基于微程序控制器的简单计算机系统设计与实现 本文档是基于微程序控制器的简单计算机系统设计与实现的课程设计报告，旨在介绍计算机系统的设计与实现。该系统基于微程序控制器，旨在实现简单的计算机系统。下面是该系统的设计与实现的详细介绍。 课程设计概述 课程设计的目的是设计和实现一个简单的计算机系统，基于微程序控制器。该系统旨在学习和掌握计算机系统的设计和实现。 设计任务 设计任务是设计和实现一个简单的计算机系统，基于微程序控制器。该系统需要能够执行基本的计算机操作，例如加法、减法、乘法和除法等。 设计要求 设计要求包括： * 设计一个基于微程序控制器的简单计算机系统 * 该系统需要能够执行基本的计算机操作 * 该系统需要具有良好的可扩展性和灵活性 实验原理与环境 实验原理结构图如图2.1所示。该系统由中央处理器、存储器、输入/输出设备和 buses 组成。中央处理器是该系统的核心，负责执行指令和控制整个系统。存储器用于存储程序和数据。输入/输出设备用于与外部世界进行交互。buses 用于连接各个组件。 中央处理器的功能 中央处理器的功能包括： * 执行指令 * 控制整个系统 * 管理存储器 * 管理输入/输出设备 中央处理器的组成 中央处理器的组成包括： * 算术逻辑单元（ALU） * 寄存器 * 程序计数器（PC） * 指令寄存器（IR） 实验环境 实验环境包括硬件和软件两个方面。硬件环境包括微程序控制器、存储器、输入/输出设备等。软件环境包括编译器、汇编器、操作系统等。 模块设计方案 模块设计方案包括： * 中央处理器模块 * 存储器模块 * 输入/输出设备模块 * buses 模块 实验分析 实验分析包括： * 硬件测试 * 软件测试 * 性能分析 * 可扩展性分析 本文档详细介绍了基于微程序控制器的简单计算机系统的设计与实现。该系统旨在学习和掌握计算机系统的设计与实现。

实验报告涉及的知识点主要集中在计算机系统的中断机制，特别是在LC-3这种简单的计算机体系结构中。中断是计算机系统中处理外部事件或硬件异常的一种机制，它允许计算机在执行当前任务的同时响应外部请求，如键盘输入。 实验的核心是设计一个用户程序和键盘中断处理程序。用户程序的目的是周期性地输出特定字符串"ICS"，并在输出之间插入延迟以使显示清晰。这个延迟是通过一个名为DELAY的子程序实现的，该子程序使用循环和递减计数器来达到延时的效果。用户程序使用trap x22指令，可能用于控制屏幕输出。 键盘中断处理程序则更为复杂，因为LC-3的操作系统功能有限，无法像Windows或Linux那样自动管理中断。在这个实验中，你需要编写一个中断处理程序，该程序在接收到键盘输入（特别是回车键）时，能够捕获输入并打印字符10次。由于不能使用TRAP指令，你必须直接操作DSR（数据选择寄存器）来读取键盘输入并输出字符。 在操作系统使能代码部分，你需要模拟一些通常由操作系统完成的任务。你需要初始化R6寄存器为X3000，创建一个简单的栈空间，因为没有操作系统来自动保存PC和PSR寄存器。你需要构建中断向量表，这是一个包含每个中断处理程序地址的表。在这个实验中，键盘中断处理程序的地址是X80，需要将其填入中断向量表的相应位置（即X0180）。你需要设置KBSR（键盘状态寄存器）的IE位，使得中断被启用。 中断服务程序的设计是实验的关键部分。在处理中断时，首先要保存现场，通常包括保存PC和PSR的值，以便在中断处理完成后能够正确恢复执行。然后，你需要检查键盘输入，如果输入是回车，则结束中断服务，否则，输出输入字符10次。由于不能使用TRAP指令进行输出，你必须直接操作硬件寄存器，如DSR，来实现字符的显示。 在实施这些步骤时，理解汇编语言和LC-3的指令集是至关重要的。汇编语言是编写这些低级程序的工具，而LC-3指令集提供了基本的计算和控制功能。实验要求的编程技巧包括流程控制、寄存器操作、栈操作以及中断处理的原理。 通过这个实验，学生可以深入理解计算机系统如何处理中断，以及在没有操作系统的情况下如何实现中断管理。这有助于掌握计算机硬件和软件交互的基本原理，对于理解和设计更复杂的计算机系统具有重要意义。

关于系统结构的一些基础习题及解答.如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分为4级。每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令解释。若执行第一级的一条指令需Kns时间，那么执行第2、3、4级的一条指令各需要用多少时间？从机器(汇编)语言程序员看，以下哪些是透明的？ 在《计算机系统结构》这一学科中，习题的解答往往不仅仅是对单一问题的直接回应，它们通常是将理论与实践相结合，帮助学习者深入理解计算机系统复杂的内部工作机制。在本文中，我们将探讨多层次解释模型下的指令执行时间计算，透明性在系统设计中的应用，以及不同程序员视角下系统特性的可见性问题。 让我们考虑多层次解释模型，这是计算机系统设计中的一个核心概念。在这一模型中，计算机系统按照功能被划分为多个层级，每一层负责执行上一层的指令。如果将这一模型简化，可以设想一个四层结构，其中第一层执行一条指令需要K纳秒(ns)。根据题设，为了执行上一级的一条指令，下一级需要N倍的指令来实现解释。基于这一逻辑，我们可以推导出，在这个四层结构中，执行第二级的一条指令将需要NKns，第三级需要N^2Kns，而第四级则需要N^3Kns的时间。 这种时间推算方法体现了随着计算机系统复杂性的增加，指令执行时间的指数增长。在实际的计算机系统中，随着处理器架构的不同，这种多层次解释模型可能存在较大差异。例如，在微程序控制器中，指令集被分解为微操作，由微程序在硬件级别上解释执行，而在复杂的超标量处理器中，指令的并行执行和乱序完成同样体现了多层次解释的原理。 接下来，我们考虑透明性概念在计算机系统设计中的重要性。透明性是系统设计中的一项重要原则，它指的是在系统使用过程中，某些细节对用户或程序员是不可见的，从而简化了系统使用和编程的复杂性。在习题8中，列举了对程序员来说透明和不透明的系统特性。以存储器为例，模m交叉存取和数据总线宽度这些技术细节，对于编写程序的汇编语言程序员是不可见的，而浮点数据表示、I/O系统的实现方式和访问方式保护等则通常不透明，需要程序员了解和掌握。 透明性原则的应用，有助于提高计算机系统的兼容性和可编程性。例如，内存的物理布局、I/O设备的接入方式等对系统程序员而言是透明的，因为他们需要负责这部分的管理与优化。而应用程序员则更多地关注于如何利用这些透明化后的系统资源，编写出高效、正确的程序。 透明性还涉及不同角色的程序员对于系统特性的不同视角。在习题10中，我们看到了系统程序员和应用程序员对于不同系统特性的透明度问题。以数据通路宽度为例，它对于两者都是透明的，程序员无需关心数据通路的具体细节，可以直接进行编程。但对虚拟存储器而言，它对应用程序员而言是透明的，可以在不知道其物理实现的情况下使用，而系统程序员则需要理解其原理，以便于进行系统优化和故障排查。 而像Cache存储器这样的系统组件，由于其对内存访问性能的优化作用，对程序员而言也应当是透明的。Cache的存在使得程序员可以不必担心数据在内存与CPU之间的传输速度问题，进而专注于程序逻辑的实现。然而，对于系统程序员而言，了解Cache的工作原理和优化策略是非常重要的，因为这关系到整个系统的性能表现。 在某些特定情况下，特定的指令或操作可能是对某个程序员角色透明的，但对另一个角色则不是。如“启动I/O”指令和“执行”指令，对应用程序员而言可能是透明的，他们不需要了解这些指令的具体实现细节，只需要知道如何使用即可。相反，系统程序员则需要了解这些指令的实现，以便于更深层次地对系统进行管理和优化。 通过对《计算机系统结构》习题的分析和解答，我们不仅能够理解指令执行时间的计算方法，还能够把握透明性原则在系统设计中的应用，以及如何从不同程序员的视角出发，认识和管理计算机系统内部的各种特性。这些内容对于深入理解计算机系统结构至关重要，有助于我们在设计、优化和使用计算机系统时，能够做出更加明智的决策。

"计算机系统结构张晨曦版课后答案" 本资源摘要信息将对计算机系统结构的基本概念、虚拟机、翻译、计算机系统结构、计算机组成、计算机实现、系统加速比、Amdahl 定律、程序的局部性原理、CPI、测试程序套件、存储程序计算机、系列机、软件兼容、向上（下）兼容、向后（前）兼容、兼容机、模拟、仿真、并行性、时间重叠、资源重复、资源共享、耦合度、紧密耦合系统、松散耦合系统、异构型多处理机系统、同构型多处理机系统等进行详细的解释和分析。 计算机系统结构是指计算机的逻辑设计和物理实现，它是计算机科学的基础。计算机系统结构可以分为多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。这种层次结构包括微程序机器级、传统机器语言机器级、汇编语言机器级、高级语言机器级、应用语言机器级等。 虚拟机是指用软件实现的机器，可以模拟其他计算机的指令系统。翻译是指将高一级机器上的程序转换为低一级机器上的等效程序，然后在低一级机器上运行，实现程序的功能。 计算机系统结构的逻辑实现是计算机组成，包括物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。计算机实现是计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构、器件的集成度和速度、模块、插件、底板的划分与连接、信号传输、电源、冷卻及整机装配技术等。 系统加速比是对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。Amdahl 定律是指当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。 程序的局部性原理是指程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。CPI是每条指令执行的平均时钟周期数。测试程序套件是由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用来测试计算机在各个方面的处理性能。 存储程序计算机是冯诺依曼结构计算机，其基本点是指令驱动。程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。 系列机是由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。软件兼容是指一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上运行。 向上（下）兼容是指按某档计算机编制的程序，不加修改就能运行于比它高（低）档的计算机。向后（前）兼容是指按某个时期投入市场的某种型号计算机编制的程序，不加修改地就能运行于在它之后（前）投入市场的计算机。 兼容机是由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。模拟是用软件的方法在一台现有的计算机（称为宿主机）上实现另一台计算机（称为虚拟机）的指令系统。仿真是用一台现有计算机（称为宿主机）上的微程序去解释实现另一台计算机（称为目标机）的指令系统。 并行性是计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。只要在时间上相互重叠，就存在并行性。它包括同时性与并发性两种含义。时间重叠是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。 资源重复是指在并行性概念中引入空间因素，以数量取胜。通过重复设置硬件资源，大幅度地提高计算机系统的性能。资源共享是这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。 耦合度是反映多机系统中各计算机之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱。紧密耦合系统是指计算机之间的物理连接的频带较高，一般是通过总线或高速开关互连，可以共享主存。松散耦合系统是指计算机之间的物理连接的频带较低，一般是通过通道或通信线路实现计算机之间的互连，可以共享外存设备（磁盘、磁带等）。 异构型多处理机系统是指由多个不同类型、至少担负不同功能的处理机组成，它们按照作业要求的顺序，利用时间重叠原理，依次对它们的多个任务进行加工，各自完成规定的功能动作。同构型多处理机系统是指由多个同类型或至少担负同等功能的处理机组成，它们同时处理同一作业中能并行执行的多个任务。

### 计算机系统结构知识点解析 #### 一、总线控制方式的优缺点及通讯可靠性分析 在《计算机系统结构》清华第二版教材中，针对三种常见的总线控制方式——集中式串行链接、定时查询和独立请求，进行了详细的比较分析。下面将对这三种总线控制方式的特点及在硬件故障时对通讯可靠性的影响进行深入探讨。 **1. 集中式串行链接** - **优点**： - 简单：实现较为简单，硬件成本较低。 - 易于实现：适用于小型系统或简单设备间的连接。 - **缺点**： - 可靠性差：一旦“总线可用”线出现故障，后续的部件将无法正常请求使用总线，导致系统瘫痪。 - 扩展性差：随着设备数量增加，效率下降明显。 - **通讯可靠性分析**： - 当“总线可用”线出现断路或碰地等故障时，后续部件的请求无法得到响应，系统整体可能陷入瘫痪状态。可以通过设置冗余线路来提高可靠性。 **2. 定时查询** - **优点**： - 可靠性较高：即使某个部件出现故障，也不会影响其他部件的查询，确保了系统的稳定性。 - 灵活性较好：支持更多的设备接入，扩展性强。 - **缺点**： - 效率相对较低：查询每个部件都需要一定的时间，尤其是在设备较多的情况下。 - **通讯可靠性分析**： - 总线控制器通过计数的方式查询各个部件，即使遇到故障部件，也能继续查询下一个部件，避免了系统整体瘫痪的风险。 **3. 独立请求** - **优点**： - 高效：每个部件都可以独立请求总线使用权，减少了等待时间。 - 可靠性高：能够通过软件或硬件措施屏蔽故障部件，不影响其他部件的正常使用。 - **缺点**： - 成本较高：每个部件都需要独立的请求线路，增加了硬件成本。 - 复杂度增加：管理和调度更加复杂。 - **通讯可靠性分析**： - 即使某个部件发生故障，也不会影响其他部件的正常工作，保证了系统的稳定性和可靠性。 #### 二、中断处理次序分析 **问题**：假设中断级屏蔽位“1”代表开放，“0”代表屏蔽，根据表3.1所示的各级中断处理程序的中断级屏蔽位设置情况，分析以下两个问题： 1. 当中断响应优先次序为l→2→3→4时，中断处理的实际次序是什么？ 2. 如果所有中断处理都需要3个单位时间，且中断响应和中断返回时间相对于中断处理时间来说非常短。当机器正在运行用户程序时，同时收到第2、3级中断请求；经过两个单位时间后，又同时收到第1、4级中断请求，请绘制出程序运行过程示意图。 **解答**： 1. **中断处理次序**： - 根据表3.1中的中断级屏蔽位设置情况，可以得出以下结论： - 中断1处理程序屏蔽了所有级别，因此它总是优先处理。 - 中断2处理程序开放了第1和第4级中断，因此它可以被第1级和第4级中断打断。 - 中断3处理程序只开放了第1级中断，因此只能被第1级中断打断。 - 中断4处理程序开放了第1和第3级中断，因此它可以被第1级和第3级中断打断。 - 因此，当中断响应优先次序为l→2→3→4时，中断处理的实际次序遵循以下规则： - 中断1始终最先处理。 - 中断2可以在第1级中断完成后处理，除非在处理过程中再次受到第1级或第4级中断。 - 中断3可以在第1级中断完成后处理，但不受第2级或第4级中断的影响。 - 中断4可以在第1级或第3级中断完成后处理。 2. **程序运行过程示意图**： - **初始状态**：用户程序正在运行。 - **T=0**：第2、3级中断请求到达，由于第1级中断未被触发，中断2处理程序开始执行（中断3被屏蔽）。 - **T=1**：中断2处理程序仍在执行。 - **T=2**：中断2处理程序完成，此时第1、4级中断请求到达，中断1处理程序开始执行。 - **T=3**：中断1处理程序仍在执行。 - **T=4**：中断1处理程序完成，此时中断3处理程序开始执行。 - **T=5**：中断3处理程序完成，中断4处理程序开始执行。 - **T=6**：中断4处理程序完成，用户程序恢复执行。 通过对集中式串行链接、定时查询和独立请求三种总线控制方式的对比分析，我们可以清楚地了解它们各自的优缺点以及在硬件故障时对通讯可靠性的影响。此外，通过分析不同级别的中断请求以及它们之间的关系，我们还可以深入了解中断处理的机制及其对系统性能的影响。这些知识点对于深入理解计算机系统结构具有重要意义。

第1章计算机系统结构导论 第2章指令系统 第3章流水技术与流水处理机 第4章存储系统 第5章互连网络 第6章单指令流多数据流计算机 第7章多指令流多数据流计算机

《CSAPP深入理解计算机系统（第二版）》课后答案

在模拟器上实现在任意访存块地址流下Cache存储器的存储过程，并求出命中率 要求如下： 1．Cache—主存：映像方式要实现全相联、直接映象、组相联方式三种方式，并选择每一种映像方式下输出结果；替换算法一般使用LRU算法。 3．求出命中率；显示替换的全过程；

在Linux里用C语言进行代码设计，能对一个班级、某一门课程、或者某一名学生的分数进行分析，比如分数段、最高分、最低分、排名、优势课程等

这，为啥还要写描述，，就是hnu深入理解实验的实验报告。实验三写了39页，实验四13页。嗯，就一积分意思一下就好。