计算机系统结构(习题补充例题与练习)

1习题1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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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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第8题•掌握三个公式11()iniiniiiNNCPIICPICPIIII661010NcEIfMIPSTCPI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××√610MIPSITNE43%0.521.527.39%143%0.578.55习题2niiilpL1iniippH12logOP编码优化的目标平均长度短（冗余小）编码规整（长度种类少）最短平均长度（信息源熵）：信息冗余量（实际长度-H）/实际长度Huffman编码平均长度最短的方案编码不唯一，但长度确定每次选择两个最小值节点非叶子结点值相加6习题2扩展编码等长、不等长X-Y-Z、X/Y/Z短编码不能是长编码的前缀一定要用短编码表示频率高的指令变址位移量补码表示（-2n-1～2n-1-1）指令类型R-R：速度快，给频率高的指令使用M-M7习题2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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，12/X/254•若不考虑单地址指令，则二地址最多4×16=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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-16～15（补码）9补充习题1、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4×26=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，单地址最多可以设计256-2=254条•4/255/16•4/254/16×√10补充习题2、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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类指令的条数各有多少条？为3类指令分配操作码。解•4-10-16•15/63/64、14/126/12812补充习题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？-01234567890.20.170.060.080.110.080.050.080.130.030.01××××（文字）-××××（文字）-××××（文字）13练习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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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对系统程序员不透明的是（）•A、CacheB、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对应用程序员不透明的是（）•A、先行进位链B、乘法器•C、指令缓冲寄存器D、条件码寄存器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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4、直接利用公式：P41•Ta=fi(HiTc+(1-Hi)Tm)+(1-fi)(HdTc+(1-Hd)Tm)=22.16ns•fi=20%、Tc=20ns、Tm=80ns、Hi=98%、Hd=96%10、•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8096÷1024＝7······9283×1024＋928＝4000•页面失效的无实地址虚页号01234567实页号23101023装入位1001100116习题3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由主存容量为32KB，可知实地址：实页号（4）页内位移（11）虚地址：段号（2）页号（2）页内位移（11）页面大小：211=2048B实地址计算方法同上页表不在主存内的段2发生段失效页面在辅存上的发生页失效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第6题A1+A2+A3+A4+A5+A6+A7+A8+A9+A10123456789123456789123456789123456789123456789123456789TP=9/21t=3/7tSp=（9×5）/21=2.14E=（9×5）/（21×5）=42.9%81510152120习题4第7题：静态流水线•A1B1+A2B2+A3B3+A4B4+A5B5+A6B612345678910111234561234567891011789101112345678910111234567891011122请改为动态流水线练习12345621习题4第8题•算法：(a1+b1)c1+(a2+b2)c2+(a3+b3)c3+(a4+b4)c4•总时间：（3+3×1）+（4+3×2）+（3+1）+3=23•效率：(7×3+4×4)/(23×4)=37/92=40.2%1234一二三四567一一二二三三四四12345671234一二三四5672322习题4第9题•动态流水线•a1b1+a2b2+a3b3+a4b4+a5b5+a6b6+a7b7+a8b812345678一二三四五六七一二三四五六七一二三四五六七123456781234567812345678一二三四五六七123请改为静态流水线练习ABCDEF23习题4第10题•6个任务的总执行时间为：8（第一个任务用8个周期）+5×3（后5个任务，每3周期执行一个，取决于最慢部件）•实际吞吐率=6/23△t•效率=（8×6）/（23×5）=48/115=41.7%123111222333123112233123824习题4第11题•禁止向量（延迟禁止表）=（1，3，4，8）•原始冲突向量=（10001101）•状态转移图略•最大吞吐率的调度方案（2，5），吞吐率=1/3.5•输入6个任务的实际吞吐率：6/（9+2+5+2+5+2）=6/25补：有长度为8的向量