广西工学院计算机系统结构习题与答案(15页,有题有答案)

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广西工学院《计算机系统结构》习题及答案 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。

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。

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)3Ks

1.3 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容，都是不透明的。或者说有关系统结构属性所包括的容，对系统结构都不透明。

解：客观存在的事物或属性，从某个角度看，它好像不存在，称之为透明性。

对于计算机系统结构，透明的是：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。

对于计算机系统结构，不透明的是：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。

1.4 从机器（汇编）语言程序员的角度来看，以下哪些是透明的？

指令地址寄存器、指令缓冲器、时标发生器、条件码寄存器、乘法器、主存地址寄存器、磁盘外设、先行进位链、移位器、通用寄存器、中断字寄存器。

【分析】从机器（汇编）语言程序员的角度来看，实际上就是从计算机系统结构看的容。在汇编语言程序中直接用到的，肯定是不透明的。

解：对机器（汇编）语言程序员透明的：指令缓冲器、时标发生器、乘法器、主存地址寄存器、先行进位链、移位器。

对机器（汇编）语言程序员不透明的：指令地址寄存器、条件码寄存器、磁盘外设、通用寄存器、中断字寄存器。

1.5 下列哪些对系统程序员是透明的？哪些对应用程序员是透明的？

系列机各档不同的数据宽度、虚拟存储器、Cache存储器、程序状态字、“启动I/O”指令、“执行”指令、指令缓冲存储器

【分析】系统程序员和应用程序员都有可能应用汇编语言或机器语言编程，当然也可能使用高级语言编程。所以，属全硬件实现的计算机组成所包含的方面，对他们都是透明的。

解：对系统程序员（编写系统软件的人）和应用程序员透明的：系列机各档不同的数据宽度、Cache存储器、指令缓冲存储器。

虚拟存储器、程序状态字、“启动I/O”指令对系统程序员不透明，对应用程序员透明。

“执行”指令对系统程序员、应用程序员不透明。

1.8 用一台40MHz处理机执行标准测试程序，它含的混合指令数和相应所需的时钟周期数如下：求有效CPI、MIPS速率和程序的执行时间.

解：时钟周期

程序执行时钟周期数Tn=45000+2 ×32000+ 2 ×15000+ 2 ×8000=155000

程序执行时间Ts=(45000+2 ×32000+ 2 ×15000+ 2 ×8000) ×0.25 ×10-7 =3.875ms

IC=45000+32000+15000+8000=1 ×105

MIPS=IC/Ts ×10-6=26

CPI=Tn/IC=1.55

1.6 想在系列机中发展一种新型号机器，你认为下列哪些设想可以考虑，哪些则不行，为什么？

（1）新增加字符数据类型和若干条字符处理指令，以支持事务数据处理程序的编译。

（2）为增强中断处理功能，将中断分级由原来的4级增加到5级，并重新调整中断响应的优先次序。

（3）在CPU与主存之间增设Cache存储器，以克服访存速度过低的系统性能瓶颈。

（4）为解决计算误差较大问题，将机器中浮点数的下溢处理方法由原来的“恒置1”法，改为增设用只读存储器存放下溢处理结果的查表舍入法。

（5）为增加寻址灵活性和减少平均指令字长，将原来全部采用等长操作码的指令，改为具有3类不同码长的扩展操作码。

（6）将CPU与主存之间的数据通路宽度由16位扩展成32位，以加快主机部的数据传送。

（7）为减少使用公用总线的冲突，将单总线改为双总线。

（8）把原来的0号通用寄存器改作专用的堆栈指示器。

【分析】系列机发展新型号机器最主要的是必须保证应用软件的向后兼容。一般属于计算机组成和实现的东西的改进不会影响系统结构。

解：（1）可以。新增加数据类型和指令，不影响已有指令编写的程序的执行。

（2）不可以。重新调整中断响应的优先次序，会影响原有程序工作的正确性。

（3）可以。Cache存储器属于计算机组成。

（4）可以。浮点数尾数的下溢处理属于计算机组成。

（5）不可以。指令系统的改变，会直接导致原有程序不能正确运行。

（6）可以。数据通路宽度属于计算机组成。

（7）可以。单总线改为双总线属于计算机组成。

（8）不可以。通用寄存器的改变无疑会影响原有相关指令的运行，以致程序不能正常工作。

1.7 假设Cache工作速度为主存的5倍，且Cache被访问命中的概率为90%，则采用Cache后，能使整个存储系统获得多高的加速比？

解：∵ Se=5 Fe=0.9∴ Sn=1/(1-Fe+Fe/Se)= 3.57

1.8 用一台40MHz

求有效CPI、MIPS

解：时钟周期T=1/(40×106)=0.25 ×10-7 s