第四章作业答案 解释概念：主存、辅存，Cache, RAM, SRAM, DRAM, ROM, PROM ,EPROM ,EEPROM CDROM, Flash Memory. 解：1主存：主存又称为内存，直接与CPU交换信息。 2辅存：辅存可作为主存的后备存储器，不直接与CPU交换信息，容量比主存大，速度比主存慢。 3 Cache: Cache缓存是为了解决主存和CPU的速度匹配、提高访存速度的一种存储器。它设在主存和CPU之间，速度比主存快，容量比主存小，存放CPU最近期要用的信息。 4 RAM; RAM是随机存取存储器，在程序的执行过程中既可读出信息又可写入信息。 5 SRAM: 是静态RAM，属于随机存取存储器，在程序的执行过程中既可读出信息又可写入信息。靠触发器原理存储信息，只要不掉电，信息就不会丢失。 6 DRAM 是动态RAM，属于随机存取存储器，在程序的执行过程中既可读出信息又可写入信息。靠电容存储电荷原理存储信息，即使电源不掉电，由于电容要放电，信息就会丢失，故需再生。 7 ROM: 是只读存储器，在程序执行过程中只能读出信息，不能写入信息。 8 PROM: 是可一次性编程的只读存储器。 9 EPROM 是可擦洗的只读存储器，可多次编程。 10 EEPROM: 即电可改写型只读存储器，可多次编程。 11 CDROM 即只读型光盘存储器。 12 Flash Memory 即可擦写、非易失性的存储器。 存储器的层次结构主要体现在什么地方？为什么要分这些层次？计算机如何管理这些层次？ 答：存储器的层次结构主要体现在Cache—主存和主存—辅存这两个存储层次上。 Cache—主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，CPU访存速度加快，接近于Cache的速度，而寻址空间和位价却接近于主存。 主存—辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，即从程序员的角度看，他所使用的存储器其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存。 综合上述两个存储层次的作用，从整个存储系统来看，就达到了速度快、容量大、位价低的优化效果。 主存与Cache之间的信息调度功能全部由硬件自动完成。而主存—辅存层次的调度目前广泛采用虚拟存储技术实现，即将主存与辅存的一部份通过软硬结合的技术组成虚拟存储器，程序员可使用这个比主存实际空间（物理地址空间）大得多的虚拟地址空间（逻辑地址空间）编程，当程序运行时，再由软、硬件自动配合完成虚拟地址空间与主存实际物理空间的转换。因此，这两个层次上的调度或转换操作对于程序员来说都是透明的。
3.1 简述流水线技术的特点。（1） 流水线把一个处理过程分解为若干个子过程，每个子过程由一个专门的功能部件来实现。因此，流水线实际上是把一个大的处理功能部件分解为多个独立的功能部件，并依靠它们的并行工作来提高吞吐率。（2） 流水线中各段的时间应尽可能相等，否则将引起流水线堵塞和断流。（3） 流水线每一个功能部件的前面都要有一个缓冲寄存器，称为流水寄存器。（4） 流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端不断地提供任务，才能充分发挥流水线的效率。（5） 流水线需要有通过时间和排空时间。在这两个时间段中，流水线都不是满负荷工作。 3.2 解决流水线瓶颈问题有哪两种常用方法？答：细分瓶颈段与重复设置瓶颈段 3.3 有一条指令流水线如下所示： （1 用两给出条指 （1） （24? 变八级流水线（细分） ? 重复设置部件 )(ns 85 1 T n TP 1pipeline -== 3.4 有一个流水线由4段组成，其中每当流过第三段时，总要在该段循环一次，然后才能流到第4段。如果每段经过一次所需的时间都是△t ，问： （1）当在流水线的输入端连续地每△t 时间输入一个任务时，该流水线会发生什么情况？ （2）此流水线的最大吞吐率为多少？如果每2△t 输入一个任务，连续处理10个任务时，其实际吞吐率和效率是多少？ （3）当每段时间不变时，如何提高流水线的吞吐率？人连续处理10个任务时，其吞吐率提高多少？ 解：（1）会发生流水线阻塞情况。
（2） （3）重复设置部件 吞吐率提高倍数＝ t t ??2310 75 ＝1.64 3.5 有一条动态多功能流水线由5段组成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第2段的时间为2△t ，其余各段的时间均为△t ，而且流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应的流水线寄存器中。现在该流水线上计算 ∏=+4 1 )(i i i B A ，画出时空图，并计算其吞吐率、加速比和效率。 ＋B 4；再计算由图可见，它在18个△t 时间中，给出了7个结果。所以吞吐率为： 如果不用流水线，由于一次求积需3△t ，一次求和需5△t ，则产生上述7个结果共需（4×5+3×3）△t =29△t 。所以加速比为： 该流水线的效率可由阴影区的面积和5个段总时空区的面积的比值求得： 3.6 在一个5段流水线处理机上,各段执行时间均为△t,需经9△t 才能完成一个任务,其预约表如下所示。 段23 时间 入 A 1 B 1 A 2 B 2 A 3 B 3 A 4 B 4 A B C D A × B C ×D
第4章习题参考答案 1．ASCII码是7位，如果设计主存单元字长为32位，指令字长为12位，是否合理？为什么？ 答：不合理。指令最好半字长或单字长，设16位比较合适。一个字符的ASCII 是7位，如果设计主存单元字长为32位，则一个单元可以放四个字符，这也是可以的，只是在存取单个字符时，要多花些时间而已，不过，一条指令至少占一个单元，但只占一个单元的12位，而另20位就浪费了，这样看来就不合理，因为通常单字长指令很多，浪费也就很大了。 2．假设某计算机指令长度为32位，具有双操作数、单操作数、无操作数三类指令形式，指令系统共有70条指令，请设计满足要求的指令格式。 答：字长32位，指令系统共有70条指令，所以其操作码至少需要7位。 双操作数指令 单操作数指令 无操作数指令 3．指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。 答：该指令格式及寻址方式特点如下： (1) 单字长二地址指令。 (2) 操作码字段OP可以指定26=64种操作。 (3) 源和目标都是通用寄存器（可分指向16个寄存器）所以是RR型指令，即两个操作数均在寄存器中。 (4) 这种指令结构常用于RR之间的数据传送及算术逻辑运算类指令。 4．指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。 15 10 9 8 7 4 3 0 答：该指令格式及寻址方式特点如下： (1)双字长二地址指令，用于访问存储器。 (2)操作码字段OP可以指定26=64种操作。 (3)RS型指令，一个操作数在通用寄存器（选择16个之一），另一个操作数 在主存中。有效地址可通过变址寻址求得，即有效地址等于变址寄存器（选择16个之一）内容加上位移量。
计算机系统结构作业参考答案 一、 1、试述现代计算机系统的多级层次结构。 计算机系统具有层次性，它由多级层次结构组成。从功能上计算机系统可分为五个层次级别：第一级是设计级。这是一个硬件级，它由机器硬件直接执行。 第二级是一般机器级，也称为机器语言级。它由微程序解释系统.这一级是硬件级。 第三级是操作系统级，它由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，这些广义指令是操作系统定义和解释的软件指令。这一级也称混合级。 第四级是汇编语言级。它给程序人员提供一种符号形式的语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持执行。 第五级是高级语言级。这是面向用户为编写应用程序而设置的。这一级由各种高级语言支持。 2、试述RISC设计的基本原则和采用的技术。 答：一般原则： (1)确定指令系统时，只选择使用频度很高的指令及少量有效支持操作系统，高级语言及其它功能 的指令，大大减少指令条数，一般使之不超过100条； (2)减少寻址方式种类，一般不超过两种； (3)让所有指令在一个机器周期内完成； (4)扩大通用寄存器个数，一般不少于32个，尽量减少访存次数； (5)大多数指令用硬联实现，少数用微程序实现； (6)优化编译程序，简单有效地支持高级语言实现。
基本技术： (1)按RISC一般原则设计，即确定指令系统时，选最常用基本指令，附以少数对操作系统等支持最有用的指令，使指令精简。编码规整，寻址方式种类减少到1、2种。 (2)逻辑实现用硬联和微程序相结合。即大多数简单指令用硬联方式实现，功能复杂的指令用微程序实现。 (3)用重叠寄存器窗口。即：为了减少访存，减化寻址方式和指令格式，简有效地支持高级语言中的过程调用，在RISC机器中设有大量寄存嚣，井让各过程的寄存器窗口部分重叠。 (4)用流水和延迟转移实现指令，即可让本条指令执行与下条指令预取在时间上重叠。另外，将转移指令与其前面的一条指令对换位置，让成功转移总是在紧跟的指令执行之后发生，使预取指令不作废，节省一个机器周期。 (5)优化设计编译系统。即尽力优化寄存器分配，减少访存次数。不仅要利用常规手段优化编译，还可调整指令执行顺序，以尽量减少机器周期等。 3、试述全相联映像与直接映像的含义及区别 （1）全相连映像 主存中任何一个块均可以映像装入到Cache中的任何一个块的位置上。主存地址分为块号和块内地址两部分，Cache地址也分为块号和块内地址。Cache的块内地址部分直接取自主存地址的块内地址段。主存块号和Cache块号不相同，Cache块号根据主存块号从块表中查找。Cache保存的各数据块互不相关，Cache必须对每个块和块自身的地址加以存储。当请求数据时，Cache控制器要把请求地址同所有的地址加以比较，进行确认。 （2）直接映像 把主存分成若干区，每区与Cache大小相同。区内分块，主存每个区中块的大小和Cache 中块的大小相等，主存中每个区包含的块的个数与Cache中块的个数相等。任意一个主存块只能映像到Cache中唯一指定的块中，即相同块号的位置。主存地址分为三部分：区号、块号和块内地址，Cache地址分为：块号和块内地址。直接映像方式下，数据块只能映像到Cache中唯一指定的位置，故不存在替换算法的问题。它不同于全相连Cache，地址仅需比较一次。 （3）区别： 全相连映像比较灵活，块冲突率低，只有在Cache中的块全部装满后才会出现冲突，Cache 利用率高。但地址变换机构复杂，地址变换速度慢，成本高。 直接映像的地址变换简单、速度快，可直接由主存地址提取出Cache地址。但不灵活，块冲突率较高，Cache空间得不到充分利用。 4. 画出冯?诺依曼机的结构组成？
第5章习题参考答案 1．请在括号内填入适当答案。在CPU中： (1)保存当前正在执行的指令的寄存器是（IR ）； (2)保存当前正在执行的指令地址的寄存器是（AR ） (3)算术逻辑运算结果通常放在（DR ）和（通用寄存器）。 2．参见图5.15的数据通路。画出存数指令“STO Rl，(R2)”的指令周期流程图，其含义是将寄存器Rl的内容传送至(R2)为地址的主存单元中。标出各微操作信号序列。 解： STO R1, (R2)的指令流程图及微操作信号序列如下：
STO R1, (R2) R/W=R DR O, G, IR i R2O, G, AR i R1O, G, DR i R/W=W 3．参见图5.15的数据通路，画出取数指令“LAD (R3)，R0”的指令周期流程图，其含义是将(R3)为地址主存单元的内容取至寄存器R2中，标出各微操作控制信号序列。 解： LAD R3, (R0)的指令流程图及为操作信号序列如下：
PC O , G, AR i R/W=R DR O , G, IR i R 3O , G, AR i DR O , G, R 0i R/W=R LAD (R3), R0 4．假设主脉冲源频率为10MHz ，要求产生5个等间隔的节拍脉冲，试画出时序产生器的逻辑图。 解：
5．如果在一个CPU 周期中要产生3个节拍脉冲；T l ＝200ns ，T 2=400ns ，T 3=200ns ，试画出时序产生器逻辑图。 解：取节拍脉冲T l 、T 2、T 3的宽度为时钟周期或者是时钟周期的倍数即可。所以取时钟源提供的时钟周期为200ns ，即，其频率为5MHz.；由于要输出3个节拍脉冲信号，而T 3的宽度为2个时钟周期，也就是一个节拍电位的时间是4个时钟周期，所以除了C 4外，还需要3个触发器——C l 、C 2、C 3；并令 211C C T *=；321C C T *=；313C C T =，由此可画出逻辑电路图如下：
1、数据结构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基本原则是什么？ 答：数据表示是能由硬件直接识别和引用的数据类型。数据结构反映各种数据元素或信息单元之间的结构关系。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：标志符数据表示指将数据类型与数据本身直接联系在一起，让机器中每个数所都带类型樗位。其优点是：（1）简化了指令系统和程序设计；（2）简化了编译程序；（3）便于实现一致性校验；（4）能由硬件自动变换数据类型；（5）支持数据库系统的实现与数据类型无关；（6）为软件调试和应用软件开发提供支持。缺点是：（1）会增加程序所点的主存空间；（2）在微观上对机器的性能（运算速度）不利。 数据描述符指数据的描述与数据分开存放，描述所访问的数据是整块还是单个的，及访问该数据块或数据元素的地址住处它具备标志符数据表示的优点，并减少了标志符数据表示所占的空间，为向量和数组结构的实现提供支持。 数据描述符方法优于标志符数据表示，数据的描述与数据分开，描述所访问的数据是整块还是单个的，及访问该数据块或数据元素的地址信息，减少了樗符数据表示所占的窨。用描述符方法实现阵列数据的索引比用变址方法实现要方便，且便于检查出程序中的阵列越界错误。但它不能解决向量和数组的高速运算问题。而在有向量、数组数据表示的向量处理机上，硬件上设置有丰富的赂量或阵列运算指令，配有流水或阵列方式处理的高速运算器，不仅能快速形成向量、数组的元素地址，更重要的是便于实现把向量各元素成块预取到中央处理机，用一条向量、数组指令流水或同时对整个向量、数组高速处理．如让硬件越界判断与元素运算并行。这些比起用与向量、阵列无关的机器语言和数据表示串行实现要高效的多。 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的哪些操作提供了支持？ 答：有堆栈数据表示的机器称为堆栈机器。它与一般通用寄存器型机器不同。通用寄存器型
计算机组成原理第四章课后题参考答案
第四章课后题参考答案 3．指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。 解：指令格式及寻址方式特点如下： ① 单字长二地址指令； ② 操作码OP可指定=64条指令； ③ RR型指令，两个操作数均在寄存器中，源和目标都是通用寄存器（可分别指定16个寄存器之一）；
④ 这种指令格式常用于算术逻辑类指令。 4．指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。 解：指令格式及寻址方式特点如下： ① 双字长二地址指令； ② 操作码OP可指定=64条指令； ③ RS型指令，两个操作数一个在寄存器中（16个寄存器之一），另一个在存储器中（由变址寄存器和偏移量决定），变址寄存器可有16个。
6．一种单地址指令格式如下所示，其中I为间接特征，X为寻址模式，D为形式地址。I，X，D组成该指令的操作数有效地址E。设R为变址寄存器，R1 为基值寄存器，PC为程序计数器，请在下表中第一列位置填入适当的寻址方式名称。 解：① 直接寻址 ② 相对寻址 ③ 变址寻址 ④ 基址寻址 ⑤ 间接寻址 ⑥ 基址间址寻址 12. 根据操作数所在位置，指出其寻址方式（填空）： （1）操作数在寄存器中，为（A）寻址方式。 （2）操作数地址在寄存器，为（B）寻址方式。 （3）操作数在指令中，为（C）寻址方式。 （4）操作数地址（主存）在指令中，为（D）寻址方式 （5）操作数的地址，为某一寄存器内容与位移量之和可以是（E，F，G）寻址方式。 解：A：寄存器直接（或寄存器）； B：寄存器间接； C：立即；
D：直接； E：相对； F：基址；G：变址 补充一下，间接寻址可以表述为： 操作数地址（主存）在内存中 或者 操作数地址的地址（主存）在指令中
第一章作业 简答题 1、简述什么是计算机系统结构。 2、答：计算机系统结构是程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能性结构。 3、 4、计算机系统的层次从下到上包括哪些？ 5、答：计算机系统的层次从上到下包括微程序机器级、机器语言、操作系统虚拟机、汇编 语言虚拟机、高级语言虚拟机、应用语言虚拟机。 6、 7、Flynn分类法是以什么对计算机系统进行分类分成哪几类？ 8、答：Flynn分类法是以指令流和数据流的多倍性对计算机系统进行分类。Flynn分类法 把计算机系统的结构分为以下4类：单指令流单数据流、单指令多数据流、多指令流单数据流、多指令流多数据流。 9、 10、简述Amdahl定律及加速比计算公式。 答：Amdahl定律指出加快某部件执行速度所能获取得系统性加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。 加速比计算公式=系统性能（改进后）/系统性能（改进前）=总执行时间（改进前）/总执行时间（改进后） 计算题 5、如果某一些计算任务用向量方式求解比用标量方式求解快20倍。为达到加速比2，可用向量方式求解所花费时间占总的时间的百分比为多少 解：由题可知，系统加速比=2，部件加速比=20，通过向量方式求解可改进比例未知，可设为X。 根据Amdahl定律可知 系统加速比=1/[(1-X)+X/20]=2 求解得X=10/19 由此可得，可用向量方式求解所花费时间占总的时间的百分比魏53% 第二章作业 1、简述指令集结构设计的基本原则。 完整性、规整性、高效性和兼容性 2、简述RISC结构的设计原则。 1）选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令； 2）每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成； 3）所有指令长度均相同； 4）只有Load和Store操作指令才访问存储器，其它指令操作均在寄存器之间进行； 5）以简单有效的方式支持高级语言。 3
计算机组成原理第五版习题答案计算机组成原理第五版习题答案 第一章 (1) 第二章 (3) 第三章 (14) 第四章 (19) 第五章 (21) 第六章 (27) 第七章 (31) 第八章 (34) 第九章 (36)
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计算机组成原理第五版习题答案第一章 1．模拟计算机的特点是数值由连续量来表示，运算过程也是连续的。数字计算机的主要特点是按位运算，并且不连续地跳动计算。模拟计算机用电压表示数据，采用电压组合和测量值的计算方式，盘上连线的控制方式，而数字计算机用数字0 和 1 表示数据，采用数字计数的计算方式，程序控制的控制方式。数字计算机与模拟计算机相比，精度高，数据存储量大，逻辑判断能力强。 2．数字计算机可分为专用计算机和通用计算机，是根据计算机的效率、速度、价格、运行的经济性和适应性来划分的。 3．科学计算、自动控制、测量和测试、信息处理、教育和卫生、家用电器、人工智能。4．主要设计思想是：采用存储程序的方式，编制好的程序和数据存放在同一存储器中，计算机可以在无人干预的情况下自动完成逐条取出指令和执行指令的任务；在机器内部，指令和数据均以二进制码表示,指令在存储器中按执行顺序存放。主要组成部分有：:运算器、逻辑器、存储器、输入设备和输出设备。 5．存储器所有存储单元的总数称为存储器的存储容量。每个存储单元都有编号，称为单元地址。如果某字代表要处理的数据，称为数据字。如果某字为一条指令，称为指令字。6．计算机硬件可直接执行的每一个基本的算术运算或逻辑运算操作称为一条指令，而解算某一问题的一串指令序列，称为程序。 7．取指周期中从内存读出的信息流是指令流，而在执行器周期中从内存读出的信息流是数据流。 8．半导体存储器称为内存，存储容量更大的磁盘存储器和光盘存储器称为外存，内存和外存共同用来保存二进制数据。运算器和控制器合在一起称为中央处理器，简称CPU，它用来控制计算机及进行算术逻辑运算。适配器是外围设备与主机联系的桥梁，它的作用相当于一个转换器，使主机和外围设备并行协调地工作。 9．计算机的系统软件包括系统程序和应用程序。系统程序用来简化程序设计，简化使用方法，提高计算机的使用效率，发挥和扩大计算机的功能用用途；应用程序是用户利用计算机来解决某些问题而编制的程序。 10．在早期的计算机中，人们是直接用机器语言来编写程序的，这种程序称为手编程序或目的程序；后来，为了编写程序方便和提高使用效率，人们使用汇编语言来编写程序，称为汇编程序；为了进一步实现程序自动化和便于程序交流，使不熟悉具体计算机的人也能很方便地使用计算机，人们又创造了算法语言，用算法语言编写的程序称为源程序，源程序通过编译系统产生编译程序，也可通过解释系统进行解释执行；随着计算机技术的日益发展，人们又创造出操作系统；随着计算机在信息处理、情报检索及各种管理系统中应用的发展，要求大量处理某些数据，建立和检索大量的表格，于是产生了数据库管理系统。 11．第一级是微程序设计级，这是一个实在的硬件级，它由机器硬件直接执行微指令； 第二级是一般机器级，也称为机器语言级，它由程序解释机器指令系统；第三级是操作系统级，它由操作系统实现；第四级是汇编语言级，它给程序人员提供一种符号形式语言，以减少程序编写的复杂性；第五级是高级语言级，它是面向用户的，为方便用户编写应用程序而设置的。用一系列的级来组成计算机的接口对于掌握计算机是如何组成的提供了一种好的结构和体制，而且用这种分级的观点来设计计算机对保证产生一个良好的系统结构也是很有帮助的。
计算机系统结构复习题 单选及填空： 计算机系统设计的主要方法 1、由上往下的设计（top-down） 2、由下往上的设计（bottom-up） 3、从中间开始（middle-out） Flynn分类法把计算机系统的结构分为以下四类： （1）单指令流单数据流 （2）单指令流多数据流 （3）多指令流单数据流 (4) 多指令流多数据流 堆栈型机器：CPU 中存储操作数的单元是堆栈的机器。 累加器型机器：CPU 中存储操作数的单元是累加器的机器。 通用寄存器型机器：CPU 中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。 名词解释： 虚拟机：用软件实现的机器叫做虚拟机，但虚拟机不一定完全由软件实现，有些操作可以由硬件或固件（固件是指具有软件功能的固件）实现。 系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。 兼容机：它是指由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。 流水线技术：将一个重复的时序过程，分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行。 单功能流水线：指流水线的各段之间的连接固定不变、只能完成一种固定功能的流水线。 多功能流水线：指各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能的流水线。 顺序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。 乱序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成。这种流水线又称为无序流水线、错序流水线、异步流水线。 吞吐率：在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。 指令的动态调度：
是指在保持数据流和异常行为的情况下，通过硬件对指令执行顺序进行重新安排，以提高流水线的利用率且减少停顿现象。是由硬件在程序实际运行时实施的。 指令的静态调度： 是指依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。它不是在程序执行的过程中、而是在编译期间进行代码调度和优化的。 超标量： 一种多指令流出技术。它在每个时钟周期流出的指令条数不固定，依代码的具体情况而定，但有个上限。 超流水：在一个时钟周期内分时流出多条指令。 多级存储层次： 采用不同的技术实现的存储器，处在离CPU不同距离的层次上，各存储器之间一般满足包容关系，即任何一层存储器中的内容都是其下一层（离CPU更远的一层）存储器中内容的子集。目标是达到离CPU最近的存储器的速度，最远的存储器的容量。 写直达法： 在执行写操作时，不仅把信息写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储器中相应的块。写回法： 只把信息写入Cache中相应块，该块只有被替换时，才被写回主存。 集中式共享多处理机： 也称为对称式共享存储器多处理SMP。它一般由几十个处理器构成，各处理器共享一个集中式的物理存储器，这个主存相对于各处理器的关系是对称的， 分布式共享多处理机： 它的共享存储器分布在各台处理机中，每台处理机都带有自己的本地存储器，组成一个“处理机-存储器”单元。但是这些分布在各台处理机中的实际存储器又合在一起统一编址，在逻辑上组成一个共享存储器。这些处理机存储器单元通过互连网络连接在一起，每台处理机除了能访问本地存储器外，还能通过互连网络直接访问在其他处理机存储器单元中的“远程存储器”。 多Cache一致性： 多处理机中，当共享数据进入Cache，就可能出现多个处理器的Cache中都有同一存储器块的副本，要保证多个副本数据是一致的。 写作废协议： 在处理器对某个数据项进行写入之前，它拥有对该数据项的唯一的访问权 。 写更新协议： 当一个处理器对某数据项进行写入时，它把该新数据广播给所有其它Cache。这些Cache用该新数据对其中的副本进行更新。 机群：是一种价格低廉、易于构建、可扩放性极强的并行计算机系统。它由多台同构或异构
吉大14秋学期《计算机系统结构》在线作业二 单选题判断题 一、单选题（共15 道试题，共60 分。） 1. 关于非专用总线三种控制方式中，下列叙述错误的是（）。 A. 集中式定时查询，所有部件共用同一条“总线忙”线 B. 集中式定时查询，所有部件都用同一条“总线请求”线 C. 集中式独立请求，所有部件都用同一条“总线请求”线 D. 集中式串行链接，所有部件都用同一条“总线请求”线 -----------------选择：C 2. 汇编语言源程序变换成机器语言目标程序是经( ) 来实现的。 A. 编译程序解释 B. 汇编程序解释 C. 编译程序翻译 D. 汇编程序翻译 -----------------选择：D 3. 计算机使用的语言是( )。 A. 专属软件范畴，与计算机体系结构无关 B. 分属于计算机系统各个层次 C. 属于用以建立一个用户的应用环境 D. 属于符号化的机器指令 -----------------选择：B 4. 多端口存储器适合于连接（）。 A. 紧耦合多处理机 B. 松耦合多处理机 C. 机数很多的处理机 D. 机数可变的多处理机 -----------------选择：A 5. 在系统结构设计中，提高软件功能实现的比例会( )。 A. 提高解题速度 B. 减少需要的存贮容量 C. 提高系统的灵活性 D. 提高系统的性能价格比 -----------------选择：C 6. 用户高级语言源程序中出现的读写(I/O) 语句，到读写操作全部完成，需要通过( )共同完成。 A. 编译系统和操作系统 B. I/O 总线、设备控制器和设备 C. 操作系统和I/O 设备硬件 D. 编译系统、操作系统软件和I/O 总线，设备控制器、设备硬件等 -----------------选择：D
习题一 1、解释下列术语 计算机系统的外特性：通常所讲的计算机系统结构的外特性是指机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性，即由他们所看到的计算机的基本属性（概念性结构和功能特性）。 计算机系统的内特性：计算机系统的设计人员所看到的基本属性，本质上是为了将有关软件人员的基本属性加以逻辑实现的基本属性。 模拟：模拟方法是指用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。 可移植性：在新型号机出台后，原来开发的软件仍能继续在升级换代的新型号机器上使用，这就要求软件具有可兼容性，即可移植性。可兼容性是指一个软件可不经修改或只需少量修改，便可由一台机器移植到另一台机器上运行，即同一软件可应用于不同环境。 Amdahl定律：系统中对于某一部件采用某种更快的执行方式所能获得的系统性能改进程度，取决于这种执行方式被使用的频度或占总执行时间的比例。 虚拟机（Virtual Machine）：指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。 6、 7、假定求浮点数平方根的操作在某台机器上的一个基准测试程序中占总执行时间的20%，为了增强该操作的性能，可采用两种不同的方法：一种是增加专门的硬件，可使求浮点数平方根操作的速度提高为原来的20倍；另一种方法是提高所有浮点运算指令的速度，使其为原来的2倍，而浮点运算指令的执行时间在总执行时间中占30%。试比较这两种方法哪一种更好些。 答：增加硬件的方法的加速比Sp1=1.23, 另一种方法的加速比Sp2= 1.176，经计算可知Sp1=方法更好些。 Sp2>Sp2第一种 9、假设高速缓存Cache的工作速度为主存的5倍，且Cache被访问命中的概率 T=为90%，则采用Cache能使整个存储系统获得多高的加速比？答： 加速比
存储系统（一）单元测验 1、CPU可直接访问的存储器是 A、磁盘 B、主存 C、光盘 D、磁带 2、主存储器和CPU之间增加高速缓冲存储器（Cache）的目的是 A、提高存储系统访问速度 B、简化存储管理 C、扩大主存容量 D、支持虚拟存储技术 3、存储字长是指 A、存储器地址线的二进制位数 B、存放在一个存储单元中的二进制位数 C、存储单元总数 D、寄存器的数据位数 4、计算机字长32位，主存容量为128MB，按字编址，其寻址范围为 A、0 ~ 32M-1 B、0 ~ 128M-1 C、0 ~ 64M-1 D、0 ~ 16M-1 5、字位结构为256Kｘ4位SRAM存储芯片，其地址引脚与数据引脚之和为 A、18 B、22 C、24 D、30 6、某SRAM芯片，存储容量为64K×16位，该芯片的地址线和数据线数目分别为 A、64，16 B、16，64 C、16，16 D、64,64 7、假定用若干块4K *4位的存储芯片组成一个8K*8位的存储器，则地址0B1F所在芯片的最小地址是 A、0000H B、0600H C、0700H D、0B00H
8、计算机系统中的存贮器系统是指 A、RAM和ROM存贮器 B、Cache C、磁盘存储器 D、Cache、主存贮器和外存贮器 9、用若干片2K′4位的存储芯片组成一个8K′8位的存储器，则地址0B1FH所在的芯片在全局的最大地址是 A、0CFFH B、0BFFH C、1BFFH D、0FFFH 10、动态存储器刷新以（）为单位进行 A、存储单元 B、行 C、列 D、字节 11、下列存储器类型中，速度最快的是 A、DRAM B、Flash Memory C、SRAM D、EPROM 12、某计算机字长32位，下列地址属性中属于按双字长边界对齐的是 A、存储器地址线低三位全部为0 B、存储器地址线低二位全部为0 C、存储器地址线最低为0 D、存储器地址线低三位取值随意 13、在32位的机器上存放0X12345678，假定该存储单元的最低字节地址为0X4000，则在小端存储模式下存在在0X4002单元的内容是 A、0X12 B、0X34 C、0X56 D、0X78 14、关于内存的下列说法中，错误的是 A、内存的存取速度不能低于CPU速度，否则会造成数据丢失 B、程序只有在数据和代码等被调入内存后才能运行 C、采用虚拟内存技术后程序可以在硬盘上直接运行 D、某计算机内存容量为8GB，按字节编址，那么它的地址总线为33位
简述流水线技术的特点。（1） 流水线把一个处理过程分解为若干个子过程，每个子过程由一个专门的功能部件来实现。因此，流水线实际上是把一个大的处理功能部件分解为多个独立的功能部件，并依靠它们的并行工作来提高吞吐率。（2） 流水线中各段的时间应尽可能相等，否则将引起流水线堵塞和断流。（3） 流水线每一个功能部件的前面都要有一个缓冲寄存器，称为流水寄存器。（4） 流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端不断地提供任务，才能充分发挥流水线的效率。（5） 流水线需要有通过时间和排空时间。在这两个时间段中，流水线都不是满负荷工作。 解决流水线瓶颈问题有哪两种常用方法？答：细分瓶颈段与重复设置瓶颈段 有一条指令流水线如下所示： （1 （? ? TP = 有一个流水线由4段组成，其中每当流过第三段时，总要在该段循环一次，然后才能流到第4段。如果每段经过一次所需的时间都是△t ，问： （1）当在流水线的输入端连续地每△t 时间输入一个任务时，该流水线会发生什么情况？ （2）此流水线的最大吞吐率为多少？如果每2△t 输入一个任务，连续处理10个任务时，其实际吞吐率和效率是多少？ （3）当每段时间不变时，如何提高流水线的吞吐率？人连续处理10个任务时，其吞吐率提高多少？ 解：（1）会发生流水线阻塞情况。 （2）
（3）重复设置部件 吞吐率提高倍数＝ t t ??2310 75 有一条动态多功能流水线由5段组成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第2段的时间为2△t ，其余各段的时间均为△t ，而且流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应的流水线寄存器中。现在该流水线上计算 ∏=+4 1 )(i i i B A ，画出时空图，并计算其吞吐率、加速比和效率。 4＋B 4；再计算(A 由图可见，它在18个△t 时间中，给出了7个结果。所以吞吐率为： 如果不用流水线，由于一次求积需3△t ，一次求和需5△t ，则产生上述7个结果共需（4×5+3×3）△t =29△t 。所以加速比为： 该流水线的效率可由阴影区的面积和5个段总时空区的面积的比值求得： △t,需经9△t 才能完成一个任务,其预约表如下所示。 （1）画出流水线任务调度的状态转移图。 时间 入 A 1 B 1 A 2 B 2 A 3 B 3 A 4 B 4 A B C D A × B C ×D
2．以下各类中断中，属于自愿中断的是 C. A. 外部中断 B. I/O中断 C. 执行“访管”指令 D. 机器校验中断 3.高速外部设备磁盘机适合连接于 C. A. 选择通道或字节多路通道 B. 数组多路通道或字节多路通道 C.数组多路通道或选择通道 D.任意一种通道 4.页式虚拟存储器页表的作用是 A . A. 反映虚页在主存的存储情况 B.仅反映虚页是否调入主存 C. 反映主存实页与Cache 的对应关系 D. 反映虚页在辅存的存储情况5．软件和硬件的功能在逻辑上是C的 . A.固件优于软件 B.不等价 C.等价 D.软件优于固件 6.计算机中最优化的操作码编码方法是D. A.BCD 码 B.ASCII码 C.扩展操作码 D.哈夫曼编码 7.从计算机系统执行程序的角度看，并行性等级由低到高分为四级A. A ．指令内部——指令之间——进程之间——程序之间 B ．指令之间——指令内部——进程之间——程序之间 C．进程之间——指令之间——指令内部——程序之间 D ．程序之间——进程之间——指令之间——指令内部 8.计算机系统多级层次结构中，操作系统机器级的直接上层是D. A ．传统机器级 B ．高级语言机器 C．应用语言机器级D．汇编语言机器级 9.全相联地址映像是指A. A. 任何虚页都可装入主存中任何实页的位置 B.一个虚页只装进固定的主存实页位置 C.组之间是固定的，而组内任何虚页可以装入任何实页位置 D.组间可任意装入，组内是固定装入 10．对于同一系列机，必须保证软件能够C. A ．向前兼容，并向上兼容 B ．向前兼容，并向下兼容C．向后兼容，力争向上兼容D ．向后兼容，力争向下兼容11．设有 16 个处理单元的并行处理机系统, 采用共享主存的方式. 若同时存取16 个数据 , 为避免存储器访问冲突, 共享主存的多体数量应该为C才合理 . A. 15 B. 16 C. 17 D. 19 12.软件兼容的根本特征是C. A.向前兼容 B.向后兼容 C. 向上兼容 D. 向下兼容 13.在下列机器中，能够实现软件兼容的机器是 B. A.完全不同种类的机型 B.系统结构相同的机器 C. 宿主机和目标机 D.虚拟机 14．输入输出系统硬件的功能对C是透明的。 A. 操作系统程序员 B. 所有类别的程序员 C. 应用程序员 D. 系统结构设计师 15.在下列各项选择中，对于机器( 汇编 ) 语言程序员透明的是 D. A.通用寄存器 B. 条件码 C.中断字 D.主存储器地址寄存器 一、单项选择题 1．在流水机器中，全局性相关是指 B. A.指令相关 B. 由条件转移指令引起的相关 C “先读后写”相关 D.“先写后读”相关 2．以下不属于多处理机操作系统类型的是A. A ．Windows 操作系统B．主从型操作系 C．浮动型操作系统 D ．各自独立型操作系统 3.下列不是数据流计算特点的是D. A. 设置状态 B.没有指令计数器 C.没有变量的概念 D.操作结果不产生副作用 4．若输入流水线的指令既无局部性相关，也不存在全局性相关，则B. A. 可获得高的吞吐率和效率 B.出现瓶颈 C.流水线的效率和吞吐率恶化 D.可靠性提高 5.消除“一次重叠”中的“指令相关”最好方法是B. A. 不准修改指令 B.设置相关专用通路 C.推后分析下条指令 D.推后执行下条指令 6．流水线的技术指标不包括A. A. 数据宽度 B.吞吐率 C.加速比 D.效率 7.按照弗林对处理机并行性定义的分类原则，阵列机ILLIAC IV属于B. A.SISD B.SIMD C.MISD D.MIMD 8．设 8 个处理器编号分别为0，1， 2，?，7 用 Cube0 互联函数时，第7 号处理机可以与第D号处理机相联 . A. 0 B. 2 C. 4 D. 6 9．多端口存储器适合于连接 B. A ．松耦合多处理机B．紧耦合多处理机C．机数很多的多处理机 D ．机数可变的多处理机 10.以下不属于堆栈型替换算法的是A. A ．先进先出法B．近期最久未用过法 C．近期最少使用法D．页面失效频率法 11．解决主存空间数相关的办法是C. A.基址值一次相关直接通路法 B.基址值二次相关直接通路法 C.通用寄存器组相关专用通路相关法 D. 推后读法 12. 一般来说 , 以下替换算法中 , 效果最优的替换算法是C. A. LRU 替换算法 B. FIFO 替换算法 C. OPT 替换算法 D. RAND替换算法
第四章思考题与习题 1．解释下列概念主存、辅存、Cache、RAM、SRAM、DRAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、CDROM、Flash Memory 答： 主存：与CPU 直接交换信息，用来存放数据和程序的存储器。 辅存：主存的后援存储器，不与CPU 直接交换信息。 CACHE：为了解决CPU 和主存的速度匹配，设在主存与CPU之间，起缓冲作用，用于提高访存速度的一种存储器。 RAM：随机存储器：是随机存取的，在程序执行过程中既可读出也可写入，存取时间与存储单元所在位置无关。 SRAM：静态RAM，以触发器原理存储信息。 DRAM：动态RAM，以电容充放电原理存储信息。 ROM：只读存储器，在程序执行过程中只能读出，而不能对其写入。 PROM：一次性编程的只读存储器。 EPROM：可擦除的可编程只读存储器，用紫外线照射进行擦写。 EEPROM：用电可擦除的可编程只读存储器。 CDROM：只读型光盘 Flash Memory：快擦型存储器，是性能价格比好，可靠性高的可擦写非易失型存储器 2．计算机中哪些部件可用于存储信息，请按其速度、容量和价格/位排序说明。 答： 寄存器、缓存、主存、磁盘、磁带等。 速度按顺序越来越慢，容量越来越高和价格/位越来越低 3．存储器的层次结构主要体现在什么地方为什么要分这些层次，计算机如何管理这些层次答：存储器的层次结构主要体现在Cache—主存和主存—辅存这两个存储层次上。 Cache—主存层次在存储系统中主要对CPU访存起加速作用，即从整体运行的效果分析，接近于Cache的速度，而容量和位价却接近于主存。 主存—辅存层次在存储系统中主要起扩容作用，其容量和位价接近于辅存，而速度接近于主存 4．说明存取周期和存取时间的区别。 答： 存取周期和存取时间的主要区别是：存取时间仅为完成一次存取操作的时间，而存取周期不仅包含操作时间，还包含操作后线路的恢复时间。即： 存取周期= 存取时间+ 恢复时间 5．什么是存储器的带宽若存储器的数据总线宽度为32 位，存取周期为200ns，则存储器的带宽是多少 解：存储器的带宽指单位时间内从存储器进出信息的最大数量。 存储器带宽= 1/200ns×32位= 160M位/秒= 20MB/S = 5M字/秒 6．某机字长为32 位，其存储容量是64KB，按字编址它的寻址范围是多少若主存以字节编
问答题（共4道题） 1．什么是存储系统？ 答：存储系统是指计算机中由存放程序和数据的各种存储设备、控制部件及管理信息调度的设备（硬件）和算法（软件）所组成的系统。计算机的主存储器不能同时满足存取速度快、存储容量大和成本低的要求，在计算机中必须有速度由慢到快、容量由大到小的多级层次存储器，以最优的控制调度算法和合理的成本，构成具有性能可接受的存储系统。 2．什么是高速缓冲存储器 答：指存取速度比一般随机存取记忆体（RAM）来得快的一种RAM。 一般而言它不像系统主记忆体那样使用DRAM技术，而使用昂贵但较快速的SRAM技术，也有快取记忆体的名称。 高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器，由静态存储芯片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多，接近于CPU的速度。 在计算机存储系统的层次结构中，是介于中央处理器和主存储器之间的高速小容量存储器。它和主存储器一起构成一级的存储器。高速缓冲存储器和主存储器之间信息的调度和传送是由硬件自动进行的。 3．假设一台模型计算机共有10种不同的操作码，如果采用固定长操作码需要4 位。已知各种操作码在程序中出现的概率如下表所示，计算采用Huffman编码 法的操作码平均长度，并计算固定长操作码和Huffman操作码的信息冗余量 （假设最短平均长度H＝3.1位）。 答：构造Huffman树如下：
Huffman 编码的平均码长为： ∑=10 1 i i i l p =0.17*2+（0.15+0.15+0.13+0.12）*3+（0.09+0.08+0.07）*4+（0.03+0.01）*5=3.15 冗余量=（3.15-3.10）/3.15=1.59% 固定码长=log210=4 冗余量=（4-3.10）/4=22.5% 4.若某机要求有：三地址指令4条，单地址指令192条，零地址指令16条。设指令字长为12位，每个地址码长3位。问能否以扩展操作码为其编码？ 答：三种指令字格式如下：