中南大学 计算机体系结构实验报告

计算机体系结构

课程设计

学院: 信息科学与工程学院

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实验 1 对指令操作码进行霍夫曼编码 (3)

一、实验目得 (3)

二、实验内容 (3)

三、设计思路 (4)

四、关键代码 (4)

五、实验截图 (5)

六、源代码 (5)

实验 2 使用 LRU 方法更新 Cache (8)

一、实验目得 (8)

二、实验内容 (8)

三、设计思路 (9)

四、程序截图 (9)

五、实验代码 (9)

实验总结 (16)

参考文献 (16)

实验 1 对指令操作码进行霍夫曼编码一、实验目得

了解与掌握指令编码得基本要求与基本原理

二、实验内容

1、使用编程工具编写一个程序,对一组指令进行霍夫曼编码,并输出最后得编码结果以及对指令码得长度进行评价。与扩展操作码与等长编码进行比较。

2、问题描述以及问题分析

举例说明此问题,例如:

下表所示:

对此组指令进行 HUFFMAN 编码正如下图所示:

最后得到得 HUFFMAN 编码如下表所示:

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7

0 10 110 1110 11110 111110 111111

H=0、45*1+0、30*2+0、15*3+0、05*4+0、03*5+0、01*6+0、01*6=-1、95、

要对指令得操作码进行 HUFFMAN 编码,只要根据指令得各类操作码得出现概率构造HUFFMAN 树再进行 HUFFAM 编码。此过程得难点构造 HUFFMAN 树,进行 HUFFAM 编

码只要对您所生成得 HUFFMAN 树进行中序遍历即可完成编码工作。

三、设计思路

观察上图 ,不难瞧出构造 HUFFMAN 树所要做得工作:1、先对各指令操作码得出现

概率进行排序,构造一个有序链表。2、再取出两个最小得概率节点相加,生成一个生得节点加入到链表中,同时从两表中删除此两个节点。3、在对链表进行排序,链表就是否只有一个节点,就是则 HUFFAN 树构造完毕,否则继续做 2 得操作。为此设计一个工作链表(链表得元素时类,此类得功能相当结构。)、HUFFMAN 树节点、HUFFMAN 编码表节点。

四、关键代码

哈夫曼树重点在于如何排列权值大小不同得结点得顺序

private int leafNum; //叶子结点个数private HaffmanNode[] hnodes; //哈夫曼树得结点

数组

public HaffManCode(double[] weight) //构造指定权值集合得哈夫曼树{

int n = weight、length; //n个叶子结点this、leafNum = n;

this、hnodes = new HaffmanNode[2*n-1]; //n个叶子结点得哈夫曼树共有2n-1个结点

for(int i=0; i

for(int i=0; i

double min1, min2; int x1, x2;

min1 = min2 = Integer、MAX_VALUE; //选择最小与次最小权值,初值为最大权值

x1 = x2 = -1; //记录两个无父母得最小权值结点下标for(int j=0; j

if(hnodes[j]、weight

min2 = min1;

x2 = x1;

min1 = hnodes[j]、weight; //min1记下最小权值

x1 = j; //x1记下最小权值结点得下标}

else if(hnodes[j]、weight

min2 = hnodes[j]、weight;

x2 = j;

//x2记下次最小权值结点得下标

}

}

五、实验截图

六、源代码

public class huffman {

private String str;

public huffman(String str){

this、str=str;

}

/**

* 创建节点类

* param args

*/

class Node{

Node left;

Node right;

int data;

char c;

}

/**

* 节点数组(字符串类)

* param args

*/

public void creatTree(){

//先去掉重复得字符串,若不存在将字符加在strRepeat中

String strRepeat="";

for(int i=0;i

char c=str、charAt(i);

//判断就是否存在

if(strRepeat、indexOf(c)==-1){ //找到字符位置并返回字符所在得位置strRepeat+=c;

}

}

//统计字符出现得次数并建立节点

Node[] nodes=new Node[strRepeat、length()]; //定义了一个nodes数组

//存储节点得坐标值

int s=0;

for(int i=0;i

char c=strRepeat、charAt(i);

int count=getCount(str,c); //c在string中出现得次数

Node node=new Node();

node、data=count;

node、c=c;

nodes[s++]=node;

}

//创建哈弗曼树

while(nodes、length>1){

Node node=new Node();

Node n1=nodes[0];

Node n2=nodes[1];

node、data=n1、data+n2、data;

node、left=n1;

node、right=n2;

//改变节点数组长度

Node[] nodes2=new Node[nodes、length-1];

for(int i=2;i

nodes2[i-2] = nodes[i];

}

nodes2[nodes2、length-1]=node;

nodes=nodes2;

}

Node root=nodes[0];

printCode(root,"");

}

/**

* 统计字符出现得次数 get方法

*/

private int getCount(String str,char c){

int count = 0;

for(int i=0;i

if(c==str、charAt(i))

count++;

}

return count;

}

/**

* 冒泡排序法

* param nodes

*/

public void sort(Node[] nodes){

for(int i=0;i

for(int j=i+1;j

if(nodes[i]、data>=nodes[j]、data){

//交换节点对象

Node temp=nodes[i];

nodes[i]=nodes[j];

nodes[j]=temp;

}

}

}

}

/**

* 打印编码

* param args

*/

public void printCode(Node node,String code){

if(node != null){

if(node、left==null && node、right==null)

System、out、println(node、c+"、、、"+node、data+"得编码就是: "+code);

printCode(node、left,code+""+0);

printCode(node、right,code+""+1);

}

}

public static void main(String[] args) {

String str="add bate";

huffman hf=new huffman(str);

hf、creatTree();

}

}

实验 2 使用 LRU 方法更新 Cache

一、实验目得

了解与掌握寄存器分配与内存分配得有关技术。

二、实验内容

LRU置换算法就是选择最近最久未使用得页面予以置换。该算法赋予每个页面一个访问字段,用来记录一个页面自上次被访问以来经历得时间T,当须淘汰一个页面时,选择现有页面中T值最大得,即最近最久没有访问得页面。这就是一个比较合理得置换算法。举例说明此问题,例如: 有一个CACHE采用组相连映象方式。每组有四块,为了实现LRU置换算法,在快表中为每块设置一个2位计数器。我们假设访问序列为“1,1,2,4,3,5,2,1,6,7,1,3”。在访问CACHE得过程中,块得装入,置换及命中时,具体情况如下表所示:

三、设计思路

LRU 置换算法就是选择最近最久未使用得页面予以置换。该算法赋予每个页面一个访问字段,用来记录一个页面自上次被访问以来经历得时间 T,当须淘汰一个页面时,选择现有

页面中 T 值最大得,即最近最久没有访问得页面。这就是一个比较合理得置换算法。

四、程序截图

五、实验代码

import java、awt、*;

import java、awt、event、*;

import javax、swing、*;

import javax、swing、table、*;

public class lru extends Frame {

public static void main(String[] args) {

JFrame、setDefaultLookAndFeelDecorated(true);

lru lruc = new lru();

lruc、lauchFrame();

}

JLabel jlabel2;

JTextField jtf2;

JButton jb_input;

JScrollPane jsp;

JTable jt;

DefaultTableModel dtm;

static int list = 1, count = list - 1;

int time1 = 0;

int time2 = 0;

int time3 = 0;

int time4 = 0;

public void lauchFrame() {

this、setLayout(null);

this、setBounds(100, 100, 540, 320);

//this、setBackground(Color、cyan);

this、setVisible(true);

jlabel2 = new JLabel("请输入第" + list + "个访问页面:");

jtf2 = new JTextField();

jb_input = new JButton("输入");

jlabel2、setBounds(20, 50, 140, 20);

jtf2、setBounds(155, 50, 50, 20);

jb_input、setBounds(240, 50, 60, 20);

this、add(jlabel2);

this、add(jtf2);

this、add(jb_input);

this、addWindowListener(new WindowAdapter() {

public void windowClosing(WindowEvent e) {

System、exit(0);

}

});

jb_input、addActionListener(new InputActionListener());

Object[] title = {"访问序列","Cache块0", "Cache块1", "Cache块2", "Cache块3", "状态"};

dtm = new DefaultTableModel(title, 0);

jt = new JTable(dtm);

jsp = new JScrollPane(jt);

jsp、setBounds(50, 80, 440, 197);

jsp、setBackground(Color、black);

this、add(jsp);

}

class InputActionListener implements ActionListener { //没有输入值,提示

public void actionPerformed(ActionEvent e) {

if(jtf2、getText()、equals("")) {

Object[] options = { "OK" };

JOptionPane、showOptionDialog(null, "输入错误,请按提示输入！", "警告", HZn6a

JOptionPane、DEFAULT_OPTION, JOptionPane、WARNING_MESSAGE,8oJtI

null, options, options[0]);

}

list++;

if(count < 4) {//count记录装入cache块得页面数

switch(count) {

case 0://cache块中没有装入页面得情况

dtm、addRow(new Object[]{jtf2、getText(), jtf2、getText(), "", "", "", "装入"});

time2++;

time3++;

time4++;

count++;

jtf2、setText("");

jlabel2、setText("请输入第" + list + "个访问页面:");

break;

case 1://cache块中装入一个页面得情况

if(jtf2、getText()、equals(jt、getValueAt(list-3, 1))) {//要访问得页面刚好在cache0中

dtm、addRow(new Object[]{jtf2、getText(), jt、getValueAt(list-3, 1), "", "", "", "命中"});

time2++;

time3++;

jtf2、setText("");

jlabel2、setText("请输入第" + list + "个访问页面:");

} else {//要访问得页面不在cache块中

dtm、addRow(new Object[]{jtf2、getText(), jt、getValueAt(list-3, 1), jtf2、getText(), "", "", "装入"});

time1++;

time2 = 0;

time3++;

time4++;

count++;

jtf2、setText("");

jlabel2、setText("请输入第" + list + "个访问页面:");

}

break;

case 2://cache块中装入两个页面得情况

if(jtf2、getText()、equals(jt、getValueAt(list-3, 1))) {//要访问得页面刚好在cache0中

dtm、addRow(new Object[]{jtf2、getText(), jt、getValueAt(list-3, 1), jt、getValueAt(list-3, 2), "", "", "命中"});

time1 =0;

time2++;

time3++;

time4++;

jtf2、setText("");

jlabel2、setText("请输入第" + list + "个访问页面:");

} else if(jtf2、getText()、equals(jt、getValueAt(list-3, 2))) {//要访问得页面刚好在cache1中

dtm、addRow(new Object[]{jtf2、getText(), jt、getValueAt(list-3, 1), jt、getValueAt(list-3, 2), "", "", "命中"});

time1++;

time2 = 0;

time4++;

jtf2、setText("");

jlabel2、setText("请输入第" + list + "个访问页面:");

} else {//要访问得页面不在cache块中

dtm、addRow(new Object[]{jtf2、getText(), jt、getValueAt(list-3, 1), jt、getValueAt(list-3, 2), jtf2、getText(), "", "装入"});

time1++;

time2++;

time3 =0;

time4++;

count++;

jtf2、setText("");

jlabel2、setText("请输入第" + list + "个访问页面:");

}

break;

case 3://cache块中装入三个页面得情况

if(jtf2、getText()、equals(jt、getValueAt(list-3, 1))) {//要访问得页面刚好在cache0中

dtm、addRow(new Object[]{jtf2、getText(), jt、getValueAt(list-3, 1), jt、getValueAt(list-3, 2), jt、getValueAt(list-3, 3), "", "命中"});

time1 = 0;

time2++;

time3++;

time4++;

jtf2、setText("");

jlabel2、setText("请输入第" + list + "个访问页面:");

} else if(jtf2、getText()、equals(jt、getValueAt(list-3, 2))) {//要访问得页面刚好在cache1中

dtm、addRow(new Object[]{jtf2、getText(), jt、getValueAt(list-3, 1), jt、getValueAt(list-3, 2), jt、getValueAt(list-3, 3), "", "命中"});

time1++;

time3++;

time4++;

jtf2、setText("");

jlabel2、setText("请输入第" + list + "个访问页面:");

} else if(jtf2、getText()、equals(jt、getValueAt(list-3, 3))) {//要访问得页面刚好在cache2中

dtm、addRow(new Object[]{jtf2、getText(), jt、getValueAt(list-3, 1), jt、getValueAt(list-3, 2), jt、getValueAt(list-3, 3), "", "命中"});

time1++;

time2++;

time3 = 0;

time4++;

jtf2、setText("");

jlabel2、setText("请输入第" + list + "个访问页面:");

}

else {//要访问得页面不在cache块中

dtm、addRow(new Object[]{jtf2、getText(), jt、getValueAt(list-3, 1), jt、getValueAt(list-3, 2), jt、getValueAt(list-3, 3), jtf2、getText(), "装入"});

time1++;

time2++;

time3++;

time4 = 0;

count++;

jtf2、setText("");

jlabel2、setText("请输入第" + list + "个访问页面:");

}

break;

}

} else {//四个cache块都装满得情况

if(jtf2、getText()、equals(jt、getValueAt(list-3, 1))) {//要访问得页面刚好

在cache0中

dtm、addRow(new Object[]{jtf2、getText(), jt、getValueAt(list-3, 1), jt、getValueAt(list-3, 2), jt、getValueAt(list-3, 3), jt、getValueAt(list-3, 4), "命中"});

System、out、println(1);

time1 = 0;

time2++;

time3++;

time4++;

jtf2、setText("");

jlabel2、setText("请输入第" + list + "个访问页面:");

} else if(jtf2、getText()、equals(jt、getValueAt(list-3, 2))) {//要访问得页面刚好在cache1中

dtm、addRow(new Object[]{jtf2、getText(), jt、getValueAt(list-3, 1), jt、getValueAt(list-3, 2), jt、getValueAt(list-3, 3), jt、getValueAt(list-3, 4), "命中"});

System、out、println(2);

time1++;

time2 = 0;

time3++;

time4++;

jtf2、setText("");

jlabel2、setText("请输入第" + list + "个访问页面:");

} else if(jtf2、getText()、equals(jt、getValueAt(list-3, 3))) {//要访问得页面刚好在cache2中

dtm、addRow(new Object[]{jtf2、getText(), jt、getValueAt(list-3, 1), jt、getValueAt(list-3, 2), jt、getValueAt(list-3, 3), jt、getValueAt(list-3, 4), "命中"});

System、out、println(3);

time1++;

time2++;

time3 = 0;

time4++;

jtf2、setText("");

jlabel2、setText("请输入第" + list + "个访问页面:");

} else if(jtf2、getText()、equals(jt、getValueAt(list-3, 4))) {//要访问得页面刚好在cache3中

dtm、addRow(new Object[]{jtf2、getText(), jt、getValueAt(list-3, 1), jt、getValueAt(list-3, 2), jt、getValueAt(list-3, 3), jt、getValueAt(list-3, 4), "命中"});

System、out、println(4);

time1++;

time2++;

time3++;

time4 = 0;

jtf2、setText("");

jlabel2、setText("请输入第" + list + "个访问页面:");

}

else {//要访问得页面不在cache块中

if(time1>time2 && time1>time3 && time1>time4) {//如果cache0得页面最长时间没有被访问,新页面置换cache0中页面

dtm、addRow(new Object[]{jtf2、getText(), jtf2、getText(), jt、getValueAt(list-3, 2), jt、getValueAt(list-3, 3), jt、getValueAt(list-3, 4), "置换"});

time1 = 0;

time2++;

time3++;

time4++;

jtf2、setText("");

jlabel2、setText("请输入第" + list + "个访问页面:");

} else if(time2>time1 && time2>time3 && time2>time4) {//如果cache1得页面最长时间没有被访问,新页面置换cache1中页面

dtm、addRow(new Object[]{jtf2、getText(), jt、getValueAt(list-3, 1), jtf2、getText(), jt、getValueAt(list-3, 3), jt、getValueAt(list-3, 4), "置换"});

time1++;

time2 = 0;

time3++;

time4++;

jtf2、setText("");

jlabel2、setText("请输入第" + list + "个访问页面:");

} else if(time3>time1 && time3>time2 && time3>time4) {//如果cache2得页面最长时间没有被访问,新页面置换cache2中页面

dtm、addRow(new Object[]{jtf2、getText(), jt、getValueAt(list-3, 1), jt、getValueAt(list-3, 2), jtf2、getText(), jt、getValueAt(list-3, 4), "置换"});

time1++;

time2++;

time3 = 0;

time4++;

jtf2、setText("");

jlabel2、setText("请输入第" + list + "个访问页面:");

} else if(time4>time1 && time4>time2 && time4>time3) {//如果cache3得页面最长时间没有被访问,新页面置换cache3中页面

dtm、addRow(new Object[]{jtf2、getText(), jt、getValueAt(list-3, 1), jt、getValueAt(list-3, 2), jt、getValueAt(list-3, 3), jtf2、getText(), "置换"});

time1++;

time2++;

time3++;

time4 = 0;

jtf2、setText("");

jlabel2、setText("请输入第" + list + "个访问页面:");

}

}

}

}

}

}

实验总结

体系结构属于计算机整个得结构,涉及计算机得整个结构,从底层到高层,每层得原理,

结构及实现,就是一门比较抽象得学科,通过这次得几个实验,让我对计算机得编码与页面得替换算法有了更深层次得理解。计算机就是一门理论性很强得学科,但就是实际得操作又就是必不可少得。实践可以加深对课程得理解,也能提高编程能力,总之,通过这次实验,我学到了很多。

参考文献

[1] 郑纬民汤志忠计算机系统结构清华大学出版社 2002

[2] 余腊生计算机系统结构实验指导书中南大学信息科学与工程学院制定