計算機系統(tǒng)結構習題解答

1、 13 典型習題和題例分析與解答 題1.1 有一個經解釋實現(xiàn)的計算機，可以按功能劃分成4級。每一級為了執(zhí)行一條指令需要下一級的N條指令解釋。若執(zhí)行第1級的一條指令要K ns時間，那么執(zhí)行第2、第3、第4級的一條指令各需要用多少時間? 分析 計算機按功能分成級時，最底層是第l級，向上依次為第2、第3和第4級；解釋方式的執(zhí)行是在低級機器級上用它的一串語句或指令來仿真高一級機器級上的一條語 句或指令的功能，而且是通過對高級機器級程序中的每條語句或指令逐條加以解釋來實現(xiàn)的。 解答 執(zhí)行第2、第3、第4級的一條指令各需KN ns、KN2 ns、KN3 ns的時間。 題1.2 操作系統(tǒng)機器級的某些指令就用

2、傳統(tǒng)機器級的指令，這些指令可以用微程序直接實現(xiàn)，而不必由操作系繞自己來實現(xiàn)。你認為這樣做有哪些好處？ 解答 這樣做，可以加快操作系統(tǒng)中操作命令解釋的速度，同時也節(jié)省了存放解釋操作命令這部分解釋程序所占的存貯空間，簡化了操作系統(tǒng)機器級的設計，也有利于減少傳統(tǒng)機器級的指令條數。 題1.3 有一個計算機系統(tǒng)可按功能分成4級，各級的指令都不相同，每一級的指令都比其下一級的指令在效能上強M倍，即第i級的一條指令能完成第i-1級的M條指令的計算量?，F(xiàn)若需第i級的N條指令解釋第i+l級的一條指令，而有一段第l級的程序需要運行的時間為K s，問在第2、3和4級上一段等效的程序各需要運行多長時間? 分析 因為從

3、功能意義上講，第i級的一條指令能完成第i-1級的M條指令的計算量，但第i級的一條指令的執(zhí)行，都是靠第i-1級的N條指令的執(zhí)行來解釋完成。已知，第1級的一段程序運行時間為K s。第2級的一段程序從功能等效上講，所需的指令條數應當是第1級上指令數的1/M。而由第1級解釋時又需要執(zhí)行N條指令，所以，第2級一段等效程序的運行就需要K的時間。第3、4級則可依次類推。 解答 第2、3和4級上的一段等效程序分別需要K、Ks和K的時間。 題1.4 硬件和軟件在什么意義上是等效的?在什么意義上又是不等效的?試舉例說明。 解答 硬件和軟件在邏輯功能上是等效的。在原理上，用軟件實現(xiàn)的功能完全可以用硬件或固件(微程序

4、解釋)來完成。用硬件實現(xiàn)的功能也可以通過用軟件進行模擬來完成，只是反映在速度、價格、實現(xiàn)的難易程度上，這兩者是不同的。 例如，編譯程序、操作系統(tǒng)等許多用機器語言軟件子程序實現(xiàn)的功能完全可以用組合電路硬件或微程序固件來解釋實現(xiàn)。它們的差別只是軟件實現(xiàn)的速度慢，軟件的編制復雜，編程工作量大，程序所占的存貯空間量較多，這些都是不利的；但是，這樣所花硬件少，硬件實現(xiàn)上也就因此而簡單容易，硬件的成本低，解題的靈活性和適應性較好，這些都是有利的。又如，乘除法運算可以經機器專門設計的乘法指令用硬件電路或乘除部件來實現(xiàn)，也可以通過執(zhí)行一個使用相加、移位、比較、循環(huán)等機器指令組成的機器語言子程序來實現(xiàn)。向量、數

5、組運算在向量處理機中是直接使用向量、數組類指令和流水或陣列等向量運算部件的硬件方式來實現(xiàn)，但在標量處理機上也可以通過執(zhí)行用標量指令組成的循環(huán)程序的軟件方式來完成。 浮點數運算可以直接通過設置浮點運算指令用硬件來實現(xiàn)，也可以用兩個定點數分別表示浮點數的階碼和尾數，通過程序方法把浮點數階碼和尾數的運算映象變換成兩個定點數的運算，用于程序軟的方式來實現(xiàn)。十進制數的運算可以通過專門設置十進制運算類指令和專門的十進制運算部件硬的方式來完成，或者通過設置BCD數的表示和若干BCD數運算的校正指令來軟硬結合地實現(xiàn)，也可以先經10轉2的數制轉換子程序將十進制數轉成二進制數，再用二進制運算類指令運算，所得結果又

6、調用2轉10的數制轉換子程序轉換成十進制數結果，用全軟的方式實現(xiàn)。 題1.5 什么是透明性概念?對于計算機系統(tǒng)結構，下列哪些是透明的?哪些是不透明的? 存貯器的模m交叉存?。焊↑c數據表示：IO系統(tǒng)是采用通道方式還是外圍處理機方式；數據總線寬度；字符行運算指令；陣列運算部件；通道是采用結合型還是獨立型：PDP11系列中的單總線結構；訪問方式保護；程序性中斷；串行、重疊還是流水控制方式；堆棧指令；存貯器的最小編址單位；Cache存貯器。 分析 所謂透明就是看不到，不屬于其管理的部分。對計算機系統(tǒng)結構是否透明，首先要弄清教材1.2.1節(jié)中有關計算機系統(tǒng)結構的定義和所包含的屬性內容。簡單來說，凡是編寫

7、機器語言和匯編語言程序要用到的數據表示、指令系統(tǒng)、尋址方式、寄存器組織、機器級IO結構、存貯容量及其編址方式、中斷機構、系統(tǒng)管態(tài)和目態(tài)間的切換、信息保護方式和機構等對計算機系統(tǒng)結構都是不透明的。而全部由硬件實現(xiàn)，或是在機器語言、匯編語言編程中不會出現(xiàn)和不需要了解的部分，以及只影響機器的速度和價格的邏輯實現(xiàn)(計算機組成)和物理實現(xiàn)(計算機實現(xiàn))的那些部分，對計算機系統(tǒng)結構都是透明的。 解答 客觀存在的事物或屬性。從某個角度去看，卻看不到，稱這些事物和屬性對他是透明的。透明了就可以簡化這部分的設計，然而因為透明而無法控制和干預，就會帶來不利。因此，透明性的取舍要正確選擇。 對計算機系統(tǒng)結構透明的有

8、：存貯器的模m交叉存取，數據總線寬度，陣列運算部件，通道是采用結合型還是獨立型，PDP一11系列的單總線結構，串行、重疊還是流水控制方式，Cache存貯器。 對計算機系統(tǒng)結構不透明的有：浮點數據表示，IO系統(tǒng)采用通道方式還是外圍處理機方式，字符行運算指令，訪問方式保護，程序性中斷，堆棧指令，存貯器最小編址單位。 題1.6 從機器(匯編)語言程序員的角度來看，以下哪些是透明的? 指令地址寄存器；指令緩沖器；時標發(fā)生器；條件碼寄存器；乘法器；主存地址寄存器；磁盤外設；先行進位鏈；移位器；通用寄存器；中斷字寄存器。 分析 從機器(匯編)語言程序員看，實際上也就是從計算機系統(tǒng)結構看的內容。 指令地址寄

9、存器就是程序計數器，匯編語言或機器語言程序都要用到它的，其位數多少會影響到可執(zhí)行程序的空間大小。指令緩沖器、主存地址寄存器都屬于計算機組成中的緩沖器技術，是由全硬件實現(xiàn)的，系統(tǒng)程序不參預對它們的管理。時標發(fā)生器、乘法器、先行進位鏈、移位器等都屬于計算機組成中的專用部件配臀，它只影響機器的速度和價格，與軟件編程無關。條件碼寄存器是存放指令執(zhí)行后生成反映結果狀態(tài)或特征的標志碼，它要供轉移等指令使用，是編程要用到的。磁盤外設的種類、編址方式、容量等都是磁盤管理服務程序要用到的。通用寄存器的數量、位效、編址、使用規(guī)定在匯編語言程序和機器語言程序中都是會直接用到的。中斷字寄存器是用來記錄每一個中斷類中，

10、各個中斷源發(fā)生中斷請求的狀況的，它是中斷服務程序在處理中斷時要用到的。 解答 從機器(匯編)語言程序員來看，透明的有：指令緩沖器，時標發(fā)生器，乘法器，主存地址寄存器，先行進位鏈，移位器。 題1.7 下列哪些對系統(tǒng)程序員是透明的?哪些對應用程序員是透明的? 系列機各檔不同的數據通路寬度；虛擬存貯器；Cache存貯器；程序狀態(tài)字：“啟動IO”指令；“執(zhí)行”指令；指令緩沖寄存器。 分析 系統(tǒng)程序員是編寫諸如操作系統(tǒng)、編譯程序等各種系統(tǒng)軟件的人員。應用程序員是指利用計算機及所配的系統(tǒng)軟件支持來編寫解決具體應用問題的程序員。他們都可以使用匯編語言或機器語言來編寫程序，當然也可以用高級語言來編寫程序。所以

11、，對系統(tǒng)程序員或應用程序員是不透明的，應包括計算機系統(tǒng)結構所包含的各個方面。而屬全硬件實現(xiàn)的計算機組成所包含的方面，如系列機各檔不同的數據通路寬度、Cache存貯器、指令緩沖寄存器等，無論是對系統(tǒng)程序員，還是對應用程序員都應當是透明的。對目前高性能計算機系統(tǒng)來講，大多數都是多用戶環(huán)境，應用程序(也稱算態(tài)，目態(tài)或用戶態(tài)程序)中不允許使用管態(tài)(也林系統(tǒng)態(tài)，監(jiān)督態(tài))中所用的特權指令。 例如，大型多用戶系統(tǒng)中，程序狀態(tài)字是用于反映計算機系統(tǒng)在當前程序的各種關鍵狀態(tài)(它并不是IBM PC計算機那種狹義的所謂程序狀態(tài)字)的，它是操作系統(tǒng)用于管理計算機系統(tǒng)資源及其使用狀況的，用戶是不能直接對程序狀態(tài)字內容進

12、行讀，寫和訪問的，只能由系統(tǒng)來管理?！皢覫O”指令是大型機中的種管態(tài)指令，屬于特權指令，只能在操作系繞程序中使用(見教材中第3章3.4.1節(jié)的介紹)。用戶程序是不能用它來直接啟動IO通道和設備的。虛擬存貯器(參看教材第4章4.1.3節(jié))是一個主存輔存兩級存貯層次。它對應用程序員是完全透明的，使應用程序不必作任何修改就可以在系統(tǒng)上運行。但是，在操作系統(tǒng)中必須配置有相應的管理軟件，能對其虛實外部地址的映象和變換、程序的換道、程序由輔存調入主存、主存頁面的替換、存貯保護等進行管理，所以對系統(tǒng)程序員來說是不透明的?！皥?zhí)行”指令(參看教材中第5章5.1.2節(jié))是IBM 370等系列機上用于解決程序在執(zhí)

13、行過程中不準修改指令，又允許將指令放在操作數區(qū)中作修改，以滿足指令在執(zhí)行過程中允許修改的要求。這種指令無論是用戶程序，還是系統(tǒng)程序，都希望可以被使用，所以，“執(zhí)行”指令應設計成對應用程序員和系統(tǒng)程序員都是不透明的。 解答 系列機各檔不同的數據通路寬度、Cache存貯器、指令緩沖寄存器屬計算機組成，對系統(tǒng)程序員和應用程序員都是透明的。虛擬存貯器、程序狀態(tài)字、“啟動IO”指令，對系統(tǒng)程序員是不透明的，面對應用程序員卻是透明的?！皥?zhí)行”指令則對系統(tǒng)程序員和應用程序員都是不透明的。 題1.8 想在系列機中發(fā)展一種新型號機器，你認為下列哪些設想是可以考慮的?哪些則是不行的?為什么? (1)新增加字符數據

14、類型和若干條字符處理指令，以支持事務處理程序的編譯。 (2)為增強中斷處理功能，將中斷分級由原來的4級增加到5級，并重新調整中斷響應的優(yōu)先次序。 (3)在CPU和主存之間增設Cache存貯器，以克服因主存訪問速率過低而造成的系統(tǒng)性能瓶頸。 (4)為解決計算誤差較大，將機器中浮點數的下濫處理方法由原來的恒置“1” (5)為增加尋址靈活性和減少平均指令字長，將原來全部采用等長操作碼的指令改成有3類不同碼長的擴展操作碼；將源操作數尋址方式由原來的操作碼指明改成增加一個如VAX11那樣的尋址方式位字段來指明。 (6)將CPU與主存之間的數據通路寬度由16位擴展成32位，以加快主機內部信息的傳送。 (7

15、)為減少使用公用總線的沖突，將單總線改為雙總線。 (8)把原來的0號通用寄存器改作專用的堆棧指示器。 分析 系列機發(fā)展新型號機器最主要的是必須保證應用軟件的向后兼容。就是說，早先機界上運行的程序在后面的新機器上應能照樣運行，只是后面出來的新機器因為增強了它的功能和速度，可以提高其性能。因此，對于那些不屬于計算機系統(tǒng)結構，而屬于計算機組成和實現(xiàn)的東西，不管是增加、刪去，還是修改，都不會影響到匯編語言程序和機器語言程序在系列機上的兼容。但是，對于屬于計算機系統(tǒng)結構的那些內容，為保證軟件的向后兼容，則只能增加其新的功能或部件，而不能去刪掉或更改已有的功能或部件。否則，就保證不了原有的程序能在新機器上

16、正確運行了。 解答 (1)可以。因為它雖然是屬計算機系統(tǒng)結構的內容，但它是新增加的數據類型和指令，不會影響到已有指令所寫的程序正確運行，只是現(xiàn)在用新增加的指令來寫程序，會使計算機的性能和效率變得更好。 (2)不可以。中斷的分緩和中斷的響應次序等中斷機構都屬于計算機系統(tǒng)結構的內容。中斷分級由原來的4級增加到5級應當還是允許的，關鍵是重新調整了中斷響應的優(yōu)先次序，這就使原有程序的中斷響應次序發(fā)生了改變，會影響碾有程序工作的正確性。 (3)可以。Cache存貯器屬于計算機組成，它不會改變原有的系統(tǒng)程序和應用程序，不會影響到它們的正常運行。只是有了Cache存貯器后，系統(tǒng)的性能有了明顯的提高。 (4)

17、可以。浮點數尾數的下溢處理(參見教材中第2章的2.1.4節(jié))不屬于計算機系統(tǒng)結構，而是計算機組成設計所考慮的內容。 (5)不可以。指令的操作碼、字段格式、尋址方式等的指明都是計算機系統(tǒng)結構的內容。如果將它們加以改變，就會直接導致以前編寫的程序都不能正確運行了。 (6)可以。數據通路寬度是計算機組成的內容。 (7)可以。單總線改為雙總線是計算機組成的內容。 (8)不可以。通用寄存器的使用是屬于計算機系統(tǒng)結構的內容。0號通用寄存器改作堆棧指示器，將使原先程序中0號通用寄存器中的內容改變直接影響到堆棧指針的位置發(fā)生變化，造成程序無法正常工作的局面。 題1.9 并行處理計算機除分布處理、MPP和機群系統(tǒng)外，還有哪4種基本結構?列舉它們各自要解決的主要問題。 解答 并行處理機除分布處理、MPP和機群系統(tǒng)外，還有流水線計算機、陣列處理機、多處理機和數據流計算機等4種摹本結構。 流水線計算機主要要解決好擁塞控制、沖突防止、分支處理、指令和數據的相關處理、流水線重組、中斷處理、流水線調度、向量化處理以及作業(yè)順序的控制等。 陣列處理機主要要解決好處理單元間能有靈活而有規(guī)律的互連模式及互連網絡的設計和研究、存貯器的組織、數據在存貯器