系统结构课后习题答案

直到由硬件执行或解释那级为止 由下往上设计：首先把微程序机器级和传统机器研制出来，在此基础上，再设计操作系统、汇编语言、
高级语言等虚拟机器级 系列机：相同系统结构，不同组成和实现的一系列计算机 软件兼容：同一软件可应用于不同的环境 兼容机： 模拟：将微程序放在控存中并直接解释另一种机器的指令系统 仿真：将微程序放在主存中并直接解释另一种机器的指令系统 虚拟机： 宿主机： 指令流：机器执行的指令序列 数据流：由指令流调用的数据序列 Amdabl 定律：系统中某一部件由于采用更快的执行方式后，整个系统性能的提高与这种执行方式的使
Sn
1
1 19 20
Fe
Sn
20
1
0
1 Fe
1.13 上式中令 Sn=2，解出 Fe=10/19≈0.526
1.14 上式中令 Sn=10，解出 Fe=18/19≈0.947
1.14 在题 1.12 中，为获得采用向量方式最大加速比的半值（即 10）时，所需可向量化的百分比为多少？ 解：
Sn 1 1 19 Fe 20
1.8 从机器（汇编）语言程序员看，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。
答：透明的有：指令缓冲器、时标发生器、乘法器、先进先出链、移位器、主存地址寄存器。
见下表，“√”为透明性概念，“P”表示相关课文页数。
1.7 什么是透明性概念？对计算机系统结构，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。 答：透明指的是客观存在的事物或属性从某个角度看不到。
行”指令；指令缓冲寄存器。
答：系列机各档不同的数据通路宽度；虚拟存储器；Cache 存储器；程序状态字；“启动 I/O”指令；“执行”
指令；指令缓冲寄存器。
答:系列机各档不同的数据通路宽度、Cache 存贮器、指令缓冲寄存器属于计算机组成，对系统和程序员和
应用程序员都是透明的。虚拟存贮器、程序状态字、“启动 I/O”指令，对系统程序员是不透明的，而对应
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，×，
先行进位链，√，
移位器，√，
通用寄存器 ，×，
中断字寄存器，×，
1.9 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？
系统机各档不同的数据通路宽带；虚拟存储器；Cache 存储器；程序状态字；“启动 I/O”指令；“执
例 4（习题 19）：用一台 40MHz 处理机执行标准测试程序，它包含的混和指令数和相应所需的时 钟周期如表 1－1 所示。求有效 CPI、MIPS 速率和程序的执行时间。
表 1－1 标准测试程序所含指令数与相应的 CPI
解：
n
CPIi Ii
根据 Amdahl 定律，加速比为：
Sn
1 (1 0.4)
0.4
1 0.64
1.56
10
例 2：假定要将某一执行部件改经后速度提高 10 倍，改经后被改经部件执行时间占系统总运行
时间的 50%。问改经后，获得的加速比 Sn 是多少？
解：由题意可知：Se=10， 根据 Amdahl 定律，加速比为：
不可以考虑的有：（2）（5）（8）。
1.12 如果某一计算机任务用向量方式求解比用标量方式求解要快 20 倍，称可用向量方式求解部分所花费 时间占总的时间的百分比为可向量化百分比。请画出加速比与可向量化比例两者关系的曲线。 解：已知 Se=20 , 求作 Fe-Sn 关系曲线。
将 Se 代入 Amdahl 定律得
1.1 解释下列术语 层次结构：计算机系统由硬件/器件和软件组成，按功能划分成多级层次的结构。 计算机系统结构：1.程序员所看到计算机系统的属性（概念性结构和结构）。 2.由软件、硬件和固件组成的 计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现 计算机实现：计算机组成的物理实现 透明性：一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在 由上往下设计：首先确定用户级虚拟机器的基本特征、数据类型和基本命令等，而后再逐级向下设计，
Fe 10Tn
得：
2T 0
Sn
T0 Tn
1 (1 Fe)
Fe Se
由(1)式：
(4)式代入(1)式，得：
Sn T 0 5.5 Tn
Tn
((1
Fe)
Fe Se
)
T
0
由题意：
由(4)、 (5)式：
Fe 10 91% 11
50%Tn FeT 0 10
例 3：计算 PentiumIV 2GHz 处理机的指令执行速度。 解：由于 PentiumIV 2GHz 处理机的 IPC＝4（或 CPI＝0.25）, Fz＝2000MHz 因此，MIPSPentiumIV2G＝Fz IPC＝2000 4 ＝8000MIPS＝8GIPS 即每秒钟 80 亿次(平均每秒钟执行 80 亿条指令)
Se
5
1.20 某工作站采用时钟频率为 15MHz、处理速率为 10MIPS 的处理机来执行一个已知混合程序。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提高到 30MHz，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%指令每条只需要一次存储存取，而另外 5%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。
着眼于器件技术和微组装技术。
(2)见下表，“√”为透明性概念，“P”表示相关课文页数。
模 m 交叉，√，
浮点数据，×，P4
总线宽度，√，
阵列运算部件，×，
单总线，√，
访问保护，×，
指令控制方式，√，
堆栈指令，×，
Cache 存储器，√，
通道与 I/O 处理机，×，P4 结合型与独立型通道，√， 中断，×， 最小编址单位，×，
透明的有：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。
不透明的有：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 19 Fe 1 20 10
Fe 18 94.74% 19
1.16 某计算机的调整小容量存储器能存储 2000 条指令，假设其中 10%的指令承担了 90%的指令访问且对这 10%的指令的使用是均匀的（即其中每条指令的执行时间相同）。如果要执行的某程序共有 50000 条指令且 已知其中的 10%是频繁使用的，则该计算机执行该程序时，在调整小容量存储器中能访问到的指令会点距 多少百分比？
1.2 如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分成 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 K ns 时间，那么执行第 2、3、4 级的一条指令各需要多少时间？ 答：执行第 2、3、4 级的一条指令各需 KN ns、(N*N)*K ns、(N*N*N)*K ns 的时间。
CPI f 15 1.5
答：(1)
MIPS 10
MIPSnew fnew
30
15.8MIPS
(2)
CPInew 0.31 0.05 2 1.5
1.24 假定你是一个计算机设计者，对高级语言结构的使用研究表明，过程调用 是最常用的操作之一。你 已设想一个优化设计方案，它能减少过程调用和返回所需的取/存指令次数。为了进行验证，对未加优化 和已优化的方案进行实验测试，假定所使用的是相同的优化编辑器。实验测得结果如下： （1）未优化方案的时钟周期比优化的快 5%； （2）未优化方案中的取/存指令数占总指令数的 30%； （3）优化方案的取/存指令数比未优化的少 1/3。对于其他指令，两种方案的动态执行数没有变化； （4）所有指令，包括取/存，均只需 1 个时钟周期。 要求你定量地判断，哪一种设计方案的计算机工作速度更快。 解：CPI ＝ 1，则有： 方法一、 T 未 ＝ IC × CPI × T（1 － 5％) ＝ 0.95 IC×T T 优＝IC×CPI×T（1 － 30％）＋IC×CPI×T×30％（1－1/3）＝0.9 IC×T 由于 T 优/T 未 ＝ 0.9/0.95 ＝ 0.947 方法二、 指令条数优化加速比： Sn = 1/((1 – Fe) + Fe/Se) = 1/((1 – 0.3) + 0.3/1.5) = 10/9 IC 未=10/9×IC 优 T 未= IC 未×（95/100×T）=10/9×IC 优×（95/100×T）=95/90×（IC 优×T）=95/90×T 优 所以，优化后的方案使计算机工作速度更快。
属于计算机系统结构的属性有：数据表示、寻址方式、寄存器组织、指令系统、存储组织、中断机构、 I/O 结构、保护机构等。
属于组成的属性有：数据通路宽度、专用部件设置、功能部件并行度、控制机构的组成方式，可靠性 技术等。它着眼于机器内各事件的排序方式，控制机构的功能及部件间的关系。
属于实现的属性有：部件的物理结构、器件、模块的划分与连接、微组装技术、信号传输技术等，它
答： 记 Tc ── 新方案时钟周期，已知 CPI = CPIi = 1 原时间 = CPI × IC × 0.95Tc = 0.95IC×Tc 新时间 = （0.3×2/3+0.7）× IC × Tc = 0.9IC×Tc 二者比较，新时间较短。