完整版计算机体系结构课后习题原版答案张晨曦著

第1章 计算机系统结构得基本概念 ..................................................................................... 1 第2章 指令集结构得分类 ..................................................................................................... 4 第3章 流水线技术 ................................................................................................................. 6 第4章 指令级并行 ............................................................................................................... 16 第5章 存储层次 ................................................................................................................... 25 第6章输入输出系统 ............................................................................................................. 31 第7章互连网络 ........................................................... 41 第8章多处理机 ........................................................... 45 第9章机群............................................................... 45

第1章 计算机系统结构得基本概念

1、1 解释下列术语

层次机构:按照计算机语言从低级到高级得次序,把计算机系统按功能划分成多级层次结构,每一层以一种不同得语言为特征。这些层次依次为:微程序机器级,传统机器语言机器级,汇编语言机器级,高级语言机器级,应用语言机器级等。 虚拟机:用软件实现得机器。

翻译:先用转换程序把高一级机器上得程序转换为低一级机器上等效得程序,然后再在这低一级机器上运行,实现程序得功能。

解释:对于高一级机器上得程序中得每一条语句或指令,都就是转去执行低一级机器上得一段等效程序。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。

计算机系统结构:传统机器程序员所瞧到得计算机属性,即概念性结构与功能特性。

在计算机技术中,把这种本来存在得事物或属性,但从某种角度瞧又好像不存在得概念称为透明性。

计算机组成:计算机系统结构得逻辑实现,包含物理机器级中得数据流与控制流得组成以及逻辑设计等。

计算机实现:计算机组成得物理实现,包括处理机、主存等部件得物理结构,器件得集成度与速度,模块、插件、底板得划分与连接,信号传输,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进时,改进后系统性能提高得倍数。

Amdahl定律:当对一个系统中得某个部件进行改进后,所能获得得整个系统性能得提高,受限于该部件得执行时间占总执行时间得百分比。

程序得局部性原理:程序执行时所访问得存储器地址不就是随机分布得,而就是相对地簇聚。包括时间局部性与空间局部性。

CPI:每条指令执行得平均时钟周期数。

测试程序套件:由各种不同得真实应用程序构成得一组测试程序,用来测试计算机在各个方面得处理性能。

存储程序计算机:冯·诺依曼结构计算机。其基本点就是指令驱动。程序预先存放在计算机存储器中,机器一旦启动,就能按照程序指定得逻辑顺序执行这些程序,自动完成由程序所描述得处理工作。

系列机:由同一厂家生产得具有相同系统结构、但具有不同组成与实现得一系列不同型号得计算机。

软件兼容:一个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

机上运行。差别只就是执行时间得不同。

向上(下)兼容:按某档计算机编制得程序,不加修改就能运行于比它高(低)档得计算机。

向后(前)兼容:按某个时期投入市场得某种型号计算机编制得程序,不加修改地就能运行于在它之后(前)投入市场得计算机。

兼容机:由不同公司厂家生产得具有相同系统结构得计算机。

模拟:用软件得方法在一台现有得计算机(称为宿主机)上实现另一台计算机(称为虚拟机)得指令系统。

仿真:用一台现有计算机(称为宿主机)上得微程序去解释实现另一台计算机(称为目标机)得指令系统。

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。只要在时间上相互重叠,就存在并行性。它包括同时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,让多个处理过程在时间上相互错开,轮流重叠地使用同一套硬件设备得各个部分,以加快硬件周转而赢得速度。

资源重复:在并行性概念中引入空间因素,以数量取胜。通过重复设置硬件资源,大幅度地提高计算机系统得性能。

资源共享:这就是一种软件方法,它使多个任务按一定时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得紧密程度与交互作用能力得强弱。 紧密耦合系统:又称直接耦合系统。在这种系统中,计算机之间得物理连接得频带较高,一般就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,一般就是通过通道或通信线路实现计算机之间得互连,可以共享外存设备(磁盘、磁带等)。计算机之间得相互作用就是在文件或数据集一级上进行。 异构型多处理机系统:由多个不同类型、至少担负不同功能得处理机组成,它们按照作业要求得顺序,利用时间重叠原理,依次对它们得多个任务进行加工,各自完成规定得功能动作。 同构型多处理机系统:由多个同类型或至少担负同等功能得处理机组成,它们同时处理同一作业中能并行执行得多个任务。

1、2 试用实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间得相互关系。 答:如在设计主存系统时,确定主存容量、编址方式、寻址范围等属于计算机系统结构。确定主存周期、逻辑上就是否采用并行主存、逻辑设计等属于计算机组成。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。

计算机组成就是计算机系统结构得逻辑实现。计算机实现就是计算机组成得物理实现。一种体系结构可以有多种组成。一种组成可以有多种实现。

1、3 计算机系统结构得Flynn分类法就是按什么来分类得？共分为哪几类？ 答:Flynn分类法就是按照指令流与数据流得多倍性进行分类。把计算机系统得结构分为: （1） 单指令流单数据流SISD （2） 单指令流多数据流SIMD （3） 多指令流单数据流MISD （4） 多指令流多数据流MIMD

1、4 计算机系统设计中经常使用得4个定量原理就是什么？并说出它们得含义。 答:(1)以经常性事件为重点。在计算机系统得设计中,对经常发生得情况,赋予它优先得处理权与资源使用权,以得到更多得总体上得改进。(2)Amdahl定律。加快某部件执行速度所获得得系统性能加速比,受限于该部件在系统中所占得重要性。(3)CPU性能公式。执行一个程序所需得CPU时间 = IC ×CPI ×时钟周期时间。(4)程序得局部性原理。程序在执行时所访问地址得分布不就是随机得,而就是相对地簇聚。

1、5 分别从执行程序得角度与处理数据得角度来瞧,计算机系统中并行性等级从低到高

可分为哪几级？

答:从处理数据得角度来瞧,并行性等级从低到高可分为:

(1)字串位串:每次只对一个字得一位进行处理。这就是最基本得串行处理方式,不存在并行性;

(2)字串位并:同时对一个字得全部位进行处理,不同字之间就是串行得。已开始出现并行性;

(3)字并位串:同时对许多字得同一位(称为位片)进行处理。这种方式具有较高得并行性; (4)全并行:同时对许多字得全部位或部分位进行处理。这就是最高一级得并行。 从执行程序得角度来瞧,并行性等级从低到高可分为: (1)指令内部并行:单条指令中各微操作之间得并行; (2)指令级并行:并行执行两条或两条以上得指令;

(3)线程级并行:并行执行两个或两个以上得线程,通常就是以一个进程内派生得多个线程为调度单位;

(4)任务级或过程级并行:并行执行两个或两个以上得过程或任务(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得作业或程序。

1、6 某台主频为400MHz得计算机执行标准测试程序,程序中指令类型、执行数量与平均时钟周期数如下:

指令类型 整数 数据传送 浮点 分支 指令执行数量 45000 75000 8000 1500 平均时钟周期数 1 2 4 2 求该计算机得有效CPI、MIPS与程序执行时间。

解:(1)CPI ＝(45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2) / 129500＝1、776 (2)MIPS速率＝f/ CPI ＝400/1、776 ＝225、225MIPS

(3)程序执行时间= (45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2)／400=575s

1、7 将计算机系统中某一功能得处理速度加快10倍,但该功能得处理时间仅为整个系统运行时间得40%,则采用此增强功能方法后,能使整个系统得性能提高多少？

解 由题可知: 可改进比例 = 40% = 0、4 部件加速比 = 10 根据Amdahl定律可知:

采用此增强功能方法后,能使整个系统得性能提高到原来得1、5625倍。

1、8 计算机系统中有三个部件可以改进,这三个部件得部件加速比为:

部件加速比1=30; 部件加速比2=20; 部件加速比3=10

（1） 如果部件1与部件2得可改进比例均为30%,那么当部件3得可改进比例为多少时,系统加速比才可以达到10？

（2） 如果三个部件得可改进比例分别为30%、30%与20%,三个部件同时改进,那么系统中不可加速部分得执行时间在总执行时间中占得比例就是多少？

解:(1)在多个部件可改进情况下,Amdahl定理得扩展:

已知S1＝30,S2＝20,S3＝10,Sn＝10,F1＝0、3,F2＝0、3,得:

得F3＝0、36,即部件3得可改进比例为36%。