简述计算机系统设计的主要方法

简述计算机系统设计的主要方法。答：基于计算机系统层次结构的基础上，其计算机系统设计方法可以有以下的三种：方法1：由上向下(Top-Down)设计过程：面向应用的数学模型f面向应用的高级语言f面向这种应用的操作系统f面向操作系统和高级语言的机器语言f面向机器语言的微指令系统和硬件实现。应用场合：专用计算机的设计(早期计算机的设计)。特点：对于所面向的应用领域，性能(性能价格比)很高。随着通用计算机价格降低，目前已经很少采用。方法2：由下向上(Bottom-Up)(通用计算机系统的一种设计方法)设计过程：根据当时的器件水平，设计微程序机器级和传统机器级。根据不同的应用领域设计多种操作系统、汇编语言、高级语言编译器等。最后设计面向应用的虚拟机器级。应用场合：在计算机早期设计中(60〜70年代)广为采用。特点：容易使软件和硬件脱节，整个计算机系统的效率降低。方法3：中间开始(Middle-Out)设计过程：首先定义软硬件的分界面。然后各个层次分别进行设计。应用场合：用于系列机的设计。特点：软硬件的分界面在上升，硬件比例在增加。硬件价格下降，软件价格上升。软硬件人员结合共同设计。一般来讲，计算机组成设计要确定的内容应包括那些方面？答：(1)数据通路的宽度;⑵专用部件的设置;(3)各种操作对部件的共享程度；(4)功能部件的并行度;(5)控制机构的组成方式;(6)缓冲和排队技术;(7)预估，预判技术(8)可靠性技术。简述计算机系统结构用软件实现和用硬件实现各自的优缺点。答：计算机系统结构用硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少。用软件实现：速度低、复制费用低；灵活性好、占用内存多。简述冯.诺依曼计算机的特征。答：计算机的工作过程就是执行程序的过程。怎样组织程序，涉及到计算机体系结构问题。现在的计算机都是基于“程序存储”概念设计制造出来的。⑴冯.诺依曼(VonNeumann)的“程序存储”设计思想冯.诺依曼是美籍匈牙利数学家，他在1946年提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想。到现在为止，尽管计算机制造技术已经发生了极大的变化，但是就其体系结构而言，仍然是根据他的设计思想制造的，这样的计算机称为冯•诺依曼结构计算机。冯•诺依曼设计思想可以简要地概括为以下三点：计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大基本部件。计算机内部应采用二进制来表示指令和数据。每条指令一般具有一个操作码和一个地址码。其中操作码表示运算性质，地址码指出操作数在存储器中的地址。将编好的程序送人内存储器中，然后启动计算机工作，计算机勿需操作人员干预，能自动逐条取出指令和执行指令。从以上三条可以看出，以前所有的讨论都是针对冯•诺依曼设计思想论述的，不过没有明确指出其人罢了。冯•诺依曼设计思想最重要之处在于明确地提出了“程序存储”的概念，他的全部设计思想实际上是对对程序存储”概念的具体化。计算机的工作过程了解了“程序存储”，再去理解计算机工作过程变得十分容易。如果想叫计算机工作，就得先把程序编出来，然后通过输人设备送到存储器中保存起杂，即程序存储。接下来就是执行程序的问题了。根据冯.诺依曼的设计，计算机应能自动执行程序，而执行程序文归结为逐条执行指令。取出指令：从存储器某个地址中取出要执行的指令送到CPU内部的指令寄存器暂存；分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令寄存器，译出该指令对应的微操作；执行指令：根据招令译码器向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的操作；为执行下一条指令做好准备，即形成下一条指令地址。如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分成4级。每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令解释。若执行第一级的一条指令需K(ns)时间，那么执行第2、3、4级的一条指令各需要用多少时间(ns)?答：因为第二级的一条指令需第1级的N条指令解释，所以第二级的一条指令执行时间为NKns；第三级的一条指令执行时间为N2Kns；第四级的一条指令执行时间为N3Kns。假设将某系统的某一部件的处理速度加快到10倍，但该部件的原处理时

间仅为整个运行时间的40%，则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少？答：由题意可知：Fe=0.4,Se=10，根据Amdahl定律0.6+0.4100.6+0.4101

064n1.56什么是存储系统？解：存储系统是指计算机中由存放程序和数据的各种存储设备、控制部件及管理信息调度的设备（硬件）和算法（软件）所组成的系统。什么是高速缓冲存储器:解：高速缓冲存储器（Cache）其原始意义是指存取速度比一般随机存储记忆体（RAM）来得快的一种RAM,一般而言它不像系统主记忆体那样使用DRAM技术，而使用昂贵但较快速的SRAM技术，也有快取记忆体的名称。答：构造Huffman答：构造Huffman树如下:3.假设一台模型计算机共有10种不同的操作码，如果采用固定长操作码需要4位。已知各种操作码在程序中出现的概率如下表所示，计算采用Huffman编码法的操作码平均长度，并计算固定长操作码和Huffman操作码的信息冗余量（假设最短平均长度H=3.1位）。指令序号指令使用频度Pi指令序号指令使用频度PiI10.17I60.09I20.15I70.08I30.15I80.07I40.13I90.03I50.12I100.01

Huffman编码如下表:指令序号指令使用频度PiHuffman编码码长指令序号指令使用频度PiHuffman编码码长I10.17102I60.0901104I20.150003I70.0801114I30.150013I80.0711104I40.130103I90.03111105I50.121103I100.01111115Huffman编码平均码长为：冗余量二(3.15-3.10)/3.15=1.59%固定码长：log210=4冗余量二(4-3.10)/4=22.5%4.若某机要求有：三地址指令4条，单地址指令192条，零地址指令16条。设指令字长为12位，每个地址码长3位。问能否以扩展操作码为其编码？解：三种指令格式字如下:XXX三地址4条OPcJ 11AiJ000XXXXXX三地址4条三地址指令4条 XXX单地址指令192条OilxxxXXX单地址指令192条OilxxxXXX一地址192条XXX000I零地址16条OPC

000I零地址16条零地址指令16条XXX• 111101xxx111111110000:111111111111简述直接相联映象规则。答：（1）主存与缓存分成相同大小的数据块。（2） 主存容量应是缓存容量的整数倍，将主存空间按缓存的容量分成区，主存中每一区的块数与缓存的总块数相等。（3） 主存中某区的一块存入缓存时只能存入缓存中块号相同的位置。简述组相联映象规则。答：（1）主存与缓存分成相同大小的数据块。（2） 主存和Cache按同样大小划分成组。（3） 主存容量是缓存容量的整数倍，将主存空间按缓冲区的大小分成区，主存中每一区的组数与缓存的组数相同。（4） 当主存的数据调入缓存时，主存与缓存的组号应相等，也就是各区中的某一块只能存入缓存的同组号的空间内，但组内各块地址之间则可以任意存放，即从主存的组到Cache的组之间采用直接映象方式；在两个对应的组内部采用全相联映象方式。试述页式管理虚拟存储器的工作过程。答：（1）系统中每个用户都有自己的页表基址寄存器，页表（慢表）及快表，当CPU需要访问时，首先查快表，如果命中则可以得到实页号，然后与页内地址组装成为主存的实际地址。（2） 如果在快表中不命中，则通过查慢表得出实页号，同时修改快表内容。（3） 如果慢表中仍然没有命中，则说明该页尚未进入主存，发生页面实效，出现缺页中断，系统转入中断处理。在中断处理程序中需完成两项工作：一是查外页表，进行虚地址与磁盘地址的转换，并到磁盘中读取该页。二是查询主存使用状态，如果主存没有存满，则直接将磁盘信息调入，并修改页表及快表；如果主存已满，则需要进行替换。为了方便查询主存占用情况，通常建立一个帧页表（帧页号，内容，虚地址，状态位），其中帧页号字段是指主存的实际页号，内容字段存放用户名或程序名，虚地址字段记录存入该页的虚页号，状态页字段指明虚页的信息是否已调入主存互连网络例子：编号为0，1……15的16个处理器用单级互连网络连接，当互连函数分别为：（1）cube3;（2）PM2+3;（3）shuffle;时第13号处理器各连至哪一个处理器？答：（1）第1101号处理器连至0101号处理器上，即连至第5号处理器上。第13号处理器连至第(13+23mod16)号处理器上。即连至第5号处理器上。第13号处理器连至第1011号处理器上。即连至第11号处理器上本人自任职以来，担任公司的技术员，在工作上尊重领导、团结同事、谦虚谨慎、以诚待人、认真负责，具有很好的团队合作精神，注重团体的利益，集体意识强。能够与人充分合作，充分听取他人的意见和建