計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課后習(xí)題解析

課后習(xí)題

第一章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念

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i-1級的M條指令

的計算量。現(xiàn)若需第i級的N條指令解釋第i+1級的一條指令，而有一段第1級的

程序需要運行KS,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：(N/M)*KSo第3級上等效程序需運行：

(N/M)*(N/M)*KSo第4級上等效程序需運行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Kso

note：

由題意可知：第i級的一條指令能完成第i-l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i+1級的一條指令，那么，我們就可以用N/M來表示N/M

表示第i+1級需(N/M)條指令來完成第i級的計算量。所以，當(dāng)有一段第1級的程

序需要運行KS時，在第2級就需要(N/M)Ks,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DOS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CPU、硬盤、內(nèi)存技術(shù)的不斷發(fā)展，UCDOS

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。如工BM370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現(xiàn)。如主存器件可用雙極型的，也可用MOS

型的；可用VLS工單片，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)A:=B+CD:=E*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(zhǔn)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)、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。VLSI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；工/0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；PDP-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；Cache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交叉存取；數(shù)據(jù)總線寬度；陣列運算部件；通道是采

用結(jié)合型還是獨立型；PDP-11系列的單總線結(jié)構(gòu)串行、重疊還是流水控制方式；

Cache存儲器。

不透明的有：浮點數(shù)據(jù)表示；工/。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(biāo)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(biāo)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；Cache存儲器；程序狀態(tài)字；“啟動

I/O"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；Cache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；Cache存儲器；指

令緩沖寄存器；虛擬存儲器；程序狀態(tài)字；“啟動I/O"指令。

note：

系列機各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度、Cache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、“啟動工/?！敝噶?，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？

（1）新增加字符數(shù)據(jù)類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CPU和主存之間增設(shè)Cache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“1”法,

改為用ROM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VAX-11那種設(shè)尋址

方式位字段指明。

（6）將CPU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：1,3,4,6,7o不可以考慮的有：2,5,8o

原則是看改進后能否保持軟件的可移植性。

P.S.為了能使軟件長期穩(wěn)定，就要在相當(dāng)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、MPP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，MPP和機群系統(tǒng)外，并行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)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(zhǔn)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(biāo)是什么？

答：計算機系統(tǒng)的3T性能目標(biāo)是1TFL0PS計算能力，1TBYTE主存容量和

1TBYTES的I/O帶寬。

第二章數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng)

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，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(biāo)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(biāo)志符數(shù)據(jù)表示與描述符數(shù)據(jù)表示的差別是標(biāo)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(dāng)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：p=6m=48rm=2,8,16,m'=m/log2（rm）,列下表：

p=6,m=48,rm=2(m'=4p=6,m=48,rm=8(m-16p=6,m=48,rm=16(m-

8))12)

最小階(非負階，最

000

小為0)

最大階(24-1)2A6-12A6-12A6-1

最小尾數(shù)值

1/21/81/16

(rm人(-1))

最大尾數(shù)值1-8A(-16),即1-16人(-12),即

l-2A(-48)

(l-nnA(-m'))(l-2A(-48))(1-2人(-48))

可表示的最小值1/21/81/16

可表示的最大值2A63*(1-2A(-48))8人63*(1-8人(-16))16人63*(1-16人(-12))

階的個數(shù)(2Ap)2A62A62A6

可表示的尾數(shù)的個

2A48*(2-l)/28A16*(8-l)/816A12*(16-1)/16

數(shù)

可表示的規(guī)格化數(shù)

2人6*2人48*(2-1)/22A6*8A16*(8-1)/82人6*16人12*(16-1)/16

的個數(shù)

note：

可表示的最小值=rm人(最小階)*最小尾數(shù)值=rm-0*rm人(-1)=rmA(-1)；

可表示的最大值=「111人(最大階)*最大尾數(shù)值=rm人(2人p-l)*(1-rm^(-m'))；

可表示的尾數(shù)的個數(shù)=rm人m?*(rm-1)/rm；

可表示的規(guī)格化數(shù)的個數(shù)=階的個數(shù)*尾數(shù)的個數(shù)=2人p*rm人m，*(rm-1)/rm。

5.(1)浮點數(shù)系統(tǒng)使用的階基rp=2,階值位數(shù)p=2,尾數(shù)基值rm=10,以rm為基

的尾數(shù)位數(shù)m一=1,按照使用的倍數(shù)來說，等價于m=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、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rp=2,p=2,rm=4,m1=2,重復(fù)以上計算。

解：依題意列下表：

p=2,rm=10,m'=lp=2,rm=4,m'=2

A

最小尾數(shù)值10-1=0.14人-1=0.25

最大尾數(shù)值l-10A-l=0.91-4A-2=15/16

最大階值2pA-l=33

可表示的最小值0.10.25

可表示的最大值10A3*0.9=9004A3*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m=4,"這個m=4,因為2人3<10<2人4,

等價為實際要4個二進制位，表示RM=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)ROM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ROM表，列出ROM編碼表地址與內(nèi)容的對應(yīng)關(guān)

系。

解：ROM編碼表地址與內(nèi)容的對應(yīng)關(guān)系

7.變址尋址和基址尋址各適用于何種場合？設(shè)計一種只用6位地址碼就可指向一個

大地址空間中任意64個地址之一的尋址機構(gòu)。

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、Huffman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；Huffman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：①不能用擴展碼為其編碼。

?.?指令字長12位，每個地址碼占3位；

三地址指令最多是2人（12-3-3-3）=8條，現(xiàn)三地址指令需4條，

???可有4條編碼作為擴展碼，

單地址指令最多為4X2人3X2人3=2人8=256條，

現(xiàn)要求單地址指令255條，.?.可有一條編碼作擴展碼

零地址指令最多為IX2人3=8條

不滿足題目要求

...不可能以擴展碼為其編碼。

②若單地址指令254條，可以用擴展碼為其編碼。

???依據(jù)①中推導(dǎo)，單地址指令中可用2條編碼作為擴展碼

零地址指令為2X2人3=16條，滿足題目要求

note：

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地址指令的4條,

有4*2人6=256條，但由于髭目要求要有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*2-3=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人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-X）X2人6

P.S.雙地址指令最多是2人（16-6-6）=2-4=16條，現(xiàn)雙地址指令有X條，

...可有（16-X）條編碼作為擴展碼，

單地址指令最多為（16-X）X2人6=256條

11.何謂指令格式的優(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。

①操作碼的優(yōu)化

采用Huffman編碼和擴展操作碼編碼。

②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：

ADD（加）30%SUB（減）24%J0M（按負轉(zhuǎn)移）6%

ST0（存）7%JMP（轉(zhuǎn)移）7%SHR（右移）2%

CIL（循環(huán)）3%CLA（清加）20%STP（停機）1%

要求有兩種指令字長，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Huffman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(biāo)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Huffman和擴展操作碼的編碼及平均碼長如下表:

指令li使用頻度PiHuffman編碼擴展操作碼編碼

1130%1000

1224%0001

1320%0110

147%110011000

157%110111001

166%111011010

173%1111011011

182%11111011100

191%11111111101

西個馬pili2.612.78

(3)8個。

(4)兩種指令格式如下圖所示:

2位3位3位

OPR1R2

操作碼寄存器1寄存器2

5位3位3位5位

OPR1Xd

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RISC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R工SC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R工SC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CISC機器和RISC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CISC和RISC的結(jié)合？

答：C工SC結(jié)構(gòu)特點：機器指令系統(tǒng)龐大復(fù)雜。

R工SC結(jié)構(gòu)特點：機器指令系統(tǒng)簡單，規(guī)模小，復(fù)雜度低。

CISC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(dān)。

RISC的問題；

(1)由于指令少，在原CISC上一條指令完成的功能現(xiàn)在需多條RISC指令才

能完成，加重匯編語言程序設(shè)計負擔(dān)，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)RISC編譯程序比CISC難寫。

由于R工SC和C工SC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)

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。

答：

控制萬

優(yōu)點缺點

式

■

■■

二

口（1）對“總線可用”線及其有關(guān)電路失效敏感?？?

口C3

匚

二（2）靈活性差，如果高優(yōu)先級的部件頻繁要求：

二

E（i）選擇算法簡單。使用總線，離總線控制器遠的部件就難以獲三

E9!S

E串行鏈（2）控制線數(shù)少，只需要3得總線使用權(quán)。E

E3<3

E3=3

：接根，且不取決于部件數(shù)量。（3）“總線可用”信號順序脈動地通過各個部:

：（3）可擴充性好。件，總線的分配速度慢。：

E（4）受總線長度的限制，增減和移動部件受限;

E3a

E3C3

三制。三

E3E1

■■

:（1）靈活性強，部件的優(yōu)先:

三（1）總線的分配速度不能很高。三

:次序由程序控制。:

晨定時查（2）控制較為復(fù)雜。二

E（2）可靠性高，不會因某個E

二詢（3）控制線數(shù)多，需要2+log2N根。二

：部件失效而影響其它部件：

三（4）可擴充性差。：

：使用總線。二

E（1）靈活性強，部件的優(yōu)先E

：（1）控制較為復(fù)雜。：

=獨立請次序由程序控制。二

三（2）控制線數(shù)多，要控制N個設(shè)備，需要有三

!求（2）能方便地隔離失效部件三

:2N+1根控制線。二

：的請求。：

(3)總線的分配速度快。

2.設(shè)中斷級屏蔽位“1”對應(yīng)于開放，“0”對應(yīng)于屏蔽，各級中斷處理程序的中斷級

屏蔽位設(shè)置如下：

中斷級屏蔽位

中斷處理程

1?34

序級別

級級級級

第1級0000

第2級1010

第3級1000

4級1010

(1)當(dāng)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(dāng)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(dāng)中斷響應(yīng)優(yōu)先次序為If2f3f4時;其中斷處理次序為If3f4f2。

(2)

寺返回

內(nèi)現(xiàn)場

2

32

32

2

2

2

中斷處理程序為1->3->4-2的例子

3.若機器共有5級中斷，中斷響應(yīng)優(yōu)先次序為If2f3f4-5,要求其實際的中斷處

理次求序If4f5-*2f3。

(1)設(shè)計各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位(令“1”對應(yīng)于開放，“0”對應(yīng)于屏蔽)；

(2)若在運行用戶程序時，同時出現(xiàn)第4,2級中斷請求，而在處理第2級中斷未完

成時，又同時出現(xiàn)第1，3,5級中斷請求，請畫出此程序運行過程示意圖。

答：(1)中斷級屏蔽位設(shè)置如下圖:

中斷級屏蔽位

中斷處理程

12345

序級別

級級級級級

第1級11111

第2級01100

第3級00100

第4級01111

第5級01101

(2)中斷過程示意圖：如圖

2、4中斷同時出現(xiàn)，進行排隊器。

首先響應(yīng)第2級中斷請求，屏蔽字為

01100,表明其對第4級中斷請求開放，

所以轉(zhuǎn)去響應(yīng)第4級中斷請求并進行處

理。

響應(yīng)4,中斷4運行結(jié)束，回2。

1、3、5進入排隊器。

第2級中斷請求的處理請求被中斷，

轉(zhuǎn)去響應(yīng)第1級中斷請求并進行處理。

響應(yīng)第5級中斷請求并進行處理。

繼續(xù)響應(yīng)并處理第2級中斷處理請

中斷處理次序為1->5->2->3的例子

求，結(jié)束后返回用戶程序。

最后處理第3級中斷請求。

4.簡述字節(jié)多路，數(shù)組多路和選擇通道的數(shù)據(jù)傳送方式。

答：字節(jié)多路通道適用于連接大量的像光電機等字符類低速設(shè)備。這些設(shè)備傳

送一個字符（字節(jié)）的時間很短，但字符（字節(jié)）間的等待時間很長。通道“數(shù)據(jù)寬度”

為單字節(jié)，以字節(jié)交叉方式輪流為多臺設(shè)備服務(wù)，使效率提高。字節(jié)多路通道可有

多個子通道，同時執(zhí)行多個通道程序。

數(shù)組多路通道適合于連接多臺象磁盤等高速設(shè)備。這些設(shè)備的傳送速率很高，

但傳送開始前的尋址輔助操作時間很長。通道“數(shù)據(jù)寬度”為定長塊，多臺設(shè)備以

成組交叉方式工作，以充分利用并盡可能重疊各臺高速設(shè)備的輔助操作時間。傳送

完K個字節(jié)數(shù)據(jù)，就重新選擇下個設(shè)備。數(shù)組多路通道可有多個子通道，同時執(zhí)行

多個通道程序。

選擇通道適合于連接象磁盤等優(yōu)先級高的高速設(shè)備，讓它獨占通道，只能執(zhí)行

一道通道程序。通道“數(shù)據(jù)寬度”為可變長塊，一次將N個字節(jié)全部傳送完，在數(shù)

據(jù)傳送期只選擇一次設(shè)備。

5.如果通道在數(shù)據(jù)傳送期中，選擇設(shè)備需9.8US,傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)需0.2US。

某低速設(shè)備每隔500US發(fā)出一個字節(jié)數(shù)據(jù)傳送請求，問至多可接兒臺這種低速設(shè)備?

對于如下A?F6種高速設(shè)備，一次通訊傳送的字節(jié)數(shù)不少于1024個字節(jié)，問哪些

設(shè)備可以掛在此通道上？哪些則不能？其中A-F設(shè)備每發(fā)出一個字節(jié)數(shù)據(jù)傳送請求

的時間間隔分別為（單位為US）：

表3-5

設(shè)備ABCDEF

發(fā)申請間隔

0.20.250.50.190.40.21

（閭

答：（1）至多可連接50臺低速的外設(shè)。

剖析：

根據(jù)題意可知：低速設(shè)備應(yīng)掛接在字節(jié)多路通道上，字節(jié)多路通道的通道極限

流量為：

fmax.byte=l/（TS+TD）＞=fbyte

通道極限流量應(yīng)大于或等于設(shè)備對通道要求的流量fbyteo

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fi,為了不丟失信息，

應(yīng)滿足：

1/（TS+TD）＞=m*fi

fi也就是設(shè)備發(fā)出字節(jié)傳送請求間隔時間（500Ms）的倒數(shù)，所以：

m<=l/((TS+TD)*f)=500/(9.8+0.2)=50(臺)

(2)設(shè)備F可以掛在此通道上，設(shè)備A,D則不能。

剖析：

思路一：從傳送字節(jié)速率上入手。

A~F是高速設(shè)備，應(yīng)掛接在選擇通道上，選擇通道的極限流量為：

fmax.select=N/(TS+N*TD)=1/((TS/N)+TD)=1/((9.8/1024)+0.2)

=1/0.21(約)

通道上所掛設(shè)備的最大速率fi.max應(yīng)小于或等于通道的極限流量。

由表3-5可得出

設(shè)備ABCDEF

傳送速率

1/0.21/0.251/0.51/0.191/0.41/0.21

(B/網(wǎng)

所以，B、C、E、F可掛在該通道上。A、D不能。

思路二：從傳送字節(jié)時間上入手。

對于高速設(shè)備，由于一次傳送字節(jié)數(shù)不少于1024byte

.,.該通道一次傳送數(shù)據(jù)的時間為9.8Us+1024X0.2Us=214.6US

由表3-5可得出每臺設(shè)備發(fā)送1024字節(jié)的時間間隔分別為：

設(shè)備ABCDEF

傳送時間(閭204.8256512194.56409.6215.04

.??為使數(shù)據(jù)不丟失，B、C、E、F可掛在該通道上。A、D不能。

6.某字節(jié)多路通道連接6臺外設(shè)，某數(shù)據(jù)傳送速率分別如表中所列。

設(shè)備123456

傳送速率

5015100254020

(KB/s)

(1)計算所有設(shè)備都工作時的通道實際最大流量：

(2)如果設(shè)計的通道工作周期使通道極限流量恰好與通道最大流量相等，以滿足流量

設(shè)計的基本要求，同時讓速率越高的設(shè)備被響應(yīng)的優(yōu)先級越高。當(dāng)6臺設(shè)備同時發(fā)

出請求開始，畫出此通道在數(shù)據(jù)傳送期內(nèi)響應(yīng)和處理各外設(shè)請求的時間示意圖。由

此你發(fā)現(xiàn)了什么問題？

(3)在(2)的基礎(chǔ)上，在哪臺設(shè)備內(nèi)設(shè)置多少個字節(jié)的緩沖器就可以避免設(shè)備信息丟

失？那么，這是否說書中關(guān)于流量設(shè)計的基本要求是沒有必要的了呢？為什么？

解：(1)實際最大流量=50+15+100+25+40+20=25OKB/S。

(2)通道響應(yīng)和處理各設(shè)備請求的時間示意圖

左廄的這六申諦丟失

2

0150200t(us)

T表示設(shè)備提出申請的時刻

?表示通道處理完設(shè)備申請的時刻

由此發(fā)現(xiàn)由于高速設(shè)備的響應(yīng)優(yōu)先級高，使低速設(shè)備2造成數(shù)據(jù)丟失。

(3)在2中各設(shè)兩個字節(jié)的緩沖區(qū)即可。這并不說明流量設(shè)計的基本條件是不必要

的，因為若基本條件不滿足，無論設(shè)備優(yōu)先級如何確定總有設(shè)備的信息會丟失。

剖析：

(2)由各設(shè)備的傳送字節(jié)速率可解其連續(xù)發(fā)出傳送請求的時間間隔分別為:

設(shè)備123456

發(fā)申請間隔

2067(約)10402550

(閭

7.通道型I/O系統(tǒng)由一個字節(jié)多路通道A(其中包括兩個子通道A1和A2),兩個數(shù)

組多路通道B1和B2及一個選擇通道C構(gòu)成，各通道所接設(shè)備和設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送速

率如表所示。

(1)分別求出各通道應(yīng)具有多大設(shè)計流量才不會丟失信息；

(2)設(shè)I/O系統(tǒng)流量占主存流量的1/2時才算流量平衡，則主存流量應(yīng)達到多少？

通道號所接設(shè)備的數(shù)據(jù)傳送速率(KB/s)

子通道A15035202050352020

字節(jié)多路通道

子通道A25035202050352020

數(shù)組多路通道Bl500400350250

數(shù)組多路通道B2500400350250

選擇通道C500400350250

解：(1)要不丟失信息，各通道需要達到的流量：字節(jié)多路通道子通道

A1:0.25KB/S;字節(jié)多路通道子通道A2:0.25KB/S;數(shù)組多路通道B1:500KB/S;

數(shù)組多路通道B2:500KB/S;選擇通道C:500KB/S。

(2)主存流量應(yīng)達到4MB/So

剖析：

(1)設(shè)備要求字節(jié)多路通道或其子通道的實際最大流量，是該通道所接各設(shè)備

的字節(jié)傳送速率之和；

設(shè)備要求數(shù)組多路通道或選擇通道的實際最大流量，是該通道所接各設(shè)備的字

節(jié)傳送速率中的最大者。

(2)工/0系統(tǒng)中，各種通道和子通道可以并行工作，因此，工/。系統(tǒng)的最大流

量應(yīng)等于各通道最大流量之和。

第四章存儲體系

1.設(shè)二級虛擬存儲器的TAl=10-7s>TA2=10-2s,為使存儲層次的訪問效率e達

到最大值的80%以上，命中率H至少要求達到多少？實際上這樣高的命中率是很難

達到的，那么從存儲層次上如何改進？

解：e=TAl/TA=TAl/(H*TA1+(1-H)*TA2)N80%,H2

(10*5-5/4)/(10*5-1)o

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)移概率人為25%,求每

個存儲周期能訪問到的平均字?jǐn)?shù)。當(dāng)模數(shù)為16呢？由此你可得到什么結(jié)論？解：

B=[1-(1-入)-m]/人

解：由人=0.25,m=32求得：B=4-4*(3/4)人32

同理，m=16時，B=4-4*(3/4)人16

可得出，在人=0.25時-，m=32的平均訪問字?jǐn)?shù)大于m=16時的平均訪問字?jǐn)?shù)。

3、設(shè)主存每個分體的存取周期為2RS,寬度為4個字節(jié)。采用模m多分體交叉存

取，但實際頻寬只能達到最大頻寬的0.6倍?，F(xiàn)要求主存實際頻寬為4MB/S,問主

存模數(shù)m應(yīng)取多少方能使兩者速度基本適配？其中m取2的嘉。

解：m=4

剖析：

根據(jù)題意，模m多分體交叉的最大頻寬為：分體數(shù)*單體頻寬=0*分體的寬度/

分體的存取周期=m*4B/2Js,所以有0.6*m*4/2>=4。

4.某虛擬存儲器共8個頁面，每頁1024個字，實際主存為4096個字，采用頁表

法進行地址映象。映象表的內(nèi)容如下表所示。

虛頁號01234567

實頁號31232100

裝入位11001010

注：我把虛頁號加上了。

(1)列出會發(fā)生頁面失效的全部虛頁號；

(2)按以下虛土也址計算主存實土也址：0,3728,1023,1024,2055,7800,4096,

6800o

解：

(1)會發(fā)生頁面失效的全部虛頁號為：2,3,5,70

(2)

虛地址虛頁號頁內(nèi)位移裝入位實頁號頁內(nèi)位移實地址

0001303072

327836560頁面失效頁面失效無

1023010231310234095

1024101101024

2055270頁面失效頁面失效無

780076320頁面失效頁面失效無

4096401202048

6800665610656656

剖析：

(1)根據(jù)頁表法列出表2,當(dāng)裝入位為0時，即為頁面失效，再找出相對應(yīng)的

虛頁號即可。

(2)虛頁號=虛地址/頁面大小

頁內(nèi)位移量=虛地址一虛頁號*頁面大小

實地址=實頁號*頁面大小+頁內(nèi)位移量

由于可以用替換算法解決頁面失效的問題，所以，發(fā)生頁面失效的虛頁2,3,5,7仍

然可以有相應(yīng)的實地址，但這樣要在頁表中建立新的虛實地址對應(yīng)關(guān)系，新的虛實

地址對應(yīng)關(guān)系和原來的對應(yīng)關(guān)系相同的可能性就很小了。

5、一個段頁式虛擬存儲器。虛地址有2位段號、2位頁號、11位頁內(nèi)位移(按字

編址)，主存容量為32K字。每段可有訪問方式保護，其頁表和保護位如下表所示。

段號0123

訪問方式只讀可讀/執(zhí)行可讀/寫/執(zhí)行可讀/寫

虛頁0所在位置實頁9在輔存上頁表不在主存內(nèi)實頁14

虛頁1所在位置實頁3實頁0頁表不在主存內(nèi)實頁1

虛頁2所在位置在輔存上實頁15頁表不在主存內(nèi)實頁6

虛頁3所在位置實頁12實頁8頁表不在主存內(nèi)在輔存上

(1)此地址空間中共有多少個虛頁？

(2)當(dāng)程序中遇到下列情況時

I方式段頁頁內(nèi)位移

I取數(shù)011

取數(shù)1110

取數(shù)332047

存數(shù)014

存數(shù)212

存數(shù)1014

轉(zhuǎn)移至此13100

取數(shù)0250

取數(shù)205

轉(zhuǎn)移至此3060

寫出由虛地址計算出實地址。說明哪個會發(fā)生段失效、頁面或保護失效失效。

解答：(1)該地址空間中共有16個虛頁。

(2)程序中遇到上表中各情況時，是否會發(fā)生段失效、頁失效或保護失效及相

應(yīng)的主存實地址的情況如下表所示：

1方式

段頁頁內(nèi)位移段失效頁失效實頁號實地址保護失效

取數(shù)011無無36145無

取數(shù)1110無無010無

取數(shù)332047無有無無/

存數(shù)014無無36184有

存數(shù)212有/無無/

存數(shù)1014無有無無/

轉(zhuǎn)移至此13100無無816