计算机组成原理题

[X]补=00.1011

[Y]补=00.0110

[x Y]补=01.0001

两个符号位不同，溢出。

浮点数加减操作过程一般包括对阶、尾数操作、规格化、舍入和溢出判断。浮点数的阶码和尾数用补码表示，位数分别为 5 位和 7 位（均含 2 位符号位)。如果有两个数字。 X=

×29/32 ， Y=

×5/8 ，用浮点加法计算 X Y 最终结果是什么？请写计算过程。

（8.0分）

溢出

知接收到的汉明码为0100111（按配偶原则配置），试问欲传送的信息是什么？

（9.0分）

P4P2P1=110, 正确码是0100101，所以信息是0101

假设计算机上的基准程序A运行时间为100秒，其中90秒为CPU时间，时间是I/O时间。若CPU 速度提高50%，I/O如果速度不变，运行基准程序A的时间是多少？(请写入计算过程)

（10.0分）

90*100/150 10=70秒

如果程序编译后生成的目标代码是由A、B、C、D它们在程序中所占比例分别为40%、20%、15%和25%。已知A、B、C、D四类指令的CPI分别为1、2、2、2。现在需要编译和优化程序。在优化程序中，A类指令条的数量减少了一半，而其他指令的数量没有改变。假设操作程序的计算机CPU主频为500MHZ。

(1)优化前后CPI各有多少？(各5分)

(2)优化前后程序MIPS为各5分)

(3)通过以上计算结果，你能得出什么结论？(10分)

（30.0分）

第一空：

（1）优化前CPI=0.4*1 0.2*2 0.15*2 0.25*2=1.6 (5分)

优化后，ABCD比例为25%、25%和18.75%、31.25%

CPI=0.25*1 0.25*2 0.1875*2 0.3125*2=1.75（ 5分）

（2）MIPS=F/CPI

优化前 500/1.6=312.2 优化后 285.7

（3）优化后程序速度降低。原因A类指令执行频率高，执行速度快。程序优化应降低CPI高指令的比例，或提高快速指令的执行概率。

1

设置机主存量16MB，按字节编址，缓存容量为16KB。每个字块有8个字，每个字32个字。设计一个四路组相连映射的缓存组织(即每组缓存4个字块)，要求:

(1)给出主存地址字段中各段的位数。

(2)设置缓存初态为空，CPU依次从主存第0、1、2…、99号单元读100个字(主存一次读一个字)，重复这个顺序读8次，问命中率是多少？

(3)如果缓存速度是主存速度的6倍，与无缓存相比，缓存速度增加了多少倍？

（40.0分）

（1） 主存字块标记12位 组地址7位 5位字块内地址

（2）命中率

(3)缓存访问时间为一次t, 主存访问时间为6t, 无缓存访问时间6t*800有缓存访问时间t(800-13) 6t*13、提高倍数为：

直接映射的16KB缓存，假设块长为8个32位，按字节编码，地址为FDA459H主存单元映射到缓存的第几块(十进制表示)。

（40.0分）

直接映射*4B=32B, 因此，块内位移占5位

16KB/32B=512,即有512个Cache块，Cache块号占9位

FDA459H=1111 1101 1010 0100 0101 1001, 从右到左，5位块内位移，9位块

为10 0100 010，十进制数为290

DRAM电容上的电荷只能维持1-2ms,所以每隔2ms必须刷新一次，常用的刷新方式有哪些？

（10.0分）

集中刷新、分散刷新、异步刷新

每个模块的容量是64K×32位，按字编址，存取周期为200ns，在存取周期中，整个存储器可以向前移动CPU提供多少位二进制信息？

（10.0分）

32位×4=128位

已知收到的汉明码为0100111(按配偶原则配置)，想传递的信息是什么？

（20.0分）

P4P2P1=110, 正确码是0100101，所以信息是0101

若存储器的存储周期为250ns,存储器的数据传输率是多少？

（20.0分）

16位=2B，因此，数据传输率为2B/(250×10-9s)=8×106B/s

流水计算机的数据相关性主要分为写后读（RAW）、读后写（WAR），写后写(WAW)。请指出以下三组指令中存在哪种类型的数据？

（1）LDA R1，A ；M（A）→R1；M（A）是存储单元 （4分）

ADD R2，R1 ；（R2） （R1） →R2

（2）ADD R3，R4 ；（R3） （R4） →R3 （4分）

MUL R4，R5 ；（R4）*（R5） →R4

（3）LDA R6，B ；M（B） →R6，M（B）是存储单元 （2分）

MUL R6，R7 ；（R6）*（R7） →R6

（10.0分）

(1)写后读相关 （4分）

(2)读后写相关 （4分）

(3)写后写相关 （2分）

存储器中存储着指令和数据，CPU如何区分它们？

（10.0分）

完成指令分为取指阶段和执行阶段。指令可以在取指阶段通过访问存储器取出；操作数可以在执行阶段通过访问存储器取出。因此，虽然指令和数据以二进制代码的形式存储在存储器中，但CPU从存储器中取出的二进制代码是指令还是数据，可以根据指令周期的不同阶段来判断。

控制器的主要功能是什么？

（10.0分）

① 从主存取指令，并计算下一条指令在主存中的地址；（4分）② 对指令进行译码，产生相应的操作控制信号；（4分）③ 控制指令执行的步骤和数据流动的方向。（2分）

（1）指令控制，即对程序运行的控制；（2分）

（2）操作控制，即对指令内操作步骤的控制；（2分）

（3）数据运算，即对数据进行算术运算和逻辑运算，这是CPU的最基本功能；（2分）

（4）异常处理和中断处理，如处理运算中的溢出等错误情况以及处理外部设备的服务请求等　此外，CPU还具有存储管理、总线管理、电源管理等扩展功能。（4分）

在程序查询方式的输入输出系统中，假设不考虑处理时间，每个查询操作需要100个时钟周期，CPU的时钟频率为50MHz。现有鼠标和硬盘两个设备，而且CPU必须每秒对鼠标进行30次查询，硬盘以32位字长为单位传输数据，即每32位被CPU查询一次，传输率为2*

B/s。求CPU对这两个设备查询所花费的时间比率，由此可得出什么结论？

（50.0分）

（1）CPU每秒对鼠标进行30次查询，所需的时钟周期数为100*30=3000。CPU的时钟频率为50MHz，即每秒50*

个时钟周期，因此对鼠标的查询占用CPU的时间比率为[3000/（50*

）]*100%=0.006%，可见，对鼠标的查询基本不影响CPU的性能。（25分）

（2）对于硬盘，每32位被CPU查询一次，因此每秒查询次数为2*

B/4B=512K；则每秒查询的时钟周期数为100*512*1024=52.4*

，因此对硬盘的查询占用CPU的时间比率为[52.4*

/(50*

)]*100%=105%，可见，即使CPU将全部时间都用于对硬盘的查询，也不能满足磁盘传输的要求，因此CPU一般不采用程序查询方式与磁盘交换信息。（25分）

某计算机的CPU主频为500MHz，CPI为5（即执行每条指令平均需要5个时钟周期）。假定某外设的数据传输率为0.5MB/s，采用中断方式与主机进行数据传送，以32位为传输单位，对应的中断服务程序包含18条指令，中断服务的其他开销相当于2条指令的执行时间。回答下列问题，要求给出计算过程。

（1）在中断方式下，CPU用于该外设I/O的时间占整个CPU时间的百分比是多少？

（2）当该外设的数据传输率达到5MB/s时，改用DMA方式传送数据。假定每次DMA传送块大小为5000B，且DMA预处理和后处理的总开销为500个时钟周期，则CPU用于该外设I/O的时间占整个CPU时间的百分比是多少？（假设DMA与CPU之间没有访存冲突）？

（50.0分）

（1）外设每秒传送0.5MB，中断时每次传送32bit=4B。由于CPI=5，在中断方式下，CPU每次用于数据传送的时钟周期为5*18+5*2=100（中断服务程序+其他开销）。为达到外设0.5MB/s的数据传输率，外设每秒申请的中断次数为0.5MB/4B=125000。

1秒内用于中断的开销为100*125000=12500000=12.5M个时钟周期。

CPU用于外设I/O的时间占整个CPU时间的百分比为12.5M/500M=2.5%。（25分）

（2）当外设数据传输率提高到5MB/s时改用DMA方式传送，每次DMA传送一个数据块，大小为5000B，则1秒内需产生的DMA次数为5MB/5000B=1000.

CPU用于DMA处理的总开销为1000*500=500000=0.5M个时钟周期。

CPU用于外设I/O的时间占整个CPU时间的百分比为0.5M/500M=0.1%。（25分）

假设指令字长为16位，操作数的地址码为6位，指令有零地址、一地址、二地址3种格式。

1）设操作码固定，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？(15分)

2）采用扩展操作码技术，二地址指令最多有几种？(15分)

3）采用扩展操作码技术，若二地址指令有P条，零地址指令有Q条，则一地址指令最多有几种？(20分)

（50.0分）

1）操作数地址码为6位，所以二地址指令中操作码的位数为16-6-6=4，这4位操作码最多有16种操作。由于操作码固定，所以二地址指令最多有16-M-N种

2）采用扩展操作码技术，操作码位数随地址数的减少而增加。对应二地址指令，除去用于一地址扩展，最多有15种

3）设一地址指令最多有X种，则

   [(24-P)×26-X]×26=Q 所以 X=(24-P)×26 -Q×2-6

某机的机器字长为16位，主存按字编址，指令格式如下：

其中，D为位移量；X为寻址特征位。

X=00: 直接寻址;   

X=01: 用变址寄存器X1寻址

X=10: 用变址寄存器X2寻址;  

X=11: 相对寻址

设（PC）=1234H, (X1)=0037H, (X2)=1122H(H代表十六位进制数)，

请确定下列指令的有效地址：

(1)4420H  (2) 2244H   (3) 1322H   (4) 3521H    (5) 6723H

（50.0分）

取指后，PC=1235H(不是1236H,因为主存按字编址)

(1)X=00,D=20H,有效地址EA=20H

(2)X=10,D=44H,有效地址EA=1122H+44H=1166H

(3)X=11,D=22H,有效地址EA=1235H+22H=1257H

(4)X=01,D=21H,有效地址EA=0037H+21H=0058H

(5)X=11,D=23H,有效地址EA=1235H+23H=1258H