计算机系统结构__《张晨曦、王志英》课后习题参考答案1.pdf

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1、计 算 机 系 统 结 构 张 晨 曦、王 志 英 课 后 习 题 参 考 答 案 第 1章 计 算 机 系 统 结 构 的 基 本 概 念 1.1 解 释 下 列 术 语 层 次 机 构：按 照 计 算 机 语 言 从 低 级 到 高 级 的 次 序，把 计 算 机 系 统 按 功 能 划 分 成 多 级 层 次 结 构，每 一 层 以 一 种 不 同 的 语 言 为 特 征。这 些 层 次 依 次 为：微 程 序 机 器 级，传 统 机 器 语 言 机 器 级，汇 编 语 言 机 器 级，高 级 语 言 机 器 级，应 用 语 言 机 器 级 等。虚 拟 机：用 软 件 实 现 的 机 器

2、。翻 译：先 用 转 换 程 序 把 高 一 级 机 器 上 的 程 序 转 换 为 低 一 级 机 器 上 等 效 的 程 序，然 后 再 在 这 低 一 级 机 器 上 运 行，实 现 程 序 的 功 能。解 释：对 于 高 一 级 机 器 上 的 程 序 中 的 每 一 条 语 句 或 指 令，都 是 转 去 执 行 低 一 级 机 器 上 的 一 段 等 效 程 序。执 行 完 后，再 去 高 一 级 机 器 取 下 一 条 语 句 或 指 令，再 进 行 解 释 执 行，如 此 反 复，直 到 解 释 执 行 完 整 个 程 序。计 算 机 系 统 结 构：传 统 机 器 程 序 员

3、 所 看 到 的 计 算 机 属 性，即 概 念 性 结 构 与 功 能 特 性。在 计 算 机 技 术 中，把 这 种 本 来 存 在 的 事 物 或 属 性，但 从 某 种 角 度 看 又 好 像 不 存 在 的 概 念 称 为 透 明 性。计 算 机 组 成：计 算 机 系 统 结 构 的 逻 辑 实 现，包 含 物 理 机 器 级 中 的 数 据 流 和 控 制 流 的 组 成 以 及 逻 辑 设 计 等。计 算 机 实 现：计 算 机 组 成 的 物 理 实 现，包 括 处 理 机、主 存 等 部 件 的 物 理 结 构，器 件 的 集 成 度 和 速 度，模 块、插 件、底 板 的

4、 划 分 与 连 接，信 号 传 输，电 源、冷 却 及 整 机 装 配 技 术 等。系 统 加 速 比：对 系 统 中 某 部 分 进 行 改 进 时，改 进 后 系 统 性 能 提 高 的 倍 数。Amdahl定 律：当 对 一 个 系 统 中 的 某 个 部 件 进 行 改 进 后，所 能 获 得 的 整 个 系 统 性 能 的 提 高，受 限 于 该 部 件 的 执 行 时 间 占 总 执 行 时 间 的 百 分 比。程 序 的 局 部 性 原 理：程 序 执 行 时 所 访 问 的 存 储 器 地 址 不 是 随 机 分 布 的，而 是 相 对 地 簇 聚。包 括 时 间 局 部 性

5、 和 空 间 局 部 性。CPI：每 条 指 令 执 行 的 平 均 时 钟 周 期 数。测 试 程 序 套 件：由 各 种 不 同 的 真 实 应 用 程 序 构 成 的 一 组 测 试 程 序，用 来 测 试 计 算 机 在 各 个 方 面 的 处 理 性 能。存 储 程 序 计 算 机：冯 诺 依 曼 结 构 计 算 机。其 基 本 点 是 指 令 驱 动。程 序 预 先 存 放 在 计 算 机 存 储 器 中，机 器 一 旦 启 动，就 能 按 照 程 序 指 定 的 逻 辑 顺 序 执 行 这 些 程 序，自 动 完 成 由 程 序 所 描 述 的 处 理 工 作。系 列 机：由 同

6、 一 厂 家 生 产 的 具 有 相 同 系 统 结 构、但 具 有 不 同 组 成 和 实 现 的 一 系 列 不 同 型 号 的 计 算 机。软 件 兼 容：一 个 软 件 可 以 不 经 修 改 或 者 只 需 少 量 修 改 就 可 以 由 一 台 计 算 机 移 植 到 另 一 台 计 算 机 上 运 行。差 别 只 是 执 行 时 间 的 不 同。向 上（下）兼 容：按 某 档 计 算 机 编 制 的 程 序，不 加 修 改 就 能 运 行 于 比 它 高（低）档 的 计 算 机。1向 后（前）兼 容：按 某 个 时 期 投 入 市 场 的 某 种 型 号 计 算 机 编 制 的

7、程 序，不 加 修 改 地 就 能 运 行 于 在 它 之 后（前）投 入 市 场 的 计 算 机。兼 容 机：由 不 同 公 司 厂 家 生 产 的 具 有 相 同 系 统 结 构 的 计 算 机。模 拟：用 软 件 的 方 法 在 一 台 现 有 的 计 算 机（称 为 宿 主 机）上 实 现 另 一 台 计 算 机（称 为 虚 拟 机）的 指 令 系 统。仿 真：用 一 台 现 有 计 算 机（称 为 宿 主 机）上 的 微 程 序 去 解 释 实 现 另 一 台 计 算 机（称 为 目 标 机）的 指 令 系 统。并 行 性：计 算 机 系 统 在 同 一 时 刻 或 者 同 一 时

8、间 间 隔 内 进 行 多 种 运 算 或 操 作。只 要 在 时 间 上 相 互 重 叠，就 存 在 并 行 性。它 包 括 同 时 性 与 并 发 性 两 种 含 义。时 间 重 叠：在 并 行 性 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，以 加 快 硬 件 周 转 而 赢 得 速 度。资 源 重 复：在 并 行 性 概 念 中 引 入 空 间 因 素，以 数 量 取 胜。通 过 重 复 设 置 硬 件 资 源，大 幅 度 地 提 高 计 算 机 系 统 的

9、性 能。资 源 共 享：这 是 一 种 软 件 方 法，它 使 多 个 任 务 按 一 定 时 间 顺 序 轮 流 使 用 同 一 套 硬 件 设 备。耦 合 度：反 映 多 机 系 统 中 各 计 算 机 之 间 物 理 连 接 的 紧 密 程 度 和 交 互 作 用 能 力 的 强 弱。紧 密 耦 合 系 统：又 称 直 接 耦 合 系 统。在 这 种 系 统 中，计 算 机 之 间 的 物 理 连 接 的 频 带 较 高，一 般 是 通 过 总 线 或 高 速 开 关 互 连，可 以 共 享 主 存。松 散 耦 合 系 统：又 称 间 接 耦 合 系 统，一 般 是 通 过 通 道 或

10、通 信 线 路 实 现 计 算 机 之 间 的 互 连，可 以 共 享 外 存 设 备（磁 盘、磁 带 等）。计 算 机 之 间 的 相 互 作 用 是 在 文 件 或 数 据 集 一 级 上 进 行。异 构 型 多 处 理 机 系 统：由 多 个 不 同 类 型、至 少 担 负 不 同 功 能 的 处 理 机 组 成，它 们 按 照 作 业 要 求 的 顺 序，利 用 时 间 重 叠 原 理，依 次 对 它 们 的 多 个 任 务 进 行 加 工，各 自 完 成 规 定 的 功 能 动 作。同 构 型 多 处 理 机 系 统：由 多 个 同 类 型 或 至 少 担 负 同 等 功 能 的 处

11、 理 机 组 成，它 们 同 时 处 理 同 一 作 业 中 能 并 行 执 行 的 多 个 任 务。1.2试 用 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。答：如 在 设 计 主 存 系 统 时，确 定 主 存 容 量、编 址 方 式、寻 址 范 围 等 属 于 计 算 机 系 统 结 构。确 定 主 存 周 期、逻 辑 上 是 否 采 用 并 行 主 存、逻 辑 设 计 等 属 于 计 算 机 组 成。选 择 存 储 芯 片 类 型、微 组 装 技 术、线 路 设 计 等 属 于 计 算 机 实 现。计 算 机 组

12、成 是 计 算 机 系 统 结 构 的 逻 辑 实 现。计 算 机 实 现 是 计 算 机 组 成 的 物 理 实 现。一 种 体 系 结 构 可 以 有 多 种 组 成。种 组 成 可 以 有 多 种 实 现。1.3 计 算 机 系 统 结 构 的 Flynn分 类 法 是 按 什 么 来 分 类 的？共 分 为 哪 几 类？答：Flynn分 类 法 是 按 照 指 令 流 和 数 据 流 的 多 倍 性 进 行 分 类。把 计 算 机 系 统 的 结 构 分 为：（1）单 指 令 流 单 数 据 流 SISD（2）单 指 令 流 多 数 据 流 SIMD（3）多 指 令 流 单 数 据 流

13、 MISD（4）多 指 令 流 多 数 据 流 MIMD21.4 计 算 机 系 统 设 计 中 经 常 使 用 的 4 个 定 量 原 理 是 什 么？并 说 出 它 们 的 含 义。答：（1）以 经 常 性 事 件 为 重 点。在 计 算 机 系 统 的 设 计 中，对 经 常 发 生 的 情 况，赋 予 它 优 先 的 处 理 权 和 资 源 使 用 权，以 得 到 更 多 的 总 体 上 的 改 进。（2）Amdahl定 律。加 快 某 部 件 执 行 速 度 所 获 得 的 系 统 性 能 加 速 比，受 限 于 该 部 件 在 系 统 中 所 占 的 重 要 性。（3）CPU性 能

14、 公 式。执 行 一 个 程 序 所 需 的 CPU时 间=IC XCPI X 时 钟 周 期 时 间。（4）程 序 的 局 部 性 原 理。程 序 在 执 行 时 所 访 问 地 址 的 分 布 不 是 随 机 的，而 是 相 对 地 簇 聚。1.5 分 别 从 执 行 程 序 的 角 度 和 处 理 数 据 的 角 度 来 看，计 算 机 系 统 中 并 行 性 等 级 从 低 到 高 可 分 为 哪 几 级？答：从 处 理 数 据 的 角 度 来 看，并 行 性 等 级 从 低 到 高 可 分 为:(1)字 串 位 串：每 次 只 对 一 个 字 的 一 位 进 行 处 理。这 是 最

15、基 本 的 串 行 处 理 方 式，不 存 在 并 行 性；(2)字 串 位 并：同 时 对 一 个 字 的 全 部 位 进 行 处 理，不 同 字 之 间 是 串 行 的。已 开 始 出 现 并 行 性；(3)字 并 位 串：同 时 对 许 多 字 的 同 一 位(称 为 位 片)进 行 处 理。这 种 方 式 具 有 较 高 的 并 行 性；(4)全 并 行：同 时 对 许 多 字 的 全 部 位 或 部 分 位 进 行 处 理。这 是 最 高 一 级 的 并 行。从 执 行 程 序 的 角 度 来 看，并 行 性 等 级 从 低 到 高 可 分 为：(1)指 令 内 部 并 行：单 条

16、指 令 中 各 微 操 作 之 间 的 并 行；(2)指 令 级 并 行：并 行 执 行 两 条 或 两 条 以 上 的 指 令；(3)线 程 级 并 行：并 行 执 行 两 个 或 两 个 以 上 的 线 程，通 常 是 以 一 个 进 程 内 派 生 的 多 个 线 程 为 调 度 单 位；(4)任 务 级 或 过 程 级 并 行：并 行 执 行 两 个 或 两 个 以 上 的 过 程 或 任 务(程 序 段)，以 子 程 序 或 进 程 为 调 度 单 元；(5)作 业 或 程 序 级 并 行：并 行 执 行 两 个 或 两 个 以 上 的 作 业 或 程 序。1.6某 台 主 频 为

17、指 令 类 型 指 令 执 行 数 量：平 均 时 钟 周 期 数 整 数 45000 t数 据 传 送 750002浮 点 8000 4分 支 15002求 该 计 算 机 的 有 效 CPI、MIPS和 程 序 执 行 时 间。解：(1)CPI=(45000 X 1+75000 X 2+8000 X 4+1500 X 2)/129500=1.776(2)MIPS 速 率=f/CPI=400/1.776=225.225MIPS(3)程 序 执 行 时 间=(45000X 1+75000X 2+8000X 4+1500X 2)/400=575s1.7将 计 算 机 系 统 中 某 一 功 能

18、的 处 理 速 度 加 快 10倍，但 该 功 能 的 处 理 时 间 仅 为 整 个 系 统 运 行 时 间 的 40%,则 采 用 此 增 强 功 能 方 法 后，能 使 整 个 系 统 的 性 能 提 高 多 少？解 由 题 可 知：可 改 进 比 例=40%=0.4部 件 加 速 比=10根 据 Amdahl定 律 可 知：1 系 统 加 速 比 1.5625 0.4 1 0.4 10采 用 此 增 强 功 能 方 法 后，能 使 整 个 系 统 的 性 能 提 高 到 原 来 的 1.5625倍。1.8计 算 机 系 统 中 有 三 个 部 件 可 以 改 进，这 三 个 部 件 的

19、 部 件 加 速 比 为：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 进 比 例 均 为 30%,那 么 当 部 件 3 的 可 改 进 比 例 为 多 少 时，系 统 加 速 比 才 可 以 达 到 10?(2)如 果 三 个 部 件 的 可 改 进 比 例 分 别 为 30%、30%和 20%,三 个 部 件 同 时 改 进，那 么 系 统 中 不 可 加 速 部 分 的 执 行 时 间 在 总 执 行 时 间 中 占 的 比 例 是 多 少？解：(1)在 多 个 部 件 可 改 进 情 况 下

20、，Amdahl定 理 的 扩 展：3Sn(1 1 Fi)FiSi已 知 Sl=30,S2=20,S3=10,Sn=10,Fl=0.3,F2=0.3,得：10 1 1(-0.3 0.3 F3)(0.3/30 0.3/20 F3/10)得 F3=0.36,即 部 件 3 的 可 改 进 比 例 为 36%o(2)设 系 统 改 进 前 的 执 行 时 间 为 T,则 3 个 部 件 改 进 前 的 执 行 时 间 为：(0.3+0.3+0.2)T=0.8T,不 可 改 进 部 分 的 执 行 时 间 为 0.2T。已 知 3 个 部 件 改 进 后 的 加 速 比 分 别 为 Sl=30,S2=2

21、0,S3=10,因 此 3 个 部 件 改 进 后 的 执 行 时 间 为：V.3T0.3T0.2Tn 030 20 10 0.045T改 进 后 整 个 系 统 的 执 行 时 间 为:Tn=0.045T+0.2T=0.245T那 么 系 统 中 不 可 改 进 部 分 的 执 行 时 间 在 总 执 行 时 间 中 占 的 比 例 是:0.2T0.245T 0.821.9操 作 类 型 程 序 中 的 数 量 百 万 条 指 令 改 进 前 的 执 行 时 间(周 期)改 进 后 的 执 行 时 间(周 期)操 作 1 10 21操 作 2 30 20 15操 作 3 35 10 3操 作

22、 4 15 4 1(1(2)各 类 操 作 单 独 改 进 后，程 序 获 得 的 加 速 比 分 别 是 多 少？(3)4 类 操 作 均 改 进 后，整 个 程 序 的 加 速 比 是 多 少？解:根 据 Amdahl定 律 Sn 1可 得 1 Fe)Fe操 作 类 型 各 类 操 作 的 指 令 条 数 在 程 序 中 所 占 的 比 例 F.各 类 操 作 的 加 速 比 S,各 类 操 作 的 独 改 进 后 程 序 获 得 的 加 速 比 操 作 1 11.!%21.06操 作 2 33.3%1.33 1.09操 作 3 38.9%3.33 1.37操 作 4 16.7%4 1.1

23、4Se4 类 操 作 均 改 进 后，整 个 程 序 的 加 速 比:Sn 1 2.16(1 FFi)1Si第 2 章 指 令 集 结 构 的 分 类 2.1 解 释 下 列 术 语 堆 栈 型 机 器：CPU中 存 储 操 作 数 的 单 元 是 堆 栈 的 机 器。4累 加 器 型 机 器：CPU中 存 储 操 作 数 的 单 元 是 累 加 器 的 机 器。通 用 寄 存 器 型 机 器：CPU中 存 储 操 作 数 的 单 元 是 通 用 寄 存 器 的 机 器。CISC：复 杂 指 令 集 计 算 机 RISC：精 简 指 令 集 计 算 机 寻 址 方 式：指 令 系 统 中 如

24、何 形 成 所 要 访 问 的 数 据 的 地 址。一 般 来 说，寻 址 方 式 可 以 指 明 指 令 中 的 操 作 数 是 一 个 常 数、一 个 寄 存 器 操 作 数 或 者 是 一 个 存 储 器 操 作 数。数 据 表 示：硬 件 结 构 能 够 识 别、指 令 系 统 可 以 直 接 调 用 的 那 些 数 据 结 构。2.2 区 别 不 同 指 令 集 结 构 的 主 要 因 素 是 什 么？根 据 这 个 主 要 因 素 可 将 指 令 集 结 构 分 为 哪 3 类？答：区 别 不 同 指 令 集 结 构 的 主 要 因 素 是 CPU中 用 来 存 储 操 作 数 的

25、 存 储 单 元。据 此 可 将 指 令 系 统 结 构 分 为 堆 栈 结 构、累 加 器 结 构 和 通 用 寄 存 器 结 构。2.3 常 见 的 3 种 通 用 寄 存 器 型 指 令 集 结 构 的 优 缺 点 有 哪 些？答:2.4指 令 集 应 满 足 哪 几 个 基 本 要 求？指 令 系 统 结 构 类 型 优 点 缺 点 寄 存 器-寄 存 帮 型（0,3）指 令 字 长 固 定,指 令 结 构 简 洁.是 一 种 简 单 的 代 码 生 成 模 型，各 种 指 令 的 执 行 时 钟 周 期 数 相 近。5 指 令 中 含 存 储 器 操 作 数 的 指 令 系 统 S指

26、 令 条 数 多，目 标 代 码 不 够 紧 凑,因 而 的 空 间 比 较 大.寄 存 器-存 储 港 型（1,2）可 以 在 A L U 指 令 中 直 接 对 存 储 器 操 作 数 进 行 引 用,而 不 必 先 用 lo u d指 令 进 行 加 战。容 易 对 指 令 进 行 编 码,目 标 代 码 比 较 紧 凑。由 于 仃-个 操 作 数 的 内 容 将 被 破 坏，目 的 两 个 操 作 数 不 对 称。在 一 条 指 令 中 h器 操 作 数 和 存 储 器 操 作 数 进 行 编 码，f指 令 所 能 够 表 示 的 寄 存 器 个 数.指 令。周 期 数 因 操 作 数

27、 的 来 源（寄 存 器 或 存 G而 差 别 比 较 大 1 1存 储 器-存 储 器 型（2.2）或（3,3）目 标 代 码 最 紧 凑，不 需 要 设 置 寄 存 器 来 保 存 变 量。指 令 字 长 变 化 很 大.特 别 是 3 操 作 数 每 条 指 令 完 成 的 匚 作 也 差 别 很 大。对，繁 访 问 会 使 存:储 器 成 为 瓶 颈。这 种 类 耳 统 现 在 已 不 用 了。答：对 指 令 集 的 基 本 要 求 是：完 整 性、规 整 性、高 效 率 和 兼 容 性。完 整 性 是 指 在 一 个 有 限 可 用 的 存 储 空 间 内，对 于 任 何 可 解 的

28、 问 题，编 制 计 算 程 序 时，指 令 集 所 提 供 的 指 令 足 够 使 用。规 整 性 主 要 包 括 对 称 性 和 均 匀 性。对 称 性 是 指 所 有 与 指 令 集 有 关 的 存 储 单 元 的 使 用、操 作 码 的 设 置 等 都 是 对 称 的。均 匀 性 是 指 对 于 各 种 不 同 的 操 作 数 类 型、字 长、操 作 种 类 和 数 据 存 储 单 元，指 令 的 设 置 都 要 同 等 对 待。高 效 率 是 指 指 令 的 执 行 速 度 快、使 用 频 度 高。2.5指 令 集 结 构 设 计 所 涉 及 的 内 容 有 哪 些？答：（1）指 令

29、 集 功 能 设 计：主 要 有 RISC和 CISC两 种 技 术 发 展 方 向；（2）寻 址 方 式 的 设 计：设 置 寻 址 方 式 可 以 通 过 对 基 准 程 序 进 行 测 试 统 计，察 看 各 种 寻 址 方 式 的 使 用 频 率，根 据 适 用 频 率 设 置 必 要 的 寻 址 方 式。（3）操 作 数 表 示 和 操 作 数 类 型：主 要 的 操 作 数 类 型和 操 作 数 表 示 的 选 择 有：浮 点 数 据 类 型、整 型 数 据 类 型、字 符 型、卜 进 制 数 据 类 型 等 等。（4）寻 址 方 式 的 表 示：可 以 将 寻 址 方 式 编 码

30、 于 操 作 码 中，也 可 以 将 寻 址 方 式 作 为 一 个 单 独 的 域 来 表 示。（5）指 令 集 格 式 的 设 计：有 变 长 编 码 格 式、固 定 长 度 编 码 格 式 和 混 合 型 编 码 格 式 3 种。52.6简 述 CISC指 令 集 结 构 功 能 设 计 的 主 要 目 标。从 当 前 的 计 算 机 技 术 观 点 来 看，CISC指 令 集 结 构 的 计 算 机 有 什 么 缺 点？答：主 要 目 标 是 增 强 指 令 功 能，把 越 来 越 多 的 功 能 交 由 硬 件 来 实 现，并 且 指 令 的 数 量 也 是 越 来 越 多。缺 点：

31、（D CISC结 构 的 指 令 集 中，各 种 指 令 的 使 用 频 率 相 差 悬 殊。（2）CISC结 构 指 令 的 复 杂 性 带 来 计 算 机 体 系 结 构 的 复 杂 性，这 不 仅 增 加 了 研 制 时 间 和 成 本，而 且 还 容 易 造 成 设 计 错 误。（3）CISC结 构 指 令 集 的 复 杂 性 给 VLSI设 计 增 加 了 很 大 负 担，不 利 于 单 片 集 成。（4）CISC结 构 的 指 令 集 中，许 多 复 杂 指 令 需 要 很 复 杂 的 操 作，因 而 运 行 速 度 慢。（5）在 CISC结 构 的 指 令 集 中，由 于 各 条

32、 指 令 的 功 能 不 均 衡 性，不 利 于 采 用 先 进 的 计 算 机 体 系 结 构 技 术（如 流 水 技 术）来 提 高 系 统 的 性 能。2.7 简 述 RISC指 令 集 结 构 的 设 计 原 则。答（1）选 取 使 用 频 率 最 高 的 指 令，并 补 充 一 些 最 有 用 的 指 令；（2）每 条 指 令 的 功 能 应 尽 可 能 简 单，并 在 一 个 机 器 周 期 内 完 成；（3）所 有 指 令 长 度 均 相 同；（4）只 有 Load和 Store操 作 指 令 才 访 问 存 储 器，其 它 指 令 操 作 均 在 寄 存 器 之 间 进 行；（

33、5）以 简 单 有 效 的 方 式 支 持 高 级 语 言。2.8指 令 中 表 示 操 作 数 类 型 的 方 法 有 哪 几 种？答：操 作 数 类 型 有 两 种 表 示 方 法：（1）操 作 数 的 类 型 由 操 作 码 的 编 码 指 定，这 是 最 常 见 的 一 种 方 法；（2）数 据 可 以 附 上 由 硬 件 解 释 的 标 记，由 这 些 标 记 指 定 操 作 数 的 类 型，从 而 选 择 适 当 的 运 算。2.9表 示 寻 址 方 式 的 主 要 方 法 有 哪 些？简 述 这 些 方 法 的 优 缺 点。答：表 示 寻 址 方 式 有 两 种 常 用 的 方

34、法：（1）将 寻 址 方 式 编 于 操 作 码 中，由 操 作 码 在 描 述 指 令 的 同 时 也 描 述 了 相 应 的 寻 址 方 式。这 种 方 式 译 码 快，但 操 作 码 和 寻 址 方 式 的 结 合 不 仅 增 加 了 指 令 的 条 数，导 致 了 指 令 的 多 样 性，而 且 增 加 了 CPU对 指 令 译 码 的 难 度。（2）为 每 个 操 作 数 设 置 一 个 地 址 描 述 符，由 该 地 址 描 述 符 表 示 相 应 操 作 数 的 寻 址 方 式。这 种 方 式 译 码 较 慢，但 操 作 码 和 寻 址 独 立，易 于 指 令 扩 展。2.10通

35、 常 有 哪 几 种 指 令 格 式，请 简 述 其 适 用 范 围。答：（1）变 长 编 码 格 式。如 果 系 统 结 构 设 计 者 感 兴 趣 的 是 程 序 的 目 标 代 码 大 小，而 不 是 性 能，就 可 以 采 用 变 长 编 码 格 式。（2）固 定 长 度 编 码 格 式。如 果 感 兴 趣 的 是 性 能，而 不 是 程 序 的 目 标 代 码 大 小，则 可 以 选 择 固 定 长 度 编 码 格 式。（3）混 合 型 编 码 格 式。需 要 兼 顾 降 低 目 标 代 码 长 度 和 降 低 译 码 复 杂 度 时，可 以 采 用 混 合 型 编 码 格 式。2.

36、1 1 根 据 CPU性 能 公 式 简 述 RISC指 令 集 结 构 计 算 机 和 CISC指 令 集 结 构 计 算 机 的 性 能 特 点。答:CPU性 能 公 式：CPU时 间=ICXCPIXT其 中，IC为 目 标 程 序 被 执 行 的 指 令 条 数，CPI为 指 令 平 均 执 行 周 期 数，T 是 时 钟 周 期 的 时 间。相 同 功 能 的 CISC目 标 程 序 的 指 令 条 数 ICCISC少 于 RISC的 ICRISC,但 是 CISC的 CPICISC和 TCISC都 大 于 RISC的 CPIRISC和 TRISC,因 此，CISC目 标 程 序 的

37、执 行 时 间 比 RISC的 更 长。第 3 章 流 水 线 技 术 3.1解 释 下 列 术 语 流 水 线：将 一 个 重 复 的 时 序 过 程，分 解 成 为 若 干 个 子 过 程，而 每 一 个 子 过 程 都 可 有 效 地 在 其 专 用 功 能 段 上 与 其 它 子 过 程 同 时 执 行。单 功 能 流 水 线：指 流 水 线 的 各 段 之 间 的 连 接 固 定 不 变、只 能 完 成 一 种 固 定 功 能 的 流 水 线。多 功 能 流 水 线：指 各 段 可 以 进 行 不 同 的 连 接，以 实 现 不 同 的 功 能 的 流 水 线。静 态 流 水 线：指

38、 在 同 一 时 间 内，多 功 能 流 水 线 中 的 各 段 只 能 按 同 一 种 功 能 的 连 接 方 式 工 作 的 流 水 线。当 流 水 线 要 切 换 6 到 另 一 种 功 能 时，必 须 等 前 面 的 任 务 都 流 出 流 水 线 之 后，才 能 改 变 连 接。动 态 流 水 线：指 在 同 一 时 间 内，多 功 能 流 水 线 中 的 各 段 可 以 按 照 不 同 的 方 式 连 接，同 时 执 行 多 种 功 能 的 流 水 线。它 允 许 在 某 些 段 正 在 实 现 某 种 运 算 时，另 一 些 段 却 在 实 现 另 一 种 运 算。部 件 级 流

39、 水 线：把 处 理 机 中 的 部 件 进 行 分 段，再 把 这 些 部 件 分 段 相 互 连 接 而 成。它 使 得 运 算 操 作 能 够 按 流 水 方 式 进 行。这 种 流 水 线 也 称 为 运 算 操 作 流 水 线。处 理 机 级 流 水 线：又 称 指 令 流 水 线。它 是 把 指 令 的 执 行 过 程 按 照 流 水 方 式 进 行 处 理，即 把 一 条 指 令 的 执 行 过 程 分 解 为 若 干 个 子 过 程，每 个 子 过 程 在 独 立 的 功 能 部 件 中 执 行。处 理 机 间 流 水 线：又 称 为 宏 流 水 线。它 是 把 多 个 处 理

40、 机 串 行 连 接 起 来，对 同 一 数 据 流 进 行 处 理，每 个 处 理 机 完 成 整 个 任 务 中 的 一 部 分。前 一 个 处 理 机 的 输 出 结 果 存 入 存 储 器 中，作 为 后 一 个 处 理 机 的 输 入。线 性 流 水 线：指 各 段 串 行 连 接、没 有 反 馈 回 路 的 流 水 线。数 据 通 过 流 水 线 中 的 各 段 时，每 一 个 段 最 多 只 流 过 一 次。非 线 性 流 水 线：指 各 段 除 了 有 串 行 的 连 接 外，还 有 反 馈 回 路 的 流 水 线。顺 序 流 水 线：流 水 线 输 出 端 任 务 流 出 的

41、 顺 序 与 输 入 端 任 务 流 入 的 顺 序 完 全 相 同。乱 序 流 水 线：流 水 线 输 出 端 任 务 流 111的 顺 序 与 输 入 端 任 务 流 入 的 顺 序 可 以 不 同，允 许 后 进 入 流 水 线 的 任 务 先 完 成。这 种 流 水 线 又 称 为 无 序 流 水 线、错 序 流 水 线、异 步 流 水 线。吞 吐 率：在 单 位 时 间 内 流 水 线 所 完 成 的 任 务 数 量 或 输 出 结 果 的 数 量。流 水 线 的 加 速 比：使 用 顺 序 处 理 方 式 处 理 一 批 任 务 所 用 的 时 间 与 按 流 水 处 理 方 式

42、处 理 同 一 批 任 务 所 用 的 时 间 之 比。流 水 线 的 效 率：即 流 水 线 设 备 的 利 用 率，它 是 指 流 水 线 中 的 设 备 实 际 使 用 时 间 与 整 个 运 行 时 间 的 比 值。数 据 相 关：考 虑 两 条 指 令 i和 j,i在 j 的 前 面，如 果 下 述 条 件 之 一 成 立，则 称 指 令 j与 指 令 i数 据 相 关：（1）指 令 j使 用 指 令 i产 生 的 结 果；（2）指 令 j与 指 令 k 数 据 相 关，而 指 令 k 又 与 指 令 i数 据 相 关。名 相 关：如 果 两 条 指 令 使 用 了 相 同 的 名，

43、但 是 它 们 之 间 并 没 有 数 据 流 动，则 称 这 两 条 指 令 存 在 名 相 关。控 制 相 关：是 指 由 分 支 指 令 引 起 的 相 关。它 需 要 根 据 分 支 指 令 的 执 行 结 果 来 确 定 后 面 该 执 行 哪 个 分 支 上 的 指 令。反 相 关：考 虑 两 条 指 令 i和 j,i在 j 的 前 面，如 果 指 令 j所 写 的 名 与 指 令 i所 读 的 名 相 同，则 称 指 令 i和 j 发 生 了 反 相 关。输 出 相 关：考 虑 两 条 指 令 i和 j,i在 j 的 前 面，如 果 指 令 j 和 指 令 i所 写 的 名 相

44、同，则 称 指 令 i和 j发 生 了 输 出 相 关。换 名 技 术：名 相 关 的 两 条 指 令 之 间 并 没 有 数 据 的 传 送，只 是 使 用 了 相 同 的 名。可 以 把 其 中 一 条 指 令 所 使 用 的 名 换 成 别 的，以 此 来 消 除 名 相 关。结 构 冲 突：因 硬 件 资 源 满 足 不 了 指 令 重 叠 执 行 的 要 求 而 发 生 的 冲 突。7数 据 冲 突：当 指 令 在 流 水 线 中 重 叠 执 行 时，因 需 要 用 到 前 面 指 令 的 执 行 结 果 而 发 生 的 冲 突。控 制 冲 突：流 水 线 遇 到 分 支 指 令 或

45、 其 它 会 改 变 PC值 的 指 令 所 引 起 的 冲 突。定 向：用 来 解 决 写 后 读 冲 突 的。在 发 生 写 后 读 相 关 的 情 况 下，在 计 算 结 果 尚 未 出 来 之 前，后 面 等 待 使 用 该 结 果 的 指 令 并 不 见 得 是 马 上 就 要 用 该 结 果。如 果 能 够 将 该 计 算 结 果 从 其 产 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 顿。写 后 读 冲 突：考 虑 两 条 指 令 i和 j,且 i在 j之 前 进 入 流 水 线，指 令 j用 到 指 令 i的 计 算

46、结 果，而 且 在 i将 结 果 写 入 寄 存 器 之 前 就 去 读 该 寄 存 器，因 而 得 到 的 是 旧 值。读 后 写 冲 突：考 虑 两 条 指 令 i和 j,且 i在 j之 前 进 入 流 水 线，指 令 j 的 目 的 寄 存 器 和 指 令 i 的 源 操 作 数 寄 存 器 相 同，而 且 j在 i读 取 该 寄 存 器 之 前 就 先 对 它 进 行 了 写 操 作，导 致 i读 到 的 值 是 错 误 的。写 后 写 冲 突：考 虑 两 条 指 令 i和 j,且 i在 j之 前 进 入 流 水 线，指 令 j和 指 令 i的 结 果 单 元（寄 存 器 或 存 储

47、器 单 元）相 同，而 且 j在 i写 入 之 前 就 先 对 该 单 元 进 行 了 写 入 操 作，从 而 导 致 写 入 顺 序 错 误。这 时 在 结 果 单 元 中 留 下 的 是 i写 入 的 值，而 不 是 j 写 入 的。链 接 技 术：具 有 先 写 后 读 相 关 的 两 条 指 令，在 不 出 现 功 能 部 件 冲 突 和 Vi冲 突 的 情 况 下，可 以 把 功 能 部 件 链 接 起 来 进 行 流 水 处 理，以 达 到 加 快 执 行 的 目 的。分 段 开 采：当 向 量 的 长 度 大 于 向 量 寄 存 器 的 长 度 时，必 须 把 长 向 量 分 成

48、 长 度 固 定 的 段，然 后 循 环 分 段 处 理，每 一 次 循 环 只 处 理 一 个 向 量 段。半 性 能 向 量 长 度：向 量 处 理 机 的 性 能 为 其 最 大 性 能 R 的 一 半 时 所 需 的 向 量 长 度。向 量 长 度 临 界 值：向 量 流 水 方 式 的 处 理 速 度 优 于 标 量 串 行 方 式 的 处 理 速 度 时 所 需 的 向 量 长 度 的 最 小 值。3.2指 令 的 执 行 可 采 用 顺 序 执 行、重 叠 执 行 和 流 水 线 三 种 方 式，它 们 的 主 要 区 别 是 什 么？各 有 何 优 缺 点。答：（1）指 令 的

49、 顺 序 执 行 是 指 指 令 与 指 令 之 间 顺 序 串 行。即 上 一 条 指 令 全 部 执 行 完 后，才 能 开 始 执 行 下 一 条 指 令。优 点：控 制 简 单，节 省 设 备。缺 点：执 行 指 令 的 速 度 慢，功 能 部 件 的 利 用 率 低。（2）指 令 的 重 叠 指 令 是 在 相 邻 的 指 令 之 间，让 第 k 条 指 令 与 取 第 k+1条 指 令 同 时 进 行。重 叠 执 行 不 能 加 快 单 条 指 令 的 执 行 速 度，但 在 硬 件 增 加 不 多 的 情 况 下，可 以 加 快 相 邻 两 条 指 令 以 及 整 段 程 序 的

50、 执 行 速 度。与 顺 序 方 式 相 比，功 能 部 件 的 利 用 率 提 高 了，控 制 变 复 杂 r(3)指 令 的 流 水 执 行 是 把 一 个 指 令 的 执 行 过 程 分 解 为 若 干 个 子 过 程，每 个 子 过 程 由 专 门 的 功 能 部 件 来 实 现。把 多 个 处 理 过 程 在 时 间 上 错 开，依 次 通 过 各 功 能 段，每 个 子 过 程 与 其 它 的 子 过 程 并 行 进 行。依 靠 提 高 吞 吐 率 来 提 高 系 统 性 能。流 水 线 中 各 段 的 时 间 应 尽 可 能 相 等 3.3 简 述 先 行 控 制 的 基 本 思