计算机系统结构作业参考答案
一、
1、 试述现代计算机系统的多级层次结构。
计算机系统具有层次性，它由多级层次结构组成。从功能上计算机系统可分为五个层次级别： 第一级是微程序设计级。这是一个硬件级，它由机器硬件直接执行微指令。
第二级是一般机器级，也称为机器语言级。它由微程序解释机器指令系统.这一级是硬件级。 第三级是操作系统级，它由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，这些广义指令是操作系统定义和解释的软件指令。这一级也称混合级。
第四级是汇编语言级。它给程序人员提供一种符号形式的语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持执行。 第五级是高级语言级。这是面向用户为编写应用程序而设置的。这一级由各种高级语言编译程序支持。
2、试述RISC设计的基本原则和采用的技术。
答：一般原则：
(1)确定指令系统时，只选择使用频度很高的指令及少量有效支持操作系统，高级语言及其它功能的指令，大大减少指令条数，一般使之不超过100条； (2)减少寻址方式种类，一般不超过两种； (3)让所有指令在一个机器周期内完成；
(4)扩大通用寄存器个数，一般不少于32个，尽量减少访存次数；
(5)大多数指令用硬联实现，少数用微程序实现； (6)优化编译程序，简单有效地支持高级语言实现。 基本技术：
(1)按RISC一般原则设计，即确定指令系统时，选最常用基本指令，附以少数对操作系统等支持最有用的指令，使指令精简。编码规整，寻址方式种类减少到1、2种。 (2)逻辑实现用硬联和微程序相结合。即大多数简单指令用硬联方式实现，功能复杂的指令用微程序实现。
(3)用重叠寄存器窗口。即：为了减少访存，减化寻址方式和指令格式，简有效地支持高级语言中的过程调用，在RISC机器中设有大量寄存嚣，井让各过程的寄存器窗口部分重叠。
(4)用流水和延迟转移实现指令，即可让本条指令执行与下条指令预取在时间上重叠。另外，将转移指令与其前面的一条指令对换位置，让成功转移总是在紧跟的指令执行之后发生，使预取指令不作废，节省一个机器周期。
(5)优化设计编译系统。即尽力优化寄存器分配，减少访存次数。不仅要利用常规手段优化编译，还可调整指令执行顺序，以尽量减少机器周期等。
3、 试述全相联映像与直接映像的含义及区别
（1） 全相连映像
主存中任何一个块均可以映像装入到Cache中的任何一个块的位置上。主存地址分为块号和块内地址两部分，Cache地址也分为块号和块内地址。Cache的块内地址部分直接取自主存地址的块内地址段。主存块号和Cache块号不相同，Cache块号根据主存块号从块表中查找。Cache保存的各数据块互不相关，Cache必须对每个块和块自身的地址加以存储。当请求数据时，Cache控制器要把请求地址同所有的地址加以比较，进行确认。 （2） 直接映像
把主存分成若干区，每区与Cache大小相同。区内分块，主存每个区中块的大小和Cache中块的大小相等，主存中每个区包含的块的个数与Cache中块的个数相等。任意一个主存块只能映像到Cache中唯一指定的块中，即相同块号的位置。主存地址分为三部分：区号、块号和块内地址，Cache地址分为：块号和块内地址。直接映像方式下，数据块只能映像到Cache中唯一指定的位置，故不存在替换算法的问题。它不同于全相连Cache，地址仅需比较一次。 （3） 区别：
全相连映像比较灵活，块冲突率低，只有在Cache中的块全部装满后才会出现冲突，Cache利用率高。但地址变换机构复杂，地址变换速度慢，成本高。
直接映像的地址变换简单、速度快，可直接由主存地址提取出Cache地址。但不灵活，块冲突率较高，Cache空间得不到充分利用。
4. 画出冯?诺依曼机的结构组成？
5. 试用图示法说明超标量、超流水线和超长指令字技术原理。
二、
某模型机由8条指令，使用频度为0.3 0.3 0.2 0.1 0.05 0.02 0.02 0.01试分别用哈夫曼编码和扩展编码对其操作码进行编码，限定扩展编码只能有两种长度，则它们的编码长度比定长操作码的长度减少多少？ 答：
1111110.0310.0100.020.020.050.10.20.050010.300.30.1000.010.20.40 I8 I7 I6 I5 I4 I3 I2 I1
I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 定长编码长度：3 Huffman长度：(0.3+0.3+0.2)*2 + 0.1*3 + 0.05*4 + 0.02*5 + 0.02*6 + 0.01*6 = 2.38 长度减少3-2.38=0.62
扩展编码长度： (0.3+0.3+0.2)*2 + (0.1 + 0.05 + 0.02 + 0.02 +0.01) * 5 = 2.6 长度减少3-2.6=0.4 三．
设某个程序包含5个虚页，实页数为3，其页地址流为4，5，3，2，5，1，3，2，2，5，1，3。试画出FIFO、LRU、OPT
替换算法的时间状态图，写出各自的命中率。 频度 0.3 0.3 0.2 0.1 0.05 0.02 0.02 0.01 Huffman 00 01 10 110 1110 11110 111110 111111 长度 2 2 2 3 4 5 6 6 扩展 00 01 10 11000 11001 11010 11011 11100 长度 2 2 2 5 5 5 5 5
答： 4 4 4
四、（第三小问的解答和教材略有不同，如果不理解，也可参考教材193页原题） 在一个5段的流水线处理机上需经9拍才能完成一个任务，其预约表为： S1 S2 S3 S4 S5 T1 √ T2 √ T3 √ T4 √ T5 √ T6 √ T7 √ T8 √ √ T9 √ 5 4 5 3 4* 5 3 2 2* 5 3 5 2 5* 3 H 1 2 1* 3 3 2 1 3* H 2 2 1 3* H 2 2* 1 3 H 5 5* 1 3 1 5 1 3 H 3 5 1 3 H OPT 4 5 4 5 3 4* 5 3 2 2 5* 3 5 2 5 3* H 1 2* 5 1 3 3 5* 1 2 3 2 1* 2 3 2 1* H 5 3* 2 5 1 1 2* 5 3 1 3 5* LRU 4 5 4 5 3 4* 5 3 2 2 5* 3 5 2 5* 3 H 1 2 1 3* 3 2 1 3* H 2 2 1 3* H 2 2 1 3* H 5 2* 1 5 1 2 1* 5 H 3 2 3 5 FIFO 4 命中率5/12 命中率2/12 命中率6/12 分别写出延迟禁止表、冲突向量，画出流水线状态图，并给出平均延迟最小的调度方案。
答： 解：（1）根据初始冲突向量的构成方法，对预约表各行中打“×”的拍数求出差值，除去重复的后汇集在一起，即得到延迟禁止表为F =｛1，5，6，8｝。由F可得到初始冲突向量为： C =（10110001）
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