自考：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)考前復(fù)習資料

1、第一章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念從處理數(shù)據(jù)的角度看，并行級別有位串字串，位并字串，位片串字并，全并行。位串字串和位并字串基本上構(gòu)成了。位片串字并的例子有：相聯(lián)處理機，。全并行的例子有：陣列處理機。從加工信息的角度看，并行級別有存儲器操作并行，處理器操作步驟并行，處理器操作并行，指令、任務(wù)、作業(yè)并行。存儲器操作并行是指可以在一個存儲周期內(nèi)并行讀出多個字的，采用單體多字、多體單字或多體多字的交叉訪問主存系統(tǒng)，進而采用按內(nèi)容訪問方式，位片串字并或全并行方式，在一個主存周期內(nèi)實現(xiàn)對存儲器中大量字的高速并行操作。例子有并行存儲器系統(tǒng)，以相聯(lián)存儲器為核心構(gòu)成的相聯(lián)處理機。處理器操作步驟并行是指在并行性概念中

2、引入時間因素，讓多個處理過程在時間上錯開，輪流重復(fù)地執(zhí)行使用同一套設(shè)備的各個部分，加快硬件周轉(zhuǎn)來贏得速度。例子有流水線處理機。處理器操作并行是指一個指令部件同時控制多個處理單元，實現(xiàn)一條指令對多個數(shù)據(jù)的操作。擅長對向量、數(shù)組進行處理。例子有陣列處理機。指令、任務(wù)、作業(yè)并行是指多個獨立的處理機分別執(zhí)行各自的指令、任務(wù)、作業(yè)。例子有多處理機，計算機網(wǎng)絡(luò)，分布處理系統(tǒng)。并行性的開發(fā)途徑有時間重疊()，資源重復(fù)()，資源共享()。時間重疊是指在并行性概念中引入時間因素，讓多個處理過程在時間上錯開，輪流重復(fù)地執(zhí)行使用同一套設(shè)備的各個部分，加快硬件周轉(zhuǎn)來贏得速度。例子有流水線處理機。資源重復(fù)是指一個指令部

3、件同時控制多個處理單元，實現(xiàn)一條指令對多個數(shù)據(jù)的操作。例子有陣列處理機，相聯(lián)處理機。資源共享是指用軟件方法讓多個用戶按一定時間順序輪流使用同一套資源以提高資源的利用率，從而提高系統(tǒng)性能。例子有多處理機，計算機網(wǎng)絡(luò)，分布處理系統(tǒng)。:一個指令部件控制一個操作部件，實現(xiàn)一條指令對一個數(shù)據(jù)的操作。例子有傳統(tǒng)的單處理機:一個指令部件同時控制多個處理單元，實現(xiàn)一條指令對多個數(shù)據(jù)的操作。例子有陣列處理機，相聯(lián)處理機。:多個獨立的處理機分別執(zhí)行各自的指令、任務(wù)、作業(yè)，實現(xiàn)指令、任務(wù)、作業(yè)并行的多機系統(tǒng)，是多個的集合，也稱多倍系統(tǒng)()。例子有多處理機，計算機網(wǎng)絡(luò)，分布處理系統(tǒng)。1.有一臺經(jīng)解釋實現(xiàn)的計算機，可以

4、按功能劃分成4級，每一級為了執(zhí)行一條指令，需要下一級的N條指令來解釋。如果執(zhí)行第1級的一條指令要時間，那么執(zhí)行第2、第3和第4級的一條指令各需要用多少時間？解答：執(zhí)行第2、第3和第4級的一條指令各需要、八2、八3的時間。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1級的一條指令，而有一段第1級的程序需要運行，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：()*。第3級上等效程序需運行：()*()*。第4級上等效程序需運行：(

5、)*()*()*。:由題意可知：第i級的一條指令能完成第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1級的一條指令，那么，我們就可以用來表示表示第1級需()條指令來完成第i級的計算量。所以，當有一段第1級的程序需要運行時，在第2級就需要()，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、硬盤、內(nèi)存技術(shù)的不

6、斷發(fā)展，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370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

7、現(xiàn)。如主存器件可用雙極型的，也可用型的；可用單片，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)*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，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

8、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)、

9、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。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？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??；浮點數(shù)據(jù)表示；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；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；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??；數(shù)據(jù)總線寬度；陣列運算部件；通道

10、是采用結(jié)合型還是獨立型；11系列的單總線結(jié)構(gòu)串行、重疊還是流水控制方式；存儲KB器。不透明的有：浮點數(shù)據(jù)表示；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；存儲器；程

11、序狀態(tài)字；“啟動”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；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；存儲器；指令緩沖寄存器；虛擬存儲器；程序狀態(tài)字；“啟動”指令。:系列機各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度、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(yīng)用程序員都是透明的。虛擬存貯器、程序狀態(tài)字、“啟動”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？新增加字符數(shù)據(jù)類

12、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）在和主存之間增設(shè)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“法，改為用存取下溢處理結(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11那種設(shè)尋址方式位字段指明。（6）將與主存間的數(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

13、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。.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、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。答：除了分布處理，和機群系統(tǒng)外，并行

14、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。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)

15、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性能目標是1計算能力,1主存容量和1的帶寬第二章數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)1. 尾數(shù)的進制數(shù)位m和尾數(shù)的二進制數(shù)位m的關(guān)系存在m2()這種關(guān)系是因為，在機器中，一個進制的數(shù)位是用2()個機器數(shù)位來表示的。假設(shè)8，尾數(shù)為20,則m=2,八進制數(shù)20轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)為10000，其二進制數(shù)位，即機器數(shù)位5。2=52(8)。:這里的等號并不表示純粹數(shù)學意義上的“

16、等于”。2. 可表示的尾數(shù)個數(shù)公式Am(1)。對于進制的數(shù)來說，每個數(shù)位均可以有0到1，即個碼。m個進制數(shù)位共有Am種編碼。但課本中討論的是規(guī)格化數(shù)，即尾數(shù)的小數(shù)點后第一個數(shù)位不為零的數(shù)，所以，應(yīng)該去掉小數(shù)點后第一個數(shù)位是0的那些非規(guī)格化的數(shù)。顯然，非規(guī)格化數(shù)的個數(shù)占了全部尾數(shù)編碼總數(shù)的1的比例，所以可表示的浮點數(shù)規(guī)格化的尾數(shù)個數(shù)應(yīng)該是：Am(1-1)。1 .某模型時機共有7種指令，各指令使用頻率分別為0.35，0.25，0.20，0.10，0.05，0.03，0.02，有8個通用數(shù)據(jù)寄存器和2個變址寄存器。(1)要求操作碼的平均長最短，請設(shè)計操作碼的編碼，并計算所設(shè)計操作碼的平均長。(4分)

17、(2)設(shè)計8位長度的寄存器寄存器型指令3種，16位長度的寄存器存儲器變址尋址方式指令4條，變址范圍不小于正、負127。請寫出指令格式，并給出各字段的長度和操作碼編碼。(6分)解答：(1)全編碼的平均碼長是可用的二進制位編碼中平均碼長最短的編碼。全編碼的平均碼長=2*(0.35+0.25+0.20)+3*0.10+4*0.05+5*(0.02+0.03)=2.35(2)由于有8個通用數(shù)據(jù)寄存器和2個變址寄存器，所以通用寄存器用3位表示，變址寄存器用1位表示,8位的寄存器-寄存器型指令，3個操作碼編碼為00、01、10，16位的寄存器-存儲器變址尋址方式指令，4個操作碼編碼為1100、1101、1

18、110、1111，2 位3位3位R1R2操作碼寄存器1寄存器24位3位1位8位R1Xd操作碼寄存器1變址寄存器相對位移主存邏輯地址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。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，

19、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

20、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(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

21、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；(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

22、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：6482,8,16，m2()，列下表：6482(m=48)6488(m=16)64816(m=12)最小階(非負階，最小為0)000最大階(2A1)2A6-12A6-12A6-1最小尾數(shù)值(A(-1)1/21/81/16最大尾數(shù)值(1A()1-2A(-48)1-8A(-16)，即(1-2A(-48)1-16八(-12)，即卩(1-2A(-48)口表示的最小值1/21/81/16口表示的最大值2八63*(1-2八(-48)8八63*(1-8八(-16)16八63*(1-16八(-12)階的個數(shù)(2Ap)2八62八62八6口表示的尾數(shù)的

23、個數(shù)2八48*(2-1)/28八16*(8-1)/816八12*(16-1)/16口表示的規(guī)格化數(shù)的個數(shù)2八6*2八48*(2-1)/22八6*8八16*(8-1)/82八6*16八12*(16-1)/16:可表示的最小值A(chǔ)(最小階)*最小尾數(shù)值A(chǔ)0*A(-1)A(-1);可表示的最大值a(最大階)*最大尾數(shù)值A(chǔ)(2A1)*(1A();可表示的尾數(shù)的個數(shù)Am*(1);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)=2八卩*八口*(1)。5.(1)浮點數(shù)系統(tǒng)使用的階基2,階值位數(shù)2,尾數(shù)基值10,以為基的尾數(shù)位數(shù)m=1,按照使用的倍數(shù)來說，等價于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

24、、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224=2,重復(fù)以上計算。解：依題意列下表：210=124=2最小尾數(shù)值10A-1=0.14A-仁0.25最大尾數(shù)值1-10A-1=0.91-4A-2=15/16最大階值2pA-仁33可表示的最小值0.10.25口表示的最大值10八3*0.9=9004八3*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4,”這個4,因為2A3102A4,等價為實際要4個二進制位，表示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)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表，列出編碼表

25、地址與內(nèi)容的對應(yīng)關(guān)系。解：編碼表地址與內(nèi)容的對應(yīng)關(guān)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(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(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

26、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、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。T指令字長12位，每個地址碼占3位；二三地址指令最多是2八(12

27、-3-3-3)=8條，現(xiàn)三地址指令需4條，二可有4條編碼作為擴展碼，二單地址指令最多為4X2八3X2八3=2八8=256條，現(xiàn)要求單地址指令255條，.可有一條編碼作擴展碼二零地址指令最多為1X2八3=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。依據(jù)中推導(dǎo),零地址指令為單地址指令中可用2X2A3=16條，2條編碼作為擴展碼滿足題目要求三地址指令格式：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3地

28、址指令的4條，有4*2八6=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*2八3=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)*2八3=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)X2A6.雙地址指令最多是2八(16-6-6)=2八4=16條，現(xiàn)雙地址指令有X條，二可有(16)條編碼作為擴展碼，二單地址指令最多為(16)X2A6=2條611. 何謂指令格

29、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(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：(加)30%(減)24%(按負轉(zhuǎn)移)6%(存)7%(轉(zhuǎn)移)7%(右移)2%(循環(huán))3%(清加)20%(停機)1%要求有兩種指令

30、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)地址尋址的最大相對位移量為多少個字節(jié)？解：第(1)和(2)中和擴展操作碼的編碼及平均碼長

31、如下表：指令使用頻度編碼擴展操作碼編碼I130%1000I224%0001I320%0110I47%110011000157%110111001166%111011010173%1111011011182%11111011100I91%11111111101西個馬2.612.78(3)8個(4)兩種指令格式如下圖所示：2位3位3位R1R2操作碼寄存器1寄存器25位3位3位5位R1Xd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

32、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。(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

33、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。(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. 簡要比較機器和機器各自的結(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)是和的結(jié)合?答：結(jié)構(gòu)特點：機器指令系統(tǒng)龐大復(fù)雜。結(jié)構(gòu)特點：機器指令系

34、統(tǒng)簡單，規(guī)模小，復(fù)雜度低。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(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。的問題；(1) 由于指令少，在原上一條指令完成的功能現(xiàn)在需多條指令才能完成，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。(2) 對浮點運算和虛擬存儲支持不很強。(3) 編譯程序比難寫。由于和各有優(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)中斷嵌套的原則：在處理某級中斷請求時，只能比它的

35、中斷處理級別高的中斷請求才能中斷其處理，等呼應(yīng)和處理完后再繼續(xù)處理原先的那個中斷請求。為了領(lǐng)會中斷響應(yīng)排隊器對中斷響應(yīng)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(wù)程序現(xiàn)行程序狀態(tài)字中的中斷級屏蔽位設(shè)置不同的狀態(tài)，可以改變中斷處理（完）的次序這兩個要點，下圖給出了一個中斷響應(yīng)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(nèi)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(guān)鍵性硬件的狀態(tài)，組合在一起所構(gòu)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

36、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(nèi)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(nèi)容即可快速完成。例如，在370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(yīng)排隊器總是在每條指令執(zhí)行到最

37、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(yīng)排隊器入口的所有中斷請求排一次隊，擇優(yōu)進行響應(yīng)。在中斷響應(yīng)排隊器相應(yīng)的輸出端產(chǎn)生出響應(yīng)信號。此信號經(jīng)中斷級服務(wù)程序入口地址形成硬件，生成出該級中斷服務(wù)程序的程序狀態(tài)字在內(nèi)存區(qū)中所存放的地址。同時，經(jīng)中斷響應(yīng)控制信號啟動，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(nèi)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(wù)程序，在運行結(jié)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，

38、恢復(fù)運行。1. 如何設(shè)置中斷級屏蔽位寄存器中的中斷屏蔽碼？設(shè)中斷級屏蔽位“1”對應(yīng)于開放，“0”對應(yīng)于屏蔽。第i級中斷處理程序級別的各級中斷級屏蔽位中應(yīng)有1位設(shè)為“1”舉例來說，第1級中斷處理程序級別的各級中斷級屏蔽位均應(yīng)設(shè)為“0”。響應(yīng)級別為n的中斷處理程序的n級中斷級屏蔽位應(yīng)設(shè)為“0”。設(shè)第i2級中斷處理程序級別的中斷處理級別高于第i1級中斷處理程序級別，根據(jù)中斷嵌套的原則，第i1級中斷處理程序級別的第i2級中斷級屏蔽位應(yīng)設(shè)為“1”,從而實現(xiàn)對第i2級中斷處理程序級別的開放。2. 對3.3.1中中斷級屏蔽位舉例1的解釋*1，2，3，4中斷同時出現(xiàn)，進行排隊器；*按中斷響應(yīng)優(yōu)先級，1最高，響

39、應(yīng)；*1的屏蔽字為0000，所以1中斷執(zhí)行到結(jié)束，回用戶程序；*剩下的2優(yōu)先級高，2響應(yīng)，但其屏蔽字為1011,允許響應(yīng)1、3、4,3的響應(yīng)優(yōu)先級高，所以；*2被中斷，3響應(yīng)，但其屏蔽字為1001，允許響應(yīng)1、4，所以；*4響應(yīng)，執(zhí)行到結(jié)束，回3；*3執(zhí)行到結(jié)束，回2；*2執(zhí)行到結(jié)束，回用戶程序。3. 怎樣題目中沒有說明的通道屬于哪一類型？有的題目中沒有說明談及的通道的類型，這種情況下，一般是指字節(jié)多路通道。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。2. 設(shè)中斷級屏蔽位“1”對應(yīng)于開放,斷級屏蔽位設(shè)置如下：中斷處理程中斷級屏蔽

40、位序級別1級2級3級|4級0”對應(yīng)于屏蔽，各級中斷處理程序的中控制方式優(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。(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。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?？刂凭€數(shù)多

41、，需要22N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21根控制線。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1-2-3-4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：(1) 當中斷響應(yīng)優(yōu)先次序為

42、1-2-3-4時，其中斷處理次序為1-3-4-2通道極限流量應(yīng)大于或等于設(shè)備對通道要求的流量。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，為了不丟失信息，應(yīng)滿足：1/()*也就是設(shè)備發(fā)出字節(jié)傳送請求間隔時間(500us)的倒數(shù)，所以：m80%,H(10A55/4)/(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(jié)論？解：1-(1-入)Am/入解：由入=0.2532求得：4-4*(3/4)八32同理，16時4-4*(3/4)八16可得出，在入=0.25時，32的平均訪問字數(shù)大于16時的平均訪問字數(shù)。3、設(shè)主存每個分體的存取周期為