计算机系统结构课程习题解答.doc

简介：
《计算机系统结构课程习题解答》提供了针对计算机系统结构课程中关键概念和理论的相关练习题详细解析，帮助学生深化理解与掌握核心知识点。 计算机系统结构是计算机科学领域的一门核心课程，涵盖了从基本概念到性能优化的广泛知识体系。本段落旨在总结与分析该领域的关键知识点。 一、基础理论 1.1 计算机系统的层次架构包括微程序机器级、传统机器语言级别、汇编语言级别和高级语言级别等不同层面，每一层都以特定的语言为标志。 1.2 虚拟化技术通过软件模拟其他计算机的指令集，实现了跨平台操作的可能性。 二、系统转换与构建 2.1 翻译过程涉及将源代码从一种编程环境迁移到另一种环境中运行。这包括了对原程序进行修改或重新编写以适应新的执行环境。 2.2 计算机系统的架构设计指的是程序员所关注的计算机属性，即概念性结构和功能特性。 三、硬件构建与实现 3.1 系统组成是指逻辑上定义的部件集合，包含数据流及控制流程的设计。它描述了物理机器级别的构成要素。 3.2 实现阶段则涉及具体的物理构造细节，如处理器模块、内存单元等，并且还涵盖了器件集成度和速度的要求。 四、性能优化策略 4.1 系统加速比定义为对系统局部改进后性能提升的比例。 4.2 Amdahl定律指出：尽管可以提高单一组件的效率，但整体系统的性能改善受限于该部分在整个计算任务中的比重。 4.3 局部性原理说明了程序执行时访问内存地址的空间或时间上的集群特性。 五、其他概念 5.1 每条指令所需平均周期数(CPI)是衡量处理器速度的一个重要指标。 5.2 测试套件是由各种真实应用程序组成的集合，用于评估计算机的处理能力。 5.3 存储程序型计算机制（即冯·诺依曼架构）允许将代码存储在内存中，并按照预设逻辑顺序自动执行这些指令以完成特定任务。 5.4 系列机是指由同一制造商生产的具有相同系统结构但不同配置和实现方式的计算机系列。 5.5 软件兼容性指的是软件可以在不修改或仅少量调整的情况下从一台机器移植到另一台机器上运行的能力。 5.6 上下兼容表示按某一档次计算机制作的应用程序能够在更高级（低级）型号机种中无需改动即可执行。 5.7 向前向后兼容意指针对特定时期发布的产品所开发的软件能够直接在后续或早期发布的计算机系统上运行而不需要任何调整。 5.8 兼容设备是指由不同制造商生产的具有相同架构标准但可能具备独特特性的机器。 5.9 模拟技术利用宿主机（现有计算平台）上的程序来实现目标机（被模拟的虚拟化环境）指令集的功能。 5.10 仿真过程是通过在宿主计算机上运行微代码解释器，从而执行目标架构中的指令。 六、并行处理 6.1 并发性是指在同一时刻或时间间隔内同时进行多种计算操作的能力。只要这些活动的时间重叠部分存在，则可以认为它们具有并发特性。 6.2 时间交错指的是多个进程在不同时间段轮流使用相同的硬件资源，以加快设备周转速度从而获得更高的效率。 6.3 通过重复设置硬件组件来实现大规模并行处理是提高系统性能的一种方法。 6.4 资源共享机制允许多任务按照预定的时间顺序访问同一套物理设施。 6.5 多计算机系统的耦合程度反映了各台机器之间相互作用的紧密度和复杂性。 6.6 高频带连接（如总线或高速开关）使得紧密耦合系统能够高效地实现主内存共享等高级功能。 6.7 低频率接口通常通过通道或者通信线路将松散耦合系统的各个节点进行互连，适合于数据传输量较小的应用场景。