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第2章 计算机体系结构和组织
习题（答案）
一． 选择题
1．D 2．D 3．D 4．D 5．C
6．B 7．A 8． C 9．A 10．C
11．A 12．C 13．C 14．C 15．A
16．A 17．B 18．A

二． 简答题
1．试简单叙述计算机采取二进制原因。
答：计算机只认识二进制编码形式指令和数据。所以，包含数字、字符、声音、图形、图像等信息全部必需经过某种方法转换成二进制形式，才能提供给计算机进行识别和处理。在计算机中采取二进制，是因为物理上实现轻易。因为二进制只有两个状态0和1，这恰好和物理器件两种状态相对应，比如电压信号高和低，门电路导通和截止等；而十进制电路则需要用十种状态来描述，这将使得电路十分复杂，处理也十分困难。所以，采取二进制将使得计算机在物理上实现简单，且含有可靠性高、处理简单、抗干扰能力强等优点。
2．什么是定点数，它分为哪些种类？
答：所谓定点数，就是指计算机在运算过程中，数据中小数点位置固定不变。其中小数点位置是由计算机设计者在机器结构中指定一个不变位置，而不一定全部必需含有小数点指示装置。定点数通常有小数和整数两种表示形式。定点小数是把小数点固定在数据数值部分左边，符号位右边；定点整数则把小数点固定在数据数值部分右边。
3．简明叙述声音编码过程。
答：计算机获取声音信息过程即是声音信号数字化处理过程。经过数字化处理后数字声音信息才能被计算机所识别和处理。声音被计算机处理过程关键经过音频信号采样、量化和编码多个过程。
4．简述计算机软件系统分类。（系统软件和应用软件两方面）
软件是指能在计算机上运行多种程序，包含多种相关文档。通常将软件分为系统软件和应用软件两大类。
1．系统软件
能够把软件分成若干层，最内层是对硬件扩充和完善，而外层则是对内层再次扩充和完善。通常把靠近内层、为方便使用和管理计算机资源软件，称为系统软件。系统软件通常是负责管理、控制和维护计算机多种软硬件资源，并为用户提供一个友好操作界面，和服务于通常目标上机环境。系统软件包含操作系统、计算机监控管理程序、高级程序设计语言编译和解释程序和系统服务程序等。操作系统在系统软件中处于关键地位，其它系统软件在操作系统支持下工作；高级程序设计语言编译和解释程序，将软件工程师编写软件“翻译”成为计算机能够“了解”机器语言；系统服务程序为计算机系统正常运行提供服务。
2．应用软件
应用软件是针对某个应用领域具体问题而开发和研制程序，它由专业人员为多种应用目标而开发。应用软件必需在系统软件支持下才能工作，它含有很强实用性和专业性，正是因为应用软件开发和使用，才使得计算机应用日益渗透到社会各行各业。应用软件能够由用户自己开发，也可在市场上购置。
常见应用软件有：文字处理软件，如WPS、Word等；电子表格软件，如Excel、Lotus等；图形处理软件，如 3DMAX等；课件制作软件，如PowerPoint、Authorware等；多媒体处理软件，如RealPlay、MediaPlayer等。
5．存放器功效是什么？
答：现代计算机是以存放器为中心计算机系统，存放器是计算机关键组成部分。当利用计算机完成某项任务时，首先把处理问题程序和所需数据存于存放器中，在实施程序时再由存放器快速地提供给处理机。显然，存放器功效是存放信息，被存放信息包含程序信息和数据信息等。
6. 存放器关键指标是什么？
答：存放器作为计算机系统关键部件之一，有必需对其性能进行描述。描述一个存放器性能优劣关键指标有存放容量、存放周期和存取时间、可靠性、性能价格比、功耗、可靠性等。
7. 简述存放器三级存放体系分层结构。
三级结构存放器系统，是围绕读写速度尚可、存放容量适中主存放器来组织和运行，并由高速缓冲存放器缓解主存读写速度慢、不能满足CPU运行速度需要矛盾；用虚拟存放器更大存放空间来处理主存容量小、存不下规模更大程序和更多数据难题，从而达成使整修存放器系统有更高读写速度、更大存放空间、相对较低制造和运行成本要求。追求整修存放器系统有更高性能价格比是三级存放体系结构关键思想。这种三级结构存放器系统运行原理是建立在程序运行局部性原理之上。程序运行局部性原理表现在：
(1) 时间局部性原理。在一小段时间内，最近被访问过程序和数据很可能再次被访问。
(2) 空间局部性原理。即最近被往往集中在一小片存放区域中。
(3) 指令实施次序局部性原理。指令次序实施比转移实施可能性要大。
在三级结构存放器系统中，所存放信息必需满足以下标准：
l 一致性标准
即同一个信息会同时存放在多个等级存放器中，此时，这一信息在多个等级存放器中必需保持相同值。
l 包含性标准
处于内层(即靠近CPU)存放器中信息一定被包含在各外层存放器中，即内层存放器中全部信息一定是各外层存放器中所存信息中一小部分副本，这是确保程序正常运行、实现信息共享、提升系统资源利用率所必需，反之则不成立。
8. 简述多核关键技术。
和单核处理器相比，多核处理器在体系结构、软件、功耗和安全性设计等方面面临着巨大挑战，但也蕴含着巨大潜能。 
1．核结构研究
CMP组成份成同构和异构两类，同构是指内部核结构是相同，而异构是指内部核结构是不一样。为此，面对不一样应用研究核结构实现对未来微处理器性能至关关键。核本身结构，关系到整个芯片面积、功耗和性能。怎样继承和发展传统处理器结果，直接影响多核性能和实现周期。同时，依据 Amdahl定理，程序加速比决定于串行部分性能，所以，从理论上来看似乎异构微处理器结构含有愈加好性能。
多核所用指令系统对系统实现也是很关键，采取多核之间采取相同指令系统还是不一样指令系统，能否运行操作系统等，也将是研究内容之一。
2．程序实施模型
多核处理器设计首要问题是选择程序实施模型。程序实施模型适用性决定多核处理器能否以最低代价提供最高性能。程序实施模型是编译器设计人员和系统实现人员之间接口。编译器设计人员决定怎样将一个高级语言程序按一个程序实施模型转换成一个目标机器语言程序; 系统实现人员则决定该程序实施模型在具体目标机器上有效实现。当目标机器是多核体系结构时，产生问题是：多核体系结构怎样支持关键程序实施模型？是否有其它程序实施模型更适于多核体系结构？这些程序实施模型能多大程度上满足应用需要并为用户所接收？
3．Cache设计：多级Cache设计和一致性问题
处理器和主存间速度差距对CMP来说是个突出矛盾，所以必需使用多级Cache来缓解。现在有共享一级CacheCMP、共享二级Cache CMP和共享主存CMP。通常，CMP采取共享二级CacheCMP结构，即每个处理器关键拥有私有一级Cache，且全部处理器关键共享二级 Cache。 Cache本身体系结构设计也直接关系到系统整体性能。不过在CMP结构中，共享Cache或独有Cache孰优孰劣、需不需要在一块芯片上建立多级 Cache，和建立几级Cache等等，因为对整个芯片尺寸、功耗、布局、性能和运行效率等全部有很大影响，所以这些全部是需要认真研究和探讨问题。 其次，多级Cache又引发一致性问题。采取何种Cache一致性模型和机制全部将对CMP整体性能产生关键影响。在传统多处理器系统结构中广泛采取 Cache一致性模型有: 次序一致性模型、弱一致性模型、释放一致性模型等。和之相关Cache一致性机制关键有总线侦听协议和基于目录目录协议。现在CMP系统大多采取 基于总线侦听协议。
4．核间通信技术
CMP处理器各CPU关键实施程序之间有时需要进行数据共享和同时，所以其硬件结构必需支持核间通信。高效通信机制是CMP处理器高性能关键保障，现在比较主流片上高效通信机制有两种，一个是基于总线共享Cache结构，一个是基于片上互连结构。 总线共享Cache结构是指每个CPU内核拥有共享二级或三级Cache，用于保留比较常见数据，并经过连接关键总线进行通信。这种系统优点是结构简单，通信速度高，缺点是基于总线结构可扩展性较差。
基于片上互连结构是指每个CPU关键含有独立处理单元和Cache，各个CPU关键经过交叉开关或片上网络等方法连接在一起。各个CPU关键间经过消息通信。这种结构优点是可扩展性好，数据带宽有确保；缺点是硬件结构复杂，且软件改动较大。可能这二者竞争结果不是相互替换而是相互合作，比如在全局范围采取片上网络而局部采取总线方法，来达成性能和复杂性平衡。
5．总线设计
传统微处理器中，Cache不命中或访存事件全部会对CPU实施效率产生负面影响，而总线接口单元（BIU）工作效率会决定此影响程度。当多个CPU 关键同时要求访问内存或多个CPU关键内私有Cache同时出现Cache不命中事件时，BIU对这多个访问请求仲裁机制和对外存放访问转换机制效率决定了CMP系统整体性能。所以寻求高效多端口总线接口单元（BIU）结构，将多关键对主存单字访问转为更为高效猝发（burst）访问，同时寻求对CMP处理器整体效率最好一次Burst访问字数量模型和高效多端口BIU访问仲裁机制将是CMP处理器研究关键内容。
6．操作系统设计：任务调度、中止处理、同时互斥
对于多核CPU，优化操作系统任务调度算法是确保效率关键。通常任务调度算法有全局队列调度和局部队列调度。前者是指操作系统维护一个全局任务等候队列，当系统中有一个CPU关键空闲时，操作系统就从全局任务等候队列中选择就绪任务开始在此关键上实施。这种方法优点是CPU关键利用率较高。后者是指操作系统为每个CPU内核维护一个局部任务等候队列，当系统中有一个CPU内核空闲时，便从该关键任务等候队列中选择合适任务实施，这种方法优点 是任务基础上无需在多个CPU关键间切换，有利于提升CPU关键局部Cache命中率。现在多数多核CPU操作系统采取是基于全局队列任务调度算法。
多核中止处理和单核有很大不一样。多核各处理器之间需要经过中止方法进行通信，所以多个处理器之间当地中止控制器和负责仲裁各核之间中止分配全局中止控制器也需要封装在芯片内部。 另外, 多核CPU是一个多任务系统。因为不一样任务会竞争共享资源，所以需要系统提供同时和互斥机制。而传统用于单核处理机制并不能满足多核，需要利用 硬件提供“读－修改－写”原子操作或其它同时互斥机制来确保。
7．低功耗设计
半导体工艺快速发展使微处理器集成度越来越高，同时处理器表面温度也变得越来越高并呈指数级增加，每三年处理器功耗密度就能翻一番。现在，低功耗和热优化设计已经成为微处理器研究中关键问题。CMP多关键结构决定了其相关功耗研究是一个至关关键课题。 低功耗设计是一个多层次问题，需要同时在操作系统级、算法级、结构级、电路级等多个层次上进行研究。每个层次低功耗设计方法实现效果不一样——抽象层次 越高，功耗和温度降低效果越显著。
8．存放器
为了使芯片内核充足地工作，最起码要求是芯片能提供和芯片性能相匹配存放器带宽，即使内部Cache容量能处理部分问题，但伴随性能深入提升，必需有其它部分手段来提升存放器接口带宽，如增加单个管脚带宽DDR、DDR2、QDR、XDR等。一样，系统也必需有能提供高带宽存放器。所以，芯片对封装要求也越来越高，即使封装管脚数每十二个月以20%数目提升，但还不能完全处理问题，而且还带来了成本提升问题，为此，怎样提供一个高带宽， 低延迟接口带宽，是必需处理一个关键问题。
9．可靠性及安全性设计
伴随技术革新发展，处理器应用渗透到现代社会各个层面，不过在安全性方面却存在着很大隐患。首先，处理器结构本身可靠性低下，因为超微细化和时钟设计高速化、低电源电压化，设计上安全系数越来越难以确保，故障发生率逐步走高。其次，来自第三方恶意攻击越来越多，手段越来越优异，已成为含有普遍性社会问题。现在，可靠性和安全性提升在计算机体系结构研究领域备受注目。
以后，CMP这类处理器芯片内有多个进程同时实施结构将成为主流，再加上硬件复杂性、设计时失误增加，使得处理器芯片内部也未必是安全，所以，安全和可靠性设计任重而道远。
9. 什么是高性能计算机？
答：高性能计算机概念并无明确定义，通常认为运算速度很快计算机就能够认为是高性能计算机。严格地讲，高性能计算机是一个拥有最优异硬件、软件、网络和算法综合概念，“高性能”标准是伴随技术发展而发展。
10. 什么是接口？它关键功效是什么？
答：在主机和外设进行数据交换时必领引入对应逻辑部件处理二者之间同时和协调、数据格式转换等问题，这些逻辑部件就称为输入输出接口，简称为接口。输入输出接口基础功效有：
(1)实现数据缓冲，提供主机和设备交换信息过程中数据缓冲机构，使主机和外设在工作速度上达成匹配。
(2)实现数据格式转换，比如，当主机和设备信号同谋不一样时信号电平转换功效、数据传送中格式（串行、并行）转换功效、直接内存访问中额外需求等。
(3)提供外设和接口状态，为 CPU愈加好地控制多种外设提供有效帮助，交换主机和外围设备状态信息。
(4)实现主机和外设之间通讯联络控制，实现主机和设备之间数据交换。
11. 简述并行算法基础内容。
并行算法是在给定并行模型下一个具体明确计算方法和步骤，其分类有不一样分类方法。
依据并行计算任务大小分类，能够分为粗粒度并行算法、中粒度并行算法和细粒度并行算法三类。粗粒度并行算法所含计算任务有较大计算量和较复杂计算程序；中粒度并行算法所含计算任务大小和计算程序长短在粗粒度和细粒度两种类型算法之间；细粒度并行算法所含计算任务有较小计算量和较短计算程序。
依据并行计算基础对象可分为数值并行计算和非数值并行计算。非数值计算也会用于高精度数值计算，数值计算中也会有查找、匹配等非数值计算成份，这二者之间并无严格界限。实际分类时，关键是依据关键计算量所属范围和宏观计算方法来判定。
依据并行计算进程间依靠关系能够分为同时并行算法和异步并行算法。前者是经过一个全局时钟来控制各部分步伐，将任务中各个部分计算同时地向前推进；以后者实施各部分计算步伐之间没相关联，互不一样时，在操作中，它们依据计算过程不一样阶段决定等候、继续或终止。同时并行算法适合于SIMD并行计算机，异步并行算法适合于MIMD并行计算机。
一个高效并行算法设计过程比较复杂。通常编程设计过程能够分为任务划分、通信分析、任务组合和处理器映射四步。任务划分阶段关键将整个使用域或功效分解成部分小计算任务，它目标是要揭示和开拓并行实施机会；通信分析则检测在任务划分阶段划分合理性；任务组合根据性能要求和实现代价来考察前两个阶段结果，必需时能够将部分小任务组合成更大任务以提升实施效率和降低通信开销；处理器映射决定将每一个任务分配到哪个处理器上去实施，目标是要最小化全局实施时间和通讯成本，并最大化处理器利用率。
12. 什么是网络计算机?它有什么优点？
答：网络计算机（NETWORK COMPUTER）简称NC，是专用于高速网络环境下计算机终端设备。是基于处理器芯片和网络基础新一代计算机产品，是一个新桌面计算机。NC除了有些人机交互必需显示器，键盘鼠标外，它没有硬盘，软盘，光驱等外部存放设备，是一个瘦用户机。网络计算机含有以下优点：
(1)易管理，维护简单，使用方便。
(2)网络计算机没有硬盘，软盘和光盘，也没有风扇，在硬件方面没有什么可维护地方，大大降低了计算机网络维护工作，成本低廉。
(3)安全性强，不管是预防病毒侵犯，还是资料维护安全，NC全部比PC要好多。
(4)静音节能，高可靠网络计算机没有任何噪音，很平静。网络计算机功耗很小。

三． 讨论题
1. 为何计算机使用二进制，而不使用大家生活中十进制来表示数据信息。
答案略。
2. 计算机系统存放器分为哪多个层次？（原题已删除）
答案略。
3. 网络计算机有很多优点，请结合其特点谈谈中国发展网络计算机前途。
答案略。