计算机系统结构张晨曦版课后答案.doc

第1章计算机系统构造的根本概念1.1 解释以下术语层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次构造，每一层以一种不同的语言为特征这些层次依次为：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：用软件实现的机器翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进展解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序计算机系统构造：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性构造与功能特性在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好似不存在的概念称为透明性计算机组成：计算机系统构造的逻辑实现，包含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：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理构造，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、冷却及整机装配技术等系统加速比：对系统中某局部进展改良时，改良后系统性能提高的倍数。

Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进展改良后，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：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚包括时间局部性和空间局部性CPI：每条指令执行的平均时钟周期数测试程序套件：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：•诺依曼构造计算机其根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：由同一厂家生产的具有一样系统构造、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：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差异只是执行时间的不同向上〔下〕兼容：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：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：由不同公司厂家生产的具有一样系统构造的计算机模拟：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：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：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔进展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：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局部，以加快硬件周转而赢得速度资源重复：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：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：反映多机系统中各计算机之间物理连接的严密程度和交互作用能力的强弱严密耦合系统：又称直接耦合系统在这种系统中，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：又称间接耦合系统，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〕计算机之间的相互作用是在文件或数据集一级上进展异构型多处理机系统：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展加工，各自完成规定的功能动作。

同构型多处理机系统：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1.2 试用实例说明计算机系统构造、计算机组成与计算机实现之间的相互关系答：如在设计主存系统时，确定主存容量、编址方式、寻址围等属于计算机系统构造确定主存周期、逻辑上是否采用并行主存、逻辑设计等属于计算机组成选择存储芯片类型、微组装技术、线路设计等属于计算机实现计算机组成是计算机系统构造的逻辑实现计算机实现是计算机组成的物理实现一种体系构造可以有多种组成一种组成可以有多种实现1.3 计算机系统构造的Flynn分类法是按什么来分类的？共分为哪几类？答：Flynn分类法是按照指令流和数据流的多倍性进展分类把计算机系统的构造分为：〔1〕单指令流单数据流SISD〔2〕单指令流多数据流SIMD〔3〕多指令流单数据流MISD〔4〕多指令流多数据流MIMD1.4 计算机系统设计中经常使用的4个定量原理是什么？并说出它们的含义答：〔1〕以经常性事件为重点在计算机系统的设计中，对经常发生的情况，赋予它优先的处理权和资源使用权，以得到更多的总体上的改良〔2〕Amdahl定律加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。

〔3〕CPU性能公式执行一个程序所需的CPU时间 = IC ×CPI ×时钟周期时间〔4〕程序的局部性原理程序在执行时所访问地址的分布不是随机的，而是相对地簇聚1.5 分别从执行程序的角度和处理数据的角度来看，计算机系统中并行性等级从低到高可分为哪几级？答：从处理数据的角度来看，并行性等级从低到高可分为：〔1〕字串位串：每次只对一个字的一位进展处理这是最根本的串行处理方式，不存在并行性；〔2〕字串位并：同时对一个字的全部位进展处理，不同字之间是串行的已开场出现并行性；〔3〕字并位串：同时对许多字的同一位〔称为位片〕进展处理这种方式具有较高的并行性；〔4〕全并行：同时对许多字的全部位或局部位进展处理这是最高一级的并行从执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可分为：〔1〕指令部并行：单条指令中各微操作之间的并行；〔2〕指令级并行：并行执行两条或两条以上的指令；〔3〕线程级并行：并行执行两个或两个以上的线程，通常是以一个进程派生的多个线程为调度单位；〔4〕任务级或过程级并行：并行执行两个或两个以上的过程或任务〔程序段〕，以子程序或进程为调度单元；〔5〕作业或程序级并行：并行执行两个或两个以上的作业或程序。

1.6 某台主频为400MHz的计算机执行标准测试程序，程序中指令类型、执行数量和平均时钟周期数如下：指令类型指令执行数量平均时钟周期数整数 45000 1数据传送 75000 2浮点 8000 4分支 1500 2求该计算机的有效CPI、MIPS和程序执行时间解：〔1〕CPI ＝(45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2) / 129500＝1.776〔2〕MIPS速率＝f/ CPI ＝400/1.776 ＝225.225MIPS〔3〕程序执行时间= (45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2)／400=575s1.7 将计算机系统中某一功能的处理速度加快10倍，但该功能的处理时间仅为整个系统运行时间的40%，那么采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高多少？解由题可知：可改良比例 = 40% = 0.4 部件加速比 = 10根据Amdahl定律可知：采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高到原来的1.5625倍1.8 计算机系统中有三个部件可以改良，这三个部件的部件加速比为：部件加速比1=30；部件加速比2=20；部件加速比3=10〔1〕如果部件1和部件2的可改良比例均为30%，那么当部件3的可改良比例为多少时，系统加速比才可以到达10？〔2〕如果三个部件的可改良比例分别为30%、30%和20%，三个部件同时改良，那么系统中不可加速局部的执行时间在总执行时间中占的比例是多少？解：〔1〕在多个部件可改良情况下，Amdahl定理的扩展：S1＝30，S2＝20，S3＝10，Sn＝10，F1＝0.3，F2＝0.3，得：得F3＝0.36，即部件3的可改良比例为36%。

〔2〕设系统改良前的执行时间为T，那么3个部件改良前的执行时间为：〔0.3+0.3+0.2〕T = 0.8T，不可改良局部的执行时间为0.2T3个部件改良后的加速比分别为S1＝30，S2＝20，S3＝10，因此3个部件改良后的执行时间为：改良后整个系统的执行时间为：Tn = 0.045T+0.2T = 0.245T那么系统中不可改良局部的执行时间在总执行时间中占的比例是：1.9 假设某应用程序中有4类操作，通过改良，各操作获得不同的性能提高具体数据如下表所示：操作类型程序中的数量〔百万条指令〕改良前的执行时间〔周期〕改良后的执行时间〔周期〕操作1 10 2 1操作2 30 20 15操作3 35 10 3操作4 15 4 1〔1〕改良后，各类操作的加速比分别是多少？〔2〕各类操作单独改良后，程序获得的加速比分别是多少？〔3〕4类操作均改良后，整个程序的加速比是多少？解：根据Amdahl定律可得操作类型各类操作的指令条数在程序中所占的比例Fi 各类操作的加速比Si 各类操作单独改良后，程序获得的加速比操作1 11.1% 2 1.06操作2 33.3% 1.33 1.09操作3 38.9% 3.33 1.37操作4 16.7% 4 1.144类操作均改良后，整个程序的加速比：第2章指令集构造的分类2.1 解释以下术语堆栈型机器：CPU 中存储操作数的单元是堆栈的机器。

累加器型机器：CPU 中存储操作数的单元是累加器的机器通用存放器型机器：CPU 中存储操作数的单元是通用存放器的机器CISC：复杂指令集计算机RISC：精简指令集计算机寻址方式：指令系统中如何形成所要访问的数据的地址一般来说，寻址方式可以指明指令中的操作数是一个常数、一个存放器操作数或者是一个存储器操作数数据表示：硬件构造能够识别、指令系统可以直接调用的那些数据构造2.2 区别不同指令集构造的主要因素是什么？根据这个主要因素可将指令集构造分为哪3类？答：区别不同指令集构造的主要因素是CPU中用来存储操作数的存储单元据此可将指令系统构造分为堆栈构造、累加器构造和通用存放器构造2.3 常见的3种通用存放器型指令集构造的优缺点有哪些？答：指令系统构造类型优点缺点存放器-存放器型〔0，3〕指令字长固定，指令构造简洁，是一种简单的代码生成模型，各种指令的执行时钟周期数相近与指令中含存储器操作数的指令系统构造相比，指令条数多，目标代码不够紧凑，因而程序占用的空间比拟大存放器-存储器型〔1，2〕可以在ALU指令中直接对存储器操作数进展引用，而不必先用load指令进展加载容易对指令进展编码，目标代码比拟紧凑。

由于有一个操作数的容将被破坏，所以指令中的两个操作数不对称在一条指令中同时对存放器操作数和存储器操作数进展编码，有可能限制指令所能够表示的存放器个数指令的执行时钟周期数因操作数的来源〔存放器或存储器〕不同而差异比拟大存储器-存储器型〔2，2〕或〔3，3〕目标代码最紧凑，不需要设置存放器来保存变量指令字长变化很大，特别是3操作数指令而且每条指令完成的工作也差异很大对存储器的频繁访问会使存储器成为瓶颈这种类型的指令系统现在已不用了2.4 指令集应满足哪几个根本要求？答：对指令集的根本要：完整性、规整性、高效率和兼容性。