《计算机系统结构》习题解答

关于系统结构的一些基础习题及解答.如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分为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。若执行第一级的一条指令需Kns时间，那么执行第2、3、4级的一条指令各需要用多少时间？从机器(汇编)语言程序员看，以下哪些是透明的？ 在《计算机系统结构》这一学科中，习题的解答往往不仅仅是对单一问题的直接回应，它们通常是将理论与实践相结合，帮助学习者深入理解计算机系统复杂的内部工作机制。在本文中，我们将探讨多层次解释模型下的指令执行时间计算，透明性在系统设计中的应用，以及不同程序员视角下系统特性的可见性问题。 让我们考虑多层次解释模型，这是计算机系统设计中的一个核心概念。在这一模型中，计算机系统按照功能被划分为多个层级，每一层负责执行上一层的指令。如果将这一模型简化，可以设想一个四层结构，其中第一层执行一条指令需要K纳秒(ns)。根据题设，为了执行上一级的一条指令，下一级需要N倍的指令来实现解释。基于这一逻辑，我们可以推导出，在这个四层结构中，执行第二级的一条指令将需要NKns，第三级需要N^2Kns，而第四级则需要N^3Kns的时间。 这种时间推算方法体现了随着计算机系统复杂性的增加，指令执行时间的指数增长。在实际的计算机系统中，随着处理器架构的不同，这种多层次解释模型可能存在较大差异。例如，在微程序控制器中，指令集被分解为微操作，由微程序在硬件级别上解释执行，而在复杂的超标量处理器中，指令的并行执行和乱序完成同样体现了多层次解释的原理。 接下来，我们考虑透明性概念在计算机系统设计中的重要性。透明性是系统设计中的一项重要原则，它指的是在系统使用过程中，某些细节对用户或程序员是不可见的，从而简化了系统使用和编程的复杂性。在习题8中，列举了对程序员来说透明和不透明的系统特性。以存储器为例，模m交叉存取和数据总线宽度这些技术细节，对于编写程序的汇编语言程序员是不可见的，而浮点数据表示、I/O系统的实现方式和访问方式保护等则通常不透明，需要程序员了解和掌握。 透明性原则的应用，有助于提高计算机系统的兼容性和可编程性。例如，内存的物理布局、I/O设备的接入方式等对系统程序员而言是透明的，因为他们需要负责这部分的管理与优化。而应用程序员则更多地关注于如何利用这些透明化后的系统资源，编写出高效、正确的程序。 透明性还涉及不同角色的程序员对于系统特性的不同视角。在习题10中，我们看到了系统程序员和应用程序员对于不同系统特性的透明度问题。以数据通路宽度为例，它对于两者都是透明的，程序员无需关心数据通路的具体细节，可以直接进行编程。但对虚拟存储器而言，它对应用程序员而言是透明的，可以在不知道其物理实现的情况下使用，而系统程序员则需要理解其原理，以便于进行系统优化和故障排查。 而像Cache存储器这样的系统组件，由于其对内存访问性能的优化作用，对程序员而言也应当是透明的。Cache的存在使得程序员可以不必担心数据在内存与CPU之间的传输速度问题，进而专注于程序逻辑的实现。然而，对于系统程序员而言，了解Cache的工作原理和优化策略是非常重要的，因为这关系到整个系统的性能表现。 在某些特定情况下，特定的指令或操作可能是对某个程序员角色透明的，但对另一个角色则不是。如“启动I/O”指令和“执行”指令，对应用程序员而言可能是透明的，他们不需要了解这些指令的具体实现细节，只需要知道如何使用即可。相反，系统程序员则需要了解这些指令的实现，以便于更深层次地对系统进行管理和优化。 通过对《计算机系统结构》习题的分析和解答，我们不仅能够理解指令执行时间的计算方法，还能够把握透明性原则在系统设计中的应用，以及如何从不同程序员的视角出发，认识和管理计算机系统内部的各种特性。这些内容对于深入理解计算机系统结构至关重要，有助于我们在设计、优化和使用计算机系统时，能够做出更加明智的决策。