计算机系统结构秦杰课后答案缺第四章解析.docx
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计算机系统结构秦杰课后答案缺第四章解析
第1章计算机系统结构导论习题参考答案
1.1计算机系统结构：
是指计算机系统多级层次结构中传统机器级的结构，它是软件和硬件/固件的主要交界面，是让编制的机器语言程序、汇编语言程序以及将高级语言源程序编译生成的机器语言目标程序在机器上正确运行所应看到的计算机属性。
计算机系统结构是与汇编语言程序或机器语言程序所能实现的功能，要用到的数据类型、寻址方式、指令系统、I/O结构等密切相关的。
计算机组成：
是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
它与指令和编程等没有直接关系，主要是看硬件系统在逻辑上是如何组织的。
也即它着眼于机器级内各事件的排序方式与控制机构、各部分的功能及各部件之间的联系。
计算机实现：
计算机实现指的是计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，微组装技术，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。
它着眼于器件技术和微组装技术。
器件技术在实现技术中起着主导作用。
它直接影响到系统的速度和价格。
透明性：
指的是在计算机中，客观存在的事物或属性从某个角度看不到，则称这些事物或属性对计算机是透明的。
软件兼容：
由于系列内各档机器从程序设计者看都具有相同的机器属性，因此按这个属性编制的机器语言程序以及编译程序都能不加修改地通用于各档机器。
我们称这种情况下的各档机器是软件兼容的。
系列机的区别仅在于运行所需时间不同。
系列机：
所谓系列机是指由同一个厂家生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。
模拟：
模拟（Simulation）：
用机器语言程序解释另一机器的机器指令，实现软件移植的方法称为模拟。
进行模拟工作的机器称为宿主机（HostMachine），被模拟的机器称为虚拟机（VirtualMachine）
仿真：
仿真（Emulation）：
用微程序直接解释另一机器的机器指令实现软件移植的方法称为仿真。
进行仿真工作的机器称为宿主机（HostMachine），被仿真的机器则称为目标机（TargetMachine）。
Amdahl定律：
系统中某一部件由于采取某种更快的执行方式后，整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。
CPI；每条指令所需的时钟周期数。
MIPS；每秒百万条指令条数。
MFLOPS：
每秒百万次浮点操作次数。
1.2第2级上等效程序需运行：
。
第3级上等效程序需运行：
。
第4级上等效程序需运行：
1.3软件和硬件在逻辑功能上是等效的，原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用软件模拟完成。
只是反映在速度、价格、实现的难易程度上这两者不同
1.4计算机系统结构、计算机组成、计算机实现互不相同，但又相互影响。
⑴计算机的系统结构相同，但可采用不同的组成。
如IBM370系列有115、125、135、158、168等由低档到高档的多种型号机器。
从汇编语言、机器语言程序设计者看到的概念性结构相同，均是由中央处理机/主存，通道、设备控制器，外设4部分构成。
其中，中央处理机都有相同的机器指令和汇编指令系统，只是指令的分析、执行在低档机上采用顺序进行，在高档机上采用重叠、流水或其它并行处理方式。
⑵相同的组成可有多种不同的实现。
如主存器件可用双极型的，也可用MOS型的；可用VLSI单片，也可用多片小规模集成电路组成。
⑶计算机的系统结构不同，会使采用的组成技术不同，反之组成也会影响结构。
如为了实现A:
=B+CD:
=E×F,可采用面向寄存器的系统结构，也可采用面向主存的三地址寻址方式的系统结构。
要提高运行速度，可让相加与相乘并行，为此这两种结构在组成上都要求设置独立的加法器和乘法器。
但对面向寄存器的系统结构还要求寄存器能同时被访问，而对面向主存的三地址寻址方式的系统结构并无此要求，倒是要求能同时形成多个访存操作数地址和能同时访存。
又如微程序控制是组成影响结构的典型。
通过改变控制存储器中的微程序，就可改变系统的机器指令，改变结构。
如果没有组成技术的进步，系统结构的发展也是不可能的。
综上所述，系统结构的设计必须结合应用考虑，为软件和算法的实现提供更多更好的支持，同时要考虑可能采用和准备采用的组成技术。
应避免过多地或不合理地限制各种组成、实现技术的采用和发展，尽量做到既能方便地在低档机上用简单便宜的组成实现，又能在高档机上用复杂较贵的组成实现，这样，结构才有生命力；组成设计上面决定于结构，下面受限于实现技术。
然而，它可与实现折衷权衡。
例如，为达到速度要求，可用简单的组成但却是复杂的实现技术，也可用复杂的组成但却是一般速度的实现技术。
前者要求高性能的器件，后者可能造成组成设计复杂化和更多地采用专用芯片。
组成和实现的权衡取决于性能价格比等因素；结构、组成和实现所包含的具体内容随不同时期及不同的计算机系统会有差异。
软件的硬化和硬件的软件都反映了这一事实。
VLSI的发展更使结构组成和实现融为一体，难以分开。
1.5透明指的是客观存在的事物或属性从某个角度看不到。
透明的有：
存储器的模m交叉存取；数据总线宽度；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；串行、重叠还是流水控制方式；Cache存储器。
不透明的有：
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。
1.6透明的有：
指令缓冲器、时标发生器、乘法器、主存地址寄存器、先进先出链、移位器
1.7对系统程序员透明的有：
虚拟存储器；Cache存储器；程序状态字；
对应用程序员透明的有：
系列机各档不同的数据通路宽度；“启动I/O”指令；“执行”指令；指令缓冲寄存器
1.8⑴可以。
在旧型号机器上运行的目标软件能够直接运行于新型号机器上。
⑵不可以。
中断的分级和中断的响应次序等中断机构都属于计算机系统结构的内容。
中断分级由原来的4级增加到5级应当还是允许的，关键是重新调整了中断响应的优先次序，这就使原来程序中断响应次序发生了改变，会影响原有程序工作的正确性。
⑶可以。
Cache存储器属于计算机组成，它不会改变原有的系统程序和应用程序，不会影响到它们的正常运行。
只是有了Cache存储器后，系统的性能有了明显的提高。
⑷可以。
浮点数尾数的下益处理不属于计算机系统结构，而是计算机组成设计所考虑的内容。
⑸不可以。
指令的操作吗、字段格式、寻址方式等的指明都是计算机系统结构的内容，如果将它们加以改变，就会直接导致以前编写的程序都不能正确运行了。
⑹可以。
⑺可以。
单总线改为多总线是计算机组成的内容。
⑻不可以。
通常寄存器的使用是属于计算机系统结构的内容。
0号通用寄存器改作堆栈指示器，将使原先程序中0号通用寄存器中的内容改变为直接影响到堆栈指针的位置发生变化，造成程序无法正常工作的局面。
1.9首先对新的存储系统的性能做以下的假设：
在Cache不命中的情况下，对Cache的访问不会额外损失时间，即：
首先，决定Cache是否命中所用的时间可以忽略；其次，在从主存向Cache传输的同时，数据也被传输给使用部件（不需要再从Cache中读取）。
这样，新的存储系统中，平均存取时间分为两个部分：
主存与Cache、Cache
1.10
程序执行时间T为：
1.11
，
每次存取时间为两个时钟周期
⑴有效
⑵
存储系统的速率不变，但每次存取为2个时钟周期。
第3章数据表示与指令系统设计（习题3参考答案）
3.1数据表示：
数据表示就是指能由机器硬件直接识别和引用的数据类型。
数据结构：
研究面向系统软件，面向应用领域所需要处理的各种数据类型，研究这些数据类型的逻辑结构和物理结构之间的关系，并给出相应的算法。
规格化浮点数：
尾数小数点后第一个数位不为0的浮点数。
寻址技术：
是系统寻找数据或其它有用信息的地址的技术。
隐含编址：
操作码隐含了其寻址方式的编址方式。
统一编址：
将I/O端口地址和存储器地址合为一体，进行统一编址。
独立编址：
独立设置I/O端口地址。
逻辑地址：
计算机系统的各个源程序或程序段从自己的零地址开始分配地址空间的，又称为相对地址。
物理地址：
程序调入主存中占用的实际地址。
信息源熵：
信息源所含的平均信息量。
CISC：
复杂指令集计算机，是一种进一步增强原有指令的功能以及设置更为复杂的新指令取代原来由软件子程序实现的功能，实现软件功能的硬化的一种计算机。
RISC：
精简指令集计算机，使计算机的指令功能尽量简化，指令系统中只有那些功能简单、能在一个机器节拍内完成的指令，对于复杂的功能用一段子程序来实现。
零地址指令：
指令格式中只有操作码字段，没有地址码字段。
一地址指令：
指令格式中包含一个地址字段。
二地址指令：
指令格式中包含两个地址字段：
源操作数地址、目标地址，参加运算的连个操作数分别存放其中，运算结果覆盖掉目标地址中的源操作数。
三地址指令：
指令包含了三个地址段，其中两个存放源操作数地址，第三个用来存放目的操作数地址。
20%-80%规律：
各种指令的使用频度有很大的差异，约有20%的指令被反复的执行，其使用量占据了整个程序使用量的80%，而另外的80%左右的指令的使用量则很少，仅占了整个程序使用量的20%，而且使用频度高的指令大多数是一些简单的指令。
重叠窗口技术：
将系统中的寄存器设置一个寄存器堆，将它们划分成多个窗口。
每个过程调用使用其中相邻的三个窗口和一个公共窗口，在这些窗口中有一个与前一个过程共用，它主要用来存放前一个过程传送给本过程的参数；还有一个与下一个过程共用，用来存放本过程传送给下一个过程的参数及下一个过程给本过程的结果。
延迟转移技术：
在指令的流水执行过程中，在遇到转移指令时，会出现转移的目的地址在指令执行完成后才能得到的情况，这时需要将转移指令与其前面的一条或多条指令调换一下位置，使得转移总是在紧跟的指令执行后发生。
指令取消技术：
转移指令都可以取消其下面执行的指令。
3.2计算机系统中引入浮点数据表示主要是因为顶点数据表示有如下缺点：
（1）编程困难。
设计人员需要先确定小数点的位置，然后对齐数据的小数点位置。
（2）数据存储单元的利用率很低。
当用定点数据表示表示一个小数点后有很多个“0”的数据时，不仅会浪费存储单元也会降低小数的精度。
（3）表示数的范围小。
其表数的范围和机器的字长直接相关，表示一个“很大”或“很小”的数据时，需要的机器字长很长。
3.3寄存器寻址方式中的寄存器中存放的如果是操作数则称为寄存器寻址方式；如果是操作数的地址，则称为寄存器间接寻址方式。
3.4
（1）阶的最小值为：
1
阶的最大值为：
尾数的最小值为：
1/2
尾数的最大值为：
15/16
浮点数的最小值为：
浮点数的最大值为：
120
浮点数的可表数个数为：
32个
（2）阶的最小值为：
1
阶的最大值为：
尾数的最小值为：
1/2
尾数的最大值为：
7/8
浮点数的最小值为：
1/2
浮点数的最大值为:
7×
浮点数的可表数个数为：
56个
3.5数据描述符和标志符的区别在于标志符是和每个数据相连的，合存在一个存储单元中，描述单个数据的类型特征；描述符则是与数据分开存放，用于描述一组数据的属性，比如：
访问的数据是整块的还是单个的，访问该数据块或数据元素所要的访问地址及其它信息等。
3.6固定长度编码的平均码长为：
4，Huffman树如图1所示：
图1题3.6Huffman树
由上图可以得出Huffman编码的平均码长为：
=0.01×7+0.01×7+0.03×6+0.04×5+0.07×4+0.09×4+0.09×4+0.13×3+0.14×3+0.19×2+0.2×2
=3.11
Huffman编码和2-5扩展编码如表1所示：
表1.题3.6的Huffman编码和2-5扩展编码
指令
使用频度
Huffman编码
2-5扩展编码
I1
0.2
11
00
I2
0.19
10
01
I3
0.14
011
10
I4
0.13
010
11000
I5
0.09
001
11001
I6
0.09
000
11010
I7
0.07
0001
11011
I8
0.04
00001
11100
I9
0.03
000001
11101
I10
0.01
0000001
11110
I11
0.01
0000000
11111
2-5扩展编码平均码长为：
=（0.01+0.01+0.03+0.04+0.07+0.09+0.09+0.13）×5+（0.14+0.19+0.20）×2
=3.41
3.7
（1）等长码编码长度为：
3
（2）
图2题3.7Huffman树
有图2可以看出使用频度分别为：
0.01、0.03、0.05、0.06、0.1、0.2、0.25、0.3的指令采用Huffman编码时的编码长度分别为：
6、6、5、4、3、2、2、2。
所以：
=0.01×6+0.03×6+0.05×5+0.06×4+0.1×3+0.2×2+0.25×2+0.3×2=2.53
用Huffman编码时，这些指令的编码入表2所示。
（4）采用3/5扩展编码时，指令的编码如表2，平均码长为：
=（0.01+0.03+0.05+0.06+0.1）×5+（0.2+0.25+0.3）×2=2.75
表2题3.7的Huffman编码和3/5扩展编码
指令
使用频度
Huffman编码
3/5扩展编码
I1
0.3
11
00
I2
0.25
01
01
I3
0.2
10
10
I4
0.1
100
11000
I5
0.06
1000
11001
I6
0.05
10000
11010
I7
0.03
100000
11011
I8
0.01
000000
11100
3.8最多可有单地址指令32条。
单地址指令格式如图3（a）所示，双地址指令格式如图3（b）所示
（a）单地址指令格式（b）双地址指令格式
图3题3.8指令格式
3.9CISC特点是：
指令功能强且格式复杂，实现了软件功能的硬化。
CISC的优化目标有3个分别是：
面向目标程序、高级语言和编译程序和操作系统的优化。
向目标程序的优化主要是通过用硬件加快使用频度高的指令的执行、用一条新指令代替使用频度高的指令串来实现。
有如下3个途径：
增强程序控制指令的功能；增强数据传送指令的功能；增强运算型指令的功能。
面向高级语言的优化主要是通过缩小高级语言与机器语言的语义差距来进行。
可以通过增强对高级语言和编译器的支持，或高级语言机器来实现。
面向操作系统的优化主要实现途径是缩短操作系统于系统结构之间的语义差距，减少运行操作系统的时间并节省操作系统软件占用的存储空间。
3.10RISC的设计原则是：
精简指令系统；使用简化且规整的指令格式并减少指令的寻址方式；充分考虑对高级语言的支持；增加通用寄存器的数量；多数指令都用硬联实现，只有少数指令用微程序实现。
RISC的特点是：
大量使用通用寄存器，其数量一般都在32个以上，只有LOAD/STORE指令可以访存，其余指令都在寄存器间工作，大大提高了指令的执行速度；精简指令数目并简化其结构；优化的编译系统；芯片大量使用硬布线逻辑，尽量少采用微程序控制，减少了指令解释的开销；为了保证指令可以不间断地传送给CPU，很多采用RISC技术的系统都设置有高速缓存。
3.11经研究CISC有如下缺点：
CISC在CISC系统中存在有20%-80%规律；因为CISC的指令功能复杂，其规整性非常不好；CISC系统的指令较多，有些甚至达到了500条，且这些指令的功能复杂，寻址方式、指令格式及指令长度都较多，使得控制器较为复杂，不仅增加了VLSI的设计难度，且增加了时间和成本开销；CISC的许多指令操作繁杂，指令周期较长，许多的指令需要多个机器周期才能完成，而这些操作如果用简单的指令组合实现的话，则可以减少周期数。
故提出了RISC，但是RISC不是完美无瑕的，它也存在着一些缺点，例如，因为RISC指令的功能简单，所以同样功能的程序，RISC较CISC增加了产生的代码量、汇编语言的编写难度及占用的存储空间；又因为RISC对存储器访问的限制，也使得它不能实现存储器到存储器间的数据转移；并且RISC对浮点运算和虚拟存储器的支持也有不足之处。
所以人们开始向着RISC和CISC结合的方向进行研究。
既有CISC又有RISC特点的机器类型：
VAX9000、MC88100、Inteli586、DigitalAlpha21164、UltraAPARC系列、MIPS10000、PentiumPro。
【答案】
一、1B2A;B3AC4C5B6A7B8B9AD10AC11A12B13C14C
二、1.程序控制输入输出方式、中断输入输出方式、直接存储器访问（DMA）方式。
2.字节多路通道、选择通道、数组多路通道。
3.方法一：
每个或每级中断源设置一个中断屏蔽位;方法二：
改变处理机优先级
4.周期窃取方式、直接存取方式、数据块传送方式
三、1.假设原来的程序执行时间为一个单位时间。
如果CPU的性能提高10倍，程序的计算时间为：
（1-10%）/10+10%=0.19。
整机性能提高1/0.19≈5.26倍。
假设CPU性能提高无穷倍，则程序的计算时间为0.1。
即整机性能最多为原来的10倍。
2.1）94s2）80s
3.
TSTD1TD2...TDk
TSTD1…TDk
…
TSTDk+1…TD2k
…
TSTDn-k…TDn
D1
D2
…
D1
…
DP
（TS/k+TD）
4.从性能考虑，应该将多路通道组织为字节多路通道，该通道的最大传输率就是所有设备的传输率之和:
两个选择通道连接的设备相同，所以只要计算其中一个通道的传输率即可。
因为磁盘机的传输率大于磁带机，所以此类通道的传输率为：
所以本系统的最大数据传输率为
5.
时间（
）
D1
D2
D3
D4
开始响应时间
0
2
1
13
完成时间
44
13
34
24
6.
时间（
）
D1
D2
D3
D4
开始响应时间
7
6
0
1
完成时间
18
28
44
34
7.A:
200TP/sB:
150TP/s
8.1）处理机响应各中断源的中断服务请求的顺序是D1，D2，D3，D4，D5
实际的中断处理次序是D1，D2，D3，D4，D5
处理机实际的中断处理次序是D4，D5，D3，D2，D1
9.1）3位
2）
中断源名称
D1
D2
D3
D4
D5
中断响应次序
1
2
3
4
5
实际中断处理次序
5
3
1
2
4
3）
10.1）196.6KB/s
2）200KB/s;5
3）处理完的时刻依次为：
5
，10
，20
，30
，90
习题6答案
6.1略
6.2
（1）顺序方式的执行图
顺序执行所需要的时间：
6n*Δt
（2）一次重叠方式的执行图
采用一次重叠执行所需要的时间：
6t+（n-1）5t=（5n+1）Δt
（3）二次重叠方式的执行图
采用二次重叠执行所需要的时间：
6t+（n-1）3t=3（n+1）Δt
（4）先行控制方式的执行图
采用先行控制方式所需要的时间：
3*（n+1）Δt
当n无穷大时所需时间为3nΔt
6.3
（1）K与K+1：
先写后读相关
K与K+1：
先读后写相关
K+1与K+2：
写写相关
（2）在程序实际执行过程中，K与K+1先写后读和K+1与K+2写写相关会引起流水线停顿
（3）由流水线时空图看，K与K+1：
先写后读相关在第4时钟周期会引起流水线停顿，而K+1与K+2：
写写相关在第8时钟周期会引起流水线停顿。
部件
ADD3
ADD3
ADD2
ADD2
ADD1
ADD1
MUL4
MUL4
MUL3
MUL3
MUL2
MUL2
MUL1
MUL1
MOV2
MOV2
MOV1
MOV1
译码
译码K
译码K＋1
译码K＋2
取指
取指K
取指K＋1
取指K＋2
123456789
6.4执行任务的时空图如下图所示：
功能段
S4
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
S3
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
S2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
S1
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
123456789101112131415161718
时间（∆t）
●通过时空图可分析得，完成5n个任务情况下：
需要的时间为8Δt+7（n-1）Δt，所以实际吞吐率为：
5n/（7n+1）Δt
实际加速比：
5n*4/（7n+1）；实际效率：
5n/（7n+1）
最大吞吐率：
5/7Δt；最大加速度为：
20/7；最大效率：
5/7
●完成5n+1个任务情况下：
需要的时间为8Δt+7（n-1）Δt+3Δt，所以实际吞吐率为：
（5n+1）/（7n+4）Δt
实际加速比：
（（5n+1）*4）/（7n+4）；实际效率：
（5n+1）/（7n+4）
最大吞吐率：
5/7Δt；最大加速度为：
20/7；最大效率：
5/7
●完成5n+2个任务情况下：
需要的时间为8Δt+7（n-1）Δt+4Δt，所以实际吞吐率为：
（5n+2）/（7n+5）Δt
实际加速比：
（（5n+2）*4）/（7n+5）；实际效率：
（5n+2）/（7n+5）
最大吞吐率：
5/7Δt；最大加速度为：
20/7；最大效率：
5/7
●完成5n+2个任务情况下：
需要的时间为8Δt+7（n-1）Δt+4Δt，所以实际吞吐率为：
（5n+2）/（7n+5）Δt
实际加速比：
（（5n+2）*4）/（7n+5）；实
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