: [Ex]补+1=11,101+00,001 E]补+1=11,111+00,001 =00,000=0 至此,D =11,110 [Ex=Ey,对毕。 [x]补=1,110;0.0101102)尾数运算: [Mx]补+[My]补=00.010 110 +11.100 100 11.111 010[Mx]补+[-My]补=00.010 110 +00.011 100 00.110 0103)结果规格化: [x+y]补=11,110;11.111010 =11,011;11.010000(左规3次,阶码减3,尾数左移3位) [x-y]补=11,110;00.110010 已是规格化数。4)舍入:无5)溢出:无 则:x+y=2-101×(-0.110000) x-y=2-010×0.110010(2)x=2-011×(-0.100010) y=2-010×(-0.011111) [x]补=1,101;1.011110 [y]补=1,110;1.100001 1)对阶: 过程同1),则 [x]补=1,110;1.101111 2)尾数运算: [Mx]补+[My]补=11.101 111 +11.100 001 11.010 000 [Mx]补+[-My]补=11.101 111 +00.011 111 00.001 1103)结果规格化: [x+y]补=11,110;11.010000 已是规格化数。 [x-y]补=11,110;00.001110 =11,100;00.111 000(左规2次,阶码减2,尾数左移2位) 4)舍入:无5)溢出:无 则:x+y=2-010×(-0.110000) x-y=2-100× 0.111000(3)x=2101×(-0.100101) y=2100×(-0.001111)
[x]补=0,101;1.011E]补=[Ex]补+[-Ey]补 D011 [y]补=0,100;1.110001 1)对阶: [E]补D=00,101+11,100=00,001 [>0,应Ey向Ex对齐,则: [Ey]补+1=00,100+00,001 E]补+[-1]补=00,001+11,111 =00,000=0 至此,D =00,101 [Ey=Ex,对毕。 [y]补=0,101;1.111000(1)2)尾数运算: [Mx]补+[My]补=11.011 011 +11.111 000(1) 11.010 011(1) [Mx]补+[-My]补=11.011 011 +00.000 111(1) 11.100 010(1)3)结果规格化: [x+y]补=00,101;11.010011(1) 已是规格化数。 [x-y]补=00,101;11.100010(1) =00,100;11.000 101(左规1次,阶码减1,尾数左移1位) 4)舍入: [x+y]补=00,101;11.010011(舍) [x-y]补不变。5)溢出:无 则:x+y=2101×(-0.101101) x-y=2100×(-0.111011) 27.设浮点数阶码取3位,尾数取6位(均不包括符号位),要求阶码用移码运算,尾数用补码运算,计算x·y,且结果保留1倍字长。 (1)x=2-100× 0.101101, y=2-011×(-0.110101); (2)x=2-011×(-0.100111), y=2101×(-0.101011)。 解:先将x、y转换成机器数形式:(1)[x]阶移尾补=0,100;0.101101 [y]阶移尾补=0,101;1.001011 1)阶码相加: [Ex]移+[Ey]补=00,100+11,101 =00,001(无溢出)2)尾数相乘:(补码两位乘比较法) 部分积 乘数 yn+1 000.000 000 11.001 0 11 0 + 111.010 011 +[-x]补 111.010 012 111.110 100 11 11.0 0 10 1 + 111.®1010 011 +[-x]补 111.000 111 2 111.110 001 11 111 1.0® 0 1 + 000.101 101 +[x]补 0002 000.000 111 ®.011 110 10 111 1 11 .0 + 111.010 011 +[-x]补 111.011 010 10 111 1 00(清0)[Mx×My]补=1.011010(10111100)3)结果规格化:已是规格化数。4)舍入:设采用0舍1入法,应入: [x×y]阶移尾补=0,001;1.0110115)溢出:无 x×y=2-111×(-0.100101)方案二:采用阶补尾原格式计算: [x]阶补尾原=1,100;0.101101 [y]阶补尾原=1,101;1.110101 1)阶码相加: [Ex]补+[Ey]补=11,100+11,101 =11,001(无溢出)原码一位乘: 部分积 乘数y* 0.000 000 .11® 1 0 1 0 1——+x* + 0.101 101 0.101 1011 0.001 011 ® 0.010 110 1.1 1 0 1 0——+0 0 1.1 1 0 1——+x* + 0.10
1 101 0.111 001 0.001 1®1 0.011 100 0 0 1 .1 1 0——+0®010 0 0 0 1.1 1——+x* + 0.101 101 0.1111 0.011 101 1 0 0 0 1.1——+x* + 0.1® 0111 0.100 101 0 1 0 0®01 101 1.001 010 0 1 [Mx×My]原=1.100101(010001)3)结果规格化:已是规格化数。4)舍入:设采用0舍1入法,应舍: [x×y]阶补尾原=1,001;1.1001015)溢出:无 x×y=2-111×(-0.100101)(2)x=2-011×(-0.100111) y=2101×(-0.101011) [x]阶移尾补=0,101;1.011001 [y]阶移尾补=1,101;1.0101011)阶码相加: [Ex]移+[Ey]补=00,101+00,101 =01,010(无溢出)2)尾数相乘:(补码两位乘比较法) 部分积 乘数 yn+1 000.000 000 11.010 1 01 0 + 111.011 001 +[x]补 111.0112 111.110 110 01 11.0 1 01 0 + 1® 00111.011 001 +[x]补 111.001 1112 111.110 011 11 011 ® 1.01 0 + 111.011 001 +[x]补 2 111.110 01®111.001 100 1 00 110 1 11 .0 + 000.100 111 +[-x]补 000.011 010 00 110 1 00(清0)[Mx×My]补=0.011010(00110100)3)结果规格化: [x×y]阶移尾补= =1,010;0.011010(00110100) =1,001;0.110100(0110100)4)舍入:设采用0舍1入法,应舍: [x×y]阶移尾补=1,001;0.1101005)溢出:无 x×y=2001×0.110100方案二:采用阶补尾原格式计算: [x]阶补尾原=1,101;1.100111 [y]阶补尾原=0,101;1.1010111)阶码相加: [Ex]补+[Ey]补=11,101+00,101 =00,010(无溢出)原码一位乘: 部分积 乘数y* 0.000 000 .1 0 1 0 1 11 0.010 011 ®——+x* + 0.100 111 0.100 111 1.1 0 1 0 1——+x* + 0.100 111 0.111 011 0.001 1®1 0.011 101 0 1.1 0 1 0——+0®010 1 0 1 .1 0 1——+x* + 0.100 111 0.1101 0.00®1 0.011 010 1 1 0 1.1 0——+0® 1011 101 0 1 1 0 1.1——+x* + 0.100 111 0.1 0.011 010 0 0 1 1 0 1®110 100 [Mx×My]原=0.011010(001101)3)结果规格化: [x×y]阶补尾原= =0,010;0.011010(001101) =0,001;0.110100(01101)4)舍入:设采用0舍1入法,应舍: [x×y]阶补尾原=0,001;0.1101005)溢出:无 x×y=2001×0.110100 28.机器数格式同上题,要求阶码用移码运算,尾数用补码运算,计算x÷y。
(1)x=2101× 0.100111, y=2011×(-0.101011); (2)x=2110×(-0.101101), y=2011×(-0.111100)。 解:先将x、y转换成机器数形式:(1)[x]阶移尾补=1,101;0.100111 [y]阶移尾补=1,011;1.010101 1)阶码相减: [Ex]移+[-Ey]补=01,101+11,101 =01,010(无溢出)2)尾数相除:(补码加减交替除法) 被除数(余数) 商 00.100 111 0.000 000 试减, + 11.010 101 Mx、My异号,+[My]补 11.11 11.111 000 1. + 00.101 0¬1 1001 01.000 11¬11 r、My同号,+[-My]补 00.100 011 10 1.0 + 11.010 101 r、My异号,+[My]补 00.110 110 1.00 + 11.0¬00.011 011110 101 r、My异号,+[My]补 00.001 011续: 被除数(余数) 00.010 110 1.000 + 11.010¬ 商1 11.010 11¬ 101 r、My异号,+[My]补 11.101 01110 1.0 001 + 00.101 011 r、My同号,+[-My]补 00.000 010 1.00 010 + 11.¬00.000 00111.000 1¬010 101 r、My异号,+[My]补 11.010 111 101——恒置1 + 00.101 011 r、Mx异号,(恢复余数) 00.000 01My]补=1.000101,[r]补=0.000010 r=0.000¸0 且r、My同号,+[-My]补 [Mx2-6=0.000000000010´0103)结果规格化:已是规格化数。4)舍入:已恒置1舍入。5)溢出:无 y=2010×(-0.111011)方案二:采用阶补尾原形式: ¸y]阶移尾补=1,010;1.000101 x¸[x[x]阶补尾原=0,101;0.100111 [y]阶补尾原=0,011;1.101011 1)阶码相减: [Ex]补+[-Ey]补=00,101+11,101 =00,010(无溢出)2)尾数相除:(原码加减交替除法) 被除数(余数) 商 00.100 111 0.000 000 试减, + 11.010 101 +[-My*]补 11.111 000 0. + 00.¬11.111 1001 0¬0,+My* 00.100 011 1<101 011 r1.000 110 0.1 + 11.010 101 00.110 110 ¬0,+[-My*]补 00.011 0111> r0,+[-My*]补 00.00> 0.11 + 11.010 101 r1 011 00.010 110 ¬续: 被除数(余数) 商10,+[-My*]补 11.1>0.111 + 11.010 101 r 11.010 110 0.1 110 + 00.101 ¬01 0111 00.000 0¬0,+My* 00.000 0011<011 r0,>10 0.11 101 + 11.010 101 r0.111 010 + 00.101 01¬+[-My*]补
11.010 111 10,恢复余数,+My* 00.000 010 <1 r2-6=0.000000000010´My]原=1.111010 r*=0.000010¸[Mx¸y]阶补尾原=0,010;1.111010 x¸3)结果规格化:已是规格化数。4)舍入:无5)溢出:无 [xy=2010×(-0.111010)(2)x=2110×(-0.101101) y=2011×(-0.111100) [x]阶移尾补=1,110;1.010011 [y]阶移尾补=1,011;1.000100 1)阶码相减: [Ex]移+[-Ey]补=01,110+11,101 =01,011(无溢出)2)尾数相除:(补码加减交替除法) 被除数(余数) 商 11.010 011 0.000 000 试减, + 00.111 100 Mx、My同号,+[-My]补 00.0 00.011 110 0. + 11.000 ¬01 1111 11.000 10¬100 r、My异号,+[My]补 11.100 010 10 0.1 + 00.111 100 r、My同号,+[-My]补 00.000 000 0.10 + 11.¬ 00.000 0001000 100 r、My异号,+[My]补 11.000 100续: 被除数(余数) 10.001 000 0.101 + 00.11¬ 商1 10.001 0¬1 100 r、My同号,+[-My]补 11.000 100100 0.1 011 + 00.111 100 r、My同号,+[-My]补 10.001 000 0.10 111 + 00¬ 11.000 10010.101 ¬.111 100 r、My同号,+[-My]补 11.000 100 1My]补=0.101111,¸111——恒置1 r、Mx同号,结束。[Mx2-6=-0.000000111100´[r]补=1.000100=[My]补r=-0.111100 注:由于补码加减交替除法算法中缺少对部分余数判“0”的步骤,因此算法运行中的某一步已除尽时,算法不会自动停止,而是继续按既定步数运行完。此时商由算法本身的这一缺陷引入了一个误差,而余数的误差正好等于除数。 商的误差引入的原因:当r、My同号时,此题中表示够减(r、Mx同号);当r、My异号时,此题中表示不够减(r、Mx异号);因此,当r=0时,被判为不够减(实际上应为够减),商0(实际上应商1),由此引入了误差。3)结果规格化:已是规格化数。y=2011×0.101111¸y]阶移尾补=1,011;0.101111 x¸4)舍入:已恒置1舍入。5)溢出:无 [x方案二:采用阶补尾原形式: [x]阶补尾原=0,110;1.101101 [y]阶补尾原=0,011;1.111100 1)阶码相减: [Ex]补+[-Ey]补=00,110+11,101 =00,011(无溢出)2)尾数相除:(原码加减交替除法) 被除数(余数) 商 00.101 101 0.000 000 试减, + 11.000 100 11.100 010 ¬ +[-My*]补 11.110 00110,+My* 00< 0. + 00.111 100 r 00.111 100 0.1 +11.000¬.011 110 1 00.00¬0,+[-My*]补 00.000 0001> 100 r0,>0 000 0.11 + 1
1.000 100 r+[-My*]补 11.000 100 10.¬续: 被除数(余数) 商1001 000 0.110 + 00.111 100 10.001 000 0.1¬0,+My* 11.000 1001< r0,+My* 11.00< 100 + 00.111 100 r 10.001 000 0.11 000 + 00.111 1¬0 10010.110 000¬0,+My* 11.000 100 1<00 r0,恢复余数,+My* 00.000 000< + 00.111 100 r2-6=-0.000000000000´My]原=0.110000,r=-0.000000¸[Mx3)结果规格化:已是规格化数。y=2011×0.11000029.¸y]阶补尾原=0,011;0.110000 x¸4)舍入:无5)溢出:无 [x设机器字长为32位,用与非门和与或非门设计一个并行加法器(假设与非门的延迟时间为30ns,与或非门的延迟时间为45ns),要求完成32位加法时间不得超过0.6µs。画出进位链及加法器逻辑框图。 解:首先根据题意要求选择进位方案: 1)若采用串行进位链(行波进位),则在di、ti函数的基础上,实现32位进位需要的时间为: 30=1920ns 不满足0.6µs的加法时间限制,不能用。(设1ty=30ns) ´32=64ty=64´T=2ty30=600ns ´8组=20ty=20´2)若采用单重分组跳跃进位(级连方式),则在di、ti的基础上,4位一组分组,32位进位需: T=2.5ty 刚好满足0.6µs加法时间的限制, 考虑到一次加法除进位时间外,还需di、ti函数的产生时间、和的产生时间(最高位和)等因素,故此进位方案仍不适用。 30=450ns ´6组=15ty=15´结论:若采用单重分组跳跃进位,小组规模需在6位以上较为合适。即: T=2.5ty除进位外还有150ns(约5ty)左右的时间供加法开销,较充裕。 3)若采用双重分组跳跃进位(二级先行—级联进位),4位一小组,4小组为一大组分组,则32位进位需: 30=300ns 完全满足0.6µs的加法时间限制,可以使用。´4级=10ty=10´T=2.5ty 32位双重分组跳跃进位的进位链框图见教材287页图6.23。 6位一组单重分组跳跃进位的进位链框图如下: 加法器逻辑框图如下。图中,进位链电路可选上述两种方案之一。 30.设机器字长为16位,分别按4、4、4、4和5、5、3、3分组, (1)画出按两种分组方案的单重分组并行进位链框图,并比较哪种方案运算速度快。 (2)画出按两种分组方案的双重分组并行进位链框图,并对这两种方案进行比较。 (3)用74181和74182画出单重和双重分组的并行进位链框图。 解: (1)4—4—4—4分组的16位单重分组并行进位链框图见教材286页图6.22。 5—5—3—3分组的16位单重分组并行进位链框图如下: (2)4—4—4—4分组的16位双重分组并行进位链框图见教材289页图6.26。 5—5—3—3分组的16位双重分组并行进位链框图如下: 3=7.5ty; ´3=7.5ty; 5—5—3—3分组的进位时间=2.5ty´ 4—4—4—4分组的进位时间=2.5ty两种分组方案最长加法时间相同。
结论:双重分组并行进位的最长进位时间只与组数和级数有关,与组内位数无关。 (3)单重分组16位并行加法器逻辑图如下(正逻辑):注意: 1)181芯片正、负逻辑的引脚表示方法; 2)为强调可比性,5-5-3-3分组时不考虑扇入影响; 3)181芯片只有最高、最低两个进位输入/输出端,组内进位无引脚; 4)181为4位片,无法5-5-3-3分组,只能4-4-4-4分组; 5)单重分组跳跃进位只用到181,使用182的一定是双重以上分组跳跃进位; 6)单重分组跳跃进位是并行进位和串行进位技术的结合;双重分组跳跃进位是二级并行进位技术;特别注意在位数较少时,双重分组跳跃进位可以采用全先行进位技术实现;位数较多时,可采用双重分组跳跃进位和串行进位技术结合实现。第 七 章6.画出先变址再间址及先间址再变址的寻址过程示意图。 解:1)先变址再间址寻址过程简单示意如下: EA=[(IX)+A], IX®(IX)+1IX®2)先间址再变址寻址过程简单示意如下: EA=(IX)+(A), (IX)+1 注意: 3)寻址后把操作数送回指令操作码,再访存。´1)英文缩写EA表示有效地址,不能乱用。 2)示意图中应标明EA(有效地址)的位置。 12.16位,且存储字长等于指令字长,若该机指令系统可完成108种操作,操作码位数固定,且具有直接、间接、变址、基址、相对、立即等六种寻址方式,试回答:´某机主存容量为4M (1)画出一地址指令格式并指出各字段的作用; (2)该指令直接寻址的最大范围; (3)一次间址和多次间址的寻址范围; (4)立即数的范围(十进制表示); (5)相对寻址的位移量(十进制表示); (6)上述六种寻址方式的指令哪一种执行时间最短?哪一种最长?为什么?哪一种便于程序浮动?哪一种最适合处理数组问题? (7)如何修改指令格式,使指令的寻址范围可扩大到4M? (8)为使一条转移指令能转移到主存的任一位置,可采取什么措施?简要说明之。 解: (1)单字长一地址指令格式: 7 3 6 (2)A为6位,该指令直接寻址的最大范围为26=64字; (3)一次间址的寻址范围为216=64K字; 多次间址的寻址范围为215=32K字; (4)立即数的范围:若采用补码表示为1FH~20H;十进制表示为31~-32;无符号数为0~63; (5)相对寻址的位移量范围在采用补码表示时同立即数范围,为31~-32;
(6)六种寻址方式中,立即寻址指令执行时间最短,因为此时不需寻址; 间接寻址指令执行时间最长,因为寻址操作需访存一次到多次; 相对寻址便于程序浮动,因为此时操作数位置可随程序存储区的变动而改变,总是相对于程序一段距离; 变址寻址最适合处理数组问题,因为此时变址值可自动修改而不需要修改程序。 (7)为使指令寻址范围可扩大到4M,需要有效地址22位,此时可将单字长一地址指令的格式改为双字长,如下图示: 7 3 6 (8)如使一条转移指令能转移到主存的任一位置,可采用上述双字长一地址指令,通过选用合适的寻址方式完成。(如选用直接寻址就可转移到主存任一位置,但选用相对寻址则只能在±2M范围内转移。) 除此之外,(7)、(8)两题也可通过段寻址方式达到扩大寻址空间的目的。总之,不论采取何种方式,最终得到的实际地址应是22位。方案二: (7)如果仍采用单字长指令(16位)格式,为使指令寻址范围扩大到4M,可通过段寻址方案实现。安排如下: 硬件设段寄存器DS(16位),用来存放段地址。在完成指令寻址方式所规定的寻址操作后,得有效地址EA(16位),再由硬件自动完成段寻址,最后得22位物理地址。 26+EA ´ 物理地址=(DS)注:段寻址方式由硬件隐含实现。在编程指定的寻址过程完成、EA产生之后由硬件自动完成,对用户是透明的。方案三: (7)在采用单字长指令(16位)格式时,还可通过页面寻址方案使指令寻址范围扩大到4M。安排如下: 硬件设页面寄存器PR(16位),用来存放页面地址。指令寻址方式中增设页面寻址。当需要使指令寻址范围扩大到4M时,编程选择页面寻址方式,则: EA=(PR)‖A(有效地址=页面地址“拼接”6位形式地址) 这样得到22位有效地址。 (5)相对寻址的位移量范围为: ´讨论: (6)基址寻址便于程序浮动;´(PC)-32;(PC内容此时做基地址使用,形式地址给出位移量)~(PC)+31(7)采用基址寻址: ´(基址寻址的程序浮动能力没有相对寻址强,在两种寻址方式都给出的情况下,描述程序浮动能力时应选相对寻址)采用32位指令:(应为双字长指令)´物理地址=段地址+段内位移量A 通过基址寻址与段寻址获得实际地址的区别: 存储器地址位数),位移量比较短(=形式地址位数),相加后得到的有效地址长度=基地址长度。此时主存不分段。 ³1)基址寻址的基地址一般比较长(实际地址=有效地址=基地址+位移量 段寻址是基址寻址的一种变种,当基地址短于存储地址时,基址寻址就变成了段寻址,基地址就叫做段地址,此时主存分段。 偏移量+段内位移量(有效地址)´实际地址=段地址存储字长的机器中,可直接通过寻址计算获得实际地址。 ³ 2)基址寻址一般在机器字长存储字长的机器中,由于CPU内部数据通路的限制,编程指定的任何一种寻址计算得到的有效地址长度都等于机器字长,为获得更长的地址字,硬件自动通过段寻址计算出存储器实际地址。£在机器字长(7)采用变址间接寻址,变址寄存器6位,先变址,再间址, EA=(6位基地址)*(16位间接地址) =26*216=222 ´ (通过乘法运算进行寻址操作太慢且复杂,无机器用过)(8)如使一条转移指令能转移到主存的任一位置,可采用RS型指令;(´
两个错:1)RS型只是二地址以上指令的类型,即指令中二个地址场一个给出寄存器号,一个给出面向存储器的地址信息。2)题意的实现与寻址方式和形式地址长度有关,与指令的地址场结构无直接关系。)16位容量=226位,采用变址间接寻址,变址寄存器10位,210*216构成26位地址;´4M´(两个错:1)存储器地址结构错;2)寻址计算方法错,见前面的讨论)´ (8)A需22位,采用(7)的双字长指令格式,令PC=0,当PC取不同值时指明当前位置不同;(把转移指令(指令的跳跃寻址)与数据的相对寻址混淆。转移指令可重置PC值,相对寻址时只是用PC的值,而不能对其修改)相关问题:*一般:机器字长=存储字长;*CPU中所有寄存器(包括基址寄存器)的位数=机器字长;*通常:指令字长不一定等于机器字长。早期的小型机由于字长较短,指令常以机器字长为单位变化(几字长指令,如PDP-11机),目前以字节长为单位变化(几字节指令)的较多。习题中指令字长=机器字长的假设只是为简单起见;*当设指令字长=存储字长(=机器字长)时,如用立即寻址,由于立即数由形式地址直接给出,而形式地址的位数肯定不足一个字长,因此立即寻址非常适用于编程给出短常数的场合。如果非要把立即数存入存储器,那就只好高位补0了。干吗这样用呢? 提示:寻址方式的正确选择与编程技巧有关。 15.某CPU内有32个32位的通用寄存器,设计一种能容纳64种操作的指令系统。假设指令字长等于机器字长,试回答: (1)如果主存可直接或间接寻址,采用“寄存器—存储器”型指令,能直接寻址的最大存储空间是多少?画出指令格式并说明各字段的含义。 (2)如果采用通用寄存器作基址寄存器,则上述“寄存器—存储器”型指令的指令格式有何特点?画出指令格式并指出这类指令可访问多大的存储空间? 解: (1)如采用RS型指令,则此指令一定是二地址以上的地址格式,指令格式如下: 6 5 1 20 (2)如采用基址寻址,则指令格式中应给出基址寄存器号,以指定哪一个通用寄存器用作基址寄存器。指令格式变为: 6 5 1 1 5 14(2)指令格式:´讨论: 16.某机字长16位,存储器直接寻址空间为128字,变址时的位移量为-64~+63,16个通用寄存器均可作为变址寄存器。采用扩展操作码技术,设计一套指令系统格式,满足下列寻址类型的要求: (1)直接寻址的二地址指令3条; (2)变址寻址的一地址指令6条; (3)寄存器寻址的二地址指令8条; (4)直接寻址的一地址指令12条; (5)零地址指令32条。 试问还有多少种代码未用?若安排寄存器寻址的一地址指令,最多还能容纳多少条? 解:题意分析: 设指令字长=机器字长,128字的直接寻址空间要求形式地址A为7位,-64~+63的位移量也需7位(6位加1位符号位),16个通用寄存器作变址寄存器需4位变址寄存器号,则指令格式为: (1)直接寻址的二地址指令: 2 7 7 (3)寄存器寻址的二地址指令: 8 4 4 (6)若安排寄存器寻址的一地址指令,指令格式应为: 12 4 操作码编码分配:0001 A1,A2; 3条直接寻址的二地址指令。1011 000…… …… IX,A;6条变址寻址的一地址指令。11 10
111 110 000…… …… …… Ri,Rj;11 110 111 8条寄存器寻址的二地址指令。11 111 0000…… …… …… A;11 111 1011 12条直接寻址的一地址指令。续:11 111 1100 000…… …… …… …… Ri;11 111 1110 111 30条寄存器寻址的11 111 1111 000 一地址指令。…… …… …… …… (利用30个冗余编码)11 111 1111 10111 111 1111 110 0000…… …… …… …… …… 32条0地址11 111 1111 111 1111 指令不画所设计的指令格式图,只分配指令操作码编码。 ´讨论: 指令格式中安排寻址方式字段,例: 2 3 4 7 ´ 评注:这是一道指令格式设计题,本题已给出了各种指令所需的条数,因此,在根据题意画出各种指令的格式后,剩下的工作就是要为每一条指令分配编码。在采用扩展操作码技术分配指令编码时,扩展的基本方法是在所设计的指令系统中,选定一种操作码位数最少的指令格式作为基本格式,然后在这种基本格式的基础上进行操作码编码的扩展。为便于硬件译码结构的实现,编码分配应尽量做到有序、有规律。特别是扩展标志码的选择,应尽量采用特征较强的编码,象全‘1’编码等。另外,应在某类指令的编码全部安排完后,再考虑安排扩展标志码,以避免漏排或重码等不必要的混乱。 17.某机指令字长16位,每个操作数的地址码为6位,设操作码长度固定,指令分为零地址、一地址和二地址三种格式。若零地址指令有M种,一地址指令有N种,则二地址指令最多有几种?若操作码位数可变,则二地址指令最多允许有几种? 解:1)若采用定长操作码时,二地址指令格式如下: 4 6 6 设二地址指令有K种,则: K=24-M-N 当M=1(最小值),N=1(最小值)时,二地址指令最多有: Kmax=16-1-1=14种 2)若采用变长操作码时,二地址指令格式仍如1)所示,但操作码长度可随地址码的个数而变。此时, K=24-(N/26+M/212); 1时,K最大,则二地址指令最多有: £ (N/26+M/212向上取整) 当(N/26+M/212)Kmax=16-1=15种(只留一种编码作扩展标志用。) 讨论:此时,一地址指令条数为: N=(24-K)×26-M/26; (M/26向上取整)。 零地址指令条数为: M=216-212K-26N; 当K最大时(K=15),一地址指令最多有: Nmax=64-1=63种; 零地址指令最多有: Mmax=64种 注意:应首先根据题意画出指令基本格式。第 八 章2.什么是指令周期?指令周期是否有一个固定值?为什么? 解: 指令周期是指一条指令从开始取直到执行完这段时间。
由于计算机中各种指令执行所需的时间差异很大,因此为了提高CPU运行效率,即使在同步控制的机器中,不同指令的指令周期长度都是不一致的,也就是说指令周期对于不同的指令来说不是一个固定值。讨论:指令周期长度不一致的根本原因在于设计者,为了提高CPU运行效率而这样安排的,与指令功能不同及指令实际执行时间不同没有什么必然关系。 4.设CPU内有下列部件:PC、IR、SP、AC、MAR、MDR和CU,要求: (1)画出完成间接寻址的取数指令LDA@X(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意所给部件连接起来,框图如下:¯ LDA@X指令周期流程图: 说 明¯ LDA¯(2)中断周期流程图如下: 说 明 A 说 明¯ 讨论: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。 13.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。讨论:´当进入中断周期时,INT=1;(INT=1时,进入中断周期) ´ 回答时首先应给出该触发器的中文名称,然后说明其主要作用。 INT与EINT配合使用以实现关中断功能,即INT=1,反相后使EINT=0;(关中断并不是INT的主要功能,进入中断周期后要执行中断隐指令的全部三个功能)INT表示自愿中断,完成系统调用;´ (尽管INT触发器的英文缩写与INT指令助记符完全相同,但它们一个是硬件设置,一个是软中断指令,其作用完全不同)´ ´INT表示处于中断状态中;(INT并不是在整个中断过程中都存在)´INT标记目前是否正在运行中断程序;(INT标记在运行中断程序时已不存在) INT判断中断过程中是否接受其它中断请求,INT=0时,开中断,允许中断嵌套;EINT判断CPU是否响应中断请求;´(INT标记与中断嵌套技术没有任何关系。它不能表示出中断过程中是否接受其它中断请求,INT=0也不表示开中断)(CPU根据EINT状态决定是否响应中断请求)´当CPU响应中断时,EINT置1;(当EINT=1时,允许CPU响应中断)´
EINT确保CPU响应中断后,不受新的中断干扰;´(CPU响应中断在先,进入中断周期后才使EINT=0,仅在单重中断时,整个中断过程EINT=0,不接受新的中断请求)INTR=1,判断哪个中断源有请求;´EINT表示中断隐指令,INT起关中断作用;(把EINT和INT的作用搞反了)(INTR对中断源的请求进行登记,当INTR=1时,表示有请求) 20.现有A、B、C、D四个中断源,其优先级由高向低按A、B、C、D顺序排列。若中断服务程序的执行时间为20µs,请根据下图所示时间轴给出的中断源请求中断的时刻,画出CPU执行程序的轨迹。 解:CPU执行程序的轨迹图如下:L1® 21.某机有五个中断源L0、L1、L2、L3、L4,按中断响应的优先次序由高向低排序为L0L2,根据下示格式,1)写出各中断源的屏蔽字。®L0®L4®L3®L4,现要求中断处理次序改为L1®L3®L2®2)按照修改过的处理次序,当五个中断请求信号同时到来时,请画出CPU中断处理过程。解:1)各中断源屏蔽状态见下表: 表中:设屏蔽位=1,表示屏蔽;屏蔽位=0,表示中断开放。 为了使所有中断都能得到及时响应,现行程序的中断屏蔽字一般设为全开放(全0)状态。现行程序(00000)讨论: 图中括号内为各程序的屏蔽码。 注意:中断屏蔽码的判优作用体现在对低级中断请求的屏蔽上,对于多个同时到来的高级中断请求信号之间则只有开放作用,没有判优作用。此时还需依赖硬件排队线路完成进一步的判优。 C,为改变中断处理次序,将它们的中断屏蔽字分别设为: 设备 >B> 22.设某机配有A、B、C三台设备,其优先顺序是A屏蔽字 A 111 B 010 C 011 s。m请按下图所示时间轴给出的设备请求中断的时刻,画出CPU执行程序的轨迹。设A、B、C中断服务程序的执行时间均为20解:CPU执行程序的轨迹图如下:讨论:当从B中断转到C中断时,不返回现行程序,下述程序运行轨迹是错误的:
第 九 章3.什么是指令周期、机器周期和时钟周期?三者有何关系? 解: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(指令步)所需时间,通常安排机器周期长度=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=计算机主频的倒数。 4.能不能说机器的主频越快,机器的速度就越快,为什么? 解:不能说机器的主频越快,机器的速度就越快。因为机器的速度不仅与主频有关,还与数据通路结构、时序分配方案、ALU运算能力、指令功能强弱等多种因素有关,要看综合效果。 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=1/0.4MIPS=2.5µsA机时钟周期=1/8MHz=125nsA机机器周期=125ns×4=500ns=0.5µs83nsB机机器周期=83ns×4=332ns»A机每个指令周期中含机器周期个数 =2.5µs÷0.5µs=5个B机时钟周期=1/12MHz 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=332ns×5=1.66µsB机平均指令执行速度=1/1.66µs =0.6MIPS 结论:主频的提高有利于机器执行速度的提高。 6.设某机主频为8MHz,每个机器周期平均含2个时钟周期,每条指令平均有2.5个机器周期,试问该机的平均指令执行速度为多少MIPS?若机器主频不变,但每个机器周期平均含4个时钟周期,每条指令平均有5个机器周期,则该机的平均指令执行速度又是多少MIPS?由此可得出什么结论? 解:先通过主频求出时钟周期,再求出机器周期和平均指令周期,最后通过平均指令周期的倒数求出平均指令执行速度。计算如下:时钟周期=1/8MHz=0.125×10-6=125ns机器周期=125ns×2=250ns平均指令周期=250ns×2.5=625ns平均指令执行速度=1/625ns=1.6MIPS 当参数改变后:机器周期=125ns×4=500ns=0.5µs平均指令周期=0.5µs×5=2.5µs
平均指令执行速度=1/2.5µs=0.4MIPS 结论:两个主频相同的机器,执行速度不一定一样。 7.某CPU的主频为8MHz,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0.8MIPS,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0.4µs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40万次的指令执行速度,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=1/8MHz=0.125×10-6 =125ns 机器周期=125ns×4=500ns=0.5µs 平均指令周期=1/0.8MIPS =1.25×10-6=1.25µs 每个指令周期所含机器周期个数 =1.25µs/0.5µs=2.5个 当芯片改变后,相应参数变为: 机器周期=0.4µs×4=1.6µs 平均指令周期=1.6µs×2.5=4µs 平均指令执行速度=1/4µs =0.25MIPS 若要得到平均每秒40万次的指令执行速度,则应采用的主频为: 平均指令周期=1/0.4MIPS =2.5×10-6=2.5µs 机器周期=2.5µs÷2.5=1µs 时钟周期=1µs÷4=0.25µs 主频=1/0.25µs=4MHz 8.某计算机的主频为4MHz,各类指令的平均执行时间和使用频度如下表所示,试计算该机的速度(单位用MIPS表示),若上述CPU芯片升挡为6MHz,则该机的速度又为多少?s ms 0.8m指令类别 存取 加、减、比较、转移 乘除 其他平均指令 执行时间 0.6s使用频度 35% 50% 5% 10%ms 1.4m 10 解:(1)指令平均运行时间= (0.6×0.35+0.8×0.5+10×0.05+1.4×0.1)μs =1.25μs 机器平均运行速度=1/1.25μs=0.8MIPS (2)解法一:时钟周期=1/4MHz=0.25μs 指令平均运行周期数=1.25μs÷0.25μs =5CPI 时钟周期=1/6MHz≈0.167μs 指令平均运行时间=0.167μs×5 ≈0.833μs 机器平均运行速度=1/0.833μs ≈1.2MIPS 11.设CPU内部结构如图9.4所示,此外还设有B、C、D、E、H、L六个寄存器,它们各自的输入和输出端都与内部总线相通,并分别受控制信号控制(如Bi为寄存器B的输入控制;Bo为B的输出控制)。要求从取指令开始,写出完成下列指令所需的控制信号。AC) ®B)(2)SUB A,H;((AC)-(H)®(1)ADD B,C;((B)+(C)解:先画出相应指令的流程图,然后将图中每一步数据通路操作分解成相应的微操作,再写出同名的微命令即可。(1)ADDB,C指令流程及微命令序列如下:¯ Bo,YiCo,ALUi,+Zo,Bi (2)SUBA,H指令流程及微命令序列如下:¯
Ho,YiACo,ALUi,–Zo,ACi第 十 章1.假设响应中断时,要求将程序断点存在堆栈内,并且采用软件办法寻找中断服务程序的入口地址,试写出中断隐指令的微操作及节拍安排。 ®MDR,1®MART1 PC®EINT,SP®解:设软件查询程序首址为0号内存单元,则中断隐指令的微操作命令及节拍安排如下:T0 0SPT4 ®W,SP+1®MDR,1®M(MAR)T3 PSW®MAR,MDR®SPT2 SP®W,SP+1M(MAR) 由于题意中没有给出确切的数据通路结构,故上述节拍分配方案的并行性较低。®PC,MDR®0 2.写出完成下列指令的微操作及节拍安排(包括取指操作)。 (1)指令ADDR1,X完成将R1寄存器的内容和主存X单元的内容相加,结果存于R1的操作。 (2)指令ISZX完成将主存X单元的内容增1,并根据其结果若为0,则跳过下一条指令执行。 解:该题题意中没有指定数据通路,因此排序前应先设定一下。在此设采用单总线结构的CPU数据通路,且ALU输入端设两个暂存器C、D(见17题图)。并设采用同步控制,每周期3节拍: R T1 ®MAR,1® (1)指令ADDR1,X的微操作及节拍安排如下: 取指周期: T0 PCID 执行周期1: T0 ®IR,OP(IR)®MDR T2 MDR®PC+1,M(MAR)D 执行周期2: ®MDR T2 MDR®C,M(MAR)®R T1 R1®MAR,1®X(IR)R1®T0 T1 T2 +,ALU (2)指令ISZX的微操作及节拍安排(取指周期同(1),略): C ®MDR T2 MDR®R T1 M(MAR)®MAR,1®执行周期1: T0 X(IR)M(MAR) ®-W T2 MDR®MDR T1 0®执行周期2: T0 +1,ALU (PC+1)·Z (设Z为结果为0标志) 该指令的操作在一个执行周期做不完,因此安排了两个执行周期。
3.按序写出下列程序所需的全部微操作命令及节拍安排。 解:由于题意未明确要求采用何种控制器结构,故仍按较简单的组合逻辑时序关系安排节拍(单总线、同步控制,假设同上题): LDA206指令: ID ®IR,OP(IR)®MDR T2 MDR®R T1 PC+1,M(MAR)®MAR,1®取指周期: T0 PCAC®MDR T2 MDR®R T1 M(MAR)®MAR,1®执行周期: T0 206(IR) ADDC ®MDR,AC®R T1 M(MAR)®MAR,1®207指令:取指周期:同上。 执行周期1: T0 207(IR)AC BAN204指令:取指周期:同上。 ®D 执行周期2: T0 T1 T2 +,ALU®T2 MDRPC® 执行周期:(设N为结果为负标志) T0 T1 T2 N·204(IR) STA205指令: -W T2 ®MDR,0®MAR T1 AC® 取指周期:同上。 执行周期: T0 205(IR)G ®M(MAR) STP指令: 取指周期:同上。 执行周期: T0 T1 T2 0®MDR(G为停机标志。) 4.已知带返转指令的含义如下图所示,写出机器在完成带返转指令时,取指阶段和执行阶段所需的全部微操作及节拍安排。 主程序 子程序 解:假设同上题,仍按组合逻辑、单总线、同步控制安排,带返转指令的全部微操作及节拍如下: ID ®IR,OP(IR)®MDR T2 MDR®R T1 PC+1,M(MAR)®MAR,1®取指周期: T0 PCM(MAR) ®W T2 MDR®MDR),1®MDR(PC®MAR T1 M+1®执行周期: T0 Ad(IR)PC)®PC(MAR+1® K+1 10.能否说水平型微指令就是直接编码的微指令,为什么? 解:不能说水平型微指令就是直接编码的微指令,因为符合水平型微指令特征的微指令都属于水平型微指令,常见的有:直接编码、字段直接编码、字段间接编码,及混合编码等。直接编码的微指令只是最典型的一种。 13.设控制存储器的容量为512×48位,微程序可在整个控存空间实现转移,而控制微程序转移的条件共有4个(采用直接控制),微指令格式如下: 17.假设机器的主要部件有:程序计数器PC,指令寄存器IR,通用寄存器R0、R1、R2、R3,暂存器C、D,ALU,移位器,存储器地址寄存器MAR,存储器数据寄存器MDR及存储矩阵M。 (1)要求采用单总线结构画出包含上述部件的硬件框图,并注明数据流动方向。 (2)画出ADD(R1),(R2)指令在取指阶段和执行阶段的信息流程图。R1寄存器存放源操作数地址,R2寄存器存放目的操作数的地址。 (3)写出对应该流程图所需的全部微操作命令。 解:(1)采用单总线结构的CPU硬件框图如下:(2)ADD(R1),(R2) ¯(3)对应该流程图所 指令流程图如下: 需的全部微操作命令。 R®R1o,MARi1RMDRo,Di®MDRo,CiR2o,MARi1-W公操作®+,D,MDRi0
18.假设机器的主要部件同17题,外加一个控制门G。 (1)要求采用双总线结构(每组总线的数据流动方向是单向的),画出包含上述部件的硬件框图,并注明数据流动方向。 (2)画出SUBR1操作的指令周期信息流程图(假设指令地址已放在PC中),并列出相应的微操作控制信号序列。®R1,R3完成(R1)-(R3) 解:(1)双总线结构的CPU硬件框图如下: (2)SUBR1,R3指令周期流程图如下:R1o,G,CiR2o,G,Di-,D,G,R1i 19.下表给出8条微指令I1~I8及所包含的微命令控制信号,设计微指令操作控制字段格式,要求所使用的控制位最少,而且保持微指令本身内在的并行性。 解:为使设计出的微指令操作控制字段最短,并且保持微指令本身内在的并行性,应采用混合编码法。首先找出互斥的微命令组,为便于分析,将微命令表重画如下: 由表中微命令的分布情况可看出:a、b、c、d、e微命令的并行性太高,因此不能放在同一字段中。另外,由分析可知,在2、3、4分组的互斥组中,3个一组的微命令互斥组对控制位的压缩作用最明显。因此,应尽可能多的找出3个一组的互斥组。现找出的互斥组有:cfj,dij,efh,fhi,bgj,ehj,efj……等等。 从中找出互不相重的互斥组有两个:dij,efh。则:微指令操作控制字段格式安排如下: 1 1 1 1 2 2 各字段编码分配如下:a——0无操作; b——0无操作; 1 a微命令; 1b微命令c——0无操作; g——0无操作; 1c微命令; 1g微命令dij——00无操作;efh——00无操作; 01d微命令; 01 e 10i微命令; 10 f 11j微命令; 11 h 注:每组都应为“无操作”留一种编。 与采用直接控制法比较: 直接控制法:10个微命令需10位操作控制位; 本方案:10个微命令需8位操作控制位,压缩了2位。'
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