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首页计算机系统结构课后习题答案-完整版-李学干版-word可编辑.doc
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。
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第一章 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。
note:
由题意可知:第 i 级的一条指令能完成第 i-1 级的 M 条指令的计算量。而现在第 i 级有 N 条指令解释第 i+1
级的一条指令,那么,我们就可以用 N/M 来表示 N/M 表示第 i+1 级需(N/M)条指令来完成第 i 级的计算量。所以,
当有一段第 1 级的程序需要运行 Ks 时,在第 2 级就需要(N/M)Ks,以此类推
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。但是实现的性能价格比,实现的难易程序不同。
在 DOS 操作系统时代,汉字系统是一个重要问题,早期的汉字系统的字库和处理程序都固化在汉卡(硬件)上 ,
而随着 CPU、硬盘、内存技术的不断发展,UCDOS 把汉字系统的所有组成部份做成一个软件。
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、125、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 MOS 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。但对面向寄存器的系统结
构还要求寄存器能同时被访问,而对面向主存的三地址寻址方式的系统结构并无此要求,倒是要求能同时形成多个
访存操作数地址和能同时访存。又如微程序控制是组成影响结构的典型。通过改变控制存储器中的微程序,就可改
变系统的机器指令,改变结构。如果没有组成技术的进步,结构的进展是不可能的。
综上所述,系统结构的设计必须结合应用考虑,为软件和算法的实现提供更多更好的支持,同时要考虑可能采
用和准备采用的组成技术。应避免过多地或不合理地限制各种组成、实现技术的采用和发展,尽量做到既能方便地
在低档机上用简单便宜的组成实现,又能在高档机上用复杂较贵的组成实现,这样,结构才有生命力;组成设计上
面决定于结构,下面受限于实现技术。然而,它可与实现折衷权衡。例如,为达到速度要求,可用简单的组成但却
是复杂的实现技术,也可用复杂的组成但却是一般速度的实现技术。前者要求高性能的器件,后者可能造成组成设
计复杂化和更多地采用专用芯片。
组成和实现的权衡取决于性能价格比等因素;结构、组成和实现所包含的具体内容随不同时期及不同的计算机
系统会有差异。软件的硬化和硬件的软件都反映了这一事实。VLSI 的发展更使结构组成和实现融为一体,难以分
开。
4.什么是透明性概念?对计算机系统结构,下列哪些是透明的?哪些是不透明的?
存储器的模 m 交叉存取;浮点数据表示;I/O 系统是采用通道方式还是外围处理机方式;数据总线宽度;字符行运
算指令;阵列运算部件;通道是采用结合型还是独立型;PDP-11 系列的单总线结构;访问方式保护;程序性中断;
串行、重叠还是流水控制方式;堆栈指令;存储器最小编址单位;Cache 存储器。
答:透明指的是客观存在的事物或属性从某个角度看不到。
透明的有:存储器的模 m 交叉存取;数据总线宽度;阵列运算部件;通道是采用结合型还是独立型;PDP-11 系列
的单总线结构串行、重叠还是流水控制方式;Cache 存储器。
不透明的有:浮点数据表示;I/O 系统是采用通道方式还是外围处理机方式;字符行运算指令;访问方式保护;
程序性中断;;堆栈指令;存储器最小编址单位。
5.从机器(汇编)语言程序员看,以下哪些是透明的?
指令地址寄存器;指令缓冲器;时标发生器;条件寄存器;乘法器;主存地址寄存器;磁盘外设;先行进位链;移
位器;通用寄存器;中断字寄存器。
答:透明的有:指令缓冲器、时标发生器、乘法器、先进先出链、移位器、主存地址寄存器。
6.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
缓冲寄存器。
答:对系统程序员透明的有:系列机各档不同的数据通路宽度;Cache 存储器;指令缓冲寄存器;
对应用程序员透明的有:系列机各档不同的数据通路宽度;Cache 存储器;指令缓冲寄存器;虚拟存储器;
程序状态字;“启动 I/O”指令。
note:
系列机各档不同的数据通路宽度、Cache 存贮器、指令缓冲寄存器属于计算机组成,对系统和程序员和应用
程序员都是透明的。
虚拟存贮器、程序状态字、“启动 I/O”指令,对系统程序员是不透明的,而对应用程序员却是透明的。
“执行”指令则对系统程序员和应用程序员都是不透明的。
7.想在系列机中发展一种新型号机器,你认为下列哪些设想是可以考虑的,哪些则不行的?为什么?
(1)新增加字符数据类型和若干条字符处理指令,以支持事务处理程序的编译。
(2)为增强中断处理功能,将中断分级由原来的 4 级增加到 5 级,并重新调整中断响应的优先次序。
(3)在 CPU 和主存之间增设 Cache 存储器,以克服因主存访问速率过低而造成的系统性能瓶颈。
(4)为解决计算误差较大,将机器中浮点数的下溢处理方法由原来的恒置“1”法,改为用 ROM 存取下溢处理结果的
查表舍入法。
(5)为增加寻址灵活性和减少平均指令字长,将原等长操作码指令改为有 3 类不同码长的扩展操作码;将源操作
数寻址方式由操作码指明改成如 VAX-11 那种设寻址方式位字段指明。
(6)将 CPU 与主存间的数据通路宽度由 16 位扩展成 32 位,以加快主机内部信息的传送。
(7)为减少公用总路线的使用冲突,将单总线改为双总线。
(8)把原 0 号通用寄存器改作堆栈指示器。
答: 可以考虑的有:1,3,4,6,7。不可以考虑的有:2,5,8。
原则是看改进后能否保持软件的可移植性。
P.S.为了能使软件长期稳定,就要在相当长的时期里保证系统结构基本不变,因此在确定系列结构时要非常
慎重。其中最主要是确定好系列机的指令系统、数据表示及概念性结构。既要考虑满足应用的各种需要和发展,又
要考虑能方便地采用从低速到高速的各种组成的实现技术,即使用复杂、昂贵的组成实现时,也还能充分发挥该实
现方法所带来的好处。
8.并行处理计算机除分布处理、MPP 和机群系统外,有哪 4 种基本结构?列举它们各自要解决的主要问题。
答:除了分布处理,MPP 和机群系统外,并行处理计算机按其基本结构特征可分为流水线计算机,阵列处理机,多
处理机和数据流计算机四种不同的结构。
流水线计算机主要通过时间重叠,让多个部件在时间上交划重叠地并行招待运算和处理,以实现时间上的并行。
它主要应解决:拥塞控制,冲突防止,流水线调度等问题。
阵列处理机主要通过资源重复实现空间上的并行。它主要应解决:处理单元灵活、规律的互连模式和互连网络
设计,数据在存储器中的分布算法等问题。
多处理机主要通过资源共享,让一组计算机在统一的操作系统全盘控制下,实现软件和硬件各级上的相互作用,
达到时间和空间上的异 步并行。它主要应解决:处理机间互连等硬件结构,进程间的同上步和通讯,多处理机调
度等问题。
数据流计算机设有共享变量的概念,指令执行顺序只受指令中数据的相关性制约。数据是以表示某一操作数或
参数已准备就绪的数据令牌直接在指令之间传递。它主要应解决:研究合适的硬件组织和结构,高效执行的数据流
语言等问题。
9.计算机系统的 3T 性能目标是什么?
答:计算机系统的 3T 性能目标是 1TFLOPS 计算能力 , 1TBYTE 主存容量 和 1TBYTES 的 I/O 带宽。
第二章 数据表示与指令系统
1.数据结构和机器的数据表示之间是什么关系?确定和引入数据表示的基本原则是什么?
答: 数据表示是能由硬件直接识别和引用的数据类型。数据结构反映各种数据元素或信息单元之间的结构关系。
数据结构要通过软件映象变换成机器所具有的各种数据表示实现,所以数据表示是数据结构的组成元素。不同
的数据表示可为数据结构的实现提供不同的支持,表现在实现效率和方便性不同。数据表示和数据结构是软件、硬
件的交界面。
除基本数据表示不可少外,高级数据表示的引入遵循以下原则:
(1)看系统的效率有否提高,是否养活了实现时间和存储空间。
(2)看引入这种数据表示后,其通用性和利用率是否高。
2.标志符数据表示与描述符数据表示有何区别?描述符数据表示与向量数据表示对向量数据结构所提供的支持有什
么不同?
答:标志符数据表示与描述符数据表示的差别是标志符与每个数据相连,合存于同一存储单元,描述单个数据的类
型特性;描述符是与数据分开存放,用于描述向量、数组等成块数据的特征。
描述符数据表示为向量、数组的的实现提供了支持,有利于简化高级语言程序编译中的代码生成,可以比变址
法更快地形成数据元素的地址。但描述符数据表示并不支持向量、数组数据结构的高效实现。而在有向量、数组数
据表示的向量处理机上,硬件上设置有丰富的赂量或阵列运算指令,配有流水或阵列方式处理的高速运算器,不仅
能快速形成向量、数组的元素地址,更重要的是便于实现把向量各元素成块预取到中央处理机,用一条向量、数组
指令流水或同时对整个向量、数组高速处理.如让硬件越界判断与元素运算并行。这些比起用与向量、阵列无关的
机器语言和数据表示串行实现要高效的多。
3.堆栈型机器与通用寄存器型机器的主要区别是什么?堆栈型机器系统结构为程序调用哪些操作提供了支持?
答:通用寄存器型机器对堆栈数据结构实现的支持是较差的。表现在:
(1)堆栈操作的指令少,功能单一;
(2)堆栈在存储器内,访问堆栈速度低;
(3)堆栈通常只用于保存于程序调用时的返回地址,少量用堆栈实现程序间的参数传递。
而堆栈型机器则不同,表现在:(1)有高速寄存器组成的硬件堆栈,并与主存中堆栈区在逻辑上组成整体,使
堆栈的访问速度是寄存器的,容量是主存的;(2)丰富的堆栈指令可对堆栈中的数据进行各种运算和处理;(3)有
力地支持高级语言的编译;(4)有力地支持子程序的嵌套和递归调用。
堆栈型机器系统结构有力地支持子程序的嵌套和递归调用。在程序调用时将返回地址、条件码、关键寄存器的
内容等全部压入堆栈,待子程序返回时,再从堆栈中弹出。
4.设某机阶值 6 位、尾数 48 位,阶符和数符不在其内,当尾数分别以 2、8、16 为基时,在非负阶、正尾数、规
格化数情况下,求出其最小阶、最大阶、阶的个数、最小尾数值、最大尾数值、可表示的最小值和最大值及可表示
的规格化数的总个数。
解:依题意知:p=6 m=48 rm=2, 8, 16,m'=m/log2(rm),列下表:
最小阶非负阶,最小为
最大阶
最小尾数值
最大尾数值
,即 ,即
可表示的最小值
可表示的最大值
阶的个数
可表示的尾数的个数
可表示的规格化数的个数
note:
可表示的最小值=rm^(最小阶)*最小尾数值=rm^0*rm^(-1)=rm^(-1);
可表示的最大值=rm^(最大阶)*最大尾数值=rm^(2^p-1)*(1-rm^(-m'));
可表示的尾数的个数=rm^m'*(rm-1)/rm;
可表示的规格化数的个数=阶的个数*尾数的个数=2^p*rm^m'*(rm-1)/rm。
5.(1)浮点数系统使用的阶基 rp=2,阶值位数 p=2,尾数基值 rm=10,以 rm 为基的尾数位数 m''=1,按照使用的
倍数来说,等价于 m=4, 试计算在非负阶、正尾数、规格化情况下的最小尾数值、最大尾数值、最大阶值、可表示
的最小值和最大值及可表示数的个数。
(2)对于 rp=2,p=2,rm=4,m'=2,重复以上计算。
解:依题意列下表:
最小尾数值
最大尾数值
最大阶值
可表示的最小值
可表示的最大值
可表示数的个数
题中“按照使用的倍数来说,等价于 m=4,” 这个 m=4,因为 2^3<10<2^4,等价为实际要 4 个二进制位,表示
RM=10 为基的一位
6.由 4 位数(其中最低位为下溢附加位)经 ROM 查表舍入法,下溢处理成 3 位结果,设计使下溢处理平均误差接近
于零的 ROM 表,列出 ROM 编码表地址与内容的对应关系。
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