2-B 计算机系统结构
专升本计算机系统结构
专升本计算机系统结构指令集体系结构是计算机硬件和软件之间的接口规范，它定义了计算机操作的指令集合、操作数寻址方式、寄存器等相关信息。
不同的计算机体系结构有不同的指令集体系结构，比如常见的x86、ARM、MIPS等。
学习指令集体系结构，可以帮助我们了解计算机的指令格式和编程规范，从而能够编写高效的程序。
计算机组织结构是指计算机硬件实现的方式，包括了处理器的内部结构、寄存器和内存的组织方式、数据通路和控制单元的设计等。
计算机组织结构决定了计算机的性能和能力。
学习计算机组织结构，可以帮助我们了解计算机内部的运行机制，从而能够优化程序和设计高效的计算机系统。
硬件/软件接口是指计算机硬件与软件之间的连接方式和接口协议。
计算机硬件通过接口向软件提供服务，而软件通过接口与硬件进行通信。
硬件/软件接口的设计关系到计算机系统的可扩展性和兼容性。
学习硬件/软件接口，可以帮助我们了解计算机硬件和软件之间的通信过程，从而能够进行系统的设计和优化。
在计算机系统结构的学习中，学生需要掌握的技术和方法包括了设计和实现计算机指令集架构、处理器和存储器的设计和仿真、总线和I/O接口的设计和实现、操作系统和编译器的开发等。
这些技术和方法能够帮助我们理解和应用计算机系统结构的原理，从而能够进行计算机系统的设计、优化和调试工作。
总结起来，计算机系统结构是计算机专业学生需要掌握的核心知识之一、它涉及到计算机硬件和软件之间的关系，并且包括了计算机的组织结构、指令集、寻址方式、总线结构、内存存储器和外设等组成部分。
学生需要通过学习指令集体系结构、计算机组织结构和硬件/软件接口等知识，掌握计算机系统结构的基本概念和原理，并且能够应用到实际的计算机系统设计和开发中。
计算机组成与系统结构图文 (1)
⑦ HPCC:利用双精度矩阵乘法、傅立叶变换、并行矩阵 转置等七个子项全面评价系统的性能。
⑧ SAP SD:测试系统的响应时间及每小时完成的订单数， 用以衡量系统同时执行应用程序及数据库的能力。
第1章 绪 论
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2) SPEC CPU 2000基准测试程序 SPEC成立于1988年，其全称最初是System Performance Evaluation Cooperative(系统性能评估合作社)，现在已经更名 为Standard Performance Evaluation Corporation(系统性能评估 公司),先后开发出一系列的测试程序，其主要版本有SPEC CPU 89、SPEC CPU 92、SPEC CPU 95、SPEC CPU 2000等。
9
1.3 计算机的层次概念
1.3.1 计算机系统的层次结构 计算机系统的层次结构可用图1.2来表示。
第1章 绪 论
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图 1.2 计算机系统的层次结构
第1章 绪 论
11
1.3.2 计算机系统结构、组成与实现 1. 计算机系统结构 今天的计算机系统结构所指的计算机的属性主要包括: ·数据的表示形式; ·寻址方式; ·内部寄存器组; ·指令集; ·中断系统; ·处理器工作状态及其切换; ·存储系统; ·输入/输出结构; ·信息保护及特权; ·高性能设计等。
解 因为
所以
PA TB 20 4 PB TA TA
即A完成该任务用时5 s。
TA=5 s
第1章 绪 论
28
3. 用测试程序来测评计算机系统性能
1) 基准测试程序 以往对计算机的测试采用过如下几种程序: ① 实际应用程序，即计算机工作的真实程序。 ② 修正的实际应用程序，即对真实程序进行其些修改构
计算机体系结构试题及答案
计算机体系结构试题及答案12008年01月23日22:211、计算机高性能发展受益于：(1)电路技术的发展；(2)计算机体系结构技术的发展。
2、层次结构：计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构，每一层以不同的语言为特征。
第六级：应用语言虚拟机-> 第五级：高级语言虚拟机-> 第四级：汇编语言虚拟机-> 第三级：操作系统虚拟机-> 第二级：机器语言(传统机器级) ->第一级：微程序机器级。
3、计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，即概括性结构与功能特性。
For personal use only in study and research; not for commercial use4、透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。
5、Amdahl提出的体系结构是指机器语言级程序员所看见的计算机属性。
6、经典计算机体系结构概念的实质3是计算机系统中软、硬件界面的确定，也就是指令集的设计，该界面之上由软件的功能实现，界面之下由硬件和固件的功能来实现。
7、计算机组织是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机系统的物理实现。
8、计算机体系结构、计算机组织、计算机实现的区别和联系？答：一种体系结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现，体系结构包括对组织与实现的研究。
9、系列机：是指具有相同的体系结构但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。
10、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。
11、兼容机：不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。
12、向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征。
13、当今计算机领域市场可划分为：服务器、桌面系统、嵌入式计算三大领域。
14、摩尔定律：集成电路密度大约每两年翻一番。
15、定量分析技术基础（1）性能的评测：（a）响应时间：从事件开始到结束之间的时间；计算机完成某一任务所花费的全部时间。
计算机系统结构基本习题和答案
计算机系统结构基本习题和答案计算机系统结构基本习题和答案填空题1、从（使用语言的）角度可以将系统看成是按（功能）划分的多个机器级组成的层次结构。
2、计算机系统结构的层次结构由高到低分别为（应用语言机器级，高级语言机器级，汇编语言机器级，操作系统机器级，传统机器语言机器级，微程序机器级）。
3、应用程序语言经（应用程序包）的（翻译）成高级语言程序。
4、高级语言程序经（编译程序）的（翻译）成汇编语言程序。
5、汇编语言程序经（汇编程序）的（翻译）成机器语言程序。
6、在操作系统机器级，一般用机器语言程序（解释）作业控制语句。
7、传统机器语言机器级，是用（微指令程序）来（解释）机器指令。
8、微指令由（硬件）直接执行。
9、在计算机系统结构的层次结构中，机器被定义为（能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构）的集合体。
10、目前M0由（硬件）实现，M1用（微程序（固件））实现，M2到M5大多用（软件）实现。
以（软件）为主实现的机器成为虚拟机。
（虚拟机）不一定全用软件实现，有些操作也可用（固件或硬件）实现。
11、透明指的是（客观存在的事物或属性从某个角度看不到），它带来的好处是（简化某级的设计)，带来的不利是（无法控制）。
12、计算机系统结构也称（计算机体系结构），指的是（传统机器级的系统结构）。
它是（软件和硬件/固件）的交界面，是机器语言汇编语言程序设计者或编译程序设计者看到的（机器物理系统）的抽象。
13、计算机组成指的是（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）的组成逻辑设计等。
计算机实现指的是（计算机组成的物理实现），它着眼于（器件）技术和（微组装）技术。
14、确定指令系统中是否要设乘法指令属于（计算机系统结构），乘法指令是用专门的高速乘法器实现还是用加法器实现属于（计算机组成），乘法器和加法-移位器的物理实现属于（计算机实现）。
15、主存容量与编址方式的确定属于（计算机系统结构），主存是否采用多体交叉属于（计算机组成），主存器件的选定属于（计算机实现）。
计算机体系结构名词解释大全
名词解释：（1）静态流水线——同一时间内，流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。
（2）分段开采——当向量的长度大于向量寄存器的长度时，必须把长向量分成长度固定的段，然后循环分段处理，每一次循环只处理一个向量段。
（3）计算机体系结构——程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性（4）时间重叠——在并行性中引入时间因素，即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的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。
（5）TLB——个专用高速存储器，用于存放近期经常使用的页表项，其内容是页表部分内容的一个副本（6）结构冲突——指某种指令组合因为资源冲突而不能正常执行（7）程序的局部性原理——程序在执行时所访问的地址不是随机的，而是相对簇聚；这种簇聚包括指令和数据两部分。
（8）2：1Cache经验规则——大小为N的直接映象Cache的失效率约等于大小为N /2的两路组相联Cache的实效率。
（9）组相联映象——主存中的每一块可以放置到Cache中唯一的一组中任何一个地方（10）数据相关——当指令在流水线中重叠执行时，流水线有可能改变指令读/写操作的顺序，使得读/写操作顺序不同于它们非流水实现时的顺序，将导致数据相关。
（1）动态流水线——同一时间内，当某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。
（2）透明性——指在计算机技术中，把本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的特性。
（3）层次结构——计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构，每一层以不同的语言为特征。
（4）资源共享——是一种软件方法，它使多个任务按一定的时间顺序轮流使用同一套硬件设备。
（5）快表——个专用高速存储器，用于存放近期经常使用的页表项，其内容是页表部分内容的一个副本。
（6）控制相关——指由分支指令引起的相关，它需要根据分支指令的执行结果来确定后续指令是否执行。
（7）存储层次——采用不同的技术实现的存储器，处在离CPU不同距离的层次上，目标是达到离CPU最近的存储器的速度，最远的存储器的容量。
02_2并行计算机(系统结构)
P
M
P M
P M
...
P M
2019/2/23
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构建并行机系统的不同存储结构
PVP (Cray
中央存储器 T90)
UMA SMP SGI
多处理机 （ 单地址 空间 共享 存储器 ） (Intel SHV,SunFire,DEC 8400, PowerChallenge,IBMR60,etc.) (KSR-1,DDM) (Stanford Dash, SGI Origin 2000,Sequent NUMA-Q, HP/Convex Exemplar) (Cray T3E)
2019/2/23 10
MPP（Massively Parallel Processor）
处理节点采用微处理器 系统中有物理上的分布式存储器 采用高通信带宽和低延迟的互连网络（专门设 计和定制的） 能扩展至成百上千乃至上万个处理器 异步MIMD，构成程序的多个进程有自己的地 址空间，进程间通信消息传递相互作用
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Origin3000 与 Altix3000
Origin3000
2019/2/23
Altix3000
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并行计算机内存访问模型
UMA / NUMA / COMA / CC-NUMA / NORMA
2019/2/23
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并行计算机访存模型（1）
UMA（Uniform Memory Access）模型是均匀存储访问模型的 简称。其特点是：
节 点1 P / C 节 点N M e m P / C
… P/C
交 叉 开 关 总 线 或
…
I / O
…P/C
开 关 总 线 或 交 叉
计算机系统结构(第2版)郑伟明汤志忠课后习题答案以及例题收录
计算机系统结构(第2版)郑伟明汤志忠课后习题答案以及例题收录片上地址模块内部体号模式5: 4高阶交叉4低阶交叉16存储器模块每4个形成一个大模块:片上地址模块内部体号模式6: 4并行访问4低阶交叉31 0模块片上地址模块号输出选择(1)所有这些存储器可以并行工作，因此带宽可以增加一般来说，并行内存访问的优点是简单且易于实现，缺点是访问冲突大。
高阶交错存储器具有扩展方便、存取效率低的优点。
低阶交叉存取存储器可以分时方式提高速度46，但扩展不方便。
(2)各种存储器的带宽与其工作频率有关。
不考虑冲突，如果有足够多的独立控制电路和寄存器，那么它们的带宽是相同的。
(3)存储器原理图注意，并行存取存储器非常类似于低阶交叉存取存储器，除了并行存取存储器使用存储器模块号(存储体号)来选择输出结果，而低阶交叉存取存储器用于为存储器模块(存储体)生成芯片选择信号，这通过流水线操作提高了存取速度。
3.14在页面虚拟内存中，一个程序由从P1到P5的5个虚拟页面组成程序执行过程中依次访问的页面如下:P2、P3、P2、P1、P5、P2、P4、P5、P3、P2、P5、P2假设系统为该程序的主存储器分配三个页面，主存储器的三个页面分别由先进先出、先进先出和优化调度(1)绘制主内存页面条目、替换和命中的表(2)计算三种页面替换算法的页面命中率3.15(1)当分配的主内存页的数量大于或等于5时，可以达到最高的页命中率，除了第一次调入未命中，所有访问都在47: 7实际命中之后，因此可以达到的最高页命中率是H？7？0.5833 12(2)由于当页面数大于或等于5时肯定可以达到最高的命中率，让我们看看当页面数小于5时是否可以达到命中率:当由分配的主存储器页面数等于4时，调度过程如下:489 LFU算法4调用中4 5 4 5 3 4 5* 3 2调用中4 5 3 2命中1 5 3* 2调用中1 5 3 2*命中1 5 3* 2命中1 5* 3 2命中1 5 3 2命中1 5 3* 2命中1 5 3 * 2命中1 5 3 2命中1 5 3 2命中1 5 3 2命中7调用中此时也能达到最高命中率。
计算机系统结构第2章
计算机系统结构第2章第⼆章指令系统第⼀节指令系统设计概述⼀、指令系统概述1、指令系统的设计、应⽤及实现(1)指令系统的设计*机器指令：计算机硬件实现的运算或操作的命令；第i 种格式：OP i A 1A 2编码⽰例：00110 000~111 000~111功能⽰例：A 1←(A 1)+(A 2)第j 种格式：OP j A 编码⽰例：10110 000~111功能⽰例：A←(A)+1*指令系统设计：定义所有机器指令的格式(含编码)。
*指令系统：所有机器指令的集合；第1种：第2种：…第n 种：OP 1A 1A 2OP 2A OP n A 1A 2…(2)指令系统的应⽤第i种指令应⽤⽰例a：00110 000 001 功能AH←(AH)+(AL)⽰例b：00110 011 000 功能BL←(BL)+(AH)应⽤程序⽰例：从主存地址为2000H开始的100个元素累加求和机器指令格式机器指令程序汇编程序1011wreg data 1011001001100100 CX←1001011100100000000 00100000LP：BX←2000H1011000000000000 AL←0 0000000w mod reg r/m 0000000100000111AL←AL+[BX] 01000reg 01000001 BX←BX+1 11100010 disp 11100010 11111000 LOOP LP*指令系统应⽤：按指令格式要求，根据应⽤需要、编写程序中的指令(即指令格式的实例)。
(3)指令系统的实现指令功能实现步骤—ID 对IR 的OP 译码，⽤输出信号控制某⼀部件⼯作；ID 对IR 的A 译码，⽤输出信号控制相关REG 的读/写；信号有效时间由时序部件及该指令功能实现步骤决定。
指令操作或运算—部件功能实现及数据传递等的组合。
*指令系统实现：按指令格式要求，⽤硬件实现指令功能。
*设计/应⽤实现三者关系：类似C 语⾔设计、⽤C 语⾔编程、C 语⾔编译及执⾏平台！☆指令系统的实质—软件与硬件之间的界⾯(“约定”)！指令译码器ID I OP A 内部总线CPU ID D 功能部件1功能部件n …寄存器1寄存器m…指令寄存器IR ：……存储总线MAR/MDR2、指令系统涉及内容(1)指令格式包含信息分析第i种指令格式：OP i A1A2②数据：(A1)=OP i⽀持类型的地址为A1的数据①操作：A1←(A1) OP i(A2) 或A 2←(A2) OP i(A1)硬件⽀持的数据类型(含数据长度)可存放数据部件类型、部件的编址⽅式部件中同⼀数据地址的表⽰⽅式(2)涉及内容*指令集结构：指令集总体框架，如存放部件、寄存器数量;*指令集功能：⽀持操作的类型；*数据表⽰：操作⽀持的数据类型、数据存储格式等。
自考02325计算机系统结构考点笔记
第一章概论第一节计算机系统的层次结构计算机系统=硬件/固件+软件计算机语言从低级到高级发展：高一级语言的语句相对于低一级语言来说功能更强，更便于应用，但又都以低级语言为基础。
层次结构由高到低依次为：应用语言机器级M5、高级语言机器级M4、汇编语言机器级M3、OS机器级M2、传统机器语言机器级M1、微程序机器级M0。
虚拟机：由软件实现的机器。
语言实现的两种基本技术：翻译：先把N+1级程序全部转换成N级后，再去执行新产生的N级程序，在执行过程中N+1级程序不再被访问。
解释：每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级指令，以此重复执行。
第二节计算机系统结构、计算机组成和计算机实现一、计算机系统结构的定义和内涵定义：它是软件和硬件/固件的交界面，即机器语言程序员看到的机器物理系统的抽象。
实质：确定计算机系统中软、硬件的界面，界面之上是硬件和软件实现的功能，界面之下是硬件和固件实现的功能。
透明性：在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性从某个角度看不到，则称对它是透明的。
二、计算机组成与计算机实现的定义和内涵1.计算机组成定义：计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
2.计算机实现定义：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、模块的划分与连接，专用器件的设计。
三、计算机系统结构、组成和实现的相互关系和影响1)相同系统结构，可以有不同的组成；2)一种组成可以有多种不同的实现方法；3)采用不同的系统结构会使可以采用的组成技术产生差异；4)组成也会影响结构。
第三节计算机系统的软、硬件取舍及定量设计原理一、软硬件取舍的基本原则软、硬件功能的分配比例对计算机性能的影响：提高硬件功能的比例可提高解题速度，减少程序所需的存储空间，但会增加硬件成本，降低硬件利用率和计算机系统的灵活性级适应性；而提高软件功能的比例可降低硬件成本，提高系统的灵活性、适应性，但解题速度会下降，软件设计费用和所需的存储器用量增加。
计算机体系结构
一、计算机体系结构的基本概念计算机体系结构是指机器语言程序的设计者或是编译程序设计者所看到的计算机系统的概念性结构和功能特性。
Amdahl所定义的体现结构是指程序员面对的是硬件的系统。
所关心的是如何合理的进行软硬件功能的分配。
计算机系统结构是指机器语言级的程序员所了解的计算机的属性，即外特性。
可以包含数据表示，寄存器定义、数量、使用方式，指令系统，中断系统，存存储系统，IO系统等。
计算机组成是计算机结构的逻辑实现。
可以包含数据通路宽度，专用部件设置，缓冲技术，优化处理等。
计算机的实现是指其计算机组成的物理实现。
包括处理机，主存部件的物理结构，器件的集成度，速度的选择，模块、硬件、插件底板的划分和连接。
从使用语言的角度，可以把计算机系统按功能从高到低分为7级：0应用语言机器级、1高级程序语言机器级、2汇编语言机器级、3操作系统机器级、4传统机器语言机器级、5微程序机器级和6电子线路级。
3～6级为虚拟机，其语言功能均由软件实现。
硬件功能分配的基本原则：（1）功能要求。
首先是应用领域对应的功能要求，其次是对软件兼容性的要求；（2）性能要求。
如运算速度，存储容量，可靠性，可维护性和人机交互能力等；（3）成本要求。
体系结构设计的方法有三种：由上而下－从考虑如何满足应用要求开始设计；由下而上－基于硬件技术所具有的条件；由中间开始的方法。
体系设计的步骤：需求分析、需求说明、概念性设计、具体设计、优化和评价。
计算机体系结构的分类：（1）弗林FLYNN分类法：按指令流和数据流将计算机分为4类：①单指令流、单数据流－Single Instruction Stream Single Data Stream，SISD。
计算机，即传统的单处理机，通常用的计算机多为此类，如脉动阵列计算机systolic array；②单指令流、多数据流－Multiple，SIMD。
典型代表是并行处理机。
其并行性在于指令一级。
如ILLIAC、PEPE、STARAN、MPP等；③MISD计算机；④MIMD计算机。
《计算机系统结构》及参考答案精选全文完整版
可编辑修改精选全文完整版《计算机系统结构》练习题一一、单项选择题1．页式虚拟存储器的地址变换对于 D 是透明的.A. 操作系统设计者B. 任何程序员C. 系统结构设计者D. 应用程序员2．以下各类中断中，属于自愿中断的是 C .A. 外部中断B. I/O中断C. 执行“访管”指令D. 机器校验中断3. 高速外部设备磁盘机适合连接于 C .4. 页式虚拟存储器页表的作用是 A .A. 反映虚页在主存的存储情况B. 仅反映虚页是否调入主存C. 反映主存实页与Cache的对应关系D. 反映虚页在辅存的存储情况5．软件和硬件的功能在逻辑上是 C 的.D.软件优于固件6. 计算机中最优化的操作码编码方法是 D .码码C.扩展操作码 D.哈夫曼编码7. 从计算机系统执行程序的角度看，并行性等级由低到高分为四级 A .A．指令内部——指令之间——进程之间——程序之间B．指令之间——指令内部——进程之间——程序之间C．进程之间——指令之间——指令内部——程序之间D．程序之间——进程之间——指令之间——指令内部8. 计算机系统多级层次结构中，操作系统机器级的直接上层是 D .A．传统机器级B．高级语言机器C．应用语言机器级D．汇编语言机器级9.全相联地址映像是指 A .A.任何虚页都可装入主存中任何实页的位置B.一个虚页只装进固定的主存实页位置C.组之间是固定的，而组内任何虚页可以装入任何实页位置D.组间可任意装入，组内是固定装入10．对于同一系列机，必须保证软件能够 C .A．向前兼容，并向上兼容B．向前兼容，并向下兼容C．向后兼容，力争向上兼容D．向后兼容，力争向下兼容11．设有16个处理单元的并行处理机系统, 采用共享主存的方式. 若同时存取16个数据, 为避免存储器访问冲突, 共享主存的多体数量应该为 C 才合理.A. 15B. 16C. 17D. 1912. 软件兼容的根本特征是 C .A. 向前兼容B. 向后兼容C. 向上兼容D. 向下兼容13.在下列机器中，能够实现软件兼容的机器是 B .A. 完全不同种类的机型B. 系统结构相同的机器C. 宿主机和目标机D. 虚拟机14．输入输出系统硬件的功能对 C 是透明的。
计算机系统结构第二章（习题解答）
计算机系统结构第⼆章（习题解答）1. 数据类型、数据表⽰和数据结构之间是什么关系？在设计⼀个计算机系统时，确定数据表⽰的原则主要有哪⼏个？答：略2. 假设有A 和B 两种不同类型的处理机，A 处理机中的数据不带标志位，其指令字长和数据字长均为32位。
B 处理机的数据带有标志位，每个数据的字长增加⾄36位，其中有4位是标志符，它的指令条数由最多256条减少⾄不到64条。
如果每执⾏⼀条指令平均要访问两个操作数，每个存放在存储器中的操作数平均要被访问8次。
对于⼀个由1000条指令组成的程序，分别计算这个程序在A 处理机和B 处理机中所占⽤的存储空间⼤⼩（包括指令和数据），从中得到什么启发？答：我们可以计算出数据的总数量：∵程序有1000条指令组成，且每条指令平均要访问两个操作数∴程序访问的数据总数为：1000×2＝2000个∵每个数据平均访问8次∴程序访问的不同数据个数为：2000÷8＝250对于A 处理机，所⽤的存储空间的⼤⼩为：bit4000032250321000MemMemMemdataninstructio A=?+?=+=对于B 处理机，指令字长由32位变为了30位（条数由256减少到64），这样，所⽤的存储空间的⼤⼩为：bit3900036250301000MemMemMemdataninstructio B=?+?=+=由此我们可以看出，由于数据的平均访问次数要⼤于指令，所以，采⽤带标志符的数据表⽰不会增加总的存储空间⼤⼩。
3. 对于⼀个字长为64位的存储器，访问这个存储器的地址按字节编址。
假设存放在这个存储器中的数据中有20％是独⽴的字节数据（指与这个字节数据相邻的不是⼀个字节数据），有30％是独⽴的16位数据，有20％是独⽴的32位数据，另外30％是独⽴的64位数据；并且规定只能从⼀个存储字的起始位置开始存放数据。
⑴计算这种存储器的存储空间利⽤率。
⑵给出提⾼存储空间利⽤率的⽅法，画出新⽅法的逻辑框图，并计算这种⽅法的存储空间利⽤率。
计算机系统结构
1.系统结构基础知识1.1有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分4级。
每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令解释。
若执行第1级的一条指令需Kns时间，则执行第2、3、4级的一条指令各需要多少时间？【分析】注意“上一级”与“下一级”的关系，上一级程序在下一级上的实现不是经翻译完成，只能是解释。
【参考答案】解：执行第1级的一条指令需Kns时间执行第2级的一条指令需KNns时间执行第3级的一条指令需KN2ns时间执行第4级的一条指令需KN3ns时间执行第n级的一条指令需KN n-1ns时间1.2有一计算机系统，可以按功能划分4级。
每一级的指令互不相同。
每一级的指令都比下一级的指令在效能上强M倍，即第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。
现若需第i级的N条指令解释第i+1级的一条指令，而有一段程序在第1级上运行需要Ks，问在第2、3、4级上一段等效的程序各需要运行多长时间？【分析】从指令功能意义上讲，每级的单条指令需下级N条指令来完成，从效能意义上讲，每级的指令都比下一级的指令强M倍，若某级上运行需Ks，则下一级上运行需KN/Ms。
【参考答案】解：在第2级上一段等效的程序需要运行时间为: (N/M)Ks在第3级上一段等效的程序需要运行时间为: (N/M)2Ks在第4级上一段等效的程序需要运行时间为: (N/M)3Ks1.3什么是透明性概念？对于计算机系统结构，下列哪些是透明的？哪些是不透明的？存储器的模m交叉存取、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、数据总线宽度、字符行运算指令、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、访问方式保护、程序性中断、串行、重叠还是流水控制方式、堆栈指令、存储器最小编址单位、Cache存储器。
【分析】凡是属于编写机器语言和汇编语言程序所必须面对的内容，都是不透明的。
或者说有关系统结构属性所包括的内容，对系统结构都不透明。
计算机体系结构
第一章1、计算机系统多级层次结构从高到低：（6级）应用程序计算机、高级语言、汇编语言、操作系统、机器语言、微机程序控制、（0级）硬联逻辑计算机。
第0级由硬件实现，第1级由微程序（固件）实现，2—6级机器由软件实现。
2、透明性现象：一种本来存在的有差异的事物或属性，从某种角度来看似乎不再存在。
3、计算机组成是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机组成的物理实现。
4、计算机系统结构是计算机系统的软、硬件的界面；系统结构、组成和实现所包含的具体内容第随不同机器而变化的，且三者之间的界限越来越模糊。
5、系统结构分类①按“流”分：SISD单指令流单数据流，SIMD单指令流多数据流，MISD多指令流单数据流，MIMD多指令流多数据流。
Flynn分类法：按指令流（机器执行的指令序列）和数据流（指令流调用的数据序列，include输入数据和中间结果）的多倍性（指在系统最受限制的原件上同时处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数）概念进行分类。
缺点：对于标量及向量流水计算机应属于哪一类系统，不是很明确。
②按“并行级”和“流水线”分类：程序控制部件PCU的个数是K，算术逻辑部件ALU/处理部件PE的个数是d，每个ALU包含基本逻辑线路ELC 的套数是w。
T系统型号=（k，d，w）。
③按“并行度”分类：WSBS字串位串，WPBS字并位串，WSBP字串位并，WPBP字并位并。
6、*Amdahl定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高取决于这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例。
实际上定义了加快某部分功能处理后，整个系统所获得的性能改进或执行时间的加速比的大小。
加速比与两个因素有关：一是计算机执行某个人物的总时间中可被改进部分的时间所占的百分比，Fe=可改进部分占用的时间/改进前整个任务的执行时间，它总小于1；二是改进部分采用改进措施后比没有采用改进措施前性能提高倍数，Se=改进前改进部分的执行时间/改进后改进部分的执行时间，它总大于1。
计算机系统结构(第2版(课后习题答案
word文档下载后可自由复制编辑你计算机系统结构清华第2版习题解答word文档下载后可自由复制编辑1 目录1.1 第一章(P33)1.7-1.9（透明性概念），1.12-1.18（Amdahl定律），1.19、1.21、1.24（CPI/MIPS）1.2 第二章(P124)2.3、2.5、2.6（浮点数性能），2.13、2.15（指令编码）1.3 第三章(P202)3.3（存储层次性能），3.5（并行主存系统），3.15-3.15加1题（堆栈模拟），3.19中(3)(4)(6)(8)问（地址映象/替换算法--实存状况图）word文档下载后可自由复制编辑1.4 第四章(P250)4.5（中断屏蔽字表/中断过程示意图），4.8（通道流量计算/通道时间图）1.5 第五章(P343)5.9（流水线性能/时空图），5.15（2种调度算法）1.6 第六章(P391)6.6（向量流水时间计算），6.10（Amdahl定律/MFLOPS）1.7 第七章(P446)7.3、7.29（互连函数计算），7.6-7.14（互连网性质），7.4、7.5、7.26（多级网寻径算法），7.27（寻径/选播算法）word文档下载后可自由复制编辑1.8 第八章(P498)8.12（SISD/SIMD算法）1.9 第九章(P562)9.18（SISD/多功能部件/SIMD/MIMD算法）(注：每章可选1-2个主要知识点，每个知识点可只选1题。
有下划线者为推荐的主要知识点。
)word 文档 下载后可自由复制编辑2 例, 习题2.1 第一章(P33)例1.1,p10假设将某系统的某一部件的处理速度加快到10倍,但该部件的原处理时间仅为整个运行时间的40%，则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少？解：由题意可知：Fe=0.4, Se=10，根据Amdahl 定律SeFe Fe T To S n n +-==)1(1 56.164.01104.06.01≈=+=n Sword 文档 下载后可自由复制编辑例1.2,p10采用哪种实现技术来求浮点数平方根FPSQR 的操作对系统的性能影响较大。
计算机系统结构与设计专升本试题详解
计算机系统结构与设计专升本试题详解一、选择题1.计算机系统结构是由______、______、______三个基本层次组成。
A.硬件层、软件层、操作系统层B.硬件层、软件层、中间件层C.硬件层、操作系统层、应用层D.硬件层、软件层、固件层答案：B解析：计算机系统结构由硬件层、软件层和中间件层三个基本层次组成。
硬件层包括计算机的物理组件，如处理器、内存、硬盘等；软件层包括操作系统和应用软件；中间件层主要提供软硬件之间的接口和支持。
操作系统属于软件层，题中未提及固件层。
2.影响计算机系统性能的主要因素是______。
A.处理器的主频B.存储器的容量C.缓存的大小D.计算机的价格答案：A解析：处理器的主频是影响计算机系统性能的重要因素。
主频越高表示处理器的工作速度越快，执行指令的能力也越强。
存储器的容量和缓存的大小可以影响系统的运行效率，但并不是主要因素。
计算机的价格与性能并没有直接关系。
3.下列关于指令执行过程的叙述中，错误的是______。
A.取指令、译码、执行、访存、写回B.取指令、译码、访存、执行、写回C.取指令、执行、译码、访存、写回D.取指令、译码、访存、写回、执行答案：D解析：指令执行过程的正确顺序是取指令、译码、执行、访存、写回。
选项D将“执行”放在了最后一步，与实际执行顺序不符。
4.以下对Cache的描述中，错误的是______。
A.Cache是CPU和主存之间的高速缓存B.Cache的速度比主存快，容量比主存小C.Cache的设计目的是提高存储器操作的速度D.所有的数据都可以被缓存在Cache中答案：D解析：Cache是CPU和主存之间的高速缓存，它的速度比主存快，容量比主存小，可以存储最常用的数据和指令，以提高存储器操作的速度。
然而，并不是所有的数据都可以被缓存在Cache中，只有经常被访问的数据才会存储在Cache中。
5.下列关于中断的描述中，错误的是______。
A.中断是一种由外部事件引起的CPU的活动打断B.中断可以改变指令的执行顺序C.中断处理程序在中断返回指令执行后才能运行D.中断可以提高计算机系统的并发性答案：C解析：中断处理程序在中断发生时会被立即执行，而不是等到中断返回指令执行后才能运行。
计算机体系结构
3 系列机简介 1）要有统一的汇编语言或机器语言； 2）要确定好一种概念结构并有扩充余地； 3）要具有兼容性：将以前编写的软件不改或少许修 改就能在新机上运行的性能称兼容性（或向前兼容）。 ①向后兼容：目前编写的软件能在今后生产的计算机 上不加修改就能运行。 ②向上兼容：在低档机上编写的软件能在高档机上不 加修改地运行。 对一个系列机是否具有强大的生命力，主要取决 于软、硬件交界面选择是否恰当。其中，中大型机以 IBM360、370，微机以IBM—PC兼容机做的十分成功。
§3 影响计算机系统结构发展的因素
一、程序的可移植性的影响
1. 含义：程序的可移植性也就是程序的可继承性。 2. 解决可移植性的办法： 1）统一高级语言 高级语言是面向问题与算法的，与机器的具体结构关 系不大。 2）采用模拟技术 利用现有计算机的指令串来解释新计算机的指令功能 3）采用仿真技术 用现有计算机的微指令串来解释新计算机的指令功能 4）利用系列机
关于本课程考试
第一章 概述 §1 计算机系统和系统结构
一、计算机系统的组成
由硬件和软件组成。 1. 硬件：可视为多种资源： 1）处理信息资源—CPU； 2）存储信息资源—存储器； 3）交换信息资源—I/O设备。 2. 软件：即程序 1）系统软件：各用户共同使用，如操作系统 （OS），编译/解释程序，汇编程序，诊断程序等； 2）应用软件：为解决用户问题编写的程序。
3 操作重迭化
1）一条指令的几个过程段 ①取指令 ②译码分析 ③执行
2）传统机器的执行方式存在的问题
取 译 执 取 译 执
第i条
第i+1条
3）重迭执行 重迭执行可以提高指令的吞吐率，图示如 下：
i i+1 i+2 取 译 取 执 译 取 执 译 执
计算机系统结构
1
1
SFPSQR (1 0.2) 0.2 0.82 1.22
10
SFP
1 (1 0.5)
0.5
1 0.75
1.33
2
3 CPU性能公式 CPU的性能取决于三个要素：
①时钟频率f(或时钟周期t)； ②每条指令所花的时钟周期数CPI； ③指令条数IC 一个程序所花的CPU时间(T)可以用两种方式来表示： CPU时间(T)=CPU时钟周期数(CPI×IC)*时钟周期长(t)
解：原系统的CPI=25%×4+75%×1.33=2 方案1(使FPSQR操作的CPI为2)系统
方案2(提高所有FP指令的处理速度)系统
我们也可以根据以下公式计算出方案2系统的CPI
显然，提高所有FP指令处理速度的方案要比提高FPSQR处 理速度的方案要好。
假设这两台机器的指令系统中，执行条件转移指令需2个时钟 周期，而其它指令只需1个时钟周期。
1.2 计算机系统设计技术
1.2.1计算机系统设计的定量原理 1 加快经常性事件的速度 这是计算机设计中最重要也最广泛采用的设计准则。使 经常性事件的处理速度加快能明显提高整个系统的性能。 在CPU中两个数进行相加运算时，相加结果可能出现溢出 现象，也可能无溢出发生，显然经常出现的事件是不发 生溢出的情况，而溢出是偶然发生的事件。因此，在设 计时应优化不发生溢出的情况，使这个经常性事件的处 理速度尽可能快，而对溢出处理则不必过多考虑优化。 因为发生溢出的概率很小，即使发生了，处理得慢一些 也不会对系统性能产生很大的影响。
MISD(Multiple Instruction stream Single Data stream) 采用流水结构的计算机
专升本《计算机系统结构》
专升本《计算机系统结构》计算机系统结构是计算机科学与技术专业中的一门重要课程，是培养学生计算机系统设计能力的关键课程之一、通过学习该课程，可以使学生了解计算机系统的组成结构，掌握计算机系统的工作原理，培养学生计算机系统设计与优化能力。
以下是关于计算机系统结构的一篇1200字以上的专业文章。
计算机系统结构是计算机科学与技术中的基础课程，主要研究计算机系统的组成结构和工作原理。
计算机系统是由硬件和软件两个部分组成，硬件包括中央处理器、内存、外设等，软件包括操作系统、应用程序等。
计算机系统结构主要研究如何将这些硬件和软件组合起来，构成完整的计算机系统。
计算机系统结构包括指令流水线、存储器层次结构、总线系统和I/O系统等内容。
其中，指令流水线是计算机系统中的一种重要技术，可以提高计算机运行速度。
指令流水线将指令执行过程划分为若干个阶段，每个阶段只执行一个操作，从而可以并行执行多个指令。
通过指令流水线可以提高计算机的效率，降低计算机系统的延迟。
存储器层次结构是计算机系统中的另一个重要部分，主要包括主存、高速缓存和辅助存储器等。
存储器层次结构的设计是为了在速度、容量和成本之间找到一个平衡点。
高速缓存是CPU和主存之间的一种高速存储器，用于存放经常访问的数据和指令。
通过高速缓存可以减少CPU访问主存的次数，提高计算机的运行速度。
总线系统是计算机系统中的交通系统，用于连接计算机系统中不同部件之间的数据和信号。
总线系统主要包括数据总线、地址总线和控制总线等。
数据总线用于传输数据，地址总线用于传输地址，控制总线用于传输控制信号。
总线系统的设计需要考虑带宽、传输速度和信号干扰等因素，以保证计算机系统的正常运行。
I/O系统是计算机系统中的输入输出系统，用于对外部设备进行数据交换。
I/O系统主要包括输入设备、输出设备和I/O接口等。
输入设备用于将外部设备的数据输入到计算机系统中，输出设备用于将计算机系统中的数据输出到外部设备中，I/O接口用于连接计算机系统和外部设备。
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(4) U盘
33
4、输入输出设备 常见的输入设备有：键盘、鼠标、光电扫 描器、触摸屏 常见的输出设备有：显示器、打印机
34
35
中央处理器CPU
CPU即中央处理器，它是计算机的大脑，计算机的运算、 控制都是由它来处理的。 它的发展非常迅速，个人电脑从 8088(XT)发展到现在的 Pentium III时代，只经过了不到20年的时间。 从生产技术来说，最初的8088集成了29000个晶体管，而 高能奔腾的集成度超过了750万个晶体管； 从CPU的运行速度，以MIPS(百万个指令每秒)为单位， 8088是0.75，而速度最快的高能奔腾超过了1000。
17
字节(Byte)：8个二进制位。英文状态下一 个字母或数字占用。一个字节。计算机里 用字节来作为最基本的存储单位。
千字节：1K=1024Bytes 兆字节：1M=1024K 十亿字节：1G=1024M
1T=1024G 一个西文字符用一个字节表示；一个汉字 用两个字节表示。
18
字(Word)：是计算机进行数据存储传 送和处理的数据信息运算单位，是由 若干字节组成。每个字所占的倍数称 之为字长。如：８位机、１６位、３ ２位、６４位机。 字长越长，处理速度就越快。
45
缓存
为了区分它们，CPU内部的缓存叫内部高速缓存 (Internal Cache)或一级高速缓存，主板上的缓存叫外 部高速缓存(External Cache)或二级高速缓存。不过现 在的Pentium II 的CPU已经将主板上的二级缓存封装在 CPU的盒子中，AMD K6-3的CPU内部也集成了256K 的二级Cache，对于这类CPU来说，主板上提供的已 是三级缓存了。
41
常见的内存
内存条是内存芯片焊接在一定规格的印刷 电路板(PCB)上,通常叫SIMM，意即单列直 插式存储器模块。 这类的内存要成对安装才能使用。不过现 在已经很少使用这种内存了。
42
常见的内存
而今多采用DIMM（168线）内存条，也就是我们 通常所说的168线内存。 DIMM内存条也叫做SDRAM，同步动态内存。现 在，市面上出售的主板几乎都只有DIMM内存插 槽。常见的单条容量有16MB、32MB、64MB、 128MB等。DIMM内存条可单条使用,不同容量的 DIMM标准内存条也可以混用。单条的DIMM内存 可以插在主板上的任何一个DIMM插槽中。
31
主机箱通常有卧式和立式两种，提供按钮开 关插槽之类的
1.微处理器 微机的中央处理器(CPU)称为微处理器,由 运算器和控制器两部分组成。
2.内存储器 内存分为：只读存储器(ROM)、随机存取存 储器(RAM) 快存：高速缓冲存储器Cache
32
3.外存储器
(1) 磁盘：硬盘、和软盘 (2) 磁带：也称顺序存取存储器,查找速度慢 (3)光盘存储器:
26
计算机系统组成图示
支持软件
应 用
程
序
设 计 语
操 作
言
存储器
语
裸 cpu 机
输入输出 接口及设备
系 统
言 处 理 程 序
软 件
软件系统
27
四. 微机的主要部件与指标
主板 CPU盘 鼠标
显示器 显示卡 音箱 扫描仪 打印机 机箱 调制解调器 数码相机
第2章 计算机系统结构
⒈数制与编码 ⒉计算机系统的基本组成 ⒊计算机的工作原理
华中师范大学物理学院 李安邦 2009年10月
计算机系统的组成
计算机是能存储程序和数据，并能自动执行程序的机器；是
一种能对各种数字化信息进行处理，即协助人们获取信息、
处理信息、存储信息和传递信息的工具。
cpu 硬 主机
运算器 控制器 寄存器
执行对象（具体数、存放位置）
6
计算机的工作原理
工作原理： 不断的取指令和执行指令，最后将计算 的结果放入指令指定的存储器地址中。
7
1.1.2 计算机系统的基本组成与工作过程
1.计算机系统的基本组成 计算机系统: （1）硬件系统； （2）软件系统。
2.计算机的基本硬件结构 硬件指的是计算机系统中看得见的各种物 理上的部件。 计算机由运算器、控制器、存储器、输入 设备和输出设备五个基本部分组成。它们 通过总路线连接。
43
缓存
由于CPU的速度比内存和硬盘的速度要快 得多，所以在存取数据时会使CPU等待， 影响计算机的速度。SRAM的存取速度比 其它内存和硬盘都要快，所以它被用作电 脑的高速缓存(Cache)。
44
缓存
有了高速缓存，可以先把数据预写到其中，需要 时直接从它读出，这就缩短了CPU的等待时间。 高速缓存之所以能提高系统的速度是基于一种统 计规律，主板上的控制系统会自动统计内存中哪 些数据会被频繁的使用，就把这些数据存在高速 缓存中，CPU要访问这些数据时，就会先到 Cache中去找，从而提高整体的运行速度。
Player(WMP)，RealPlayer、暴风影音 ６、网络浏览：IE，Maxthon，TheWorld，
FireFox，Opera
25
7、网络聊天：QQ，MSN，雅虎通 8、网络电视：PPStream 9、网络下载：超级旋风，快车，迅雷，电驴 10、杀毒软件：瑞星，金山毒霸，江民，卡
巴，诺顿 11、游戏软件 12、辅助教学CAI
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内存
内存的速度用纳秒(ns)表示,比较老一些的 EDO RAM的有70纳秒.60纳秒的,平常我们 指的 －7 和－6 就是指的这两种。 现在最流行的SDRAM的速度更快，达到10 纳秒，符合PC-100标准的 SDRAM速度达 到8纳秒。
40
内存
每个程序都有内存要求，这因程序的不同而有差 异。一般内存越大，程序运行时就越快捷。 有些程序设计为在内存不够时可以用硬盘代替， 即虚拟内存，但它的速度实在很慢。 在过去必须了解基本内存、扩展内存和扩充内存 的概念，并要掌握内存设置的技巧。不过我们现 在使用Windows 98，就不用再理会那些烦人的内 存问题啦。
位
字节 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0
其它存储单位 千字节(KB)
兆字节(MB) 吉字节(GB) 太字节(TB)
1KB = 210 Bytes = 1024 Bytes ≈ 1000 Bytes
1MB = 210 KB 1GB = 210 MB 1TB = 210 GB
计算机只认识 0 和 1 ，所以计算机使用的是二进制 数。 二进制就是逢二进一。人们又用16进制来表述计算 机里的数 比特 (Bit ，位)：计算机中最小的数据单位是二进制 的一个数位，简称位。二个进制中的一位数即一个 位，只能是 0 或 1，如 (10100)2有5位。
36
CPU发展历程
8088，8086 80286 80386 80486 Pentium处理器 Pentium II以上的CPU
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主存储器
内存可以分为两类，一种是RAM，叫做随机读写 存储器，可读可写，断电后内容不能保存，这块 内存条就属于此类。 另一种是ROM，叫只读存储器，只能读出不能写 入，断电后内容不会丢失，主板上的这块BIOS芯 片就是ROM芯片；现在的多数的主板上的BIOS 芯片使用了FLASH ROM，是可用软件擦写的 ROM，在较高的电压下可以写入内容，主板上的 这块BIOS芯片就是。
控制（协调）
4
冯诺依曼结构的特点：
计算机硬件系统由五大部件组成 使用单一的处理部件进行各项工作 可存储程序 使用低级机器语言编写指令 程序控制：自动取指令并加以执行
5
计算机指令
指令是对计算机进行程序控制的最小单位。 所有的指令的集合称为计算机的指令系统。
机器指令格式
操操作作码码 操操作作数数
机器执行什么操作
23
２、语言处理系统 （1）机器语言；（2）汇编语言；（3）高 级语言 3、数据库管理系统
单机：Foxbase、Visual FoxPro、Access 等
网络：Sybase、Oracle、SQL Server、 DB2等
24
4、应用软件 1、文字处理软件：WORD、WPS等； ２、幻灯片演示：PowerPoint ３、表格处理软件：Excel等； ４、播放歌曲：千千静听，Winamp ５、播放电影：Windows Media
8
CPU：（1）运算器 （2）控制器
字长 主频 内存：RAM和ROM 地址 系统总路线： （1）数据总线； （2）地址总线； （3）控制总线。
9
二. 计算机硬件系统
输入设备
运算器 控制器 存储器
输出设备
10
中央处理器(CPU)
CPU(Central Processing Unit) 组成：控制器 运算器 寄存器(存在于控制器和 运算器中) CPU是计算机系统的核心。 微型计算机的CPU称为微处理器。
件
存储器 内存
系
外存
统
外部设备(I/O)
软 件
系统软件
系
应用软件
统
2
一. 计算机存储程序工作原理
冯•诺依曼 (John von eumann) 美籍匈牙利科学家，现代计算 机之父，率先奠定了现代计算 机的基本结构。
3
利用算盘进行计算的过程：
123×201+432÷15-124 ×38
运算
存储（记录）
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29
计算机的分类
两种方法： （1）按功能分类：专用计算机和通用计算机 （2）按综合性指标
• 巨型机； • 大型机； • 小型机； • 个人计算机（PC） • 工作站
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五、微型计算机的硬件系统
按综合性指标，计算机可以分为：巨型机、 大型机、小型机、个人计算机（PC，微型 机）、工作站