計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)網(wǎng)上作業(yè)答案

...wd......wd......wd...計(jì)算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)造作業(yè)參考答案一、試述現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次構(gòu)造。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有層次性，它由多級(jí)層次構(gòu)造組成。從功能上計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可分為五個(gè)層次級(jí)別：第一級(jí)是微程序設(shè)計(jì)級(jí)。這是一個(gè)硬件級(jí)，它由機(jī)器硬件直接執(zhí)行微指令。第二級(jí)是一般機(jī)器級(jí)，也稱為機(jī)器語(yǔ)言級(jí)。它由微程序解釋機(jī)器指令系統(tǒng).這一級(jí)是硬件級(jí)。第三級(jí)是操作系統(tǒng)級(jí)，它由操作系統(tǒng)程序?qū)崿F(xiàn)。這些操作系統(tǒng)由機(jī)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(jí)也稱混合級(jí)。第四級(jí)是匯編語(yǔ)言級(jí)。它給程序人員提供一種符號(hào)形式的語(yǔ)言，以減少程序編寫(xiě)的復(fù)雜性。這一級(jí)由匯編程序支持執(zhí)行。第五級(jí)是高級(jí)語(yǔ)言級(jí)。這是面向用戶為編寫(xiě)應(yīng)用程序而設(shè)置的。這一級(jí)由各種高級(jí)語(yǔ)言編譯程序支持。2、試述RISC設(shè)計(jì)的根本原則和采用的技術(shù)。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(yǔ)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(guò)100條；(2)減少尋址方式種類(lèi)，一般不超過(guò)兩種；(3)讓所有指令在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成；(4)擴(kuò)大通用存放器個(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(jiǎn)單有效地支持高級(jí)語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。

根本技術(shù)：(1)按RISC一般原則設(shè)計(jì)，即確定指令系統(tǒng)時(shí)，選最常用根本指令，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(jiǎn)。編碼規(guī)整，尋址方式種類(lèi)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(jiǎn)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)。(3)用重疊存放器窗口。即：為了減少訪存，減化尋址方式和指令格式，簡(jiǎn)有效地支持高級(jí)語(yǔ)言中的過(guò)程調(diào)用，在RISC機(jī)器中設(shè)有大量存放囂，井讓各過(guò)程的存放器窗口局部重疊。(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)化存放器分配，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。3、試述全相聯(lián)映像與直接映像的含義及區(qū)別全相連映像主存中任何一個(gè)塊均可以映像裝入到Cache中的任何一個(gè)塊的位置上。主存地址分為塊號(hào)和塊內(nèi)地址兩局部，Cache地址也分為塊號(hào)和塊內(nèi)地址。Cache的塊內(nèi)地址局部直接取自主存地址的塊內(nèi)地址段。主存塊號(hào)和Cache塊號(hào)不一樣，Cache塊號(hào)根據(jù)主存塊號(hào)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(duì)每個(gè)塊和塊自身的地址加以存儲(chǔ)。當(dāng)請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)，Cache控制器要把請(qǐng)求地址同所有的地址加以比擬，進(jìn)展確認(rèn)?！?〕直接映像把主存分成假設(shè)干區(qū)，每區(qū)與Cache大小一樣。區(qū)內(nèi)分塊，主存每個(gè)區(qū)中塊的大小和Cache中塊的大小相等，主存中每個(gè)區(qū)包含的塊的個(gè)數(shù)與Cache中塊的個(gè)數(shù)相等。任意一個(gè)主存塊只能映像到Cache中唯一指定的塊中，即一樣塊號(hào)的位置。主存地址分為三局部：區(qū)號(hào)、塊號(hào)和塊內(nèi)地址，Cache地址分為：塊號(hào)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(wèn)題。它不同于全相連Cache，地址僅需比擬一次?！?〕區(qū)別： 全相連映像比擬靈活，塊沖突率低，只有在Cache中的塊全部裝滿后才會(huì)出現(xiàn)沖突，Cache利用率高。但地址變換機(jī)構(gòu)復(fù)雜，地址變換速度慢，本錢(qián)高。直接映像的地址變換簡(jiǎn)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(huà)出馮?諾依曼機(jī)的構(gòu)造組成5.試用圖示法說(shuō)明超標(biāo)量、超流水線和超長(zhǎng)指令字技術(shù)原理。二、某模型機(jī)由8條指令，使用頻度為0.30.30.20.10.050.020.020.01試分別用哈夫曼編碼和擴(kuò)展編碼對(duì)其操作碼進(jìn)展編碼，限定擴(kuò)展編碼只能有兩種長(zhǎng)度，則它們的編碼長(zhǎng)度比定長(zhǎng)操作碼的長(zhǎng)度減少多少答：頻度Huffman長(zhǎng)度擴(kuò)展長(zhǎng)度I10.3002002I20.3012012I30.2102102I40.11103110005I50.0511104110015I60.02111105110105I70.021111106110115I80.011111116111005定長(zhǎng)編碼長(zhǎng)度：3Huffman長(zhǎng)度：(0.3+0.3+0.2)*2+0.1*3+0.05*4+0.02*5+0.02*6+0.01*6=2.38長(zhǎng)度減少3-2.38=0.62擴(kuò)展編碼長(zhǎng)度：(0.3+0.3+0.2)*2+(0.1+0.05+0.02+0.02+0.01)*5=2.6長(zhǎng)度減少3-2.6=0.4設(shè)某個(gè)程序包含5個(gè)虛頁(yè)，實(shí)頁(yè)數(shù)為3，其頁(yè)地址流為4，5，3，2，5，1，3，2，2，5，1，3。試畫(huà)出FIFO、LRU、OPT 替換算法的時(shí)間狀態(tài)圖，寫(xiě)出各自的命中率。答：453251322513FIFO444*2222222*22555*5*111111*33333*3*3*3*555HHHHH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*3333HHHHHH命中率6/12四、〔第三小問(wèn)的解答和教材略有不同，如果不理解，也可參考教材193頁(yè)原題〕在一個(gè)5段的流水線處理機(jī)上需經(jīng)9拍才能完成一個(gè)任務(wù)，其預(yù)約表為：

T1T2T3T4T5T6T7T8T9S1√

√S2

√√

√

S3

√

S4

√√

S5

√√

分別寫(xiě)出延遲制止表、沖突向量，畫(huà)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(duì)預(yù)約表各行中打“×〞的拍數(shù)求出差值，除去重復(fù)的后聚集在一起，即得到延遲制止表為F=｛1，5，6，8｝。由F可得到初始沖突向量為：C=〔10110001〕〔2〕根據(jù)后繼沖突向量的遞推規(guī)則Cj=SHR〔k〕〔Ci〕∨C0則可得出所有的后繼狀態(tài)，具體有：10110001C010110111C210111101C110111011C310111111C5C0四個(gè)后繼狀態(tài)：C110110001C010110111C210111101C110111011C310111111C5C2=SHR〔3〕〔C0〕∨C0=10110111C3=SHR〔4〕〔C0〕∨C0=1011101132C4=SHR〔7〕〔C0〕∨C0=10110001=C0747C1二個(gè)后繼狀態(tài)：C5=SHR〔2〕〔C1〕∨C0=10111111C6=SHR〔7〕〔C1〕∨C0=10110001=C07C2二個(gè)后繼狀態(tài)：C7=SHR〔4〕〔C2〕∨C0=10111011=C33472C8=SHR〔7〕〔C2〕∨C0=10110001=C0C3二個(gè)后繼狀態(tài)：C9=SHR〔3〕〔C3〕∨C0=10110111=C2C10=SHR〔7〕〔C3〕∨C0=10110001=C0C5一個(gè)后繼狀態(tài)：C11=SHR〔7〕〔C5〕∨C0=10110001=C0由后繼狀態(tài)和引起狀態(tài)轉(zhuǎn)移的時(shí)間間隔可得到狀態(tài)有向圖如上圖所示?！?〕由狀態(tài)轉(zhuǎn)移有向圖可得到無(wú)沖突的任務(wù)調(diào)度策略及其平均延遲時(shí)間，如下表所示。調(diào)度策略平均延遲時(shí)間特別地，從C0出發(fā)的[3，〔4，3〕]也是一個(gè)〔2，2，7〕〔2+2+7〕△t/3=3.67△t任務(wù)調(diào)度策略，除第一條有向弧外，第二、三條〔2，7〕〔2+7〕△t/2=4.5△t有向弧組成一個(gè)環(huán)路，該調(diào)度策略為〔4，3〕。表〔3，4，7〕〔3+4+7〕△t/3=4.67△t中可以得到平均延遲時(shí)間最小的調(diào)度策略為〔4，〔3，7〕〔3+7〕△t/2=5△t3〕，該調(diào)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〕△t/3=4.67△t平均延遲時(shí)間為3.5△t，所以流水線的最大吞吐〔4，7〕〔4+7〕△t/2=5.5△t