計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 習(xí)題解答

1、1. 數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間是什么關(guān)系？在設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，確定數(shù)據(jù)表示的原則主要有哪幾個(gè)？答：略2. 假設(shè)有A和B兩種不同類型的處理機(jī)，A處理機(jī)中的數(shù)據(jù)不帶標(biāo)志位，其指令字長(zhǎng)和數(shù)據(jù)字長(zhǎng)均為32位。B處理機(jī)的數(shù)據(jù)帶有標(biāo)志位，每個(gè)數(shù)據(jù)的字長(zhǎng)增加至36位，其中有4位是標(biāo)志符，它的指令條數(shù)由最多256條減少至不到64條。如果每執(zhí)行一條指令平均要訪問(wèn)兩個(gè)操作數(shù)，每個(gè)存放在存儲(chǔ)器中的操作數(shù)平均要被訪問(wèn)8次。對(duì)于一個(gè)由1000條指令組成的程序，分別計(jì)算這個(gè)程序在A處理機(jī)和B處理機(jī)中所占用的存儲(chǔ)空間大?。òㄖ噶詈蛿?shù)據(jù)），從中得到什么啟發(fā)？答：我們可以計(jì)算出數(shù)據(jù)的總數(shù)量： 程序有1000條指令

2、組成，且每條指令平均要訪問(wèn)兩個(gè)操作數(shù)程序訪問(wèn)的數(shù)據(jù)總數(shù)為：1000×22000個(gè) 每個(gè)數(shù)據(jù)平均訪問(wèn)8次程序訪問(wèn)的不同數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為：2000÷8250對(duì)于A處理機(jī)，所用的存儲(chǔ)空間的大小為：對(duì)于B處理機(jī)，指令字長(zhǎng)由32位變?yōu)榱?0位（條數(shù)由256減少到64），這樣，所用的存儲(chǔ)空間的大小為：由此我們可以看出，由于數(shù)據(jù)的平均訪問(wèn)次數(shù)要大于指令，所以，采用帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示不會(huì)增加總的存儲(chǔ)空間大小。3. 對(duì)于一個(gè)字長(zhǎng)為64位的存儲(chǔ)器，訪問(wèn)這個(gè)存儲(chǔ)器的地址按字節(jié)編址。假設(shè)存放在這個(gè)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)中有20是獨(dú)立的字節(jié)數(shù)據(jù)（指與這個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)相鄰的不是一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)），有30是獨(dú)立的16位數(shù)據(jù)，

3、有20是獨(dú)立的32位數(shù)據(jù)，另外30是獨(dú)立的64位數(shù)據(jù)；并且規(guī)定只能從一個(gè)存儲(chǔ)字的起始位置開(kāi)始存放數(shù)據(jù)。 計(jì)算這種存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間利用率。 給出提高存儲(chǔ)空間利用率的方法，畫(huà)出新方法的邏輯框圖，并計(jì)算這種方法的存儲(chǔ)空間利用率。答：由于全是獨(dú)立數(shù)據(jù)，有20%浪費(fèi)56位（7/8）；30%浪費(fèi)48位（6/8）；20%浪費(fèi)32位（4/8）；30%浪費(fèi)0位（0/8）?？偣怖速M(fèi)：0.2×7/80.3×6/80.2×4/80.3×0/80.5即：存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間利用率為50%，浪費(fèi)率為50%。方案為：數(shù)據(jù)從地址整數(shù)倍位置開(kāi)始存儲(chǔ)，即，雙字地址000結(jié)尾，單字地址00結(jié)尾，

4、半字地址0結(jié)尾，字節(jié)地址結(jié)尾任意?？赡艹霈F(xiàn)的各種情況如下：組合存儲(chǔ)空間分配利用率1-2-1-2字節(jié)半字字節(jié)半字0.2*3/8*2/7*3/8*6B/8B0.0061-2-1-4字節(jié)半字字節(jié)0.2*3/8*2/7*2/8*4B/8B0.0028單字1-2-1-8字節(jié)半字字節(jié)0.2*3/8*2/7*3/8*4B/8B0.004雙字1-2-4字節(jié)半字單字0.2*3/8*2/7*7B/8B0.018751-2-8字節(jié)半字0.2*3/8*3/7*3B/8B0.1205雙字1-4字節(jié)單字0.2*2/8*5B/8B0.031251-8字節(jié)0.2*3/8*1B/8B0.009375雙字2-1-2-1半字字節(jié)半

5、字字節(jié)0.3*2/7*3/8*2/7*6B/8B0.00692-1-2-4半字字節(jié)半字0.3*2/7*3/8*2/7*5B/8B0.0057單字2-1-2-8半字字節(jié)半字0.3*2/7*3/8*3/7*5B/8B0.0086雙字2-1-4半字字節(jié)單字0.3*2/7*2/8*7B/8B0.018752-1-8半字字節(jié)0.3*2/7*3/8*3B/8B0.0121雙字2-4半字單字0.3*2/7*6B/8B0.06432-8半字0.3*3/7*2B/8B0.0321雙字4-1-2單字字節(jié)半字0.2*2/8*3/8*7B/8B0.01644-1-4單字字節(jié)0.2*2/8*2/8*5B/8B0.007

6、8單字4-1-8單字字節(jié)0.2*2/8*3/8*5B/8B0.0117雙字4-2-1單字半字字節(jié)0.2*3/8*2/7*7B/8B0.018754-2-4單字半字0.2*3/8*2/7*6B/8B0.0161單字4-2-8單字半字0.2*3/8*3/7*6B/8B0.0241雙字4-8單字0.2*3/8*4B/8B0.05625雙字8雙字0.3*8B/8B0.3合 計(jì)0.79224. 一個(gè)處理機(jī)共有10條指令，各指令在程序中出現(xiàn)的概率如下表：(1) 采用最優(yōu)Huffman編碼法（信息熵）計(jì)算這10條指令的操作碼最短平均長(zhǎng)度。(2) 采用Huffman編碼法編寫(xiě)這10條指令的操作碼，并計(jì)算操作碼

7、的平均長(zhǎng)度，計(jì)算與最優(yōu)Huffman編碼法（信息熵）相比的操作碼信息冗余量。將得到的操作碼編碼和計(jì)算的結(jié)果填入上面的表中。(3) 采用2/8擴(kuò)展編碼法編寫(xiě)這10條指令的操作碼，并計(jì)算操作碼的平均長(zhǎng)度，計(jì)算與最優(yōu)Huffman編碼法相比的操作碼信息冗余量。把得到的操作碼編碼和計(jì)算的結(jié)果填入上面的表中。(4) 采用3/7擴(kuò)展編碼法編寫(xiě)這10條指令的操作碼，并計(jì)算操作碼的平均長(zhǎng)度，計(jì)算與最優(yōu)Huffman編碼法相比的操作碼信息冗余量。把得到的操作碼編碼和計(jì)算的結(jié)果填入上面的表中。答：0.020.030.040.050.080.080.10.150.200.250.050.090.130.170.23

8、0.320.430.571.0001000000011111111采用最優(yōu)Huffman編碼法（信息熵）的操作碼最短平均長(zhǎng)度為：指令序號(hào)出現(xiàn)的概率Huffman編碼法2/8擴(kuò)展編碼法3/7擴(kuò)展編碼法I10.25000000I20.20100101I3040.10110100111000I50.080110101011001I60.081110101111010I70.051111110011011I80.0401110110111100I90.03011110111011101I100.02011111111111110操作碼的平均長(zhǎng)度2.993.13.2操作碼的信息

9、冗余量1.1%4.6%7.6%5. 一臺(tái)模型機(jī)共有7條指令，各指令的使用頻度分別是35、25、20、10、5、3、2，有8個(gè)通用數(shù)據(jù)寄存器，2個(gè)變址寄存器。(1) 要求操作碼的平均長(zhǎng)度最短，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)操作碼的編碼，并計(jì)算所設(shè)計(jì)操作碼的平均長(zhǎng)度。(2) 設(shè)計(jì)8位字長(zhǎng)的寄存器寄存器型指令3條，16位字長(zhǎng)的寄存器存儲(chǔ)器型變址尋址方式指令4條，變址范圍不小于正、負(fù)127。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)指令格式，并給出各字段的長(zhǎng)度和操作碼的編碼。答：0.350.250.20.10.050.030.020.050.10.20.40.61.0010000011111要使得到的操作碼長(zhǎng)度最短，應(yīng)采用Huffman編碼，Huffman樹(shù)構(gòu)

10、造如下：由此可以得到7條指令的編碼分別如下：指令號(hào)出現(xiàn)的頻率編碼135%00225%01320%10410%11055%111063%1111072%11111這樣，Huffman編碼法得到的操作碼的平均長(zhǎng)度為：l = 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設(shè)計(jì)8位字長(zhǎng)的寄存器-寄存器型指令如下：因?yàn)橹挥?個(gè)通用寄存器，所以寄存器地址需3位，操作碼只有兩位，設(shè)計(jì)格式如下：233操作碼OP源寄存器R1目的寄存器R2三條指令的操作碼分別為

11、00、01、10。設(shè)計(jì)16位字長(zhǎng)的寄存器-存儲(chǔ)器型變址尋址方式指令如下：4318操作碼OP通用寄存器變址寄存器偏移地址四條指令的操作碼分別為1100、1101、1110、1111。6. 某處理機(jī)的指令字長(zhǎng)為16位，有雙地址指令、單地址指令和零地址指令三類，并假設(shè)每個(gè)地址字段的長(zhǎng)度均為6位。(1) 如果雙地址指令有15條，單地址指令和零地址指令的條數(shù)基本相同，問(wèn)單地址指令和零地址指令各有多少條？并且為這三類指令分配操作碼。(2) 如果要求三類指令的比例大致為1：9：9，問(wèn)雙地址指令、單地址指令和零地址指令各有多少條？并且為這三類指令分配操作碼。答：雙地址指令格式為：466操作碼地址碼1地址碼2單地址指令格式為：106操作碼地址碼零地址指令格式為：16操作碼雙地址指令15條，需要4位操作碼來(lái)區(qū)分；單地址指令可以使用10-4=6位操作碼來(lái)區(qū)分；零地址指令可以使用16-10=6位操作碼來(lái)區(qū)分。這樣，各類型指令的條數(shù)為：雙地址指令15條，操作碼為：00001110；單地址指令26-1=63條，操作碼為：1111 0000001111 111110零地址指令26=64條，操作碼為：1111 111111 0000001111 111111 111111假設(shè)雙地址指令x條，則單地址、零地址分別為9x條：解之即得：x =14 雙地址指令14條，操