02325计算机系统结构复习资料Word格式文档下载.docx
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例子有阵列处理机，
i+1级的一条指令，那么，我
相联处理机。
MIMD:
多个
们就可以用
N/M来表示N/M
独立的处理机分别执行各自的
表示第i+1
级需（N/M）
条指
指令、任务、作业，实现指令、
令来完成第i级的计算量。
所
任务、作业并行的多机系统，
以，当有一段第1级的程序需
是多个SISD的集合，也称多
要运行Ks时，在第2级就需
倍SISD系统（MSISD）
例子
要（N/M）Ks
，以此类推
有多处理机，计算机网络，分
2.硬件和软件在什么意义上
布处理系统。
是等效的？
在什么意义上又是
exercises:
不等效的？
试举例说明。
1.有一台经解释实现的计算
软件和硬件在逻辑功能上
机，可以按功能划分成
4级，
是等效的，原理上，软件的功
1/38
能可用硬件或固件完成，硬件
采用面向寄存器的系统结构，
随不同时期及不同的计算机系
的功能也可用软件模拟完成。
也可采用面向主存的三地址寻
统会有差异。
软件的硬化和硬
但是实现的性能价格比，实现
址方式的系统结构。
要提高运
件的软件都反映了这一事实。
的难易程序不同。
行速度，可让相加与相乘并行，
VLSI的发展更使结构组成和
在DOS操作系统时代，
为此这两种结构在组成上都要
实现融为一体，难以分开。
汉字系统是一个重要问题，早
求设置独立的加法器和乘法
4.什么是透明性概念？
对计
期的汉字系统的字库和处理程
器。
但对面向寄存器的系统结
算机系统结构，下列哪些是透
序都固化在汉卡（硬件）上，
构还要求寄存器能同时被访
明的？
哪些是不透明的？
而随着CPU、硬盘、内存技术
问，而对面向主存的三地址寻
存储器的模m交叉存取；
浮点
的不断发展，UCDOS把汉字系
址方式的系统结构并无此要
数据表示；
I/O系统是采用通
统的所有组成部份做成一个软
求，倒是要求能同时形成多个
道方式还是外围处理机方式；
件。
访存操作数地址和能同时访
数据总线宽度；
字符行运算指
3.试以实例说明计算机系统
存。
又如微程序控制是组成影
令；
阵列运算部件；
通道是采
结构、计算机组成与计算机实
响结构的典型。
通过改变控制
用结合型还是独立型；
现之间的相互关系与影响。
存储器中的微程序，就可改变
PDP-11系列的单总线结构；
计算机系统结构、计算机
系统的机器指令，改变结构。
访问方式保护；
程序性中断；
组成、计算机实现互不相同，
如果没有组成技术的进步，结
串行、重叠还是流水控制方式；
但又相互影响。
构的进展是不可能的。
堆栈指令；
存储器最小编址单
（1）计算机的系统结构
综上所述，系统结构的设
位；
Cache存储器。
相同，但可采用不同的组成。
计必须结合应用考虑，为软件
透明指的是客观存在的事
如IBM370系列有
115、125、
和算法的实现提供更多更好的
物或属性从某个角度看不到。
135、158、168
等由低档到
支持，同时要考虑可能采用和
透明的有：
存储器的模m
高档的多种型号机器。
从汇编
准备采用的组成技术。
应避免
交叉存取；
阵
语言、机器语言程序设计者看
过多地或不合理地限制各种组
列运算部件；
通道是采用结合
到的概念性结构相同，均是由
成、实现技术的采用和发展，
型还是独立型；
PDP-11系列
中央处理机/主存，通道、设
尽量做到既能方便地在低档机
的单总线结构串行、重叠还是
备控制器，外设4
级构成。
其
上用简单便宜的组成实现，又
流水控制方式；
Cache存储
中，中央处理机都有相同的机
能在高档机上用复杂较贵的组
器指令和汇编指令系统，只是
成实现，这样，结构才有生命
不透明的有：
浮点数据表
指令的分析、执行在低档机上
力；
组成设计上面决定于结构，
示；
I/O系统是采用通道方式
采用顺序进行，在高档机上采
下面受限于实现技术。
然而，
还是外围处理机方式；
字符行
用重叠、流水或其它并行处理
它可与实现折衷权衡。
例如，
运算指令；
程
方式。
为达到速度要求，可用简单的
序性中断；
；
存储器
（2）相同的组成可有多
组成但却是复杂的实现技术，
最小编址单位。
种不同的实现。
如主存器件可
也可用复杂的组成但却是一般
5.从机器（汇编）语言程序员
用双极型的，也可用
MOS型
速度的实现技术。
前者要求高
看，以下哪些是透明的？
的；
可用VLSI单片，也可用
性能的器件，后者可能造成组
指令地址寄存器；
指令缓冲器；
多片小规模集成电路组搭。
成设计复杂化和更多地采用专
时标发生器；
条件寄存器；
乘
（3）计算机的系统结构
用芯片。
法器；
主存地址寄存器；
磁盘
不同，会使采用的组成技术不
组成和实现的权衡取决
外设；
先行进位链；
移位器；
同，反之组成也会影响结构。
于性能价格比等因素；
结构、
通用寄存器；
中断字寄存器。
如为实现A:
=B+CD:
=E*F,
可
组成和实现所包含的具体内容
指令缓冲器、
2/38
时标发生器、乘法器、先进先
（3）在CPU和主存之间增设
8.并行处理计算机除分布处
出链、移位器、主存地址寄存
Cache存储器，以克服因主存
理、MPP和机群系统外，有哪
访问速率过低而造成的系统性
4种基本结构？
列举它们各自
6.下列哪些对系统程序员是
能瓶颈。
要解决的主要问题。
透明的？
哪些对应用程序员是
（4）为解决计算误差较大，
除了分布处理，
MPP和机
将机器中浮点数的下溢处理方
群系统外，并行处理计算机按
系列机各档不同的数据通路宽
法由原来的恒置“1”法，改为
其基本结构特征可分为流水线
度；
虚拟存储器；
用ROM存取下溢处理结果的
计算机，阵列处理机，多处理
器；
程序状态字；
“启动I/O”
查表舍入法。
机和数据流计算机四种不同的
指令；
“执行”指令；
指令缓冲
（5）为增加寻址灵活性和减
结构。
寄存器。
少平均指令字长，将原等长操
流水线计算机主要通过
对系统程序员透明的有：
作码指令改为有3类不同码长
时间重叠，让多个部件在时间
的扩展操作码；
将源操作数寻
上交划重叠地并行招待运算和
Cache存储器；
指令缓冲
址方式由操作码指明改成如
处理，以实现时间上的并行。
寄存器；
VAX-11那种设寻址方式位字
它主要应解决：
拥塞控制，冲
对应用程序员透明的有：
段指明。
突防止，流水线调度等问题。
（6）将CPU与主存间的数据
阵列处理机主要通过资
通路宽度由
16位扩展成32
源重复实现空间上的并行。
它
程序状
位，以加快主机内部信息的传
主要应解决：
处理单元灵活、
态字；
“启动I/O”指令。
送。
规律的互连模式和互连网络设
系列机各档不同的数据
（7）为减少公用总路线的使
计，数据在存储器中的分布算
通路宽度、Cache
存贮器、指
用冲突，将单总线改为双总线。
法等问题。
令缓冲寄存器属于计算机组
（8）把原
0号通用寄存器改
多处理机主要通过资源
成，对系统和程序员和应用程
作堆栈指示器。
共享，让一组计算机在统一的
序员都是透明的。
答：
可以考虑的有：
操作系统全盘控制下，实现软
虚拟存贮器、程序状态
1,3,4,6,7
不可以考虑的
件和硬件各级上的相互作用，
字、“启动I/O”指令，对系统
有：
2,5,8
达到时间和空间上的异
步并
程序员是不透明的，而对应用
原则是看改进后能否保
行。
处理机间
程序员却是透明的。
“执
持软件的可移植性。
互连等硬件结构，进程间的同
行”指令则对系统程序员和应
P.S.
为了能使软件长期
上步和通讯，多处理机调度等
用程序员都是不透明的。
稳定，就要在相当长的时期里
问题。
7.想在系列机中发展一种新
保证系统结构基本不变，因此
数据流计算机设有共享
型号机器，你认为下列哪些设
在确定系列结构时要非常慎
变量的概念，指令执行顺序只
想是可以考虑的，哪些则不行
重。
其中最主要是确定好系列
受指令中数据的相关性制约。
的？
为什么？
机的指令系统、数据表示及概
数据是以表示某一操作数或参
新增加字符数据类型和若干条
念性结构。
既要考虑满足应用
数已准备就绪的数据令牌直接
字符处理指令，以支持事务处
的各种需要和发展，又要考虑
在指令之间传递。
它主要应解
理程序的编译。
能方便地采用从低速到高速的
决：
研究合适的硬件组织和结
（2）为增强中断处理功能，
各种组成的实现技术，即使用
构，高效执行的数据流语言等
将中断分级由原来的
4级增加
复杂、昂贵的组成实现时，也
到5级，并重新调整中断响应
还能充分发挥该实现方法所带
9.计算机系统的3T
性能目标
的优先次序。
来的好处。
是什么？
3/38
计算机系统的
3T
性能目
（1）要求操作码的平均长最
数据表示是能由硬件直接
标是
1TFLOPS
计算能
短，请设计操作码的编码，并
识别和引用的数据类型。
数据
力,1TBYTE
主存容量
和
计算所设计操作码的平均长。
结构反映各种数据元素或信息
1TBYTES的I/O带宽
（4
分）
单元之间的结构关系。
第二章
数据表示与指令系统
（2）设计8位长度的寄存器
数据结构要通过软件映
1.
尾数的rm进制数位m'
和尾
－寄存器型指令
3种，16位
象变换成机器所具有的各种数
数的二进制数位
m的关系
长度的寄存器－存储器变址寻
据表示实现，所以数据表示是
存在m'
=m/log2（rm）
址方式指令
4条，变址范围不
数据结构的组成元素。
不同的
这种关系是因为，在机器中，
小于正、负127。
请写出指令
数据表示可为数据结构的实现
一个rm进制的数位是用
格式，并给出各字段的长度和
提供不同的支持，表现在实现
log2（rm）
个机器数位来表示
操作码编码。
（6分）
效率和方便性不同。
数据表示
的。
（1）
全Huffman编
和数据结构是软件、硬件的交
假设rm=8，尾数为20，
码的平均码长是可用的二进制
界面。
则m'
=2,
八进制数
20转换成
位编码中平均码长最短的编
除基本数据表示不可少
二进制数为10000
，其二进制
码。
外，高级数据表示的引入遵循
数位，即机器数位
m=5。
全Huffman编码的平均码长
以下原则：
2=5/log2（8）
=2*（0.35+0.25+0.20）+3
（1）看系统的效率有否
这里的等号并不
*0.10+4*0.05+5*（0.02+
提高，是否养活了实现时间和
表示纯粹数学意义上的
“等
0.03）=2.35
存储空间。
于”。
（2）
由于有
8个通用数
（2）看引入这种数据表
2.
可表示的尾数个数公
据寄存器和
2个变址寄存器，
示后，其通用性和利用率是否
式
rm^m'
（rm-1）/rm
所以通用寄存器用
3位表示，
高。
对于rm进制的数来说，
变址寄存器用1
位表示,8位
2.标志符数据表示与描述符
每个数位均可以有
0到rm-1
，
的寄存器-寄存器型指令，3
数据表示有何区别？
描述符数
即rm个码。
m'
个rm进制数
个操作码编码为
00、01、10，
据表示与向量数据表示对向量
位共有rm^m'
种编码。
但课本
16位的寄存器-
存储器变址寻
数据结构所提供的支持有什么
中讨论的是规格化数，即尾数
址方式指令，4
个操作码编码
不同？
的小数点后第一个数位不为零
为1100、1101、1110、1111，
标志符数据表示与描述符
的数，所以，应该去掉小数点
2位
3
位
数据表示的差别是标志符与每
后第一个数位是
0的那些非规
OP
R1
R2
个数据相连，合存于同一存储
格化的数。
显然，非规格化数
操作码寄存器
1
寄存器2
单元，描述单个数据的类型特
的个数占了全部尾数编码总数
4位
性;
描述符是与数据分开存
的1/rm
的比例，所以可表示
8位
放，用于描述向量、数组等成
的浮点数规格化的尾数个数应
X
块数据的特征。
该是：
rm^m'
（1-1/rm）
d
描述符数据表示为向量、
变址寄存器
数组的的实现提供了支持，有
某模型时机共有
7种指令，
相对位移
利于简化高级语言程序编译中
各指令使用频率分别为
主存逻辑地址
的代码生成，可以比变址法更
0.35
，0.25
，0.20
，0.10
1.数据结构和机器的数据表
快地形成数据元素的地址。
但
0.05
，0.03
，0.02
，有8
个
示之间是什么关系？
确定和引
描述符数据表示并不支持向
通用数据寄存器和
2个变址寄
入数据表示的基本原则是什
量、数组数据结构的高效实现。
存器。
么？
而在有向量、数组数据表示的
4/38
向量处理机上，硬件上设置有丰富的赂量或阵列运算指令，配有流水或阵列方式处理的高速运算器，不仅能快速形成向量、数组的元素地址，更重要的是便于实现把向量各元素成块预取到中央处理机，用一条向量、数组指令流水或同时对整个向量、数组高速处理．如让硬件越界判断与元素运算并行。
这些比起用与向量、阵列无关的机器语言和数据表示串行实现要高效的多。
3.堆栈型机器与通用寄存器型机器的主要区别是什么？
堆栈型机器系统结构为程序调用
的哪些操作提供了支持？
通用寄存器型机器对堆栈
数据结构实现的支持是较差
表现在：
（1）堆栈操作的
指令少，功能单一；
（2）堆栈
在存储器内，访问堆栈速度低；
（3）堆栈通常只用于保存于程序调用时的返回地址，少量用堆栈实现程序间的参数传递。
而堆栈型机器则不同，表现在：
（1）有高速寄存器组成的硬件堆栈，并与主存中堆栈区在逻辑上组成整体，使堆栈的访问速度是寄存器的，容量是主存的；
（2）丰富的堆栈指令可对堆栈中的数据进行各种运算和处理；
（3）有力地支持高级语言的编译；
（4）有力地支持子程序的嵌套和递归调
用。
堆栈型机器系统结构有力地支持子程序的嵌套和递归调用。
在程序调用时将返回地址、条件码、关键寄存器的内容等全部压入堆栈，待子程序返回时，再从堆栈中弹出。
4.设某机阶值6位、尾数48
位，阶符和数符不在其内，当
尾数分别以2、8、16为基时，在非负阶、正尾数、规格化数情况下，求出其最小阶、最大阶、阶的个数、最小尾数值、最大尾数值、可表示的最小值和最大值及可表示的规格化数的总个数。
解：
依题意知：
p=6m=48
rm=2,8,16，
m'
=m/log2（rm），列下表：
p=6,m=4p=6,m=4p=6,m=4
8,rm=2（8,rm=8（8,rm=16
=48）m'
=16）（m'
=12）
最小
阶
（非
负000
阶，
为0）
最大
2^6-1
（2^p
-1）
尾数
值
1/2
1/8
1/16
（rm^
（-1）
）
1-8^（-1
1-16^（-
值1-2^（-4
6），即
12），即
（1-r
8）
（1-2^（-（1-2^（-
m^（-
48））
））
可表
示的
5/38
2^63*（1
8^63*（1
16^63*（
-2^（-48-8^（-161-16^（-
12））
阶的
个数
2^6
2^48*（2
8^16*（8
16^12*（
16-1）/1
-1）/2
-1）/8
的个
6
数
2^6*2^4
2^6*8^1
2^6*16^
规格
8*（2-1）6*（8-1）12*（16-
化数
/2
/8
1）/16
可表示的最小值
=rm^（
最小阶）*最小尾数值
=rm^0*rm^（-1）=rm^（-1）;
可表示的最大值
最大阶）*最大尾数值
=rm^（2^p-1）*（1-rm^（-m
'
））;
可表示的尾数的个数
=rm^m'
*（rm-1）/rm;
可表示的规格化数的个数=阶的个数*尾数的个数
=2^p*rm^m'
*（rm-1）/rm。
5.
（1）浮点数系统使用的阶基rp=2,阶值位数p=2,尾数基值rm=10，以rm为基的尾
数位数m'
=1,按照使用的倍数来说，等价于m=4,试计算在非负阶、正
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