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中国地质大学（武汉） 计算机学院 吴湘宁
计算机体系结构习题及答案
第一章 基础知识
1．名词解释
翻译 解释 模拟 仿真 透明性 程序访问局部性 [答案]略
2. 一个经解释实现的计算机可以按功能划分为四级. 每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令. 若执行第一级的一条指令需要的时间为K ns, 那么执行第二、三、四级的一条指令各需要多少时间?
3. 计算机系统按功能划分层次结构的好处主要体现在哪些方面? [答案] (1) 有利于理解软件, 硬件和固件在系统中的地位和作用; (2) 有利于理解各种语言的实质和实现途径; (3) 有利于推动计算机系统结构的发展; (4) 有利于理解计算机系统结构的定义.
4. 什么是透明性? 对计算机系统结构, 下列哪些是透明的? 哪些是不透明的?
1) 存储器的模m交叉存取; 2) 浮点数据表示; 3) I/O系统是采用通道方式还是I/O处理机方式; 4) 阵列运算部件; 5) 数据总线宽度; 6) 通道是采用结合型的还是独立型的; 7) 访问方式保护; 8) 程序性中断; 9) 串行、重叠还是流水控制方式; 10) 堆栈指令; 11) 存储器的最小编址单位; 12) Cache存储器.
[答案] 一种本来是存在的事务或属性, 但从某种角度看却好像不存在, 称为透明性. 对计算机系统结构来说透明的是: 1), 4), 5), 6), 9), 12) 对计算机系统结构来说不透明的是:2), 3), 7), 8), 10), 11)
5. 什么是计算机体系结构? 什么是计算机组成? 什么是计算机实现? 并说明三者的关系和相互影响?
[答案] 计算机系统结构是计算机系统的软, 硬件分界面, 是机器语言程序员或是编译程序员 所需了解的计算机属性;
计算机组成是计算机系统结构的逻辑事项; 计算机实现是计算机组成的物理实现. 三者的关系和互相影响为:
(1) 具有相同系统结构的计算机可以采用不同的组成; (2)(2) 一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现;
(3) 计算机组成、计算机实现对计算机系统结构有着很大的影响;
(4) 计算机系统结构的设计不应限制计算机组成和实现技术，应能用于高档机，也可用于低 挡机;
(5) 在不同时期, 计算机系统结构,、组成和实现所包含的内容会有所变化，三者之间的界线 常常很模糊.
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6. 从机器(汇编)语言程序员角度看, 以下哪些是透明的?
1) 指令地址存储器; 2) 指令缓冲器; 3) 时标发生器; 4) 条件码寄存器; 5) 乘法器; 6) 主存地址寄存器; 7) 磁盘外设; 8) 先行进位链; 10) 通用寄存器; 11) 中断字寄存器. [答案] 对机器(汇编)语言程序员来说透明的有: 2), 3), 5), 6), 8), 9) 对机器(汇编)语言程序员来说不透明的有: 1), 4), 7), 10), 11)
7. 假设在一台40 MHz处理机上运行200 000条指令的目标代码, 程序主要由四种类型的指令所组成. 根据程序跟踪实验结果, 各类指令的混合比和每类指令的CPI值如表1.9所示.
(1) 试计算在单处理机上执行上述该程序时的平均CPI;
(2) 根据(1)所得到的CPI, 计算相应的MIPS速率及程序的执行时间. [答案] (1) 2.24 CPI (2) 17.86 MPIS; 0.0112 s
8. 某工作站采用时钟频率为15 MHz、处理速率为10 MIPS的处理机来执行一个程序，假定每次存储器存取为1周期延迟, 试问: (1) 此计算机的有效CPI是多少?
(2) 假定将处理机的时钟频率提高到30 MHz, 但存储器子系统速率不变, 这样, 每次存
储器存取需要两个时钟周期. 如果30%的指令每条只需要一次存储存取, 而另外5%的指令每条需要两次存储存取, 还假定已知混合程序的指令数不变, 并与原工作站兼容, 试求改进后的处理机性能.
[答案] (1) 1.5 CPI; (2) 15.8 MPIS
9.什么是并行性？它分为哪两种类型？开发计算机系统并行性的主要技术途径有哪三个？沿这些途径分别发展出什么类型的计算机？ [答案]略
10.实现软件移植的途径有哪些？ [答案]略
11.什么是Flynn分类法，按照Flynn分类法可将计算机系统分为哪几类？ [答案]略
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第二章 指令系统
1. 名词解释
数据类型、数据表示、规格化浮点数、Huffman编码、扩展编码、RISC [答案]略
2. 某模型机有8条指令I1~I8, 它们的使用频度分别为0.3, 0.3, 0.2, 0.1, 0.05, 0.02, 0.02, 0.01. (1) 试分别用Huffman编码和平均码长最短的等长扩展码(限定为两种码长)对其操作码 进行编码.
(2) 分别计算Huffman编码和等长扩展码编码的平均长度.
[答案] (1) 操作码的Huffman编码和2-4等长扩展码编码如下表1所示.
(2) Huffman编码的平均长度为2.38位; 等长扩展码编码的平均码长为2.8位.
3. 某模型机有10条指令I1~I10, 它们的使用频度分别为0.3, 0.24, 0.16, 0.12, 0.07, 0.04, 0.03, 0.02, 0.01, 0.01.
(1) 计算机采用等长操作码表示时的信息冗余量.
(2) 要求操作码平均码长最短, 试设计操作码的编码, 并计算所设计操作码的平均长度. (3) 设计2-5扩展操作码编码，并计算平均码长.
(4) 设计2-4（2/8）等长扩展码编码，并计算平均码长. [答案] (1) 采用等长操作码表示时的信息冗余量为33.5%. (2) 操作码的Huffman编码如表2所示, 此种编码的平均长度为2.7位. (3) 操作码的2-5扩展码编码如表2所示, 此种编码的平均长度为2.9位.
(4) 操作码的2-4（2/4）等长扩展码编码如表2所示, 此种编码的平均长度为2.92位.
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4. 何谓指令格式的优化? 操作码和地址码的优化一般采用哪些方法?
[答案] 指令格式的优化是指通过采用多种不同的寻址方式, 地址制, 地址形式和地址码长度以及多种指令字长, 并将它们与可变长操作码的优化表示相结合, 就可以构成冗余度尽可能少的指令字. 操作码的优化采用扩展操作码编码法. 地址码优化有以下四种方法: (1) 在指令中采用不同的寻址方式; (2)(2) 在指令中采用多地址制;
(3) 同一种地址制还可以采用多种地址形式和长度, 也可以考虑利用空白处来存放直接 操作数或常数等;
(4) 在以上措施的基础上, 还可以进一步考虑采用多种指令字长度的指令.
5. 若某机设计有如下指令格式的指令:
三地址指令12种, 一地址指令254种, 设计指令的长度为16位, 每个地址码字段的位数均为4位. 若操作码的编码采用扩展操作码, 问二地址指令最多可以设计多少种? [答案] 二地址指令最多可以设计48种.
6. 一台模型机共有九条指令I1~I9, 各指令的使用频度分别为0.3，0.2，0.2，0.1，0.08，0.6， 0.03, 0.02, 0.01. 该模型机有8位和16位两种指令字长. 8位字长指令为寄存器----寄存器(R--R)二地址类型, 16位字长指令为寄存器----存储器(R--M)二地址变址寻址类型.
(1) 试设计有两种码长的扩展操作码, 使其平均码长最短, 并计算此种编码的平均码长. (2) 在(1)的基础上, 该机允许使用多少个可编址的通用寄存器?
(3) 若采用通用寄存器作为变址寄存器, 试设计该机的两种指令格式, 并标出各字段的 位数.
(4) 计算变址寻址的偏移地址范围.
[答案] (1) 操作码的2-5扩展码编码如表3所示, 此种编码的平均长度位2.9位.
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2) 在(1)的基础上, 该机允许使用8个可编址的通用寄存器. (3) 该机的两种指令格式及各字段的位数如下:
R-R型: 操作码OP (2位) | 源寄存器RS (3位) | 目的寄存器Rd (3位)
R-M型: 操作码OP (5位) | 源寄存器RS (3位) | 变址寄存器RX (3位) | 偏移地址 (5位) (4) 变址寻址的偏移地址范围为-16~+15.
7. 简述CISC的特点.
[答案] CISC的特点如下: (1) 庞大的指令系统;
(2) 采用了可变长度的指令格式; (3) 指令使用的寻址方式繁多;
(4) CISC指令系统中包括一些用于特殊用途的指令, 各种指令的使用频度相当悬殊.
8. 从指令格式, 寻址方式以及平均CPI三个方面, 比较经典CISC和纯RISC体系结构. [答案] 略
9．简述RISC设计的一般原则。 [答案]
1、精简指令条数，保留使用频度高的指令；
2、简化指令格式，采用简单寻址方式，绝大多数指令可以在单周期内执行完成； 3、采用寄存器间运算结构，减少访存次数；
4、指令以硬联组合电路实现为主，少量指令可以用微程序解释方式执行； 5、优化编译程序的设计。
10．RISC计算机采用了哪些关键技术？各是什么含义？ [答案]
1、遵循按RISC机器一般原则设计的技术；
2、指令采用交叉和流水的方式解释执行，并采用优化延迟转移技术； 3、在CPU中设置大量的寄存器组，并采用重叠寄存器窗口的技术； 4、在逻辑上采用硬联实现为主，适当辅以微程序解释的技术； 5、优化编译系统设计的技术.。
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