1、第一章1- 1 如有一個經解釋實現的計算機，可以按功能劃分成4級。每一級為了執行一條指令需要下一級的N條指令解釋。若執行第1級的一條指令需K ns時間，那么執行第2、3、4 級的一條指令各需要多少時間？答：執行第2、3、4 級的一條指令各需KN ns、(N*N)*K ns、(N*N*N)*K ns的時間。1- 2操作系統機器級的某些指令就用傳統機器級的指令，這些指令可以用微程序直接解釋實現，而不必有操作系統自己來實現。更具你對1-1 題的回答，你認為這樣做有哪些好處？答：這樣做，可以加快操作系統中操作命令解釋的速度，同時也節省了存放解釋操作命令這部分解釋程序所占的存儲空間，簡化了操作系統機器級

2、的設計，也有利于減少傳統機器級的指令條數。1- 3有一個計算機系統可按功能分成4級，每級的指令互不相同，每一級的指令都比其下一級的指令在效能上強M 倍，即第i 級的一條指令能完成第i-1 級的 M 條指令的計算量。現若需第i 級的 N 條指令解釋第i+1 級的一條指令，而有一段第1 級的程序需要運行Ks,問在第2、3和4級上一段等效程序各需要運行多長時間？答：第2級上等效程序需運行：(N/M)*Ks。第3級上等效程序需運行： (N/M)*(N/M)*Ks 。第 4 級上等效程序需運行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks 。1- 4硬件和軟件在什么意義上是等效的？在什么意義上又是不等效的？

3、試舉例說明。答：軟件和硬件在邏輯功能上是等效的，原理上，軟件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用軟件模擬完成。但是實現的性能價格比，實現的難易程序不同。例如，編譯程序、操作系統等許多用機器語言軟件子程序實現的功能完全可以用組合電路硬件或微程序固件來解釋實現。它們的差別只是軟件實現的速度慢，軟件的編制復雜，編程工作量大，程序所占的存儲空間量較多，這些都是不利的；但是，這樣所用硬件少，硬件實現上也就因此而簡單容易，硬件的成本低，解題的靈活性和適應性較好，這些都是有利的。又如，乘除法運算可以經機器專門設計的乘法指令用硬件電路或乘除部件來實現。向量、數組運算在向量處理機中是直接使用向量、數組類指

4、令和流水或陳列等向量運算部件的硬件方式來實現的，但在標量處理機上也可以通過執行用標量指令組成的循環程序的軟件方式來完成。浮點數運算可以直接通過設置浮點運算指令用硬件來實現，也可以用兩個定點數分別表示浮點數的階碼和尾數，通過程序方法把浮點數階碼和尾數的運算映像變換成兩個定點數的運算，用子程序軟件的方式實現。十進制數的運算可以通過專門設置十進制數運算類指令和專門的十進制運算部件硬的方式來完成，或者通過設置BCD數的表示和若干BCD數運算的校正指令來軟硬結合地實現，也可以先經十轉二的數制轉換子程序將十進制數轉成二進制數，再用二進制運算類指令運算，所得結果又調用二轉十的數制轉換子程序轉換成十進制數結果

5、，用全軟件的方式實現。1- 5試以實例說明計算機系統結構、計算機組成與計算機實現之間的相互關系與影響。答：計算機系統結構、計算機組成、計算機實現互不相同，但又相互影響。(1)計算機的系統結構相同，但可采用不同的組成。如 舊M370系列有115、 125、 135、 158、 168 等由低檔到高檔的多種型號機器。從匯編語言、機器語言程序設計者看到的概念性結構相同，均是由中央處理機/主存，通道、設備控制器，外設4 級構成。其中，中央處理機都有相同的機器指令和匯編指令系統，只是指令的分析、執行在低檔機上采用順序進行，在高檔機上采用重疊、流水或其它并行處理方式。（ 2）相同的組成可有多種不同的實現。

6、如主存器件可用雙極型的，也可用MOS型的；可用VLSI單片，也可用多片小規模集成電路組搭。（ 3）計算機的系統結構不同，會使采用的組成技術不同，反之組成也會影響結構。如為實現A:=B+CD尸E*F1采用面向寄存器的系統結構，也可采用面向主存的三地址尋址方式的系統結構。要提高運行速度，可讓相加與相乘并行，為此這兩種結構在組成上都要求設置獨立的加法器和乘法器。但對面向寄存器的系統結構還要求寄存器能同時被訪問，而對面向主存的三地址尋址方式的系統結構并無此要求，倒是要求能同時形成多個訪存操作數地址和能同時訪存。又如微程序控制是組成影響結構的典型。通過改變控制存儲器中的微程序，就可改變系統的機器指令，改

7、變結構。如果沒有組成技術的進步，結構的進展是不可能的。綜上所述，系統結構的設計必須結合應用考慮，為軟件和算法的實現提供更多更好的支持，同時要考慮可能采用和準備采用的組成技術。應避免過多地或不合理地限制各種組成、實現技術的采用和發展，盡量做到既能方便地在低檔機上用簡單便宜的組成實現，又能在高檔機上用復雜較貴的組成實現，這樣，結構才有生命力；組成設計上面決定于結構，下面受限于實現技術。然而，它可與實現折衷權衡。例如，為達到速度要求，可用簡單的組成但卻是復雜的實現技術，也可用復雜的組成但卻是一般速度的實現技術。前者要求高性能的器件，后者可能造成組成設計復雜化和更多地采用專用芯片。組成和實現的權衡取決

8、于性能價格比等因素；結構、組成和實現所包含的具體內容隨不同時期及不同的計算機系統會有差異。軟件的硬化和硬件的軟件都反映了這一事實。VLSI的發展更使結構組成和實現融為一體，難以分開。1-6 什么是透明性概念？對計算機系統結構，下列哪些是透明的？哪些是不透明的？存儲器的模m 交叉存取；浮點數據表示；I/O 系統是采用通道方式還是外圍處理機方式；數據總線寬度；字符行運算指令；陣列運算部件；通道是采用結合型還是獨立型；PDP-11系列的單總線結構；訪問方式保護；程序性中 斷；串行、重疊還是流水控制方式；堆棧指令；存儲器最小編址單位；Cache存儲器。答：透明指的是客觀存在的事物或屬性從某個角度看不到

9、。透明的有：存儲器的模m 交叉存取；數據總線寬度；陣列運算部件；通道是采用結合型還是獨立型；PDP-11系列的單總線結構串行、重疊還是流水控制 方式；Cache存儲器。不透明的有：浮點數據表示；I/O 系統是采用通道方式還是外圍處理機方式；字符行運算指令；訪問方式保護；程序性中斷；堆棧指令；存儲器最小 編址單位。P.S.屬于計算機系統結構的屬性有：數據表示、尋址方式、寄存器組織、指令系統、存儲組織、中斷機構、I/O 結構、保護機構等。屬于組成的屬性有：數據通路寬度、專用部件設置、功能部件并行度、控制機構的組成方式，可靠性技術等。它著眼于機器內各事件的排序方式，控制機構的功能及部件間的關系。屬于

10、實現的屬性有：部件的物理結構、器件、模塊的劃分與連接、微組裝技術、信號傳輸技術等，它著眼于器件技術和微組裝 技術。1- 7從機器（匯編）語言程序員看，以下哪些是透明的？指令地址寄存器；指令緩沖器；時標發生器；條件寄存器；乘法器；主存地址寄存器；磁盤外設；先行進位鏈；移位器；通用寄存器；中斷字寄存器。答：透明的有：指令緩沖器、時標發生器、乘法器、先進先出鏈、移位器、主存地址寄存器。1- 8下列哪些對系統程序員是透明的？哪些對應用程序員是透明的？系統機各檔不同的數據通路寬帶；虛擬存儲器；Cache存儲器；程序狀態字；啟動I/O'指令；執行”指令；指令緩沖寄存器。答：系列機各檔不同的數據通路

11、寬度；虛擬存儲器；Cache存儲器；程序狀態字；啟動I/O”指令；執行”指令；指令緩沖寄存器。答：系列機各檔不同的數 據通路寬度、Cache存貯器、指令緩沖寄存器屬于計算機組成，對系統和程序員 和應用程序員都是透明的。虛擬存貯器、程序狀態字、啟動I/O”指令，對系統程序員是不透明的，而對應用程序員卻是透明的。“執行 ”指令則對系統程序員和應用程序員都是不透明的。1- 9實現軟件移植的主要途徑有哪些？適用于什么場合？各存在什么問題？對這些問題應采取什么對策？如果利用“計算機網絡”實現軟件移植，計算機網絡應當如何組成？答：實現軟件移植的主要途徑有統一高級語言、采用系列機、模擬和仿真等。統一高級語言

12、適用于在結構相同以至完全不同的機器之間實現高級語言應用軟件移植。問題是至今還難以統一出一種通用的高級語言。應采取的對策是，從長遠目標還應爭取統一出一種通用的高級語言，但近期只能做相對的統一。采取系列機可使用于結構相同或近期的機器之間實現匯編語言應用軟件和部分系統軟件移植。由于系列機結構變化有限，因此到一定時候便會阻礙系列的發展。對策應是不訥訥個只局限于舊系列的發展，在適當時候應推出新的系列結構。模擬和仿真能使用于結構不同的機器之間實現機器語言程序的移植。但模仿方法在機器指令差異大時，運行速度嚴重下降；在機器結構差異大時，仿真很難。對策是：模仿和仿真結合使用。讓頻繁使用且易于仿真的指令采用仿真，

13、以提高速度，應很少使用，對速度要求不高的、難以仿真的這部分指令及I/O 操作采用模擬實現。用計算機網絡實現軟件移植，計算機網絡應采用異種機的聯網技術。1- 10系列機思想對計算機發展有什么意義？系列機軟件兼容的要求是什么？答：采用系列機可以較好地解決軟件設計環境要求相對穩定和硬件、器件、組成等技術在飛速發展的矛盾。軟件可以豐富積累，又能不斷更新器件、硬件和組成，使之短期內就能提供出性能更好、價格更便宜的新機器，有力地促進計算機的發展。系列機軟件兼容的基本要求是必須保證實現軟件的向后兼容，力爭做到向上兼容。1- 11 想在系列機中發展一種新型號機器，你認為下列哪些設想是可以考慮的，哪些則不行的？

14、為什么？（ 1）新增加字符數據類型和若干條字符處理指令，以支持事務處理程序的編譯。（ 2）為增強中斷處理功能，將中斷分級由原來的4 級增加到5 級，并重新調整中斷響應的優先次序。（3）在CPU和主存之間增設Cache存儲器，以克服因主存訪問速率過低而造成的系統性能瓶頸。（ 4）為解決計算誤差較大，將機器中浮點數的下溢處理方法由原來的恒置“ 1法，改為用 ”ROM 存取下溢處理結果的查表舍入法。（ 5）為增加尋址靈活性和減少平均指令字長，將原等長操作碼指令改為有3 類不同碼長的擴展操作碼；將源操作數尋址方式由操作碼指明改成如VAX-11那種設尋址方式位字段指明。（6）將CPU與主存間的數據通路寬

15、度由16位擴展成32位，以加快主機內 部信息的傳送。（ 7）為減少公用總路線的使用沖突，將單總線改為雙總線。（ 8）把原0 號通用寄存器改作堆棧指示器。答：可以考慮的有：13467。不可以考慮的有：258。原則很簡單，看改進后能否保持軟件的可移植性。P.S.為了能使軟件長期穩定，就要在相當長的時期里保證系統結構基本不變，因此在確定系列結構時要非常慎重。其中最主要是確定好系列機的指令系統、數據表示及概念性結構。既要考慮滿足應用的各種需要和發展，又要考慮能方便地采用從低速到高速的各種組成的實現技術，即使用復雜、昂貴的組成實現時，也還能充分發揮該實現方法所帶來的好處。1-12 VLSI的發展與應用，

16、對邏輯設計方法產生了什么影響？舉例說明器件的發展是推動系統結構發展的關鍵因素答：器件的發展使邏輯設計已由過去傳統的邏輯化簡，轉變成強調在滿足系統結構所提出的功能要求前提下，如何能用上大批量生產的高集成度片子，提高其系統效能，縮短其研制周期，降低其生產成本。計算機的設計也已從過去只進行全硬的邏輯設計發展到現在所用的軟硬結合方法進行計算機的輔助設計和輔助制造。器件發展是推動系統結構發展的關鍵因素的舉例:器件的集成度和速度的不斷提高，使得機器的主頻提高很快，節拍寬度不斷縮小，最初計算機的計算時間以 MS、US、，現在以NS如用約瑟夫遜器件做 成的計算機以PS計。從根本上講，結構和組成技術的進展能否用

17、得上，關鍵在于器件的發展是否提供了這種可能：1 、沒有器件可靠性做保器，流水技術無法采用。2、沒有器件性能價格比的提高，新研制的組成技術就無法從巨型機，下移到大中型機上。3、器件的發展也加快了系統結構的下移。4、器件的發展還影響到算法，語言和軟件的發展。1- 13開發計算機系統并行性的主要技術途徑有哪三個？沿這些途徑分別發展出了什么類型的多處理機系統？答：開發并行性的途徑有時間重疊、資源重疊和資源共享。沿時間重疊發展出多處理機宏流水系統，一般是非對稱異構型多處理機系統。沿資源重復發展出多處理機系統一般是對稱、同構型多處理器（機）系統。沿資源共享途徑發展出多處理機系統一般是同構型或同構型的多處理機。1- 14從執行程序、處理數據及計算機信息加工的不同階段的三個方面分別將并行性分成了哪幾段？答：從計算機系統中執行程序的角度，并行等級由低到高有指令內各微操作間的并行、多條指令間的并行、多個作業或程