计算机系统结构习题讲解(1)-0929-重定序资料
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指令系统操作码10位每个剩余码点扩展出6位操作码所以最多可以表示单地址指令2操作码16位每个剩余码点扩展出6位操作码若设单地址指令为x条则最多可以表示零地址指令2操作码4位地址码6位地址码6位操作码10地址码6位操作码16个码点用作零地址的扩展标志零地址指令数量可以表示为2因为单地址的操作码要留出一个码点用作零地址的扩展故x63单地址指令有63条零地址指令有64条
操作码的平均长度 操作码的信息冗余量
指令系统
*2-14. 一台模型机共有7条指令，各指令的使
用频度分别为35%，25%，20%，10%，5%， 3%，2%，有8个通用数据寄存器，2个变址寄 存器。
(1)要求操作码的平均长度最短，请设计操作码的编 码，并计算所设计操作码的平均长度。 (2)设计8位字长的寄存器-寄存器型指令3条，16位 字长的寄存器-存储器型变址寻址方式指令4条，变 址范围不小于正、负127。请设计指令格式，并给 出各字段的长度和操作码的编码。
3. 采用2/8扩展编码 法：
指令序号 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10
出现的概率
0.25 0.20 0.15 0.10 0.08 0.08 0.05 0.04 0.03 0.02
2/8扩展编码法 00 01 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 3.10
指令系统
(1)
指令序号 出现的概率 编码法
I1
I2 I3 I4 I5
0.35
0.25 0.20 0.10 0.05
00
01 10 110 1110
I6
I7 操作码的平均长度
0.03
0.02
11110
11111 2.35
平均长度H＝0.35*2+0.25*2+0.20*2+0.10*3+0.05*4+0.03*5+0.02*5=2.35
基础概念
1-10. 实现软件移植的主要途径有哪些？它们 存在什么问题？适用于什么场合？
1统一高级语言
语言用途不同 运行在不同系统结构上 （MIPS，ARM）
基本结构难以统一
2采用系列机思想
只能在相同系统结构的机器间实现软件移植，兼容性往往会限制 系统结构的变革 模拟的运行速度慢 而系统结构差别大则难以进行仿真
操作码的平均长度
操作码的信息冗余量
4.5%
指令系统
4. 采用3/7扩展编码 法：
指令序号 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10
出现的概率
0.25 0.20 0.15 0.10 0.08 0.08 0.05 0.04 0.03 0.02
3/7扩展编码法 00 01 10 11000 11001 11010 11011 11100 11101 11110 3.20 7.5%
指令系统
分析：
SOP－代表操作码位数 SOD－代表操作数地址码位数 SI－代表指令位数
SF－代表标志符位数 SV－代表数据值位数 SD－代表数据位数
SI=SOP+SOD
SP－代表程序的二进制位数
SD=SF+SV
SP=SI+SD=SOP+SOD+SF+SV
SOP(B)+SF(B) ＝ SOP(A)
指令系统
*2-10.假设有A和B两种不同类型的处理机，A
处理机中的数据不带标志符，其指令字长和数 据字长均为32位。B处理机的数据带有标志符， 每个数据的字长增加至36位，其中有4位是标 志符，它的指令条数由最多256条减少至不到 64条。如果每执行一条指令平均要访问两个操 作数，每个存放在存储器中的操作数平均要被 访问8次。对于一个由1000条指令组成的程序， 分别计算这个程序在A处理机和B处理机中占用 的存储空间大小（包括指令和数据），从中得 到什么启发？
处理机B
SP(B)=SI(B)+SD(B) =30×1000＋2×36×1000/8＝39000（bit）
指令系统
SOD(A) =SOD(B)，Sv(A) =Sv(B) 程序存储容量的增量S=Sp(B)－Sp(A) =SOP(B)+SF(B)-SOP(A) SOP(A)=8 NI, =8 NI (0.75+ ) ＝0.75 +
指令系统
A
256条指令
指令32位： 数据32位：
操作码（8位） 地址码（24位） 数据（32位）
B
64条指令
指令30位： 数据36位：
操作码（6位） 标志符（4位） 地址码（24位） 数据（32位）
＝
SOP(B)+SF(B) SOP(A)
指令系统
(1) 处理机A
Sp(A )=SI(A )+SD(A ) =32×1000＋2×32×1000/8＝40000（bit）
Computer A instructions/second Computer B instructions/second --------------------------------------- = -----------------------------------------DhrystoneA/second DhrystoneB/second
2.
3.
4.
采用3/7扩展编码法编写这10条指令的操作码，并计算操作码 的平均长度，计算与最优Huffman编码法相比的操作码信息冗 余量。把得到的操作码编码和计算的结果填入上面的表中。
指令系统
1.操作码的最短平均长度
指令系统
指令序号 I1 I2 I3
2.采用Huffman编码树进行编码的过程如右图：
指令系统
*2-1. 数据类型、数据表示和数据结构之 间的关系是什么？在设计一个计算机系统 时，确定数据表示的原则主要有哪几个？
数据类型指程序设计语言中所允许的变量的种类， 包括定点数、浮点数、布尔数、字符、树、图、 表等 数据表示指硬件能直接识别和引用的数据类型 数据结构是带有结构的数据元素集合
采用Huffman编码法编写这10条指令的操作码，并计算操作码 的平均长度，计算与最优Huffman编码法相比的操作码信息冗 余量。把得到的操作码编码和计算的结果填入上面的表中。 采用2/8扩展编码法编写这10条指令的操作码，并计算操作码 的平均长度，计算与最优Huffman编码法相比的操作码信息冗 余量。把得到的操作码编码和计算的结果填入上面的表中。
0 0.09 0 0.05 0 0.03 1 0.02
I1
I2
0.15
I3
1 0.08 1 0.04 0 0.08 1 0.05
I4
I8
I9 I10
0.04
0.03 0.02
00001
000000 000001 2.99 1.0%
I5
I6
I7
操作码的平均长度 操作码的信息冗余量
I8
I9
I10
指令系统
Unless Computer A and B have the same instruction set architecture and execute identically compiled Dhrystone executables, this assumption is likely false. If so, the formulation for MIPSB is also incorrect.
出现的概率
0.25 0.20 0.15
Huffman编码法 01 11 001
0 0.32 0 0.17 1
1.0 0 0.57 1 0.25 0 0.23 0 0.13 1 0.10 1 0.43 1 0.20
I4
I5 I6 I7
0.10
0.08 0.08 0.05
101
0001 1000 1001
基础概念
The time units factor out, revealing that the formulation is founded upon the assumption that
Computer A instructions Computer B instructions -------------------------------- = --------------------------------DhrystoneA DhrystoneB
SOP(B)+SF(B)=6NI+
=0.875<1
S<0，Sp(B)<Sp(A) 启示：
若1< NR <4，则 >1, S>0; 若NR＝4，则 ＝1, S＝0; 实际执行时，经测量有NR 10，＝0.85，S<0
指令系统
*2-13.一个处理机共有10条指令，各指令在程
序中出现的概率如下表：
计算机系统结构习题讲解 (1)
内容提要
基础概念 指令系统 流水线处理机 指令级并行
基础概念
1-2. 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 指令需要K ns时间，那么执行第2、3、4级的 一条指令各需要用多少时间？
指令序号 I1 I2 I3 I4 I5 I6 出现的概率
0.25 0.20 0.15 0.10 0.08 0.08
Huffman编码法
2/8扩展编码法
3/7扩展编码法
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
I7
I8 I9 I10
0.05
0.04 0.03 0.02
操作码的平均长度 操作码的信息冗余量
指令系统
1.
采用最优Huffman编码法计算这10条指令的操作码最短平均长 度。
基础概念
Answer The proposed formulation for MIPSB can be rewritten as:
MIPSA MIPSB ------------- = -----------DA DB
Examining the units of each factor, we have
基础概念
（4）为增加寻址灵活性和减少平均指令字长，将原来全部采 用等长操作码的指令改成有3类不同码长的扩展操作码；并 将源操作数寻址方式由原来的操作码指明改成增加一个如 VAX-11那样的寻址方式位字段来指明； × （5）将CPU与主存之间的数据通路宽度由16位扩到32位，以 加快主机内部信息的传送； √ （6）为了减少使用公用总线的冲突，将单总线改为双总线； √ （7）把原来的0号通用寄存器改作为专用的堆栈指示器。 ×
指令系统
数据表示和数据结构都是数据类型的子集，由 硬件实现的数据类型即数据表示，而数据结构 是由软件实现的数据类型，另外还有软硬件共 同实现的。 数据类型由硬件实现速度快，而软件实现节省 硬件成本，如何取舍：a.缩短程序运行时间； b.减少CPU与主存之间的通信量；c.这种数据 表示的通用性和利用率。
3模拟与仿真
基础概念
1-11. 想在系列中发展一种新型号机器，你认为下列
哪些设想可以考虑，哪些行不通，为什么？ （1）新增加字符数据类型和若干条字符处理指令，以支 持事务处理程序的编译； √ （2）为增强中断处理功能，将中断分析由原来的4级增 加到5级，并重新调整中断响应的优先次序； ×
（3）在CPU和主存之间增设Cache存储器，以克服因主存 访问速率过低而造成的系统性能瓶颈； √
指令系统
(2) 寄存器-寄存器型指令格式
指令序号 I1 I2 I3
编码（2位） 00 01 10
通用寄存器（3位） R R R
通用寄存器（3位） R R R
寄存器-存储器型变址寻址方式指令格式
编码（4位） 通用寄存器（3位） 变址寄存器（1位） 地址偏移量（8位）
第i+1级
第i级 T(i+1)=n*T(i)
... n个
4 3 2 1
分析与解答：NK ns、N2K ns、N3K ns
基础概念
1.6 Dhrystone is a well-known integer benchmark. Computer A is measured to perform DA executions of the Dhrystone benchmark per second, and to achieve a millions of instructions per second rate of MIPSA while doing Dhrystone. Computer B is measured to perform DB executions of the Dhrystone benchmark per second, and to achieve a millions of instructions per second rate of MIPSB while doing Dhrystone. Q. What is the fallacy in calculating the MIPS rating of computer B as MIPSB=MIPSA×(DB/DA)?
操作码的平均长度 操作码的信息冗余量
指令系统
*2-14. 一台模型机共有7条指令，各指令的使
用频度分别为35%，25%，20%，10%，5%， 3%，2%，有8个通用数据寄存器，2个变址寄 存器。
(1)要求操作码的平均长度最短，请设计操作码的编 码，并计算所设计操作码的平均长度。 (2)设计8位字长的寄存器-寄存器型指令3条，16位 字长的寄存器-存储器型变址寻址方式指令4条，变 址范围不小于正、负127。请设计指令格式，并给 出各字段的长度和操作码的编码。
3. 采用2/8扩展编码 法：
指令序号 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10
出现的概率
0.25 0.20 0.15 0.10 0.08 0.08 0.05 0.04 0.03 0.02
2/8扩展编码法 00 01 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 3.10
指令系统
(1)
指令序号 出现的概率 编码法
I1
I2 I3 I4 I5
0.35
0.25 0.20 0.10 0.05
00
01 10 110 1110
I6
I7 操作码的平均长度
0.03
0.02
11110
11111 2.35
平均长度H＝0.35*2+0.25*2+0.20*2+0.10*3+0.05*4+0.03*5+0.02*5=2.35
基础概念
1-10. 实现软件移植的主要途径有哪些？它们 存在什么问题？适用于什么场合？
1统一高级语言
语言用途不同 运行在不同系统结构上 （MIPS，ARM）
基本结构难以统一
2采用系列机思想
只能在相同系统结构的机器间实现软件移植，兼容性往往会限制 系统结构的变革 模拟的运行速度慢 而系统结构差别大则难以进行仿真
操作码的平均长度
操作码的信息冗余量
4.5%
指令系统
4. 采用3/7扩展编码 法：
指令序号 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10
出现的概率
0.25 0.20 0.15 0.10 0.08 0.08 0.05 0.04 0.03 0.02
3/7扩展编码法 00 01 10 11000 11001 11010 11011 11100 11101 11110 3.20 7.5%
指令系统
分析：
SOP－代表操作码位数 SOD－代表操作数地址码位数 SI－代表指令位数
SF－代表标志符位数 SV－代表数据值位数 SD－代表数据位数
SI=SOP+SOD
SP－代表程序的二进制位数
SD=SF+SV
SP=SI+SD=SOP+SOD+SF+SV
SOP(B)+SF(B) ＝ SOP(A)
指令系统
*2-10.假设有A和B两种不同类型的处理机，A
处理机中的数据不带标志符，其指令字长和数 据字长均为32位。B处理机的数据带有标志符， 每个数据的字长增加至36位，其中有4位是标 志符，它的指令条数由最多256条减少至不到 64条。如果每执行一条指令平均要访问两个操 作数，每个存放在存储器中的操作数平均要被 访问8次。对于一个由1000条指令组成的程序， 分别计算这个程序在A处理机和B处理机中占用 的存储空间大小（包括指令和数据），从中得 到什么启发？
处理机B
SP(B)=SI(B)+SD(B) =30×1000＋2×36×1000/8＝39000（bit）
指令系统
SOD(A) =SOD(B)，Sv(A) =Sv(B) 程序存储容量的增量S=Sp(B)－Sp(A) =SOP(B)+SF(B)-SOP(A) SOP(A)=8 NI, =8 NI (0.75+ ) ＝0.75 +
指令系统
A
256条指令
指令32位： 数据32位：
操作码（8位） 地址码（24位） 数据（32位）
B
64条指令
指令30位： 数据36位：
操作码（6位） 标志符（4位） 地址码（24位） 数据（32位）
＝
SOP(B)+SF(B) SOP(A)
指令系统
(1) 处理机A
Sp(A )=SI(A )+SD(A ) =32×1000＋2×32×1000/8＝40000（bit）
Computer A instructions/second Computer B instructions/second --------------------------------------- = -----------------------------------------DhrystoneA/second DhrystoneB/second
2.
3.
4.
采用3/7扩展编码法编写这10条指令的操作码，并计算操作码 的平均长度，计算与最优Huffman编码法相比的操作码信息冗 余量。把得到的操作码编码和计算的结果填入上面的表中。
指令系统
1.操作码的最短平均长度
指令系统
指令序号 I1 I2 I3
2.采用Huffman编码树进行编码的过程如右图：
指令系统
*2-1. 数据类型、数据表示和数据结构之 间的关系是什么？在设计一个计算机系统 时，确定数据表示的原则主要有哪几个？
数据类型指程序设计语言中所允许的变量的种类， 包括定点数、浮点数、布尔数、字符、树、图、 表等 数据表示指硬件能直接识别和引用的数据类型 数据结构是带有结构的数据元素集合
采用Huffman编码法编写这10条指令的操作码，并计算操作码 的平均长度，计算与最优Huffman编码法相比的操作码信息冗 余量。把得到的操作码编码和计算的结果填入上面的表中。 采用2/8扩展编码法编写这10条指令的操作码，并计算操作码 的平均长度，计算与最优Huffman编码法相比的操作码信息冗 余量。把得到的操作码编码和计算的结果填入上面的表中。
0 0.09 0 0.05 0 0.03 1 0.02
I1
I2
0.15
I3
1 0.08 1 0.04 0 0.08 1 0.05
I4
I8
I9 I10
0.04
0.03 0.02
00001
000000 000001 2.99 1.0%
I5
I6
I7
操作码的平均长度 操作码的信息冗余量
I8
I9
I10
指令系统
Unless Computer A and B have the same instruction set architecture and execute identically compiled Dhrystone executables, this assumption is likely false. If so, the formulation for MIPSB is also incorrect.
出现的概率
0.25 0.20 0.15
Huffman编码法 01 11 001
0 0.32 0 0.17 1
1.0 0 0.57 1 0.25 0 0.23 0 0.13 1 0.10 1 0.43 1 0.20
I4
I5 I6 I7
0.10
0.08 0.08 0.05
101
0001 1000 1001
基础概念
The time units factor out, revealing that the formulation is founded upon the assumption that
Computer A instructions Computer B instructions -------------------------------- = --------------------------------DhrystoneA DhrystoneB
SOP(B)+SF(B)=6NI+
=0.875<1
S<0，Sp(B)<Sp(A) 启示：
若1< NR <4，则 >1, S>0; 若NR＝4，则 ＝1, S＝0; 实际执行时，经测量有NR 10，＝0.85，S<0
指令系统
*2-13.一个处理机共有10条指令，各指令在程
序中出现的概率如下表：
计算机系统结构习题讲解 (1)
内容提要
基础概念 指令系统 流水线处理机 指令级并行
基础概念
1-2. 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 指令需要K ns时间，那么执行第2、3、4级的 一条指令各需要用多少时间？
指令序号 I1 I2 I3 I4 I5 I6 出现的概率
0.25 0.20 0.15 0.10 0.08 0.08
Huffman编码法
2/8扩展编码法
3/7扩展编码法
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
I7
I8 I9 I10
0.05
0.04 0.03 0.02
操作码的平均长度 操作码的信息冗余量
指令系统
1.
采用最优Huffman编码法计算这10条指令的操作码最短平均长 度。
基础概念
Answer The proposed formulation for MIPSB can be rewritten as:
MIPSA MIPSB ------------- = -----------DA DB
Examining the units of each factor, we have
基础概念
（4）为增加寻址灵活性和减少平均指令字长，将原来全部采 用等长操作码的指令改成有3类不同码长的扩展操作码；并 将源操作数寻址方式由原来的操作码指明改成增加一个如 VAX-11那样的寻址方式位字段来指明； × （5）将CPU与主存之间的数据通路宽度由16位扩到32位，以 加快主机内部信息的传送； √ （6）为了减少使用公用总线的冲突，将单总线改为双总线； √ （7）把原来的0号通用寄存器改作为专用的堆栈指示器。 ×
指令系统
数据表示和数据结构都是数据类型的子集，由 硬件实现的数据类型即数据表示，而数据结构 是由软件实现的数据类型，另外还有软硬件共 同实现的。 数据类型由硬件实现速度快，而软件实现节省 硬件成本，如何取舍：a.缩短程序运行时间； b.减少CPU与主存之间的通信量；c.这种数据 表示的通用性和利用率。
3模拟与仿真
基础概念
1-11. 想在系列中发展一种新型号机器，你认为下列
哪些设想可以考虑，哪些行不通，为什么？ （1）新增加字符数据类型和若干条字符处理指令，以支 持事务处理程序的编译； √ （2）为增强中断处理功能，将中断分析由原来的4级增 加到5级，并重新调整中断响应的优先次序； ×
（3）在CPU和主存之间增设Cache存储器，以克服因主存 访问速率过低而造成的系统性能瓶颈； √
指令系统
(2) 寄存器-寄存器型指令格式
指令序号 I1 I2 I3
编码（2位） 00 01 10
通用寄存器（3位） R R R
通用寄存器（3位） R R R
寄存器-存储器型变址寻址方式指令格式
编码（4位） 通用寄存器（3位） 变址寄存器（1位） 地址偏移量（8位）
第i+1级
第i级 T(i+1)=n*T(i)
... n个
4 3 2 1
分析与解答：NK ns、N2K ns、N3K ns
基础概念
1.6 Dhrystone is a well-known integer benchmark. Computer A is measured to perform DA executions of the Dhrystone benchmark per second, and to achieve a millions of instructions per second rate of MIPSA while doing Dhrystone. Computer B is measured to perform DB executions of the Dhrystone benchmark per second, and to achieve a millions of instructions per second rate of MIPSB while doing Dhrystone. Q. What is the fallacy in calculating the MIPS rating of computer B as MIPSB=MIPSA×(DB/DA)?