计算机系统结构学习指导与题解

总 复 习第一章1. 计算机系统结构、组成、实现的基本概念和包含的内容；系统结构与软硬件功能划分的关系；计算机系统的多级层次结构；判断某项内容属于结构、组成、实现的哪一类；判断某项内容针对不同程序员的透明性。

2. 促进系统结构发展的因素（软件、应用、器件）。

软件：实现软件可移植性的方法；系列机的概念；软件兼容的概念（向前、向后、向上、向下兼容）；模拟与仿真技术的概念；应用：应用对系统结构的要求。

器件：系统结构下移的概念。

3. 计算机系统的分型与分类的概念。

Flynn 分类法4. 系统结构设计的定量原理（Amdahl 定理）；加速比的计算方法；5. 程序访问的局部性原理（时间局部性、空间局部性）；判断系统结构中局部性原理的应用。

6. 系统评价的指标（响应时间、CPU 时间、MIPS 、MFLOPS ）；运用CPU 性能公式、平均CPI 比较系统性能。

7. 并行性的概念；并行性的等级、粒度；并行性的开发策略（时间重叠、资源重复、资源共享）； 8. 计算机系统的主要设计方法 部分习题参考答案： 1.6 解：（1）CPI ＝(45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2) / 129500＝1.776（2）MIPS 速率＝f/ CPI ＝400/1.776 ＝225.225MIPS（3）程序执行时间= (45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2)／400×106=5.75×10－4s=0.575ms=575μs1.8 解：（1）在多个部件可改进情况下，Amdahl 定理的扩展：∑∑+-=eieiei p r f)f 1(1S已知r e1＝30，r e2＝20，r e3＝10，S p ＝10，f e1＝0.3，f e2＝0.3，得：）（）（10/20/0.330/0.30.30.3-111033F F +++++=得f e3＝0.36，即部件3的可改进比例为36%。

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。

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。

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: 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：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。

1. 如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分成4级。

每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令解释。

若执行第一级的一条指令需要K ns 时间，那么执行第2、3、4级的一条指令各需要用多少时间？解：可以分情况进行讨论●情况一执行第2级的一条指令需要NK纳秒，执行第3级的一条指令需要N2K纳秒，执行第4级的一条指令需要N3K纳秒。

●情况二执行第2级的一条指令需要K/N纳秒，执行第3级的一条指令需要K/N2纳秒，执行第4级的一条指令需要K/N3纳秒。

2. 实现软件移植的主要途径有哪些？它们存在什么问题？适用于什么场合？答：略3. 想在系列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，哪些则是行不通的？为什么？⑴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。

⑵ 为增强中断处理功能，将中断分析由原来的4级增加到5级，并重新调整中断响应的优先次序。

⑶ 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。

⑷ 为解决计算误差较大的问题，将机器中浮点数的下溢处理方法由原来的恒置“1”法，改为增设用只读存储器存放下溢处理结果的查表舍入法。

⑸ 为增加寻址灵活性和减少平均指令字长，将原来全部采用等长操作码的指令改成有3类不同码长的扩展操作码；并将源操作数寻址方式由原来的操作码指明改成增加一个如V AX-11那样的寻址方式位字段来指明。

⑹ 将CPU 与主存之间的数据通路宽度由16位扩展到32位，以加快主机内部信息的传送。

⑺ 为了减少使用公用总线的冲突，将单总线改为双总线。

⑻ 把原来的0号通用寄存器改作为专用的堆栈指示器。

答：⑵、⑸、⑻不可以，其它都可以。

⑵ 不可以，对系列机可以增加新功能，但是不能改变原来的功能。

⑸ 不可以，改变了指令的格式和功能。

⑻ 不可以，0号通用寄存器变成堆栈指示器，0号通用寄存器不能用了。

4. 如果某一计算任务用向量方式求解比用标量方式求解要快20倍，称可用向量方式求解部分所花费时间占总时间的百分比为可向量化百分比。

计算机系统结构习题解答第一章习题一1.2一台经解释实现的计算机，可以按照功能划分成4级。

每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令解释。

若执行第1级的一条指令需K纳秒时间，那么执行第2、3、4级的一条指令个需要多少时间？解：①分析：计算机按功能分级时，最底层的为第1级。

向上一次是第2 、3、4级。

解释执行是在低级机器级上，用它的一串指令或语句来解释执行高一级上的一条指令的功能。

是逐条解释的。

②解答：执行第2、3、4级的一条指令各需KNns,KN2ns,KN3ns的时间。

1.3操作系统机器级的某些指令就用传统机器级的指令，这些指令可以用微程序直接实现，而不由操作系统自己来实现。

根据你对习题1.2的回答，你认为这样做有哪两个好处？答：可以加快操作系统操作命令解释的速度。

同时也节省了存放解释操作命令这部分解释程序所占用的空间。

简化了操作系统机器级的设计。

也有利于减少传统机器级的指令条数。

1.5硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上是不等效的？试举例说明。

答：硬件和软件在逻辑意义上是等效的。

在物理意义上是不等效的。

①在原理上，用硬件或固件实现的功能完全可以用软件来完成。

用软件实现的功能也可以用硬件或固件来完成。

功能一样。

②只是反映在速度、价格、实现的难易程度上，这两者是不同的。

性能不同。

③例如，浮点运算在80386以前一直是用软件实现的。

到了80486，将浮点运算器集成到了CPU中，可以直接通过浮点运算指令用硬件实现。

但速度却高的多。

1.9下列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；指令缓冲器。

答：①对系统程序员和应用程序员均透明的：是全用硬件实现的计算机组成所包含的方面。

有：数据通路宽度、Cache存储器、指令缓冲器。

②仅对应用程序员透明的：是一些软硬件结合实现的功能。

有：虚拟存储器、程序状态字、“启动I/O”指令。

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。

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。

计算机体系结构学习指导《计算机体系结构》学习指导温东新课程名称：计算机体系结构英⽂名称：COMPUTER ARCHITECTURE开课院系：远程教育学院开课学时：50学分：3授课对象：远程教育学院专升本计算机科学与技术专业学⽣⼀、教学⽬的与课程性质、任务。

教学⽬的：通过本课程的学习，能够帮助学⽣建⽴计算机系统的整体概念，树⽴按最合理的软硬件功能分配原则去设计开发计算机系统的思想，为今后学习并⾏计算机系统结构打下基础。

计算机体系结构课程是计算机科学与技术专业本科教学中⼀门重要的技术专业课。

计算机体系结构课程学习的主要任务是计算机体系结构的基本概念，基本原理，基本结构和基本分析⽅法，还应该清楚认识到涉及操作系统，程序语⾔及其编译，数据结构等内容与计算机体系结构的相互影响和相互促进。

⼆、教学要求该课程开设位于整个本科教学的后期，课程的教学不仅讲授计算机体系结构的基本概念，基本原理，基本结构，和基本分析⽅法，还要在教学过程中将原学习过的专业课结合起来，例如操作系统，程序设计语⾔及其编译，数据结构等内容与本课程结合起来，使学⽣清楚它们与计算机体系结构的相互影响和相互作⽤。

在教学环节上，对学⽣的学习提出“掌握”和“了解”两个层次上要求，所谓“掌握”，是指学⽣在课后，必须能将所学内容⾃⼰理解并解决实际问题，这是将所学知识熟练应⽤到实践中的基础。

所谓“了解”，是要求学⽣对所学内容有初步的认知，在遇到相关问题时要求能够辨识。

教学以课堂讲授为主，辅之以POWERPOINT⽅式。

三、教学进度表四、教学内容与讲授⽅法五、课程的重点、思考题第⼀章绪论本章学习重点：1、计算机系统层次结构组成，计算机系统结构,组成实现的定义和相互关系，2、软件硬件取舍原则及设计⽅法，软件移植⼿段3、应⽤与器件对体系结构的影响，并⾏性的分类与发展，计算机系统分类本章思考题：1、名词解释：翻译解释层次结构解释程序计算机系统结构固件⼯程软件兼容模拟仿真时间重叠资源共享同构型处理机异构型多处理机2、如有⼀个经解释实现的计算机，可以按功能划分4级，每⼀级为了执⾏⼀条指令需要下⼀条的N条指令解释。

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: 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：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。

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。

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。

CPl: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。

第1章计算机系统结构的基本概念 (1)第2章指令集结构的分类 (6)第3章流水线技术 (8)第4章指令级并行 (21)第5章存储层次 (30)第6章输入输出系统 (38)第7章互连网络 (41)第8章多处理机 (45)第9章机群 (45)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。

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。

《计算机系统结构》习题解答目录第一章(P33)1.7-1.9（透明性概念），1.12-1.18（Amdahl定律），1.19、1.21、1.24（CPI/MIPS）第二章(P124)2.3、2.5、2.6（浮点数性能），2.13、2.15（指令编码）第三章(P202)3.3（存储层次性能），3.5（并行主存系统），3.15-3.15加1题（堆栈模拟），3.19中(3)(4)(6)(8)问（地址映象/替换算法--实存状况图）第四章(P250)4.5（中断屏蔽字表/中断过程示意图），4.8（通道流量计算/通道时间图）第五章(P343)5.9（流水线性能/时空图），5.15（2种调度算法）第六章(P391)6.6（向量流水时间计算），6.10（Amdahl定律/MFLOPS）第七章(P446)7.3、7.29（互连函数计算），7.6-7.14（互连网性质），7.4、7.5、7.26（多级网寻径算法），7.27（寻径/选播算法）第八章(P498)8.12（SISD/SIMD算法）第九章(P562)9.18（SISD/多功能部件/SIMD/MIMD算法）(注：每章可选1-2个主要知识点，每个知识点可只选1题。

有下划线者为推荐的主要知识点。

)第一章(P33)1.7(1)从指定角度来看，不必要了解的知识称为透明性概念。

(2)见下表，“√”为透明性概念，“P ”表示相关课文页数。

1.8见下表，“√”为透明性概念，“P ”表示相关课文页数。

1.9见下表，“√”表示都透明，“应”表示仅对应用程序员透明，“×”表示都不透明。

1.12 已知Se=20 , 求作Fe-Sn 关系曲线。

将Se 代入Amdahl 定律得en F S 201911-=1.13 上式中令Sn=2，解出Fe=10/19≈0.5261.14 上式中令Sn=10，解出Fe=18/19≈0.9471.15 已知两种方法可使性能得到相同的提高，问哪一种方法更好。