计算机系统结构复习
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计算机系统结构 18
15
15
1110 1111 1111 . . .
1111 1111 1111 . . .
0000 0001 . . . 1110 1111 0000 1111 0001 . . . . . .
15
1111 1111 1110 15/15/15编码法
2013-7-29
习题解答
• 例1. P124，题3（忽略P124倒1行 ~ P125第8行文字）
1 I i log a ( ) log a Pi Pi H ( Pi I i ) Pi log a ( Pi )
i 1 i 1 n n
平均信息量（熵）：
平均码长：
L ( Pi li )
i 1
n
信息冗余量：
2013-7-29
R
LH 100% L
2013-7-29
计算机系统结构
12
第二章 小结
1.浮点数的表示
e N m rm
各字段位数： 浮点数字段： 对应位的权：
1位 1位 mf ef
阶码 q 位 eq-1 … … e0 re
q-1
. .
0
尾数 p 位 m 1 … … mp rm
-1
… … re
… … rm
-p
隐含小数点
2013-7-29
第一章 小结
1.计算机系统结构的定义
使用者必须了解的机器外部特性知识（广义定义） 1) 数据表示（硬件能够直接识别和处理的数据类型和格式等）； 2) 寻址方式（包括最小寻址单位、寻址方式的种类、表示和地址计算等）； 3) 寄存器组织（包括各种寄存器的配置数目和功能定义）； 4) 指令系统（包括机器指令的类型和格式、指令排序方式和控制机构等）； 5) 存储系统（包括编址方式、存储容量、最大编址空间等）； 6) 中断机构（中断源的分类管理和中断服务功能设计）； 7) 机器工作状态（如管态、目态等）的定义和切换； 8) 输入/输出子系统结构与管理； 9) 信息保护手段及其实现。
5
7.平均周期数CPI公式，程序执行时间Te公式
CPI(Cycle Per instruction)：每条指令执行时所花费的平均时钟周期数 CPU时间＝（CPI×IC）/频率
n Te Ti ( ICi CPI i CYCLE ) ( ICi CPI i ) CYCLE i 1 i 1 i 1
MFILOPS（million floating operation per second)：每秒百万次 浮点操作次数
MFLOPS
程序中的浮点操作次数 执行时间106
，主要用于向量计算机
2013-7-29
计算机系统结构
7
习题1-8，1-9
从机器（汇编）语言程序员看，以下哪些是透明的？
解：透明的是：指令缓冲器；时钟发生器；乘法器； 主存地址寄存器； 磁盘外设；先行进位链；移位器。 不透明的是：指令地址寄存器；时标发生器； 条件码寄存器；通用寄存器；中断字寄存器。
4) 程序顺序执行；
5) 指令由操作码与操作数两部分组成； 6) 数据用二进制编码； 7) 机器由硬件与软件组成，硬件功能不能改变。
2013-7-29 计算机系统结构 3
5.现代计算机系统分类的Flynn法
1) 单指令流单数据流 （SISD---Single Instruction Stream Single Data Stream）
8
习题解答
• 题12 （P33）
Amdahl定律公式，代入已知量
Se=20变成一元函数 Sn=20/(20-19Fe) 用三点作图法作出关系曲线。
Sn 20
10.5
1.8 1
0
2013-7-29 计算机系统结构
0.5
1
Fe
9
习题解答
• 题13（P33）
Amdahl定律公式，代入已知量Se=20，Sn=2，解出Fe=10/19
n n
2013-7-29
计算机系统结构
6
8.每秒百万指令数MIPS公式，每秒百万浮点数MFLOPS公式
MIPS（million instructions per second)：每秒百万条指令数
MIPS IC IC f 106 106 106 ，主要用于标量计算机 Te IC CPI CYCLE CPI
• 题14（P33）
Amdahl定律公式，代入已知量Se=20，Sn=10，解出Fe=18/19
• 题15（P33）
Amdahl定律公式， 硬件组，已知 Se＝40，Fe＝0.7， 软件组，已知 Se’＝20，Fe’＝？， 两种方案具有同样的Sn，求Fe’－Fe。
解出 Fe’－Fe ＝ 1.84%
2013-7-29
2013-7-29 计算机系统结构 1
2.多级层次模型以及基于该模型的透明性判断方法
第5级 专用应用语言机器 特定应用用户 （使用特定应用语言） （经应用程序翻译成高级语言） 第4级 通用高级语言机器 高级语言程序员（使用通用高级语言） （经编译程序翻译成汇编语言） 第3级 汇编语言机器 汇编语言程序员（使用汇编语言）
解：
CPI=(45000×1+32000×2+15000×2+8000×2)/(45000+3200 0+15000+8000)=1.55周期/指令 MIPS速率=F/(CPI×10 )=40×10 /(1.55×10 )
6 6 6
=25.8 MIPS
程序执行时间 6 T=(45000×1+32000×2+15000×2+8000×2)/(40×10 ) -3 =3.875×10 秒
计算机系统结构
10
习题解答
题19（P33）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 整数运算
指令数 45000
时钟周期数 1
数据传送 浮点
控制传送
32000 15000
8000
2 2
2
求有效CPI，MIPS速率和程序的执行时间。
2013-7-29 计算机系统结构 11
( rm 1) rmp 1 req rm 1 p q rm re rm
隐藏位技术是一种提高表数效率的方法，但仅适用于rm=2的情况。
2013-7-29
计算机系统结构
16
5. Huffman编码方法
Huffman压缩概念（最佳编码定理）：当用n个长度不等的代码分别代 表n种发生概率不等的事件时，按照短代码给高概率事件、把长代码给 低概率事件的原则分配，可使平均码长达到最低。 信息量：
计算机系统结构
I1 0.25 I2 0.20 I3 0.15 I4 0.10 I5 0.08 I6 0.08 I7 0.05 I8 0.04 I9 0.03 I10 0.02 操作码的平均长度 操作码的信息冗余量
2013-7-29
00 (2) 01 (2) 10 00 (4) 10 01 (4) 10 10 (4) 10 11 (4) 11 00 (4) 11 01 (4) 11 10 (4) 11 11 (4) 3.1 4.5%
下列哪些对系统程序员是透明的？哪些对应用程序员是透明的？
解：因为系统包含应用，即对系统程序员和应用程序员都透明的： 系列机各档不同的数据通路宽度；Cache存储器；指令缓冲寄存器。 对应用程序员透明：虚拟存储器。 都不透明：程序状态字；“启动I/O”指令；“执行”指令。
2013-7-29
计算机系统结构
2013-7-29 计算机系统结构 2
3.计算机实现、计算机系统设计的主要思路、模拟、仿真、 虚拟机、宿主机、系列机、兼容性、并行性等重要名词 的含义 4.冯.诺依曼型机器的7个特点
1) 以运算器为数据流动中枢，以控制器为控制命令中枢；
2) 存储程序并且执行，程序象数据一样可以修改；
3) 存储器按地址访问，线性顺序编址；
N (1 r ) r
2013-7-29
计算机系统结构
14
3.浮点数的表数精度
最大绝对误差：是真实值与可表示值之间的最大可能距离。
max
1 p e 1 e p rm rm rm 2 2
它随着阶码e增大而增大，不是一个定数。 最大相对误差定义为：
max
00 (2) 01 (2) 10 (2) 11 000 (5) 11 001 (5) 11 010 (5) 11 011 (5) 11 100 (5) 11 101 (5) 11 110 (5) 3.2 7.5%
20
第三章 小结
1.并行存储系统原理
高位交叉访问存储器：
体0 地址译码器 0 1 2 3 数据缓冲器 体1 地址译码器 4 5 6 7 数据缓冲器 地址总线 体2 地址译码器 8 9 10 11 数据缓冲器 体3 地址译码器 12 13 14 15 数据缓冲器
计算机系统结构 17
6.等长扩展编码方法（15/15/15法，8/64/512法）
用码长表示：例如4-8-12法。这并不能说明具体编码方法。
用码点数表示：例如15/15/15法，8/64/512法。
0000 0001 . . . 0 000 0 .001 . 8 . 0 111 1 000 0 000 1 .000 0 001 . 64 . 1 111 0 111 1 000 1 000 0 000 1 .000 1 000 0 001 . . . . . 512 . . . 1 111 1 111 0 111 8/64/512编码法
（经汇编程序翻译成机器语言、操作系统原语）
第2级 操作系统语言机器 操作系统用户 （使用操作系统原语） （经原语解释子程序翻译成机器语言）
第1级 传统机器语言机器 传统机器程序员（使用二进制机器语言）
（由微程序解释成微指令序列） 第0级 微指令语言机器 微指令程序员 （使用微指令语言） （由硬件译码器解释成控制信号序列）
2013-7-29
计算机系统结构
4
6.Amdahl 定律
Amdahl定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统 性能的提高与这种执行方式的使用频率或占用总执行时间的比例有关。
A
To B Tn
C
To Sn Tn
1 Fe (1 Fe ) Se
2013-7-29
计算机系统结构
2) 单指令流多数据流 （SIMD---Single Instruction Stream Multiple Data Stream） 3) 多指令流单数据流 （MISD---Multiple Instruction Stream Single Data Stream） 4) 多指令流多数据流 （MIMD---Multiple Instruction Stream Multiple Data Stream）
32位 最大绝对值 (1－2－24)2128 最小绝对值 2-128
64位 (1－2－53)21024 2-1024
表பைடு நூலகம்精度
表述效率
2013-7-29
2-24
100%
计算机系统结构
2-53
100%
19
习题解答
• 例2. P127，题13
指令序号 出现的概率 Huffman编码 2/8扩展编码 3/7扩展编码 00 (2) 10 (2) 010 (3) 110 (3) 0110 (4) 0111 (4) 11100 (5) 11101 (5) 11110 (5) 11111 (5) 2.99 1%
max
N
1 p e rm rm 1 1 2 rm p e m rm 2 m
最大相对误差与阶码e无关，但与尾数m的值有关。
2013-7-29 计算机系统结构 15
4.浮点数的表数效率
其中规格化浮点数个数 2 ( rm 1) rmp 1 2 req 1 ( rm ) 可以生成的浮点数个数 2 rmp 2 req
数据总线
低位交叉访问存储器：
体0 地址译码器 0 4 8 12 数据缓冲器 体1 地址译码器 1 5 9 13 数据缓冲器
地址总线 体2 地址译码器 2 6 10 14 数据缓冲器 体3 地址译码器 3 7 11 15 数据缓冲器
计算机系统结构
13
2.浮点数的表数范围
-∞ 最小负数 最大负数
0 最小正数 最大正数
+∞
最大正数 最小正数 最大负数 最小负数
── ── ── ──
1 m
最大正尾数/最大阶码； 最小正尾数/最小阶码； 最大负尾数/最小阶码； 最小负尾数/最大阶码。
d m p m 2 req 1 d m
r r
15
15
1110 1111 1111 . . .
1111 1111 1111 . . .
0000 0001 . . . 1110 1111 0000 1111 0001 . . . . . .
15
1111 1111 1110 15/15/15编码法
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习题解答
• 例1. P124，题3（忽略P124倒1行 ~ P125第8行文字）
1 I i log a ( ) log a Pi Pi H ( Pi I i ) Pi log a ( Pi )
i 1 i 1 n n
平均信息量（熵）：
平均码长：
L ( Pi li )
i 1
n
信息冗余量：
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R
LH 100% L
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计算机系统结构
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第二章 小结
1.浮点数的表示
e N m rm
各字段位数： 浮点数字段： 对应位的权：
1位 1位 mf ef
阶码 q 位 eq-1 … … e0 re
q-1
. .
0
尾数 p 位 m 1 … … mp rm
-1
… … re
… … rm
-p
隐含小数点
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第一章 小结
1.计算机系统结构的定义
使用者必须了解的机器外部特性知识（广义定义） 1) 数据表示（硬件能够直接识别和处理的数据类型和格式等）； 2) 寻址方式（包括最小寻址单位、寻址方式的种类、表示和地址计算等）； 3) 寄存器组织（包括各种寄存器的配置数目和功能定义）； 4) 指令系统（包括机器指令的类型和格式、指令排序方式和控制机构等）； 5) 存储系统（包括编址方式、存储容量、最大编址空间等）； 6) 中断机构（中断源的分类管理和中断服务功能设计）； 7) 机器工作状态（如管态、目态等）的定义和切换； 8) 输入/输出子系统结构与管理； 9) 信息保护手段及其实现。
5
7.平均周期数CPI公式，程序执行时间Te公式
CPI(Cycle Per instruction)：每条指令执行时所花费的平均时钟周期数 CPU时间＝（CPI×IC）/频率
n Te Ti ( ICi CPI i CYCLE ) ( ICi CPI i ) CYCLE i 1 i 1 i 1
MFILOPS（million floating operation per second)：每秒百万次 浮点操作次数
MFLOPS
程序中的浮点操作次数 执行时间106
，主要用于向量计算机
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习题1-8，1-9
从机器（汇编）语言程序员看，以下哪些是透明的？
解：透明的是：指令缓冲器；时钟发生器；乘法器； 主存地址寄存器； 磁盘外设；先行进位链；移位器。 不透明的是：指令地址寄存器；时标发生器； 条件码寄存器；通用寄存器；中断字寄存器。
4) 程序顺序执行；
5) 指令由操作码与操作数两部分组成； 6) 数据用二进制编码； 7) 机器由硬件与软件组成，硬件功能不能改变。
2013-7-29 计算机系统结构 3
5.现代计算机系统分类的Flynn法
1) 单指令流单数据流 （SISD---Single Instruction Stream Single Data Stream）
8
习题解答
• 题12 （P33）
Amdahl定律公式，代入已知量
Se=20变成一元函数 Sn=20/(20-19Fe) 用三点作图法作出关系曲线。
Sn 20
10.5
1.8 1
0
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0.5
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习题解答
• 题13（P33）
Amdahl定律公式，代入已知量Se=20，Sn=2，解出Fe=10/19
n n
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6
8.每秒百万指令数MIPS公式，每秒百万浮点数MFLOPS公式
MIPS（million instructions per second)：每秒百万条指令数
MIPS IC IC f 106 106 106 ，主要用于标量计算机 Te IC CPI CYCLE CPI
• 题14（P33）
Amdahl定律公式，代入已知量Se=20，Sn=10，解出Fe=18/19
• 题15（P33）
Amdahl定律公式， 硬件组，已知 Se＝40，Fe＝0.7， 软件组，已知 Se’＝20，Fe’＝？， 两种方案具有同样的Sn，求Fe’－Fe。
解出 Fe’－Fe ＝ 1.84%
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2013-7-29 计算机系统结构 1
2.多级层次模型以及基于该模型的透明性判断方法
第5级 专用应用语言机器 特定应用用户 （使用特定应用语言） （经应用程序翻译成高级语言） 第4级 通用高级语言机器 高级语言程序员（使用通用高级语言） （经编译程序翻译成汇编语言） 第3级 汇编语言机器 汇编语言程序员（使用汇编语言）
解：
CPI=(45000×1+32000×2+15000×2+8000×2)/(45000+3200 0+15000+8000)=1.55周期/指令 MIPS速率=F/(CPI×10 )=40×10 /(1.55×10 )
6 6 6
=25.8 MIPS
程序执行时间 6 T=(45000×1+32000×2+15000×2+8000×2)/(40×10 ) -3 =3.875×10 秒
计算机系统结构
10
习题解答
题19（P33）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 整数运算
指令数 45000
时钟周期数 1
数据传送 浮点
控制传送
32000 15000
8000
2 2
2
求有效CPI，MIPS速率和程序的执行时间。
2013-7-29 计算机系统结构 11
( rm 1) rmp 1 req rm 1 p q rm re rm
隐藏位技术是一种提高表数效率的方法，但仅适用于rm=2的情况。
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16
5. Huffman编码方法
Huffman压缩概念（最佳编码定理）：当用n个长度不等的代码分别代 表n种发生概率不等的事件时，按照短代码给高概率事件、把长代码给 低概率事件的原则分配，可使平均码长达到最低。 信息量：
计算机系统结构
I1 0.25 I2 0.20 I3 0.15 I4 0.10 I5 0.08 I6 0.08 I7 0.05 I8 0.04 I9 0.03 I10 0.02 操作码的平均长度 操作码的信息冗余量
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00 (2) 01 (2) 10 00 (4) 10 01 (4) 10 10 (4) 10 11 (4) 11 00 (4) 11 01 (4) 11 10 (4) 11 11 (4) 3.1 4.5%
下列哪些对系统程序员是透明的？哪些对应用程序员是透明的？
解：因为系统包含应用，即对系统程序员和应用程序员都透明的： 系列机各档不同的数据通路宽度；Cache存储器；指令缓冲寄存器。 对应用程序员透明：虚拟存储器。 都不透明：程序状态字；“启动I/O”指令；“执行”指令。
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计算机系统结构
2013-7-29 计算机系统结构 2
3.计算机实现、计算机系统设计的主要思路、模拟、仿真、 虚拟机、宿主机、系列机、兼容性、并行性等重要名词 的含义 4.冯.诺依曼型机器的7个特点
1) 以运算器为数据流动中枢，以控制器为控制命令中枢；
2) 存储程序并且执行，程序象数据一样可以修改；
3) 存储器按地址访问，线性顺序编址；
N (1 r ) r
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3.浮点数的表数精度
最大绝对误差：是真实值与可表示值之间的最大可能距离。
max
1 p e 1 e p rm rm rm 2 2
它随着阶码e增大而增大，不是一个定数。 最大相对误差定义为：
max
00 (2) 01 (2) 10 (2) 11 000 (5) 11 001 (5) 11 010 (5) 11 011 (5) 11 100 (5) 11 101 (5) 11 110 (5) 3.2 7.5%
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第三章 小结
1.并行存储系统原理
高位交叉访问存储器：
体0 地址译码器 0 1 2 3 数据缓冲器 体1 地址译码器 4 5 6 7 数据缓冲器 地址总线 体2 地址译码器 8 9 10 11 数据缓冲器 体3 地址译码器 12 13 14 15 数据缓冲器
计算机系统结构 17
6.等长扩展编码方法（15/15/15法，8/64/512法）
用码长表示：例如4-8-12法。这并不能说明具体编码方法。
用码点数表示：例如15/15/15法，8/64/512法。
0000 0001 . . . 0 000 0 .001 . 8 . 0 111 1 000 0 000 1 .000 0 001 . 64 . 1 111 0 111 1 000 1 000 0 000 1 .000 1 000 0 001 . . . . . 512 . . . 1 111 1 111 0 111 8/64/512编码法
（经汇编程序翻译成机器语言、操作系统原语）
第2级 操作系统语言机器 操作系统用户 （使用操作系统原语） （经原语解释子程序翻译成机器语言）
第1级 传统机器语言机器 传统机器程序员（使用二进制机器语言）
（由微程序解释成微指令序列） 第0级 微指令语言机器 微指令程序员 （使用微指令语言） （由硬件译码器解释成控制信号序列）
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4
6.Amdahl 定律
Amdahl定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统 性能的提高与这种执行方式的使用频率或占用总执行时间的比例有关。
A
To B Tn
C
To Sn Tn
1 Fe (1 Fe ) Se
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计算机系统结构
2) 单指令流多数据流 （SIMD---Single Instruction Stream Multiple Data Stream） 3) 多指令流单数据流 （MISD---Multiple Instruction Stream Single Data Stream） 4) 多指令流多数据流 （MIMD---Multiple Instruction Stream Multiple Data Stream）
32位 最大绝对值 (1－2－24)2128 最小绝对值 2-128
64位 (1－2－53)21024 2-1024
表பைடு நூலகம்精度
表述效率
2013-7-29
2-24
100%
计算机系统结构
2-53
100%
19
习题解答
• 例2. P127，题13
指令序号 出现的概率 Huffman编码 2/8扩展编码 3/7扩展编码 00 (2) 10 (2) 010 (3) 110 (3) 0110 (4) 0111 (4) 11100 (5) 11101 (5) 11110 (5) 11111 (5) 2.99 1%
max
N
1 p e rm rm 1 1 2 rm p e m rm 2 m
最大相对误差与阶码e无关，但与尾数m的值有关。
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4.浮点数的表数效率
其中规格化浮点数个数 2 ( rm 1) rmp 1 2 req 1 ( rm ) 可以生成的浮点数个数 2 rmp 2 req
数据总线
低位交叉访问存储器：
体0 地址译码器 0 4 8 12 数据缓冲器 体1 地址译码器 1 5 9 13 数据缓冲器
地址总线 体2 地址译码器 2 6 10 14 数据缓冲器 体3 地址译码器 3 7 11 15 数据缓冲器
计算机系统结构
13
2.浮点数的表数范围
-∞ 最小负数 最大负数
0 最小正数 最大正数
+∞
最大正数 最小正数 最大负数 最小负数
── ── ── ──
1 m
最大正尾数/最大阶码； 最小正尾数/最小阶码； 最大负尾数/最小阶码； 最小负尾数/最大阶码。
d m p m 2 req 1 d m
r r