計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)習(xí)題答案

1、1第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.1解釋下列術(shù)語層次機(jī)構(gòu)：按照計(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。解釋：對于高一級

2、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)行解釋執(zhí)行，如此反復(fù)，直到解釋執(zhí)行完整個程序。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。透明性：在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，把這種本來存在的事物或?qū)傩?，但從某種角度看又好像不存在的概念稱為透明性。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)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)

3、：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)對一個系統(tǒng)中的某個部件進(jìn)行改進(jìn)后，所能獲得的整個系統(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

4、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，就能按照程序指定的邏輯順序執(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：一個軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修

5、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3答：（1）以經(jīng)常性事件為重點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對經(jīng)常發(fā)生的情況，賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(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)

6、中所占的重要性。（3）CPU性能公式。執(zhí)行一個程序所需的CPU時(shí)間=ICCPI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)對一個字的全部位進(jìn)

7、行處理，不同字之間是串行的。已開始出現(xiàn)并行性；（3）字并位串：同時(shí)對許多字的同一位（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)對許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)行兩個或兩個以上的線程，通常是以一個進(jìn)程內(nèi)派生的多個線程為調(diào)度單位；

8、（4）任務(wù)級或過程級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的過程或任務(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)行兩個或兩個以上的作業(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：（1）CPI＝(450001＋7

9、50002＋80004＋15002)129500＝1.776（2）MIPS速率＝fCPI＝4001.776＝225.225MIPS（3）程序執(zhí)行時(shí)間=(450001＋750002＋80004＋15002)／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)間僅為整個系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的40%，則采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個系統(tǒng)的性能提高多少？解由題可知：可改進(jìn)比例=40%=0.4部件加速比=10根據(jù)Amdah