计算机系统结构期末重点题目及考点

...第一章：1.2.如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分成4级。每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令解释，若执行第一级的一条指令需kns，那执行第2级、第3级、第4级的指令需要多少时间？第1级1条1级指令kns第2级1条2级指令N条1级指令1·N·kns=Nkns第3级1条3级指令N条2级指令1·N·N·kns=N2kns第4级1条4级指令N条3级指令1·N·N·N·kns=N3kns1.8.从机器（汇编）语言程序员看，以下哪些是透明的？指令地址寄存器；指令缓冲器；时标发生器；条件码寄存器；乘法器；主存地址寄存器；磁盘外设；先行进位链；移位器；通用寄存器；中断字寄存器。见下表，“√”为透明性概念指令地址寄存器，×，指令缓冲器，√，时标发生器，√，条件码寄存器，×，乘法器，√，主存地址寄存器，√，磁盘，×，先行进位链，√，移位器，√，通用寄存器，×，中断字寄存器，×，...第二章：2.2在尾数采用补码、小数表示且p=6，阶码采用移码、整数表示且q=6，尾数基rm为16，阶码基re为2的情况下：(1)最大尾数为：1－rm-p＝1－16-6，0.FFFFFF(2)最小正尾数为：1/rm＝1/16，0.100000(3)最小尾数为：-1，1.000000(4)最大负尾数为：-(rm-1+rm-p)＝(16-1+16-6)，1.EFFFFF(5)最大阶码为：req－1＝26－1＝63，7F，包括符号位共7个1(6)最小阶码为：-req＝-26＝-64，00，包括符号位共7个0(7)最大正数为：(1－16-6)1663，7FFFFFFF(8)最小正数为：16-65，00100000(9)最大负数为：-(16-1+16-6)16-64，80EFFFFF(10)最小负数为：-1663，FF000000(11)浮点零为：00000000(12)表数精度为：16-5/2＝2-21《13)表数效率为：15/16＝93.75％(14)能表示的规格化浮点数个数为：2×15×165×27+12.13一个处理机共有10条指令，各指令在程序中出现的概率如下表：指令信号出现概率Huffman编砝码2/8扩展编砝码3/7扩展编砝码I10.25010000I20.20110101I30.15001100010I40.10101100111000I50.080000101011001I60.081001101111010I70.051000110011011I80.0400011110111100...I90.03000101111011101I100.020001001111111100已知10条指令使用频度，求3种编码方法的平均码长与信息冗余量。(1)此问中的“最优Huffman编码法”实际是指码长下限，即信源的平均信息量──熵，代公式得H=2.9566。(2)Huffman编码性能如下表；(3)2/8扩展编码是8/64/512法的变种，第一组2条指令，码长为2（1位扩展标志，1位编码）,第二组8条指令，码长为4（1位扩展标志，与第一组区别，加3位编码），编码性能如下表；(4)3/7扩展编码是15/15/15法的变种，第一组3条指令，码长为2（共有4种组合，其中3种组合分别代表3条指令，留1种组合作为扩展前缀标志）,第二组7条指令，码长为5（2位固定的前缀扩展标志，与第一组区别，加3位编码，只用其中7种组合），编码性能如下表。2.14一台模型机共有7条指令，各指令的使用频率分别为35%，25%，20%，10%，5%，3%和2%，有8个通用数据寄存器，2个变址寄存器。(1)要求操作码的平均长度最短，请设计操作码的编码，并计算所设计操作码的平均长度。(2)设计8字长的寄存器-寄存器型指令3条，16位字长的寄存器-存储器型变址寻址方式指Huffman编码2/8扩展编码3/7扩展编码平均码长L2.993.13.2信息冗余量R1.10%4.61%7.59%...令4条，变址范围不小于±127。请设计指令格式，并给出各字段的长度和操作码的编码。解：(1)要使得到的操作码长度最短，应采用Huffman编码，构造Huffman树如下：0.350.250.200.100.050.030.020.050.100.200.400.601.00由此可以得到7条指令的编码分别如下：指令出现的频率编码135%00225%01320%10410%11055%111063%1111072%11111这样，采用Huffman编码法得到的操作码的平均长度为：H=2×(0.35+0.25+0.20)+3×0.10+4×0.05+5×(0.03+0.02)=1.6+0.3+0.2+0.25=2.35(2)...设计8位字长的寄存器-寄存器型变址寻址方式指令如下，因为只有8个通用寄存器，所以寄存器地址需3位，操作码只有两位，设计格式如下：765320操作码OP源寄存器R1目的寄存器R2三条指令的操作码分别为00，01，10设计16位字长的寄存器-存储器型变址寻址方式指令如下：15121198操作码OP通用寄存器变址寄存器偏移地址70四条指令的操作码分别为1100，1101，1110，11112.15某处理机的指令字长为16位，有双地址指令、单地址指令和零地址指令三类，并假设每个地址字段的长度均为6位。(1)如果双地址指令有15条，单地址指令和零地址指令的条数基本相同，问单地址指令和零地址指令各有多少条？并且为这三类指令分配操作码。(2)如果要求三类指令的比例大致为1：9：9，问双地址指令、单地址指令和零地址指令各有多少条？并且为这三类指令分配操作码。解：(1)15条/63条/64条(2)14条/126条/128条...(1)根据指令地址的数量来决定各种指令在指令空间上的分布：如果我们按照从小到大的顺序分配操作码，这样，按照指令数值从小到大的顺序，分别为双地址指令、单地址指令和零地址指令。其次可以根据指令的条数来大致的估计操作码的长度：双指令15条，需要4位操作码来区分，剩下的12位操作码平均分给单地址和零地址指令，每种指令可以用6位操作码来区分，这样，各指令的条数为：双地址指令15条，操作码：0000~1110；单地址指令2^6-1=63条，操作码：1111000000~1111111110；零地址指令64条，操作码：1111111111000000~1111111111111111。(2)与上面的分析相同，可以得出答案：双地址指令14条，操作码：0000~1101；单地址指令2^6x2-2=126条，1110000000~1110111110，1111000000~1111111110；零地址指令128条1110111111000000~1110111111111111,1111111111000000~1111111111111111(2)B双地址指令同上,14条，操作码：0000~1101；单地址指令64+62=126条，64条单地址指令操作码1110000000~1110111111，...62条单地址指令操作码1111000000~1111111101；零地址指令128条1111111110000000~1110111110111111,1111111111000000~1111111111111111第三章：3.9：一个页式虚拟存储器的虚存空间大小为4Gb，页面大小为4KB，每个页表存储子要占用4个字节。（1）计算这个页式虚拟存储器需要采用几级页表？答：Log2（4G/4K）/Log2（4K/4）=2.0.取整得2，所以需要2级页表（2）如果要求页表所占用的总主存页面数最小，请分配每一级页表的实际存储容量各为多少字节？答：第一季页表为一个页面大小，为4kb，第二级页表被占用1k个页面，为4mb（3）页表的哪些部分必须存放在主存中？哪些可以放在辅存中？答：第一级页表必须放在主存中，二级页表只需将正在运行的程序的相关页表放在主存中，其他都可以放在辅存中。3.12一个有快表和慢表的页式虚拟存储器，最多有64个用户，每个用户最多要用1024个页面，每页4K字节，主存容量8M字节。（1）写出多用户虚地址的格式，并标出各字段的长度。（2）写出主存地址的格式，并标出各字段的长度。（3）快表的字长为多少位？分几个字段？各字段的长度为多少位？（4）慢表的容量是多少个存储字？每个存储字的长度为多少位？答：用户号：64＝26，虚页号：1024＝210，页内地址：4K＝212，主存页数：8M/4K＝211（1）...多用户虚地址：用户号（6位）＋虚页号（10位）＋页内地址（12位）共28位（2）主存地址：主存实页号（11位）＋页内地址（12位）共23位（3）快表字长27位；分3个字段：用户号6位，虚页号10位，实页号11位（4）（4）慢表容量为2(6+10)，每个存储字长为：主存页号＋1＝12位。3.143.14在页式虚拟存储器中，一个程序由P1~P5共5个虚页组成。在程序执行过程中依次访问到的页面如下：P2，P3，P2，P1，P5，P2，P4，P5，P3，P2，P5，P2假设系统分配给这个程序的主存有3个页面，分别采用FIFO、LRU和OPT三种替换算法对这三页主存进行调度。（1）画出主存页面调入、替换和命中的情况表。（2）统计三种页面替换算法的页命中率。答案：解：三种替换算法的替换过程：页地址流232152453252FIFO222255553333命中3次33332222255111444442...调调命调替替替命替命替替进进中进换换换中换中换换222152453252LRU33215245325命中5次321524533调调命调替命替命替替命命进进中进换中换中换换中中OPT222222444222命中6次333333333331555555555调调命调替命替命命替命命进进中进换中换中中换中中3.15.一个程序由五个虚页组成，采用lfu替换算法，在程序中依次访问的页地址流如下：P4，P5，P3，P2，P5，P1，P3，P2，P3，P5，P1，P3(1)可能的最高页命中率是多少？(2)至少要分配给该程序多少个主存页面才能获得最高的命中率?(3)如果在程序中每访问一个页面，平均要对该页面内的存储单元访问1024次，求访问单元...的命中率？答案：（1）在分配的主存页面数目大于等于5的情况下，这时，除了第一次调入不命中，以后的访问均命中，可以达到最高的页面命中率：实际命中的次数为7次，所以可能达到的最高页面命中率为：5833.0127H（2）由于在页面数大于等于5的情况下，肯定可以达到最高命中率，所以我们来看页面数小于5时能否达到该命中率：分配的主存页面数等于4时，调度过程如下：此时也可以达到最高命中率；分配的主存页面等于3时，调度过程如下：...此时不能达到最高命中率。所以至少应该分配4个主存页面。（3)我们假设程序每次只访问一个存储单元，这样，对每一个特定页面的访问过程可以描述如下：因为第一次总是不命中的，而平均起来，随后的1023次总是命中的，然后再次被调出主存，并再次重复先前的过程。所以访问存储单元的命中率为：999.010241023H欲知可能的最高命中率及所需的最少主存页数，较好的办法是通过“堆栈模拟法”，求得命中次数随主存页数变化的函数关系。下图就是“堆栈模拟图”，其中“√”表示命中。...(1)Hmax=7/12≈58.3%(2)n=4(3)当1次页面访问代表连续1024次该页内存储单元访问时，后1023次单元访问肯定是命中的，而第1次单元访问的命中情况与这1次页面访问的命中情况相同。根据上图中最高命中情况，共有7次页命中（折算为7×1024次单元命中），5次页不命中（折算为5×1023次单元命中，也可写为5×1024-5），单元访问总次数为12×1024，故有：Hcell=(12×1024-5)/(12×1024)=12283/12288≈99.96%3.16.一个程序由1200条指令组成，每条指令的字长均为4B。假设这个程访问虚拟存储器的字地址流为：