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1、第1章 计算机系统构造的基本概念1. 解释下列术语层次机构：按照计算机语言从低档到高档的顺序，把计算机系统按功能划提成多级层次构造，每一层以一种不同的语言为特性。这些层次依次为:微程序机器级，老式机器语言机器级,汇编语言机器级,高档语言机器级，应用语言机器级等。虚拟机：用软件实现的机器。翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序,然后再在这低一级机器上运营,实现程序的功能。解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令,都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行,如此反复,直到解释执行完整个程序。计算机系统构造：
2、老式机器程序员所看到的计算机属性,即概念性构造与功能特性。在计算机技术中,把这种本来存在的事物或属性,但从某种角度看又仿佛不存在的概念称为透明性。计算机构成：计算机系统构造的逻辑实现，涉及物理机器级中的数据流和控制流的构成以及逻辑设计等。计算机实现：计算机构成的物理实现，涉及解决机、主存等部件的物理构造,器件的集成度和速度,模块、插件、底板的划分与连接，信号传播，电源、冷却及整机装配技术等。系统加速比：对系统中某部分进行改善时,改善后系统性能提高的倍数。Amdahl定律:当对一种系统中的某个部件进行改善后,所能获得的整个系统性能的提高,受限于该部件的执行时间占总执行时间的比例。程序的局部性原理
3、：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。涉及时间局部性和空间局部性。PI：每条指令执行的平均时钟周期数。测试程序套件：由多种不同的真实应用程序构成的一组测试程序,用来测试计算机在各个方面的解决性能。存储程序计算机：冯诺依曼构造计算机。其基本点是指令驱动。程序预先寄存在计算机存储器中,机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序,自动完毕由程序所描述的解决工作。系列机：由同一厂家生产的具有相似系统构造、但具有不同构成和实现的一系列不同型号的计算机。软件兼容:一种软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上运营。差别只是执行时间的不同。向上（
4、下）兼容：按某档计算机编制的程序,不加修改就能运营于比它高(低）档的计算机。向后(前）兼容：按某个时期投入市场的某种型号计算机编制的程序，不加修改地就能运营于在它之后(前）投入市场的计算机。兼容机：由不同公司厂家生产的具有相似系统构造的计算机。模拟:用软件的措施在一台既有的计算机(称为宿主机)上实现另一台计算机(称为虚拟机)的指令系统。仿真:用一台既有计算机(称为宿主机)上的微程序去解释实现另一台计算机（称为目的机）的指令系统。并行性：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。只要在时间上互相重叠,就存在并行性。它涉及同步性与并发性两种含义。时间重叠：在并行性概念中引入时间因素
5、，让多种解决过程在时间上互相错开,轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。资源反复：在并行性概念中引入空间因素,以数量取胜。通过反复设立硬件资源，大幅度地提高计算机系统的性能。资源共享：这是一种软件措施，它使多种任务按一定期间顺序轮流使用同一套硬件设备。耦合度：反映多机系统中各计算机之间物理连接的紧密限度和交互作用能力的强弱。紧密耦合系统:又称直接耦合系统。在这种系统中，计算机之间的物理连接的频带较高,一般是通过总线或高速开关互连，可以共享主存。松散耦合系统:又称间接耦合系统,一般是通过通道或通信线路实现计算机之间的互连,可以共享外存设备（磁盘、磁带等)。计算机之间的
6、互相作用是在文献或数据集一级上进行。异构型多解决机系统:由多种不同类型、至少肩负不同功能的解决机构成,它们按照作业规定的顺序，运用时间重叠原理,依次对它们的多种任务进行加工，各自完毕规定的功能动作。同构型多解决机系统：由多种同类型或至少肩负同等功能的解决机构成,它们同步解决同一作业中能并行执行的多种任务。12试用实例阐明计算机系统构造、计算机构成与计算机实现之间的互相关系。答:如在设计主存系统时，拟定主存容量、编址方式、寻址范畴等属于计算机系统构造。拟定主存周期、逻辑上与否采用并行主存、逻辑设计等属于计算机构成。选择存储芯片类型、微组装技术、线路设计等属于计算机实现。计算机构成是计算机系统构造
7、的逻辑实现。计算机实现是计算机构成的物理实现。一种体系构造可以有多种构成。一种构成可以有多种实现。1 计算机系统构造的Fly分类法是按什么来分类的?共分为哪几类?答:Flynn分类法是按照指令流和数据流的多倍性进行分类。把计算机系统的构造分为：（1） 单指令流单数据流S（2） 单指令流多数据流IM（3） 多指令流单数据流MSD（4） 多指令流多数据流MIMD14 计算机系统设计中常常使用的4个定量原理是什么？并说出它们的含义。答：(1）以常常性事件为重点。在计算机系统的设计中，对常常发生的状况,赋予它优先的解决权和资源使用权,以得到更多的总体上的改善。（2)Amdahl定律。加快某部件执行速度
8、所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。（3)CPU性能公式。执行一种程序所需的CU时间 ICCPI 时钟周期时间。（4）程序的局部性原理。程序在执行时所访问地址的分布不是随机的,而是相对地簇聚。.5 分别从执行程序的角度和解决数据的角度来看，计算机系统中并行性级别从低到高可分为哪几级?答:从解决数据的角度来看，并行性级别从低到高可分为：（1）字串位串:每次只对一种字的一位进行解决。这是最基本的串行解决方式，不存在并行性；(）字串位并：同步对一种字的所有位进行解决，不同字之间是串行的。已开始浮现并行性;（3）字并位串:同步对许多字的同一位(称为位片)进行解决。这种方式具有较高
9、的并行性;（4)全并行:同步对许多字的所有位或部分位进行解决。这是最高一级的并行。从执行程序的角度来看，并行性级别从低到高可分为:(1)指令内部并行：单条指令中各微操作之间的并行;（2）指令级并行:并行执行两条或两条以上的指令；（3）线程级并行:并行执行两个或两个以上的线程,一般是以一种进程内派生的多种线程为调度单位；(4)任务级或过程级并行：并行执行两个或两个以上的过程或任务（程序段）,以子程序或进程为调度单元；(5)作业或程序级并行:并行执行两个或两个以上的作业或程序。1. 某台主频为40Hz的计算机执行原则测试程序,程序中指令类型、执行数量和平均时钟周期数如下:指令类型指令执行数量平均时
10、钟周期数整数400数据传送7500浮点80004分支15002求该计算机的有效PI、MIP和程序执行时间。解：（1)CPI=(01+5002+8004+5002) 120=1.76(2）MIS速率=fCP 00/1.77622.25IPS（3)程序执行时间=（450017502+80004+150)/40=575s1.7将计算机系统中某一功能的解决速度加快10倍，但该功能的解决时间仅为整个系统运营时间的40%,则采用此增强功能措施后,能使整个系统的性能提高多少？解 由题可知: 可改善比例 40= 0.4 部件加速比 = 0根据Amdhl定律可知:采用此增强功能措施后，能使整个系统的性能提高到本
11、来的1.5625倍。1.8计算机系统中有三个部件可以改善,这三个部件的部件加速比为：部件加速比13; 部件加速比2=20； 部件加速比=10（1） 如果部件1和部件2的可改善比例均为3%，那么当部件3的可改善比例为多少时，系统加速比才可以达到1？（2） 如果三个部件的可改善比例分别为30%、30%和%,三个部件同步改善，那么系统中不可加速部分的执行时间在总执行时间中占的比例是多少？解：（1)在多种部件可改善状况下，Adhl定理的扩展:已知S13,220,=10，Sn0,1=3，F2=0.3，得：得F0.36,即部件3的可改善比例为3%。（2)设系统改善前的执行时间为，则3个部件改善前的执行时间
12、为:（0.3+03+.2）T = 0.8T,不可改善部分的执行时间为0T。已知3个部件改善后的加速比分别为S1=30，=2，S=，因此3个部件改善后的执行时间为: 改善后整个系统的执行时间为:045T+0.2 45那么系统中不可改善部分的执行时间在总执行时间中占的比例是:1.9假设某应用程序中有类操作，通过改善,各操作获得不同的性能提高。具体数据如下表所示：操作类型程序中的数量(百万条指令)改善前的执行时间(周期)改善后的执行时间(周期)操作1021操作20215操作350操作151(）改善后,各类操作的加速比分别是多少?（2）各类操作单独改善后，程序获得的加速比分别是多少？(3)4类操作均改
13、善后,整个程序的加速比是多少？解:根据Amdl定律可得操作类型各类操作的指令条数在程序中所占的比例Fi各类操作的加速比i各类操作单独改善后，程序获得的加速比操作111.1%26操作33.3%3.0操作338.93337操作46.41.144类操作均改善后，整个程序的加速比:第2章 指令集构造的分类2.1 解释下列术语堆栈型机器：CU 中存储操作数的单元是堆栈的机器。 累加器型机器：CPU中存储操作数的单元是累加器的机器。 通用寄存器型机器:CU 中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。 CIS:复杂指令集计算机 S：精简指令集计算机寻址方式:指令系统中如何形成所要访问的数据的地址。一般来说,寻址
14、方式可以指明指令中的操作数是一种常数、一种寄存器操作数或者是一种存储器操作数。数据表达:硬件构造可以辨认、指令系统可以直接调用的那些数据构造。2.2 区别不同指令集构造的重要因素是什么？根据这个重要因素可将指令集构造分为哪类?答:区别不同指令集构造的重要因素是CPU中用来存储操作数的存储单元。据此可将指令系统构造分为堆栈构造、累加器构造和通用寄存器构造。2.3 常用的3种通用寄存器型指令集构造的优缺陷有哪些？答：指令系统构造类型优 点缺 点寄存器-寄存器型（0,3)指令字长固定，指令构造简洁,是一种简朴的代码生成模型,多种指令的执行时钟周期数相近。与指令中含存储器操作数的指令系统构造相比,指令条数多，目的代码不够紧凑,因而程序占用的空间比较大。寄存器-存储器型（，）可以在AL指令中直接对存储器操作数进行引用,而不必先用lod指令进行加载。容易对指令进行编码,目的代码比较紧凑。由于有一种操作数的内容将被破坏,因此指令中的两个操作数不对称。在一条指令中同步对寄存器操作数和存储器操作数进行编码,有也许限制指令所可以表达的寄存器个
