計算機系統結構張晨曦版課后答案解析

　　篇一：計算機系統結構張晨曦版課后答案

　　1.1 解釋下列術語

　　層次機構：按照計算機語言從低級到高級的次序，把計算機系統按功能劃分成多級層次結構，每一層以一種不同的語言為特征。這些層次依次為：微程序機器級，傳統機器語言機器級，匯編語言機器級，高級語言機器級，應用語言機器級等。

　　虛擬機：用軟件實現的機器。

　　翻譯：先用轉換程序把高一級機器上的程序轉換為低一級機器上等效的程序，然后再在這低一級機器上運行，實現程序的功能。

　　解釋：對于高一級機器上的程序中的每一條語句或指令，都是轉去執行低一級機器上的一段等效程序。執行完后，再去高一級機器取下一條語句或指令，再進行解釋執行，如此反復，直到解釋執行完整個程序。

　　計算機系統結構：傳統機器程序員所看到的計算機屬性，即概念性結構與功能特性。

　　在計算機技術中，把這種本來存在的事物或屬性，但從某種角度看又好像不存在的概念稱為透明性。

　　計算機組成：計算機系統結構的邏輯實現，包含物理機器級中的數據流和控制流的組成以及邏輯設計等。

　　計算機實現：計算機組成的物理實現，包括處理機、主存等部件的物理結構，器件的集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號傳輸，電源、冷卻及整機裝配技術等。

　　系統加速比：對系統中某部分進行改進時，改進后系統性能提高的倍數。

　　Amdahl定律：當對一個系統中的某個部件進行改進后，所能獲得的整個系統性能的提高，受限于該部件的執行時間占總執行時間的百分比。

　　程序的局部性原理：程序執行時所訪問的存儲器地址不是隨機分布的，而是相對地簇聚。包括時間局部性和空間局部性。

　　CPI：每條指令執行的平均時鐘周期數。

　　測試程序套件：由各種不同的真實應用程序構成的一組測試程序，用來測試計算機在各個方面的處理性能。

　　存儲程序計算機：馮諾依曼結構計算機。其基本點是指令驅動。程序預先存放在計算機存儲器中，機器一旦啟動，就能按照程序指定的邏輯順序執行這些程序，自動完成由程序所描述的處理工作。

　　系列機：由同一廠家生產的具有相同系統結構、但具有不同組成和實現的一系列不同型號的計算機。

　　軟件兼容：一個軟件可以不經修改或者只需少量修改就可以由一臺計算機移植到另一臺計算機上運行。差別只是執行時間的不同。

　　向上（下）兼容：按某檔計算機編制的程序，不加修改就能運行于比它高（低）檔的計算機。

　　向后（前）兼容：按某個時期投入市場的某種型號計算機編制的程序，不加修改地就能運行于在它之后（前）投入市場的計算機。

　　兼容機：由不同公司廠家生產的具有相同系統結構的計算機。

　　模擬：用軟件的方法在一臺現有的計算機（稱為宿主機）上實現另一臺計算機（稱為虛擬機）的指令系統。

　　仿真：用一臺現有計算機（稱為宿主機）上的微程序去解釋實現另一臺計算機（稱為目標機）的指令系統。

　　并行性：計算機系統在同一時刻或者同一時間間隔內進行多種運算或操作。只要在時間上相互重疊，就存在并行性。它包括同時性與并發性兩種含義。

　　時間重疊：在并行性概念中引入時間因素，讓多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重疊地使用同一套硬件設備的各個部分，以加快硬件周轉而贏得速度。

　　資源重復：在并行性概念中引入空間因素，以數量取勝。通過重復設置硬件資源，大幅度地提高計算機系統的性能。

　　資源共享：這是一種軟件方法，它使多個任務按一定時間順序輪流使用同一套硬件設備。

　　耦合度：反映多機系統中各計算機之間物理連接的緊密程度和交互作用能力的強弱。

　　緊密耦合系統：又稱直接耦合系統。在這種系統中，計算機之間的物理連接的頻帶較高，一般是通過總線或高速開關互連，可以共享主存。

　　松散耦合系統：又稱間接耦合系統，一般是通過通道或通信線路實現計算機之間的互連，可以共享外存設備（磁盤、磁帶等）。計算機之間的相互作用是在文件或數據集一級上進行。

　　異構型多處理機系統：由多個不同類型、至少擔負不同功能的處理機組成，它們按照作業要求的順序，利用時間重疊原理，依次對它們的多個任務進行加工，各自完成規定的功能動作。

　　同構型多處理機系統：由多個同類型或至少擔負同等功能的處理機組成，它們同時處理同一作業中能并行執行的多個任務。

　　1.2 試用實例說明計算機系統結構、計算機組成與計算機實現之間的相互關系。

　　答：如在設計主存系統時，確定主存容量、編址方式、尋址范圍等屬于計算機系統結構。確定主存周期、邏輯上是否采用并行主存、邏輯設計等屬于計算機組成。選擇存儲芯片類型、微組裝技術、線路設計等屬于計算機實現。

　　計算機組成是計算機系統結構的邏輯實現。計算機實現是計算機組成的物理實現。一種體系結構可以有多種組成。一種組成可以有多種實現。

　　1.3 計算機系統結構的Flynn分類法是按什么來分類的？共分為哪幾類？

　　答：Flynn分類法是按照指令流和數據流的多倍性進行分類。把計算機系統的結構分為：

　　（1）

　　（2）

　　（3）

　　（4） 單指令流單數據流SISD 單指令流多數據流SIMD 多指令流單數據流MISD 多指令流多數據流MIMD

　　1.4 計算機系統設計中經常使用的4個定量原理是什么？并說出它們的含義。

　　答：（1）以經常性事件為重點。在計算機系統的設計中，對經常發生的情況，賦予它優先的處理權和資源使用權，以得到更多的總體上的改進。（2）Amdahl定律。加快某部件執行速度所獲得的系統性能加速比，受限于該部件在系統中所占的重要性。（3）CPU性能公式。執行一個程序所需的CPU時間 = IC ×CPI ×時鐘周期時間。（4）程序的局部性原理。程序在執行時所訪問地址的分布不是隨機的，而是相對地簇聚。

　　1.5 分別從執行程序的角度和處理數據的角度來看，計算機系統中并行性等級從低到高可分為哪幾級？

　　答：從處理數據的角度來看，并行性等級從低到高可分為：

　　（1）字串位串：每次只對一個字的一位進行處理。這是最基本的串行處理方式，不存在并行性；

　　（2）字串位并：同時對一個字的全部位進行處理，不同字之間是串行的。已開始出現并行性；

　　（3）字并位串：同時對許多字的同一位（稱為位片）進行處理。這種方式具有較高的并行性；

　　（4）全并行：同時對許多字的全部位或部分位進行處理。這是最高一級的并行。 從執行程序的角度來看，并行性等級從低到高可分為：

　　（1）指令內部并行：單條指令中各微操作之間的并行；

　　（2）指令級并行：并行執行兩條或兩條以上的指令；

　　（3）線程級并行：并行執行兩個或兩個以上的線程，通常是以一個進程內派生的多個線程為調度單位；

　　（4）任務級或過程級并行：并行執行兩個或兩個以上的過程或任務（程序段），以子程序或進程為調度單元；

　　（5）作業或程序級并行：并行執行兩個或兩個以上的作業或程序。

　　1.6 某臺主頻為400MHz的計算機執行標準測試程序，程序中指令類型、執行數量和平均時鐘周期數如下：

　　指令類型 指令執行數量 平均時鐘周期數

　　整數 45000 1

　　數據傳送 75000 2

　　浮點 8000 4

　　分支 1500 2

　　求該計算機的有效CPI、MIPS和程序執行時間。

　　解：（1）CPI ＝(45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2) / 129500＝1.776

　　（2）MIPS速率＝f/ CPI ＝400/1.776 ＝225.225MIPS

　　（3）程序執行時間= (45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2)／400=575s

　　1.7 將計算機系統中某一功能的處理速度加快10倍，但該功能的處理時間僅為整個系統運行時間的40%，則采用此增強功能方法后，能使整個系統的性能提高多少？

　　解由題可知：可改進比例 = 40% = 0.4部件加速比 = 10

　　根據Amdahl定律可知：

　　采用此增強功能方法后，能使整個系統的性能提高到原來的1.5625倍。

　　1.8 計算機系統中有三個部件可以改進，這三個部件的部件加速比為：

　　部件加速比1=30；部件加速比2=20；部件加速比3=10

　　（1） 如果部件1和部件2的可改進比例均為30%，那么當部件3的可改進比例為多少時，系統加速比才可以達到10？

　　（2） 如果三個部件的可改進比例分別為30%、30%和20%，三個部件同時改進，那么系統中不可加速部分的執行時間在總執行時間中占的比例是多少？

　　解：（1）在多個部件可改進情況下，Amdahl定理的擴展：

　　已知S1＝30，S2＝20，S3＝10，Sn＝10，F1＝0.3，F2＝0.3，得：

　　得F3＝0.36，即部件3的可改進比例為36%。

　　（2）設系統改進前的執行時間為T，則3個部件改進前的執行時間為：（0.3+0.3+0.2）T = 0.8T，不可改進部分的執行時間為0.2T。

　　已知3個部件改進后的加速比分別為S1＝30，S2＝20，S3＝10，因此3個部件改進后的執行時間為：

　　改進后整個系統的執行時間為：Tn = 0.045T+0.2T = 0.245T

　　那么系統中不可改進部分的執行時間在總執行時間中占的比例是：

　　1.9 假設某應用程序中有4類操作，通過改進，各操作獲得不同的性能提高。具體數據如下表所示：

　　操作類型 程序中的數量

　　（百萬條指令） 改進前的執行時間

　　（周期） 改進后的執行時間

　　（周期）

　　操作1 10 2 1

　　操作2 30 20 15

　　操作3 35 10 3

　　操作4 15 4 1

　　（1）改進后，各類操作的加速比分別是多少？

　　（2）各類操作單獨改進后，程序獲得的加速比分別是多少？

　　（3）4類操作均改進后，整個程序的加速比是多少？

　　解：根據Amdahl定律可得

　　操作類型 各類操作的指令條數在程序中所占的比例Fi 各類操作的加速比Si 各類操作單獨改進后，程序獲得的加速比

　　操作1 11.1%

　　操作2 33.3%

　　操作3 38.9% 2 1.06 1.33 1.09 3.33 1.37

　　操作4 16.7% 4 1.14

　　4類操作均改進后，整個程序的加速比：

　　第2章指令集結構的分類

　　2.1 解釋下列術語

　　堆棧型機器：CPU 中存儲操作數的單元是堆棧的機器。

　　累加器型機器：CPU 中存儲操作數的單元是累加器的機器。

　　通用寄存器型機器：CPU 中存儲操作數的單元是通用寄存器的機器。

　　CISC：復雜指令集計算機

　　RISC：精簡指令集計算機

　　尋址方式：指令系統中如何形成所要訪問的數據的地址。一般來說，尋址方式可以指明指令中的操作數是一個常數、一個寄存器操作數或者是一個存儲器操作數。

　　數據表示：硬件結構能夠識別、指令系統可以直接調用的那些數據結構。

　　2.2 區別不同指令集結構的主要因素是什么？根據這個主要因素可將指令集結構分為哪3類？

　　答：區別不同指令集結構的主要因素是CPU中用來存儲操作數的存儲單元。據此可將指令系統結構分為堆棧結構、累加器結構和通用寄存器結構。

　　2.3 常見的3種通用寄存器型指令集結構的優缺點有哪些？

　　答：

　　指令系統結構類型 優點 缺點

　　篇二：計算機系統結構作業答案第三章(張晨曦)

　　3.1 -3.3為術語解釋等解答題。

　　3.4 設一條指令的執行過程分為取指令，分析指令和執行指令3個階段，每個階段所需時間分別為ΔT, ΔT, 2ΔT，分別求出下列各種情況下，連續執行N條指令所需的時間。 (1) 順序執行方式

　　(2) 只有“取指令”與“執行指令”重疊 (3) “取指令”，“分析指令”與“執行指令”重疊 解：

　　(1)  4NΔT

　　(2)  (3N+1) ΔT (3)  2(N+1) ΔT

　　3.6 解決流水線瓶頸問題有哪兩種常用方法？ 解：

　　(1) 細分瓶頸段  將瓶頸段細分為若干個子瓶頸段 (2) 重復設置瓶頸段  重復設置瓶頸段，使之并行工作，以此錯開處理任務

　　3.9 列舉下面循環中的所有相關，包括輸出相關，反相關，真數據相關。 for(i = 2; i < 100; i=i+1) {  a[i] = b[i] + a[i];-----(1)  c[i+1] = a[i] + d[i];-----(2)  a[i-1] = 2*b[i]; -----(3)  b[i+1] = 2*b[i]; -----(4) } 解：

　　輸出相關：第k次循環時(1)與第k+1輪時(3) 反相關：第k次循環時(1)和(2)與第k-1輪時(3)

　　真數據相關：每次循環(1)與(2)，第k次循環(4)與k+1次循環(1)，(3)，(4)

　　3.12 有一指令流水線如下所示

　　50ns 50ns100ns 200ns (1) 求連續如入10條指令的.情況下，該流水線的實際吞吐率和效率

　　(2) 該流水線的“瓶頸”在哪一段？請采用兩種不同的措施消除此“瓶頸”。對于你所給出

　　的兩種新的流水線連續輸入10條指令時，其實際吞吐率和效率各是多少？ 解：（1）（m表示流水線級數，n 表示任務數）

　　（2）瓶頸在 3、4段。

　　方法一：變成八級流水線（細分）

　　11.7e8

　　方法二：變成兩級流水線（合并）

　　方法三：將段 1、2 合并為一段，段 4 細化流水為兩段

　　方法四：重復設置部件，設置 2個部件 3，4個部件 4，和第一種方法結果相同

　　3.14 有一條靜態多功能流水線由5段組成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第3段時間為2Δt，其余各段時間均為Δt,而且流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應的流水寄存器中，現要在該流水線上計算

　　(AB)，畫出其時空圖，并計算其吞吐率、

　　i

　　i

　　i1

　　4

　　急速比和效率。 解：（1）.任務劃分如下：

　　F = ( A1  +  B1 )·（ A

　　2

　　+  B2 ）·（ A3+  B3 ）·（ A4+  B4 ）

　　(7)

　　時空圖如下：

　　S5S4S3S2S1 (2) Tk = 18Δt，TP = 7/18Δt，S = 29/18=1.611，E = 29/(18*5)=29/90≈32.2% 3.15

　　一動態多功能流水線由6個功能段組成，如下圖(圖4)：

　　圖4

　　其中：S1、S4、S5、S6組成乘法流水線，S1、S2、S3、S6組成加法流水線，每個功能段時間均為50ns。假定該流水線的輸出結果可以直接返回流水線輸入端，而且設置有足夠

　　的緩沖寄存器。若按照最快的方式用該流水線計算 ① 請畫出其處理過程的時空圖。  ② 計算其實際吞吐率，加速比和效率。 解：（1）.任務劃分如下：

　　。

　　F = X1·Y1·Z1 + X2·Y2·Z2 + X3·Y3·Z3 + X4·Y4·Z4 + X5·Y5·Z5

　　時空圖如下：  S6S5S4S3S2

　　S1 （2）.Tk = 22Δt，TP = 7/11Δt=7/(11*50ns)=12.727e6，S = 28/11=2.555，E = 14/33=42.42%

　　3.18、在Cray 1機上，按鏈接方式執行下面4條向量指令（括號中給出相應功能部件時間），如果向量寄存器和功能部件之間的數據傳輸需要1拍，試求此鏈接流水線的流過時間為多少拍？如果向量長度為64，則需要多少拍能得到全部結果。

　　V0←存儲器 (存儲器取數：7拍)

　　V2←V0+V1 (向量加：3拍)V3←V2<A3 (按照A3左移：4拍)V5←V3∧V4 (向量邏輯乘：2拍)

　　解答：

　　四條指令每前后兩條依次存在先寫后讀相關，故流水線經過時間為(1+7+1) + (1+3+1) + (1+4+1) + (1+2+1) = 24。

　　如果向量長度為64，則需24 + (64-1) = 87拍能得到全部結果。

　　篇三：計算機體系結構課后習題原版答案_張晨曦著

　　1.1 解釋下列術語

　　計算機系統結構：傳統機器程序員所看到的計算機屬性，即概念性結構與功能特性。

　　計算機組成：計算機系統結構的邏輯實現，包含物理機器級中的數據流和控制流的組成以及邏輯設計等。

　　計算機實現：計算機組成的物理實現，包括處理機、主存等部件的物理結構，器件的集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號傳輸，電源、冷卻及整機裝配技術等。

　　系統加速比：對系統中某部分進行改進時，改進后系統性能提高的倍數。

　　Amdahl定律：當對一個系統中的某個部件進行改進后，所能獲得的整個系統性能的提高，受限于該部件的執行時間占總執行時間的百分比。

　　并行性：計算機系統在同一時刻或者同一時間間隔內進行多種運算或操作。只要在時間上相互重疊，就存在并行性。它包括同時性與并發性兩種含義。

　　1.2 試用實例說明計算機系統結構、計算機組成與計算機實現之間的相互關系。

　　答：如在設計主存系統時，確定主存容量、編址方式、尋址范圍等屬于計算機系統結構。確定主存周期、邏輯上是否采用并行主存、邏輯設計等屬于計算機組成。選擇存儲芯片類型、微組裝技術、線路設計等屬于計算機實現。

　　計算機組成是計算機系統結構的邏輯實現。計算機實現是計算機組成的物理實現。一種體系結構可以有多種組成。一種組成可以有多種實現。

　　1.4 計算機系統設計中經常使用的4個定量原理是什么？并說出它們的含義。 答：（1）以經常性事件為重點。在計算機系統的設計中，對經常發生的情況，賦予它優先的處理權和資源使用權，以得到更多的總體上的改進。（2）Amdahl定律。加快某部件執行速度所獲得的系統性能加速比，受限于該部件在系統中所占的重要性。（3）CPU性能公式。執行一個程序所需的CPU時間 = IC ×CPI ×時鐘周期時間。（4）程序的局部性原理。程序在執行時所訪問地址的分布不是隨機的，而是相對地簇聚。

　　1.6 某臺主頻為400MHz的計算機執行標準測試程序，程序中指令類型、執行數量和平均時鐘周期數如下：

　　求該計算機的有效CPI、MIPS和程序執行時間。 解：（1）CPI ＝(45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2) / 129500＝1.776 （2）MIPS速率＝f/ CPI ＝400/1.776 ＝225.225MIPS

　　（3）程序執行時間= (45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2)／400=575s

　　1.7 將計算機系統中某一功能的處理速度加快10倍，但該功能的處理時間僅為整個系統運行時間的40%，則采用此增強功能方法后，能使整個系統的性能提高多少？

　　解 由題可知：可改進比例 = 40% = 0.4部件加速比 = 10 根據Amdahl定律可知：

　　1

　　系統加速比1.5625

　　0.4

　　10.4

　　10

　　采用此增強功能方法后，能使整個系統的性能提高到原來的1.5625倍。

　　1.8 計算機系統中有三個部件可以改進，這三個部件的部件加速比為：

　　部件加速比1=30；部件加速比2=20；  部件加速比3=10

　　（1） 如果部件1和部件2的可改進比例均為30%，那么當部件3的可改進比例為多少時，系統加速比才可以達到10？

　　（2） 如果三個部件的可改進比例分別為30%、30%和20%，三個部件同時改進，那么系統中不可加速部分的執行時間在總執行時間中占的比例是多少？

　　解：（1）在多個部件可改進情況下，Amdahl定理的擴展：

　　Sn

　　(1

　　1

　　Fi)

　　Fi

　　Si

　　已知S1＝30，S2＝20，S3＝10，Sn＝10，F1＝0.3，F2＝0.3，得：

　　10

　　1

　　1（-0.30.3F3）（0.3/300.3/20F3/10）

　　得F3＝0.36，即部件3的可改進比例為36%。

　　（2）設系統改進前的執行時間為T，則3個部件改進前的執行時間為：（0.3+0.3+0.2）T = 0.8T，不可改進部分的執行時間為0.2T。

　　已知3個部件改進后的加速比分別為S1＝30，S2＝20，S3＝10，因此3個部件改進后的執行時間為：

　　'Tn

　　0.3T0.3T0.2T

　　0.045T 302010

　　改進后整個系統的執行時間為：Tn = 0.045T+0.2T = 0.245T

　　那么系統中不可改進部分的執行時間在總執行時間中占的比例是：

　　0.2T

　　0.82

　　0.245T

　　1.9 假設某應用程序中有4類操作，通過改進，各操作獲得不同的性能提高。具體數據如下表所示：

　　（2）各類操作單獨改進后，程序獲得的加速比分別是多少？ （3）4類操作均改進后，整個程序的加速比是多少？

　　解：根據Amdahl定律Sn1Fe

　　(1Fe)

　　Se

　　可得

　　4類操作均改進后，整個程序的加速比：

　　1

　　Sn2.16

　　Fi

　　(1Fi)Si

　　第2章 指令集結構的分類

　　2.1 解釋下列術語

　　堆棧型機器：CPU 中存儲操作數的單元是堆棧的機器。

　　累加器型機器：CPU 中存儲操作數的單元是累加器的機器。

　　通用寄存器型機器：CPU 中存儲操作數的單元是通用寄存器的機器。

　　2.2 區別不同指令集結構的主要因素是什么？根據這個主要因素可將指令集結構分為哪3類？

　　答：區別不同指令集結構的主要因素是CPU中用來存儲操作數的存儲單元。據此可將指令系統結構分為堆棧結構、累加器結構和通用寄存器結構。

　　2.4指令集應滿足哪幾個基本要求？

　　答：對指令集的基本要求是：完整性、規整性、高效率和兼容性。

　　完整性是指在一個有限可用的存儲空間內，對于任何可解的問題，編制計算程序時，指令集所提供的指令足夠使用。

　　規整性主要包括對稱性和均勻性。對稱性是指所有與指令集有關的存儲單元的使用、操作碼的設置等都是對稱的。均勻性是指對于各種不同的操作數類型、字長、操作種類和數據存儲單元，指令的設置都要同等對待。

　　高效率是指指令的執行速度快、使用頻度高。

　　2.7簡述RISC指令集結構的設計原則。

　　答（1） 選取使用頻率最高的指令，并補充一些最有用的指令；（2）每條指令的`功能應

　　盡可能簡單，并在一個機器周期內完成；（3）所有指令長度均相同；（4）只有Load和Store操作指令才訪問存儲器，其它指令操作均在寄存器之間進行； (5) 以簡單有效的方式支持高級語言。

　　2.10通常有哪幾種指令格式，請簡述其適用范圍。

　　答： (1) 變長編碼格式。如果系統結構設計者感興趣的是程序的目標代碼大小，而不是性能，就可以采用變長編碼格式。（2）固定長度編碼格式。如果感興趣的是性能，而不是程序的目標代碼大小，則可以選擇固定長度編碼格式。 (3) 混合型編碼格式。需要兼顧降低目標代碼長度和降低譯碼復雜度時，可以采用混合型編碼格式。

　　第3章 流水線技術

　　3.1解釋下列術語

　　流水線：將一個重復的時序過程，分解成為若干個子過程，而每一個子過程都可有效地在其專用功能段上與其它子過程同時執行。

　　吞吐率：在單位時間內流水線所完成的任務數量或輸出結果的數量。

　　流水線的加速比：使用順序處理方式處理一批任務所用的時間與按流水處理方式處理同一批任務所用的時間之比。

　　數據相關：考慮兩條指令i和j，i在j的前面，如果下述條件之一成立，則稱指令j與指令i數據相關：

　　（1）指令j使用指令i產生的結果；

　　（2）指令j與指令k數據相關，而指令k又與指令i數據相關。

　　數據沖突：當指令在流水線中重疊執行時，因需要用到前面指令的執行結果而發生的沖突。

　　定向：用來解決寫后讀沖突的。在發生寫后讀相關的情況下，在計算結果尚未出來之前，后面等待使用該結果的指令并不見得是馬上就要用該結果。如果能夠將該計算結果從其產生的地方直接送到其它指令需要它的地方，那么就可以避免停頓。

　　鏈接技術：具有先寫后讀相關的兩條指令，在不出現功能部件沖突和Vi沖突的情況下，可以把功能部件鏈接起來進行流水處理，以達到加快執行的目的。

　　分段開采：當向量的長度大于向量寄存器的長度時，必須把長向量分成長度固定的段，然后循環分段處理，每一次循環只處理一個向量段。

　　3.3 簡述先行控制的基本思想。 答：先行控制技術是把緩沖技術和預處理技術相結合。緩沖技術是在工作速度不固定的兩個功能部件之間設置緩沖器，用以平滑它們的工作。預處理技術是指預取指令、對指令進行加工以及預取操作數等。

　　采用先行控制方式的處理機內部設置多個緩沖站，用于平滑主存、指令分析部件、運算器三者之間的工作。這樣不僅使它們都能獨立地工作，充分忙碌而不用相互等待，而且使指令分析部件和運算器分別能快速地取得指令和操作數，大幅度地提高指令的執行速度和部件

　　的效率。這些緩沖站都按先進先出的方式工作，而且都是由一組若干個能快速訪問的存儲單元和相關的控制邏輯組成。

　　采用先行控制技術可以實現多條指令的重疊解釋執行。

　　3.4 設一條指令的執行過程分成取指令、分析指令和執行指令三個階段，每個階段所需的時間分別為△t、△t和2△t 。分別求出下列各種情況下，連續執行N條指令所需的時間。

　　（1）順序執行方式；

　　（2）只有“取指令”與“執行指令”重疊； （3）“取指令”、“分析指令”與“執行指令”重疊。 解：（1）每條指令的執行時間為：△t＋△t＋2△t＝4△t

　　連續執行N條指令所需的時間為：4N△t

　　（2）連續執行N條指令所需的時間為：4△t＋3（N-1）△t＝（3N＋1）△t （3）連續執行N條指令所需的時間為：4△t＋2（N-1）△t＝（2N＋2）△t

　　3.5 簡述流水線技術的特點。 答：流水技術有以下特點： （1） 流水線把一個處理過程分解為若干個子過程，每個子過程由一個專門的功能部件來實現。因此，流水線實際上是把一個大的處理功能部件分解為多個獨立的功能部件，并依靠它們的并行工作來提高吞吐率。

　　（2） 流水線中各段的時間應盡可能相等，否則將引起流水線堵塞和斷流。 （3） 流水線每一個功能部件的前面都要有一個緩沖寄存器，稱為流水寄存器。

　　（4） 流水技術適合于大量重復的時序過程，只有在輸入端不斷地提供任務，才能充分發揮流水線的效率。

　　（5） 流水線需要有通過時間和排空時間。在這兩個時間段中，流水線都不是滿負荷工作。

　　3.6 解決流水線瓶頸問題有哪兩種常用方法？ 答：細分瓶頸段與重復設置瓶頸段

　　3.10 簡述三種向量處理方式，它們對向量處理機的結構要求有何不同？

　　答 (1)橫向處理方式：若向量長度為N，則水平處理方式相當于執行N次循環。若使用流水線，在每次循環中可能出現數據相關和功能轉換，不適合對向量進行流水處理。 (2)縱向處理方式：將整個向量按相同的運算處理完畢之后，再去執行其他運算。適合對向量進行流水處理，向量運算指令的源/目向量都放在存儲器內，使得流水線運算部件的輸入、輸出端直接與存儲器相聯，構成M-M型的運算流水線。 (3)縱橫處理方式：把長度為N的向量分為若干組，每組長度為n，組內按縱向方式處理，依次處理各組，組數為「N/n」，適合流水處理。可設長度為n的向量寄存器，使每組向量運算的源/目向量都在向量寄存器中，流水線的運算部件輸入、輸出端與向量寄存器相聯，構成R-R型運算流水線。

　　3.11 可采用哪些方法來提高向量處理機的性能？ 答：可采用多種方法：

　　（1） 設置多個功能部件，使它們并行工作； （2） 采用鏈接技術，加快一串向量指令的執行；

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