计算机系统结构 第2章 数据表示与指令系统
计算机系统结构 复习笔记
第一章概论本章重点：计算机系统的层次结构、计算机系统结构的定义、计算机系统的设计思路、系统结构并行性开发的方法和计算机系统的分类。
本章难点：透明性分析。
复习建议：本章在历年考试中，为必考的章节，但一般考察基本概念和基本知识;从题型来讲主要为单项选择题和填空题。
建议学员在复习时注意基本概念的理解和掌握。
第一节计算机系统的多级层次结构一、计算机系统的层次(1)从使用语言的角度，计算机系统可以被看成是按功能划分的多层机器级所组成的层次结构。
层次结构由高到低依次为应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言机器级和微程序机器级，如图所示。
(2)对各级机器级的理解对每一级编程的程序员来说，只要熟悉和遵守该级语言的使用规定，所编写的程序就能在此机器上运行并得到结果，而不用考虑该机器级是如何实现的。
机器：能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构的集合体。
(3)各级机器的实现技术各级机器的实现主要采用翻译或解释技术来实现，或者两者结合。
多级机器构成的层次结构推动了计算机系统结构的发展。
第二节计算机系统结构、计算机组成和计算机实现一、计算机系统结构的定义★系统结构是对计算机系统中的各级界面的定义及其上下的功能分配。
在多级的层级结构中，每层每级都有自己的系统结构。
不同机器级的程序员所看到的计算机属性是不同的，这就是计算机系统不同层次的体现。
系统结构就是要研究对于某级，哪些属性应透明，哪些不应透明。
透明，即如果客观存在的事物或属性从某个角度看不到，则称对它是透明的。
★计算机系统结构也称为计算机系统的体系结构(Computer Architecture)，它指的是层次结构中传统机器级的系统结构，其界面之上的功能包括操作系统级、汇编语言级、高级语言级和应用语言级中所有软件的功能。
界面之下的功能包括所有硬件和固件的功能。
计算机系统结构是软件和硬件的交界面。
就目前的通用机来说，计算机系统结构的属性应包括：★l 硬件能直接识别和处理的数据类型和格式等的数据表示;l 最小可寻址单位、寻址种类、地址计算等的寻址方式;l 通用/专用寄存器的设置、数量、字长、使用约定等的寄存器组织;l 二进制或汇编级指令的操作类型、格式、排序方式、控制机构等的指令系统;l 主存的最小编址单位、编址方式、容量、最大可编址空间等的存贮系统组织;l 中断的分类与分级、中断处理程序功能及入口地址等的中断机构;l 系统机器级的管态和用户态的定义和切换;l 输入输出设备的连接、使用方式、流量、操作结束、出错指示等的机器级I/O结构;l 系统各部分的信息保护方式和保护机构;【例题】下列对应用程序员不透明的是( )(2012年单选题)A.标志符数据表示中的标志符B.输入输出系统硬件的功能C.虚拟地址到主存实地址的变换D.“执行”指令【答案】B【解析】对应用程序员来说只需要知道输入输出系统硬件的功能，就能进行应用系统的开发，而标志符、虚地址与实地址如何变换、“执行”指令均属于底层机器级所要确定的问题，对其是透明的。
(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。
计算机系统结构课后答案unit2
第2章数据表示与指令系统1、数据结构和机器的数据表示之间是什么关系确定和引入数据表示的基本原则是什么？答：数据表示是能由硬件直接识别和引用的数据类型。
数据结构反映各种数据元素或信息单元之间的结构关系。
数据结构要通过软件映象变换成机器所具有的各种数据表示实现，所以数据表示是数据结构的组成元素。
不同的数据表示可为数据结构的实现提供不同的支持，表现在实现效率和方便性不同。
数据表示和数据结构是软件、硬件的交界面。
除基本数据表示不可少外，高级数据表示的引入遵循以下原则：（1）看系统的效率有否提高，是否养活了实现时间和存储空间。
（2）看引入这种数据表示后，其通用性和利用率是否高。
2、标志符数据表示与描述符数据表示有何区别描述符数据表示与向量数据表示对向量数据结构所提供的支持有什么不同？答：标志符数据表示指将数据类型与数据本身直接联系在一起，让机器中每个数所都带类型樗位。
其优点是：（1）简化了指令系统和程序设计；（2）简化了编译程序；（3）便于实现一致性校验；（4）能由硬件自动变换数据类型；（5）支持数据库系统的实现与数据类型无关；（6）为软件调试和应用软件开发提供支持。
缺点是：（1）会增加程序所点的主存空间；（2）在微观上对机器的性能（运算速度）不利。
数据描述符指数据的描述与数据分开存放，描述所访问的数据是整块还是单个的，及访问该数据块或数据元素的地址住处它具备标志符数据表示的优点，并减少了标志符数据表示所占的空间，为向量和数组结构的实现提供支持。
数据描述符方法优于标志符数据表示，数据的描述与数据分开，描述所访问的数据是整块还是单个的，及访问该数据块或数据元素的地址信息，减少了樗符数据表示所占的窨。
用描述符方法实现阵列数据的索引比用变址方法实现要方便，且便于检查出程序中的阵列越界错误。
但它不能解决向量和数组的高速运算问题。
而在有向量、数组数据表示的向量处理机上，硬件上设置有丰富的赂量或阵列运算指令，配有流水或阵列方式处理的高速运算器，不仅能快速形成向量、数组的元素地址，更重要的是便于实现把向量各元素成块预取到中央处理机，用一条向量、数组指令流水或同时对整个向量、数组高速处理．如让硬件越界判断与元素运算并行。
02325计算机系统结构复习资料
第一章计算机系统结构的基本概念从处理数据的角度看，并行级别有位串字串，位并字串，位片串字并，全并行。
位串字串和位并字串基本上构成了SIMD。
位片串字并的例子有：相联处理机STARAN，MPP。
全并行的例子有：阵列处理机ILLIACIV。
从加工信息的角度看，并行级别有存储器操作并行，处理器操作步骤并行，处理器操作并行，指令、任务、作业并行。
存储器操作并行是指可以在一个存储周期内并行读出多个CPU字的，采用单体多字、多体单字或多体多字的交叉访问主存系统，进而采用按内容访问方式，位片串字并或全并行方式，在一个主存周期内实现对存储器中大量字的高速并行操作。
例子有并行存储器系统，以相联存储器为核心构成的相联处理机。
处理器操作步骤并行是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。
例子有流水线处理机。
处理器操作并行是指一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。
擅长对向量、数组进行处理。
例子有阵列处理机。
指令、任务、作业并行是指多个独立的处理机分别执行各自的指令、任务、作业。
例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。
并行性的开发途径有时间重叠(Time Interl eaving )，资源重复(Resou rceReplication)，资源共享(ResourceSharing)。
时间重叠是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上错开，轮流重复地执行使用同一套设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度。
例子有流水线处理机。
资源重复是指一个指令部件同时控制多个处理单元，实现一条指令对多个数据的操作。
例子有阵列处理机，相联处理机。
资源共享是指用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源以提高资源的利用率，从而提高系统性能。
例子有多处理机，计算机网络，分布处理系统。
SISD:一个指令部件控制一个操作部件，实现一条指令对一个数据的操作。
计算机系统结构(高教版)张晨曦 习题答案 第二章
2.1 解释下列术语：堆栈型机器：CPU 中存储操作数的单元是堆栈的机器。
累加型机器——CPU 中存储操作数的单元是累加器的机器。
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。
CISC——复杂指令集计算机。
RISC——精简指令集计算机。
寻址方式：一种指令集结构如何确定所要访问的数据的地址。
数据表示：指计算机硬件能够直接识别、指令集可以直接调用的数据类型。
2.4 指令集应满足那几个基本要求？（书P32-33）答：对指令集的基本要求是：完整性、规整性、高效率和兼容性。
完整性：指在一个有限可用的存储空间内，对于任何可解的问题，编制计算程序时，指令集所提供的指令够用。
完整性要求指令集功能齐全、使用方便。
规整性：主要包括对称性和均匀性。
对称性是指所有与指令集有关的存储单元的使用、操作码的设置等都是对称的。
均匀性是指对于各种不同的操作数类型、字长、操作种类和数据存储单元，指令的设置都要同等对待。
高效率：指令的执行速度快、使用频率高。
在RISC机体系结构中，大多数指令都能在一个节拍内完成，而且只设置使用频率高的指令。
兼容性：系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集，因而，指令系统是兼容的，即各机种上基本软件可以通用。
2.5 指令集结构设计所涉及的内容有哪些？答：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，查看各种寻址方式的使用频度，根据使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IEEE754标准）、整形数据类型（8位、16位、32位的表示方法）、字符类型（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。
计算机系统结构年串讲及汇总第一部分
第一章计算机系统结构的基本概念1. 从使用语言的角度可以将系统看成是按功能划分的多个机器级组成的层次结构;由高到低分别为：1应用语言机器级 2高级语言机器级 3汇编语言机器级 4操作系统机器级 5传统机器语言机器级 6微程序机器级;2. 应用程序语言经应用程序包的翻译成高级语言程序;3. 高级语言程序经编译程序的翻译成汇编语言程序;4.汇编语言程序经汇编程序的翻译成机器语言程序;5.在操作系统机器级,一般用机器语言程序解释作业控制语句;6.传统机器语言机器级,是用微指令程序来解释机器指令;7.微指令由硬件直接执行;8. 在计算机系统结构的层次结构中,机器被定义为能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构的集合体;9.透明指的是客观存在的事物或属性从某个角度看不到,它带来的好处是简化某级的设计,带来的不利是无法控制10.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底一级机器级上行将的程序,然后在低一级机器级上实现的技术11.解释：在低级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高级机器级上的一条语句或指令的功能,通过高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;12硬件取舍原则：1应考虑在现有硬器件主要是逻辑器件和存储器件条件下,系统要有高的性能价格比;2要考虑到准备采用和可能采用的组成技术,使它尽可能不要过多或不合理地限制各种组成、实现技术的采用;3不能仅从“硬”的角度考虑如何便于应用组成技术的成果和便于发挥器件技术的进展,还应从“软”的角度把如何为编译和操作系统的实现以及为高级语言程序的设计提供更多更好的硬件支持放在首位;13. 计算机系统的设计思路：1由上往下2由下往上3由中间开始14. 软件的可移植性：指的是软件不修改或只经少量修改就可由一台机器搬到另一台机器上运行,同一软件可应用于不同的环境;15. 实现欠件移植的几个基本技术：1统一高级语言 2采用系列机 3模拟与仿真16. 为什么没有对各种应用真正通用的语言1不同的用途要求语言的语法、语义结构不同;2人们对语言的基本结构看法不一;3即使同一种高级语言在不同厂家的机器上也不能完全通用;4受习惯势力阻挠,人们不愿意抛弃惯用的语言;17 模拟：用机器语言程序解释实现软件移植的方法称为模拟;需经二重解释,速度低,实时性差模拟灵活,可实现不同系统间的软件移植,系统差异太大时效率速度急剧下降18 仿真：用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法称为仿真;速度上损失小,但不灵活,只在差别不大的机器上使用,两种机器差别太大时,就很难仿真19 模拟与仿真的区别：仿真是用微程序解释,其解释程序存入在控制存储器中；而模拟是用机器语言程序来解释,其解释程序存放在主存中;20 并行性：把解题中具有可以同时进行运算或操作的特性;并行性包括1同时性和2并发性同时性：指两个或多个事件在同一时刻发生并发性：指两个或多个事件在同一时间间隔内发生21开发并行性途径：1时间重叠 2资源重复 3资源共享时间重叠：让多个处理过程在时间上相互错开,轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分,加快硬件周围来赢得速度;资源重复：通过得利设置硬件资源来提高可靠性或性能;资源共享：用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源来提高其利用率,相应也就提高了系统的性能;第二章数据表示与指令系统1.数据表示：指的是能由机器硬件直接识别昨引用的数据类型;2.数据结构反映了应用中要用的各种数据元素或信息单元之间的结构关系; 数据表示是数据结构的组成元素;3.数据结构和数据表示是软、硬件的交界面;数据表示的确定实质是软、硬件的取舍;4.高级数据表示：1自定义数据表示 2微量数组数据表示 3堆栈数据表示5.标志符数据表示：将数据类型和数据本身直接联系到一起;合存于同一存储单元中6.标志符数据表示的优点：1简化了指令系统和程序设计2简化了编译程序3便于实现一至性校验4能由硬件自动变换数据类型5支持了数据库系统的实现与数据类型无关的要求6为软件调试和应用软件开发提供了支持7.标志符数据表示可能带来的问题：1每个数据字因增设标志符,会增加程序所占的主存空间2采用标志符会降低指令的执行速度8.规模机器的特征：（1）有高速寄存器组成的硬件堆栈,并附加控制电路让它与主存中的堆栈区在逻辑上构成整体,使堆栈的访问速度是寄存器,容量是主存的（2）有丰富的堆栈操作指令且功能很强,直接可对堆栈中的数据进行各种去处和处理（3）有力地支持高级语言程序的编译（4）有力地支持子程序的嵌套和递归调用9.引入数据表示的原则：（1）看系统的效率有否提高,即是否减少了实现时间的存储空间（2）看引入这种数据表示后,其通用性和利用率是否高10.浮点数尾数的下溢处理方法：1截值法 2舍入法 3恒置1法 4查表舍入法11.寻址方式：指的是指令按什么方式寻长或访问到所需的操作数或信息;12.寻址方式在指令中的两种指明方式：1 占有操作码中的某些位 2在地址码部分专门设置寻址方式位字段指明13.逻辑地址是程序员编程用的地址;物理地址是程序在主存中的实际地址;14.静态再定位：在目的程序装入主存时,由装入程序用软件方法把目的程序的逻辑地址变换成物理地址15.动态再定位：在执行每条指令时才形成访存物理地址的方法16.指令由操作码和地址码两部分构成；操作码指明操作种类和所用操作数的数据类型；地址码包括操作数的地址、地址的附加信息、寻址方式等;17.指令格式的优化：指的是如何用最短的倍数来表示指令的操作信息和地址信息,使程序中指令的平均字长最短;18.操作码的优化表示,主要是为了缩短指令字长,减少程序总位数及增加指令字能表示的操作信息和地址信息;19.哈夫曼压缩概念的基本思想：当各种事件发生的概率不均等时,采用优化技术对发生概率最高的事件用最短的位数时间来表示处理,而对出现概率较低的,允许用较长的位数时间来表示处理,这样,就会导致表示处理的平均时间的缩短;20.操作码的表示方式通常有下列三种：1固定长度编码法 2哈夫曼编码法 3扩展操作码编码法21.指令系统的设计、发展和改进上的两种不同方向：1CISC 2RISC22.CISC：进一步增强原有指令的功能以及设置更为复杂的新指令取代原先由软子程序完成的功能,实现软件功能的硬化;23.CISC复杂指令系统计算机的优化实现：1 面各目标程序的优化2 面向高级语言的优化3 面向操作系统的优化24.面向目标程序的优化1 对存贮器语言程序及其执行情况进行统计各种指令和指令串的使用频度来加以分析和改进;静态使用频度：对程序中统计出的指令及指令串使用频度着眼于减少目标程序所占用的储存空间动态使用频度：在目标程序执行过程中对指令和指令串统计出的频度着眼于减少目标程序的执行时间2 增设强功能复合指令来取代原先是由常用宏指令或子程序实现的功能,用微程序解释实现;25.面向高级语言优化实现改进尽可能缩短高级语言和机器语言的语义差距,支持高级语言编译,缩短编译程序长度和编译时间1 通过对源程序中各种高级语言语句的使用频度进行统计来分析改进;2 如果面向编译,优化代码生成来改进;3 设法改进指令系统,使它与各种语言间的语义差距都有同等的缩小;4 让机器具有分别面向各种高级语言的多种指令系统、各种系统结构;5 发展高级语言计算机或称高级语言机器26.面向操作系统的优化1 对常用指令和指令串的使用频度进行统计分析来改进;改进指令系统2 考虑如何增设专用于操作系统的新指令;改进指令系统3 把操作系统中频繁使用的对速度影响大的某些软件子程序硬化或固化,改为直接用硬件或微程序解释实现;4 发展让操作系统由专门的处理机来执行的功能分布处理系统结构;27.CISC存在的问题：1 指令系统庞大,一般在200条指令以上;许多指令功能异常复杂;2 由于许多指令的繁杂,执行速度很低;3 指令系统庞大,故高级语言编译程序选择目标指令的范围大太,难以优化生成高效机器语言程序,编译程序也太长太复杂;4 由于指令系统庞大,各种指令的使用频度都不会太高,具差别很大,其中相当一部分指令的利用率很低;28.设计RISC的原则：1 只选择那些使用频度很高的指令,再增加少量其他功能的指令,使之一般不超过100条2 减少指令系统寻址方式各类,一般不超过两种,并让全部指令都是相同的长度;3 让所有指令都在一个机器周期内完成4 扩大通用寄存器数,尽量减少访存;仅存store、取load指令访存,其他指使一律对寄存器操作;5 大多数年指令都用硬联控制实现,少数指令用微程序实现;6 精简指令和优化设计编译程序,简单有效地支持高级语言的实现;29.设计RISC结构用的基本技术：1 按RISC一般原则设计2 逻辑实现用硬联和微程序结合3 用重叠寄存器窗口4 指令用流水和延迟转移5 优化设计编译系统30.采用RISC技术带来的好处：1 简化指令系统设计,适合VLSI实现2 提高机器的执行速度和效率3 设计成本,提高了系统的可靠性4 可直接支持高级语言的实现31.RISC的不足：1 由于指令少,一条CISC指令能完成的某些功能需要多条RISC指令才能完成,加重了汇编各方程序设计的负担,增加了机器语言程序的长度,占用在座空间多,加大了指令的信息流量;2 对浮点去处执行的虚拟存储器的支持虽有很大加强,但仍显不足;3 RISC机器的编译程序比CISC的难写;第三章总线、中断与输入输出系统1.输入输出系统包括输入输出设备、设备控制器及与输入输出操作有关的软硬件2.I/O系统设计主要考虑解决好CPU、主存和I/O设备在速度上的巨大差距;3.输入输出系统发展经历了三个阶段：1程序控制I/O 2直接存储器访问 3I/O处理机方式a.通道 b.外围处理机方式4.总线类型：按信息传送方向分：1单向传输 2双向传输按用法分：1专用 2非专用相关介绍及优缺点见P635.非专用总线总线控制方式：集中式控制：总线控制机构基本上集中在一起; 分布式控制：总线控制逻辑分散在各个部件中 P646.集中式总线控制：1串行链接控制 2定时查询方式 3独立查询方式P647.集中式串行链接式的总线分配过程：1.部件发总线请求;2.总线不忙时,总线控制器返回总线响应总线可用信号;3.没发总线请求信号的部件传送总线响应信号,发的部件截留响应信号;4.截留后,发总线忙状态,撤销请求,开始占用总线;5.传送结束撤销总线忙;6.总线不忙后,撤销总线响应;8.优点： 1.选择算法简单,控制线线数少; 2.部件增加容易,可扩充性好; 3.容易通过重复设置提高可靠性;9.缺点： 1.对“总线可用”线及其有关电路的失效敏感; 2.优先级是线连固定,不灵活; 3.限制了总线的分配速度;10.集中定时查询方式的总线分配过程：1.部件发总线请求;2.总线不忙时,总线控制器的查询计数器开始计数;3.定时查询各部件;4.部件接收计数值,并判断,若与部件号一致,则发总线忙,撤销请求,并占用总线;5.总线控制器收到总线忙,停止计数,停止查询;6.传送结束撤销总线忙;11.优点： 1.优先次序可用程序控制,灵活性强; 2.可靠性高;12.缺点： 1.总线线数较多; 2.部件数受限于定时查询线线数; 3.控制较为复杂; 4.总线分配的速度不能提高;13.集中式独立请求方式的总线分配过程：1.部件发总线请求;2.总线不忙时,按某种算法,发一个总线响应;3.被响应部件发总线忙状态,撤销请求,开始占用总线;4.传送结束,撤销总线忙;5.总线不忙后,撤销总线响应;14.优点：1.总线分配速度快; 2.可用选定的方式确定响应的部件; 3.能方便的隔离失效部件的请求;15.缺点：1.控制线数量过大; 2.总线控制器要复杂的多;16.总线的传送方式分为：1同步通信 2异步通信17.同步通信：两个部件之间的信息传送是通过定宽定距的系统时标进行同步的受同步时钟的控制18.同步通信的优点：信息传送速率高,受总线的长度影响小;19.同步通信的缺点：但会因时钟在总线上的时滞而造成同步误差, 且时钟线上的干扰信号易引起误同步;20.异步通信：用于I/O总线,连接不同速度的I/O设备;又可分为a.单向控制和b.双向请求/回答控制两种1单向控制：指的是通信过程只由目的或源部件中的一个单一控制;单向控制又有源控制和目的控制两种;优点：简单,高速;缺点：未能保证下一数据传送之前让所有数据线和控制线的电平信号恢复成初始状态,从而可能造成错误;2请求/回答双向控制：由源和目共同控制;特点：增加了信号总线来回传送的次数,使控制硬件变得复杂,但它能适应各种不同速度的I/O设备,保证数据传送的正确性,有较高的数据传送率;21.数据宽度：是I/O设备取得I/O总线使用权后在一次I/O总线分配期间内,所传送数据的总量;22.数据通路宽度：数据总线的位数,是数据传送的物理宽度;即一个时钟周期所传送的信息量,它直接取决于数据总线的线数;23.总线的线数越多,成本越高、干扰越大、可靠性越低、占用的空间也越大,当然传送速度和流量也越高;为此,越是长的总线,其线数就应尽可能减少;24.减少线数的方法：1同一根线多个功能复用; 2并/串—串/并转换 3编码25.中断源：引起中断的各种事件; 中断请求：中断源向中断系统发出请求中断的申请; 中断响应：允许中断请求中断CPU现行程序的运行,转去对该请求进行预处理,包括保存好断点现场,调出有关处理该中断的中断处理程序,准备运行;26.中断分类的目的：中断源数量很多,若形成单独入口,硬件复杂,代价大,故进行分类,把性质相近的中断源归为一类;同一类中断共用一个中断入口地址,再由软件形成实际入口地址;27.中断的分类：1机器校验中断第一级：设备故障,电源故障,主存出错;2管理程序调用访管中断第二级：访管指令;3程序性中断第二级：溢出,除数为零,数据格式错;4外部中断第三级：定时器,外部信号;5输入/输出中断第四级：I/O请求;6重新启动中断第五级：启动另一个程序;28.中断分级的目的：解决多个中断请求同时发生时的响应次序问题;29.分级原则： 1同一类的优先次序由软件管理一般情况下,同类同级,不同类不同级2不同类的中断根据中断的轻重缓急分成不同的级别;30.中断嵌套原则： 1禁止同级或低级中断; 2允许高级中断;31.中断响应次序和处理次序中断响应次序用排队器硬件实现,次序是由高到低定死的,但可以根据需要用软件改变实际的中断处理完次序简称中断处理次序;中断级屏蔽位的作用：决定某级中断请求能否进入排队器只要能进入,还是按上面讲的优先级次序由高到底响应中断中断响应次序由硬件定死;而处理次序由中断屏蔽位决定;32.中断系统的功能包括：中断请求的保存与清除,确定优先级,保护断点,保护现场,中断源分析,中断处理,中断返回等;33.中断系统的软、硬件功能分配实质是中断处理程序软件和中断响应硬件的功能分配;34.中断系统的软件与硬件的功能分配主要考虑如下两个因素：1中断响应时间 2灵活性;35.通道的功能：1接受CPU的输入输出操作指令,按指令要求控制外设接受指令2从主存读取通道程序,并执行即向设备控制器发送各种指令执行程序3组织和控制数据在内存与外设之间的传送操作传送数据4读取外设的状态信息,形成整个通道的状态信息,提供给CPU或保存在主存中通道状态5向CPU发出输入输出操作中断请求中断请求36.通道的工作过程：1用户在目态中安排广义I/O指令;包括访管指令和参数2当目态程序执行到访管指令后,产生访管中断;3CPU响应中断,第一次访管态,运行管态程序;4管理程序编制通道程序;根据参数：设备号、主存地址、信息长度等通道程序放在主存中,由通道执行5执行“启动I/O”指令：选择通道,校验第一条通道指令格式,选择设备并启动通道及设备;6通道启动后,<1>CPU退出管态,运行目态程序;<2>通道与设备开始传送数据;7通道传送结束后,向CPU发I/O中断;8CPU 响应中断,第二次转管态,对刚才的通道作“善后”处理;9返回目态,运行目态程序;37. 通道的种类：（1） 字节多路通道：适用于大量的像光电机等字符类低速设备;数据宽度：单字节多设备交叉（2） 数组多路通道：适合于连接多台像磁盘等调整设备;数据宽度：定长块多设备交叉（3） 选择通道：适合于优先级高的磁盘等调整设备,让它独占通道,只执行一台通道程序;数据宽度：可变长块独占38. 通道流量：通道在数据传送期内,单位时间内传送的字节数字节传输速率;它能达到的最大流量称通道极限流量;重要参数： TS : 选择一次设备的时间; TD :传送一个字节的时间; K ：定长块的字节长度; N ：传送的全部字节个数;39. 通道极限流量：字节多路通道：f max ·byte = 1/TS+TD 每选择一台设备,只传送一字节 数组多路通道：f max ·block = K/TS+K ·TD= 1/ＴS/K+TD 每选择一台设备,传送定长K 字节 选择通道： f max ·select = N/TS+N ·TD= 1/TS/N+TD显然,若通道的TS 、TD 一定, 且N>K 时,字节多路方式工作时所能达到的极限流量最小,数组多路方式工作的居中, 选择方式工作的最大;40. 如果通道上所挂p 设备都被启动,则设备对通道要求的的实际最大流量分别为：字节多路通道应为该通道所接各设备的字节传送速率之和, 即而对于其他两种类型的通道应为所接各设备的字节传送速率中之最大的那个, 即41. 保证第j 号通道上所挂的设备在满负荷的最坏情况下都不丢失信息的条件： 设备最大流量 <= 极限流量 ∑=⋅⋅=j p i j i j byte f f 1。
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。
第2章计算机体系结构属性优选
第二章计算机体系结构属性优选软件与硬件的功能分配是计算机体系结构设计的关键，是确定计算机体系结构属性的基础，而计算机体系结构属性包括数据表示、指令系统、存储部件管理(含寻址技术、数据存放、程序定位、存储保护)、总线与输入输出控制(含中断机构)等方面的内容。
为避免与计算机组成原理等其它课程重复，本章从软硬件功能分配出发，着重讨论计算机体系结构属性的优化或选择技术。
2.1 数据表示及其格式结构【问题小贴士】信息感觉媒体多种多样，从外部形态来看，有数值布尔的、字符文字的、图形图像的、声音视频的等。
理论上任何外部形态的数据均可以采用二进制数表示，但由于效率与通用性的限制，对一台特定计算机来讲，仅部分外部形态的数据实现了数据表示，所以数据表示配置是最基础的软硬件功能分配。
①一个整数如26、一个字符如E等数据与一个树、一个文件等数据，它们各自有什么共性，它们是否都可以采用二进制编码直接表示出来呢？若可以，举例说明怎样表示？若不可以，为什么呢？②不同类型数据做同一运算的运算规则是不同的，如整数加是末位对齐、实数加是小数点对齐，所以数据做运算之前，应该区分其类型。
高级语言是通过类型说明语句指示了数据类型，那么机器语言是如何指示数据类型呢？若采用8086汇编语言来编写二个8421码十进制数相加程序时，在“ADD”指令之后必须配置“DAA”指令，为什么？③在“计算机组成原理”课程中已知：浮点数通常采用IEEE 754标准，该标准规范了许多格式参数如阶码基值、尾数基值、尾数位数、阶码位数等，而这些参数对浮点数特性是有影响的如阶码位数越多、浮点数范围越大等，那么这些参数权衡选取的依据是什么呢？怎样权衡选取呢？④上述问题的解决涉及许多具体操作方法，还需要通过练习来掌握直至熟悉。
2.1.1 数据表示及其选取原则1. 数据类型及其分类人们可能接触到的不同外部形态的感觉媒体很多，这些感觉媒体信息必须采用若干位二进制数来表示，由此便形成了许多类型。
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。
19
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)
3
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。
8
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
10
(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
数据表示与指令系统
第 2 章 数据表示与指令系统
引入数据表示的原则二： 引入某种高级数据表示后，是否提 高其通用性和利用率。
如果只对某种数据结构的实现效率很 高， 而对其他数据结构的实现效率很低， 或者引入这种数据表示在应用中很少用 到，为此所花的硬件过多却并未在性能 上得到好处，必然导致性能价格比的下 降， 特别是对一些复杂的数据表示。
第 2 章 数据表示与指令系统
3. 寻址方式使用情况统计结果
立即值寻址方式和偏移寻址方式的使用频率十分高。
Tex
70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0%
Spice
gcc
55% 43% 39% 32% 40%
24% 16% 1% 6% 1% 0% 6% 3% 11% 17%
址
址
址
2.2
寻址技术
1、在通用寄存器指令集结构中，一般是利 用寻址方式指明指令中的操作数是一个 常数、一个寄存器操作数，或是一个存 储器操作数。 2、当前指令集结构中所使用的一些操作数 寻址方式。
第 2 章 数据表示与指令系统
一、 寻址方式分析
• 大多数计算机采用主存、通用寄存器、堆栈分 类编址，因此有面向寄存器、堆栈和主存的分 类寻址方式。 面向寄存器的寻址方式: 操作数可以取自寄存器或主存，结果大多保 存在寄存器中，少量的送入主存。 面向堆栈的寻址方式: 主要访问堆栈，少量访问主存或寄存器。 面向主存的寻址方式: 主要访问主存，少量访问寄存器。
址
寻
寻
寻
寻
接
放
接
数据表示、寻址方式与指令系统
其中，S=1，E=129，M=0.25，因此N= （-1）1 *2 129-127*（1.25） = -5
例3 将 5/32 转换成IEEE单精度格式。
5/32=1.25*4/32=1.25*22 /25 =1.25* 2-3 所以S=0，E=-3+127=124，M=0.25，因此5/32的单精度格式为
格式：
描述符 标志位
3
特征标记 8
数据块长度 20
数据块起始地址 20
图2.5 数据描述符格式 优点：整块数据可一次性操作；简化编译中的代码生成。
例1 N= -1.5，求它的IEEE单精度浮点格式 由于N= -1.5= （-1）1*2 127-127*（1.5） 所以，S=1，E=127，M=0.5，因此N=-1.5单精度格式为
1 01111111 10000000000000000000000 例2 以下的32位数所表示的单精度浮点数为多少？
23 M
尾数
52 M
尾数
32位浮点单精度数据格式：
单精度格式： 若E=0且M=0，N为0； 若E=0且M≠0，N=(-1)S·2-126 ·(0.M)，非规格化数； 若1≤E≤254，N=(-1)S·2E-127 ·(1.M)，规格化数； 若E=255且M ≠ 0，N=NaN（非数值）； 若E=255且M = 0，N= (-1)S ∞（无穷大）。
（3）优点：简化了指令系统和程序设计； 简化了编译程序； 由硬件自动实现一致性检验和数据类 型的转变；
支持了数据库系统的实现与数据类型 无关的要求； 为软件调试和应用软件开发提供了支 持；
（4）引入可行性分析： a.存储空间问题
计算机系统结构 复习要点
计算机系统结构：第一章基本概念填空题、选择题复习：1、从使用语言角度，系统按功能划分层次结构由低到高分别为：微程序机器M0、传统机器M1、操作系统机器M2、汇编语言机器M3、高级语言机器M4、应用语言机器M5.2、计算机系统的设计思路：“从中间开始”设计的“中间”是指层次结构中的软硬件交界面，目前多数在传统机器语言机器级与操作系统机器级之间。
3、翻译与解释的区别与联系：区别：翻译是整个程序转换，解释是低级机器的一串语句仿真高级机器的一条语句；联系：都是高级机器程序在低级机器上执行的必须步骤。
4、模拟与仿真的区别：模拟：用机器语言解释实现软件移植的方法，解释的语言存在主存中；仿真用微程序解释，存储在控制存储器中。
5、解决好软件的可移植性方法有统一高级语言、采用系列机、模拟与仿真。
6、系列机必须保证向后兼容，力争向上兼容。
7、非用户片也称通用片，其功能是由器件厂生产时定死的，器件的用户只能用，不能改；现场片，用户根据需要改变器件内部功能；用户片是专门按用户的要求生产高集成度VLSI器件，完全按用户的要求设计的用户片称为全用户片。
一般同一系列内各档机器可分别用通用片、现场片或用户片实现。
8、计算机应用可归纳为向上升级的4类：数据处理、信息处理、知识处理、智能处理。
9、并行性开发的途径有：时间重叠、资源重复和资源共享。
10、并行性是指：同一时刻或同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作，并行性包含同时性和并发性二重含义。
11、科学计算中的重大挑战性课题往往要求计算机系统能有1TFLOPS的计算能力、1TBYTE 的主存容量、1TBYTE/S的I/O带宽。
12、并行处理计算机的结构：流水线计算机——时间重叠，阵列处理机——资源重复，多处理机——资源共享。
13、多机系统分多处理机系统和多计算机系统，多处理机系统：多台处理机组成的单一系统，多计算机系统：多台独立的计算机组成的系统。
14、多机系统的耦合度可以分为最低耦合、松散耦合和紧密耦合。
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。
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。
计算机系统结构课后习题答案
计算机系统结构基本习题和答案填空题1、从（使用语言的）角度可以将系统看成是按（功能）划分的多个机器级组成的层次结构。
2、计算机系统结构的层次结构由高到低分别为（应用语言机器级，高级语言机器级，汇编语言机器级，操作系统机器级，传统机器语言机器级，微程序机器级）。
3、应用程序语言经（应用程序包）的（翻译）成高级语言程序。
4、高级语言程序经（编译程序）的（翻译）成汇编语言程序。
5、汇编语言程序经（汇编程序）的（翻译）成机器语言程序。
6、在操作系统机器级，一般用机器语言程序（解释）作业控制语句。
7、传统机器语言机器级，是用（微指令程序）来（解释）机器指令。
8、微指令由（硬件）直接执行。
9、在计算机系统结构的层次结构中，机器被定义为（能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构）的集合体。
10、目前M0由（硬件）实现，M1用（微程序（固件））实现，M2到M5大多用（软件）实现。
以（软件）为主实现的机器成为虚拟机。
（虚拟机）不一定全用软件实现，有些操作也可用（固件或硬件）实现。
11、透明指的是（客观存在的事物或属性从某个角度看不到），它带来的好处是（简化某级的设计），带来的不利是（无法控制）。
12、计算机系统结构也称（计算机体系结构），指的是（传统机器级的系统结构）。
它是（软件和硬件/固件）的交界面，是机器语言汇编语言程序设计者或编译程序设计者看到的（机器物理系统）的抽象。
13、计算机组成指的是（计算机系统结构的逻辑实现），包括（机器级内的数据流和控制流）的组成及逻辑设计等。
计算机实现指的是（计算机组成的物理实现），它着眼于（器件）技术和（微组装）技术。
14、确定指令系统中是否要设乘法指令属于（计算机系统结构），乘法指令是用专门的高速乘法器实现还是用加法器实现属于（计算机组成），乘法器和加法-移位器的物理实现属于（计算机实现）。
15、主存容量与编址方式的确定属于（计算机系统结构），主存是否采用多体交叉属于（计算机组成），主存器件的选定属于（计算机实现）。
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1
1-2-m部分为常数，rm增大，由于
增大， 而使可表示的最
大值增大。因此，随rm的增大，可表示数的范围增大。换句话 说，对于大的rm值，为表示相同范围的数，其阶码的位数p可 以减少。
第 2 章 数据表示与指令系统
第 2 章 数据表示与指令系统
表 2.2 p=2, m=4, rm=2 的规格化浮点数
第2章 数据表示与指令系统 表 2.3 p=2, m=4, rm=16 的规格化浮点数
第 2 章 数据表示与指令系统
由于采用的rm>2 时，可表示的最大值总比rm=2 的可表示
的最大值要大，总可以找到一个其尾数值为最大的1-2-m，阶值 为 q, 使得
AB*CDE-/+ (4) 有力地支持子程序的嵌套和递归调用。
第 2 章 数据表示与指令系统
图 2.6 用堆栈实现子程序的嵌套和递归调用
第 2 章 数据表示与指令系统
2.1.3 引入数据表示的原则
一方面是看系统的效率有否提高，即是否减少了实现时
间和所需的存贮空间。衡量实现时间是否减少，主要是看在
2.1.2 高级数据表示
1. 自定义数据表示
自定义 (Self-defining) 数据表示包括带标志符的数据表示和
数据描述符两类。 1) 高级语言用类型说明语句指明数据的类型，让数据类型直 接与数据本身联系在一起，运算符不反映数据类型，是通用的。 例如FORTRAN程序中，实数(浮点数) I和J的相加是采用如下的
表示。 类似的，若机器设置有浮点运算指令(如浮点加、减、乘、
行各种处理，机器就有了浮点数据表示。
第 2 章 数据表示与指令系统
串、队、栈、向量、阵列、链表、树、图等是软件系统所要 处理的各种数据结构，它们反映了面向应用所要用到的各种数据
元素或信息单元之间的结构关系。数据结构是通过软件映象，将
信息变换成机器中所具有的各种数据表示来实现的，可见，数据 表示是构成数据结构的元素。不同的数据表示可以为数据结构的 实现提供不同的支持，表现在实现的效率和方便性上不同。因此， 数据结构和数据表示是软、硬件的交界面。系统结构设计者在确
其浮点数尾数的基。在机器中，一个rm进制的数位是用［log2
rm］ 个机器位数来表示，因此，尾数的机器位数为m时，相当 于rm进制的尾数共有m′个数位，其权值由小数点开始向右依次 为
1 2 m' 。 其中， rm 、rm 、 、rm
m' m /[log2 rm ]
例如，rm=2 时，m′为m; rm=16 时，m′为m/4; rm=10 时， m′为
图 2.10 k位ROM查表舍入
第 2 章 数据表示与指令系统
2.2 寻 址 方 式
2.2.1 寻址方式分析
大多数计算机都将主存、通用寄存器、堆栈分类编址， 因此就有分别面向寄存器、堆栈和主存的寻址方式。 面向寄 存器的寻址方式操作数可以取自寄存器或主存，结果大多保
将q=(2p-1)/log2 rm代入上式得
p 2 1 1 p 1 e 2 (1 rm ) 1 log r 2 m
实际机器中阶码位数p一般都较大，至少p=8，这时若rm
取 16， 则表示比
e2
18
1 2 1 1 1 0.47 4 16
(5) 支持了数据库系统的实现与数据类型无关的要求。
(6) 为软件调试和应用软件开发提供了支持。
第 2 章 数据表示与指令系统
采用标志符数据表示带来的问题可能有两个。
(1) 每个数据字因增设标志符， 会使程序所占用的主存空
间增加。 (2) 采用标志符会降低指令的执行速度。
第 2 章 数据表示与指令系统
第 2 章 数据表示与指令系统
第 2 章 数据表示与指令系统
2.1 数据表示 2.2 寻址方式
2.3 指令系统的设计和改进
第 2 章 数据表示与指令系统
2.1 数 据 表 示
2.1.1 数据表示与数据结构
数据表示指的是能由机器硬件直接识别和引用的数据类型。
例如，当机器设置有定点加、减、乘、除、移位、比较等一系列 定点运算指令和相应的运算硬件，可以直接对定点数进行各种处 理时，机器就有了定点数据表示。当机器设置有逻辑加、 逻辑 乘、按位相加、逻辑移位等一系列逻辑运算指令和相应的逻辑运 算硬件，可以直接对逻辑数进行各种处理，机器就有了逻辑数据 除、 比较、存、取等)和相应的运算硬件，可以直接对浮点数进
(2) 可表示数的个数。由表 2.1 知，可表示数的个数为
1 1 增 2 pm (1 rm ) ， 其中2p+m为常数，所以rm的增大将因 1 rm
大， 而使可表示数的个数增多。很容易得出，rm用 16 与用 2
的可表示数的个数之比为
1 2 1 16 1.875 1 pm 2 1 2
在具有向量、数组数据表示的向量处理机上，表现出在
硬件上设置有丰富的向量或阵列运算指令，配置有以流水或
阵列方式处理的高速运算器，只需用一条如下的向量加法指 令：
向量加
A向量参数
B向量参数
C向量参数
第 2 章 数据表示与指令系统
图 2.5 向量编址所用的参数
第 2 章 数据表示与指令系统
3. 堆栈数据表示 (1) 有若干高速寄存器组成的硬件堆栈，并附加控制电路让 它与主存中的堆栈区在逻辑上组成一个整体，使堆栈的访问速 度是寄存器的，堆栈的容量是主存的。 (2) 有很丰富的堆栈操作类指令且功能很强， 直接可对堆 栈中的数据进行各种运算和处理。 (3) 有力地支持高级语言程序的编译。假定有算术赋值语句 F=A*B+C/(D-E)
r (1 2 ) 2
q m
m
2 p 1
(1 2 m )
即
r 2
q m
2 p 1
从而得出此时的q值为
2 1 q log2 rm
p
第 2 章 数据表示与指令系统
1 2m (1 rm ) ( q 1) 1 p 1 e 2 (1 rm ) ( q 1) p m 1 2
降， 特别是对一些复杂的数据表示。
第 2 章 数据表示与指令系统
2.1.4 浮点数尾数基值大小和下溢处理方法的选择
1. 浮点数尾数基值的选择
图 2.7 浮点数的一般格式
第 2 章 数据表示与指令系统
图 2.8 浮点数可表示实数域中的值
第 2 章 数据表示与指令系统
为讨论选择不同浮点数尾数基值的影响，我们用rm来表示
pm
第 2 章 数据表示与指令系统
(3) 数在实数轴上的分布。对比表 2.2 和表 2.3，可以看 出rm用 16 的比用 2 的可表示数在实数轴上的分布要稀。例如 在 1/2 和 2 之间，rm为 2 的有 15 个值，而rm为 16 的只有 8 个 值。 为了进一步分析数值分布和rm的关系，引入表示比。表 示比e指的是在相同p、m位数时，在rm=2 的可表示最大值以内， 采用rm>2 的可表示浮点数个数与rm=2 的可表示浮点数个数之 比。
8
第 2 章 数据表示与指令系统
(4) 可表示数的精度。由于rm愈大，数在数轴上的分布变 稀，已可得出数的表示精度下降的结论。从另一个角度分析， 由于机器尾数位数 m 相同情况下，规格化十六进制尾数最高 数位中可能出现 4 位机器位中的左面 3 位均为 0， 即rm=2 的 可能比rm=16 的有多 3 位机器位的精度。若rm=2k，则最坏情 况下，尾数中只用到m-k+1 位机器位来表示，所以，可表示
m/4。当rm为 2 的整数次幂时，就有特例： 为保持数值不变， 阶码才增 1。
m' m 。 所谓以 rm 2
rm为尾数基值的浮点数就是当其尾统
表 2.1 采用尾基为rm的浮点数表示的特性及其举例
第 2 章 数据表示与指令系统
1 (1) 可表示数的范围。由表 2.1 知，可表示的最小值为 rm ,
及规格化需左移的次数显著减少，因此运算速度可以提高。
第 2 章 数据表示与指令系统
2. 浮点数尾数的下溢处理方法
(1) 截断法。 (2) 舍入法。 (3) 恒置“1”法。 (4) 查表舍入法。
第 2 章 数据表示与指令系统
图 2.9 rm=2, m=2 时，各种下溢处理方法的误差曲线
第 2 章 数据表示与指令系统
REAL I, J I=I+J
第 2 章 数据表示与指令系统
在说明I、J的数据为实型后，用通用的“+”运算符就可实 现实数加法。可是，传统的机器语言程序却正好相反，它用
操作码指明操作数的类型。如浮点加法指令
浮加 I J
中，由于操作码是浮加，那么无论I和J是否是浮点数， 总是按
浮点数对待，进行浮点数加法。这样，编译时就需要把高级语 言程序中的数据类型说明语句和运算符变换成机器语言中不同 类型指令的操作码，并验证操作数的类型是否与运算符所要求 的一致，若不一致，还需用软件进行转换，这些都增加了编译
主存和处理机之间传送的信息量有否减少。 传送的信息量越
少， 其实现时间就会越少。以A、 B两个 200×200 的定点数
二维数组相加为例，用PL/1语言编写很简单，
A=A+B
第 2 章 数据表示与指令系统
是否引入某种高级数据表示的另一方面是看引入这种数 据表示后， 其通用性和利用率是否高。如果只对某种数据结 构的实现效率很高， 而对其他数据结构的实现效率很低，或 者引入这种数据表示在应用中很少用到，那么为此所花的硬 件过多却并未在性能上得到好处，必然导致性能价格比的下
的负担。