微处理器系统结构与嵌入式系统设计(第二版)答案全
一
1.2 以集成电路级别而言，计算机系统的三个主要组成部分是什么？
中央处理器、存储器芯片、总线接口芯片
1.3 阐述摩尔定律。
每18个月，芯片的晶体管密度提高一倍，运算性能提高一倍，而价格下降一半。
1.5 什么是SoC？什么是IP核，它有哪几种实现形式？
SoC：系统级芯片、片上系统、系统芯片、系统集成芯片或系统芯片集等，从应用开发角度出发，其主要含义是指单芯片上集成微电子应用产品所需的所有功能系统。
IP核：满足特定的规范和要求，并且能够在设计中反复进行复用的功能模块。它有软核、硬核和固核三种实现形式。
1.8 什么是嵌入式系统？嵌入式系统的主要特点有哪些？
概念：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗的严格要求的专用计算机系统，即“嵌入到应用对象体系中的专用计算机系统”。
特点：1、嵌入式系统通常是面向特定应用的。
2、嵌入式系统式将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合的产物。
3、嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能。
4、嵌入式处理器的应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，对嵌入式处理器系统软件和应用软件的要求也和通用计算机有以下不同点。
①软件要求固体化，大多数嵌入式系统的软件固化在只读存储器中；
②要求高质量、高可靠性的软件代码；
③许多应用中要求系统软件具有实时处理能力。
5、嵌入式系统和具体应用有机的结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行的，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，就具有较长的生命周期。
6、嵌入式系统本身不具备自开发能力，设计完成以后用户通常也不能对其中的程序功能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。
二
2.2 完成下列逻辑运算
（1）101+1.01 = 110.01
（2）1010.001-10.1 = 111.101
（3）-1011.0110 1-1.1001 = -1100.1111 1
（4）10.1101-1.1001 = 1.01
（5）110011/11 = 10001
（6）(-101.01)/(-0.1) = 1010.1
2.3 完成下列逻辑运算
（1）1011 0101∨1111 0000 = 1111 0101
（2）1101 0001∧1010 1011 = 1000 0001
（3）1010 1011⊕0001 1100 = 1011 0111
2.4 选择题
（1） 下列无符号数中最小的数是( A )。
A ．H (01A5)
B ．B
(1,1011,0101) C ．D (2590) D ．O
(3764) （2） 下列无符号数中最大的数是( B )。
A ．
B (10010101) B ．O
(227) C ．H (96) D ．D
(143) （3） 在机器数( A )中，零的表示形式是唯一的。
A ．补码
B ．原码
C ．补码和反码
D ．原码和反码
（4） 单纯从理论出发，计算机的所有功能都可以交给硬件实现。而事实上，硬件只实现比较简单的功能，复杂的功能则交给软件完成。这样做的理由是( BCD )。
A ．提高解题速度
B ．降低成本
C ．增强计算机的适应性，扩大应用面
D ．易于制造
（5） 编译程序和解释程序相比，编译程序的优点是( D )，解释程序的优点是( C )。
A ．编译过程(解释并执行过程)花费时间短
B ．占用内存少
C ．比较容易发现和排除源程序错误
D ．编译结果(目标程序)执行速度快
2.5通常使用逻辑运算代替数值运算是非常方便的。例如，逻辑运算AND将两个位组合的方法同
乘法运算一样。哪一种逻辑运算和两个位的加法
几乎相同？这样情况下会导致什么错误发生？
逻辑运算OR和两个位的加法几乎相同。
问题在于多个bit的乘或加运算无法用AND或OR运算替代，因为逻辑运算没有相应的进位机制。
2.6 假设一台数码相机的存储容量是256MB，如
果每个像素需要3个字节的存储空间，而且一张
照片包括每行1024个像素和每列1024个像素，那么这台数码相机可以存放多少张照片？
每张照片所需空间为：1024*1024*3=3MB
则256M可存照片数为：256MB/3MB≈85张。
2.14某测试程序在一个40 MHz处理器上运行，其目标代码有100 000条指令，由如下各类指令
及其时钟周期计数混合组成，试确定这个程序的
有效CPI、MIPS的值和执行时间。
指令类指令计时钟周期
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
“微处理器系统原理与嵌入式系统设计”第一章习题解答 1.1 什么是程序存储式计算机？ 程序存储式计算机指采用存储程序原理工作的计算机。 存储程序原理又称“·诺依曼原理”，其核心思想包括： ●程序由指令组成，并和数据一起存放在存储器中； ●计算机启动后，能自动地按照程序指令的逻辑顺序逐条把指令从存储器中 读出来，自动完成由程序所描述的处理工作。 1.2 通用计算机的几个主要部件是什么？ ●主机（CPU、主板、存）； ●外设（硬盘/光驱、显示器/显卡、键盘/鼠标、声卡/音箱）； 1.3 以集成电路级别而言，计算机系统的三个主要组成部分是什么？ 中央处理器、存储器芯片、总线接口芯片 1.4 阐述摩尔定律。 每18个月，芯片的晶体管密度提高一倍，运算性能提高一倍，而价格下降一半。 1.5 讨论：摩尔定律有什么限制，可以使用哪些方式克服这些限制？摩尔定律还会持续多久？在摩尔定律之后电路将如何演化？ 摩尔定律不能逾越的四个鸿沟：基本大小的限制、散热、电流泄露、热噪。具体问题如：晶体管体积继续缩小的物理极限，高主频导致的高温…… 解决办法：采用纳米材料、变相材料等取代硅、光学互联、3D、加速器技术、多核…… （为了降低功耗与制造成本，深度集成仍是目前半导体行业努力的方向，但这不可能永无止，因为工艺再先进也不可能将半导体做的比原子更小。用作绝缘材料的二氧化硅，已逼近极限，如继续缩小将导致漏电、散热等物理瓶颈，数量集成趋势终有终结的一天。一旦芯片上线条宽度达到纳米数量级时，相当于只有几个分子的大小，这种情况下材料的物理、化学性能将发生质的变化，致使采用现行工艺的半导体器件不能正常工作，摩尔定律也就要走到它的尽头了。业界专家预计，芯片性能的增长速度将在今后几年趋缓，一般认为摩尔定律能再适用10年左右，其制约的因素一是技术，二是经济。）
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？
“微处理器系统原理与嵌入式系统设计”第三章习题解答 3.1处理器有哪些功能？说明实现这些功能各需要哪些部件，并画出处理器的基本结构图。 处理器的基本功能包括数据的存储、数据的运算和控制等功能。其有5个主要功能：①指令控制②操作控制③时间控制④数据加工⑤中断处理。其中，数据加工由ALU 、移位器和寄存器等数据通路部件完成，其他功能由控制器实现。处理器的基本结构图如下： 寄存器组 控制器 整数单元 浮点单元 数据通路 处理器数据传送 到内存数据来自内存数据传送到内存指令来自内存 3.2处理器内部有哪些基本操作？这些基本操作各包含哪些微操作？ 处理器基本操作有：取指令、分析指令、执行指令。 取指令：当程序已在存储器中时，首先根据程序入口地址取出一条程序，为此要发出指令地址及控制信号。 分析指令：对当前取得的指令进行分析，指出它要求什么操作，并产生相应的操作控制命令。 执行指令：根据分析指令时产生的“操作命令”形成相应的操作控制信号序列，通过运算器、存储器及输入/输出设备的执行，实现每条指令的功能，其中包括对运算结果的处理以及下条指令地址的形成。 3.3什么是冯·诺伊曼计算机结构的主要技术瓶颈？如何克服？ 冯·诺伊曼计算机结构的主要技术瓶颈是数据传输和指令串行执行。可以通过以下方案克服：采用哈佛体系结构、存储器分层结构、高速缓存和虚拟存储器、指令流水线、超标量等方法。
3.5指令系统的设计会影响计算机系统的哪些性能？ 指令系统是指一台计算机所能执行的全部指令的集合，其决定了一台计算机硬件主要性能和基本功能。指令系统一般都包括以下几大类指令。：1）数据传送类指令。（2）运算类指令 包括算术运算指令和逻辑运算指令。（3）程序控制类指令 主要用于控制程序的流向。 （4）输入/输出类指令 简称I/O 指令，这类指令用于主机与外设之间交换信息。 因而，其设计会影响到计算机系统如下性能: 数据传送、算术运算和逻辑运算、程序控制、输入/输出。另外，其还会影响到运算速度以及兼容等。 3.9某时钟速率为2.5GHz 的流水式处理器执行一个有150万条指令的程序。流水线有5段，并以每时钟周期1条的速率发射指令。不考虑分支指令和乱序执行带来的性能损失。 a)同样执行这个程序，该处理器比非流水式处理器可能加速多少？ b)此流水式处理器是吞吐量是多少（以MIPS 为单位）？ a.=51p T nm S T m n =≈+-串流水 速度几乎是非流水线结构的5倍。 b.2500M IPS p n T T =≈流水 3.10一个时钟频率为2.5 GHz 的非流水式处理器，其平均CPI 是4。此处理器的升级版本引入了5级流水。然而，由于如锁存延迟这样的流水线内部延迟，使新版处理器的时钟频率必须降低到2 GHz 。 (1) 对一典型程序，新版所实现的加速比是多少？ (2) 新、旧两版处理器的MIPS 各是多少？ （1）对于一个有N 条指令的程序来说： 非流水式处理器的总执行时间s N N T 990 106.1)105.2/()4(-?=??= 5级流水处理器的总执行时间s N N T 991 10)4(2)102/()15(-?+=?-+= 加速比=42.310 +=N N T T ，N 很大时加速比≈3.2 （2）非流水式处理器CPI=4，则其执行速度=2500MHz/4=625MIPS 。 5级流水处理器CPI=1，则其执行速度=2000 MHz /1=2000 MIPS 。 3.11随机逻辑体系结构的处理器的特点是什么？详细说明各部件的作用。 随机逻辑的特点是指令集设计与硬件的逻辑设计紧密相关，通过针对特定指令集进行
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
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
系统结构与硬件（答案） 系统结构与硬件 1.绘图仪属于 A：输出设备 B：输入设备和输出设备 C：输入设备 D:计算机正常工作时不可缺少的设备 2.计算机的存储系统一般指主存储器和 A:累加器 B:寄存器 C：辅助存储器 D:鼠标器 3.把硬盘上的数据传送到计算机的内存中去，称 为
A:打印 B:写盘 C:输出 D:读盘 4.CPU是计算机硬件中的（）部件。A:核心 B:辅助 C:主存 D:输入输出 5.CPU中的运算器的主要功能是（）A：负责读取并分析指令 B:算术运算和逻辑运算 C:指挥和控制计算机的运行 D:存放运算结果 6.CPU中的控制器的功能是（）。A:进行逻辑运算 B:进行算术运算 C:控制运算的速度 D:分析指令并发出相应的控制信号7.以下全是输入设备的是
A:键盘、扫描仪、打印机 B:键盘、硬盘、打印机 C:鼠标、硬盘、音箱 D:扫描仪、键盘、只读光盘 8.现代计算机系统是以（）为中心的。 A:中央处理器 B:内存 C:运算器 D:控制器 9.计算机中必要的、使用最广泛的、用于人机交 互的输出设备是 A：打印机 B:显示器 C：绘图仪 D：声卡 10.半导体只读存储器（ROM与半导体随机存储 器（RAM的主要区别在于 A: ROM 可以永久保存信息，RAM 在掉电后信息会消失 B： ROM掉电后，信息会消失，RAM不会 C： ROM是内存储器，RAM是外存储器
D： RAM是内存储器，ROM是外存储器 11.CPU的中文意思是 A:中央处理器 B:主机 C:控制器 D:计算机器 12.内存与外存的主要不同在于 A: CPU可以直接处理内存中的信息，速度快，存储容量大；外存则相反。 B: CPU可以直接处理内存中的信息，速度快，存储容量小；外存则相反。 C： CPU不能直接处理内存中的信息，速度慢, 存储容址大，外存则相反。 D： CPU不能直接处理内存中的信息，速度慢, 存储容量小，外存则相反 13.能够将图片输入到计算机内的装置是 A：打印机 B:扫描仪 C:鼠标 D:键盘 14.微型机中硬盘工作时，应特别注意避免 A:光线直射
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
FAS系统硬件结构和功能 1.系统总体结构 如图2-1所示，FH98-G产品由系统主机、各种调度终端、维护管理系统、集中录音系统等部分组成。 系统主机提供数字中继、模拟中继、模拟用户、数字用户(2B+D)、2/4线音频、磁石、以太网和RS485等接口。并通过这些接口与电话公网、普通话机、磁石话机、2B+D键控终端、2B+D触摸屏调度台、集中数字录音仪、维护管理系统等相连。 FH98-G指挥调度系统从总体上分为N系统、C系统和网管系统。 在铁路调度应用中N系统是专供组织铁路运输生产的行车调度员、货运调度台、电力调度员及各专业生产调度员通过调度台向所管辖区段内的各站业务值班员、机车台以及无线终端发布命令和听取汇报的专用设备，一般位于调度所和指挥中心。 C系统作为各车站内数字化调度分机及数字化站场集中机设备，构成以信号楼值班员或车站运转室值班员为中心的站内通信系统，包括调度分机的接入、站间通信的接入、站场用户的接入等。 FH98-G的网管系统一般设在调度指挥中心，对N系统及全线的C系统进行统一管理和维护。 图2-1 N系统硬件结构示意图提供音频通道 。 。 。 2B+D接口 2B+D接口触摸屏调度台 触摸屏调度台网管终端 接自动交换网 接磁石电话 环路接口 磁石接口 音频接口 通过传输设备接车站FAS 接共电话机 共电接口 数字E1接口 与共电接口对接 共分接口 Copyright ?1996 Northern Telecom Copyright ?1996 Northern Telecom 通过传输设备接MSC 30B+D接口 交换机
图2-2 C 系统硬件结构示意图 1.1 系统主机 1.1.1 机柜 FH98-G 采用标准19英寸机柜（2000mm*600 mm *600 mm ），为插箱插板式结构。FH98-G 系统标准包括主控层和扩展层两种插箱，根据容量需要，N 系统扩展层一般为3层，C 系统扩展层为1层。机柜图如下所示： 2B+D 2B+D 2B+D E1接口 E1接口 接上行车站 FAS 接下行车站FAS 磁石接口 共电接口 环路接口 音频接口 接共电电话机 接磁石电话机 接自动交换网 触摸屏车站台 Copyright ?1996 Northern Telecom 触摸屏车站台 Copyright ?1996 Northern Telecom 与共电接口对接 共分接口
《计算机系统结构》大作业 介绍并行算法与并行程序设计 及它们的不足及发展趋势 专业计算机科学与技术（软件工程方向） 指导教师蔡启先 班级 学号 姓名 日期 2013年6月 广西科技大学计算机学院
介绍并行算法与并行程序设计 及它们的不足及发展趋势 摘要：并行算法是并行计算中非常重要的问题。这篇报告首先简要介绍并行计算，然后主要讨论并行算法研究中的问题和今后的方向，最后阐述并行计算研究中存在的问题以及今后面临的挑战。并行算法研究应该确立一个“理论－设计－实现－应用”的系统方法，形成一个完善的“架构—算法—编程”方法论，这样才能保证并行算法不断发展并变得更加实用。再结合例子进而介绍并行算法的基本原理，给并行算法下一个基本的定义，对并行算法进行了相关的介绍；接着根据目前并行算法的应用，提出了在计算机系统结构中以并行算法为基础的一些并行程序设计的应用，比较了目前流行的并行程序设计的方法，并通过比较指出它的不足以及并行程序设计在未来的发展趋势和前景。 关键词：计算机系统结构并行算法并行程序设计 引言 并行计算机从70年代的开始，到80年代蓬勃发展和百家争鸣，再到90年代体系结构框架趋于统一，近年来其快速发展，并行机技术日趋成熟。首先是市场的需求，一直是推动并行计算机发展的主要动力，大量实际应用部门，如天气预报、核武器、石油勘探、地震数据处理、飞行器数值模拟以及其他大型事务处理等，都需要每秒执行数十万亿次乃至数百万亿此浮点运算的计算机，基于这些应用问题本
身的限制，并行计算是满足它们的唯一可行途径。使用多计算机进行并行程序设计，它们之间的通信是通过发送消息来完成的，所以消息传递需要并行程序设计。并行程序设计使用多计算机或多个内部处理器的计算机来求解问题，它比使用单台计算机的计算速度要快得多。并行程序设计也为求解更大规模的问题提供了机会，前面所述问题需要更多的计算步或更大存储容量需求，并行程序设计以并行算法为核心，能满足这要求，因为多计算机和多处理机系统通常比单计算机有更大的总存储容量。 并行算法是一门还没有发展成熟的学科，虽然人们已经总结出了相当多的经验，但是远远不及串行算法那样丰富。并行算法设计中最常用的的方法是PCAM方法，即划分，通信，组合，映射。首先划分，就是将一个问题平均划分成若干份，并让各个处理器去同时执行；通信阶段，就是要分析执行过程中所要交换的数据和任务的协调情况，而组合则是要求将较小的问题组合到一起以提高性能和减少任务开销，映射则是要将任务分配到每一个处理器上。总之，并行算法还需要相当多完善的地方。并行算法与串行算法最大的不同之处在于，并行算法不仅要考虑问题本身，而且还要考虑所使用的并行模型，网络连接等等。 并行算法是并行计算中非常重要的问题。并法研究应该确立一个“理论－设计－实现－应用”的系统方法，形成一个完善的“架构—算法—编程”方法论，这样才能保证并行算法不断发展并变得更加实用。简单的说，算法就是求解问题的方法和步骤。并行算法，就是在
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）求连续输入10条指令的情况下，该流水线的实际吞吐率和效率。（2）该流水线的瓶颈在哪一段请采用两种不同的措施消除此瓶颈。对于你所给出的两种新的流水线，连续输入10条指令时，其实际吞吐率和效率各是多少解：（1） 2200(ns)2009200)10050(50t )1n (t T max m 1 i i pipeline =?++++=?-+?=∑= )(ns 220 1T n TP 1pipeline -== 45.45%11 5 4400TP m t TP E m 1 i i ≈=? =?? =∑= （2）瓶颈在3、4段。 变成八级流水线（细分） 850(ns) 509850t 1)(n t T max m 1 i i pipeline =?+?=?-+?=∑= )(ns 85 1 T n TP 1pipeline -== 58.82%17 10 8400TP m ti TP E m 1 i ≈=? =?? =∑= 重复设置部件 50ns 50ns 100ns 200ns 1 2 3 4 1 2 3_1 3_2 4_1 4_4 入 出
产品说明书硬件部分说明 第一章系统结构 1.1系统构成 1.2说明 计算机及软件：管理整个系统，运算并处理各种相关数据。
收费机（又称窗口机）：根据上位机所设权限，承担窗口售饭、存 款、取款、退款以及出售份饭等职能。 录入机：连入计算机键盘口，用于办卡的操作设备。 打印机：计算机的附属设备，用于打印各项报表及收据。 网络服务器：通过COM1、COM2使窗口机与计算机实时通讯。第二章窗口机的构成及使用 2.1外观及其功能说明 一、外观图 图一，购饭面：
图二，操作面。 2.2功能说明 本收费机分前后两面，一面供就餐人员划卡消费用，一面供售饭人员操作使用。 窗口机购饭面主要分为读卡区和显示屏两部分（如图一）。 射频卡感应区：位于右侧印有天线图形的部分。消费时，消费者持卡接近窗口机，并使卡面与窗口机感应区平行贴近，移动射频卡至窗口机感应区0.2-2.5CM处，听到“嘟嘀”声后，即表示刷卡成功。
此时窗口机显示屏同时显示卡中余额；否则显示ERR1，表示档案中无此卡，并连响数声。 显示屏：位于窗口机的中央，分为上下两行，分别显示“余额”和“应收”两项内容。“余额”项表示持卡人卡中餐费余额，“应收”项表示持卡人当餐消费金额。 窗口机操作面分键盘操作和显示屏两部分（图2），显示屏内容及功能与购饭面显示屏相同。键盘可分为功能区和操作键区。 功能键区：分“主食”、“副食”、“零售”三个功能键，和与之对应的绿、黄、红三个状态指示灯。 操作键区：由0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、F1、*、查询、确认、小数点、设置、退出、总清、清除、结帐等键组成。 登录方式功能键：1、售饭；2、存款；3、取款；4、退款；5、份饭。 当操作员进行超出软件设定的权限操作时，显示屏则会出现ERR3，进行错误提示。 设置键：设置键用来设置机器号，设置机器号必须在售饭机登陆之前。登陆前连续按十次设置键，则显示本售饭机的机 器号，每台窗口机必须有唯一号码与其对应，否则重号
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。答：如在设计主存系统时，确定主存容量、编址方式、寻址范围等属于计算机系统结构。确定主存周期、逻辑上是否采用并行主存、逻辑设计等属于计算机组成。选择存储芯片类型、微组装技术、线路设计等属于计算机实现。计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。计算机实现是计算机组成的物理实现。一种体系结构可以有多种组成。一种组成可以有多种实现。 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答：Flynn 分类法是按照指令流和数据流的多倍性进行分类。分为：（1） 单指令流单数据流 SISD （2） 单指令流多数据流 SIMD （3） 多指令流单数据流 MISD （4） 多指令流多数据流 MIMD 1,5实现软件可移植性的常用方法有哪几种并简述其含义1,采用系列机:由同一厂家生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。2,模拟与仿真:要使软件能在具有不同系统结构的机器之间相互移植，就要求：能在一种系统结构上实现另一种系统结构。从指令集的角度来看，就是要在一种机器上实现另一种机器的指令集。 某台主频为400MHz 的计算机执行标准测试程序，程序中指令类型、执行数量和平均时钟周期数如下： 求该计算机的有效CPI 、MIPS 和程序执行时间。 解：（1）CPI ＝(45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2) / 129500＝ （2）MIPS 速率＝f/ CPI ＝400/ ＝ （3）程序执行时间= (45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2)／400=575s 假设某应用程序中有4类操作，通过改进，各操作获得不同的性能提高。具体数据如 （1）改进后，各类操作的加速比分别是多少 （2）各类操作单独改进后，程序获得的加速比分别是多少 （3）4类操作均改进后，整个程序的加速比是多少 解：根据Amdahl 定律Se Fe Fe S n +-= )1(1可得 4类操作均改进后，整个程序的加速比：
第1章计算机系统结构的基本概念 1.1 解释下列术语 层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。这些层次依次为：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，应用语言机器级等。 虚拟机：用软件实现的机器。 翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。 解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。 计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。 透明性：在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。 计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。 计算机实现：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。 系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。 Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。 程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。包括时间局部性和空间局部性。 CPI：每条指令执行的平均时钟周期数。 测试程序套件：由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用来测试计算机在各个方面的处理性能。 存储程序计算机：冯·诺依曼结构计算机。其基本点是指令驱动。程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。 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。 软件兼容：一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上运行。差别只是执行时间的不同。 向上（下）兼容：按某档计算机编制的程序，不加修改就能运行于比它高（低）档的计算机。向后（前）兼容：按某个时期投入市场的某种型号计算机编制的程序，不加修改地就能运行于在它之后（前）投入市场的计算机。 兼容机：由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。 模拟：用软件的方法在一台现有的计算机（称为宿主机）上实现另一台计算机（称为虚拟机）的指令系统。 仿真：用一台现有计算机（称为宿主机）上的微程序去解释实现另一台计算机（称为目标机）的指令系统。 并行性：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。只要在时间上相
1．1 概述数字计算机的发展经过了哪几个代？各代的基本特征是什么？ 略。 1．2 你学习计算机知识后，准备做哪方面的应用？ 略。 1．3 试举一个你所熟悉的计算机应用例子。 略。 1．4 计算机通常有哪些分类方法？你比较了解的有哪些类型的计算机？ 略。 1．5 计算机硬件系统的主要指标有哪些？ 答：机器字长、存储容量、运算速度、可配置外设等。 答：计算机硬件系统的主要指标有：机器字长、存储容量、运算速度等。 1．6 什么是机器字长？它对计算机性能有哪些影响？ 答：指CPU一次能处理的数据位数。它影响着计算机的运算速度，硬件成本、指令系统功能，数据处理精度等。 1．7 什么是存储容量？什么是主存？什么是辅存？ 答：存储容量指的是存储器可以存放数据的数量（如字节数）。它包括主存容量和辅存容量。 主存指的是CPU能够通过地址线直接访问的存储器。如内存等。 辅存指的是CPU不能直接访问，必须通过I/O接口和地址变换等方法才能访问的存储器，如硬盘，u盘等。 1．8 根据下列题目的描述，找出最匹配的词或短语，每个词或短语只能使用一次。（1）为个人使用而设计的计算机，通常有图形显示器、键盘和鼠标。 （2）计算机中的核心部件，它执行程序中的指令。它具有加法、测试和控制其他部件的功能。 （3）计算机的一个组成部分，运行态的程序和相关数据置于其中。 （4）处理器中根据程序的指令指示运算器、存储器和I/O设备做什么的部件。 （5）嵌入在其他设备中的计算机，运行设计好的应用程序实现相应功能。 （6）在一个芯片中集成几十万到上百万个晶体管的工艺。 （7）管理计算机中的资源以便程序在其中运行的程序。 （8）将高级语言翻译成机器语言的程序。 （9）将指令从助记符号的形式翻译成二进制码的程序。 （10）计算机硬件与其底层软件的特定连接纽带。 供选择的词或短语： 1、汇编器 2、嵌入式系统 3、中央处理器（CPU） 4、编译器 5、操作系统 6、控制器 7、机器指令 8、台式机或个人计算机 9、主存储器10、VLSI 答：（1）8，（2）3，（3）9，（4）6，（5）2， （6）10，（7）5，（8）4，（9）1，（10）7