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計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)張晨曦版課后答案解析
篇一：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)張晨曦版課后答案
1.1 解釋下列術(shù)語(yǔ)
層次機(jī)構(gòu)：按照計(jì)算機(jī)語(yǔ)言從低級(jí)到高級(jí)的次序，把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分成多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，每一層以一種不同的語(yǔ)言為特征。這些層次依次為：微程序機(jī)器級(jí)，傳統(tǒng)機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器級(jí)，匯編語(yǔ)言機(jī)器級(jí)，高級(jí)語(yǔ)言機(jī)器級(jí)，應(yīng)用語(yǔ)言機(jī)器級(jí)等。
虛擬機(jī)：用軟件實(shí)現(xiàn)的機(jī)器。
翻譯：先用轉(zhuǎn)換程序把高一級(jí)機(jī)器上的程序轉(zhuǎn)換為低一級(jí)機(jī)器上等效的程序，然后再在這低一級(jí)機(jī)器上運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)程序的功能。
解釋?zhuān)簩?duì)于高一級(jí)機(jī)器上的程序中的每一條語(yǔ)句或指令，都是轉(zhuǎn)去執(zhí)行低一級(jí)機(jī)器上的一段等效程序。執(zhí)行完后，再去高一級(jí)機(jī)器取下一條語(yǔ)句或指令，再進(jìn)行解釋執(zhí)行，如此反復(fù)，直到解釋執(zhí)行完整個(gè)程序。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)機(jī)器程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。
在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，把這種本來(lái)存在的事物或?qū)傩�，但從某種角度看又好像不存在的概念稱(chēng)為透明性。
計(jì)算機(jī)組成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包含物理機(jī)器級(jí)中的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。
計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)，包括處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號(hào)傳輸，電源、冷卻及整機(jī)裝配技術(shù)等。
系統(tǒng)加速比：對(duì)系統(tǒng)中某部分進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，改進(jìn)后系統(tǒng)性能提高的倍數(shù)。
Amdahl定律：當(dāng)對(duì)一個(gè)系統(tǒng)中的某個(gè)部件進(jìn)行改進(jìn)后，所能獲得的整個(gè)系統(tǒng)性能的提高，受限于該部件的執(zhí)行時(shí)間占總執(zhí)行時(shí)間的百分比。
程序的局部性原理：程序執(zhí)行時(shí)所訪問(wèn)的存儲(chǔ)器地址不是隨機(jī)分布的，而是相對(duì)地簇聚。包括時(shí)間局部性和空間局部性。
CPI：每條指令執(zhí)行的平均時(shí)鐘周期數(shù)。
測(cè)試程序套件：由各種不同的真實(shí)應(yīng)用程序構(gòu)成的一組測(cè)試程序，用來(lái)測(cè)試計(jì)算機(jī)在各個(gè)方面的處理性能。
存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)：馮諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)。其基本點(diǎn)是指令驅(qū)動(dòng)。程序預(yù)先存放在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中，機(jī)器一旦啟動(dòng)，就能按照程序指定的邏輯順序執(zhí)行這些程序，自動(dòng)完成由程序所描述的處理工作。
系列機(jī)：由同一廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、但具有不同組成和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)。
軟件兼容：一個(gè)軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺(tái)計(jì)算機(jī)移植到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。差別只是執(zhí)行時(shí)間的不同。
向上（下）兼容：按某檔計(jì)算機(jī)編制的程序，不加修改就能運(yùn)行于比它高（低）檔的計(jì)算機(jī)。
向后（前）兼容：按某個(gè)時(shí)期投入市場(chǎng)的某種型號(hào)計(jì)算機(jī)編制的程序，不加修改地就能運(yùn)行于在它之后（前）投入市場(chǎng)的計(jì)算機(jī)。
兼容機(jī)：由不同公司廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。
模擬：用軟件的方法在一臺(tái)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)（稱(chēng)為宿主機(jī)）上實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)（稱(chēng)為虛擬機(jī)）的指令系統(tǒng)。
仿真：用一臺(tái)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)（稱(chēng)為宿主機(jī)）上的微程序去解釋實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)（稱(chēng)為目標(biāo)機(jī)）的指令系統(tǒng)。
并行性：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在同一時(shí)刻或者同一時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行多種運(yùn)算或操作。只要在時(shí)間上相互重疊，就存在并行性。它包括同時(shí)性與并發(fā)性兩種含義。
時(shí)間重疊：在并行性概念中引入時(shí)間因素，讓多個(gè)處理過(guò)程在時(shí)間上相互錯(cuò)開(kāi)，輪流重疊地使用同一套硬件設(shè)備的各個(gè)部分，以加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得速度。
資源重復(fù)：在并行性概念中引入空間因素，以數(shù)量取勝。通過(guò)重復(fù)設(shè)置硬件資源，大幅度地提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。
資源共享：這是一種軟件方法，它使多個(gè)任務(wù)按一定時(shí)間順序輪流使用同一套硬件設(shè)備。
耦合度：反映多機(jī)系統(tǒng)中各計(jì)算機(jī)之間物理連接的緊密程度和交互作用能力的強(qiáng)弱。
緊密耦合系統(tǒng)：又稱(chēng)直接耦合系統(tǒng)。在這種系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)之間的物理連接的頻帶較高，一般是通過(guò)總線或高速開(kāi)關(guān)互連，可以共享主存。
松散耦合系統(tǒng)：又稱(chēng)間接耦合系統(tǒng)，一般是通過(guò)通道或通信線路實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)之間的互連，可以共享外存設(shè)備（磁盤(pán)、磁帶等）。計(jì)算機(jī)之間的相互作用是在文件或數(shù)據(jù)集一級(jí)上進(jìn)行。
異構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)：由多個(gè)不同類(lèi)型、至少擔(dān)負(fù)不同功能的處理機(jī)組成，它們按照作業(yè)要求的順序，利用時(shí)間重疊原理，依次對(duì)它們的多個(gè)任務(wù)進(jìn)行加工，各自完成規(guī)定的功能動(dòng)作。
同構(gòu)型多處理機(jī)系統(tǒng)：由多個(gè)同類(lèi)型或至少擔(dān)負(fù)同等功能的處理機(jī)組成，它們同時(shí)處理同一作業(yè)中能并行執(zhí)行的多個(gè)任務(wù)。
1.2 試用實(shí)例說(shuō)明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)之間的相互關(guān)系。
答：如在設(shè)計(jì)主存系統(tǒng)時(shí)，確定主存容量、編址方式、尋址范圍等屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。確定主存周期、邏輯上是否采用并行主存、邏輯設(shè)計(jì)等屬于計(jì)算機(jī)組成。選擇存儲(chǔ)芯片類(lèi)型、微組裝技術(shù)、線路設(shè)計(jì)等屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。
計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成。一種組成可以有多種實(shí)現(xiàn)。
1.3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的Flynn分類(lèi)法是按什么來(lái)分類(lèi)的？共分為哪幾類(lèi)？
答：Flynn分類(lèi)法是按照指令流和數(shù)據(jù)流的多倍性進(jìn)行分類(lèi)。把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為：
（1）
（2）
�。�3）
�。�4） 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
1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的4個(gè)定量原理是什么？并說(shuō)出它們的含義。
答：（1）以經(jīng)常性事件為重點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)經(jīng)常發(fā)生的情況，賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以得到更多的總體上的改進(jìn)。（2）Amdahl定律。加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占的重要性。（3）CPU性能公式。執(zhí)行一個(gè)程序所需的CPU時(shí)間 = IC ×CPI ×?xí)r鐘周期時(shí)間。（4）程序的局部性原理。程序在執(zhí)行時(shí)所訪問(wèn)地址的分布不是隨機(jī)的，而是相對(duì)地簇聚。
1.5 分別從執(zhí)行程序的角度和處理數(shù)據(jù)的角度來(lái)看，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中并行性等級(jí)從低到高可分為哪幾級(jí)？
答：從處理數(shù)據(jù)的角度來(lái)看，并行性等級(jí)從低到高可分為：
�。�1）字串位串：每次只對(duì)一個(gè)字的一位進(jìn)行處理。這是最基本的串行處理方式，不存在并行性；
�。�2）字串位并：同時(shí)對(duì)一個(gè)字的全部位進(jìn)行處理，不同字之間是串行的。已開(kāi)始出現(xiàn)并行性；
�。�3）字并位串：同時(shí)對(duì)許多字的同一位（稱(chēng)為位片）進(jìn)行處理。這種方式具有較高的并行性；
（4）全并行：同時(shí)對(duì)許多字的全部位或部分位進(jìn)行處理。這是最高一級(jí)的并行。 從執(zhí)行程序的角度來(lái)看，并行性等級(jí)從低到高可分為：
�。�1）指令內(nèi)部并行：?jiǎn)螚l指令中各微操作之間的并行；
�。�2）指令級(jí)并行：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令；
（3）線程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的線程，通常是以一個(gè)進(jìn)程內(nèi)派生的多個(gè)線程為調(diào)度單位；
�。�4）任務(wù)級(jí)或過(guò)程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的過(guò)程或任務(wù)（程序段），以子程序或進(jìn)程為調(diào)度單元；
�。�5）作業(yè)或程序級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的作業(yè)或程序。
1.6 某臺(tái)主頻為400MHz的計(jì)算機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序，程序中指令類(lèi)型、執(zhí)行數(shù)量和平均時(shí)鐘周期數(shù)如下：
指令類(lèi)型 指令執(zhí)行數(shù)量 平均時(shí)鐘周期數(shù)
整數(shù) 45000 1
數(shù)據(jù)傳送 75000 2
浮點(diǎn) 8000 4
分支 1500 2
求該計(jì)算機(jī)的有效CPI、MIPS和程序執(zhí)行時(shí)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）程序執(zhí)行時(shí)間= (45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2)／400=575s
1.7 將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快10倍，但該功能的處理時(shí)間僅為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的40%，則采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？
解由題可知：可改進(jìn)比例 = 40% = 0.4部件加速比 = 10
根據(jù)Amdahl定律可知：
采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高到原來(lái)的1.5625倍。
1.8 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有三個(gè)部件可以改進(jìn)，這三個(gè)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(jìn)比例均為30%，那么當(dāng)部件3的可改進(jìn)比例為多少時(shí)，系統(tǒng)加速比才可以達(dá)到10？
（2） 如果三個(gè)部件的可改進(jìn)比例分別為30%、30%和20%，三個(gè)部件同時(shí)改進(jìn)，那么系統(tǒng)中不可加速部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是多少？
解：（1）在多個(gè)部件可改進(jìn)情況下，Amdahl定理的擴(kuò)展：
已知S1＝30，S2＝20，S3＝10，Sn＝10，F(xiàn)1＝0.3，F(xiàn)2＝0.3，得：
得F3＝0.36，即部件3的可改進(jìn)比例為36%。
（2）設(shè)系統(tǒng)改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間為T(mén)，則3個(gè)部件改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間為：（0.3+0.3+0.2）T = 0.8T，不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間為0.2T。
已知3個(gè)部件改進(jìn)后的加速比分別為S1＝30，S2＝20，S3＝10，因此3個(gè)部件改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間為：
改進(jìn)后整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間為：Tn = 0.045T+0.2T = 0.245T
那么系統(tǒng)中不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是：
1.9 假設(shè)某應(yīng)用程序中有4類(lèi)操作，通過(guò)改進(jìn)，各操作獲得不同的性能提高。具體數(shù)據(jù)如下表所示：
操作類(lèi)型 程序中的數(shù)量
�。ò偃f(wàn)條指令） 改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間
（周期） 改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間
�。ㄖ芷冢�
操作1 10 2 1
操作2 30 20 15
操作3 35 10 3
操作4 15 4 1
（1）改進(jìn)后，各類(lèi)操作的加速比分別是多少？
�。�2）各類(lèi)操作單獨(dú)改進(jìn)后，程序獲得的加速比分別是多少？
�。�3）4類(lèi)操作均改進(jìn)后，整個(gè)程序的加速比是多少？
解：根據(jù)Amdahl定律可得
操作類(lèi)型 各類(lèi)操作的指令條數(shù)在程序中所占的比例Fi 各類(lèi)操作的加速比Si 各類(lèi)操作單獨(dú)改進(jìn)后，程序獲得的加速比
操作1 11.1%
操作2 33.3%
操作3 38.9% 2 1.06 1.33 1.09 3.33 1.37
操作4 16.7% 4 1.14
4類(lèi)操作均改進(jìn)后，整個(gè)程序的加速比：
第2章指令集結(jié)構(gòu)的分類(lèi)
2.1 解釋下列術(shù)語(yǔ)
堆棧型機(jī)器：CPU 中存儲(chǔ)操作數(shù)的單元是堆棧的機(jī)器。
累加器型機(jī)器：CPU 中存儲(chǔ)操作數(shù)的單元是累加器的機(jī)器。
通用寄存器型機(jī)器：CPU 中存儲(chǔ)操作數(shù)的單元是通用寄存器的機(jī)器。
CISC：復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)
RISC：精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)
尋址方式：指令系統(tǒng)中如何形成所要訪問(wèn)的數(shù)據(jù)的地址。一般來(lái)說(shuō)，尋址方式可以指明指令中的操作數(shù)是一個(gè)常數(shù)、一個(gè)寄存器操作數(shù)或者是一個(gè)存儲(chǔ)器操作數(shù)。
數(shù)據(jù)表示：硬件結(jié)構(gòu)能夠識(shí)別、指令系統(tǒng)可以直接調(diào)用的那些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。
2.2 區(qū)別不同指令集結(jié)構(gòu)的主要因素是什么？根據(jù)這個(gè)主要因素可將指令集結(jié)構(gòu)分為哪3類(lèi)？
答：區(qū)別不同指令集結(jié)構(gòu)的主要因素是CPU中用來(lái)存儲(chǔ)操作數(shù)的存儲(chǔ)單元。據(jù)此可將指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為堆棧結(jié)構(gòu)、累加器結(jié)構(gòu)和通用寄存器結(jié)構(gòu)。
2.3 常見(jiàn)的3種通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)有哪些？
答：
指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類(lèi)型 優(yōu)點(diǎn) 缺點(diǎn)
篇二：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作業(yè)答案第三章(張晨曦)
3.1 -3.3為術(shù)語(yǔ)解釋等解答題。
3.4 設(shè)一條指令的執(zhí)行過(guò)程分為取指令，分析指令和執(zhí)行指令3個(gè)階段，每個(gè)階段所需時(shí)間分別為ΔT, ΔT, 2ΔT，分別求出下列各種情況下，連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間。 (1) 順序執(zhí)行方式
(2) 只有“取指令”與“執(zhí)行指令”重疊 (3) “取指令”，“分析指令”與“執(zhí)行指令”重疊 解：
(1) 4NΔT
(2) (3N+1) ΔT (3) 2(N+1) ΔT
3.6 解決流水線瓶頸問(wèn)題有哪兩種常用方法？ 解：
(1) 細(xì)分瓶頸段 將瓶頸段細(xì)分為若干個(gè)子瓶頸段 (2) 重復(fù)設(shè)置瓶頸段 重復(fù)設(shè)置瓶頸段，使之并行工作，以此錯(cuò)開(kāi)處理任務(wù)
3.9 列舉下面循環(huán)中的所有相關(guān)，包括輸出相關(guān)，反相關(guān)，真數(shù)據(jù)相關(guān)。 for(i = 2; i < 100; i=i+1) { a[i] = b[i] + a[i];-----(1) c[i+1] = a[i] + d[i];-----(2) a[i-1] = 2*b[i]; -----(3) b[i+1] = 2*b[i]; -----(4) } 解：
輸出相關(guān)：第k次循環(huán)時(shí)(1)與第k+1輪時(shí)(3) 反相關(guān)：第k次循環(huán)時(shí)(1)和(2)與第k-1輪時(shí)(3)
真數(shù)據(jù)相關(guān)：每次循環(huán)(1)與(2)，第k次循環(huán)(4)與k+1次循環(huán)(1)，(3)，(4)
3.12 有一指令流水線如下所示
50ns 50ns100ns 200ns (1) 求連續(xù)如入10條指令的.情況下，該流水線的實(shí)際吞吐率和效率
(2) 該流水線的“瓶頸”在哪一段？請(qǐng)采用兩種不同的措施消除此“瓶頸”。對(duì)于你所給出
的兩種新的流水線連續(xù)輸入10條指令時(shí)，其實(shí)際吞吐率和效率各是多少？ 解：（1）（m表示流水線級(jí)數(shù)，n 表示任務(wù)數(shù)）
�。�2）瓶頸在 3、4段。
方法一：變成八級(jí)流水線（細(xì)分）
11.7e8
方法二：變成兩級(jí)流水線（合并）
方法三：將段 1、2 合并為一段，段 4 細(xì)化流水為兩段
方法四：重復(fù)設(shè)置部件，設(shè)置 2個(gè)部件 3，4個(gè)部件 4，和第一種方法結(jié)果相同
3.14 有一條靜態(tài)多功能流水線由5段組成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第3段時(shí)間為2Δt，其余各段時(shí)間均為Δt,而且流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應(yīng)的流水寄存器中，現(xiàn)要在該流水線上計(jì)算
(AB)，畫(huà)出其時(shí)空?qǐng)D，并計(jì)算其吞吐率、
i
i
i1
4
急速比和效率。 解：（1）.任務(wù)劃分如下：
F = ( A1 + B1 )·（ A
2
+ B2 ）·（ A3+ B3 ）·（ A4+ B4 ）
(7)
時(shí)空?qǐng)D如下：
S5S4S3S2S1 (2) Tk = 18Δt，TP = 7/18Δt，S = 29/18=1.611，E = 29/(18*5)=29/90≈32.2% 3.15
一動(dòng)態(tài)多功能流水線由6個(gè)功能段組成，如下圖(圖4)：
圖4
其中：S1、S4、S5、S6組成乘法流水線，S1、S2、S3、S6組成加法流水線，每個(gè)功能段時(shí)間均為50ns。假定該流水線的輸出結(jié)果可以直接返回流水線輸入端，而且設(shè)置有足夠
的緩沖寄存器。若按照最快的方式用該流水線計(jì)算 ① 請(qǐng)畫(huà)出其處理過(guò)程的時(shí)空?qǐng)D。 ② 計(jì)算其實(shí)際吞吐率，加速比和效率。 解：（1）.任務(wù)劃分如下：
。
F = X1·Y1·Z1 + X2·Y2·Z2 + X3·Y3·Z3 + X4·Y4·Z4 + X5·Y5·Z5
時(shí)空?qǐng)D如下： S6S5S4S3S2
S1 （2）.Tk = 22Δt，TP = 7/11Δt=7/(11*50ns)=12.727e6，S = 28/11=2.555，E = 14/33=42.42%
3.18、在Cray 1機(jī)上，按鏈接方式執(zhí)行下面4條向量指令（括號(hào)中給出相應(yīng)功能部件時(shí)間），如果向量寄存器和功能部件之間的數(shù)據(jù)傳輸需要1拍，試求此鏈接流水線的流過(guò)時(shí)間為多少拍？如果向量長(zhǎng)度為64，則需要多少拍能得到全部結(jié)果。
V0←存儲(chǔ)器 (存儲(chǔ)器取數(shù)：7拍)
V2←V0+V1 (向量加：3拍)V3←V2<A3 (按照A3左移：4拍)V5←V3∧V4 (向量邏輯乘：2拍)
解答：
四條指令每前后兩條依次存在先寫(xiě)后讀相關(guān)，故流水線經(jīng)過(guò)時(shí)間為(1+7+1) + (1+3+1) + (1+4+1) + (1+2+1) = 24。
如果向量長(zhǎng)度為64，則需24 + (64-1) = 87拍能得到全部結(jié)果。
篇三：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)課后習(xí)題原版答案_張晨曦著
1.1 解釋下列術(shù)語(yǔ)
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)機(jī)器程序員所看到的計(jì)算機(jī)屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。
計(jì)算機(jī)組成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包含物理機(jī)器級(jí)中的數(shù)據(jù)流和控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。
計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)，包括處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號(hào)傳輸，電源、冷卻及整機(jī)裝配技術(shù)等。
系統(tǒng)加速比：對(duì)系統(tǒng)中某部分進(jìn)行改進(jìn)時(shí)，改進(jìn)后系統(tǒng)性能提高的倍數(shù)。
Amdahl定律：當(dāng)對(duì)一個(gè)系統(tǒng)中的某個(gè)部件進(jìn)行改進(jìn)后，所能獲得的整個(gè)系統(tǒng)性能的提高，受限于該部件的執(zhí)行時(shí)間占總執(zhí)行時(shí)間的百分比。
并行性：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在同一時(shí)刻或者同一時(shí)間間隔內(nèi)進(jìn)行多種運(yùn)算或操作。只要在時(shí)間上相互重疊，就存在并行性。它包括同時(shí)性與并發(fā)性兩種含義。
1.2 試用實(shí)例說(shuō)明計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組成與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)之間的相互關(guān)系。
答：如在設(shè)計(jì)主存系統(tǒng)時(shí)，確定主存容量、編址方式、尋址范圍等屬于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。確定主存周期、邏輯上是否采用并行主存、邏輯設(shè)計(jì)等屬于計(jì)算機(jī)組成。選擇存儲(chǔ)芯片類(lèi)型、微組裝技術(shù)、線路設(shè)計(jì)等屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)。
計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成。一種組成可以有多種實(shí)現(xiàn)。
1.4 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的4個(gè)定量原理是什么？并說(shuō)出它們的含義。 答：（1）以經(jīng)常性事件為重點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，對(duì)經(jīng)常發(fā)生的情況，賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以得到更多的總體上的改進(jìn)。（2）Amdahl定律。加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占的重要性。（3）CPU性能公式。執(zhí)行一個(gè)程序所需的CPU時(shí)間 = IC ×CPI ×?xí)r鐘周期時(shí)間。（4）程序的局部性原理。程序在執(zhí)行時(shí)所訪問(wèn)地址的分布不是隨機(jī)的，而是相對(duì)地簇聚。
1.6 某臺(tái)主頻為400MHz的計(jì)算機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序，程序中指令類(lèi)型、執(zhí)行數(shù)量和平均時(shí)鐘周期數(shù)如下：
求該計(jì)算機(jī)的有效CPI、MIPS和程序執(zhí)行時(shí)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）程序執(zhí)行時(shí)間= (45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2)／400=575s
1.7 將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快10倍，但該功能的處理時(shí)間僅為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的40%，則采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？
解 由題可知：可改進(jìn)比例 = 40% = 0.4部件加速比 = 10 根據(jù)Amdahl定律可知：
1
系統(tǒng)加速比1.5625
0.4
10.4
10
采用此增強(qiáng)功能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高到原來(lái)的1.5625倍。
1.8 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有三個(gè)部件可以改進(jìn)，這三個(gè)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(jìn)比例均為30%，那么當(dāng)部件3的可改進(jìn)比例為多少時(shí)，系統(tǒng)加速比才可以達(dá)到10？
�。�2） 如果三個(gè)部件的可改進(jìn)比例分別為30%、30%和20%，三個(gè)部件同時(shí)改進(jìn)，那么系統(tǒng)中不可加速部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是多少？
解：（1）在多個(gè)部件可改進(jìn)情況下，Amdahl定理的擴(kuò)展：
Sn
(1
1
Fi)
Fi
Si
已知S1＝30，S2＝20，S3＝10，Sn＝10，F(xiàn)1＝0.3，F(xiàn)2＝0.3，得：
10
1
1（-0.30.3F3）（0.3/300.3/20F3/10）
得F3＝0.36，即部件3的可改進(jìn)比例為36%。
（2）設(shè)系統(tǒng)改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間為T(mén)，則3個(gè)部件改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間為：（0.3+0.3+0.2）T = 0.8T，不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間為0.2T。
已知3個(gè)部件改進(jìn)后的加速比分別為S1＝30，S2＝20，S3＝10，因此3個(gè)部件改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間為：
'Tn
0.3T0.3T0.2T
0.045T 302010
改進(jìn)后整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間為：Tn = 0.045T+0.2T = 0.245T
那么系統(tǒng)中不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是：
0.2T
0.82
0.245T
1.9 假設(shè)某應(yīng)用程序中有4類(lèi)操作，通過(guò)改進(jìn)，各操作獲得不同的性能提高。具體數(shù)據(jù)如下表所示：
�。�2）各類(lèi)操作單獨(dú)改進(jìn)后，程序獲得的加速比分別是多少？ （3）4類(lèi)操作均改進(jìn)后，整個(gè)程序的加速比是多少？
解：根據(jù)Amdahl定律Sn1Fe
(1Fe)
Se
可得
4類(lèi)操作均改進(jìn)后，整個(gè)程序的加速比：
1
Sn2.16
Fi
(1Fi)Si
第2章 指令集結(jié)構(gòu)的分類(lèi)
2.1 解釋下列術(shù)語(yǔ)
堆棧型機(jī)器：CPU 中存儲(chǔ)操作數(shù)的單元是堆棧的機(jī)器。
累加器型機(jī)器：CPU 中存儲(chǔ)操作數(shù)的單元是累加器的機(jī)器。
通用寄存器型機(jī)器：CPU 中存儲(chǔ)操作數(shù)的單元是通用寄存器的機(jī)器。
2.2 區(qū)別不同指令集結(jié)構(gòu)的主要因素是什么？根據(jù)這個(gè)主要因素可將指令集結(jié)構(gòu)分為哪3類(lèi)？
答：區(qū)別不同指令集結(jié)構(gòu)的主要因素是CPU中用來(lái)存儲(chǔ)操作數(shù)的存儲(chǔ)單元。據(jù)此可將指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為堆棧結(jié)構(gòu)、累加器結(jié)構(gòu)和通用寄存器結(jié)構(gòu)。
2.4指令集應(yīng)滿足哪幾個(gè)基本要求？
答：對(duì)指令集的基本要求是：完整性、規(guī)整性、高效率和兼容性。
完整性是指在一個(gè)有限可用的存儲(chǔ)空間內(nèi)，對(duì)于任何可解的問(wèn)題，編制計(jì)算程序時(shí)，指令集所提供的指令足夠使用。
規(guī)整性主要包括對(duì)稱(chēng)性和均勻性。對(duì)稱(chēng)性是指所有與指令集有關(guān)的存儲(chǔ)單元的使用、操作碼的設(shè)置等都是對(duì)稱(chēng)的。均勻性是指對(duì)于各種不同的操作數(shù)類(lèi)型、字長(zhǎng)、操作種類(lèi)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元，指令的設(shè)置都要同等對(duì)待。
高效率是指指令的執(zhí)行速度快、使用頻度高。
2.7簡(jiǎn)述RISC指令集結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則。
答（1） 選取使用頻率最高的指令，并補(bǔ)充一些最有用的指令；（2）每條指令的`功能應(yīng)
盡可能簡(jiǎn)單，并在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成；（3）所有指令長(zhǎng)度均相同；（4）只有Load和Store操作指令才訪問(wèn)存儲(chǔ)器，其它指令操作均在寄存器之間進(jìn)行； (5) 以簡(jiǎn)單有效的方式支持高級(jí)語(yǔ)言。
2.10通常有哪幾種指令格式，請(qǐng)簡(jiǎn)述其適用范圍。
答： (1) 變長(zhǎng)編碼格式。如果系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者感興趣的是程序的目標(biāo)代碼大小，而不是性能，就可以采用變長(zhǎng)編碼格式。（2）固定長(zhǎng)度編碼格式。如果感興趣的是性能，而不是程序的目標(biāo)代碼大小，則可以選擇固定長(zhǎng)度編碼格式。 (3) 混合型編碼格式。需要兼顧降低目標(biāo)代碼長(zhǎng)度和降低譯碼復(fù)雜度時(shí)，可以采用混合型編碼格式。
第3章 流水線技術(shù)
3.1解釋下列術(shù)語(yǔ)
流水線：將一個(gè)重復(fù)的時(shí)序過(guò)程，分解成為若干個(gè)子過(guò)程，而每一個(gè)子過(guò)程都可有效地在其專(zhuān)用功能段上與其它子過(guò)程同時(shí)執(zhí)行。
吞吐率：在單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)量或輸出結(jié)果的數(shù)量。
流水線的加速比：使用順序處理方式處理一批任務(wù)所用的時(shí)間與按流水處理方式處理同一批任務(wù)所用的時(shí)間之比。
數(shù)據(jù)相關(guān)：考慮兩條指令i和j，i在j的前面，如果下述條件之一成立，則稱(chēng)指令j與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)：
�。�1）指令j使用指令i產(chǎn)生的結(jié)果；
�。�2）指令j與指令k數(shù)據(jù)相關(guān)，而指令k又與指令i數(shù)據(jù)相關(guān)。
數(shù)據(jù)沖突：當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，因需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)生的沖突。
定向：用來(lái)解決寫(xiě)后讀沖突的。在發(fā)生寫(xiě)后讀相關(guān)的情況下，在計(jì)算結(jié)果尚未出來(lái)之前，后面等待使用該結(jié)果的指令并不見(jiàn)得是馬上就要用該結(jié)果。如果能夠?qū)⒃撚?jì)算結(jié)果從其產(chǎn)生的地方直接送到其它指令需要它的地方，那么就可以避免停頓。
鏈接技術(shù)：具有先寫(xiě)后讀相關(guān)的兩條指令，在不出現(xiàn)功能部件沖突和Vi沖突的情況下，可以把功能部件鏈接起來(lái)進(jìn)行流水處理，以達(dá)到加快執(zhí)行的目的。
分段開(kāi)采：當(dāng)向量的長(zhǎng)度大于向量寄存器的長(zhǎng)度時(shí)，必須把長(zhǎng)向量分成長(zhǎng)度固定的段，然后循環(huán)分段處理，每一次循環(huán)只處理一個(gè)向量段。
3.3 簡(jiǎn)述先行控制的基本思想。 答：先行控制技術(shù)是把緩沖技術(shù)和預(yù)處理技術(shù)相結(jié)合。緩沖技術(shù)是在工作速度不固定的兩個(gè)功能部件之間設(shè)置緩沖器，用以平滑它們的工作。預(yù)處理技術(shù)是指預(yù)取指令、對(duì)指令進(jìn)行加工以及預(yù)取操作數(shù)等。
采用先行控制方式的處理機(jī)內(nèi)部設(shè)置多個(gè)緩沖站，用于平滑主存、指令分析部件、運(yùn)算器三者之間的工作。這樣不僅使它們都能獨(dú)立地工作，充分忙碌而不用相互等待，而且使指令分析部件和運(yùn)算器分別能快速地取得指令和操作數(shù)，大幅度地提高指令的執(zhí)行速度和部件
的效率。這些緩沖站都按先進(jìn)先出的方式工作，而且都是由一組若干個(gè)能快速訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元和相關(guān)的控制邏輯組成。
采用先行控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多條指令的重疊解釋執(zhí)行。
3.4 設(shè)一條指令的執(zhí)行過(guò)程分成取指令、分析指令和執(zhí)行指令三個(gè)階段，每個(gè)階段所需的時(shí)間分別為△t、△t和2△t 。分別求出下列各種情況下，連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間。
（1）順序執(zhí)行方式；
（2）只有“取指令”與“執(zhí)行指令”重疊； （3）“取指令”、“分析指令”與“執(zhí)行指令”重疊。 解：（1）每條指令的執(zhí)行時(shí)間為：△t＋△t＋2△t＝4△t
連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間為：4N△t
�。�2）連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間為：4△t＋3（N-1）△t＝（3N＋1）△t （3）連續(xù)執(zhí)行N條指令所需的時(shí)間為：4△t＋2（N-1）△t＝（2N＋2）△t
3.5 簡(jiǎn)述流水線技術(shù)的特點(diǎn)。 答：流水技術(shù)有以下特點(diǎn)： （1） 流水線把一個(gè)處理過(guò)程分解為若干個(gè)子過(guò)程，每個(gè)子過(guò)程由一個(gè)專(zhuān)門(mén)的功能部件來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，流水線實(shí)際上是把一個(gè)大的處理功能部件分解為多個(gè)獨(dú)立的功能部件，并依靠它們的并行工作來(lái)提高吞吐率。
（2） 流水線中各段的時(shí)間應(yīng)盡可能相等，否則將引起流水線堵塞和斷流。 （3） 流水線每一個(gè)功能部件的前面都要有一個(gè)緩沖寄存器，稱(chēng)為流水寄存器。
�。�4） 流水技術(shù)適合于大量重復(fù)的時(shí)序過(guò)程，只有在輸入端不斷地提供任務(wù)，才能充分發(fā)揮流水線的效率。
�。�5） 流水線需要有通過(guò)時(shí)間和排空時(shí)間。在這兩個(gè)時(shí)間段中，流水線都不是滿負(fù)荷工作。
3.6 解決流水線瓶頸問(wèn)題有哪兩種常用方法？ 答：細(xì)分瓶頸段與重復(fù)設(shè)置瓶頸段
3.10 簡(jiǎn)述三種向量處理方式，它們對(duì)向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)要求有何不同？
答 (1)橫向處理方式：若向量長(zhǎng)度為N，則水平處理方式相當(dāng)于執(zhí)行N次循環(huán)。若使用流水線，在每次循環(huán)中可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)相關(guān)和功能轉(zhuǎn)換，不適合對(duì)向量進(jìn)行流水處理。 (2)縱向處理方式：將整個(gè)向量按相同的運(yùn)算處理完畢之后，再去執(zhí)行其他運(yùn)算。適合對(duì)向量進(jìn)行流水處理，向量運(yùn)算指令的源/目向量都放在存儲(chǔ)器內(nèi)，使得流水線運(yùn)算部件的輸入、輸出端直接與存儲(chǔ)器相聯(lián)，構(gòu)成M-M型的運(yùn)算流水線。 (3)縱橫處理方式：把長(zhǎng)度為N的向量分為若干組，每組長(zhǎng)度為n，組內(nèi)按縱向方式處理，依次處理各組，組數(shù)為「N/n」，適合流水處理。可設(shè)長(zhǎng)度為n的向量寄存器，使每組向量運(yùn)算的源/目向量都在向量寄存器中，流水線的運(yùn)算部件輸入、輸出端與向量寄存器相聯(lián)，構(gòu)成R-R型運(yùn)算流水線。
3.11 可采用哪些方法來(lái)提高向量處理機(jī)的性能？ 答：可采用多種方法：
（1） 設(shè)置多個(gè)功能部件，使它們并行工作； （2） 采用鏈接技術(shù)，加快一串向量指令的執(zhí)行；
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