体系结构课后习题答案.pdf

【知识点详解】 1. **操作码编码优化**： - 在计算机体系结构中，操作码是指令的一部分，用于指示CPU执行哪种操作。等长操作码可能导致信息冗余，特别是当某些指令使用频率远高于其他指令时。计算等长操作码的信息冗余量，可以使用公式 `冗余量 = (总码长 - 信息熵) / 总码长`。 - **Huffman编码** 是一种可变长度的操作码编码方法，用于减少平均码长，特别适合于频率不均匀的数据。通过构建Huffman树，可以得到每个指令的最优编码，使频繁使用的指令有较短的编码，从而降低平均码长。 - **扩展操作码** 用于在有限的码长内增加指令数量。例如，2-5扩展码和2-4等长扩展码，通过附加0或1来扩展操作码，使得频繁的指令具有更短的码长，而不频繁的指令码长较长，从而平衡平均码长。 2. **指令格式设计**： - 指令分为不同类型，如三地址、一地址指令，这影响了指令字的长度和地址字段的位数。在给定的指令字长度下，可以计算不同地址类型的指令种类。例如，如果16位指令字，4位地址字段，那么二地址指令最多可设计的种类数为 `(16 - 地址字段位数 * 地址数目) / (地址字段位数)`。 3. **扩展操作码的平均码长计算**： - 对于给定的指令使用频度，可以计算不同扩展操作码方案的平均码长，例如2-5扩展码和2-4等长扩展码，以确定哪种编码方式的平均码长最短。 4. **寄存器数量与指令格式**： - 在设计指令格式时，需要考虑可编址的通用寄存器的数量。根据指令的地址字段位数和指令类型，可以确定最多能使用多少个寄存器。 - 变址寻址类型如寄存器-存储器(R-M)寻址，允许使用通用寄存器作为变址寄存器，这增加了寻址的灵活性，但限制了偏移地址的范围，通常为2的n次幂减1，其中n为地址字段的位数。 5. **Cache效率与加速比**： - Cache的命中率和主存速度直接影响存储系统的性能。当Cache被访问命中的概率较高时，使用Cache可以显著提高系统速度。加速比可以通过公式 `加速比 = 主存访问时间 / (Cache访问时间 + (1 - Cache命中率) * 主存访问时间)` 计算。 6. **存储系统等效存取时间**： - 存储系统的等效存取时间考虑了Cache的命中率和不同类型Cache的访问时间。对于指令Cache和数据Cache，需要分别计算它们对总体存取时间的影响，然后加权求和。 7. **三级存储系统访问时间**： - 三级存储系统中，访问时间是各级存储器的命中率和访问时间的加权和。计算等效访问时间，需考虑每一级存储器的命中率和访问时间，以及各级之间的数据迁移时间。 总结：本内容涉及了计算机体系结构中操作码优化、指令格式设计、Cache性能、存储系统存取时间和三级存储系统访问时间等核心概念，这些都是理解和优化计算机系统性能的关键要素。