计算机系统结构第一章自考练习题答案.pdf

计算机系统结构是研究计算机硬件、软件和固件如何协同工作以实现高效计算的学科。第一章的内容主要涉及计算机系统结构的基础概念和设计原则，以及相关的历史和发展趋势。 1. **系统程序员透明性**：系统程序员通常关注的是高级编程接口和指令集，而非底层硬件细节。例如，乘法器、指令缓冲器等硬件组件对于系统程序员来说通常是透明的，他们无需了解其具体实现。透明性有助于简化软件开发，使得软件在不同硬件平台上具有更好的可移植性。"从中间开始"的设计通常指的是在传统机器语言机器级和微程序机器级之间进行设计，这在设计过程中也需要考虑透明性，以确保软件的兼容性。 2. **并行性开发技术**：时间重叠、资源共享和资源重复是提升计算机系统并行性的主要技术手段。这些技术可以提高计算机的处理速度和效率，例如通过流水线技术实现时间重叠，通过多核心处理器实现资源共享，或者通过复制资源实现任务的并发执行。 3. **弗林分类法**：根据指令流和数据流的组合，弗林将计算机系统分为四类：SISD（单指令流单数据流）、SIMD（单指令流多数据流）、MISD（多指令流单数据流）和MIMD（多指令流多数据流）。SIMD适用于数据密集型应用，如图像处理，而MIMD则更适用于复杂的多任务处理。 4. **设计指令系统**：设计指令系统时，如考虑乘法运算，需要考虑指令的格式、操作数的寻址方式、执行时间、硬件实现的复杂性和成本，以及对软件开发的影响。计算机组成设计则关注如何实现这些指令，包括硬件电路的设计和优化。实现阶段则涉及到物理层面的电路制造和集成。 5. **软件移植途径**：软件移植可以通过编译器优化、汇编代码调整、接口兼容性设计等方式实现。但这些都受限于目标平台的指令集、操作系统、硬件特性等因素。例如，编译器必须支持目标平台的指令集，而接口兼容性则要求目标系统提供相似的API。 6. **计算机系统层次结构**：从低到高，包括微程序机器级、传统机器语言机器级、汇编语言机器级和高级语言机器级。每一层都为上一层提供抽象，使得软件开发更加高效。 7. **计算机系统结构透明性**：透明性意味着系统程序员不需要知道底层实现的细节。例如，虚拟存储器的使用对程序员透明，他们可以认为内存是无限大的，而实际的内存管理和替换策略由硬件和操作系统自动处理。 8. **主存设计**：在主存设计中，计算机系统结构需要考虑容量、编址单位、访问速度等，而不直接涉及硬件的具体实现技术如VLSI（超大规模集成电路）或数据通路宽度。 9. **计算机系统组成设计**：不考虑功能部件的集成度是错误的观点，因为集成度直接影响计算机的体积、功耗和性能。 10. **系列机升级**：在系列内推出新机器，原有指令的寻址方式和操作码通常保持不变，以保持软件兼容性。 11. **透明性对不同角色**：对系统程序员透明的通常是操作系统层面的机制，如虚拟存储器；对应用程序员透明的可能是硬件特性，如Cache存储器。 12. **计算机系统设计方法**：从下向上设计，从中间开始向上和向下设计都是常见的方法，旨在平衡硬件和软件的需求。 13. **计算机系列化优点**：系列化有助于软件兼容性，但并不意味着同一系列内的软件一定向上兼容，这取决于设计时的兼容性策略。 14. **计算机结构和组成**：操作系统和固件的功能是计算机结构的一部分，而专属软件通常与体系结构相关。 15. **计算机使用的语言**：计算机使用的语言包括机器语言、汇编语言、高级语言等，它们是计算机系统结构的组成部分。 16. **透明性对谁**：系统结构设计人员关注的是硬件的逻辑结构和功能，而机器语言程序员则直接与指令集交互。 17. **MIMD系统结构**：MIMD（多指令多数据流）系统结构允许每个处理单元独立执行不同的指令流，例如松耦合多处理机和多计算机系统。 18. **计算机模拟特点**：计算机模拟使用软件模拟硬件，灵活性大，但效率通常较低，不适用于提高速度。 19. **子并位串（WPBS）**：最大并行度P=n*m描述了并行处理的能力，当n>1且m>1时，可以实现更高程度的并行。 20. **内部输入输出操作**：现代计算机的I/O操作通常由操作系统控制，通过中断和DMA（直接内存访问）机制实现。 21. **并发性等级**：从执行程序的角度，指令内部和指令之间的并发性是常见等级，而进程内部的并发性则涉及多线程和多进程。 22. **软件和固件性能**：软件和固件的性能通常不等价，固件可能在某些特定场合提供更快的响应，但软件的可编程性和灵活性更高。 23. **多指令多数据计算机系统**：多指令多数据计算机系统（MIMD）通常涉及多个处理单元同时处理不同的指令流和数据流，如多核处理器和分布式计算系统。 总结起来，计算机系统结构涵盖了硬件、软件和固件的相互作用，涉及指令系统设计、并行性提升、软件移植、系统层次结构等多个方面，其目标是构建高效、可扩展且易于编程的计算平台。