計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-集美大學(xué)考試內(nèi)容

1-6.從機(jī)器（匯編）語言程序員看，以下哪些是透明的？透明的有：指令緩沖器、時(shí)標(biāo)發(fā)生器、乘法器、主存地址寄存器、先行進(jìn)位鏈、移位器。1-10.想在系列機(jī)中發(fā)展一種新型號(hào)機(jī)器，下列哪些設(shè)想是可以考慮的，哪些是不行的？為什么？新增自發(fā)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?？梢?。雖然它屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，但新增加的數(shù)據(jù)類型和指令不會(huì)影響到已有指令所寫程序的正確運(yùn)行。為增強(qiáng)中斷處理功能，將中斷分級(jí)由原來的4級(jí)增加到5級(jí)，并重新調(diào)整中斷響應(yīng)的優(yōu)先次序。不可以。中斷分級(jí)和終端的響應(yīng)次序都屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，中斷分級(jí)由4級(jí)增加到5級(jí)應(yīng)當(dāng)還是允許的，關(guān)鍵是重新調(diào)整了中斷響應(yīng)的優(yōu)先次序，使原有程序的中斷響應(yīng)次序發(fā)生了改變，會(huì)影響原有程序工作的正確性。在CPU和主存之間增設(shè)Cache存儲(chǔ)器，以克服因主存訪問速率過低而造成的系統(tǒng)性能瓶頸?？梢?。Cache存儲(chǔ)器屬于計(jì)算機(jī)組成，它不會(huì)改變?cè)械南到y(tǒng)程序和應(yīng)用程序。為解決計(jì)算誤差較大的問題，將機(jī)器中浮點(diǎn)數(shù)的下溢處理方法由原來的恒置“1法”，改為用ROM存放下溢處理結(jié)果的查表舍入法?？梢?。浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)的下溢處理不屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而是計(jì)算機(jī)組成設(shè)計(jì)所考慮的內(nèi)容。2-9.經(jīng)統(tǒng)計(jì)，某機(jī)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、哈夫曼碼、只有兩種碼長的擴(kuò)展操作碼等三種編碼方式的操作碼平均碼長。等長碼：14條指令的等長操作碼的平均碼長是[1b41]位，即4位。哈夫曼遍碼：先用哈夫曼算法構(gòu)造哈夫曼樹（P290），計(jì)算可得平均碼長為3.38位。只有兩種碼長的擴(kuò)展操作碼：根據(jù)14條指令所給出的使用頻度分成兩群，較高6種指令的用3位操作碼編碼表示，留下兩個(gè)3位碼作為長碼的擴(kuò)展標(biāo)志，擴(kuò)展出2位，共有8條使用低頻的指令的操作碼，平均碼長計(jì)算后（P291）為3.4位。2-10.電文由A~J幾空格字符組成，其中字符出現(xiàn)的頻度依次為0.17、0.05、0.20、0.06、0.08、0.03、0.01、0.08、0.13、0.08、0.11。各字符用等長二進(jìn)制編碼，傳送10^3個(gè)字符時(shí)，共需傳送多少個(gè)二進(jìn)制碼碼位？共需傳送4*10^3=4000位構(gòu)造哈夫曼樹，寫出各字符的二進(jìn)制碼碼位數(shù)，計(jì)算字符的二進(jìn)制平均碼長。哈夫曼樹（P291），平均碼長為3.23位用哈夫曼樹傳送10^3個(gè)字符，此定長碼傳送可減少傳送的二進(jìn)制碼碼位數(shù)是多少？可減少（4-3.23）*10^3=770位2-11.用于文字處理的某專用機(jī)，每個(gè)文字符用4位十進(jìn)制數(shù)字（0~9）編碼表示，空格則用“空格”表示，在對(duì)傳送的文字符號(hào)和空格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，得出數(shù)字和空格的出現(xiàn)頻度分別為：“空格”：20%0：17%1：6%2：8%3：11%4：8%5：5%6：8%7：13%8：3%9：1%若上述數(shù)字和空格均用用二進(jìn)制編碼，試設(shè)計(jì)二進(jìn)制信息位平均長度最短的編碼。答：按空格和數(shù)字出現(xiàn)的頻度構(gòu)造哈夫曼樹（P292）,可得到其二進(jìn)制嗎的編碼（不唯一，但平均碼長唯一）：“空格”：01（2位）0：111（3位）1：1000（4位）2：1001（4位）3：001（3位）4：1100（4位）5：0001（4位）6：1101（4位）7：101（3位）8：00001（5位）9：00000（5位）根據(jù)產(chǎn)生的哈夫曼編碼可求得平均的二進(jìn)制碼長為3.23位若傳送10^6個(gè)文字符號(hào)（每個(gè)文字符號(hào)后均跟一個(gè)空格），按最短的編碼，共需傳送多少個(gè)二進(jìn)制位？答：每個(gè)文字字符用4位十進(jìn)制數(shù)字再跟一個(gè)空格表示，共需傳送10^6*（4+1）*3.23位=1.615*10^7位若十進(jìn)制數(shù)字和空格均用4位二進(jìn)制碼表示，共需傳送多少個(gè)二進(jìn)制位？答：共需傳送10^6*（4+1）*4位=2*10^7位3-5.設(shè)中斷屏蔽位“1”對(duì)應(yīng)于開放，“0”對(duì)應(yīng)于屏蔽，各級(jí)中斷處理程序的中斷屏蔽位如表（P111）所示：中斷處理程序級(jí)別中斷級(jí)屏蔽位設(shè)置第1級(jí)第2級(jí)第3級(jí)第4級(jí)第1級(jí)0000第2級(jí)1011第3級(jí)1000第4級(jí)1010當(dāng)中斷響應(yīng)優(yōu)先次序?yàn)?→2→3→4時(shí)，其中斷處理次序是什么？答：1→3→4→2設(shè)所有的中斷處理都各需3個(gè)單位時(shí)間，中斷響應(yīng)和中斷返回時(shí)間相對(duì)中斷處理時(shí)間少得多。當(dāng)機(jī)器正在運(yùn)行用戶程序時(shí)，同時(shí)發(fā)生第2、3級(jí)中斷請(qǐng)求，過兩個(gè)單位時(shí)間后，又同時(shí)發(fā)生第1、4級(jí)中斷請(qǐng)求，試畫出程序運(yùn)行過程示意圖。答：圖見P2933-6.若機(jī)器共有5級(jí)中斷，中斷響應(yīng)優(yōu)先次序?yàn)?→2→3→4→5，現(xiàn)要求其實(shí)際中斷處理次序?yàn)?→4→5→2→3，回答下面問題：設(shè)計(jì)各級(jí)中斷處理程序的中斷級(jí)屏蔽位（令“1”對(duì)應(yīng)屏蔽，“0”對(duì)應(yīng)開放）答：各級(jí)中斷處理程序中的中斷級(jí)屏蔽位的設(shè)置如下表：中斷處理程序級(jí)別中斷級(jí)屏蔽位設(shè)置12345111111201100300100401111501101若在運(yùn)行用戶程序時(shí)，同時(shí)出現(xiàn)第4、2級(jí)中斷請(qǐng)求，而在處理第2級(jí)中斷未完成時(shí)，又同時(shí)出現(xiàn)第1、3、5級(jí)中斷請(qǐng)求，請(qǐng)畫出此程序運(yùn)行過程示意圖。答：圖見P2943-11.某字節(jié)多路通道連接6臺(tái)外設(shè)，其數(shù)據(jù)傳送速率分別如表3-7中所列。設(shè)備號(hào)傳送速率/(KB/S)1502153100425540620計(jì)算所有設(shè)備都工作時(shí)的通道實(shí)際最大流量答：公式見P295。50+15+100+25+40+20=250KB/S設(shè)計(jì)的通道工作周期使通道極限流量恰好與通道實(shí)際最大流量相等，以滿足流量設(shè)計(jì)的基本要求，同時(shí)讓速率越高的設(shè)備被響應(yīng)的優(yōu)先級(jí)越高。當(dāng)6臺(tái)設(shè)備同時(shí)發(fā)出請(qǐng)求時(shí)，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(qǐng)求的時(shí)間示意圖。由此，能發(fā)現(xiàn)什么問題和得出什么結(jié)論？答：見P295。在問題（2）的基礎(chǔ)上，在哪臺(tái)設(shè)備內(nèi)設(shè)置多少個(gè)字節(jié)的緩沖器就可以避免設(shè)備信息丟失？那么，這是否說明書中關(guān)于流量設(shè)計(jì)的基本要求是沒有必要的？為什么？答：在2號(hào)設(shè)備商設(shè)置兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)緩沖器。見P2963-12.有8臺(tái)外設(shè)，各設(shè)備要求傳送信息的工作速率分別如表3-8所示。設(shè)備工作速率/(KB/S)A500B240C100D75E50F40G14H10現(xiàn)設(shè)計(jì)的通道在數(shù)據(jù)傳送期，每選擇一次設(shè)備需2us，每傳送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)也需要2us。若用作字節(jié)多路通道，通道工作的最高流量是多少？答：公式見P296。250KB/S作字節(jié)多路通道用時(shí)，希望同時(shí)不少于4臺(tái)設(shè)備掛在此通道上，最好多掛一些，且高速設(shè)備盡量多掛一些，請(qǐng)問應(yīng)選哪些設(shè)備掛在此通道上？為什么？答：掛C、D、E、H、G5臺(tái)設(shè)備。公式見P296。要么掛不夠4臺(tái)，要么丟失設(shè)備信息。（3）、（4）小題見P110，答案見P296。4-4.某虛擬存儲(chǔ)器共8個(gè)頁面，每頁為1024個(gè)字，實(shí)際主存為4096個(gè)字，采用頁表法進(jìn)行地址映像。映像表的內(nèi)容如下表：實(shí)頁號(hào)裝入位3111203021100100列出會(huì)發(fā)生頁面失效的全部虛頁號(hào)答：即為所有裝入位為“0”的行所對(duì)應(yīng)的虛頁號(hào)集合：2、3、5、7按以下虛地址計(jì)算主存實(shí)際地址：0，3728，1023，1024，2055，7800，4096，6800。答：見下表P298虛地址虛頁號(hào)頁內(nèi)位移裝入位實(shí)頁號(hào)頁內(nèi)位移實(shí)地址0001303027372836560頁面失效無102301023131023409510241011010242055270頁面失效無780076320頁面失效無409640120204868006656106566564-6.設(shè)某程序包含5個(gè)虛頁面，其頁地址流為4，5，3，2，5，1，3，2，2，5，1，3。當(dāng)使用LRU算法替換時(shí)，為獲得最高的命中率，至少應(yīng)分配給該程序幾個(gè)實(shí)業(yè)？其可能的最高命中率為多少？答：見P299。至少分配4頁，最高命中率為7/12。4-7.有一個(gè)虛擬存儲(chǔ)器，主存有0~7八個(gè)虛頁，才用全相聯(lián)映像和FIFO替換算法。給出如下程序頁地址流：2，3，5，2，4，0，1，2，4，6。假設(shè)程序的2，3，5頁已先后裝入主存的第3，2，0頁位置，請(qǐng)畫出上述頁地址流工作過程中，主存各頁位置上所裝程序=各頁頁號(hào)的變化過程圖，標(biāo)出命中時(shí)刻。答：見P299。求出此期間虛存總的命中率H。H=5/10=50%4-11.考慮一個(gè)920個(gè)字的程序，其訪問虛存的地址流為20，22，208，214，146，618，370，490，492，868，916，728。若頁面大小為200字，主存容量為400字，采用FIFO替換算法，請(qǐng)按訪存的各個(gè)時(shí)刻，寫出其虛頁地址流，計(jì)算主存的命中率。答：虛頁地址流為：0，0，1，1，0，3，1，2，2，4，4，3由圖P302可得H=6/12=0.5。若頁面大小改為100字，再做一遍。答：虛頁地址流為：0，0，2，2，1，6，3，4，4，8，9，7由圖P303可得H=3/12=0.25。若頁面大小改為400字，再做一遍。答：虛頁地址流為：0，0，0，0，0，1，0，1，1，2，2，1由圖P303可得H=6/12=0.5。由（1）（2）（3）的結(jié)果可得出什么結(jié)論？答：見P303。若把主存容量增加到800字，按第（1）小題再做一遍，又可以得出什么結(jié)論？答：見P303。4-12.在一個(gè)頁式二級(jí)虛擬存儲(chǔ)器中，才用FIFO算法進(jìn)行頁面替換，發(fā)現(xiàn)命中率H太低。因此有下列建議：增大輔存容量；增大主存容量（頁數(shù)）；增大主、輔存的頁面大?。籉IFO改為LRU；FIFO改為LRU,并增大主存容量（頁數(shù)）；FIFO改為LRU,且增大頁面大小。試分析上述各建議對(duì)命中率的影響情況。答：見P303。4-15.有Cache存儲(chǔ)器。主存有0~7共8塊，Cache有4塊，采用組相聯(lián)映像，分2組。假設(shè)Cache已先后訪問并預(yù)取進(jìn)了主存的第5、1、3、7塊，現(xiàn)訪存塊地址流又為1，2，4，1，3，7，0，1，2，5，4，6時(shí)：若使用LRU替換算法，畫出Cache內(nèi)各塊的實(shí)際替換過程圖，并標(biāo)出命中時(shí)刻。答：見P305。求出此期間Cache的命中率。答：H=3/12=0.25。5-6.有一個(gè)雙輸入端的加一乘雙功能靜態(tài)流水線有一個(gè)雙輸入端的加一乘雙功能靜態(tài)流水線，由經(jīng)過時(shí)間為△t、2△t、2△t、△t的l、2、3、4四個(gè)子過程構(gòu)成．加按1—2—4連接，乘按1—3—4連接，流水線，S出設(shè)有數(shù)據(jù)緩沖器，也可將數(shù)據(jù)直接返回輸入．現(xiàn)要執(zhí)行A*（B+C*（D+E*F））+G*H的運(yùn)算，請(qǐng)調(diào)整計(jì)算順序，畫出能獲得吞吐率盡量高的流水時(shí)空?qǐng)D，標(biāo)出流水線入，出端數(shù)據(jù)的變化情況，求出完成全部運(yùn)算的時(shí)間及此期間流水線的效率．如對(duì)流水線瓶頸子過程再細(xì)分，最少只需多少時(shí)間可完成全部運(yùn)算?若子過程3不能再細(xì)分，只能用并聯(lián)方法改進(jìn)，問流水線的效率為多少?……P196-P311。[分析]因?yàn)槭羌右怀穗p功能靜態(tài)流水線，為了能有高的吞吐率，應(yīng)減少流水線的功能切換次數(shù)。因此，宜將算法調(diào)整成先一連串的乘，然后再切換成一連串的加．這樣，將計(jì)算式展開成：A*B+A*C*D+A*C*E*F+G*H對(duì)于該表達(dá)式的計(jì)算，自然應(yīng)先進(jìn)行乘法流水．為了減少因先寫后讀相關(guān)而等待的時(shí)間，應(yīng)盡量安排對(duì)計(jì)算式子項(xiàng)數(shù)量多的乘法先進(jìn)行操作．此外，由于流水線中瓶頸子過程為2△t，所以，流水輸入端最快也只能每隔2△t輸入一組數(shù)據(jù)。[解答]根據(jù)題意，對(duì)算法經(jīng)調(diào)整后，能使流水吞吐宰盡量高的流水時(shí)空?qǐng)D如圖5.11所示。圖中已標(biāo)出了流水線入、出端的數(shù)據(jù)變化情況．根據(jù)附圖21（P311）的流水時(shí)空?qǐng)D，可以