計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第二章(習(xí)題解答)

1. 數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)表示和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間是什么關(guān)系在設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，確定數(shù)據(jù)表示的原則主要有哪幾個(gè)答：略2. 假設(shè)有A和B兩種不同類型的處理機(jī)，A處理機(jī)中的數(shù)據(jù)不帶標(biāo)志位，其指令字長和數(shù)據(jù)字長均為32位。B處理機(jī)的數(shù)據(jù)帶有標(biāo)志位，每個(gè)數(shù)據(jù)的字長增加至36位，其中有4位是標(biāo)志符，它的指令條數(shù)由最多256條減少至不到64條。如果每執(zhí)行一條指令平均要訪問兩個(gè)操作數(shù)，每個(gè)存放在存儲(chǔ)器中的操作數(shù)平均要被訪問8次。對(duì)于一個(gè)由1000條指令組成的程序，分別計(jì)算這個(gè)程序在A處理機(jī)和B處理機(jī)中所占用的存儲(chǔ)空間大小（包括指令和數(shù)據(jù)），從中得到什么啟發(fā)答：我們可以計(jì)算出數(shù)據(jù)的總數(shù)量：程序有1000條指令組成，且每條指令平均要訪問兩個(gè)操作數(shù).程序訪問的數(shù)據(jù)總數(shù)為：1000X2=2000個(gè)V每個(gè)數(shù)據(jù)平均訪問8次.程序訪問的不同數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為：2000+8=250對(duì)于A處理機(jī)，所用的存儲(chǔ)空間的大小為：MemAMeminstructionMemdata1000322503240000bit對(duì)于B處理機(jī)，指令字長由32位變?yōu)榱?0位（條數(shù)由256減少到64），這樣，所用的存儲(chǔ)空間的大小為：MemBMeminstructionMemdata1000302503639000bit由此我們可以看出，由于數(shù)據(jù)的平均訪問次數(shù)要大于指令，所以，采用帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)表示不會(huì)增加總的存儲(chǔ)空間大小。3. 對(duì)于一個(gè)字長為64位的存儲(chǔ)器，訪問這個(gè)存儲(chǔ)器的地址按字節(jié)編址。假設(shè)存放在這個(gè)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)中有20是獨(dú)立的字節(jié)數(shù)據(jù)（指與這個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)相鄰的不是一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)），有30是獨(dú)立的16位數(shù)據(jù)，有20是獨(dú)立的32位數(shù)據(jù)，另外30%是獨(dú)立的64位數(shù)據(jù)；并且規(guī)定只能從一個(gè)存儲(chǔ)字的起始位置開始存放數(shù)據(jù)。計(jì)算這種存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間利用率。給出提高存儲(chǔ)空間利用率的方法，畫出新方法的邏輯框圖，并計(jì)算這種方法的存儲(chǔ)空間利用率。答：由于全是獨(dú)立數(shù)據(jù)，有20%良費(fèi)56位（08）;30%良費(fèi)48位（6/8）;20%良費(fèi)32位（4/8）;30%良費(fèi)0位（0/8）。總共浪費(fèi)：x08+x6/3+X4/8+x0/8=即：存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)空間利用率為50%,浪費(fèi)率為50%。方案為：數(shù)據(jù)從地址整數(shù)倍位置開始存儲(chǔ)，即，雙字地址000結(jié)尾，單字地址00結(jié)尾，半字地址0結(jié)尾，字節(jié)地址結(jié)尾任意可能出現(xiàn)的各種情況如下：組合存儲(chǔ)空間分配利用率1-2-1-2半字半字*3/8*2/7*3/8*6B/8B1-2-1-4半字*3/8*2/7*2/8*4B/8B單字1-2-1-8半字*3/8*2/7*3/8*4B/8B雙字1-2-4半字單字*3/8*2/7*7B/8B1-2-8半字*3/8*3/7*3B/8B雙字1-4單字*2/8*5B/8B1-8*3/8*1B/8B雙字2-1-2-1半字半字*2/7*3/8*2/7*6B/8B2-1-2-4半字半字*2/7*3/8*2/7*5B/8B單字2-1-2-8半字半字*2/7*3/8*3/7*5B/8B雙字2-1-4半字單字*2/7*2/8*7B/8B2-1-8半字*2/7*3/8*3B/8B雙字2-4半字單字*2/7*6B/8B2-8半字*3/7*2B/8B雙字4-1-2單字半字*2/8*3/8*7B/8B4-1-4單字*2/8*2/8*5B/8B單字4-1-8單字*2/8*3/8*5B/8B雙字4-2-1單字半字*3/8*2/7*7B/8B4-2-4單字半字*3/8*2/7*6B/8B單字4-2-8單字半字*3/8*3/7*6B/8B雙字4-8單字*3/8*4B/8B雙字8雙字*8B/8B合計(jì)4. 一個(gè)處理機(jī)共有10條指令，各指令在程序中出現(xiàn)的概率如下表:指令序號(hào)出現(xiàn)的概率HufEman-2$擴(kuò)展端陽法3"擴(kuò)展編碼法0.25h0.20h0.15h0.10400840.08b0.0540.04&0.035Q.02掾作碼的平均長度操作碼的信息冗余量(1)采用最優(yōu)Hufman編碼法(信息嫡)計(jì)算這10條指令的操作碼最短平均長度。(2)采用Huffman編碼法編寫這10條指令的操作碼，并計(jì)算操作碼的平均長度,計(jì)算與最優(yōu)Huffman編碼法(信息嫡)相比的操作碼信息冗余量。將得到的操作碼編碼和計(jì)算的結(jié)果填入上面的表中。(3)采用Z8擴(kuò)展編碼法編寫這10條指令的操作碼，并計(jì)算操作碼的平均長度,計(jì)算與最優(yōu)Huffman編碼法相比的操作碼信息冗余量。把得到的操作碼編碼和計(jì)算的結(jié)果填入上面的表中(4)采用37擴(kuò)展編碼法編寫這10條指令的操作碼，并計(jì)算操作碼的平均長度,計(jì)算與最優(yōu)Huffman編碼法相比的操作碼信息冗余量。把得到的操作碼編碼和計(jì)算的結(jié)果填入上面的表中。答：采用最優(yōu)Huffman編碼法(信息嫡)的操作碼最短平均長度為：nHPi10gpi2.957i1指令序號(hào)出現(xiàn)的概率Huffman編碼法218擴(kuò)展編碼法37擴(kuò)展編碼法1Ii000000I2100101I3010100010r以1110100111000I50110101011001I61110101111010I71111110011011I801110110111100I9011110111011101I10011111111111110操作碼的平均長度操作碼的信息冗余量%5. 一臺(tái)模型機(jī)共有7條指令，各指令的使用頻度分別是35%、25%、20%、10%、5%、3%、2%,有8個(gè)通用數(shù)據(jù)寄存器，2個(gè)變址寄存器。(1)要求操作碼的平均長度最短，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)操作碼的編碼，并計(jì)算所設(shè)計(jì)操作碼的平均長度。(2)設(shè)計(jì)8位字長的寄存器-寄存器型指令3條，16位字長的寄存器-存儲(chǔ)器型變址尋址方式指令4條，變址范圍不小于正、負(fù)127。請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)指令格式,并給出各字段的長度和操作碼的編碼。答：要使得到的操作碼長度最短，應(yīng)采用Hufman編碼，Hufman樹構(gòu)造如下:由此可以得到7條指令的編碼分別如下:指令號(hào)出現(xiàn)的頻率編碼135%001225%01320%10410%11055%1110163%1111072%11111這樣，Huffman編碼法得到的操作碼的平均長度為:l=2X+3X+4義+5X+=+=設(shè)計(jì)8位字長的寄存器-寄存器型指令如下：因?yàn)橹挥?個(gè)通用寄存器，所以寄存器地址需3位，操作碼只有兩位，設(shè)計(jì)格式如下：233操作碼OP源寄存器R1目的寄存器R2三條指令的操作碼分別為00、01、10。設(shè)計(jì)16位字長的寄存器-存儲(chǔ)器型變址尋址方式指令如下：4318操作碼OP通用寄存器變址寄存器偏移地址四條指令的操作碼分別為1100、1101、1110、11116. 某處理機(jī)的指令字長為16位，有雙地址指令、單地址指令和零地址指令三類，并假設(shè)每個(gè)地址字段的長度均為6位。(1)如果雙地址指令有15條，單地址指令和零地址指令的條數(shù)基本相同，問單地址指令和零地址指令各有多少條并且為這三類指令分配操作碼。(2)如果要求三類指令的比例大致為1:9:9,問雙地址指令、單地址指令和零地址指令各有多少條并且為這三類指令分配操作碼。雙地址指令格式為:466操作碼地址碼1地址碼2單地址指令格式為:操作碼地址碼106零地址指令格式為:16操作碼雙地址指令15條，需要4位操作碼來區(qū)分；單地址指令可以使用10-4=6位操作碼來區(qū)分；零地址指令可以使用16-10=6位操作碼來區(qū)分。這樣，各類型指令的條數(shù)為：雙地址指令15條，操作碼為：00001110;單地址指令26-1=63條，操作碼為：11110000001111111110零地址指令26=64條，操作碼為：11111111110000001111111111111111假設(shè)雙地址指令x條，則單地址、零地址分別為9x條：(24x)269x269x解之即得：x=14雙地址指令14條，操作碼為：00001101;留出兩個(gè)編碼用于擴(kuò)展。單地址指令(26-1)X2=126條，操作碼為：11100000001110111110,11110000001111111110零地址指令126條，操作碼為：11101111110000001110111111111110,11111111110000001111111111111110