### 计算机体系结构课后答案解析
#### 第1章 计算机系统结构的基本概念
本章节主要介绍了计算机系统结构的基础概念及其相关术语，旨在帮助学生理解计算机系统是如何组织和运作的。
##### 1.1 解释下列术语
1. **层次机构**：在计算机科学中，层次机构是指按照计算机语言从低级到高级的次序，将计算机系统按功能划分成多级层次结构的过程。每一层都有其特定的语言特征。这些层次通常包括：
- 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
2. **虚拟机**：虚拟机是一种通过软件实现的计算机系统，可以在物理计算机上模拟出另一种计算机环境。
3. **翻译**：指将高级语言程序转换为低级语言程序的过程，以便能在较低级别的机器上运行。
4. **解释**：对于高级语言程序中的每一条语句或指令，解释器会逐条转换并执行对应的低级语言代码，而不是一次性转换整个程序。
5. **计算机系统结构**：指的是传统机器程序员所能看到的计算机属性，包括其概念性结构与功能特性。
6. **透明性**：在计算机领域，透明性是指某些特性或组件对用户来说是不可见或不明显的情况。例如，缓存机制对应用程序而言就是透明的。
7. **计算机组成**：计算机系统结构的逻辑实现，涉及物理机器级的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等方面。
8. **计算机实现**：计算机组成的物理实现，包括处理机、内存等部件的具体物理结构、集成度、速度等方面的细节。
9. **系统加速比**：系统加速比是指通过对系统某部分进行改进后，系统整体性能提升的比例。
10. **Amdahl定律**：当对一个系统中的某个部件进行改进时，所能获得的整个系统性能提升受到该部件执行时间占比的限制。
11. **程序的局部性原理**：这是指程序在执行过程中访问的存储器地址呈现出一定的聚集特性，主要包括时间局部性和空间局部性。
12. **CPI (Clock Cycles per Instruction)**：平均每条指令执行所需的时钟周期数，是衡量处理器效率的一个重要指标。
13. **测试程序套件**：由一系列真实的应用程序组成的测试集合，用于评估计算机在各个方面的处理性能。
14. **存储程序计算机**：基于冯·诺依曼架构的计算机，其核心特点是将程序存储在内存中，并能够自动执行这些程序。
15. **系列机**：指同一制造商生产的一系列具有相同系统结构但具有不同组成和实现的计算机。
16. **软件兼容**：指的是一个软件可以在不同类型的计算机上运行，可能仅需少量修改。
17. **向上（下）兼容**：指的是按照某档计算机编写的程序可以直接在比它更高（低）档次的计算机上运行。
18. **向后（前）兼容**：指的是按照某个时期投放市场的计算机编写的程序可以直接在后续（之前）投放市场的计算机上运行。
19. **兼容机**：由不同制造商生产的具有相同系统结构的计算机。
20. **模拟**：通过软件方法在现有计算机上实现另一台计算机的指令系统。
21. **仿真**：通过微程序的方式，在现有计算机上实现另一台计算机的指令系统。
22. **并行性**：计算机系统在同一时刻或同一时间间隔内进行多种运算或操作的能力，包括同时性和并发性两个方面。
23. **时间重叠**：通过在时间上错开多个处理过程来加速硬件周转。
24. **资源重复**：通过增加硬件资源的数量来提高系统的性能。
25. **资源共享**：通过软件方法使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。
26. **耦合度**：衡量多机系统中各计算机之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱。
27. **紧密耦合系统**：计算机之间通过高速总线或开关连接，可以共享主存。
28. **松散耦合系统**：计算机之间通过通道或通信线路连接，可以共享外部存储设备。
29. **异构型多处理机系统**：由多个不同类型或担负不同功能的处理机组成，根据作业需求顺序处理任务。
30. **同构型多处理机系统**：由多个同类型或担负同等功能的处理机组成，同时处理可并行的任务。
##### 1.2 试用实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系
计算机系统结构、计算机组成与计算机实现三者之间存在着密切的关系。以设计主存系统为例：
- **计算机系统结构**：定义了主存的容量、编址方式、寻址范围等高级抽象，决定了主存的基本特性和功能。
- **计算机组成**：确定了主存的工作周期、是否采用并行主存设计、具体的逻辑实现方式等，涉及到主存的具体逻辑结构。
- **计算机实现**：选择具体的存储芯片类型、微组装技术、线路设计等物理实现细节，决定了主存的实际物理形态。
简而言之，计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，而计算机实现则是计算机组成的物理实现。一种系统结构可以有不同的组成方案，而一种组成方案也可以有不同的实现方式。这种分层的设计方法使得计算机系统既具有灵活性又具有可扩展性。
##### 1.3 计算机系统结构的Flynn分类法是按什么来分类的？共分为哪几类？
**Flynn分类法**是根据指令流和数据流的多路性来对计算机系统进行分类的一种方法。它将计算机系统的结构分为以下四类：
1. **SISD (Single Instruction Stream, Single Data Stream)**：单一指令流单一数据流，这是最传统的计算机系统结构，如典型的冯·诺依曼架构计算机。
2. **SIMD (Single Instruction Stream, Multiple Data Streams)**：单一指令流多重数据流，适用于并行处理多个数据的场合，例如图形处理器(GPU)的部分功能。
3. **MISD (Multiple Instruction Streams, Single Data Stream)**：多重指令流单一数据流，这类系统较少见。
4. **MIMD (Multiple Instruction Streams, Multiple Data Streams)**：多重指令流多重数据流，广泛应用于现代多核处理器和分布式计算系统中。
Flynn分类法有助于理解并行计算的不同模式，并为计算机系统的设计提供了理论基础。
