1.1

1層次結(jié)構(gòu)：按照計算機語言從低級到高級的次序，把計算機系統(tǒng)按功能劃分成多級層

次結(jié)構(gòu)，每一層以一種不同的語言為特征。這些層次依次為：微程序機器級，傳統(tǒng)機器語言

機器級，匯編語言機器級，高級語言機器級，應(yīng)用語言機器級等。

計算機系統(tǒng)由硬件/器件和軟件組成，按功能劃分成多級層次結(jié)構(gòu)

第0級級和第I級是具體實現(xiàn)機器指定功能的中央控制部分。

第2級是傳統(tǒng)機器語言機器

第3級是操作系統(tǒng)機器。

第4級是匯編語言機器

第5級是高級語言機器

第6級是應(yīng)用語言機器

2計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)機器程序員所看到的計算機屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。

3計算機組成：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，包含物理機器級中的數(shù)據(jù)流和控制流的組

成以及邏輯設(shè)計等。

4計算機實現(xiàn)：計算機組成的物理實現(xiàn)，包括處理機、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的

集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號傳輸，電源、冷卻及整機裝配技術(shù)等。

5透明性：在計算機技術(shù)中，把這種本來存在的事物或?qū)傩?，但從某種角度看又好像不

存在的概念稱為透明性。

6由上往下設(shè)計：也稱“由頂向低”設(shè)計。根據(jù)滿足應(yīng)用要求，定好面向應(yīng)用的那個虛

擬機器級的特性和工作環(huán)境，再逐級向下設(shè)計。由上向下設(shè)計師一種串行設(shè)計方法，設(shè)計周

期長，是一種對環(huán)境要求比較穩(wěn)定的專用機設(shè)計方法。

7由下往上設(shè)計：也稱“由底向頂”設(shè)計，根據(jù)目前能用的器件，參照、吸收已有各種

機器的特點，將微程序機器級和傳統(tǒng)機器級研制出來。然后加配適用的操作系統(tǒng)和編譯系統(tǒng)

軟件。該類設(shè)計一體式串行設(shè)計，同樣會延長設(shè)計周期，現(xiàn)在已經(jīng)很少使用。

8系列機：由同一廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列不同

型號的計算機。

9軟件兼容：一個軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺計算機移植到另一

臺計算機上運行。差別只是執(zhí)行時間的不同。

10兼容機：由不同公司廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機。

11模擬：用軟件的方法在一臺現(xiàn)有的計算機（稱為宿主機）上實現(xiàn)另一臺計算機（稱

為虛擬機）的指令系統(tǒng)。

12仿真：用一臺現(xiàn)有計算機（稱為宿主機）上的微程序去解釋實現(xiàn)另一臺計算機（稱

為目標機）的指令系統(tǒng)。

13虛擬機：用軟件實現(xiàn)的機器。

14宿主機：指要安裝虛擬機軟件的計算機。

如果A計算機上實現(xiàn)B計算機的指令系統(tǒng)，通常采用解釋方法完成，即B機器的每一條指令

用一段A機器的指令進行解釋執(zhí)行，如同A機器上也有B機器的指令系統(tǒng)一樣。A機器成為

宿主機，被模擬的B機器成為虛擬機。

15指令流：是指操作過程中涉及到的信息流動。機器執(zhí)行的指令序列

16數(shù)據(jù)流：是一組有序，有起點和終點的字節(jié)的數(shù)據(jù)序列。

17Amdahl定律：當對一個系統(tǒng)中的某個部件進行改進后，所能獲得的整個系統(tǒng)性能的

提高，受限于該部件的執(zhí)行時間占總執(zhí)行時間的百分比。

Amdahl定律：加速比=（采用改進措施后的性能）/（沒有采用改進措施前的性能）

二（沒有采川改進措施前執(zhí)行某任務(wù)的時間）/（采用改進措施執(zhí)行某任

務(wù)的時間)

18CPI：每條指令執(zhí)行的平均時鐘周期數(shù)。CPU時鐘周期數(shù)目/IC

19MIPS：單字長定點指令平均執(zhí)行速度的縮寫，每秒處理的百萬級的機器語言指令數(shù)。

每秒百萬條指令數(shù)。=指令條數(shù)/執(zhí)行時間Xl()-6=時鐘評率/CPIX1"6

20MFL0PS：衡量計算雙系統(tǒng)的技術(shù)指標。程序中的浮點操作數(shù)/執(zhí)行時間XIO,6每秒百

萬次浮點數(shù)

1.2解.：這兒要注意的是第?級是最低的級別，而不是最高的級別。

第二級：NKns第三級：N2Kns第四級：N:，Kns

1.3

可以加快操作系統(tǒng)操作命令解釋的速度。同時也節(jié)省了存放解釋操作命令這部分解釋程

序所占用的空間。簡化了操作系統(tǒng)機器級的設(shè)計。也有利于減少傳統(tǒng)機器級的指令條數(shù)。

1.4

答:第2級上等效程序需運行：(N/M)*Ks0第3級匕等效程序需運行：(N/M)*(N/M)*Ks.

第4級上等效程序需運行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks.

固件來實現(xiàn)用硬件實現(xiàn)的功能也可以用軟件進行模擬來完成。但在速度、價格、實現(xiàn)的難易

程度上是不同的。對于任何一種功能來說用軟件實現(xiàn)的優(yōu)點是設(shè)計容易、修改簡單而月.可以

減少硬件成本。但其缺點是所實現(xiàn)的功能的速度較慢。用硬件實現(xiàn)的優(yōu)點是速度快、性能高

但它修改困難靈活性差。

等效：實現(xiàn)邏輯功能，原理上軟件的功能可用硬件或者固件完成，硬件的功能也可以用

軟件模擬完成不等效：實現(xiàn)性能上

1.6

計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成和計算機實現(xiàn)是3個天同的概念。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是指令

系統(tǒng)及其模型；計算機組成是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)；計算機實現(xiàn)是計算機組成的物理

實現(xiàn)。它們各自包含不同的內(nèi)容和采用不同的技術(shù)，但又有緊密的關(guān)系。

下面是具體比較：

(1)計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，但可采用不同的組成。如IBM370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VLSI

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。乂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備采用的組

能方便地在低檔機上用簡單便宜的組成實現(xiàn)，又能在高檔機上用友:雜較貴的組成實現(xiàn),這樣,

結(jié)構(gòu)才有生命力;組成設(shè)t-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)折史

權(quán)衡。例如，為達到速度要求，可用簡單的組成但卻是復雜的實現(xiàn)技術(shù)，也可用復雜的組成

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)計兔雜化和更多

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。

1.7

(1)從指定角度來看，不必要了解的知識稱為透明性概念。

(2)見下表，“J”為透明性概念，“P”表示相關(guān)課文頁數(shù)。

模m交叉，J,浮點數(shù)據(jù)，X,P4通道與I/O處理機，X,P4

總線寬度，J，陣列運算部件，X,結(jié)合型與獨立型通道，V,

單總線，J,訪問保護，X,中斷，X,

指令控制方式，J，堆枝指令，X,最小編址單位，X,

Cache存儲器，J,

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交義存取：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、歪桎還是流水控制方式；Cache存儲器。

不透明的有：浮點數(shù)據(jù)表示；I/O系統(tǒng)是采用通道力.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。

P.S.

屈廣計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的屬性右：數(shù)據(jù)表示、尋址方式、寄存器組織、指令系統(tǒng)、存儲組

織、中斷機構(gòu)、I/O結(jié)構(gòu)、保護機構(gòu)等。

屬于組成的屬性有：數(shù)據(jù)通路寬度、專用部件設(shè)置、功能部件并行度、控制機構(gòu)的組成

方式，可靠性技術(shù)等。它著眼于機器內(nèi)各事件的排序方式,控制機構(gòu)的功能及部件間的關(guān)系。

屬于實現(xiàn)的屬性有：部件的物理結(jié)構(gòu)、器件、模塊的劃分與連接、微組裝技術(shù)、信號傳

輸技術(shù)等,它著眼于器件技術(shù)和微組裝技術(shù)。

1.8見下表，為透明性概念，“P”表示相關(guān)課文頁數(shù)。

指令地址寄存器，X,指令緩沖器，J,時標發(fā)生器，J,

條件碼寄存器，X,乘法器，J,主存地址寄存器，J,

磁盤，X,先行進位鏈，J,移位器，J,

通用寄存器，X,中斷字寄存器，X,

1.9見下表，表示都透明，“應(yīng)”表示僅對應(yīng)用程序員透明，“X”表示都不透明,

數(shù)據(jù)通路寬度，虛擬存儲器，應(yīng)，Cache存儲器，V,

程序狀態(tài)字，X,“啟動I/O”指令，應(yīng)，“執(zhí)行”指令，X,

指令緩沖寄存器，V,

1.9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；但動i/。'指令；執(zhí)行〃指令；指令緩沖器。答：①對

系統(tǒng)程序員和應(yīng)用程序員均透明的：是全用硬件實現(xiàn)的計算機組成

所包含的方面。有：數(shù)據(jù)通路寬度、cache存儲器、指令緩沖器。

②僅對應(yīng)用程序員透明的：是一些軟硬件結(jié)合實現(xiàn)的功能。有：虛

擬存儲器、程序狀態(tài)字、用動i/。'指令。③均不透明的：執(zhí)行〃

指令。

1.10

(1)采用系列機方法，只能在具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的各種機器之間實現(xiàn)軟件移植，一般是

一個廠家生產(chǎn)的機器

(2)采用模擬與仿真的方法，可在不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的機器之間相互移植軟件，對于使用^

率較高的指令，盡可能用仿真方法以提高運算速度，而對于使用頻率低且難于用仿

真實現(xiàn)的指令則用模擬方法來實現(xiàn)。

(3)采用統(tǒng)一的高級語言方法，可以解決結(jié)構(gòu)相同或完全不同的各種機器上的軟件移植,

但是，要統(tǒng)一高級語言，語言的標準化很重要，但難以在短期內(nèi)解決。

1.11解：系列機是指由同一廠家生產(chǎn)并具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機，但具有不同的計算機

組成與實現(xiàn)。

可行:(1)⑶⑷⑹⑺

不可行：(2)(5)(8)

1.12己知Se=20,求作Fe-Sn關(guān)系曲線。

將S。代入Amdahl定律得

s〃=

1.13上式中令Sn=2,解出Fe=10/19-0.526Fe

1.14上式中令Sn=10,解出Fe=18/1900.947

1.15已知兩種方法可使性能得到相同的提高，問哪一種方法更好。

(1)用硬件組方法,已知Se=40,Fe=0.7,解出Sn=40/12.7*3.1496(兩種方法得到的

相同性能)

(2)用軟件組方法，已知Sc=20,Sn=40/12.7,解出Fc=27.3/3840.7184(第二種方法

的百分比)

(3)結(jié)論：軟件組方法更好。因為硬件組需要將Sc再提高100%(20-40),而軟件組只

需將Fe再提高1.84%(0.7-0.7184)。

1.16

解：

對該應(yīng)用程序來說，來90%的時向*50000*10%=5000條指令在運行,共他的

45000條指6的平均運行次數(shù)很少，因此，可以假防對它們來說,Cache總是缺失的.

對物繁訪問的這10%的指令,假設(shè)它們訪問均勻.這樣,Cache的行為便可以認為是均

勻廈拓了這些指令.所以，

10%的疥令承擔了90%的指令訪問,指令訪問次數(shù)(50000*10%)/90%

命中次教2000

Cache的命中率為：H=2000/|(50000*10%)/90%1=0.36

1.17

假設(shè)而速緩〃Qchc【.作速度為I：r的5倍.ILCache被訪問命中的概率為90%,則采用

Cdcho后,他便翻個存儲使蛻獲得多系統(tǒng)加速比?

解：

兀=生=______!__

T-(|-丘)+?-

I5…

=--------=—*3.57

I-0.9+—1,4

5

S“=----1八八=~3.57

14

0.1+竺

5

1.18記f——時鐘頻率，T=l/f——時鐘周期，B——帶寬(Byte/s)。

1x4

方案一:B,=—=4f(Byte/s)

方案二：B2=75%x4=3.5f(Byte/s)

實際帶寬=2肥口"75%[2=().875字/時抑周期

2

1.19由各種指令條數(shù)可以得到總條數(shù)，以及各百分比，然后代公式計算。

4

/c=ZC=1()5

1=1

IC

(1)CPI=E4(CPIjX—L)=1X0.45+2X0.32+2x0.15+2x0.08=1.55

i=iIC

Ox1()640

⑵MIPS=f之25.806

CPIxIO6-1.55X106-L55

IC1.55

(3)T=a0.003876(秒)

M/PSxlO6400

1.20

解：（a）f=l5M?z,MIPS=IO,每次存取時間為2個時鐘周期

二15x106

有效CP/==1.5

.W/PSxlO6-10xl06

（b）/=3UW〃二存儲系統(tǒng)的速率不變,但每次存取為2個時鐘周期

30%指令每條只需要次存儲存取?改進前共需1周期，改進后共需2周期

而另外我每條需要兩次存儲存取,改進前共需2周期，改進后共需4周期

CP%=CP/^+30%x(2-l)+5%x(4-2)=1.9

/_3OxlO6

MIPS=

CP/xIO6-l.9x|06

T“Jc.CPQx/二

7rxCP/wxrw

1.21

(1)CP/=1x0.6+2x0.18+4x0.12+8x0.1=2.24

⑵吟而孺=券磊5%

1.22

1.(6分)

因為MIPS=T''

所以每臺計算機銀個程序用MIPS速率如卜表所示:

MIPS速率（百萬指令/秒）

胡

計算機A計算機B計算機C

程序15052.5

程序20.050.52.5

斷30.10.051

程序40.50.06250.5

由上述MIPS速率可知，每個計完機對四個程序有不同的處理時間，而且大小就不同,

所以不能知出明確結(jié)論.

2.（4分）

可以采取平均的方法耒比較各計算機的相對性能:

WPS速率（百萬指令/秒）

平均執(zhí)行時間

計算機A計算機B計算機C

算術(shù)平均（AM）12.651.4051.625

兒何平均（GM）0.5950.2951.33

調(diào)和平均（IN）0.1250.101.05

如果按照算術(shù)平均AM比較性能，計算機A最快，計算機C最慢，如果按照調(diào)和平均HM

比較性能，結(jié)果恰好相反.

1.23

算術(shù)平均=(1/10)

(10.07+8.9+8.345.0+8.7+9.0+9.7+11.1+7.8+5.6)

=8.48MFLOPS

幾何平均，(U(ETR))=&247MFLPOS

麻口平均=7.99

1.24記Tc——新方案時鐘周期，已知CPI=CPL=1

原時間=CPIXICX0.95Tc=0.95ICXTc

新時間=（0.3X2/3+0.7）XICXTc=0.9ICXTc

二者比較，新時間較短。

1.28解：原始MFL0PS=195578/（10.8X106）=0.018

正則化后MFL0PS=195578/（13.6X106）=0.014

指令正則化后的具體值=f/CPI=16.6M/（6X106）=2.77

2.2解：

注意：位數(shù)用補碼、小數(shù)表示，階碼用移碼、整數(shù)表示。

1）最大正尾數(shù)：1一166

2）最小正尾數(shù)：16T

3）最小負尾數(shù)：一1

4）最大負尾數(shù):—（16-1+16-6）

5）最大階碼:26—1

6）最小階碼:-26

7）最大正數(shù)：（1-16-6）*1663

8）最小正數(shù)：16-1*16-64

9）最大負數(shù):-（16-1+16-6）*16-64

10）最小負數(shù)：一1663

11）浮點零：0

12）表數(shù)精度：1/2X16-（67）

13）表數(shù)效率：15/16

14）能表示的規(guī)格數(shù)浮點數(shù)個數(shù)：2X15X165X2X26+1

2.3（忽略P124侄”行?P125第8行文字，以簡化題意）已知2種浮點數(shù)，求性能指標。

此題關(guān)鍵是分析階碼、尾數(shù)各自的最大值、最小值。

原圖為數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的格式，階碼的小數(shù)點在其右端，尾數(shù)的小數(shù)點在其左端，遵守規(guī)

格化要求。

由于尾數(shù)均為原碼，原碼的絕對值與符號位無關(guān)，所以最大正數(shù)與最小負數(shù)的絕對值相

同，可用“土最大絕對值”回答；最小正數(shù)與最大負數(shù)的絕對值相同，可用“土最小絕對值”

回答。

第I小問中，階碼全部位數(shù)為8,作無符號數(shù)看待真值為0?255,作移T27碼看待真

值為-127?+128：尾數(shù)（不計符號位）有23位小數(shù)，另加1位整數(shù)隱藏位，所以尾數(shù)絕對

值為1.0-2.0-2依,有效位數(shù)p=24；

第2小問中，階碼全部位數(shù)為11,作無符號數(shù)看待真值為0-2047,作移T023碼看待

真值為7023?+1024；尾數(shù)（不計符號位）有52位小數(shù)，另加1位整數(shù)隱藏位，所以尾數(shù)

絕對值為1.0~2.0-23,有效位數(shù)p=53o

最大絕對值為最大階碼與最大尾數(shù)絕對值的組合，最小絕對值為最小階碼與最小尾數(shù)絕

對值的組合。代入相關(guān)公式后得最終結(jié)果如下表。

32位64位

土最大絕對值±(1-22*)?2⑵士(1-2巧?21025

士最小絕對值±2-您±2-1023

表數(shù)精度62⑶2的

表數(shù)效率n100%100%

2.5

1）設(shè)計浮點數(shù)的格式：2--l（r?P-2Xlog210

尾數(shù)為24位（隱藏最高位），階碼為7+1位（-128—127）。

2）計算:

①最大正數(shù)：（1-2-24）X2127

②最大負數(shù):-2-1X2-128

③表數(shù)精度：1/2X2-23=2-24=10-7.22

④表數(shù)效率：50%（如果尾數(shù)采用隱藏位，那么表數(shù)效率為100%）

2.6

(1)0.2=0.333333HX160

1位7位6位

設(shè)階碼為移-63碼(即-2?+1,原題未指明)

00111111333333

0.2=0.110011001100110011001101BX2-2

（其中最高有效位需隱藏）

1位8位23位

階碼為移-127碼（即-吸+1）

00111110110011001100110011301101

（2）符號位不變，（階碼-63）X4+127；尾數(shù)左規(guī)，除去最高位；

（3）符號位不變，（階碼-127）/4+63；尾數(shù)補最高位，按除法余數(shù)右移若干位，左補0。

2.10解:

要點：指令數(shù)由256減少到64,減少了兩位指令碼。

在A處理機中所占的空間為：

MA=1000*32+（1000*2*32）/8=40000bit

在B處理機中所占的空間：39000bit

MB=1000*30+（1000*2*36）/8=39000bit

2u20x8+30x16+21x32+30x64=3200=50%

100x646400

從地址的整數(shù)倍位置開始訪問

20%I字節(jié)8位|浪費8位|半字16位|單子32位

2.5%|半字16位|半字16位|半字16位|半字16位|

30%|雙字64位|

20x56+（100-20）x64.

-----------------------------------=9n5%0/

100x64

2.13已知10條指令使用頻度，求3種編碼方法的平均碼長與信息冗余量。

（D此問中的“最優(yōu)Huffman編碼法”實際是指碼長下限，即信源的平均信息量一煙，代

公式得H=2.9566o

（2）Huffman編碼性能如下表；公式：-￡p”og2P，

i

（3）2/8擴展編碼是8/64/512法的變種，第一組2條指令，碼長為2（1位擴展標志，1位編

碼），第二組8條指令，碼長為4（1位擴展標志，與第一組區(qū)別，加3位編碼），編偃性能

如下表；00；01：1***；

（4）3/7擴展編碼是15/15/15法的變種,第一組3條指令,碼長為2（共有4種組合，其中

3種組合分別代表3條指令，留1種組合作為擴展前綴標志），第二組7條指令，碼長為5

（2位固定的前綴擴展標志，與第一組區(qū)別，加3位編碼，只用其中7種組合），編硬性能

如下表。00；01；10：11***（只用7種）；

Huffman編碼2/8擴展編碼3/7擴展編碼

平均碼長L2.993.13.2

信息冗余量R1.10%4.61%7.59%

2.14

1）讓操作的平均長度最短，用Huffman編碼

35%25%20%10%5%3%2%

100%

得到的Huffman操作碼編碼是：

指令序號使用的頻度Huffman編碼操作碼長度

135%002

225%012

320%102

410%1103

55%11104

63%111105

72%111115

操作碼的平均長度=35%*2+25%*2+20%*2+10%*3+5%*4+3%*5+2%*5

=2.35

2）8位字長的寄存器-寄存器型指令：

已知有8個通用寄存器，用一個3位的地址碼可表示一個通用數(shù)據(jù)寄存器。

指令格式：操作碼地址碼1地址碼2

操作碼2位地址碼均3位

具體的3條指令格式：

00xxxxxx

01xxxXXX

10xxxXXX

16位字長的寄存器■存儲器型變址尋址方式指令：

已知有8個通用數(shù)據(jù)寄存器，用一個3位的地址碼可表示一個通用數(shù)據(jù)寄存器

已知有2個變址寄存器，用一個1位的地址碼可表示一個變址寄存器

已知變址范圍不小于正負127,用一個8位的立即數(shù)可以表示一個變址寄存器

內(nèi)的偏移量。

指令格式：操作碼地址碼1地址碼2立即數(shù)

其中操作碼4位地址碼1為3位地址碼2為1位立即數(shù)8位

具體4條指令：

1100XXXXXXXXXXXX

1101XXXXXXXXXXXX

1110XXXXXXXXXXXX

1111XXXXXXXXXXXX

2.15

(1)15條/63條/64條(2)14條/126條/128條

說明：每種擴展劉兩種組合：

r0000

共14y....

I1101

r1110000000r1110mill000000

1110Y共29-1擴充碼1110111111共26.......

I11101111101mominmin

r1111000000r1111mill000000

miv共29-1擴充碼1111Itmi共26.......

I1111111110Minminmin

2.18P117

2.20向后轉(zhuǎn)移

(1)start:moveas,rl

Movnum,r2

decrl

incrl

Loop:move(rl),ad-as(rl)

Decr2

Bgtloop

Incrl

Halt

Num:

(2)51=100,循環(huán)100次，節(jié)省100個周期，循環(huán)體前后浪費3個周期，故能節(jié)省97個指令

周期

(3)start:moveas,rl

Movnum,r2

Decr2

Decrl

Incrl

Loop:move(rl),ad-as(rl)

Bgtloop

Incrl

Decr2

Halt

Num:N

第三章

難點：3.1.4.2交叉訪問存儲器

重點：地址映射及替換算法

P1463.2虛擬存儲器P1743.3Cache

3.1解；

(1)當S2?S1時，平均價格接近C2o

(2)ta=h*tl+(l-h)*t2

(3)e=l/[h+(l-h)r]

(4)略

(5)當r=100時，h>0.99947

(6)P134公式，If=(H+n-1)/n=(0.96+5D-1)/5D=0.99947計算得:D>15.05,取D=16

3.2T=HIT1+H2T2+H3T3；S=S1+S3+S2；C=(C1S1+C2S2+C3S3)/S

3.3直接代公式計算存儲層次性能指標。

(l)74ns,38ns,23.6nsH*tl+(l-h)*t2

(2)0.258,0.315,0.424(clsl+c2s2)/'：sl+s2)

(3)T256K<T128K<T64K

c256K>C128K>c64K

(4)T*C分別得19.092,11.97,10.0064o答案是256K方案最優(yōu)。

//(1)t=htl+(1-h)l2,

cache為64k時，t=0.7*20ns+(l-0.7)*200ns=74ns；

cache=128k時，t=38ns；

cache=256k時，t=23.6ns

(2)按照公式：

cache=64k,c=0.2585美元/k字節(jié)；

cache=128k,c=0.3152美元/k字節(jié)；

cache=256k,c=0.4235美元/k字節(jié)

(3)按等效訪問時間由小到大排序,容量分別為:256k,128k,64k

按每字節(jié)平均價格由小到大排序，分別為：64k,128k,256k

(4)①19.129ns.美元/k字節(jié)：

②11.9776ns.美元/k字節(jié)；

9.9946ns.美元/k字節(jié)；

256k的cache最優(yōu)

3.4

⑴、由cl*sl+c2*s2<150000.01*512+0.5*s2<1500s2<14.6MB

(2)、由t=tl*h+t2*(l-h)40=20*0.95+(1-0.95)*t2t2=420ns

3.5已知匕支包，其中g(shù)=0.1

g

依題意有Kn+i=--—>K”+0.2=--—匕+0.2

gg

整理得0.9-20.2,解出力工里空。15.28,向下取整，得15；

1g0.9

按另一種題意理解是向上取整，得16,也對。

3.7(1)

方式一、體號：4位；體內(nèi)地址：20位；

方式二、存貯地址：20位;多路選擇器：4位；

方式三、體內(nèi)地址：20位；存儲器體號：4位；

方式四、高位體號：1位；低位體號：3位；體內(nèi)地址：20位；

方式五、高位體號：2位；低位體號：2位；體內(nèi)地址：20位：

方式六、體內(nèi)地址：20位；多路選擇器：2位；低位體號：2位；

(2)①擴大容量；②比較簡單；③速度比較快；④速度快，容量大；⑤速度快，容量大;

⑥提高速度

(3)①1；②16；③接近16；④接近8；⑤接近4；⑥接近16

模塊的片內(nèi)地址模塊號

310

模塊的片內(nèi)地址模塊號

方式4：2路高位交叉8路低位交叉

16個存儲模塊每8個組成一個大的模塊:

模塊模塊的片內(nèi)地址模塊內(nèi)體片

方式5：4躋高位交叉4路低位交叉

16個存儲模塊每4個組成個人的模塊：

310

模塊號模塊的片內(nèi)地址模塊內(nèi)體號

310

模塊的片內(nèi)地址模塊弓輸出選擇

(1)這幾種存儲器都能夠并行工作，因此可以提高領(lǐng)帶寬度.總的來說，并行訪問存儲器

的優(yōu)點是實現(xiàn)簡單、容易，缺點是訪問沖突大：

高位交叉訪問存儲器的優(yōu)點是擴充方便，缺點是訪問效率不高：低位交叉訪問存儲器可以

用分時的方法來提高速度，但擴充不方便。

(2)各種存儲器的頻帶寬度和他們的工作頻率彳j關(guān)，在不考慮沖突的情況下,如果有足夠

多的獨立控制電路和?寄存器，那么，他們的須帶寬度是相同的。

(3)有儲器的邏輯示意圖略，

注意，并行訪問存儲器和低位交叉訪同存儲器很相象，只不過，并行訪問存儲器使用存儲

模塊8(存儲體號)來對已經(jīng)輸出的結(jié)果進行選擇，而低位交叉訪問存儲朧則用來生成對

存儲模塊(存儲體)的片選信號，他通過流水的方式來提高訪問的速度。

3.8由P.Budnik和D.J.Kuck提出的方法可知并行存儲體的個數(shù)至少為m=17;再由

72*p)+l=17得p=2;按公式體號=(2])*i+jmodm，體內(nèi)地址二i得出無沖突的訪問圖如

下：

3.9

(1)由公式:g=(10g2Nv-1og2Np)/(1og2Np-1og2Nd)得：g=(1og24G-1og24K)/(1og24k-log24)

=2,故需用2級頁表；

(2)一級頁表存儲容量為1KB,共256個頁面；二級頁表為4K個頁面，共1\1。

(3)一級頁表及目前正在進行中的程序的頁表駐留主存，其它可以放在輔存中。

3.10令TM為主存的平均訪問時間，TD為硬盤的訪問時間，則

T=HTM+(1-H)TD=(10000-9999*0.9999)TM=1.9999TM

D=TM/T=1/1.9999=50.0025%

3.11(1)2、5、9

(2)2098、1084、無、0060、1124、無、3116、2128、1124、無

(3)2

(4)1、3、4、6

虛地址虛頁號實頁號頁內(nèi)偏移實地址操作合法性

020402502098合法

1306031601084非法

266006無無無無

3586050600060非法

43740311001124非法

546164無無無無

6168013803116非法

746002642128合法

83200311001124合法

948564無無無無

3.12

(1)U=1og>64=6;P=1og21024=10;D=1og24K=12用戶號6位，虛頁號】()位,頁內(nèi)偏移地址12位

(2)總數(shù)為log28M=23;D=log24K=12,故實頁號p=23-12=ll；

(3)快表：多用戶虛頁號(U+P)+實頁號p,即16+11=27多用戶虛頁號：16位，實頁號：

11位

(4)每個實頁在頁表中都存在一行與之對應(yīng)，故共需2“=2K=2048(個存儲字)；慢表包括

主存頁號(實頁號)+裝入位及其它標志位，即11+1+其他另解：慢表容量：64k個存儲

字(26*210),每個字長：裝入位1位+實頁號11位=12

(5)P159圖3.27

3.13

(1)多用戶虛地址:用戶號-8位:虛頁號-12位：頁內(nèi)偏移地址T0位；

實地址格式：實頁號T4位；頁內(nèi)偏移TO位；

問題實質(zhì)：(用戶號-8位;虛頁號-12位)->(實頁號：14位)

(2)輸入位：20(8+12)；輸出位：5；

(3)相等比較電路的位數(shù)：20；

(4)快表存儲字長度：68位，每組分為：多用戶虛頁號：20位；實頁號：14位；注意：

有2套獨立的比較電路

(5)略(P160)

3.14

P=232152453252命中次

22222*222*333*3*5

333*555*555*5541.67%

LFU

111*444*222

入入中入換中換中換換中中

向頁地址流回看，最后出現(xiàn)的為待換出的1

OPT222222*4*4木4本2226

3333*33333*3*3*50%

1*55555555

入入中入換中換中中換中中

向頁地址流后看，最遠才訪問的為待換出的

注：最好的辦法是堆棧模擬。

3.15欲知可能的最高命中率及所需的最少主存頁數(shù)，較好的辦法是通過“堆棧模擬法”，求

得命中次數(shù)隨主存頁數(shù)變化的函數(shù)關(guān)系。下圖就是“堆棧模擬圖”，其中“J”表示命中。

P=453251323513命中次

數(shù)

453251323513

45325132351

4532511235

443255122

4444444

n=l0

n=2J1

n=3JVJ3

n=4JJVVJJJ7

n=5JJVVJVJ7

⑴H皿=7/12=58.3%

(2)n=4

(3)當1次頁面訪問代表連續(xù)1024次該頁內(nèi)存儲單元訪問時，后1023次單元訪問肯定是命

中的，而第1次單元訪問的命中情況與這1次頁面訪問的命中情況相同。根據(jù)上圖中最高命

中情況，共有7次頁命中(折算為7X1024次單元命中)，5次頁不命中(折算為5X1023

次單元命中，也可寫為5X1024-5),單元訪問總次數(shù)為12X1024,故有：

Heei］=(12X1024-5)/(12X1024)=12283/12288^99.96%

改LRU替換算法：［分析］由「LRU替換算法是堆棧型的替換算法，因而隨著分配給該程

序的實頁數(shù)增加，實頁命中率只會上升，至少是不會下降的。但是，當實頁數(shù)增加到一定程

度之后，其命中率就不會再提高了.如耍再增加分配給該道程序的實頁數(shù)，只會導致實存空

間的利用率下降.所以，只要分別求出分配給該道程序不同實頁數(shù)時的頁命中率，找出達到

最高命中率時所分配的最少實頁數(shù)即可.

既然LRU替換算法是堆棧型的替換算法，對虛頁地址流只需要用堆棧處理技術(shù)處理一

次，就可以同時求出不同實頁數(shù)時各自的命中率.這樣，可以大大減少模擬的工作量。

［解答］用堆棧對頁地址流處理一次的過程見表4.6所示，其中H表示命中。

頁地址流45325122513

c

S(l)453251J22513

S(2)45325133251

S(3)4532511325

S(4)443255132

S(5)

S(6)

n=lH

實n=2H

頁n=3HH

數(shù)n=4HHHHHHH

n=5HHHHHHH

模擬結(jié)果表明，使用LRU替換算法替換，對該程序至少應(yīng)分配4個文頁.如果只分配

3個實頁，其頁命中率只有2/12,太低：而分配實頁數(shù)多于4頁后，其頁命中率不會再有

提高.所以，分配給該程序4個實頁即可，其可能的最高命中串為H=7/12.

3.15加1題一個二級存儲層次，采用全相聯(lián)映象和最久沒有使用算法，實存共5頁，為2

道程序分享，頁地址流分別如下

Pi=12341321

P2=12342233

試作2個實存分配方案，分別使2道程序滿足

(1)命中率相同；

(2)命中次數(shù)之和最大。

解.：分別為2道程序作“堆棧模擬圖”，其中“J”表示命中。

Pi=12341321命中次數(shù)

N⑴

12341321

1234132

123413

12244

n1=10

n尸20

ni=3JJ2

n1=4VJJJ4

P2=12342233命中次數(shù)

N⑵

12342233

1234422

123344

11111

n2=1JJ2

ri-2JJ2

02=3VJJJ4

廿4JJJJ4

將兩圖結(jié)果綜合，得到4個分配方案的命中率情況表如下

N⑴+N⑵

結(jié)論如下

N⑵142T1.“2行—(1)命中率相同的方

案是ni=3而n2=2；