第8章-计算机系统结构(第五版)李学干

中国海洋大学计算机系统结构课程大纲（理论课程）中国海洋大学计算机系统结构课程大纲(理论课程)英文名称Computer Architecture【开课单位】计算机科学与技术系【课程模块】学科基础【课程编号】【课程类别】选修【学时数】 48 (理论实践 ) 【学分数】 3一、课程描述本课程大纲根据2011年本科人才培养方案进行修订或制定。

(一)教学对象计算机科学与技术专业大学三年级学生(二)教学目标及修读要求1、教学目标(课程结束后学生在知识、技能和态度三个层面达到的目标) 本课程的结束后，学生应掌握计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构和基本分析方法，初步了解和掌握几种高性能计算机系统的架构;初步具备计算机系统的架构分析能力，初步具备计算机系统性能的评测技能;对现有的主流计算机系统能有一个比较全面的了解，开阔眼界和思路，为今后进一步的学习、研究和工作奠定基础。

2、修读要求(简要说明课程的性质，与其他专业课程群的关系，学生应具备的基本专业素质和技能等)本课程是一门专业理论课。

由于计算机系统是一个复杂的系统，在学生已经学习了“计算机组成原理”、“计算机操作系统”、“汇编语言程序设计”、“高级语言程序设计”等计算机硬件和软件方面的多门课程之后，通过学习“计算机系统结构”这门课程才能够建立起计算机系统的完整概念。

(三)先修课程(参照2011版人才培养方案中的课程名称，课程名称要准确) 先修课程:“高级语言程序设计”;“计算机组成原理”;“操作系统”。

二、教学内容(一)第1章计算机系统结构的基本概念1、主要内容:1.1 计算机系统结构1.2 计算机系统设计技术1.3 系统结构的评价标准1.4 计算机系统结构的发展2、教学要求:(按照掌握、理解、了解三个层次对学生学习提出要求)掌握计算机系统层次结构，计算机系统结构、计算机组成、计算机实现定义及三者之间的关系，透明性概念，Amdahl定律，CPU性能公式，局部性原理，MIPS 定义，MFLOPS定义，计算机系统结构的分类;理解计算机系统设计方法，系统结构的评价标准;了解冯?诺依曼计算机特征，计算机系统结构的发展，价格、软件、应用、VLSI和算法对系统结构的影响。

《计算机系统结构》理论课教学大纲一、课程基本信息二、课程目标与任务目标：通过本课程的学习，使学生更好地理解计算机系统的软、硬件功能分配重要性，进一步树立和加深对计算机系统的整体概念，熟悉有关计算机系统结构的概念、原理，了解常用的基本结构，领会结构设计思想和方法，提高分析解决问题的能力。

了解近代计算机系统结构上的进展和今后发展的趋势。

任务：能独立地应用这些基本理论、基本方法来分析计算机系统性能及指标，使学生具有一定评估计算机系统性能的能力。

三、课程主要内容、要求及学时分配四、主要教学组织形式与方法手段计算机系统结构是一门与计算机专业理论性很强的专业课程。

要求学生不但能了解计算机体系方面的理论探索内容，还能让学生具有一定的计算机专业功底技能。

因此，在理论教学的组织形式、方式方法上，应特别注意与现有各类计算机结构相结合，引进国际工程教育改革的最新成果——CDIO（Conceive, Design, Implement, Operate）工程教育模式，树立以学生为中心的教育理念，充分调动学生的积极性、主动性与创造性。

1.组织形式在课堂授课时，把握课程内容重点和关键，注重教学内容的实用性和专业指导性，强调概念规范性，从传统的以教师为中心教给学生向以学生为中心学会学习转变，在讲授知识点时实施以具体项目为内容的教学模式。

多层次、立体化的实现理论教学与实践教学的有机结合，促进学生学习的积极能动性。

2.教学方法为有效调动学生的学习积极性，课程组教师课前进行研讨，总结经验，找出重点和难点，设计灵活多样的教学方法，如：对于课程内容有针对性的提出不同计算机结构体系计算机来引导学生思考、研讨，多鼓励学生查找相关的前沿理论探索知识；采用小组合作方式，对问题展开积极的讨论与交流，分享成果，反思失败，鼓励创新思想；对于难点和重点内容，开展习题课，加深学生对理论的理解。

3.教学手段利用多媒体技术，使传统板书与现代教育技术相结合；利用资料图片，使理论教学与实践教学相结合；利用网络技术，使课内教学与课外辅导相结合。

《计算机系统的体系结构》课后答案1-8章第1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。

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。

只是反映在速度、价格、实现的难易程度上这两者不同。

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、1 25、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MO S型的；可用VLSI单片，也可用多片小规模集成电路组搭。

（3）计算机的系统结构不同，会使采用的组成技术不同，反之组成也会影响结构。

如为实现A:=B+CD:=E*F,可采用面向寄存器的系统结构，也可采用面向主存的三地址寻址方式的系统结构。

要提高运行速度，可让相加与相乘并行，为此这两种结构在组成上都要求设置独立的加法器和乘法器。

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。

计算机系统结构李学干课后答案【篇一:计算机系统结构李学干版+习题答案】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 ns时间，那么执行第２、3、４级的一条指令各需要多少时间？答:执行第2、3、４级的一条指令各需kn ns、(ｎ*n）*k ns、(ｎ*n*n)*ｋ ns的时间。

１－２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解释实现，而不必有操作系统自己来实现。

更具你对1- 1题的回答，你认为这样做有哪些好处？答:这样做,可以加快操作系统中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的存储空间，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- ３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。

1－ 4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。

例如,编译程序、操作系统等许多用机器语言软件子程序实现的功能完全可以用组合电路硬件或微程序固件来解释实现。

它们的差别只是软件实现的速度慢,软件的编制复杂,编程工作量大，程序所占的存储空间量较多，这些都是不利的；但是,这样所用硬件少，硬件实现上也就因此而简单容易,硬件的成本低，解题的灵活性和适应性较好,这些都是有利的。

1.层次结构现代通用的计算机系统是由紧密相关的硬件和软件组成的。

从使用语言的角度，可以将系统看成是按功能划分的多层机器级组成的层次结构，由高到低分别为应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器语言机器级和微程序机器级。

2.计算机系统结构也称计算机体系结构，它只是系统结构中的一部分，指的是层次结构中的传统机器级的系统结构。

其界面之上包括操作系统级、汇编语言级、高级语言级和应用语言级中所有软件的功能，该界面之下包括所有硬件和固件的功能。

3.计算机实现指的是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，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，微组装技术，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。

它着眼于器件技术和微组装技术，其中，器件技术在实现技术中起着主导作用。

4.数据表示指的是能由机器硬件直接识别和引用的数据类型。

5.霍夫曼压缩概念霍夫曼压缩概念的基本思想时，当各种事件发生的概率不均等时，采用优化技术，对发生概率最高的事件用最短的位数来表示，而对出现概率较低的事件允许用较长的位数来表示，就会使表示的平均位数缩短。

6.RISC精简指令系统（RISC），不是简单地把指令系统进行简化，而是通过简化指令的途径使计算机的结构更加简单合理，以减少指令的执行周期数，从而提高运算速度。

7.CISC复杂指令系统（CISC），设计风格力图缩小机器语言与高级语言的语义差距，使源程序长度尽可能的短，以及尽可能少的访问存储器和执行尽可能少的指令，以求获得高性能。

8.非专用总线可以被多种功能或多个部件所分时共享，同一时间只有一对部件可使用总线进行通信。

9.数据宽度I/O设备取得I/O总线后所传送数据的总量.10.中断响应次序是在同时发生多个不同中断类的中断请求时，中断响应硬件中的排队器所决定的响应次序。

11.中断处理次序中断处理完的次序，也即中断处理程序完成中断处理的次序。