2022年計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)張晨曦版課后答案解析

第第頁共30頁2022年計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)張晨曦版課后答案解析計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)張晨曦版課后答案解析篇一：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)張晨曦版課后答案i?i說明下列術(shù)語層次機(jī)構(gòu)：根據(jù)計(jì)算機(jī)語言從低級到高級的次序，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分成多級層次結(jié)構(gòu)，每一層以一種不同的語言為特征。這些層次依次為：微程序機(jī)器級，傳統(tǒng)機(jī)器語言機(jī)器級，匯編語言機(jī)器級，高級語言機(jī)器級，應(yīng)用語言機(jī)器級等。虛擬機(jī)：用軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器。翻譯：先用轉(zhuǎn)換程序把高一級機(jī)器上的程序轉(zhuǎn)換為低一級機(jī)器上等效的程序，然后再在這低一級機(jī)器上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)程序的功能。說明：對于高一級機(jī)器上的程序中的每一條語句或指令，都是轉(zhuǎn)去執(zhí)行低一級機(jī)器上的一段等效程序。執(zhí)行完后，再去高一級機(jī)器取下一條語句或指令，再進(jìn)行說明執(zhí)行，如此反復(fù)，直到說明執(zhí)行完整個(gè)程序。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)機(jī)器程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，把這種原來存在的事物或?qū)傩?，但從某種角度看又似乎不存在的概念稱為透亮性。計(jì)算機(jī)組成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包含物理機(jī)器級中的數(shù)據(jù)流和限制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)，包括處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號傳輸，電源、冷卻及整機(jī)裝配技術(shù)等。系統(tǒng)加速比：對系統(tǒng)中某部分進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，改進(jìn)后系統(tǒng)性能提高的倍數(shù)。Amdahl定律：當(dāng)對一個(gè)系統(tǒng)中的某個(gè)部件進(jìn)行改進(jìn)后，所能獲得的整個(gè)系統(tǒng)性能的提高，受限于該部件的執(zhí)行時(shí)間占總執(zhí)行時(shí)間的百分比。程序的局部性原理：程序執(zhí)行時(shí)所訪問的存儲器地址不是隨機(jī)分布的，而是相對地簇聚。包括時(shí)間局部性和空間局部性。CPI：每條指令執(zhí)行的平均時(shí)鐘周期數(shù)。測試程序套件：由各種不同的真實(shí)應(yīng)用程序構(gòu)成的一組測試程序，用來測試計(jì)算機(jī)在各個(gè)方面的處理性能。存儲程序計(jì)算機(jī)：馮諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)。其基本點(diǎn)是指令驅(qū)動。程序預(yù)先存放在計(jì)算機(jī)存儲器中，機(jī)器一旦啟動，就能根據(jù)程序指定的邏輯依次執(zhí)行這些程序，自動完成由程序所描述的處理工作。系列機(jī)：由同一廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號的計(jì)算機(jī)。軟件兼容：一個(gè)軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺計(jì)算機(jī)移植到另一臺計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。差別只是執(zhí)行時(shí)間的不同。向上（下）兼容：按某檔計(jì)算機(jī)編制的程序，不加修改就能運(yùn)行于比它高（低）檔的計(jì)算機(jī)。向后（前）兼容：按某個(gè)時(shí)期投入市場的某種型號計(jì)算機(jī)編制的程序，不加修改地就能運(yùn)行于在它之后（前）投入市場的計(jì)算機(jī)。兼容機(jī)：由不同公司廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。模擬：用軟件的方法在一臺現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)（稱為宿主機(jī)）上實(shí)現(xiàn)另一臺計(jì)算機(jī)（稱為虛擬機(jī)）的指令系統(tǒng)。仿真：用一臺現(xiàn)有計(jì)算機(jī)（稱為宿主機(jī)）上的微程序去說明實(shí)現(xiàn)另一臺計(jì)算機(jī)（稱為目標(biāo)機(jī)）的指令系統(tǒng)。并行性：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在同一時(shí)刻或者同一時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行多種運(yùn)算或操作。只要在時(shí)間上相互重疊，就存在并行性。它包括同時(shí)性與并發(fā)性兩種含義。時(shí)間重疊：在并行性概念中引入時(shí)間因素，讓多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開，輪番重疊地運(yùn)用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分,以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。資源重復(fù)：在并行性概念中引入空間因素，以數(shù)量取勝。通過重復(fù)設(shè)置硬件資源，大幅度地提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。資源共享：這是一種軟件方法，它使多個(gè)任務(wù)按肯定時(shí)間依次輪番運(yùn)用同一套硬件設(shè)備。耦合度：反映多機(jī)系統(tǒng)中各計(jì)算機(jī)之間物理連接的緊密程度和交互作用實(shí)力的強(qiáng)弱。緊密耦合系統(tǒng)：又稱干脆耦合系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)之間的物理連接的頻帶較高，一般是通過總線或高速開關(guān)互連，可以共享主存。松散耦合系統(tǒng)：又稱間接耦合系統(tǒng)，一般是通過通道或通信線路實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的互連，可以共享外存設(shè)備（磁盤、磁帶等）。計(jì)算機(jī)之間的相互作用是在文件或數(shù)據(jù)集一級上進(jìn)行。異構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)：由多個(gè)不同類型、至少擔(dān)負(fù)不同功能的處理機(jī)組成，它們根據(jù)作業(yè)要求的依次，利用時(shí)間重疊原理，依次對它們的多個(gè)任務(wù)進(jìn)行加工，各自完成規(guī)定的功能動作。同構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)：由多個(gè)同類型或至少擔(dān)負(fù)同等功能的處理機(jī)組成，它們同時(shí)處理同一作業(yè)中能并行執(zhí)行的多個(gè)任務(wù)。1.2試用實(shí)例說明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)之間的相互關(guān)系。答：如在設(shè)計(jì)主存系統(tǒng)時(shí)，確定主存容量、編址方式、尋址范圍等屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。確定主存周期、邏輯上是否采納并行主存、邏輯設(shè)計(jì)等屬于計(jì)算機(jī)組成。選擇存儲芯片類型、微組裝技術(shù)、線路設(shè)計(jì)等屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成。一種組成可以有多種實(shí)現(xiàn)。1?3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的Flynn分類法是按什么來分類的？共分為哪幾類？答:Flynn分類法是根據(jù)指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類。把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為：（1）（2）（3）（4）單指令流單數(shù)據(jù)流SISD單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD多指令流單數(shù)據(jù)流MISD多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常常運(yùn)用的4個(gè)定量原理是什么？并說出它們的含義。答:（1）以常常性事務(wù)為重點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對常常發(fā)生的狀況，給予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源運(yùn)用權(quán)，以得到更多的總體上的改進(jìn)。（2）Amdahl定律。加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占的重要性。（3）CPU性能公式。執(zhí)行一個(gè)程序所需的CPU時(shí)間二ICXCPIX時(shí)鐘周期時(shí)間。（4）程序的局部性原理。程序在執(zhí)行時(shí)所訪問地址的分布不是隨機(jī)的，而是相對地簇聚。1?5分別從執(zhí)行程序的角度和處理數(shù)據(jù)的角度來看，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中并行性等級從低到高可分為哪幾級？答：從處理數(shù)據(jù)的角度來看，并行性等級從低到高可分為：（1）字串位串：每次只對一個(gè)字的一位進(jìn)行處理。這是最基本的串行處理方式，不存在并行性；（2）字串位并：同時(shí)對一個(gè)字的全部位進(jìn)行處理，不同字之間是串行的。已起先出現(xiàn)并行性；（3）字并位串：同時(shí)對很多字的同一位（稱為位片）進(jìn)行處理。這種方式具有較高的并行性；（4）全并行：同時(shí)對很多字的全部位或部分位進(jìn)行處理。這是最高一級的并行。從執(zhí)行程序的角度來看，并行性等級從低到高可分為：（1）指令內(nèi)部并行：單條指令中各微操作之間的并行；（2）指令級并行：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令；（3）線程級并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的線程，通常是以一個(gè)進(jìn)程內(nèi)派生的多個(gè)線程為調(diào)度單位；（4）任務(wù)級或過程級并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的過程或任務(wù)（程序段），以子程序或進(jìn)程為調(diào)度單元；（5）作業(yè)或程序級并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的作業(yè)或程序。1?6某臺主頻為400MHz的計(jì)算機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測試程序，程序中指令類型、執(zhí)行數(shù)量和平均時(shí)鐘周期數(shù)如下：指令類型指令執(zhí)行數(shù)量平均時(shí)鐘周期數(shù)整數(shù)450001數(shù)據(jù)傳送750002浮點(diǎn)80004分支15002求該計(jì)算機(jī)的有效CPI、MIPS和程序執(zhí)行時(shí)間。解：（l）CPI=（45000X1+75000X2+8000X4+1500X2）/129500=1.776（2）MIPS速率=f/CPI=400/1.776=225.225MIPS（3）程序執(zhí)行時(shí)間二（45000X1+75000X2+8000X4+1500X2）/400=575s1?7將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快10倍，但該功能的處理時(shí)間僅為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的40%，則采納此增加功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？解由題可知：可改進(jìn)比例二40%=0.4部件加速比二10依據(jù)Amdahl定律可知：采納此增加功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高到原來的1.5625倍。1?8計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有三個(gè)部件可以改進(jìn)，這三個(gè)部件的部件加速比為：部件加速比1=30；部件加速比2=20；部件加速比3=10（1）假如部件1和部件2的可改進(jìn)比例均為30%，那么當(dāng)部件3的可改進(jìn)比例為多少時(shí)，系統(tǒng)加速比才可以達(dá)到10?（2）假如三個(gè)部件的可改進(jìn)比例分別為30%、30%和20%，三個(gè)部件同時(shí)改進(jìn)，那么系統(tǒng)中不行加速部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是多少？解：（1）在多個(gè)部件可改進(jìn)狀況下，Amdahl定理的擴(kuò)展：已知S1=30,S2=20,S3=10,Sn=10,F1=0.3,F2=0.3,得：得F3=0.36，即部件3的可改進(jìn)比例為36%。（2）設(shè)系統(tǒng)改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間為T,則3個(gè)部件改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間為：（0?3+0.3+0.2）T=0.8T，不行改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間為0.2T。已知3個(gè)部件改進(jìn)后的加速比分別為S1=30,S2=20,S3=10,因此3個(gè)部件改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間為：改進(jìn)后整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間為：Tn=0.045T+0.2T=0.245T那么系統(tǒng)中不行改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是：1?9假設(shè)某應(yīng)用程序中有4類操作，通過改進(jìn)，各操作獲得不同的性能提高。詳細(xì)數(shù)據(jù)如下表所示：操作類型程序中的數(shù)量（百萬條指令）改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間（周期）改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間（周期）操作11021操作2302015操作335103操作41541（1）改進(jìn)后，各類操作的加速比分別是多少？（2）各類操作單獨(dú)改進(jìn)后，程序獲得的加速比分別是多少？（3）4類操作均改進(jìn)后，整個(gè)程序的加速比是多少？解：依據(jù)Amdahl定律可得操作類型各類操作的指令條數(shù)在程序中所占的比例Fi各類操作的加速比Si各類操作單獨(dú)改進(jìn)后，程序獲得的加速比操作111.1%操作233.3%操作338.9%21.061.331.093.331.37操作416.7%41.144類操作均改進(jìn)后，整個(gè)程序的加速比：第2章指令集結(jié)構(gòu)的分類2.1說明下列術(shù)語堆棧型機(jī)器：CPU中存儲操作數(shù)的單元是堆棧的機(jī)器。累加器型機(jī)器：CPU中存儲操作數(shù)的單元是累加器的機(jī)器。通用寄存器型機(jī)器：CPU中存儲操作數(shù)的單元是通用寄存器的機(jī)器。CISC：困難指令集計(jì)算機(jī)RISC：精簡指令集計(jì)算機(jī)尋址方式：指令系統(tǒng)中如何形成所要訪問的數(shù)據(jù)的地址。一般來說，尋址方式可以指明指令中的操作數(shù)是一個(gè)常數(shù)、一個(gè)寄存器操作數(shù)或者是一個(gè)存儲器操作數(shù)。數(shù)據(jù)表示：硬件結(jié)構(gòu)能夠識別、指令系統(tǒng)可以干脆調(diào)用的那些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。2.2區(qū)分不同指令集結(jié)構(gòu)的主要因素是什么？依據(jù)這個(gè)主要因素可將指令集結(jié)構(gòu)分為哪3類？答：區(qū)分不同指令集結(jié)構(gòu)的主要因素是CPU中用來存儲操作數(shù)的存儲單元。據(jù)此可將指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為堆棧結(jié)構(gòu)、累加器結(jié)構(gòu)和通用寄存器結(jié)構(gòu)。2.3常見的3種通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)有哪些？指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類型優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)篇二：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作業(yè)答案第三章(張晨曦)3.1-3.3為術(shù)語說明等解答題。3.4設(shè)一條指令的執(zhí)行過程分為取指令，分析指令和執(zhí)行指令3個(gè)階段，每個(gè)階段所需時(shí)間分別為AT,AT,2AT,分別求出下列各種狀況下，連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間。(1)依次執(zhí)行方式(2)只有“取指令”與“執(zhí)行指令”重疊(3)“取指令”，“分析指令”與“執(zhí)行指令”重疊解：4NAT(3N+1)AT(3)2(N+1)AT3.6解決流水線瓶頸問題有哪兩種常用方法？解：(1)細(xì)分瓶頸段將瓶頸段細(xì)分為若干個(gè)子瓶頸段(2)重復(fù)設(shè)置瓶頸段重復(fù)設(shè)置瓶頸段，使之并行工作，以此錯(cuò)開處理任務(wù)3.9列舉下面循環(huán)中的全部相關(guān)，包括輸出相關(guān)，反相關(guān),真數(shù)據(jù)相關(guān)。for(i=2;i<100;i=i+1){a[i]=b[i]+真數(shù)據(jù)相關(guān)。a[i];(1)c[i+l]=a[i]+d[i];(2)a[iT]=2*b[i];(3)b[i+1]=2*b[i];(4)｝解：輸出相關(guān)：第k次循環(huán)時(shí)(1)與第k+1輪時(shí)⑶反相關(guān)：第k次循環(huán)時(shí)⑴和⑵與第k-1輪時(shí)(3)真數(shù)據(jù)相關(guān)：每次循環(huán)(1)與(2),第k次循環(huán)(4)與k+1次循環(huán)(1),(3)，(4)3.12有一指令流水線如下所示50ns50ns100ns200ns(1)求連續(xù)如入10條指令的狀況下，該流水線的實(shí)際吞吐率和效率(2)該流水線的“瓶頸”在哪一段？請采納兩種不同的措施消退此“瓶頸”。對于你所給出的兩種新的流水線連續(xù)輸入10條指令時(shí)，其實(shí)際吞吐率和效率各是多少？解：(1)(m表示流水線級數(shù)，n表示任務(wù)數(shù))(2)瓶頸在3、4段。方法一：變成八級流水線(細(xì)分)11?7e8方法二：變成兩級流水線(合并)方法三：將段1、2合并為一段，段4細(xì)化流水為兩段方法四：重復(fù)設(shè)置部件，設(shè)置2個(gè)部件3,4個(gè)部件4,和第一種方法結(jié)果相同3.14有一條靜態(tài)多功能流水線由5段組成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第3段時(shí)間為2At,其余各段時(shí)間均為At,而且流水線的輸出可以干脆返回輸入端或暫存于相應(yīng)的流水寄存器中，現(xiàn)要在該流水線上計(jì)算(AB)，畫出其時(shí)空圖，并計(jì)算其吞吐率、i1i14急速比和效率。解：(1)?任務(wù)劃分如下：F=(A1+B1)?(A2+B2)?(A3+B3)?(A4+B4)(7)時(shí)空圖如下：S5S4S3S2S1(2)Tk=18At,TP二7/18At,S二29/18=1.611,E=29/(18*5)=29/90^32.2%3.15一動態(tài)多功能流水線由6個(gè)功能段組成，如下圖(圖4)：圖4其中：S1、S4、S5、S6組成乘法流水線，S1、S2、S3、S6組成加法流水線，每個(gè)功能段時(shí)間均為50ns。假定該流水線的輸出結(jié)果可以干脆返回流水線輸入端，而且設(shè)置有足夠的緩沖寄存器。若根據(jù)最快的方式用該流水線計(jì)算①請畫出其處理過程的時(shí)空圖。②計(jì)算其實(shí)際吞吐率，加速比和效率。解：(1)?任務(wù)劃分如下：OF=X1?Y1?Z1+X2?Y2?Z2+X3?Y3?Z3+X4?Y4?Z4+X5?Y5?Z5時(shí)空圖如下：S6S5S4S3S2S1(2).Tk=22At,TP二7/11At=7/(11*50ns)=12?727e6，S=28/11=2.555，E=14/33=42.42%3.18、在Cray1機(jī)上，按鏈接方式執(zhí)行下面4條向量指令（括號中給出相應(yīng)功能部件時(shí)間），假如向量寄存器和功能部件之間的數(shù)據(jù)傳輸須要1拍，試求此鏈接流水線的流過時(shí)間為多少拍？假如向量長度為64，則須要多少拍能得到全部結(jié)果。V0-存儲器（存儲器取數(shù)：7拍）V2-V0+V1（向量加：3拍）V3-V2<A3（根據(jù)A3左移：4拍）V5-V3AV4（向量邏輯乘：2拍）解答：四條指令每前后兩條依次存在先寫后讀相關(guān)，故流水線經(jīng)過時(shí)間為（1+7+1）+（1+3+1）+（1+4+1）+（1+2+1）=24。假如向量長度為64,則需24+（64-1）=87拍能得到全部結(jié)果。篇三：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課后習(xí)題原版答案—張晨曦著1?1說明下列術(shù)語計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)機(jī)器程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。計(jì)算機(jī)組成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包含物理機(jī)器級中的數(shù)據(jù)流和限制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)，包括處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號傳輸，電源、冷卻及整機(jī)裝配技術(shù)等。系統(tǒng)加速比：對系統(tǒng)中某部分進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，改進(jìn)后系統(tǒng)性能提高的?倍數(shù)。Amdahl定律：當(dāng)對一個(gè)系統(tǒng)中的某個(gè)部件進(jìn)行改進(jìn)后，所能獲得的整個(gè)系統(tǒng)性能的提高，受限于該部件的執(zhí)行時(shí)間占總執(zhí)行時(shí)間的百分比。并行性：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在同一時(shí)刻或者同一時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行多種運(yùn)算或操作。只要在時(shí)間上相互重疊，就存在并行性。它包括同時(shí)性與并發(fā)性兩種含義。1.2試用實(shí)例說明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)之間的相互關(guān)系。答：如在設(shè)計(jì)主存系統(tǒng)時(shí)，確定主存容量、編址方式、尋址范圍等屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。確定主存周期、邏輯上是否采納并行主存、邏輯設(shè)計(jì)等屬于計(jì)算機(jī)組成。選擇存儲芯片類型、微組裝技術(shù)、線路設(shè)計(jì)等屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成。一種組成可以有多種實(shí)現(xiàn)。1.4計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中常常運(yùn)用的4個(gè)定量原理是什么？并說出它們的含義。答：（1）以常常性事務(wù)為重點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對常常發(fā)生的狀況，給予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源運(yùn)用權(quán)，以得到更多的總體上的改進(jìn)。（2）Amdahl定律。加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占的重要性。（3）CPU性能公式。執(zhí)行一個(gè)程序所需的CPU時(shí)間二ICXCPIX時(shí)鐘周期時(shí)間。（4）程序的局部性原理。程序在執(zhí)行時(shí)所訪問地址的分布不是隨機(jī)的，而是相對地簇聚。1?6某臺主頻為400MHz的計(jì)算機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測試程序，程序中指令類型、執(zhí)行數(shù)量和平均時(shí)鐘周期數(shù)如下：求該計(jì)算機(jī)的有效CPI、MIPS和程序執(zhí)行時(shí)間。解：（1）CPI=（45000X1+75000X2+8000X4+1500X2）/129500=1.776(2)MIPS速率=f/CPI=400/1.776=225.225MIPS(3)程序執(zhí)行時(shí)間二(45000X1+75000X2+8000X4+1500X2)/400=575s1?7將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快10倍，但該功能的處理時(shí)間僅為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的40%，則采納此增加功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？解由題可知：可改進(jìn)比例二40%=0.4部件加速比二10依據(jù)Amdahl定律可知：1系統(tǒng)加速比1.56250.410.410采納此增加功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高到原來的1.5625倍。1?8計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有三個(gè)部件可以改進(jìn)，這三個(gè)部件的部件加速比為：部件加速比1=30；部件加速比2=20；部件加速比3=10假如部件1和部件2的可改進(jìn)比例均為30%,那么當(dāng)部件3的可改進(jìn)比例為多少時(shí)，系統(tǒng)加速比才可以達(dá)到10?假如三個(gè)部件的可改進(jìn)比例分別為30%、30%和20%，三個(gè)部件同時(shí)改進(jìn)，那么系統(tǒng)中不行加速部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是多少？解：(1)在多個(gè)部件可改進(jìn)狀況下，Amdahl定理的擴(kuò)展：Sn(11Fi)FiSi已知S1=30，S2=20，S3=10，Sn=10，F(xiàn)1=0.3,F2=0.3,得：1011(-0?30?3F3)(0.3/300.3/20F3/10)得F3=0.36，即部件3的可改進(jìn)比例為36%。(2)設(shè)系統(tǒng)改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間為T，則3個(gè)部件改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間為：(0.3+0.3+0.2)T=0.8T，不行改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間為0.2T。已知3個(gè)部件改進(jìn)后的加速比分別為S1=30,S2=20,S3=10,因此3個(gè)部件改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間為：'Tn0.3T0.3T0.2T0.045T302022改進(jìn)后整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間為：Tn=0.045T+0.2T=0.245T那么系統(tǒng)中不行改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是：0.2T0.820.245T1.9假設(shè)某應(yīng)用程序中有4類操作，通過改進(jìn)，各操作獲得不同的性能提高。詳細(xì)數(shù)據(jù)如下表所示：(2)各類操作單獨(dú)改進(jìn)后，程序獲得的加速比分別是多少？4類操作均改進(jìn)后，整個(gè)程序的加速比是多少？解：依據(jù)Amdahl定律SnlFe(IFe)Se可得4類操作均改進(jìn)后，整個(gè)程序的加速比：1Sn2.16Fi(1Fi)Si第2章指令集結(jié)構(gòu)的分類2.1說明下列術(shù)語堆棧型機(jī)器：CPU中存儲操作數(shù)的單元是堆棧的機(jī)器。累加器型機(jī)器：CPU中存儲操作數(shù)的單元是累加器的機(jī)器。通用寄存器型機(jī)器：CPU中存儲操作數(shù)的單元是通用寄存器的機(jī)器。2.2區(qū)分不同指令集結(jié)構(gòu)的主要因素是什么？依據(jù)這個(gè)主要因素可將指令集結(jié)構(gòu)分為哪3類？答：區(qū)分不同指令集結(jié)構(gòu)的主要因素是CPU中用來存儲操作數(shù)的存儲單元。據(jù)此可將指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為堆棧結(jié)構(gòu)、累加器結(jié)構(gòu)和通用寄存器結(jié)構(gòu)。2.4指令集應(yīng)滿意哪幾個(gè)基本要求？答：對指令集的基本要求是：完整性、規(guī)整性、高效率和兼容性。完整性是指在一個(gè)有限可用的存儲空間內(nèi)，對于任何可解的問題，編制計(jì)算程序時(shí)，指令集所供應(yīng)的指令足夠運(yùn)用。規(guī)整性主要包括對稱性和勻稱性。對稱性是指全部與指令集有關(guān)的存儲單元的運(yùn)用、操作碼的設(shè)置等都是對稱的。勻稱性是指對于各種不同的操作數(shù)類型、字長、操作種類和數(shù)據(jù)存儲單元，指令的設(shè)置都要同等對待。高效率是指指令的執(zhí)行速度快、運(yùn)用頻度高。2.7簡述RISC指令集結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則。答（1）選取運(yùn)用頻率最高的指令，并補(bǔ)充一些最有用的指令；（2）每條指令的功能應(yīng)盡可能簡潔，并在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成；（3）全部指令長度均相同；（4）只有Load和Store操作指令才訪問存儲器，其它指令操作均在寄存器之間進(jìn)行；（5）以簡潔有效的方式支持高級語2.10通常有哪幾種指令格式，請簡述其適用范圍。答：（1）變長編碼格式。假如系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者感愛好的是程序的目標(biāo)代碼大小，而不是性能，就可以采納變長編碼格式。（2）固定長度編碼格式。假如感愛好的是性能，而不是程序的目標(biāo)代碼大小，則可以選擇固定長度編碼格式。（3）混合型編碼格式。須要兼顧降低目標(biāo)代碼長度和降低譯碼困難度時(shí)，可以采納混合型編碼格式。第3章流水線技術(shù)3.1說明下列術(shù)語流水線：將一個(gè)重復(fù)的時(shí)序過程，分解成為若干個(gè)子過程,而每一個(gè)子過程都可有效地在其專用功能段上與其它子過程同時(shí)執(zhí)行。吞吐率：在單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)量或輸出結(jié)果的數(shù)量。流水線的加速比：運(yùn)用依次處理方式處理一批任務(wù)所用的時(shí)間與按流水處理方式處理同一批任務(wù)所用的時(shí)間之比。數(shù)據(jù)相關(guān)：考慮兩條指令i和j,i在j的前面，假如下述條件之一成立，則稱指令j與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)：（1）指令j運(yùn)用指令i產(chǎn)生的結(jié)果；（2）指令j與指令k數(shù)據(jù)相關(guān)，而指令k又與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)。數(shù)據(jù)沖突：當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，因須要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)生的沖突。定向：用來解決寫后讀沖突的。在發(fā)生寫后讀相關(guān)的狀況下，在計(jì)算結(jié)果尚未出來之前，后面等待運(yùn)用該結(jié)果的指令并不見得是立刻就要用該結(jié)果。假如能夠?qū)⒃撚?jì)算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方干脆送到其它指令須要它的地方，那么就可以避開停頓。鏈接技術(shù)：具有先寫后讀相關(guān)的兩條指令，在不出現(xiàn)功能部件沖突和Vi沖突的狀況下，可以把功能部件鏈接起來進(jìn)行流水處理，以達(dá)到加快執(zhí)行的目的。分段開采：當(dāng)向量的長度大于向量寄存器的長度時(shí)，必需把長向量分成長度固定的段，然后循環(huán)分段處理，每一次循環(huán)只處理一個(gè)向量段。3.3簡述先行限制的基本思想。答：先行限制技術(shù)是把緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)相結(jié)合。緩沖技術(shù)是在工作速度不固定的兩個(gè)功能部件之間設(shè)置緩沖器，用以平滑它們的工作。預(yù)處理技術(shù)是指預(yù)取指令、對指令進(jìn)行加工以及預(yù)取操作數(shù)等。采納先行限制方式的處理機(jī)內(nèi)部設(shè)置多個(gè)緩沖站，用于平滑主存、指令分析部件、運(yùn)算器三者之間的工作。這樣不僅使它們都能獨(dú)立地工作，充分勞碌而不用相互等待，而且使指令分析部件和運(yùn)算器分別能快速地取得指令和操作數(shù)，大幅度地提高指令的執(zhí)行速度和部件的效率。這些緩沖站都按先進(jìn)先出的方式工作，而且都是由一組若干個(gè)能快