计算机系统结构基础概念解析及作业答案

"《计算机系统结构（第2版）》郑纬民版本第一章的部分答案，涵盖了计算机系统结构的基础概念，包括术语解释、软件兼容性、系列机与兼容机的区别，以及Amdahl定律、性能指标如CPI、MIPS和MFLOPS的介绍。" 在计算机科学中，计算机系统结构是至关重要的一个领域，它定义了计算机的高层次概念和功能特性，这些特性对程序员和编译器设计者可见。计算机系统结构包括了硬件子系统的概念性结构和功能，它是软件与硬件的接口。而计算机组成则关注于系统结构的逻辑实现，涉及数据流和控制流的设计，以及逻辑电路的构造。计算机实现进一步细化，指的是将计算机组成转化为实际的物理组件。 透明性是一个关键概念，意味着某些特性或功能虽然存在，但在特定操作或观察角度下并不明显。例如，当一个操作系统更新不影响用户应用程序的运行，就是透明性的体现。 系列机是指同一制造商生产的具有相同系统结构但不同配置的计算机模型，而兼容机则是不同厂商但系统结构相同的机器，允许软件在这些机器之间无缝迁移。软件兼容性确保旧软件能在新硬件上运行，如Windows操作系统的新旧版本之间保持兼容。 模拟和仿真用于实现软件在不同系统结构之间的移植。模拟是通过软件在现有计算机上复制另一台计算机的行为，而仿真则是通过微程序解释其他机器的指令集。 Amdahl定律描述了系统性能提升与改进部分的使用频率的关系。通过公式计算，可以预测系统整体加速比，对于优化系统性能有指导意义。 性能指标如CPI（每条指令平均时钟周期数）、MIPS（每秒百万指令数）和MFLOPS（每秒百万浮点运算次数）用于量化计算机的速度和效率。CPI衡量指令执行所需的时钟周期，MIPS和MFLOPS分别针对整型和浮点运算能力。 硬件和软件在功能层面上可以视为等效，因为它们都能实现同样的计算任务，例如硬件实现的浮点乘法和软件实现的浮点乘法都能完成相同的数学运算。然而，它们在实现方式上不等效，硬件通常更快但更昂贵，而软件可能较慢但更灵活。例如，早期的计算机没有专门的浮点运算硬件，所有的浮点运算都由软件完成，而现在大多数现代处理器都有内置的浮点运算单元，显著提高了浮点计算速度。