簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方法

簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要方法。答：基于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)層次結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，其計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法可以有以下的三種：方法1：由上向下(Top-Down)設(shè)計(jì)過(guò)程：面向應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型f面向應(yīng)用的高級(jí)語(yǔ)言f面向這種應(yīng)用的操作系統(tǒng)f面向操作系統(tǒng)和高級(jí)語(yǔ)言的機(jī)器語(yǔ)言f面向機(jī)器語(yǔ)言的微指令系統(tǒng)和硬件實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用場(chǎng)合：專用計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)(早期計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì))。特點(diǎn)：對(duì)于所面向的應(yīng)用領(lǐng)域，性能(性能價(jià)格比)很高。隨著通用計(jì)算機(jī)價(jià)格降低，目前已經(jīng)很少采用。方法2：由下向上(Bottom-Up)(通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一種設(shè)計(jì)方法)設(shè)計(jì)過(guò)程：根據(jù)當(dāng)時(shí)的器件水平，設(shè)計(jì)微程序機(jī)器級(jí)和傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)。根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)計(jì)多種操作系統(tǒng)、匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言編譯器等。最后設(shè)計(jì)面向應(yīng)用的虛擬機(jī)器級(jí)。應(yīng)用場(chǎng)合：在計(jì)算機(jī)早期設(shè)計(jì)中(60?70年代)廣為采用。特點(diǎn)：容易使軟件和硬件脫節(jié)，整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的效率降低。方法3：中間開始(Middle-Out)設(shè)計(jì)過(guò)程：首先定義軟硬件的分界面。然后各個(gè)層次分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。應(yīng)用場(chǎng)合：用于系列機(jī)的設(shè)計(jì)。特點(diǎn)：軟硬件的分界面在上升，硬件比例在增加。硬件價(jià)格下降，軟件價(jià)格上升。軟硬件人員結(jié)合共同設(shè)計(jì)。一般來(lái)講，計(jì)算機(jī)組成設(shè)計(jì)要確定的內(nèi)容應(yīng)包括那些方面？答：(1)數(shù)據(jù)通路的寬度;⑵專用部件的設(shè)置;(3)各種操作對(duì)部件的共享程度；(4)功能部件的并行度;(5)控制機(jī)構(gòu)的組成方式;(6)緩沖和排隊(duì)技術(shù);(7)預(yù)估，預(yù)判技術(shù)(8)可靠性技術(shù)。簡(jiǎn)述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用軟件實(shí)現(xiàn)和用硬件實(shí)現(xiàn)各自的優(yōu)缺點(diǎn)。答：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用硬件實(shí)現(xiàn)：速度快、成本高；靈活性差、占用內(nèi)存少。用軟件實(shí)現(xiàn)：速度低、復(fù)制費(fèi)用低；靈活性好、占用內(nèi)存多。簡(jiǎn)述馮.諾依曼計(jì)算機(jī)的特征。答：計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程就是執(zhí)行程序的過(guò)程。怎樣組織程序，涉及到計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)問(wèn)題。現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)都是基于“程序存儲(chǔ)”概念設(shè)計(jì)制造出來(lái)的。⑴馮.諾依曼(VonNeumann)的“程序存儲(chǔ)”設(shè)計(jì)思想馮.諾依曼是美籍匈牙利數(shù)學(xué)家，他在1946年提出了關(guān)于計(jì)算機(jī)組成和工作方式的基本設(shè)想。到現(xiàn)在為止，盡管計(jì)算機(jī)制造技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了極大的變化，但是就其體系結(jié)構(gòu)而言，仍然是根據(jù)他的設(shè)計(jì)思想制造的，這樣的計(jì)算機(jī)稱為馮?諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)。馮?諾依曼設(shè)計(jì)思想可以簡(jiǎn)要地概括為以下三點(diǎn)：計(jì)算機(jī)應(yīng)包括運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入和輸出設(shè)備五大基本部件。計(jì)算機(jī)內(nèi)部應(yīng)采用二進(jìn)制來(lái)表示指令和數(shù)據(jù)。每條指令一般具有一個(gè)操作碼和一個(gè)地址碼。其中操作碼表示運(yùn)算性質(zhì)，地址碼指出操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的地址。將編好的程序送人內(nèi)存儲(chǔ)器中，然后啟動(dòng)計(jì)算機(jī)工作，計(jì)算機(jī)勿需操作人員干預(yù)，能自動(dòng)逐條取出指令和執(zhí)行指令。從以上三條可以看出，以前所有的討論都是針對(duì)馮?諾依曼設(shè)計(jì)思想論述的，不過(guò)沒(méi)有明確指出其人罷了。馮?諾依曼設(shè)計(jì)思想最重要之處在于明確地提出了“程序存儲(chǔ)”的概念，他的全部設(shè)計(jì)思想實(shí)際上是對(duì)對(duì)程序存儲(chǔ)”概念的具體化。計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程了解了“程序存儲(chǔ)”，再去理解計(jì)算機(jī)工作過(guò)程變得十分容易。如果想叫計(jì)算機(jī)工作，就得先把程序編出來(lái)，然后通過(guò)輸人設(shè)備送到存儲(chǔ)器中保存起雜，即程序存儲(chǔ)。接下來(lái)就是執(zhí)行程序的問(wèn)題了。根據(jù)馮.諾依曼的設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)應(yīng)能自動(dòng)執(zhí)行程序，而執(zhí)行程序文歸結(jié)為逐條執(zhí)行指令。取出指令：從存儲(chǔ)器某個(gè)地址中取出要執(zhí)行的指令送到CPU內(nèi)部的指令寄存器暫存；分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令寄存器，譯出該指令對(duì)應(yīng)的微操作；執(zhí)行指令：根據(jù)招令譯碼器向各個(gè)部件發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)，完成指令規(guī)定的操作；為執(zhí)行下一條指令做好準(zhǔn)備，即形成下一條指令地址。如有一個(gè)經(jīng)解釋實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)，可以按功能劃分成4級(jí)。每一級(jí)為了執(zhí)行一條指令需要下一級(jí)的N條指令解釋。若執(zhí)行第一級(jí)的一條指令需K(ns)時(shí)間，那么執(zhí)行第2、3、4級(jí)的一條指令各需要用多少時(shí)間(ns)?答：因?yàn)榈诙?jí)的一條指令需第1級(jí)的N條指令解釋，所以第二級(jí)的一條指令執(zhí)行時(shí)間為NKns；第三級(jí)的一條指令執(zhí)行時(shí)間為N2Kns；第四級(jí)的一條指令執(zhí)行時(shí)間為N3Kns。假設(shè)將某系統(tǒng)的某一部件的處理速度加快到10倍，但該部件的原處理時(shí)

間僅為整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的40%，則采用加快措施后能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？答：由題意可知：Fe=0.4,Se=10，根據(jù)Amdahl定律0.6+0.4100.6+0.4101

064n1.56什么是存儲(chǔ)系統(tǒng)？解：存儲(chǔ)系統(tǒng)是指計(jì)算機(jī)中由存放程序和數(shù)據(jù)的各種存儲(chǔ)設(shè)備、控制部件及管理信息調(diào)度的設(shè)備（硬件）和算法（軟件）所組成的系統(tǒng)。什么是高速緩沖存儲(chǔ)器:解：高速緩沖存儲(chǔ)器（Cache）其原始意義是指存取速度比一般隨機(jī)存儲(chǔ)記憶體（RAM）來(lái)得快的一種RAM,一般而言它不像系統(tǒng)主記憶體那樣使用DRAM技術(shù)，而使用昂貴但較快速的SRAM技術(shù)，也有快取記憶體的名稱。答：構(gòu)造Huffman答：構(gòu)造Huffman樹如下:3.假設(shè)一臺(tái)模型計(jì)算機(jī)共有10種不同的操作碼，如果采用固定長(zhǎng)操作碼需要4位。已知各種操作碼在程序中出現(xiàn)的概率如下表所示，計(jì)算采用Huffman編碼法的操作碼平均長(zhǎng)度，并計(jì)算固定長(zhǎng)操作碼和Huffman操作碼的信息冗余量（假設(shè)最短平均長(zhǎng)度H=3.1位）。指令序號(hào)指令使用頻度Pi指令序號(hào)指令使用頻度PiI10.17I60.09I20.15I70.08I30.15I80.07I40.13I90.03I50.12I100.01

Huffman編碼如下表:指令序號(hào)指令使用頻度PiHuffman編碼碼長(zhǎng)指令序號(hào)指令使用頻度PiHuffman編碼碼長(zhǎng)I10.17102I60.0901104I20.150003I70.0801114I30.150013I80.0711104I40.130103I90.03111105I50.121103I100.01111115Huffman編碼平均碼長(zhǎng)為：冗余量二(3.15-3.10)/3.15=1.59%固定碼長(zhǎng)：log210=4冗余量二(4-3.10)/4=22.5%4.若某機(jī)要求有：三地址指令4條，單地址指令192條，零地址指令16條。設(shè)指令字長(zhǎng)為12位，每個(gè)地址碼長(zhǎng)3位。問(wèn)能否以擴(kuò)展操作碼為其編碼？解：三種指令格式字如下:XXX三地址4條OPcJ 11AiJ000XXXXXX三地址4條三地址指令4條 XXX單地址指令192條OilxxxXXX單地址指令192條OilxxxXXX一地址192條XXX000I零地址16條OPC

000I零地址16條零地址指令16條XXX? 111101xxx111111110000:111111111111簡(jiǎn)述直接相聯(lián)映象規(guī)則。答：（1）主存與緩存分成相同大小的數(shù)據(jù)塊。（2） 主存容量應(yīng)是緩存容量的整數(shù)倍，將主存空間按緩存的容量分成區(qū)，主存中每一區(qū)的塊數(shù)與緩存的總塊數(shù)相等。（3） 主存中某區(qū)的一塊存入緩存時(shí)只能存入緩存中塊號(hào)相同的位置。簡(jiǎn)述組相聯(lián)映象規(guī)則。答：（1）主存與緩存分成相同大小的數(shù)據(jù)塊。（2） 主存和Cache按同樣大小劃分成組。（3） 主存容量是緩存容量的整數(shù)倍，將主存空間按緩沖區(qū)的大小分成區(qū)，主存中每一區(qū)的組數(shù)與緩存的組數(shù)相同。（4） 當(dāng)主存的數(shù)據(jù)調(diào)入緩存時(shí)，主存與緩存的組號(hào)應(yīng)相等，也就是各區(qū)中的某一塊只能存入緩存的同組號(hào)的空間內(nèi)，但組內(nèi)各塊地址之間則可以任意存放，即從主存的組到Cache的組之間采用直接映象方式；在兩個(gè)對(duì)應(yīng)的組內(nèi)部采用全相聯(lián)映象方式。試述頁(yè)式管理虛擬存儲(chǔ)器的工作過(guò)程。答：（1）系統(tǒng)中每個(gè)用戶都有自己的頁(yè)表基址寄存器，頁(yè)表（慢表）及快表，當(dāng)CPU需要訪問(wèn)時(shí)，首先查快表，如果命中則可以得到實(shí)頁(yè)號(hào)，然后與頁(yè)內(nèi)地址組裝成為主存的實(shí)際地址。（2） 如果在快表中不命中，則通過(guò)查慢表得出實(shí)頁(yè)號(hào)，同時(shí)修改快表內(nèi)容。（3） 如果慢表中仍然沒(méi)有命中，則說(shuō)明該頁(yè)尚未進(jìn)入主存，發(fā)生頁(yè)面實(shí)效，出現(xiàn)缺頁(yè)中斷，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入中斷處理。在中斷處理程序中需完成兩項(xiàng)工作：一是查外頁(yè)表，進(jìn)行虛地址與磁盤地址的轉(zhuǎn)換，并到磁盤中讀取該頁(yè)。二是查詢主存使用狀態(tài)，如果主存沒(méi)有存滿，則直接將磁盤信息調(diào)入，并修改頁(yè)表及快表；如果主存已滿，則需要進(jìn)行替換。為了方便查詢主存占用情況，通常建立一個(gè)幀頁(yè)表（幀頁(yè)號(hào)，內(nèi)容，虛地址，狀態(tài)位），其中幀頁(yè)號(hào)字段是指主存的實(shí)際頁(yè)號(hào)，內(nèi)容字段存放用戶名或程序名，虛地址字段記錄存入該頁(yè)的虛頁(yè)號(hào)，狀態(tài)頁(yè)字段指明虛頁(yè)的信息是否已調(diào)入主存互連網(wǎng)絡(luò)例子：編號(hào)為0，1……15的16個(gè)處理器用單級(jí)互連網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)互連函數(shù)分別為：（1）cube3;（2）PM2+3;（3）shuffle;時(shí)第13號(hào)處理器各連至哪一個(gè)處理器？答：（1）第1101號(hào)處理器連至0101號(hào)處理器上，即連至第5號(hào)處理器上。第13號(hào)處理器連至第(13+23mod16)號(hào)處理器上。即連至第5號(hào)處理器上。第13號(hào)處理器連至第1011號(hào)處理器上。即連至第11號(hào)處理器上本人自任職以來(lái)，擔(dān)任公司的技術(shù)員，在工作上尊重領(lǐng)導(dǎo)、團(tuán)結(jié)同事、謙虛謹(jǐn)慎、以誠(chéng)待人、認(rèn)真負(fù)責(zé)，具有很好的團(tuán)隊(duì)合作精神，注重團(tuán)體的利益，集體意識(shí)強(qiáng)。能夠與人充分合作，充分聽取他人的意見和建