计算机系统结构-课后答案

第一章计算机系统结构的基本概念1.1以下术语说明层次结构：按计算机语言的顺序，从低到高，按功能划分为多个层次结构。每个层次都以不同的语言为特征。这些级别包括微程序机器级别、传统机器语言机器级别、汇编语言机器级别、高级语言机器级别、应用语言机器级别等。虚拟机：用软件实现的机器。翻译：首先使用转换程序将高级机器上的程序转换为低级机器上的相同程序，然后在此低级机器上运行以实现程序的功能。说明：高级系统中程序的每个语句或指令都将传递，以执行低级系统中的相同程序。执行结束后，到更高一级的机器上，删除语句或命令，解释执行，重复执行，直到整个程序被解释。计算机系统结构：现有机器程序员能看到的计算机特性，即概念结构和功能特性。在计算机技术中，这种原本存在的事物或属性从某种角度看似乎不存在的概念称为透明性。计算机配置：计算机系统结构的逻辑实现，包括物理系统级别的数据流和控制流的配置、逻辑设计等。计算机实施：计算机配置的物理实施，包括处理器、主内存和其他组件的物理结构、组件集成和速度、模块、插件、底板分割和连接、信号传输、电源、冷却和整机装配技术。系统加速比：改进系统的一部分时提高系统性能的倍数。Amdahl法则：当一个系统的部件增强时，您可以根据总运行时间的百分比提高整体系统性能。程序的局部性原则：程序运行时访问的内存地址不是随机分布的，而是相对群集的。包括时间局部性和空间局部性。CPI:每个命令执行的平均时钟周期数。测试程序套件：由多种实际应用程序组成的一组测试程序，它从各个方面测试计算机的处理能力。存储程序计算机：von neumann结构计算机。基准点是指令驱动。程序预先保存在计算机内存中，一旦机器启动，就可以按程序指定的逻辑顺序运行程序，以自动执行程序中描述的处理任务。系列计算机：同一制造商具有相同系统结构但具有不同配置和实施的一系列不同计算机。软件兼容性：一个软件无需修改，或只需少量修改即可从一台计算机迁移到另一台计算机。差异只是执行时间的差异。向上(向下)兼容性：按计算机编程的程序，无需修改即可在父(子)文件计算机上运行。向后(之前)兼容性：可以在以后(之前)投入市场的计算机上运行，而无需修改在特定时间内投入市场的特定计算机模型的程序。兼用机器：具有不同公司制造商生产的相同系统结构的计算机。模拟：使用软件方法在一台现有计算机(主机)上实现另一台计算机(虚拟机)的命令系统。模拟：描述使用现有计算机(主机)的微程序实现其他计算机(目标系统)的命令系统。并行性：计算机系统以相同的时间或相同的时间间隔执行多种计算或操作。只要时间上互相重叠，就有平行性。同时性和并发性。时间冗余：将时间因素引入并行性概念，使多个进程在时间上交错，并交替使用同一组硬件设备的多个部分，从而加快硬件周转并提高速度。资源重复：将空间因素引入并行性概念，以数量取胜。重复硬件资源设置，显着提高计算机系统的性能。资源共享：一种软件方法，该方法使多个任务按固定时间顺序依次使用同一组硬件设备。结合度：反映了多系统系统中计算机之间物理连接的健壮性和交互功能的强度。紧密耦合系统：也称为直接耦合系统。在此系统中，计算机之间物理连接的频带很高，通常通过总线或高速交换机互连，以共享默认存储库。松散耦合的系统：也称为间接耦合系统，通常通过通道或通信线路实现计算机之间的互连，并共享外部存储设备(磁盘、磁带等)。计算机之间的交互是在文件或数据集级别进行的。异构多处理器系统：由多个不同类型、至少负责不同功能的处理器组成，这些处理器根据工作要求的顺序依次处理多个任务和执行指定的功能行为。相同配置的多处理器系统：由多个相同类型或至少具有同等功能的处理器组成，同时处理可以在同一作业中并行运行的多个作业。1.2考试示例显示了计算机系统结构、计算机配置和计算机实现之间的相互关系。答：设计基本存储系统时，请确保基本存储容量、寻址方法和寻址范围属于计算机系统结构。确保主存储周期、并行主存储、逻辑设计等由计算机组成。选择存储芯片类型、微装配技术、线路设计等属于计算机实现。计算机配置是计算机系统结构的逻辑实现。计算机实现是计算机配置的物理实现。一个体系结构可以由多个部分组成。一种配置可以实现多种。1.3计算机系统结构的Flynn分类分为什么？分为什么种类？答：Flynn分类根据命令流和数据流的多倍数进行分类。将计算机系统的结构分为：(1)单命令流单数据流SISD(2)单一指令流多重资料串流SIMD(3)多命令流单数据流MISD(4)多命令流多数据流MIMD1.4计算机系统设计中经常使用的4种定量原理是什么？告诉你它的意义。A: (1)重点关注重复事件。在计算机系统的设计中，对经常发生的情况给予优先处理权和资源使用权，整体上可以进一步改善。(2)Amdahl定律。通过加速部件执行而获得的系统性能加速百分比取决于该部件在系统中的重要性。(3)CPU性能公式。运行一个程序所需的CPU时间=IC CPI时钟周期时间。(4)程序的局部原则。程序运行时访问的地址的分布不是随机的，而是由相对群集组成的。1.5从分别运行程序和处理数据的角度来看，计算机系统的并行度水平可以分为从低到高的哪个级别？答：在数据处理方面，并行度可以从低分为高。(1)字符串位字符串：一次只处理一个单词。这是没有并行处理的最基本的串行处理方法。(2)字符串位和：一个词的所有位同时处理，另一个词是串行的。并行处理已启动。(3)单词和位字符串：同时处理多个单词的相同位(称为位切片)。该方法具有很高的并行性。(4)全部并行：同时处理多个单词的全部或部分位。这是最高水平的并行。从程序执行的角度来看，并行度水平可以从低分为高。(1)指令内部并行：单个指令内每个微操作之间的并行处理；(2)命令级别并行：并行执行两个或多个命令。(3)线程级并行：并行运行两个或多个线程，通常使用派生自一个进程的多个线程作为调度单元。(4)作业层次或处理作业层次平行：平行执行两个或多个程序或作业(程式区段)，以排定的单位执行子程式或处理作业。(5)任务层或流程层并发：并行运行多个任务或程序。1.6时钟频率为400MHz的计算机执行具有以下命令类型、执行数和平均时钟周期数的标准测试过程：命令类型命令执行计数平均时钟周期数整数450001数据传输750002浮点80004支流15002查找计算机的有效CPI、MIPS和程序运行时间。解决方案：(1)CPI=(450001 750002 8004 15002)/1299500=1.776(或)(2)MIPS速度=f/=f/CPI=400/1.776=225.225 MIPS(或MIPS)(3)程序运行时间=(450001 750002 8004 15002)/400=575毫秒1.7如果计算机系统的一个功能能够以10倍的速度处理，而系统运行时间只有总正常运行时间的40%，那么此增强功能将如何提高整个系统的性能？问题包括：可改进系数=40%=0.4零件加速系数=10根据Amdahl的法则：此增强功能可将整个系统的性能提高1.5625倍。1.8计算机系统的零件加速比可以改进三个零件：零件加速系数1=30；零件加速系数2=20；组合加速系数3=10(1)如果部件1和部件2的可改善比率均为30%，那么部件3的可改善比率是多少，系统加速比率就可以达到10吗？(2)如果三个部件的可改进比率分别为30%、30%和20%，那么同时提高三个部件时，系统中未加速部件的执行时间占总执行时间的百分比是多少？解决方案：(1)如果多个部件可以改进，则Amdahl清理的扩展：已知S1=30、S2=20、S3=10、sn=10、f1=0.3、F2=0.3:F3=0.36，即组合3的改进比率为36%。(2)如果将系统改进前的运行时间设置为T，则3个部件改进前的运行时间为(0.3 0.3 0.2)T=0.8T，不可改进部分的运行时间为0.2T。三个零件改进后的加速度比率分别已知为S1=30、S2=20和S3=10，因此，三个零件改进后的运行时间为：改进的整个系统的运行时间为Tn=0.045T 0.2T=0.245T如果是，则总运行时间与系统不可改进部分的运行时间之比如下：1.9假设应用程序中有四种类型的操作，每种操作都可以通过改进获得不同的性能提高。具体数据如下表所示：工作类型程序中的数量(100万个命令)改进前执行时间(生命周期)改善的执行时间(生命周期)任务11021任务2302015任务335103操作41541(1)改进后各类型工作的加速比率是多少？(2)每种类型的工作单独改进后，程序的加速率分别是多少？(3)如果所有四种类型的工作都有所提高，那么整个程序的加速度比例是多少？解决方案：根据Amdahl的法则工作类型程序中各种操作的命令条所占的百分比Fi各种操作的加速比Si每种类型的操作单独改进后，程序获得的加速比任务111.1%21.06任务233.3%1.331.09任务338.9%3.331.37操作416.7%41.144种类型的工作改进后，整个方案的加速率：第二章脚本结构分类2.1以下术语说明基于堆栈的系统：CPU中存储操作数的单元是堆栈中的机器。基于累加器的机器：在CPU中存储操作数的设备是累加器的机器。通用寄存器机器：在CPU中存储操作数的设备是通用寄存器的机器。CISC:复杂脚本计算器RISC:精简指令集电脑寻址方法：指示系统配置要访问的数据的地址。寻址方法通常可以表示命令的操作数是常数、寄存器操作数或内存操作数。数据表示：硬件结构识别并可由系统直接调用的数据结构。2.2区分不同指令集结构的主要因素是什么？根据这个主要因素，脚本结构可以分为三类吗？答：区分不同指令集结构的主要因素是CPU中用于存储操作数的存储单元。因此，命令系统结构可以分为堆栈结构、累加器结构和通用寄存器结构。2.3常见的三种通用寄存器集结构的优缺点是什么？回答：命令系统结构类型好处不足之处寄存器-寄存器类型(0，3)命令字符长度固定，命令结构简洁，是各种命令的执行时钟周期数相似的简单代码生成模型。与具有指令的内存操作数的指令系统结构相比，指令条较多，对象代码不够小，程序占用了更多空间。寄存器-基于内存(1，2)可以在ALU指令中直接引用存储操作数，而无需先使用load命令加载。命令易于编码，目标代码相对紧凑。由于一个操作数的内容损坏，说明中的两个操作数是不对称的。在一个指令中同时对寄存器操作数和内存操作数进行编码，可以限制指令可以表示的寄存器数。指令的执行时钟周期数在很大程度上取决于操作数的来源(寄存器或内存)。存储-基于阵列(2，2)或(3，3)对象代码最小，不需要设置寄存器来存储变量。指令文字长度差异很大。特别是3操作数命令。每个命令执行的操作也有很大的不同。频繁访问存储可能会使存储成为瓶颈。此类型的命令系统现在已过时。2.4命令集需要满足的一些基本要求是什么？答：指令集的基本要求是完整性、结构化、效率和兼容性。完整性意味着在可用有限存储空间内为所有可解决的问题编写计算程序时，命令被充分使用。结构主要包括对称和均匀性。对称意味着与命令集相关的所有存储设备的使用、操作码的设置等是对称的。均匀性意味着对不同的操作数类型、字符长度、操作类型和数据存储设备应用相同的设置。高效率表示指令执行速度快，使用频率高。2.5指令集结构设计的内容是什么？A: (1)指令集功能设计：RISC和CISC两大技术发展方向：(2)寻址方法设计：通过建立寻址方法，您可以通过基准程序的测试统计数据查看各种寻址方法的使用频率，并根据适用的频率设置所需的寻址方法。(3)操作数表示法和操作数类型：主要操作数类型和操作数表示浮点数据类型、整数数据类型、字符类型、十进制数据类型等。(4)寻址方法的表示：寻址方法可以编码为操作码，也可以将寻址方法表示为单独的域。(5)指令集格式设计：可变长度编码格式、固定长度编码格式和混合编码格式三种。2.6简述CISC指令集结构功能设计的主要目标。从当前的计算机技术角度看，CISC指令集结构中的计