计算机系统结构课后习题答案.自考

课　后　习　题

第一章　计算机系统结构的基本概念

1.有一个计算机系统可按功能分成 4 级，每级的指令互不相同，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。现若需第 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:

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、内存技术的不断发展，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结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系与影响。

答： jjjj计算机系统结构、计算机组成、计算机实现互不相同，但又相互影响。

（1）计算机的系统结构相同，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结构相同，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，中央处理机都有相同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行，在高档机上采用重叠、流水或其它并行处理方式。

（2）相同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。

综上所述，系统结构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。应避免过多地或不合理地限制各种组成、实现技术的采用和发展，尽量做到既

能方便地在低档机上用简单便宜的组成实现，又能在高档机上用复杂较贵的组成实现，这样，结构才有生命力 ；

组成设计上面决定于结构，下面受限于实现技术。然而，它可与实现折衷权衡。例如，为达到速度要求，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；结构、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 的发展更使结构组成和实现融为一体，

难以分开。

4.什么是透明性概念？对计算机系统结构，下列哪些是透明的？哪些是不透明的？

PDP-11 系列的单总线结构串行、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？

指令地址寄存器；指令缓冲器；时标发生器；条件寄存器；乘法器；主存地址寄存器；磁盘外设；先行进位链 ；

移位器；通用寄存器；中断字寄存器。

答： jjjj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、主存地址寄存器。

指令缓冲寄存器。

note:

系列机各档不同的数据通路宽度、Cache 存贮器、指令缓冲寄存器属于计算机组成，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”指令则对系统程序员和应用程序员都是不透明的。

7.想在系列机中发展一种新型号机器，你认为下列哪些设想是可以考虑的，哪些则不行的？为什么？

（1）新增加字符数据类型和若干条字符处理指令，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，以克服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

答： jjjj可以考虑的有：1,3,4,6,7。不可以考虑的有：2,5,8。

原则是看改进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结构基本不变，因此在确定系列结构时要

非常慎重。其中最主要是确定好系列机的指令系统、数据表示及概念性结构。既要考虑满足应用的各种需要和

发展，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 种基本结构？列举它们各自要解决的主要问题。

答： jjjj除了分布处理，MPP 和机群系统外，并行处理计算机按其基本结构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结构。

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，以实现时间上的

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：研究合适的硬件组织和结构，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： jjjj计算机系统的 3T 性能目标是 1TFLOPS 计算能力 ， 1TBYTE 主存容量 和 1TBYTE/S 的 I/O 带宽。

第二章　数据表示与指令系统

数据结构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结构的组成元素。

不同的数据表示可为数据结构的实现提供不同的支持，表现在实现效率和方便性不同。数据表示和数据结构是

软件、硬件的交界面。

除基本数据表示不可少外，高级数据表示的引入遵循以下原则：

（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结构所提供的支持

有什么不同？

答： jjjj标志符数据表示与描述符数据表示的差别是标志符与每个数据相连，合存于同一存储单元，描述单个

数据的类型特性;描述符是与数据分开存放，用于描述向量、数组等成块数据的特征。

3.堆栈型机器与通用寄存器型机器的主要区别是什么？堆栈型机器系统结构为程序调用哪些操作提供了支持？

答： jjjj通用寄存器型机器对堆栈数据结构实现的支持是较差的。表现在：(1)堆栈操作的指令少，功能单一；

(2)堆栈在存储器内，访问堆栈速度低；(3)堆栈通常只用于保存于程序调用时的返回地址，少量用堆栈实现

程序间的参数传递。

而堆栈型机器则不同，表现在：(1)有高速寄存器组成的硬件堆栈，并与主存中堆栈区在逻辑上组成整体，

使堆栈的访问速度是寄存器的，容量是主存的；(2)丰富的堆栈指令可对堆栈中的数据进行各种运算和处理；

(3)有力地支持高级语言的编译；(4)有力地支持子程序的嵌套和递归调用。

堆栈型机器系统结构有力地支持子程序的嵌套和递归调用。在程序调用时将返回地址、条件码、关键寄存

器的内容等全部压入堆栈，待子程序返回时，再从堆栈中弹出。

  

最小阶非负阶，最小为 

  

阶的个数

  

可表示的尾数的个数

  

可表示的规格化数的个数

5.（1）浮点数系统使用的阶基 rp=2,阶值位数 p=2,尾数基值 rm=10，以 rm 为基的尾数位数 m''=1,按照使

用的倍数来说，等价于 m=4, 试计算在非负阶、正尾数、规格化情况下的最小尾数值、最大尾数值、最大阶值 、

可表示的最小值和最大值及可表示数的个数。

（2）对于 rp=2,p=2,rm=4,m'=2,重复以上计算。

解： jjjj依题意列下表：

 

最小尾数值

 

最大尾数值

 

题中“按照使用的倍数来说，等价于 m=4,” 这个 m=4,因为 2^3<10<2^4,等价为实际要 4 个二进制位，

表示 RM=10 为基的一位

6.由 4 位数（其中最低位为下溢附加位）经 ROM 查表舍入法，下溢处理成 3 位结果，设计使下溢处理平均误差

接近于零的 ROM 表，列出 ROM 编码表地址与内容的对应关系。

解： jjjjROM 编码表地址与内容的对应关系

地址                

内容                

7.变址寻址和基址寻址各适用于何种场合？设计一种只用 6 位地址码就可指向一个大地址空间中任意 64 个地

剖析： jjjj比如地址空间很大，1024，就是分成 16 个块，块号放在寄存器中，块内地址放在地址位中，寄存

器内容和地址位结合，就能达到要求了。

8. 经 统 计 ， 某 机 器 14 条 指 令 的 使 用 频 度 分 别 为 ：

0.01,0.15,0.12,0.03,0.02,0.04,0.02,0.04,0.01,0.13,0.15,0.14,0.11,0.03。分别求出用等

长码、Huffman 码、只有两种码长的扩展操作码 3 种编码方式的操作码平均码长。

解： jjj等长操作码的平均码长=4 位;Huffman 编码的平均码长=3.38 位;只有两种码长的扩展操作码的平均

码长=3.4 位。

不满足题目要求

∴不可能以扩展码为其编码。

② 若单地址指令 254 条，可以用扩展码为其编码。

三地址指令格式：j操作码jj地址码jj地址码jj地址码

3 位jjjjj3 位jjjj3 位jjjjj3 位

单地址指令格式：j操作码jj地址码

问单地址指令最多可以有多少条?

答： jj单地址指令最多为(16-X)×2^6

 P.S.双地址指令最多是 2^(16-6-6)=2^4=16 条， 现双地址指令有 X 条,

∴可有(16-X)条编码作为扩展码，

∴单地址指令最多为(16-X)×2^6=256 条

① 操作码的优化