《计算机体系结构》课后答案详解

"这是一份关于《计算机系统结构》教材（张晨曦、王志英著）的课后习题答案详解，涵盖了计算机体系结构的基础概念和问题解析，旨在帮助学生理解和掌握计算机系统的核心知识。" 在计算机系统结构中，有几个关键的概念需要理解： 1. **层次结构**：计算机系统的组件通常按照功能被组织成多个层次，每一层都为上一层提供服务，这种设计方式简化了系统的复杂性。 2. **计算机系统结构**：指从用户角度看，计算机系统的行为和特性，包括其硬件和软件的接口。 3. **计算机组成**：指的是计算机硬件各个部分的设计和组合，如CPU、内存、输入输出设备等。 4. **计算机实现**：将设计转化为实际物理设备的过程，涉及到电路设计和制造工艺。 5. **透明性**：指系统的一部分操作对其他部分或用户来说是不可见的，例如虚拟内存的使用对用户来说是透明的。 6. **由上而下设计**：设计过程中从高层次抽象开始，逐步细化到低层次的实现细节。 7. **由下而上设计**：与之相反，从底层硬件开始，逐渐构建到上层软件系统。 8. **由中间向两边设计**：通常用于处理复杂的系统，从核心部分开始，然后向外扩展。 9. **软件兼容**：软件能在不同硬件或操作系统上运行的能力。 10. **向上兼容**：新版本的系统或设备能够接受旧版本的数据或程序。 11. **固件**：介于硬件和软件之间，固化在ROM等非易失性存储器中的程序。 12. **系列机**：同一品牌或制造商生产的具有相同或相似系统架构的一系列计算机。 13. **兼容机**：不同制造商生产的，但能运行相同软件的计算机。 14. **模拟**：通过一个系统复制另一个系统的行为。 15. **仿真**：使用软件模拟硬件的行为。 16. **虚拟机**：在物理机器上创建的虚拟环境，可以运行独立的操作系统。 17. **宿主机**：运行虚拟机的物理机器。 18. **指令流**：CPU执行的指令序列。 19. **数据流**：在计算过程中流动的数据。 20. **单指令流单数据流（SISD）**：每个处理单元每次执行一条指令并处理一个数据元素。 21. **多指令流多数据流（MIMD）**：多个处理单元同时执行不同的指令，处理不同的数据。 22. **CPI（Cycles Per Instruction）**：平均每个指令需要的时钟周期数，用于衡量处理器效率。 23. **MIPS（Million Instructions Per Second）**：每秒百万指令，衡量计算机性能的指标。 24. **Amdahl定律**：描述了在系统中优化某个部分对整体性能提升的极限，考虑了并行化的影响。 在存储程序计算机中，主要特征是程序和数据都存储在内存中，由CPU按顺序执行。存在的主要问题是访问速度差异（如CPU与内存速度不匹配），现代计算机通过使用高速缓存、多核处理器等方式来改进这个问题。 透明性在计算机系统中很重要，例如，对于机器语言程序员，某些硬件细节如指令地址寄存器、条件码寄存器等是透明的，意味着程序员无需了解它们的具体实现就能编写程序。 问题1.4涉及到了解释器的效率，如果每级需要N条指令解释一条，第2级需要2N，第3级需要3N，第4级需要4N条指令的时间。 在问题1.5中，优化方案减少了过程调用的指令数，通过比较未优化和优化方案的时钟周期和取/存指令比例，可以定量分析哪种方案更快。优化方案减少了取/存指令，因此即使未优化方案的时钟周期稍快，但由于取/存指令的减少，优化方案总体上可能会更快。 问题1.6涉及到性能分析，通过CPI（每条指令的时钟周期数）和指令混合比，可以估算出不同指令类型的执行时间，并据此评估整个程序的执行速度。在40MHz处理器上，可以根据每种指令的CPI和它们在程序中的占比来计算总的执行时间。 以上是对《计算机系统结构》中部分习题的解析，这些内容涵盖了计算机系统设计的基本概念和性能评估方法，有助于深入理解计算机的工作原理。