計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)思考題答案

1、2.12.1什么是程序存儲(chǔ)式計(jì)算機(jī)？什么是程序存儲(chǔ)式計(jì)算機(jī)？答：計(jì)算機(jī)的程序能夠以某種形式與數(shù)據(jù)一同存于存儲(chǔ)器中，可以簡(jiǎn)化編程的過(guò)程。計(jì)算機(jī)可以通過(guò)在存儲(chǔ)器中自動(dòng)讀取程序來(lái)獲取指令并執(zhí)行，而且通過(guò)設(shè)置一部分存儲(chǔ)器的值就可以編寫(xiě)和修改程序。存儲(chǔ)程序原理的基本點(diǎn)是指令驅(qū)動(dòng)，即程序由指令組成，并和數(shù)據(jù)一起存放在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中。機(jī)器一經(jīng)啟動(dòng)，就能按照程序指定的邏輯順序把指令從存儲(chǔ)器中讀出來(lái)逐條執(zhí)行，自動(dòng)完成由程序所描述的處理工作。這是計(jì)算機(jī)與一

2、切手算工具的根本區(qū)別。2.22.2任何通用計(jì)算機(jī)的任何通用計(jì)算機(jī)的4個(gè)主要（功能）部件是什么？個(gè)主要（功能）部件是什么？答：中央處理單元（CPU）（算術(shù)邏輯單元ALU，控制單元），主存儲(chǔ)器，IO設(shè)備2.32.3以集成電路級(jí)別而言，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的以集成電路級(jí)別而言，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的3個(gè)主要組成部分是什么？個(gè)主要組成部分是什么？答：邏輯門(mén)，內(nèi)存位元，和它們之間的互連結(jié)構(gòu)。2.42.4闡述摩爾定律闡述摩爾定律答：計(jì)算機(jī)芯片上的晶體管密度每一年半翻一

3、番，并且這樣的態(tài)勢(shì)會(huì)持續(xù)幾十年。2.52.5列出并說(shuō)明計(jì)算機(jī)系列列出并說(shuō)明計(jì)算機(jī)系列(family)(family)的主要特征。的主要特征。答：向上兼容的ISA(指令集體系結(jié)構(gòu))，一般有相似或相同的操作系統(tǒng)。同一系列中的不同計(jì)算機(jī)型的差別在于：基本速度、存儲(chǔ)容量、IO能力、并行程度以及成本。2.6區(qū)分微處理器區(qū)分微處理器(與其它微處理器出現(xiàn)之前的與其它微處理器出現(xiàn)之前的傳統(tǒng)處理器傳統(tǒng)處理器)的關(guān)鍵特征是什么？的關(guān)鍵特征是什么？單芯片CP

4、U。微處理器是把ALU和CU集成在單芯片的CPU。2.62.6在IBMIBM360360的ModelModel6565和ModelModel7575中，地址交錯(cuò)放在兩個(gè)獨(dú)立的內(nèi)存單元中（例如，所有的奇數(shù)字放在一個(gè)單元中，所有的偶數(shù)字放在另一個(gè)單元中）中，地址交錯(cuò)放在兩個(gè)獨(dú)立的內(nèi)存單元中（例如，所有的奇數(shù)字放在一個(gè)單元中，所有的偶數(shù)字放在另一個(gè)單元中），采用這一技術(shù)的目的是什么？，采用這一技術(shù)的目的是什么？答：在IBM360型號(hào)中的65和

5、75型電腦將奇偶地址存儲(chǔ)單元交叉存放于兩個(gè)分離的主存儲(chǔ)單元，并讓它們并行工作，從而能一次讀寫(xiě)多個(gè)地址只有最后一位不同的2個(gè)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容，提高了內(nèi)存數(shù)據(jù)的整體訪問(wèn)速度。一般化：多體交叉（編址）存儲(chǔ)器：CPU存儲(chǔ)器控制部件—多個(gè)存儲(chǔ)體。一個(gè)存取周期內(nèi)，同時(shí)訪問(wèn)n個(gè)存儲(chǔ)體，由存儲(chǔ)器控制部件控制它們分時(shí)使用總線(xiàn)進(jìn)行信息傳遞?；蛞粋€(gè)存取周期內(nèi)分時(shí)（1n存取周期）訪問(wèn)一個(gè)存儲(chǔ)體。重疊1計(jì)算機(jī)指令指定的功能通常分為哪幾類(lèi)？計(jì)算機(jī)指令指定的功能通常分

6、為哪幾類(lèi)？答：CPU存儲(chǔ)器：數(shù)據(jù)可從CPU傳送到存儲(chǔ)器或從存儲(chǔ)器傳送到CPU。CPUIO：通過(guò)CPU和IO模塊之間的傳輸，數(shù)據(jù)可傳送到或來(lái)自外部設(shè)備。數(shù)據(jù)處理：CPU可執(zhí)行對(duì)數(shù)據(jù)的一些算術(shù)或邏輯操作。控制：指令可用來(lái)改變執(zhí)行順序。32列出并簡(jiǎn)要定義指令執(zhí)行的列出并簡(jiǎn)要定義指令執(zhí)行的7種可能狀態(tài)種可能狀態(tài)答：7種可能狀態(tài)如下：指令地址計(jì)算：決定下一條要執(zhí)行的指令的地址。通常是將一個(gè)固定的值與前一條指令的地址相加。讀取指令：將指令從內(nèi)存單元

7、讀到CPU中.指令操作譯碼：分析指令，以決定執(zhí)行何種操作及其所用的操作數(shù)。操作數(shù)地址計(jì)算：如果操作包含對(duì)存儲(chǔ)器或通過(guò)IO的操作數(shù)的訪問(wèn)，那么需決定操作數(shù)的地址。取操作數(shù)：從存儲(chǔ)器或從IO中的讀取操作數(shù).數(shù)據(jù)操作：完成指令所給出的操作。存儲(chǔ)操作數(shù)：將結(jié)果寫(xiě)入存儲(chǔ)器或輸出到IO。33列出并簡(jiǎn)要說(shuō)明多重中斷的列出并簡(jiǎn)要說(shuō)明多重中斷的2種辦理辦法種辦理辦法答：第1種是在中斷處理過(guò)程中禁止其他的中斷。禁止中斷僅僅意味著處理器可以，實(shí)際也就是不理會(huì)

8、中斷請(qǐng)求信號(hào)。如果中斷在此時(shí)發(fā)生，一般會(huì)保持在未決狀態(tài)，在處理器允許中斷后就會(huì)檢測(cè)到這種未決狀態(tài)。第2種是定義中斷的優(yōu)先級(jí)，且允許優(yōu)先級(jí)高的中斷引起低級(jí)中斷處理例程本身被中斷。34計(jì)算機(jī)互連機(jī)構(gòu)例如計(jì)算機(jī)互連機(jī)構(gòu)例如總線(xiàn)總線(xiàn)必須支持何種類(lèi)型的傳送？必須支持何種類(lèi)型的傳送？答：存儲(chǔ)器到CPU：CPU從存儲(chǔ)器中讀指令或一個(gè)單元的數(shù)據(jù)。CPU到存儲(chǔ)器：CPU向存儲(chǔ)器寫(xiě)一個(gè)單元的數(shù)據(jù)。IO到CPU：CPU通過(guò)IO模塊從IO設(shè)備中讀數(shù)據(jù)。CPU到

9、IO：CPU向IO設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。IO和存儲(chǔ)器之間：對(duì)于這種情況，IO模塊允許與存儲(chǔ)器直接交換數(shù)據(jù)，使用直接存儲(chǔ)器存取控制器DMAC等部件，而不通過(guò)CPU。35與單總線(xiàn)相比使用多總線(xiàn)有什么好處？與單總線(xiàn)相比使用多總線(xiàn)有什么好處？答：1、單總線(xiàn)連接設(shè)備多的話(huà)，傳輸延遲越大。而這個(gè)延遲決定了設(shè)備協(xié)調(diào)總線(xiàn)使用所花費(fèi)的時(shí)間。當(dāng)總線(xiàn)控制頻繁地由一個(gè)設(shè)備傳遞到另一個(gè)設(shè)備時(shí)，傳輸延遲明顯的影響性能。而多總線(xiàn)傳輸延遲短。2、當(dāng)聚集的傳輸請(qǐng)求接近總線(xiàn)容量，

10、總線(xiàn)成為瓶頸。通過(guò)提高總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸率或使用更寬的總線(xiàn)，雖然可以能夠緩解。但是掛接設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸率增加更快，這是單一總線(xiàn)的失敗，而多總線(xiàn)可以緩沖這些傳輸。3、同時(shí)允許系統(tǒng)支持更廣泛更多的IO設(shè)備（總線(xiàn)與IO設(shè)備的速度容易匹配）。43局部性原理如何涉及多級(jí)存儲(chǔ)器的使用？局部性原理如何涉及多級(jí)存儲(chǔ)器的使用？答：多級(jí)存儲(chǔ)器體系可行的依據(jù)程序運(yùn)行的局部性原理，即在一小段時(shí)間內(nèi)，運(yùn)行的程序只使用少量的指令和少量的數(shù)據(jù)，而這少量的指令和少量的數(shù)

11、據(jù)往往又集中在存儲(chǔ)器的一小片存儲(chǔ)區(qū)域中，指令順序執(zhí)行比轉(zhuǎn)移執(zhí)行的比例要大，故可以按對(duì)所使用的指令和數(shù)據(jù)的急迫和頻繁程度，將其存入容量、速度、價(jià)格不同的存儲(chǔ)器中，從而取得更高的性能價(jià)格比。44直接映射，全關(guān)聯(lián)映射，組關(guān)聯(lián)映射之間的區(qū)別是什么？直接映射，全關(guān)聯(lián)映射，組關(guān)聯(lián)映射之間的區(qū)別是什么？答：直接映射把主存儲(chǔ)器的每塊到一個(gè)固定可用的cache行中。技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，花費(fèi)少。缺點(diǎn)是對(duì)于給定的塊，有固定的cache位置。全關(guān)聯(lián)映射通過(guò)允許每個(gè)主

12、存儲(chǔ)器裝入到cache的任何一行中老克服直接映射的缺點(diǎn)。對(duì)于關(guān)聯(lián)映射，當(dāng)新的一塊讀入到行中時(shí)，替換舊的一塊具有靈活性。缺點(diǎn)是需要復(fù)雜的電路來(lái)并行檢查所有cache行的標(biāo)記。組關(guān)聯(lián)映射是一種既體現(xiàn)直接映射法和關(guān)聯(lián)映射法的優(yōu)點(diǎn)而又避免起缺點(diǎn)的折中方法。提高了命中率。4.54.5對(duì)于一個(gè)直接映射式對(duì)于一個(gè)直接映射式cachecache主存地址可看成主存地址可看成3段組成。請(qǐng)列出并定義他們。段組成。請(qǐng)列出并定義他們。答：為了實(shí)現(xiàn)cache存取，

13、每個(gè)主存儲(chǔ)器地址定義為3個(gè)域.最低的w位標(biāo)識(shí)主存儲(chǔ)器中某個(gè)塊中唯一的字或字節(jié).剩余的s位指定了主存儲(chǔ)器2^s塊中的一個(gè).Cache邏輯將這s位解釋為t=sr位（高位部分）的標(biāo)記域及r位的行字段，后者標(biāo)識(shí)了cachec=2^r行中的一個(gè)。4.64.6對(duì)于一個(gè)對(duì)于一個(gè)(全)關(guān)聯(lián)映射式關(guān)聯(lián)映射式cachecache，主存地址可看成由，主存地址可看成由2段組成。請(qǐng)列出并定義他們。段組成。請(qǐng)列出并定義他們。答：關(guān)聯(lián)映射的cache控制邏輯簡(jiǎn)單地把

14、存儲(chǔ)器地址解釋為標(biāo)記（tag）域和字(wd)域，標(biāo)記域唯一標(biāo)識(shí)主存儲(chǔ)塊，字(wd)域用于塊內(nèi)尋址。[為了確定某塊是否在cache中，cache控制邏輯必須同時(shí)對(duì)每個(gè)行中的標(biāo)記位進(jìn)行檢查，看其是否匹配。地址長(zhǎng)度＝(sw)位，尋址單元數(shù)=2^(sw)個(gè)字或字節(jié)，塊大?。叫写笮。?^w個(gè)字或字節(jié)，主存的塊數(shù)＝2^(sw)2^w=2^s，cache的行數(shù)（容量）不能確定，實(shí)際行數(shù)和組數(shù)由cache實(shí)際大小確定實(shí)際行數(shù)=C2^w；標(biāo)記大小=s位。

15、]4.74.7對(duì)于一個(gè)組關(guān)聯(lián)映射式對(duì)于一個(gè)組關(guān)聯(lián)映射式cachecache，主存地址可看成由，主存地址可看成由3段組成。請(qǐng)列出并定義他們。段組成。請(qǐng)列出并定義他們。答：采用組關(guān)聯(lián)映射，塊Bj能夠映射到組i的任意一行中，這樣，cache控制邏輯把存儲(chǔ)器地址簡(jiǎn)單地解釋為3個(gè)域：標(biāo)記、組和字。d為指定了v=2^d組中的一個(gè)，標(biāo)記和組域的s位指定了主存儲(chǔ)器中2^s塊中的一塊。地址長(zhǎng)度＝(sw)位，尋址單元數(shù)=2^(sw)個(gè)字或字節(jié)，塊大小＝行大

16、小＝2^w個(gè)字或字節(jié)，主存的塊數(shù)＝2^(sw)2^w=2^s，每組的行數(shù)=k，組數(shù)v=2^d，cache的行數(shù)=kv=k2^d，標(biāo)記大小t=(sd)位。48空間局部性和時(shí)間局部性的區(qū)別何在？空間局部性和時(shí)間局部性的區(qū)別何在？答：時(shí)間局部性指程序中的某一指令一旦執(zhí)行，則不久以后這條指令可能再次執(zhí)行，空間局部性指一旦程序訪問(wèn)了某個(gè)存貯單元，在不久之后，其附近的存貯單元可能再次被執(zhí)行。49通常，開(kāi)發(fā)空間局部性和時(shí)間局部性的策略是什么？通常，開(kāi)

17、發(fā)空間局部性和時(shí)間局部性的策略是什么？答：開(kāi)發(fā)空間局部性的策略：采取較大的cache塊和預(yù)取機(jī)制。軟件中多使用局部變量，依次訪問(wèn)數(shù)組，減少轉(zhuǎn)移指令的使用。開(kāi)發(fā)時(shí)間局部性的策略：把最近使用過(guò)的指令和數(shù)據(jù)放到cache中建立多級(jí)存儲(chǔ)器體系。軟件中多使用循環(huán)和公共庫(kù)函數(shù)。4.1Thecacheisdividedinto16setsof4lineseach.Therefe4bitsareneededtoidentifythesetnumber.

18、Mainmemyconsistsof4K=2^12blocks.Therefethesetplustaglengthsmustbe12bitstherefethetaglengthis8bits.Eachblockcontains128wds.Therefe7bitsareneededtospecifythewd.Mainmemyaddress=8TAG4SET7WDv7cn4.3:cache容量64KiB每行4Byte，16進(jìn)制主存地