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1、广西工学院计算机系统结构习题及答案 1.系统结构基础知识1.1 有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分4级。每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令解释。若执行第1级的一条指令需Kns时间，则执行第2、3、4级的一条指令各需要多少时间？【分析】注意“上一级”与“下一级”的关系，上一级程序在下一级上的实现不是经翻译完成，只能是解释。解：执行第1级的一条指令需Kns时间执行第2级的一条指令需KNns时间执行第3级的一条指令需KN2ns时间执行第4级的一条指令需KN3ns时间执行第n级的一条指令需KNn-1ns时间1.2 有一计算机系统，可以按功能划分4级。每一级的指令互不相同。每一级的指令都比
2、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，而有一段程序在第1级上运行需要Ks，问在第2、3、4级上一段等效的程序各需要运行多长时间？【分析】从指令功能意义上讲，每级的单条指令需下级N条指令来完成，从效能意义上讲，每级的指令都比下一级的指令强M倍，若某级上运行需Ks，则下一级上运行需KN/Ms。解： 在第2级上一段等效的程序需要运行时间为: (N/M)Ks在第3级上一段等效的程序需要运行时间为: (N/M)2Ks在第4级上一段等效的程序需要运行时间为: (N/M)3Ks1.3 什么是透明性概念？对于计算机系统
3、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。【分析】凡是属于编写机器语言和汇编语言程序所必须面对的内容，都是不透明的。或者说有关系统结构属性所包括的内容，对系统结构都不透明。解：客观存在的事物或属性，从某个角度看，它好像不存在，称之为透明性。对于计算机系统结构，透明的是：存储器的模m交叉存取、数据总线宽度、阵列运算部件
4、、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。对于计算机系统结构，不透明的是：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。1.4 从机器（汇编）语言程序员的角度来看，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、条件码寄存器、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。【分析】从机器（汇编）语言程序员的角度来看，实际上就是从计算机系统结构看的内容。在汇编语言程序中直接用到的，肯定是不透明的。解：对机器（
5、汇编）语言程序员透明的：指令缓冲器、时标发生器、乘法器、主存地址寄存器、先行进位链、移位器。对机器（汇编）语言程序员不透明的：指令地址寄存器、条件码寄存器、磁盘外设、通用寄存器、中断字寄存器。1.5 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、指令缓冲存储器【分析】系统程序员和应用程序员都有可能应用汇编语言或机器语言编程，当然也可能使用高级语言编程。所以，属全硬件实现的计算机组成所包含的方面，对他们都是透明的。解：对系统程序员（编写系统软件的人）和应用程序员透明的： 系列机各档不同
6、的数据宽度、Cache存储器、指令缓冲存储器。虚拟存储器、程序状态字、“启动I/O”指令对系统程序员不透明，对应用程序员透明。“执行”指令对系统程序员、应用程序员不透明。1.8 用一台40MHz处理机执行标准测试程序，它含的混合指令数和相应所需的时钟周期数如下：求有效CPI、MIPS速率和程序的执行时间.指令类型指令数时钟周期数整数运算450001数据传送320002浮点150002控制传送80002解： 时钟周期 T=1/(40106)=0.25 10-7 s程序执行时钟周期数 Tn=45000+2 32000+ 2 15000+ 2 8000=155000程序执行时间 Ts=(45000+
7、2 32000+ 2 15000+ 2 8000) 0.25 10-7 =3.875ms IC=45000+32000+15000+8000=1 105 MIPS=IC/Ts 10-6=26 CPI=Tn/IC=1.551.6 想在系列机中发展一种新型号机器，你认为下列哪些设想可以考虑，哪些则不行，为什么？（1）新增加字符数据类型和若干条字符处理指令，以支持事务数据处理程序的编译。（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与主存之间增设Cache存储器，以克服访存速度过低的系统性能瓶颈。（4）为解决计算误差较大问题，将机器中浮点数的
8、下溢处理方法由原来的“恒置1”法，改为增设用只读存储器存放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，将原来全部采用等长操作码的指令，改为具有3类不同码长的扩展操作码。（6）将CPU与主存之间的数据通路宽度由16位扩展成32位，以加快主机内部的数据传送。（7）为减少使用公用总线的冲突，将单总线改为双总线。（8）把原来的0号通用寄存器改作专用的堆栈指示器。【分析】系列机发展新型号机器最主要的是必须保证应用软件的向后兼容。一般属于计算机组成和实现的东西的改进不会影响系统结构。解： （1）可以。新增加数据类型和指令，不影响已有指令编写的程序的执行。（2）不可以。重新调整中断响
9、应的优先次序，会影响原有程序工作的正确性。（3）可以。Cache存储器属于计算机组成。（4）可以。浮点数尾数的下溢处理属于计算机组成。（5）不可以。指令系统的改变，会直接导致原有程序不能正确运行。（6）可以。数据通路宽度属于计算机组成。（7）可以。单总线改为双总线属于计算机组成。（8）不可以。通用寄存器的改变无疑会影响原有相关指令的运行，以致程序不能正常工作。1.7 假设Cache工作速度为主存的5倍，且Cache被访问命中的概率为90%，则采用Cache后，能使整个存储系统获得多高的加速比？解： Se=5 Fe=0.9 Sn=1/(1-Fe+Fe/Se)= 3.571.8 用一台40MHz处
10、理机执行标准测试程序，它含的混合指令数和相应所需的时钟周期数如下：指令类型指令数时钟周期数整数运算450001数据传送320002浮点150002控制传送80002求有效CPI、MIPS速率和程序的执行时间解： 时钟周期T=1/(40106)=0.25 10-7 s程序执行时钟周期数 Tn=45000+2 32000+ 2 15000+ 2 8000=155000程序执行时间 Ts=(45000+2 32000+ 2 15000+ 2 8000) 0.25 10-7 =3.875ms IC=45000+32000+15000+8000=1 105 MIPS=IC/Ts 10-6=26 CPI=
11、Tn/IC=1.551.9 已知四个程序在三台计算机上的执行时间如下：程序执行时间（s）计算机A计算机B计算机C程序111020程序2100010020程序3500100050程序4100800100假设三个程序中每一个都有1亿条指令要执行，计算这三台计算机中每台机器上每个程序的MIPS速率。根据这些速率值，你能否得出有关三台计算机相对性能的明确结论？你能否找到一种将它们统计排序的方法，试说明理由。解：这三台计算机分别执行相关三个程序的MIPS和总执行时间如下表：程序MIPS计算机A计算机B计算机C程序1100105程序20.115程序30.20.12程序410.1251总执行时间160119
12、10190MIPS0.250.212.1平均性能：因为C A B，对不同程序速度不一样总的执行时间：一致的衡量标准就此题来说，用总的执行时间或平均MIPS较好性能排序： C A B2. 数据表示与指令2.1 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？解：数据表示是数据结构的组成元素，数据结构要通过软件映像变换成机器所具有的各种数据表示来实现。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上不同。数据结构和数据表示是软件和硬件之间的交界面。确定和引入数据表示的基本原则：一是看系统效率是否提高，即是否减少了实现的时间和存储的空间，实现时间是
13、否减少又主要看在主存和处理机之间传送的信息量有否减少；二是看引入这种数据表示的通用性和利用率是否较高。2.2 标志符数据表示和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？解：在标志符数据表示中，标志符是与每个数据相连的，并且合存在同一个存储单元中，用于描述单个数据的类型等属性；在描述符数据表示中，数据描述符是与数据分开独立存放的，主要是用于描述成块数据的类型属性、地址及其它信息的。描述符数据表示在实现向量、阵列数据元素的索引上要比用变址方法的方便，能更快地形成元素的地址，从而可以迅速进行访问，同时，也有利于检查程序中的向量、数组在使用中是否越界。因
14、此，它为向量、数组数据结构的实现提供了一定的支持，有利于简化编译中的代码生成。但是，描述符数据表示并没有向量、数组的运算类指令，也没有采用流水或处理单元阵列形式的高速运算硬件，没有对阵列中每个元素又是一个子阵列的相关性交叉阵列进行处理的硬件，也没有对稀疏向量和数组进行压缩存储、还原、运算等指令和硬件。因此，它对向量和数组的数据结构提供的支持不够强，所以并不是向量数据表示。2.3 经统计，某机14条指令的使用频率分别是：0.01，0.15，0.12，0.03，0.02， 0.04，0.02，0.04，0.01，0.13，0.15，0.14，0.11，0.03。分别求出用等长二进制编码、Huffman编码、只有两种码长的扩展操作码编码等3种方式的操作码平均码长。解：（1）14条指令的等长操作码的平均码长是对log214上取整，即4位。（2）本题的Huffman树如下图：0.010.010.030.030.040.020.020.040.110.130.150.140.150.120.020.050.120.070.240.430.190.080.041.000.57
