計算機體系結(jié)構(gòu)習(xí)題與答案

第二章習(xí)題（P69-70）復(fù)習(xí)題1．簡述馮?諾依曼原理,馮?諾依曼結(jié)構(gòu)計算機包含哪幾部分部件,其結(jié)構(gòu)以何部件為中心？答:馮?諾依曼理論關(guān)鍵點包含:指令像數(shù)據(jù)那樣存放在存放器中,并能夠像數(shù)據(jù)那樣進(jìn)行處理;指令格式使用二進(jìn)制機器碼表示;用程序存放控制方法工作。這3條合稱馮?諾依曼原理馮?諾依曼計算機由五大部分組成:運算器、控制器、存放器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備,整個結(jié)構(gòu)通常以運算器為中心,也能夠以控制器為中心。(P51-P54)2．簡述計算機體系結(jié)構(gòu)與組成、實現(xiàn)之間關(guān)系。答:計算機體系結(jié)構(gòu)通常是指程序設(shè)計人員所見到計算機系統(tǒng)屬性,是硬件子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概念及其功效特征。計算機組成（computerorganization）是依據(jù)計算機體系結(jié)構(gòu)確定而且分配了硬件系統(tǒng)概念結(jié)構(gòu)和功效特征基礎(chǔ)上,設(shè)計計算機各部件具體組成,它們之間連接關(guān)系,實現(xiàn)機器指令級多種功效和特征。同時,為實現(xiàn)指令控制功效,還需要設(shè)計對應(yīng)軟件系統(tǒng)來組成一個完整運算系統(tǒng)。計算機實現(xiàn),是計算機組成物理實現(xiàn),就是把完成邏輯設(shè)計計算機組成方案轉(zhuǎn)換為真實計算機。計算機體系結(jié)構(gòu)、計算機組成和計算機實現(xiàn)是三個不一樣概念,各自有不一樣含義,不過又有著親密聯(lián)絡(luò),而且伴隨時間和技術(shù)進(jìn)步,這些含意也會有所改變。在一些情況下,有時也無須特意地去區(qū)分計算機體系結(jié)構(gòu)和計算機組成不一樣含義。(P47-P48)3．依據(jù)指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分,現(xiàn)代計算機包含哪兩種關(guān)鍵體系結(jié)構(gòu)？答:依據(jù)指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)劃分,現(xiàn)代計算機關(guān)鍵包含:CISC和RISC兩種結(jié)構(gòu)。(P55)4．簡述RISC技術(shù)特點？答:從指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上看,RISC體系結(jié)構(gòu)通常含有以下特點:(1)精簡指令系統(tǒng)。能夠經(jīng)過對過去大量機器語言程序進(jìn)行指令使用頻度統(tǒng)計,來選取其中常見基礎(chǔ)指令,并依據(jù)對操作系統(tǒng)、高級語言和應(yīng)用環(huán)境等支持增設(shè)部分最常見指令;(2)降低指令系統(tǒng)可采取尋址方法種類,通常限制在2或3種;(3)在指令功效、格式和編碼設(shè)計上盡可能地簡化和規(guī)整,讓全部指令盡可能等長;(4)單機器周期指令,即大多數(shù)指令都能夠在一個機器周期內(nèi)完成,而且許可處理器在同一時間內(nèi)實施一系列指令。(P57-58)5．有些人認(rèn)為,RISC技術(shù)將全方面替換CISC,這種見解是否正確,說明理由？答:不正確。與CISC架構(gòu)相比較,RISC計算機含有結(jié)構(gòu)簡單、易于設(shè)計和程序?qū)嵤┬矢咛攸c,但并不能認(rèn)為RISC架構(gòu)就能夠替換CISC架構(gòu)。實際上,RISC和CISC各有優(yōu)勢,CISC計算機功效豐富,指令實施愈加靈活,這些時RISC計算機無法比擬,當(dāng)今時代,二者正在逐步融合,成為CPU設(shè)計新趨勢。(P55-59)6．什么是流水線技術(shù)？答:流水線技術(shù),指是許可一個機器周期內(nèi)計算機各處理步驟重合進(jìn)行。尤其是,當(dāng)實施一條指令時,能夠讀取下一條指令,也就意味著,在任何一個時刻能夠有不止一條指令在“流水線”上,每條指令處于不一樣實施階段。這么,即便讀取和實施每條指令時間保持不變,而計算機總吞吐量提升了。(P60-62)7．多處理器結(jié)構(gòu)包含哪多個關(guān)鍵體系結(jié)構(gòu),分別有什么特點？答:多處理器系統(tǒng):關(guān)鍵經(jīng)過資源共享,讓共享輸入/輸出子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫資源及共享或不共享存放一組處理機在統(tǒng)一操作系統(tǒng)全盤控制下,實現(xiàn)軟件和硬件各級上相互作用,達(dá)成時間和空間上異步并行。SIMD計算機有多個處理單元,由單一指令部件控制,根據(jù)同一指令流要求為她們分配各不相同數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)為由一個控制器、多個處理器、多個存貯模塊和一個互連總線（網(wǎng)絡(luò)）組成。對操作種類多算法,當(dāng)要求存取全局?jǐn)?shù)據(jù)或?qū)τ诓灰粯訑?shù)據(jù)要求做不一樣處理時,它無法獨立勝任。SIMD

通常都要求有較多處理單元和極高I/O吞吐率,假如系統(tǒng)中沒有足夠多適合SIMD

處理任務(wù),采取SIMD

不合算。MISD計算機含有多個處理單元,根據(jù)多條不一樣指令要求同時對同一數(shù)據(jù)流及其處理輸出結(jié)果進(jìn)行不一樣處理。

MIMD是指能實現(xiàn)指令、數(shù)據(jù)作業(yè)、任務(wù)等各級全方面并行計算多機處理系統(tǒng),經(jīng)典MIMD系統(tǒng)由多臺處理機、多個存放模塊和一個互連網(wǎng)絡(luò)組成,每臺處理機實施自己指令,操作數(shù)也是各取各。MIMD結(jié)構(gòu)中每個處理器都能夠單獨編程,這種結(jié)構(gòu)可編程能力最強。因為要用大量硬件資源處理可編程問題,硬件利用率不高。常見有MPP（MassivelyParallelProcessor）系統(tǒng)、分布式計算系統(tǒng)。(P60-61)8．試解釋下列基礎(chǔ)概念:機器語言、匯編語言、高級語言。答:機器語言,最早計算機只有機器語言,計算機能直接實施用機器語言所編程序。機器語言是由二進(jìn)制代碼表示計算機機器指令和數(shù)據(jù)組合而成。匯編語言,到50年代,大家想出了用部分含有一定含義文字、符號和數(shù)字,按要求格式來表示多種不一樣機器指令,稱為“助記符”。比如,用“ADD”表示加法,“MOV”表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)取Ｔ儆眠@些助記符來編寫程序,這就是匯編語言。高級語言,也稱為算法語言,它定義了一套基礎(chǔ)符號以及怎樣使用這套基礎(chǔ)符號設(shè)計程序規(guī)則。算法語言比較靠近數(shù)學(xué)語言,與具體機器無關(guān),直接學(xué)習(xí)該高級語言規(guī)則就能夠使用計算機處理自己問題,比如C、C++、Java等。(P44-P46)9．計算機軟件系統(tǒng)能夠分為哪幾類？答:計算機軟件系統(tǒng)能夠分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩大類。(P62-63)10．從高級語言轉(zhuǎn)換到真正可實施機器語言有幾類方法,試描述其原理？答:高級語言通常先翻譯為匯編語言或者某個中間語言,再經(jīng)過中間語言翻譯然后成為機器語言目程序,最終在機器上實施。這種翻譯通常有兩種方法:1、編譯法:給計算機高級語言編制一套用機器語言編寫編譯程序,它先把源程序全部翻譯成目程序,再提供給機器實施。編譯程序作用類似匯編程序,不過高級語言更復(fù)雜,其“翻譯“難度較匯編用大得多。編譯法只是在編譯過程中需要額外時間,而且還能夠在編譯中優(yōu)化目程序,編譯后目程序能夠數(shù)次反復(fù)實施,還能夠拿到相同其她機器上直接實施,所以實施效率較高。Pascal,C語言等屬于編譯法高級語言。因為多種高級語言和各機器語言都不相同,所以對于不一樣計算機和不一樣高級語言都要有對應(yīng)有編譯程序。編譯法具體情況我們將在后續(xù)REF_Ref\r\h第6章具體介紹。2、解釋法:與編譯法不一樣,它不是先把源程序全部編譯為目程序后再實施,而是把程序語句逐條翻譯成為目程序而且立刻逐條實施。即解釋一條實施一條。這種方法每運行一次就需要解釋一遍,浪費很多時間,也不能優(yōu)化目程序,所以實施效率低。BASIC語言是經(jīng)典解釋型高級語言。（P44-P46）練習(xí)題（一）選擇題1．馮?諾依曼計算機基礎(chǔ)原理是＿＿＿。 A、程序外接 B、邏輯連接 C、數(shù)據(jù)內(nèi)置 D、程序存放D(P53)2．CISC結(jié)構(gòu)處理器以＿＿＿為中心。 A、運算器 B、存放器 C、微程序控制器 D、硬連線控制器C(P56)3．現(xiàn)代計算機處理器結(jié)構(gòu)根據(jù)＿＿＿劃分,可分為復(fù)雜指令集計算機和精簡指令集計算機兩類。 A、指令系統(tǒng) B、硬件結(jié)構(gòu) C、CPU D、存放方法A(P55)4．RISC技術(shù)最大優(yōu)勢就是對于＿＿＿精簡能力 A、指令系統(tǒng) B、CPI C、硬件數(shù)量 D、數(shù)據(jù)吞吐量B(P58)5．下列＿＿＿不屬于應(yīng)用軟件XE"應(yīng)用軟件"范圍 A、MicrosoftOffice B、超級解霸 C、WindowsXP D、InternetExplorerC(P63)（二）填空題1．向上兼容,就是要求為某檔機種編制程序,應(yīng)能______運行于同一系列計算機中更高級次機種上。不加修改(P50)2．傳統(tǒng)馮?諾依曼計算機以______為中心。運算器（P53）3．一個完善指令系統(tǒng)應(yīng)含有______、______、______和______四個方面特征。完備性、有效性、規(guī)整性和兼容性(P55)4．計算機處理器體系結(jié)構(gòu)根據(jù)指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為____________和____________兩類。復(fù)雜指令集計算技術(shù)精簡指令集計算技術(shù)(P55)5．計算機軟件系統(tǒng)通常依據(jù)軟件功效可將其分為_____________和_____________兩大類。系統(tǒng)軟件應(yīng)用軟件（P63）6．依據(jù)指令系統(tǒng)功效結(jié)構(gòu)不一樣,計算機體系結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢展現(xiàn)________和_________兩種截然不一樣方向,相同指令系統(tǒng)能夠經(jīng)過”_________”或”_________”方法來實現(xiàn)。復(fù)雜指令集計算技術(shù)精簡指令集計算技術(shù)微程序（微碼）硬布線(P55-56)7．RISC技術(shù)對比CISC最大區(qū)分就是對__________精簡。CPI(P58)8．并行處理指是在同一時刻或是在同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不一樣工作,它們在時間上能相互重合,并行處理有兩個不一樣特征:_________和_________。同時性并發(fā)性(P60)9．并行處理計算機結(jié)構(gòu)通常包含__________、__________和__________三種形式。多處理器系統(tǒng)陣列處理機流水線計算機(P60)10、CPU實施時間決定了處理器性能,CPU實施時間越短,表示處理器性能越卓越。依據(jù)性能公式,要縮短CPU實施時間,能夠經(jīng)過減小________、____________或者_(dá)_________。RISC技術(shù)對比CISC最大優(yōu)勢就是對__________精簡能力。時鐘周期平均實施每條指令時鐘周期數(shù)代碼指令條數(shù)平均實施每條指令時鐘周期數(shù)(P58)11、并行計算機是由一組處理單元組成。這組處理單元經(jīng)過相互之間通信與協(xié)作,以愈加快速度共同完成一項大規(guī)模計算任務(wù)。所以,并行計算機兩個最關(guān)鍵組成部分是__________和____________________。計算節(jié)點節(jié)點間通信與協(xié)作機制(P60)12．并行處理計算機結(jié)構(gòu)通常包含__________、__________和__________三種形式。多處理器系統(tǒng)陣列處理機流水線計算機(P60)13、根據(jù)著名弗林(Flynn)計算機分類模型,依據(jù)計算機關(guān)鍵部位指令和由指令引發(fā)數(shù)據(jù)流并行性,把全部計算機分為四類__________、__________、__________和__________。SISD(SingleInstructionStreamSingleDataStream)單指令流單數(shù)據(jù)流SIMD(SingleInstructionStreamMultipleDataStream)單指令流多數(shù)據(jù)流MISD(MultipleInstructionStreamSingleDataStream)多指令流單數(shù)據(jù)流MIMD(MultipleInstructionStreamMultipleDataStream)多指令流多數(shù)據(jù)流(P60-P61)14、計算機系統(tǒng)包含__________和__________兩個組成部分。軟件依據(jù)用途不一樣可分為__________和__________。硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)應(yīng)用軟件系統(tǒng)軟件(P62-63)（三）17、判定題1、計算機體系結(jié)構(gòu)是一門研究計算機硬件結(jié)構(gòu)學(xué)科。 錯2、哈佛結(jié)構(gòu)（Harvardarchitecture,縮寫為HARC）與馮諾依曼結(jié)構(gòu)本質(zhì)區(qū)分是將程序指令存放和數(shù)據(jù)存放分開。 對3、主存放器是現(xiàn)代計算機系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳送中心。 對4、RISC結(jié)構(gòu)在各方面均要優(yōu)越于CISC結(jié)構(gòu)。 錯5、單指令流單數(shù)據(jù)流計算機每個機器周期最多實施一條指令。 對6、流水線方法就是操作重合。 對7、馮諾依曼計算機基礎(chǔ)原理是程序存放。 對8、多處理機系統(tǒng)處理器之間關(guān)鍵經(jīng)過共享物理存放器進(jìn)行通信。 錯9、系統(tǒng)軟件是指管理、控制和維護(hù)計算機系統(tǒng)資源程序集合 對10、向量處理機是一個經(jīng)典多處理機系統(tǒng)。 對（四）討論題1、簡述計算機采取多級層次結(jié)構(gòu)必需性和可能性。答:對計算機結(jié)構(gòu)進(jìn)行層次上劃分,能夠使各層相對獨立,有利于簡化處理問題難度,在某一段時間,在處理某一層中問題時,只需集中精力處理目前最需要關(guān)心關(guān)鍵問題即可,而無須牽扯各上下層中其她問題。在這種多層次結(jié)構(gòu)中,上面一層是建立在下一層基礎(chǔ)上實現(xiàn)出來,實現(xiàn)功效更強大,更靠近人處理問題思維方法和處理問題具體過程,對使用人員更方便,使用這一層提供功效時,無須關(guān)心下一層實現(xiàn)細(xì)節(jié)。下面一層是實現(xiàn)上一層基礎(chǔ),更靠近計算機硬件實現(xiàn)細(xì)節(jié),實現(xiàn)功效相對簡單,大家使用這些功效更困難,但機器實施更直接。在實現(xiàn)這一層功效時,可能尚無法了解其上一層目標(biāo)和將要處理問題,也無須了解其更下一層實現(xiàn)中相關(guān)細(xì)節(jié)問題,只要使用下一層所提供出來功效來完成本層次功效處理即可?，F(xiàn)代計算機是一個功效復(fù)雜軟硬件系統(tǒng)。從一般使用者到計算機操作員,從程序設(shè)計員到硬件工程師,所看到計算機系統(tǒng)各有完全不一樣屬性。大家在學(xué)習(xí)使用計算機時,需要正確把握自己定位,依據(jù)各個層次關(guān)系,集中精力掌握好自己直接面對層次,當(dāng)然對于其她層次了解有利于愈加全方面、深刻地了解計算機系統(tǒng)。因為“虛擬機”概念引入和匯編以及高級語言成熟,實現(xiàn)對計算機結(jié)構(gòu)進(jìn)行層次上劃分是完全可行。(P44-P46)2、簡述CISC和RISC結(jié)構(gòu)各自優(yōu)缺點。答:CISC結(jié)構(gòu)關(guān)鍵優(yōu)點是:1.指令豐富,功效強大2.尋址方法靈活。3.以微程序控制器為關(guān)鍵,指令存放器與數(shù)據(jù)存放器共享同一個物理存放空間,性能強大。CISC結(jié)構(gòu)關(guān)鍵缺點是:指令使用率不均衡。不利于采取優(yōu)異結(jié)構(gòu)提升性能。結(jié)構(gòu)復(fù)雜不利于VLSI實現(xiàn)。RISC結(jié)構(gòu)關(guān)鍵優(yōu)點是:1.含有結(jié)構(gòu)簡單、易于設(shè)計2.指令精簡,使用率均衡3.程序?qū)嵤┬矢逺ISC結(jié)構(gòu)關(guān)鍵缺點是:1.指令數(shù)較少,功效不及CISC強大。尋址方法不夠靈活。(P55-P59)3、簡述流水線技術(shù)提升運算速度關(guān)鍵方法。答:流水線技術(shù)關(guān)鍵經(jīng)過降低CPI,來提升整個系統(tǒng)運算速度。流水線技術(shù)許可一個機器周期內(nèi)各步驟重合進(jìn)行。尤其是,當(dāng)實施一條指令時,能夠讀取下一條指令,也就意味著,在任何一個時刻能夠有不止一條指令在“流水線”上,每條指令處于不一樣實施階段。這么,即便讀取和實施每條指令時間保持不變,計算機總吞吐量提升了。(P61-62)4、簡述兼容機概念。答:一個計算機組成能夠有多個物理實現(xiàn)。系列機從程序設(shè)計者角度看都含有相同機器屬性,所以按這個屬性（體系結(jié)構(gòu)）編制機器語言程序以及編譯程序都能通用于各檔機器,我們稱這種情況下各機器是軟件兼容,即同一個軟件能夠不加修改地運行于體系結(jié)構(gòu)相同各檔機器上,而且它們所取得結(jié)果一樣,差異只在于運行時間不一樣。我們把不一樣廠家生產(chǎn)含有相同體系結(jié)構(gòu)計算機稱為兼容機。(P50)5、利用所學(xué)知識,使用4k×8位/片SRAM存放器芯片設(shè)計一個16K×16位存放器。第3章內(nèi)容6、試分析馮·諾依曼模型對編程概念影響。答:馮?諾依曼理論思想是:應(yīng)該把程序和數(shù)據(jù)一起存放在存放器里,讓計算機自己負(fù)責(zé)從存放器里提取指令,實施指令,循環(huán)式地實施這兩個動作,這么,計算機在實施程序過程中,就能夠完全擺脫外界影響,以自己可能速度（電子速度）自動地運行。根據(jù)這種原理,程序運行和維護(hù)完全由計算機自動完