计算机组成原理本科生期末试卷（五）部分答案详解

本科生期末试卷（五）

二、简答题（每小题8分，共16分）

1 画图说明现代计算机系统的层次结构。

2 CPU中有哪几类主要寄存器？用一句话回答其功能。

三、计算题（12分）

CPU执行一段程序时，cache完成存取的次数为2420次，主存完成的次

数为80次，已知cache存储周期为40ns，主存存储周期为200ns，求cache/主存系统的效率和平均访问时间。

命中率 H = Ne / （NC + Nm） = 2400 / (2400 + 200) = 0.968<0.98

主存慢于cache的倍率 ：r = tm / tc = 200ns / 40ns = 5

访问效率 ：e = 1 / [r + (1 – r)H] = 1 / [5 + (1 – 5)×0.968] = 83.3% 平均访问时间 ：ta = tc / e = 40ns / e

四、设计题（14分）

某机器单字长指令为32位，共有40条指令，通用寄存器有128个，主存最大寻址空间为64M。寻址方式有立即寻址、直接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、基值寻址、相对寻址六种。请设计指令格式，并做必要说明。（此题只可参考，答案有误）

解：由已知条件，机器字长16位，主存容量128KB / 2 = 64KB字，因此MAR = 18位，共128条指令，故OP字段占7位。采用单字长和双字长两种指令格式，其中单字长指令用于算术逻辑和I / O类指令，双字长用于访问主存的指令。 15 9 5 4 3 2 0

15 9 8 6 5 3 2 0

OP X R2 OP R1 R2 D

寻址方式由寻址模式X定义如下：

X = 000 直接寻址 E = D（64K）

X = 001 X = 010 X = 011 X = 100

立即数 相对寻址 基值寻址 间接寻址

D = 操作数

E = PC + D PC = 16位 E = Rb + D ，Rb =16 位 E = （D）

X = 101 变址寻址 E = RX + D ，RX = 10位

五、证明题（12分）

一条机器指令的指令周期包括取指（IF）、译码（ID）、执行（EX）、写回（WB）四个过程段，每个过程段1个时钟周期T完成。

先段定机器指令采用以下三种方式执行：①非流水线（顺序）方式，②标量流水线方式，③超标量流水线方式。 请画出三种方式的时空图，证明流水计算机比非流水计算机具有更高的吞吐率。

六、设计题（16分）

CPU的数据通路如图1所示。运算器中R0～R3为通用寄存器，DR为数据缓冲寄存器，PSW为状态字寄存器。D-cache为数据存储器，I-cache为指令存储器，PC为程序计数器（具有加1功能），IR为指令寄存器。单线箭头信号均为微操作控制信号（电位或脉冲），如LR0表示读出R0寄存器，SR0表示写入R0寄存器。 机器指令“STO R1,(R2)”实现的功能是：将寄存器R1中的数据写入到以（R2）为地址的数存单元中。请画出该存数指令周期流程图，并在CPU周期框外写出所需的微操作控制信号。（一个CPU周期含T1～T4四个时钟信号，寄存器打入信号必须注明时钟序号）

解：

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