2022年2022年计算机系统结构第二章 2.pdf

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1、1.数据类型、数据表示和数据结构之间是什么关系在设计一个计算机系统时，确定数据表示的原则主要有哪几个答：略2.假设有 A 和 B 两种不同类型的处理机，A 处理机中的数据不带标志位，其指令字长和数据字长均为32 位。B处理机的数据带有标志位，每个数据的字长增加至 36 位，其中有 4 位是标志符，它的指令条数由最多256 条减少至不到 64 条。如果每执行一条指令平均要访问两个操作数，每个存放在存储器中的操作数平均要被访问8 次。对于一个由 1000 条指令组成的程序，分别计算这个程序在A 处理机和 B 处理机中所占用的存储空间大小（包括指令和数据），从中得到什么启发答：我们可以计算出数据的总

2、数量：程序有 1000 条指令组成，且每条指令平均要访问两个操作数程序访问的数据总数为：100022000 个每个数据平均访问8 次程序访问的不同数据个数为：20008250对于 A 处理机，所用的存储空间的大小为：bit4000032250321000MemMemMemdataninstructioA对于 B处理机，指令字长由32 位变为了 30 位（条数由 256 减少到 64），这样，所用的存储空间的大小为：bit3900036250301000MemMemMemdataninstructioB由此我们可以看出，由于数据的平均访问次数要大于指令，所以，采用带标志符的数据表示不会增加总的存

3、储空间大小。3.对于一个字长为64 位的存储器，访问这个存储器的地址按字节编址。假设存放在这个存储器中的数据中有20是独立的字节数据（指与这个字节数据相邻的不是一个字节数据），有 30是独立的 16 位数据，有 20是独立名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 7 页 -的 32 位数据，另外 30是独立的 64 位数据；并且规定只能从一个存储字的起始位置开始存放数据。计算这种存储器的存储空间利用率。给出提高存储空间利用率的方法，画出新方法的逻辑框图，并计算这种方法的存储空间利用率。答：由于全是独立数据，有20%浪费 56 位（7/8）；30%浪费 48 位（6/8）；2

4、0%浪费 32 位（4/8）；30%浪费 0 位（0/8）。总共浪费：7/86/84/80/8即：存储器的存储空间利用率为50%，浪费率为 50%。方案为：数据从地址整数倍位置开始存储，即，双字地址000 结尾，单字地址00 结尾，半字地址 0 结尾，字节地址结尾任意。可能出现的各种情况如下：组合存储空间分配利用率1-2-1-2 字节半字字节半字*3/8*2/7*3/8*6B/8B1-2-1-4字节半字字节*3/8*2/7*2/8*4B/8B单字1-2-1-8字节半字字节*3/8*2/7*3/8*4B/8B双字1-2-4字节半字单字*3/8*2/7*7B/8B1-2-8字节半字*3/8*3/7

5、*3B/8B双字1-4字节单字*2/8*5B/8B1-8字节*3/8*1B/8B双字2-1-2-1半字字节半字字节*2/7*3/8*2/7*6B/8B2-1-2-4半字字节半字*2/7*3/8*2/7*5B/8B单字2-1-2-8半字字节半字*2/7*3/8*3/7*5B/8B双字2-1-4半字字节单字*2/7*2/8*7B/8B2-1-8半字字节*2/7*3/8*3B/8B双字名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 7 页 -2-4半字单字*2/7*6B/8B2-8半字*3/7*2B/8B双字4-1-2单字字节半字*2/8*3/8*7B/8B4-1-4单字字节*2/8*

6、2/8*5B/8B单字4-1-8单字字节*2/8*3/8*5B/8B双字4-2-1单字半字字节*3/8*2/7*7B/8B4-2-4单字半字*3/8*2/7*6B/8B单字4-2-8单字半字*3/8*3/7*6B/8B双字4-8单字*3/8*4B/8B双字8双字*8B/8B合计4.一个处理机共有10 条指令，各指令在程序中出现的概率如下表：(1)采用最优 Huffman 编码法（信息熵）计算这10 条指令的操作码最短平均长度。(2)采用 Huffman 编码法编写这 10 条指令的操作码，并计算操作码的平均长度，计算与最优 Huffman 编码法（信息熵）相比的操作码信息冗余量。将得到的操作码

7、编码和计算的结果填入上面的表中。(3)采用 2/8 扩展编码法编写这10 条指令的操作码，并计算操作码的平均长度，计算与最优 Huffman 编码法相比的操作码信息冗余量。把得到的操作码编名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 7 页 -码和计算的结果填入上面的表中。(4)采用 3/7 扩展编码法编写这10 条指令的操作码，并计算操作码的平均长度，计算与最优 Huffman 编码法相比的操作码信息冗余量。把得到的操作码编码和计算的结果填入上面的表中。答：采用最优 Huffman 编码法（信息熵）的操作码最短平均长度为：957.2logpHn1ip2ii指令序号出现的概率H

8、uffman 编码法2/8 扩展编码法3/7 扩展编码法I1000000I2100101I3010100010I4110100111000I50110101011001I61110101111010I71111110011011I801110110111100I9011110111011101I10011111111111110操作码的平均长度操作码的信息冗余量%001000000011111111名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 7 页 -5.一台模型机共有7 条指令，各指令的使用频度分别是35、25、20、10、5、3、2，有 8 个通用数据寄存器，2 个变址寄

9、存器。(1)要求操作码的平均长度最短，请设计操作码的编码，并计算所设计操作码的平均长度。(2)设计 8 位字长的寄存器寄存器型指令3 条，16 位字长的寄存器存储器型变址寻址方式指令4 条，变址范围不小于正、负127。请设计指令格式，并给出各字段的长度和操作码的编码。答：要使得到的操作码长度最短，应采用Huffman 编码，Huffman 树构造如下：由此可以得到 7 条指令的编码分别如下：指令号出现的频率编码135%00225%01320%10410%11055%111063%1111072%11111010000011111名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 7

10、页 -这样，Huffman 编码法得到的操作码的平均长度为：l=2+3 +4 +5 +=+=设计 8 位字长的寄存器-寄存器型指令如下：因为只有 8 个通用寄存器，所以寄存器地址需3 位，操作码只有两位，设计格式如下：2 3 3操作码 OP源寄存器 R1目的寄存器 R2三条指令的操作码分别为00、01、10。设计 16 位字长的寄存器-存储器型变址寻址方式指令如下：4 3 1 8操作码 OP通用寄存器变址寄存器偏移地址四条指令的操作码分别为1100、1101、1110、1111。6.某处理机的指令字长为16 位，有双地址指令、单地址指令和零地址指令三类，并假设每个地址字段的长度均为6 位。(1

11、)如果双地址指令有15 条，单地址指令和零地址指令的条数基本相同，问单地址指令和零地址指令各有多少条并且为这三类指令分配操作码。(2)如果要求三类指令的比例大致为1：9：9，问双地址指令、单地址指令和零地址指令各有多少条并且为这三类指令分配操作码。答：双地址指令格式为：4 6 6操作码地址码 1地址码 2单地址指令格式为：10 6操作码地址码名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 7 页 -零地址指令格式为：16操作码双地址指令 15 条，需要 4 位操作码来区分；单地址指令可以使用10-4=6位操作码来区分；零地址指令可以使用16-10=6位操作码来区分。这样，各类型指

12、令的条数为：双地址指令 15 条，操作码为：00001110；单地址指令 26-1=63条，操作码为：1111 0000001111 111110零地址指令 26=64条，操作码为：1111 111111 0000001111 111111 111111假设双地址指令 x 条，则单地址、零地址分别为9x 条：x92x92)x2(664解之即得：x=14双地址指令 14 条，操作码为：00001101；留出两个编码用于扩展。单地址指令(26-1)2=126条，操作码为：1110 0000001110 111110，1111 0000001111 111110零地址指令 126 条，操作码为：1110 111111 0000001110 111111 111110，1111 111111 0000001111 111111 111110名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 7 页 -