计算机系统结构详解:指令层次与透明性概念
该文档是一份详细的计算机系统结构计算题答案,主要关注于与"指令"相关的部分。题目涉及的关键知识点包括计算机体系结构中的层次结构和指令执行效率,以及硬件组件的透明性概念。首先,文档强调了理解"上一级"与"下一级"指令关系的重要性,比如在四级结构中,第1级指令解释第2级,以此类推,而且不同级别的指令效能不同,第i级指令相当于i-1级M倍的效率。 在计算题的具体内容中,问题要求计算不同级别上等效程序的运行时间。当第i级N条指令需要解释第i+1级一条指令时,通过逐级转换,我们可以得出各级别的时间消耗。例如,第2级需要运行的时间是第1级所需时间的M次方,第3级是第2级的M倍,依此类推。 文档还讨论了对机器语言程序员透明的硬件组件,如指令缓冲器、时标发生器、乘法器、移位器等,这些设备在编程层面不可见,由操作系统或硬件直接管理。相反,如浮点数据表示、I/O系统的架构选择(通道或外围处理机)、特定的运算指令(如字符行运算)、访问权限保护和中断机制等,则对程序员来说是不透明的,因为它们会影响程序的行为和性能。 透明性和不透明性在这个上下文中分别指的是硬件特性对软件设计的可见度。透明的特性(如存储器的模m交叉存取、数据总线宽度、阵列运算部件、通道类型、单总线结构和Cache存储器)使得程序员可以忽略它们的实现细节,专注于算法和功能。而不透明的特性(如数据表示、I/O模式、特定指令、堆栈操作和最小地址单元)则需要程序员考虑其具体实现来编写兼容的代码。 总结来说,这份文档提供了一个深入理解计算机系统结构中指令执行、层级关系、透明性原则以及硬件组件的重要性的平台,适用于学习和研究计算机体系结构的学生和专业人员。通过解决这些问题,读者可以掌握如何计算不同层次的程序执行时间,以及理解硬件如何在幕后工作,从而提高编程和系统优化的能力。
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