计算机体系课后答案

第二章7.（1）浮点数系统使用的阶基rp=2,阶值位数p=2,尾数基值rm=10，以rm为基的尾数位数m''=1,按照使用的倍数来说，等价于m=4,试计算在非负阶、正尾数、规格化情况下的最小尾数值、最大尾数值、最大阶值、可表示的最小值和最大值及可表示数的个数。（2）对于rp=2,p=2,rm=4,m'=2,重复以上计算。解：依题意列下表：p=2,rm=10,m'=1p=2,rm=4,m'=2最小尾数值10^-1=0.14^-1=0.25最大尾数值1-10^-1=0.91-4^-2=15/16最大阶值2p^-1=33可表示的最小值0.10.25可表示的最大值10^3*0.9=9004^3*15/16=60可表示数的个数3648题中“按照使用的倍数来说，等价于m=4,”这个m=4,因为2^3102^4,等价为实际要4个二进制位，表示RM=10为基的一位12.经统计，某机器14条指令的使用频度分别为：0.01,0.15,0.12,0.03,0.02,0.04,0.02,0.04,0.01,0.13,0.15,0.14,0.11,0.03。分别求出用等长码、Huffman码、只有两种码长的扩展操作码3种编码方式的操作码平均码长。解：等长操作码的平均码长=4位;Huffman编码的平均码长=3.38位;只有两种码长的扩展操作码的平均码长=3.4位。14.若某机要求：三地址指令4条，单地址指令255条，零地址指令16条。设指令字长为12位．每个地址码长为3位。问能否以扩展操作码为其编码?如果其中单地址指令为254条呢?说明其理由。答：①不能用扩展码为其编码。∵指令字长12位，每个地址码占3位；∴三地址指令最多是2^(12-3-3-3)=8条，现三地址指令需4条,∴可有4条编码作为扩展码，∴单地址指令最多为4×2^3×2^3=2^8=256条，现要求单地址指令255条，∴可有一条编码作扩展码∴零地址指令最多为1×2^3＝8条不满足题目要求∴不可能以扩展码为其编码。②若单地址指令254条，可以用扩展码为其编码。∵依据①中推导，单地址指令中可用2条编码作为扩展码∴零地址指令为2×2^3＝16条，满足题目要求note:三地址指令格式：操作码地址码地址码地址码3位3位3位3位单地址指令格式：操作码地址码9位3位所以前面9位由于三地址指令用了最前面3位，还有中间6位可作为编码（也就是总共可以有9位作为单地址指令的指令操作码的编码）。减去3地址指令的4条，有4*2^6=256条，但由于韪目要求要有255条，所以剩下一个编码，已经用了9位的全部编码，最后零地址指令（全部12位都可作为操作码的编码）还有1*2^3=8(这是12位编码中最后三位的）若只要求254种，则可以有（256-254）*2^3=16条15.某机指令字长16位。设有单地址指令和双地址指令两类。若每个地址字段为6位.且双地址指令有X条。问单地址指令最多可以有多少条?答：单地址指令最多为(16-X)×2^6P.S.双地址指令最多是2^(16-6-6)=2^4=16条，现双地址指令有X条,∴可有(16-X)条编码作为扩展码，∴单地址指令最多为(16-X)×2^6=256条第三章4.设中断级屏蔽位“1”对应于开放，“0”对应于屏蔽，各级中断处理程序的中断级屏蔽位设置如下：中断处理程序级别中断级屏蔽位1级2级3级4级第1级0000第2级1010第3级1000第4级1010(1)当中断响应优先次序为1→2→3→4时，其中断处理次序是什么?(2)如果所有的中断处理都各需3个单位时间，中断响应和中断返回时间相对中断处理时间少得多。当机器正在运行用户程序时，同时发生第2，3级中断请求，过两个单位时间，又同时发生第1，4级中断请求，试画出程序运行过程示意图。答：(1)当中断响应优先次序为1→2→3→4时，其中断处理次序为1→3→4→2。(2)5.若机器共有5级中断,中断响应优先次序为1→2→3→4→5,现要求其实际的中断处理次求序1→4→5→2→3。(1)设计各级中断处理程序的中断级屏蔽位(令“1”对应于开放，“0”对应于屏蔽);(2)若在运行用户程序时，同时出现第4，2级中断请求，而在处理第2级中断未完成时，又同时出现第1，3，5级中断请求，请画出此程序运行过程示意图。答：(1)中断级屏蔽位设置如下图：中断处理程序级别中断级屏蔽位1级2级3级4级5级第1级11111第2级01100第3级00100第4级01111第5级01101(2)中断过程示意图：如图2、4中断同时出现，进行排队器。首先响应第2级中断请求，屏蔽字为01100，表明其对第4级中断请求开放，所以转去响应第4级中断请求并进行处理。响应4，中断4运行结束，回2。1、3、5进入排队器。第2级中断请求的处理请求被中断，转去响应第1级中断请求并进行处理。响应第5级中断请求并进行处理。继续响应并处理第2级中断处理请求，结束后返回用户程序。最后处理第3级中断请求。10.通道型I/O系统由一个字节多路通道A(其中包括两个子通道Al和A2)，两个数组多路通道B1和B2及一个选择通道C构成，各通道所接设备和设备的数据传送速率如表所示。(1)分别求出各通道应具有多大设计流量才不会丢失信息；(2)设I/O系统流量占主存流量的1/2时才算流量平衡，则主存流量应达到多少?通道号所接设备的数据传送速率(KB/s)字节多路通道子通道A15035202050352020子通道A25035202050352020数组多路通道B1500400350250数组多路通道B2500400350250选择通道C500400350250解：(1)要不丢失信息，各通道需要达到的流量：字节多路通道子通道A1:0.25KB/S;字节多路通道子通道A2:0.25KB/S;数组多路通道B1:500KB/s;数组多路通道B2:500KB/s;选择通道C:500KB/s。(2)主存流量应达到4MB/S。剖析:(1)设备要求字节多路通道或其子通道的实际最大流量，是该通道所接各设备的字节传送速率之和;设备要求数组多路通道或选择通道的实际最大流量，是该通道所接各设备的字节传送速率中的最大者。(2)I/O系统中，各种通道和子通道可以并行工作，因此，I/O系统的最大流量应等于各通道最大流量之和。第4章4.某虚拟存储器共8个页面，每页1024个字，实际主存为4096个字，采用页表法进行地址映象。映象表的内容如下表所示。虚页号01234567实页号31232100装入位11001010注：我把虚页号加上了。(1)列出会发生页面失效的全部虚页号；(2)按以下虚地址计算主存实地址：0，3728，1023，1024，2055，7800，4096，6800。解:(1)会发生页面失效的全部虚页号为：2,3,5,7。(2)虚地址虚页号页内位移装入位实页号页内位移实地址0001303072327836560页面失效页面失效无102301023131023409510241011010242055270页面失效页面失效无780076320页面失效页面失效无40964012020486800665610656656剖析：(1)根据页表法列出表2，当装入位为0时，即为页面失效，再找出相对应的虚页号即可。(2)虚页号=虚地址/页面大小页内位移量=虚地址－虚页号*页面大小实地址＝实页号*页面大小＋页内位移量由于可以用替换算法解决页面失效的问题，所以，发生页面失效的虚页2,3,5,7仍然可以有相应的实地址，但这样要在页表中建立新的虚实地址对应关系，新的虚实地址对应关系和原来的对应关系相同的可能性就很小了。6.设某程序包含5个虚页，其页地址为4，5，3，2，5，1，3，2，2，5，1，3。当使用LRU算法替换时，为获得最高命中率，至少应分配给该程序几个实页？其可能的最高命中率为多少？12.有一个Cache存储器。主存共分8个块(0~7),Cache为4个块(0~3),采用组相联映象，组内块数为2块，替换算法为近期最少使用算法(LRU)。(1)画出主存、Cache地址的各字段对应关系(标出位数)图;(2)画出主存、Cache空间块的映象对应关系示意图;(3)对于如下主存块地址流：1,2,4,1,3,7,0,1,2,5,4,6,4,7,2,如主存中内容一开始未装入Cache中，请列出Cache中各块随时间的使用状况;(4)对于(3),指出块失效又发生块争用的时刻;(5)对于(3),求出此期间Cache的命中率。解答：(1)主存地址、Cache地址的各字段的位数及其对应关系如下图所示(2)主存块、Cache块的映象对应关系如下图所示(3)Cache中各块随时间的使用状况如下图所示。图中标*号的是候选替换块的块号，H：命中;R：替换;L：失效。(4)发生块失效又发生块争用的时刻有6、7、9、10、11、12、14、15。(5)Cache的块命中率Hc=3/15=0.2。剖析：由于主存块、Cache块之间存在上述的映象对应关系，主存的第0、1、4、5块只能映象装入或替换物理Cache的第0、1块;主存的第2、3、6、7块只能映象装入或替换物理Cache的第2、3块。第5章3.假设指令的解释分取指、分析与执行3步，每步的时间相应为t取指、t分析、t执行,(1)分别计算下列几种情况下，执行完100条指令所需时间的一般关系式：a.顺序方式;b.仅“执行k”与“取指k+1”重叠;c.仅“执行k”、“分析k+1”、“取指k+2”重叠;(2)分别在t取指=t分析=2、t执行=1及t取指=t执行=5、t分析=2两种情况下，计算出上述各结果。解：(1)执行完100条指令所需时间：a.100*(t取指+t分析+t执行);b.t取指+100*t分析+99*max(t取指+t执行)+t执行;c.t取指+max(t取指+t分析)+98*max(t取指+t分析+t执行)+max(t分析+t执行)+t执行。(2)在t取指=t分析=2、t执行=1的情况下，执行完100条指令所需时间：a.500b.401c.203在t取指=t执行=5、t分析=2的情况下，执行完100条指令所需时间：a.1200b.705c.5105.流水线有4个功能部件组成，每个功能部件的延迟时间为△t，当输入10个数据后间歇5△t又输入10个数据，如此周期性地工作，求此时流水线的吞吐率，并画出时空图。解：TP=10/14△t=5/7△t时空图：6.有一个浮点乘流水线如图5.35(a)所示，其乘积可直接返回输入端或暂存于相应缓冲寄存器中，画出实现A*B*C*D的时空图以及输入端的变化，并求出该流水线的吞吐率和效率;当流水线改为图5.35(b)形式实现同一计算时，求该流水线的效率及吞吐率。图5.35(a)图5.35(b)解：按图5.35(a)组织的流水线时，TP=3/13△t;η=3/11。实现A*B*C*D的时空图如图0504所示：图0504按图5.35(a)组织的流水线时，TP=3/13△t;η=3/11。实现A*B*C*D的时空图如图0504所示：图0505剖析：为了减少运算过程中的操作数相关，A*B*C*D应改为((A*B)*(C*D))进行运算。8.一个4段的双输入端规格化浮点加法流水线，每段经过时间10ns,输出可直接返回输入或将结果暂存于相应缓冲器中，问最少需经多少时间能求(10)∑(i=1)Ai，并画出时空图。答:时空图如下：求(10)∑(i=1)Ai需要的最知时间是170ns。剖析：为了避免先写后读相关，使流水线性能尽可能高，需将(10)∑(i=1)Ai调整成((((A1+A2)+(A3+A4))+(A9+A10))+((A5+A6)+(A7+A8)))。14.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：t0t1t2t3t4t5t6t7t8s1∨∨s2∨∨s3∨∨∨s4∨∨s5∨∨分别写出延迟禁止表F、冲突向量C;画出流水线状态转移图;求出最小平均延迟及流水线的最大吞吐率及其高度方案。按此流水高度方案输入6个任务，求实际吞吐率。解：根据预约表，延迟禁止表F=