第一章第二章习题及答案

计算机体系结构习题及答案

第一章基础知识

1．名词解释

翻译解释模拟仿真透明性程序访问局部性

[答案]略

翻译：先用转换程序将高一级机器上的程序整个地变换成为低一级机器上可运行的等效程序，然后再在低一级机器级上去实现的技术。

解释：在低一级机器上用它的一串语句或指令来仿真高一级机器级上的一条语句或指令的功能，通过对高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。

模拟：指用软件的方法在一台计算机(宿主机A)上，实现另一台计算机(虚拟机B)的指令系统。

仿真：用微程序的方法在一台计算机(宿主机A)上实现另一台计算机(目标机B)的指令系统。透明性：一种本来是存在的事务或属性, 但从某种角度看却好像不存在。

程序访问的局部性原理：是指程序执行过程中，呈现出频繁重新使用那些最近已被使用过的数据和指令的规律。程序访问的局部性包括时间局部性和空间局部性。

2. 一个经解释实现的计算机可以按功能划分为四级. 每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令. 若执行第一级的一条指令需要的时间为K ns, 那么执行第二、三、四级的一条指令各需要多少时间?

[答案] NK ns; N2K ns; N3K ns

3. 计算机系统按功能划分层次结构的好处主要体现在哪些方面?

[答案] (1) 有利于理解软件, 硬件和固件在系统中的地位和作用;

(2) 有利于理解各种语言的实质和实现途径;

(3) 有利于推动计算机系统结构的发展;

(4) 有利于理解计算机系统结构的定义.

4. 什么是透明性? 对计算机系统结构, 下列哪些是透明的? 哪些是不透明的?

1)存储器的模m交叉存取; 2)浮点数据表示; 3) I/O系统是采用通道方式还是I/O处理机方式; 4) 阵列运算部件; 5) 数据总线宽度; 6) 通道是采用结合型的还是独立型的; 7) 访问方式保护; 8) 程序性中断; 9) 串行、重叠还是流水控制方式; 10) 堆栈指令; 11) 存储器的最小编址单位; 12) Cache存储器.

[答案] 一种本来是存在的事务或属性, 但从某种角度看却好像不存在, 称为透明性.

对计算机系统结构来说透明的是: 1), 4), 5), 6), 9), 12)

对计算机系统结构来说不透明的是:2), 3), 7), 8), 10), 11)

5. 什么是计算机体系结构? 什么是计算机组成? 什么是计算机实现? 并说明三者的关系和相互影响?

[答案] 计算机系统结构是计算机系统的软, 硬件分界面, 是机器语言程序员或是编译程序员所需了解的计算机属性;

计算机组成是计算机系统结构的逻辑事项;

计算机实现是计算机组成的物理实现.

三者的关系和互相影响为:

(1) 具有相同系统结构的计算机可以采用不同的组成; (2) 一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现;

(3) 计算机组成、计算机实现对计算机系统结构有着很大的影响;

(4) 计算机系统结构的设计不应限制计算机组成和实现技术，应能用于高档机，也可用于低

挡机;

(5) 在不同时期, 计算机系统结构,、组成和实现所包含的内容会有所变化，三者之间的界线

常常很模糊.

6. 从机器(汇编)语言程序员角度看, 以下哪些是透明的? 1) 指令地址存储器; 2) 指令缓冲器; 3) 时标发生器; 4) 条件码寄存器; 5) 乘法器; 6) 主存地址寄存器; 7) 磁盘外设; 8) 先行进位链; 10) 通用寄存器; 11) 中断字寄存器. [答案] 对机器(汇编)语言程序员来说透明的有: 2), 3), 5), 6), 8), 9) 对机器(汇编)语言程序员来说不透明的有: 1), 4), 7), 10), 11)

7. 假设在一台40 MHz 处理机上运行200 000条指令的目标代码, 程序主要由四种类型的指令所组成. 根据程序跟踪实验结果, 各类指令的混合比和每类指令的CPI 值如表1.9所示.

表1.9 各类指令的指令混合比及每类指令的CPI 值

指令类型 指令混合比

CPI

算术和逻辑

60% 1 高速缓存命中的加载/存储

18% 2 转移

12% 3 高速缓存缺失的存储器访问

10% 4

(1) 试计算在单处理机上执行上述该程序时的平均CPI;

(2) 根据(1)所得到的CPI, 计算相应的MIPS 速率及程序的执行时间. [答案] (1) 2.24 CPI (2) 17.86 MPIS; 0.0112 s

8. 某工作站采用时钟频率为15 MHz 、处理速率为10 MIPS 的处理机来执行一个程序，假定每次存储器存取为1周期延迟, 试问:

(1) 此计算机的有效CPI 是多少?

(2) 假定将处理机的时钟频率提高到30 MHz, 但存储器子系统速率不变, 这样, 每次存

储器存取需要两个时钟周期. 如果30%的指令每条只需要一次存储存取, 而另外5%的指令每条需要两次存储存取, 还假定已知混合程序的指令数不变, 并与原工作站兼容, 试求改进后的处理机性能（计算MIPS ）.

[答案] (1) 5.1=10×1010×15=10×=6

6

6MIPS f CPI ;

(2) 改造以后处理机的CPI 发生变化，30%的指令每条只需要一次存储存取, 由于时钟周期缩短，这类以前需要1个时钟周期用于存储，而现在需要增加1个时钟周期用于存储。同理，5%的指令每条需要两次存储存取, 这类以前需要2个时钟周期用于存储，而现在需要增加2*2个时钟周期用于存储。而其他指令不需访存，所以所需时钟周期不变，改造后 CPI 为：

9.1=1.0+3.0+5.1=)24(×%5+)12(×%30+=OLD NEW CPI CPI