下载文档原格式
第6章设备管理习题与解答6.1 例题解析例6.2.1 何谓虚拟设备？请说明SPOOLing系统是如何实现虚拟设备的。
解本题的考核要点是虚拟设备的实现方法。
虚拟设备是指利用软件方法，比如SPOOLing系统，把独享设备分割为若干台逻辑上的独占的设备，使用户感受到系统有出若干独占设备在运行。
当然，系统中至少一台拥有物理设备，这是虚拟设备技术的基础。
SPOOLing系统又称“假脱机I/O系统”，其中心思想是，让共享的、高速的、大容量外存储器（比如，磁盘）来模拟若干台独占设备，使系统中的一台或少数几台独占设备变成多台可并行使用的虚拟设备。
SPOOLing系统主要管理外存上的输入井和输出井，以及内存中的输入缓冲区和输出缓冲区。
其管理进程主要有输入和输出进程，负责将输入数据装入到输入井，或者将输出井的数据送出。
它的特点是：提高了 I/O操作的速度；将独占设备改造为共享设备；实现了虚拟设备功能。
例 6.2.2 有关设备管理要领的下列叙述中，( )是不正确的。
A．通道是处理输入、输出的软件B．所有外围设备都由系统统一来管理C．来自通道的I/O中断事件由设备管理负责处理D．编制好的通道程序是存放在主存贮器中的E．由用户给出的设备编号是设备的绝对号解本题的考核要点是设备管理的基本概念。
(1) 通道是计算机上配置的一种专门用于输入输出的设备，是硬件的组成部分。
因此A是错误的。
(2) 目前常见I/O系统其外部设备的驱动和输入输出都由系统统一管理。
因此B是对的。
(3) 设备管理模块中的底层软件中配有专门处理设备中断的处理程序。
通道中断属于设备中断的一种。
因此C是对的。
(4) 通道设备自身只配有一个简单的处理装置（CPU），并不配有存储器，它所运行的通道程序全部来自内存。
因此D是对的。
(5) 系统在初启时为每台物理设备赋予一个绝对号，设备绝对号是相互独立的。
由用户给出的设备号只能是逻辑编号，由系统将逻辑号映射为绝对号。
因此E是错误的。
第二章习题（P69-70）一、复习题1．简述冯∙诺依曼原理，冯∙诺依曼结构计算机包含哪几部分部件，其结构以何部件为中心？答：冯∙诺依曼理论的要点包括：指令像数据那样存放在存储器中，并可以像数据那样进行处理；指令格式使用二进制机器码表示；用程序存储控制方式工作。
这3条合称冯∙诺依曼原理冯∙诺依曼计算机由五大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，整个结构一般以运算器为中心，也可以以控制器为中心。
(P51-P54)2．简述计算机体系结构与组成、实现之间的关系。
答：计算机体系结构通常是指程序设计人员所见到的计算机系统的属性，是硬件子系统的结构概念及其功能特性。
计算机组成（computer organization）是依据计算机体系结构确定并且分配了硬件系统的概念结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组成，它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。
同时，为实现指令的控制功能，还需要设计相应的软件系统来构成一个完整的运算系统。
计算机实现，是计算机组成的物理实现, 就是把完成逻辑设计的计算机组成方案转换为真实的计算机。
计算机体系结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念，各自有不同的含义，但是又有着密切的联系，而且随着时间和技术的进步，这些含意也会有所改变。
在某些情况下，有时也无须特意地去区分计算机体系结构和计算机组成的不同含义。
(P47-P48)3．根据指令系统结构划分，现代计算机包含哪两种主要的体系结构？答：根据指令系统结构划分，现代计算机主要包含：CISC和RISC两种结构。
(P55)4．简述RISC技术的特点？答：从指令系统结构上看，RISC 体系结构一般具有如下特点：(1) 精简指令系统。
可以通过对过去大量的机器语言程序进行指令使用频度的统计，来选取其中常用的基本指令，并根据对操作系统、高级语言和应用环境等的支持增设一些最常用的指令;(2) 减少指令系统可采用的寻址方式种类，一般限制在2或3种;(3) 在指令的功能、格式和编码设计上尽可能地简化和规整，让所有指令尽可能等长;(4) 单机器周期指令，即大多数的指令都可以在一个机器周期内完成，并且允许处理器在同一时间内执行一系列的指令。
第一章操作系统概述课后习题1. 硬件将处理机划分为两种状态，即管态和目态，这样做给操作系统设计带来什么好处 ? 答：便于设计安全可靠的操作系统。
管态和目态是计算机硬件为保护操作系统免受用户程序的干扰和破坏而引入的两种状态。
通常操作系统在管态下运行，可以执行所有机器指令；而用户程序在目态下运行，只能执行非特权指令。
如果用户程序企图在目态下执行特权指令，将会引起保护性中断，由操作系统终止该程序的执行，从而保护了操作系统。
2. 何为特权指令?举例说明之。
如果允许用户执行特权指令，会带来什么后果？答：只能在态下才能执行的指令称为特权指令。
如开关中断、置程序状态寄存器等。
如果允许用户执行特权指令，它将不仅影响当前运行的程序，而且还有可能影响操作系统的正常运行，甚至整个系统。
3. 中断向量在机器中的存储位置是由硬件确定的，还是由软件确定的 ? 答：中断向量在机器中的位置是由硬件确定的。
例如，在 INTEL 80x86 CPU 中，内存空间0x00000——0x003ff为中断向量空间。
4. 中断向量的内容是由操作系统程序确定的还是由用户程序确定的？答：中断向量的内容是由操作系统程序确定的。
向量的内容包括中断处理程序的入口地址和程序状态字（中断处理程序运行环境），中断处理程序是由操作系统装入内存的，操作系统将根据装入的实际地址和该中断处理程序的运行环境来填写中断向量。
5. 中断向量内的处理机状态位应当标明是管态还是目态 ? 为什么? 答：应当标明是管态。
该状态由系统初试化程序设置，这样才能保证中断发生后进入操作系统规定的中断处理程序。
6. 中断和程序并发之间的关系是什么？答：中断是程序并发的必要条件。
如果没有中断，操作系统不能获得系统控制权，无法按调度算法对处机进行重新分配，一个程序将一直运行到结束而不会被打断。
7. 说明“栈”和“堆”的差别．答：栈是一块按后进先出（FIFO）规则访问的存储区域，用来实现中断嵌套和子程序调用的参数和返回断点。
第1章习题答案5．若有两个基准测试程序 P1 和 P2 在机器 M1 和 M2 上运行，假定 M1 和 M2的价格分别是5000 元和 8000元，下表给出了P1和P2在M1和 M2 上所花的时间和指令条数。
程序M1M2指令条数执行时间 (ms)指令条数执行时间 (ms)P1×610000×65000200 10150 10P2300×1033420×1036请回答下列问题：（1）对于 P1，哪台机器的速度快？快多少？对于P2 呢？（2）在 M1 上执行 P1 和 P2 的速度分别是多少 MIPS ？在 M2 上的执行速度又各是多少？从执行速度来看，对于 P2，哪台机器的速度快？快多少？（3）假定 M1 和 M2 的时钟频率各是 800MHz 和 1.2GHz ，则在 M1 和 M2 上执行 P1 时的平均时钟周期数 CPI 各是多少？（4）如果某个用户需要大量使用程序P1，并且该用户主要关心系统的响应时间而不是吞吐率，那么，该用户需要大批购进机器时，应该选择M1 还是 M2 ？为什么？（提示：从性价比上考虑）（5）如果另一个用户也需要购进大批机器，但该用户使用P1 和 P2 一样多，主要关心的也是响应时间，那么，应该选择M1 还是 M2 ？为什么？参考答案：（1）对于 P1，M2 比 M1 快一倍；对于 P2， M1 比 M2 快一倍。
（2）对于 M1 ， P1 的速度为： 200M/10=20MIPS ； P2 为 300k/0.003=100MIPS 。
对于 M2 ， P1 的速度为： 150M/5=30MIPS ； P2 为 420k/0.006=70MIPS 。
从执行速度来看，对于P2，因为 100/70=1.43 倍，所以M1 比 M2 快 0.43 倍。
（3）在 M1上执行P1 时的平均时钟周期数CPI 为： 10×800M/(200×106)=40 。
计算机体系结构课后答案【篇一：计算机体系结构习题(含答案)】1、尾数用补码、小数表示，阶码用移码、整数表示，尾数字长p=6（不包括符号位），阶码字长q=6（不包括符号位），为数基值rm=16，阶码基值re=2。
对于规格化浮点数，用十进制表达式写出如下数据（对于前11项，还要写出16进值编码）。
（1）最大尾数（8）最小正数（2）最小正尾数（9）最大负数（3）最小尾数（10）最小负数（4）最大负尾数（11）浮点零（5）最大阶码（12）表数精度（6）最小阶码（13）表数效率（7）最大正数（14）能表示的规格化浮点数个数2．一台计算机系统要求浮点数的精度不低于10-7.2，表数范围正数不小于1038，且正、负数对称。
尾数用原码、纯小数表示，阶码用移码、整数表示。
(1) 设计这种浮点数的格式(2) 计算（1）所设计浮点数格式实际上能够表示的最大正数、最大负数、表数精度和表数效率。
3．某处理机要求浮点数在正数区的积累误差不大于2-p-1 ，其中，p是浮点数的尾数长度。
(1) 选择合适的舍入方法。
(2) 确定警戒位位数。
(3) 计算在正数区的误差范围。
4．假设有a和b两种不同类型的处理机，a处理机中的数据不带标志符，其指令字长和数据字长均为32位。
b处理机的数据带有标志符，每个数据的字长增加至36位，其中有4位是标志符，它的指令数由最多256条减少到不到64条。
如果每执行一条指令平均要访问两个操作数，每个存放在存储器中的操作数平均要被访问8次。
对于一个由1000条指令组成的程序，分别计算这个程序在a处理机和b处理机中所占用的存储空间大小（包括指令和数据），从中得到什么启发？5．一台模型机共有7条指令，各指令的使用频率分别为35%，25%，20%，10%，5%，3%和2%，有8个通用数据寄存器，2个变址寄存器。
(1) 要求操作码的平均长度最短，请设计操作码的编码，并计算所设计操作码的平均长度。
6．某处理机的指令字长为16位，有双地址指令、单地址指令和零地址指令3类，并假设每个地址字段的长度均为6位。
1．1 概述数字计算机的发展经过了哪几个代？各代的基本特征是什么？略。
1．2 你学习计算机知识后，准备做哪方面的应用？略。
1．3 试举一个你所熟悉的计算机应用例子。
略。
1．4 计算机通常有哪些分类方法？你比较了解的有哪些类型的计算机？略。
1．5 计算机硬件系统的主要指标有哪些？答：机器字长、存储容量、运算速度、可配置外设等。
答：计算机硬件系统的主要指标有：机器字长、存储容量、运算速度等。
1．6 什么是机器字长？它对计算机性能有哪些影响？答：指CPU一次能处理的数据位数。
它影响着计算机的运算速度，硬件成本、指令系统功能，数据处理精度等。
1．7 什么是存储容量？什么是主存？什么是辅存？答：存储容量指的是存储器可以存放数据的数量（如字节数）。
它包括主存容量和辅存容量。
主存指的是CPU能够通过地址线直接访问的存储器。
如内存等。
辅存指的是CPU不能直接访问，必须通过I/O接口和地址变换等方法才能访问的存储器，如硬盘，u盘等。
1．8 根据下列题目的描述，找出最匹配的词或短语，每个词或短语只能使用一次。
（1）为个人使用而设计的计算机，通常有图形显示器、键盘和鼠标。
（2）计算机中的核心部件，它执行程序中的指令。
它具有加法、测试和控制其他部件的功能。
（3）计算机的一个组成部分，运行态的程序和相关数据置于其中。
（4）处理器中根据程序的指令指示运算器、存储器和I/O设备做什么的部件。
（5）嵌入在其他设备中的计算机，运行设计好的应用程序实现相应功能。
（6）在一个芯片中集成几十万到上百万个晶体管的工艺。
（7）管理计算机中的资源以便程序在其中运行的程序。
（8）将高级语言翻译成机器语言的程序。
（9）将指令从助记符号的形式翻译成二进制码的程序。
（10）计算机硬件与其底层软件的特定连接纽带。
供选择的词或短语：1、汇编器2、嵌入式系统3、中央处理器（CPU）4、编译器5、操作系统6、控制器7、机器指令8、台式机或个人计算机9、主存储器10、VLSI答：（1）8，（2）3，（3）9，（4）6，（5）2，（6）10，（7）5，（8）4，（9）1，（10）7计算机系统有哪些部分组成？硬件由哪些构成？答：计算机系统硬件系统和软件系统组成。
!第 1 章习题答案5．若有两个基准测试程序P1和P2在机器M1和M2上运行，假定M1和M2的价格分别是5000元和8000元，下表给出了P1和P2在M1和M2上所花的时间和指令条数。
请回答下列问题：（1）对于P1，哪台机器的速度快快多少对于P2呢（2）在M1上执行P1和P2的速度分别是多少MIPS在M2上的执行速度又各是多少从执行速度来看，对于P2，哪台机器的速度快快多少（3）：（4）假定M1和M2的时钟频率各是800MHz和，则在M1和M2上执行P1时的平均时钟周期数CPI各是多少（5）如果某个用户需要大量使用程序P1，并且该用户主要关心系统的响应时间而不是吞吐率，那么，该用户需要大批购进机器时，应该选择M1还是M2为什么（提示：从性价比上考虑）（6）如果另一个用户也需要购进大批机器，但该用户使用P1和P2一样多，主要关心的也是响应时间，那么，应该选择M1还是M2为什么参考答案：（1）对于P1，M2比M1快一倍；对于P2，M1比M2快一倍。
（2）对于M1，P1的速度为：200M/10=20MIPS；P2为300k/=100MIPS。
对于M2，P1的速度为：150M/5=30MIPS；P2为420k/=70MIPS。
从执行速度来看，对于P2，因为100/70=倍，所以M1比M2快倍。
（3）#6)=40。
（4）在M1上执行P1时的平均时钟周期数CPI为：10×800M/(200×10在M2上执行P1时的平均时钟周期数CPI为：5×(150×106)=40。
（5）考虑运行P1时M1和M2的性价比，因为该用户主要关心系统的响应时间，所以性价比中的性能应考虑执行时间，其性能为执行时间的倒数。
故性价比R为：R=1/(执行时间×价格)R越大说明性价比越高，也即，“执行时间×价格”的值越小，则性价比越高。
因为10×5000 > 5×8000，所以，M2的性价比高。
《大学计算机》习题解答（2017.3）说明：1、部分思考题并无标准答案，需要学生在教材、校园网、因特网中查找相关资料；2、思考题能自圆其说者为“中”；言之有理者为“良”；举例说明者为“优”；3、思考题、简答题均以短小要点形式答题，不论有多少要点，答对3个均视为全部正确；各章习题参考答案第1章计算与计算思维1-1 简要说明计算机发展的三个历史阶段。
答：（1）古代计算机工具（2）中世纪计算机（3）现代计算机1-2 简要说明九九乘法口诀算法有哪些优点。
答：（1）建立了一套完整的算法规则；（2）具有临时存储功能，能连续运算；（3）出现了五进制；（4）制作简单，携带方便。
1-3 简要说明计算机集群系统有哪些特点。
答：（1）将多台计算机通过网络组成一个机群；（2）以单一系统模式管理；（3）并行计算；（4）提供高性能不停机服务；（5）系统计算能力非常高；（6）具有很好的容错功能。
1-4 简要说明各种类型计算机的主要特点。
答：（1）大型机计算机性能高。
（2）微机有海量应用软件，优秀的兼容能力，低价高性能。
（3）嵌入式计算机要求可靠性好。
1-5 简要说明图灵机的重要意义。
答：（1）图灵机证明了通用计算理论；（2）图灵机引入了读写、算法、程序、人工智能等概念；（3）复杂的理论问题可以转化为图灵机进行分析。
（4）图灵机可以分析什么是可计算的，什么是不可计算的。
1-6 简要说明冯诺依曼“存储程序”思想的重要性。
答：（1）为程序控制计算机提供了理论基础；（2）程序和数据的统一；（3）实现了程序控制计算机；（4）提高运算效率；（5）为程序员职业化提供了理论基础。
1-7 简要说明什么是计算思维。
答：周以真认为：计算思维是运用计算机科学的基础概念去求解问题、设计系统和理解人类行为，它涵盖了计算机科学的一系列思维活动。
1-8 举例说明计算思维的应用案例。
答：（1）复杂性分析：如战争分析、经济分析、算法分析等。
（2）抽象：如数据类型、数学公式等。
第6章 部分习题参考答案 6.1 （题目略） 【解】16台处理器仿ILLIAC-IV机模式的互连结构图如下图所示。由图可知 PE0经一步可将信息送到的处理器的PE1、PE4、PE12、PE15。 PE0经二步可将信息送到的处理器的PE2、PE3、PE5、PE8、PE11、PE13、PE14。 PE0经三步可将信息送到的处理器的PE6、PE7、PE9、PE10。
6.2 （题目略） 【解】（1）01230123)(xxxxxxxxE，则1000)1001(E，即第9号处理器连至第8号处理器。 （2）012301233)(xxxxxxxxCube，则0001)1001(3Cube，即第9号处理器连至第1号处理器。 （3）116mod)29()9(233IPM，即第9号处理器连至第1号处理器。 716mod)29()9(213IPM，即第9号处理器连至第7号处理器。
（4）30120123)(xxxxxxxxShuffle，则0011)1001(Shuffle，即第9号处理器连至第3号处理器。230130120123)())((xxxxxxxxShufflexxxxShuffleShuffle，则 0110)0011())1001((ShuffleShuffleShuffle，即第9号处理器连至第6号处理器。
（6）31200123)(xxxxxxxxButterfly，则1001)1001(Butterfly，即第9号处理器连至第9号处理器。
PE0 PE1 PE2 PE3 PE4 PE5 PE6 PE7 PE8 PE9 PE10 PE11 PE12 PE13 PE14 PE15 6.3 （题目略） 【解】))128mod)28((()))8(2((2020CubeShuffleIPMCubeShuffle 0001010)0000101())0000100((0ShuffleCubeShuffle，即第8号处理器连
至第10号处理器。 6.7 （题目略） 【解】由于16个处理器之间是配对通信，根据它们之间各处理器二进制地址的对应关系，可以得出其地址变化规律为01230123xxxxxxxx，实现交换网的功能。可选用级控制的STARAN网络，即交换网络。 N=16，可选用4级交换网络，每级8信交换开关，采用级控制，4级交换开关的控制信号为K3K2K1K0=1010。其互连网络的拓扑结构图如下图所示，其中C0为恒等置换，C1-C4
为逆混洗。
6.8 （题目略） 【解】当级控制信号K3K2K1K0=1100时，第0级和第1级为直连，第2级和第3级为交换。由此可知，当输入处理器号为9时，它连接至第5号处理器。连接图如下：
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 1
2 3
4 5
6 7
8 9
10 11
12 13
14 15
C0 K0 C1 K1 C2 K2 C3 K3 C4 6.10 （题目略） 【解】为实现上述功能，第0级开关控制信号为0，第1级的两个控制信号都为0，第2级的三个控制信号都为1。(图略) 6.14 （题目略） 【解】（1）N个输入端的全部排列为N！种 （2）在有N=2n个输入端的Omega网络中，由n=log2N级组成，每级有N/2个交换开关。因此，整个网络中共有(N/2)log2N个交换开关。所以在Omega网络中，一次通过可以实现的置换有2(N/2)log2N=NN/2 （3）若N=8，则有NN/2=84=4096，N！=8！=40320。因此，一次通过能实现的置换占全部排列的百分比为4096/40320=10.16%。 6.18 （题目略） 【解】（1）利用交换律、结合律、分配律，将原表达式转换为E=a(b+cd)+ace(f+gh)。在单处理机和多处理机上计算的树型流程图如下
* + * * * * + + + a b c d+ e f h g * * * * a + + a d c b+ e f h g c *
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 1
2 3
4 5
6 7
8 9
10 11
12 13
14 15
C0 K0 C1 K1 C2 K2 C3 K3 C4 （2）由图可得 127,75.147,4,31pSETTSTpp
pppp
6.23 （题目略） 【解】（1）在单处理器（SISD）处理机上运行，共做8次乘法和7次加法，执行总时间为T=8×4+7*2=46(拍) （2）若为具有一个加法器和一个乘法器的功能并行流水线的SISD系统，则表示系统由4个子部件的乘法流水线、2个子部件的加法流水线，具两条流水线可以并行执行。其时空图如下图所示。由图可知，完成全部运算共需T=15(拍)。
（3）由8个处理器组成的环型多处理的SIMD系统中完成S的计算的时空图如下图所示。由于第二步传送时间间隔为2处理器，需2拍才能完成，完成全部运算需T=14(拍)
（4）由8个处理器组成的MIMD系统中完成S的计算的时空图如下图所示。由于每个处理机之间都有通路，所以它们之间的传送都只需1拍，完成全部运算需T=13(拍)
PE1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
PE2 PE3 PE4 PE5 PE6 PE7 PE8 m T(△t)
*1 *2 *3 *4 +1 +2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 T(△t)
a1 b1 a2 b2 a3 b3 a4 b4 a5 b5 a6 b6 a7 b7 a8 b8
1+2 1+2+3 4+5+7 1+2+3+4+5+6+7+8 4+5 1+2+3+6 1+2+3+6+8 m 6.24 （题目略） 【解】（1）在顺序处理方式的单处理机系统中，计算S需要执行8次加法和7次乘法，共需要时间为T＝8×30＋7×50＝590(ns) （2）在由一个加法器和一个乘法器组成的流水处理机中，计算8次加法和7次乘法可流水执行，8次加法用1－8表示，7次乘法用9－15表示，其时空图如下图所示：
由于加法器完成一次需30ns，乘法器完成一次需50ns，若采用等间隔流水线，则时间间隔△t=50ns，若采用不等间隔流水线，则第1、2次加法的时间间隔为30ns，其后的时间间隔为50ns。 由时空图可得等间隔和不等间隔流水线计算机S所需的时间。 T等间隔=9△t=9×50＝450(ns) T不等间隔=2×30+7×50=410(ns) （3）在8个PE组成的单向环SIMD计算机中，并行计算S的树型流程图如下，其中节点表示PE，箭头表示PE间的数据传送。
从图中可以看出，第4层表示8个PE同时进行一次加法运算，需30ns，4个PE中的PE1 PE2 PE3 PE4 PE5 PE6 PE7 PE8 PE2 PE4 PE6 PE8 PE4 PE8 PE8
加 乘 乘 乘
1 1 1 1
2 2 4
9 10 11 12 13 14 1 2 3 4 5 6 7 8 乘法器 加法器 15 PE1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
PE2 PE3 PE4 PE5 PE6 PE7 PE8 m T(△t) 和数沿单向环传送到相邻的PE中，需10ns；第3层表示4个PE同时做一次乘法运算，需
50ns，2个PE中的积传送到距离为2的PE中，需2×10＝20ns；第2层表示2个PE同时做一次乘法运算，需50ns，1个PE中的积传送到距离为4的PE中，需4×10＝40ns；在PE8中进行最后一次乘法运算，需50ns。由此可得T=30+(10+50)+(20+50)+(40+50)=250ns。 （4）在8个全互连的MIMD计算机中，并行计算S的乘法运算有数据相关，其树型流程图与（3）题中类似，但由于8个处理器全互连，任意一对处理器之间的距离为1，所以用于计算的时间为30＋50＋50＋50＝180ns，用于3次数据传送的时间为3×10＝30ns，所以计算S共需时间T＝180＋30＝210ns。 第7章 部分习题参考答案 7.4 （题目略） 【解】表达式的数据流程序图如下：
当a=4、b=8时，上述数据流程序图的执行过程如下： a + b d e － * / / sqrt a + b d e
－ * / / sqrt a + b d e － * / / sqrt a + b d e － * / /
sqrt a + b d e － * / / sqrt a + b d e
－ * / /
sqrt
a + b d e
－ * / /
sqrt
4 8 4 8
d d
e e d e/d e 12 12*d e
e/d
12*d/e e/d 12*d/e-e/d sqrt(12*d/e-e/d)
d e a + b d e － * / /
sqrt
