计算机组成与结构课后习题
问答题
1、写出变址寻址、相对寻址、基址寻址有效地址的计算公式，这三种寻址方式各适用于什么场合？
2、某处理机的一种访问存储器指令只用8位地址码，就能够指向一个1G地址空间中任意256个连续地址之一，请描述这种寻址方式。
3、分别采用间接寻址方式、变址寻址方式、自动间址方式和自动变址方式编写程序计算C=A+B，A和B都是长度为n的向量。为了简单起见，允许采用三地址指令编写程序，可以直接对两个主存储器中的数据进行加法运算，运算结果可以直接存入主存储器中。
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：
指令序号
出现的概率
Huffman编码法
2/8扩展编码法
3/7扩展编码法
I
1
0.25
00
00
00
I
2
0.20
01
01
01
I
3
0.15
100
1000
10
I
4
0.10
101
1001
11000
I
5
0.08
1100
1010
11001
I
6
0.08
1101
1011
11010
I
7
0.05
1110
1100
11011
I
8
0.04
11110
1101
11100
I
9
0.03
111110
1110
11101
I
10
0.02
111111
1111
11110
操作码的平均长度
2.99
3.10
3.20
操作码的信息冗余量
1.0％
4.5％
7.5％
(1)计算这10条指令理论上的操作码最短平均长度。
(2)采用哈夫曼编码法编写这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。把得到的操作码编码和计算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和信息冗余量。把得到的操作码编码和计算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和信息冗余量。把得到的操作码编码和计算结果填入上面的表中。
5、一台模型机共有7条指令，各指令的使用频度分别为35%，25%，20%，10%，5%，3%，2%，有8个通用数据寄存器，2个变址寄存器。
(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。
6、某计算机系统的指令字长为16位，有二地址指令和一地址指令两种类型，每个地址字段的长度为6位。如果二地址指令有x条，问一地址指令最多可以有多少条？
7、一台实验计算机共有5种指令、8个通用数据寄存器，这5种指令的使用频度分别为35％、25％、20％、10％、10％
。 (1)要求操作码的平均长度最短，请设计操作码编码，并计算所设计操作码的实际平均长度。
(2)要求设计8位字长的两地址寄存器-寄存器型指令3种，16位字长的寄存器-存储器型指令两种，其中，存储器地址采用直接寻址方式。请设计指令格式，给出5种指令的操作码编码、各个字段的长度和名称。
8、在一台采用指令取消技术的RISC处理机上执行下面一段程序。每条指令的执行过程都要经过"取指令"和"执行"两个周期，每个周期的延迟时间均为10ns。
MOVE R1，#50000 ；R1←常数50000
LOOP:MOVE R2，A(R1) ；R2←从内存中取一个数
ADD R0，R2 ；R0←(R0)+(R2)
DNE R1，LOOP ；R1←(R1)-1，若(R1)≠0，则转向LOOP
(1)为了采用指令取消技术，改写上面的程序。
(2)计算采用指令取消技术执行上面的程序能够节省多少时间？
9、某RISC处理机的工作主频为500MHz，有一个Cache和一个主存储器，Cache的存取周期为2ns，主存储器的存取周期为20ns，Cache的命中率为99%，有20%的LOAD/STORE指令，并假设处理机速度的瓶颈完全在存储系统。
(1)求理想情况(Cache的命中率为100%)下的CPI。
(2)计算该RISC处理机的实际MIPS速率。
(3)如果处理机的工作主频提高到1GHz，计算实际CPI和MIPS速率。
10、下面是一个数据块搬家程序。在RISC处理机中，为了提高指令流水线的执行效率，通常要采用指令取消技术。
START:MOVE AS, R1 ；把源数组的起始地址送入变址寄存器R1
MOVE NUM, R2 ；把传送的数据个数送入R2
LOOP: MOVE (R1),AD-AS(R1) ；AD-AS为地址偏移量，在汇编过程中计算
INC R1 ；增量变址寄存器
DEC R2 ；剩余数据个数减1
BGT LOOP ；测试N个数据是否传送完成
HALT ；停机
NUM: N ；需要传送的数据总数
(1)如果一条指令的执行过程分解为"取指令"和"分析"两个阶段，并采用两级流水线。为了采用指令取消技术，请修改上面的程序。
(2)如果N＝100，采用指令取消技术后，在程序执行过程中，能够节省多少个指令周期？
(3)如果把一条指令的执行过程分解为"取指令"、"分析"（包括译码和取操作数等）和"执行"（包括运算和写回结果等）三个阶段，并采用三级流水线。仍然要采用指令取消技术，请修改上面的程序。