《计算机系统概论》-第4章-习题答案

1. 写出冯·诺依曼模型的5个组成部分，并写出各个部件的功能和目的。
   输入设备：输入数据
   输出设备：输出结果
   控制器：控制程序执行
   内存：存放程序（各种运行指令）
   处理器：对数据进行处理和运算

2. 简要描述一下内存和处理单元的接口，即内存和处理单元的通信方式。
   通过地址寄存器（MAR）和数据寄存器（MDR）两个接口，来完成数据在内存中的读、写操作。

3. 程序计数器（PC）的命名可能存在什么误导？为什么说指令指针（Instruction Pointer，IP）的命名更加合适？
   计数器可能会被理解成一个数字，实际上代表的是下一条待处理的指令的地址，所以用指令指针更加合适。

4. 请解释一个计算机的“字长”（word length）的定义。字长对计算机的工作有什么影响？基于第1章中的知识，试判断以下论断是否正确：字的长度越大，处理的信息越多，因而计算能力也更强。
   ALU所能处理的量化大小（size of quantity）通常被称为该计算机的“字长”（word length）。
   不同的字长用在不同用途的计算机中。
   不正确。

5. 如下表格代表的是一个很小的内存。请基于以下表格回答问题。
   
   a. 地址为3的内存单元存放的数值是多少？地址6呢？
   地址3：0000 0000 0000 0000
   地址6：1111 1110 1101 0011
   b. 每个地址单元的二进制码数值可以有多种解释方法。之前我们学过，它可以是一个无符号数、有符号补码或是浮点数等。
   1 ) 分别写出地址0和地址1数值所对应的补码数；
   0的补码数：7747
   1的补码数：-4059
   2 ) 写出地址4对应的ASCII码；
   e
   3 ) 写出地址6和7对应的IEEE浮点数值（6和7合起来，表示一个32位浮点数）；
   英文原版中，指出7在6的前面，合成一个32位浮点数，其二进制为
   0000 0110 1101 1001 1111 1110 1101 0011
   浮点数表示：1.1 1001 1111 1110 1101 0011 x 2^-114
   4 ) 分别写出地址0和地址1对应的无符号整数值。
   地址0：7747
   地址1：61477
   c. 在冯·诺依曼模型中，一个内存单元中的数值既可能代表数据也可能代表指令，如果将地址0的内容看做是一条指令，问该指令是什么（LC-3）？
   ADD，R7，R1，R3
   d. 一个二进制数还可以表示为一个内存地址。假设地址5单元存放的是一个内存地址，那么它指向的单元地址是多少？该地址中存放的数值又是多少？
   单元地址：6
   6存放数值：1111 1110 1101 0011

6. 一条指令有哪两个主要的组成部分？试简述这两个组成部分的内容和作用。
   操作码和操作数两部分组成
   操作码：存放操作指令
   操作数：存放操作数据

7. 假设一个32位指令的格式如下：
   
   如果存在60种操作码和32个寄存器，试问立即数部分（IMM）可表达的范围是多大（IMM的编码方式为补码）？
   60种操作码可以通过6位表示
   32个寄存器可以通过5位表示
   IMM还剩下16位可以表示，可表达的范围是：
   -2^-15~ 2¹⁵-1

8. 假设一个32位指令的格式如下：
   
   如果操作码的数目是225，寄存器数目是120，试问：
   a. 指令中表达操作码部分所需要的最小位数是多少？
   8 bits
   b. 表达目的寄存器的最小位数是多少？
   7 bits
   c. 表达UNUSED部分可用的最大位数是多少？
   3 bits

9. 指令周期中取指令节拍要完成两件重要任务，其一是将下面要处理的指令读入指令寄存器，试问另一个任务是什么？
   PC增量

10. 例4-1、4-2和4-5分别描述了ADD、LDR、JMP三个指令的处理过程。在整个指令周期中，对于不同的指令，在不同的节拍会对寄存器PC、IR、MAR和MDR做出不同的修改，请填写下表（在空格中填入对应的指令操作码）。
    

11. 说明指令周期的各个节拍，并简述各节拍中发生的各种操作。
    取指令：取指令到IR寄存器，同时PC增量
    译码：分析检查指令类型
    地址计算：如果需要，进行地址计算
    取操作数：如果需要，取出操作数
    执行：执行指令
    存放结果：将结果保存

12. 以ADD、LDR、JMP指令为例，分别写出它们的指令周期中各节拍的操作。

13. 假设读、写内存操作需要100个周期，而读写寄存器和其他节拍操作只需要1个周期。试计算IA-32指令“ADD[eax],edx”(参考例4-3)和LC-3指令“ADD R6，R2，R6”所需要的执行周期数。

14. 试描述JMP指令的执行情况（假设R3内容为x369C，参考例4-5）。

15. 如果HALT指令可以清除RUN锁存器，即停止指令周期。试问什么指令可以设置RUN锁存器，即重新启动指令周期？

16. a. 假设机器周期的长度试2ns（即2x10^-9秒），问每秒钟能产生多少个机器周期？
    b. 如果平均每条指令需要8个周期，且计算机每次处理一条指令，问该计算机每秒能处理多少条指令？
    c. 为提高计算机每秒执行指令的数目，现代计算机中采用了很多方法。方法之一是类似生产流水线（或装配线）的方法，即指令的每个节拍都被分割成相对独立的一个或多个逻辑部件，每个节拍接着上一个节拍（同时也是上一个周期）的工作继续做。基于这种模式，每个机器周期都可以从内存读入一条新指令，然后在取指令周期结束时，将其传递给后面的译码节拍；而在下一个机器周期中，该指令在被译码的同时，下一条指令又可以被读入。这就是所谓的“装配线”（assembly line）。假设指令是有序地存放在内存中的，且没有任何事情打断这个顺序执行，那么这个“装配线”每秒钟能执行多少条指令？（在以后的高级课程中，在专业上称这种装配线为“流水线–pipeline”，届时还将研究是什么原因使得流水线不能顺利“流动”。）

参考：https://github.com/QSCTech/zju-icicles/blob/master/计算机系统概论/作业答案/ch04_complete.pdf