计算机体系结构 习习题与答案

1、第二章习题 （P69-70）一、 复习题1简述冯诺依曼原理，冯诺依曼结构计算机包含哪几部分部件，其结构以何部件为中心答：冯诺依曼理论的要点包括：指令像数据那样存放在存储器中，并可以像数据那样进行处理；指令格式使用二进制机器码表示；用程序存储控制方式工作。这3条合称冯诺依曼原理冯诺依曼计算机由五大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，整个结构一般以运算器为中心，也可以以控制器为中心。 (P51-P54)2简述计算机体系结构与组成、实现之间的关系。答：计算机体系结构通常是指程序设计人员所见到的计算机系统的属性，是硬件子系统的结构概念及其功能特性。计算机组成（computer org

2、anization）是依据计算机体系结构确定并且分配了硬件系统的概念结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组成，它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。同时，为实现指令的控制功能，还需要设计相应的软件系统来构成一个完整的运算系统。计算机实现，是计算机组成的物理实现, 就是把完成逻辑设计的计算机组成方案转换为真实的计算机。计算机体系结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念，各自有不同的含义，但是又有着密切的联系，而且随着时间和技术的进步，这些含意也会有所改变。在某些情况下，有时也无须特意地去区分计算机体系结构和计算机组成的不同含义。 (P47-P48)3根据指令系统结构划

3、分，现代计算机包含哪两种主要的体系结构答：根据指令系统结构划分，现代计算机主要包含：CISC和RISC两种结构。 (P55)4简述RISC技术的特点答：从指令系统结构上看，RISC 体系结构一般具有如下特点：(1) 精简指令系统。可以通过对过去大量的机器语言程序进行指令使用频度的统计，来选 取其中常用的基本指令，并根据对操作系统、高级语言和应用环境等的支持增设一些最常用的指令;(2) 减少指令系统可采用的寻址方式种类，一般限制在2或3种;(3) 在指令的功能、格式和编码设计上尽可能地简化和规整，让所有指令尽可能等长;(4) 单机器周期指令，即大多数的指令都可以在一个机器周期内完成，并且允许处理

4、器在同一时间内执行一系列的指令。 (P57-58)5有人认为，RISC技术将全面替代CISC，这种观点是否正确，说明理由答：不正确。与CISC 架构相比较，RISC计算机具备结构简单、易于设计和程序执行效率高的特点，但并不能认为RISC 架构就可以取代CISC 架构。事实上，RISC 和CISC 各有优势，CISC计算机功能丰富，指令执行更加灵活，这些时RISC计算机无法比拟的，当今时代，两者正在逐步融合，成为CPU设计的新趋势。 (P55-59)6什么是流水线技术答：流水线技术，指的是允许一个机器周期内的计算机各处理步骤重叠进行。特别是，当执行一条指令时，可以读取下一条指令，也就意味着，在任

5、何一个时刻可以有不止一条指令在“流水线”上，每条指令处在不同的执行阶段。这样，即便读取和执行每条指令的时间保持不变，而计算机的总的吞吐量提高了。 (P60-62)7多处理器结构包含哪几种主要的体系结构，分别有什么特点答：多处理器系统：主要通过资源共享，让共享输入/输出子系统、数据库资源及共享或不共享存储的一组处理机在统一的操作系统全盘控制下，实现软件和硬件各级上相互作用，达到时间和空间上的异步并行。SIMD计算机有多个处理单元，由单一的指令部件控制，按照同一指令流的要求为他们分配各不相同的数据并进行处理。系统结构为由一个控制器、多个处理器、多个存贮模块和一个互连总线（网络）组成。对操作种类多的

6、算法，当要求存取全局数据或对于不同的数据要求做不同的处理时，它无法独立胜任。SIMD 一般都要求有较多的处理单元和极高的I/O吞吐率，如果系统中没有足够多的适合SIMD 处理的任务，采用SIMD 不合算。 MISD计算机具有多个处理单元，按照多条不同的指令要求同时对同一数据流及其处理输出的结果进行不同的处理。  MIMD是指能实现指令、数据作业、任务等各级全面并行计算的多机处理系统，典型的MIMD系统由多台处理机、多个存储模块和一个互连网络组成，每台处理机执行自己的指令，操作数也是各取各的。MIMD结构中每个处理器都可以单独编程，这种结构的可编程能力最强

7、。由于要用大量的硬件资源解决可编程问题，硬件利用率不高。常见的有MPP（Massively Parallel Processor）系统、分布式计算系统。 (P60-61)8试解释下列基本概念：机器语言、汇编语言、高级语言。答：机器语言，最早的计算机只有机器语言，计算机能直接执行用机器语言所编的程序。机器语言是由二进制代码表示的计算机机器指令和数据组合而成。汇编语言，到 50 年代，人们想出了用一些具有一定含义的文字、符号和数字，按规定的格式来表示各种不同的机器指令，称为“助记符”。例如，用“ADD”表示加法，“MOV”表示数据传输等。再用这些助记符来编写程序，这就是汇编语言。高级语言，也称为算

8、法语言，它定义了一套基本符号以及怎样使用这套基本符号设计程序的规则。算法语言比较接近数学语言，与具体机器无关，直接学习该高级语言的规则就可以使用计算机解决自己的问题，例如C、C+、Java等。 (P44-P46)9计算机软件系统可以分为哪几类答：计算机软件系统可以分为系统软件和应用软件两大类。 (P62-63)10从高级语言转换到真正可执行的机器语言有几类方法，试描述其原理 答：高级语言一般先翻译为汇编语言或者某个中间语言，再经过中间语言的翻译然后成为机器语言的目的程序，最后在机器上执行。这种翻译通常有两种方法：1、编译法：给计算机高级语言编制一套用机器语言编写的编译程序，它先把源程序全部翻译

9、成目的程序，再提供给机器执行。编译程序的作用类似汇编程序，但是高级语言更复杂，其“翻译“的难度较汇编用大得多。编译法只是在编译过程中需要额外时间，并且还能够在编译中优化目的程序，编译后目的程序可以多次反复执行，还可以拿到相同的其他机器上直接执行，因此执行的效率较高。Pascal，C语言等属于编译法的高级语言。由于各种高级语言和各机器语言都不相同，因此对于不同的计算机和不同的高级语言都要有对应有编译程序。编译法的具体情况我们将在后续的Error! Reference source not found.详细介绍。2、解释法：与编译法不同，它不是先把源程序全部编译为目的程序后再执行，而是把程序的语句

10、逐条翻译成为目的程序并且立即逐条执行。即解释一条执行一条。这种方法每运行一次就需要解释一遍，浪费许多时间，也不能优化目的程序，因此执行效率低。BASIC语言是典型的解释型高级语言。 （P44-P46）二、 练习题（一）选择题1冯诺依曼计算机的基本原理是。A、程序外接B、逻辑连接C、数据内置D、程序存储D (P53)2CISC结构处理器以为中心。A、运算器B、存储器C、微程序控制器D、硬连线控制器C (P56)3现代计算机处理器结构按照划分，可分为复杂指令集计算机和精简指令集计算机两类。A、指令系统B、硬件结构C、CPUD、存储方式A (P55)4RISC技术最大的优势就是对于的精简能力A、指令

11、系统B、CPIC、硬件数量D、数据吞吐量 B (P58)5下列不属于应用软件的范畴A、Microsoft OfficeB、超级解霸C、Windows XPD、Internet ExplorerC (P63)（二）填空题1向上兼容，就是要求为某档机种编制的程序，应能_运行于同一系列计算机中更高档次的机种上。不加修改 (P50)2传统的冯诺依曼计算机以_为中心。运算器 （P53）3一个完善的指令系统应具有_、_、_和_四个方面的特性。完备性、有效性、规整性和兼容性 (P55)4计算机处理器体系结构按照指令系统结构可分为_和_两类。复杂指令集计算技术 精简指令集计算技术 (P55)5计算机软件系统通

12、常根据软件的功能可将其分为_和_两大类。 系统软件 应用软件 （P63）6根据指令系统功能结构的不同，计算机体系结构发展趋势呈现_和_两种截然不同的方向，相同的指令系统可以通过”_”或”_”的方法来实现。复杂指令集计算技术 精简指令集计算技术 微程序（微码） 硬布线 (P55-56)7RISC技术对比CISC最大的区别就是对_的精简。CPI (P58)8并行处理指的是在同一时刻或是在同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作，它们在时间上能互相重叠，并行处理有两个不同特征：_和_。同时性 并发性 (P60)9并行处理计算机结构通常包括_、_和_三种形式。多处理器系统 阵列处理机 流水

13、线计算机 (P60)10、CPU执行时间决定了处理器的性能，CPU执行时间越短，表示处理器性能越卓越。根据性能公式，要缩短CPU 执行时间，可以通过减小_、_ 或者_。RISC技术对比CISC最大的优势就是对_的精简能力。时钟周期 平均执行每条指令的时钟周期数 代码的指令条数 平均执行每条指令的时钟周期数 (P58)11、并行计算机是由一组处理单元组成的。这组处理单元通过相互之间的通信与协作，以更快的速度共同完成一项大规模的计算任务。因此，并行计算机的两个最主要的组成部分是_和_。计算节点 节点间的通信与协作机制 (P60)12并行处理计算机结构通常包括_、_和_三种形式。多处理器系统 阵列处

14、理机 流水线计算机 (P60)13、按照著名的弗林(Flynn) 计算机分类模型，根据计算机关键部位的指令和由指令引起数据流的并行性，把所有的计算机分为四类_、_、_和_。SISD (Single Instruction Stream Single Data Stream)单指令流单数据流SIMD (Single Instruction Stream Multiple Data Stream)单指令流多数据流MISD(Multiple Instruction Stream Single Data Stream)多指令流单数据流MIMD(Multiple Instruction Stream M

15、ultiple Data Stream)多指令流多数据流(P60-P61)14、计算机系统包括_和_两个组成部分。软件根据用途不同可分为_和_。硬件系统 软件系统 应用软件 系统软件 (P62-63)（三）17、判断题1、计算机体系结构是一门研究计算机硬件结构的学科。错2、哈佛结构（Harvard architecture，缩写为HARC）与冯诺依曼结构本质的区别是将程序 指令存储和数据存储分开。对3、主存储器是现代计算机系统的数据传送中心。 对4、RISC结构在各方面均要优越于CISC结构。错5、单指令流单数据流计算机的每个机器周期最多执行一条指令。对6、流水线方式就是操作重叠。 对7、冯诺

16、依曼计算机的基本原理是程序存储。 对8、多处理机系统的处理器之间主要通过共享物理存储器进行通信。 错9、系统软件是指管理、控制和维护计算机系统资源的程序集合 对10、向量处理机是一种典型的多处理机系统。对（四）讨论题1、简述计算机采用多级层次结构的必要性和可能性。答：对计算机结构进行层次上的划分，可以使各层相对独立，有利于简化处理问题的难度，在某一段时间，在处理某一层中的问题时，只需集中精力解决当前最需要关心的核心问题即可，而不必牵扯各上下层中的其他问题。在这种多层次结构中，上面的一层是建立在下一层的基础上实现出来的，实现的功能更强大，更接近人解决问题的思维方式和处理问题的具体过程，对使用人员

17、更方便，使用这一层提供的功能时，不必关心下一层的实现细节。下面一层是实现上一层的基础，更接近计算机硬件实现的细节，实现的功能相对简单，人们使用这些功能更困难，但机器执行更直接。在实现这一层的功能时，可能尚无法了解其上一层的目标和将要解决的问题，也不必理解其更下一层实现中的有关细节问题，只要使用下一层所提供出来的功能来完成本层次的功能处理即可。现代计算机是一个功能复杂的软硬件系统。从普通使用者到计算机操作员，从程序设计员到硬件工程师，所看到的计算机系统各有完全不同的属性。大家在学习使用计算机时，需要准确把握自己的定位，根据各个层次的关系，集中精力掌握好自己直接面对的层次，当然对于其他层次的了解有

18、助于更加全面、深刻地理解计算机系统。由于“虚拟机”概念的引入和汇编以及高级语言的成熟，实现对计算机结构进行层次上的划分是完全可行的。 (P44-P46)2、简述CISC和RISC结构各自的优缺点。答：CISC结构主要优点是：1. 指令丰富，功能强大2. 寻址方式灵活。3. 以微程序控制器为核心，指令存储器与数据存储器共享同一个物理存储空间，性能强大。CISC结构主要缺点是：1. 指令使用率不均衡。2. 不利于采用先进结构提高性能。3. 结构复杂不利于VLSI实现。RISC结构主要优点是：1. 具备结构简单、易于设计2. 指令精简，使用率均衡3. 程序执行效率高RISC结构主要缺点是：1. 指令

19、数较少，功能不及CISC强大。寻址方式不够灵活。 (P55-P59)3、简述流水线技术提高运算速度的主要方式。答：流水线技术主要通过降低CPI，来提高整个系统的运算速度。流水线技术允许一个机器周期内的各步骤重叠进行。特别是，当执行一条指令时，可以读取下一条指令，也就意味着，在任何一个时刻可以有不止一条指令在“流水线”上，每条指令处在不同的执行阶段。这样，即便读取和执行每条指令的时间保持不变，计算机的总的吞吐量提高了。 (P61-62)4、简述兼容机的概念。答：一种计算机组成可以有多种物理实现。系列机从程序设计者的角度看都具有相同的机器属性，因此按这个属性（体系结构）编制的机器语言程序以及编译程

20、序都能通用于各档机器，我们称这种情况下的各机器是软件兼容的，即同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相同的各档机器上，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。我们把不同厂家生产的具有相同体系结构的计算机称为兼容机。 (P50)5、运用所学知识，使用4k×8位/片的SRAM存储器芯片设计一个16K×16位的存储器。第3章内容6、试分析冯·诺依曼模型对编程概念的影响。答：冯诺依曼理论的思想是：应该把程序和数据一起存储在存储器里，让计算机自己负责从存储器里提取指令，执行指令，循环式地执行这两个动作，这样，计算机在执行程序的过程中，就可以完全摆脱外界的影响，以自己可能的速度（电子的速度）自动地运行。按照这种原理，程序的运行和维护完全由计算机自动完成。在编写程序时，程序员可以不关心或很少关心程序在计算机内部的执行情况，而只需要关心所编写程序的