計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)課后習(xí)題答案(第2版)

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1、真誠為您提供優(yōu)質(zhì)參考資料，若有不當(dāng)之處，請指正。 習(xí)題一 1、解釋下列術(shù)語 計算機(jī)系統(tǒng)的外特性：通常所講的計算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的外特性是指機(jī)器語言程序員或編譯程序編寫者所看到的外特性，即由他們所看到的計算機(jī)的基本屬性（概念性結(jié)構(gòu)和功能特性）。 計算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)特性：計算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計人員所看到的基本屬性，本質(zhì)上是為了將有關(guān)軟件人員的基本屬性加以邏輯實現(xiàn)的基本屬性。 模擬：模擬方法是指用軟件方法在一臺現(xiàn)有的計算機(jī)上實現(xiàn)另一臺計算機(jī)的指令系統(tǒng)。 可移植性：在新型號機(jī)出臺后，原來開發(fā)的軟件仍能繼續(xù)在升級換代的新型號機(jī)器上使用，這就要求軟件具有可兼容性，即可移植性?？杉嫒菪允侵敢粋€軟件可不經(jīng)修改

2、或只需少量修改，便可由一臺機(jī)器移植到另一臺機(jī)器上運行，即同一軟件可應(yīng)用于不同環(huán)境。 Amdahl定律：系統(tǒng)中對于某一部件采用某種更快的執(zhí)行方式所能獲得的系統(tǒng)性能改進(jìn)程度，取決于這種執(zhí)行方式被使用的頻度或占總執(zhí)行時間的比例。 虛擬機(jī)（Virtual Machine）：指通過軟件模擬的具有完整硬件系統(tǒng)功能的、運行在一個完全隔離環(huán)境中的完整計算機(jī)系統(tǒng)。 6、 7、假定求浮點數(shù)平方根的操作在某臺機(jī)器上的一個基準(zhǔn)測試程序中占總執(zhí)行時間的20%，為了增強(qiáng)該操作的性能，可采用兩種不同的方法：一種是增加專門的硬件，可使求浮點數(shù)平方根操作的速度提高為原來的20倍；另一種方法是提高所有浮點運算指令的速度

3、，使其為原來的2倍，而浮點運算指令的執(zhí)行時間在總執(zhí)行時間中占30%。試比較這兩種方法哪一種更好些。 答：增加硬件的方法的加速比Sp1=1.23, 另一種方法的加速比Sp2= 1.176，經(jīng)計算可知Sp1=方法更好些。 Sp2>Sp2第一種 9、假設(shè)高速緩存Cache的工作速度為主存的5倍，且Cache被訪問命中的概率 T=為90%，則采用Cache能使整個存儲系統(tǒng)獲得多高的加速比？ 答： 加速比 ，其中tm=5tc，代入公式、得到加速比S=3.33。 11、Flynn分類法的依據(jù)是什么，它與按“并行級”和“流水級”的分類方法有什么不同？ 答：Flynn分類法的依據(jù)是指令流和數(shù)

4、據(jù)流多倍性概念進(jìn)行分類的。而“并行級”和“流水級”的分類方法是根據(jù)子系統(tǒng)的并行程度及流水線處理程度進(jìn)行分類的方法。 13、計算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分，通常分為那幾個層次，這種劃分方法有什么意義？ 答：計算機(jī)系統(tǒng)按功能可劃分成多層次結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)機(jī)器級上是操作系統(tǒng)級、匯編語言級、高級語言級和應(yīng)用語言級，在下面的是微程序機(jī)器級以及擴(kuò)展級電子線路。這種劃分方法的意義是：有助于理解各級語言的實質(zhì)及實現(xiàn)，分層后，處在某一級虛擬機(jī)的程序員只需知道這一級的語言及虛擬機(jī)，至于這一級語言如何層次地經(jīng)翻譯或解釋直到下面的實際機(jī)器級，則無需知道。 習(xí)題二 1、解釋下列術(shù)語 CPI MIPS MFLOPS 基準(zhǔn)

5、測試程序 性能算術(shù)平均值 性能幾何平均值 2、衡量計算機(jī)性能的主要標(biāo)準(zhǔn)是什么？為什么它是最可靠的衡量標(biāo)準(zhǔn)？ 答：衡量計算機(jī)系統(tǒng)性能可采用各種尺度，最常用的是時間和速率，但最為可靠的衡量尺度是時間。例如響應(yīng)時間、CPU時間等。由于系統(tǒng)CPU時間很難精確統(tǒng)計，誤差較大，故采用用戶CPU時間作為衡量時間比較妥當(dāng)。但在衡量無負(fù)載系統(tǒng)時，采用響應(yīng)時間比較合適。用時間來作為計算機(jī)的衡量標(biāo)準(zhǔn)直觀、準(zhǔn)確，適用于各種情況的衡量，所以時間是最可靠的衡量標(biāo)準(zhǔn)。 3、 4、計算機(jī)持續(xù)性能的表示常用哪3種平均值表示？列出他們的公式，并比較它們的優(yōu)缺點。 答：持續(xù)性能（Sustained Performan

6、ce）的表示常用算術(shù)平均（Arithmetic Mean）、幾何平均（Geometric Mean）和調(diào)和平均（Harmonic Mean）3種平均值方法，其計算公式如下： 以上3個公式中Ri表示由n個程序組成的工作負(fù)荷中執(zhí)行第i個程序的速率，Ti表示執(zhí)行第i個程序所需的時間，這里Ri=1/Ti。 三種方法中Am計算最簡單，但不能精確地衡量性能。Gm運算量大，但它有一個良好的性能，即它的幾何平均比和比的幾何平均是相等的。在進(jìn)行比較時是很方便的。Hm值是真正與運行所有典型測試程序所需時間總和成反比的，從時間是衡量性能唯一標(biāo)準(zhǔn)來看，用Hm值來衡量計算機(jī)系統(tǒng)性能是比較精確的。 習(xí)題三 1

7、、解釋下列術(shù)語 帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)：帶標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示（Tagged Data Representation）要求對每一個數(shù)據(jù)都附加標(biāo)志符，由標(biāo)志符來表示后邊數(shù)據(jù)所具有的類型。 數(shù)據(jù)描述符：數(shù)據(jù)描述符（Data Descriptors）主要是用來描述復(fù)雜和多維數(shù)據(jù)類型的，例如：向量、矩陣、記錄等。 2、 3、將下列數(shù)轉(zhuǎn)換成IEEE單精度浮點格式，以8位十六進(jìn)制數(shù)表示。 （a）9 IEEE單精度浮點格式為0x41100000 （b）5/32 IEEE單精度浮點格式為0x3E200000 （c）-5/32 IEEE單精度浮點格式為0xBE200000 （d）6.125 IEEE單精

8、度浮點格式為0x40C40000 4、 9、將下列的IEEE754單精度數(shù)由二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)。 (1)1 1000 0011 1100 0000 0000 0000 0000 000 十進(jìn)制數(shù)為： -7； (2)0 0111 1110 1010 0000 0000 0000 0000 000 十進(jìn)制數(shù)為：0.8125 (3)0 1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 000 十進(jìn)制數(shù)為：1 10、 11、IEEE745浮點數(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，為什么要設(shè)置非規(guī)格化數(shù)？ 答：對于絕對值較小的數(shù)，為了避免下溢而損失精度，IEEE754標(biāo)準(zhǔn)允許采用比最小

9、規(guī)格化數(shù)還要小的那些數(shù)，稱為非規(guī)格化數(shù)（Denormal Number）來表示，這是因為使用非規(guī)格化數(shù)后，就可以表示那些處于0和最小可表示的規(guī)格化數(shù)之間的數(shù)。 習(xí)題四 1、解釋下列術(shù)語 RISC CISC 裝載延遲 低端排序 高端排序 延遲轉(zhuǎn)移技術(shù) 重疊窗口技術(shù) 4、某計算機(jī)有10條指令，它們的使用頻率分別為： 0.3、0.24、0.16、0.12、0.07、0.04、0.03、0.02、0.01、0.01 若用霍夫曼編碼對它們的操作碼進(jìn)行編碼，其操作碼的平均碼長 其平均編碼長度 =7*0.01+7*0.01+6*0.02+5*0.03+4*0.04+3*0.0

10、7+2*0.24+3*0.12+3*0.16+2*0.3=2.7 5、 6、某模型機(jī)有8條指令，使用頻率分別為： 0.3、0.3、0.2、0.1、0.05、0.02、0.02、0.01 試分別用霍夫曼編碼和擴(kuò)展碼對其操作碼進(jìn)行編碼，限定擴(kuò)展編碼只有兩種長度，則它們的平均編碼長度各比定長操作碼的平均編碼長度減少多少？ 答：編碼如下表： 用霍夫曼編碼要比定長編碼平均長度減少0.62，用霍夫曼擴(kuò)展編碼要比定長編碼平均長度減少0.4。 7、 8、試敘述比較-轉(zhuǎn)移指令的功能特點，為什么在有的 RISC機(jī)中要設(shè) 置這樣的指令？ 答：將比較指令和轉(zhuǎn)移指令合成一條指令后，該指令將直接對

11、兩個對象進(jìn)行相等或不等的比較，然后根據(jù)比較結(jié)果判別是否執(zhí)行轉(zhuǎn)移，這樣就可以省去一條指令，且不用受條件碼的約束。所以許多典型的RISC機(jī)中都采用這樣的復(fù)合指令。 習(xí)題五 1、解釋下列術(shù)語： 超長指令字機(jī)：（VLIW：Very Long Instruction Word）以一條長指令（或一組指令形式）來實現(xiàn)每個時鐘周期發(fā)動多個操作的并行執(zhí)行，以減少對存儲器的訪問。 超標(biāo)量機(jī)：借助對硬件資源重復(fù)設(shè)置來實現(xiàn)空間的并行操作。 超級流水機(jī)：通過提高流水線的運行速度來增強(qiáng)機(jī)器的性能，加深流水深度。 2、 3、假設(shè)一條指令的解釋分為取指、分析和執(zhí)行3個階段，每個階段所需的時間為t取指、t分析、和

12、t執(zhí)行。 寫出用下列幾種方式執(zhí)行100條指令所需的時間通式： 6、 7、比較阻塞、交叉和同時多線程三者各自的優(yōu)缺點。 答：在阻塞多線程超標(biāo)量處理器中，長的阻塞可借助切換到另一線程而得到部分 隱藏。雖然這種方式在每個時鐘周期能減少完全閑置的時鐘周期的數(shù)目，但由于有限的指令級并行性仍將導(dǎo)致閑置周期。 對于交叉多線程的超標(biāo)量處理器，由于各線程的交叉運行，從而可消除完全空閑的指令發(fā)射槽。但因為在指定的時鐘周期中，僅有一個線程發(fā)射指令，所以悠閑地指令級并行性仍將導(dǎo)致在各個時鐘周期內(nèi)會有一定數(shù)量的閑置發(fā)射槽。 在同時多線程的超標(biāo)量處理器中，線程級并行性和指令級并行性被同時開發(fā)，因此在單個

13、時鐘周期中，各個指令發(fā)射槽可被多個線程使用。在理想情況下，指令發(fā)射槽的閑置數(shù)主要受多線程間所需的資源及可用資源間的不平衡約束。 習(xí)題六 1、解釋下列術(shù)語： 向量流水處理：允許流水線具有較深的流水深度，每條指令相當(dāng)于一個標(biāo)量循環(huán)，可以交叉訪問的處理結(jié)構(gòu)。 屏蔽向量：通過向量測試得到的，采用屏蔽控制技術(shù)來控制那些向量元素參加運算，使循環(huán)能夠向量化。 半性能向量長度：為達(dá)到向量流水線最大性能值一半時所需要的向量長度。 2、 3、 4、向量的加工方法有哪幾種，各有什么特點？試從加工速度、需用中間變量等方面加以比較。 答：向量的加工方法有三種：(1)橫向加工(2)垂直加工(3)縱橫向加工或稱為分組加工。 橫向加工用到一個暫存單元，出現(xiàn)N次相關(guān)和2N次功能轉(zhuǎn)換。 垂直加工一次相關(guān)一次切換，但要一個中間暫存向量。 橫向加工各組有一次數(shù)據(jù)相關(guān)，2次切換，n個中間向量寄存器單元。 習(xí)題七 1、解釋下列術(shù)語： 直接映射 全相聯(lián)映射 組相聯(lián)映射 虛擬存儲器 全寫法 寫回法 SAN 2、 3、 4、 5、 1、 2、 4、 5、 6、 10 習(xí)題八 9 / 9