第1章計算機系統結構的基本概念
1.1 解釋下列術語
層次機構：按照計算機語言從低階到高階的次序，把計算機系統按功能劃分成多級層次結構，每一層以一種不同的語言為特徵。這些層次依次為：
微程式機器級，傳統機器語言機器級，組合語言機器級，高階語言機器級，應用語言機器級等。
虛擬機器：用軟體實現的機器。
翻譯：先用轉換程式把高一級機器上的程式轉換為低一級機器上等效的程式，然後再在這低一級機器上執行，實現程式的功能。
解釋：對於高一級機器上的程式中的每一條語句或指令，都是轉去執行低一級機器上的一段等效程式。執行完後，再去高一級機器取下一條語句或指令，再進行解釋執行，如此反覆，直到解釋執行完整個程式。
計算機系統結構：傳統機器程式設計師所看到的計算機屬性，即概念性結構與功能特性。
透明性：在計算機技術中，把這種本來存在的事物或屬性，但從某種角度看又好像不存在的概念稱為透明性。
計算機組成：計算機系統結構的邏輯實現，包含物理機器級中的資料流和控制流的組成以及邏輯設計等。
計算機實現：計算機組成的物理實現，包括處理機、主存等部件的物理結構，器件的整合度和速度，模組、外掛程式、底板的劃分與連線，訊號傳輸，電源、冷卻及整機裝配技術等。
系統加速比：對系統中某部分進行改進時，改進後系統效能提高的倍數。
amdahl定律：當對乙個系統中的某個部件進行改進後，所能獲得的整個系統效能的提高，受限於該部件的執行時間佔總執行時間的百分比。
程式的區域性性原理：程式執行時所訪問的儲存器位址不是隨機分布的，而是相對地簇聚。包括時間區域性性和空間區域性性。
cpi：每條指令執行的平均時鐘週期數。
測試程式套件：由各種不同的真實應用程式構成的一組測試程式，用來測試計算機在各個方面的處理效能。
儲存程式計算機：馮·諾依曼結構計算機。其基本點是指令驅動。程式預先存放在計算機儲存器中，機器一旦啟動，就能按照程式指定的邏輯順序執行這些程式，自動完成由程式所描述的處理工作。
系列機：由同一廠家生產的具有相同系統結構、但具有不同組成和實現的一系列不同型號的計算機。
軟體相容：乙個軟體可以不經修改或者只需少量修改就可以由一台計算機移植到另一台計算機上執行。差別只是執行時間的不同。
向上（下）相容：按某檔計算機編制的程式，不加修改就能執行於比它高（低）檔的計算機。
向後（前）相容：按某個時期投入市場的某種型號計算機編制的程式，不加修改地就能執行於在它之後（前）投入市場的計算機。
相容機：由不同公司廠家生產的具有相同系統結構的計算機。
模擬：用軟體的方法在一台現有的計算機（稱為宿主機）上實現另一台計算機（稱為虛擬機器）的指令系統。
**：用一台現有計算機（稱為宿主機）上的微程式去解釋實現另一台計算機（稱為目標機）的指令系統。
並行性：計算機系統在同一時刻或者同一時間間隔內進行多種運算或操作。只要在時間上相互重疊，就存在並行性。它包括同時性與併發性兩種含義。
時間重疊：在並行性概念中引入時間因素，讓多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同一套硬體裝置的各個部分，以加快硬體周轉而贏得速度。
資源重複：在並行性概念中引入空間因素，以數量取勝。通過重複設定硬體資源，大幅度地提高計算機系統的效能。
資源共享：這是一種軟體方法，它使多個任務按一定時間順序輪流使用同一套硬體裝置。
耦合度：反映多機系統中各計算機之間物理連線的緊密程度和互動作用能力的強弱。
緊密耦合系統：又稱直接耦合系統。在這種系統中，計算機之間的物理連線的頻帶較高，一般是通過匯流排或高速開關互連，可以共享主存。
鬆散耦合系統：又稱間接耦合系統，一般是通過通道或通訊線路實現計算機之間的互連，可以共享外存裝置（磁碟、磁帶等）。計算機之間的相互作用是在檔案或資料集一級上進行。
異構型多處理機系統：由多個不同型別、至少擔負不同功能的處理機組成，它們按照作業要求的順序，利用時間重疊原理，依次對它們的多個任務進行加工，各自完成規定的功能動作。
同構型多處理機系統：由多個同型別或至少擔負同等功能的處理機組成，它們同時處理同一作業中能並行執行的多個任務。
1.2 試用例項說明計算機系統結構、計算機組成與計算機實現之間的相互關係。
答：如在設計主存系統時，確定主存容量、編址方式、定址範圍等屬於計算機系統結構。確定主存週期、邏輯上是否採用並行主存、邏輯設計等屬於計算機組成。
選擇儲存晶元型別、微組裝技術、線路設計等屬於計算機實現。
計算機組成是計算機系統結構的邏輯實現。計算機實現是計算機組成的物理實現。一種體系結構可以有多種組成。一種組成可以有多種實現。
1.3 計算機系統結構的flynn分類法是按什麼來分類的？共分為哪幾類？
答：flynn分類法是按照指令流和資料流的多倍性進行分類。把計算機系統的結構分為：
（1） 單指令流單資料流sisd
（2） 單指令流多資料流simd
（3） 多指令流單資料流misd
（4） 多指令流多資料流mimd
1.4 計算機系統設計中經常使用的4個定量原理是什麼？並說出它們的含義。
答：（1）以經常性事件為重點。在計算機系統的設計中，對經常發生的情況，賦予它優先的處理權和資源使用權，以得到更多的總體上的改進。
（2）amdahl定律。加快某部件執行速度所獲得的系統效能加速比，受限於該部件在系統中所佔的重要性。（3）cpu效能公式。
執行乙個程式所需的cpu時間 = ic ×cpi ×時鐘週期時間。（4）程式的區域性性原理。程式在執行時所訪問位址的分布不是隨機的，而是相對地簇聚。
1.5 分別從執行程式的角度和處理資料的角度來看，計算機系統中並行性等級從低到高可分為哪幾級？
答：從處理資料的角度來看，並行性等級從低到高可分為：
（1）字串位串：每次只對乙個字的一位進行處理。這是最基本的序列處理方式，不存在並行性；
（2）字串位並：同時對乙個字的全部位進行處理，不同字之間是序列的。已開始出現並行性；
（3）字並位串：同時對許多字的同一位（稱為位片）進行處理。這種方式具有較高的並行性；
（4）全並行：同時對許多字的全部位或部分位進行處理。這是最高一級的並行。
從執行程式的角度來看，並行性等級從低到高可分為：
（1）指令內部並行：單條指令中各微操作之間的並行；
（2）指令級並行：並行執行兩條或兩條以上的指令；
（3）執行緒級並行：並行執行兩個或兩個以上的執行緒，通常是以乙個程序內派生的多個執行緒為排程單位；
（4）任務級或過程級並行：並行執行兩個或兩個以上的過程或任務（程式段），以子程式或程序為排程單元；
（5）作業或程式級並行：並行執行兩個或兩個以上的作業或程式。
1.6 某台主頻為400mhz的計算機執行標準測試程式，程式中指令型別、執行數量和平均時鐘週期數如下：
求該計算機的有效cpi、mips和程式執行時間。
解：（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）程式執行時間= (45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2)／400=575s
1.7 將計算機系統中某一功能的處理速度加快10倍，但該功能的處理時間僅為整個系統執行時間的40%，則採用此增強功能方法後，能使整個系統的效能提高多少？
解由題可知： 可改進比例 = 40% = 0.4 部件加速比 = 10
根據amdahl定律可知：
1採用此增強功能方法後，能使整個系統的效能提高到原來的1.5625倍。
1.8 計算機系統中有三個部件可以改進，這三個部件的部件加速比為：
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的可改進比例均為30%，那麼當部件3的可改進比例為多少時，系統加速比才可以達到10？
（2） 如果三個部件的可改進比例分別為30%、30%和20%，三個部件同時改進，那麼系統中不可加速部分的執行時間在總執行時間中佔的比例是多少？
解：（1）在多個部件可改進情況下，amdahl定理的擴充套件：
已知s1＝30，s2＝20，s3＝10，sn＝10，f1＝0.3，f2＝0.3，得：
得f3＝0.36，即部件3的可改進比例為36%。
（2）設系統改進前的執行時間為t，則3個部件改進前的執行時間為：（0.3+0.3+0.2）t = 0.8t，不可改進部分的執行時間為0.2t。
已知3個部件改進後的加速比分別為s1＝30，s2＝20，s3＝10，因此3個部件改進後的執行時間為：
改進後整個系統的執行時間為：tn = 0.045t+0.2t = 0.245t
那麼系統中不可改進部分的執行時間在總執行時間中佔的比例是：
1.9 假設某應用程式中有4類操作，通過改進，各操作獲得不同的效能提高。具體資料如下表所示：
（1）改進後，各類操作的加速比分別是多少？
（2）各類操作單獨改進後，程式獲得的加速比分別是多少？
（3）4類操作均改進後，整個程式的加速比是多少？
解：根據amdahl定律可得
4類操作均改進後，整個程式的加速比：
第2章指令集結構的分類
2.1 解釋下列術語
堆疊型機器：cpu 中儲存運算元的單元是堆疊的機器。
累加器型機器：cpu 中儲存運算元的單元是累加器的機器。
通用暫存器型機器：cpu 中儲存運算元的單元是通用暫存器的機器。
cisc：複雜指令集計算機
risc：精簡指令集計算機
定址方式：指令系統中如何形成所要訪問的資料的位址。一般來說，定址方式可以指明指令中的運算元是乙個常數、乙個暫存器運算元或者是乙個儲存器運算元。
計算機體系結構
平行計算 之我見指導老師 陳麗萍 學院 資訊科學與工程學院 班級 計科0908班 姓名 原海南 學號 0909083125 完成日期 2012年5月21日 目錄1.平行計算簡介 1.1什麼是平行計算 1.2為什麼需要平行計算 1.3平行計算的歷史 1.4平行計算的現狀 2.平行計算與網際網路 2.1...
計算機體系結構複習
模擬試題一 課程名稱計算機系統結構適用班級 考試時間 120 分鐘班級學號姓名 一 單項選擇題 本大題共10小題，每小題2分，共20分。在每小題的四個備選答案中選出乙個符合題意的，並將其前面的序號填在題後的括號內。1.按flynn分類法，處理機illiac iv屬於 sisd simd misd m...
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計算機組織與體系結構 實驗報告 實驗名稱 姓名班級 學號實驗一基本運算器實驗 一 實驗目的 1 了解運算器的組成結構。2 掌握運算器的工作原理。二 實驗裝置 pc 機一台，td cma 實驗系統一套。三 實驗原理 本實驗的原理如圖 1 1 1 所示。運算器內部含有三個獨立運算部件，分別為算術 邏輯和...