1、精品文檔計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作業(yè)參考答案仁 試述現(xiàn)代計算機系統(tǒng)的多級層次結(jié)構(gòu)。計算機系統(tǒng)具有層次性，它由多級層次結(jié)構(gòu)組成。從功能上計算機系統(tǒng) 可分為五個層次級別：第一級是微程序設(shè)計級。這是一個硬件級，它由機器硬件直接執(zhí)行微指 令。第二級是一般機器級，也稱為機器語言級。它由微程序解釋機器指令系 統(tǒng).這一級是硬件級。第三級是操作系統(tǒng)級，它由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機器指 令和廣義指令組成，這些廣義指令是操作系統(tǒng)定義和解釋的軟件指令。 這一級也稱混合級。第四級是匯編語言級。它給程序人員提供一種符號形式的語言，以減少 程序編寫的復(fù)雜性。這一級由匯編程序支持執(zhí)行。第五級是高級語言級。這是面向用戶為編寫

2、應(yīng)用程序而設(shè)置的。這一級 由各種高級語言編譯程序支持。第一題策1小題囹-計算機系統(tǒng)的務(wù)層次結(jié)構(gòu)2、試述RISC設(shè)計的基本原則和釆用的技術(shù)。答：一般原則：CI)確定指令系統(tǒng)時，只選擇使用頻度很高的指令及少量有效支持操作系統(tǒng)，高級語言及其它功能的指令，大大減少指令條數(shù)，一般使之不超過100條；(2) 減少尋址方式種類，一般不超過兩種；(3) 讓所有指令在一個機器周期內(nèi)完成；(4) 擴大通用寄存器個數(shù)，一般不少于32個，盡量減少訪存次數(shù)；(5) 大多數(shù)指令用硬聯(lián)實現(xiàn)，少數(shù)用微程序?qū)崿F(xiàn)；(6) 優(yōu)化編譯程序，簡單有效地支持高級語言實現(xiàn)?；炯夹g(shù)：(1) 按RISC 般原則設(shè)計，即確定指令系統(tǒng)時，選最常

3、用基本指令，附以 少數(shù)對操作系統(tǒng)等支持最有用的指令，使指令精簡。編碼規(guī)整，尋址方式種 類減少到1、2種。(2) 邏輯實現(xiàn)用硬聯(lián)和微程序相結(jié)合。即大多數(shù)簡單指令用硬聯(lián)方式實現(xiàn), 功能復(fù)雜的指令用微程序?qū)崿F(xiàn)。(3) 用重疊寄存器窗口。即：為了減少訪存，減化尋址方式和指令格式， 簡有效地支持高級語言中的過程調(diào)用，在RISC機器中設(shè)有大量寄存囂，井 讓各過程的寄存器窗口部分重疊。(4) 用流水和延遲轉(zhuǎn)移實現(xiàn)指令，即可讓本條指令執(zhí)行與下條指令預(yù)取在 時間上重疊。另外，將轉(zhuǎn)移指令與其前面的一條指令對換位置，讓成功轉(zhuǎn)移 總是在緊跟的指令執(zhí)行之后發(fā)生，使預(yù)取指令不作廢，節(jié)省一個機器周期。(5) 優(yōu)化設(shè)計編譯系

4、統(tǒng)。即盡力優(yōu)化寄存器分配，減少訪存次數(shù)。不僅要 利用常規(guī)手段優(yōu)化編譯，還可調(diào)整指令執(zhí)行順序，以盡量減少機器周期等。3、試述全相聯(lián)映像與直接映像的含義及區(qū)別(D全相連映像主存中任何一個塊均可以映像裝入到Cache中的任何一個塊的位置 上。主存地址分為塊號和塊內(nèi)地址兩部分，Cache地址也分為塊號和塊內(nèi)地 址。Cache的塊內(nèi)地址部分直接取自主存地址的塊內(nèi)地址段。主存塊號和 Cache塊號不相同，Cache塊號根據(jù)主存塊號從塊表中查找。Cache保存的 各數(shù)據(jù)塊互不相關(guān)，Cache必須對每個塊和塊自身的地址加以存儲。當請求 數(shù)據(jù)時，Cache控制器要把請求地址同所有的地址加以比較，進行確認。(2)

5、 直接映像把主存分成若干區(qū)，每區(qū)與Cache大小相同。區(qū)內(nèi)分塊，主存每個 區(qū)中塊的大小和Cache中塊的大小相等，主存中每個區(qū)包含的塊的個數(shù) 與Cache中塊的個數(shù)相等。任意一個主存塊只能映像到Cache中唯一指 定的塊中，即相同塊號的位置。主存地址分為三部分：區(qū)號、塊號和塊 內(nèi)地址，Cache地址分為：塊號和塊內(nèi)地址。直接映像方式下，數(shù)據(jù)塊 只能映像到Cache中唯一指定的位置，故不存在替換算法的問題。它不 同于全相連Cache,地址僅需比較一次。(3)區(qū)別：全相連映像比較靈活，塊沖突率低，只有在Cache中的塊全部裝滿 后才會出現(xiàn)沖突，Cache利用率高。但地址變換機構(gòu)復(fù)雜，地址變換 速度

6、慢，成本高。直接映像的地址變換簡單、速度快，可直接由主存地址提取出 Cache地址。但不靈活，塊沖突率較高，Cache空間得不到充分利用。4. 畫出馮諾依曼機的結(jié)構(gòu)組成？AHA12GAGGAGAGGAFFFFAFAF5試用圖示法說明超標量、超流水線和超長指令字技術(shù)原理。存來執(zhí)疔譯碼歌指禺人時弦同月分肘發(fā)送3冷播令的姥汛水紅某模型機由8條指令，使用頻度為0.3 0.3 0.2 0. 10.05 0. 02 0. 020.01試分別用哈夫曼編碼和擴展編碼對其操作碼進行編碼，限定擴展編碼只能有兩種長度，則它們的編碼長度比定長操作碼的長度減少多少？答：頻度Huffman長度擴展長度110. 30020

7、02I20. 3012012I30.2102102I40. 11103110005I50. 0511104110015I60. 02111105110105I70. 021111106110115I80. 011111116111005定長編碼長度：3Huffman 長度：(0. 3+0. 3+0. 2)*2 + 0. 1*3 + 0. 05*4 + 0. 02*5 + 0. 02*6 +0.01*6 二 2. 38長度減少3-2. 38=0. 62擴展編碼長度:(0.3+0. 3+0. 2)*2 + (0. 1 + 0.05 + 0. 02 + 0. 02 +0.01) *5 = 2.6長度

8、減少3-2. 6=0. 4設(shè)某個程序包含5個虛頁，實頁數(shù)為3,其頁地址流為4, 5, 3, 2, 5, 1,3, 2, 2, 5, 1, 3o試畫出FIFO、LRU、OPT替換算法的時間狀態(tài)圖，寫出 各自的命中率。453251322513FIF444*2222222*220555*5*111111*33333*3*3*3*555HH IHHH命中率5/12453251322513LRU444*222*3333*11555*555*2222*3333*111*1*555*HH命中率2/12453251322513OPT444*2*22222*5*555555*1*11111133333*3*33

9、33HHHHHH命中率6/12四、（第三小問的解答和教材略有不同，如果不理解，也可參考教材193頁原題）在一個5段的流水線處理機上需經(jīng)9拍才能完成一個任務(wù)，其預(yù)約表為：T1T2T3T4T5T6T7T8T9S1VVS2VVVS3VS4VVS5V分別寫出延遲禁止表、沖突向量，畫出流水線狀態(tài)圖，并給出平均延遲最小 的調(diào)度方案。答：解：(1 )根據(jù)初始沖突向量的構(gòu)成方法，對預(yù)約表各行中打“X”的拍數(shù)求出差值，除去重復(fù)的后匯集在一起，即得到延遲禁止表為F = 1,5, 6, 8 o由F可得到初始沖突向量為：C 二 (10110001)C。四個后繼狀態(tài)：G二SHR(Co)VCo 二 10110001 =C

10、oC2 二SHR C3 二SHR (4G二個后繼狀態(tài):C5二SHR(COVCo = 10111111C6 =SHR(Ci ) V Co10110001=Co(2)根據(jù)后繼沖突向量的遞推規(guī)則Cj二SHR (k) (CJ VC。則可得出所有的后繼狀態(tài)，具體有:C4 二SHR C2 二個后繼狀態(tài)：C7 二SHR (C2) VCo 二 10111011=03C8 二SHR (7)(C2) VCo 二 10110001 =C0C3二個后繼狀態(tài):C9二SHR(C3) VCo = 10110111=02C10=SHR (C3) VCo 二 10110001 =CoC5個后繼狀態(tài)：Cn=SHR <7)(

11、C5) VCo 二 10110001 =Co由后繼狀態(tài)和引起狀態(tài)轉(zhuǎn)移的時間間隔可得到狀態(tài)有向圖如上圖所示。(3)由狀態(tài)轉(zhuǎn)移有向圖可得到無沖突的任務(wù)調(diào)度策略及其平均延遲時間，如下表所示。調(diào)度策略平均延遲時間從Co出發(fā)的3,(4, 3)也是一個(2, 2, 7)(2+2+7) At/3 二 3. 67At略，除第一條有向弧外，第二、三條(2, 7)(2+7) At/2 = 4. 5At一個環(huán)路，該調(diào)度策略為(4, 3) o表(3, 4, 7)(3+4+7) At/3 = 4. 67At平均延遲時間最小的調(diào)度策略為(4,(3, 7)(3+7) At/2 二度策略則為最優(yōu)調(diào)度策略，相應(yīng)的最小(4, 3, 7)(4+3+7) At/3 = 4. 67*為3. 5At,所以流水線的最大吞吐(4, 7)(4+7) At/2 二 5. 5Zt(7)7At特別地,任務(wù)調(diào)度策有向弧組成中可以得到3),該調(diào) 平均延遲時間率為：1/ (3.5At) = 0. 286/At3,(4, 3)(4+3) At/2 二 3. 5At(4)按最優(yōu)調(diào)度策略3,(4, 3)連續(xù)輸入8個任務(wù)時，流水線的實際吞吐率為：Tp