计算机系统结构课后习题答案).doc_计算机系统结构课后题资源-CSDN文库

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第一章　计算机系统构造的根本概念

1.有一个计算机系统可按功能分成 4 级，每级的指令互不一样，每一级的指令都比其下一级的指令

在效能上强 M 倍，即第 i 级的一条指令能完成第 i-1 级的 M 条指令的计算量。现假设需第 i 级的 N

条指令解释第 i+1 级的一条指令，而有一段第 1 级的程序需要运行 Ks，问在第 2、3 和 4 级上一段等

效程序各需要运行多长时间？

答：第 2 级上等效程序需运行：(N/M)*Ks。第 3 级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*Ks。第 4 级

上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks。

note: 由题意可知：第 i 级的一条指令能完成第 i-1 级的 M 条指令的计算量。而现在第 i 级有 N 条

指令解释第 i+1 级的一条指令，那么，我们就可以用 N/M 来表示 N/M 表示第 i+1 级需(N/M)条指令来

完成第 i 级的计算量。所以，当有一段第 1 级的程序需要运行 Ks 时，在第 2 级就需要(N/M)Ks，以

此类推

2.硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上又是不等效的？试举例说明。

答：软件和硬件在逻辑功能上是等效的，原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也

可用软件模拟完成。但是实现的性能价格比，实现的难易程序不同。

在 DOS 操作系统时代，汉字系统是一个重要问题，早期的汉字系统的字库和处理程序都固化在汉

卡〔硬件〕上，而随着 CPU、硬盘、内存技术的不断开展，UCDOS 把汉字系统的所有组成部份做成

一个软件。

3.试以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与影响。

答：计算机系统构造、计算机组成、计算机实现互不一样，但又相互影响。

〔1〕计算机的系统构造一样，但可采用不同的组成。如 IBM370 系列有 115、125、135、158、168

等由低档到高档的多种型号机器。从汇编语言、机器语言程序设计者看到的概念性构造一样，均是

由中央处理机/主存，通道、设备控制器，外设 4 级构成。其中，中央处理机都有一样的机器指令和

汇编指令系统，只是指令的分析、执行在低档机上采用顺序进展，在高档机上采用重叠、流水或其

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它并行处理方式。

〔2〕一样的组成可有多种不同的实现。如主存器件可用双极型的，也可用 MOS 型的；可用 VLSI

单片，也可用多片小规模集成电路组搭。

〔3〕计算机的系统构造不同，会使采用的组成技术不同，反之组成也会影响构造。如为实现

A:=B+CD:=E*F,可采用面向存放器的系统构造，也可采用面向主存的三地址寻址方式的系统构造。要

提高运行速度，可让相加与相乘并行，为此这两种构造在组成上都要求设置独立的加法器和乘法器。

但对面向存放器的系统构造还要求存放器能同时被访问，而对面向主存的三地址寻址方式的系统构

造并无此要求，倒是要求能同时形成多个访存操作数地址和能同时访存。又如微程序控制是组成影

响构造的典型。通过改变控制存储器中的微程序，就可改变系统的机器指令，改变构造。如果没有

组成技术的进步，构造的进展是不可能的。

综上所述，系统构造的设计必须结合应用考虑，为软件和算法的实现提供更多更好的支持，同时

要考虑可能采用和准备采用的组成技术。应防止过多地或不合理地限制各种组成、实现技术的采用

和开展，尽量做到既能方便地在低档机上用简单廉价的组成实现，又能在高档机上用复杂较贵的组

成实现，这样，构造才有生命力；组成设计上面决定于构造，下面受限于实现技术。然而，它可与

实现折衷权衡。例如，为到达速度要求，可用简单的组成但却是复杂的实现技术，也可用复杂的组

成但却是一般速度的实现技术。前者要求高性能的器件，后者可能造成组成设计复杂化和更多地采

用专用芯片。

组成和实现的权衡取决于性能价格比等因素；构造、组成和实现所包含的具体内容随不同时期及

不同的计算机系统会有差异。软件的硬化和硬件的软件都反映了这一事实。VLSI 的开展更使构造组

成和实现融为一体，难以分开。

4.什么是透明性概念？对计算机系统构造，以下哪些是透明的？哪些是不透明的？

存储器的模 m 穿插存取；浮点数据表示；I/O 系统是采用通道方式还是外围处理机方式；数据总线

宽度；字符行运算指令；阵列运算部件；通道是采用结合型还是独立型；PDP-11 系列的单总线构造；

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访问方式保护；程序性中断；串行、重叠还是流水控制方式；堆栈指令；存储器最小编址单位；Cache

存储器。

答：透明指的是客观存在的事物或属性从某个角度看不到。

透明的有：存储器的模 m 穿插存取；数据总线宽度；阵列运算部件；通道是采用结合型还是独立

型；PDP-11 系列的单总线构造串行、重叠还是流水控制方式；Cache 存储器。

不透明的有：浮点数据表示；I/O 系统是采用通道方式还是外围处理机方式；字符行运算指令；

访问方式保护；程序性中断；；堆栈指令；存储器最小编址单位。

5.从机器〔汇编〕语言程序员看，以下哪些是透明的？

指令地址存放器；指令缓冲器；时标发生器；条件存放器；乘法器；主存地址存放器；磁盘外设；

先行进位链；移位器；通用存放器；中断字存放器。

答：透明的有：指令缓冲器、时标发生器、乘法器、先进先出链、移位器、主存地址存放器。

6.以下哪些对系统程序员是透明的？哪些对应用程序员是透明的？

系列机各档不同的数据通路宽度；虚拟存储器；Cache 存储器；程序状态字；“启动 I/O〞指令；“执

行〞指令；指令缓冲存放器。

答：对系统程序员透明的有：系列机各档不同的数据通路宽度；Cache 存储器；指令缓冲存放器；

对应用程序员透明的有：系列机各档不同的数据通路宽度；Cache 存储器；指令缓冲存放器；虚

拟存储器；程序状态字；“启动 I/O〞指令。

note: 系列机各档不同的数据通路宽度、Cache 存贮器、指令缓冲存放器属于计算机组成，对系统和

程序员和应用程序员都是透明的。

虚拟存贮器、程序状态字、“启动 I/O〞指令，对系统程序员是不透明的，而对应用程序员却是

透明的。

“执行〞指令那么对系统程序员和应用程序员都是不透明的。

7.想在系列机中开展一种新型号机器，你认为以下哪些设想是可以考虑的，哪些那么不行的？为什

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么？

新增加字符数据类型和假设干条字符处理指令，以支持事务处理程序的编译。

〔2〕为增强中断处理功能，将中断分级由原来的 4 级增加到 5 级，并重新调整中断响应的优先次

序。

〔3〕在 CPU 和主存之间增设 Cache 存储器，以克制因主存访问速率过低而造成的系统性能瓶颈。

〔4〕为解决计算误差较大，将机器中浮点数的下溢处理方法由原来的恒置“1”法，改为用 ROM

存取下溢处理结果的查表舍入法。

〔5〕为增加寻址灵活性和减少平均指令字长，将原等长操作码指令改为有 3 类不同码长的扩展操

作码；将源操作数寻址方式由操作码指明改成如 VAX-11 那种设寻址方式位字段指明。

〔6〕将 CPU 与主存间的数据通路宽度由 16 位扩展成 32 位，以加快主机内部信息的传送。

〔7〕为减少公用总路线的使用冲突，将单总线改为双总线。

〔8〕把原 0 号通用存放器改作堆栈指示器。

答：可以考虑的有：1,3,4,6,7。不可以考虑的有：2,5,8。

原那么是看改良后能否保持软件的可移植性。

P.S.为了能使软件长期稳定，就要在相当长的时期里保证系统构造根本不变，因此在确定系列构

造时要非常慎重。其中最主要是确定好系列机的指令系统、数据表示及概念性构造。既要考虑满足

应用的各种需要和开展，又要考虑能方便地采用从低速到高速的各种组成的实现技术，即使用复杂、

昂贵的组成实现时，也还能充分发挥该实现方法所带来的好处。

8.并行处理计算机除分布处理、MPP 和机群系统外，有哪 4 种根本构造？列举它们各自要解决的主

要问题。

答：除了分布处理，MPP 和机群系统外，并行处理计算机按其根本构造特征可分为流水线计算机，

阵列处理机，多处理机和数据流计算机四种不同的构造。

流水线计算机主要通过时间重叠，让多个部件在时间上交划重叠地并行招待运算和处理，以实现

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时间上的并行。它主要应解决：拥塞控制，冲突防止，流水线调度等问题。

阵列处理机主要通过资源重复实现空间上的并行。它主要应解决：处理单元灵活、规律的互连模

式和互连网络设计，数据在存储器中的分布算法等问题。

多处理机主要通过资源共享，让一组计算机在统一的操作系统全盘控制下，实现软件和硬件各级

上的相互作用，到达时间和空间上的异步并行。它主要应解决：处理机间互连等硬件构造，进程

间的同上步和通讯，多处理机调度等问题。

数据流计算机设有共享变量的概念，指令执行顺序只受指令中数据的相关性制约。数据是以表示

某一操作数或参数已准备就绪的数据令牌直接在指令之间传递。它主要应解决：研究适宜的硬件组

织和构造，高效执行的数据流语言等问题。

9.计算机系统的 3T 性能目标是什么？

答：计算机系统的 3T 性能目标是 1TFLOPS 计算能力，1TBYTE 主存容量和 1TBYTES 的 I/O 带宽

第二章　数据表示与指令系统

1.数据构造和机器的数据表示之间是什么关系？确定和引入数据表示的根本原那么是什么？

答：数据表示是能由硬件直接识别和引用的数据类型。数据构造反映各种数据元素或信息单元之间

的构造关系。

数据构造要通过软件映象变换成机器所具有的各种数据表示实现，所以数据表示是数据构造的组

成元素。不同的数据表示可为数据构造的实现提供不同的支持，表现在实现效率和方便性不同。数

据表示和数据构造是软件、硬件的交界面。

除根本数据表示不可少外，高级数据表示的引入遵循以下原那么：

〔1〕看系统的效率有否提高，是否养活了实现时间和存储空间。

〔2〕看引入这种数据表示后，其通用性和利用率是否高。

2.标志符数据表示与描述符数据表示有何区别？描述符数据表示与向量数据表示对向量数据构造所

提供的支持有什么不同？

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