計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第五版習(xí)題答案

1、層次結(jié)構(gòu) 現(xiàn)代通用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由緊密相關(guān)的硬件和軟件組成的。從使用語言的角度， 可以將系統(tǒng)看成是按功能劃分的多層機(jī)器級組成的層次結(jié)構(gòu)， 由高到低分別為應(yīng) 用語言機(jī)器級、高級語言機(jī)器級、匯編語言機(jī)器級、操作系統(tǒng)機(jī)器級、傳統(tǒng)機(jī)器 語言機(jī)器級和微程序機(jī)器級。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也稱計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)， 它只是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的一部分， 指的是層次結(jié)構(gòu)中的傳統(tǒng)機(jī) 器級的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。 其界面之上包括操作系統(tǒng)級、 匯編語言級、 高級語言級和應(yīng)用 語言級中所有軟件的功能，該界面之下包括所有硬件和固件的功能。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指的是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)， 包括處理機(jī)、 主存等部件的物理結(jié)構(gòu)， 器件的集 成度和速度，器件、模塊、插件、

2、底板的劃分與連接，專用器件的設(shè)計(jì)，微組裝 技術(shù)，信號傳輸，電源、冷卻及整機(jī)裝配技術(shù)等。它著眼于器件技術(shù)和微組裝技 術(shù)，其中，器件技術(shù)在實(shí)現(xiàn)技術(shù)中起著主導(dǎo)作用。數(shù)據(jù)表示 指的是能由機(jī)器硬件直接識別和引用的數(shù)據(jù)類型?；舴蚵鼔嚎s概念霍夫曼壓縮概念的基本思想時(shí)， 當(dāng)各種事件發(fā)生的概率不均等時(shí)， 采用優(yōu)化技術(shù)， 對發(fā)生概率最高的事件用最短的位數(shù)來表示， 而對出現(xiàn)概率較低的事件允許用較 長的位數(shù)來表示，就會(huì)使表示的平均位數(shù)縮短。RISC 精簡指令系統(tǒng)（ RISC），不是簡單地把指令系統(tǒng)進(jìn)行簡化，而是通過簡化指令的 途徑使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡單合理， 以減少指令的執(zhí)行周期數(shù)， 從而提高運(yùn)算速 度。CISC 復(fù)

3、雜指令系統(tǒng)（ CISC），設(shè)計(jì)風(fēng)格力圖縮小機(jī)器語言與高級語言的語義差距，使 源程序長度盡可能的短， 以及盡可能少的訪問存儲器和執(zhí)行盡可能少的指令， 以 求獲得高性能。非專用總線 可以被多種功能或多個(gè)部件所分時(shí)共享， 同一時(shí)間只有一對部件可使用總線進(jìn)行 通信。數(shù)據(jù)寬度I/O 設(shè)備取得 I/O 總線后所傳送數(shù)據(jù)的總量 .中斷響應(yīng)次序是在同時(shí)發(fā)生多個(gè)不同中斷類的中斷請求時(shí)， 中斷響應(yīng)硬件中的排隊(duì)器所決定的 響應(yīng)次序。中斷處理次序 中斷處理完的次序，也即中斷處理程序完成中斷處理的次序。程序局部性程序的局部性原理， 即程序的地址訪問流有很強(qiáng)的時(shí)序相關(guān)性， 未來的訪問模式 與最近已發(fā)生的訪問模式相似。包括

4、時(shí)間局部性和空間局部性。組相聯(lián)映像 指的是各組之間是直接映像，而組內(nèi)各塊之間是全相聯(lián)映像。段頁式存儲 是把實(shí)存機(jī)械等分成固定大小的頁， 程序按模塊分段， 每個(gè)段又分成與主存頁面 大小相同的頁。每道程序通過段表和頁表進(jìn)行定位。一次重疊 是把指令的解釋過程分解為“分析”與“執(zhí)行”兩個(gè)子過程，在獨(dú)立的分析部件 與執(zhí)行部件上時(shí)間重疊地進(jìn)行。靜態(tài)流水線 靜態(tài)流水在某一時(shí)間內(nèi)各段只能按一種功能連接流水，只有等流水線全部流空 后，才能切換成按另一種功能連接流水。異步流動(dòng)方式 任務(wù)在流水線中流動(dòng)時(shí)，流出流水線的任務(wù)順序可以和流入流水線的順序不同。超標(biāo)量處理機(jī)超標(biāo)量處理機(jī)： 配置多套功能部件輔助電路， 靠編譯程

5、序優(yōu)化指令順序， 使流水 吞吐率提高。優(yōu)點(diǎn)：硬件不調(diào)整指令順序、容易實(shí)現(xiàn)、適合矩陣計(jì)算。缺點(diǎn)：開 銷大超流水處理機(jī) 超流水線處理機(jī)：利用時(shí)間并發(fā)性，利用較短時(shí)鐘周期提高流水線速度。優(yōu)點(diǎn)： 開銷小。缺點(diǎn)：必須有高速時(shí)鐘機(jī)。二 應(yīng)用題2設(shè)指令的解釋分取指、 分析與執(zhí)行 3 步, 每步的運(yùn)行時(shí)間分別各為 t 取指 ,t 分析 ,t 執(zhí)行 ,.(1) 分別計(jì)算下列幾種情況下 , 執(zhí)行完 100 條指令所需要的一般關(guān)系 式:順序方式。僅”執(zhí)行 K”與”取指 K+1”重疊。僅”執(zhí)行 K”, ”分析 K+1”與”取指 K+2”重疊.(2) 分別在取指 , 分析時(shí)間為 t 取指=t 分析=2, 執(zhí)行時(shí)間為 t

6、 執(zhí)行=3和取指 ,執(zhí)行時(shí)間為 t 取指=t 執(zhí)行=4,分析時(shí)間為 t 分析=2兩種情況下 , 計(jì)算出上述 的結(jié)果.答：(1)順序方式 ;100* (t 取指+t 分析+t 執(zhí)行 )僅”執(zhí)行 K”與”取指 K+1”重疊方式工作時(shí)間為 :t 取指 +100t 分析+99*max t 取指, t 執(zhí)行+ t 執(zhí)行僅”執(zhí)行 K”, ”分析 K+1”與”取指 K+2”重疊方式工作時(shí)間為 :.t 取指 + max t取指 , t分析 +99*max t取指,t分析， t執(zhí)行+ max t執(zhí)行, t分析+t執(zhí)行(2)當(dāng)分析時(shí)間為 t 取指=t 分析=2, 執(zhí)行時(shí)間為 t 執(zhí)行=1時(shí)：)順序方式 ;700僅

7、”執(zhí)行 K”與”取指 K+1”重疊方式工作時(shí)間為 :502僅”執(zhí)行 K”, ”分析 K+1”與”取指 K+2”重疊方式工作時(shí)間為 :304。當(dāng)取指 , 執(zhí)行時(shí)間 t 取指 =t 執(zhí)行 =4, 分析時(shí)間為 t 分析 =2 時(shí)：順序方式 ;10僅”執(zhí)行 K”與”取指 K+1”重疊方式工作時(shí)間為 :604僅”執(zhí)行 K”, ”分析 K+1”與”取指 K+2”重疊方式工作時(shí)間為 :410。3. 有一個(gè)浮點(diǎn)乘流水線如下圖 1 所示，其乘積可直接返回輸入端或暫存于相應(yīng) 緩沖寄存器中，畫出實(shí)現(xiàn) ABCD 的時(shí)空圖以及輸入端的變化，并求出流 水線的吞吐率和效率； 當(dāng)流水線改為下圖 2 所示的形式實(shí)現(xiàn)同一計(jì)算時(shí)，

8、 求該流 水線的吞吐率及效率。t 3 t t圖15131 分） 效率圖2按圖 1 組織，實(shí)現(xiàn) A*B*C*D的時(shí)空關(guān)系如下圖所示。吞吐率 T p 3133*5 t3*13 t部件規(guī)格化尾乘尾乘尾乘階加輸入輸出6 7A*BC*DA*B C*D8 9 1011 時(shí)間（A*B*C*Dt）t按圖 2 組織，實(shí)現(xiàn) A*B*C*D的時(shí)空關(guān)系如下圖所示。吞吐率 T p 311 t （1分） 效率 3*5 t5*11 t 3112 若某機(jī)器要求有：三地址指令 4 條，單地址指令 255 條，零地址指令 16 條。假設(shè)指令字長為 12 位，每個(gè)地址碼長為 3 位，能否以擴(kuò)展操作碼為其編碼？ 如果其中單地址指令為

9、 254 條呢？說明理由。答：三地址指令格式為：3 位3 位3 位3 位操作碼地址 1地址2地址312 位操作碼為 3 位（指令字 12位減 3個(gè) 3位的地址碼），4 個(gè)碼表示三地址指令操作 碼，零地址指令的格式為余下 4 個(gè)碼擴(kuò)展成長操作碼的擴(kuò)展標(biāo)志。9 位3 位操作碼地址12 位單地址指令的格式為操作碼12 位如果不考慮零地址指令， 短操作碼中 4 個(gè)擴(kuò)展標(biāo)志各自均能擴(kuò)展出 6位的操作碼， 共可擴(kuò)展出 426 256 條單地址指令。但是現(xiàn)在還要表示 16條零地址指令。 如果單地址指令為 255條，則零地址指令操作碼的高 9 位只有一個(gè)碼可作為擴(kuò)展標(biāo)志，因而只能擴(kuò)展出 3位，表示 238條零

10、地址指令， 不能滿足題目所要求 的 16 條零地址指令 如果單地址指令只用了 254條，則指令高 9 位就可以有 2個(gè)擴(kuò)展標(biāo)志碼， 各擴(kuò)展 出 3位碼，即可表示 22316條零地址指令。 所以，可以滿足題目所要求的 16 條零地址指令。3.有一個(gè) Cache存儲器，主存有 8個(gè)塊（ 07），Cache有 4個(gè)塊（ 03）， 采用組相聯(lián)映像，每組內(nèi) 2 塊，使用 LRU替換算法。（ 1）畫出主存、 Cache 映像關(guān)系示意圖。（ 2）對于主存塊地址流： 1、2、4、 1、3、7、0、1、2、5、4、6，若主 存中內(nèi)容開始未裝入 Cache中，列出 Cache 中各塊隨時(shí)間的使用狀況。（3）計(jì)算此

11、期間 Cache 的命中率。答：1）主存、 Cache空間塊的映象關(guān)系如下圖所示：塊號0組11組 23主存塊號103254760組1組0組1組0區(qū)1區(qū)主存的第 0、1、4、5塊只能映象裝入或替換掉物理 Cache中的第 0、1 塊的 內(nèi)容。主存的第 2、3、6、7 塊只能映象裝入或替換物理 Cache中的第 2、3 塊的 內(nèi)容。（2）程序運(yùn)行時(shí)，由給出的主存塊地址流可得到 Cache 中各個(gè)塊的使用狀 況，如下表所示。表中標(biāo)“ * ”的是候選替換塊的塊號。時(shí)間 t1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12主存塊替換1 2 4 1 3 7 0 1 2 5 46Cache 塊01 1 1

12、* 1 1 1 1* 1 1 1* 4411 4 4* 4* 4* 0 0* 0* 5 5* 5*22 2 2 2* 7 7 7 7* 7* 7*633 3* 3* 3* 2 2 2 2*命中情況失 失 失 H 失 替 替 H 替 失 替 替（3）在此期間， Cache的命中率是 2/12 = 1/6三、簡答題1計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) , 組成, 實(shí)現(xiàn)三者之間的相互關(guān)系與影響？ 答：相同結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)可以因速度不同而采用不同的組成， 相同的組成也可有多 種不同的實(shí)現(xiàn)。這都取決于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能、價(jià)格及器件技術(shù)的狀況。 結(jié)構(gòu)不同會(huì)影響到可用的組成技術(shù)有所不同， 而不同的組成又會(huì)反過來影響到系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

13、。 因此，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須結(jié)合應(yīng)用來考慮， 要為軟件和算法的 實(shí)現(xiàn)提供更多更好的硬件設(shè)計(jì)，同時(shí)要考慮可能采用和準(zhǔn)備采用哪些組成技術(shù)， 不能過多或不合理地限制各種組成、實(shí)現(xiàn)技術(shù)的采用與發(fā)展。 組成與實(shí)現(xiàn)可以折衷權(quán)衡， 它主要取決于器件的來源、 廠家的技術(shù)特長和性能價(jià) 格比能否優(yōu)化。 應(yīng)當(dāng)在當(dāng)時(shí)的器件技術(shù)條件下， 使價(jià)格在不增或只增很少的情況 下去盡可能地提高系統(tǒng)的性能。2 提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并行性的技術(shù)途徑有哪些？并分別簡要解釋。 答：共有時(shí)間重疊、資源重復(fù)、資源共享三個(gè)途徑。 時(shí)間重疊是讓多個(gè)處理過程在時(shí)間上相互錯(cuò)開， 輪流使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè) 部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)使用來贏得速度。 資源重復(fù)

14、是通過重復(fù)設(shè)置硬件資源來提高性能。 資源共享是利用軟件方法讓多個(gè)用戶共享同一套資源， 來提高資源利用率和系統(tǒng) 性能的。3采用頁式管理的虛擬存儲器中，什么叫頁面失效？什么叫頁面爭用？說明什么時(shí)候兩者不同時(shí)發(fā)生？什么時(shí)候兩者又同時(shí)發(fā)生？ 答：要訪問的虛頁不在實(shí)際主存中時(shí)，就會(huì)發(fā)生頁面實(shí)效； 當(dāng)頁面調(diào)入主存， 主存中的頁面位置全部已被其它虛頁占用時(shí)， 就會(huì)發(fā)生頁面爭 用 當(dāng)分配給程序的內(nèi)存已被全部占用之后， 只要發(fā)生頁面實(shí)效， 就會(huì)發(fā)生頁面爭用。 反之，發(fā)生頁面實(shí)效，但不會(huì)發(fā)生頁面爭用。4 若機(jī)器共有五級中斷，中斷響應(yīng)優(yōu)先次序是 1-2-3-4-5 ，各級中斷處理 程序的中斷屏蔽位設(shè)置如下表所示（

15、“1”對應(yīng)于屏蔽，“0”對應(yīng)于開放）中斷處理程序級別中斷級屏蔽位12345111111201000301100401101501111答： 1-5-4-3-25實(shí)現(xiàn)軟件移植的途徑有哪些？各受什么限制？ 答：統(tǒng)一高級語言， 由于只能實(shí)現(xiàn)高級語言軟件的移植， 而目前高級語言種類繁 多，無法完全統(tǒng)一成一種，只能相對統(tǒng)一成少數(shù)幾種。系列機(jī)，由于系列內(nèi)各檔機(jī)器的結(jié)構(gòu)變化不能太大， 到一定時(shí)候會(huì)阻礙系列發(fā)展， 只能實(shí)現(xiàn)在結(jié)構(gòu)相同或相近的機(jī)器間的匯編語言應(yīng)用軟件的移植。 模擬，是用宿主機(jī)的機(jī)器指令解釋，機(jī)器語言差別大時(shí)，速度慢。仿真，是用宿主機(jī)的微程序解釋，當(dāng)機(jī)器差異大時(shí)，仿真困難，仿真的效率和靈 活性差。

16、6. 流水處理的主要技術(shù)途徑是什么？靜態(tài)流水線和動(dòng)態(tài)流水線有哪些相同點(diǎn)和 不同點(diǎn)？答：流水處理的主要技術(shù)途徑是時(shí)間重疊和功能部件專用化 靜態(tài)流水線和動(dòng)態(tài)流水線都是多功能流水線 其中，靜態(tài)流水線在某一時(shí)間內(nèi)各段只能按一種功能連接流水， 只有等流水線全 部流空后，才能切換成按另一種功能連接流水。動(dòng)態(tài)流水線的各功能段在同一時(shí)間內(nèi)可按不同運(yùn)算或功能連接。7 采用頁式管理的虛擬存儲器中， 什么叫頁面失效？什么叫頁面爭用？ 說明 什么時(shí)候兩者不同時(shí)發(fā)生？什么時(shí)候兩者又同時(shí)發(fā)生？ 答：要訪問的虛頁不在實(shí)際主存中時(shí)，就會(huì)發(fā)生頁面實(shí)效；當(dāng)頁面調(diào)入主存， 主存中的頁面位置全部已被其它虛頁占用時(shí)， 就會(huì)發(fā)生頁面爭 用當(dāng)分配給程序的內(nèi)存已被全部占用之后， 只要發(fā)生頁面實(shí)效， 就會(huì)發(fā)生頁面爭用。 反之，發(fā)生頁面實(shí)效，但不會(huì)發(fā)生頁面爭用。8 什么是 RISC？設(shè)計(jì) RISC機(jī)器的一般原則有哪些？ 答：RISC精簡指令系統(tǒng)，是通過簡化指令的途徑使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡單合理， 以減少指令的執(zhí)行周期數(shù)，從而提高運(yùn)算速度。設(shè)計(jì) RISC機(jī)器的一般原則： 精簡指令的條數(shù)； 簡化指令的格式， 讓指令字等長， 并讓