計算機系統(tǒng)結構習題及答案

1、.第1章 計算機系統(tǒng)結構的基本概念 1、有一個計算機系統(tǒng)可按功能分成4級，每級的指令互不相同，每一級的指令都比其下一級的指令在效能上強m倍，即第i級的一條指令能完成第i-1級的m條指令的計算量?，F(xiàn)若需第i級的n條指令解釋第i+1級的一條指令，而有一段第1級的程序需要運行ks，問在第2、3和4級上一段等效程序各需要運行多長時間？答：第2級上等效程序需運行：(n/m)*ks。第3級上等效程序需運行：(n/m)*(n/m)*ks。第4級上等效程序需運行：(n/m)*(n/m)*(n/m)*ks。 2、硬件和軟件在什么意義上是等效的？在什么意義上又是不等效的？試舉例說明。答：軟件和硬件在邏輯功能上是等

2、效的，原理上，軟件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用軟件模擬完成。只是反映在速度、價格、實現(xiàn)的難易程度上這兩者不同。 3、試以實例說明計算機系統(tǒng)結構、計算機組成與計算機實現(xiàn)之間的相互關系與影響。答：計算機系統(tǒng)結構、計算機組成、計算機實現(xiàn)互不相同，但又相互影響。（1）計算機的系統(tǒng)結構相同，但可采用不同的組成。如ibm370系列有115、125、135、158、168等由低檔到高檔的多種型號機器。從匯編語言、機器語言程序設計者看到的概念性結構相同，均是由中央處理機/主存，通道、設備控制器，外設4級構成。其中，中央處理機都有相同的機器指令和匯編指令系統(tǒng)，只是指令的分析、執(zhí)行在低檔機上采用順序

3、進行，在高檔機上采用重疊、流水或其它并行處理方式。（2）相同的組成可有多種不同的實現(xiàn)。如主存器件可用雙極型的，也可用mos型的；可用vlsi單片，也可用多片小規(guī)模集成電路組搭。（3）計算機的系統(tǒng)結構不同，會使采用的組成技術不同，反之組成也會影響結構。如為實現(xiàn)a:=b+cd:=e*f,可采用面向寄存器的系統(tǒng)結構，也可采用面向主存的三地址尋址方式的系統(tǒng)結構。要提高運行速度，可讓相加與相乘并行，為此這兩種結構在組成上都要求設置獨立的加法器和乘法器。但對面向寄存器的系統(tǒng)結構還要求寄存器能同時被訪問，而對面向主存的三地址尋址方式的系統(tǒng)結構并無此要求，倒是要求能同時形成多個訪存操作數(shù)地址和能同時訪存。又如

4、微程序控制是組成影響結構的典型。通過改變控制存儲器中的微程序，就可改變系統(tǒng)的機器指令，改變結構。如果沒有組成技術的進步，結構的進展是不可能的。綜上所述，系統(tǒng)結構的設計必須結合應用考慮，為軟件和算法的實現(xiàn)提供更多更好的支持，同時要考慮可能采用和準備采用的組成技術。應避免過多地或不合理地限制各種組成、實現(xiàn)技術的采用和發(fā)展，盡量做到既能方便地在低檔機上用簡單便宜的組成實現(xiàn)，又能在高檔機上用復雜較貴的組成實現(xiàn)，這樣，結構才有生命力；組成設計上面決定于結構，下面受限于實現(xiàn)技術。然而，它可與實現(xiàn)折衷權衡。例如，為達到速度要求，可用簡單的組成但卻是復雜的實現(xiàn)技術，也可用復雜的組成但卻是一般速度的實現(xiàn)技術。前

5、者要求高性能的器件，后者可能造成組成設計復雜化和更多地采用專用芯片。組成和實現(xiàn)的權衡取決于性能價格比等因素；結構、組成和實現(xiàn)所包含的具體內容隨不同時期及不同的計算機系統(tǒng)會有差異。軟件的硬化和硬件的軟件都反映了這一事實。vlsi的發(fā)展更使結構組成和實現(xiàn)融為一體，難以分開。 4、什么是透明性概念？對計算機系統(tǒng)結構，下列哪些是透明的？哪些是不透明的？存儲器的模m交叉存?。桓↑c數(shù)據(jù)表示；i/o系統(tǒng)是采用通道方式還是外圍處理機方式；數(shù)據(jù)總線寬度；字符行運算指令；陣列運算部件；通道是采用結合型還是獨立型；pdp-11系列的單總線結構；訪問方式保護；程序性中斷；串行、重疊還是流水控制方式；堆棧指令；存儲器最

6、小編址單位；cache存儲器。答：透明指的是客觀存在的事物或屬性從某個角度看不到。透明的有：存儲器的模m交叉存??；數(shù)據(jù)總線寬度；陣列運算部件；通道是采用結合型還是獨立型；pdp-11系列的單總線結構；串行、重疊還是流水控制方式；cache存儲器。 不透明的有：浮點數(shù)據(jù)表示；i/o系統(tǒng)是采用通道方式還是外圍處理機方式；字符行運算指令；訪問方式保護；程序性中斷；堆棧指令；存儲器最小編址單位。p.s. 屬于計算機系統(tǒng)結構的屬性有：數(shù)據(jù)表示、尋址方式、寄存器組織、指令系統(tǒng)、存儲組織、中斷機構、i/o結構、保護機構等。屬于組成的屬性有：數(shù)據(jù)通路寬度、專用部件設置、功能部件并行度、控制機構的組成方式，可靠

7、性技術等。它著眼于機器內各事件的排序方式，控制機構的功能及部件間的關系。屬于實現(xiàn)的屬性有：部件的物理結構、器件、模塊的劃分與連接、微組裝技術、信號傳輸技術等，它著眼于器件技術和微組裝技術。 5、從機器（匯編）語言程序員看，以下哪些是透明的？指令地址寄存器；指令緩沖器；時標發(fā)生器；條件寄存器；乘法器；主存地址寄存器；磁盤外設；先行進位鏈；移位器；通用寄存器；中斷字寄存器。答：透明的有：指令緩沖器、時標發(fā)生器、乘法器、主存地址寄存器、先進先出鏈、移位器 6、下列哪些對系統(tǒng)程序員是透明的？哪些對應用程序員是透明的？系列機各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度；虛擬存儲器；cache存儲器；程序狀態(tài)字；“啟動i/o”

8、指令；“執(zhí)行”指令；指令緩沖寄存器。答:對系統(tǒng)程序員透明的有：虛擬存儲器；cache存儲器；程序狀態(tài)字；對應用程序員透明的有：系列機各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度；“啟動i/o”指令；“執(zhí)行”指令；指令緩沖寄存器。該題答案純屬本人個人見解。對系統(tǒng)程序員透明是否意味著有計算機系統(tǒng)結構透明，而對應用程序員透明則對應著對計算機組成透明呢？-lanjing精品.以下摘自南京大學出版社出版，李學干主編的輔導書分析系統(tǒng)程序員是編寫諸如操作系統(tǒng)、編譯程序等各種系統(tǒng)軟件的人員。應用程序員是指利用計算機及所配的系統(tǒng)軟件支持來編寫解決具體應用問題的程序員。他們都可以使用匯編語言或機器語言來編寫程序，當然也可以用高級語言來

9、編寫程序。所以，對系統(tǒng)程序員或應用程序員不透明的，應包括計算機系統(tǒng)結構所包含的方面。而屬全硬件實現(xiàn)的計算機組成所包含的方面，如系列機各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度、caceh存儲器、指令緩沖寄存器等，無論是對系統(tǒng)程序員，還是對應用程序員都應當是透明的。對目前高性能計算機系統(tǒng)來講，大多數(shù)都是多用戶環(huán)境，應用程序(也稱算態(tài)、目態(tài)或用戶態(tài)程序)中是不允許使用管態(tài)(也稱系統(tǒng)態(tài)、監(jiān)督態(tài))中所用的特權指令。例如，大型多用戶系統(tǒng)中，程序狀態(tài)字是用于反映計算機系統(tǒng)在當前程序的各種關鍵狀態(tài)(它并不是ibm pc計算機那種狹義的所謂程序狀態(tài)字)，它是操作系統(tǒng)用于管理計算機系統(tǒng)資源及其使用狀況的，用戶不能直接對程序狀態(tài)字內

10、容進行讀、寫和訪問的，只能由系統(tǒng)來管理?！皢觟/o”指令是大型機中的一種管態(tài)指令，屬于特權指令，只能在操作系統(tǒng)程序中使用(見教材中第3章的3.4.1節(jié)所介紹)。用戶程序是不能用它來直接啟動i/o通道和設備的。虛擬存儲器(參看教材第4章4.1.3節(jié))是一個主存-輔存兩級存儲層次。它對應用程序是完全透明的，使應用程序不必作任何修改就可以在系統(tǒng)上運行。但是，在操作系統(tǒng)中必須配置有相應的管理軟件，能對其虛實外部地址的映象和變換、程序的換道、程序由輔存調入主存、主存頁面的替換、存儲保護等進行管理，所以對系統(tǒng)程序員來說是不透明的?！皥?zhí)行”指令(參看教材中第5章5.1.2節(jié))是ibm370等系列機上用于解

11、決程序在執(zhí)行過程中不準修改指令，又允許將指令放在操作數(shù)區(qū)中做修改，以滿足指令在執(zhí)行過程中允許修改的要求。這種指令無論是用戶程序，還是系統(tǒng)程序，都希望可以被使用的，所以，“執(zhí)行”指令應設計成對應用程序和系統(tǒng)程序都是不透明的。解答系列機各檔不同數(shù)據(jù)通路寬度、cache存儲器、指令緩沖寄存器屬計算機組成，對系統(tǒng)程序員和應用程序員都是透明的。虛擬存儲器、程序狀態(tài)字、“啟動i/o”指令，對系統(tǒng)程序員是不透明的，而對應用程序員卻是透明的?！皥?zhí)行”指令則對系統(tǒng)程序員和應用程序員都是不透明的。 7、想在系列機中發(fā)展一種新型號機器，你認為下列哪些設想是可以考慮的，哪些則不行的？為什么？（1）新增加字符數(shù)據(jù)類型和

12、若干條字符處理指令，以支持事務處理程序的編譯。（2）為增強中斷處理功能，將中斷分級由原來的4級增加到5級，并重新調整中斷響應的優(yōu)先次序。（3）在cpu和主存之間增設cache存儲器，以克服因主存訪問速率過低而造成的系統(tǒng)性能瓶頸。（4）為解決計算誤差較大，將機器中浮點數(shù)的下溢處理方法由原來的恒置“1”法，改為用rom存取下溢處理結果的查表舍入法。（5）為增加尋址靈活性和減少平均指令字長，將原等長操作碼指令改為有3類不同碼長的擴展操作碼；將源操作數(shù)尋址方式由操作碼指明改成如vax-11那種設尋址方式位字段指明。（6）將cpu與主存間的數(shù)據(jù)通路寬度由16位擴展成32位，以加快主機內部信息的傳送。（7

13、）為減少公用總路線的使用沖突，將單總線改為雙總線。（8）把原0號通用寄存器改作堆棧指示器。答：可以考慮的有：13467。不可以考慮的有：258。原則很簡單，看改進后能否保持軟件的可移植性。 p.s. 為了能使軟件長期穩(wěn)定，就要在相當長的時期里保證系統(tǒng)結構基本不變，因此在確定系列結構時要非常慎重。其中最主要是確定好系列機的指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示及概念性結構。既要考慮滿足應用的各種需要和發(fā)展，又要考慮能方便地采用從低速到高速的各種組成的實現(xiàn)技術，即使用復雜、昂貴的組成實現(xiàn)時，也還能充分發(fā)揮該實現(xiàn)方法所帶來的好處。 8、并行處理計算機除分布處理、mpp和機群系統(tǒng)外，有哪4種基本結構？列舉它們各自要解決的

14、主要問題。答：除了分布處理，mpp和機群系統(tǒng)外，并行處理計算機按其基本結構特征可分為流水線計算機，陣列處理機，多處理機和數(shù)據(jù)流計算機四種不同的結構。流水線計算機主要通過時間重疊，讓多個部件在時間上交劃重疊地并行招待運算和處理，以實現(xiàn)時間上的并行。它主要應解決：擁塞控制，沖突防止，流水線調度等問題。陣列處理機主要通過資源重復實現(xiàn)空間上的并行。它主要應解決：處理單元靈活、規(guī)律的互連模式和互連網絡設計，數(shù)據(jù)在存儲器中的分布算法等問題。多處理機主要通過資源共享，讓一組計算機在統(tǒng)一的操作系統(tǒng)全盤控制下，實現(xiàn)軟件和硬件各級上的相互作用，達到時間和空間上的異 步并行。它主要應解決：處理機間互連等硬件結構，進

15、程間的同上步和通訊，多處理機調度等問題。數(shù)據(jù)流計算機設有共享變量的概念，指令執(zhí)行順序只受指令中數(shù)據(jù)的相關性制約。數(shù)據(jù)是以表示某一操作數(shù)或參數(shù)已準備就緒的數(shù)據(jù)令牌直接在指令之間傳遞。它主要應解決：研究合適的硬件組織和結構，高效執(zhí)行的數(shù)據(jù)流語言等問題。 9、計算機系統(tǒng)的3t性能目標是什么？答：計算機系統(tǒng)的3t性能目標是 1tflops計算能力 ， 1tbyte主存容量 和 1tbytes的i/o帶寬 。 第2章 數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng) 精品.1、數(shù)據(jù)結構和機器的數(shù)據(jù)表示之間是什么關系？確定和引入數(shù)據(jù)表示的基本原則是什么？答：數(shù)據(jù)表示是能由硬件直接識別和引用的數(shù)據(jù)類型。數(shù)據(jù)結構反映各種數(shù)據(jù)元素或信息單元

16、之間的結構關系。數(shù)據(jù)結構要通過軟件映象變換成機器所具有的各種數(shù)據(jù)表示實現(xiàn)，所以數(shù)據(jù)表示是數(shù)據(jù)結構的組成元素。不同的數(shù)據(jù)表示可為數(shù)據(jù)結構的實現(xiàn)提供不同的支持，表現(xiàn)在實現(xiàn)效率和方便性不同。數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)結構是軟件、硬件的交界面。除基本數(shù)據(jù)表示不可少外，高級數(shù)據(jù)表示的引入遵循以下原則：（1）看系統(tǒng)的效率有否提高，是否養(yǎng)活了實現(xiàn)時間和存儲空間。（2）看引入這種數(shù)據(jù)表示后，其通用性和利用率是否高。 2、標志符數(shù)據(jù)表示與描述符數(shù)據(jù)表示有何區(qū)別？描述符數(shù)據(jù)表示與向量數(shù)據(jù)表示對向量數(shù)據(jù)結構所提供的支持有什么不同？答：標志符數(shù)據(jù)表示指將數(shù)據(jù)類型與數(shù)據(jù)本身直接聯(lián)系在一起，讓機器中每個數(shù)所都帶類型樗位。其優(yōu)點是：（

17、1）簡化了指令系統(tǒng)和程序設計；（2）簡化了編譯程序；（3）便于實現(xiàn)一致性校驗；（4）能由硬件自動變換數(shù)據(jù)類型；（5）支持數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的實現(xiàn)與數(shù)據(jù)類型無關；（6）為軟件調試和應用軟件開發(fā)提供支持。缺點是：（1）會增加程序所點的主存空間；（2）在微觀上對機器的性能（運算速度）不利。數(shù)據(jù)描述符指數(shù)據(jù)的描述與數(shù)據(jù)分開存放，描述所訪問的數(shù)據(jù)是整塊還是單個的，及訪問該數(shù)據(jù)塊或數(shù)據(jù)元素的地址住處它具備標志符數(shù)據(jù)表示的優(yōu)點，并減少了標志符數(shù)據(jù)表示所占的空間，為向量和數(shù)組結構的實現(xiàn)提供支持。數(shù)據(jù)描述符方法優(yōu)于標志符數(shù)據(jù)表示，數(shù)據(jù)的描述與數(shù)據(jù)分開，描述所訪問的數(shù)據(jù)是整塊還是單個的，及訪問該數(shù)據(jù)塊或數(shù)據(jù)元素的地址信息

18、，減少了樗符數(shù)據(jù)表示所占的窨。用描述符方法實現(xiàn)陣列數(shù)據(jù)的索引比用變址方法實現(xiàn)要方便，且便于檢查出程序中的陣列越界錯誤。但它不能解決向量和數(shù)組的高速運算問題。而在有向量、數(shù)組數(shù)據(jù)表示的向量處理機上，硬件上設置有豐富的賂量或陣列運算指令，配有流水或陣列方式處理的高速運算器，不僅能快速形成向量、數(shù)組的元素地址，更重要的是便于實現(xiàn)把向量各元素成塊預取到中央處理機，用一條向量、數(shù)組指令流水或同時對整個向量、數(shù)組高速處理如讓硬件越界判斷與元素運算并行。這些比起用與向量、陣列無關的機器語言和數(shù)據(jù)表示串行實現(xiàn)要高效的多。 3、堆棧型機器與通用寄存器型機器的主要區(qū)別是什么？堆棧型機器系統(tǒng)結構為程序調用的哪些操作

19、提供了支持？答：有堆棧數(shù)據(jù)表示的機器稱為堆棧機器。它與一般通用寄存器型機器不同。通用寄存器型機器對堆棧數(shù)據(jù)結構實現(xiàn)的支持是較差的。表現(xiàn)在：(1)堆棧操作的指令少，功能單一；(2)堆棧在存儲器內，訪問堆棧速度低；(3)堆棧通常只用于保存于程序調用時的返回地址，少量用堆棧實現(xiàn)程序間的參數(shù)傳遞。而堆棧機器為堆棧數(shù)據(jù)結構的實現(xiàn)提供有力的支持表現(xiàn)在：(1)有高速寄存器組成的硬件堆棧，并與主存中堆棧區(qū)在邏輯上組成整體，使堆棧的訪問速度是寄存器的，容量是主存的；(2)豐富的堆棧指令可對堆棧中的數(shù)據(jù)進行各種運算和處理；(3)有力地支持高級語言的編譯；(4)有力地支持子程序的嵌套和遞歸調用。堆棧型機器系統(tǒng)結構有

20、力地支持子程序的嵌套和遞歸調用。可將以下信息全部壓棧，包括：保存子程序的返回地址，保存條件碼，保存關鍵寄存器內容，保存必要的全局型、局部型參數(shù)，為子程序開辟存放局部變量和中間結果的工作區(qū)。 4、設某機階值6位、尾數(shù)48位，階符和數(shù)符不在其內，當尾數(shù)分別以2、8、16為基時，在非負階、正尾數(shù)、規(guī)格化數(shù)情況下，求出其最小階、最大階、階的個數(shù)、最小尾數(shù)值、最大尾數(shù)值、可表示的最小值和最大值及可表示的規(guī)格化數(shù)的總個數(shù)。解：依題意知：p=6 m=48 rm=2, 8, 16lanjing:5、（1）浮點數(shù)系統(tǒng)使用的階基rp=2,階值位數(shù)p=2,尾數(shù)基值rm=10，以rm為基的尾數(shù)位數(shù)m=1,按照使用的倍

21、數(shù)來說，等價于m=4,試計算在非負階、正尾數(shù)、規(guī)格化情況下的最小尾數(shù)值、最大尾數(shù)值、最大階值、可表示的最小值和最大值及可表示數(shù)的個數(shù)。（2）對于rp=2,p=2,rm=4,m=2,重復以上計算。解：依題意知列下表： p=2,rm=10,m=1 p=2,rm=4,m=2 最小尾數(shù)值 10-1=0.14-1=0.25 最大尾數(shù)值 1-10-1=0.9 1-4-2=15/16 最大階值 2p-1=33 可表示的最小值 0.10.25 可表示的最大值103*0.9=90043*15/16=60 可表示數(shù)的總個數(shù)36 48 精品.p.s不明白題中“按照使用的倍數(shù)來說，等價于m=4,” 這句話是什么意思，

22、有什么作用呢？ 6、由4位數(shù)（其中最低位為下溢附加位）經rom查表舍入法，下溢處理成3位結果，設計使下溢下處理平均誤差接近于零的rom表，列出rom編碼表地址與內容的對應關系。解： 地址 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 內容 000 001 001 010 010 011 011 100 100 101 101 110 110 111 111 111 7、變址尋址和基址尋址各適用于何種場合？設計一種只用6位地址碼就可指向一個大地址空間中任意64個地址之一的尋址機構。解

23、：基址尋址是對邏輯地址空間到物理地址空間變換的支持，以利于實現(xiàn)程序的動態(tài)再定位。變址尋址是對數(shù)組等數(shù)據(jù)塊運算的支持，以利于循環(huán)。將大地址空間64個地址分塊，用基址寄存器指出程序所在塊號，用指令中6位地址碼表示該塊內64個地址之一，這樣基址和變址相結合可訪問大地址任意64個地址之一。以下摘自南京大學出版社出版，李學干主編的輔導書變址尋址適合在標量計算機中，通過循環(huán)程序訪問變址寄存器，修改其變址值來對向量或數(shù)組等數(shù)據(jù)結構中的各元素進行訪問和處理?；穼ぶ穭t主要是用于程序的邏輯地址空間到物理地址空間的變換，以支持程序使用動態(tài)再定位的技術。設計一種只用6位地址碼就可以指向一個大地址空間中任意64個地址

24、之一的尋址機構，意味著指令中為尋址該操作數(shù)的地址碼只有6位，只好用來表示這64個地址中的任一個。那么這64個地址之一應當是在哪個大的地址空間的，就得使用其他辦法來指明。這里可列舉常見的兩種做法。一種是采用隱含尋址，讓標志這64個地址是相對哪個基點地址的區(qū)域用指令隱式規(guī)定的某個專門的寄存器中所存放的基址值來給出。例如，可約定某個變址寄存器或某個基址器。程序執(zhí)行時，每當要訪存時，就可以經硬件加法器將隱含寄存器的基址值與指令中給出的6位相對位移量相加來形成其訪存單元的物理地址。另一種是規(guī)定基點地址就是程序計數(shù)器，程序計數(shù)器(pc)存放的是當前所執(zhí)行指令的下一條指令所在主存中的地址(或偏移地址)。因此

25、，可以通過使用無條件轉移指令來修改pc的內容，實現(xiàn)在一個大的地址空間中的訪問，這就是所謂的pc自相對尋址。做法是通過將pc的內容與指令中所提供的6位相對位移量相加來形成主存單元的物理地址。 8.經統(tǒng)計，某機器14條指令的使用頻度分別為：0.01,0.15,0.12,0.03,0.02,0.04,0.02,0.04,0.01,0.13,0.15,0.14,0.11,0.03。分別求出用等長碼、huffman碼、只有兩種碼長的擴展操作碼3種編碼方式的操作碼平均碼長。 解： 等長操作碼的平均碼長=4位;huffman編碼的平均碼長=3.38位;只有兩種碼長的擴展操作碼的平均碼長=3.4位。 9若某機

26、要求：三地址指令4條，單地址指令255條，零地址指令16條。設指令字長為12位每個地址碼長為3位。問能否以擴展操作碼為其編碼?如果其中單地址指令為254條呢?說明其理由。答：不能用擴展碼為其編碼。指令字長12位，每個地址碼占3位；三地址指令最多是2(12-3-3-3)=8條， 現(xiàn)三地址指令需4條,可有4條編碼作為擴展碼，單地址指令最多為42323=28=256條，現(xiàn)要求單地址指令255條，可有一條編碼作擴展碼零地址指令最多為1238條不滿足題目要求不可能以擴展碼為其編碼。 若單地址指令254條，可以用擴展碼為其編碼。依據(jù)中推導，單地址指令中可用2條編碼作為擴展碼零地址指令為22316條，滿足題

27、目要求 10、某機指令字長16位。設有單地址指令和雙地址指令兩類。若每個地址字段為6位.且雙地址指令有x條。問單地址指令最多可以有多少條?答：雙地址指令最多是2(精品.16-6-6)=24=16條， 現(xiàn)雙地址指令有x條,可有(16-x)條編碼作為擴展碼，單地址指令最多為(16-x)26 11何謂指令格式的優(yōu)化?簡要列舉包括操作碼和地址碼兩部分的指令格式優(yōu)化可采用的各種途徑和思路。答：指令格式的優(yōu)化指如何用最短位數(shù)表示指令的操作信息和地址信息，使程序中指令的平均字長最短。為此用到huffman壓縮概念。其基本思想是，當各種事件發(fā)生概率不均等時，采用優(yōu)化技術對發(fā)生概率最高的事件用最短的位數(shù)(時間)

28、來表示(處理)，而對出現(xiàn)概率較低的事件，允許采用較長位數(shù)(時間)來表示(處理)，會導致表示(處理)的平均位數(shù)(時間)的縮短。 用此思想可對操作碼進行優(yōu)化。首先通過大量已有典型程序進行統(tǒng)計，可得到每種指令在程序中出現(xiàn)的概率(使用頻度)。然后構造它們的huffman樹。方法如下： a)被統(tǒng)計指令按使用頻由小到大排列； b)每次選擇其中最小的二個頻度合成一個頻度是它們二者之和的新結點，并將該結點按頻度大小插到余下的未參與結合的頻度值中； c)如此繼續(xù)，直至全部頻度結合完畢形成根結點。 最后從根結點開始對每個結點的兩個分支分別用0、1表示，則到達各頻度指令的代碼序列就構成該頻度指令的huffman碼。

29、huffman碼是最優(yōu)化的編碼，但這種編碼碼長種類太多不便于譯碼，不能實用，為此可采用下面的擴展操作碼編碼。擴展操作碼編碼是介于定長二進制編碼和全huffman編碼之間的一種編碼，仍利用huffman壓縮思想，使操作碼平均長度縮短。其操作碼長度不定，但只有有限幾種碼長，是一種可實用的優(yōu)化編碼方法。擴展方法應根據(jù)指令使用頻度pi的分布而定如pi值在頭15種指令中都比較大，但在30種指令以后急劇減少，則宜選15/15/15法；若pi值在頭8種指令中較大，之后的64種指令pi值也不低時，則宜選8/64/512法。衡量標準是哪種編碼使平均長度最短。 對地址碼的優(yōu)化： 操作碼的優(yōu)化表示可以使指令總位數(shù)減

30、少，但為不降低訪存指令的速度必須維持指令字按整數(shù)邊界存儲，所以首先應考慮地址碼也用可變長讓長操作碼與短地址碼配合即使是定長指令字，也可利用操作碼優(yōu)化騰出的空白。減少存儲空間的浪費。如果最常用的操作碼最短，其地址碼個數(shù)越多指令功能越強。如為實現(xiàn)abc，若采用單地址指令需經取a，加b，送c三條指令完成，而用了三地址指令只需一條，減少程序占用空間。其次考慮多種尋址方式在滿足很大尋址空間前提下，縮短地址碼位數(shù)。如在ibm370中用16位地址碼可通過基址尋址形成24位訪存物理地址。以20位地址碼通過基址+變址形成24位訪存物理地址。還可采用相對尋址，分段存儲管理方式。另外可考慮在同種地址制下的多種地址形

31、式如讓空白處放直接操作數(shù)或常數(shù)。 12.某模型機9條指令使用頻率為： add(加) 30% sub(減) 24% jom(按負轉移) 6%sto(存) 7%jmp(轉移)7% shr(右移) 2%cil(循環(huán)) 3%cla(清加) 20% stp(停機) 1%要求有兩種指令字長，都按雙操作數(shù)指令格式編排，采用擴展操作碼，并限制只能有兩種操作碼碼長。設該機有若干通用寄存器，主存為16位寬，按字節(jié)編址，采用按整數(shù)邊界存儲。任何指令都在一個主存周期中取得，短指令為寄存器-寄存器型，長指令為寄存器-主存型，主存地址應能變址尋址。 (1)僅根據(jù)使用頻率，不考慮其它要求，設計出全huffman操作碼，計算

32、其平均碼長; (2)考慮題目全部要求，設計優(yōu)化實用的操作形式，并計算其操作碼的平均碼長; (3)該機允許使用多少可編址的通用寄存器？ (4)畫出該機兩種指令字格式，標出各字段之位數(shù); (5)指出訪存操作數(shù)地址尋址的最大相對位移量為多少個字節(jié)？ 解： 第(1)和(2)中huffman和擴展操作碼的編碼及平均碼長如下表： 指令ii 使用頻度pi huffman編碼 擴展操作碼編碼 i130%1000i224%0001i320%0110i4 7%110011000i5 7%110111001i6 6%111011010i7 3%11110 11011i8 2%11111011100i9 1%1111

33、1111101西個馬pili2.61 2.78 精品.(3)8個。 (4)兩種指令格式如下圖所示： 2位3位 3位op r1r2操作碼 寄存器1 寄存器2 5位3位 3位 5位op r1x d操作碼 寄存器1 變址寄存器 相對位移主存邏輯地址 (5)訪存操作數(shù)地址尋址的最大相對位移量為32個字節(jié)。 13設計risc機器的一般原則及可采用的基本技術有那些?答：一般原則：(1)確定指令系統(tǒng)時，只選擇使用頻度很高的指令及少量有效支持操作系統(tǒng)，高級語言及其它功能的指令；(2)減少尋址方式種類，一般不超過兩種；(3)讓所有指令在一個機器周期內完成；(4)擴大通用寄存器個數(shù)，一般不少于32個，盡量減少訪存

34、次數(shù)；(5)大多數(shù)指令用硬聯(lián)實現(xiàn)，少數(shù)用微程序實現(xiàn)；(6)優(yōu)化編譯程序，簡單有效地支持高級語言實現(xiàn)?；炯夹g：(1)按risc一般原則設計，即確定指令系統(tǒng)時，選最常用基本指令，附以少數(shù)對操作系統(tǒng)等支持最有用的指令，使指令精簡。編碼規(guī)整，尋址方式種類減少到1、2種。(2)邏輯實現(xiàn)用硬聯(lián)和微程序相結合。即大多數(shù)簡單指令用硬聯(lián)方式實現(xiàn)，功能復雜的指令用微程序實現(xiàn)。(3)用重疊寄存器窗口。即：為了減少訪存，減化尋址方式和指令格式，簡單有效地支持高級語言中的過程調用，在risc機器中設有大量寄存囂，井讓各過程的寄存器窗口部分重疊。(4)用流水和延遲轉移實現(xiàn)指令，即可讓本條指令執(zhí)行與下條指令預取在時間上重

35、疊。另外，將轉移指令與其前面的一條指令對換位置，讓成功轉移總是在緊跟的指令執(zhí)行之后發(fā)生，使預取指令不作廢，節(jié)省一個機器周期。(5)優(yōu)化設計編譯系統(tǒng)。即盡力優(yōu)化寄存器分配，減少訪存次數(shù)。不僅要利用常規(guī)手段優(yōu)化編譯，還可調整指令執(zhí)行順序，以盡量減少機器周期等。 14簡要比較cisc機器和risc機器各自的結構特點，它們分別存在哪些不足和問題?為什么說今后的發(fā)展應是cisc和risc的結合? 答：cisc結構特點：機器指令系統(tǒng)龐大復雜。risc結構特點：機器指令系統(tǒng)簡單，規(guī)模小，復雜度低。 cisc的問題：(1)指令系統(tǒng)龐大，一般200條以上；(2)指令操作繁雜，執(zhí)行速度很低；(3)難以優(yōu)化生成高效

36、機器語言程序，編譯也太長，太復雜；(4)由于指令系統(tǒng)龐大，指令的使用頻度不高，降低系統(tǒng)性能價格比，增加設計人員負擔。 精品.risc的問題；(1)由于指令少，在原cisc上一條指令完成的功能現(xiàn)在需多條risc指令才能完成，加重匯編語言程序設計負擔，增加了機器語言程序長度，加大指令信息流量。(2)對浮點運算和虛擬存儲支持不很強。(3)risc編譯程序比cisc難寫。 由于risc和cisc各有優(yōu)缺點,在設計時，應向著兩者結合，取長補短方向發(fā)展。theskyline: 單地址指令格式： 指令 地址 9 3 位所以前面9位由于三地址指令用了最前面3位，還有中間6位可作為編碼（也就是總共可以有9位作為

37、單地址指令的指令操作碼的編碼）。減去3地址指令的4條，有4*26=256條，但由于韙目要求要有255條，所以剩下一個編碼，已經用了9位的全部編碼，最后零地址指令（全部12位都可作為操作碼的編碼）還有1*23=8(這是12位編碼中最后三位的）若只要求254種，則可以有（256-254）*23=16條 第3章 總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng) 3.1簡要舉出集中式串行鏈接，定時查詢和獨立請求3種總線控制方式的優(yōu)缺點。同時分析硬件產生故障時通訊的可靠性。 答：集中式串行鏈連接方式。其過程為： 所有部件都經公共的“總線請求”線向總線控制器發(fā)使用總線申請。 當“總線忙”信號未建立時，“總線請求”才被總線控制器響

38、應，送出“總線可用”信號，它串行地通過每個部件。 如果某部件未發(fā)過“總線請求”，則它將“總線可用”信號往下一部件轉，如果某部件發(fā)過“總線請求”，則停止“總線可用”信號的傳送。 該部件建立“總線忙”，并除去“總線請求”，此時該部件獲得總線使用權，準備傳送數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)傳送期間，“總線忙”維持“總線可用”的建立。 傳送完成后，該部件去除“總線忙”信號和“總線可用”信號。 當“總線請求”再次建立時，就開始新的總線分配過程。 優(yōu)點：選擇算法簡單；控制總線數(shù)少；可擴充性好；可靠性高。 缺點：對“總線可用”線及其有關電路失效敏感，不靈活；總線中信號傳送速度慢。 集中式定時查詢方式，過程： 總線上每個部件通過

39、“總線請求”發(fā)請求。 若“總線忙”信號未建立，則計數(shù)器開始計數(shù)，定時查詢個部件，以確定是誰發(fā)的請求。 當查詢線上的計數(shù)值與發(fā)出請求的部件號一致時，該部件建立“總線忙”，計數(shù)停止，查詢也停止。除去“總線請求”，該部件獲得總線使用權。 “總線忙”維持到數(shù)據(jù)傳送完畢。 數(shù)據(jù)傳送完，去除“總線忙”。 當“總線請求”線上有新的請求，就開始下一個總線分配過程。 優(yōu)點：優(yōu)先次序靈活性強；可靠性高。 缺點：控制線數(shù)較多；擴展性較差；控制較為復雜；總線分配受限于計數(shù)信號，不能很高。 集中式獨立請求方式，過程： 每個部件有一對“總線請求”和“總線準許”線。 每個部件使用“總線請求”發(fā)中請，當“總線已分配”無信號時

40、，總線控制器根據(jù)某種算法對同時送來的多個請求進行仲裁，以確定哪個部件使用總線，信號從“總線準許”送回該部件，去除該部件的“總線請求”，建立總線已分配”。 獲得總線使用權的部件傳送數(shù)據(jù)，直至完畢。 數(shù)據(jù)傳送完畢后，除去總線已分配”和“總線準許”，開始新的總線分配。 優(yōu)點：總線分配速度快；靈活；能方便隔離失效部件的請求。 缺點：控制線數(shù)多；復雜。硬件產生故障時，通信的可靠性分析：串行鏈接對通信的可靠性，主要表現(xiàn)在“總線可用”線及其有關電路的失效會造成系統(tǒng)整體癱瘓的問題。一旦“總線可用”線出現(xiàn)斷路或碰地，其高電平不能順鏈往下傳送，就會使后面的部件在要求使用總線時，其請求無法得到響應。為了提高可靠性，

41、可對“總線可用”線及其相關電路，采取重復設置兩套或多套來解決。定時查詢對通信的可靠性要求比串行鏈接的高。因為總線控制器通過計數(shù)，查詢到某個出故障的部件時，故障部件不會給出“總線忙”信號，這樣，不會影響控制器繼續(xù)計數(shù)，去查詢下一個部件，所以整個總線系統(tǒng)的工作不會癱瘓。獨立請求對通信的可靠性要求同樣比串行鏈接的高。因為某個部件在發(fā)生故障時，不發(fā)總線請求，即使發(fā)出總線請求，總線控制器也可以通過軟件或硬件的措施，將發(fā)生故障的部件送來的請求予以屏蔽掉，不讓其參與總線的分配。所以，某個部件的故障不會導致整個系統(tǒng)的工作處于癱瘓狀態(tài)。精品. 3.2. 設中斷級屏蔽位“1”對應于開放，“0”對應于屏蔽，各級中斷

42、處理程序的中斷級屏蔽位設置如下： （見課本） (1)當中斷響應優(yōu)先次序為1234時，其中斷處理次序是什么? 答：(1)1342 中斷處理程序 (2)如果所有的中斷處理都各需3個單位時間，中斷響應和中斷返回時間相對中斷處理時間少得多。當機器正在運行用戶程序時，同時發(fā)生第2，3級中斷請求，過兩個單位時間，又同時發(fā)生第1，4級中斷請求，試畫出程序運行過程示意圖。 答： 南京大學出版社李學干主編的輔導書 對本題的分析：為了領會中斷響應排隊器對中斷響應優(yōu)先次序是用硬件固定的，以及通過由操作系統(tǒng)給各中斷級服務程序現(xiàn)行程序狀態(tài)字中的中斷級屏蔽位設置不同的狀態(tài)，可以改變中斷處理(完)的次序這兩個要點，下圖給出

43、了一個中斷響應硬件部分的簡單邏輯原理示意圖。圖中略去了某些實現(xiàn)上的具體細節(jié)，因為這些已不是本課程要討論的內容。中斷級屏蔽位是程序狀態(tài)字中的一個組成部分。程序狀態(tài)字是將散布于系統(tǒng)各部分，反映程序工作時某些關鍵性硬件的狀態(tài)，組合在一起所構成的字，有的計算機也稱其為處理器狀態(tài)字或程序換道區(qū)。每類程序均在主存中指定一個區(qū)域來放置其程序狀態(tài)字。運行一個程序或進程時，就會將其程序狀態(tài)字從主存指定單元或區(qū)域取出送到分散于系統(tǒng)各部分的寄存器或計數(shù)器中，建立起運行此程序或進程的環(huán)境。一個程序或進程在退出運行時，也會將反映該程序狀態(tài)的這些寄存器或計數(shù)器內容組拼成程序狀態(tài)字，存回該程序或進程在主存中的指定單元或區(qū)域

44、里。因此，程序或進程的切換，只需要通過硬件啟動的交換新舊程序狀態(tài)字的內容即可快速完成。例如，在ibm370系列機上，程序狀態(tài)字為64位，等于它的長字，交換程序狀態(tài)字只需硬件啟動寫長字和讀長字兩次訪存即可完成。盡管中斷請求是隨機發(fā)出的，為了便于精確保存中斷的斷點以及在中斷處理完后又能返回到原中斷處，中斷響應排隊器總是在每條指令執(zhí)行到最后一個機器周期的最后一個時鐘周期時，對目前到達中斷響應排隊器入口的所有中斷請求排一次隊，擇優(yōu)進行響應。在中斷響應排隊器相應的輸出端產生出響應信號。此信號經中斷級服務程序入口地址形成硬件，生成出該級中斷服務程序的程序狀態(tài)字在內存區(qū)中所存放的地址。同時，經中斷響應控制信

45、號啟動，進行新舊程序狀態(tài)字的交換，完成程序的切換。被中斷的程序的斷點地址(即程序計數(shù)器的內容)，由硬件自動壓入返回地址堆棧，予以保存。系統(tǒng)切換到新的程序或進程后，繼續(xù)運行下去。如果新的程序或進程是一個中斷服務程序，在運行結束，執(zhí)行到中斷返回指令時，就會從堆棧中彈出所保存的返回地址，再次交換程序狀態(tài)字，系統(tǒng)又重新返回到原被中斷的程序，恢復運行。精品.當然，低級的中斷服務程序在處理過程中又遇到了比其更高級的中斷請求時，應允許其被中斷，以實現(xiàn)多級中斷的嵌套。利用返回地址堆棧的后進先出工作方式，就可以完成中斷嵌套時的正確返回。可以看出，只要某道程序運行時，由操作系統(tǒng)在現(xiàn)行程序的程序狀態(tài)字中，根據(jù)對各中

46、斷級的中斷請求是否屏蔽，設置好中斷級屏蔽位的狀態(tài)，就可以控制這些級別的中斷請求是否進入中斷響應排隊器去參加排隊。只有能進入中斷響應排隊器的中斷級請求，才有機會得到響應，從而就可改變中斷實際處理完的次序。應當注意的是，用戶程序是不能屏蔽任何中斷的。因此，用戶程序的現(xiàn)行程序狀態(tài)字中，對各中斷級的屏蔽位均應讓其處于“開放”狀態(tài)。根據(jù)本題中所給出的各級中斷處理程序對中斷級屏蔽位設置的狀況，很容易得出其中斷處理(完)的次序應當是1342。因為正處理1級的中斷處理程序時，現(xiàn)行程序狀態(tài)字中的中斷級屏蔽位為0000，在其執(zhí)行期間，任何新的同級和低級的中斷請求都不可能進入中斷響應排隊器進行排隊，所以，1級中斷處

47、理程序一定會先處理完。當執(zhí)行3級中斷服務程序時，由于現(xiàn)行程序狀態(tài)字中的中斷級屏蔽位為1000，即對1級中斷請求是“開放”的，而對其他各級中斷請求則處于“屏蔽”狀態(tài)。所以，只要此時發(fā)生1級中斷請求，它就能進入中斷響應排隊器去排隊。從而在中斷請求排隊的微操作發(fā)出時，就可打斷3級中斷服務程序的執(zhí)行，交換程序狀態(tài)字，轉去執(zhí)行1級中斷處理程序，使之被優(yōu)先處理完。而在執(zhí)行3級中斷服務程序時，由于現(xiàn)行程序狀態(tài)字對2、3、4級的中斷請求處于被“屏蔽”的狀態(tài)，所以，它們都不能打斷正在執(zhí)行的3級中斷處理程序。其他的情況可以依此類推得到。精品.3.3.若機器共有5級中斷,中斷響應優(yōu)先次序為12345,現(xiàn)要求其實際的

48、中斷處理次求序14523。 (1)設計各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位(令“1”對應于開放，“0”對應于屏蔽); 略 (2)若在運行用戶程序時，同時出現(xiàn)第4，2級中斷請求，而在處理第2級中斷未完成時，又同時出現(xiàn)第1，3，5級中斷請求，請畫出此程序運行過程示意圖。 答：( 選自老版主的答案） 1）五個級別的中斷屏蔽位分別為（1開放；0屏蔽）：1：00000 2：10011 3：11011 4：10000 5：100102）中斷過程示意圖：如圖a. 2、4中斷同時出現(xiàn)，進行排隊器；b. 按中斷響應優(yōu)先次序，2響應；c. 此時屏蔽字為10011，所以；d. 響應4，中斷4運行結束，回2；e. 1、3、

49、5進入排隊器，此時屏蔽字為10011，且1優(yōu)先級最高，所以；f. 響應1，1運行結束，回2，根據(jù)屏蔽字，所以；g. 5響應，5運行結束，回2；h. 根據(jù)屏蔽字，不響應3，所以2運行結束；回用戶程序；i. 3還在排隊器，響應3，運行直到結束，回用戶程序 3.4簡述字節(jié)多路，數(shù)組多路和選擇通道的數(shù)據(jù)傳送方式。 答：字節(jié)多路通道適用于連接大量的字符類低速設備。它以字節(jié)交叉方式輪流為多臺設備服務，它可有多個子通道，它們分時進入通道。數(shù)組多路通道適合于連接多臺高速設備，每傳送一個定長塊就選擇一次設備，多臺設備以成組交叉方式工作。它可有多個子通道。它們分時進入通道。選擇通道方式適合于優(yōu)先級高的高速設備，讓

50、它獨占通道，數(shù)據(jù)傳送以不定長方式進行，在數(shù)據(jù)傳送期只選擇一次設備。 3.5 如果通道在數(shù)據(jù)傳送期中，選擇設備需9.8s，傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)需0.2s。某低速設備每隔500s發(fā)出一個字節(jié)數(shù)據(jù)傳送請求，問至多可接幾臺這種低速設備?對于如下af6種高速設備，一次通訊傳送的字節(jié)數(shù)不少于1024個字節(jié)，問哪些設備可以掛在此通道上?哪些則不能?其中af設備每發(fā)出一個字節(jié)數(shù)據(jù)傳送請求的時間間隔分別為(單位為s)： 設備a b c d e f 發(fā)申請間隔0.20.250.50.190.40.21 答： (1)選擇設備需9.8s，傳送一個字節(jié)需0.2s該通道完成一個字節(jié)的傳送需9.8+0.21s某低速設備每隔50

51、0s發(fā)出一字節(jié)數(shù)據(jù)請求，為使數(shù)據(jù)不丟失，該通道可連設備數(shù)至多為500s/1s500臺。 (2)對于高速設備，由于一次傳送字節(jié)數(shù)不少于1024byte精品.該通道一次傳送數(shù)據(jù)的時間為9.8s+10240.2s214.6s由表中可得出每臺設備發(fā)送1024字節(jié)的時間間隔分別為 a bc de f 單位s 204.8 256 512 194.56 409.6 215.04 為使數(shù)據(jù)不丟失，b、c、e、f可掛在該通道上。a、d不能。 3.6 某字節(jié)多路通道連接6臺外設，某數(shù)據(jù)傳送速率分別如表中所列。 設備 123456 傳送速率（kb/s） 50 15 100 25 40 20 (1)計算所有設備都工作

52、時的通道實際最大流量： 答：實際最大流量50+15+l00+25+40+20250kb/s。 (2)如果設計的通道工作周期使通道極限流量恰好與通道最大流量相等，以滿足流量設計的基本要求，同時讓速率越高的設備被響應的優(yōu)先級越高。當6臺設備同時發(fā)出請求開始，畫出此通道在數(shù)據(jù)傳送期內響應和處理各外設請求的時間示意圖。由此你發(fā)現(xiàn)了什么問題? 答：由表可解各設備連續(xù)發(fā)送兩個字節(jié)的時間間隔分別為：12 3 4 56 20s67s10s 40s 25s 50s kb=1024b,s=106s ,設備1的時間間隔為106/(50*1024)20s ，其他如同1。為簡化計算，可視1024為1000由此發(fā)現(xiàn)由于高

53、速設備的響應優(yōu)先級高，使低速設備6和設備2造成數(shù)據(jù)丟失。 (3)在(2)的基礎上，在哪臺設備內設置多少個字節(jié)的緩沖器就可以避免設備信息丟失?那么，這是否說書中關于流量設計的基本要求是沒有必要的了呢?為什么? 答：在設備6和2中各設兩個字節(jié)的緩沖區(qū)即可。這并不說明流量設計的基本條件是不必要的，因為若基本條件不滿足，無論設備優(yōu)先級如何確定總有設備的信息會丟失。 阿利：這是我畫的通道處理設備請求的示意圖。（請點擊看全圖）由圖中可看出，6號設備有丟失信息現(xiàn)象，解決的辦法是在6號設備內設置2個字節(jié)的緩沖器。 精品.3.7 通道型i/o系統(tǒng)由一個字節(jié)多路通道a(其中包括兩個子通道al和a2)，兩個數(shù)組多路通道b1和b2及一個選擇通道c構成，各通道所接設備和設備的數(shù)據(jù)傳送速率如表所示。 （見課本）(1)分別求出各通道應具有多大設計流量才不會丟失信息； 答：子通道al的最大實際流量50+35+20+20+50+35+20+20250kb/so.25mb/s子通道a1至少應有0.25mb/s的流量才不丟失信息。同理子通道a2的流量必須0.25mb/s 子通道b1的實際最大流量0.5mb/s b1流量至少為0.5mb/s。同理子通道b2流量至少設計成0.5mb/s。選擇通道c的流量至少設計成0.5mb/s。 (2)設i/o系統(tǒng)流量占主存流量的1/2時才算流量平衡，則