计算机系统结构 第二章(指令系统)
系统结构讲义-2
码元分配：从树根开始，对每个中间结点的左右2个分支边各赋予
一位代码“0”和“1”（“0”在哪一侧不限）。读出从根结点到任一片树叶 的路径上依次出现的代码位就排成了这个事件（即指令）的完整编码。 由于频度高的事件较晚被合并，它的编码位数也就较少，符合Huffman压 缩原则。
上面所说的频度值就是各事件实际出现次数的百分比， 它是理论出现概率的近似值。 例：假设一台模型计算机共有7种不同的操作码，已 知各种操作码在程序中出现的概率如下表，利用Huffman 编码法进行操作码编码。 指令 概率 I1 0.45 I2 0.30 I3 0.15 I4 0.05 I5 0.03 I6 0.01 I7 0.01
第二章 指令系统
2.3 指令格式的优化设计
指令格式的优化是指如何用最短的二进制位数表示指令的操作码信息和 地址码信息，使指令的平均字长最短，同时便于译码。
指令的组成 操作码 地址码
1) 指令的操作种类。 2) 所用操作数数据 类型。
1) 操作数地址。 2) 地址附加信息。 3) 寻址方式。
指令格式的优化设计目标： 1) 使程序中指令的平均字长最短，节省程序的存储空间。 2) 指令格式要规整，减少硬件译码的复杂程度。
1632和64位固定32位指令时钟频率随技术发展而变化随技术发展而变化寄存器堆824个通用寄存器32192个分离的整数和浮点寄存器堆指令系统规模和类型约300条多于48种指令类型大都基于寄存器寻址方式约12种包含间接变址寻址35种只有取存寻址存储器高速缓存设计较早使用合一高速缓存有些使用分离高速缓存大多数使用分离的数据和指令高速缓存cpi及平均cpi120个周期平均4个简单操作1个周期平均约15个cpu控制大多数用微程序控制有些使用硬连线控制大多数用硬连线控制没有控制存储器代表性商品化处理器intelx86vax8600ibm390mc68040intelpentiumamd486和cyrix686sunultrasparcmipsr10000powerpc604hppa8000digitalalpha21164混合混合ciscriscciscrisc体系结构体系结构pentiumpropentiumpro处理器的处理器的ciscriscciscrisc体系结构体系结构分分基于基于riscrisc核心核心dbab将将x86x86代码转化为代码转化为riscrisc指令指令
(自考02325李学干版)计算机系统结构课后习题
第二章数据表示与指令系统1.数据构造和机器的数据表示之间是什么关系？确立和引入数据表示的基来源则是什么？答：数据表示是能由硬件直接辨别和引用的数据种类。
数据构造反应各样数据元素或信息单元之间的构造关系。
数据构造要经过软件映象变换成机器所拥有的各样数据表示实现，所以数据表示是数据构造的构成元素。
不一样的数据表示可为数据构造的实现提供不一样的支持，表此刻实现效率和方便性不一样。
数据表示和数据构造是软件、硬件的交界面。
除基本数据表示不可以少外，高级数据表示的引入依照以下原则：（1）看系统的效率有否提升，能否养活了实现时间和储存空间。
（2）看引入这类数据表示后，其通用性和利用率能否高。
2.标记符数据表示与描绘符数据表示有何差异？描绘符数据表示与向量数据表示对向量数据构造所供给的支拥有什么不一样？答：标记符数据表示与描绘符数据表示的差异是标记符与每个数据相连，合存于同一储存单元，描绘单个数据的种类特征 ; 描绘符是与数据分开寄存，用于描绘向量、数组等成块数据的特色。
描绘符数据表示为向量、数组的的实现供给了支持，有益于简化高级语言程序编译中的代码生成，能够比变址法更快地形成数据元素的地点。
但负阶，最小为 0)最大阶(2^p-1)最小尾数值(rm^(-1))最大尾数值(1-rm^(-m'))可表示的最小值可表示的最大值阶的个数(2^p)可表示的尾数的个数可表示的规格化数的个数note:2^6-12^6-12^6-11/21/81/161-2^(-48)1-8^(-16) ，即(1-2^(-48)) 1-16^(-12)，即(1-2^(-48))1/21/81/162^63*(1-2^(-48))8^63*(1-8^(-16))16^63*(1-16^(-12))2^62^62^62^48*(2-1)/28^16*(8-1)/816^12*(16-1)/16 2^6*2^48*(2-1)/22^6*8^16*(8-1)/82^6*16^12*(16-1)/16描绘符数据表示其实不支持向量、数组数据构造的高效实现。
计算机系统结构-第二章自考练习题标准答案
第二章数据表示与指令系统历年真题精选１. 计算机中优先使用的操作码编码方法是（Ｃ)。
A. ＢCD码B. ASCII码C. 扩展操作码Ｄ．哈夫曼编码＝16,除尾符之外的尾数机器位数为8位时，可表示的规格化最大尾数2.浮点数尾数基值rm值为( D ）。
A. 1/２B．1５/16 C. 1/2５6 D. ２５5/25６3. 自定义数据表示包括( 标志符)数据表示和( 数据描述符）两类。
４．引入数据表示的两条基本原则是:一看系统的效率是否有提高;二看数据表示的( 通用)性和( 利用)率是否高。
５．简述设计RISC的一般原则。
6. 简述程序的动态再定位的思想。
７. 浮点数表示,阶码用二进制表示，除阶符之外的阶码位数p=3，尾数基值用十进制表示，除尾符外的尾数二进制位数m=8,计算非负阶、规格化、正尾数时,(1）可表示的最小尾数值; (２）可表示的最大值；（3)可表示的尾数个数。
8. (1）要将浮点数尾数下溢处理成Ｋ—１位结果，则RＯＭ表的单元数和字长各是多少?并简述ＲOM表各单元所填的内容与其地址之间的规则。
(2)若3位数,其最低位为下溢处理前的附加位，现将其下溢处理成2位结果，设计使下溢处理平均误差接近于零的ROＭ表,以表明地址单元与其内容的关系。
同步强化练习一．单项选择题。
１. 程序员编写程序时使用的地址是( D ）。
Ａ．主存地址 B ．有效地址 C.辅存实地址 D.逻辑地址2. 在尾数下溢处理方法中，平均误差最大的是( Ｂ ）。
A.舍入法B.截断法 C ．恒置“1”法 Ｄ．ＲOM 查表法３. 数据表示指的是（ C )。
Ａ.应用中要用到的数据元素之间的结构关系 B.软件要处理的信息单元之间的结构关系 Ｃ.机器硬件能识别和引用的数据类型 D ．高级语言中的数据类型说明语句 ４. 标志符数据表示中的标志建立由（ Ａ )。
A.编译程序完成 Ｂ.操作系统完成C.高级语言编程时完成 D ．汇编语言编程时完成5. 堆栈型机器比通用型机器优越的是( C ）。
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。
计算机系统结构 第二章 数据表示与指令系统
缺点：处理速度慢， 需要花费时间在数的浮 加位加1以及因此产生进 位的时间。
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4）查表舍入法
其方法是基于存储逻辑思想 ，用ROM 或PLA存放下溢 处理表。
优点：集中了上述各种处理方 法的优点，避免了舍入法所需 的相加和进位传输时间。由于 ROM的读出时间比加法时间短， 所以这种查表的速度比较快。 该方法速度快，平均误差可调 节到趋于0
计算机系统结构
第二章数据表示与指令系统
刘超 中国地质大学计算机学院
第二章 数据表示与指令系统
2.1浮点数数据表示(尾数/基值选择、下溢处理) 2.2高级数据表示(自定义、向量、堆栈) 2.3寻址方式与指令格式优化(寻址/定位/优化) 2.4指令系统的两种风格(CISC和RISC)
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2.1.2引入数据表示的原则
巨的、范大围、大中，个型数机多上，，运rm算宜速取度大快，；这而样小使、可微表型示机的由数 于可表示数范围不要求太大、速度也不要求太高， 尾 取数 值字小长些较。短如，：所以更注重于可表示精度，宜使rm
PDP-11/ Intel X86等，rm=2； IBM 370，rm=16; Burroughs B6700，rm=8
由于表示产生的误差大小就是数的表示精度。当 总的机器字长确定好之后，结构设计者就应该确 定好浮点数表示中p和m的位数，这主要示根据 数的表示范围和精度来定的。
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阶码采用二进制p位， 尾在数非采负用阶、rm正进尾制数m、′位规， 格化条件下各种浮点数 特性参量的一般式
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(1)可表示数的范围 随于p可着大以的rm减r的m少的增。大值，，可为表表示示数相的同范范围围增的大数，，换其句阶话码说的位，对数
计算机系统结构 第二章自考练习题答案
第二章数据表示与指令系统历年真题精选1. 计算机中优先使用的操作码编码方法是（ C ）。
A. BCD码B. ASCII码C. 扩展操作码D. 哈夫曼编码=16，除尾符之外的尾数机器位数为8位时，可表示的规格化最大尾2．浮点数尾数基值rm数值为（ D ）。
A. 1/2B. 15/16C. 1/256D. 255/2563. 自定义数据表示包括（标志符）数据表示和（数据描述符）两类。
4. 引入数据表示的两条基本原则是：一看系统的效率是否有提高；二看数据表示的（通用）性和（利用）率是否高。
5. 简述设计RISC的一般原则。
6. 简述程序的动态再定位的思想。
7. 浮点数表示,阶码用二进制表示,除阶符之外的阶码位数p=3,尾数基值用十进制表示,除尾符外的尾数二进制位数m=8,计算非负阶、规格化、正尾数时，（1）可表示的最小尾数值；（2）可表示的最大值；（3）可表示的尾数个数。
8. (1)要将浮点数尾数下溢处理成K—1位结果，则ROM表的单元数和字长各是多少并简述ROM表各单元所填的内容与其地址之间的规则。
(2)若3位数，其最低位为下溢处理前的附加位，现将其下溢处理成2位结果，设计使下溢处理平均误差接近于零的ROM表，以表明地址单元与其内容的关系。
同步强化练习一．单项选择题。
1. 程序员编写程序时使用的地址是（ D ）。
A．主存地址 B．有效地址 C．辅存实地址 D．逻辑地址2. 在尾数下溢处理方法中，平均误差最大的是（ B ）。
A．舍入法 B．截断法 C．恒置“1”法 D．ROM查表法3. 数据表示指的是（ C ）。
A ．应用中要用到的数据元素之间的结构关系B ．软件要处理的信息单元之间的结构关系C ．机器硬件能识别和引用的数据类型D ．高级语言中的数据类型说明语句4. 标志符数据表示中的标志建立由（ A ）。
A ．编译程序完成B ．操作系统完成C ．高级语言编程时完成D ．汇编语言编程时完成5. 堆栈型机器比通用型机器优越的是（ C ）。
计算机体系结构课后习题原版答案-张晨曦著（2）
第1章计算机系统结构的基本概念1.1解释下列术语计算机系统结构：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。
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。
并行性：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。
只要在时间上相互重叠，就存在并行性。
它包括同时性与并发性两种含义。
1.2试用实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系。
答：如在设计主存系统时，确定主存容量、编址方式、寻址范围等属于计算机系统结构。
确定主存周期、逻辑上是否采用并行主存、逻辑设计等属于计算机组成。
选择存储芯片类型、微组装技术、线路设计等属于计算机实现。
计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。
计算机实现是计算机组成的物理实现。
一种体系结构可以有多种组成。
一种组成可以有多种实现。
1.4计算机系统设计中经常使用的4个定量原理是什么？并说出它们的含义。
答：（1）以经常性事件为重点。
在计算机系统的设计中，对经常发生的情况，赋予它优先的处理权和资源使用权，以得到更多的总体上的改进。
（2）Amdahl定律。
加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。
（3）CPU性能公式。
执行一个程序所需的CPU时间=IC×CPI×时钟周期时间。
（4）程序的局部性原理。
程序在执行时所访问地址的分布不是随机的，而是相对地簇聚。
1.6某台主频为400MHz的计算机执行标准测试程序，程序中指令类型、执行数量和平均时钟周期数如下：指令类型指令执行数量平均时钟周期数整数450001数据传送750002浮点80004分支15002求该计算机的有效CPI、MIPS和程序执行时间。
计算机系统结构 第 2 章 指令集结构
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。
第二章 计算机组成原理知识点
第二章计算机组成原理2.1计算机的组成与分类2.1.1计算机的发展与作用作用：①速度快，通用性强②具有多种多样的信息处理能力，不仅能进行复杂的数学运算，而且能对图像，文字和声音等多种形式的信息进行获取，编辑，转换，存储，展现等处理③信息存储容量大，存取速度高④具有互联，互通和互操作的特性，计算机网络不仅能进行信息的交流与共享，还可借助网络上的其他计算机协同完成复杂的信息处理任务。
2.1.2 计算机的逻辑组成计算机系统由硬件和软件两部分组成。
硬件是计算机系统中所有实际物理装置的总称。
软件是指计算机中运行的各种程序及其处理的数据和相关的文档。
CPU，内存存储器，总线等构成计算机的“主机”输入/输出设备和外存储器称为“外设”承担系统软件和应用软件运行任务的处理器称为“中央处理器”使用多个CPU实现超高速计算的技术称为“并行处理”总线是用于在CPU，内存，外存和各种输入输出设备之间传输信息并协调它们工作的一种部件（含传输线和控制电路）计算机系统中的I/O设备一般都通过I/O接口与各自的控制器连接，然后由控制器与I/O总线相连2.1.3计算机的分类巨型机，大型机，服务器，个人计算机，嵌入式计算机微处理器（µP或MP），通常指使用单片大规模集成电路制成的，具有运算和控制功能的部件SOC：单个集成电路芯片中包含微处理器，存储器，输入/输出控制与接口电路，电子系统模拟电路，数字/模拟混合电路和无线通信使用的射频电路2.2 CPU的结构与原理2.2.1 CPU的作用与组成匈牙利数学家冯·诺依曼的“存储程序控制”原理CPU的根本任务是执行指令CPU的组成：寄存器组（用来临时存放参加运算的数据和运算得到的中间结果），运算器：也称算术逻辑部件（ALU），控制器：指令计数器（用来存放CPU正在执行的指令的地址）和指令寄存器（用来保存当前正在执行的指令）2.2.2 指令与指令系统指令是构成程序对的基本单位，采用二进制表示，指令由操作码和操作数地址组成，CPU所能执行的全部指令称为指令系统2.2.3 CPU的性能指标字长，主频，CPU总线速度，高速缓存的容量与结构，指令系统，逻辑结构，内核个数 TFLOPS（万亿条浮点指令/秒）MIPS（百万条定点指令/秒），MFLOPS（百万条浮点指令/秒）2.3 PC主机的组成2.3.1 主板，芯片组与BIOSCPU芯片和内存条分别通过主板上的CPU插座和存储器插槽安装在主板上，PC机常用外围设备通过扩充卡或I/O接口与主板相连，扩充卡借助卡上的印刷插头插在主板上的PCI总线插槽中主板上还有两块特别有用的集成电路：一块是闪烁存储我，其中存放的是BIOS，它是PC机软件中最基础的部分，没有它机器就无法启动，另一个集成电路芯片是CMOS存储器，其中存放者与计算机系统相关的一些参数（称为配置信息），包括当前的日期和时间，开机口令，已安装的光驱和硬盘的个数及类型等，CMOS 芯片是一种易失性存储器，它由主板上的电池供电，即使计算机关机后它也不会丢失所存储的信息芯片组由北桥芯片（MCH）和南桥芯片（ICH）组成，CPU时钟信号由芯片组提供芯片组还决定了主板上所能安装的内存最大容量，速度及可使用的内存条的类型每次机器加电时，CPU首先执行BIOS程序，它具有诊断计算机故障和加载操作系统并启动其运行的功能BIOS:加电自检程序，引导装入程序，CMOS设置程序，基本外围设备的驱动程序内存储器由称为存储器芯片的半导体集成电路组成，RAM目前多采用MOS型半导体集成电路芯片制成DRAM:电路简单，集成度高，功耗小，成本低SRAM:电路复杂，集成度低，功耗大，成本高每个存储单元都有一个地址，CPU按地址对存储器进行访问存储器的存取时间指的是从CPU给出存储器地址开始到存储器读出数据并送回到CPU所需要的时间解决主存速度慢的方法是：①采用cache存储器②改进存储器芯片的电路与工艺，并对DRAM的存储控制技术进行改进2.3.3 I/O总线与I/O接口CPU芯片与北桥芯片相互连接总线称为CPU总线（前端总线FSB），I/O设备控制器与CPU，存储器之间相互交换信息，传输数据的一组公用信号线称为I/O总线，总线上有三类信号：数据信号，地址信号和控制信号总线带宽（MB/S）=(数据线宽度/8)X总线工作频率（MHZ）X每个总线周期的传输次数PCI-E是PC机I/O总线的一种新标准，采用高速串行传输USB电源（5V,100mA～500Ma） USB3.0的电流是1A2.4常用输入设备扫描仪的性能指标：①扫描仪的光学分辨率：普通家用扫描仪分辨率在1600～3200dpi②色彩位数③扫描幅面④与主机的接口2.5 常用输出设备显示器的刷新频率越高，图像的稳定性越好，响应时间越小越好。
计算机系统结构第二章（习题解答）
计算机系统结构第⼆章（习题解答）1. 数据类型、数据表⽰和数据结构之间是什么关系？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？答：略2. 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位，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位，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 处理机中所占⽤的存储空间⼤⼩（包括指令和数据），从中得到什么启发？答：我们可以计算出数据的总数量：∵程序有1000条指令组成，且每条指令平均要访问两个操作数∴程序访问的数据总数为：1000×2＝2000个∵每个数据平均访问8次∴程序访问的不同数据个数为：2000÷8＝250对于A 处理机，所⽤的存储空间的⼤⼩为：bit4000032250321000MemMemMemdataninstructio A=?+?=+=对于B 处理机，指令字长由32位变为了30位（条数由256减少到64），这样，所⽤的存储空间的⼤⼩为：bit3900036250301000MemMemMemdataninstructio B=?+?=+=由此我们可以看出，由于数据的平均访问次数要⼤于指令，所以，采⽤带标志符的数据表⽰不会增加总的存储空间⼤⼩。
3. 对于⼀个字长为64位的存储器，访问这个存储器的地址按字节编址。
假设存放在这个存储器中的数据中有20％是独⽴的字节数据（指与这个字节数据相邻的不是⼀个字节数据），有30％是独⽴的16位数据，有20％是独⽴的32位数据，另外30％是独⽴的64位数据；并且规定只能从⼀个存储字的起始位置开始存放数据。
⑴计算这种存储器的存储空间利⽤率。
⑵给出提⾼存储空间利⽤率的⽅法，画出新⽅法的逻辑框图，并计算这种⽅法的存储空间利⽤率。
计算机体系结构第2章试题答案
1、堆栈型通用寄存器型2、累加器型堆栈型3、堆栈累加器4、累加器一组寄存器5、能够使编译器有效地使用寄存器表达式求值方面6、有2个还是3个操作数有多少个存储器操作数7、寄存器-寄存器型寄存器-存储器型8、寄存器-存储器型存储器-存储器型9、一个寄存器操作数一个存储器操作数10、立即数偏移11、指令条数执行时钟周期数（CPI）12、实现的复杂度执行时钟周期数（CPI）13、各种偏移量大小的使用情况指令所使用的立即值大小的范围14、强化指令功能实现软件功能向硬件功能转移15、尽可能地降低指令集结构的复杂提高性能的目的16、提高传送指令功能增加程序控制指令功能17、提高运算型指令功能提高传送指令功能18、算术逻辑运算复杂指令集计算机19、指令时钟数精减指令集计算机20、LOAD STORE21、80% 20%22、计算机体系结构的复杂性运行速度慢23、跳转分支24、跳转过程调用25、条件分支过程返回26、目标地址27、条件28、和程序计数器（PC）相加的值相加的偏移量PC相对寻址29、指令中表示目标地址的字段的长度与它被载入的位置无关30、算术和逻辑运算数据传输31、数据传输控制32、操作数表示操作数类型33、压缩十进制二进制编码十进制（非压缩十进制）34、变长编码格式固定长度编码格式35、操作码字段地址码字段36、地址码字段各种寻址方式37、寄存器数目寻址方式类型38、指令平均字目标代码大小39、将寻址方式编码于操作码中为每个操作数设置一个地址描述符40、32 立即值偏移（79个）41、寄存器寻址寄存器间接寻址42、多种长度的整型数据浮点数据43、寄存器（通用寄存器和浮点寄存器）存储器45、源操作数地址码目的操作数地址码立即数编码46、LOADT和STORE操作分支和跳转操作47、ALU操作浮点操作48、寄存器-寄存器通用寄存器R049、I J50、双精度浮点单精度浮点（100个）三名词解释1、指令集结构：指令集结构是软硬件的交界面，CPU依靠指令来计算和控制系统，每款CPU在设计时就规定了一系列与其硬件电路相配合的指令系统。
北理工计算机体系结构习题解答
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 计算机体系结构 习题与答案
第二章习题（P69-70）一、复习题1．简述冯∙诺依曼原理，冯∙诺依曼结构计算机包含哪几部分部件，其结构以何部件为中心？答：冯∙诺依曼理论的要点包括：指令像数据那样存放在存储器中，并可以像数据那样进行处理；指令格式使用二进制机器码表示；用程序存储控制方式工作。
这3条合称冯∙诺依曼原理OgtiojD。
冯∙诺依曼计算机由五大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，整个结构一般以运算器为中心，也可以以控制器为中心。
(P51-P54)r1fI4bu。
2．简述计算机体系结构与组成、实现之间的关系。
答：计算机体系结构通常是指程序设计人员所见到的计算机系统的属性，是硬件子系统的结构概念及其功能特性。
计算机组成（computer organization）是依据计算机体系结构确定并且分配了硬件系统的概念结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组成，它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。
同时，为实现指令的控制功能，还需要设计相应的软件系统来构成一个完整的运算系统。
计算机实现，是计算机组成的物理实现,就是把完成逻辑设计的计算机组成方案转换为真实的计算机。
计算机体系结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念，各自有不同的含义，但是又有着密切的联系，而且随着时间和技术的进步，这些含意也会有所改变。
在某些情况下，有时也无须特意地去区分计算机体系结构和计算机组成的不同含义。
(P47-P48)28BoSAn。
3．根据指令系统结构划分，现代计算机包含哪两种主要的体系结构？答：根据指令系统结构划分，现代计算机主要包含：CISC和RISC两种结构。
(P55)4．简述RISC技术的特点？答：从指令系统结构上看，RISC体系结构一般具有如下特点：(1)精简指令系统。
可以通过对过去大量的机器语言程序进行指令使用频度的统计，来选取其中常用的基本指令，并根据对操作系统、高级语言和应用环境等的支持增设一些最常用的指令;hJslBtf。
系统结构课程简介
课程内容提纲
课程简介
计算机系统结构》 《计算机系统结构》是计算机专业的基础性专业课 程之一，在整个计算机专业课程体系中处于图1 程之一，在整个计算机专业课程体系中处于图1所示 的位置； 的位置； 计算机系统结构课程主要研究计算机硬件和软件之 间的接口和界面，例如： 间的接口和界面，例如：计算机是怎样有效地表示 数据的？计算机指令设计的方法？ 数据的？计算机指令设计的方法？计算机的存储体 系怎样设计和考虑？输入/输出系统怎样设计？ 系怎样设计和考虑？输入/输出系统怎样设计？怎样 实现指令的流水或并行执行？ 实现指令的流水或并行执行？…….。 .
计算机硬、软件专业的课程体系： 计算机硬、软件专业的课程体系：
MIS＆OA， MIS＆OA，其它应用课程
软件工程理论
数据结构
各种程序设计语言
计算机软件
数据库原理
编译原理
操作系统
离散数学
计算机系统结构
计算机组成原理及其实现
计算机硬件
数字逻辑
数字电路
微电子技术LSI、 微电子口问题： 关于本课程内容和其它课程之间的接口问题： 和研究生《系统结构》课程之间的基本接口：总体上， 本课程主要学习单机系统结构部分，到标量流水处理 为止，研究生从多机开始。因此研究生将主要学习610章的内容。 和计算机组成原理之间的关系：计算机组成原理介绍 计算机各部分的具体实现或逻辑设计，而系统结构则 从软硬件整体性能的最优化目标出发，设计系统的整 体结构，定义软件和硬件之间的接口和界面。
第六章 标量处理机
前言 先行控制技术 数据相关问题 标量流水机系统结构 标量处理机的实现方式 小结
第一章 概
计算机系统结构的概念 计算机层次结构
述
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浮点数格式
两个符号： mf :尾数符号 e f :阶码符号 1位 mf 1位 ef
N mr
q位 e
两个数值： e m :尾数的值 m e :阶码的值 p位 m 两个字长： p :尾数的长度
两个基： rm :尾数的基 re :阶码的基
分析:当R＞3时有 BY/BX < 1。 在实际应用中经常是R ＞10。 同济大学.电子与信息工程学院.计算机科学与工程系
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5 之 1
数据描述符表示法
思想
对于许多连续存放的同属性数据，例如：向 量、矩阵、多维数组等，可以采用一个数据描述 符作用于这样的一组数据，而没有必要让每个数 据都带标志符。
《Computer Architecture》V3
答: 程序在X中的存储空间： 程序在Y中的存储空间：
BY 30I
30I
2 32I BX 32I R
2 35I R
二者的比值为：
BY BX
2 35I 15R 35 R 2 32I 16R 32 32I R
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2 之 1
基本数据表示
内容 定点数、浮点数、十进制数、逻辑数、字符等。 目的 支持数据结构，提高系统效率和性能/价格。 设计 根据应用需求，设计各种参数、指标。 举例 浮点数数据表示的设计。
浮点数尾数下溢 的处理
问题 在浮点数操作（相加、相 乘、右移等）过程中产生的 下溢会造成精度的损失。 解决 设计下溢处理方法，有多 种方法，不同的方法有不同 的优点和缺点，其出发点和 应用场合也不一样，应根据 需要进行选择。
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截断法
舍入法 恒臵“1”法 查表舍入法
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q :阶码的长度
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浮点数尾数基值 的选择
表数范围 随rm加大，范围加大。 表数个数 随rm加大，个数增多。 表数精度 随rm加大，精度变低。 运算精度损失 随rm加大，损失变小。 运算速度 随rm加大，速度变快。
的关系），增加了编译程序的负担，能否在
设计机器语言时，缩短与高级语言之间的差
距？
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4 之 1
带标志符的数据 表示法
思想
每个数据的格式为：
标志符 数值
例子
指令系统
指令系统的分类
数据表示
寻址技术
指令格式的优化设计
指令系统的功能设计
综合实例：MIPS指令集
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6 之 1
指令系统的分类
分类标准
根据CPU中操作数的存储方法分类（主要分 类准则） 根据指令中显式操作数个数分类 根据操作数能否放在存储器中分类
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6 之 6
指令系统的选择
针对应用需求，对指令中各属性分布进行 分析，根据指令执行效率确定指令集风格 根据各种指令的各属性分布确定寄存器数 及操作数个数 必须考虑对OS和编译程序的支持
缺点
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4 之 3
存储空间分析
问题 存储空间将会增加。 解决 合理地设计和使用会不增 反降。 原因 数据字增加，指令字 缩小 编译程序缩短，目的 程序缩短
描述符
101
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5 之 4
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2 之 2
浮点数数据表示设计
浮点数格式 浮点数尾数基值选择
浮点数尾数下溢处理
浮点数格式设计
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例：假设X处理机的数据不 带标志符，其指令字长和数 据字长均为32位；Y处理机 的数据带标志符，数据字长 增加至35位，其中3位是标 志符，其指令字长由32位减 少至30位。并假设一条指令 平均访问两个操作数，每个 操作数平均被访问R次。分 别计算一个有I条指令的程 序在这两种不同类型的处理 机中所占用的存储空间。
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2 之 1
高级数据表示
内容 堆栈、向量、数组（队列）、记录、自定义数 据表示等。 目的 支持数据结构，提高系统效率和性能/价格。 举例 自定义数据表示。
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2 之 2
浮点数格式设计
设计重点
在表数范围和表数精度给定的情况下，如何确定最短 的尾数字长p和阶码字长q。
研究对象
阶码长度q 影响表数范围。 尾数长度p 影响表数精度。 尾数基值rm 影响表数范围、精度及数在数轴上分布离散程度。
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采用标志符 的指令字长
指 令 字 长 标志符长度 缩 短
数据字长 加长
指令 不采 用标 志符 的指 令和 数据 字长
数据
采用标志符的数据长度
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4 之 4
存储空间分析
例子
以Burroughs公司生产的B-6700机中采用的 数据描述符表示方法进行介绍。
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5 之 2
B-6700中的格式
数据描述符格式 101 标志位 数据块长度 数据块起始地址
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数据表示
基本概念 基本数据表示 高级数据表示
数据表示设计
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数据格式 000 数值
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5 之 3
取操作数的过程
操作码 x y 指令 主存储器 101 （数据） …
寄存器 描述符 101
101 地址形 成逻辑
000
（数据） … 000 …
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6 之 4
通用寄存器型指令系 统的分类
根据分类标准2、3可以分为：
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6 之 5
不同通用寄存器型指 令系统的特点
确定哪些数据类型用数据表示实 现，是软件与硬件的取舍问题。
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3 之 3
结 论
数据类型是指令系统的核心内容，系统 结构设计者在设计时应首先确定： 哪些数据类型全部用硬件实现，即数 据表示；哪些数据类型用软件实现，即数据 结构；哪些数据类型可由硬件给予适应的支 持，即由软件和硬件共同来实现，并确定软 件和硬件的适当比例关系。
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4 之 2
带标志符的数据 表示法
优点
简化指令系统和程序 设计 简化编译程序 便于硬件实现一致性 校验 能由硬件自动完成数 据类型的变换 为软件调试和应用软 件开发提供支持
支持了数据库系统的 实现与数据类型无关 的要求 数据和指令的长度可 能不一致 指令执行速度降低， 程序设计时间、编译 时间和调试时间缩短 硬件复杂度增加。