第一章計算機系統(tǒng)構造的根本概念

1.有一個計算機系統(tǒng)可按功能分成4級，每級的指令互不一樣，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)假設需第i級的N

條指令解釋第j+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)*Ks。第3級上等效程序需運行：(N/M)*(N/M)*Ks。第

4級上等效程序需運行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks。

note:由題意可知：第i級的一條指令能完成第i-1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c但是實現(xiàn)的性能價格比，實現(xiàn)的難易程序不同C

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)存技術的不斷開展，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)構造、計算機組成與計算機實現(xiàn)之間的相互關系與影響。

答：計算機系統(tǒng)構造、計算機組成、計算機實現(xiàn)互不一樣，但又相互影響。

(1)計算機的系統(tǒng)構造一樣，但可采用不同的組成。如舊M370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、機器語言程序設計者看到的概念性構造一樣，

均是由中央處理機/主存，通道、設備控制器，外設4級構成。其中，中央處理機都有一樣的機器指

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展，在高檔機上采用重疊、流水

或具它并行處理方式。

〔2〕一樣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

VLSI單片，也可用多片小規(guī)模集成電路組搭。

13）計算機的系統(tǒng)構造不同，會使采用的組成技術不同，反之組成也會影響構造。如為實現(xiàn)

A:=B+CD:=E*F,可采用面向存放器的系統(tǒng)構造，也可采用面向主存的三地址尋址方式的系統(tǒng)構造。

要提高運行速度，可讓相加與相乘并行，為此這兩種構造在組成上都要求設置獨立的加法器和乘法

器。但對面向存放器的系統(tǒng)構造還要求存放器能同時被訪問，而對面向主存的三地址尋址方式的系

統(tǒng)構造并無此要求，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

成影響構造的典型。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，改變構造。如果

沒有組成技術的進步，構造的進展是不可能的。

綜上所述，系統(tǒng)構造的設計必須結合應用考慮，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備采用的組成技術。應防止過多地或不合理地限制各種組成、實現(xiàn)技術的采

用和開展，盡量做到既能方便地在低檔機上用簡單廉價的組成實現(xiàn)，又能在高檔機上用復雜較貴的

組成實現(xiàn)，這樣，構造才有生命力；組成設計上面決定干構造，下面受限干實現(xiàn)技術c然而，它可

與實現(xiàn)折衷權衡。例如，為到達速度要求，可用簡單的組成但卻是復雜的實現(xiàn)技術，也可用復雜的

組成但卻是一般速度的實現(xiàn)技術。前者要求高性能的器件，后者可能造成組成設計復雜化和更多地

采用專用芯片O

組成和實現(xiàn)的權衡取決于性能價格比等因素；構造、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的開展更使構造

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)構造，以下哪些是透明的？哪些是不透明的？

存儲器的模m穿插存取；浮點數(shù)據(jù)表示；I/O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；通道是采用結合型還是獨立型；PDP-11系列的單總線構

造；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穿插存取；數(shù)據(jù)總線寬度；陣列運算部件；通道是采用結合型還是

獨立型；PDP-11系列的單總線構造串行、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；I/O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？

指令地址存放器；指令緩沖器；時標發(fā)生器；條件存放器；乘法器；主存地址存放器；磁盤外設；

先行進位鏈；移位器；通用存放器；中斷字存放器。

答：透明的有：指令緩沖器、E寸標發(fā)生器、乘法器、先進先出鏈、移位器、主存地址存放器。

6.以下哪些對系統(tǒng)程序員是透明的？哪些對應用程序員是透明的？

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；指令緩沖存放器C

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；指令緩沖存放器;

對應用程序員透明的有：系列機各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度；Cache存儲器；指令緩沖存放器;

虛擬存儲器；程序狀態(tài)字；''啟動1/0〃指令。

note:系列機各檔不同的數(shù)據(jù)道路寬度、Cache存貯器、指令緩沖存放器屬于計算機組成，對系統(tǒng)

和程序員和應用程序員都是透明的。

虛擬存貯器、程序狀態(tài)字、''啟動I/O"指令，對系統(tǒng)程序員是不透明的，而對應用程序員卻

是透明的。

''執(zhí)行〃指令那么對系統(tǒng)程序員和應用程序員都是不透明的。

7.想在系列機中開展一種新型號機器，你認為以下哪些設想是可以考慮的，哪些那么不行的？為什

么？

新增加字符數(shù)據(jù)類型和假設干條字符處理指令，以支持事務處理程序的編譯。

〔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)整中斷響應的優(yōu)先次

序。

〔3〕在CPU和主存之間增設Cache存儲器，以克制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。號通用存放器改作堆棧指示器。

答：可以考慮的有：134,6,7。不可以考慮的有：2,5,8o

原那么是看改良后能否保持軟件的可移植性C

P.S.為了能使軟件長期穩(wěn)定，就要在相當長的時期里保證系統(tǒng)構造根本不變，因此在確定系列

構造時要非常慎重。其中最主要是確定好系列機的指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示及概念性構造。既要考慮滿

足應用的各種需要和開展，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，即使用復

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種根本構造？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根本構造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構造。

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實現(xiàn)空間上的并行。它主要應解決：處理單元靈活、規(guī)律的互連

模式和互連網(wǎng)絡設計，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，到達時間和空間上的異步并行。它主要應解決：處理機間互連等硬件構造，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)的相關性制約。數(shù)據(jù)是以表

示某一操作數(shù)或參數(shù)已準備就緒的數(shù)據(jù)令牌直接在指令之間傳遞。它主要應解決：研究適宜的硬件

組織和構造，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性能目標是什么？

答：1一算機系統(tǒng)的3T性能目標是1TFL0PS計算能力JTBYTE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)構造和機器的數(shù)據(jù)表示之間是什么關系？確定和引入數(shù)據(jù)表示的根本原那么是什么？

答：數(shù)據(jù)表示是能由硬件直接一只別和引用的數(shù)據(jù)類型c數(shù)據(jù)構造反映各種數(shù)據(jù)元素或信息單元之

間的構造關系。

數(shù)據(jù)構造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)構造的

組成元素。不同的數(shù)據(jù)表示可為數(shù)據(jù)構造的實現(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)構造是軟件、硬件的交界面。

除根本數(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那么：

〔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)構造所

提供的支持有什么不同？

答：標志符數(shù)據(jù)表示與描述符數(shù)據(jù)表示的差異是標志符與每個數(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)構造的

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.堆棧型機器與通用存放器型機器的主要區(qū)別是什么？堆棧型機器系統(tǒng)構造為程序調(diào)用的哪些操作

提供了支持？

答：通用存放器型機器對堆棧數(shù)據(jù)構造實現(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C

而堆棧型機器那么不同，表現(xiàn)在：（1）有高速存放器組成的硬件堆棧，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存放器的，容量是主存的；（2）豐富的堆棧指令可對堆棧中的數(shù)

據(jù)進展各種運算和處理；（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)構造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、

關鍵存放器的內(nèi)容等全部壓入堆棧，待子程序返回時，再從堆棧中彈出。

4.設某機階值6位、尾數(shù)48位，階符和數(shù)符不在其內(nèi)，當尾數(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,

p=6,m=48,rm=8(m'=16)p=6,m=48,rm=16(m'=12)

=48)

最小階(非負階，最小

000

為0)

最大階(2午?1)2A6-12A6-12A6-1

最小尾數(shù)值(rmA(?1))1/21/81/16

最大尾數(shù)值

1-2A(-48)1-8A(-16),即(1-2八(?48))1-16A(-12),即(1-2八(-48))

可表示的最小值1/21/81/16

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

階的個數(shù)(2%)2A62A62A6

可表示的尾數(shù)的個數(shù)2A48*(2-1)/28A16*(8-1)/816Al2*(16-1)/16

可表示的規(guī)格化數(shù)的

2A6248*(2」)/22A6*876*(8-1)/82A6*1672*(16-1)/16

個數(shù)

note:可表示的最小值二rmA(最小階)*最小尾數(shù)值二rmA0*rmA(-1)=rmA(?1)；

可表示的最大值=g八(最大階)*最大尾數(shù)值=rmA(2Ap-1)*(1-rmA(-m));

可表示的尾數(shù)的個數(shù)=rmArrT*(rm-1)/rm;

可表示的規(guī)格化數(shù)的個數(shù)二階的個數(shù)*尾數(shù)的個數(shù)=2Ap*rmAm~(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”=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)。

⑵對于rp=2,p=2,rm=4,rrT=2,重復以上計算。

解依題意列下表:

p=2,rm=10,m'=1p=2,rm=41m'=2

最小尾數(shù)值10A-1=0.147=0.25

最大尾數(shù)值1-10A-1=0.91-4A-2=15/16

最大階值2pA-1=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2A3<10<2A4,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位結果，設計使下溢

處理平均誤差接近于零的ROM表，列出ROM編碼表地址與內(nèi)容的對應關系。

解：ROM編碼表地址與內(nèi)容的對應關系

000000001001010010011011100100101101110110111111

地址

0101010101o10101

內(nèi)容000001001010010011011100100101101110110111111111

7.變址尋址和基址尋址各適用于何種場合？設計一種只用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。

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，用基址存放器

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合可訪

問大地址任意64個地址之一。比方地址空間很大，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：比方地址空間很大，1024,就是分成16個塊，塊號放在存放器中，塊內(nèi)地址放在地址位中，

存放器內(nèi)容和地址位結合，就能到達要求了。

8.經(jīng)統(tǒng)計，某機器14條指令的使用頻度分別為：

0.01,0.15,0.12,0.03,0.02,0.04,0.02,0.04,0.01,0.13,0.15,0.14,0.11,0.03o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.假設某機要求：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2A(12-3-3-3)=8條，現(xiàn)三地址指令需4條，

二.可有4條編碼作為擴展碼，

單地址指令最多為4*2八3乂2八3二2八8二256條，

現(xiàn)要求單地址指令255條，，可有一條編碼作擴展碼

.?一零地址指令最多為1x2”=8條

不滿足題目要求

，不可能以擴展碼為其編碼。

②假設單地址指令254條，可以用擴展碼為其編碼。

,?依據(jù)①中推導，單地址指令中可用2條編碼作為擴展碼

二.零地址指令為2、2八3=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*2八6=256條，但由于

涯目要求要有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*2八3=8(這是12位編碼中最后三位的)假設只要求254種，那么

可以有(256-254)*2八3=16條

10.某機指令字長16位。設有單地址指令和雙地址指令兩類。假設每個地址字段為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))、2八6

P.S.雙地址指令最多是2A(16-6-6)=2A4=16條，現(xiàn)雙地址指令有X條，

可有(16?X)條編碼作為擴展碼，

二.單地址指令最多為(16次)><2八6=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局部的指令格式優(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，如存放器-存放器型、存放器-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%JOM（按負轉(zhuǎn)移）6%

STO（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。設該機有假設干通用存放器，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，短指令為存放器-存放器型，長指令為存放器-主存型，主與地址應能變

址尋址。

（1）僅根據(jù)使用頻率，不考慮其它要求，設計出全Huffman操作碼，計算其平均碼長；

（2）考慮題目全部要求，設計優(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存放器？

（4）畫出該機兩種指令字格式，標出各字段之位數(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

I224%0001

I320%0110

I47%110011000

I57%110111001

I66%111011010

I73%1111011011

I82%11111011100

I91%11111111101

西個馬pili2.612.78

(3)8個。

(4)兩種指令格式如以下圖所示：

2位3位3位

OPR1R2

操作碼存放器1存放器2

5位3位3位5位

0PR1Xd

操作碼存放器1變址存放器相對位移

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.設計RISC機器的一般原那么及可采用的根本技術有那些？

答：一般原那么：(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)擴大通用存放器個數(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)。

根本技術：

(1)按RISC一般原那么設計，即確定指令系統(tǒng)時，選最常用根本指令，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)和微程序相結合。即大多數(shù)簡單指令用硬聯(lián)方式實現(xiàn)，功能復雜的指令用

微程序?qū)崿F(xiàn)。

(3)用重疊存放器窗口。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RISC機器中設有大量存放囂，井讓各過程的存放器窗口局部重疊。

(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，使預取指

令不作廢，節(jié)省一個機器周期。

(5)優(yōu)化設計編譯系統(tǒng)。即盡力優(yōu)化存放器分配，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.簡要比擬CISC機器和RISC機器各自的構造特點，它們分別存在哪些缺乏和問題？為什么說今

后的開展應是CISC和RISC的結合？

答：CISC構造特點：機器指令系統(tǒng)龐大復雜c

RISC構造特點：機器指令系統(tǒng)簡單，規(guī)模小，復雜度低。

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，增加設計人員負擔。

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

語言程序設計負擔，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RISC和CISC各有優(yōu)缺點，在設計時，應向著兩者結合，取長補短方向開展。

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：

控制方式優(yōu)點缺點

(1)對“總線可用〃線及其有關電路失效敏感。

⑴選擇算法簡單。(2)靈活性差，如果高優(yōu)先級的部件頻繁要求使用總

⑵控制線數(shù)少，只需要3根，線，離總線控制器遠的部件就難以獲得總線使用權。

串行鏈接

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件，總

(3)可擴大性好。線的分配速度慢，

(4)受總線長度的限制，增減和移動部件受限制。

(1)靈活性強，部件的優(yōu)先次序(1)總線的分配速度不能很高。

由程序控制。(2)控制較為復雜。

定時查詢

(2)可靠性高，不會因某個部件(3)控制線數(shù)多，需要2+log2N根。

失效而影響其它部件使用總線。(4)可擴大性差。

(1)靈活性強，部件的優(yōu)先次序(1)控制較為復雜。

獨立請求由程序控制。(2)控制線數(shù)多，要控制N個設備，需要有2N+1根

(2)能方便地隔離失效部件的請控制線。

求。

(3)總線的分配速度快。

2.設中斷級屏蔽位''1〃對應于開放，'、0〃對應于屏蔽，各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位設置如下：

中斷處理程序中斷級屏蔽位

級別1級2級3級4級

第1級0000

第2級1010

第3級1000

第4級1010

⑴當中斷響應優(yōu)先次序為1-2-3d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，中斷響應和中斷返回時間相對中斷處理時間少

得多。當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)當中斷響應優(yōu)先次序為1-2-3>4時，其中斷處理次序為1-3—

⑵

寺返回

向現(xiàn)場

2

32

32

22

22

22

中斷處理程序為1->3-乂-2的例子

3.假設機器共有5級中斷，中斷響應優(yōu)先次序為1-2-3UU5,現(xiàn)要求其實際的中斷處理次求序

1-4T5T2T3。

(1)設計各級中斷處理程序的中斷級屏蔽位(令''1〃對應于開放，''0〃對應于屏蔽)；

(2)假設在運行用戶程序時，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)中斷級屏蔽位設置如以下圖：

中斷級屏蔽位

中斷處理程序

12345

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)，進展排隊器。

首先響應第2級中斷請求，屏蔽字為

01100，說明其對第4級中斷請求開放，所以轉(zhuǎn)

去響應第4級中斷請求并進展處理。

響應4,中斷4運行完畢，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)

去響應第1級中斷請求并進展處理。

響應第5級中斷請求并進展處理。

繼續(xù)響應并處理第2級中斷處理請求,

完畢后返回用戶程序。

最后處理第3級中斷請求。

4.簡近字節(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備。這些設備傳送一個字符（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)穿插方式輪流為多

臺設備效勞，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備。這些設備的傳送速率很高，但傳送開場前的

尋址輔助操作時間很長。通道'、數(shù)據(jù)寬度〃為定長塊，多臺設備以成組穿插方式工作，以充分利用

并盡可能重疊各臺高速設備的輔助操作時間。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備。

5.如果通道在數(shù)據(jù)傳送期中，選擇設備需9.8質(zhì)，傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)需0.2ps。某低速設備每隔500ps

發(fā)出一個字節(jié)數(shù)據(jù)傳送請求，問至多可接幾臺這種低速設備？對于如下A~F6種高速設備，一次通

訊傳送的字節(jié)數(shù)不少于1024個字節(jié)，問哪些設備可以掛在此通道上？哪些那么不能？其中A-F設備

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ps):

表3?5

設備ABCDEF

發(fā)申請間隔(US)0.20.250.50.190.40.21

答：(1)至多可連接50臺低速的外設。

剖析：根據(jù)題意可知：低速設備應掛接在字節(jié)多路通道上，字節(jié)多路通道的通道極限流量為：

fmax.byte=1/(TS+TD)>=fbyte

通道極限流量應大于或等于設備對通道要求的流量fbyteo

如果字節(jié)多路通道上所掛設備臺數(shù)為m,設備的速率為fi,為了不喪失信息，應滿足：

1/(TS+TD)>=m*fi

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

m<=1/((TS+TD)*f)=500/(9.8+0.2)=50(^)

(2)設備B,C,E,F可以掛在此通道上，設備A,D那么不能。

剖析：

思路一：從傳送字節(jié)速率上入手。

A?F是高速設備，應掛接在選擇通道上，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(^)

通道上所掛設備的最大速率fi.max應小于或等于通道的極限流量。

由表3-5可得出

設備ABCDEF

傳送速率(B/us)1/0.21/0.251/0.51/0.191/0.41/0.21

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9.8ps+1024x0.2ps=214.6ps

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

設備ABCDEF

傳送時間(uS)204.8256512194.56409.6215.04

.??為使數(shù)據(jù)不喪失，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，某數(shù)據(jù)傳送速率分別如表中所列。

設備123456

傳送速率(KB/s)5015100254020

(1)計算所有設備都工作時的通道實際最大流量：

(2)如果設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，以滿足流量設計的根本要

求，同時讓速率越高的設備被響應的優(yōu)先級越高。當6臺設備同時發(fā)出請求開場，畫出此通道在數(shù)

據(jù)傳送期內(nèi)響應和處理各外設請求的時間示意圖。由此你發(fā)現(xiàn)了什么問題？

(3)在⑵的根底上，在哪臺設備內(nèi)設置多少個字節(jié)的緩沖器就可以防止設備信息喪失？那么，這是否

說書中關于流量設計的根本要求是沒有必要的了呢？為什么？

解：(1)實際最大流量=5U+15+IU0+25+4U+2U=250KB/S。

(2)通道響應和處理各設備請求的時間示意圖

T表示設備提出申請的時刻

?表示通道處理完設備申請的時刻

由此發(fā)現(xiàn)由于高速設備的響應優(yōu)先級高，使低速設備2造成數(shù)據(jù)喪失。

(3)在2中各設兩個字節(jié)的緩沖區(qū)即可。這并不說明流量設計的根本條件是不必要的，因為假設根本

條件不滿足，無論設備優(yōu)先級如何確定總有設備的信息會喪失。

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

設備123456

發(fā)申請間隔(US)2067(約)10402550

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AI和A2),兩個數(shù)組多路通道B1和

B2及一個選擇通道C構成，各通道所接設備和設備的數(shù)據(jù)傳送速率如表所示。

(1)分別求出各通道應具有多大設計流量才不會喪失信息；

(2)設I/O系統(tǒng)流量占主存流量的1/2時才算流量平衡，那么主存流量應到達多少？

通道號所接設備的數(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B1500400350250

數(shù)組多路通道B2500400350250

選擇通道C500400350250

解：(1)要不喪失信息，各通道需要到達的流量：字節(jié)多路通道子通道A1O25KB/S;字節(jié)多路通道

子通道A2O25KB/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/so

(2)主存流量應到達4MB/SO

剖析：(1)設備要求字節(jié)多路通道或其子通道的實際最大流量，是該通道所接各設備的字節(jié)傳送速

率之和；

設備要求數(shù)組多路通道或選擇通道的實際最大流量，是該通道所接各設備的字節(jié)傳送速率中的

最大者。

(2)1/0系統(tǒng)中，各種通道和子通道可以并行工作，因此，I/O系統(tǒng)的最大流量應等于各通道最

大流量之和。

第四章存儲體系

1.設二級虛擬存儲器的TA1=10-7s.TA2=10-2s,為使存儲層次的訪問效率e到達最大值的80%以

上，命中率H至少要求到達多少？實際上這樣高的命中率是很難到達的，那么從存儲層次上如何改

良？

AA

解：e=TA1/TA=TA1/(H*TA1+(1-H)*TA2)>80%,H>(105-5/4)/(105-1)o

這樣的命中率很難到達。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單字穿插存儲器中，設訪存申請隊的轉(zhuǎn)移概率入為25%,求每個存儲周期能訪

問到的平均字數(shù)。當模數(shù)為16呢？由此你可得到什么結論？解：B=[1-(1-X)Am]/入

解：由X=0.25,m=32求得：B=4-4*(3/4)A32

同理，m=16時,B=4-4*(3/4)A16

可得出，在入=0.25時，m=32的平均訪問字數(shù)大于m=16時的平均訪問字數(shù)。

3、設主存每個分體的存取周期為2Ps,寬度為4個字節(jié)。采用模m多分體穿插存取，但實際頻寬

只能到達最大頻寬的0.6倍。現(xiàn)要求主存實際頻寬為4MB/S,問主存模數(shù)m應取多少方能使兩者速

度根本適配？其中m取2的事。

解：m=4

剖析：根據(jù)題意，模m多分體穿插的最大頻寬為：分體數(shù)*單體頻寬=m*分體的寬度/分體的存取周

ffl=m*4B/2Ps,所以有0.6*m*4/2>=4o

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，采用頁表法進展地址映象。

映象表的內(nèi)容如下表所示C

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)按以下虛地址計算主存實地址：0,3728,1023,1024,2055,7800,4096,6800。

解：⑴會發(fā)生頁面失效的全部虛頁號為：2,3,5,7。

(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,當裝入位為0時，即為頁面失效，再找出相對應的虛頁號即可。

（2）虛頁號二虛地址/頁面大小

頁內(nèi)位移量二虛地址?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

應的實地址，但這樣要在頁表中建立新的虛實地址對應關系，新的虛實地址對應關系和原來的對應

關系一樣的可能性就很小了。

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所在位置在輔與上實頁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丈?

(2)當程序中遇到以下情況時

方式段頁頁內(nèi)位移

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的主存實地址

的情況如下表所示：

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816484無

取數(shù)0250無有無無/

取數(shù)205有/無無/

轉(zhuǎn)移至此3060無無1428732有

剖析：（1）虛地址中段號有2位，頁號有2位，也就是每個程序最多只能有2A2=4個段，每個

段至多只能有2A2=4頁，所以該地址空間中共有4*4=16個虛頁。

（2）先從題意得知：

實地址：15位，其中實頁號4位，頁內(nèi)位移11位

頁大小為2K字（由頁內(nèi)位移得知〕

6.設某程序包含5個虛頁，其頁地址為4,5,3,2,5,1,3,2,2,5,1,3。當使用LRU算法

替換時，為獲得最高命中率，至少應分配給該程序幾個實頁？其可能的最高命中率為多少？

頁地址流4532513225-13

22

332

堆

棧13

1

4

n=2

n=3

n=4

n>=5

使用LRU算法對頁地址流進行堆棧處理

7.采用頁式

管理的虛擬存儲器，分時運行兩道程序。其中，程序X為

DO501=1,3

B(I)=A(I)-C(I)

IF(B(I)?LE-0)GOTO40

D(I)=2*C(I)-A(I)

IF(D(I)?EQ?0)GOTO50

40E(l)=0

50CONTINUE

Data:A=(-4,+2,0)

C=(-3,0+1)

每個數(shù)組分別放在不同的頁面中;而程序Y在運行過程中，其數(shù)組將依次用到程序空間的第

3,5,42,5,3,1,3,2,5,1,3,1,5,2頁。如果采用LRU算法，實存卻只有8頁位置可供存放數(shù)組之用。試

問為這兩首程序的數(shù)組分別分配多少個實頁最為適宜？為什么？

解答：分別分配給程序X和Y的數(shù)組4個實頁最為適宜。

根據(jù)題意，程序X依次調(diào)用數(shù)組A,C,B,B,E,A,C,B,B,C,A,D,D,E,A,C,B,B,E中的數(shù)據(jù)。