計算機系統(tǒng)結構(課后習題答案)

1、養(yǎng)品獻第一章計算機系統(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級白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級的一條指令能完成第i-1級白M條指令的計算量。而現(xiàn)在第i級有N條指令

2、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、內存技術的不斷發(fā)展，UCDOSffi漢字系統(tǒng)的所有組

3、成部份 做成一個軟件。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進行，在高檔機上采用重 疊、流水或其它并行處理方式。MOS型的；可用(2)相同的組成可有多種不同

4、的實現(xiàn)。如主存器件可用雙極型的，也可用養(yǎng)品獻0#-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)

5、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

6、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交叉存取；浮點數(shù)據表示；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；存儲器最小編址單位； Cache存儲器。答：透明指的是客觀存在的

7、事物或屬性從某個角度看不到。透明的有：存儲器的模 m交叉存取；數(shù)據總線寬度；陣列運算部件；通道是采用結合型還是獨立型；PDP-11系列的單總線結構用行、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;養(yǎng)品獻訪問方式保護；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；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

8、寄存器。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)據通路寬度；Cache存儲器；指令緩沖寄存器；對應用程序員透明的有：系列機各檔不同的數(shù)據通路寬度；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)據通路寬度、Cache存貯器、指令緩沖寄存器屬于計算機組成，對系統(tǒng)和程序員和應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

9、不透明的，而對應用程序員卻是透明的。執(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？新增加字符數(shù)據類型和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包置“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

10、碼指令改為有3類不同碼長的擴展操養(yǎng)品獻作碼；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)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：1,3,4,6,7。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)據表示及概念性結構。既要考慮 滿足應用的各種需要和發(fā)

11、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

12、連模式和互連網絡設計，數(shù)據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，進程間的同上步和通訊，多處理機調度等問題。數(shù)據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)據的相關性制約。數(shù)據是以表 示某一操作數(shù)或參數(shù)已準備就緒的數(shù)據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

13、的I/O 帶寬養(yǎng)品獻第二章數(shù)據表示與指令系統(tǒng)1 .數(shù)據結構和機器的數(shù)據表示之間是什么關系？確定和引入數(shù)據表示的基本原則是什么？答：數(shù)據表示是能由硬件直接識別和引用的數(shù)據類型。數(shù)據結構反映各種數(shù)據元素或信息單元之 間的結構關系。數(shù)據結構要通過軟件映象變換成機器所具有的各種數(shù)據表示實現(xiàn)，所以數(shù)據表示是數(shù)據結構的組成元素。不同的數(shù)據表示可為數(shù)據結構的實現(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)據表示和數(shù)據結構是軟件、硬件的交界面。除基本數(shù)據表示不可少外，高級數(shù)據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)據表示后，其通用性和利用率是否高

14、。2 .標志符數(shù)據表示與描述符數(shù)據表示有何區(qū)別？描述符數(shù)據表示與向量數(shù)據表示對向量數(shù)據結構 所提供的支持有什么不同？答：標志符數(shù)據表示與描述符數(shù)據表示的差別是標志符與每個數(shù)據相連，合存于同一存儲單元， 描述單個數(shù)據的類型特性；描述符是與數(shù)據分開存放，用于描述向量、數(shù)組等成塊數(shù)據的特征。描述符數(shù)據表示為向量、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)據元素的地址。但描述符數(shù)據表示并不支持向量、數(shù)組數(shù)據結構的 高效實現(xiàn)。而在有向量、數(shù)組數(shù)據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

15、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 作提供了支持？答： 通用寄存器型機器對堆棧數(shù)據結構實現(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。而堆棧型機器則不同，表現(xiàn)在：（1）有高速寄存器

16、組成的硬件堆棧，并與主存中堆棧區(qū)在邏輯-青品田0川上組成整體，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)結構有力地支持子程序的嵌套和遞歸調用。在程序調用時將返回地址、條件碼、 關鍵寄存器的內容等全部壓入堆棧，待子程序返回時，再從堆棧中彈出。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)

17、格化數(shù)的總個數(shù)。解：依題意知：p=6 m=48 rm=2, 8,16, 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(2Ap-1)2 A6-12 A6-12 A6-1最小尾數(shù)值(rmA(-1)1/21/81/16最大尾數(shù)值(l-rmA(-m')1-2A(-48)1-8A(-16),即 (1-2A(-48)1-16A(-12),即(1-2A(-48)口表小的最小值1/21/81/16口表小的最大值2A63

18、*(12(-48)8A63*(1-8A(-16)16A63*(1-16A(-12)階的個數(shù)(2Ap)2A62A62A6可表小的尾數(shù)的個數(shù)2 A48*(2-1)/28A16*(8-1)/816A12*(16-1)/16口表小的規(guī)格化數(shù)的個數(shù)2 A6*2A48*(2-1)/22 A6*8A16*(8-1)/82A6*16A12*(16-1)/16note:可表示的最小值=rmA(最小階)*最小尾數(shù)值=rmA0*rmA(-1)=rmA(-1);可表示的最大值=rmA(最大階)*最大尾數(shù)值=rmA(2Ap-1)*(1-rmA(-m')；可表示的尾數(shù)的個數(shù)=rmAm'*(rm-1)/rm

19、;可表示的規(guī)格化數(shù)的個數(shù) 二階的個數(shù)*尾數(shù)的個數(shù)=2Ap*rmAm'*(rm-1)/rm5 . (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,重復以上計算。解依題意列下表：p=2,rm=10,m'=1p=2,rm=4,m'=2最小尾數(shù)值10A-1=0.14A-1=0.25最大尾數(shù)值1-10A-1=

20、0.91-4A-2=15/16最大階值2pA-1=33口表小的最小值0.10.25口表小的最大值10A3*0.9=9004A3*15/16=60可表不嗷的個數(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2A3<10<2A4,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 ROM查表舍入法，下溢處理成3位結果，設計使下溢 處理平均誤差接近于零的 ROM表，列出ROM編碼表地址與內容的對應關系。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)據塊運算的支持，

21、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。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 養(yǎng)品獻個地址中的任意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，塊內地址放在地址位 中，寄存器內容和地址位結合，就能達到要求了。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

22、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 碼的平土§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2A(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 4X2A3X2A3=

23、2A8=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 X 2A3 = 8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。二.依據中推導，單地址指令中可用2條編碼作為擴展碼一零地址指令為2X2A3=16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養(yǎng)品獻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 3地址指令的4條，有4*2A6=256 條，但由于旌目要求要有

24、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*2A3=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 ) *2A3=16 條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：單地址指令最多為(16-X) X2A6P.S.雙地址指令最多是2A(16-6-6)=2A4=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) X 2A6=256 條11 .何謂指令格式的優(yōu)化？簡要列

25、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)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；養(yǎng)品獻0#- -在維持指令字在存儲器內按整數(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（按負轉移）6%STO存）7% JMP（轉移）7% SHR（右移）2%

26、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土力0（1）僅根據使用頻率，不考慮其它要求，設計出全 Huffman操作碼，計算其平均碼長；（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)

27、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PiHuffman 編碼擴展操作碼編碼I130%1000I224%0001I320%0110I47%110011000I57%110111001I66%111011010I73%1111011011I82%11111011100I91%11111111101西個馬pili2.612.78養(yǎng)品獻(3)8 個。(4) 兩種指令格式如下圖所示：2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

28、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 一股原則設計，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

29、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，并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

30、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。RISC的問題；(1) 由于指令少，在原CISC上一條指令完成的功

31、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。幫品田0川.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。同時分析硬件產生 故障時通訊的可靠性?？刂品绞絻?yōu)點缺點用行鏈接(1)選擇算法簡單?？刂凭€數(shù)少，只需要3根， 且不取決于部件數(shù)量。(3)可土充性好。(1)對“總線可用”線及具有美電路失效敏感。(2)靈活性差，如果高優(yōu)先級的部件頻

32、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。(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。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，不會因杲個部件 失效而影響具它部件使用總線?？偩€的分配速度不能很高。(2)控制較為復雜?？刂凭€數(shù)多，需要2+log2N根。(4)可土充性差。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)控制較為復雜。(2)控制線數(shù)多，要控制N個設備，需要有2N+1根 控制線。2.設中斷級屏蔽位“1以寸應于開

33、放，“0”對應于屏蔽，各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位設置如下: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-我品田0川(1) 當中斷響應優(yōu)先次序為1 一2一3一時，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： (1)當中斷響應優(yōu)先次序為1 一2一3一時，其中斷處理次序為1 3一4一2(3)中斷處理程序1 4 S-中斷處理程序為的伊仔3.

34、若機器共有5級中斷，中斷響應優(yōu)先次序為1一2一3一4一跳要求其實際的中斷處理次求序 1 一 4一 5一 28(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)；(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。(1)中斷級屏蔽位設置如下圖:級級級級級第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。首先響應第2級中斷請求，屏蔽字為01100,表明其對第4級中斷請

35、求開放，所以轉去響應第4級中斷請求并進行處理。響應4,中斷4運行結束，回2。1、3、5進入排隊器。第2級中斷請求的處理請求被中斷，轉去響應第1級中斷請求并進行處理。響應第5級中斷請求并進行處理。繼續(xù)響應并處理第2級中斷處理請求，結束后返回用戶程序。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備。這些設備傳送一個字符 （字節(jié)） 的時間很短，但字符（字節(jié)）問的等待時間很長。通道 數(shù)據寬度”為單字節(jié)，以字節(jié)交叉方式輪流為 多臺設備服務，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

36、于連接多臺象磁盤等高速設備。這些設備的傳送速率很高，但傳送開始前的 尋址輔助操作時間很長。通道 數(shù)據寬度”為定長塊，多臺設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備的輔助操作時間。傳送完通道可有多個子通道，同時執(zhí)行多個通道程序。K個字節(jié)數(shù)據，就重新選擇下個設備。數(shù)組多路- 青品 獻0rd選擇通道適合于連接象磁盤等優(yōu)先級高的高速設備，讓它獨占通道，只能執(zhí)行一道通道程序。通道 數(shù)據寬度”為可變長塊，一次將N個字節(jié)全部傳送完，在數(shù)據傳送期只選擇一次設備。5 .如果通道在數(shù)據傳送期中，選擇設備需 9.8 m ,傳送一個字節(jié)數(shù)據需0.2仙s。某低速設備每隔500八 發(fā)出一個字節(jié)數(shù)據傳送請求

37、，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A-F設備每發(fā)出一個字節(jié)數(shù)據傳送請求的時間間隔分別為(單位為小s)：表3-5設備ABCDEF發(fā)申請間隔(2)0.20.250.50.190.40.21答：(1) 至多可連接50臺低速的外設剖析：根據題意可知：低速設備應掛接在字節(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通道極限流量應大于或等于設備對通道要求的流量fbyte 。如果字節(jié)多路通道上所掛設備臺數(shù)為 m,設備的速率為fi ,為了不丟失信

38、息，應滿足:1/(TS+TD)>=m*fifi也就是設備發(fā)出字節(jié)傳送請求間隔時間(500 ps)的倒數(shù)，所以：m<=1/(TS+TD)*f)=500/(9.8+0.2)=50(臺)(2) 設備B,C,E,F 可以掛在此通道上，設備 A,D則不能。剖析：思路一：從傳送字節(jié)速率上入手。約)AF 是高速設備，應掛接在選擇通道上，選擇通道的極限流量為：fmax.select=N/(TS+N*TD)=1/(TS/N)+TD)=1/(9.8/1024)+0.2)=1/0.21(通道上所掛設備的最大速率也max 應小于或等于通道的極限流量。由表3-5可得出設備ABCDEF傳送速率(B/ 仙 s)

39、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)時間上入手對于高速設備，由于一次傳送字節(jié)數(shù)不少于1024byte該通道一次傳送數(shù)據的時間為9.8 ps+1024x 0.2心=214.6 s設備123456傳送速率(KB/s)5015100254020(1)計算所有設備都工作時的通道實際最大流量:(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)據傳送期內響應和處理各外設請求的時間示意圖。由

40、此你發(fā)現(xiàn)了什么問題？(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？= 250KB/S解： 實際最大流量=50+15+l00+25+40+20(2) 通道響應和處理各設備請求的時間示意圖I :;1050T表示設備提出申請的時射表示通道處匡光?？蜕暝懙臅r剌10015C2二04同由此發(fā)現(xiàn)由于高速設備的響應優(yōu)先級高，使低速設備 2造成數(shù)據丟失(3)在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。剖析：(2)由各設

41、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：設備123456發(fā)申請間隔(2)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)據傳送速率如表所示。(1)分別求出各通道應具有多大設計流量才不會丟失信息；(2)設I/O系統(tǒng)流量占主存流量的1/2時才算流量平衡，則主存流量應達到多少 ？通道號所接設備的數(shù)據傳送速率(KB/s)50 35 20 20 50 35 20 20字節(jié)多路通道子通道A1子通道A250 35 20 20 50 35 20 20數(shù)組多路通道B1

42、500 400 350 250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)主存流量應達到4MB/S。剖析：(1)設備要求字節(jié)多路通道或其子通道的實際最大流量,是該通道所接各設備的字節(jié)傳送速率之和；設備要求數(shù)組多路通道或選擇通道的實際最大流量，是該通道所接各設備的字節(jié)傳送速率中的最大者。(2)1/0系統(tǒng)中，各種

43、通道和子通道可以并行工作，因此，I/O系統(tǒng)的最大流量應等于各通道最大流量之和。養(yǎng)品獻第四章存儲體系1.設二級虛擬存儲器的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> (10A5 -5/4)/(10A5-1)。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格)，可在主、輔存儲

44、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，設訪存申請隊的轉移概率入為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論？解：B= 1-(1-入)Am /入解： 由入=0.25,m=32 求得：B=4-4*(3/4)A32同理，m=16 時,B=4-4*(3/4)A16可得出，在 入=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、設主存每個分體的存取周期為 2(i s,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。現(xiàn)要求主存實際頻寬為4MB/S,問主存模

45、數(shù)m應取多少方能使兩者速 度基本適配？其中m取2的幕。解：m=4剖析：根據題意，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/2ps ,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。映象表的內容如下表所示虛頁號01234567實頁號31232100- 青品 獻0rd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

46、, 6800解：(1) 會發(fā)生頁面失效的全部虛頁號為：2,3,5,7。虛地址虛頁號頁內位移裝入位實頁號頁內位移實地址0001303072327836560貞向失效貞向失效無102301023131023409510241011010242055270貞向失效貞向失效無780076320貞向失效貞向失效無40964012020486800665610656656剖析：(1)根據頁表法列出表2,當裝入位為0時，即為頁面失效，再找出相對應的虛頁號即可(2)虛頁號=虛地址/頁面大小頁內位移量=虛地址-虛頁號*頁面大小實地址=實頁號*頁面大小十頁內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

47、面失效的虛頁2,3,5,7仍然可以有相應的實地址，但這樣要在頁表中建立新的虛實地址對應關系，新的虛實地址對應關系和原來的對 應關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位頁內位移(按字編址)，主存容量為32K字。每段可有訪問方式保護，具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實頁14虛頁1所在位置實頁3實頁0頁表不在主存內實頁1虛頁2所在位置在輔存上實頁15頁表不在主存內實頁6虛頁3所在位置實頁12實頁8頁表不在主存內在軸存上(1)此地址空間中共有多少個虛頁?(2)當程序

48、中遇到下列情況時方式段頁頁內位移取數(shù)011取數(shù)1110取數(shù)332047存數(shù)014存數(shù)212存數(shù)1014轉移至此13100取數(shù)0250取數(shù)205轉移至此3060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、蟲失效或保護失效及相應的主存實地址的情況如下表所示：方式段頁頁內位移段失效頁失效實頁號實地址保護失效取數(shù)011無無36145無取數(shù)1110無無010無取數(shù)332047無有無無/存數(shù)014無無36184有存數(shù)存數(shù)轉移至此取數(shù)取數(shù)轉移至此21102310320021410050560有 無

49、 無 無 有 無/有無 有 /無無 無8無 無14無無16484無無28732/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 2A2=4個段，每個段至多只能有2A2=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，頁內位移11位頁大小為2K字（由頁內位移得知）6.設某程序包含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，為獲得最高命中率，至少應分配給該程序幾個實頁？其可能的最高命中率為多少?頁地址流使用LRU算法對頁地址流進行堆棧處理7.采用

50、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 5040 E(I)=050 CONTINUEData: 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)

51、組4個實頁最為合適。A,C,B,B,E 中的數(shù)根據題意，程序X依次調用數(shù)組A,C,B,B,E, A,C,B,B,C,A,D,D,E,養(yǎng)品獻0#-據。設程序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。但實存只有8頁位置可供存放數(shù)組之

52、用，所以，分別分配給程序X和Y的數(shù)組4個實頁。note:分時運行在微觀上是串行的，就是說，分時運行時把時間劃分為若干時間片，每個程序輪流占用時間片；在宏觀上是并行的，就是說，每個程序在一個時間片內并不能運行完?？偟膩砜矗峭?時運行的,所以兩個程序分配的實頁和不能大于8。我不了解FORTRAN找朋友把上面的源代碼轉成 C 了：main()int A=-4,2,0;int C=-3,0,1;for (i=0,i<>0)Ei=0; 8 .設一個按位編址的虛擬存儲器，它應可對應1K個任務，但在一段較長時間內，一般只有4個任務在使用，故用容量為4行的相聯(lián)寄存器組硬件來縮短被變換的虛地址中的

53、用戶位位數(shù)；每個任務 的程序空間最大可達4096頁，每頁為512個字節(jié)，實主存容量為2人20位；設快表用按地址訪 問存儲器構成，行數(shù)為32,快表的地址是經散列形成；為減少散列沖突，配有兩套獨立相等比較電養(yǎng)品獻路。請設計該地址變換機構，內容包括：(1)畫出其虛、實地址經快表變換之邏輯結構示意圖；(2)相聯(lián)寄存器組中每個寄存器的相聯(lián)比較位數(shù)；(3)相聯(lián)寄存器組中每個寄存器的總位數(shù)；(4)散列變換硬件的輸入位數(shù)和輸出位數(shù)；(5)每個相等比較器的位數(shù)；(6)快表的總容量(以位為單位)。解：(1) 依題意得知：虛地址為34位，其中用戶號為10位(對應1K的任務)、虛頁號12位(每個任務4096頁)、頁內位移12位(每頁512字節(jié)，512