计算机系统结构

计算机系统的层次结构和功能模块在计算机科学领域，计算机系统是由不同层次和功能模块构成的复杂系统。

这些层次和功能模块相互协作，实现了计算机的各项功能和任务。

本文将详细探讨计算机系统的层次结构和各个功能模块。

一、计算机系统的层次结构计算机系统的层次结构一般可以分为硬件层次和软件层次两个大的方面。

硬件层次包括物理层、逻辑层和微程序层；软件层次包括操作系统、系统软件和应用软件。

1. 物理层物理层是计算机系统的最底层，包括处理器、存储器、输入输出设备等硬件组成部分。

处理器是计算机的核心部件，负责执行各种指令和进行数据处理。

存储器用于存储数据和指令。

输入输出设备则用于与外部环境进行数据交互。

2. 逻辑层逻辑层主要负责解决数据传输和控制信号的问题，确保数据的正确传输和处理。

逻辑层包括总线、控制器和接口等组成部分。

总线是连接各个硬件设备的通信线路，用于传输数据和控制信号。

控制器则负责管理和控制各个硬件设备的工作。

接口用于连接外部设备和计算机系统。

3. 微程序层微程序层是计算机系统的底层软件，主要负责解释和执行计算机指令。

微程序层的设计和实现可以提高计算机系统的性能和灵活性。

4. 操作系统操作系统是计算机系统的核心软件，负责管理和控制计算机系统的各项资源，提供用户与计算机之间的接口。

操作系统包括进程管理、内存管理、文件系统、设备管理等模块，保证计算机系统的稳定运行和资源的有效利用。

5. 系统软件系统软件是在操作系统之上的软件层次，为用户提供各种工具和服务。

系统软件包括编译器、调试器、数据库管理系统等。

6. 应用软件应用软件是计算机系统中最顶层的软件，用于满足用户的各种需求。

应用软件包括办公软件、图像处理软件、娱乐软件等。

二、计算机系统的功能模块除了按照层次结构划分，计算机系统还可以按照功能模块进行划分。

计算机系统的功能模块包括：输入模块、输出模块、存储模块、运算控制模块、逻辑控制模块和时序控制模块。

1. 输入模块输入模块是用于将外部数据和指令输入到计算机系统中的模块。

现代计算机系统是由多个组件和层次结构组成的。

下面是对现代计算机系统的组成和层次结构的简要描述：
1. 硬件层：计算机系统的硬件部分由以下组件组成：
- 中央处理器（CPU）：负责执行指令和进行算术逻辑运算。

- 存储器（内存）：用于存储指令和数据。

- 输入设备：用于接受用户输入，如键盘、鼠标等。

- 输出设备：用于向用户显示结果，如显示器、打印机等。

- 存储设备：用于永久存储数据，如硬盘、固态驱动器等。

2. 操作系统层：操作系统是计算机系统的核心软件，负责管理和控制计算机的各种资源，提供用户与计算机硬件之间的接口。

常见的操作系统包括Windows、macOS和Linux等。

3. 应用程序层：应用程序是用户直接使用的软件，包括办公软件、图像处理软件、游戏等。

这些应用程序在操作系统上运行，通过操作系统与硬件进行交互。

4. 编程语言和开发工具层：为了开发应用程序，程序员使用编程语言和开发工具来编写和调试代码。

常见的编程语言包括C、Java、Python等，开发工具包括集成开发环境（IDE）和调试器等。

5. 网络层：现代计算机系统通常通过网络连接起来，形成计算机网络。

网络层涉及网络协议、路由器、交换机等网络设备，用于实现计算机之间的通信和数据传输。

这些组件和层次结构共同构成了现代计算机系统，使得计算机能够高效地进行数据处理、存储和通信。

《计算机系统结构》教学大纲课程名称：计算机系统结构课程学时：72学时课程类型：专业必修课课程学分：3学分课程考核方式：考试一、课程目标本课程旨在使学生了解计算机系统的基本结构和原理，掌握计算机系统的层次结构、指令系统和中央处理器、主存储器和输入输出系统等方面的知识，培养学生分析和设计计算机系统的能力。

二、课程内容1.计算机系统概论1.1计算机系统的发展历程1.2计算机系统的基本组成部分1.3计算机系统的层次结构2.指令系统2.1指令的分类与特点2.2指令的寻址方式2.3指令的执行过程2.4简单指令系统的设计与实现3.中央处理器3.1数据通路和控制器3.2指令的执行过程3.3中央处理器的设计与实现3.4流水线技术4.主存储器4.1存储器的基本概念4.2存储器的层次结构4.3存储器的组织与管理4.4高速缓存存储器的设计与实现4.5虚拟存储器5.输入输出系统5.1输入输出系统的功能与分类5.2输入输出设备的接口技术5.3中断处理和DMA技术5.4输入输出系统的设计与实现三、教学方法本课程采用理论课和实验相结合的教学方法。

理论课主要讲授计算机系统的基本原理和概念，通过示例和案例分析加深学生的理解。

实验课将对部分计算机系统组成部分进行仿真和实践操作，提高学生的实际操作能力。

四、教材与参考书主教材：《计算机组成与设计》（第5版）- David A. Patterson, John L. Hennessy，机械工业出版社参考书：1. 《计算机系统结构教程》- M. Morris Mano, 赵洁，高等教育出版社2.《计算机体系结构》-王肇国，机械工业出版社五、考核方式与评分标准本课程采取考试的方式进行综合评估。

考试主要包括选择题、填空题、简答题和综合性问题。

评分标准包括学生对计算机系统原理的掌握程度、对计算机系统设计的理解程度以及实验操作能力的表现等。

六、实验内容1.设计一个简单的指令系统，包括指令集、寻址方式和控制流程。

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计算机系统组成的结构嘿，宝子们！今天咱们来唠唠计算机系统组成的结构。

这计算机系统的组成啊，就像一个超级复杂又超有趣的小宇宙。

咱先说说硬件部分吧。

硬件就像是计算机的身体，那些看得见摸得着的东西。

比如说，中央处理器（CPU），这可是计算机的大脑啊，就像人的大脑一样，指挥着计算机的各种操作。

它超级聪明，能快速地处理各种数据。

还有内存，这就好比是计算机的短期记忆，它能暂时存储计算机正在处理的数据，让计算机能快速地调用。

再就是硬盘啦，硬盘就是计算机的长期记忆，你存的那些照片、文件、游戏啥的，都在硬盘里安安稳稳地待着呢。

还有主板，主板就像是计算机的骨架，把所有的硬件设备都连接在一起，让它们能互相通信。

像显卡呢，要是你喜欢玩游戏或者做一些图形设计的工作，显卡就很重要啦，它能让屏幕上的图像显示得更清晰、更酷炫。

然后再说说软件部分。

软件就像是计算机的灵魂。

操作系统是软件里的大明星，像Windows、Mac OS或者Linux，它们管理着计算机的各种资源，让计算机能有条不紊地工作。

还有各种应用软件，比如说办公软件，像Word、Excel、PowerPoint，能让咱们写文档、做表格、做演示文稿啥的；还有娱乐软件，像游戏、视频播放器，能让咱们在闲暇的时候放松娱乐。

计算机系统的组成结构里，硬件和软件是相辅相成的。

没有硬件，软件就没地儿待；没有软件，硬件就像个空壳子，啥也干不了。

就好比人一样，身体和灵魂得结合起来才能是一个完整的人。

这计算机系统的结构啊，每一个部分都很重要，缺了哪一个，计算机都不能好好地工作。

宝子们，是不是感觉计算机系统也没那么神秘啦？第 1 页共 1 页。

计算机系统体系结构计算机系统体系结构是指计算机硬件和软件之间的组织结构，它是计算机系统的基础。

计算机系统体系结构包括计算机的组成部分、它们之间的连接方式、数据传输方式、指令集和操作系统等。

计算机系统体系结构的设计和实现对计算机的性能、可靠性、安全性和可维护性等方面都有着重要的影响。

计算机系统体系结构的组成部分包括中央处理器（CPU）、内存、输入输出设备（I/O设备）和总线等。

中央处理器是计算机系统的核心部件，它负责执行指令、控制计算机的运行和处理数据。

内存是计算机系统中存储数据和程序的地方，它是计算机系统的重要组成部分。

输入输出设备是计算机系统与外部世界交互的方式，它包括键盘、鼠标、显示器、打印机等。

总线是计算机系统中各个组成部分之间传输数据和指令的通道，它是计算机系统的重要组成部分。

计算机系统体系结构的连接方式包括并行连接和串行连接。

并行连接是指多个设备同时连接到计算机系统中，它可以提高计算机系统的处理速度和效率。

串行连接是指一个设备连接到计算机系统中，它可以减少计算机系统的复杂度和成本。

计算机系统体系结构的数据传输方式包括同步传输和异步传输。

同步传输是指数据在固定的时间间隔内传输，它可以提高数据传输的稳定性和可靠性。

异步传输是指数据在不固定的时间间隔内传输，它可以提高数据传输的灵活性和效率。

计算机系统体系结构的指令集是计算机系统中的指令集合，它是计算机系统的重要组成部分。

指令集包括操作码和操作数，它可以控制计算机系统的运行和处理数据。

指令集的设计和实现对计算机系统的性能、可靠性和安全性等方面都有着重要的影响。

计算机系统体系结构的操作系统是计算机系统中的软件系统，它是计算机系统的重要组成部分。

操作系统可以管理计算机系统的资源，控制计算机系统的运行和处理数据。

操作系统的设计和实现对计算机系统的性能、可靠性和安全性等方面都有着重要的影响。

计算机系统体系结构是计算机系统的基础，它对计算机系统的性能、可靠性、安全性和可维护性等方面都有着重要的影响。

简述计算机硬件系统组成计算机硬件系统是指由多种不同的硬件设备组合而成的，用于完成各种数字计算与数据处理任务的电子系统。

它主要由以下几个部分组成：一、中央处理器(CPU)CPU是计算机的核心，它类似于人类的大脑，负责处理数据、指令、控制信号和各种计算操作，是整个系统的结构中心。

它包括算术逻辑单元(ALU)、控制单元(CU)、寄存器和缓存等部分，是计算机最重要的组成部分。

二、内存内存是计算机中的一个重要部件，用于存储各种程序与数据。

内存分为物理内存和虚拟内存两种，其中物理内存指计算机实际安装的物理内存数量，虚拟内存是利用硬盘上的空间来模拟物理内存，是一种虚拟存储器技术。

三、硬盘硬盘是计算机中的主要存储设备之一，它用于保存各种文件资料和系统程序等信息。

硬盘通常采用机械式磁盘的形式，可以根据需要进行格式化、分区、安装操作系统等各项工作。

四、显示器显示器是计算机输出设备之一，用于显示各种图形和文字信息。

它是根据CPU的指令控制像素点的变化颜色而实现图像和文字显示的。

现在的显示器基本上都是液晶屏幕，拥有高分辨率和色彩还原度。

五、显卡显卡是计算机里的一个重要部件，用于处理计算机中各种图像和视频数据，将其转换为显示器上的图像。

显卡通常有自己的GPU计算核心和独立的显存，可以进行各种图形渲染和计算操作。

六、主板主板是计算机硬件系统中最重要的组成部分之一，也被称为母板。

它负责连接上述各个硬件设备之间的交互和数据传输，是计算机硬件的主要枢纽。

主板还通常包括BIOS芯片、南北桥芯片、PCI插槽、SATA插槽、USB接口等部分。

以上是计算机硬件系统的主要组成部分，这些硬件设备在正常情况下可以一起协作运行，完成各种任务和工作。

如果你想维护和升级计算机硬件系统，那么你需要对这些硬件设备有一个清晰的了解，才能更好地发现问题，解决问题，使计算机具有更高的性能和更好的用户体验。

计算机系统结构的组成
计算机系统结构通常包括以下几个主要组成部分：
1. 处理器：处理器是计算机的核心部分，负责执行程序中的指令。

它从内存中获取指令并执行，然后处理数据，并将结果存储回内存中。

处理器的能力决定了计算机的速度和性能。

2. 内存：内存是计算机的临时存储设备，用于存储正在处理的程序和数据。

内存分为随机存取存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

RAM可以随时读写，而ROM只能读取不能写入。

3. 输入/输出设备：输入/输出设备是计算机与外部世界交互的工具。

常见的输入设备包括键盘、鼠标、触摸屏等，常见的输出设备包括显示器、打印机、音响等。

4. 存储器：存储器是计算机的永久性存储设备，用于长期存储数据和程序。

常见的存储器包括硬盘、闪存盘、光盘等。

5. 总线：总线是计算机中各个部分之间传输数据的通道。

总线带宽决定了数据传输的速度，总线类型决定了计算机各个部分之间的连接方式。

6. 操作系统：操作系统是计算机的管理和控制软件，
负责管理计算机的资源，控制程序的执行，并提供用户界面。

操作系统是计算机的重要组成部分，它使得计算机更易于使用和管理。

7. 应用软件：应用软件是为特定目的而编写的程序，例如办公软件、图像处理软件等。

应用软件使计算机具有各种功能和用途。

以上这些部分共同构成了计算机系统结构的主要组成部分。

在实际应用中，根据不同的需求和用途，还可以对计算机系统结构进行更详细或更概括的分类。

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。

一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构是指机器语言程序的设计者或是编译程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构和功能特性。

Amdahl所定义的体现结构是指程序员面对的是硬件的系统。

所关心的是如何合理的进行软硬件功能的分配。

计算机系统结构是指机器语言级的程序员所了解的计算机的属性，即外特性。

可以包含数据表示，寄存器定义、数量、使用方式，指令系统，中断系统，存存储系统，IO系统等。

计算机组成是计算机结构的逻辑实现。

可以包含数据通路宽度，专用部件设置，缓冲技术，优化处理等。

计算机的实现是指其计算机组成的物理实现。

包括处理机，主存部件的物理结构，器件的集成度，速度的选择，模块、硬件、插件底板的划分和连接。

从使用语言的角度，可以把计算机系统按功能从高到低分为7级：0应用语言机器级、1高级程序语言机器级、2汇编语言机器级、3操作系统机器级、4传统机器语言机器级、5微程序机器级和6电子线路级。

3～6级为虚拟机，其语言功能均由软件实现。

硬件功能分配的基本原则：（1）功能要求。

首先是应用领域对应的功能要求，其次是对软件兼容性的要求；（2）性能要求。

如运算速度，存储容量，可靠性，可维护性和人机交互能力等；（3）成本要求。

体系结构设计的方法有三种：由上而下－从考虑如何满足应用要求开始设计；由下而上－基于硬件技术所具有的条件；由中间开始的方法。

体系设计的步骤：需求分析、需求说明、概念性设计、具体设计、优化和评价。

计算机体系结构的分类：（1）弗林FLYNN分类法：按指令流和数据流将计算机分为4类：①单指令流、单数据流－Single Instruction Stream Single Data Stream，SISD。

计算机，即传统的单处理机，通常用的计算机多为此类，如脉动阵列计算机systolic array；②单指令流、多数据流－Multiple，SIMD。

典型代表是并行处理机。

其并行性在于指令一级。

如ILLIAC、PEPE、STARAN、MPP等；③MISD计算机；④MIMD计算机。

现代计算机软件系统的层次结构
现代计算机软件系统的层次结构主要分为四个层次：应用层、服务层、操作系统层和硬件层。

应用层是软件系统的最顶层，它包括了各种应用软件，如办公软件、娱乐软件和数据库软件等。

应用层的主要功能是为用户提供各种实用的功能。

应用层的开发需要了解用户需求，并将其转化为具体的软件功能，以满足用户的需求。

服务层位于应用层之下，它提供了一系列的服务和功能给应用层使用。

其中最重要的服务是网络服务，通过网络服务，应用层可以与其他计算机进行通信，实现各种功能。

此外，服务层还包括数据存储、安全性、身份验证和事务管理等功能。

服务层的开发需要管理各种服务和实现服务与应用层的接口。

操作系统层位于服务层之下，它是计算机系统的核心。

操作系统层负责管理计算机的硬件资源和提供基本的服务，如进程管理、内存管理、文件系统和设备驱动程序等。

操作系统层的开发需要深入了解计算机体系结构和硬件资源的管理方式，以保证系统的性能和稳定性。

硬件层是计算机软件系统的最底层，它包括了计算机的物理硬件，如中央处理器、内存、硬盘和输入输出设备等。

硬件层提供了计算和存储的基本能力，为上层软件提供必要的支持。

总结来说，现代计算机软件系统的层次结构包括应用层、服务层、操作系统层和硬件层。

这种层次结构的设计能够使不同层次的软件模块分开开发和维护，提高了系统的可扩展性和可维护性。

不同层次之间的协作和交互也使得软件系统能够高效地运行和提供各种功能。

计算机系统结构基本习题和答案填空题1、从（使用语言的）角度可以将系统看成是按（功能）划分的多个机器级组成的层次结构。

2、计算机系统结构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，微程序机器级）。

3、应用程序语言经（应用程序包）的（翻译）成高级语言程序。

4、高级语言程序经（编译程序）的（翻译）成汇编语言程序。

5、汇编语言程序经（汇编程序）的（翻译）成机器语言程序。

6、在操作系统机器级，一般用机器语言程序（解释）作业控制语句。

7、传统机器语言机器级，是用（微指令程序）来（解释）机器指令。

8、微指令由（硬件）直接执行。

9、在计算机系统结构的层次结构中，机器被定义为（能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构）的集合体。

10、目前M0由（硬件）实现，M1用（微程序（固件））实现，M2到M5大多用（软件）实现。

以（软件）为主实现的机器成为虚拟机。

（虚拟机）不一定全用软件实现，有些操作也可用（固件或硬件）实现。

11、透明指的是（客观存在的事物或属性从某个角度看不到），它带来的好处是（简化某级的设计），带来的不利是（无法控制）。

12、计算机系统结构也称（计算机体系结构），指的是（传统机器级的系统结构）。

它是（软件和硬件/固件）的交界面，是机器语言汇编语言程序设计者或编译程序设计者看到的（机器物理系统）的抽象。

13、计算机组成指的是（计算机系统结构的逻辑实现），包括（机器级内的数据流和控制流）的组成及逻辑设计等。

计算机实现指的是（计算机组成的物理实现），它着眼于（器件）技术和（微组装）技术。

14、确定指令系统中是否要设乘法指令属于（计算机系统结构），乘法指令是用专门的高速乘法器实现还是用加法器实现属于（计算机组成），乘法器和加法-移位器的物理实现属于（计算机实现）。

15、主存容量与编址方式的确定属于（计算机系统结构），主存是否采用多体交叉属于（计算机组成），主存器件的选定属于（计算机实现）。

简述计算机系统的硬件结构计算机系统是由硬件和软件组成的，而硬件则是计算机系统的核心部分。

在本文中，我们将介绍计算机系统硬件结构的概念、组成以及各个部分之间的作用。

计算机系统硬件结构的定义计算机硬件结构是指计算机系统由几种不同的电子元器件组成的层次结构。

这种结构必须提供稳定的电源供应，以及连接每个不同部分的信号控制系统，以便在不同的基本操作之间共享数据。

计算机硬件结构包括四个主要部分：输入/输出、处理器、主存和辅助存储器。

下面将分别介绍每个部分的功能和作用。

输入/输出输入/输出设备是计算机与外部世界之间的接口。

其主要作用是将用户的输入信息和计算机的输出信息传输到计算机系统和外部设备之间。

这些设备包括键盘、鼠标、打印机、扫描仪、摄像头等，其主要任务是把数据传输到计算机系统或计算机系统应用数据传输到外部设备。

对于输入/输出设备来说，仪器本身的硬件并不需要非常复杂。

计算机系统中最常用的输入设备是键盘和鼠标，其原理是将用户的操作翻译成计算机能够理解的代码。

输出设备最常用的是显示器和打印机，显示器显示信息，而打印机打印硬拷贝。

处理器处理器通常称为中央处理器（CPU）。

它是计算机系统的核心部分，负责处理计算机系统的所有基本操作，如算术和逻辑运算、控制和数据传输等。

中央处理器的功能是通过执行计算机程序来处理和控制所有数据，以及管理和控制计算机的内部和外部操作。

中央处理器的主要构成部分是ALU和控制单元。

ALU （算术逻辑单元）使用算术运算、逻辑运算和移位操作对数据进行处理。

而控制单元则负责对整个处理器进行控制，并解释和执行指令，并将任务分配给ALU和其他各个部分。

主存主存是用于将数据存储在计算机内部的设备。

它是计算机系统中最重要的组成部分之一，因为它在任何时候都存储着计算机程序和数据，以便处理器能够执行所需的操作。

主存储器又被称为内存，通常是在集成电路中实现的。

主要的内存类型包括随机访问存储器（RAM）和只读存储器（ROM）。

一．名词解释1）虚拟机：指通过软件模拟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2）系统加速比：同一个任务在系统改进前花费总时间和在系统改进后花费总时间的比率3）Amdahl定律：计算计算机系统中某个部件改进后能获得多少总性能提高的定律15）顺序流水线：输入端任务流入的顺序和输出端任务流出的顺序相同的流水线16）乱序流水线：输入端任务流入的顺序和输出端任务流出的顺序不同的流水线17）流水线吞吐率：单位时间内流水线完成任务的数量18）流水线加速比：完成同样一批任务，使用流水线花费的时间和不使用流水线花费的时间之比19）流水线的效率：流水线中设备的实际使用时间和整个运行时间的比值20）数据相关：此次运算需要前一次运算的结果作为数据21）名相关：两个操作使用了相同的寄存器或者存储器22）控制相关：根据分支指令的执行结果确定后面程序的运行23）反相关：名相关的一种，指令i读的名和指令j写的名相同，简称i读j写24）结构冲突：硬件资源不足引起的冲突25）数据冲突：当指令在流水线中重叠执行时，因需要晕倒前面的指令的执行结果引起的冲突26）控制冲突：流水线遇到的分支指令或者其他会改变pc值的指令所引起的冲突27）定向技术：把计算结果从产生位置直接放到需要的位置28）多级存储层次：采用多种存储器技术的存储器结构29）命中时间：cpu访问存储系统时，找到所需数据花费的时间30）不命中率：cpu访问存储系统时，没有找到所需数据的比率31）不命中开销：cpu访问存储系统时，没有找到所需数据花费的时间32）全相连映像：主存中的任意一块对应Caceh中的任意一个位置33）直接映像：主存中的任意一块对应Caceh中的唯一一个位置34）组相连映像：主存中的任意一块对应Caceh中的一组位置35）写直达法：写入cache之后，直接写入下一级存储器36）写回法：只写入caceh中，只有该块被替换时，才写入下一级存储器37）强制性不命中：第一次访问时，Cache中没有该程序的任何数据而产生的不命中38）容量不命中：因为Cache容量限制导致某些块被替换出去之后又再次访问该块而放到不到的不命中39）冲突不命中：被替换出去的块又要访问而产生的不命中（不是因为Caceh容量）40）2：1Caceh经验规则：大小为N的直接映像Cache的失效率约等于大小为N/2的两路组相连Cache的失效率41）相连度：42）牺牲Cache：指在Cache和其下一级存储器的数据通路上的一个全相连的小Cache 43）系统响应时间：指计算机对用户的请求做出反映的时间44）可靠性：规定条件下完成预定功能的能力45）可用性：考察某个时间，系统正常运行的概率期望46）RAID：独立冗余磁盘阵列47）互连网络：一种由开关元件按照一定的拓扑结构和控制方式构成的网络48）互连函数：表示输入端号和输出端号连接关系的函数49）网络规模：网络中结点个数50）网络直径：网络中任意两点间的最大距离51）静态互连网络：各结点间有固定连接通路且在运行中不能改变的网络52）动态互连网络：由交换开关构成可以按照程序的要求动态改变连接状态的网络53）集中式共享多处理机：多个处理器共享一个存储器的多处理机系统54）分布式共享多处理机：多个处理器共享多个存储器的多处理机系统55）多Caceh一致性：多个Cache中的同一个数据要求保持一致的特性56）写作废协议：通知其他保留该数据副本的Cache作废副本数据的协议57）写更新协议：通知其他暴力该数据副本的Cache更新该副本数据的协议二．简答题1.什么是软件兼容？软件兼容有哪几种？其中哪一种是软件兼容的根本特征？软件兼容：一个软件可以不经修改或者只经过少量修改就可以由一台计算机移植到另外一台计算机上，差别只是时间不同软件兼容的种类：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他高（低）挡的计算机向后（前）兼容：按某个时期投入市场的某种型号的计算机，不加修改就能运行于在他之后（前）投入市场的计算机根本特征：向后兼容2.试以系列机为例，说明计算机系统结构，计算机组成，计算机实现三者之间的关系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系统结构可以有多种组成，一种组成可以有多种实现，同一系列计算机中各型号的计算机具有相同的系统结构，但采用不同的组成和实现技术，因而就有不同的价格和性能3.计算机系统结构的设计和分析中最经常使用的三条基本原则是什么？1）大概率事件优先原则（对于大概率常见事件，赋予他优先的处理权和资源使用权，以获得全局最优结果2）Amdahl定律（加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性3）程序局部性原理（程序的执行时所访问的地址不是随机的，而是相对簇聚4. 根据Amdahl定律，系统的加速比由那两个因素决定？可改进比例和部件加速比5. 计算机系统中提高并行性的技术途径有哪三种？1）时间重叠：在并行性概念中引入时间因素，即多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠的使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转时间而赢得速度，比如流水线技术2）资源重复：在并行性概念中引入空间因素，以数量取胜的原则，通过重复设置硬件资源，大幅度提高计算机系统性能，比如多处理机系统3）资源共享：软件方法，使多个任务按照一定的时间顺序轮流使用同一套硬件设备，比如多道程序和分时系统6. 从当前计算机技术观点来看，CISC结构有什么缺点？1）各种指令的使用频率相差悬殊2）CISC的复杂性带来了计算机系统结构的复杂性，增加了研制的时间和成本，还容易造成设计错误3）CISC中许多指令需要复杂的操作，运行速度慢4）CISC中指令功能的不均衡性，不利于采用先进的计算机系统结构技术来提高系统性能7. RISC的设计原则是什么？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，并且在一个周期内完成3）所有指令长度均相同4）只有load指令和store指令才访问存储器，其他指令均在寄存器之间进行5）以简单有效的方式支持高级语言8.MIPS采用哪几种寻址方式？答：寄存器寻址，立即数寻址，偏移寻址9.流水线技术有哪些特点？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功能部件分解为多个独立的功能部件，并依靠他们的并行工作来提高效率2）流水线中各段的时间应尽可能相同，否则会引起流水线的堵塞和断流3）流水线每一个功能部件前面都有一个缓冲寄存器，称为流水寄存器4）流水线技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端不断的提供服务，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10.在5段流水线中，一条指令的执行需要几个时钟周期？他们分别是什么？5个时钟周期1）取指令周期2）指令译码周期/读存储器周期3）执行周期/有效地址计算周期4）存储访问周期/分支完成周期5）写回周期11.评价流水线的性能指标是什么？吞吐率和加速比吞吐率：单位时间内流水线所完成的任务数量加速比：使用流水线和1不使用流水线花费时间的比值12.什么叫相关？流水线中有哪几种相关？1）数据相关（此次运算需要前一次运算的结果作为数据）2）名相关（指令所访问的寄存器或存储器单元相同）3）控制相关（分支指令引起的相关）13.单级存储器的主要矛盾是什么？主要采用什么方法解决？主要矛盾：1）速度越快，价格就越高2）容量越大，价格就越低3）容量越大，速度越慢解决方法：采用多级存储层次结构14.在存储层次中应解决那四个问题？1）映像规则问题：当把一个块调入高一级存储器时，可以放到哪些位置上2）查找算法问题：当所要访问的块在高一级存储器时，任何找到改块？3）替换算法问题：当发生失效时，应该替换哪一块？4）写策略问题：当进行写访问时，应进行哪些操作？15.地址映像方法有哪几种？他们各有什么优缺点？1）全相连映像（主存中的任意一块可以放在Cache中的任何位置）缺点；查找复杂，代价高，速度慢优点：Cache空间利用率高，块冲突概率低，Caceh的失效率低2）直接映像：（主存中的任意一块都只对应Cache中的唯一一个位置）缺点：Cache空间利用率低，块冲突概率高，Cache失效率高优点：查找简单，快速3）组相连映像（主存中的任意一块对应Cache中的一组位置）直接映像和全相连映像折中的办法16.写策略主要有哪两种？他们各有什么优点？1）写直达法：容易实现，而且存储器中下一级的数据总是最新的，但是速度慢2）写回法：速度块，写操作能以Cache存储器的速度进行，而且对于同一个单元的多个写最后只需一次写回下一级存储器（不直接写回下一级存储器，而是交给写缓冲器去做）17.伪相连的基本思想是什么？采用这种方法时，在命中情况下，访问Caceh的过程和直接映像访问Cache的过程相同，而且发生失效时，在访问下一级存储器之前，会先检查Caceh另一个位置，看是否匹配，确定这个另一块的简单方法是将索引字段的最高位取反，然后按照新索引去寻找伪相连中对应的块，如果这一块的标识匹配，则称发生了伪命中，否则就只好访问下一级存储器18.采用二级Caceh的基本思想是什么？通过在原有的Cache和存储器中间增加一层Cache，构成两级Cache，把第一级Cache做得足够小，使其速度和快速cpu的时钟周期相匹配，，而把第二级Cache做得足够大，使得他能捕获更多需要1到主存去的访问，从而降低实际失效开销19.采用容量小且结构简单的Cache有什么好处？1）可以有效提高Cache的访问速度，因为硬件越简单速度就越快，小容量Cache可以实现快速标识检测，对减少命中时间有益2）Cache足够小，可以与处理权做在同一芯片上，以避免因芯片外访问而增加时间开销3）保持Cache简单结构可采用直接映像Cache，直接映像Cache的主要优点就是可以让标识检测和数据传送重叠进行，这样可以有效减少命中时间20.“虚拟索引+物理标识”Cache的基本思想是什么？答：直接用虚地址中的页内位移（页内位移在虚拟地址的转换中保持不变），作为访问Cache 的索引，但标识确实物理地址，Cpu发出访存请求后，在进行虚地址转换的同时，可并行进行标识的读取，在完成地址变换后，再把得到的物理地址和标识进行比较21.在分布式存储结构的机器中，将存储器分布到各节点有什么好处？1）如果大多数的访问是针对本结点的局部存储器，则可降低对存储器和互连网络的带宽要求2）对局部存储器的访问延迟低，分布式存储器结构的主要缺点就是处理器之间的通信较为复杂，且各处理器之间访问延迟大22.在分布式存储器结构的机器中，目前有哪两种存储地址空间的组织方案？1）物理上分离的多个存储器作为一个逻辑上共享的存储空间进行编址2）整个地址空间由多个独立的地址空间构成，他们在逻辑上也是独立的，远程的处理器不能对其直接寻找23.在分布式存储器结构的机器中，对应于两种地址空间的组织方案，分别有哪两种通信机制？它们是怎么实现的？1）共享地址空间的机器：理由load和store中的地址隐含的进行数据通信2）多个地址空间的机器：根据简单的网络协议，通过传递消息来请求某些服务或传输数据，从而完成通信24.实现Cache一致性协议时，有哪两种跟踪共享数据状态的技术？1）目录协议：物理存储器中共享数据库的状态及其相关消息被保存在一个叫做目录的地方2）监听协议：每个Cache除了包含物理存储器中块的数据副本以外，也保存着共享状态信息，Cache通常连接在共享存储器的总线上，各个Cache控制器通过监听总线来判断是否由总线上请求的数据块25.目录协议中，Cache块有哪三种状态1）共享：在一个或多个处理器上有这个块的副本，且主存中的值是最新的（所有Cache均相同）2）未缓冲：所有处理器的Cache都没有此块的副本3）专有：仅有一个处理器上有该块的副本，且已对此块进行了写操作，而主存的副本仍是旧的。

word 文档下载后可自由复制编辑你计算机系统结构清华第 2 版习题解答word 文档下载后可自由复制编辑1 目录1.1 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）1.2 第二章（P124）2.3 、2.5 、2.6 （浮点数性能），2.13 、2.15 （指令编码）1.3 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）word 文档下载后可自由复制编辑1.4 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）1.5 第五章（P343）5.9 （流水线性能/ 时空图），5.15 （2种调度算法）1.6 第六章（P391）6.6 （向量流水时间计算），6.10 （Amdahl定律/MFLOPS）1.7 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），word 文档下载后可自由复制编辑7.27 （寻径/ 选播算法）1.8 第八章(P498)8.12 ( SISD/SIMD 算法)1.9 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。

）word 文档 下载后可自由复制编辑2 例 , 习题2.1 第一章 (P33)例 1.1,p10假设将某系统的某一部件的处理速度加快到 10倍 ,但该部件的原处理时间仅为整个运行时间的40%，则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少？解：由题意可知： Fe=0.4, Se=10，根据 Amdahl 定律S n To T n1 (1Fe )S n 1 10.6 0.4100.64 Fe Se 1.56word 文档 下载后可自由复制编辑例 1.2,p10采用哪种实现技术来求浮点数平方根 FPSQR 的操作对系统的性能影响较大。

一、填空题1.仿真和模拟的主要区别在于采用不同的语言进行解释。

仿真采用（微程序）解释，其解释程序在控制存储器中，而模拟采用（机器语言程序）解释，其解释程序在主存储器中。

2.程序的局部性包括（时间）上的局部性和（空间）上的局部性。

3.4.开发计算机系统结构并行性的主要技术途径有（时间）重叠，（资源重复）和（资源共享）。

5.指令格式的优化包括（操作码）_的优化和（地址码）的优化两方面军。

6.程序定位的技术分为（直接定位技术）、静态再定位和动态再定位。

7.cache常用的地址映射方式有全相联映像、（直接映射）、（组相联映射）和段相联映像四种。

8.流水线按流水处理级别不同，流水线分为（部件级流水线）、（处理机级流水线）和系统级流水线9.并行处理机按存储器的组成方式不同分为（分布存储器的并行处理结构）和（共享存储器的并行处理结构）两种。

10.多处理在系统结构可分为（紧耦合多处理机）和（松耦合多处理机）两类。

11.计算机系统弗林分类法，把计算机系统分成单指令流单数据流(SISD) 、单指令流多数据流(SIMD) 、（多指令流单数据流（MISD））和(多指令流多数据流(MIMD)) 四大类。

12.在存储体系中，Cache 存储器对应用程序员是（透明）的，对系统程序员是（透明）的( 填“ 透明” 或“ 不透明”) 。

13.虚拟存储器按映象算法不同，存储管理方式有段式、页式和段页式三种。

14.“一次重叠”解释时，第K+1 条指令需等K 条指令执行后才能形成，称此时发生了“ （指令）相关” 。

若第K 条指令的结果数地址与第K+1 条指令的源数地址一样时，称发生了“（数）相关”。

15.并行处理机按存储器的组织方式不同，分为两种不同的基本构形，一种是采用（分布式）存储器结构的并行处理机，另一种是具有（集中式共享）存储器结构的并行处理机。

16.开发并行性是为了并行处理，并行性又包括有（同时）性和（并发）性二重含义。

17.计算机系统为了满足日益复杂的应用需要，在机器指令系统的设计、发展和改进上有两种不同（复杂指令系统）和（精简指令系统）方向。

计算机基本结构计算机基本结构是由五大部分构成的，包括输入单元、输出单元、存储器、运算器和控制器。

这些部件在计算机系统中有着不同的功能和作用，协同运作来完成各种计算任务。

输入单元是计算机系统中负责接收外界信息和将其转换为计算机可以处理的内部格式的设备。

输入单元包括键盘、鼠标、扫描仪等，通过这些设备，用户可以将数据和指令输入计算机中进行处理。

输出单元则是计算机系统中负责将已经处理好的数据和信息从计算机中输出到外部设备的部件。

输出单元主要包括显示器、打印机等，可以将计算结果以文本、图像等形式呈现给用户或其他计算机系统。

存储器是计算机系统中最重要的部件之一，用来保留计算机程序和数据。

存储器通常分为主存储器和辅助存储器两个部分。

主存储器是CPU直接访问的内部存储器，可以存储当前正在执行的程序和相关数据。

而辅助存储器如硬盘、光盘等则是通过I/O设备进行读取和写入操作，可以长期保留程序和大量数据，但是读取和写入速度相对较慢。

运算器是计算机系统中对数据进行处理和运算的部分，主要包括算术逻辑单元、寄存器等。

通过运算器，CPU可以对数字、符号等进行各种计算操作。

控制器则是计算机系统中的管理和控制中心，用来协调各个部件的工作，控制CPU对存储器和I/O设备的操作等。

控制器通常包括时序逻辑部件、指令寄存器等，可以将指令从存储器中读取出来，然后按照指令的规定进行处理和执行。

除了上述五大部分之外，计算机系统还包括了操作系统和应用软件等其他部分。

操作系统是计算机系统中较为底层的管理程序，用来协调和管理计算机硬件资源，并为应用软件提供服务。

应用软件则是计算机系统中较高层的功能程序，用来完成各种计算、处理和交互任务。

综上，计算机基本结构是由输入单元、输出单元、存储器、运算器和控制器构成的。

这些部件组合在一起可以让计算机完成各种计算任务，而操作系统和应用软件等其他部分则可以提供更高级别的服务和功能。

理解计算机的基本结构对于学习计算机知识和使用计算机技术都有着很大的意义。