计算机计算机系统结构基本习题和答案

计算机系统结构基本习题和答案

填空题

1、从（使用语言的）角度可以将系统看成是按（功能）划分的多个机器级组成的层次结构。

2、计算机系统结构的层次结构由高到低分别为（应用语言机器级，高级语言机器级，汇编语言机器级，

操作系统机器级，传统机器语言机器级，微程序机器级）。

3、应用程序语言经（应用程序包）的（翻译）成高级语言程序。

4、高级语言程序经（编译程序）的（翻译）成汇编语言程序。

5、汇编语言程序经（汇编程序）的（翻译）成机器语言程序。

6、在操作系统机器级，一般用机器语言程序（解释）作业控制语句。

7、传统机器语言机器级，是用（微指令程序）来（解释）机器指令。

8、微指令由（硬件）直接执行。

9、在计算机系统结构的层次结构中，机器被定义为（能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构）的

集合体。

10、目前M0由（硬件）实现，Ml用（微程序（固件））实现，M2到M5大多用（软件）实现。以（软

件）为主实现的机器成为虚拟机。（虚拟机）不一定全用软件实现，有些操作也可用（固件或硬件）实现。

11、透明指的是（客观存在的事物或属性从某个角度看不到），它带来的好处是（简化某级的设计），带来

的不利是（无法控制）。

12、计算机系统结构也称（计算机体系结构），指的是（传统机器级的系统结构）。它是（软件和硬件/固件）

的交界面，是机器语言汇编语言程序设计者或编译程序设计者看到的（机器物理系统）的抽象。

13、计算机组成指的是（计算机系统结构的逻辑实现），包括（机器级内的数据流和控制流）的组成及逻

辑设计等。计算机实现指的是（计算机组成的物理实现），它着眼于（器件）技术和（微组装）技术。

14、确定指令系统中是否要设乘法指令属于（计算机系统结构），乘法指令是用专门的高速乘法器实现还

是用加法器实现属于（计算机组成），乘法器和加法-移位器的物理实现属于（计算机实现）。

15、主存容量与编址方式的确定属于（计算机系统结构），主存是否采用多体交叉属于（计算机组

成），主存器件的选定属于（计算机实现）。

16、设计何种系列机属于（计算机系统结构），系列机内不同型号计算机的组织属于（计算机组成）。

17、是否采用通道方式输入输HI的确定属于（计算机系统结构），通道采用结合型还是独立型属于（计算

机组成）。

18、对PDP-11或WKX-11来说，单总线结构属于（计算机系统结构），其机器级的I/O连接和使用方式属

于（计算机组成）。

19、由于计算机组成和计算机实现关系密切，有人称它们为（计算机实现），即计算机系统的（逻辑实现）

和（物理实现）。

20、计算机系统结构可有（由上而下）、（由下而上）和（由中间开始）三种不同的设计思路。

21、“由中间开始”设计的“中间”是指（层次结构中的软硬交界面），目前多数是在（传统机器级）与（操

作系统级）之间。

22、除了分布处理，MPP和机群系统外，并行处理计算机按其基本结构特征可分为（流水线计算机）、（阵

列处理机）、（多处理机）、（数据流计算机）四种不同的结构。

23、费林按指令流和数据流的多倍性把计算机系统分类，这里的多倍性指（系统瓶颈部件上处于同一执行

阶段的指令或数据的最大可能个数）。

24、费林分类法能反映出大多数计算机的并行工作方式和结构特点，但只能对（控制流）机器分类，不能

对（数据流）机器分类，而且对（流水线处理机）的分类不确切。

25、我们把（着眼于软、硬件功能分配和确定程序设计所看到的机器级界面的计算机系统结构）称为从程

序设计者看的计算机系统结构，而把（着眼于如何更好、更合理地实现分配给硬件的功能的计算机组成）

称为从计算机设计者看的计算机系统能够结构。

26、仿真是指（用微程序直接解释另一种机器指令系统），进行仿真的机器称为（宿主机），被仿真的机器

称为（目标机）。

27、软件的可移植性指的是（软件不修改或只经少量修改就可由一台机器搬到另一台机器上运行，同一软

件可应用于不同的环境），实现软件移植的基本技术有（统一高级语言，采用系列机，模拟与仿真）。

28、软件兼容有（向上兼容）和（向下兼容）之分，又有（向前兼容）和（向后兼容）之分。系列机软件

必须保证（向后兼容），力争（向上兼容）。

29、系列机内各档机器的软件兼容指的是（机器语言程序和编译程序不加修改地通用于各档机器，有相同

的系统结构）。

30、计算机性能是（硬件），（软件），（可靠性），（可用性）等多种指标的综合。

31、非用户片指（其功能由器件厂生产时定死，器件的用户只能用，不能改变器件内部功能），现场片指

（用户可根据需要改变器件内部功能），用户片指（专门按用户要求生产的高集成度VLSI器件）。

32、微型计算机的发展有两个趋势：一是（维持价格提高性能，向小型机靠拢），另一是（维持性能降低

价格，发展更低档的计算机）。

33、各种应用对结构设计提出广泛的要求，其中（程序可移植性），（高性价比），（高可靠性）和（便于维

护）等都是共同要求。

34、模拟指（用机器语言解释实现软件移植），进行模拟的机器称为（宿主机），被模拟的机器称为（虚拟

机）。

35、从系统结构的观点看，各型计算机性能随时间下移，其实就是（在低档机上引用甚至照搬高档机的结

构和组成）。

36、确定软、硬件功能分配的基本原则是（在现有硬件条件下，系统要有高的性价比），（应避免过多或不

合理地限制各种组成、实现技术的采用和发展）和（不仅要利用组成技术的成果，发挥器件技术的进展，

应把如何为编译和操作系统的实现以及为高级语言程序的设计提供更多更好的支持放在首位）。

37、（器件）尤其是（微电子）的迅速发展是计算机系统结构迅速改进的关键，是重要的物质基础。

38、作业或程序之间的并行关键在于（并行算法），任务或进程之间的并行主要涉及（任务分解和同步），

指令之间的并行主要应（处理好指令间的相互关联），指令内部主要取决于（硬件和组成的设计）。

39、同时性指两个或多个事件在（同一时刻）发生，并发性指两个或多个事件在（同一时间间隔）发生。

40、在同•器件技术水平上，进一步提高计算机系统性能的有效途径是（开发并行性）。

41、从计算机系统执行程序的角度看，并行性等级由低到高分为（指令内部），（指令之间），（任务或进程

之间）和（作业或程序之间）四级。

42、从计算机信息加工的步骤和阶段的并行性看，并行性等级可分为（存储器操作并行），（处理机操作步

骤并行），（处理机操作并行）和（作业或程序之间）。

43、时间重叠是指（在并行概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同

一套硬件设备的各个部分，加快硬件周转来赢得速度），其最典型的例子是（指令内各操作步骤采用重叠

流水），时间重叠基本上（不必重复增加硬设备）就可以提高计算机系统的性能价格比。

44、存储器操作并行，处理机操作步骤并行，处理机操作并行和指令、任务、作业并行的典型例子分别是

（并行存储器系统和相联处理机），（流水线处理机），（阵列处理机）和（多处理机）。

45、资源共享指（用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源来提高其利用率，提高系统

性能），其最典型的例子是（多道程序分时系统），资源共享不仅是（硬件资源的共享），而且是（软件信

息资源的共享）。

46、费林按指令流和数据流的多倍性把计算机系统分成（单指令单数据流SISD）,（单指令多数据流SIMD）,

（多指令单数据流MISD）和（多指令多数据流MIMD）四大类。传统的单处理机属于（SISD）,阵列处

理机和相联处理机属于（SIMD）,处理机间的宏流水属于（MISD）,紧密耦合和松散耦合多处理机属于

（MIMD）o

47、库克按指令流和执行流及其多倍性将计算机系统分成（单指令单执行流SISE）,（单指令多执行流

SIME）,（多指令单执行流MISE）和（多指令多执行流MIME）四类。单处理机属于（SISE）,带多操作

部件的处理机属于（SIME）,带指令级多道程序的单处理机属于（MISE）,多处理机系统属于（MIME）。

48、•般用耦合度反映（多机系统中各机间物理连接的紧密度和交叉作用能力的强弱），它分为（最低耦

合），（松散耦合），和（紧密耦合）。

49、冯泽云提出用（数据处理的并行度）来定量地描述各种计算机系统特征，把计算机分成（字串位串

WSBS）,（字串位并WSBP）,（字并位串WPBS）和（字并位并WPBP）四类。

50、资源重复指（在并行概念中引入空间因素，通过重复设置硬件资源来提高可靠性或性能），其最典型

的例子是（双工系统），资源重复不仅可（提高可靠性），而且可以进一步（用多计算机或机群系统来提高

系统的速度性能）。

51、并行性的开发和并行处理技术的研究实际上是（硬件），（软件），（语言），（算法）和（性能评价研究）

的综合。

52、开发并行性的途径有（时间重叠），（资源重复）和（资源共享）。

53、开发并行性是为了并行处理，并行性包括有（同时）性和并发性二重含义。

54、沿时间重叠技术途径发展的异构型多处理机系统的典型结构代表是（流水线）处理机。

55、操作级并行的阵列机，按指令流、数据流及其多倍性划分属（SIMD）类型的计算机。

56、沿资源重复技术途径发展的同构型多处理机系统的典型结构代表是（并行（阵列））处理机。

57、阵列机开发并行性的途径是（资源重复），是利用并行性中的（同时）性。

选择题

1、从计算机系统执行程序的角度看，并行性等级由低到高分为（）、（）、（）和（）四级。

A、任务或进程之间B、指令内部C、作业或程序之间D、指令之间

2、从计算机系统中处理数据的并行性看，并行性等级从低到高分为（）、（）、（）和（）。

A、位并字串B、全并行C、位串字串D、位串字并

3、存储器操作并行的典型例子是（），处理机操作步骤并行的典型例子是（）,处理机操作并行的典型

例子是（），指令、任务、作业并行的典型例子是（

A、阵列处理机B、并行存储器系统和相联处理机C、流水线处理机D、多处理机

4、开发并行的途径有（），资源重复和资源共享。

A、多计算机系统B、多道分时C、分布式处理系统D、时间重叠

5、计算机系统多级层次中，从下层到上层，各级相对顺序正确的应当是（）o

A、汇编语言机器级，操作系统机器级，高级语言机器级

B、微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级

C、传统机器语言机器级，高级语言机器级，汇编语言机器级

D、汇编语言机器级，应用语言机器级，高级语言机器级

6、对系统程序员不透明的应当是（）

A、CACHE存储器B、系列机各档不同的数据通路宽度C、指令缓冲寄存器D、虚拟存储器

7、对机器语言程序员透明的是（）

A、中断字B、主存地址寄存器C、通用寄存器D、条件码

8、计算机系统结构不包括（）

A、主存速度B、机器工作状态C、信息保护D、数据表示

9、对汇编语言程序员透明的是（）

A、I/O方式中的DMA访问B、浮点数据表示C、访问方式保护D、程序性中断

10、属计算机系统结构考虑的是（）

A、主存采用MOS还是TTLB、主存采用多体交叉还是单体C、主存容量和编址方式D、主存频宽

的确定

11、从计算机系统结构上讲，机器语言程序员所看到的机器属性是（）

A、计算机软件所要完成的功能B、计算机硬件的全部组成C、编程要用到的硬件组织D、计算机各

部件的硬件实现。

12、计算机组成设计不考虑（）

A、专用部件设置B、功能部件的集成度C、控制机构的组成D、缓冲技术

13、在多用户机器上，应用程序员不能使用的指令是（）

A、“执行”指令B、“访管”指令C、“启动I/O”指令D“测试与置定”指令

14、以下说法中，不正确的是（）。软硬件功能是等效的，提高硬件功能的比例会

A、提高解题速度B、提高硬件利用率C、提高硬件成本D、减少所需存储器用量

15、下列说法中不正确的是（）

A、软件设计费用比软件重复生产费用高

B、硬件功能只需实现一次，而软件功能可能要多次重复实现

C、硬件的生产费用比软件的生产费用高

D、硬件的设计费用比软件的设计费用低

16、在计算机系统设计中，比较好的方法是（）。

A、从上向下设计B、从下向上设计C、从两头向中间设计D、从中间开始向上、向下设计

17、推出系列机的新机器，不能更改的是（）。

A、原有指令的寻址方式和操作码B、系统总线的组成C、数据通路宽度D、存储芯片的集成度

18、不同系列的机器之间，实现软件移植的途径不包括（）。

A、用统一的高级语言B、用统一的汇编语言C、模拟D、仿真

19、在操作系统机器级，一般用（）程序（）作业控制语句。

A、汇编程序，翻译B、汇编程序，解释C、机器语言，解释D、机器语言，翻译

20、高级语言程序经（）的（）成汇编语言程序。

A、编译程序，翻译B、汇编程序，翻译C、汇编程序，解释D、编译程序，解释

21、传统机器语言机器级，是用（）来（）机器指令。

A、硬件，翻译B、编译程序，翻译C、微指令程序，解释D、微指令程序，翻译

22、汇编语言程序经（）的（）成机器语言程序。

A、编译程序，翻译B、汇编程序，翻译C、汇编程序，解释D、编译程序，解释

23、微指令由（）直接执行。

A、微指令程序B、硬件C、汇编程序D、编译程序

24、系列机软件必须保证（），一般应做到（）

A、向上兼容B、向下兼容C、向前兼容D、向后兼容

25、在计算机系统的层次结构中，机器被定义为（）的集合体

A、能存储和执行相应语言程序的算法和数据结构

B、硬件和微程序（固件）

C、软件和固件

D、软件和硬件

26、优化性能价格比指（）或（）o

A、在尽量提高性能前提下尽量降低价格

B、在某种价格情况下尽量提高性能

C、在满足性能前提下尽量降低价格

D、在尽量降低价格情况下尽量提高性能

27、目前，M0由（）实现，Ml用（）实现，M2至M5大多用（）实现。

A、软件，固件，硬件B、固件，软件，硬件C、硬件，软件，固件D、硬件，固件，软件

28、系列机中（）的性能价格比通常比（）的要高。

A、中档机B、低档机C、高档机D、A和B

29、（）着眼于机器级内各事件的排序方式，（）着眼于对传统机器级界面的确定，（）着眼于机器内部

各部件的功能，（）着眼于微程序设计。

A、计算机组成B、计算机实现C、计算机体系结构D、A和B

30、计算机系统结构也称（），指的是（）的系统结构。

A、计算机组成B、计算机实现C、计算机体系结构D、A和B

E、微程序机器级F、传统机器级G、汇编语言机器级H、操作系统机器级

31、用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法称为（），用机器语言解释实现软件移植的方法称为（）。

虚拟机是指（），目标机是指（）。

A、模拟B、仿真C、被模拟的机器D、被仿真的机器

32、同时性指两个或多个事件在（）发生，并发性指两个或多个事件在（）发生。

A、同一时间间隔B、同一时刻C、不同时刻D、不同时间间隔

33、除了分布处理、MPP和机群系统外，并行处理计算机按其基本结构特征可分为流水线计算机，阵列处

理机，多处理机和（）四种不同的结构。

A、计算机网络B、控制流计算机C、机群系统D、数据流计算机

34、费林分类发能反映出大多数计算机的并行工作方式或结构特点，但只能对（）机器分类，不能对（）

机器分类，而且对（）的分类不确切。

A、数据流B、控制流C、阵列处理机D、流水线处理机

35、费林按指令流和数据流的多倍性把计算机系统分类，这里的多倍性指（）。

A、系统瓶颈部件上处于同一执行阶段的指令流是数据流的多少倍。

B、系统瓶颈部件上处于同一执行阶段的数据流是指令流的多少倍。

C、系统瓶颈部件上处于同一执行阶段的指令或数据的最大可能个数。

D、A和B

36、1TFL0PS计算机能力，1TBYTE/S的I/O带宽和（）称为计算机系统的3T性能目标。

A、1TBYTE硬盘容量B、1TBYTE软盘容量C、1TBYTE主存容量D、A和B

37、向上兼容指的是（），向下兼容指的是（），向前兼容指的是（），向后兼容指的是（）。

A、某个时期投入市场的该型号机器上编制的软件能不加修改地运行于在它之前投入市场的机器上。

B、某档机器编制的软件能不加修改地运行于比它低档的机器上。

C、某个时期投入市场的该型号机器上编制的软件能不加修改地运行于在它之后投入市场的机器上。

D、某档机器编制的软件能不加修改地运行于比它高档的机器上。

38、计算机系统的层次结构按照由高到低的顺序分别为（）。

A、高级语言机器级，汇编语言机器级，传统机器语言机器级，微程序机器级

B、高级语言机器级，应用语言机器级，汇编语言机器级，微程序机器级

C、应用语言机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，操作系统机器级

D、应用语言机器级，操作系统机器级，微程序机器级，传统机器语言机器级

1、BDAC2、CADB3、BCAD4、D5、B6、D7、B8、A9、A10、C

11、C12、B13、C14、B15、D16、D17、A18、B19、C20、A

21、C22、B23、B24、DA25、A26、BC27、D28、A,BC29、ACAB30、CF

31、BACD32、BA33、D34、BAD35、C36、C37、DBAC38、A

基本概念问答题

1、软件和硬件在什么意义上是等效的?在什么意义上是不等效的？

逻辑上等效，性能、价格、实现难易程度上不一样。

2、为什么将计算机系统看成是多级机器构成的层次结构？

可以调整软、硬件比例；可以用真正的实处理机代替虚拟机器；可以在1台宿主机上仿真另一台。

3、说明翻译和解释的区别和联系.

区别：翻译是整个程序转换，解释是低级机器的一串语句仿真高级机器的一条语句。

联系：都是高级机器程序在低级机器上执行的必须步骤。

4、就目前的通用机来说计算机系统结构的属性主要包括那些？

数据表示、寻址方式、寄存器组织、指令系统、存储系统组织、中断系统、管态目态定义与转换、

10结构、保护方式和机构。

5、试以实例简要说明计算机系统结构，计算机组成，与计算机实现的相互关系与影响.

结构相同，可用不同的组成。如系列机中不同型号的机器结构相同，但高档机往往采用重叠流水等技术。

组成相同，实现可不同。如主存可用双极型，也可用M0S型等。

结构不同组成不同，组成的进步会促进结构的进步，如微程序控制。

结构的设计应结合应用和可能采用的组成。组成上面决定于结构，下面受限于实现。

组成与实现的权衡取决于性价比等；结构、组成、实现的内容不同时期会不同。

6、简述计算机系统结构用软件实现和用硬件实现各自优缺点

硬件优点：速度快，节省存储时间；缺点：成本高，利用率低，降低灵活性、适用性。

软件优点：成本低，提高灵活性、适用性；缺点：速度慢，增加存储时间、软件设计费。

7、试述由上往下设计思路，山下往上设计思路和他们所存在的问题

由上往下：先考虑应用要求，再逐级往下考虑怎样实现。适用于专业机

由下往上：根据已有器件，逐级往上.六七十年代通用机设计思路。

以上方法存在的问题是软、硬件脱节。

8、试述由中间开始的设计思路及其优点

既考虑应用也考虑现有器件，由软硬件分界面向两端设计。

优点：并行设计，缩短周期。

9、问什么要进行软件移植？

软件的相对成本越来越高，应重新分配软、硬件功能。但：

成熟软件不能放弃；已有软件修改困难；重新设计软件经济上不划算。

10、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.

定义：是指为所有程序员使用的完全通用的高级语言。

适用场合：软件移植方便。

存在问题：目前语言的语法、语义结构不同；人们的看法不同；同一语言在不同机器上不通用；程序员的

习惯

应采取的策略：可一定范围内统一汇编语言，结构相同机器间搞系列机。

11、筒述采用系列机方法，适用场合，好处，存在问题和应采取的策略.

定义：根据软硬件界面的系列结构，设计软件和不同档次的系列机器。

适用场合：同一系列内软件兼容

好处：呼应“中间开始”设计思路；缓解软件要求稳定环境和硬件发展迅速的矛盾.

存在问题：软件兼容有时会阻碍系统结构的变革。

策略：坚持这一方法，但到一定时候要发展新系列，还可采用模拟仿真。

12、简述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.

模拟

定义：用机器语言解释另一指令系统

适用场合:运行时间短，使用次数少，时间上无限制。

好处：可在不同系统间移植。

存在问题：结构差异大时，运行速度下降，实时性差。

策略：与仿真结合

仿真

定义：用微程序解释令一指令系统

适用场合：结构差别不大的系统

好处：运行速度快

存在问题：结构差别大时，很难仿真。

策略：与模拟结合，发展异种机连网。

13、模拟与仿真区别是什么？

模拟：机器语言解释，在主存中；仿真：微程序解释，在控制存储器中。

14、器件的发展如何改变逻辑设计的传统方法？

一是由逻辑化简转为采用组成技术规模生产，规模集成，并尽量采用通用器件

二是由全硬设计转为微汇编、微高级语言、CAD等软硬结合和自动设计。

15、为什么说器件的发展是推动结构和组成前进的关键因素？

器件集成度提高，促使机器主频、速度提高；可靠性提高，促使采用流水技术；

高速、廉价的半导体促使CACHE和虚拟内存的实现；现场型PMOS促使微程序技术的应用；

性价比提高使新的组成下移到中小型机上。

16、除了分布处理,MPP和机群系统以外,并行处理计算机按其基本结构特征可分为那几种不同的结构?例举

他们要解决的主要问题

流水线处理机：多个部件时间上并行执行。拥塞控制，冲突防止，流水线调度。

阵列处理机：空间上并行。处理单元灵活，规律的互连模式和互连网络设计，数据在存储器中的分布算法。

多处理机：时间和空间上的异步并行。多CPU间互连，进程间的同步和通讯，多CPU间调度。

数据流计算机：数据以数据令牌在指令间传递。硬件组织和结构，高效数据流语言。

17、简单说明多计算机系统和多处理机系统的区别

都属于多机系统，区别：

多处理机是多台处理机组成的单机系统，多计算机是多台独立的计算机。

多处理机中各处理机逻辑上受统一的OS控制，多计算机的OS逻辑上独立。

多处理机间以单数据、向量、数组、文件交互作用，多计算机经通道或通信线路以数据流形式进行.

多处理机作业、任务、指令、数据各级并行，多计算机多个作业并行。

18、简述几种耦合度的特征

最低：无物理连接，如脱机系统。

松散：通信线路互连，适于分布处理

紧密：总线或数据开关互联，实现数据、任务、作业级并行。

再补充三个

19、软件移植的途径，各受什么限制？

统一高级语言：只能相对统一

系列机：只能在结构相同或相近的机器间移植

模拟：机器语言差别大时，速度慢

仿真：灵活性和效率差，机器差异大时仿真困难。

20、并行处理数据的四个等级，给出简单解释，各举一例

位串字串：无并行性，如位串行计算机。

位并字串：一个字的所有位并行，如简单并行的单处理机。

位片串字并：多个字的同一位并行，如相连处理机。

全并行：同时处理多个字的多个位，如全并行阵列机。

21、设计乘法指令时，结构、组成、实现各考虑什么？

结构：是否设计乘法

组成：是否配置高速乘法器

实现：考虑器件集成度类型数量及微组装技术。

课后习题

第一章计算机系统结构的基本概念

1.有一个计算机系统可按功能分成4级，每级的指令互不相同，每一级的指令都比其下一级的指令在效能

上强M倍，即第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。现若需第i级的N条指令解释第i+1

级的一条指令，而有一段第1级的程序需要运行Ks,问在第2、3和4级上一段等效程序各需要运行多长

时间？

答：

第2级上等效程序需运行：(N/M)*Ks。第3级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*Ks。第4级上等效程

序需运行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks。

note:

由题意可知：第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。而现在第i级有N条指令解释

第i+1级的一条指令，那么，我们就可以用N/M来表示N/M表示第i+1级需(N/M)条指令来完成第i级的

计算量。所以，当有一段第1级的程序需要运行Ks时，在第2级就需要(N/M)Ks,以此类推

2.硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上又是不等效的？试举例说明。

答：

软件和硬件在逻辑功能上是等效的，原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用软

件模拟完成.但是实现的性能价格比，实现的难易程序不同。

在DOS操作系统时代，汉字系统是一个重要问题，早期的汉字系统的字库和处理程序都固化在汉卡

(硬件)上，而随着CPU、硬盘、内存技术的不断发展，UCDOS把汉字系统的所有组成部份做成一个软

件。

3.试以实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系与影响。

答：

计算机系统结构、计算机组成、计算机实现互不相同，但又相互影响。

(1)计算机的系统结构相同，但可采用不同的组成。如IBM370系列有115、125、135、158、168

等由低档到高档的多种型号机器。从汇编语言、机器语言程序设计者看到的概念性结构相同，均是由中央

处理机/主存，通道、设备控制器，外设4级构成。其中，中央处理机都有相同的机器指令和汇编指令系统,

只是指令的分析、执行在低档机上采用顺序进行，在高档机上采用重叠、流水或其它并行处理方式。

(2)相同的组成可有多种不同的实现。如主存器件可用双极型的，也可用MOS型的；可用VLSI单

片，也可用多片小规模集成电路组搭。

(3)计算机的系统结构不同，会使采用的组成技术不同，反之组成也会影响结构。如为实现

A:=B+CD:=E*F,可采用面向寄存器的系统结构，也可采用面向主存的三地址寻址方式的系统结构。要提高

运行速度，可让相加与相乘并行，为此这两种结构在组成上都要求设置独立的加法器和乘法器。但对面向

寄存器的系统结构还要求寄存器能同时被访问，而对面向主存的三地址寻址方式的系统结构并无此要求，

倒是要求能同时形成多个访存操作数地址和能同时访存。又如微程序控制是组成影响结构的典型。通过改

变控制存储器中的微程序，就可改变系统的机器指令，改变结构。如果没有组成技术的进步，结构的进展

是不可能的。

综上所述，系统结构的设计必须结合应用考虑，为软件和算法的实现提供更多更好的支持，同时要考

虑可能采用和准备采用的组成技术。应避免过多地或不合理地限制各种组成、实现技术的采用和发展，尽

量做到既能方便地在低档机上用简单便宜的组成实现，又能在高档机上用复杂较贵的组成实现，这样，结

构才有生命力；组成设计上面决定于结构，下面受限于实现技术。然而，它可与实现折衷权衡。例如，为

达到速度要求，可用简单的组成但却是复杂的实现技术，也可用复杂的组成但却是一般速度的实现技术。

前者要求高性能的器件，后者可能造成组成设计复杂化和更多地采用专用芯片。

组成和实现的权衡取决于性能价格比等因素；结构、组成和实现所包含的具体内容随不同时期及不同

的计算机系统会有差异。软件的硬化和硬件的软件都反映了这一事实。VLSI的发展更使结构组成和实现

融为一体，难以分开。

4.什么是透明性概念？对计算机系统结构，下列哪些是透明的？哪些是不透明的？

存储器的模m交叉存取；浮点数据表示；I/O系统是采用通道方式还是外围处理机方式；数据总线宽度；

字符行运算指令；阵列运算部件；通道是采用结合型还是独立型；PDP-11系列的单总线结构；访问方式保

护；程序性中断；串行、重叠还是流水控制方式；堆栈指令；存储器最小编址单位；Cache存储器。

答：

透明指的是客观存在的事物或属性从某个角度看不到。

透明的有：存储器的模m交叉存取；数据总线宽度；阵列运算部件；通道是采用结合型还是独立型；

PDP-11系列的单总线结构串行、重叠还是流水控制方式；Cache存储器。

不透明的有：浮点数据表示；I/O系统是采用通道方式还是外围处理机方式；字符行运算指令；访问

方式保护；程序性中断；；堆栈指令；存储器最小编址单位。

5.从机器(汇编)语言程序员看，以下哪些是透明的？

指令地址寄存器；指令缓冲器；时标发生器；条件寄存器；乘法器；主存地址寄存器；磁盘外设；先行进

位链；移位器；通用寄存器；中断字寄存器。

答：

透明的有：指令缓冲器、时标发生器、乘法器、先进先出链、移位器、主存地址寄存器。

6.下列哪些对系统程序员是透明的？哪些对应用程序员是透明的？

系列机各档不同的数据通路宽度；虚拟存储器；Cache存储器；程序状态字；”启动I/O"指令；“执行”指

令；指令缓冲寄存器。

答：

对系统程序员透明的有：系列机各档不同的数据通路宽度；Cache存储器；指令缓冲寄存器；

对应用程序员透明的有：系列机各档不同的数据通路宽度；Cache存储器；指令缓冲寄存器；虚拟存

储器；程序状态字；“启动I/O”指令。

note:

系列机各档不同的数据通路宽度、Cache存贮器、指令缓冲寄存器属于计算机组成，对系统和程序员

和应用程序员都是透明的。

虚拟存贮器、程序状态字、“启动I/O”指令，对系统程序员是不透明的，而对应用程序员却是透明的。

“执行”指令则对系统程序员和应用程序员都是不透明的。

7.想在系列机中发展一种新型号机器，你认为下列哪些设想是可以考虑的，哪些则不行的？为什么？

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。

(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。

(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。

(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存取下

溢处理结果的查表舍入法。

(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。

(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。

(7)为减少公用总路线的使用冲突，将单总线改为双总线。

(8)把原0号通用寄存器改作堆栈指示器。

答：

可以考虑的有：1,3,4,6,7。不可以考虑的有：2,5,8。

原则是看改进后能否保持软件的可移植性。

PS.为了能使软件长期稳定，就要在相当长的时期里保证系统结构基本不变，因此在确定系列结构时

要非常慎重。其中最主要是确定好系列机的指令系统、数据表示及概念性结构。既要考虑满足应用的各种

需要和发展，又要考虑能方便地采用从低速到高速的各种组成的实现技术，即使用复杂、昂贵的组成实现

时，也还能充分发挥该实现方法所带来的好处。

8.并行处理计算机除分布处理、MPP和机群系统外，有哪4种基本结构？列举它们各自要解决的主要问题。

答：

除了分布处理，MPP和机群系统外，并行处理计算机按其基本结构特征可分为流水线计算机，阵列处

理机，多处理机和数据流计算机四种不同的结构。

流水线计算机主要通过时间重叠，让多个部件在时间上交划重叠地并行招待运算和处理，以实现时间

上的并行。它主要应解决：拥塞控制，冲突防止，流水线调度等问题。

阵列处理机主要通过资源重复实现空间上的并行。它主要应解决：处理单元灵活、规律的互连模式和

互连网络设计，数据在存储器中的分布算法等问题。

多处理机主要通过资源共享，让一组计算机在统一的操作系统全盘控制下，实现软件和硬件各级上的

相互作用，达到时间和空间上的异步并行。它主要应解决：处理机间互连等硬件结构，进程间的同上步

和通讯，多处理机调度等问题。

数据流计算机设有共享变量的概念，指令执行顺序只受指令中数据的相关性制约。数据是以表示某一

操作数或参数已准备就绪的数据令牌直接在指令之间传递。它主要应解决：研究合适的硬件组织和结构，

高效执行的数据流语言等问题。

9.计算机系统的3T性能目标是什么？

答：

计算机系统的3T性能目标是1TFL0PS计算能力，1TBYTE主存容量和1TBYTES的I/O带宽

课后习题

第二章数据表示与指令系统

1.数据结构和机器的数据表示之间是什么关系？确定和引入数据表示的基本原则是什么？

答：

数据表示是能由硬件直接识别和引用的数据类型。数据结构反映各种数据元素或信息单元之间的结构

关系。

数据结构要通过软件映象变换成机器所具有的各种数据表示实现，所以数据表示是数据结构的组成元

素。不同的数据表示可为数据结构的实现提供不同的支持，表现在实现效率和方便性不同。数据表示和数

据结构是软件、硬件的交界面。

除基本数据表示不可少外，高级数据表示的引入遵循以下原则：

(1)看系统的效率有否提高，是否养活了实现时间和存储空间。

(2)看引入这种数据表示后，其通用性和利用率是否高。

2.标志符数据表示与描述符数据表示有何区别？描述符数据表示与向量数据表示对向量数据结构所提供的

支持有什么不同？

答：

标志符数据表示与描述符数据表示的差别是标志符与每个数据相连，合存于同存储单元，描述单个

数据的类型特性;描述符是与数据分开存放，用于描述向量、数组等成块数据的特征。

描述符数据表示为向量、数组的的实现提供了支持，有利于简化高级语言程序编译中的代码生成，可

以比变址法更快地形成数据元素的地址。但描述符数据表示并不支持向量、数组数据结构的高效实现。而

在有向量、数组数据表示的向量处理机上，硬件上设置有丰富的赂量或阵列运算指令，配有流水或阵列方

式处理的高速运算器，不仅能快速形成向量、数组的元素地址，更重要的是便于实现把向量各元素成块预

取到中央处理机，用一条向量、数组指令流水或同时对整个向量、数组高速处理.如让硬件越界判断与元

素运算并行。这些比起用与向量、阵列无关的机器语言和数据表示串行实现要高效的多。

3.堆栈型机器与通用寄存器型机器的主要区别是什么？堆栈型机器系统结构为程序调用的哪些操作提供了

支持？

答：

通用寄存器型机器对堆栈数据结构实现的支持是较差的。表现在：(1)堆栈操作的指令少，功能单一；

(2)堆栈在存储器内，访问堆栈速度低；(3)堆栈通常只用于保存于程序调用时的返回地址，少量用堆栈实现

程序间的参数传递。

而堆栈型机器则不同，表现在：(1)有高速寄存器组成的硬件堆栈，并与主存中堆栈区在逻辑上组成整

体，使堆栈的访问速度是寄存器的，容量是主存的；(2)丰富的堆栈指令可对堆栈中的数据进行各种运算和

处理；(3)有力地支持高级语言的编译；(4)有力地支持子程序的嵌套和递归调用.

堆栈型机器系统结构有力地支持子程序的嵌套和递归调用。在程序调用时将返回地址、条件码、关键

寄存器的内容等全部压入堆栈，待子程序返回时，再从堆栈中弹出。

4.设某机阶值6位、尾数48位，阶符和数符不在其内，当尾数分别以2、8、16为基时，在非负阶、正尾

数、规格化数情况下，求出其最小阶、最大阶、阶的个数、最小尾数值、最大尾数值、可表示的最小值和

最大值及可表示的规格化数的总个数。

解：

依题意知:p=6m=48rm=2,8,16,m'=m/log2(rm),列下表：

p=6,m=48,rm=2(m'=48)p=6,m=48,rm=8(m'=16)p=6,m=48,rm=16(m'=12)

最小阶(非负阶，最小为0)000

最大阶(2Ap-l)2A6-12A6-12A6-1

A

最小尾数值(m1(-1))1/21/81/16

最大尾数值(l-rmA(-m))1-2A(-48)1-8八(-16),即(1-2八(-48))1-16A(-12),即(1-2A(-48))

可表示的最小值1/21/81/16

可表示的最大值2A63*(1-2A(-48))8A63*(1-8A(-16))16A63*(1-16A(-12))

阶的个数(2、)2A62A62A6

可表示的尾数的个数2A48*(2-l)/28A16*(8-1)/816A12*(16-1)/16

可表示的规格化数的个数2A6*2A48*(2-l)/22八6*876*(8-1)/82A6*16A12*(16-1)/16

note:

可表示的最小值=rm以最小阶)*最小尾数值=rm△0*rm以-l)=rm人(-1);

可表示的最大值=rmA(最大阶)*最大尾数值=rmA(2Ap-1)*(1-rmA(-m'));

可表示的尾数的个数=rr0Am'*(rm-1)/rm;

可表示的规格化数的个数=阶的个数*尾数的个数=2Ap*rrr1Arrf*(rm-1)/rm。

5.(1)浮点数系统使用的阶基rp=2,阶值位数p=2,尾数基值rm=10,以rm为基的尾数位数m"=l,按照使用

的倍数来说，等价于m=4,试计算在非负阶、正尾数、规格化情况下的最小尾数值、最大尾数值、最大阶

值、可表示的最小值和最大值及可表示数的个数。

(2)对于rp=2,p=2,rm=4,m，=2,重复以上计算。

解：

依题意列下表：

p=2,rm=10,m'=1p=2,rm=4,m—2

最小尾数值10A-1=0.14A-1=0.25

最大尾数值1-10A-1=0.91-4A-2=15/16

最大阶值2pA-l=33

可表示的最小值010.25

可表示的最大值10A3*0.9=9004人3*15/16=60

可表示数的个数3648

题中“按照使用的倍数来说，等价于m=4,"这个m=4,因为2人3<10<2人4,等价为实际要4个二进制位,

表示RM=10为基的--位

6.由4位数(其中最低位为下溢附加位)经ROM查表舍入法，下溢处理成3位结果，设计使下溢处理平

均误差接近于零的ROM表,列出ROM编码表地址与内容的对应关系。

解：

ROM编码表地址与内容的对应关系

地址000000010010001101000101011001111000100110101011

1100110111101111

内容000001001010010011011100100101101110110111111111

7.变址寻址和基址寻址各适用于何种场合？设计一种只用6位地址码就可指向一个大地址空间中任意64个

地址之一的寻址机构。

答：

基址寻址是对逻辑地址空间到物理地址空间变换的支持，以利于实现程序的动态再定位。变址寻址是

对数组等数据块运算的支持，以利于循环。将大地址空间64个地址分块，用基址寄存器指出程序所在块

号，用指令中6位地址码表示该块内64个地址之一，这样基址和变址相结合可访问大地址任意64个地址

之一。比如地址空间很大，为0-1023,只用6位地址码就可以指向这1024个地址中的任意64个。

剖析：

比如地址空间很大，1024,就是分成16个块，块号放在寄存器中，块内地址放在地址位中，寄存器

内容和地址位结合，就能达到要求了。

8.经统计，某机器14条指令的使用频度分别为：

0.01,0.15,0.12,0.03,0.02,0.04,0.02,0.04,0.01,0.13,0.15,0.14,0.11,0.03»分别求出用等长码、Huffman码、只有

两种码长的扩展操作码3种编码方式的操作码平均码长。

解：

等长操作码的平均码长=4位;Huffman编码的平均码长=3.38位;只有两种码长的扩展操作码的平均码

长=3.4位。

9.若某机要求：三地址指令4条，单地址指令255条，零地址指令16条。设指令字长为12位.每个地址

码长为3位。问能否以扩展操作码为其编码?如果其中单地址指令为254条呢?说明其理由。

答：

①不能用扩展码为其编码。

V指令字长12位，每个地址码占3位；

二三地址指令最多是2八(12-3-3-3)=8条，现三地址指令需4条，

二可有4条编码作为扩展码，

单地址指令最多为4X2A3X2A3=2八8=256条，

现要求单地址指令255条，可有一条编码作扩展码

...零地址指令最多为1X2人3=8条

不满足题目要求

二不可能以扩展码为其编码。

②若单地址指令254条，可以用扩展码为其编码。

•••依据①中推导，单地址指令中可用2条编码作为扩展码

零地址指令为2X2八3=16条，满足题目要求

note:

三地址指令格式：操作码地址码地址码地址码

3位3位3位3位

单地址指令格式：操作码地址码

9位3位

所以前面9位由于三地址指令用了最前面3位，还有中间6位可作为编码（也就是总共可以有9位作

为单地址指令的指令操作码的编码）。减去3地址指令的4条，有4*2人6=256条，但由于题目要求要有255

条，所以剩下一个编码，已经用了9位的全部编码，最后零地址指令（全部12位都可作为操作码的编码）

还有1*2人3=8（这是12位编码中最后三位的）若只要求254种，则可以有（256-254）*2人3=16条

10.某机指令字长16位。设有单地址指令和双地址指令两类。若每个地址字段为6位.且双地址指令有X条。

问单地址指令最多可以有多少条？

答：

单地址指令最多为（16-X）X2人6

P.S.双地址指令最多是2人（16-6-6尸2八4=16条,现双地址指令有X条，

，可有（16-X）条编码作为扩展码，

单地址指令最多为（6X）X2八6=256条

11.何谓指令格式的优化?简要列举包括操作码利地址码两部分的指令格式优化可采用的各种途径和思路。

答：

指令格式的优化指如何用最短位数表示指令的操作信息和地址信息，使程序中指令的平均字长最短。

①操作码的优化

采用Huffman编码和扩展操作码编码。

②对地址码的优化：

采用多种寻址方式；

采用0、1、2、3等多种地址制；

在同种地址制内再采用多种地址形式，如寄存器-寄存器型、寄存器-主存型、主存-主存型等；

在维持指令字在存储器内按整数边界存储的前提下，使用多种不同的指令字长度。

12.某模型机9条指令使用频率为：

ADD（加）30%SUB（减）24%JOM（按负转移）6%

STO（存）7%JMP（转移）7%SHR（右移）2%

CIL（循环）3%CLA（清加）20%STP（停机）1%

要求有两种指令字长，都按双操作数指令格式编排，采用扩展操作码，并限制只能有两种操作码码长。设

该机有若干通用寄存器，主存为16位宽，按字节编址，采用按整数边界存储。任何指令都在一个主存周

期中取得，短指令为寄存器-寄存器型，长指令为寄存器-主存型，主存地址应能变址寻址。

（1）仅根据使用频率，不考虑其它要求，设计出全Huffman操作码，计算其平均码长；

（2）考虑题目全部要求，设计优化实用的操作形式，并计算其操作码的平均码长；

（3）该机允许使用多少可编址的通用寄存器？

（4）回出该机两种指令字格式，标出各字段之位数；

（5）指出访存操作数地址寻址的最大相对位移量为多少个字节？

解：

第（1）和（2）中Huffman和扩展操作码的编码及平均码长如下表：

指令li使用频度PiHuffman编码扩展操作码编码

Il

12

13

14

15

16

17

18

1930%

24%

20%

7%

7%

6%

3%

2%

1%10

00

01

1100

1101

1110

11110

111110

minoo

01

10

11000

11001

11010

11011

11100

11101

西个马pili2.612.78

⑶8个。

(4)两种指令格式如下图所示:

2位3位3位

OPRIR2

操作码寄存器1寄存器2

5位3位3位5位

OPRIXd

操作码寄存器1变址寄存器相对位移

主存逻辑地址

(5)访存操作数地址寻址的最大相对位移量为32个字节。

13.设计RISC机器的一般原则及可采用的基本技术有那些？

答：

一般原则：

(1)确定指令系统时，只选择使用频度很高的指令及少量有效支持操作系统，高级语言及其它功能的指

令；

(2)减少寻址方式种类，•般不超过两种；

(3)让所有指令在一个机器周期内完成；

(4)扩大通用寄存器个数，一般不少于32个，尽量减少访存次数；

(5)大多数指令用硬联实现，少数用微程序实现；

(6)优化编译程序，简单有效地支持高级语言实现。

基本技术：

(1)按RISC一般原则设计，即确定指令系统时，选最常用基本指令，附以少数对操作系统等支持最有

用的指令，使指令精简。编码规整，寻址方式种类减少到1、2种。

(2)逻辑实现用硬联和微程序相结合。即大多数简单指令用硬联方式实现，功能复杂的指令用微程序实

现。

(3)用重叠寄存器窗口。即：为了减少访存，减化寻址方式和指令格式，简单有效地支持高级语言中的

过程调用，在RISC机器中设有大量寄存嚣，井让各过程的寄存器窗口部分重叠。

(4)用流水和延迟转移实现指令，即可让本条指令执行与下条指令预取在时间上重叠。另外，将转移指

令与其前面的一条指令对换位置，让成功转移总是在紧跟的指令执行之后发生，使预取指令不作废，节省

一个机器周期。

(5)优化设计编译系统。即尽力优化寄存器分配，减少访存次数。不仅要利用常规手段优化编译，还可

调整指令执行顺序，以尽量减少机器周期等。

14.简要比较CISC机器和RISC机器各自的结构特点，它们分别存在哪些不足和问题?为什么说今后的发展

应是CISC和RISC的结合？

答：

CISC结构特点：机器指令系统庞大复杂。

RISC结构特点：机器指令系统简单，规模小，复杂度低。

CISC的问题：

(1)指令系统庞大，一般200条以上；

(2)指令操作繁杂，执行速度很低；

(3)难以优化生成高效机器语言程序，编译也太长，太复杂；

(4)由于指令系统庞大，指令的使用频度不高，降低系统性能价格比，增加设计人员负担。

RISC的问题；

(1)由于指令少，在原CISC上一条指令完成的功能现在需多条RISC指令才能完成，加重汇编语言程

序设计负担，增加了机器语言程序长度，加大指令信息流量。

(2)对浮点运算和虚拟存储支持不很强。

(3)RISC编译程序比CISC难写。

由于RISC和CISC各有优缺点，在设计时，应向着两者结合，取长补短方向发展。

课后习题

第三章总线、中断与输入输出系统

1.简要举出集中式串行链接，定时查询和独立请求3种总线控制方式的优缺点。同时分析硬件产生故障时

通讯的可靠性。

答：

控制方式优点缺点

串行链接(1)选择算法简单。

(2)控制线数少，只需要3根，且不取决于部件数量。

(3)可扩充性好。(1)对“总线可用”线及其有关电路失效敏感。

(2)灵活性差，如果高优先级的部件频繁要求使用总线，离总线控制器远的部件就难以获得总线使用权。