1、1.4 指令系統(tǒng)的優(yōu)化1一、單頂選擇題1堆棧型機(jī)器比通用寄存器型機(jī)器優(yōu)越的是( )。 A)支持先進(jìn)先出類解題算法的求解 B)能更好地支持向量的運(yùn)算 C)能支持由逆波蘭表達(dá)式將高級(jí)語言多元賦值語句直接編譯生成堆棧指令程序 D)能優(yōu)化存儲(chǔ)器的空間利用率C2 2程序員編寫程序時(shí)使用的地址是( )。 A)有效地址 B)邏輯地址 C)輔存實(shí)地址 D)主存地址B3 3變址尋址主要的作用是( )。 A)支持程序的動(dòng)態(tài)再定位 B)支持訪存地址的越界檢查 C)支持向量、數(shù)組的運(yùn)算尋址 D)支持操作系統(tǒng)中的進(jìn)程調(diào)度C4 4. 計(jì)算機(jī)中優(yōu)化使用的操作碼編碼方法是( )。 A) 哈夫曼編碼 B) ASCII碼 C)

2、BCD碼 D) 擴(kuò)展操作碼D55 .面向寄存器尋址方式主要訪問( )，少量訪問( )。 A主存 B.寄存器 C.堆棧 D.寄存器和主存BA6 6.面向主存尋址方式主要訪問( )，少量訪問( )。 A.主存 B寄存器 C.堆棧 D寄存器和主存AB7 7面向堆棧尋址方式主要訪問( )，少量訪問( )。 A主存 B寄存器 C.堆棧 D寄存器和主存CD8 8.在CISC方向主要做的工作是( )，RISC方向主要做的工作是( )。 A軟件功能硬化 B簡化指令功能 C降低指令功能 D硬件功能軟化 AB9 9.面向目標(biāo)程序優(yōu)化的思想是( )。 A通過使用頻度分析和改進(jìn)指令系統(tǒng) B. 增設(shè)強(qiáng)功能復(fù)合指令替代原

3、來的軟件實(shí)現(xiàn) CA和 B D. 面向編譯，優(yōu)化代碼生成 C10 1什么是堆棧機(jī)器?與通用寄存器型的機(jī)器相比，堆棧機(jī)器有哪些優(yōu)點(diǎn)? 答: 具有堆棧數(shù)據(jù)表示的計(jì)算機(jī)是堆棧機(jī)器。這種機(jī)器比通用寄存器型機(jī)器能更好地支持高級(jí)語言和編譯程序設(shè)計(jì)；更好地支持子程序的嵌套和遞歸調(diào)用；堆棧訪問和操作的功能很強(qiáng)、速度很高；程序總位數(shù)少；程序執(zhí)行所用的存儲(chǔ)用量少。11 2在滿足尋址范圍的前提下，列舉縮短指令字中地址碼長度的方法(至少列出5種)。 答: 使用各種尋址方式。如，加基址；加變址；相對(duì)尋址；訪存地址空間分成段，指令中只給出段號(hào)或段內(nèi)位移字段之一；寄存器尋址；寄存器間接尋址等等。12 3操作系統(tǒng)的哪些功能適合

4、于硬化或固化?哪些功能不適合于硬化或固化? 答:適合于硬化或固化的是過熱的高頻使用的“機(jī)構(gòu)型”功能，即通用的、不變的基本操作。如，進(jìn)程切換、程序狀態(tài)的保護(hù)和恢復(fù)等。 不適合于硬化或固化的是頻度低的，或“策略型”功能，即可變的，可根據(jù)情況設(shè)定的功能。如，排隊(duì)策略、優(yōu)先級(jí)確定、費(fèi)用計(jì)算等。 134簡單比較尋址方式在指令中的兩種指明方式。 答：尋址方式在指令中的兩種指明方式是：(1)用操作碼中的某些位來指明； (2)在地址碼部分專門設(shè)置尋址方式字段。 第一種方法的缺點(diǎn)是：操作碼長，尋址不靈活，優(yōu)點(diǎn)是：指令的總長度較短。 第二種方法的缺點(diǎn)是：指令的總長度較長，優(yōu)點(diǎn)是：操作碼短，尋址較靈活。 145.何

5、謂指令格式的優(yōu)化?簡要列舉包括操作碼和地址碼兩部分的指令格式優(yōu)化可采用的各種途徑和思路。15答：指令格式的優(yōu)化指如何用最短位數(shù)表示指令的操作信息和地址信息，像程序中指令的平均字長最短。16 Huffman壓縮的基本思想是，當(dāng)各種事件發(fā)生概率不均等時(shí)，采用優(yōu)化技術(shù)對(duì)發(fā)生概率最高的事件用最短的位數(shù)(時(shí)間)來表示(處理)，而對(duì)出現(xiàn)概率較低的事件，允許采用較長位數(shù)(時(shí)間)來表示(處理)，會(huì)導(dǎo)致表示(處理)的平均位數(shù)(時(shí)間)的縮短。17 用此思想可對(duì)操作碼進(jìn)行優(yōu)化。 對(duì)地址碼的優(yōu)化：18 答：一般原則：(1)確定指令系統(tǒng)時(shí)，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(jí)語言及其它功能的指令.(2)

6、減少尋址方式種類，一般不超過兩種；(3)讓所有指令在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成；(4)擴(kuò)大通用寄存器個(gè)數(shù)，一般不少于32個(gè)，盡量減少訪存次數(shù)；(5)大多數(shù)指令用硬聯(lián)實(shí)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(jí)語言實(shí)現(xiàn)。 6設(shè)計(jì)RISC機(jī)器的一般原則及可采用的基本技術(shù)有那些? 19基本技術(shù)：(1)按RISC一般原則設(shè)計(jì)，即確定指令系統(tǒng)時(shí)，選最常用基本指令，附以少數(shù)對(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)，功能復(fù)雜的指令用微程序?qū)崿F(xiàn)。20(3)用重疊寄存器窗口。即：為了減少訪存，減化

7、尋址方式和指令格式，簡單有效地支持高級(jí)語言中的過程調(diào)用，在RISC機(jī)器中設(shè)有大量寄存器，并讓各過程妁寄存器窗口部分重疊。(4)用流水和延遲轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)指令，即可讓本條指令執(zhí)行與下條指令預(yù)取在時(shí)間上重疊。另外，將轉(zhuǎn)移指令與其前面的一條指令對(duì)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(gè)機(jī)器周期。(5)優(yōu)化設(shè)計(jì)編譯系統(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(jī)器周期等。 21 7簡要比較CISC機(jī)器和RISC機(jī)器各自的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它們分別存在哪些不足和問題?為什么說今后的發(fā)展應(yīng)是CISC和RISC的結(jié)合? 22答：C

8、ISC結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：機(jī)器指令系統(tǒng)龐大復(fù)雜。 CISC的問題： (1)指令系統(tǒng)龐大，一般200條以上； (2)指令操作繁雜，執(zhí)行速度很徭； (3)難以優(yōu)化生成高效機(jī)器語言程序，編譯也大長，太復(fù)雜； (4)由于指令系統(tǒng)龐大，指令的使用頻度不高，降低系統(tǒng)性能價(jià)格比，增加設(shè)計(jì)人員負(fù)擔(dān)。23 RISC結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：機(jī)器指令系統(tǒng)墑單，規(guī)模小，復(fù)雜度低。 RISC的問題：(1)由于指令少，在原CISC上一條指令完成的功 能現(xiàn)在需多條RISC指令才能完成，加重匯編語言程序設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，增加了機(jī)器語言程序長度，加大指令信息流量；(2)對(duì)浮點(diǎn)運(yùn)算和虛擬存儲(chǔ)支持不很強(qiáng)。(3)RISC編譯程序比CISC難寫。24答：CISC結(jié)構(gòu)

9、特點(diǎn)：機(jī)器指令系統(tǒng)龐大復(fù)雜。 RISC結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：機(jī)器指令系統(tǒng)墑單，規(guī)模小，復(fù)雜度低。 CISC的問題：(1)指令系統(tǒng)龐大，一般200條以上； (2)指令操作繁雜，執(zhí)行速度很徭； (3)難以優(yōu)化生成高效機(jī)器語言程序，編譯也大長，太復(fù)雜； (4)由于指令系統(tǒng)龐大，指令的使用頻度不高，降低系統(tǒng)性能價(jià) 格比，增加設(shè)計(jì)人員負(fù)擔(dān)。 RISC的問題：(1)由于指令少，在原CISC上一條指令完成的功 能現(xiàn)在需多條RISC指令才能完成，加重匯編語言程序設(shè)計(jì)負(fù)擔(dān)，增 加了機(jī)器語言程序長度，加大指令信息流量；(2)對(duì)浮點(diǎn)運(yùn)算和虛擬 存儲(chǔ)支持不很強(qiáng)。(3)RISC編譯程序比CISC難寫。 由于RISC和C1SC各有優(yōu)

10、缺點(diǎn)：(1)在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)向著兩者結(jié) 合，取長補(bǔ)短方向發(fā)展. 25 由于RISC和C1SC各有優(yōu)缺點(diǎn)：(1)在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)向著兩者結(jié)合，取長補(bǔ)短方向發(fā)展。 26 1二進(jìn)制表示較之二一十進(jìn)制表示數(shù)據(jù)信息，其存儲(chǔ)空間利用率低，運(yùn)算速度要快。( ) 2基址尋址支持程序的循環(huán)，變址尋址支持程序的動(dòng)態(tài)再定位。( )3對(duì)概率不等的事件用Huffman編碼，其具體編碼不唯一，但平均碼長肯定是唯一的， 且是為最短的。( )判斷題27應(yīng)用題1某機(jī)有10條指令，使用頻度分別為001，015，012，007，008，013，015，003，017，009， (1) 用等長操作碼編碼的平均碼長； (2) 構(gòu)造Huffma

11、n樹； (3) 寫出Huffman的一種編碼，并計(jì)算其平均碼長； (4) 只有兩種碼長，求平均碼長最短的擴(kuò)展操作碼編碼及其平均碼長。285（1）4位。 （2）HAFFMAN樹略。29(3) 使用頻度 擴(kuò)展碼(不唯一) 001 00000 003 00001 007 0001 008 010 009 011 012 001 013 100 015 101 015 110 017 111 平均碼長=PILI = 315位。30(4)使用頻度 擴(kuò)展碼(不唯一) 001 0000 003 0001 007 0010 008 0011 009 010 012 011 013 100 015 101 01

12、5 110 017 111 平均碼長=PILI = 319位。 注意，若取3位一5位編碼，平均碼長將成了322位，顯然是不好的。 312(1) 采用Huffman或擴(kuò)展操作碼編碼時(shí)，要求短碼與長碼要符合什么樣的原則，否則解(譯)碼不唯一? (2) 某機(jī)指令字長16位，共有單地址指令和雙地址指令兩類，若每個(gè)地址字段均為5位，且雙地址指令已用了X條，問單地址指令最多可以有多少條?32答: (1) 要求短碼不能是長碼的前綴； (2) 雙地址操作碼長為16-2X5=6位， 單地址指令最多可有：(26X)25條。33用于文字處理的某專用機(jī)，每個(gè)文字符用4位十進(jìn)制數(shù)字(0-9)編碼表示，空格則用|_|表示

13、，在對(duì)傳送的文字符和空格進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后，得出它們的出現(xiàn)頻度分別為： |_|： 20% 0：17% 1： 6% 2： 8% 3：11% 4： 8% 5： 5% 6： 8% 7： 13% 8： 3% 9： 1% (1)若上述數(shù)字和空格均用二進(jìn)制編碼，試設(shè)計(jì)二進(jìn)制信息位平均長度最短的編碼 34(1)這可以采用霍夫曼編碼法實(shí)現(xiàn)。(2)若傳送106個(gè)文字符號(hào)(每個(gè)文字符后均跟一個(gè)空格)，按最短的編碼，共需傳送多少個(gè)二進(jìn)制位？ (2) 把106個(gè)文字符號(hào)換算成幾個(gè)數(shù)字編碼(就是每個(gè)文字4位十進(jìn)制數(shù)共424個(gè)數(shù)字)外加106個(gè)空格碼總共530個(gè)碼。這個(gè)數(shù)字再乘以平均碼長(上面算得的霍夫曼碼平均碼長)就可得到二進(jìn)制的位數(shù)了。(3)若十進(jìn)制數(shù)字和空格均用4位二進(jìn)制碼表示，共需多少個(gè)二進(jìn)制位？ (3) 1064 4 + 1064 =2120 bit35若某機(jī)要求有如下形式的指令： 三地址指令4條，單地址指令255條，零地址指令16條。 設(shè)指令字長為12位，每個(gè)地址碼長為3位，問能否以擴(kuò)展操作碼為其編碼？如果其中單地址指令為254條呢？說明理由。36答(1)不能用擴(kuò)展碼為其編碼。 因?yàn)橹噶钭珠L12位，每個(gè)地址碼占3位； 三地址