简述计算机系统设计的主要方法

1.简述计算机系统设计的主要方法。

答：基于计算机系统层次结构的基础上，其计算机系统设计
方法可以有以下的三种：
方法1：由上向下（Top-Down）
设计过程：面向应用的数学模型→面向应用的高级语言→面向这种应用的操作系统→面向操作系统和高级语言的机器语言→面向机器语言的微指令系统和硬件实现。

应用场合：专用计算机的设计（早期计算机的设计）。

特点：对于所面向的应用领域，性能（性能价格比）很高。

随着通用计算机价格降低，目前已经很少采用。

方法2：由下向上（Bottom-Up）（通用计算机系统的一种设计方法）
设计过程：根据当时的器件水平，设计微程序机器级和传统机器级。

根据不同的应用领域设计多种操作系统、汇编语言、高级语言编译器等。

最后设计面向应用的虚拟机器级。

应用场合：在计算机早期设计中（60～70年代）广为采用。

特点：容易使软件和硬件脱节，整个计算机系统的效率降低。

方法3：中间开始（Middle-Out）
设计过程：首先定义软硬件的分界面。

然后各个层次分别进行设计。

应用场合：用于系列机的设计。

特点：软硬件的分界面在上升，硬件比例在增加。

硬件价格下降，软件价格上升。

软硬件人员结合共同设计。

2. 一般来讲，计算机组成设计要确定的内容应包括那些方面？
答：(1)数据通路的宽度; (2)专用部件的设置;(3)各种操作对部件的共享程度;
(4)功能部件的并行度;(5)控制机构的组成方式;(6)缓冲和排队技术;(7)预估,预判技术(8)可靠性技术。

3. 简述计算机系统结构用软件实现和用硬件实现各自的优缺点。

答：计算机系统结构用硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少。

用软件实现：速度低、复制费用低；灵活性好、占用内存多。

4.简述冯.诺依曼计算机的特征。

答：计算机的工作过程就是执行程序的过程。

怎样组织程序，涉及到计算机体系结构问题。

现在的计算机都是基于“程序存储”概念设计制造出来的。

(l)冯．诺依曼(V on Neumann)的“程序存储”设计思想冯．诺依曼是美籍匈牙利数学家，他在1946年提出了关于计算机组成和工作方式的基本设想。

到现在为止，尽管计算机制造技术已经发生了极大的变化，但是就其体系结构而言，
仍然是根据他的设计思想制造的，这样的计算机称为冯·诺依曼结构计算机。

冯·诺依曼设计思想可以简要地概括为以下三点：
①计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大基本部件。

②计算机内部应采用二进制来表示指令和数据。

每条指令一般具有一个操作码和一个地址码。

其中操作码表示运算性质，地址码指出操作数在存储器中的地址。

③将编好的程序送人内存储器中，然后启动计算机工作，计算机勿需操作人员干预，能自动逐条取出指令和执行指令。

从以上三条可以看出，以前所有的讨论都是针对冯·诺依曼设计思想论述的，不过没有明确指出其人罢了。

冯·诺依曼设计思想最重要之处在于明确地提出了“程序存储”的概念，他的全部设计思想实际上是对对程序存储”概念的具体化。

(2)计算机的工作过程了解了“程序存储”，再去理解计算机工作过程变得十分容易。

如果想叫计算机工作，就得先把程序编出来，然后通过输人设备送到存储器中保存起杂，即程序存储。

接下来就是执行程序的问题了。

根据冯．诺依曼的设计，计算机应能自动执行程序，而执行程序文归结为逐条执行指令。

①取出指令：从存储器某个地址中取出要执行的指令送到CPU 内部的指令寄存器暂存；
②分析指令：把保存在指令寄存器中的指令送到指令寄存器，译出该指令对应的微操作；
③执行指令：根据招令译码器向各个部件发出相应控制信号，完成指令规定的操作；
④为执行下一条指令做好准备，即形成下一条指令地址。

5.如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分成4级。

每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令解释。

若执行第一级的一条指令需K(ns)时间，那么执行第2、3、4级的一条指令各需要用多少时间(ns)?
答：因为第二级的一条指令需第1级的N条指令解释，
所以第二级的一条指令执行时间为NKns；
第三级的一条指令执行时间为N2Kns；
第四级的一条指令执行时间为N3Kns。

6.假设将某系统的某一部件的处理速度加快到10倍，但该部件的原处理时
间仅为整个运行时间的40%，则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少？
答：由题意可知：Fe=0.4, Se=10，根据Amdahl 定律
56.164
.01104.06.01≈=+=
n S 1. 什么是存储系统？
解：存储系统是指计算机中由存放程序和数据的各种存储设备、控制部件及管理信息调度的设备（硬件）和算法（软件）所组成的系统。

2. 什么是高速缓冲存储器:
解：高速缓冲存储器（Cache ）其原始意义是指存取速度比一般随机存储记忆体（RAM ）来得快的一种RAM,一般而言它不像系统主记忆体那样使用DRAM 技术，而使用昂贵但较快速的SRAM 技术，也有快取记忆体的名称。

3.假设一台模型计算机共有10种不同的操作码，如果采用固定长操作码需要4位。

已知各种操作码在程序中出现的概率如下表所示，计算采用Huffman 编码法的操作码平均长度，并计算固定长操作码和Huffman 操作码的信息冗余量（假
答：构造Huffman 树如下：
Huffman编码平均码长为：
冗余量=(3.15-3.10)/3.15=1.59%
固定码长：log210=4
冗余量=（4-3.10）/4=22.5%
4.若某机要求有：三地址指令4条，单地址指令192条，零地址指令16条。

设指令字长为12位，每个地址码长3位。

问能否以扩展操作码为其编码？
⋮
⋮
• 111 101
xxx
111 111 110
000
⋮
111 111 111
111
1.简述直接相联映象规则。

答：（1）主存与缓存分成相同大小的数据块。

（2）主存容量应是缓存容量的整数倍，将主存空间按缓存的容量分成区，主存中每一区的块数与缓存的总块数相等。

（3）主存中某区的一块存入缓存时只能存入缓存中块号相同的位置。

2. 简述组相联映象规则。

答：（1）主存与缓存分成相同大小的数据块。

（2）主存和Cache按同样大小划分成组。

（3）主存容量是缓存容量的整数倍，将主存空间按缓冲区的大小分成区，主存中每一区的组数与缓存的组数相同。

（4）当主存的数据调入缓存时，主存与缓存的组号应相等，也就是各区中的某一块只能存入缓存的同组号的空间内，但组内各块地址之间则可以任意存放，即从主存的组到Cache的组之间采用直接映象方式；在两个对应的组内部采用全相联映象方式。

3. 试述页式管理虚拟存储器的工作过程。

答：(1) 系统中每个用户都有自己的页表基址寄存器，页表（慢表）及快表，当CPU需要访问时，首先查快表，如果命中则可以得到实页号，然后与页内地址组装成为主存的实际地址。

(2) 如果在快表中不命中，则通过查慢表得出实页号，同时修改快表内容。

(3) 如果慢表中仍然没有命中，则说明该页尚未进入主存，发生页面实效，出现缺页中断，系统转入中断处理。

在中断处理程序中需完成两项工作：一是查外页表，进行虚地址与磁盘地址的转换，并到磁盘中读取该页。

二是查询主存使用状态，如果主存没有存满，则直接将磁盘信息调入，并修改页表及快表；如果主存已满，则需要进行替换。

为了方便查询主存占用情况，通常建立一个帧页表（帧页号，内容，虚地址，状态位），其中帧页号字段是指主存的实际页号，内容字段存放用户名或程序名，虚地址字段记录存入该页的虚页号，状态页字段指明虚页的信息是否已调入主存
4.互连网络例子：编号为0，1……15的16个处理器用单级互连网络连接，当互连函数分别为：（1）cube 3; (2)PM2+3; (3)shuffle;时第13号处理器各连至哪一个处理器?
答：（1）第1101号处理器连至0101号处理器上，即连至第5号处理器上。

（2）第13号处理器连至第（13＋23 mod 16）号处理器上。

即连至第5号处理器上。

（3）第13号处理器连至第1011号处理器上。

即连至第11号处理器上
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