第一章 思考题与习题
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？ 2．如何理解计算机系统的层次结构？
3．说明高级语言、汇编语言和机器语言的差别和联系。 4．如何理解计算机组成和计算机体系结构？ 5．冯·诺依曼计算机的特点是什么？
6．画出计算机硬件组成框图，说明各部件的作用及计算机硬件的主要技术指标。 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。 8．解释下列英文代号：
CPU、PC、IR、CU、ALU、ACC、MQ、X、MAR、MDR、I/O、MIPS、CPI、FLOPS。
x?9．根据迭代公式
1x(yn?)2yn，设初态y0=1，要求精度为ε，试编制求x的解题程序（指令系统自
定），并结合所编程序简述计算机的解题过程。 10．指令和数据都存于存储器中，计算机如何区分它们？
第一章 计算机系统概论习题答案
1、答：
计算机系统由硬件和软件两大部分组成。
硬件即指计算机的实体部分，它由看得见摸的着的各种电子元器件，各类光电、机设备的实物组成，如主机、外设等。
软件时看不见摸不着的，由人们事先编制成具有各类特殊功能的信息组成，用来充分发挥硬件功能，提高机器工作效率，便于人们使用机器，指挥整个计算机硬件系统工作的程序集合。 软件和硬件都很重要。
2、答：
从计算机系统的层次结构来看，它通常可有五个以上的不同级组成，每一个上都能进行程序设计。由下至上可排序为：第一级微程序机器级，微指令由硬件直接执行；第二级传统机器级，用微程序解释机器指令；第三级操作系统级，一般用机器语言程序解释作业控制语句；第四级汇编语言机器级，这一级由汇编程序支持合执行；第五级高级语言机器级，采用高级语言，由各种高级语言编译程序支持合执行，还可以有第六级应用语言机器级，采用各种面向问题的应用语言。
3、答：
机器语言由0、1代码组成，是机器能识别的一种语言。汇编语言是面向机器的语言，它由一些特殊的符号表示指令，高级语言是面向用户的语言，它是一种接近于数学的语言，直观，通用，与具体机器无关。
4、答：
计算机组成是指如何实现计算机体系结构所体现的属性，它包含了许多对程序员来说是透明的硬件细节。
计算机体系结构是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性，通常是指用机器语言编程的程序员所看到的传统机器的属性，包括指令集、数据类型、存储器寻址技术、I/O机理等等，大都属于抽象的属性。
5、答：
特点是：
(1) 计算机由运算器、存储器、控制器和输入设备、输出设备五大部件组成 (2) 指令和数据以同等的地位存放于存储器内，并可以按地址寻访 (3) 指令和数据均可以用二进制代码表示
(4) 指令由操作码和地址码组成，操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数所在存储器中
的位置
(5) 指令在存储器内按顺序存放。通常，指令是顺序执行的，在特定情况下，可根据运算结果或根据设定的条件改变执行顺序
(6) 机器以运算器为中心，输入输出设备与存储器的数据传送通过运算器。
6、答：
见下图
ACC MQ CU控 制单元 IR 存储体 ALUX ACC MAR I/O PC MDR CPU 主存储器 运算器用来完成算术和逻辑运算，并将运算的中间结果暂存再运算器内，它内部各部分用途如下： ACC：累加器，用于存放操作数，如被加数及和，被减数及差，乘积高位、被除数及系数等。 MQ：乘商寄存器，用于存放乘数及乘积地位、商。
X：操作数寄存器，用于存放加数、减数、被乘数、除数。 ALU：算逻部件，用来完成算术逻辑运算。
控制器用来控制，指挥程序和数据的输入，运行以及处理运算结果。它内部各部分用途如下：
CU：控制但愿，用来分析当前指令所需完成的操作，并发出各种微操作命令序列，用以控制所有被控对象。
PC：程序计数器，用来存放当前欲执行指令的地址，而且具有计数功能。 IR：指令寄存器，存放当前指令。
存储器：用来存放数据和程序。它内部各部分用途如下： MAR：存放欲访问的存储但愿和地址。
MDR：存放从存储体某但愿取出的代码或者准备往某存储单元存入的代码。 硬件的主要技术指标：
(1) 机器字长：指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关
(2) 存储容量：包括主存容量和辅存容量，存放二进制代码的总数＝存储单元个数×存储字长 (3) 运算速度：主频、Gibson法、MIPS每秒执行百万条指令、CPI执行一条指令所需时钟周期数、FLOPS每秒浮点运算次数
7、答：
主机：中央处理器，CPU与主存储器合起来称为主机。 CPU：运算器合控制器合起来称为中央处理器。
主存：是存储器子系统的一类，用来存放程序合数据，可直接与CPU交换信息。 存储单元：由若干个连续的存储元件构成，是组成存储体的单位
存储(基)元：即存储元件，是构成存储单元的单位，每个存储(基)元只能寄存一位二进制代码0或1。 存储字：一个存储单元可存储一串二进制代码，称这串二进制代码为一个存储字。 存储字长：存储字所对应的二进制代码的个数称为存储字长。
存储容量：存储单元个数×存储字长，存储容量包括主存容量合辅存容量。 机器字长：指CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU寄存器位数有关。
指令字长：一条指令在计算机中用一串二进制代码表示，此二进制代码的个数称为指令字长。
8、答：
CPU: central processing unit 中央处理器 PC: program counter 程序计数器
IR: instruction register 指令寄存器 CU: control unit 控制单元
ALU: arithmetic logic unit 算术逻辑运算单元
ACC: accumulator 累加器
MQ: multiplier-quotient register 乘商寄存器 X: 操作数寄存器
MAR: memory address register 存储器地址寄存器 MDR: memory data register 存储器数据寄存器 I/O: input/output equipment 输入与输出设备
MIPS: million instruction per second 每秒执行百万条指令 CPI: cycle per instruction 执行一条指令所需的时钟周期数
FLDPS: floating point operation per second 每秒浮点运算次数来衡量运算速度。
9、答：
主要有以下步骤： (1) 取X到ACC (2) 加1存于ACC
(3) 除2存于MQ，又[MQ]→主存单元m (4) 取X到ACC
(5) 将y1从m中取出，执行[m]→X，[ACC]÷[X]→MQ，得x/yn (6) [MQ]→ACC，执行yn＋x/yn，即[ACC]＋[X]→ACC (7) 除2得结果于MQ，又[MQ]→ACC，[MQ]→m
(8) [ACC]－[X]→ACC，然后判断[ACC]与ε的大小，若|[ACC]|≦ε则到(9)，否则返回(5) (9) 打印[m] (10) 停机
10、答：
在取指阶段从存储器取出的信息即为指令，在执行阶段从存储器取出的信息为数据。
第三章 思考题与习题
1．什么是总线？总线传输有何特点？为了减轻总线的负载，总线上的部件都应具备什么特点？
2．总线如何分类？什么是系统总线？系统总线又分几类？它们各有何作用？是单向的还是双向的？它们与
机器字长、存储字长、存储单元有何关系？
3．常用的总线结构有几种？不同的总线结构对计算机的性能有什么影响？举例说明。
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？
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。
6．试比较同步通信和异步通信。
7．画图说明异步通信中请求与回答有那几种互锁关系？ 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？ 9．分离式通信有何特点？主要用于什么系统？
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plug and play？哪些总线有这一
特点？
11．画一个具有双向传送功能的总线逻辑图。
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。
第三章 系统总线习题部分答案
1、答：
① 总线是连接多个部件的信息传输线，是个部件共享的传输介质。
② 总线传输特点：在某一时刻，只允许有一个部件向总线发送信息，而多个部件可以同时从总线上接受相同的信息。
③ 为减轻总线上的负载，各种I/O设备要通过I/O接口接在总线上，而且还要通过三态门挂在总线上，没有数据交换时置成高阻态。
2、答：
①分类：按数据传输方式，可分为并行传输总线和串行传输总线。
按使用范围，可分为计算机总线，控制总线，网络通信总线。 按连接部件，可分为片内总线，系统总线，通信总线。
②系统总线指CPU，主存，I/O各大部件之间的信息传输线，按系统总线传输信息的不同，分为数据总线，地址总线，控制总线。
数据总线：用来传输各功能部件之间的数据信息，是双向传输总线，其位数与机器字长，存储字长有关，一般为8位，16位或32位。
地址总线：用来指出数据总线上的源数据或目的数据在贮存单元的地址，是单向传输的，其位数与存储单元的个数有关（几次幂的关系）
控制总线：用来发出各种控制信号的，对任意控制线，是单向的；对与机器字长，存储字长，存储单元无关系。
3、答：
常用的总线结构有单总线结构，双总线结构，三总线结构，四总线结构。
① 单总线结构：将CPU，主存，I/O设备都挂在一组总线上，允许I/O之间或I/O与主存之间直接交换信息。因为所有的传送都通过这组共享总线，极易形成计算机系统的瓶颈，不允许两个以上部件在同一时刻向总线传输信息，必然会影响系统工作效率的提高，其结构图见课本图3.2ISA.EISA总线是单总线结构
② 双总线结构：双总线结构的特点是将速度较低的设备从总线上分离出来，形成主存总线与I/O总线分开的结构，见课本图3.5。途中通道是一个具有特殊功能的处理器，CPU将一部分功能下放给通道，使其对I/O设备具有统一管理的功能，系统的吞吐能力可以相当大。如果将不同速率的I/O设进行分类，然后将它们连接在不同的通道上，将成为总线结构。
③ 三总线结构：图3.6：主存总线用于CPU与主存间的传输；I/O总线供CPU与各类I/O之间传递信息，DMA总线用于高速外设（磁盘，磁带等）与主存之间直接交换信息。图3.7:处理器于高速缓冲存储器Cache之间怎叫一条局部总线，Cache可以通过系统总线与主存传输信息，I/O 与主存之间也不必通过CPU。还有一条扩展总线，可以支持相当多的I/O设备。
④四总线结构（见图3.8）在三总线基础上，增加一条与计算机系统机密相连的高速总线，这种结构对高速设备而言，其自身的工作可以很少依赖处理器，同时他们又比扩展总线上的设备更贴近处理器。
4、答：
① 如多个主设备同时要使用总线时，就由总线控制器的判优，仲裁逻辑按一定的优先级顺序，确定那个主设备能使用总线，只有获得总线使用权的主设备才能开始传送数据。
② 常见的集中式总线控制有三种
⑴ 链式查询：其特点是只需很少几根线就能按一定优先次序实现总线控制，并且很容易扩充设备，但对电路故障很敏感。
⑵ 计数器定时查询：其特点是，计数可以从“0”开始，此时设备的优先次序是固定的，计数也可以从终止点开始，既是一种循环方式，此时设备使用总线的优先级相等，计数器的初始值还可以由程序设置，故优先次序可以改变。此外，对电路故障不如链式查询方式敏感，但增加了主控线数，控制也较复杂。
⑶ 独立请求方式：其特点是：响应速度快，优先次序控制灵活（通过程序改变），但控制线数量多，总线控制更复杂。
③ 独立请求方式响应时间最快，链式查询对电路故障最敏感。
第四章 思考题与习题
1．解释下列概念
主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory 2．计算机中哪些部件可用于存储信息，请按其速度、容量和价格/位排序说明。
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？ 4．说明存取周期和存取时间的区别。
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？ 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。 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
8．试比较静态RAM和动态RAM。
9．什么叫刷新？为什么要刷新？说明刷新有几种方法。 10．半导体存储器芯片的译码驱动方式有几种？
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①①
页面，每个页面分16组，指出共需多少片存储芯片。（ 将存储器分成若干个容量相等的区域，每一个区域可看作一个页面。）
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。
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？ 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，RW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。
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？ 16．反映主存和外存的速度指标有何不同？
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。
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？
19．计算机中设置Cache的作用是什么？能不能把Cache的容量扩大，最后取代主存，为什么？ 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？
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；