【正文】 1位表示,8位的寄存器寄存器型指令，3個操作碼編碼為00、010，16位的寄存器存儲器變址尋址方式指令， 4個操作碼編碼為1100、110111111，2位 3位 3位OP R1 R2操作碼 寄存器1 寄存器24位 3位 1位 8位OP R1 X d操作碼 寄存器1 變址寄存器 相對位移 主存邏輯地址？確定和引入數(shù)據(jù)表示的基本原則是什么？ 答：數(shù)據(jù)表示是能由硬件直接識別和引用的數(shù)據(jù)類型。 (1)全Huffman編碼的平均碼長是可用的二進制位編碼中平均碼長最短的編碼。請寫出指令格式，并給出各字段的長度和操作碼編碼。 （1） 要求操作碼的平均長最短，請設(shè)計操作碼的編碼，并計算所設(shè)計操作碼的平均長。（11/rm)。但課本中討論的是規(guī)格化數(shù)，即尾數(shù)的小數(shù)點后第一個數(shù)位不為零的數(shù)，所以，應(yīng)該去掉小數(shù)點后第一個數(shù)位是0的那些非規(guī)格化的數(shù)。個rm進制數(shù)位共有rm^m39。 對于rm進制的數(shù)來說，每個數(shù)位均可以有0到rm1，即rm個碼。(rm1)/rm。note:這里的等號并不表示純粹數(shù)學意義上的“等于”。 =2,八進制數(shù)20轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)為10000，其二進制數(shù)位，即機器數(shù)位m=5。=m/log2(rm)這種關(guān)系是因為，在機器中，一個rm進制的數(shù)位是用log2(rm)個機器數(shù)位來表示的。 ？ 答：計算機系統(tǒng)的3T性能目標是 1TFLOPS計算能力,1TBYTE主存容量 和 1TBYTES的I/O帶寬第二章　數(shù)據(jù)表示與指令系統(tǒng) 39。數(shù)據(jù)是以表示某一操作數(shù)或參數(shù)已準備就緒的數(shù)據(jù)令牌直接在指令之間傳遞。它主要應(yīng)解決：處理機間互連等硬件結(jié)構(gòu)，進程間的同上步和通訊，多處理機調(diào)度等問題。它主要應(yīng)解決：處理單元靈活、規(guī)律的互連模式和互連網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，數(shù)據(jù)在存儲器中的分布算法等問題。它主要應(yīng)解決：擁塞控制，沖突防止，流水線調(diào)度等問題。 答：除了分布處理，MPP和機群系統(tǒng)外，并行處理計算機按其基本結(jié)構(gòu)特征可分為流水線計算機，陣列處理機，多處理機和數(shù)據(jù)流計算機四種不同的結(jié)構(gòu)。既要考慮滿足應(yīng)用的各種需要和發(fā)展，又要考慮能方便地采用從低速到高速的各種組成的實現(xiàn)技術(shù)，即使用復(fù)雜、昂貴的組成實現(xiàn)時，也還能充分發(fā)揮該實現(xiàn)方法所帶來的好處。就要在相當長的時期里保證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)基本不變，因此在確定系列結(jié)構(gòu)時要非常慎重。 不可以考慮的有：2,5,8。 （8）把原0號通用寄存器改作堆棧指示器。 （6）將CPU與主存間的數(shù)據(jù)通路寬度由16位擴展成32位，以加快主機內(nèi)部信息的傳送。 （4）為解決計算誤差較大，將機器中浮點數(shù)的下溢處理方法由原來的恒置“1”法，改為用ROM存取下溢處理結(jié)果的查表舍入法。 （2）為增強中斷處理功能，將中斷分級由原來的4級增加到5級，并重新調(diào)整中斷響應(yīng)的優(yōu)先次序?！皥?zhí)行”指令則對系統(tǒng)程序員和應(yīng)用程序員都是不透明的。 note:系列機各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度、Cache存貯器、指令緩沖寄存器屬于計算機組成，對系統(tǒng)和程序員和應(yīng)用程序員都是透明的。 ？哪些對應(yīng)用程序員是透明的？ 系列機各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度；虛擬存儲器；Cache存儲器；程序狀態(tài)字；“啟動I/O”指令；“執(zhí)行”指令；指令緩沖寄存器。 （匯編）語言程序員看，以下哪些是透明的？ 指令地址寄存器；指令緩沖器；時標發(fā)生器；條件寄存器；乘法器；主存地址寄存器；磁盤外設(shè)；先行進位鏈；移位器；通用寄存器；中斷字寄存器。透明的有：存儲器的模m交叉存?。粩?shù)據(jù)總線寬度；陣列運算部件；通道是采用結(jié)合型還是獨立型；PDP11系列的單總線結(jié)構(gòu)串行、重疊還是流水控制方式；Cache存儲器。 ？對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，下列哪些是透明的？哪些是不透明的？ 存儲器的模m交叉存取；浮點數(shù)據(jù)表示；I/O系統(tǒng)是采用通道方式還是外圍處理機方式；數(shù)據(jù)總線寬度；字符行運算指令；陣列運算部件；通道是采用結(jié)合型還是獨立型；PDP11系列的單總線結(jié)構(gòu)；訪問方式保護；程序性中斷；串行、重疊還是流水控制方式；堆棧指令；存儲器最小編址單位；Cache存儲器。軟件的硬化和硬件的軟件都反映了這一事實。前者要求高性能的器件，后者可能造成組成設(shè)計復(fù)雜化和更多地采用專用芯片。然而，它可與實現(xiàn)折衷權(quán)衡。綜上所述，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計必須結(jié)合應(yīng)用考慮，為軟件和算法的實現(xiàn)提供更多更好的支持，同時要考慮可能采用和準備采用的組成技術(shù)。 通過改變控制存儲器中的微程序，就可改變系統(tǒng)的機器指令，改變結(jié)構(gòu)。但對面向寄存器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)還要求寄存器能同時被訪問，而對面向主存的三地址尋址方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)并無此要求，倒是要求能同時形成多個訪存操作數(shù)地址和能同時訪存。如為實現(xiàn)A:=B+CD:=E*F,可采用面向寄存器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也可采用面向主存的三地址尋址方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如主存器件可用雙極型的，也可用MOS型的；可用VLSI單片，也可用多片小規(guī)模集成電路組搭。其中，中央處理機都有相同的機器指令和匯編指令系統(tǒng)，只是指令的分析、執(zhí)行在低檔機上采用順序進行，在高檔機上采用重疊、流水或其它并行處理方式。如IBM370系列有11121315168等由低檔到高檔的多種型號機器。 答：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成、計算機實現(xiàn)互不相同，但又相互影響。在DOS操作系統(tǒng)時代，漢字系統(tǒng)是一個重要問題，早期的漢字系統(tǒng)的字庫和處理程序都固化在漢卡（硬件）上，而隨著CPU、硬盤、內(nèi)存技術(shù)的不斷發(fā)展，UCDOS把漢字系統(tǒng)的所有組成部份做成一個軟件。 答：軟件和硬件在邏輯功能上是等效的，原理上，軟件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用軟件模擬完成。而現(xiàn)在第i級有N條指令解釋第i+1級的一條指令，那么，我們就可以用N/M來表示N/M 表示第i+1級需(N/M)條指令來完成第i級的計算量。第4級上等效程序需運行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks。第2級上等效程序需運行：(N/M)*Ks。，每級的指令互不相同，每一級的指令都比其下一級的指令在效能上強M倍，即第i級的一條指令能完成第i1級的M條指令的計算量。 exercises: ，可以按功能劃分成4級，每一級為了執(zhí)行一條指令，需要下一級的N條指令來解釋。MIMD:多個獨立的處理機分別執(zhí)行各自的指令、任務(wù)、作業(yè)，實現(xiàn)指令、任務(wù)、作業(yè)并行的多機系統(tǒng)，是多個SISD的集合，也稱多倍SISD系統(tǒng)(MSISD)。 SIMD:一個指令部件同時控制多個處理單元，實現(xiàn)一條指令對多個數(shù)據(jù)的操作。例子有傳統(tǒng)的單處理機 例子有多處理機，計算機網(wǎng)絡(luò)，分布處理系統(tǒng)。例子有陣列處理機，相聯(lián)處理機。例子有流水線處理機。并行性的開發(fā)途徑有時間重疊(Time Interleaving)，資源重復(fù)(Resource Replication)，資源共享(Resource Sharing)。 指令、任務(wù)、作業(yè)并行是指多個獨立的處理機分別執(zhí)行各自的指令、任務(wù)、作業(yè)。 擅長對向量、數(shù)組進行處理。例子有流水線處理機。例子有并行存儲器系統(tǒng)，以相聯(lián)存儲器為核心構(gòu)成的相聯(lián)處理機。從加工信息的角度看，并行級別有存儲器操作并行，處理器操作步驟并行，處理器操作并行，指令、任務(wù)、作業(yè)并行。 位片串字并的例子有：相聯(lián)處理機STARAN，MPP。從處理數(shù)據(jù)的角度看，并行級別有位串字串，位并字串，位片串字并，全并行。第一章　計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念 位串字串和位并字串基本上構(gòu)成了SIMD。全并行的例子有：陣列處理機ILLIAC IV。 存儲器操作并行是指可以在一個存儲周期內(nèi)并行讀出多個CPU字的，采用單體多字、多體單字或多體多字的交叉訪問主存系統(tǒng)，進而采用按內(nèi)容訪問方式，位片串字并或全并行方式，在一個主存周期內(nèi)實現(xiàn)對存儲器中大量字的高速并行操作。 處理器操作步驟并行是指在并行性概念中引入時間因素，讓多個處理過程在時間上錯開，輪流重復(fù)地執(zhí)行使用同一套設(shè)備的各個部分，加快硬件周轉(zhuǎn)來贏得速度。 處理器操作并行是指一個指令部件同時控制多個處理單元，實現(xiàn)一條指令對多個數(shù)據(jù)的操作。例子有陣列處理機。例子有多處理機，計算機網(wǎng)絡(luò)，分布處理系統(tǒng)。 時間重疊是指在并行性概念中引入時間因素，讓多個處理過程在時間上錯開，輪流重復(fù)地執(zhí)行使用同一套設(shè)備的各個部分，加快硬件周轉(zhuǎn)來贏得速度。 資源重復(fù)是指一個指令部件同時控制多個處理單元，實現(xiàn)一條指令對多個數(shù)據(jù)的操作。 資源共享是指用軟件方法讓多個用戶按一定時間順序輪流使用同一套資源以提高資源的利用率，從而提高系統(tǒng)性能。 SISD:一個指令部件控制一個操作部件，實現(xiàn)一條指令對一個數(shù)據(jù)的操作。例子有陣列處理機，相聯(lián)處理機。例子有多處理機，計算機網(wǎng)絡(luò)，分布處理系統(tǒng)。如果執(zhí)行第1級的一條指令要Kns時間，那么執(zhí)行第第3和第4級的一條指令各需要用多少時間？ 解答：執(zhí)行第第3和第4級的一條指令各需要KNns、KN^2ns、KN^3ns的時間?，F(xiàn)若需第i級的N條指令解釋第i+1級的一條指令，而有一段第1級的程序需要運行Ks，問在第3和4級上一段等效程序各需要運行多長時間？ 答： 第3級上等效程序需運行：(N/M)*(N/M)*Ks。 note: 由題意可知：第i級的一條指令能完成第i1級的M條指令的計算量。所以，當有一段第1級的程序需要運行Ks時，在第2級就需要(N/M)Ks，以此類推 ？在什么意義上又是不等效的？試舉例說明。但是實現(xiàn)的性能價格比，實現(xiàn)的難易程序不同。 、計算機組成與計算機實現(xiàn)之間的相互關(guān)系與影響。 （1）計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，但可采用不同的組成。從匯編語言、機器語言程序設(shè)計者看到的概念性結(jié)構(gòu)相同，均是由中央處理機/主存，通道、設(shè)備控制器，外設(shè)4級構(gòu)成。 （2）相同的組成可有多種不同的實現(xiàn)。 （3）計算機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，會使采用的組成技術(shù)不同，反之組成也會影響結(jié)構(gòu)。要提高運行速度，可讓相加與相乘并行，為此這兩種結(jié)構(gòu)在組成上都要求設(shè)置獨立的加法器和乘法器。又如微程序控制是組成影響結(jié)構(gòu)的典型。如果沒有組成技術(shù)的進步，結(jié)構(gòu)的進展是不可能的。應(yīng)避免過多地或不合理地限制各種組成、實現(xiàn)技術(shù)的采用和發(fā)展，盡量做到既能方便地在低檔機上用簡單便宜的組成實現(xiàn)，又能在高檔機上用復(fù)雜較貴的組成實現(xiàn)，這樣，結(jié)構(gòu)才有生命力；組成設(shè)計上面決定于結(jié)構(gòu)，下面受限于實現(xiàn)技術(shù)。例如，為達到速度要求，可用簡單的組成但卻是復(fù)雜的實現(xiàn)技術(shù)，也可用復(fù)雜的組成但卻是一般速度的實現(xiàn)技術(shù)。 組成和實現(xiàn)的權(quán)衡取決于性能價格比等因素；結(jié)構(gòu)、組成和實現(xiàn)所包含的具體內(nèi)容隨不同時期及不同的計算機系統(tǒng)會有差異。VLSI的發(fā)展更使結(jié)構(gòu)組成和實現(xiàn)融為一體，難以分開。 答：透明指的是客觀存在的事物或?qū)傩詮哪硞€角度看不到。 不透明的有：浮點數(shù)據(jù)表示；I/O系統(tǒng)是采用通道方式還是外圍處理機方式；字符行運算指令；訪問方式保護；程序性中斷；；堆棧指令；存儲器最小編址單位。 答：透明的有：指令緩沖器、時標發(fā)生器、乘法器、先進先出鏈、移位器、主存地址寄存器。 答：對系統(tǒng)程序員透明的有：系列機各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度；Cache存儲器；指令緩沖寄存器； 對應(yīng)用程序員透明的有：系列機各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度；Cache存儲器；指令緩沖寄存器；虛擬存儲器；程序狀態(tài)字；“啟動I/O”指令。 虛擬存貯器、程序狀態(tài)字、“啟動I/O”指令，對系統(tǒng)程序員是不透明的，而對應(yīng)用程序員卻是透明的。 ，你認為下列哪些設(shè)想是可以考慮的，哪些則不行的？為什么？ 新增加字符數(shù)據(jù)類型和若干條字符處理指令，以支持事務(wù)處理程序的編譯。 （3）在CPU和主存之間增設(shè)Cache存儲器，以克服因主存訪問速率過低而造成的系統(tǒng)性能瓶頸。 （5）為增加尋址靈活性和減少平均指令字長，將原等長操作碼指令改為有3類不同碼長的擴展操作碼；將源操作數(shù)尋址方式由操作碼指明改成如VAX11那種設(shè)尋址方式位字段指明。 （7）為減少公用總路線的使用沖突，將單總線改為雙總線。 答：可以考慮的有：1,3,4,6,7。 原則是看改進后能否保持軟件的可移植性。其中最主要是確定好系列機的指令系統(tǒng)、數(shù)據(jù)表示及概念性結(jié)構(gòu)。 、MPP和機群系統(tǒng)外，有哪4種基本結(jié)構(gòu)？列舉它們各自要解決的主要問題。 流水線計算機主要通過時間重疊，讓多個部件在時間上交劃重疊地并行招待運算和處理，以實現(xiàn)時間上的并行。 陣列處理機主要通過資源重復(fù)實現(xiàn)空間上的并行。 多處理機主要通過資源共享，讓一組計算機在統(tǒng)一的操作系統(tǒng)全盤控制下，實現(xiàn)軟件和硬件各級上的相互作用，達到時間和空間上的異 步并行。 數(shù)據(jù)流計算機設(shè)有共享變量的概念，指令執(zhí)行順序只受指令中數(shù)據(jù)的相關(guān)性制約。它主要應(yīng)解決：研究合適的硬件組織和結(jié)構(gòu)，高效執(zhí)行的數(shù)據(jù)流語言等問題。和尾數(shù)的二進制數(shù)位m的關(guān)系 存在m39。 假設(shè)rm=8，尾數(shù)為20，則m39。2=5/log2(8)。 rm^m39。 m39。種編碼。顯然，非規(guī)格化數(shù)的個數(shù)占了全部尾數(shù)編碼總數(shù)的1/rm的比例，所以可表示的浮點數(shù)規(guī)格化的尾數(shù)個數(shù)應(yīng)該是：rm^m39。 exercises: ，有8個通用數(shù)據(jù)寄存器和2個變址寄存器。（4分） （2） 設(shè)計8位長度的寄存器－寄存器型指令3種，16位長度的寄存器－存儲器變址尋址方式指令4條，變址范圍不小于正、負127。（6分） 解答： 全Huffman編碼的平均碼長=2*(++)+3*+4*+5*(+)= 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)反映各種數(shù)據(jù)元素或信息單元之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。不同的數(shù)據(jù)表示可為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)提供不同的支持，表現(xiàn)在實現(xiàn)效率和方便性不同。 除基本數(shù)據(jù)表示不可少外，高級數(shù)據(jù)表示的引入遵循以下原則： （1）看系統(tǒng)的效率有