计算机系统结构课后答案
计算机系统结构——课后答案
习题二
1、解释下列术语 CPI MIPS MFLOPS 基准测试程序 性能算术平均值 性能几何平均值
2、衡量计算机性能的主要标准是什么？为什么它是最可靠的衡量标准？
答：衡量计算机系统性能可采用各种尺度，最常用的是时间和速率，但最为可靠 的衡量尺度是时间。例如响应时间、CPU 时间等。由于系统 CPU 时间很难精确 统计，误差较大，故采用用户 CPU 时间作为衡量时间比较妥当。但在衡量无负 载系统时， 采用响应时间比较合适。 用时间来作为计算机的衡量标准直观、 准确， 适用于各种情况的衡量，所以时间是最可靠的衡量标准。
6、 17、比较阻塞、交叉和同时多线程三者各自的优缺点。
答： 在阻塞多线程超标量处理器中，长的阻塞可借助切换到另一线程而得到部分
隐藏。 虽然这种方式在每个时钟周期能减少完全闲置的时钟周期的数目，但由于 有限的指令级并行性仍将导致闲置周期。 对于交叉多线程的超标量处理器，由于各线程的交叉运行，从而可消除完全 空闲的指令发射槽。但因为在指定的时钟周期中，仅有一个线程发射指令，所以 悠闲地指令级并行性仍将导致在各个时钟周期内会有一定数量的闲置发射槽。 在同时多线程的超标量处理器中，线程级并行性和指令级并行性被同时开 发， 因此在单个时钟周期中， 各个指令发射槽可被多个线程使用。 在理想情况下， 指令发射槽的闲置数主要受多线程间所需的资源及可用资源间的不平衡约束。
(完整版)计算机系统结构(课后习题答案)
第一章计算机系统结构的基本概念
1. 有一个计算机系统可按功能分成4 级，每级的指令互不相同，每一级的指令都比其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，而有一段第 1 级的程序需要运行Ks ，问在第 2 、3 和 4 级上一段等效程序各需要运行多长时间？
答：第2 级上等效程序需运行：(N/M)*Ks 。第 3 级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*Ks 。第4 级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks 。
note: 由题意可知：第i 级的一条指令能完成第i-1 级的M 条指令的计算量。而现在第i 级有N 条指令解释第i+1 级的一条指令，那么，我们就可以用N/M 来表示N/M 表示第i+1 级需(N/M) 条指令来完成第i 级的计算量。所以，当有一段第 1 级的程序需要运行Ks 时，在第 2 级就需要(N/M)Ks ，以此类推
2. 硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上又是不等效的？试举例说明。
答：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。但是实现的性能价格比，实现的难易程序不同。
在DOS 操作系统时代，汉字系统是一个重要问题，早期的汉字系统的字库和处理程序都固化在汉卡(硬件)上，而随着CPU硬盘、内存技术的不断发展，UCDOS把汉字系统的所有组成部份做成一个软件。
3. 试以实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系与影响。
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计算机系统结构课后习题答案
计算机系统结构课后习题答案
计算机系统结构是计算机科学与技术领域中的一门重要课程，它主要研究计算
机硬件和软件之间的关系，以及计算机系统的组成和工作原理。在学习这门课
程的过程中，我们经常会遇到一些习题，下面我将为大家提供一些计算机系统
结构课后习题的答案，希望对大家的学习有所帮助。
1. 什么是计算机系统结构？
计算机系统结构是指计算机硬件和软件之间的关系，以及计算机系统的组成和
工作原理。它包括计算机的组成部分、数据的存储和传输方式、指令的执行过
程等内容。
2. 计算机系统结构有哪些主要组成部分？
计算机系统结构主要包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备和总线等
组成部分。其中，中央处理器负责执行计算机指令，存储器用于存储程序和数据，输入输出设备用于与外部环境进行信息交换，而总线则负责连接各个组件。
3. 什么是指令集架构？
指令集架构是计算机系统结构中的一个重要概念，它描述了计算机硬件支持的
指令集和指令的执行方式。常见的指令集架构有精简指令集（RISC）和复杂指
令集（CISC）两种。
4. 什么是冯·诺依曼体系结构？
冯·诺依曼体系结构是计算机系统结构的一种经典模型，它由冯·诺依曼于1945
年提出。冯·诺依曼体系结构的特点是将存储器和处理器分开，通过总线进行数
据传输，程序和数据以二进制形式存储在存储器中，按照顺序执行。
5. 什么是存储器层次结构？
存储器层次结构是计算机系统结构中的一个重要概念，它描述了计算机系统中不同层次的存储器之间的关系。存储器层次结构一般由高速缓存、主存和辅助存储器等多级存储器组成，不同级别的存储器速度和容量各不相同。
计算机体系结构课后答案
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【篇一：计算机体系结构习题(含答案)】
1、尾数用补码、小数表示，阶码用移码、整数表示，尾数字长p=6（不包括符号位），阶码字长q=6（不包括符号位），为数基值
rm=16，阶码基值re=2。对于规格化浮点数，用十进制表达式写出
如下数据（对于前11项，还要写出16进值编码）。
（1）最大尾数（8）最小正数
（2）最小正尾数（9）最大负数
（3）最小尾数（10）最小负数
（4）最大负尾数（11）浮点零
（5）最大阶码（12）表数精度
（6）最小阶码（13）表数效率
（7）最大正数（14）能表示的规格化浮点数个数
2．一台计算机系统要求浮点数的精度不低于10-7.2，表数范围正
数不小于1038，且正、负数对称。尾数用原码、纯小数表示，阶码
用移码、整数表示。
(1) 设计这种浮点数的格式
(2) 计算（1）所设计浮点数格式实际上能够表示的最大正数、最大
负数、表数精度和表数效率。
3．某处理机要求浮点数在正数区的积累误差不大于2-p-1 ，其中，p是浮点数的尾数长度。
(1) 选择合适的舍入方法。
(2) 确定警戒位位数。
(3) 计算在正数区的误差范围。
4．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
标志符，其指令字长和数据字长均为32位。b处理机的数据带有标
志符，每个数据的字长增加至36位，其中有4位是标志符，它的指
令数由最多256条减少到不到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
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习题一
1、解释下列术语
计算机系统的外特性：通常所讲的计算机系统结构的外特性是指机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性，即由他们所看到的计算机的基本属性（概念性结构和功能特性）。
计算机系统的内特性：计算机系统的设计人员所看到的基本属性，本质上是为了将有关软件人员的基本属性加以逻辑实现的基本属性。
模拟：模拟方法是指用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。
可移植性：在新型号机出台后，原来开发的软件仍能继续在升级换代的新型号机器上使用，这就要求软件具有可兼容性，即可移植性。可兼容性是指一个软件可不经修改或只需少量修改，便可由一台机器移植到另一台机器上运行，即同一软件可应用于不同环境。
Amdahl 定律：系统中对于某一部件采用某种更快的执行方式所能获得的系统性能改进程度，取决于这种执行方式被使用的频度或占总执行时间的比例。 虚拟机（Virtual Machine ）：指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔离环境中的完整计算机系统。 6、
7、假定求浮点数平方根的操作在某台机器上的一个基准测试程序中占总执行时间的20%，为了增强该操作的性能，可采用两种不同的方法：一种是增加专门的硬件，可使求浮点数平方根操作的速度提高为原来的20倍；另一种方法是提高所有浮点运算指令的速度，使其为原来的2倍，而浮点运算指令的执行时间在总执行时间中占30%。试比较这两种方法哪一种更好些。 答：增加硬件的方法的加速比23
.120
/2.0)2.01(1
1=+-=
p S ,
另一种方法的加速比176
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第五章存储层次
5.1名词解释
1．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。
2．全相联映象——主存中的任一块可以被放置到Cache中任意一个地方。
3．直接映象——主存中的每一块只能被放置到Cache中唯一的一个地方。
4．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（Cache分成若干组，每组由若干块构成）。
5．替换算法——由于主存中的块比Cache中的块多，所以当要从主存中调一个块到Cache中时，会出现该块所映象到的一组（或一个）Cache块已全部被占用的情况。这时，需要被迫腾出其中的某一块，以接纳新调入的块。
6．L RU——选择最近最少被访问的块作为被替换的块。实际实现都是选择最久没有被访问的块作为被替换的块。
7．写直达法——在执行写操作时，不仅把信息写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储器中相应的块。
8．写回法——只把信息写入Cache中相应块，该块只有被替换时，才被写回主存。
9．按写分配法——写失效时，先把所写单元所在的块调入Cache，然后再进行写入。
10．不按写分配法——写失效时，直接写入下一级存储器中，而不把相应的块调入Cache。
11．写合并——在往缓冲器写入地址和数据时，如果缓冲器中存在被修改过的块，就检查其地址，看看本次写入数据的地址是否和缓冲器内某个有效块的地址匹配。如果匹配，就将新数据与该块合并。12．命中时间——访问Cache命中时所用的时间。
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第1章计算机系统结构的基本概念
1.1 解释下列术语
Amdahl 定律:当对一个系统中的某个部件进行改进后,所能获得的整个系统性能的提高,受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
程序的局部性原理:程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的,而是相对地簇聚。包括时间局部性和空间局部性。
CPI :每条指令执行的平均时钟周期数。
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的相互关系。
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。
计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。计算机实现是计算机组成的物理实现。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 计算机系统结构的Flynn 分类法是按什么来分类的?共分为哪几类?
答:Flynn 分类法是按照指令流和数据流的多倍性进行分类。把计算机系统的结构分为: (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
1.9 假设某应用程序中有4类操作,通过改进,各操作获得不同的性能提高。具体数据如下表所示:
操作类型程序中的数量 (百万条指令
改进前的执行时间
(周期
改进后的执行时间
(周期
操作1 10 2 1 操作2 30 20 15 操作3 35 10 3 操作4
15
4
1
(1改进后,各类操作的加速比分别是多少?
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第1章计算机系统结构的基本概念
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的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每⼀层以⼀种不同的语⾔为特征。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：⽤软件实现的机器。
翻译：先⽤转换程序把⾼⼀级机器上的程序转换为低⼀级机器上等效的程序，然后再在这低⼀级机器上运⾏，实现程序的功能。
解释：对于⾼⼀级机器上的程序中的每⼀条语句或指令，都是转去执⾏低⼀级机器上的⼀段等效程序。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：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种⾓度看⼜好像不存在的概念称为透明性。
计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机实现：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，模块、插件、底板的划分与连接，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的倍数。
Amdahl定律：当对⼀个系统中的某个部件进⾏改进后，所能获得的整个系统性能的提⾼，受限于该部件的执⾏时间占总执⾏时间的百分⽐。
程序的局部性原理：程序执⾏时所访问的存储器地址不是随机分布的，⽽是相对地簇聚。包括时间局部性和空间局部性。
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1.7
某台主频为400MHz 的计算机执行标准测试程序，程序中指令类型、执行数量和平均时钟周期数如下：
指令类型 指令执行数量 平均时钟周期数 整数 45000 1 数据传送 75000 2 浮点 8000 4 分支 1500 2
求该计算机的有效CPI 、MIPS 和程序执行时间。 解：
1(/)n
i i i CPI CPI IC IC ==⨯∑
（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＋1 500×2)／400=575s
1.9 将计算机系统中某一功能的处理速度加快10倍，但该功能的处理时间仅为整个系统运行时间的40%，则采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高多少？
解：由题可知： 可改进比例Fe=40% = 0.4 部件加速比Se = 10
根据()011 1.5625
(10.4)0.4/101n n T S Fe T Fe Se ====-+-+ 1.10 计算机系统中有三个部件可以改进，这三个部件的部件加速比为： 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和部件2的可改进比例均为30%，那么当部件3的可改进比例为多少时，系统加速比才可以达到10？
（2） 如果三个部件的可改进比例分别为30%、30%和20%，三个部件同时改进，那么系统中不可加速部分的执行时间在总执行时间中占的比例是多少？ 解：（1）在多个部件可改进情况下，Amdahl 定理的扩展：
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1.7
某台主频为400MHz 的计算机执⾏标准测试程序，程序中指令类型、执⾏数量和平均时钟周期数如下：
指令类型指令执⾏数量平均时钟周期数整数 45000 1 数据传送 75000 2 浮点 8000 4 分⽀ 1500 2
求该计算机的有效CPI 、MIPS 和程序执⾏时间。解：
1(/)n
i i i CPI CPI IC IC ==?∑
（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＋1 500×2)／400=575s
1.9 将计算机系统中某⼀功能的处理速度加快10倍，但该功能的处理时间仅为整个系统运⾏时间的40%，则采⽤此增强功能⽅法后，能使整个系统的性能提⾼多少？
解：由题可知：可改进⽐例Fe=40% = 0.4 部件加速⽐Se = 10
根据()011 1.5625
(10.4)0.4/101n n T S Fe T Fe Se ====-+-+ 1.10 计算机系统中有三个部件可以改进，这三个部件的部件加速⽐为：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和部件2的可改进⽐例均为30%，那么当部件3的可改进⽐例为多少时，系统加速⽐才可以达到10？
（2）如果三个部件的可改进⽐例分别为30%、30%和20%，三个部件同时改进，那么系统中不可加速部分的执⾏时间在总执⾏时间中占的⽐例是多少？解：（1）在多个部件可改进情况下，Amdahl 定理的扩展：
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1.7
某台主频为400MHz 的计算机执行标准测试程序，程序中指令类型、执行数量和平均时钟周期数如下：
指令类型 指令执行数量 平均时钟周期数 整数 45000 1 数据传送 75000 2 浮点 8000 4 分支 1500 2
求该计算机的有效CPI 、MIPS 和程序执行时间。 解：
1(/)n
i i i CPI CPI IC IC ==⨯∑
（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＋1 500×2)／400=575s
1.9 将计算机系统中某一功能的处理速度加快10倍，但该功能的处理时间仅为整个系统运行时间的40%，则采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高多少？
解：由题可知： 可改进比例Fe=40% = 0.4 部件加速比Se = 10
根据()011 1.5625
(10.4)0.4/101n n T S Fe T Fe Se ====-+-+ 1.10 计算机系统中有三个部件可以改进，这三个部件的部件加速比为： 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和部件2的可改进比例均为30%，那么当部件3的可改进比例为多少时，系统加速比才可以达到10？
（2） 如果三个部件的可改进比例分别为30%、30%和20%，三个部件同时改进，那么系统中不可加速部分的执行时间在总执行时间中占的比例是多少？ 解：（1）在多个部件可改进情况下，Amdahl 定理的扩展：
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计算机体系结构课后答案-标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
第1章计算机系统结构的基本概念
解释下列术语
层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。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：用软件实现的机器。
翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。
解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。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：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。
计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
计算机实现：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，模块、插件、底板的划分与连接，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的倍数。
Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。
程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。包括时间局部性和空间局部性。
计算机系统结构课后习题答案
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）的组成及逻辑设计等。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。
计算机系统结构课后习题答案
计算机系统结构课后习题答案
《计算机系统结构》习题解答
⽬录
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）
第⼆章(P124)
2.3、2.5、2.6（浮点数性能），2.13、2.15（指令编码）
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）
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）
第五章(P343)
5.9（流⽔线性能/时空图），5.15（2种调度算法）
第六章(P391)
6.6（向量流⽔时间计算），6.10（Amdahl定律/MFLOPS）
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）
第⼋章(P498)
8.12（SISD/SIMD算法）
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。)
第⼀章(P33)
1.7
(1)从指定⾓度来看，不必要了解的知识称为透明性概念。 (2)见下表，“√”为透明性概念，“P ”表⽰相关课⽂页数。
1.8见下表，“√”为透明性概念，“P ”表⽰相关课⽂页数。
1.9见下表，“√”表⽰都透明，“应”表⽰仅对应⽤程序员透明，“×”表⽰都不透明。
《计算机系统结构》及参考答案
《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 .
A.选择通道或字节多路通道
B.数组多路通道或字节多路通道
C.数组多路通道或选择通道
D.任意一种通道
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.
A.固件优于软件
B.不等价
C.等价
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 .
A.BCD码
B.ASCII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
计算机系统结构课后答案
第1章部分习题参考答案
1.1 解释下列术语
⏹翻译：先用转换程序将上一级机器级上的程序整个地变换成下一级机器级上可运行的等
效程序，然后再在下一级机器级上去实现的技术。
⏹解释：在下一级机器级上用它的一串语句或指令来仿真上一级机器级上的一条语句或指
令的功能，通过对上一级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。
⏹层次结构：将计算机系统由上往下依次划分为应用语言机器级、高级语言机器级、汇编
语言机器级、操作系统机器级、传统机器级和微程序机器级。对于一个具体的计算机系统，层次的多少会有所不同。
⏹计算机系统结构：传统机器级的程序员所看到计算机的基本属性，即计算机的概念性结
构和功能特性。简称为计算机的外特性。
⏹计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，也常称为计算机组织。该组织包括机器级内
的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
⏹计算机实现：计算机组成的物理实现。它包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的
集成度、速度和信号，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，电源、冷却、装配等技术。
⏹透明性：本来存在的事物或属性，但从某个角度看似乎不存在，称为透明性现象。
⏹固件：是一种具有软件功能的硬件。如将软件固化在ROM中，就是一种固件。
⏹由上往下设计：先考虑如何满足应用要求，确定好面对使用者那级机器应有什么基本功
能和特性，然后再逐级往下设计，每级都考虑怎样优化上一级实现。这种方法适合于专用机设计。
⏹由下往上设计：根据现有的部件，并参照或吸收已有各种机器的特点，先设计出微程序
机器级（如果采用微程序控制）及传统机器级，然后再为不同应用配置多种操作系统和编译系统软件，采用合适的算法来满足相应的应用。这是20世纪60-70年代前常用的通用机设计思路。
计算机系统结构教程课后答案
1.7
某台主频为400MHz 的计算机执行标准测试程序，程序中指令类型、执行数量和平均时钟周期数如下：
指令类型 指令执行数量 平均时钟周期数 整数 45000 1 数据传送 75000 2 浮点 8000 4 分支 1500 2
求该计算机的有效CPI 、MIPS 和程序执行时间。 解：
1(/)n
i i i CPI CPI IC IC ==⨯∑
（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＋1 500×2)／400=575s
1.9 将计算机系统中某一功能的处理速度加快10倍，但该功能的处理时间仅为整个系统运行时间的40%，则采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高多少？
解：由题可知： 可改进比例Fe=40% = 0.4 部件加速比Se = 10
根据()011 1.5625
(10.4)0.4/101n n T S Fe T Fe Se ====-+-+ 1.10 计算机系统中有三个部件可以改进，这三个部件的部件加速比为： 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和部件2的可改进比例均为30%，那么当部件3的可改进比例为多少时，系统加速比才可以达到10？
（2） 如果三个部件的可改进比例分别为30%、30%和20%，三个部件同时改进，那么系统中不可加速部分的执行时间在总执行时间中占的比例是多少？ 解：（1）在多个部件可改进情况下，Amdahl 定理的扩展：
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1、数据结构和机器的数据表示之间是什么关系？确定和引入数据表示的基本原则是什么？
答：数据表示是能由硬件直接识别和引用的数据类型。数据结构反映各种数据元素或信息单元之间的结构关系。数据结构要通过软件映象变换成机器所具有的各种数据表示实现，所以数据表示是数据结构的组成元素。不同的数据表示可为数据结构的实现提供不同的支持，表现在实现效率和方便性不同。数据表示和数据结构是软件、硬件的交界面。
除基本数据表示不可少外，高级数据表示的引入遵循以下原则：（1）看系统的效率有否提高，是否养活了实现时间和存储空间。（2）看引入这种数据表示后，其通用性和利用率是否高。
2、标志符数据表示与描述符数据表示有何区别？描述符数据表示与向量数据表示对向量数据结构所提供的支持有什么不同？
答：标志符数据表示指将数据类型与数据本身直接联系在一起，让机器中每个数所都带类型樗位。其优点是：（1）简化了指令系统和程序设计；（2）简化了编译程序；（3）便于实现一致性校验；（4）能由硬件自动变换数据类型；（5）支持数据库系统的实现与数据类型无关；（6）为软件调试和应用软件开发提供支持。缺点是：（1）会增加程序所点的主存空间；（2）在微观上对机器的性能（运算速度）不利。
数据描述符指数据的描述与数据分开存放，描述所访问的数据是整块还是单个的，及访问该数据块或数据元素的地址住处它具备标志符数据表示的优点，并减少了标志符数据表示所占的空间，为向量和数组结构的实现提供支持。
数据描述符方法优于标志符数据表示，数据的描述与数据分开，描述所访问的数据是整块还是单个的，及访问该数据块或数据元素的地址信息，减少了樗符数据表示所占的窨。用描述符方法实现阵列数据的索引比用变址方法实现要方便，且便于检查出程序中的阵列越界错误。但它不能解决向量和数组的高速运算问题。而在有向量、数组数据表示的向量处理机上，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？
答：有堆栈数据表示的机器称为堆栈机器。它与一般通用寄存器型机器不同。通用寄存器型
机器对堆栈数据结构实现的支持是较差的。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。而堆栈机器为堆栈数据结构的实现提供有力的支持．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。可将以下信息全部压栈，包括：保存子程序的返回地址，保存条件码，保存关键寄存器内容，保存必要的全局型、局部型参数，为子程序开辟存放局部变量和中间结果的工作区。
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=6 m''=48 rm=2, 8, 16
lanjing:
lanjing:
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、正尾数、规格化情况下的最小尾数值、最大尾数值、最大阶值、可表示的最小
值和最大值及可表示数的个数。
（2）对于rp=2,p=2,rm=4,m''=2,重复以上计算。
解：依题意知列下表：
p=2,rm=10,m''=1 p=2,rm=4,m''=2
最小尾数值 10^-1= 4^-1=
最大尾数值 1-10^-1= 1-4^-2=15/16
最大阶值 2p^-1=3 3
可表示的最小值
可表示的最大值 10^3*=900 4^3*15/16=60
可表示数的总个数 36 48
不明白题中“按照使用的倍数来说，等价于m=4,” 这句话是什么意思，有什么作用呢？
6、由4位数（其中最低位为下溢附加位）经ROM查表舍入法，下溢处理成3位结果，设计使下溢下
处理平均误差接近于零的ROM表，列出ROM编码表地址与内容的对应关系。
解：
地址 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
内容 000 001 001 010 010 011 011 100 100 101 101 110 110 111 111 111
7、变址寻址和基址寻址各适用于何种场合？设计一种只用6位地址码就可指向一个大地址空间中
任意64个地址之一的寻址机构。
解：基址寻址是对逻辑地址空间到物理地址空间变换的支持，以利于实现程序的动态再定位。变址寻址是对数组等数据块运算的支持，以利于循环。
将大地址空间64个地址分块，用基址寄存器指出程序所在块号，用指令中6位地址码表示该块内64
个地址之一，这样基址和变址相结合可访问大地址任意64个地址之一。
以下摘自南京大学出版社出版，李学干主编的辅导书
变址寻址适合在标量计算机中，通过循环程序访问变址寄存器，修改其变址值来对向量或数组等数据结构中的各元素进行访问和处理。基址寻址则主要是用于程序的逻辑地址空间到物理地址空间的变换，以支持程序使用动态再定位的技术。
设计一种只用6位地址码就可以指向一个大地址空间中任意64个地址之一的寻址机构，意味着指令中为寻址该操作数的地址码只有6位，只好用来表示这64个地址中的任一个。那么这64个地址之一应当是在哪个大的地址空间的，就得使用其他办法来指明。这里可列举常见的两种做法。
一种是采用隐含寻址，让标志这64个地址是相对哪个基点地址的区域用指令隐式规定的某个专门的寄存器中所存放的基址值来给出。例如，可约定某个变址寄存器或某个基址器。程