计算机体系结构第一章练习题参考解答
第 一 章
1.44 某工作站采用时钟频率为15MHz 、处理速率为10MIPS 的处理机来执行一个测试程序。
假定每次存储器存取为1个时钟周期，试问：
(1)此计算机的有效CPI 是多少?
(2)假定将处理机的时钟频率提高到30MHz ，但存储器的工作速率不变，这样，每次存储器存取需要2个时钟周期。
如果30％指令每条只需要一次存储器存取操作，另外5％指令每条需要二次存储器存取操作，假定测试程序的指令数不变，并与原工作站兼容，试求改进后的处理机的CPI 。
解：（1）由MIPS = 时钟频率/（CPI ×106），
则有：CPI A =时钟频率/（MIPS ×106）= 1.5。
（2）当时钟频率为15MHZ 时，假设不进行存储操作指令的CPI 为x ，则要进行一次存储操作指令的CPI 为1+ x ，要进行二次存储操作指令的CPI 为2+ x ，因此有：
1.5 = x×65% + （1+ x ）×30% + （2+ x ）×5%
解得x = 1.1
当时钟频率为30MHZ 时，不进行存储操作指令的CPI 不变为1.1，要进行一次存储操作指令的CPI 为2+ x = 3.1，要进行二次存储操作指令的CPI 为4+ x = 5.1，因此平均CPI 为：
CPI B = 1.1×65% + 3.1×30% + 5.1×5% = 1.9
所以 MIPS B = 时钟频率/（CPI B ×106）=（30×106）/（1.9×106）= 15.8
1.45 用一台80MHz 处理机执行标准测试程序，它包含的指令数和相应的平均时钟周期数如表1-10所示，求该处理机的有效CPI 、MIPS 和程序执行时间。
表1-10 题1.46的指令数和相应的平均周期数
解：该处理机指令的平均时钟周期数CPI 为： CPI =
n i Ic Ii CPIi 1
)/*(=46/105×1+36/105×2+14/105×2+9/105×2 = 1.6 所以 MIPS = 时钟频率/（CPI B ×106）=（80×106）/（1.6×106）= 50
T CPU = I C /( MIPS ×106) = 105000/(50×106) = 0.21(ms)
1.46 某计算机Cache 能存放2000条指令。
假设10%的指令承担了90%时间的指令访问，而且这10%指令中每条指令的执行时间相同。
如果要执行的某程序共50000条指令，当计算机执行该程序时，在Cache 中能访问到的指令的概率是多少？
解：由题意可知：45000条指令承担10%时间的指令访问，5000条指令承担90%时间的指令访问。
显然5000条指令被频繁使用，设平均使用次数为X ；另外45000条指令仅
使用一次。
则有：
45000 : 0.1 = 5000X : 0.9 解得 X = 81
所以该程序执行指令的条数为Y = 45000 + 5000×81 = 450000
假设频繁使用的5000条指令均匀分布于程序之中，即每次调入Cache 的2000条指令有200条是频繁使用的。
另假设每次调入Cache 的2000条指令中的1800条均被使用了一次。
所以执行该程序时Cache 中能访问到的指令的概率为:
（450000-（50000/2000））/450000 ≈ 100%
1.49 有一台计算机，不同类型指令在理想Cache （无访问失败）与实际Cache （有访问失败）两种情况下的性能如下表。
求理想Cache 相对于实际Cache 的加速比？ 指令类型 出现频率 理想CacheCPI 实际CacheCPI
运算指令 40% 1 3
取数指令 20% 2 8
存数指令 15% 2 8
控制指令 25% 2 4
解：理想Cache 情况下指令的平均时钟周期数CPI 为：
CPI 理想 =
n
i Ic Ii CPIi 1)/*(=1×40%+2×20%+2×15%+2×25% = 1.6 实际Cache 情况下指令的平均时钟周期数CPI 为：
CPI 实际=
n
i Ic Ii CPIi 1)/*(=3×40%+8×20%+8×15%+4×25% = 5.0 S = 实际CacheCPU 执行时间/理想CacheCPU 执行时间
=（IC ×时钟周期×CPI 实际）/（IC ×时钟周期×CPI 理想）= CPI/CPI A = 5.0/1.6
= 3.12。
计算机体系结构第一章练习题
一、单项选择题 在下面各题的 4 个备选答案中，只有一个答案是正确的，请把正确答案的标号（A~D） 填入题后面的括号中。 1．在计算机系统层次结构中，从低层到高层，各层相对顺序正确的是（ B ） 。 A． 汇编语言机器级操作系统机器级高级语言机器级 B． 微程序机器级传统机器语言机器级汇编语言机器级 C． 传统机器语言机器级高级语言机器级汇编语言机器级 D． 汇编语言机器级应用语言机器级高级语言机器级 2．直接执行微指令的是（ C ） 。 A．汇编程序 B．编译程序 C．硬件 D．微指令程序 3．对汇编语言程序员透明的是（ D ） 。 A．浮点运算 B．程序性中断 C．存取操作数 D．I/O 方式中的 DMA 访问方式 4．从计算机系统结构来看，机器语言程序员看到的机器属性是（ A ） 。 A．编程要用到的硬件组织 B．计算机软件所要完成的功能 C．计算机各部件的硬件实现 D．计算机硬件的全部组成 5．在计算机的系统结构设计中，提高硬件功能实现的比例会（ C ） 。 A．提高硬件的利用率 B．提高系统的性能价格比 C．提高系统的运行速度 D．减少需要的存储器容量 6．在计算机的系统结构设计中，提高软件功能实现的比例会（ D ） 。 A．减少需要的存储器容量 B．提高系统的性能价格比 C．提高系统的解题速度 D．提高系统的灵活性 二、应用题 1． 假设某一计算机系统高速缓存 Cache 的工作速度为主存的 5 倍，而且 Cache 被访问 命中的概率为 90%，那么，采用 Cache 后能够使该计算机的存储系统获得多高的加 速比？ S=1
1 10 15
=1.5
（2） 假设将处理器的时钟频率提高到 30MHz，但是存储器的工作速率不变，这 样使得每次存储器存取需要 2 个时钟周期。如果测试程序的 30%指令需要 1 次访存，5%指令需要 2 次访存，其他指令不需要访存，试求测试程序在 改进后的计算机上执行的 MIPS。CPI2=1.775 MIPS2=16.9 4. 已知 4 个程序在计算机 A、B、C 上的执行时间（以秒 s 为单位）分别如下表所示： 程序在各个计算机上的执行时间（单位为：秒 s） 程序 程序 1 程序 2 程序 3 程序 4 计算机 A 1 1000 500 100
北理工计算机体系结构习题解答
*1
32000 *
2
15000
*
2
8000
*
2)
*
(
40
1 *106
)
3.875*103秒
21
1-11 假设在一台40MHz处理机上运营200,000条指令旳目旳代码，程序主要
由四种指令构成。根据程序跟踪试验成果，已知指令混合比和每种指令所 需旳指令数如下：
指令类型
CPI
指令混合比
算术和逻辑
1
6
第1章 基础知识
仿真
用一种机器(A)旳微程序直接解 释 实 现 另 一 种 机 器 ( B) 旳 指 令 系 统，从而实现软件移植旳措施
被仿真旳机器称为目旳机，进行 仿真旳机器称为宿主机，解释微 程序机器称为仿真微程序
7
第1章 基础知识
并行性
指能够同步进行运算或操作旳特 征，它有两重含义：
40
第2章
（1）最优Huffman H=- ∑Pi×log2Pi
=0.25×2+0.20×2.322+0.15×2.737+ ……
=2.96
41
I10
I9
I8
I7
I6
I5
I4
I3
I2
0.02
0.03
0.04
0.05
0.08
0.08
0.10
0.15
0.20
1
1 0
0
0.05
0.09
1
0
1
0
0.17
原来存在旳事物或属性，从某个角 度看却好象不存在
软件兼容
程序能够不加修改地运营在各档机 器上，区别仅在于运营时间不同
计算机体系结构课后习题答案(全)
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。
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。
计算机第一章测试题及答案
计算机第一章测试题及答案题目一：简答题（共30分）1. 请解释计算机硬件和软件的区别和联系。
答：计算机硬件是指计算机系统中所有可见和可触摸的实体部分，包括计算机主机、显示器、键盘、鼠标等。
而计算机软件则是指控制计算机硬件运行的程序和数据。
硬件和软件互相依赖，缺一不可。
硬件为软件的运行提供基础，而软件控制硬件的操作和运行。
2. 请解释计算机的层次结构以及各层次的功能。
答：计算机的层次结构分为五层：硬件层、操作系统层、应用程序层、用户接口层和用户层。
硬件层包括计算机硬件设备，负责实际执行计算任务；操作系统层是计算机系统的核心，负责管理和控制计算资源；应用程序层是各种应用软件的集合，为用户提供各种功能；用户接口层是用户与计算机系统进行交互的界面；用户层是用户实际使用计算机进行各种操作的层次。
3. 什么是计算机网络？列举您所了解的计算机网络类型。
答：计算机网络指的是将多台计算机连接起来，实现信息共享和资源共享的系统。
常见的计算机网络类型包括局域网（LAN）、城域网（MAN）、广域网（WAN）、因特网（Internet）等。
题目二：选择题（共40分，每题2分）1. 下列哪个不属于计算机硬件的组成部分？A. CPUB. 显示器C. 操作系统D. 键盘答：C. 操作系统2. 下面哪个不属于计算机的存储器层次结构？A. 寄存器B. 高速缓存C. RAMD. 键盘答：D. 键盘3. 下列哪个是计算机的核心部件？A. 显卡B. 鼠标C. 主板D. 显示器答：C. 主板题目三：实际操作题（共30分）1. 请列举一个使用计算机网络的实际应用场景，并描述其运作原理。
答：在线购物是一个使用计算机网络的实际应用场景。
用户通过连接到互联网的计算机，访问在线商城网站，浏览并选择所需商品，然后将商品加入购物车并进行结算。
网站后台会收集用户的订单信息，并将订单信息传递给物流公司，物流公司负责将商品发送给用户。
用户可以通过计算机网络实现在线支付，完成购物过程。
计算机体系结构第一章_练习题
计算机体系结构第⼀章_练习题《计算机系统结构》第⼀章测试题⽬⼀、填空题：（每空1分，共35分）1、从______⾓度可以将系统看成是按_______划分的多个机器级组成的层次结构。
2、计算机系统结构的层次结构由⾼到低分别为______，______，______，______，______，______。
3、在计算机系统结构的层次结构中，机器被定义为______的集合体。
4、就计算机系统结构、计算机组成和计算机实现三者之间的关系，完成下⾯填空：a)确定指令系统中是否要设乘法指令属于______，乘法指令是⽤专门的⾼速乘法器实现还是⽤加法器实现属于______，乘法器和加法-移位器的物理实现属于______。
b)主存容量与编址⽅式的确定属于______，主存是否采⽤多体交叉属于______，主存器件的选定属于______。
c)设计何种系列机属于______，系列机内不同型号计算机的组织属于______。
5、同时性指两个或多个事件在______发⽣，并发性指两个或多个事件在______发⽣。
6、费林按指令流和数据流的多倍性把计算机系统分成______，______，______和______四⼤类。
传统的单处理机属于______。
7、⼀般⽤耦合度反映____________，它分为______，______，和______。
8、冯泽云提出⽤______来定量地描述各种计算机系统特征，把计算机分成______，______，______和______四类。
9、开发并⾏性的途径有______，______和______。
⼆、名词解释：（每题3分，共15分）1．透明性2．计算机系统结构3．并⾏性4．虚拟机5．MFLOPS三、简答题：（每题5分，共30分）1、软件和硬件在什么意义上是等效的?在什么意义上是不等效的?2、简述计算机系统结构⽤软件实现和⽤硬件实现各⾃优缺点。
3、下列哪些对系统程序员是透明的？哪些对应⽤程序员是透明的？虚拟存储器；Cache存储器；程序状态字；指令缓冲寄存器；通⽤寄存器。
计算机系统结构第一章课后题答案
1．3 典型习题和题例分析与解答题1.1 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1级的一条指令要K ns 时间，那么执行第2、第3、第4级的一条指令各需要用多少时间?[分析] 计算机按功能分成级时，最底层是第l 级，向上依次为第2、第3和第4级；解释方式的执行是在低级机器级上用它的一串语句或指令来仿真高一级机器级上的一条语 句或指令的功能，而且是通过对高级机器级程序中的每条语句或指令逐条加以解释来实现的。
[解答] 执行第2、第3、第4级的一条指令各需KN ns 、KN 2 ns 、KN 3 ns 的时间。
题1.2 操作系统机器级的某些指令就用传统机器级的指令，这些指令可以用微程序直接实现，而不必由操作系绕自己来实现。
你认为这样做有哪些好处？[解答] 这样做，可以加快操作系统中操作命令解释的速度，同时也节省了存放解释操作命令这部分解释程序所占的存贮空间，简化了操作系统机器级的设计，也有利于减少传统机器级的指令条数。
题1.3 有一个计算机系统可按功能分成4级，各级的指令都不相同，每一级的指令都比其下一级的指令在效能上强M 倍，即第i 级的一条指令能完成第i-1级的M 条指令的计算量。
现若需第i 级的N 条指令解释第i+l 级的一条指令，而有一段第l 级的程序需要运行的时间为K s ，问在第2、3和4级上一段等效的程序各需要运行多长时间?[分析] 因为从功能意义上讲，第i 级的一条指令能完成第i-1级的M 条指令的计算量，但第i 级的一条指令的执行，都是靠第i-1级的N 条指令的执行来解释完成。
已知，第1级的一段程序运行时间为K s 。
第2级的一段程序从功能等效上讲，所需的指令条数应当是第1级上指令数的1/M 。
而由第1级解释时又需要执行N 条指令，所以，第2级一段等效程序的运行就需要K ·s M N 的时间。
第3、4级则可依次类推。
计算机系统结构第一章自考练习题答案
第一章计算机系统结构的基本概念历年真题精选同步强化练习一.单项选择题。
1.实现汇编语言源程序变换成机器语言目标程序是由（C ）°A. 编译程序翻译B.编译程序解释C.汇编程序翻译D.汇编程序解释2. 系列机软件应做到（ B）A.向前兼容，并向下兼容 B.向后兼容，力争向上兼容C. 向前兼容，并向上兼容D. 向后兼容，力争向下兼容3.在计算机系统多级层次结构中，机器级由低到高，相对顺序正确的应当是（B ）°^M A.传统机器语言、汇编语言、操作系统 —B.微程序、传统机器语言、高级语言 C. 高级语言、汇编语言、传统机器语言D. 传统机器语言、应用语言、高级语言4.可以直接执行微指令的是（ CA. 编译程序B.微程序C.硬件D.汇编程序 5.计算机系统结构不包括（ A） °A. 主存速度B.数据表示C.机器工作状态D.信息保护6.对计算机系统结构透明的是（）°A. 是否使用通道型I/O 处理机B.虚拟存储器C.字符行运算指令D. VLSI 技术 7. 在主存设计上，属计算机系统结构考虑的应是（C ）°A. 频宽的确定B.多体交叉还是单体C.容量和编址单位D.用MOSS 是TTL8.计算机组成设计不考虑（B1. 2. 下列对系统程序员不透明的是（A.乘法器B.先行进位链“从中间开始”设计的“中间”目前多数是在（ A. -B. C. D.C.）°指令缓冲器DD. 条件码寄存器3. 4. 5. 6.微程序机器级与汇编语言机器级之间 操作系统机器级与汇编语言机器级之间 传统机器语言机器级与微程序机器级之间 传统机器语言机器级与操作系统机器级之间 ■开发计算机系统结构并行性的主要技术途径有时间重叠、—共享■计算机系统弗林分类法，把计算机系统分成单指令流单数据流—据流（SIMD 、（多指令流单数据流（MISD ））和（多指令流多数据流（MIMD ）四 大类。
计算机体系结构第一章练习题参考解答
第 一 章1.44 某工作站采用时钟频率为15MHz 、处理速率为10MIPS 的处理机来执行一个测试程序。
假定每次存储器存取为1个时钟周期，试问：(1)此计算机的有效CPI 是多少?(2)假定将处理机的时钟频率提高到30MHz ，但存储器的工作速率不变，这样，每次存储器存取需要2个时钟周期。
如果30％指令每条只需要一次存储器存取操作，另外5％指令每条需要二次存储器存取操作，假定测试程序的指令数不变，并与原工作站兼容，试求改进后的处理机的CPI 。
解：（1）由MIPS = 时钟频率/（CPI ×106），则有：CPI A =时钟频率/（MIPS ×106）= 1.5。
（2）当时钟频率为15MHZ 时，假设不进行存储操作指令的CPI 为x ，则要进行一次存储操作指令的CPI 为1+ x ，要进行二次存储操作指令的CPI 为2+ x ，因此有：1.5 = x×65% + （1+ x ）×30% + （2+ x ）×5%解得x = 1.1当时钟频率为30MHZ 时，不进行存储操作指令的CPI 不变为1.1，要进行一次存储操作指令的CPI 为2+ x = 3.1，要进行二次存储操作指令的CPI 为4+ x = 5.1，因此平均CPI 为：CPI B = 1.1×65% + 3.1×30% + 5.1×5% = 1.9所以 MIPS B = 时钟频率/（CPI B ×106）=（30×106）/（1.9×106）= 15.81.45 用一台80MHz 处理机执行标准测试程序，它包含的指令数和相应的平均时钟周期数如表1-10所示，求该处理机的有效CPI 、MIPS 和程序执行时间。
表1-10 题1.46的指令数和相应的平均周期数解：该处理机指令的平均时钟周期数CPI 为： CPI =n i Ic Ii CPIi 1)/*(=46/105×1+36/105×2+14/105×2+9/105×2 = 1.6 所以 MIPS = 时钟频率/（CPI B ×106）=（80×106）/（1.6×106）= 50T CPU = I C /( MIPS ×106) = 105000/(50×106) = 0.21(ms)1.46 某计算机Cache 能存放2000条指令。
计算机体系系统答案(第一章)
第1章计算机系统结构的基本概念1、有一个计算机系统可按功能分成4级，每级的指令互不相同，每一级的指令都比其下一级的指令在效能上强M倍，即第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。
现若需第i级的N条指令解释第i+1级的一条指令，而有一段第1级的程序需要运行Ks，问在第2、3和4级上一段等效程序各需要运行多长时间？答：第2级上等效程序需运行：(N/M)*Ks。
第3级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*Ks。
第4级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks。
2、硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上又是不等效的？试举例说明。
答：软件和硬件在逻辑功能上是等效的，原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用软件模拟完成。
只是反映在速度、价格、实现的难易程度上这两者不同。
3、试以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与影响。
答：计算机系统结构、计算机组成、计算机实现互不相同，但又相互影响。
（1）计算机的系统结构相同，但可采用不同的组成。
如IBM370系列有115、125、135、158、168等由低档到高档的多种型号机器。
从汇编语言、机器语言程序设计者看到的概念性结构相同，均是由中央处理机/主存，通道、设备控制器，外设4级构成。
其中，中央处理机都有相同的机器指令和汇编指令系统，只是指令的分析、执行在低档机上采用顺序进行，在高档机上采用重叠、流水或其它并行处理方式。
（2）相同的组成可有多种不同的实现。
如主存器件可用双极型的，也可用MOS型的；可用VLSI单片，也可用多片小规模集成电路组搭。
（3）计算机的系统结构不同，会使采用的组成技术不同，反之组成也会影响结构。
如为实现A:=B+CD:=E*F,可采用面向寄存器的系统结构，也可采用面向主存的三地址寻址方式的系统结构。
要提高运行速度，可让相加与相乘并行，为此这两种结构在组成上都要求设置独立的加法器和乘法器。
计算机系统结构第1章部分习题参考答案
第1章部分习题参考答案1.1 解释下列术语⏹翻译：先用转换程序将上一级机器级上的程序整个地变换成下一级机器级上可运行的等效程序，然后再在下一级机器级上去实现的技术。
⏹解释：在下一级机器级上用它的一串语句或指令来仿真上一级机器级上的一条语句或指令的功能，通过对上一级机器语言程序中的每条语句或指令逐条解释来实现的技术。
⏹层次结构：将计算机系统由上往下依次划分为应用语言机器级、高级语言机器级、汇编语言机器级、操作系统机器级、传统机器级和微程序机器级。
对于一个具体的计算机系统，层次的多少会有所不同。
⏹计算机系统结构：传统机器级的程序员所看到计算机的基本属性，即计算机的概念性结构和功能特性。
简称为计算机的外特性。
⏹计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，也常称为计算机组织。
该组织包括机器级内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。
它包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度、速度和信号，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，电源、冷却、装配等技术。
⏹透明性：本来存在的事物或属性，但从某个角度看似乎不存在，称为透明性现象。
⏹固件：是一种具有软件功能的硬件。
如将软件固化在ROM中，就是一种固件。
⏹由上往下设计：先考虑如何满足应用要求，确定好面对使用者那级机器应有什么基本功能和特性，然后再逐级往下设计，每级都考虑怎样优化上一级实现。
这种方法适合于专用机设计。
⏹由下往上设计：根据现有的部件，并参照或吸收已有各种机器的特点，先设计出微程序机器级（如果采用微程序控制）及传统机器级，然后再为不同应用配置多种操作系统和编译系统软件，采用合适的算法来满足相应的应用。
这是20世纪60-70年代前常用的通用机设计思路。
⏹系列机：同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的机器。
⏹软件兼容：同一软件可以不加修改地运行于系统结构相同的不同档次的机器上，而且它们所获得的结果一样，差别只是运行时间不同。