1.1題目解釋下列術(shù)語層次結(jié)構(gòu)；計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；計算機組成；計算機實現(xiàn)；透明性；由上往下設(shè)計；由下往上設(shè)計；系列機；軟件兼容；兼容機；模擬；仿真；虛擬機；宿主機；指令流；數(shù)據(jù)流；Amdahl定律；CPI；MIPS；MFLOPS答層次結(jié)構(gòu)定義層次結(jié)構(gòu)在這里指計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)。計算機系統(tǒng)系統(tǒng)由硬件和軟件組成，按功能劃分為7級層次結(jié)構(gòu)。每一級對應(yīng)一種機器（虛擬機器由軟件實現(xiàn)，實際機器由硬件實現(xiàn)），從第0級到第6級，級數(shù)越低越靠近硬件，級數(shù)越高越靠近軟件。在某層次的觀察者視角中，他只是通過該層次的語言了解和使用計算機，不必關(guān)心低層次的那些機器的工作原理，也就是對于高層來說低層是透明的。個人理解計算機系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)是計算機領(lǐng)域分層思想的一種應(yīng)用，計算機網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)（OSI七層協(xié)議等）也是。在層次結(jié)構(gòu)中，每層負責(zé)解決一定的問題，即具有一定的功能。一般來說，底層為高層提供一定的服務(wù)。示意圖計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義“計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)”這個名詞來源于英文computerarchitecture，目前并無統(tǒng)一定義，現(xiàn)以Amdahl定義舉例。Amdahl等人在1964年提出計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)這個名詞，他們將其定義為程序設(shè)計者所看到的一個計算機系統(tǒng)（也就是上邊提到的機器）的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)和功能特性，這是程序員為了使其編寫的程序能在機器上正確運行，需要了解和遵循的計算機屬性。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要研究軟件、硬件功能分配和對軟件、硬件界面的確定，即哪些功能由軟件完成、哪些功能由硬件完成。Amdahl等人對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)定義的主要內(nèi)容是指令系統(tǒng)及其執(zhí)行模型，然而隨著新器件的出現(xiàn)，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義還應(yīng)包括功能模塊的設(shè)計。個人理解如果把計算機這門科學(xué)涉及的知識進行分層，計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)則是軟件和硬件的交界處，硬件是計算機組成原理的主要內(nèi)容，軟件則是操作系統(tǒng)等。分類方法Flynn分類法按照指令流和數(shù)據(jù)流的不同組織方式進行分類，分為以下四類：單指令流單數(shù)據(jù)流SISD單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD多指令流單數(shù)據(jù)流MISD多指令流多數(shù)據(jù)流MIMD馮氏分類法馮澤云提出用最大并行度對計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行分類，分為以下四類：字串位串WSBS字并位串WPBS字串位并WSBPWPBPHandler分類法WolfganHandler在1977年根據(jù)并行度和流水線提出了一種分類法，其將計算機的硬件結(jié)構(gòu)分為三個層次，并分別考慮它們的可并行-流水處理程度，以下為三個層次：程序控制部件的個數(shù)算術(shù)邏輯部件或處理部件的個數(shù)每個算術(shù)邏輯部件包含基本邏輯線路的套數(shù)計算機組成計算機組成是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)，包括機器內(nèi)部的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計等。其任務(wù)是在計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確定分配給硬件子系統(tǒng)的功能及其概念結(jié)構(gòu)之后，研究各組成部分的內(nèi)部構(gòu)造和相互聯(lián)系，以實現(xiàn)機器指令級的各種功能和特性。計算機實現(xiàn)計算機實現(xiàn)是指計算機組成的物理實現(xiàn)。透明性透明指的是本來存在的事物和屬性，從某種角度來看，它是不存在的。個人理解：計算機網(wǎng)絡(luò)中物理層的實現(xiàn)對于網(wǎng)絡(luò)層來說就是透明的，網(wǎng)絡(luò)層并不知道物理層的內(nèi)部實現(xiàn)，僅知道物理層的外部接口而已。就像課堂上老師要收作業(yè)，他不知道課代表是怎么收的，課代表怎么收作業(yè)對于老師來說就是透明的。由上往下設(shè)計與由下往上設(shè)計對應(yīng)，根據(jù)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分成，從最高層開始設(shè)計每層的功能與實現(xiàn)。由下往上設(shè)計根據(jù)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分層，從最低層開始設(shè)計每層的功能與實現(xiàn)。這種方法以前較為適宜，因為那時硬件成本昂貴，硬件技術(shù)水平低，軟件技術(shù)和硬件技術(shù)相比往往處于被動地位。系列機系列機是指在一個廠家內(nèi)生產(chǎn)的具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的機器。軟件兼容同一個軟件可以不加修改地運行于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的各檔機器，可獲得相同的結(jié)果，差別只在于不同的運行時間。系列機的軟件兼容分為向上兼容、向下兼容、向左兼容、向右兼容。兼容機不同廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計算機稱為兼容機。它的思想與系列機的思想是一致的。模擬模擬指用軟件方法在一臺現(xiàn)有的計算機上實現(xiàn)另一臺計算機的指令系統(tǒng)。通過解釋方法把B機器的每一條指令用A機器的指令進行解釋執(zhí)行。A機器稱為宿主機，B機器稱為虛擬機。仿真用微程序直接解釋另一種機器指令系統(tǒng)的方法稱為仿真。虛擬機模擬中已介紹。宿主機模擬中已介紹。指令流機器執(zhí)行的指令序列。數(shù)據(jù)流由指令流調(diào)用的數(shù)據(jù)序列，包括輸入數(shù)據(jù)和中間結(jié)果。Amdahl定律系統(tǒng)中某一部件由于采用某種更快的執(zhí)行方式后整個系統(tǒng)性能的提高與這種執(zhí)行方式的使用頻率或占總執(zhí)行時間的比例有關(guān)。CPI每條指令的平均時鐘周期。時鐘周期數(shù)目MIPS每秒百萬條指令數(shù)。執(zhí)行時間MFLOPS執(zhí)行時間每秒百萬次浮點操作次數(shù)。

指令條數(shù)

時鐘頻率1.5題目

程序中的浮點操作次數(shù)執(zhí)執(zhí)行時間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？試舉例說明答個人理解計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要在功能這一層次上考慮問題。在功能這個層次上考慮，軟件和硬件是等效的，即軟件和硬件都實現(xiàn)了同樣的功能。從功能實現(xiàn)的原理這個層次上考慮，軟件和硬件是不等效的，兩者的實現(xiàn)方式是不同的，成本、效率等指標也會有不同。舉例比如存儲器管理，不管用硬件還是軟件，都可以實現(xiàn)相同的存儲器管理功能，但兩者的實現(xiàn)方法和性能都是不同的。1.6題目試以實例說明計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成與計算機實現(xiàn)之間的相互關(guān)系和相互影響。答相互關(guān)系一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有多種組成比如系列機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同，指令的執(zhí)行順序既可以是順序執(zhí)行，又可以是重疊、流水線等執(zhí)行順序。一種組成可以有多種物理實現(xiàn)比如同樣的組成，主存既可以使用雙極型，又可以使用MOS型。相互影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，采用的計算機組成也不同，同樣計算機組成也會影響系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。1.12題目如果某一計算任務(wù)用向量方式求解比用標量方式求解快20倍，稱可用向量方式求解部分所花時間占總的時間的百分比為可向量化百分比。畫出加速比與向量化比例兩者關(guān)系的曲線。答該題考察Amdahl定律，上式中 為加速比；為 可改進部分占用時間 ；為 為 可知可向量化百分比即為 ，且 。（雖說快20倍，這里應(yīng)該是21的，為簡化計算，就這樣吧..…）由上，可得下式：MATLAB代碼：11Fe=0:0.02:1;2Sn=1./(1-0.95*Fe);plot(Fe,Sn);gridminor;xlabel('加速比Sn');向量化比例Fe');作圖如下：1.13題目題1.12中為達到加速比2，可向量化的百分比應(yīng)是多少？答解下式：得 。2.14問題一臺模型機共有7條指令，各指令的使用頻度分別為35%，25%，20%，10%，5%，3%，2%，有8個通用數(shù)據(jù)寄存器，2個變址寄存器。問題如下：要求操作碼的平均長度最短，請設(shè)計操作碼的編碼，并設(shè)計所設(shè)計操作碼的平均長度。設(shè)計8位字長的寄存器-寄存器型指令3條，16位字長的寄存器-存儲器型變址尋址方式指令4條，變址范圍不小于正、負127。請設(shè)計指令格式，并給出各字段的長度和操作碼的編碼。答第1問由題可知，要求操作碼平均長度最短，所以應(yīng)使用哈夫曼編碼，指令使用頻度越高，其操作碼長度應(yīng)越短。指令操作碼設(shè)計如下指令序號使用頻度Hu?man編碼操作碼長度10.350120.2510230.20110340.101110450.0511110560.03111110670.021111116指令操作碼平均長度為：第2問寄存器-寄存器型指令指令序號編碼（2位）通用寄存器（3位）通用寄存器（3位）100RR201RR310RR寄存器-存儲器型變址尋址方式指令指令序號編碼（4位）通用寄存器（3位）變址寄存器（1位）地址偏移量（8位）11100RXA21101RXA31110RXA41111RXA2.17問題在一般通用計算機中，按照指令所完成的功能來劃分，應(yīng)該有哪幾類指令？各類指令的主要任務(wù)是什么？答一般來說，要有5類基本指令：數(shù)據(jù)傳輸類指令、運算類指令、程序控制類指令、輸入輸出指令、處理機控制和調(diào)試指令。數(shù)據(jù)傳送類指令主要任務(wù)在相同或不同的數(shù)據(jù)存儲設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)傳輸指令的種類有如下三個主要因素決定：數(shù)據(jù)存儲設(shè)備的種類數(shù)據(jù)傳送的單位采用的尋址方式運算類指令主要任務(wù)承擔(dān)計算機的主要任務(wù)：運算（包括數(shù)據(jù)計算和符號處理）設(shè)計運算類指令時主要考慮如下四個因素的組合操作種類數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)長度數(shù)據(jù)存儲設(shè)備程序控制指令主要任務(wù)實現(xiàn)流程控制程序控制指令主要包括三類轉(zhuǎn)移指令（包括無條件轉(zhuǎn)移和有條件轉(zhuǎn)移）程序調(diào)用和返回指令循環(huán)控制指令輸入輸出指令主要任務(wù)啟動、停止、測試設(shè)備數(shù)據(jù)輸入、輸出對設(shè)備進行控制等等處理機控制和調(diào)試指令一般計算機系統(tǒng)中，處理機有兩個狀態(tài)：管態(tài)和用戶態(tài)，或稱主態(tài)和從態(tài)。這兩個狀態(tài)需要相互切換，而且這兩個狀態(tài)下所能使用的指令應(yīng)該有所區(qū)別主要任務(wù)對不同狀態(tài)的處理機進行控制3.9問題一個頁式虛擬存儲器的虛存空間大小為4GB，頁面大小為4KB，每個頁表存儲字要占用4個字節(jié)。計算這個頁式虛擬存儲器需要采用幾級頁表？如果要求頁表所占的主存頁面數(shù)最少，請分配每一級頁表的實際存儲容量各為多少字節(jié)？頁表的哪些部分必須存放在主存中？哪些可以存放在輔存中？答第1問由題可知，，可得頁表級數(shù)：所以需要采用2級頁表第2問一個頁可存儲的頁表存儲字的個數(shù)為：虛擬空間的總頁數(shù)為：設(shè)第一級頁表要用N個頁表存儲字由第1問可得，使用2級頁表，則，得，由上可得第一級頁表占用一個頁面的大小，即。第二級頁表占用1K個頁面的大小，即。第3問為節(jié)省內(nèi)存空間，第一級頁表必須存放在主存中，第二級頁表只需要把正在運行的程序的相關(guān)頁表放在主存中，其他的可以放在外存中。3.11問題一個頁式虛擬存儲器按字節(jié)編址，頁面大小為1K個字節(jié)，每個數(shù)據(jù)的字長為4個字節(jié)。現(xiàn)有一個程序的頁表如下：虛頁號裝入標志主存（實）頁號修改標志訪問方式0120RW1130R2000R3110X4000RW5100R6000X表中的裝入標志為‘1’表示該虛頁已經(jīng)裝入主存，為‘0’則表示還未裝入主存。修改標志為‘0’表示該頁還沒有被修改過，為‘1’則表示該頁已經(jīng)被修改過。訪問方式‘RW’表示該頁可以讀可以寫，但不能作為指令來執(zhí)行；‘R’表該頁只能讀，不能寫和執(zhí)行；‘X’表示該頁只能作為指令來執(zhí)行，不能讀和寫。虛地址經(jīng)變址尋址和基址尋址（B）+（X）+D形成?，F(xiàn)有一個程序，出現(xiàn)下列訪問主存的操作：序號操作（B）（X）D1取數(shù)12430502取數(shù)20001000603存數(shù)400020006004存數(shù)12004600605取數(shù)30006401006取數(shù)4096500207加并存數(shù)4001200808加并存數(shù)36360649轉(zhuǎn)移250060010010轉(zhuǎn)移3600120056列出產(chǎn)生主存頁面失效的操作序號如果不發(fā)生主存頁面失效的話，計算訪問主存的物理地址列出被修改過的主存頁面號列出非法操作的序號答由題可知，該頁式虛擬存儲器按字節(jié)編址，頁面大小為1K個字節(jié)，每個數(shù)據(jù)的字長為4個字節(jié)。地址0-999是0號虛/實頁，地址1000~1999是1號虛/實頁，以此類推實頁內(nèi)的偏移地址和虛頁內(nèi)的偏移地址相同操作序號虛地址虛頁號實頁號頁內(nèi)偏移實（物理）地址操作合法性12040250未改合法230603160未改非法366006未裝入600無失效無458605060未改非法5374031100未改非法646164未裝入20無失效無716801380未改非法84600264修改合法9320031100未改合法1048564未裝入56無失效無第1問3、6、10第2問表中已計算第3問2第4問2、4、5、73.14問題在頁式虛擬存儲器中，一個程序由P1~P5共5個頁面組成。在程序執(zhí)行過程中依次訪問到的頁面如下：P2，P3，P2，P1，P5，P2，P4，P5，P3，P2，P5，P2假設(shè)系統(tǒng)分配給這個程序的主存有3個頁面，分別采用FIFO、LFU、OPT三種頁面替換算法對這3頁主存進行調(diào)度。畫出主存頁面調(diào)入、替換和命中的情況表。統(tǒng)計三種頁面替換算法的頁命中率。答FIFO把最先進來的替換走。方法：向每行回看，出現(xiàn)次數(shù)最多的指令待換出LFU把最久沒有使用的替換掉。方法：向頁地址流回看，最后出現(xiàn)的指令待換出OPT把最晚要使用的替換掉。方法：向頁地址流后看，最后訪問的指令待換出4.4問題有5個中斷源D1、D2、D3、D4和D5，它們的中斷優(yōu)先級從高到低分別是1級、2級、3級、4級和5級。這些中斷源的中斷優(yōu)先級、正常情況下的中斷屏蔽碼和改變后的中斷屏蔽碼見下表。每個中斷源有5位中斷屏蔽碼，其中，‘1’表示該中斷源被屏蔽，‘0’表示該中斷源開放。中斷源名稱中斷優(yōu)先級正常的中斷屏蔽碼D1D2D3D4D5改變后的中斷屏蔽碼D111111110000D220111101000D330011110100D440001111011D550000111101當(dāng)使用正常的中斷屏蔽碼時，處理機響應(yīng)各中斷源的中斷服務(wù)請求的先后次序是什么？實際的中斷處理次序是什么？當(dāng)使用改變后的中斷屏蔽碼時，處理機響應(yīng)各中斷源的中斷服務(wù)請求的先后次序是什么？實際上中斷處理的次序是什么？如果采用改變后的中斷屏蔽碼，當(dāng)D1、D2、D3、D4和D5這5個中斷源同時請求中斷服務(wù)時，畫出處理機響應(yīng)中斷源的中斷服務(wù)請求和實際運行中斷服務(wù)程序過程的示意圖。假設(shè)從處理機響應(yīng)中斷源的中斷服務(wù)請求開始，到運行中斷服務(wù)程序中第一次開中斷所用的時間為1個單位時間，處理機運