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计算机系统结构课后答案c h a p2-a n s w e r第二章计算机指令集结构设计2.1 名词解释1.堆栈型机器——CPU中存储操作数的单元是堆栈的机器。
2.累加型机器——CPU中存储操作数的单元是累加器的机器。
3.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。
4.CISC——复杂指令集计算机。
5.RISC——精简指令集计算机。
2.2堆栈型机器、累加器型机器和通用寄存器型机器各有什么优缺点？2.3常见的三种通用寄存器型机器的优缺点各有哪些？2.4 指令集结构设计所涉及的内容有哪些？(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，察看各种寻址方式的使用频度，根据适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IEEE 754标准）、整型数据类型（8位、16位、32位的表示方法）、字符型（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。
2.5 简述CISC计算机结构指令集功能设计的主要目标。
从当前的计算机技术观点来看，CISC结构有什么缺点？CISC结构追求的目标是强化指令功能，减少程序的指令条数，以达到提高性能的目的。
从目前的计算机技术观点来看，CISC结构存在以下几个缺点：(1)在CISC结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。
(2)CISC结构的指令系统的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。
(3)CISC结构的指令系统的复杂性给VLSI设计带来了很大负担，不利于单片集成。
(4)CISC结构的指令系统中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。
计算机系统结构(第2版)郑伟明汤志忠课后习题答案以及例题收录片上地址模块内部体号模式5: 4高阶交叉4低阶交叉16存储器模块每4个形成一个大模块:片上地址模块内部体号模式6: 4并行访问4低阶交叉31 0模块片上地址模块号输出选择(1)所有这些存储器可以并行工作，因此带宽可以增加一般来说，并行内存访问的优点是简单且易于实现，缺点是访问冲突大。
高阶交错存储器具有扩展方便、存取效率低的优点。
低阶交叉存取存储器可以分时方式提高速度46，但扩展不方便。
(2)各种存储器的带宽与其工作频率有关。
不考虑冲突，如果有足够多的独立控制电路和寄存器，那么它们的带宽是相同的。
(3)存储器原理图注意，并行存取存储器非常类似于低阶交叉存取存储器，除了并行存取存储器使用存储器模块号(存储体号)来选择输出结果，而低阶交叉存取存储器用于为存储器模块(存储体)生成芯片选择信号，这通过流水线操作提高了存取速度。
3.14在页面虚拟内存中，一个程序由从P1到P5的5个虚拟页面组成程序执行过程中依次访问的页面如下:P2、P3、P2、P1、P5、P2、P4、P5、P3、P2、P5、P2假设系统为该程序的主存储器分配三个页面，主存储器的三个页面分别由先进先出、先进先出和优化调度(1)绘制主内存页面条目、替换和命中的表(2)计算三种页面替换算法的页面命中率3.15(1)当分配的主内存页的数量大于或等于5时，可以达到最高的页命中率，除了第一次调入未命中，所有访问都在47: 7实际命中之后，因此可以达到的最高页命中率是H？7？0.5833 12(2)由于当页面数大于或等于5时肯定可以达到最高的命中率，让我们看看当页面数小于5时是否可以达到命中率:当由分配的主存储器页面数等于4时，调度过程如下:489 LFU算法4调用中4 5 4 5 3 4 5* 3 2调用中4 5 3 2命中1 5 3* 2调用中1 5 3 2*命中1 5 3* 2命中1 5* 3 2命中1 5 3 2命中1 5 3* 2命中1 5 3 * 2命中1 5 3 2命中1 5 3 2命中1 5 3 2命中7调用中此时也能达到最高命中率。
第一章重点：1. P2 1.1.1计算机系统层次结构（1.1.2透明性概念）2. P9 1.2.1计算机系统设计的定量原理（Amdahl law及CPU性能公式）3. P22 1.4.1 Von Neumann结构（模拟与仿真）1．习题题1.5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。
[解答] 硬件和软件在逻辑功能上是等效的。
在原理上，用软件实现的功能完全可以用硬件或固件(微程序解释)来完成。
用硬件实现的功能也可以通过用软件进行模拟来完成，只是反映在速度、价格、实现的难易程度上，这两者是不同的。
例如，编译程序、操作系统等许多用机器语言软件子程序实现的功能完全可以用组合电路硬件或微程序固件来解释实现。
它们的差别只是软件实现的速度慢，软件的编制复杂，编程工作量大，程序所占的存贮空间量较多，这些都是不利的；但是，这样所花硬件少，硬件实现上也就因此而简单容易，硬件的成本低，解题的灵活性和适应性较好，这些都是有利的。
又如，乘除法运算可以经机器专门设计的乘法指令用硬件电路或乘除部件来实现，也可以通过执行一个使用相加、移位、比较、循环等机器指令组成的机器语言子程序来实现。
向量、数组运算在向量处理机中是直接使用向量、数组类指令和流水或阵列等向量运算部件的硬件方式来实现，但在标量处理机上也可以通过执行用标量指令组成的循环程序的软件方式来完成。
浮点数运算可以直接通过设置浮点运算指令用硬件来实现，也可以用两个定点数分别表示浮点数的阶码和尾数，通过程序方法把浮点数阶码和尾数的运算映象变换成两个定点数的运算，用于程序软的方式来实现。
十进制数的运算可以通过专门设置十进制运算类指令和专门的十进制运算部件硬的方式来完成，或者通过设置BCD数的表示和若干BCD数运算的校正指令来软硬结合地实现，也可以先经10转2的数制转换子程序将十进制数转成二进制数，再用二进制运算类指令运算，所得结果又调用2转10的数制转换子程序转换成十进制数结果，用全软的方式实现。
习题一1.第2级的一条指令能完成第一级的M条指令的计算量。
第一级的1条指令的计算量用第2级的1/M条指令能完成。
第1级的N条指令解释第2级的一条指令。
即第2级的一条指令执行时间为第1级的（N*1/M）倍。
以此类推。
第3级的一条指令执行时间为第2级的（N*1/M）倍。
为第1级的（N*1/M）2倍。
第4级的一条指令执行时间为第3级的（N*1/M）倍。
为第2级的（N*1/M）2倍。
为第1级的（N*1/M）3倍。
2.教材P2。
3.教材P6- P7。
4.教材P3。
教材P26。
5.教材P3。
教材P26。
6.教材P3。
教材P26。
7.教材P11- P12。
教材P26。
8.教材P22。
9.教材P21。
习题二1.教材P27。
教材P33- P34。
2．教材P30。
教材P29- P31。
3．教材P32- P33。
4．教材P35- P37。
阶值P=6，尾数m=48。
基r m=2 m’= m/log2 r m=48/1=48 最小阶值（非负阶）000000=0 0最大阶值2p-1 26-1=64-1=63尾数最小值(规格化数) r m—1 1/2尾数最大值1- r m—m’1- 2-48最小值r m0* r m—1 1/2最大值（r m2p-1）*（1- r m—m’）263*（1- 2-48）阶的个数2p 64数的总个数2p* r m m’ *（r m-1）/ r m 26*248*（2-1）/2= 253 阶值P=6，尾数m=48。
基r m=8 m’= m/log2 r m=48/3=16最小阶值（非负阶）000000=0 0最大阶值2p-1 26-1=64-1=63尾数最小值(规格化数) r m—1 1/8尾数最大值1- r m—m’1- 8-16最小值r m0* r m—1 1/8最大值（r m2p-1）*（1- r m—m’）863*（1- 8-16）阶的个数2p 64数的总个数2p* r m m’ *（r m-1）/ r m 26*816*（8-1）/8=7 *251 阶值P=6，尾数m=48。
可编辑修改精选全文完整版《计算机系统结构》练习题一一、单项选择题1．页式虚拟存储器的地址变换对于 D 是透明的.A. 操作系统设计者B. 任何程序员C. 系统结构设计者D. 应用程序员2．以下各类中断中，属于自愿中断的是 C .A. 外部中断B. I/O中断C. 执行“访管”指令D. 机器校验中断3. 高速外部设备磁盘机适合连接于 C .4. 页式虚拟存储器页表的作用是 A .A. 反映虚页在主存的存储情况B. 仅反映虚页是否调入主存C. 反映主存实页与Cache的对应关系D. 反映虚页在辅存的存储情况5．软件和硬件的功能在逻辑上是 C 的.D.软件优于固件6. 计算机中最优化的操作码编码方法是 D .码码C.扩展操作码 D.哈夫曼编码7. 从计算机系统执行程序的角度看，并行性等级由低到高分为四级 A .A．指令内部——指令之间——进程之间——程序之间B．指令之间——指令内部——进程之间——程序之间C．进程之间——指令之间——指令内部——程序之间D．程序之间——进程之间——指令之间——指令内部8. 计算机系统多级层次结构中，操作系统机器级的直接上层是 D .A．传统机器级B．高级语言机器C．应用语言机器级D．汇编语言机器级9.全相联地址映像是指 A .A.任何虚页都可装入主存中任何实页的位置B.一个虚页只装进固定的主存实页位置C.组之间是固定的，而组内任何虚页可以装入任何实页位置D.组间可任意装入，组内是固定装入10．对于同一系列机，必须保证软件能够 C .A．向前兼容，并向上兼容B．向前兼容，并向下兼容C．向后兼容，力争向上兼容D．向后兼容，力争向下兼容11．设有16个处理单元的并行处理机系统, 采用共享主存的方式. 若同时存取16个数据, 为避免存储器访问冲突, 共享主存的多体数量应该为 C 才合理.A. 15B. 16C. 17D. 1912. 软件兼容的根本特征是 C .A. 向前兼容B. 向后兼容C. 向上兼容D. 向下兼容13.在下列机器中，能够实现软件兼容的机器是 B .A. 完全不同种类的机型B. 系统结构相同的机器C. 宿主机和目标机D. 虚拟机14．输入输出系统硬件的功能对 C 是透明的。
第1章部分习题参考答案1.1 解释下列术语⏹翻译：先用转换程序将上一级机器级上的程序整个地变换成下一级机器级上可运行的等效程序，然后再在下一级机器级上去实现的技术。
⏹解释：在下一级机器级上用它的一串语句或指令来仿真上一级机器级上的一条语句或指令的功能，通过对上一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。
⏹层次结构：将计算机系统由上往下依次划分为应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器级和微程序机器级。
对于一个具体的计算机系统，层次的多少会有所不同。
⏹计算机系统结构：传统机器级的程序员所看到计算机的基本属性，即计算机的概念性结构和功能特性。
简称为计算机的外特性。
⏹计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，也常称为计算机组织。
该组织包括机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
⏹计算机实现：计算机组成的物理实现。
它包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度、速度和信号，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，电源、冷却、装配等技术。
⏹透明性：本来存在的事物或属性，但从某个角度看似乎不存在，称为透明性现象。
⏹固件：是一种具有软件功能的硬件。
如将软件固化在ROM中，就是一种固件。
⏹由上往下设计：先考虑如何满足应用要求，确定好面对使用者那级机器应有什么基本功能和特性，然后再逐级往下设计，每级都考虑怎样优化上一级实现。
这种方法适合于专用机设计。
⏹由下往上设计：根据现有的部件，并参照或吸收已有各种机器的特点，先设计出微程序机器级（如果采用微程序控制）及传统机器级，然后再为不同应用配置多种操作系统和编译系统软件，采用合适的算法来满足相应的应用。
这是20世纪60-70年代前常用的通用机设计思路。
⏹系列机：同一厂家生产的具有相同系统结构，但具有不同组成和实现的一系列的机器。
⏹软件兼容：同一软件可以不加修改地运行于系统结构相同的不同档次的机器上，而且它们所获得的结果一样，差别只是运行时间不同。
计算机系统结构(第2版)郑伟明汤志忠课后习题答案以及例题收录片上地址模块内部体号模式5: 4高阶交叉4低阶交叉16存储器模块每4个形成一个大模块:片上地址模块内部体号模式6: 4并行访问4低阶交叉31 0模块片上地址模块号输出选择(1)所有这些存储器可以并行工作，因此带宽可以增加一般来说，并行内存访问的优点是简单且易于实现，缺点是访问冲突大。
高阶交错存储器具有扩展方便、存取效率低的优点。
低阶交叉存取存储器可以分时方式提高速度46，但扩展不方便。
(2)各种存储器的带宽与其工作频率有关。
不考虑冲突，如果有足够多的独立控制电路和寄存器，那么它们的带宽是相同的。
(3)存储器原理图注意，并行存取存储器非常类似于低阶交叉存取存储器，除了并行存取存储器使用存储器模块号(存储体号)来选择输出结果，而低阶交叉存取存储器用于为存储器模块(存储体)生成芯片选择信号，这通过流水线操作提高了存取速度。
3.14在页面虚拟内存中，一个程序由从P1到P5的5个虚拟页面组成程序执行过程中依次访问的页面如下:P2、P3、P2、P1、P5、P2、P4、P5、P3、P2、P5、P2假设系统为该程序的主存储器分配三个页面，主存储器的三个页面分别由先进先出、先进先出和优化调度(1)绘制主内存页面条目、替换和命中的表(2)计算三种页面替换算法的页面命中率3.15(1)当分配的主内存页的数量大于或等于5时，可以达到最高的页命中率，除了第一次调入未命中，所有访问都在47: 7实际命中之后，因此可以达到的最高页命中率是H？7？0.5833 12(2)由于当页面数大于或等于5时肯定可以达到最高的命中率，让我们看看当页面数小于5时是否可以达到命中率:当由分配的主存储器页面数等于4时，调度过程如下:489 LFU算法4调用中4 5 4 5 3 4 5* 3 2调用中4 5 3 2命中1 5 3* 2调用中1 5 3 2*命中1 5 3* 2命中1 5* 3 2命中1 5 3 2命中1 5 3* 2命中1 5 3 * 2命中1 5 3 2命中1 5 3 2命中1 5 3 2命中7调用中此时也能达到最高命中率。
当分配的主存页面等于3时，调度过程如下:497 LFU算法4 4 4 5 4 * 5 3 2 5 * 3 2 5 3 * hit 2 * 5 1 call 3 5 * 1 call 3 2 1 call 3 2 1 call 3 2 1 * hit 3 2 2 * 5传入3* 1 5传入3 1 5 hits 3传入3传入此时不能达到最高命中率，因此应该分配至少4个主内存页面(3)我们假设程序一次只访问一个内存位置，因此对每个特定页面的访问过程可以描述如下:第一次总是错过，但是平均来说，接下来的1023次总是命中，然后它被再次从主内存中调用。
50计算机系统结构(第二版)郑伟明唐志中清华大学出版社习题解答11目录1.1第1章(P33)1.7-1.9(透明概念)，1.12-1.18(阿姆达尔定律)，1.19 (3)(4)(6)(8)在3.19(地址映射/替换算法-实际内存状态图)21.4第4章(P250)4.5(中断掩码列表/中断过程示意图)，4.8(通道流量计算/通道时间图) 1.5第5章(P343)5.9(管道性能/时空图)，5.15(1991.5) 7.26(多级网络路由算法)，7.27(寻路/任播算法)31.8第8章(P498)8.12(SISD/SIMD算法)1.9第9章(P562)9.18(SISD/多功能单元/SIMD/MIMD算法)(注:1-2主要知识下划线是推荐的主要知识点。
)42例，练习2.1第1章(P33)例1.1，p10假设某个系统的某个部分的处理速度提高到10倍，但该部分的原始处理时间仅为整个运行时间的40%，那么采用加速措施能在多大程度上提高整个系统的性能？根据阿姆达尔定律To1？费恩(1？Fe)？Se11Sn？？？1.560.40.640.6？10Sn？5时间t页地址流先进先出算法(先进先出算法)未使用时间最长(LRU 算法)最优替换算法(opt算法)1 P1 1 2 p2 1 3 P1 1 2 4 P51 * 2 5 P44 2 * 5 6 P1 4 1 5 * 7 P3 4 * 1 3 8 P4 4 * 1 3 9 P2 2 1 * 3实际P4点击10 2 43* 2 4 5点击调用替换点击替换替换1 1 2 2 2 * 5 1 4 5 * 1 4 5 * 1 4 5 *1 4 * 3 1 * 4 32 43 * 24 3 * 1 1 2 1 2 1 2 1 2 1 25 * 1 2 * 4 1 * 2 4 3 *2 3 * 2 4 3 * 同一页面地址流的三种页面替换算法是例3.9a循环程序，依次使用P1、P2、P3、P4，分配给该程序的主存页面数为3下图显示了三种页面替换算法41IFO、LRU和OPT对主内存页面的调度在先进先出和LRU算法中，总是会发生下一次使用的页面被替换的情况。
这就是“颠簸”现象时间T页地址流先进先出算法未使用时间最长(LRU算法)最优替换算法(OPT算法)1P 1 1 2 P2 1 2 3 P3 1 * 2 3 4 P44 2 * 3 5 P1 4 3 * 6 P2 4 * 1 2 7 P3 3 1 * 2 8 P4 3 4 2 * 实际点击率0次0次3次来电替换替换替换替换替换1 1 1 2 1 * 2 3 4 2 * 3 4 3 * 4 * 1 2 3 1 * 2 3 4 2 *来话来话替换替换替换替换替换1 1 2 3 * 1 2 4 1 2 * 4 1 3 4 * 传入传入替换命中替换命中页面调度423.1是一个由三个存储器组成的存储系统，它们具有不同的访问速度、存储容量和每位价格。
其中M1靠近中央处理器并回答以下问题:m1 (t1，S1，C1) m2 (T2，S2，C2) m3 (T3，S3，C3)(1)写出该三级存储系统的等效访问时间t，等效存储容量s和表等效每比特价格c公式(2)在什么条件下，整个存储系统的每位价格接近C3？3.3直接生成公式计算存储级性能指标(1)74ns、38ns、23.6ns (2)0.258、0.315、0.424(3)T 256K C 128K > C64K43(4)19.092、11.97、10.0064答案是256千是最好的3.51？(1？已知知识？g，其中g=0.1表示k？1？(1？g)n？11岁？(1？nn？1g？Kn？0.2？g？0.2整理至0.9n≥0.2，求解n？lg0.2lg0.9？15.28，四舍五入到15；根据另一个话题的意思，理解是四舍五入取16，这也是事实3.7模式1: 16模块高位交叉4431 0模块号模块片上地址模式2: 16模块并行访问31 0模块的片上地址模块号模式3: 16模块低位交叉31 0模块的片上地址模块号256 每8个19916内存模块形成一个大模块:45δ≤5.96×10≈10-8-7.22。
η= 100%2.6(1)0.2 = 0.333333h×161位7位6位6将订单代码设置为shift -63代码(即-2+1，原始标题未指定)0 0111113333-20.2尾数是左手的，最高的数字被去掉。
(3)符号位保持不变，(订单代码–127)/4+63；尾数用最高位填充，除法余数向右移动若干位，左边用0填充2.13已知10条指令的使用频率，计算三种编码方法的平均码长和信息冗余度。
(1)本问题中的“最优哈夫曼编码方法”实际上是指编码长度的下限，即源熵的平均信息量，用公式代替，得到H=2.956631(2)霍夫曼编码性能如下:(3)2/8扩展码是8/64/512方法的变体。
第一组2条指令的代码长度为2(1位扩展标志，1位编码)，第二组8条指令的代码长度为4(1位扩展标志，不同于第一组，加上3位编码)。
下表显示了编码性能。
(4)3/7扩展代码是15/15/15方法的变体。
第一组有3条指令，代码长度为2(有4种组合，其中3种组合代表3条指令，1种组合保留为扩展前缀标志)，而第二组有7条指令，代码长度为5(2位固定前缀扩展标志，与第一组不同，添加了3位代码，仅使用了7种组合)。
编码性能如下表所示平均码长l信息冗余R霍夫曼码2.99 1.10% 2/8扩展码3.1 4.61% 3/7扩展码3.2 7.59% 2.14 一个模型机有7条指令，每条指令的频率分别为35%、25%、20%、10%、5%、3%和2%，有8个通用数据寄存器和2个索引寄存器(1)要求操作代码的最短平均长度。
请设计操作代码的代码，并计算设计操作代码的平均长度。
(2)设计3条8字长的寄存器-寄存器型指令和4条16位字长的寄存器-存储器型索引寻址指令，索引范围不小于127请设计指令格式，并给出每个字段的长度和操作码的代码。
解决方案:32(1)为了最小化操作码的长度，应该使用霍夫曼编码。
霍夫曼树的结构如下:0.35 0.25 0.20 0.10 0.05 0.03 0.02 0.60 0.05 0.10 0.20 0.40 1.00，从中可以获得如下7条指令的代码:33指令1 2 3 4 5 6 7频率35% 25% 20% 199 霍夫曼编码法得到的操作码平均长度为:h = 2×(0.35+0.25+0.20)+3×0.10+4×0.05+5×(0.03+0.02)= 1.6+0.3+0.2+0.25 = 2.35(2)设计8位字长寄存器型索引寻址方式的说明如下。
因为只有8个通用寄存器，所以寄存器地址需要3位，操作码只有2位。
设计格式如下:7 65 32 0 34操作码运算源寄存器R1目的寄存器R2操作码三条指令分别为00，01。
10设计的16位字长寄存器-存储器型索引寻址模式指令如下:15 1211 9 OPcode op通用寄存器87 0索引寄存器偏移地址四条指令的操作码分别为1100、1101、1110。
11112.15处理器的指令字长度为16位，包括三种类型:双地址指令、单地址指令和零地址指令。
假设每个地址字段的长度为6位(1)如果有15条双地址指令，单地址指令和零地址指令的数量基本相同，那么有多少条单地址指令和零地址指令？并将操作码分配给这三种类型的指令(2)如果三种指令的比例约为1: 9: 9，双地址指令、单地址指令和零地址指令有多少条指令？并将操作码分配给这三种类型的指令解决方案:(1)15/63/64(2)14/126/12835(1)指令空间中各种指令的分布是根据指令地址的数量确定的:如果我们从小到大分配操作码，这样，按照指令值从小到大的顺序，它们是双地址指令、单地址指令和双地址指令然后可以根据指令的数量粗略估计操作码的长度:对15个指令，需要4位操作码来区分，剩余的12位操作码被等分为单地址和零地址指令，每个指令可以由6位操作码来区分，因此，指令的数量是:15对双地址指令，操作码:0000 ~ 1110；单地址指令2 6-1 = 63，操作码:1111 000000 ~ 1111 111110；零地址指令64，操作码:1111 11111 000000 ~ 1111 1111111 111111(2)与上述分析相同，我们可以得到答案:14双地址指令和操作码:0000 ~ 1101；单地址指令2 x 2-2 = 126，1110 000000~1110 111110，1111 000000 ~ 1111 11110；零地址指令1281 110 111111 000000 ~ 1110 1111111 111111，1111 111100000 ~ 1111111111111111111111111000000000000000000000000000000000000 000000000000000000000000000000000000000000单地址指令64+62 = 126，64单地址指令操作码1110 000000~1110 111111，3662单地址指令操作码1111 000000 ~ 1111 11101；零地址指令1281 111 111110 000000 ~ 1110 11111110 1111111 11100000 ~ 1111 11111111111111111112.3第3章(P202)例3.1假设T2 = 5t1，条件为解决方案:t11e？？？2TH？T1？(1？h)？T2H？(1？h)？当h = 0.9时，E1 = 1/(0.9+5 (1-0.9)) = 0.72当h = 0.99时，E2 = 1/(0.99+5 (1-0.99)) = 0.96？有两种方法可以提高存储系统的速度:一种是提高命中率H372。
