计算机系统结构答案.docx
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计算机系统结构答案
名词解释：
计算机系统结构：
也称计算机系统的体系结构，系统结构是对计算机系统中各级界面的划分、定义及其上下的功能分配。
而计算机系统结构只是系统结构中的一部分，指得是层次结构中系统机器级的系统结构。
机器级的翻译实现：
是先用转换程序将高一级机器级上的程序整个地变换成低一级机器级上等效的程序，然后再在低一级机器级上实现的技术。
解释实现：
是在低级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高级机器级上的一条语句或指令的功能，是通过对高级的机器级语言程序中的每一条语句或指令逐条解释来实现的技术。
数据表示：
是指由机器硬件直接识别和引用的数据类型。
透明性：
在计算机中，客观存在的事物或属性从某个角度看不到，称这些事物或属性对它是透明的。
软件可移植性：
是指软件可以不加修改或经少量修改，就可以由一台机器搬到另一台机器去运行，使得同一套软件可以应用于不同的硬件环境。
信息按整数边界存储：
是指信息在主存中存放的地址必须是该信息宽度（字节数）的整数倍。
指令的一次重叠解释：
由于从指缓中取指令，使得“取指k+1”时间很短，完全可以把这个微操作合并到“分析k+1”中，那么重叠变成了“分析k+1”和“执行k”的重叠。
称这种指令分析部件和指令执行部件任何时候都只有相邻两条指令在重叠解释的方式为“一次重叠”。
组相联映像：
指的是各组之间直接映象，但组内各块间则是全相联映象。
简答题：
1、（1-10）系列机思想对计算机发展有什么意义？
系列机软件兼容的要求是什么？
答：
采用系列机可以较好地解决软件设计环境要求相对稳定和硬件、器材、组成等技术在飞速发展的矛盾。
软件可以丰富积累，又能不断更新器材、硬件和组成，使之短期内就能提供出性能更好、借个更便宜的新机器，有力地促进计算机的发展。
系列机软件兼容的基本要求是必须保证实现软件的向后兼容、力争做到向上兼容。
2、（1-13）开发计算机系统并发性的主要技术途径有哪三个？
沿这些途径分别发展出了什么类型的多处理机系统？
答：
开发并行性的途径有时间重叠，资源重复和资源共享。
沿时间重叠发展出多处理机宏流水系统，一般是非对称异构型多处理机系统。
沿资源重复发展出多处理机系统一般是对称、同构型多处理机系统。
沿资源共享途径发展出多处理机系统一般是同构型或同构型的多处理机。
3、（2-16）什么是高级语言机器？
一般有哪两个实现方式？
高级语言机器难以发展的主要原因是什么？
答：
高级语言机器是不需要编译即可运行高级语言程序的计算机。
它有间接执行的和直接执行的两种形式。
间接执行的高级语言机器是汇编后执行的；直接执行的高级语言机器是通过硬件或固件来解释执行的。
由于高级语言未能统一，性能价格比低，难以得到用户的欢迎，加之高级语言程序有不能只靠解释就能高效实现，因此，目前高级语言机器还难以发展起来。
4、（3-7）总线控制方式有哪三种？
各需要增加几根用于总线控制的控制线？
总线控制优先级可否由程序改变？
答：
总线控制方式有串行链接，定时查询和独立请求3种。
串行链接需增加3根控制线，优先级线连固定，不能被程序改变，不灵活；定时查询需增加2+┌log2N┐根控制系，优先级可用程序改变，灵活；独立请求需增加2N+1根控制线，控制线可用程序改变，灵活。
5、（3-9）列举定时查询方式进行总线分配，用程序控制优先序的四种方法以及对应可实现什么样的总线使用优先序。
答：
控制优先的方法有如下4种：
1、每次分配前，让查询计数器软件清“0”优先序类似串行链接，为0～N-1。
2、每次分配前，计数器不清“0”，保持上次的值，优先序为循环方式，各部件都有同样的机会首先获得总线。
3、每次分配前，预置计数器一个初值，使指定初值的设备号优先级最高。
4、软件更改各部件的部件号设置，可使优先序为任意所希望的顺序。
6、（3-10）简述字节多路、数组多路和选择通道的数据传送方式。
答：
字节多通道每选择一台设备后，设备与通道只传送一个字节就释放总线，通道以字节交叉的方式轮流为多台低速设备服务。
某台设备要想传送n个字节，就需经n次申请使用通道总线才行。
数组多通道在每选择好一台设备后，要连续传送完固定K个字节的成组数据后，才释放总线，通道再去选择下一台设备，在传送该设备的K个字节。
如此，以成组方式轮流交叉地为多台高速设备服务。
某台设备要想传送n个字节，就需要先后经┌n/K┐次申请使通道总线才行。
选择通道每选择一台设备，就让该设备独占通道，将n个字节全部传送完后，才释放通道总线，又去选择下一台设备，再传送它的全部字节数据。
因此，每台设备为传送n个字节数据只需一次申请使用通道总线。
7、（4-19）假定你对Cache存储器的速度不满，于是申请到一批有限的经费，未能发挥其最大经济效益，有人建议你再买一些同样速度的Cache片子以扩充其容量；而另有人建议你干脆去卖更高速的Cache片子将现有低速Cache片子全部换掉。
你认为那种建议可取？
你如何做决定？
为什么？
答：
两种建议都存在盲目性。
在做决定之前，应先实测一个程序运行过程中ta值，将它与第一级物理Cache芯片的tc比较。
如果两者已非常接近了，表示Hc已趋于1，这时只有全部更换Cache芯片，使tc下降来解决。
如果ta>>tc，则先看Cache存储器内部是否已将查映像表和访Cache安排成流水方式工作。
如果未采取流水，则可改成流水。
在改成流水方式后，如ta仍大于tc，且有一定差距时，表明Hc过低。
此时应设法提高Hc。
可先调整块的大小，组内的块数，让它们在Cache容量不增大的情况下，适当取大些，以提高Hc。
在此基础上，尚不能达到要求时，就应购买一些同样的、速度的Cache芯片，对其物理Cache.的容量进行扩充。
这样，将会使Hc提高，而显著缩短ta。
8、（1-11）想在系列机中发展一种新型号机器，下列那些设想是可以考虑的，哪些则是不行的？
为什么？
（1）新增加字符数据类型和若干条字符处理指令，以支持事务处理程序的编译。
答：
可以。
因为它虽然是属计算机系统结构的内容，但它是新增加的数据类型和指令，不会影响到已有指令所写的程序正确运行，只是现在用新增加的指令来写程序，会使计算机的性能和效果变得更好。
（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。
答：
不可以。
中断的分级和中断的响应次序等中断机构都属于计算机系统结构的内部。
中断分级由原来的4级增加到5级应当还是允许的，关键是重新调整了中断响应的优先次序，这就使原有程序的中断响应次序发生了改变，会影响原有程序工作的正确性。
（3）在CPU和主存之间增设Cache存储器，以克服因主存访问速率过低而造成的系统性能瓶颈。
答：
可以。
Cache存储器属于计算机组成，它不会改变原有的系统程序和应用程序，不会影响到它们的正常运行。
只是有了Cache存储器后，系统的性能有了明显的提高。
（4）为解决计算误差较大，将机器中浮点数的下溢处理方法由原来的恒置“1”法，改为用ROM存放下溢处理结果的查表舍入法。
答：
可以。
浮点数尾数的下溢处理不属于计算机系统结构，而是计算机组成设计所考虑的内容。
（5）为增加寻址灵活性和减少平均指令字长，将原等长操作码指令改为有3类不同码长的扩展操作码；将源操作数寻址方式由操作码指明改成如VAX-11那种设寻址方式位字段指明。
答：
不可以。
指令的操作码、字段格式、寻址方式等的指明都是计算机系统结构的内容。
如果将它们加以改变，就会直接导致以前编写的程序都不能正常运行了。
（6）将CPU与主存间的数据通路宽度由16位扩展成32位，以加快主机内部信息的传送。
答：
可以，数据通路宽度是计算机组成的内容。
（7）为减少公用总线的使用冲突，将单总线改为双总线。
答：
可以，单总线改为双总线是计算机组成的内容。
（8）把原0号通用寄存器改作堆栈指示器。
答：
不可以，通用寄存器的使用是属于计算机系统结构的内容。
0号通用寄存器改作堆栈指示器，将使原先程序中0号通用寄存器中的内容改变直接影响到堆栈指针的位置发生变化，造成程序无法正常工作的局面。
综合题：
1、由4位数（其中最低位为下溢处理的附加位）经ROM查表舍入法，下溢处理成3位结果，设计使下溢处理平均误差接近于0的ROM表，列出ROM编码表的地址与内容的对应关系。
解：
ROM下溢处理表16个单元的地址码0000～1111，它与其内容的对照关系如下表所示。
地址
内容
地址
内容
地址
内容
地址
内容
0000
000
0001
001
0010
001
0011
010
0100
010
0101
011
0110
011
0111
100
1000
100
1001
101
1010
101
1011
110
1100
110
1101
111
1110
111
1111
111
原理：
假设又5位→4位，
01001，
+1
01010末位加1→01010，最后一位去掉即可，得到0101。
又如，0011101010
+1+1
0100001011运算结束后最后不管最后一位是0或1都舍去。
但是11111除外，它不进位，只能是1111，而不是0000。
2、吞吐率和效率问题
如果现有m段流水线，线性流水线每段经过的时间△ti不等，其中
瓶颈段的时间为△tj，则完成n个任务所达到的实际吞吐率
整个流水的效率
例：
为提高流水线效率可采用哪两种主要途径来克服速度瓶颈？
现有3段流水线，各段经过时间一次依次为
、3
、
。
分别计算在连续输入3条指令时和30条指令时的吞吐率和效率。
解：
提高流水线效率，消除速度瓶颈主要有将瓶颈段再细分以及重复设置多个瓶颈段并联工作，给其轮流分配任务的两种途径。
在3段流水线，各段经过时间依次为
、3
、
的情况下，连续流入3条指令时，将n=3，m=3，
=
，
=3
，
=
，
=3
代入上式，可得吞吐率
和效率
为
=
；
=
。
而连续流入30条指令时，只需将上式值n改为30，其它参数不变，得
=
；
=
。
3、关于中断屏蔽问题这里就不举例了。
看懂习题3-5就可以，详见课本
答案。
第1章系统结构的基本概念
1、为什么将计算机系统看成是多级机器构成的层次结构?
P2
2、从机器（汇编）语言程序员的角度来看，以下哪些是不透明的？
为什么？
条件码寄存器、磁盘外设、先行进位链、中断寄存器、移位器、I/O端口寄存器
3、就目前通用机来说，计算机系统结构的属性主要包括哪些（03.7）?
P3
4、设计指令系统时，以乘法运算为例，简述系统结构设计、计算机组成设计、计算机实现各应考虑的问题（09.4）。
P4
5、简述在设计主存系统时，计算机系统结构、计算机组成、计算机实现各需要考虑的问题（08.7）。
P4
6、简述计算机系统结构、组成和实现三者的相互关系（03.4）。
7、计算机系统结构用软件实现和硬件实现各自的优缺点?
P7
8、简述软硬件功能分配的基本原则（06.7）。
P8
9、简述计算机系统“由中间开始”设计的基本思想（05.4）其“中间”指的是什么地方？
这样设计的优点是什么（05.7）（07.7）？
10、试述由上往下、由下往上设计思路和存在的问题?
P9
11、什么是软件的可移植性（03.7）？
为什么要进行软件移植?
P10
12、简述采用统一高级语言方法、适用场合、存在问题和应采取的策略。
13、简述统一高级语言的出发点、难点和发展前景（04.4）。
14、采用系列机方法、适用场合、好处、存在问题和应采取的策略P11
15、采用模拟与仿真方法、适用场合、好处、存在问题和应采取的策略。
16、模拟与仿真的主要区别和适合场合是什么（02.4）?
17、软件移植的途径，各受什么限制（08.4）?
P14
18、器件的发展对逻辑设计方法的影响（06.4）。
P17
19、什么是计算机系统的并行性、开发并行性的目的和两重含义（02.7）？
P19
20、从执行程序角度出发，简述并行处理数据的四个等级，给出简单解释，各举一例P19
21、从处理数据的并行上，简述并行处理数据的四个等级，给出简单解释，各举一例P19
22、简要解释提高计算机系统并行性的三个技术途径（07.4），简要解释并举例说明。
P20
23、简述计算机系统Flynn分类法的分类角度及类别，并说明各类别的特征（04.7）（09.7）。
第2章数据表示、寻址方式与指令系统
1、数据结构和机器的数据表示之间的关系?
引入数据表示的基本原则?
P27
2、简述标志符数据表示的主要优点（02.4）。
P293、标识符数据表示与描述符数据表示有什么不同？
4、使用标志符数据表示会带来什么问题？
对此应如何认识。
5、数据描述符和向量数据表示对向量数据结构所提供的支持有什么不同?
P30
6、堆栈型机器与通用寄存器型机器的主要区别?
堆栈型机器对程序调用的哪些操作提供支持?
P32
7、以浮点数数据表示说明数的可表示精度、运算中的精度损失，尾数基值取小对哪个有利哪个不利（07.7）?
P38
8、比较四种浮点数尾数下溢处理方法P38
9、比较寻址方式在指令中的两种指明方式、指明字段、优缺点。
P41
10、什么是程序的动态再定位（07.4）?
P42
11、变址和基址各适用何种场合?
设计一种只用6位地址码就可以指向一大地址空间中任意64个地址之一的寻址机构。
P42
12、简述程序的静态再定位的方法及存在的问题。
13、haffman压缩概念的基本思想（05.406.4）?
P44
14、采用haffman编码，要求短码与长码之间要符合什么规则，才能唯一和立即解码？
具体编码是否唯一？
平均码长是否唯一？
15、缩短地址码长度的方法（至少答出六种）P48
16、简述设计、发展和改进机器指令系统的两种不同的途径和方向。
17、简述面向目标程序优化实现改进机器指令系统要达到的目标和2个改进思路。
18、简述面向高级语言优化实现改进机器指令系统要达到的目标和5个改进思路。
19、简述面向操作系统优化实现改进机器指令系统要达到的目标和4个改进思路。
20、操作系统中哪些功能适合硬化或固化?
哪些不适合?
P54
21、简述复杂指令系统（CISC）存在的问题（06.7）。
P54
22、简述设计RISC的一般原则（09.4）。
P55
23、简述设计RISC结构使用的基本技术（02.404.405.708.7）。
P55
24、比较CISC和RISC，今后的发展是什么?
P54P58
25、简要说出采用RISC结构后可以带来的好处（04.7）。
P58
26、RISC存在不足表现在哪些方面（05.4）?
P59
第3章总线、中断和输入输出系统
1、简述专用和非专用线定义及各自的优缺点P63
2、总线控制方式有哪三种？
各需要增加几根用于总线控制的控制线？
总线控制的优先级可否程序改变（03.7）（08.4）？
3、集中式串行链接的过程，优缺点，硬件故障时通讯的可靠性。
P64
4、集中式定时查询的过程，优缺点，硬件故障时通讯的可靠性。
P65
5、集中式独立请求的优缺点，硬件故障时通讯的可靠性。
P65
6、以IBM370为例说明为什么把中断分类以及分成几类。
P69
7、简述中断响应和中断处理的软硬件功能是怎样进行分配的，并说明依据（09.7）。
P73
8、简述在现代计算机系统中，应如何考虑中断现场硬件状态的保存并说明理由（08.7）。
P73
9、通道分为哪三种类型？
各适合连接什么类型的设备？
满负荷时，设备对通道要求实际流量与所连设备有什么关系？
10、列举通道处理机宏观和微观上不丢失所接各设备接收或发送的信息应满足的基本条件和采取的补充措施。
第4章存储体系
1、为什么要发展存储体系P81
2、主存实际频宽与模数m的关系是什么？
出现这种现象的原因是什么？
指令流与数据流完全随机时，主存实际频宽与模块数m有什么关系（05.706.4）？
3、CPU-Cache-主存层次，CPU-主存-辅存层次异同。
P85-P86
4、解决计算机主存与CPU的速度差对机器性能的影响，可采用哪三种解决方法（06.7）（08.4）?
P86
5、二级虚拟储存层次的等效访问时间与主辅存访问时间有什么关系？
提高存储层次的访问速度，可采取的措施有哪些（07.4）？
P87
6、列举段式虚拟存储管理系统的优点和问题。
7、列举页式虚拟存储管理系统的优点和问题。
8、比较段式存储管理和页式存储管理的优缺点（05.7）。
9、、在页式虚拟存储器中，什么叫页面失效？
什么叫页面争用？
什么时候两者同时发生？
什么时候不同时发生？
（07.7）
10、虚拟存贮器为什么必须要替换算法？
它解决什么问题（04.4）？
P97
11、页式管理中的主存页面表和页表是一张表吗？
P98
12、什么是堆栈型的替换算法（用式子描述）P101
13、页面失效频率算法的思想P102
14、页式虚拟存储器的页面如何划分的？
这样划分使指令和数据发生什么情况？
页面失效会在何时发生？
如果将页面失效当作中断来对待，会发生什么问题？
列举对此问题的几个解决办法。
15、有Cache时，给出一个主存地址访存过程P110
16、CPU写Cache时，会发生Cache与主存的对应副本内容不一致，如何解决？
需增加什么开销（05.409.4）？
P119
17、分别说明Cache存储器的按需取进法、恒预取法、不命中时才预取法的定义。
18、发现组相联、LRU替换的Cache存储器的等效速度不高，此时增大主存容量和增大Cache容量，各会对Cache存储器等效访问速度有何影响，并分析其原因。
第5章重叠、流水和向量流水处理机
1、简述指令的顺序解释方式的优缺点（04.4）。
P125
2、列举指令重叠解释对访主存冲突可采用三种解决办法及其问题，目前多数机器采用的是什么办法。
P126
3、解决通用寄存器数相关有几种方法？
试作简单比较。
P130
4、在“一次重叠”的机器中，会出现哪些相关？
如何处理（06.4）（05.7）？
P126-130
5、采用指令“一次重叠”解释时，什么叫指令相关？
如何处理？
6、流水线按级别分成几类？
线性流水线与非线性流水线有什么区别？
动态流水线和静态流水线有什么区别？
P133-134
7、衡量流水线处理机的性能主要指标是什么（04.7）?
P136
8、什么是流水线的速度瓶颈？
消除流水线速度瓶颈的方法有哪两种，举例示意说明（08.7）。
P136
9、在流水机器中，全局性相关指的是什么？
处理全局性相关的方法有哪些？
简要说明（04.7）（07.4）（08.4）。
P144-146
10、为处理流水机器的全局性相关，可以加快或提前形成转移指令所需的条件码，那么可从哪两方面考虑？
举例说明（06.7）。
P146
11、简述处理流水机器的全局性相关时，加快短循环程序的处理办法。
12、流水机器的中断处理有哪两种方法，各有什么优缺点（07.7）？
P147
13列举CRAY-1向量流水机，向量流水机，向量指令之间串行、并行及链接执行的条件。
13、简述向量的流水处理所要解决的问题，以D=A*（B+C）为例，可有哪些处理方式？
其中哪些是流水处理方式？
14、试比较几种指令级高度并行的超级处理机P154
15、设指令由取指、分析、执行和存结果四个子部件组成，每个子部件经过时间为△t，连续执行12条指令。
画出在度m为3的超标量处理机上工作的时空图（09.7）。
P155
16、综合问题：
流水处理的主要技术途径是什么？
在CPU中可以有哪两类流水？
在存储系统或存储体系中举出两个应用流水的例子。
第6章阵列处理机
1、单指令流多数据流的并行处理机在系统的组成上应包含哪些部分和功能？
2、与向量流水机对比，简述阵列机在适用场合，并行性途径、含义、等级，专用性强弱，造价高低，提高速度的潜力等方面的结构特点。
3、画出具有集中式共享存储器的阵列处理机的基本构形（09.7）。
4、画出具有分布式共享存储器的阵列处理机的基本构形（09.7）。
5、试比较阵列机的两种基本形式P160
6、简述分布式共享存储器的阵列处理机的基本构型。
7、试分析阵列处理机特点P161
8、写出16台处理器按ILLIACIV闭合螺线阵列互连的函数。
列出任何处理部件PUi（i=0--15）可直接连到的处理器的一般式。
9、简述SIMD系统的互连网络的设计目标（05.4）。
P166
10、互连网络的交换方法主要有哪些（03.7）?
P166
11、试比较单级互连的几种函数P167
12、试比较多级互连的几种网络P170-174
13、N=16的4级立方体互连网络，级号从输入到输出为0到3，采用级控制，如将其中的第一级开关处于“直连”，不能实现哪些节点之间的配对通信？
为什么？
14、设阵列处理机中，处理单元的二进制编号为a3a2a1a0，互连网络所用的互联函数为F（a3a2a1a0）=a3a2a1a0，列出互连网络人，出端号0～15间用括号括起的配对通信表。
15、什么是阻塞式网络？
试说明间接二进制n方体网络是阻塞式网络P174
16、什么是全排列网络？
实现全排列网络有哪两种方法（08.4、09.4）？
P174
17、列出n个PE的集中式共享存储器的阵列机，能对nxn二维方阵的同一行、同一列、主对角线、付对角线、子阵列的n个元素同时访问而不发生分体冲突的条件。
第7章多处理机
1、什么是多处理机？
简述使用多处理机的目的和多处理机具备的特点（03.4、06.7、07.4）。
2、多处理机在结构与并行性方面与阵列处理机有什么不同？
P182
3、多处理机系统与并行处理机的主要差别是什么？
多处理机系统主要解决的技术问题是什么（08.408.7）？
P182-183
4、简述紧耦合和松耦合的多机系统结构P183
5、紧耦合多处理机主要通过什么来实现其机间通信的？
为防止机间通信成为多处理机的速度性能的瓶颈，可采用哪几个措施来解决？
至少列出5个。
6、多处理机常用哪些方式实现机间互联？
各适合于什么场合？
7、多处理机中的并行性表现在哪些方面？
开发多处理机的并行性有哪些途径？
8、假设Pi和Pj程序段都是一条语句，且Pi在Pj之前执行，试举出Pi和Pj间存在3种可能的数据相关（02.4）及处理方式。
P193-194
9、简述JOIN语句的基本功能。
P195
10、简述FORK语句的基本功能。
11、简单说出多处理机操作系统的种类（02.7）各适合于哪类机器？
。
12、简述多处理机的各自独立型操作系统的功能特点。
第8章其它计算机结构
1、什么叫脉动阵列机？
简述脉动阵列结构的特点（03.409.7）。
P208
2、简述发展通用脉动阵列结构的三种主要途径。
3、什么是MPP？
什么是机群系统？
机群系统与传统的并行处理系统相比有哪些明显的优点（04.4）？
4、什么是控制流工作方式？
简述控制驱动的控制流方式的特点（02.4）?
5、什么是数据流工作方式？
简述传统控制流机与数据流机的区别（03.4）。
6、什么是活动膜片？
P216
7、什么是数据流程序图中的有向图表示？
8、试简述数据流机的特点P217
9、试比较静态数据流机和动态数据流机P217
10、简述数据流机器存在的问题。
11、什么是归约机？
简述归约机的结构特点P218
12、试简单比较串规约机和图规约机P219
13、为进行智能信息处理，智能计算机应具有哪些功能，从系统结构上怎样来支持这些功能的实现？
P
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