12系统结构答案

1、1 1.模拟模拟 a.用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的 指令系统指令系统 b.指在一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不指在一个厂家内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同组成和实现的一系列不同型号的机器 2.仿真仿真 a.用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法 b.每条指令的平均时钟周期数每条指令的平均时钟周期数 3.MIPS a.它表示每秒百万指令条数它表示每秒百万指令条数 b.每秒百万次浮点操作次数每秒百万次浮点操作次数 4.MFLOPS a.

2、每秒百万次浮点操作次数每秒百万次浮点操作次数 b.计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现 （请（请计算机四班计算机四班的同学，将本题答案写在纸条上，下课后交的同学，将本题答案写在纸条上，下课后交 到讲台上，并写好班级、学号、姓名，）到讲台上，并写好班级、学号、姓名，） 2005.4.25 课课 堂堂 作作 业（一）单选题业（一）单选题 2 1.想在系列机中发展一种新型号机器，你认为将想在系列机中发展一种新型号机器，你认为将 CPU与主存之间的数据通路宽度由与主存之间的数据通路宽度由16位扩到位扩到32 位，以加快主机内部信息的传送。可以考虑的，位，以加快主机内

3、部信息的传送。可以考虑的， 还是不行的？为什么？还是不行的？为什么？ 可以。只是提高了数据传输的速度。可以。只是提高了数据传输的速度。 （请（请计算机六班计算机六班的同学，将本题答案写在纸条上，下课的同学，将本题答案写在纸条上，下课 后交到讲台上，并写好班级、学号、姓名，）后交到讲台上，并写好班级、学号、姓名，） 2005年4月10日 课课 堂堂 作作 业（二）业（二） 3 1.假定我们将某一执行部件改进后速度提高 10倍。改进后被改进部件执行时间占系统 总运行时间的50%。则改进后，获得的加 速比Sp是多少？ （请（请计算机六班计算机六班的同学，将本题答案写在纸条上，下课后交的同学，将本题答

4、案写在纸条上，下课后交 到讲台上，并写好班级、学号、姓名，）到讲台上，并写好班级、学号、姓名，） 课课 堂堂 作作 业（三）业（三） 4 在尾数采用补码、小数表示且在尾数采用补码、小数表示且p=6，阶码采用移码、整数表，阶码采用移码、整数表 示且示且q=6，尾数基，尾数基rm为为16，阶码基，阶码基re为为2的情况下：的情况下： (1) 最大尾数为：最大尾数为：1rm-p116-6，0.FFFFFF (2) 最小正尾数为：最小正尾数为：1/rm1/16，0.100000 (3) 最小尾数为：最小尾数为： -1， 1.000000 (4) 最大负尾数为：最大负尾数为：-(rm-1 + rm-p)

5、(16-1 + 16-6)，1.EFFFFF (5) 最大阶码为：最大阶码为：req126163，7F，包括符号位共，包括符号位共7个个1 (6) 最小阶码为：最小阶码为：-req-26-64，00，包括符号位共，包括符号位共7个个0 (7) 最大正数为：最大正数为：(116-6)1663，7FFFFFFF (8) 最小正数为：最小正数为：16-65，00100000 (9) 最大负数为：最大负数为：-(16-1 + 16-6) 16-64，80EFFFFF (10) 最小负数为：最小负数为：-1663，FF000000 (11) 浮点零为：浮点零为：00000000 (12) 表数精度为：表

6、数精度为：16-5/22-21 (13) 表数效率为：表数效率为：15/1693.75 (14) 能表示的规格化浮点数个数为：能表示的规格化浮点数个数为：21516527+1 课课 堂堂 作作 业（四、五、六）业（四、五、六） 5 证明：在浮点数的字长和表数范围一定时，尾数基值证明：在浮点数的字长和表数范围一定时，尾数基值rm 取取2或或4具有最高的表精度。具有最高的表精度。(见教案见教案） 假设有两种表示方式假设有两种表示方式F1和和F2，它们二进制字长相同，尾，它们二进制字长相同，尾 数都用原码或补码、小数表示，阶码都移码、整数表数都用原码或补码、小数表示，阶码都移码、整数表 示，阶码的基

7、值均为示，阶码的基值均为2，尾数基值不同。，尾数基值不同。 浮点数表示方式浮点数表示方式F1：rm1=2,p1,q1, 二进制字长：二进制字长：L1= p1+q1+2 浮点数表示方式浮点数表示方式F2： rm1=2k ,p2,q2, 二进制字长：二进制字长：L2= kp2+q2+2 由于由于F1和和F2二进制字长相同，即二进制字长相同，即L1= L2，得，得 p1+q1 =kp2+q2 （1） F1的表数范围是：的表数范围是： F2的表数范围是：的表数范围是： 课课 堂堂 作作 业（六业（六*） 2 2| 1 max1 q N 2 )(| 1 2 max2 q k N 6 课课 堂堂 作作 业

8、（六业（六*） 两边取以两边取以2为底的对数得为底的对数得: q1 =q2 +log2k (2) (2.2)代入代入(2.1)得：得： p1+ q2 +log2k =kp2+q2 化简得到：化简得到：p1=kp2 -log2k (2.3) F1的表示数精度是：的表示数精度是： (2.4) 把把(2.3)代入代入(2.4)得到：得到： F2的表示数精度是：的表示数精度是： 取取F2与与F1表示数精度的比值：表示数精度的比值： (2.5) 只有只有k=1(rm=2)或或k=2(rm=4)时，比值时，比值T=1 结论结论1：在字长和表数范围一定时，尾数基值：在字长和表数范围一定时，尾数基值rm取取2

9、或或4， 浮点数具有最高的表精度。浮点数具有最高的表精度。 1log 1 2 2 kk T )21( 2 2 2 1 pk kkplog21 1 2 2 1 11 1 2 2 1 p 7 操作码：00，01，10，110，1110，11110，11111 平均长度：H = 2.35 0.350.250.200.100.050.020.03 0.05 0.10 0.20 0.40 1.00 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0.60 课课 堂堂 作作 业（七）业（七） 8 寄存器-寄存器：每个R为3位，共8位 00 R R; 01 R R 10 R R 寄存器-存储器: R为为3位

10、，位，X为为1位，位，A变址变址 量为量为8(127)，共，共16位。位。 1100 R X A（变址寄存器两个只要1位） 1101 R X A（变址量127需要8位） 1110 R X A 1111 R X A 课课 堂堂 作作 业（八）业（八） 9 1、请回答下列问题:在许多早期处理机中,为什么采用 微程序设计方法?为什么现代处理机较少采用该方 法? 答:早期主要是微程序设计方法允许少量硬件实现较 复杂指令。现代可用硬件增多，CISC指令减少，这 样在硬件中直接实现指令。 2、按Cache地址映像的块冲突概率从高到低的顺序是 ( ). A、全相联映像 、直接映像、组相联映像 B、组相联映像

11、、直接映像、全相联映像 C、直接映像、组相联映像、全相联映像(OK) D、全相联映像、组相联映像、直接映像 课课 堂堂 作作 业（十）业（十） 10 一、对于一个采用组相联映象方式和一、对于一个采用组相联映象方式和FIFO替换算法的替换算法的Cache， 发现它的等效访问时间太长；为此，提出如下改进建议：发现它的等效访问时间太长；为此，提出如下改进建议： (1)增大主存的容量。增大主存的容量。 基本无关基本无关 (2)提高主存的速度。提高主存的速度。 能够减小等效访问时间，能够减小等效访问时间，T = TC H+TM (1-H)，通过减，通过减 小小TM能够减小能够减小T。 (3)增大增大Ca

12、che的容量。的容量。 当当Cache比较小时，增大比较小时，增大Cache对减小等效访问时间对减小等效访问时间 效果明显；当效果明显；当Cache容量达到一定程度时，效果逐渐不明容量达到一定程度时，效果逐渐不明 显。显。 (4) Cache的总容量和块大小不变，增大组的大小。的总容量和块大小不变，增大组的大小。 有一个极大值，在这个极大值点，等效访问时间最小。有一个极大值，在这个极大值点，等效访问时间最小。 课课 堂堂 作作 业（十一）业（十一） 11 1、不属于堆栈算法的是( ) A、FIFO算法 B、LFU 算法 C、OPT算法 D、LRU算法 2、与虚拟存储器的等效访问速度无关的是（

13、） A、访存页地址流 B、页面替换算法 C、主存的容量 D、辅存的容量 答案答案:1、A；2、D （请（请计算机四班计算机四班的同学，将本题答案写在纸条上，下课后交的同学，将本题答案写在纸条上，下课后交 到讲台上，并写好班级、学号、姓名，）到讲台上，并写好班级、学号、姓名，） 2005.4.15 课课 堂堂 作作 业（十二）业（十二） 12 一、对于一个采用组相联映象方式和一、对于一个采用组相联映象方式和FIFO替换算法的替换算法的Cache， 发现它的等效访问时间太长；为此，提出如下改进建议：发现它的等效访问时间太长；为此，提出如下改进建议： (1)Cache的总容量和组大小不变，增大块的大

14、小。的总容量和组大小不变，增大块的大小。 有一个极大值，在这个极大值点，等效访问时间最小。有一个极大值，在这个极大值点，等效访问时间最小。 (2)提高提高Cache的速度。的速度。 能够减小等效访问时间，能够减小等效访问时间，T = TC H+TM (1-H)，效果明，效果明 (3)Cache的总容量和块大小不变，增加组数。的总容量和块大小不变，增加组数。 当组数不是很多时，等效访问时间的变化不大，当组当组数不是很多时，等效访问时间的变化不大，当组 数超过某一值时，等效访问时间将明显增加。数超过某一值时，等效访问时间将明显增加。 (4)替换算法由替换算法由FIFO改为改为LFU。 能够提高命中

15、率，因此，能够减小等效访问时间。能够提高命中率，因此，能够减小等效访问时间。 课课 堂堂 作作 业（十三）业（十三） 13 课课 堂堂 作作 业（十六）业（十六） 解：禁止表解：禁止表F=3、 冲突向量冲突向量C=（100） 状态图如右图所示：状态图如右图所示： 简单循环：简单循环：(4), (2), (2,4), (1,4), (1,1,4); 迫切循环：迫切循环：(1,1,4), (2); 最佳恒定等待时间循环最佳恒定等待时间循环: (2); 最小平均等待延迟最小平均等待延迟 MAL=2; 因为因为MAL=2，所以该流水线的吞吐率，所以该流水线的吞吐率 14 课课 堂堂 作作 业（十七）业

16、（十七） 乘法操作用到的流水段有：乘法操作用到的流水段有：S1、S4、S5、S6；加法操作用到的；加法操作用到的 流水段有：流水段有：S1、S2、S3、S6。以最快的方式处理的流水线时空。以最快的方式处理的流水线时空 图如图所示：图如图所示： (2) A部分所处理的是 B部分所处理的是 C部分所处理的是 5 1i iii zAB 5 1i iii yxA 5 1i i Bf 15 整个处理过程共需22个时钟周期。而进行了 14次不同的运算，所以其实际吞吐率为： 这些运算串行处理所需要的时钟周期为56个 时钟周期，所以其加速比和效率分别为： sMTP/73.12 105022 14 9 课课 堂

17、堂 作作 业（十七续）业（十七续） 55. 2 22 56 S%4 .42 622 56 16 试以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。 计算机系统结构作为一门学科，主要是研究软件， 硬件功能分配和对软件、硬件界面的确定，即 哪些功能由软件完成，哪些功能由硬件完成。 计算机系统结构，计算机组成和计算机实现是 三个不同的概念。计算机系统结构是计算机系 统的软硬件的界面；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。 17 课课 堂堂 作作 业（四）业（四） 一台模型机共有7条指令，有8个通用数 据寄存器，2个变址寄存器。设计8位字长 的寄

18、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。 (请请计算机计算机1班班的同学，将本题答案写在纸的同学，将本题答案写在纸 条上，下课后交到讲台上，并写好班级、条上，下课后交到讲台上，并写好班级、 学号、姓名）学号、姓名） 2007.4.4 用几bit来表示? 用几bit来表示? 用几bit来表示? 要符合扩展编码规则 18 有有5个中断源，其中断优先级、正常情况下的中断屏蔽码和个中断源，其中断优先级、正常情况下的中断屏蔽码和 改变后的中断屏蔽码如下表所示，每个中断源的有改变后的中断屏

19、蔽码如下表所示，每个中断源的有5位中断屏位中断屏 蔽码，其中蔽码，其中“1” 表示该中断源被屏蔽，表示该中断源被屏蔽，“0”表示该中断源开表示该中断源开 放。放。 (1) 5个中断源同时申请，个中断源同时申请，分别写出使用正常的中断屏蔽码和分别写出使用正常的中断屏蔽码和 改变后中断屏蔽码时，处理机响应各中断源的中断服务请求改变后中断屏蔽码时，处理机响应各中断源的中断服务请求 的先后次序和的先后次序和实际中断次序实际中断次序。 (2)假设处理机从响应中断源的中断服务请求开始，到运行中假设处理机从响应中断源的中断服务请求开始，到运行中 断服务程序中第一次开中断所用时间为断服务程序中第一次开中断所用

20、时间为1个单位时间，运行中个单位时间，运行中 断服务程序的其它部分所使用的时间为断服务程序的其它部分所使用的时间为4个单位时间，那么在个单位时间，那么在 执行主程序时，有执行主程序时，有D3、D4和和D5同时发出中断服务请求，过了同时发出中断服务请求，过了 3个单位时间，又有中断源个单位时间，又有中断源D1和和D2同时发出中断服务请求，如同时发出中断服务请求，如 果使用改变后中断屏蔽码，请画出处理机响应中断源的中断果使用改变后中断屏蔽码，请画出处理机响应中断源的中断 服务请求和实际运行中断服务程序过程示意图。服务请求和实际运行中断服务程序过程示意图。 课课 堂堂 作作 业（二十一）业（二十一）

21、 19 （1）D1D2D3D4D5 D5D4D3D2D1 用户程序 1 2 3 4 5 12345 题目中没有说明是题目中没有说明是1 级最高，还是级最高，还是5级最级最 高，有的同学认为高，有的同学认为 中断优先级中断优先级D5最高！最高！ 对吗？对吗？ 我们可以从正常中断我们可以从正常中断 屏蔽码得到结论：应屏蔽码得到结论：应 该是该是1级最高，如果级最高，如果 是是5级最高就没有意级最高就没有意 义，因为响应义，因为响应D5 中中 断，其他中断源无法断，其他中断源无法 中断中断D5执行执行 。 20 用户程序 1 2 3 4 5 12345 （2）D1D2D3D4D5 D1D2D3D5D

22、4 此时此时D1、 D2、D3 执行完，还有执行完，还有D4、 D5没有执行，那么没有执行，那么 选择选择D4执行，执行，这时这时 屏蔽码对屏蔽码对D5是开放是开放 的，所以的，所以D5中断中断D4 执行，执行执行，执行D5，执，执 行行D5完毕就执行完毕就执行D4 ， 然后返回主程序。然后返回主程序。 21 12 345 用户程序 1 2 3 4 5 错错! 错的原因：错的原因：执行执行D3 后要返回到用户程后要返回到用户程 序！序！ 开始开始345中断源同中断源同 时然后过时然后过3单位时单位时 间间,又有又有D1、D2申申 请中断。请中断。 22 12 345 用户程序用户程序 1 2 3 4 5 OK! 345中断源同时申请中断源同时申请, 选择最高的选择最高的D3执行执行, 由于一个中断程序由于一个中断程序 执行需要执行需要5个单位时个单位时 间间,其中一个关门时其中一个关门时 间间.当中断当中断D3执行执行3 单位时间单位时间,又有又有D1、 D2申请中断。申请中断。 这时屏蔽码对这时屏蔽码对D1是开放的，所是开放的，所 以执行以执行D1级中断！然后返回执级中断！然后返回执 行行D3完！再完！再返回用户程序，返回用