系統結構自學考試通簡答[23](編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 享，讓一組計算機在統一的操作系統全盤控制下，實現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。它主要應解決：處理機間互連等硬件結構，進程間的同上步和通訊，多處理機調度等問題。數據流計算機設有共享變量的概念，指令執行順序只受指令中數據的相關性制約。數據是以表示某一操作數或參數已準備就緒的數據令牌直接在指令之間傳遞。它主要應解決：研究合適的硬件組織和結構，高效執行的數據流語言等問題。？答：計算機系統的3T性能目標是1TFLOPS計算能力，1TBYTE主存容量和1TBYTES的I/O帶寬？確定和引入數據表示的基本原則是什么？ 答：數據表示是能由硬件直接識別和引用的數據類型。數據結構反映各種數據元素或信息單元之間的結構關系。數據結構要通過軟件映象變換成機器所具有的各種數據表示實現，所以數據表示是數據結構的組成元素。不同的數據表示可為數據結構的實現提供不同的支持，表現在實現效率和方便性不同。數據表示和數據結構是軟件、硬件的交界面。除基本數據表示不可少外，高級數據表示的引入遵循以下原則：（1）看系統的效率有否提高，是否養活了實現時間和存儲空間。（2）看引入這種數據表示后，其通用性和利用率是否高。 　？描述符數據表示與向量數據表示對向量數據結構所提供的支持有什么不同？ 　　答：標志符數據表示與描述符數據表示的差別是標志符與每個數據相連，合存于同一存儲單元，描述單個數據的類型特性。描述符是與數據分開存放，用于描述向量、數組的的實現提供了支持，有利于簡化高級語言程序編譯中的代碼生成，可以比變址法更快地形成數據元素的地址。但描述符數據表示并不支持向量、數組數據結構的高效實現。而在有向量、數組數據表示的向量處理機上，硬件上設置有豐富的賂量或陣列運算指令，配有流水或陣列方式處理的高速運算器，不僅能快速形成向量、數組的元素地址，更重要的是便于實現把向量各元素成塊預取到中央處理機，用一條向量、數組指令流水或同時對整個向量、數組高速處理．如讓硬件越界判斷與元素運算并行。這些比起用與向量、陣列無關的機器語言和數據表示串行實現要高效的多。 　　？堆棧型機器系統結構為程序調用的哪些操作提供了支持？ 　　答：通用寄存器型機器對堆棧數據結構實現的支持是較差的。表現在：(1)堆棧操作的指令少，功能單一；(2)堆棧在存儲器內，訪問堆棧速度低；(3)堆棧通常只用于保存于程序調用時的返回地址，少量用堆棧實現程序間的參數傳遞。而堆棧型機器則不同，表現在：(1)有高速寄存器組成的硬件堆棧，并與主存中堆棧區在邏輯上組成整體，使堆棧的訪問速度是寄存器的，容量是主存的；(2)豐富的堆棧指令可對堆棧中的數據進行各種運算和處理；(3)有力地支持高級語言的編譯；(4)有力地支持子程序的嵌套和遞歸調用。堆棧型機器系統結構有力地支持子程序的嵌套和遞歸調用。在程序調用時將返回地址、條件碼、關鍵寄存器的內容等全部壓入堆棧，待子程序返回時，再從堆棧中彈出。 ？設計一種只用6位地址碼就可指向一個大地址空間中任意64個地址之一的尋址機構答：基址尋址是對邏輯地址空間到物理地址空間變換的支持，以利于實現程序的動態再定位。變址尋址是對數組等數據塊運算的支持，以利于循環。將大地址空間64個地址分塊，用基址寄存器指出程序所在塊號，用指令中6位地址碼表示該塊內64 個地址之一，這樣基址和變址相結合可訪問大地址任意64個地址之一。比如地址空間很大，為01023，只用6位地址碼就可以指向這1024個地址中的任意64個。 　　剖析：比如地址空間很大，1024，就是分成16個塊，塊號放在寄存器中，塊內地址放在地址位中，寄存器內容和地址位結合，就能達到要求了。 ，某機器14條指令的使用頻度分別為：,,,,。分別求出用等長碼、Huffman碼、只有兩種碼長的擴展操作碼3種編碼方式的操作碼平均碼長。解：等長操作碼的平均碼長=4位。Huffman編碼的平均碼長=。只有兩種碼長的擴展操作碼的平均碼長=。 ：三地址指令4條，單地址指令255條，零地址指令16條。設指令字長為12位．每個地址碼長為3位。問能否以擴展操作碼為其編碼?如果其中單地址指令為254條呢?說明其理由。答：①不能用擴展碼為其編碼。 ∵指令字長12位，每個地址碼占3位∴三地址指令最多是2^(12333)=8條， 現三地址指令需4條, ∴可有4條編碼作為擴展碼，∴單地址指令最多為42^32^3=2^8=256條，現要求單地址指令255條，∴可有一條編碼作擴展碼 ∴零地址指令最多為12^3＝8條 不滿足題目要求 ∴不可能以擴展碼為其編碼。②若單地址指令254條，可以用擴展碼為其編碼。∵依據①中推導，單地址指令中可用2條編碼作為擴展碼 ∴零地址指令為22^3＝16條，滿足題目要求 　　三地址指令格式： 操作碼 地址碼 地址碼 地址碼　　3位 3位 3位 3位　　單地址指令格式： 操作碼 地址碼　　9位 3位　　所以前面9位由于三地址指令用了最前面3位，還有中間6位可作為編碼（也就是總共可以有9位作為單地址指令的指令操作碼的編碼）。減去3地址指令的4條，有4*2^6=256條，但由于韙目要求要有255條，所以剩下一個編碼，已經用了9位的全部編碼，最后零地址指令（全部12位都可作為操作碼的編碼）還有1*2^3=8 (這是12位編碼中最后三位的）若只要求254種，則可以有（256254）*2^3=16條 。設有單地址指令和雙地址指令兩類。問單地址指令最多可以有多少條? 答：單地址指令最多為(16X)2^6 　　^(1666)=2^4=16條， 現雙地址指令有X條, ∴可有(16X)條編碼作為擴展碼，∴單地址指令最多為(16X)2^6=256條 58何謂指令格式的優化?簡要列舉包括操作碼和地址碼兩部分的指令格式優化可采用的各種途徑和思路。　答：指令格式的優化指如何用最短位數表示指令的操作信息和地址信息，使程序中指令的平均字長最短。①操作碼的優化 采用Huffman編碼和擴展操作碼編碼。②對地址碼的優化：采用多種尋址方式。 采用0、3等多種地址制。 在同種地址制內再采用多種地址形式，如寄存器寄存器型、寄存器主存型、主存主存型等。 在維持指令字在存儲器內按整數邊界存儲的前提下，使用多種不同的指令字長度。 　　： 　　ADD(加) 30% SUB(減) 24% JOM(按負轉移) 6%　　STO(存) 7% JMP(轉移) 7% SHR(右移) 2%　　CIL(循環) 3% CLA(清加) 20% STP(停機) 1%要求有兩種指令字長，都按雙操作數指令格式編排，采用擴展操作碼，并限制只能有兩種操作碼碼長。設該機有若干通用寄存器，主存為16位寬，按字節編址，采用按整數邊界存儲。任何指令都在一個主存周期中取得，短指令為寄存器寄存器型，長指令為寄存器主存型，主存地址應能變址尋址。(1)僅根據使用頻率，不考慮其它要求，設計出全Huffman操作碼，計算其平均碼長。 (2)考慮題目全部要求，設計優化實用的操作形式，并計算其操作碼的平均碼長。 (3)該機允許使用多少可編址的通用寄存器？(4)畫出該機兩種指令字格式，標出各字段之位數。 (5)指出訪存操作數地址尋址的最大相對位移量為多少個字節？　　　? 　　答：一般原則：(1)確定指令系統時，只選擇使用頻度很高的指令及少量有效支持操作系統，高級語言及其它功能的指令；(2)減少尋址方式種類，一般不超過兩種；(3)讓所有指令在一個機器周期內完成(4)擴大通用寄存器個數，一般不少于32個，盡量減少訪存次數； (5)大多數指令用硬聯實現，少數用微程序實現；(6)優化編譯程序，簡單有效地支持高級語言實現。基本技術：(1)按RISC一般原則設計，即確定指令系統時，選最常用基本指令，附以少數對操作系統等支持最有用的指令，使指令精簡。編碼規整，尋址方式種類減少到2種。(2)邏輯實現用硬聯和微程序相結合。即大多數簡單指令用硬聯方式實現，功能復雜的指令用微程序實現。(3)用重疊寄存器窗口。即：為了減少訪存，減化尋址方式和指令格式，簡單有效地支持高級語言中的過程調用，在RISC機器中設有大量寄存囂，井讓各過程的寄存器窗口部分重疊。(4)用流水和延遲轉移實現指令，即可讓本條指令執行與下條指令預取在時間上重疊。另外，將轉移指令與其前面的一條指令對換位置，讓成功轉移總是在緊跟的指令執行之后發生，使預取指令不作廢，節省一個機器周期(5)優化設計編譯系統。即盡力優化寄存器分配，減少訪存次數。不僅要利用常規手段優化編譯，還可調整指令執行順序，以盡量減少機器周期等。 ，它們分別存在哪些不足和問題?為什么說今后的發展應是CISC和RISC的結合? 答：CISC結構特點：機器指令系統龐大復雜。RISC結構特點：機器指令系統簡單，規模小，復雜度低。CISC的問題：1)指令系統龐大，一般200條以上(2)指令操作繁雜，執行速度很低；(3)難以優化生成高效機器語言程序，編譯也太長，太復雜；4)由于指令系統龐大，指令的使用頻度不高，降低系統性能價格比，增加設計人員負擔。RISC的問題；(1)由于指令少，在原CISC上一條指令完成的功能現在需多條RISC指令才能完成，加重匯編語言程序設計負擔，增加了機器語言程序長度，加大指令信息流量。(2)對浮點運算和虛擬存儲支持不很強。 (3)RISC編譯程序比CISC難寫。 由于RISC和CISC各有優缺點,在設計時，應向著兩者結合，取長補短方向發展。第3章 總線、中斷與輸入輸出系統?答:輸入輸出系統有三種基本方式。它們分別是:（1）由CPU直接執行I/O程序的程序控制輸入輸出方式(其中又有全軟件方式的、查詢方式的和中斷驅動方式的三種）； (2)全部由“DMA控制器”硬件執行的直接存儲器訪問(DMA)方式。 (3)由專門設計的I/O處理機來執行I/O程序，、優點和缺點。答:只連接一時物理部件或只用于一種功能的總線稱專用總線。專用總線的優點是:（1)多個部件可同時收發信息，不會爭用總線，系統流量高。（2)通訊時不用指明“源”和“目的”，控制簡單。（3）總線失效不會使系統癱疾，可靠性高。專用總線的缺點是:(1)總線的線數多，成本高。（2)總線的時間利用率低。(3)不利于系統的模塊化，可擴充性差。、優點和缺點。答:可以被多種功能或多個部件分時共享的總線稱非專用總線。非專用總線的優點是:（1)總線線數少。(2)成本低。(3)總線接口標準，模塊性好。(4)可擴充性好。(5)易于用多重總線來提高總線的帶寬和可幸性非專用總線的缺點是: (1)。 (2)總線失效，易使系統癱瘓，可靠性差?各需要增加幾根用于總線控制的控制線?總線控側優先級可否用程序改變?答:總線控制方式有串行鏈接、定時查詢和獨立請求三種。串行健接禽增加3根控制線，優先級連線固定，無靈活性，總線技創優先級不能用程序改變。定時查詢索增加2+[log2N],。獨立請求常增加2N+1根控制線，優先級可用程序改史，靈活.?這樣分類的目的是什么?IBM370機把中斷分為哪幾類?答:中斷分類是把中斷源按性質相近、中斷處理過程類似的歸為同一類。分類的的是為了減少中斷處理程序的入口，每一類給一個中斷服務程序總入口，可以減少中斷暇務程序入口地址形成的硬件數量。IBM370計算機將中斷類分為機器校驗、訪管、程序性、外部、精入/翰出、重新啟動六類。?如何分級?IHM}7O的中斷響應優先序是什么?答:各中斷源是相互獨立而隨機地發出中斷請求當多個中斷源同時發出中斷請求時，CPU只能先響應和處理其中相對優先級高的中斷請求，因此需要對中斷源的響應和處理安排一個優先序。中斷分成類后，同一類內部各中斷請求的優先序一般由軟件或通道來管理。這里，主要是對不同類的中斷就要根據中斷的性質、緊迫性、重要性及軟件處理的方便性分成若干優先級，以使cpu可以有序時這些中斷請求進行響應和處理。IBM370系統的中斷響應優先序由高到低依次為:緊急的機器校臉、管理程序調用和程序性、可抑制的機器校臉、外部、輸入輸出、重新啟動。，.扣斷系統的軟硬件功能慫怎樣分配的?為什么要這樣分配?答:中斷響應的速度、。中斷的處理過程比較多樣化。但可以增加某些硬件支持。(只保存最重要、最基本通用的硬件狀態).以保證有較快的中斷響應速度。另一部分現場，需要根據中斷處理要求保存的內容及中斷的具體處理等軟件實現，以提高靈活性?各適合連接什么類型的設備?滿負荷時，設備對通道要求的實際流量與所連的設備有什么關系?答:通道分字節多路、數組多路、選擇三類通道。字節多路通道適合于連接大量低速的字符設備。滿負荷時，設備對通道要求的實際流童應是所連各設備的流量之和。數組多路通道適合于連接高速的設備，滿負荷時，設備對通道要求的實際流量應是所連各設備中。流量最大的那個。選擇通道適合于連接中、高速的高優先級的設備。滿負荷時，設備對通道要求的實際流量應是所連各設備中，流量最大的那個。答:宏觀上不丟失設備信息的基本條件應當讓通道所設計的極限流量應大于等于設備時通道要求的最大流量。為使微觀上也不丟失設備的信息，還應在設備或設備控制器中設置一定容量的緩沖器以緩沖一時來不及處理的信息，或是采用可動態提高低速設備的響應優先級的措施來解決。10．簡要舉出集中式串行鏈接，定時查詢和獨立請求3種總線控制方式的優缺點。同時分析硬件產生故障時通訊的可靠性。 答：集中式串行鏈連接方式。其過程為：①所有部件都經公共的“總線請求”線向總線控制器發使用總線申請.②當“總線忙”信號未建立時，“總線請求”才被總線控制器響應，送出“總線可用”信號，它串行地通過每個部件。③如果某部件未發過“總線請求”，則它將“總線可用”信號往下一部件轉，如果某部件發過“總線請求”，則停止“總線可用”信號的傳送。④該部件建立“總線忙”，并除去“總線請求”，此時該部件獲得總線使用權，準備傳送數據。⑤數據傳送期間，“總線忙”維持“總線可用”的建立。⑥傳送完成后，該部件去除“總線忙”信號和“總線可用”信號。　　⑦當“總線請求”再次建立時，就開始新的總線分配過程。優點：①選擇算法簡單；②控制總線數少；③