计算机组成原理与系统结构 ——期末总复习 南京农业大学信息学院 主讲：赵力 2006年6月

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。

"基于双下垂控制的交直流混合微电网模型设计与Matlab仿真分析：系统结构及控制策略优化","基于双下垂控制的交直流混合微电网模型设计与Matlab仿真分析：系统结构及控制策略优化",光伏交直流混合微电网双下垂控制离网（孤岛）模式Matlab仿 真模型 ①交直流混合微电网结构： 1.直流微电网，由光伏板+Boost变器组成，最大输出功率10 kW。 2.交流微电网，由光伏板+Boost变器+LCL逆变器组成，最大输出功率15 kW。 3.互联变器（ILC），由LCL逆变器组成，用于连接交直流微电网。 ②模型内容： 1.直流微电网：采用下垂控制，控制方式为电压电流双闭环，直流母线额定电压700 V。 2.交流微电网中，Boost变器采用恒压控制，直流电容电压为700 V，LCL逆变器采用下垂控制，额定频率50 Hz，额定相电压有效值220 V。 3.ILC采用双下垂控制策略，首先将交流母线频率和直流母线电压进行归一化，使其范围控制在[-1,1]，之后通过ILC的归一化下垂控制调节交流母线频率和直流母线电压的偏差，最终使二者数值相同。 4.其余部分包括采样保持、坐标变、功率滤波、SVPWM

"计算机系统结构张晨曦版课后答案" 本资源摘要信息将对计算机系统结构的基本概念、虚拟机、翻译、计算机系统结构、计算机组成、计算机实现、系统加速比、Amdahl 定律、程序的局部性原理、CPI、测试程序套件、存储程序计算机、系列机、软件兼容、向上（下）兼容、向后（前）兼容、兼容机、模拟、仿真、并行性、时间重叠、资源重复、资源共享、耦合度、紧密耦合系统、松散耦合系统、异构型多处理机系统、同构型多处理机系统等进行详细的解释和分析。 计算机系统结构是指计算机的逻辑设计和物理实现，它是计算机科学的基础。计算机系统结构可以分为多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。这种层次结构包括微程序机器级、传统机器语言机器级、汇编语言机器级、高级语言机器级、应用语言机器级等。 虚拟机是指用软件实现的机器，可以模拟其他计算机的指令系统。翻译是指将高一级机器上的程序转换为低一级机器上的等效程序，然后在低一级机器上运行，实现程序的功能。 计算机系统结构的逻辑实现是计算机组成，包括物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。计算机实现是计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构、器件的集成度和速度、模块、插件、底板的划分与连接、信号传输、电源、冷卻及整机装配技术等。 系统加速比是对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。Amdahl 定律是指当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。 程序的局部性原理是指程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。CPI是每条指令执行的平均时钟周期数。测试程序套件是由各种不同的真实应用程序构成的一组测试程序，用来测试计算机在各个方面的处理性能。 存储程序计算机是冯诺依曼结构计算机，其基本点是指令驱动。程序预先存放在计算机存储器中，机器一旦启动，就能按照程序指定的逻辑顺序执行这些程序，自动完成由程序所描述的处理工作。 系列机是由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。软件兼容是指一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上运行。 向上（下）兼容是指按某档计算机编制的程序，不加修改就能运行于比它高（低）档的计算机。向后（前）兼容是指按某个时期投入市场的某种型号计算机编制的程序，不加修改地就能运行于在它之后（前）投入市场的计算机。 兼容机是由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。模拟是用软件的方法在一台现有的计算机（称为宿主机）上实现另一台计算机（称为虚拟机）的指令系统。仿真是用一台现有计算机（称为宿主机）上的微程序去解释实现另一台计算机（称为目标机）的指令系统。 并行性是计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。只要在时间上相互重叠，就存在并行性。它包括同时性与并发性两种含义。时间重叠是指在并行性概念中引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。 资源重复是指在并行性概念中引入空间因素，以数量取胜。通过重复设置硬件资源，大幅度地提高计算机系统的性能。资源共享是这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。 耦合度是反映多机系统中各计算机之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱。紧密耦合系统是指计算机之间的物理连接的频带较高，一般是通过总线或高速开关互连，可以共享主存。松散耦合系统是指计算机之间的物理连接的频带较低，一般是通过通道或通信线路实现计算机之间的互连，可以共享外存设备（磁盘、磁带等）。 异构型多处理机系统是指由多个不同类型、至少担负不同功能的处理机组成，它们按照作业要求的顺序，利用时间重叠原理，依次对它们的多个任务进行加工，各自完成规定的功能动作。同构型多处理机系统是指由多个同类型或至少担负同等功能的处理机组成，它们同时处理同一作业中能并行执行的多个任务。

### 计算机系统结构知识点解析 #### 一、总线控制方式的优缺点及通讯可靠性分析 在《计算机系统结构》清华第二版教材中，针对三种常见的总线控制方式——集中式串行链接、定时查询和独立请求，进行了详细的比较分析。下面将对这三种总线控制方式的特点及在硬件故障时对通讯可靠性的影响进行深入探讨。 **1. 集中式串行链接** - **优点**： - 简单：实现较为简单，硬件成本较低。 - 易于实现：适用于小型系统或简单设备间的连接。 - **缺点**： - 可靠性差：一旦“总线可用”线出现故障，后续的部件将无法正常请求使用总线，导致系统瘫痪。 - 扩展性差：随着设备数量增加，效率下降明显。 - **通讯可靠性分析**： - 当“总线可用”线出现断路或碰地等故障时，后续部件的请求无法得到响应，系统整体可能陷入瘫痪状态。可以通过设置冗余线路来提高可靠性。 **2. 定时查询** - **优点**： - 可靠性较高：即使某个部件出现故障，也不会影响其他部件的查询，确保了系统的稳定性。 - 灵活性较好：支持更多的设备接入，扩展性强。 - **缺点**： - 效率相对较低：查询每个部件都需要一定的时间，尤其是在设备较多的情况下。 - **通讯可靠性分析**： - 总线控制器通过计数的方式查询各个部件，即使遇到故障部件，也能继续查询下一个部件，避免了系统整体瘫痪的风险。 **3. 独立请求** - **优点**： - 高效：每个部件都可以独立请求总线使用权，减少了等待时间。 - 可靠性高：能够通过软件或硬件措施屏蔽故障部件，不影响其他部件的正常使用。 - **缺点**： - 成本较高：每个部件都需要独立的请求线路，增加了硬件成本。 - 复杂度增加：管理和调度更加复杂。 - **通讯可靠性分析**： - 即使某个部件发生故障，也不会影响其他部件的正常工作，保证了系统的稳定性和可靠性。 #### 二、中断处理次序分析 **问题**：假设中断级屏蔽位“1”代表开放，“0”代表屏蔽，根据表3.1所示的各级中断处理程序的中断级屏蔽位设置情况，分析以下两个问题： 1. 当中断响应优先次序为l→2→3→4时，中断处理的实际次序是什么？ 2. 如果所有中断处理都需要3个单位时间，且中断响应和中断返回时间相对于中断处理时间来说非常短。当机器正在运行用户程序时，同时收到第2、3级中断请求；经过两个单位时间后，又同时收到第1、4级中断请求，请绘制出程序运行过程示意图。 **解答**： 1. **中断处理次序**： - 根据表3.1中的中断级屏蔽位设置情况，可以得出以下结论： - 中断1处理程序屏蔽了所有级别，因此它总是优先处理。 - 中断2处理程序开放了第1和第4级中断，因此它可以被第1级和第4级中断打断。 - 中断3处理程序只开放了第1级中断，因此只能被第1级中断打断。 - 中断4处理程序开放了第1和第3级中断，因此它可以被第1级和第3级中断打断。 - 因此，当中断响应优先次序为l→2→3→4时，中断处理的实际次序遵循以下规则： - 中断1始终最先处理。 - 中断2可以在第1级中断完成后处理，除非在处理过程中再次受到第1级或第4级中断。 - 中断3可以在第1级中断完成后处理，但不受第2级或第4级中断的影响。 - 中断4可以在第1级或第3级中断完成后处理。 2. **程序运行过程示意图**： - **初始状态**：用户程序正在运行。 - **T=0**：第2、3级中断请求到达，由于第1级中断未被触发，中断2处理程序开始执行（中断3被屏蔽）。 - **T=1**：中断2处理程序仍在执行。 - **T=2**：中断2处理程序完成，此时第1、4级中断请求到达，中断1处理程序开始执行。 - **T=3**：中断1处理程序仍在执行。 - **T=4**：中断1处理程序完成，此时中断3处理程序开始执行。 - **T=5**：中断3处理程序完成，中断4处理程序开始执行。 - **T=6**：中断4处理程序完成，用户程序恢复执行。 通过对集中式串行链接、定时查询和独立请求三种总线控制方式的对比分析，我们可以清楚地了解它们各自的优缺点以及在硬件故障时对通讯可靠性的影响。此外，通过分析不同级别的中断请求以及它们之间的关系，我们还可以深入了解中断处理的机制及其对系统性能的影响。这些知识点对于深入理解计算机系统结构具有重要意义。

这本微机是电科研究生复试微机指定教材，是基于ARM的微机。 书籍文字经过OCR识别，已转为可编辑状态。同时，自带目录。

第1章计算机系统结构导论 第2章指令系统 第3章流水技术与流水处理机 第4章存储系统 第5章互连网络 第6章单指令流多数据流计算机 第7章多指令流多数据流计算机

在模拟器上实现在任意访存块地址流下Cache存储器的存储过程，并求出命中率 要求如下： 1．Cache—主存：映像方式要实现全相联、直接映象、组相联方式三种方式，并选择每一种映像方式下输出结果；替换算法一般使用LRU算法。 3．求出命中率；显示替换的全过程；

3．3一阶RC模型参数辨识 在一阶RC改良模型中，开路电压％，充电内阻见，放电内阻B，极化内阻只。， 极化电容c。四个参数由电池内部表现所决定，需要进行一定条件的电池性能测试，获得 数据后进行参数拟合。本次实验在环境温度恒定为25。C环境条件下，暂时不考虑温度 影响因子。 第二章中已经通过实验得出了电池在充／放电两个不同条件下的SOC．OCV曲线，即 Uo。(SOC，c)和‰(。s∞，D)参数。为了获得电池在在充放电时候的电池组容参数， 本次实验使用((FreedomCAR电池试验手册》中脉冲特性试验(Hybrid Pulse Power Characteristic Test)1271为测试电流负载，在每10％SOC值设置一个测试点，测试在不同 SOC条件下电池模型参数。 实验使用天津力神18650电池，实验步骤分为4个步骤： (1)使用标准充电方法，对单体电池充电至SOC为100％。 (2)使用恒流放电方式，电流恒定为1C(1．35A)，按照放电时间定为6min。待其SOC 达到预定值后，停止放电，静置2h。 (3)在预定的SOC点处，使用2C(2．7A)脉冲冲击电流，记录电池在70s内的充放 电电压曲线。所使用的脉冲电流如图3-6。 万方数据