习题2-4 1、等长二进制编码
平均码长为 [log214] + 1 = 4 2、Huffman编码
首先构造Huffman树
31
第2章 指令系统 1.00
0.43
0.57
0.19
0.24
0.27
0.3
0.08 0.11 0.12 0.12
3
3 0.13 0.14 0.15 0.15
0.04 0.04
0.15 111001
0.14 111010
0.13 111011
0.12 111100
0.11 111101
0.04 111110
35
指令使用频度
0.04 0.03 0.03 0.02 0.02 0.01 0.01
第2章 指令系统
平均码长为 ∑Pi*Li = (0.15+0.15+0.14+0.13 + 0.12+0.11+0.04)×3 + (0.04+0.03+0.03+0.02 + 0.02+0.01+0.01)×6 =3.48
• 透明性
– 本来存在的事物或属性，从某个角度看却好 象不存在
• 软件兼容
– 程序可以不加修改地运行在各档机器上，区 别仅在于运行时间不同
– 它分为向上兼容和向下兼容，以及向前兼容 和向后兼容
5
第1章 基础知识
• 模拟
–用一种机器(A)的机器语言解释 实现另一种机器(B)的指令系统， 使A具有B的指令系统，从而实 现软件移植的方法。被模拟的 机器称为虚拟机，模拟用的机 器称为宿主机，解释程序称为
计算机体系结构
习题解答
1
第1章 基础知识
• 翻译
–先用转换程序将高一级机器级 上的程序整个地变换成低一级 机器级上可运行的等效程序， 然后再在低一级机器级上去实 现的技术 2
第1章 基础知识
• 解释
–在低一级机器级上用它的一串 语句或指令来仿真高一级机器 上的一条语句或指令的功能， 通过对高一级机器语言程序中 的每条语句或指令逐条解释来 实现的技术
33
第2章 指令系统
• 3、只有两种码长的扩展操作码编码 使用频度高的用短代码表示。根据 Huffman编码和指令使用频度，可以设计 出具有3位和6位码长的操作码。操作码 编码如下：
34
第2章 指令系统
编码
000 001 010 011 100 101 110
指令 使用 频度
编码
0.15 111000
36
3-5位操作码编码如下：
编码
000 001 010 011 100 101
指令 使用 频度
0.15 0.15 0.14 0.13 0.12 0.11
编码
11000 11001 11010 11011 11100 11101 11110 1111137
指令使用频度
0.04 0.04 0.03 0.03 0.02 0.02 0.01 0.01
0.05
4
0.07 3
3
33
0.02 0.02 0.02 0.03 0.03 0.04
5
5
555
0.01 0.01
6
6
32
第2章 指令系统
平均码长为 ∑Pi*Li = (0.01+0.01)×6 + (0.02+0.02+0.03+0.03+0.04)×5 + 0.04×4 + (0.11 + 0.12 + 0.13 + 0.14 + 0.15+0.15)×3 =3.38
解：
S
1
20
(1 F) F / 20 20 19 F
18
在习题1-9中，为达到加速比2，可向量化的百
分比应为多少?
解：
2
1
(1 F) (F / 20)
10 F 0.53
19 19
1-10 用一台40MHz处理机执行标准测
试程序，它含的混合指令数和相应所需 的时钟周期数如下：
指令类型 指令数 时钟周期数
40
第2章
（1）最优Huffman H=- ∑Pi×log2Pi
=0.25×2+0.20×2.322+0.15×2.737+ ……
=2.96
41
I10
I9
I8
I7
I6
I5
I4
I3
I2
0.02
0.03
0.04
0.05
0.08
0.08
0.10
0.15
0.20
1
1 0
0
0.05
0.09
1
0
1
0
0.17
6
第1章 基础知识
• 仿真
–用一种机器(A)的微程序直接解 释实现另一种机器(B)的指令系 统，从而实现软件移植的方法
–被仿真的机器称为目标机，进 行仿真的机器称为宿主机，解 释微程序机器称为仿真微程序
7
第1章 基础知识
• 并行性
–指可以同时进行运算或操作的 特性，它有两重含义：
• 同时性：同一时刻发生 • 并发性：同一时间间隔内发生
43
指令 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10
概率 0.25 0.20 0.15 0.10 0.08 0.08 0.05 0.04 0.03 0.02
Huffman 00 10 010 110 0110 1110 01110 01111 11110 11111 44
I9
I10
8
第1章 基础知识
• 系列机
– 同一厂家生产的具有相同系统结构、但有不 同组成和实现的一系列不同型号的机器
兼容机 – 不同厂家生产的具有相同系统结构、但有不
同组成和实现的一系列不同型号的机器
9
第1章 基础知识
• 紧耦合系统
– 多台计算机之间通过总线或高速开关互连， 共享主存，并有较高的信息传输速率的多机 系统
0.13
1
0
0
1
0.23
0.32
1
0
0
1
0.43 1
0.57 0
1.00
42
I1 0.25
(2) 采用最小概率合并法 H’=∑Pi×Li
=0.25×2+0.20×2+0.15×3+0.10×3+ 0.08×4+0.08×4+0.05×5+0.04×5+ 0.03×5+0.02×5 =2.99
信息冗余=1-2.96/2.99=1%
3
第1章 基础知识
• 计算机系统结构
– 程序员所看到的计算机的属性，即程序员为 编写出能在机器上正确运行的程序所必须了 解到的机器的概念性结构和功能特性。从层
次结构出发，计算机系统结构指层次
结构中传统机器级的系统结构，研究的是软、 硬件之间的功能分配，以及对传统机器级界 面的定义
4
第1章 基础知识
指令 概率 Huffman 2/8扩展 3/7扩展
I1 0.25
I2 0.20
I3 0.15
I4 0.10
I5 0.08
I6 0.08
I7 0.05
I8 0.04
I9 0.03
I10 0.02
39
（1）计算这10条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和信息冗 余量。 （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和信息冗余 量。 （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和信息冗余 量。
整数运算 45000
1
数据传送 32000
2
浮点
15000
2
控制传送
8000
2
求有效CPI、MIPS速率和程序的执行时 间。
20
[解答]
C＝P(I4=50i0n10(*C1P+I3i 2*0II0Ci0)*2+15000*2+8000*2)/
(45000+32000+15000+8000) = 1.55周期/指令
(b)
MIPS
f CPI *106
40MHZ 2.24 *106
17.86
23
第2章 指令系统
• 数据表示
–由硬件直接识别和引用的数据 类型
24
第2章 指令系统
• 动态再定位
– 动态再定位采用基址寻址方法。当把 程序装入主存时，对程序不做任何修 改（变换），直接装入主存，同时将 程序在主存中的起始地址a存入对应该 道程序的基址寄存器。在执行指令时， 通过地址加法器将逻辑地址加上基址 寄存器的内容(程序基点地址)，形成物 理地址，然后访存
27
第2章 指令系统
• RISC
– 减少指令总数，简化指令功能，以降低硬件 设计的复杂度，提高指令的执行速度。按这 种途径和方向发展，会使机器的指令系统精 炼简单，因此称采用这种途径设计而成的 CPU的计算机为精简指令集计算机RISC
28
第2章 指令系统
2-1 • 数据表示是指由硬件直接识
别和引用的数据类型
指令类型
CPI
指令混合比
算术和逻辑
1
60%
高速缓存命中的加载/存储 2
18%
转移
4
12%
高速存储缺失的存储器访问 8
10%
(a)计算在单处理机上用上述跟踪数据运行程序的平均CPI。