計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)《張晨曦、王志英》課后習題參考答案

1、1第1章計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念1.1解釋下列術(shù)語層次機構(gòu)層次機構(gòu)：按照計算機語言從低級到高級的次序，把計算機系統(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：微程序機器級，傳統(tǒng)機器語言機器級，匯編語言機器級，高級語言機器級，應(yīng)用語言機器級等。虛擬機虛擬機：用軟件實現(xiàn)的機器。翻譯翻譯：先用轉(zhuǎn)換程序把高一級機器上的程序轉(zhuǎn)換為低一級機器上等效的程序，然后再在這低一級機器上運行，實現(xiàn)程序的功能

2、。解釋解釋：對于高一級機器上的程序中的每一條語句或指令，都是轉(zhuǎn)去執(zhí)行低一級機器上的一段等效程序。執(zhí)行完后，再去高一級機器取下一條語句或指令，再進行解釋執(zhí)行，如此反復(fù)，直到解釋執(zhí)行完整個程序。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)機器程序員所看到的計算機屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。在計算機技術(shù)中，把這種本來存在的事物或?qū)傩裕珡哪撤N角度看又好像不存在的概念稱為透明性。計算機組成計算機組成：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，包含物理機器級中的數(shù)據(jù)流和

3、控制流的組成以及邏輯設(shè)計等。計算機實現(xiàn)計算機實現(xiàn)：計算機組成的物理實現(xiàn)，包括處理機、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、冷卻及整機裝配技術(shù)等。系統(tǒng)加速比系統(tǒng)加速比：對系統(tǒng)中某部分進行改進時，改進后系統(tǒng)性能提高的倍數(shù)。Amdahl定律定律：當對一個系統(tǒng)中的某個部件進行改進后，所能獲得的整個系統(tǒng)性能的提高，受限于該部件的執(zhí)行時間占總執(zhí)行時間的百分比。程序的局部性原理程序的局部性原理：程序執(zhí)

4、行時所訪問的存儲器地址不是隨機分布的，而是相對地簇聚。包括時間局部性和空間局部性。CPI：每條指令執(zhí)行的平均時鐘周期數(shù)。測試程序套件測試程序套件：由各種不同的真實應(yīng)用程序構(gòu)成的一組測試程序，用來測試計算機在各個方面的處理性能。存儲程序計算機存儲程序計算機：馮諾依曼結(jié)構(gòu)計算機。其基本點是指令驅(qū)動。程序預(yù)先存放在計算機存儲器中，機器一旦啟動，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。系列機系列機：由同一廠家生產(chǎn)

5、的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的計算機。軟件兼容軟件兼容：一個軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺計算機移植到另一臺計算機上運行。差別只是執(zhí)行時間的不同。向上（下）兼容向上（下）兼容：按某檔計算機編制的程序，不加修改就能運行于比它高（低）檔的計算機。31.4計算機系統(tǒng)設(shè)計中經(jīng)常使用的4個定量原理是什么？并說出它們的含義。答：（1）以經(jīng)常性事件為重點。在計算機系統(tǒng)的設(shè)計中，對經(jīng)常發(fā)生的情況，賦予它優(yōu)先的處

6、理權(quán)和資源使用權(quán)，以得到更多的總體上的改進。（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)行一個程序所需的CPU時間=ICCPI時鐘周期時間。（4）程序的局部性原理。程序在執(zhí)行時所訪問地址的分布不是隨機的，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，計算機系統(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

7、為：（1）字串位串：每次只對一個字的一位進行處理。這是最基本的串行處理方式，不存在并行性；（2）字串位并：同時對一個字的全部位進行處理，不同字之間是串行的。已開始出現(xiàn)并行性；（3）字并位串：同時對許多字的同一位（稱為位片）進行處理。這種方式具有較高的并行性；（4）全并行：同時對許多字的全部位或部分位進行處理。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

8、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，通常是以一個進程內(nèi)派生的多個線程為調(diào)度單位；（4）任務(wù)級或過程級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的過程或任務(wù)（程序段），以子程序或進程為調(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的計算機執(zhí)行標準測試程序，程序中指令類型、執(zhí)行數(shù)量和平均時鐘周期數(shù)如下：指令類型指令執(zhí)行數(shù)量平均時鐘周期數(shù)整數(shù)450001數(shù)據(jù)

9、傳送750002浮點80004分支15002求該計算機的有效CPI、MIPS和程序執(zhí)行時間。解：（1）CPI＝(450001＋750002＋80004＋15002)129500＝1.776（2）MIPS速率＝fCPI＝4001.776＝225.225MIPS（3）程序執(zhí)行時間=(450001＋750002＋80004＋15002)／400=575s1.7將計算機系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快10倍，但該功能的處理時間僅為整個系統(tǒng)運行時間的

10、40%，則采用此增強功能方法后，能使整個系統(tǒng)的性能提高多少？解由題可知：可改進比例=40%=0.4部件加速比=10根據(jù)Amdahl定律可知：??5625.1104.04.011????系統(tǒng)加速比采用此增強功能方法后，能使整個系統(tǒng)的性能提高到原來的1.5625倍。1.8計算機系統(tǒng)中有三個部件可以改進，這三個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）如果部件1和部件2的可改進比例均為30%，那么當部