计算机系统结构模拟试题解析：标志符与描述符差异及指令编码方法

一、标志符数据表示与描述符数据表示 标志符数据表示是计算机系统结构中的一种数据表示方法，它的主要优点包括： 1. 简化指令系统和程序设计：由于标志符数据适用于多种数据类型，通过减少指令种类，使得程序设计更为简洁，易于理解。 2. 编译程序效率提升：无需检查运算符类型，仅需通用指令，这减少了编译过程中的复杂性，提高了编译速度。 3. 类型一致性检查：硬件能够直接检测类型错误，如不匹配的数据类型或非法操作，提供了类型安全的编程环境。 4. 自动数据类型转换：在处理不同类型但长度兼容的操作数时，硬件可以自动进行转换，提高执行效率。 5. 支持数据库系统：与数据类型无关的设计需求得以支持，有利于数据库系统的构建。 6. 软件调试支持：通过软件定义的捕捉标志，程序员可以方便地设置断点，便于程序跟踪和调试。 相比之下，描述符数据表示与标志符不同，描述符是独立于数据存储的，用于描述数据块的特性，如大小、地址和访问方式等，而标志符则附着在每个数据上，表示单个数据的类型信息。 二、指令编码方式计算 针对给出的7条指令使用频度，我们可以通过不同的编码方式计算操作码及其平均码长： 1. 等长码：所有指令的长度相同，假设为n位。根据频度分配，每条指令的平均码长将是总位数除以指令总数。 2. 哈夫曼码：这是一种自适应编码方式，根据指令的频度构建哈夫曼树，高频指令的编码长度较短，低频指令较长。计算每个指令的哈夫曼码后，取平均值即得平均码长。 3. 扩展操作码：只用两种码长，例如最短码和最长码。根据频度，将频率较高的指令分配最短码，频率较低的分配最长码，计算总码长并除以指令数。 三、中断概念与分类 中断是处理器处理外部事件的一种机制，根据中断源的不同，可以分为硬件中断（如定时器、I/O设备请求）和软件中断（如陷阱指令）。IBM 370系列计算机可能将中断分为多个等级，例如：机器状态中断（高优先级）、程序状态中断（次高优先级）等，以确保处理的有序性。 四、虚拟存储器的存储管理方式 虚拟存储器主要采用以下三种方式： 1. 分区管理：将内存划分为多个物理区域，每个区域对应一个逻辑地址空间分区，程序按逻辑地址寻址。 2. 段页式管理：将内存分为段和页，每个段有自己的起始地址和长度，段内的页由页表进行管理。 3. 可变分区管理：根据程序运行时的需求动态调整分区，提供更大的灵活性，但管理复杂度增加。 五、流水线工作原理 流水线通过指令分解、指令预取、执行、访存、写回等多个阶段并行进行，每个阶段有独立的处理单元。当一个指令在前一阶段完成后，立即进入下一阶段，从而提高CPU的利用率。流水线工作原理通过消除指令执行的等待时间，显著提升了系统性能。在指令解释过程中，流水线会按照固定的顺序执行各个步骤，直到整个指令周期结束。