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第一章
1- 1 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1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多少时间?
答:执行第2、3、4级的一条指令各需KN ns、(N*N)*K ns、(N*N*N)*K ns
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。
1- 4 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。但是实现的性能价格比,实现的难易程序不同。
例如,编译程序、操作系统等许多用机器语言软件子程序实现的功能完全可以用组合电路硬件或微程序固件来解释实现。它们的差别只是软件实现的速度慢,软件的编制复杂,编程工作量大,程序所占的存储空间量较多,这些都是不利的;但是,这样所用硬件少,硬件实现上也就因此而简单容易,硬件的成本低,解题的灵活性和适应性较好,这些都是有利的。又如,乘除法运算可以经机器专门设计的乘法指令用硬件电路或乘除部件来实现。向量、数组运算在向量处理机中是直接使用向量、数组类指令和流水或陈列等向量运算部件的硬件方式来实现的,但在标量处理机上也可以通过执行用标量指令组成的循环程序的软件方式来完成。
浮点数运算可以直接通过设置浮点运算指令用硬件来实现,也可以用两个定点数分别表示浮点数的阶码和尾数,通过程序方法把浮点数阶码和尾数的运算映像变换成两个定点数的运算,用子程序软件的方式实现。十进制数的运算可以通过专门设置十进制数运算类指令和专门的十进制运算部件硬的方式来完成,或者通过设置BCD数的表示和若干BCD数运算的校正指令来软硬结合地实现,也可以先经十转二的数制转换子程序将十进制数转成二进制数,再用二进制运算类指令运算,所得结果又调用二转十的数制转换子程序转换成十进制数结果,用全软件的方式实现。
1- 5 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。但对面向寄存器的系统结构还要求寄存器能同时被访问,而对面向主存的三地址寻址方式的系统结构并无此要求,倒是要求能同时形成多个访存操作数地址和能同时访存。又如微程序控制是组成影响结构的典型。通过改变控制存储器中的微程序,就可改变系统的机器指令,改变结构。如果没有组成技术的进步,结构的进展是不可能的。
综上所述,系统结构的设计必须结合应用考虑,为软件和算法的实现提供更多更好的支持,同时要考虑可能采用和准备采用的组成技术。应避免过多地或不合理地限制各种组成、实现技术的采用和发展,尽量做到既能方便地在低档机上用简单便宜的组成实现,又能在高档机上用复杂较贵的组成实现,这样,结构才有生命力;组成设计上面决定于结构,下面受限于实现技术。然而,它可与实现折衷权衡。例如,为达到速度要求,可用简单的组成但却是复杂的实现技术,也可用复杂的组成但却是一般速度的实现技术。前者要求高性能的器件,后者可能造成组成设计复杂化和更多地采用专用芯片。
组成和实现的权衡取决于性能价格比等因素;结构、组成和实现所包含的具体内容随不同时期及不同的计算机系统会有差异。软件的硬化和硬件的软件都反映了这一事实。VLSI的发展更使结构组成和实现融为一体,难以分开。
1- 6 什么是透明性概念?对计算机系统结构,下列哪些是透明的?哪些是不透明的?
存储器的模m交叉存取;浮点数据表示;I/O系统是采用通道方式还是外围处理机方式;数据总线宽度;字符行运算指令;阵列运算部件;通道是采用结合型还
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