計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)習(xí)題解答

1、 13 典型習(xí)題和題例分析與解答 題1.1 有一個(gè)經(jīng)解釋實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)，可以按功能劃分成4級(jí)。每一級(jí)為了執(zhí)行一條指令需要下一級(jí)的N條指令解釋。若執(zhí)行第1級(jí)的一條指令要K ns時(shí)間，那么執(zhí)行第2、第3、第4級(jí)的一條指令各需要用多少時(shí)間? 分析 計(jì)算機(jī)按功能分成級(jí)時(shí)，最底層是第l級(jí)，向上依次為第2、第3和第4級(jí)；解釋方式的執(zhí)行是在低級(jí)機(jī)器級(jí)上用它的一串語句或指令來仿真高一級(jí)機(jī)器級(jí)上的一條語 句或指令的功能，而且是通過對(duì)高級(jí)機(jī)器級(jí)程序中的每條語句或指令逐條加以解釋來實(shí)現(xiàn)的。 解答 執(zhí)行第2、第3、第4級(jí)的一條指令各需KN ns、KN2 ns、KN3 ns的時(shí)間。 題1.2 操作系統(tǒng)機(jī)器級(jí)的某些指令就用

2、傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)的指令，這些指令可以用微程序直接實(shí)現(xiàn)，而不必由操作系繞自己來實(shí)現(xiàn)。你認(rèn)為這樣做有哪些好處？ 解答 這樣做，可以加快操作系統(tǒng)中操作命令解釋的速度，同時(shí)也節(jié)省了存放解釋操作命令這部分解釋程序所占的存貯空間，簡化了操作系統(tǒng)機(jī)器級(jí)的設(shè)計(jì)，也有利于減少傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)的指令條數(shù)。 題1.3 有一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可按功能分成4級(jí)，各級(jí)的指令都不相同，每一級(jí)的指令都比其下一級(jí)的指令在效能上強(qiáng)M倍，即第i級(jí)的一條指令能完成第i-1級(jí)的M條指令的計(jì)算量。現(xiàn)若需第i級(jí)的N條指令解釋第i+l級(jí)的一條指令，而有一段第l級(jí)的程序需要運(yùn)行的時(shí)間為K s，問在第2、3和4級(jí)上一段等效的程序各需要運(yùn)行多長時(shí)間? 分析 因?yàn)閺?/p>

3、功能意義上講，第i級(jí)的一條指令能完成第i-1級(jí)的M條指令的計(jì)算量，但第i級(jí)的一條指令的執(zhí)行，都是靠第i-1級(jí)的N條指令的執(zhí)行來解釋完成。已知，第1級(jí)的一段程序運(yùn)行時(shí)間為K s。第2級(jí)的一段程序從功能等效上講，所需的指令條數(shù)應(yīng)當(dāng)是第1級(jí)上指令數(shù)的1/M。而由第1級(jí)解釋時(shí)又需要執(zhí)行N條指令，所以，第2級(jí)一段等效程序的運(yùn)行就需要K的時(shí)間。第3、4級(jí)則可依次類推。 解答 第2、3和4級(jí)上的一段等效程序分別需要K、Ks和K的時(shí)間。 題1.4 硬件和軟件在什么意義上是等效的?在什么意義上又是不等效的?試舉例說明。 解答 硬件和軟件在邏輯功能上是等效的。在原理上，用軟件實(shí)現(xiàn)的功能完全可以用硬件或固件(微程序

4、解釋)來完成。用硬件實(shí)現(xiàn)的功能也可以通過用軟件進(jìn)行模擬來完成，只是反映在速度、價(jià)格、實(shí)現(xiàn)的難易程度上，這兩者是不同的。 例如，編譯程序、操作系統(tǒng)等許多用機(jī)器語言軟件子程序?qū)崿F(xiàn)的功能完全可以用組合電路硬件或微程序固件來解釋實(shí)現(xiàn)。它們的差別只是軟件實(shí)現(xiàn)的速度慢，軟件的編制復(fù)雜，編程工作量大，程序所占的存貯空間量較多，這些都是不利的；但是，這樣所花硬件少，硬件實(shí)現(xiàn)上也就因此而簡單容易，硬件的成本低，解題的靈活性和適應(yīng)性較好，這些都是有利的。又如，乘除法運(yùn)算可以經(jīng)機(jī)器專門設(shè)計(jì)的乘法指令用硬件電路或乘除部件來實(shí)現(xiàn)，也可以通過執(zhí)行一個(gè)使用相加、移位、比較、循環(huán)等機(jī)器指令組成的機(jī)器語言子程序來實(shí)現(xiàn)。向量、數(shù)

5、組運(yùn)算在向量處理機(jī)中是直接使用向量、數(shù)組類指令和流水或陣列等向量運(yùn)算部件的硬件方式來實(shí)現(xiàn)，但在標(biāo)量處理機(jī)上也可以通過執(zhí)行用標(biāo)量指令組成的循環(huán)程序的軟件方式來完成。 浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算可以直接通過設(shè)置浮點(diǎn)運(yùn)算指令用硬件來實(shí)現(xiàn)，也可以用兩個(gè)定點(diǎn)數(shù)分別表示浮點(diǎn)數(shù)的階碼和尾數(shù)，通過程序方法把浮點(diǎn)數(shù)階碼和尾數(shù)的運(yùn)算映象變換成兩個(gè)定點(diǎn)數(shù)的運(yùn)算，用于程序軟的方式來實(shí)現(xiàn)。十進(jìn)制數(shù)的運(yùn)算可以通過專門設(shè)置十進(jìn)制運(yùn)算類指令和專門的十進(jìn)制運(yùn)算部件硬的方式來完成，或者通過設(shè)置BCD數(shù)的表示和若干BCD數(shù)運(yùn)算的校正指令來軟硬結(jié)合地實(shí)現(xiàn)，也可以先經(jīng)10轉(zhuǎn)2的數(shù)制轉(zhuǎn)換子程序?qū)⑹M(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)成二進(jìn)制數(shù)，再用二進(jìn)制運(yùn)算類指令運(yùn)算，所得結(jié)果又

6、調(diào)用2轉(zhuǎn)10的數(shù)制轉(zhuǎn)換子程序轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)結(jié)果，用全軟的方式實(shí)現(xiàn)。 題1.5 什么是透明性概念?對(duì)于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，下列哪些是透明的?哪些是不透明的? 存貯器的模m交叉存?。焊↑c(diǎn)數(shù)據(jù)表示：IO系統(tǒng)是采用通道方式還是外圍處理機(jī)方式；數(shù)據(jù)總線寬度；字符行運(yùn)算指令；陣列運(yùn)算部件；通道是采用結(jié)合型還是獨(dú)立型：PDP11系列中的單總線結(jié)構(gòu)；訪問方式保護(hù)；程序性中斷；串行、重疊還是流水控制方式；堆棧指令；存貯器的最小編址單位；Cache存貯器。 分析 所謂透明就是看不到，不屬于其管理的部分。對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是否透明，首先要弄清教材1.2.1節(jié)中有關(guān)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義和所包含的屬性內(nèi)容。簡單來說，凡是編寫

7、機(jī)器語言和匯編語言程序要用到的數(shù)據(jù)表示、指令系統(tǒng)、尋址方式、寄存器組織、機(jī)器級(jí)IO結(jié)構(gòu)、存貯容量及其編址方式、中斷機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)管態(tài)和目態(tài)間的切換、信息保護(hù)方式和機(jī)構(gòu)等對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都是不透明的。而全部由硬件實(shí)現(xiàn)，或是在機(jī)器語言、匯編語言編程中不會(huì)出現(xiàn)和不需要了解的部分，以及只影響機(jī)器的速度和價(jià)格的邏輯實(shí)現(xiàn)(計(jì)算機(jī)組成)和物理實(shí)現(xiàn)(計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn))的那些部分，對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都是透明的。 解答 客觀存在的事物或?qū)傩?。從某個(gè)角度去看，卻看不到，稱這些事物和屬性對(duì)他是透明的。透明了就可以簡化這部分的設(shè)計(jì)，然而因?yàn)橥该鞫鵁o法控制和干預(yù)，就會(huì)帶來不利。因此，透明性的取舍要正確選擇。 對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)透明的有

8、：存貯器的模m交叉存取，數(shù)據(jù)總線寬度，陣列運(yùn)算部件，通道是采用結(jié)合型還是獨(dú)立型，PDP一11系列的單總線結(jié)構(gòu)，串行、重疊還是流水控制方式，Cache存貯器。 對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不透明的有：浮點(diǎn)數(shù)據(jù)表示，IO系統(tǒng)采用通道方式還是外圍處理機(jī)方式，字符行運(yùn)算指令，訪問方式保護(hù)，程序性中斷，堆棧指令，存貯器最小編址單位。 題1.6 從機(jī)器(匯編)語言程序員的角度來看，以下哪些是透明的? 指令地址寄存器；指令緩沖器；時(shí)標(biāo)發(fā)生器；條件碼寄存器；乘法器；主存地址寄存器；磁盤外設(shè)；先行進(jìn)位鏈；移位器；通用寄存器；中斷字寄存器。 分析 從機(jī)器(匯編)語言程序員看，實(shí)際上也就是從計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)看的內(nèi)容。 指令地址寄

9、存器就是程序計(jì)數(shù)器，匯編語言或機(jī)器語言程序都要用到它的，其位數(shù)多少會(huì)影響到可執(zhí)行程序的空間大小。指令緩沖器、主存地址寄存器都屬于計(jì)算機(jī)組成中的緩沖器技術(shù)，是由全硬件實(shí)現(xiàn)的，系統(tǒng)程序不參預(yù)對(duì)它們的管理。時(shí)標(biāo)發(fā)生器、乘法器、先行進(jìn)位鏈、移位器等都屬于計(jì)算機(jī)組成中的專用部件配臀，它只影響機(jī)器的速度和價(jià)格，與軟件編程無關(guān)。條件碼寄存器是存放指令執(zhí)行后生成反映結(jié)果狀態(tài)或特征的標(biāo)志碼，它要供轉(zhuǎn)移等指令使用，是編程要用到的。磁盤外設(shè)的種類、編址方式、容量等都是磁盤管理服務(wù)程序要用到的。通用寄存器的數(shù)量、位效、編址、使用規(guī)定在匯編語言程序和機(jī)器語言程序中都是會(huì)直接用到的。中斷字寄存器是用來記錄每一個(gè)中斷類中，

10、各個(gè)中斷源發(fā)生中斷請(qǐng)求的狀況的，它是中斷服務(wù)程序在處理中斷時(shí)要用到的。 解答 從機(jī)器(匯編)語言程序員來看，透明的有：指令緩沖器，時(shí)標(biāo)發(fā)生器，乘法器，主存地址寄存器，先行進(jìn)位鏈，移位器。 題1.7 下列哪些對(duì)系統(tǒng)程序員是透明的?哪些對(duì)應(yīng)用程序員是透明的? 系列機(jī)各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度；虛擬存貯器；Cache存貯器；程序狀態(tài)字：“啟動(dòng)IO”指令；“執(zhí)行”指令；指令緩沖寄存器。 分析 系統(tǒng)程序員是編寫諸如操作系統(tǒng)、編譯程序等各種系統(tǒng)軟件的人員。應(yīng)用程序員是指利用計(jì)算機(jī)及所配的系統(tǒng)軟件支持來編寫解決具體應(yīng)用問題的程序員。他們都可以使用匯編語言或機(jī)器語言來編寫程序，當(dāng)然也可以用高級(jí)語言來編寫程序。所以

11、，對(duì)系統(tǒng)程序員或應(yīng)用程序員是不透明的，應(yīng)包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)所包含的各個(gè)方面。而屬全硬件實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)組成所包含的方面，如系列機(jī)各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度、Cache存貯器、指令緩沖寄存器等，無論是對(duì)系統(tǒng)程序員，還是對(duì)應(yīng)用程序員都應(yīng)當(dāng)是透明的。對(duì)目前高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來講，大多數(shù)都是多用戶環(huán)境，應(yīng)用程序(也稱算態(tài)，目態(tài)或用戶態(tài)程序)中不允許使用管態(tài)(也林系統(tǒng)態(tài)，監(jiān)督態(tài))中所用的特權(quán)指令。 例如，大型多用戶系統(tǒng)中，程序狀態(tài)字是用于反映計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在當(dāng)前程序的各種關(guān)鍵狀態(tài)(它并不是IBM PC計(jì)算機(jī)那種狹義的所謂程序狀態(tài)字)的，它是操作系統(tǒng)用于管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)資源及其使用狀況的，用戶是不能直接對(duì)程序狀態(tài)字內(nèi)容進(jìn)

12、行讀，寫和訪問的，只能由系統(tǒng)來管理?！皢?dòng)IO”指令是大型機(jī)中的種管態(tài)指令，屬于特權(quán)指令，只能在操作系繞程序中使用(見教材中第3章3.4.1節(jié)的介紹)。用戶程序是不能用它來直接啟動(dòng)IO通道和設(shè)備的。虛擬存貯器(參看教材第4章4.1.3節(jié))是一個(gè)主存輔存兩級(jí)存貯層次。它對(duì)應(yīng)用程序員是完全透明的，使應(yīng)用程序不必作任何修改就可以在系統(tǒng)上運(yùn)行。但是，在操作系統(tǒng)中必須配置有相應(yīng)的管理軟件，能對(duì)其虛實(shí)外部地址的映象和變換、程序的換道、程序由輔存調(diào)入主存、主存頁面的替換、存貯保護(hù)等進(jìn)行管理，所以對(duì)系統(tǒng)程序員來說是不透明的?！皥?zhí)行”指令(參看教材中第5章5.1.2節(jié))是IBM 370等系列機(jī)上用于解決程序在執(zhí)

13、行過程中不準(zhǔn)修改指令，又允許將指令放在操作數(shù)區(qū)中作修改，以滿足指令在執(zhí)行過程中允許修改的要求。這種指令無論是用戶程序，還是系統(tǒng)程序，都希望可以被使用，所以，“執(zhí)行”指令應(yīng)設(shè)計(jì)成對(duì)應(yīng)用程序員和系統(tǒng)程序員都是不透明的。 解答 系列機(jī)各檔不同的數(shù)據(jù)通路寬度、Cache存貯器、指令緩沖寄存器屬計(jì)算機(jī)組成，對(duì)系統(tǒng)程序員和應(yīng)用程序員都是透明的。虛擬存貯器、程序狀態(tài)字、“啟動(dòng)IO”指令，對(duì)系統(tǒng)程序員是不透明的，面對(duì)應(yīng)用程序員卻是透明的?！皥?zhí)行”指令則對(duì)系統(tǒng)程序員和應(yīng)用程序員都是不透明的。 題1.8 想在系列機(jī)中發(fā)展一種新型號(hào)機(jī)器，你認(rèn)為下列哪些設(shè)想是可以考慮的?哪些則是不行的?為什么? (1)新增加字符數(shù)據(jù)

14、類型和若干條字符處理指令，以支持事務(wù)處理程序的編譯。 (2)為增強(qiáng)中斷處理功能，將中斷分級(jí)由原來的4級(jí)增加到5級(jí)，并重新調(diào)整中斷響應(yīng)的優(yōu)先次序。 (3)在CPU和主存之間增設(shè)Cache存貯器，以克服因主存訪問速率過低而造成的系統(tǒng)性能瓶頸。 (4)為解決計(jì)算誤差較大，將機(jī)器中浮點(diǎn)數(shù)的下濫處理方法由原來的恒置“1” (5)為增加尋址靈活性和減少平均指令字長，將原來全部采用等長操作碼的指令改成有3類不同碼長的擴(kuò)展操作碼；將源操作數(shù)尋址方式由原來的操作碼指明改成增加一個(gè)如VAX11那樣的尋址方式位字段來指明。 (6)將CPU與主存之間的數(shù)據(jù)通路寬度由16位擴(kuò)展成32位，以加快主機(jī)內(nèi)部信息的傳送。 (7

15、)為減少使用公用總線的沖突，將單總線改為雙總線。 (8)把原來的0號(hào)通用寄存器改作專用的堆棧指示器。 分析 系列機(jī)發(fā)展新型號(hào)機(jī)器最主要的是必須保證應(yīng)用軟件的向后兼容。就是說，早先機(jī)界上運(yùn)行的程序在后面的新機(jī)器上應(yīng)能照樣運(yùn)行，只是后面出來的新機(jī)器因?yàn)樵鰪?qiáng)了它的功能和速度，可以提高其性能。因此，對(duì)于那些不屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而屬于計(jì)算機(jī)組成和實(shí)現(xiàn)的東西，不管是增加、刪去，還是修改，都不會(huì)影響到匯編語言程序和機(jī)器語言程序在系列機(jī)上的兼容。但是，對(duì)于屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的那些內(nèi)容，為保證軟件的向后兼容，則只能增加其新的功能或部件，而不能去刪掉或更改已有的功能或部件。否則，就保證不了原有的程序能在新機(jī)器上

16、正確運(yùn)行了。 解答 (1)可以。因?yàn)樗m然是屬計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容，但它是新增加的數(shù)據(jù)類型和指令，不會(huì)影響到已有指令所寫的程序正確運(yùn)行，只是現(xiàn)在用新增加的指令來寫程序，會(huì)使計(jì)算機(jī)的性能和效率變得更好。 (2)不可以。中斷的分緩和中斷的響應(yīng)次序等中斷機(jī)構(gòu)都屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。中斷分級(jí)由原來的4級(jí)增加到5級(jí)應(yīng)當(dāng)還是允許的，關(guān)鍵是重新調(diào)整了中斷響應(yīng)的優(yōu)先次序，這就使原有程序的中斷響應(yīng)次序發(fā)生了改變，會(huì)影響碾有程序工作的正確性。 (3)可以。Cache存貯器屬于計(jì)算機(jī)組成，它不會(huì)改變?cè)械南到y(tǒng)程序和應(yīng)用程序，不會(huì)影響到它們的正常運(yùn)行。只是有了Cache存貯器后，系統(tǒng)的性能有了明顯的提高。 (4)

17、可以。浮點(diǎn)數(shù)尾數(shù)的下溢處理(參見教材中第2章的2.1.4節(jié))不屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而是計(jì)算機(jī)組成設(shè)計(jì)所考慮的內(nèi)容。 (5)不可以。指令的操作碼、字段格式、尋址方式等的指明都是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。如果將它們加以改變，就會(huì)直接導(dǎo)致以前編寫的程序都不能正確運(yùn)行了。 (6)可以。數(shù)據(jù)通路寬度是計(jì)算機(jī)組成的內(nèi)容。 (7)可以。單總線改為雙總線是計(jì)算機(jī)組成的內(nèi)容。 (8)不可以。通用寄存器的使用是屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容。0號(hào)通用寄存器改作堆棧指示器，將使原先程序中0號(hào)通用寄存器中的內(nèi)容改變直接影響到堆棧指針的位置發(fā)生變化，造成程序無法正常工作的局面。 題1.9 并行處理計(jì)算機(jī)除分布處理、MPP和機(jī)群系統(tǒng)外，還有哪4種基本結(jié)構(gòu)?列舉它們各自要解決的主要問題。 解答 并行處理機(jī)除分布處理、MPP和機(jī)群系統(tǒng)外，還有流水線計(jì)算機(jī)、陣列處理機(jī)、多處理機(jī)和數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)等4種摹本結(jié)構(gòu)。 流水線計(jì)算機(jī)主要要解決好擁塞控制、沖突防止、分支處理、指令和數(shù)據(jù)的相關(guān)處理、流水線重組、中斷處理、流水線調(diào)度、向量化處理以及作業(yè)順序的控制等。 陣列處理機(jī)主要要解決好處理單元間能有靈活而有規(guī)律的互連模式及互連網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和研究、存貯器的組織、數(shù)據(jù)在存貯器