系統(tǒng)結(jié)構(gòu)期末復習提綱

1、計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（第一到第五章）整理人張斌第一章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念第二章指令系統(tǒng)第三章存儲系統(tǒng)第四章輸入輸出系統(tǒng)第五章標量處理機第一章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.1計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)的分類計算機系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展系統(tǒng)=硬件/固件+軟件按照計算機語言的角度可以化為多層次結(jié)構(gòu)。應用語言、高級語言、匯編語言、操作系統(tǒng)機器語言、微程序語言語言的兩種實現(xiàn)：翻譯（從高一級的語言變?yōu)榈谝患壍恼Z言）解釋（由語言轉(zhuǎn)換為指令）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)就是確定軟件和硬件的界面，哪些功能要用軟件實現(xiàn)，哪些需要用硬件實現(xiàn)。馮諾伊曼結(jié)構(gòu)的特點：以運算器為中心指令順序執(zhí)行指令和數(shù)據(jù)用二進制表示第二章指令系統(tǒng)2.1數(shù)

2、據(jù)表示2.2尋址技術(shù)2.3指令格式的優(yōu)化設(shè)計2.4RISC指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)是軟硬件溝通的橋梁例1：已知一個32住浮點數(shù)C1C00000,無法知道它表示的是什么數(shù)！給出臨個參數(shù)：尾數(shù)用純卜數(shù)，原碼表示缶pF；階碼用整數(shù)，移碼表示q=6.問：這個數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制是多少？解：1100000111000000（Mffi數(shù)苻是個負數(shù)尾數(shù)數(shù)值部=0+1100=0.CH=12X“1=12/16階碼用移碼表示X+26=1000001X為階碼真值X=1000001-1000000X=+000001階碼為1所以這個數(shù)是-12/16Xld-ll.O尋址技術(shù)：尋找操作數(shù)或操作數(shù)地址的技術(shù)編址方式尋址方式定位方式編址方式

3、：尋址方式：立即數(shù)尋址寄存器尋址1、2、3地址執(zhí)行速度快存儲器尋址(直接尋址、間接尋址、基址尋址、變址尋址、相對尋址、自動變址)堆棧尋址定位：把邏輯地址轉(zhuǎn)化為物理地址直接定位靜態(tài)定位動態(tài)定位指令的組成：操作碼+地址碼三種編碼方式：固定長度Huffman編碼拓展編碼1+已知一個32位浮點數(shù)44C80000,給出它的6個參數(shù)：尾數(shù)用卜數(shù)，原碼表示，nji=16,p=24階碼用整數(shù)，移碼表示，iy=2,q=6訶：這個數(shù)轉(zhuǎn)換成十進制是多少？解：0100OW)11000100oooo(HIMOOM數(shù)符lnO是個正數(shù)尾數(shù)數(shù)值部=0+11000100=0+CSH=12x16J+8x162=25/32階碼用移

4、碼表示X+26=1000100X為階碼真值X=10001001000000X=+000100階碼為1所以這個數(shù)是25/32X164=25耳2112.已知頻度序列為0.1,0.1,0.15,0.15,0.2,03求Huffman編碼、2等長擴展碼、定長編碼、三者的平均碼長、信息兀余量(信息的爛為2.47)Huffman樹145頻度0.10.150.150.20.3Huffm日ri碼0000011001010111碼長=2.5,信息冗余量=1.2%2/4碼11111011100100100碼長=2.7,信息兀余量=7.5%定長編碼000001010011100101碼長=3.0,信息冗余量=17.

5、7%直接尋址的二地址揩令3條寰址尋址的一地址揩令6條書存器尋址的二地址揩令父條直接尋址的一地址揩令12條(刃零地址擋令范條3,字1641,壽儲器直接尋址空間為128字，更址的侵移量為-5斗+53,16個通用寄存器均可作為貶址寄存莓設(shè)計一套據(jù)令格式，滿足下列要求：解：字長佃位,直接尋址空間128個字*蓋要了位表示，變址位移-64-+63要了位表示6個通用寄存器需要4位表示。(4)直接尋址的二地址捋令3條；(2,7,7)00XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX變址尋址的一地址捋令6條；(5,4,了)000XXXXXXXXXXX11101XXXXXXXXXXX寄存器尋址的二地址捋

6、令8條；(844)11110000XXXXXXXX111XXXXXXXX直接尋址的一地址指令仁條；(/“0000XXXXXXX111111011XXXXXXX零地址指令32條(佗)11111110000000001111111000011111通用計算機必須有的5類指令數(shù)據(jù)傳送類指令運算類指令程序控制指令輸入輸出指令處理機控制和調(diào)試指令RISC指令系統(tǒng)CISC復雜指令集20%-80%規(guī)律20%的指令占據(jù)了處理機80%的處理時間實現(xiàn)RISC的關(guān)鍵技術(shù)（1）.延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)（2）.指令取消技術(shù)（3）.重疊寄存器窗口技術(shù)（4）.指令流調(diào)整技術(shù)選擇題1、在指令的地址字段中，直接指出操作數(shù)本身的尋址方式，

7、稱為（）隱含地址B.立即尋址C.寄存器尋址D.直接尋址2、寄存器間接尋址方式中，操作數(shù)處在（）A.通用寄存器B.主存單元C.程序計數(shù)器D.堆棧3、對一個區(qū)域內(nèi)的成批數(shù)據(jù)采用循環(huán)逐個進行處理時，常用的指令尋址方式是（）A.變址尋址方式B.相對尋址方式C.基址尋址方式D.間接尋址方式4、下列指令中，屬于邏輯左移指令的是（）。A.SHLB.SALC.SHRD.SAR5、為了縮短指令中某個地址段的位數(shù)，有效的方法是采用（）。A.立即尋址B.變址尋址C.間接尋址D.寄存器尋址6、在堆棧尋址中，設(shè)A為累加器，SP為堆棧指示器,Msp為SP指示的棧頂單元。如果進棧操作順序是:（SP）-1SP,（A）-Msp

8、；那么出棧操作的順序應是（）。A.(Msp)A,(SP)+lSPB.(SP)+1SP,(Msp)AC.SP)-1SP，(Msp)AD.(Msp)A，(SP)-1SP7.在取指令周期從主存取出的指令送往（）。A.指令譯碼器B.程序計數(shù)器C.指令寄存器D.程序狀態(tài)字寄存器）。8某計算機字長32位，其存儲容量為32KB，若按字編址，那么它的尋址范圍是（A032KB016KC08KD032KB9變址尋址方式中，操作數(shù)的有效地址等于()。A堆棧指示器內(nèi)容加上位移量B程序計數(shù)器內(nèi)容加上位移量C基值寄存器內(nèi)容加上位移量D變址寄存器內(nèi)容加上位移量在CPU中跟蹤指令后繼地址的寄存器是()。A主存地址寄存器B編址

9、寄存器C指針寄存器D狀態(tài)條件寄存器指令系統(tǒng)中采用不同尋址方式的目的主要是()。A實現(xiàn)存儲程序和程序控制縮短指令長度，擴大尋址空間，提高編程靈活性可以直接訪問外存提供擴展操作碼的可能并降低譯碼難度第三章存儲系統(tǒng)存儲系統(tǒng)原理虛擬存儲器3.3高速緩沖存儲器(Cache)存儲系統(tǒng)的主要性能：速度、容量、價格存儲系統(tǒng)的定義：把速度、容量、價格各不相同的存儲器用硬件、軟件或軟硬件的方法連接成一個存儲系統(tǒng)。Cache存儲系統(tǒng)：Cache和主存儲器構(gòu)成提高存儲器的速度虛擬存儲系統(tǒng)：主存儲器和磁盤存儲器構(gòu)成擴大存儲器的容量存儲器的性能指標：容量S單位容量平均價格C命中率等效訪問周期訪問效率例題1某機是由高速緩存

10、與主存組成的兩級存儲系統(tǒng)，高速緩存訪問時間Tc=50ns,主存訪問時間遲m=400ns,訪問Cache的命中率為0.96。系統(tǒng)的等效訪問時間TA為多少？如果將高速緩存分為指令Cache與數(shù)據(jù)Cache,使等效訪問時間減小了10%。在所有的訪存操作中有20%是訪問指令Cache,而訪問指令Cache的命中率仍為096(假設(shè)不考慮寫操作一致性的問題)，問數(shù)據(jù)Cache的訪問命中率應是多少？T=HT+(1H)T=0.96x50+(10.96)x400=64nsACMT=f(HT+(1H)T)+(1f)(HT+(1H)T)AIICIMIDCDM64x(1-10%)=0.2(0.96x50+(1-0.9

11、6)x400)+(1-0.2DD280H二275.2DH沁0.983D虛地址：虛存上的地址實地址：內(nèi)存的地址地址映像：虛地址與實地址之間對應關(guān)系的規(guī)則段式虛擬存儲頁式虛擬存儲段頁式虛擬存儲如果一個頁式虛擬存儲器的存儲空間Nv=2GB,頁面大小Np=2KB,頁表存儲字大小Nd=4B,以字節(jié)為單位，計算頁表的級數(shù)，分別計算各級頁表的個數(shù)？log2G一log2K_31-1log2K一log42211-2第一級頁表：1個頁面，可以有512個存儲字，只需要4個存儲字(4*4B=16Bv2KB)第二級頁表：4個頁面，每個頁面512個存儲字(512*4B=2KB),共4*512=2K存儲字第三級頁表：2K個

12、頁面，每個頁面512個存儲字(512*4B=2KB)，共2K*512=1M存儲字，用于存放虛擬存儲器的1M個頁面(1M*2K=2GB)頁面替換算法：隨即算法rand先進先出算法FIFO最近最少使用LFU最久沒有使用LRU最有替換算法OPT例：設(shè)有一道程序，有1至5共5頁，執(zhí)行時的頁地址流(即執(zhí)行時依次使用到的程序頁頁號)為：2，3，2，1，5，2，4，5，3，2，5，2若分配給該道程序的主存有3頁，如下圖表示分別用FIFO,LRU,OPT3種替換算法對這3頁的使用和替換過程。答案：356CPU與高速緩存之間：字高速緩存與主存儲器之間：塊主存與磁盤之間：頁面磁盤與磁帶之間：段Cache存儲系統(tǒng)與

13、虛擬存儲系統(tǒng)的區(qū)別：1.信息交換單位不同(頁/塊)2.速度比不同3.cpu與cache和主存間均有直接通路4實現(xiàn)方法不同(cache全硬件虛擬硬件為主，軟件為輔)5.cache對系統(tǒng)程序員應用程序員透明虛擬存儲系統(tǒng)只對應用程序員透明三種映像方式全相聯(lián)直接相連組相連例題設(shè)有一個cache的容量為2K字，每個塊為16字，求(1)該cache可容納多少個塊？如果主存的容量是256K字，則有多少個塊？主存的字地址有多少位？Cache字地址有多少位？在直接映象方式下，主存中的第130塊映象到cache中哪一個塊中？進行地址映象時，存儲器的地址分成哪幾段？各段有多少位？解：cache中有2048/16=1

14、28個塊。主存有256K/16=16384個塊。主存：字地址為18位，256K=218字。cache:字地址為11位，2K=211字。主存中的第130塊映象到cache中130mod128=2個塊中。(5)存儲器的字地址分成三段：區(qū)號、塊號、塊內(nèi)字地址。區(qū)號為18-11=7位塊號為11-4=7位塊內(nèi)地址為16=244位練習設(shè)有一個cache的容量為4K字，主存容量為cache容量的128倍，CPU訪問cache中每塊的所有數(shù)據(jù)最少需要16次，求該cache可容納多少個塊？主存有多少個塊？主存的字地址有多少位？Cache字地址有多少位？在直接映象方式下，主存中的第2048塊映象到cache中哪一

15、個塊中？進行地址映象時，存儲器的地址分成哪幾段？各段有多少位？解：cache中有4K/16=256個塊。主存有512K/16=32K個塊。主存：字地址為19位，512K=219字。cache:字地址為12位，4K=212字。主存中的第2048塊映象到cache中2048mod256=0個塊中。(5)存儲器的字地址分成三段：區(qū)號、塊號、塊內(nèi)字地址。區(qū)號為19-12=7位塊號為12-4=8位塊內(nèi)地址為16=244位練習題：假設(shè)在某個計算機系統(tǒng)中，采用組相聯(lián)映象方式，主存儲器容量為1MB,緩存容量為32KB,每塊容量為64字，緩存共分128組。請寫出主存地址多少位？如何分配？Cache地址多少位？如

16、何分配？主存地址：1MB=220B地址20位區(qū)號E：20-15=5位區(qū)內(nèi)組號：128=277位組內(nèi)塊號：2位塊內(nèi)地址：64=266位Cache地址:32KB=215B地址15位組號：128=277位組內(nèi)塊號：2位塊內(nèi)地址：64=266位Cache的替換算法1.隨機替換2。LRU算法有一個Cache存儲器，主存有8塊(07),Cache有4塊(03),釆用組相聯(lián)映像，組內(nèi)塊數(shù)為2塊，塊內(nèi)包含16個字。（1）寫出主存地址和Cache地址的格式，并指出各字段的長度。（2）某程序運行過程中，訪存的主存塊地址流為1,2,4,1,3,7,0,1,2,5,4,6,4,7,2說明該程序訪存對Cache的塊位置

17、的使用情況，指出發(fā)生塊失效且塊爭用的時刻，計算Cache命中率。（釆用LRU替換算法）Cache的性能分析：1加速比【練習1】在一個采用組相聯(lián)映像的Cache存儲器中，主存由0-7共8塊組成，Cache分為2組，每組2塊，每塊大小為16個存儲字。若程序訪存的主存塊地址流為：3，1，2，6，4，5，7，0，4，2，7，3,0,5（1）寫出主存地址和Cache地址的格式，并指出各字段的長度。（2）指出主存塊0-7與Cache塊0-3之間的映像關(guān)系。（3）分別采用FIFO和LRU替換算法，計算該程序的Cache命中率。若已知主存訪問周期Tm與物理Cache的訪問周期Tc的比值Tm/Tc=10，分別計

18、算Cache的加速比。解：（1）采用組相聯(lián)映像時，主存地址格式和Cache地址格式為：區(qū)號組號6*塊號B塊內(nèi)地址護組號g塊號&塊內(nèi)地址W主存地址Cache地址主存按Cache大小劃分為區(qū)，主存容量為8塊，Cache容量為4塊，故主存分為2個區(qū)，區(qū)號E的長度為1位。每區(qū)分為2組，故組號孫冊長度都是1位。每組分為2塊，故塊號琳側(cè)長度都是1位。莓塊大小為16個存儲字，故塊內(nèi)地址怖啲長度都是4位”（2）組相聯(lián)映像規(guī)定：主存的組到Cache的組之間是直接硬像冷應la的塊之間是全栢聯(lián)映像。至存的塊0-7與Cache的塊0-3之間的映像關(guān)系是：5與Cache的塊0,1之間全相聯(lián).7與Cache的塊2,3之間全相聯(lián).由以上的結(jié)果可知，該程序按給出的主存塊地址流訪存時，如果發(fā)生塊失效，那么把主存塊裝入Cache的塊位置時，必須遵守如下規(guī)定：【練習2】在一個采用組相聯(lián)映像的Cache存儲器中，主存由0-7共8塊組成，Cache分為2組，每組2塊，每塊大小為16個存儲字。若程序訪存的主存塊地址流為：6，2，4，1，4，6，3，0，4，5，7，3（1）分別采用FIFO和LRU替換算法，計算該程序的Cache命中率。若已知主存訪問周期Tm與物理Cache的訪問周期Tc的比值Tm/Tc=10，分別計算Cache的加速比