第2章计算机指令系统的设计

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计算机系统结构课后习题答案

第1章计算机系统结构的基本概念1.1 解释下列术语层次机构:按照计算机语言从低级到高级的次序,把计算机系统按功能划分成多级层次结构,每一层以一种不同的语言为特征。

这些层次依次为:微程序机器级,传统机器语言机器级,汇编语言机器级,高级语言机器级,应用语言机器级等。

虚拟机:用软件实现的机器。

翻译:先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序,然后再在这低一级机器上运行,实现程序的功能。

解释:对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令,都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。

执行完后,再去高一级机器取下一条语句或指令,再进行解释执行,如此反复,直到解释执行完整个程序。

计算机系统结构:传统机器程序员所看到的计算机属性,即概念性结构与功能特性。

在计算机技术中,把这种本来存在的事物或属性,但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。

计算机组成:计算机系统结构的逻辑实现,包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。

计算机实现:计算机组成的物理实现,包括处理机、主存等部件的物理结构,器件的集成度和速度,模块、插件、底板的划分与连接,信号传输,电源、冷却及整机装配技术等。

系统加速比:对系统中某部分进行改进时,改进后系统性能提高的倍数。

Amdahl定律:当对一个系统中的某个部件进行改进后,所能获得的整个系统性能的提高,受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。

程序的局部性原理:程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的,而是相对地簇聚。

包括时间局部性和空间局部性。

CPI:每条指令执行的平均时钟周期数。

测试程序套件:由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序,用来测试计算机在各个方面的处理性能。

存储程序计算机:冯·诺依曼结构计算机。

其基本点是指令驱动。

程序预先存放在计算机存储器中,机器一旦启动,就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序,自动完成由程序所描述的处理工作。

系列机:由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。

08系统结构练习题

第一章、概论1、在计算机系统的层次结构中，从低层到高层，各层相对顺序正确的是（）。

A ．汇编语言机器级——操作系统机器级——高级语言机器级B ．微程序机器级——传统机器语言机器级——汇编语言机器级C ．传统机器语言机器级——高级语言机器级——汇编语言机器级D ．汇编语言机器级——应用语言机器级——高级语言机器级2、直接执行微指令的是（）。

A ．汇编程序B ．编译程序C ．硬件D ．微指令程序3、在计算机的系统结构设计中，提高硬件功能实现的比例会（）。

A ．提高硬件利用率B ．提高系统的运行速度C ．减少需要的存储器量D ．提高系统的性能价格比4、在计算机的系统结构设计中，提高软件功能实现的比例会（）。

A ．提高解题速度B ．减少需要的存储器量C ．提高系统的灵活性D ．提高系统的性能价格比5、在CISC 中，各种指令的使用频度相差悬殊，大致有以下的结果。

大约有（比例）的指令使用频度较高，占据了（比例）的处理机时间。

名词解释：CPI 、 Amdahl 定律、局部性原理、透明性1、计算机系统的Flynn 分类法是按什么来分类的，共分为哪几类，简要说明各类的特征。

2、如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分成4级。

每一级为了执行一条指令需要下一级的N 条指令解释。

若执行第一级的一条指令需K ns 时间，那么执行第2、3、4级的一条指令各需用多少时间。

4、用一台40MHZ 处理机执行标准测试程序，它含的混合指令数和相应所需的时钟周期数如下：求有效CPI 、MIPS 速率和程序的执行时间。

5、假设高速缓存Cache 的工作速度为主存的5倍，且Cache 被访问命中的概率为90%，那么采用Cache 后能使整个存储系统获得多高的加速币？6、如果某计算机系统有3个部件可以改进，则这三个部件经改进后的加速比分别为：S1=30，S2=20，S3=10。

（1）如果部件1和部件2改进前的执行时间占整个系统执行时间的比例都为30%，那么，部件3改进前的执行时间占整个系统执行时间的比例为多少，才能使3个部件都改进后的整个系统的加速比Sn 达到10？36%（2）如果3个部件改进前执行时间占整个系统执行时间的比例分别为30%、30%和20%，那么，3个部件都改进后系统的加速比是多少？未改进部件执行时间在改进后的系统执行时间中占的比例是多少？4.1，0.82指令类型指令数时钟周期数整数运算 45000 1 数据传送 32000 2 浮点 15000 2 控制传送 8000 21、RISC思想的精华是。

第二章微型计算机基础知识

第二章微型计算机基础知识
教学目标：
1.了解基本的逻辑电路和逻辑代数。 2. 掌握微机中基本部件的符号及性能。 3.掌握总线的基本概念、作用及使用。 4.掌握控制字的概念及用法。 5. 掌握依照控制字读写存储器的过程。 6.掌握微机系统的组成与分类 7.掌握微机的外部结构和基本工作原理
教学重点： 1. 掌握微机中基本部件的符号及性能。 2.掌握总线的基本概念、作用及使用。 3.掌握控制字的概念及用法。 4. 掌握依照控制字读写存储器的过程。 5.掌握微机的外部结构和基本工作原理教学难点： 1.总线的基本概念、作用及使用 2.掌握控制字的概念及用法。 3.掌握依照控制字读写存储器的过程。
1.功能强 2.可靠性强 3.价格低 4.适应性强
5.周期短、见效快
6.体积小、重量轻、耗电省
7.维护方便
四、微型计算机的性能指标衡量一台微机性能的优劣，主要由它的系统结构、硬件组成、系统总线、外部设备以及软件配置等因素来决定。具体体现在以下几个主要技术指标上。 1.字长微机的字长是指微处理器内部一次可以并行处理二进制代码的位数。它与微处理器内部寄存器以及CPU内部数据总线宽度一致，字长越长，所表示的数据精度就越高。
（2）第二个控制字是： CpEpLmEr =0001 即Er=1，令ROM放出数据。也就是说，当Er为高电平，R0中的8位数据就被送到W总线上去。这样的动作不需等待时钟脉冲的同步讯号。（3）第三个控制字是： CpEpLmEr=1000 即Cp=1，这是命令PC加1,所以PC=0001 这是在取数周期完了时，要求PC进一步，以便为下一条指令准备条件。
六、存储器的符号
1.只读存储器(ROM) 只存储固定程序的存储器,一旦写入后,一般不能改变。即不能再写入新的字节，而只能从中“读”出其所存储的内容。 (1)通用的写法是m×nROM

《微型计算机系统原理及应用》课后答案_(第3版)清华大学出版社__杨素行

第一章微型计算机基础题1-1 计算机发展至今，经历了哪几代？答：电子管计算机、晶体管计算机、集成电路计算机、超大规模集成电路计算机、非冯诺伊曼计算机和神经计算机。

题1-2 微机系统由哪几部分组成？微处理器、微机、微机系统的关系是什么？答：1、微机系统分硬件和软件，硬件包括CPU、存储器、输入输出设备和输入输出接口，软件包括系统软件和应用软件。

2、微处理器是指微机的核心芯片CPU；微处理器、存储器和输入输出设备组成微机；微机、外部设备和计算机软件组成微机系统。

题1-3 微机的分类方法包括哪几种？各用在什么应用领域中？答：按微处理器的位数，可分为1位、4位、8位、32位和64位机等。

按功能和机构可分为单片机和多片机。

按组装方式可分为单板机和多板机。

单片机在工业过程控制、智能化仪器仪表和家用电器中得到了广泛的应用。

单板机可用于过程控制、各种仪器仪表、机器的单机控制、数据处理等。

题1-4 微处理器有哪几部分组成？各部分的功能是什么？答：微处理器包括运算器、控制器和寄存器三个主要部分。

运算器的功能是完成数据的算术和逻辑运算；控制器的功能是根据指令的要求，对微型计算机各部分发出相应的控制信息，使它们协调工作，从而完成对整个系统的控制；寄存器用来存放经常使用的数据。

题1-5 微处理器的发展经历了哪几代？Pentium系列微处理器采用了哪些先进的技术？答：第一代4位或低档8位微处理器、第二代中高档8位微处理器、第三代16位微处理器、第四代32位微处理器、第五代64位微处理器、第六代64位高档微处理器。

Pentium系列微处理器采用了多项先进的技术，如：RISC技术、超级流水线技术、超标量结构技术、MMX技术、动态分支预测技术、超顺序执行技术、双独立总线DIB技术、一级高速缓冲存储器采用双cache结构、二级高速缓冲存储器达256KB或512KB、支持多微处理器等。

题1-6 何为微处理器的系统总线？有几种？功能是什么？答: 系统总线是传送信息的公共导线，微型计算机各部分之间是用系统总线连接的。

第2章微型计算机系统的组成及工作原理

2.5.6 ISA总线的定义与应用
2. ISA总线的信号线定义 ——98芯插槽，包括地址线、数据线、控制线、时钟和电源线 (1)地址线：SA019和LA1723 (2)数据线：SD015 (3)控制线：AEN、BALE、 IOR 和 IOW、 SMEMR和 SMEMW
MEMR 和 MEMW、 MEM CS16 和 I/O CS16 、SBHE
2.1.2 微机系统的软件配置
系统软件、工具软件、应用软件、用户应用程序
.3 微机系统中的信息流与信息链
1. 微机系统中信息流与信息链的构成信息流：存储器中的数据、程序代码；接口寄存器中的I/O数据、状态、I/O命令信息链：信息流在系统中流动的路径；包括物理(硬件)环节和逻辑(软件)环节 2. 微机系统中信息流与信息链 ——早期微机系统/现代微机系统中的信息链 3. 研究信息流与信息链的意义 ——通过信息流从整体上认识微机体系结构和组成微机系统的各部件之间的关系
2.5.7 现代微机总线技术的新特点
3. 总线桥 (1) 总线桥 ——总线转换器和控制器，是两种不同总线间的总线接口内部包含兼容协议及总线信号和数据缓冲电路；把一条总线映射到另一条总线上北桥：连接CPU总线和PCI总线的桥南桥：连接PCI总线和本地总线(如ISA)的桥 (2) PCI总线芯片组 ——实现总线桥功能的一组大规模集成专用电路保持主板结构不变前提下，改变这些芯片组的设计，即可适应不同微处理器的要求 4. 多级总线结构中接口与总线的连接
2.4 I/O设备与I/O设备接口
2.4.1 I/O设备及其接口的作用
1. I/O设备的作用 2. I/O设备接口的作用——连接与转换
2.4.2 I/O设备的类型及设备的逻辑概念

计算机系统结构第2章

计算机系统结构第2章第⼆章指令系统第⼀节指令系统设计概述⼀、指令系统概述1、指令系统的设计、应⽤及实现(1)指令系统的设计*机器指令：计算机硬件实现的运算或操作的命令；第i 种格式：OP i A 1A 2编码⽰例：00110 000~111 000~111功能⽰例：A 1←(A 1)+(A 2)第j 种格式：OP j A 编码⽰例：10110 000~111功能⽰例：A←(A)+1*指令系统设计：定义所有机器指令的格式(含编码)。

*指令系统：所有机器指令的集合；第1种：第2种：…第n 种：OP 1A 1A 2OP 2A OP n A 1A 2…(2)指令系统的应⽤第i种指令应⽤⽰例a：00110 000 001 功能AH←(AH)+(AL)⽰例b：00110 011 000 功能BL←(BL)+(AH)应⽤程序⽰例：从主存地址为2000H开始的100个元素累加求和机器指令格式机器指令程序汇编程序1011wreg data 1011001001100100 CX←1001011100100000000 00100000LP：BX←2000H1011000000000000 AL←0 0000000w mod reg r/m 0000000100000111AL←AL+[BX] 01000reg 01000001 BX←BX+1 11100010 disp 11100010 11111000 LOOP LP*指令系统应⽤：按指令格式要求，根据应⽤需要、编写程序中的指令(即指令格式的实例)。

(3)指令系统的实现指令功能实现步骤—ID 对IR 的OP 译码，⽤输出信号控制某⼀部件⼯作；ID 对IR 的A 译码，⽤输出信号控制相关REG 的读/写；信号有效时间由时序部件及该指令功能实现步骤决定。

指令操作或运算—部件功能实现及数据传递等的组合。

*指令系统实现：按指令格式要求，⽤硬件实现指令功能。

*设计/应⽤实现三者关系：类似C 语⾔设计、⽤C 语⾔编程、C 语⾔编译及执⾏平台！☆指令系统的实质—软件与硬件之间的界⾯(“约定”)！指令译码器ID I OP A 内部总线CPU ID D 功能部件1功能部件n …寄存器1寄存器m…指令寄存器IR ：……存储总线MAR/MDR2、指令系统涉及内容(1)指令格式包含信息分析第i种指令格式：OP i A1A2②数据：(A1)=OP i⽀持类型的地址为A1的数据①操作：A1←(A1) OP i(A2) 或A 2←(A2) OP i(A1)硬件⽀持的数据类型(含数据长度)可存放数据部件类型、部件的编址⽅式部件中同⼀数据地址的表⽰⽅式(2)涉及内容*指令集结构：指令集总体框架，如存放部件、寄存器数量;*指令集功能：⽀持操作的类型；*数据表⽰：操作⽀持的数据类型、数据存储格式等。

计算机组成原理第02章计算机中的信息表示

2.1 数值型数据的表示方法
2.1.2 带符号数的表示 2. 补码表示法 ⑴ 补码定义 ·通式 [X]补=M+X (mod M) 数X对模M 的补数称作其补码 X>0，作为正常溢出量可以舍去。若X>0，则模 M 作为正常溢出量可以舍去。因而正数的补码就是其本身，因而正数的补码就是其本身，形式上与原码相同。相同。
2.1 数值型数据的表示方法
2.1.3 数的定点表示与浮点表示 2. 浮点表示法浮点数格式(原理性) ⑴ 浮点数格式(原理性) N =±RE×M 其中：其中： N ：真值 RE ：比例因子 E ：阶码 R ：阶码的底 M ：尾数一般采取规格化的约定一般采取规格化规格化的约定
Ef Em
…
E2 E1 Mf M1 M2
2.1 数值型数据的表示方法
2.1.3 数的定点表示与浮点表示 ⑵ 带符号定点整数设代码序列为： ……X 设代码序列为：XnXn-1……X1X0 ，Xn为符号位
原码典型值真值最大正数非零最小正数
2n-1 1
补码真值
2n-1 1 -2n -1
代码序列
01…… ……11 …… 00…… ……01 ……
第2章计算机中的信息表示
重点：定点、浮点数的表示；重点：定点、浮点数的表示；操作码扩展技术；指令系统的设计难点：浮点数的IEEE754格式表示，难点：浮点数的IEEE754格式表示，定点和 IEEE754格式表示浮点数的表示范围，浮点数的规格化问题，浮点数的表示范围，浮点数的规格化问题，操作码扩展技术，指令系统的设计操作码扩展技术，
2.1 数值型数据的表示方法
2.1.2 带符号数的表示 3. 反码表示法若定点小数的反码序列为X ·若定点小数的反码序列为X0.X1X2……Xn,则 X X 1>X≥0 [X]反= 0>X≥2-2-n+X 0>X≥-1 若定点整数的反码序列为X ·若定点整数的反码序列为XnXn-1……X1X0,则 X X 2n>X≥0 [X]反= 0>X≥2n+1-1+X 0>X≥-2n

计算机系统结构课后答案chap2-answer

第二章计算机指令集结构设计2.1 名词解释1.堆栈型机器——CPU中存储操作数的单元是堆栈的机器。

2.累加型机器——CPU中存储操作数的单元是累加器的机器。

3.通用寄存器型机器——CPU中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。

4.CISC——复杂指令集计算机。

5.RISC——精简指令集计算机。

2.2堆栈型机器、累加器型机器和通用寄存器型机器各有什么优缺点？2.3常见的三种通用寄存器型机器的优缺点各有哪些？2.4 指令集结构设计所涉及的内容有哪些？(1)指令集功能设计：主要有RISC和CISC两种技术发展方向；(2)寻址方式的设计：设置寻址方式可以通过对基准程序进行测试统计，察看各种寻址方式的使用频度，根据适用频度设置相应必要的寻址方式；(3)操作数表示和操作数类型：主要的操作数类型和操作数表示的选择有，浮点数据类型（可以采用IEEE 754标准）、整型数据类型（8位、16位、32位的表示方法）、字符型（8位）、十进制数据类型（压缩十进制和非压缩十进制数据表示）等等。

(4)寻址方式的表示：可以将寻址方式编码与操作码中，也可将寻址方式作为一个单独的域来表示。

(5)指令集格式的设计：有固定长度编码方式、可变长编码方式和混合编码方式三种选择。

2.5 简述CISC计算机结构指令集功能设计的主要目标。

从当前的计算机技术观点来看，CISC结构有什么缺点？CISC结构追求的目标是强化指令功能，减少程序的指令条数，以达到提高性能的目的。

从目前的计算机技术观点来看，CISC结构存在以下几个缺点：(1)在CISC结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。

(2)CISC结构的指令系统的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。

(3)CISC结构的指令系统的复杂性给VLSI设计带来了很大负担，不利于单片集成。

(4)CISC结构的指令系统中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。

微机原理第02章1

第2章：溢出和进位的对比
例1：3AH＋7CH＝B6H
无符号数运算： 58＋124＝182 范围内，无进位有符号数运算： 58＋124＝182 范围外，有溢出
例2：AAH＋7CH＝（1）26H
无符号数运算： 170＋124＝294 范围外，有进位有符号数运算：－86＋124＝28 范围内，无溢出
常用来存放双字长数据的高16位，或存放外设端口地址
第2章：（2）变址寄存器
16位变址寄存器SI和DI 常用于存储器变址寻址方式时提供地址
SI是源地址寄存器（Source Index） DI是目的地址寄存器（Destination Index）
在串操作类指令中， SI 、 DI 还有较特殊的用法现在不必完全理解，以后会详细展开
第2章：溢出和进位的应用场合
处理器对两个操作数进行运算时，按照无符号数求得结果，并相应设置进位标志 CF；同时，根据是否超出有符号数的范围设置溢出标志OF 应该利用哪个标志，则由程序员来决定。也就是说，如果将参加运算的操作数认为是无符号数，就应该关心进位；认为是有符号数，则要注意是否溢出
第2章：符号标志SF（Sign Flag）
运算结果最高位为1，则SF＝1；否则SF＝0
有符号数据用最高有效位表示数据的符号所以，最高有效位就是符号标志的状态
3AH＋7CH＝B6H，最高位D7＝1：SF＝1
84H＋7CH＝（1）00H，最高位D7＝0：SF＝0
第2章：奇偶标志PF（Parity Flag）
第2章：辅助进位标志AF（Auxiliary Carry Flag）
运算时D3位（低半字节）有进位或
借位时，AF＝1；否则AF＝0
这个标志主要由处理器内部使用，用于十进制算术运算调整指令中，用户一般不必关心 3AH＋7CH＝B6H，D3有进位：AF＝1

第2章指令系统习题

1、RISC执行程序的速度优于CISC的原因是( )A.RISC的指令系统的指令数较少B.程序在RISC上编译的目标程序较短C.RISC的指令平均周期数较少D.RISC只允许Load指令和Store指令访存2、数据表示的含义是( )A.数据所采用的数制和码制B.数据类型C.浮点数的表示方式D.硬件能直接识别的数据类型3、计算机中优化使用的操作码编码方法是（）A.哈夫曼编码B.ASCII码C.BCD码D.扩展操作码二、填空题1、引入数据表示的原则，一看系统的效率是否提高，即是否减少了实现时间和____________，其次看其____________和利用率是否高。

2、指令格式优化指的是如何用最短的位数来表示指令的_____________和______________，使程序中指令的平均字长最短。

3、自定义数据表示又分为带_______表示和_______两类。

4、指令系统的设计主要包括和；P515、系统效率是否提高是引入数据表示的一条重要原则，它表现在是否减少了实现的_时间和所需的_存储空间_。

三、名词解释题1、数据表示2、RISC3、CISC四、简答题1、简述RISC的优缺点。

2、引入数据表示的原则？3、简述标志符数据表示的主要优点。

P381、某台计算机有9条指令，其使用频度如下：试分别用Huffman编码(要求画出Huffman树)与“2位--4位”等长扩展码为其编码？并分别计算其平均码长？(注：编码方案不唯一，但各个码的码长是唯一的)2、某模型机有9条指令，其使用频度为ADD（加）：30%，SUB（减）：24%，JOM（按负转移）：6%，STO（存）：7%，JMP（转移）：7%，SHR（右移）：2%，CIL（循环左移）：3%，CLA（清加）：20%，STP（停机）：1%。

试分别用Huffman编码(要求画出Huffman树)和“2位--4位”等长扩展码为其编码。

并分别计算其平均码长？(注：编码方案不唯一，但各个码的码长是唯一的)课后习题：2.10。

计算机系统结构第 2 章指令集结构

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2.1 指令系统结构的分类
• • • • • • 1. 指令系统分类的准则 ⑴ 在CPU中操作数的存放方法。 ⑵ 在每条指令中，显式指明的操作数个数。 ⑶ 操作数的寻址方式。 ⑷ 指令系统所提供的操作类型。 ⑸ 操作数的类型与大小。
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2.指令系统结构的分类
• • • • 按在CPU中操作数的存放方法可分为： ⑴ 堆栈型 ⑵ 累加器型 ⑶ 通用寄存器型
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4. 编址单位
• ⑴ 字编址：以访问一次设备所获得的信息量为单位进行编址。 • ⑵ 字节编址：以字节为单位进行编址。 • ⑶ 位编址：按二进制位编址。
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按字节编址时需解决的问题
• ① 多字节数据的存放顺序 • 小端排序：将一个字中的低位字节存放在低地址单元中。 • 大端排序：将一个字中的高位字节存放在低地址单元中。 • 小端排序符合从右向左进位的硬件习惯；大端排序符合程序员从左向右的编程习惯。
• 5. 按地址寻址方式（略，P47）
• 寻址方式的使用频度：
• R寻址->直接->变址->单字位移->自增->R间址->自减 • 高 -------------------------- 低
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2.2.2 按内容访问方式
• • • • • 1. 按内容访问方式按照要访问的数据的内容访问内存。 2. 联想存储器（相联存储器、按内容访问存储器）满足按内容访问方式的存储器。联想存储器的主要特点：以并行方式在存储器中查找所需信息的内容。 • 3. 按内容访问的方法 • 通过硬件将要访问的内容与存储单元的内容进行比较，若相同，则进行访问。

计算机系统结构(课后习题答案)

第一章电脑系统结构的基本概念1.有一个电脑系统可按功能分成4级，每级的指令互不相同，每一级的指令都比其下一级的指令在效能上强M倍，即第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。

现假设需第i级的N 条指令解释第i+1级的一条指令，而有一段第1级的程序需要运行Ks，问在第2、3和4级上一段等效程序各需要运行多长时间？答：第2级上等效程序需运行：(N/M)*Ks。

第3级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*Ks。

第4级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks。

note: 由题意可知：第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。

而现在第i 级有N条指令解释第i+1级的一条指令，那么，我们就可以用N/M来表示N/M 表示第i+1级需(N/M)条指令来完成第i级的计算量。

所以，当有一段第1级的程序需要运行Ks时，在第2级就需要(N/M)Ks，以此类推2.硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上又是不等效的？试举例说明。

答：软件和硬件在逻辑功能上是等效的，原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用软件模拟完成。

但是实现的性能价格比，实现的难易程序不同。

在DOS操作系统时代，汉字系统是一个重要问题，早期的汉字系统的字库和处理程序都固化在汉卡〔硬件〕上，而随着CPU、硬盘、内存技术的不断发展，UCDOS把汉字系统的所有组成部份做成一个软件。

3.试以实例说明电脑系统结构、电脑组成与电脑实现之间的相互关系与影响。

答：电脑系统结构、电脑组成、电脑实现互不相同，但又相互影响。

〔1〕电脑的系统结构相同，但可采用不同的组成。

如IBM370系列有115、125、135、158、168等由低档到高档的多种型号机器。

从汇编语言、机器语言程序设计者看到的概念性结构相同，均是由中央处理机/主存，通道、设备控制器，外设4级构成。

其中，中央处理机都有相同的机器指令和汇编指令系统，只是指令的分析、执行在低档机上采用顺序进行，在高档机上采用重叠、流水或其它并行处理方式。

微机原理第02章(寻址方式和传送指令)

有效地址由基址寄存器（ BX 或 BP ）的内容加上变址寄存器（SI或DI）的内容构成：有效地址＝BX/BP＋SI/DI 段地址对应 BX基址寄存器默认是 DS，对应BP基址寄存器默认是SS；可用段超越前缀改变
MOV AX, [BX+SI] MOV AX, [BX][SI]
；AX←DS:[BX+SI]
段内偏移量为适应各种数据结构的需要，可以有几个部分组成，所以也把它称为有效地址ＥＡ。
寻址方式不同EA的构成不同。归纳EA可有多种情况构成：直接寻址，寄存器间接寻址，寄存器相对寻址，
基址加变址寻址，相对址加变址寻址。
寻址方式——如何寻找内存操作数。不同寻址方式实质上是构成它段内的偏移量的方法不同。
34H 12H
堆栈段
...
寄存器间接寻址方式 MOV [BP], AX
3 、用 SI、DI、BX 、BP作为间接寻址允许段跨越
指令中可以指定段跨越前缀来取得其他段中的数据。
例：MOV ES:[DI], AX MOV DX, DS:[BP] 这种寻址方法可以用于表格处理。
第2章 (五)寄存器相对寻址方式（Register relative addressing）或变址寻址（Index Addressing）
8位位移量 PA=16d ×(SS)+ (BP) + 16位位移量
例： MOV AX, COUNT [BP] 或MOV AX, [COUNT+BP] 或MOV AX, COUNT+[BP]
AH AL 48H 存储器 OP OP 40H 20H 操作码位移量 COUNT
COUNT为16位位移量。指令执行前: (SS)=5000H, (BP)=3000H, COUNT=2040H, (AX)=1234H

第二章计算机控制系统的硬件设计

第2章计算机控制系统的硬件设计
2020/7/25
计算机控制系统的硬件组成框图
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一个计算机控制系统是一个复杂的软硬件结合体。硬件是软件的运行平台，硬件系统设计的好坏直接影响整个计算机控制系统的性能优劣。
硬件系统的设计主要包括：
(1)根据控制要求和运行环境选择合适的主机系统。包括主机模式、实现人机对话的输入装置和输出装置。
的区别在于工作方式不同：（1）计算机控制系统采用中断处理方式（2）PLC控制系统采用循环扫描的方式
2.PLC控制系统的发展（1）继电器逻辑控制系统发展而来（2）通信功能不断增强，PLC与PLC、计算机互联（3）在线组态、编程和下载（4）具备了集散控制系统的形态
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PLC原理框图
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二、可编程序控制器（PLC）
以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术的一种工业控制装置，
它具有体积小、功能强、程序设计简单、维护方便等优点。专门为在工业环境下应用而设计的。ຫໍສະໝຸດ 2020/7/257
1.PLC控制系统与一般计算机控制系统的区别 PLC控制系统与一般计算机控制系统相比，最大
1.嵌入式微控制器（MCU）
嵌入式微控制器（Microcontroller Unit，简称MCU）
一般以某种微处理器内核为核心，根据某些典型的应
用，在芯片内部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、
总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O口、串行口、
脉宽调制输出、A/D、D/A、FLASH RAM、EEPROM
(c)模块化结构
图8-15 PLC结构形式图
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计算机系统结构简答题

第 1 章计算机系统结构的基本概念1. 什么是计算机系统的多级层次结构？第 6 级L6：应用语言虚拟机第 5 级L5：高级语言虚拟机第 4 级L4：汇编语言虚拟机第 3 级L3：操作系统虚拟机第 2 级L2：机器语言(传统机器级)第 1 级L1：微程序机器级从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成以下多级层次结构：2. 硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上是不等效的？硬件和软件在功能实现上是等效的，即一种功能可以由软件实现，也可以由硬件实现。

在实现性能上是不等效的。

软件实现的优点是设计容易、改进简单；硬件实现的优点是速度快。

3. 经典计算机系统结构的实质是什么？计算机系统中软、硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。

4. 语言实现的两种基本技术是什么？翻译和解释是语言实现的两种基本技术。

它们都是以执行一串Ｎ级指令来实现N+1 级指令，但二者存在着差别：翻译技术是先把N+1 级程序全部变换成N级程序后，再去执行新产生的N级程序，在执行过程中N+1 级程序不再被访问。

而解释技术是每当一条N+1 级指令被译码后，就直接去执行一串等效的N 级指令，然后再去取下一条 N+1级的指令，依此重复进行。

在这个过程中不产生翻译出来的程序，因此解释过程是边变换边执行的过程。

5. 对于通用寄存器型机器来说，机器语言程序设计者所看到的计算机的属性主要有哪些？(1)数据表示(2)寻址规则(3)寄存器定义(4)指令集(5)中断系统(6)机器工作状态的定义和切换(7)存储系统(8)信息保护(9)I/O 结构6. 什么是软件兼容？软件兼容有几种？其中哪一种是软件兼容的根本特征？同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各档机器上，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。

软件兼容分为向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容。

其中向后兼容是软件兼容的根本特征。

7. 什么是系列机？它的出现较好地解决了什么矛盾？系列机是指在一个厂家生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。

计算机体系结构复习重点2018-2019-2

《计算机体系结构》复习提纲第一章基本概念1.1 多级层次结构和机器级的实现技术一，多级层次结构概念二，机器级的实现技术●翻译和解释或这两者的结合是各机器级实现的主要方法。

●掌握翻译或解释概念和方法，注意两者的区别。

●问题：某级机器用硬件实现，还是用软件实现？⏹在逻辑功能上，软件和硬件是等效的。

原理上，软件实现的功能完全可以由硬件实现，硬件实现的功能也完全可以由软件模拟完成。

⏹但软件和硬件的性能价格比是不等效的。

1.2 系统结构、组成与实现及相互关系系统结构定义：计算机体系结构是对各机器级界面的划分、定义及上下级功能分配。

●按照计算机系统的多级层次结构，不同机器级的界面有很大不同，这意味着每个机器级都有其系统结构。

●计算机体系结构概念的实质是计算机系统中软硬件界面的确定，其界面之上的是软件的功能，界面之下的是硬件和固件的功能。

●“指令集结构”就是软硬件之间的界面之一。

●传统机器级界面(软硬件界面)：机器语言程序员所看到的计算机系统的属性。

包括：✓数据表示 ✓寻址方式 ✓寄存器组织 ✓指令集✓存储系统 ✓中断系统✓机器工作状态的定义和切换✓输入输出系统✓信息保护透明性定义：本来存在的事物或属性，从某个角度看却好象不存在。

传统机器级的属性对高级语言程序员来说是透明的。

哪些透明？作业1-6，1-7计算机组成的定义：对系统结构的逻辑实现。

包括：机器级内部的数据流、控制流的组成及逻辑设计、部件功能、部件间的联系等。

所解决的问题：在所希望达到的性能价格下，如何最佳、最合理地把各种设备和部件组织在一起，以实现所确定的系统结构。

计算机组成的设计内容：✓数据通路宽度✓专用部件设置✓操作对部件的共享程度 ✓功能部件的并行度 ✓控制机构的组成方式 ✓缓冲和排队技术✓预估、预判技术✓可靠性技术等计算机实现的定义：对计算机组成的物理实现，包括：✓处理机、主存等部件的物理结构✓器件的集成度和速度✓器件、模块、插件、底板的划分和连接✓专用器件设计✓信号传输；✓电源、冷却、微组装技术、✓整机装配技术等其中，器件技术在实现技术中起主导作用系统结构、组成和实现的关系：⏹三个不同的概念，即互相联系，又互相影响。

北理工计算机体系结构习题解答

计算机体系结构
习题解答
1
第1章基础知识
翻译
先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地变换成低一级机器级上可运行的等效程序，然后再在低一级机器级上去实现的技术
2
第1章基础知识
解释
在低一级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高一级机器上的一条语句或指令的功能，通过对高一级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术
解：
2
1
(1 F ) (F / 20)
F 10 0.53 19
19
1-10 用一台40MHz处理机执行标准测试程序，它含的混合指令数和相应所需的时钟周期数如下：
指令类型指令数时钟周期数
整数运算 45000
1
数据传送 32000
2
浮点
15000
2
控制传送 8000
2
求有效CPI、MIPS速率和程序的执行时间。
20
[解答]
C＝P(I4=50i0n10(*C1+PI3i2*00IIC0i *)2+15000*2+8000*2)/
(45000+32000+15000+8000) = 1.55周期/指令
速率MIPS f /(CPI*106) 40*106 /(1.55*106) 25.81
1 t (45000*1 32000* 2 15000* 2 8000*2)*( 40*106 ) 3.875*103秒
21
1-11 假设在一台40MHz处理机上运行200,000条指令的目标代码，程序主要由四种指令组成。根据程序跟踪实验结果，已知指令混合比和每种指令所需的指令数如下：
指令类型

第2章指令系统

第2章
指令系统
二地址制
操作码
地址码
地址码
三地址制
操作码
地址码
地址码
地址码
一地址制
操作码
地址码
图2.5 在定长指令字内实现多种地址制
第2章
指令系统
寄存器-寄存器型
操作码
R
R
寄存器-存储器型
操作码
访存地址S
R
带直接操作数
操作码
直接操作数
R
R
图2.6 同种地址制下的多种地址形式和长度
第2章
指令系统
(4)在以上这些措施的基础上，还可以进一步考虑采用多种指令字长度的指令。如：单字长指令、双字长指令、三字长指令等。这比只有一种长度的定长指令字方式更能减少信息的冗余量，缩短程序的长度。综上所述，指令格式的优化就是指通过采用多种不
0.0 2
0
0.0 1 0.0 2 0.0 5
1
0.0 6
0
0.0 7
1
0.1 3
0.3 5
0
0.2 2 0.4 3
图2.3 利用Huffman树进行操作码编码
第2章
指令系统
9条指令对应的Huffman编码如表2.3所示。
表2.3 操作码的Huffman编码法和2-4扩展码编码法
指令
指令使用频度 pi
第2章
指令系统
2. Huffman编码 Huffman 编码法是1952年由 Huffman 首先提出的一种
编码方法，开始主要用于电报报文的编码。如 26 个英
文字母中，e、t等的使用频率最高，用短码表示；q、x 等的使用频率很低，用长码表示。这样，可以缩短整
个报文的长度，减少报文的传送时间。Huffman编码不