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2022-05-11 18:57:05 +08:00

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<p id="tip" align="center"></p>
<div><h1>05 (1) 加餐 练习题详解(一)</h1>
<p>今天我会带你把《模块一:计算机组成原理》中涉及的课后练习题,逐一讲解,并给出每个课时练习题的解题思路和答案。</p>
<h3>练习题详解</h3>
<h4>01 | 计算机是什么:“如何把程序写好”这个问题是可计算的吗?</h4>
<p><strong>【问题】</strong> 可不可以构造一段程序证明停机问题无解?如果可以,请用自己熟悉的语言写出这段程序。</p>
<p><strong>解析</strong><strong>拿到这道题,我们可以先从问题的抽象入手。</strong></p>
<ul>
<li>判断一段程序是否会停机的方法可以抽象成一个函数。</li>
<li>一段程序,也可以抽象成一个函数。</li>
</ul>
<p>因此,问题可以转换为:存不存在一个通用函数判断另一个函数是否会停止?</p>
<p><strong>接下来,再来构造冲突。</strong></p>
<p>假设存在一个函数 willStop它只有一个参数 funcwillStop 可以判断任意函数 func 是否会停止:</p>
<ul>
<li>如果会停止,返回 true</li>
<li>如果不会停止返回 false。</li>
</ul>
<p>willStop 具体如何实现我们无法给出,这里只是做一个假设。</p>
<pre><code>func willStop(func){
//...
}
</code></pre>
<p>下面我们构造一组冲突,构造一个叫作<code>wrappedWillStop</code>函数,它调用<code>willStop</code>构造冲突。</p>
<pre><code>function wrappedWillStop(){
if( willStop(wrappedWillStop) ) {
while(true){}
} else {
return
}
}
wrappedWillStop()
</code></pre>
<p><code>wrapped</code>版本构造冲突方法如下:调用<code>willStop</code>并把自己传进去。如果<code>willStop</code>认为<code>wrapped</code>会停止,那么就执行一个死循环。 如果<code>willStop</code>认为<code>wrapped</code>不会停止,就直接返回。</p>
<p>通过上述的方法,我们就知道<code>willStop</code>这样的函数肯定是无法被实现的;也就是停机问题无解。</p>
<h4>03 | 程序的执行:相比 32 位 64 位的优势是什么?</h4>
<p><strong>【问题】</strong> CPU 中有没有求对数的指令?如果没有那么程序如何去计算?</p>
<p><strong>【解析】</strong> CPU 中求一个数字的 2 倍,可以通过左移指令。比如 10 代表数字 2左移 1 位变成 100 就代表数字 4。CPU 提供了乘法指令,所以如果求一个数字的幂,比如 33可以拿 3*3 再乘以 3需要计算 2 次。</p>
<p>但是如果求 3100 次方,就不会去计算 100 次。比如你可以先计算出 325然后再求 (350)2就是 3100。所以这样就节省了 1 倍的运算。</p>
<p>我举例主要是想告诉大家CPU 没有提供很复杂的指令,但是这里有很多算法可以降低我们的时间开销。</p>
<p>然后我们来说说求对数,求对数也是没有指令的。因为对数是指数的逆运算,当然我们可以利用乘法运算一点点尝试。比如计算 log_210我们可以先尝试 32再尝试 3.12 等等,一直找到以 2 为底 10 的对数。这其实是个近似算法。</p>
<p>另外,在这个问题上聪明的数学家提出了很多近似算法,提升了计算效率。具体这里比较超纲,面试通常只考到有没有求对数的指令,感兴趣的同学可以学习泰勒级数、牛顿迭代法等。</p>
<p>比如下面这个泰勒级数可以用来求以<code>e</code>为底的对数,可以进行相似运算。</p>
<p><img src="assets/Ciqc1F9twiuAbp_aAAAe6lkGtXY531.png" alt="Drawing 0.png" /></p>
<p><strong>【补充内容】1 位的 CPU 能操作多大的内存空间?</strong></p>
<p>在 03 课时程序的执行中,有个问题我讲的不是很明白,在这里我们再讨论一下。</p>
<p>之前提到过 32 位机器只能操作小于 32 位的地址总线,这里其实讲的不太清晰,历史上出现过 32 位操作 40 位地址总线的情况。</p>
<p><strong>接下来再和你探讨一个极端情况1 位的 CPU 能操作多大的内存空间</strong></p>
<p><strong>答案是:无限大</strong></p>
<p>比如说,地址总线 40 位,说明 CPU 上有 40 个引脚接了地址总线。CPU 只有 1 位,因此操作这 40 个引脚可以分成 40 步。每次设置 1 根引脚的电平是 0 还是 1。所以本身 CPU 多少位和能操作多少位地址总线,没有本质联系。但是如果需要分步操作,效率会低,需要多次操作,不如一次完成来得划算。 因此我们今天的设计通常不拿 32 位 CPU 操作 40 位地址总线,而是用 64 位 CPU 操作。</p>
<h4>04 | 构造复杂的程序 : 将一个递归函数转成非递归函数的通用方法?</h4>
<p><strong>【问题】</strong> 假设你使用的程序语言不支持递归程序,如果要求用栈来模拟下面这个斐波那契求第 n 项的程序,应该如何转换成等价的基于栈的非递归实现?</p>
<pre><code>int fib(int n) {
if(n == 1 || n == 2) { return n; }
return fib(n-1) + fib(n-2)
</code></pre>
<p><strong>解析</strong><strong>其实这道题目等同于递归的函数如何非递归表达?改写斐波那契数列第 N 项目。</strong></p>
<p>下面是我的一个伪代码,需要实现一个 Stack。</p>
<pre><code>fib(n) {
stack = new Stack();
// 构造Stack
// stack中每一项是一个Record
// Record第一项是数据参数或者返回值
// Record第二项是递归方向(down=1代表向下up=2代表向上)
stack.push((n, down));
// stack中只有一项的时候递归停止
while(stack.size() &gt; 1) {
(n, phase) = stack.pop();
if(phase == down) {
if(n == 1 || n == 2) {
stack.push((1, -))
continue
}
stack.push((n-1, down))
stack.push((n-1, up))
}
else {
last1 = stack.pop()
last2 = stack.pop()
stack.push((last1[0] + last2[0], up))
}
}
return stack.pop()[0];
}
</code></pre>
<h4>05 | 存储器分级 SSD、内存和 L1 Cache 相比速度差多少倍?</h4>
<p><strong>【问题】</strong> 假设有一个二维数组,总共有 1M 个条目,如果我们要遍历这个二维数组,应该逐行遍历还是逐列遍历?</p>
<p><strong>【解析】</strong> 二维数组本质还是 1 维数组。只不过进行了脚标运算。比如说一个 N 行 M 列的数组,第 y 行第 x 列的坐标是: x + y*M。因此当行坐标增加时内存空间是跳跃的。列坐标增加时内存空间是连续的。</p>
<p><img src="assets/Ciqc1F9twnCAUTt4AACDLWAQvC4277.png" alt="Lark20200925-181059.png" /></p>
<p>当 CPU 遍历二维数组的时候,会先从 CPU 缓存中取数据。</p>
<p>关键因素在于现在的 CPU 设计不是每次读取一个内存地址,而是读取每次读取相邻的多个内存地址(内存速度 200300 CPU 周期,预读提升效率)。所以这相当于机器和人的约定,如果程序员不按照这个约定,就无法利用预读的优势。</p>
<p>另一方面当读取内存地址跳跃较大的时候,会触发内存的页面置换,这个知识在“<strong>模块五:内存管理</strong>”中学习。</p>
<h3>总结</h3>
<p>以上这些练习题你做得怎么样呢?我看到很多同学在留言区写下了练习题答案、思考过程以及课后总结,当然还有很多同学提出了问题。有问题是好事,说明你在认真思考,这也是构建知识体系的一部分。经过长期的积累,相信你会得到意想不到的收获。</p>
</div>
</div>
<div>
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