(自考02325)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課后習題

1、課后zhenti第1章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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。 note:     由題意可知：第i級的一條指令能

2、完成第i-1級的M條指令的計算量。而現(xiàn)在第i級有N條指令解釋第i+1級的一條指令，那么，我們就可以用N/M來表示N/M 表示第i+1級需(N/M)條指令來完成第i級的計算量。所以，當有一段第1級的程序需要運行Ks時，在第2級就需要(N/M)Ks，以此類推 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。但是實現(xiàn)的性能價格比，實現(xiàn)的難易程序不同。     在DOS操作系統(tǒng)時代，漢字系統(tǒng)是一個重要問題，早期的漢字系

3、統(tǒng)的字庫和處理程序都固化在漢卡（硬件）上，而隨著CPU、硬盤、內(nèi)存技術(shù)的不斷發(fā)展，UCDOS把漢字系統(tǒng)的所有組成部份做成一個軟件。 3.試以實例說明計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成與計算機實現(xiàn)之間的相互關(guān)系與影響。 答：     計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)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(shè)計者看到的概念性結(jié)構(gòu)相同，均是由中央處理機/主存，通道、設(shè)備控

4、制器，外設(shè)4級構(gòu)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(jié)構(gòu)不同，會使采用的組成技術(shù)不同，反之組成也會影響結(jié)構(gòu)。如為實現(xiàn)A:=B+CD:=E*F,可采用面向寄存器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也可采用面向主存的三地址尋址方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。要提高運行速度，可讓相加與相乘并行，

5、為此這兩種結(jié)構(gòu)在組成上都要求設(shè)置獨立的加法器和乘法器。但對面向寄存器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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。又如微程序控制是組成影響結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。如果沒有組成技術(shù)的進步，結(jié)構(gòu)的進展是不可能的。     綜上所述，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計必須結(jié)合應(yīng)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(shù)。應(yīng)避免過多地或不合理地限制各種組成、實現(xiàn)技術(shù)的采用和發(fā)展，盡量做到既能方便地在低

6、檔機上用簡單便宜的組成實現(xiàn)，又能在高檔機上用復(fù)雜較貴的組成實現(xiàn)，這樣，結(jié)構(gòu)才有生命力；組成設(shè)計上面決定于結(jié)構(gòu)，下面受限于實現(xiàn)技術(shù)。然而，它可與實現(xiàn)折衷權(quán)衡。例如，為達到速度要求，可用簡單的組成但卻是復(fù)雜的實現(xiàn)技術(shù)，也可用復(fù)雜的組成但卻是一般速度的實現(xiàn)技術(shù)。前者要求高性能的器件，后者可能造成組成設(shè)計復(fù)雜化和更多地采用專用芯片。     組成和實現(xiàn)的權(quán)衡取決于性能價格比等因素；結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)所包含的具體內(nèi)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(jié)構(gòu)組成和實現(xiàn)融為一體，難以分開。 4.什么是透明性概念

7、？對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，下列哪些是透明的？哪些是不透明的？ 存儲器的模m交叉存取；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；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(jié)合型還是獨立型；PDP-11系列的單總線結(jié)構(gòu)；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；存儲器最小編址單位；Cache存儲器。 答：     透明指的是客觀存在的事物或?qū)傩詮哪硞€角度看不到。     透明的有：存儲器的模m交叉存?。粩?shù)據(jù)總線寬度；陣列運算部件；通道是采用結(jié)合型還是獨立型；PDP-11系列的

8、單總線結(jié)構(gòu)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。 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(shè)；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、先進先出鏈、移位器、主存地址寄存器。 6.下列哪些對系統(tǒng)程序員是透明

9、的？哪些對應(yīng)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”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：系列機各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度；Cache存儲器；指令緩沖寄存器；     對應(yīng)用程序員透明的有：系列機各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度；Cache存儲器；指令緩沖寄存器；虛擬存儲器；程序狀態(tài)字；“啟動I/O”指令。 note:     系列機各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度、Cache存貯器、指令緩沖寄存器

10、屬于計算機組成，對系統(tǒng)和程序員和應(yīng)用程序員都是透明的。     虛擬存貯器、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(yīng)用程序員卻是透明的。     “執(zhí)行”指令則對系統(tǒng)程序員和應(yīng)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(shè)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)類型和若干條字符處理指令，以支持事務(wù)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(diào)整中斷響應(yīng)的優(yōu)先次序。 （3）在CPU和主存之間增設(shè)Cache存

11、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(jié)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(shè)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(nèi)部信息的傳送。 （7）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：1,3

12、,4,6,7。不可以考慮的有：2,5,8。     原則是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(jié)構(gòu)基本不變，因此在確定系列結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。既要考慮滿足應(yīng)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(shù)，即使用復(fù)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(jié)構(gòu)？列舉它們各自要解決的主要問題。

13、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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。     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(yīng)解決：擁塞控制，沖突防止，流水線調(diào)度等問題。     陣列處理機主要通過資源重復(fù)實現(xiàn)空間上的并行。它主要應(yīng)解決：處理單元靈活、規(guī)律的互連模式和互連網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，數(shù)據(jù)在存儲器中的分布算法等問題。   &

14、#160; 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(yīng)解決：處理機間互連等硬件結(jié)構(gòu)，進程間的同上步和通訊，多處理機調(diào)度等問題。     數(shù)據(jù)流計算機設(shè)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(guān)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(yīng)解決：研究合適的硬件組織和結(jié)構(gòu)，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

15、能目標是 1TFLOPS計算能力 ， 1TBYTE主存容量 和 1TBYTE/S的I/O帶寬。第二章數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)1.數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和機器的數(shù)據(jù)表示之間是什么關(guān)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(jié)構(gòu)反映各種數(shù)據(jù)元素或信息單元之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。     數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的組成元素。不同的數(shù)據(jù)表示可為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是軟件、硬件的交界面。    &#

16、160;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(jié)構(gòu)所提供的支持有什么不同？ 答：     標志符數(shù)據(jù)表示與描述符數(shù)據(jù)表示的差別是標志符與每個數(shù)據(jù)相連，合存于同一存儲單元，描述單個數(shù)據(jù)的類型特性;描述符是與數(shù)據(jù)分開存放，用于描述向量、數(shù)組等成塊數(shù)據(jù)的

17、特征。     描述符數(shù)據(jù)表示為向量、數(shù)組的的實現(xiàn)提供了支持，有利于簡化高級語言程序編譯中的代碼生成，可以比變址法更快地形成數(shù)據(jù)元素的地址。但描述符數(shù)據(jù)表示并不支持向量、數(shù)組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的高效實現(xiàn)。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(shè)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(yù)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(guān)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

18、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(jié)構(gòu)為程序調(diào)用哪些操作提供了支持？ 答：     通用寄存器型機器對堆棧數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(nèi)，訪問堆棧速度低；(3)堆棧通常只用于保存于程序調(diào)用時的返回地址，少量用堆棧實現(xiàn)程序間的參數(shù)傳遞。     而堆棧型機器則不同，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；(

19、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(diào)用。     堆棧型機器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有力地支持子程序的嵌套和遞歸調(diào)用。在程序調(diào)用時將返回地址、條件碼、關(guān)鍵寄存器的內(nèi)容等全部壓入堆棧，待子程序返回時，再從堆棧中彈出。 4.設(shè)某機階值6位、尾數(shù)48位，階符和數(shù)符不在其內(nèi)，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, 16

20、，m'=m/log2(rm)，列下表： p=6,m=48,rm=2(m'=48)p=6,m=48,rm=8(m'=16)p=6,m=48,rm=16(m'=12)最小階(非負階，最小為0)000最大階(2p-1)26-126-126-1最小尾數(shù)值(rm(-1)1/21/81/16最大尾數(shù)值(1-rm(-m')1-2(-48)1-8(-16)，即(1-2(-48)1-16(-12)，即(1-2(-48)可表示的最小值1/21/81/16可表示的最大值263*(1-2(-48)863*(1-8(-16)1663*(1-16(-12)階的個數(shù)(2p)26262

21、6可表示的尾數(shù)的個數(shù)248*(2-1)/2816*(8-1)/81612*(16-1)/16可表示的規(guī)格化數(shù)的個數(shù)26*248*(2-1)/226*816*(8-1)/826*1612*(16-1)/16note:     可表示的最小值=rm(最小階)*最小尾數(shù)值=rm0*rm(-1)=rm(-1);     可表示的最大值=rm(最大階)*最大尾數(shù)值=rm(2p-1)*(1-rm(-m');     可表示的尾數(shù)的個數(shù)=rmm'*(rm-1)/rm; &#

22、160;   可表示的規(guī)格化數(shù)的個數(shù)=階的個數(shù)*尾數(shù)的個數(shù)=2p*rmm'*(rm-1)/rm。 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(fù)以上計算。 解：     依題意列下表： p=2,rm=10,m'=1p=2,rm

23、=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=0.91-4-2=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)的個數(shù)3648    題中“按照使用的倍數(shù)來說，等價于m=4,” 這個m=4,因為23<10<24,等價為實際要4個二進制位，表示RM=10為基的一位 6.由4位數(shù)（其中最低位為下溢附加位）經(jīng)ROM查表舍入法，下溢處理成3位結(jié)果，設(shè)計使下溢處理平均誤差接近于零的ROM表，列出ROM編碼表地址與內(nèi)容的對應(yīng)關(guān)系。 解：

24、     ROM編碼表地址與內(nèi)容的對應(yīng)關(guān)系 地址0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111內(nèi)容0000010010100100110111001001011011101101111111117.變址尋址和基址尋址各適用于何種場合？設(shè)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(gòu)。 答：     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

25、，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(nèi)64 個地址之一，這樣基址和變址相結(jié)合可訪問大地址任意64個地址之一。比如地址空間很大，為0-1023，只用6位地址碼就可以指向這1024個地址中的任意64個。 剖析：     比如地址空間很大，1024，就是分成16個塊，塊號放在寄存器中，塊內(nèi)地址放在地址位中，寄存器內(nèi)容和地址位結(jié)合，就能達到要求了。8.經(jīng)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,

26、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.若某機要求：三地址指令4條，單地址指令255條，零地址指令16條。設(shè)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；   

27、;  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4×23×23=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1×238條     不滿足題目要求     不可能以擴展碼為

28、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(dǎo)，單地址指令中可用2條編碼作為擴展碼     零地址指令為2×2316條，滿足題目要求 note:三地址指令格式： 操作碼 地址碼 地址碼 地址碼 3位 3位 3位 3位單地址指令格式： 操作碼 地址碼 9位 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位作為單地址指令的指令操作碼的編碼）。減去

29、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(jīng)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 10.某機指令字長16位。設(shè)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：   單地址指令最多為(16-X)×26      P.S.雙地址指令最多是2(16-6-6)=24=16條， 現(xiàn)雙地址指令有X

30、條,     可有(16-X)條編碼作為擴展碼，     單地址指令最多為(16-X)×26=256條 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。     操作碼的優(yōu)化     采用Huffman編碼和擴展操作碼編碼。     對地址碼的優(yōu)

31、化：     采用多種尋址方式;     采用0、1、2、3等多種地址制;     在同種地址制內(nèi)再采用多種地址形式，如寄存器-寄存器型、寄存器-主存型、主存-主存型等;     在維持指令字在存儲器內(nèi)按整數(shù)邊界存儲的前提下，使用多種不同的指令字長度。 12.某模型機9條指令使用頻率為： ADD(加) 30% SUB(減) 24% JOM(按負轉(zhuǎn)移) 6%STO(存) 7% JMP(轉(zhuǎn)移) 7% SHR(右移) 2%CIL(循環(huán)) 3%

32、 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(shè)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(yīng)能變址尋址。 (1)僅根據(jù)使用頻率，不考慮其它要求，設(shè)計出全Huffman操作碼，計算其平均碼長; (2)考慮題目全部要求，設(shè)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

33、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I(lǐng)i使用頻度PiHuffman編碼擴展操作碼編碼I1I2I3I4I5I6I7I8I930%24%20%7%7%6%3%2%1%10000111001101111011110111110111111000110110001100111010110111110011101西個馬pili2.612.78    (3)8個。     (4)兩種指令格式如下圖所示： 2

34、位 3位 3位OP R1 R2操作碼 寄存器1 寄存器25位 3位 3位 5位OP R1 X 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(shè)計RISC機器的一般原則及可采用的基本技術(shù)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(nèi)完

35、成；     (4)擴大通用寄存器個數(shù)，一般不少于32個，盡量減少訪存次數(shù)；     (5)大多數(shù)指令用硬聯(lián)實現(xiàn)，少數(shù)用微程序?qū)崿F(xiàn)；     (6)優(yōu)化編譯程序，簡單有效地支持高級語言實現(xiàn)。     基本技術(shù)：     (1)按RISC一般原則設(shè)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。   

36、  (2)邏輯實現(xiàn)用硬聯(lián)和微程序相結(jié)合。即大多數(shù)簡單指令用硬聯(lián)方式實現(xiàn)，功能復(fù)雜的指令用微程序?qū)崿F(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(diào)用，在RISC機器中設(shè)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(zhuǎn)移實現(xiàn)指令，即可讓本條指令執(zhí)行與下條指令預(yù)取在時間上重疊。另外，將轉(zhuǎn)移指令與其前面的一條指令對換位置，讓成功轉(zhuǎn)移總是在緊跟的指令執(zhí)行之后發(fā)生，使預(yù)取指令不作廢，節(jié)省一個機器周期。  &

37、#160;  (5)優(yōu)化設(shè)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(diào)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(jié)構(gòu)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(yīng)是CISC和RISC的結(jié)合? 答： CISC結(jié)構(gòu)特點：機器指令系統(tǒng)龐大復(fù)雜。     RISC結(jié)構(gòu)特點：機器指令系統(tǒng)簡單，規(guī)模小，復(fù)雜度低。     CISC的問題：     (1)指令系統(tǒng)龐大，一般200條

38、以上；     (2)指令操作繁雜，執(zhí)行速度很低；     (3)難以優(yōu)化生成高效機器語言程序，編譯也太長，太復(fù)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(shè)計人員負擔。     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(shè)計負擔，增加了機器語言程序長度，加大指令信息流量。 &#

39、160;   (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(shè)計時，應(yīng)向著兩者結(jié)合，取長補短方向發(fā)展。第三章總線、中斷與輸入輸出系統(tǒng)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(chǎn)生故障時通訊的可靠性。 答： 控制方式優(yōu)點缺點串行鏈接(1)選擇算法簡單。(2)控制線數(shù)少，只需要3根，且不取決于部件數(shù)量。(3)可擴充性好。(1)對“總線可用”線及其有關(guān)電路失效敏感。

40、(2)靈活性差，如果高優(yōu)先級的部件頻繁要求使用總線，離總線控制器遠的部件就難以獲得總線使用權(quán)。(3)“總線可用”信號順序脈動地通過各個部件，總線的分配速度慢。(4)受總線長度的限制，增減和移動部件受限制。定時查詢(1)靈活性強，部件的優(yōu)先次序由程序控制。(2)可靠性高，不會因某個部件失效而影響其它部件使用總線。(1)總線的分配速度不能很高。(2)控制較為復(fù)雜。(3)控制線數(shù)多，需要2+log2N根。(4)可擴充性差。獨立請求(1)靈活性強，部件的優(yōu)先次序由程序控制。(2)能方便地隔離失效部件的請求。(3)總線的分配速度快。(1)控制較為復(fù)雜。(2)控制線數(shù)多，要控制N個設(shè)備，需要有2N+1根控

41、制線。2.設(shè)中斷級屏蔽位“1”對應(yīng)于開放，“0”對應(yīng)于屏蔽，各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位設(shè)置如下： 中斷處理程序級別中斷級屏蔽位1級2級3級4級第1級0000第2級1010第3級1000第4級1010    (1)當中斷響應(yīng)優(yōu)先次序為1234時，其中斷處理次序是什么?     (2)如果所有的中斷處理都各需3個單位時間，中斷響應(yīng)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：  &#

42、160;  (1)當中斷響應(yīng)優(yōu)先次序為1234時，其中斷處理次序為1342。     (2) 3.若機器共有5級中斷,中斷響應(yīng)優(yōu)先次序為12345,要求其實際的中斷處理次求序14523。 (1)設(shè)計各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位(令“1”對應(yīng)于開放，“0”對應(yīng)于屏蔽); (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：     (1)中斷級屏蔽位設(shè)置如下圖： 中斷處理程序級別中斷級屏蔽位1級2級

43、3級4級5級第1級11111第2級01100第3級00100第4級01111第5級01101    (2)中斷過程示意圖：如圖     2、4中斷同時出現(xiàn)，進行排隊器。     首先響應(yīng)第2級中斷請求，屏蔽字為01100，表明其對第4級中斷請求開放，所以轉(zhuǎn)去響應(yīng)第4級中斷請求并進行處理。     響應(yīng)4，中斷4運行結(jié)束，回2。     1、3、5進入排隊器。    &

44、#160;第2級中斷請求的處理請求被中斷，轉(zhuǎn)去響應(yīng)第1級中斷請求并進行處理。     響應(yīng)第5級中斷請求并進行處理。     繼續(xù)響應(yīng)并處理第2級中斷處理請求，結(jié)束后返回用戶程序。     最后處理第3級中斷請求。 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像光電機等字符類低速設(shè)備。這些設(shè)備傳送一個字符(字節(jié))的時間很短，但字符(字節(jié))間的等待時間很長。通道“數(shù)據(jù)寬度”為單字節(jié)，以字

45、節(jié)交叉方式輪流為多臺設(shè)備服務(wù)，使效率提高。字節(jié)多路通道可有多個子通道，同時執(zhí)行多個通道程序。     數(shù)組多路通道適合于連接多臺象磁盤等高速設(shè)備。這些設(shè)備的傳送速率很高，但傳送開始前的尋址輔助操作時間很長。通道“數(shù)據(jù)寬度”為定長塊，多臺設(shè)備以成組交叉方式工作，以充分利用并盡可能重疊各臺高速設(shè)備的輔助操作時間。傳送完K個字節(jié)數(shù)據(jù)，就重新選擇下個設(shè)備。數(shù)組多路通道可有多個子通道，同時執(zhí)行多個通道程序。     選擇通道適合于連接象磁盤等優(yōu)先級高的高速設(shè)備，讓它獨占通道，只能執(zhí)行一道通道程序。通道“數(shù)據(jù)寬度”為可變長塊，

46、一次將N個字節(jié)全部傳送完，在數(shù)據(jù)傳送期只選擇一次設(shè)備。 5.如果通道在數(shù)據(jù)傳送期中，選擇設(shè)備需9.8s，傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)需0.2s。某低速設(shè)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(shè)備?對于如下AF6種高速設(shè)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(shè)備可以掛在此通道上?哪些則不能?其中AF設(shè)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)：     表3-5 設(shè)備ABCDEF發(fā)申請間隔(s)0.20.250.50.190.40.21答:     (1)至多可連接50臺低速的

47、外設(shè)。 剖析：     根據(jù)題意可知：低速設(shè)備應(yīng)掛接在字節(jié)多路通道上，字節(jié)多路通道的通道極限流量為：     fmax.byte=1/(TS+TD)>=fbyte     通道極限流量應(yīng)大于或等于設(shè)備對通道要求的流量fbyte。     如果字節(jié)多路通道上所掛設(shè)備臺數(shù)為m,設(shè)備的速率為fi，為了不丟失信息，應(yīng)滿足：     1/(TS+TD)>=m*fi   

48、60; fi也就是設(shè)備發(fā)出字節(jié)傳送請求間隔時間(500s)的倒數(shù)，所以：     m<=1/(TS+TD)*f)=500/(9.8+0.2)=50(臺)     (2)設(shè)備B,C,E,F可以掛在此通道上，設(shè)備A,D則不能。 剖析：     思路一：從傳送字節(jié)速率上入手。     AF是高速設(shè)備，應(yīng)掛接在選擇通道上，選擇通道的極限流量為：     fmax.select=N/(TS+

49、N*TD)=1/(TS/N)+TD)=1/(9.8/1024)+0.2)=1/0.21(約)     通道上所掛設(shè)備的最大速率fi.max應(yīng)小于或等于通道的極限流量。     由表3-5可得出 設(shè)備ABCDEF傳送速率(B/s)1/0.21/0.251/0.51/0.191/0.41/0.21    所以，B、C、E、F可掛在該通道上。A、D不能。     思路二：從傳送字節(jié)時間上入手。     

50、對于高速設(shè)備，由于一次傳送字節(jié)數(shù)不少于1024byte     該通道一次傳送數(shù)據(jù)的時間為9.8s+1024×0.2s214.6s     由表3-5可得出每臺設(shè)備發(fā)送1024字節(jié)的時間間隔分別為: 設(shè)備ABCDEF傳送時間(s)204.8256512194.56409.6215.04    為使數(shù)據(jù)不丟失，B、C、E、F可掛在該通道上。A、D不能。 6.某字節(jié)多路通道連接6臺外設(shè)，某數(shù)據(jù)傳送速率分別如表中所列。 設(shè)備123456傳送速率(KB/s)50151002

51、54020(1)計算所有設(shè)備都工作時的通道實際最大流量： (2)如果設(shè)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(shè)計的基本要求，同時讓速率越高的設(shè)備被響應(yīng)的優(yōu)先級越高。當6臺設(shè)備同時發(fā)出請求開始，畫出此通道在數(shù)據(jù)傳送期內(nèi)響應(yīng)和處理各外設(shè)請求的時間示意圖。由此你發(fā)現(xiàn)了什么問題? (3)在(2)的基礎(chǔ)上，在哪臺設(shè)備內(nèi)設(shè)置多少個字節(jié)的緩沖器就可以避免設(shè)備信息丟失?那么，這是否說書中關(guān)于流量設(shè)計的基本要求是沒有必要的了呢?為什么? 解：     (1)實際最大流量50+15+l00+25+40+20250KB/S。   

52、  (2)通道響應(yīng)和處理各設(shè)備請求的時間示意圖     由此發(fā)現(xiàn)由于高速設(shè)備的響應(yīng)優(yōu)先級高，使低速設(shè)備2造成數(shù)據(jù)丟失。 (3)在2中各設(shè)兩個字節(jié)的緩沖區(qū)即可。這并不說明流量設(shè)計的基本條件是不必要的，因為若基本條件不滿足，無論設(shè)備優(yōu)先級如何確定總有設(shè)備的信息會丟失。 剖析：     (2)由各設(shè)備的傳送字節(jié)速率可解其連續(xù)發(fā)出傳送請求的時間間隔分別為： 設(shè)備123456發(fā)申請間隔(s)2067(約)104025507.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

53、通道B1和B2及一個選擇通道C構(gòu)成，各通道所接設(shè)備和設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送速率如表所示。 (1)分別求出各通道應(yīng)具有多大設(shè)計流量才不會丟失信息； (2)設(shè)I/O系統(tǒng)流量占主存流量的1/2時才算流量平衡，則主存流量應(yīng)達到多少? 通道號所接設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送速率(KB/s)字節(jié)多路通道子通道A150 35 20 20 50 35 20 20子通道A250 35 20 20 50 35 20 20數(shù)組多路通道B1500 400 350 250數(shù)組多路通道B2500 400 350 250選擇通道C500 400 350 250解：   (1)要不丟失信息，各通道需要達到的流量：字節(jié)多路通道子

54、通道A1:0.25KB/S;字節(jié)多路通道子通道A2:0.25KB/S;數(shù)組多路通道B1:500KB/s;數(shù)組多路通道B2:500KB/s;選擇通道C:500KB/s。     (2)主存流量應(yīng)達到4MB/S。 剖析:     (1)設(shè)備要求字節(jié)多路通道或其子通道的實際最大流量，是該通道所接各設(shè)備的字節(jié)傳送速率之和;     設(shè)備要求數(shù)組多路通道或選擇通道的實際最大流量，是該通道所接各設(shè)備的字節(jié)傳送速率中的最大者。     (2)I/O系

55、統(tǒng)中，各種通道和子通道可以并行工作，因此，I/O系統(tǒng)的最大流量應(yīng)等于各通道最大流量之和。第四章存儲體系1.設(shè)二級虛擬存儲器的TA1=10-7s、TA2=10-2s,為使存儲層次的訪問效率e達到最大值的80%以上，命中率H至少要求達到多少？實際上這樣高的命中率是很難達到的，那么從存儲層次上如何改進？ 解： e=TA1/TA=TA1/(H*TA1+(1-H)*TA2)80%，H(105-5/4)/(105-1)。     這樣的命中率很難達到。為了降低對H的要求，可以選擇高命中率的算法，可以減少相鄰兩級的訪問速度差和容量差(這樣做不利于降低存儲器的平均每位價

56、格)，可在主、輔存儲器間加一層電子磁盤，使存儲體系中相鄰兩級的訪問時間比不太大。 2、程序存放在模32單字交叉存儲器中，設(shè)訪存申請隊的轉(zhuǎn)移概率為25%,求每個存儲周期能訪問到的平均字數(shù)。當模數(shù)為16呢？由此你可得到什么結(jié)論？ 解：B= 1-(1-)m / 解：     由=0.25,m=32 求得：B=4-4*(3/4)32     同理，m=16時 ,B=4-4*(3/4)16     可得出，在=0.25時，m=32的平均訪問字數(shù)大于m=16時的平均訪問字數(shù)。 3、設(shè)主存

57、每個分體的存取周期為2s，寬度為4個字節(jié)。采用模m多分體交叉存取，但實際頻寬只能達到最大頻寬的0.6倍?，F(xiàn)要求主存實際頻寬為4MB/S,問主存模數(shù)m應(yīng)取多少方能使兩者速度基本適配？其中m取2的冪。 解：     m=4 剖析：     根據(jù)題意，模m多分體交叉的最大頻寬為：分體數(shù)*單體頻寬=m*分體的寬度/分體的存取周期=m*4B/2s，所以有0.6*m*4/2>=4。 4.某虛擬存儲器共8個頁面，每頁1024個字，實際主存為4096個字，采用頁表法進行地址映象。映象表的內(nèi)容如下表所示。 虛頁號0123456

58、7實頁號31232100裝入位11001010注：我把虛頁號加上了。 (1)列出會發(fā)生頁面失效的全部虛頁號； (2)按以下虛地址計算主存實地址：0，3728，1023，1024，2055，7800，4096，6800。 解:     (1)會發(fā)生頁面失效的全部虛頁號為：2,3,5,7。     (2) 虛地址虛頁號頁內(nèi)位移裝入位實頁號頁內(nèi)位移實地址0001303072327836560頁面失效頁面失效無102301023131023409510241011010242055270頁面失效頁面失效無780076320

59、頁面失效頁面失效無40964012020486800665610656656剖析：     (1)根據(jù)頁表法列出表2，當裝入位為0時，即為頁面失效，再找出相對應(yīng)的虛頁號即可。     (2)虛頁號=虛地址/頁面大小     頁內(nèi)位移量=虛地址虛頁號*頁面大小     實地址實頁號*頁面大小頁內(nèi)位移量 由于可以用替換算法解決頁面失效的問題，所以，發(fā)生頁面失效的虛頁2,3,5,7仍然可以有相應(yīng)的實地址，但這樣要在頁表中建立新的虛實地址對應(yīng)關(guān)

60、系，新的虛實地址對應(yīng)關(guān)系和原來的對應(yīng)關(guān)系相同的可能性就很小了。 5、一個段頁式虛擬存儲器。虛地址有2位段號、2位頁號、11位頁內(nèi)位移（按字編址），主存容量為32K字。每段可有訪問方式保護，其頁表和保護位如下表所示。 段號0123訪問方式只讀可讀/執(zhí)行可讀/寫/執(zhí)行可讀/寫虛頁0所在位置實頁9在輔存上頁表不在主存內(nèi)實頁14虛頁1所在位置實頁3實頁0頁表不在主存內(nèi)實頁1虛頁2所在位置在輔存上實頁15頁表不在主存內(nèi)實頁6虛頁3所在位置實頁12實頁8頁表不在主存內(nèi)在輔存上(1)此地址空間中共有多少個虛頁？ (2)當程序中遇到下列情況時 方式段頁頁內(nèi)位移取數(shù)取數(shù)取數(shù)存數(shù)存數(shù)存數(shù)轉(zhuǎn)移至此取數(shù)取數(shù)轉(zhuǎn)移至此0

61、13021102311311032001102047421410050560寫出由虛地址計算出實地址。說明哪個會發(fā)生段失效、頁面或保護失效失效。 解答: (1)該地址空間中共有16個虛頁。     (2)程序中遇到上表中各情況時，是否會發(fā)生段失效、頁失效或保護失效及相應(yīng)的主存實地址的情況如下表所示： 方式段頁頁內(nèi)位移段失效頁失效實頁號實地址保護失效取數(shù)取數(shù)取數(shù)存數(shù)存數(shù)存數(shù)轉(zhuǎn)移至此取數(shù)取數(shù)轉(zhuǎn)移至此013021102311311032001102047421410050560無無無無有無無無有無無無有無/有無有/無30無3無無8無無14614510無6184

62、無無16484無無28732無無/有/無/有剖析：     (1)虛地址中段號有2位，頁號有2位，也就是每個程序最多只能有22=4個段，每個段至多只能有22=4頁，所以該地址空間中共有4*4=16個虛頁。     (2)先從題意得知：     實地址：15位，其中實頁號4位，頁內(nèi)位移11位     頁大小為2K字（由頁內(nèi)位移得知） 6.設(shè)某程序包含5個虛頁，其頁地址為4，5，3，2，5，1，3，2，2，5，1，3。當使用LRU算法替換時

63、，為獲得最高命中率，至少應(yīng)分配給該程序幾個實頁？其可能的最高命中率為多少？ 7.采用頁式管理的虛擬存儲器，分時運行兩道程序。其中，程序X為 DO 50 I=1,3B(I)=A(I)-C(I)IF(B(I)·LE·0)GOTO 40D(I)=2*C(I)-A(I)IF(D(I)·EQ·0)GOTO 5040E(I)=050CONTINUEData: A=(-4,+2,0)C=(-3,0,+1)每個數(shù)組分別放在不同的頁面中;而程序Y在運行過程中，其數(shù)組將依次用到程序空間的第3,5,4,2,5,3,1,3,2,5,1,3,1,5,2頁。如果采用LRU算法，實存

64、卻只有8頁位置可供存放數(shù)組之用。試問為這兩首程序的數(shù)組分別分配多少個實頁最為合適？為什么？ 解答：     分別分配給程序X和Y的數(shù)組4個實頁最為合適。     根據(jù)題意，程序X依次調(diào)用數(shù)組A,C,B,B,E, A,C,B,B,C,A,D,D,E, A,C,B,B,E中的數(shù)據(jù)。 設(shè)程序X中的數(shù)組A,B,C,D,E分別存放于程序空間的第1,2,3,4,5頁，則程序的頁地址流為：1，3，2，2，5， 1，3，2，2，3，1，4，4，5， 1，3，2，2，5。     分析使用LRU算法對程序X的頁地址流進行堆棧處理的過程可知，分配給程序X的數(shù)組5個實頁最為合適;分析使用LRU算法對程序Y的頁地址流進行堆棧處理的過程可知，分配給程序Y的數(shù)組4個實頁最為合適。