计算机系统结构(习题补充例题与练习).

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1、1 习题1 v存在的问题 大多数同学较认真，少数不太认真、有抄袭现象 关于参考答案，要知其然，更要知其所以然 v第5、7两题 理解透明性的含义 掌握计算机系统结构、组成、实现研究的范围，P4、5 凡编写机器语言和汇编语言程序要用到的（数据表示、指 令系统、寄存器）对计算机系统结构都是不透明的 凡是只影响系统速度和价格的逻辑实现（计算机组成）和 物理实现（计算机实现）对系统结构都是透明的 2 习题1 v第5题：哪些对计算机系统结构是透明的 存储器的模m交叉存取：目的加快存储器速度，透明 浮点数据表示：硬件可直接识别的数据类型，不透明 I/O是通道方式还是处理机方式：I/O方式选择属于系统结构，不

2、透明 阵列运算部件（多个相同运算部件阵列排列）：加快运算速度，透明 数据总线宽度：只影响数据传输速度，不影响功能，透明 通道类型（结合、独立，P6）：功能相同、速度不同，透明 访问方式保护：属于系统结构，不透明 程序性中断：属于系统结构，不透明 控制方式（串行、流水等）：仅影响速度，透明 堆栈指令：指令系统属于系统结构，不透明 存储器最小编址单位：属于系统结构，不透明 Cache存储器：为了提高存储系统速度，组原课中细讲的，透明 3 习题1 v第7题：从机器（汇编）语言看哪些是透明的 指令地址寄存器：指的是程序计数器PC，80X86中为IP，相对转移指 令中用到，不透明 指令缓冲器：缓冲和排队

3、技术属于计算机组成P5，透明 时标发生器：产生系统时钟，汇编语言不能控制的具体硬件，透明 条件码寄存器：存放转移条件，也叫程序状态字PSW，是条件转移指 令的测试条件，不透明 乘法器、移位器：汇编语言不能控制的具体硬件，透明 主存地址寄存器：也称存储器地址寄存器MAR，透明 磁盘外设：I/O指令可直接对其操作（通过端口号），不透明 先行进位链：提高加法器运算速度的，组原和数字逻辑中学到，汇编 语言不能控制的具体硬件，透明 通用寄存器、中断字寄存器（中断响应、优先级、屏蔽等）：程序中 要用到，不透明 4 习题1 v第8题 掌握三个公式 第12题 优化之后各类指令所占比例，ALU指令的减少也导致总

4、指 令数减少 优化后算术运算指令所占比例 从MIPS之比得出的结论： 减少ALU指令的比例会使速度变慢 减少使用频率高的指令会使速度变慢 减少速度快的指令的比例会使速度变慢 5 习题2 vOP编码优化的目标 l平均长度短（冗余小） l编码规整（长度种类少） v最短平均长度（信息源熵）： l v信息冗余量 l（实际长度-H）/实际长度 vHuffman编码 l平均长度最短的方案 l编码不唯一，但长度确定 l每次选择两个最小值节点 l l非叶子结点值相加 6 习题2 v扩展编码 l等长、不等长 lX-Y-Z、X/Y/Z l短编码不能是长编码的前缀 l一定要用短编码表示频率高的指令 v变址位移量 l

5、补码表示（-2n-12n-1-1） v指令类型 lR-R：速度快，给频率高的指令使用 lM-M 7 习题2 v第3题（10条指令） 第2问：要求OP平均长度最短，则一定是Huffman编码（画Huffman树 时要注意，确保每次选两个概率最小的），2.7 第3问： OP平均长度最短的扩展编码（不一定是等长扩展），究竟哪 种最短，要一个一个去试，本题可以试一下2-5、2-4、3-4，结果2-5最 短，2.9 第4问： OP平均长度最短的等长扩展编码，只需考虑2-4（1-2不可能、 3-6太长），2.92 v第5题（三地址12条，单地址254条，总长16位，每个地址4位） 4-8-12等长扩展，1

6、2/X/254 若不考虑单地址指令，则二地址最多416=64条 考虑单地址指令，每预留一个二地址指令码点，则可以扩展16条单地址 指令，要使单地址指令达到254条，则应预留254/16=15.9个二地址指令 码点 因此，二地址最多可以设计64-16=48条 8 习题2 v第6题（9条指令，8位（R-R）、16位（R-M）两种 指令字长） 第1问：OP平均长度最短的扩展编码，与第3题类似，2-4 、2-5比较后可知，2-5平均长度最短，2.9 第2问：为提高速度，应将使用频率高的指令安排成R-R型 ，为减少存储容量，应将使用频率高的指令安排成短OP（ 2位），因此R编码占3位，可以表示8个通用寄

7、存器 第3、4问：通用寄存器做变址寄存器，则变址位移量只能 是5位（16位-5位OP-3位R-3位X），偏移范围-1615（补 码） 9 补充习题 v1、若某机要求有：3地址指令4条，单地址指令255条，0地址 指令16条。设指令字长为12位，每个地址码为3位。问能否用扩 展操作码为其编码？单地址指令为254条呢？请说明理由。 3-9-12不等长扩展， 4/255/16； 4/254/16 若不考虑0地址指令，则单地址最多426=256条 考虑0地址指令，每预留一个单地址指令码点，则可以扩 展8条0地址指令，要使0地址指令达到16条，则应预留 16/8=2个单地址指令码点 因此，单地址最多可以

8、设计256-2=254条 4/255/16 4/254/16 10 补充习题 v2、某机指令字长为16位。设有单地址指令和双地址指令两类 。若每个地址字段均为6位，且双地址指令有x条。问单地址指令 可以有多少条？ 4-10扩展 双地址指令剩余16-x个码点作扩展标志 共可扩出单地址指令（16-x）26条 11 补充习题 v某处理机的指令字长为16位，有2地址指令、1地址指 令和0地址指令3类，每个地址字段的长度均为6位。 如果2地址指令有15条，0地址指令和1地址指令的条数基 本相等，那么0地址指令和1地址指令各有多少条？为3类指 令分配操作码。 如果要求3类指令条数的比例为1：9：9。那么3

9、类指令的 条数各有多少条？为3类指令分配操作码。 v解 4-10-16 15/63/64、14/126/128 12 补充习题 v用于文字处理的某专用机，每个文字字符用4位十进制数（0-9 ）编码表示，空格用-表示，在对传送的文字符和空格进行统计 后，得出其出现的概率为： 若上述数字和空格均用二进制编码，试设计二进制信息位平均长度最短的 编码。 若传送106个文字符号（每个文字符号后均跟一个空格），按最短编码， 共需传送多少个二进制位？ 若十进制数字和空格均用4位二进制码表示，共需传送多少个二进制位？ -0123456789 0.20.170.060.080.110.080.050.080.1

10、30.030.01 （文字）- （文字）- （文字） 13 练习 v计算机中优化使用的操作码编码方法是（ ） A、Huffman编码 B、ASCII码 C、BCD码 D、扩展编码 v支持动态再定位的寻址方式是（ ） A、基址寻址 B、间接寻址 C、变址寻址 D、间接寻址 v变址寻址的主要作用是（ ） A、支持程序的动态定位 B、支持访存地址的越界检查 C、支持向量、数组的运算寻址 D、支持OS的进程调度 v对系统程序员不透明的是（ ） A、Cache B、系列机各档不同的数据通路宽度 C、指令缓冲寄存器 D、虚拟存储器 14 练习 v对应用程序员不透明的是（ ） A、先行进位链 B、乘法器 C

11、、指令缓冲寄存器 D、条件码寄存器 v计算机系统结构不包括（ ） A、主存速度 B、机器工作状态 C、信息保护 D、数据表示 v判断题 系统是否设置浮点指令对计算机系统结构是透明的。 存储器采用单体单字，还是多体交叉存取，对系统结构设计应是透明 的。 系列机增加新型号时，为增加寻址灵活性和缩短平均指令字长，可以 由原等长操作码改为有多种码长的扩展操作码。 对概率不等的事件用Huffman编码，其具体编码不唯一，但平均长度 肯定是唯一的，且是最短的。 15 习题3 v4、直接利用公式：P41 Ta= fi(HiTc+(1- Hi)Tm)+(1- fi)( HdTc+(1- Hd) Tm)=22.

12、16ns fi=20%、Tc=20ns、Tm=80ns、Hi=98%、Hd=96% v10、 页面失效的虚页号：装入位为0的虚页，1、2、5、6 由虚地址计算实地址： 虚地址页面大小虚页号页内位移 由虚页号查页表得实页号 实地址=实页号页面大小页内位移 809610247928 310249284000 页面失效的无实地址 虚页 号 0 1 2 3 4 5 6 7 实页 号 2 3 1 0 1 0 2 3 装入 位 1 0 0 1 1 0 0 1 16 习题3 v补充：某段页式虚拟存储器，虚地址由2位段号、2位页号和 11位页内位移组成，主存容量32KB，每段可有访问方式保护， 其页表和保护位

13、如下表所示。 此地址空间中共有多少虚页 当程序中遇到下列情况时，由虚地址计算实地址，说明哪个 会发生段失效、页失效和保护失效。 段号段0段1段2段3 访问 方式只读可读/执行可读/写/执行可读/写 虚页0所在位置实页 9在辅存上 页表不在内 存 实页 14 虚页1所在位置实页 3实页 0实页 1 虚页2所在位置在辅存上实页 15实页 6 虚页3所在位置实页 12实页 8在辅存上 17 习题3 方式段页页内位移 取数011 取数1112 取数332047 存数014 存数212 存数1014 转移至此13100 取数0250 取数205 转移至此3060 l由主存容量为32KB，可知实地址 ：

14、实页 号（4 ） 页内位移（11） l虚地址： 段号 （2） 页号 （2） 页内位移（11） l页面大小：211=2048B l实地址计算方法同上 l页表不在主存内的段2发生段失效 l页面在辅存上的发生页失效 l取数表示读，取出的数不能作为 指令执行；只读单元不能写、执行 ；转移至此为执行，不能读、写， 访问不当的为保护方式失效 18 习题3 方式段页 页内位 移 段失效页失效实页 号实地址保护失效 取数011无无36145无 取数1112无无010无 取数332047无有无无/ 存数014无无36148有 存数212有/无无/ 存数1014无有无无/ 转移至 此 13100无无816484无

15、 取数0250有有无无/ 取数205无/无无/ 转移至 此 3060无无1428732有 19 习题4 v第6题 vA1+A2+ A3+A4+ A5+A6+ A7+A8+ A9+A10 12345 678 9 123456789 123456789 123456789 123456789 123456789 TP=9/21t=3/7t Sp=（95）/21=2.14 E=（95）/（215）=42.9% 8 15101521 20 习题4 v第7题：静态流水线 A1B1+A2B2+A3B3+A4B4+A5B5+A6B6 123456789 1011 123456 123456 789 1011 789 1011 123456789 1011 123456 789 10 11 122 请改为动态流水线练习 1 2 3 4 5 6 21 习题4 v第8题 算法：(a1+b1)c1+(a2+b2)c2 +(a3+b3)c3+ (a4+b4)c4 总时间：（3+31）+ （4+32）+（3+1） +3=23 效率：(73+44)/(234)=37/92=40.2% 1234一二三四567 一 一 二 二 三 三 四 四 1234567 1234一二三四567 23 22 习题4 v