【计算机组成原理】——知识点复习(期末不挂科版)

考前自学系列·计算机组成原理 文章目录创作背景说明希望大家成绩理想第一天 创作背景 本系列文章基于蒋本珊《计算机组成原理》第3版教材 本系列文章创作始于2021.11.25,将止于考试当天 本系列文章的所有知识点均来自于作者在创作期间通过自学的个人理解,如有错误,请第一时间指正 感谢大家曾经对以下系列的支持: 五天带你学完《计算机网络》,期末考试不挂科 只用半小时,只用半小时,只用半小时!给自己一个机会!!!看完保你web开发一期末不挂科,老师看了都说好!!! 说明 由于该系列文章的应试型,将从题目入手 阅读详情
AI摘要

文章详细介绍了计算机中的定点数表示、浮点数表示,包括原码、反码、补码、移码的计算,以及加减运算和乘除运算的Booth算法和原码加减交替法。此外,还讨论了指令系统的寻址技术,如直接寻址、间接寻址、立即寻址等,并展示了存储器扩展和Cache的相关知识,如地址映射和中断处理的优先级管理。

课本:
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考试题型:
题型一、计算题(30分)
1、定点数表示:用原码、反码、补码、移码表示十进制数(5分)
2、浮点数表示:十进制数↔单精度浮点数(5分)
3、加减运算:变形补码(10分)
4、乘除运算:补码一位乘法(Booth算法)、原码加减交替法(不恢复余数法)(10分)
题型二、分析题(25分)
1、Cache和主存映射地址(8分)
2、不同寻址方式下求有效地址和操作数(12分)
3、中断屏蔽字改变中断处理顺序(5分)
题型三、设计题(30分)
1、指令操作码扩展(10分)
2、存储器扩展(20分)
题型四、问答题(15分)
1、主机结构及数据通路

🕒 1. 运算方法与运算器

🕘 1.1 定点数表示

定点小数: [ x ] 原 = 1.110 [x]_原 = 1.110 [x]原​=1.110,8位则为 [ x ] 原 = 1.110   0000 [x]_原 = 1.110 \ 0000 [x]原​=1.110 0000
定点整数: [ x ] 原 = 1.110 [x]_原 = 1.110 [x]原​=1.110,8位则为 [ x ] 原 = 1.0000   110 [x]_原 = 1.0000 \ 110 [x]原​=1.0000 110

1、将-127用原码、反码、补码、移码表示出来(8位二进制,符号位1位,数值为7位)。
解:十进制数转换成二进制数 ( 127 ) 10 = 01111111 (127)_{10}=01111111 (127)10​=01111111
原码:1,111 1111
反码:1,000 0000
补码:1,000 0001
移码:0,000 0001

2、将-128用原码、反码、补码、移码表示出来(8位二进制,符号位1位,数值为7位)。
解:十进制数转换成二进制数 ( 128 ) 10 = 10000000 (128)_{10}=10000000 (128)10​=10000000
原码:无
反码:无
补码:1,000 0000
移码:0,000 0000

🕘 1.2 浮点数表示

IEEE 754单精度(32位)浮点数:(-1)S×(1.M)×2(E-127)

二进制↔十六进制:每4个二进制位对应一个十六进制位

1、真值-37.25,求32位单精度浮点数(用IEEE754标准表示)。

解:分别将整数和分数部分转换成二进制数
-37.25 = -100101.01
规格化:-100101.01 = -1.0010101×25
E = e+127 = 5+127 = 132 (二进制为1000 0100)
因为-37.25 是负数,所以 S = 1
尾数M = 0010 101
结果为1 100 0010 0001 0101 0000 0000 0000 0000 = C2150000H

2、浮点机器数 (41360000)16,求真值。

解: (41360000)16 = (0100 0001 0011 0110 0000 0000 0000 0000)2
∵ S = 0 ∴ 该数为正数
∴ E = (1000 0010)2 = (130)10
∴ s = 130 - 127 = 3
∴ 1.011011 × 23 = 1011.011
∴ 真值为(1011.011)2 = (11.375)10

🕘 1.3 加减运算

双符号位的含义:
00:结果为正数,无溢出;01:结果为正溢出;10:结果为负溢出;11:结果为负数,无溢出

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十进制→二进制的转换:
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拼凑法:
2 12 2 11 2 10 2 9 2 8 2 7 2 6 2 5 2 4 2 3 2 2 2 1 2 0 2 − 1 2 − 2 2 − 3 4096 2048 1024 512 256 128 64 32 16 8 4 2 1 0.5 0.25 0.125 \begin{array}{|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|c|} \hline 2^{12} & 2^{11} & 2^{10} & 2^{9} & 2^{8} & 2^{7} & 2^{6} & 2^{5} & 2^{4} & 2^{3} & 2^{2} & 2^{1} & 2^{0} & 2^{-1} & 2^{-2} & 2^{-3} \\ \hline 4096 & 2048 & 1024 & 512 & 256 & 128 & 64 & 32 & 16 & 8 & 4 & 2 & 1 & 0.5 & 0.25 & 0.125 \\ \hline \end{array} 2124096​2112048​2101024​29512​28256​27128​2664​2532​2416​238​224​212​201​2−10.5​2−20.25​2−30.125​​
 
Q:分数如何快速转换为二进制?
A:分子转换为二进制,分母转换为 2 n 2^n 2n形式,然后小数点往左移n位,举例: − 11 32 = − 1011 2 5 = ( 0.01011 ) 2 - \frac{11}{32} = - \frac{1011}{2^5} = (0.01011)_2 −3211​=−251011​=(0.01011)2​

1、定点数的运算,设数值位为7 位,x =17/32 , y = 23/32,用变形补码求 x±y ,并判断是否溢出。
(1)写出X、Y的二进制值及其变形补码
(2)写出X+Y的运算过程并判断其结果是否溢出
(3)写出X-Y的运算过程并判断其结果是否溢出

解答:(1)
x = ( 17 32 ) 10 = ( 0.10001 ) 2 x = (\frac{17}{32}) _{10} =(0.10001)_{2} x=(3217​)10​=(0.10001)2​
y = ( 23 32 ) 10 = ( 0.10111 ) 2 y = (\frac{23}{32}) _{10} =(0.10111)_{2} y=(3223​)10​=(0.10111)2​
[ X ] 补 = 00.1000100 [X]_补 = 00.1000100 [X]补​=00.1000100
[ Y ] 补 = 00.1011100 [Y]_补 = 00.1011100 [Y]补​=00.1011100
(2) [ X + Y ] 补 = [ X ] 补 + [ Y ] 补 = ( 00.1000100 ) 2 + ( 00.1011100 ) 2 = ( 01.0100000 ) 2 [X+Y]_补 = [X]_补 + [Y]_补 = (00.1000100)_{2} + (00.1011100)_{2} = (01.0100000)_2 [X+Y]补​=[X]补​+[Y]补​=(00.1000100)2​+(00.1011100)2​=(01.0100000)2​
结果为正溢
(3) [ − Y ] 补 = ( 11.0100100 ) 2 [-Y]_补 = (11.0100100)_2 [−Y]补​=(11.0100100)2​
[ X − Y ] 补 = [ X ] 补 + [ − Y ] 补 = ( 00.1000100 ) 2 + ( 11.0100100 ) 2 = ( 11.1101000 ) 2 [X-Y]_补 = [X]_补 + [-Y]_补 = (00.1000100)_{2} + (11.0100100)_{2} = (11.1101000)_2 [X−Y]补​=[X]补​+[−Y]补​=(00.1000100)2​+(11.0100100)2​=(11.1101000)2​
符号位相同,结果为负数,无溢出, [ X − Y ] 原 = ( 1.0011000 ) = ( − 3 / 16 ) 10 [X-Y]_原 = (1.0011000) = (-3/16)_{10} [X−Y]原​=(1.0011000)=(−3/16)10​

2、定点数的运算,设数值位为7 位,A=–65,B=+87,用变形补码求 A±B ,并判断是否溢出。
(1)写出A、B的二进制值及其变形补码
(2)写出A+B的运算过程并判断其结果是否溢出
(3)写出A-B的运算过程并判断其结果是否溢出

解答:(1)
A = ( − 65 ) 10 = ( − 100   0001 ) 2 A = (-65)_{10} = (-100 \ 0001)_2 A=(−65)10​=(−100 0001)2​
B = ( 87 ) 10 = ( + 101   0111 ) 2 B = (87)_{10} = (+101 \ 0111)_2 B=(87)10​=(+101 0111)2​
[ A ] 补 = ( 11   011   1111 ) 2 [A]_补 = (11 \ 011 \ 1111)_2 [A]补​=(11 011 1111)2​
[ B ] 补 = ( 00   101   0111 ) 2 [B]_补 = (00 \ 101 \ 0111)_2 [B]补​=(00 101 0111)2​
(2) [ A + B ] 补 = [ A ] 补 + [ B ] 补 = ( 11   011   1111 ) 2 + ( 00   101   0111 ) 2 = ( 00   001   0110 ) 2 = ( + 001   0110 ) 2 = ( + 22 ) 10 [A+B]_补 = [A]_补 + [B]_补 = (11 \ 011 \ 1111)_{2} + (00 \ 101 \ 0111)_{2} = (00 \ 001 \ 0110)_{2} = (+001 \ 0110)_2 = (+22)_{10} [A+B]补​=[A]补​+[B]补​=(11 011 1111)2​+(00 101 0111)2​=(00 001 0110)2​=(+001 0110)2​=(+22)10​
符号位为00,结果为正数,无溢出
(3) [ − B ] 补 = ( 11   010   1001 ) 2 [-B]_补 = (11 \ 010 \ 1001)_2 [−B]补​=(11 010 1001)2​
[ A − B ] 补 = [ A ] 补 + [ − B ] 补 = ( 11   011   1111 ) 2 + ( 11   010   1001 ) 2 = ( 10   110   1000 ) 2 [A-B]_补 = [A]_补 + [-B]_补 = (11 \ 011 \ 1111)_{2} + (11 \ 010 \ 1001)_{2} = (10 \ 110 \ 1000)_2 [A−B]补​=[A]补​+[−B]补​=(11 011 1111)2​+(11 010 1001)2​=(10 110 1000)2​
符号位为10,结果发生负溢出

🕘 1.4 乘除运算

Booth算法运算操作:
判断位00:前次部分积右移一位;判断位01:前次部分积加上 [ X ] 补 [X]_补 [X]补​,将结果右移一位;判断位10:前次部分积加上 [ − X ] 补 [-X]_补 [−X]补​,将结果右移一位;判断位11:前次部分积右移一位。

注意:原码一位乘法中的右移是逻辑右移,Booth一位乘法中的右移是算术右移,原码加减交替法中的左移是逻辑左移

逻辑移位:无符号数的移位,空出位一律补“0”
算术移位:有符号数的移位

原码的算术移位规则:
不论正数还是负数,在左移或右移时,符号位均不变,空出位一律以“0”补入。

补码的算术移位规则:
正数:符号位不变,不论左移或右移,空出位一律补“0”
负数:符号位不变,左移后的空出补 “0” ,右移后的空出位补 “1” 。

1、已知二进制数 x=﹣0.1011,y=﹣0.1101 ,用补码一位乘法计算x×y的值。

解答:
[ x ] 补 = 11.0101 , [ − x ] 补 = 00.1011 , [ y ] 补 = 11.0011 [x]_补 = 11.0101,[-x]_补 = 00.1011,[y]_补 = 11.0011 [x]补​=11.0101,[−x]补​=00.1011,[y]补​=11.0011

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[ x × y ] 补 = 00.1000   1111 [x \times y]_补 = 00.1000 \ 1111 [x×y]补​=00.1000 1111
∴ x × y = + 0.1000   1111 x \times y = +0.1000 \ 1111 x×y=+0.1000 1111

2、已知 x = 0.10010,y=﹣0.10101,用Booth算法计算x×y的值。

解答:
[ x ] 补 = 00.10010 , [ − x ] 补 = 11.01110 , [ y ] 补 = 1.01011 [x]_补 = 00.10010,[-x]_补 = 11.01110,[y]_补 = 1.01011 [x]补​=00.10010,[−x]补​=11.01110,[y]补​=1.01011
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[ x × y ] 补 = 11   10100   00110 [x \times y]_补 = 11 \ 10100 \ 00110 [x×y]补​=11 10100 00110
∴ x × y = − 0.01011   11010 x \times y = - 0.01011 \ 11010 x×y=−0.01011 11010

加减交替法又称不恢复余数法,是对恢复余数除法的改进。
其特点是当某一次求得的差值(余数Ri)为负数时不再恢复余数,而是继续求下一位的商,根据余数的符号作下列处理:
余数为正:商上1,余数左移1位,减去除数;
余数为负:商上0,余数左移1位,加上除数。
注意:若最后一次所得余数为正,则只需上商,余数无需左移和减|Y|;若为负,应通过增加一次+ |Y|的操作来纠正余数,但不移位。

3、已知x=0.1000,y=-0.1010,用原码加减交替法求x÷y。

解: ∣ x ∣ = 00.1000 , [ ∣ x ∣ ] 补 = 00.1000 , ∣ y ∣ = 00.1010 , [ ∣ y ∣ ] 补 = 00.1010 , [ – ∣ y ∣ ] 补 = 11.0110 |x| = 00.1000,[|x|]_补=00.1000,|y| = 00.1010,[|y|]_补=00.1010,[–|y|]_补=11.0110 ∣x∣=00.1000,[∣x∣]补​=00.1000,∣y∣=00.1010,[∣y∣]补​=00.1010,[–∣y∣]补​=11.0110

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符号位 x s ⊕ y s = 0 ⊕ 1 = 1 x_s\oplus y_s=0\oplus1=1 xs​⊕ys​=0⊕1=1, 所以 x ÷ y x÷y x÷y的商为:-0.1100
因为进行了4次除法,且余数的符号位由被除数决定,余数为: + 0.1000 × 2 ( − 4 ) +0.1000\times 2^{(-4)} +0.1000×2(−4)
所以 x ÷ y = − 0.1100 + 0.1000 ∗ 2 ( − 4 ) − 0.1010 x÷y = -0.1100 + \frac{0.1000*2^{(-4)}}{-0.1010} x÷y=−0.1100+−0.10100.1000∗2(−4)​

注:异或运算相同为0,相异为1

4、设被除数X=-0.1001,Y=0.1101,用原码加减交替法求X÷Y=?

解: ∣ x ∣ = 00.1001 , [ ∣ x ∣ ] 补 = 00.1001 , ∣ y ∣ = 00.1101 , [ ∣ y ∣ ] 补 = 00.1101 , [ – ∣ y ∣ ] 补 = 11.0011 |x| = 00.1001,[|x|]_补=00.1001,|y| = 00.1101,[|y|]_补=00.1101,[–|y|]_补=11.0011 ∣x∣=00.1001,[∣x∣]补​=00.1001,∣y∣=00.1101,[∣y∣]补​=00.1101,[–∣y∣]补​=11.0011

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符号位 x s ⊕ y s = 1 ⊕ 0 = 1 x_s\oplus y_s=1\oplus0=1 xs​⊕ys​=1⊕0=1, 所以 x ÷ y x÷y x÷y的商为:-0.1011
因为进行了4次除法,且余数的符号位由被除数决定,余数为: − 0.0001 × 2 ( − 4 ) -0.0001\times 2^{(-4)} −0.0001×2(−4)
所以 x ÷ y = − 0.1011 + − 0.0001 ∗ 2 ( − 4 ) 0.1101 x÷y = -0.1011 + \frac{-0.0001*2^{(-4)}}{0.1101} x÷y=−0.1011+0.1101−0.0001∗2(−4)​

🕒 2. 指令系统

🕘 2.1 寻址技术

☆ 1、设某机的指令字长16位,格式如下,其中X为寻址方式,D为形式地址。取指前,有关寄存器和主存内容如下,请在下表中填入有效地址E及操作数的值。

 OP   X   D=100  \begin{array}{|l|l|l|} \hline \text { OP } & \text { X } & \text { D=100 } \\ \hline \end{array}  OP ​ X ​ D=100 ​​      PC=1000  \begin{array}{|l|} \hline \text { PC=1000 } \\ \hline \end{array}  PC=1000 ​​     Rx=2000  \begin{array}{|l|} \hline \text { Rx=2000 } \\ \hline \end{array}  Rx=2000 ​​

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解答:

寻址方式X有效地址E操作数
立即0------100
直接1E=D=100200
间接2E=(D)=200500
相对3E=(PC)+D=1102350
变址4E=(R)+D=2100200
变址间址5E=((R)+D)=200500

相对寻址解析:把程序计数器PC的内容加上指令格式中的形式地址A而形成操作数的有效地址,即EA=(PC)+D,其中D是相对于PC所指地址的位移量,可正可负,补码表示。若当前指令字长=2B,则PC+2。

🕘 2.2 寻址方式

1、根据操作数所在的位置,指出其寻址方式的名称。
(1)操作数在寄存器中。
(2)操作数的地址在通用寄存器中。
(3)操作数在指令中。
(4)操作数的地址在指令中。
(5)操作数地址的地址在指令中。
(6)操作数的地址为寄存器内容与位移量之和(寄存器为基址寄存器,变址寄存器和程序计数器)。

解答:
(1)寄存器直接寻址
(2)寄存器间接寻址
(3)立即寻址
(4)直接寻址
(5)间接寻址
(6)基址寻址、变址寻址和相对寻址

🕘 2.3 扩展操作码

☆ 1、某计算机要求有如下形式的指令:三地址指令4条,单地址指令254条,零地址指令16条,无二地址指令。设指令字长为12位,每个地址码长为3位,试用扩展操作码为其编码。

解(1)三地址:操作码位数=12-3×3=3,4条指令取000~011
(2)一地址:操作码位数=12-3=9,可编29-4×26条指令,取其前254个,100000000~111111101
(3)0地址:操作码12位,指令16条,前9位剩111 111 110 和 111 111 111,这两个×8(后3位)= 16条
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2、指令字长为12位,每个地址码为3位,采用扩展操作码的方式,设计4条三地址指令、8条二地址指令、180条单地址指令,给出一种操作码的扩展方案。

解:操作码的扩展方案如下
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3、设某指令系统指令字长16位,每个地址码为6位。采用扩展操作码的方式,若要求设计二地址指令15条、一地址指令34条,要求详细写出设计和计算过程:
(1)设计出二地址、一地址指令的格式
(2)计算出最多还可设计多少条零地址指令?

解:
(1)二地址:操作码位数=16-6×2=4,15条指令取0000~1110
一地址:操作码位数=16-6=10,可编210-15×26条指令,取其前34个,11110 00000 ~ 11111 00001
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(2)二地址指令剩余的码点状态:24-15=1 种
一地址指令剩余的码点状态:1×26-34=30 种
则还可以设计30×26=1920条零地址指令。

4、某机器为定长指令字结构,指令字长为16位,每个地址码为4位,采用扩展操作码的方式,设计15条三地址指令、15条二地址指令、15条单地址指令,给出一种操作码的扩展方案。

解:设用XXXX表示一个地址码,操作码的扩展方案如下
三地址指令:0000 XXXX XXXX XXXX~1110 XXXX XXXX XXXX(15条)
二地址指令:1111 0000 XXXX XXXX~1111 1110 XXXX XXXX(15条)
单地址指令:1111 1111 0000 XXXX~1111 1111 1110 XXXX(15条)

5、某机指令字长为12位,每个地址码为3位,试给出一种操作码的扩展方案,使该机指令系统能有6条三地址指令、8条二地址指令和16条单地址指令。

解:设用XXX表示一个地址码,操作码的扩展方案如下
三地址指令:000 XXX XXX XXX~101 XXX XXX XXX(6条)
二地址指令:110 000 XXX XXX~110 111 XXXX XXXX(8条)
单地址指令:111 000 000 XXX~111 001 111 XXX(16条)

🕒 3. 存储系统

🕘 3.1 存储器扩展

对于异步刷新,以行为单位,每次刷新一行存储单元。

☆ 1、用1K×4位的DRAM芯片构成4K×8位的存储器。
(1)存储器扩展采用的是哪种扩展方式?
(2)画出该存储器组成的逻辑框图。
(3)采用异步刷新方式,如最大刷新间隔为2ms,则相邻两行之间的刷新间隔是多少?

解:(1)因为 4 k × 8 位 1 k × 4 位 = 8 片 \frac{4k \times 8 位}{1k \times 4 位} = 8 片 1k×4位4k×8位​=8片,所以用1K×4位的DRAM芯片8片,采用的是字和位同时扩展。
(2)由于地址线条数 ≥ l o g 2 ⁡ 4 K ≥log_2⁡4K ≥log2​⁡4K,所以地址线条数最少为12条,用于DRAM连接的需要10条(因为1K = 210)。逻辑框图如下:
在这里插入图片描述
(3)每一个芯片的容量是 1 K × 4 = 2 10 2 × 2 10 2 × 4 = 2 5 × 2 5 × 4 1K × 4 = 2^{\frac{10}{2}} \times 2^{\frac{10}{2}} \times 4 = 2^5 \times 2^5 \times 4 1K×4=2210​×2210​×4=25×25×4,组成32 × 32的矩阵
相邻两行之间的刷新间隔=2ms/32=62.5μs

2、用8K×8位的DRAM芯片构成32K×16位的存储器。要求:
(1)画出该存储器组成的逻辑框图。
(2)设存储器读写周期均为0.5μs,CPU在1μs内至少访问一次。试问采用那种刷新方式比较合理?两次刷新操作的最大时间间隔是多少?对全部存储单元刷新一遍所需的实际时间是多少?

解:(1)逻辑框图如下:
在这里插入图片描述
(3)采用异步刷新方式比较合理
每一个芯片的容量是8K × 8,组成27 × 26的矩阵,设存储矩阵的行数为27
两次刷新的最大时间间隔=2ms/128=15.625μs
设两次刷新的最大时间间隔为15.5μs,对存储器刷新一遍所需的实际时间=15.5μs × 128=1984μs

☆ 3、某存储器最小32KB地址空间为系统程序区,与其相邻的16KB地址空间为用户程序区。现有下列存储芯片:32K×1的DRAM、16K×4的DRAM、16K×8的ROM。要求:
(1)通过计算,合理选用上述存储芯片并选择扩展方式。
(2)画出该存储器组成的逻辑框图。
(3)设存储器读写周期均为0.5μs,CPU在1μs内至少访问一次。试问刷新用户程序区采用那种刷新方式比较合理?两次刷新操作的最大时间间隔是多少?对用户程序区全部存储单元刷新一遍所需的实际时间是多少(最大刷新间隔为2ms)?

解:(1)∵ 32 k × 8 位 16 k × 8 位 = 2 片 \frac{32k \times 8 位}{16k \times 8 位} = 2 片 16k×8位32k×8位​=2片
∴ 系统程序区选用16K×8的ROM芯片2片,采用字扩展;
∵ 16 k × 8 位 16 k × 4 位 = 2 片 \frac{16k \times 8 位}{16k \times 4 位} = 2 片 16k×4位16k×8位​=2片
∴ 用户程序区选用16K×4的DRAM芯片2片,采用位扩展。
(2)由于地址线条数 ≥ l o g 2 ⁡ 48 K ≥log_2⁡48K ≥log2​⁡48K,所以地址线条数最少为16条,用于DRAM连接的需要14条。逻辑框图如下:
在这里插入图片描述

(3)用户程序区采用异步刷新方式比较合理;因为用户区芯片为16K × 4的DRAM,可组成27×27=128×128的矩阵
所以两次刷新的最大时间间隔=2ms/128=15.625μs
设两次刷新的最大时间间隔为15.5μs,对存储器刷新一遍所需的实际时间=15.5μs × 128=1984μs

4、某存储器最小8KB地址空间为系统程序区,与其相邻的4KB地址空间为用户程序区。现有下列存储芯片:8K×1的DRAM、4K×4的DRAM、4K×8的ROM。要求:
(1)通过计算,合理选用上述存储芯片并选择扩展方式。
(2)画出该存储器组成的逻辑框图。
(3)设存储器读写周期均为0.5μs,可采用哪几种刷新方式进行刷新?若要求CPU在1μs内至少访问一次,刷新用户程序区采用那种刷新方式比较合理?两次刷新操作的最大时间间隔是多少?对用户程序区全部存储单元刷新一遍所需的实际时间是多少(最大刷新间隔为2ms)?
解:(1)系统程序区:(8K×8)/(4K×8)=2×1=2片,4K×8的ROM进行字扩展
用户程序区:(4K×8)/(4K×4)=1×2=2片,4K×4的DRAM进行位扩展
(2)逻辑框图如下:
在这里插入图片描述

【解析】:由于地址线条数 ≥ l o g 2 ⁡ 12 K ≥log_2⁡12K ≥log2​⁡12K,所以地址线条数最少为14条。
由于系统程序区采用的芯片为4K╳8、用户程序区芯片为4K╳4,则地址线为12条,所以高2位作为片选信号。
ROM只能读,所以,控制信号设为0。

(3)可采用集中刷新、分散刷新和异步刷新;采用异步刷新方式比较合理 ,因为每一个DRAM芯片的容量是4K × 4,组成26×26=64×64的矩阵
所以两次刷新的最大时间间隔:2ms/64=31.25μs
对存储器刷新一遍所需的实际时间:31μs × 64=1984μs(设两次刷新的最大时间间隔为31μs)

5、设CPU共有16根地址线,8根数据线,并用 ( M R E Q ) ‾ \overline{(MREQ)} (MREQ)​ 作访存控制信号, R / W ‾ R/\overline{W} R/W作读写控制信号,现有下列存储芯片:

RAM:1K×8位、2K×4位、4K×8位
ROM:2K×8位、4K×8位

以及74138译码器和各种门电路(自定),画出CPU与存储器连接图。要求:
(1)最大4K地址空间为系统程序区,与其相邻2K地址空间为用户程序区。
(2)合理选用上述存储芯片,说明各选几片?写出每片存储芯片的地址范围。
(3)详细画出存储体连线图。

解:(1)CPU支持的容量为:216×8位=64KB
系统程序区对应的空间:
1111 1111 1111 1111
1111 0000 0000 0000
用户程序区对应的空间:
1110 1111 1111 1111
1110 1000 0000 0000
(2)系统程序区选择两片2K×8位的ROM芯片(字扩展):
ROM芯片1:
1111 1111 1111 1111
1111 1000 0000 0000
ROM芯片2:
1111 0111 1111 1111
1111 0000 0000 0000
用户程序区选择两片2K×4位的RAM芯片1、2(位扩展):
1110 1111 1111 1111
1110 1000 0000 0000
(3)存储体连线图
在这里插入图片描述

🕘 3.2 Cache

在这里插入图片描述

1、设主存储器容量为512 KB,Cache容量为2 KB,每块为16 B。回答下列问题:
(1)Cache和主存储器分别有多少块?
(2)采用直接映像方式,主存储器的第132块映像到Cache的哪一块?
(3)Cache地址占多少位?
(4)主存储器的地址有几位? 分哪几段? 每段多少位?

解:
(1)主存块数 = 512KB/16B = 215 块
Cache块数 = 2KB/16B =128 块
(2)因为132 mod 128 = 4,所以,主存132块映射到Cache的第4块
(3)若按字节编址,Cache地址位数:log22k = 11位
(4)主存储器共log2512k = 19位,每块Cache为16 B = 24 B。
若采用全相联映像方式,格式为:
 区地址(15位)   块内偏移(4位)  \begin{array}{|l|l|} \hline \text { 区地址(15位) } & \text { 块内偏移(4位) } \\ \hline \end{array}  区地址(15位) ​ 块内偏移(4位) ​​
若采用直接映像方式,因为Cache块数为128 = 27 块,所以格式为:
 区地址(8位)   块地址(7位)   块内偏移(4位)  \begin{array}{|l|l|l|} \hline \text { 区地址(8位) } & \text { 块地址(7位) } & \text { 块内偏移(4位) } \\ \hline \end{array}  区地址(8位) ​ 块地址(7位) ​ 块内偏移(4位) ​​
若采用4路组相联映像方式,即四块为一组,分32组,格式为:
 区地址(10位)   组地址(5位)   块内偏移(4位)  \begin{array}{|l|l|l|} \hline \text { 区地址(10位) } & \text { 组地址(5位) } & \text { 块内偏移(4位) } \\ \hline \end{array}  区地址(10位) ​ 组地址(5位) ​ 块内偏移(4位) ​​

🕒 4. 程序中断

1、简述程序中断方式的基本过程?
答:大体上可以把中断全过程分为5个阶段:
①中断请求:由中断源向CPU发出中断请求信号
②中断判优:通过硬或软件方式将多个中断源按优先级顺序进行排队
③中断响应:CPU同意优先级最高的中断源的中断请求,保护现场
④中断处理:CPU暂停现行程序的执行,转去执行中断服务程序
⑤中断返回:中断服务程序执行完后,恢复现场,返回之前执行的程序。

☆ 2、设某机有5级中断:L0,L1,L2,L3,L4,其中断响应优先次序为:L0最高,L1次之,L4最低。试问:

(1)现在要求将中断处理次序改为L1→L3→L0→L4→L2,各级中断处理程序的各级中断屏蔽值(0”表示允许中断, “1”表示中断屏蔽)如何设置?

(2)若这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中断处理程序的过程示意图。

解答:(1)
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(2)
在这里插入图片描述

3、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,而处理优先级则由高向低按D、B、A、C顺序排列,若中断服务程序的执行时间为20ms,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。
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解答:
在这里插入图片描述

4、设某机有4个中断源,其硬件排队优先次序按1→2→3→4降序排列,各中断源的服务程序中所对应的屏蔽字如表所示:
(1)给出上述4个中断源的中断处理次序。
(2)若4个中断源同时有中断请求,画出CPU执行程序的轨迹。
在这里插入图片描述

(1)根据表,4个中断源的处理次序是3→1→4→2
(2)当4个中断源同时有中断请求时,CPU执行程序的轨迹:

解答:(1)3→1→4→2
(2)由于硬件排队的优先次序是1→2→3→4,则CPU先响应1的请求,执行1。 1程序中设置了屏蔽字1101,则开中断指令后转去执行3,3执行完后返回1。1执行完后,2、4同时有请求,根据硬件排队次序,先执行2,2在开中断指令执行之后,转去执行4,4执行完后执行2,直至该程序执行结束。
在这里插入图片描述

5、设某机有4个中断源A、B、C、D,其硬件排队优先次序为A>B>C>D,现要求将中断处理次序改为D>A>C>B。
(1)写出每个中断源对应的屏蔽字
(2)按图时间轴给出的四个中断源的请求时刻,画出CPU执行程序的轨迹。设每个中断源的中断服务程序时间均为20us。
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解答:(1)
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(2)
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🕒 5. 中央处理器

☆ 1、(1)画出主机(CPU和主存)的逻辑框图(要求画到寄存器级)。
(2)CPU 中专用寄存器有哪几个,各自的功能是什么?
(3)若存储器容量为64K×32位,指出图中各寄存器的位数。

解答:
(1)
在这里插入图片描述
(2)
指令寄存器(IR):用来存放当前计算机正在执行的指令
程序计数器(PC):用来存放下一条要指行指令的地址,或存放计算操作数的地址的基准内容。
程序状态字寄存器(PSWR):用来存放程序状态字。
存储器地址寄存器(MAR):用来保存当前CPU所访问的主存储器单元地址。
存储器数据寄存器(MDR):用来存放由主存储器读出的一条指令或一个数据字;或者存放写入存储器的一条指令或一个数据字时。

(3)因为216 = 64K,PC和MAR由存储器的容量决定,为16位;MDR、IR、ACC由存储器的字长决定,均为32位。
 IR   PC   MAR   MDR   PSWR   ACC  32 16 16 32  不确定  32 \begin{array}{|c|c|c|c|c|c|} \hline \text { IR } & \text { PC } & \text { MAR } & \text { MDR } & \text { PSWR } & \text { ACC } \\ \hline 32 & 16 & 16 & 32 & \text { 不确定 } & 32 \\ \hline \end{array}  IR 32​ PC 16​ MAR 16​ MDR 32​ PSWR  不确定 ​ ACC 32​​

2、CPU结构如下图所示,其中有一个累加寄存器AC,一个状态条件寄存器和其他四个寄存器,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a,b,c,d这四个寄存器的名称
(2)简述指令从主存取出指令到产生控制信号的数据通路
(3)简述数据在运算器和主存之间进行存/取访问的数据通路
※(4)简述完成指令LDA X的数据通路(X为内存地址,LDA功能为(X)→AC。
※(5)简述完成指令ADD Y的数据通路(Y为内存地址,ADD功能为(AC)+(Y)→AC。
※(6)简述完成指令STA Z的数据通路(Z为内存地址,STA功能为(AC)→Z。

在这里插入图片描述
解:(1)a为MDR,b为IR,c为MAR,d为PC
(2)取指令的数据通路:
PC → MAR → M → MDR → IR
(3)数据在运算器和主存之间进行存取访问的数据通路
运算器向主存读:M(MAR) → MDR→ ALU→AC
运算器向主存写:AC→MDR→M(MAR)
(4)X→MAR→M→MDR→ALU→AC
(5)Y→MAR→M→MDR→ALU→ADD→AC
(6)Z→MAR,AC→MDR→M


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作者:HinsCoder
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计算机组成原理期末复习:考点梳理、高频题型与易错点避坑 计算机组成与体系结构是计算机专业核心课程,其底层原理涉及指令流、数据通路与存储层次。理解补码运算的溢出判断、进位链延迟等基础概念,是掌握运算器设计的关键。而Cache计算与映射方式直接影响系统性能,需结合局部性原理深入分析。在实际备考中,组间串行进位与Cache地址划分属于高频考点,配合MARS模拟器调试MIPS指令,能有效串联零散知识点。本文整理了一份期末复习指南,涵盖考点地图、高频题型解法及易错点提醒,帮助学习者快速定位薄弱环节。 阅读详情

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吾为热爱计科,致力于知识分享的践行者,此博客是我在这条道路上留下的足迹。 551

大学计算机专业不挂科 通识课 + 专业课全科目速成总结博客

大一学年学科不挂科 速冲方法推荐(高数上+高数下+线代+大物上)大二上学科不挂科 速冲方法总结(离散+概率+数电+大物下)大二下学科不挂科 速冲方法推荐(数据结构+计组+操作系统+算法+数据库)大三上学科不挂科 速冲方法推荐(机器学习+嵌入式+计网)(待写)《高数/高等数学 上》《微积分 上》速成课,3小时搞定,期末不挂科【蜂考】高数叔《高数上册 | 微分方程》基础知识【期末速成】高数期末复习指南 速成救命课 1 小时抓重点 高数期末考前冲刺 0基础小白也能冲《高等数学》同济版 全程教学视频(宋浩老师)

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华农c语言作业,90%的人所不知道的华农之<挂科篇>

该楼层疑似违规已被系统折叠隐藏此楼查看此楼④挂科经历首先楼主从刚进大学考试,就打算走逃课路线,大一的第一个星期只逃英语之类的课,后面发现基本都可以逃,所以这三年能逃得基本都逃了,没上过什么课,只有一个学期除外,就是大三上学期(后面会解释),楼主逃课都去干嘛了,对了,就是花在ACG,HIFI,ACG music,NBA,游戏(PS4,3DS,PSV,LOL)和部门表演上面。大一的时候,楼主挂了军事...

weixin_31028871的博客 205

华农c语言课后作业,90%的人所不知道的华农之<挂科篇>

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weixin_29759387的博客 233

西安邮电大学期末考试终极备考宝典:告别挂科,轻松拿高分

还在为期末考试焦虑吗?还在四处寻找历年真题而不得其门吗?西安邮电大学期末考试真题库是你的终极解决方案!这个开源项目汇集了西邮学子最需要的历年真题资源,从计算机专业课到基础数学,从期中试卷到期末考题,为你提供最全面的考试备考资料。 ## 🎯 为什么这个真题库能帮你轻松通过考试? ### 1. 掌握命题规律,精准复习不迷茫 通过分析历年试卷,你可以快速识别高频考点和重点题型。比如微机原理课程中反

gitblog_00928的博客 194
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HinsCoder
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