第1章 计算机系统结构的基本概念
试用实例说明计算机系统结构、计算机组成与计算机实现之间的相互关系。 答：如在设计主存系统时，确定主存容量、编址方式、寻址范围等属于计算机系统结构。确定主存周期、逻辑上是否采用并行主存、逻辑设计等属于计算机组成。选择存储芯片类型、微组装技术、线路设计等属于计算机实现。
计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。计算机实现是计算机组成的物理实现。一种体系结构可以有多种组成。一种组成可以有多种实现。
计算机系统设计中经常使用的4个定量原理是什么？并说出它们的含义。 答：（1）以经常性事件为重点。在计算机系统的设计中，对经常发生的情况，赋予它优先的处理权和资源使用权，以得到更多的总体上的改进。（2）Amdahl 定律。加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。（3）CPU 性能公式。执行一个程序所需的CPU 时间 = IC ×CPI ×时钟周期时间。（4）程序的局部性原理。程序在执行时所访问地址的分布不是随机的，而是相对地簇聚。
计算机系统中有三个部件可以改进，这三个部件的部件加速比为：
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的可改进比例均为30%，那么当部件3的可改进比例为多少时，系统加速比才可以达到10？
（2） 如果三个部件的可改进比例分别为30%、30%和20%，三个部件同时改进，那么系统中不可加速部分的执行时间在总执行时间中占的比例是多少？
解：（1）在多个部件可改进情况下，Amdahl 定理的扩展：
∑∑+-=
i
i
i n S F
F S )1(1
已知S 1＝30，S 2＝20，S 3＝10，S n ＝10，F 1＝，F 2＝，得：
）
（）（10/20/0.330/0.30.30.3-11
1033F F +++++=
得F 3＝，即部件3的可改进比例为36%。
（2）设系统改进前的执行时间为T ，则3个部件改进前的执行时间为：（++）T = ，不可改进部分的执行时间为。
已知3个部件改进后的加速比分别为S 1＝30，S 2＝20，S 3＝10，因此3个部件改进后的执行时间为：
T T
T T T n 045.010
2.020
3.0303.0'=++=
改进后整个系统的执行时间为：Tn = + =
那么系统中不可改进部分的执行时间在总执行时间中占的比例是：
82.0245.02.0=T
T
假设某应用程序中有4类操作，通过改进，各操作获得不同的性能提高。具体数据如下表所示：
操作类型
程序中的数量 （百万条指令）
改进前的执行时间
（周期）
改进后的执行时间
（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
（2）各类操作单独改进后，程序获得的加速比分别是多少？ （3）4类操作均改进后，整个程序的加速比是多少？ 解：根据Amdahl 定律Se
Fe
Fe S n +
-=)1(1可得
操作类型 各类操作的指令条数在程序中所占的比例F i
各类操作的加速比S i
各类操作单独改进后，程序获得的加速比
操作1 % 2 操作2 % 操作3 % 操作4
%
4
4类操作均改进后，整个程序的加速比：
2.16)1(1
≈+-=∑∑i i
i n S F F S
第2章 指令集结构的分类
2.1 区别不同指令集结构的主要因素是什么？根据这个主要因素可将指令集结构分为哪3类？
答：区别不同指令集结构的主要因素是CPU 中用来存储操作数的存储单元。据此可将指令系统结构分为堆栈结构、累加器结构和通用寄存器结构。
2.2 简述CISC 指令集结构功能设计的主要目标。从当前的计算机技术观点来看，CISC 指令集结构的计算机有什么缺点？
答：主要目标是增强指令功能，把越来越多的功能交由硬件来实现，并且指令的数量也是越来越多。
缺点： (1) CISC 结构的指令集中，各种指令的使用频率相差悬殊。（2）CISC 结构指令的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。（3）CISC 结构指令集的复杂性给VLSI 设计增加了很大负担，不利于单片集成。（4）CISC 结构的指令集中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。 (5) 在CISC 结构的指令集中，由于各条指令的功能不均衡性，不利于采用先进的计算机体系结构技术（如流水技术）来提高系统的性能。
2.3 简述RISC 指令集结构的设计原则。
答（1） 选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令；（2）每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成；（3）所有指令长度均相同；（4）只有Load 和Store 操作指令才访问存储器，其它指令操作均在寄存器之间进行； (5) 以简单有效的方式支持
高级语言。
第3章流水线技术
解释下列术语
流水线：将一个重复的时序过程，分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行。
指令的执行可采用顺序执行、重叠执行和流水线三种方式，它们的主要区别是什么？各有何优缺点。
答：（1）指令的顺序执行是指指令与指令之间顺序串行。即上一条指令全部执行完后，才能开始执行下一条指令。
优点：控制简单，节省设备。缺点：执行指令的速度慢，功能部件的利用率低。
（2）指令的重叠指令是在相邻的指令之间，让第k条指令与取第k+l条指令同时进行。重叠执行不能加快单条指令的执行速度，但在硬件增加不多的情况下，可以加快相邻两条指令以及整段程序的执行速度。与顺序方式相比，功能部件的利用率提高了，控制变复杂了。
（3）指令的流水执行是把一个指令的执行过程分解为若干个子过程，每个子过程由专门的功能部件来实现。把多个处理过程在时间上错开，依次通过各功能段，每个子过程与其它的子过程并行进行。依靠提高吞吐率来提高系统性能。流水线中各段的时间应尽可能相等
简述先行控制的基本思想。
答：先行控制技术是把缓冲技术和预处理技术相结合。缓冲技术是在工作速度不固定的两个功能部件之间设置缓冲器，用以平滑它们的工作。预处理技术是指预取指令、对指令进行加工以及预取操作数等。
采用先行控制方式的处理机内部设置多个缓冲站，用于平滑主存、指令分析部件、运算器三者之间的工作。这样不仅使它们都能独立地工作，充分忙碌而不用相互等待，而且使指令分析部件和运算器分别能快速地取得指令和操作数，大幅度地提高指令的执行速度和部件的效率。这些缓冲站都按先进先出的方式工作，而且都是由一组若干个能快速访问的存储单元和相关的控制逻辑组成。
采用先行控制技术可以实现多条指令的重叠解释执行。
设一条指令的执行过程分成取指令、分析指令和执行指令三个阶段，每个阶段所需的时间分别为△t、△t和2△t 。分别求出下列各种情况下，连续执行N条指令所需的时间。
（1）顺序执行方式；
（2）只有“取指令”与“执行指令”重叠；
（3）“取指令”、“分析指令”与“执行指令”重叠。
解：（1）每条指令的执行时间为：△t＋△t＋2△t＝4△t
连续执行N条指令所需的时间为：4N△t
（2）连续执行N条指令所需的时间为：4△t＋3（N-1）△t＝（3N＋1）△t
（3）连续执行N条指令所需的时间为：4△t＋2（N-1）△t＝（2N＋2）△t
减少流水线分支延迟的静态方法有哪些？
答：（1）预测分支失败：沿失败的分支继续处理指令，就好象什么都没发生似的。当确定分支是失败时，说明预测正确，流水线正常流动；当确定分支是成功时，流水线就把在分
支指令之后取出的指令转化为空操作，并按分支目标地址重新取指令执行。
（2）预测分支成功：当流水线ID 段检测到分支指令后，一旦计算出了分支目标地址，就开始从该目标地址取指令执行。
（3）延迟分支：主要思想是从逻辑上“延长”分支指令的执行时间。把延迟分支看成是由原来的分支指令和若干个延迟槽构成。不管分支是否成功，都要按顺序执行延迟槽中的指令。
3种方法的共同特点：它们对分支的处理方法在程序的执行过程中始终是不变的。它们要么总是预测分支成功，要么总是预测分支失败。
有一指令流水线如下所示
1 2 3 4 出 50ns 50ns 100ns 200ns
（1） 求连续输入10条指令，该流水线的实际吞吐率和效率；
（2） 该流水线的“瓶颈”在哪一段？请采取两种不同的措施消除此“瓶颈”。对于你所给
出的两种新的流水线，连续输入10条指令时，其实际吞吐率和效率各是多少？
解：（1）
2200(ns)2009200)10050(50t )1n (t T max
m
1
i i pipeline =?++++=?-+?=∑= )(ns 220
1T n
TP 1pipeline
-==
45.45%11
5
4400TP m
t
TP E m
1
i i
≈=?
=??
=∑= （2）瓶颈在3、4段。
变成八级流水线（细分）
850(ns)509850t 1)(n t T max
m
1
i i pipeline =?+?=?-+?=∑=
)(ns 851T n
TP 1pipeline
-==
1
2
3_1
3_2
4_1
4_4
入
出
58.82%17
10
8400TP m
ti
TP E m
1
i ≈=?
=??
=∑= 重复设置部件
)(ns 85
1
T n
TP 1pipeline
-==
58.82%17
10
8
85010
400E ≈=??=
有一个流水线由4段组成，其中每当流经第3段时，总要在该段循环一次，然后才能流到第4段。如果每段经过一次所需要的时间都是t ?，问：
（1） 当在流水线的输入端连续地每t ?时间输入任务时，该流水线会发生什么情况？ （2） 此流水线的最大吞吐率为多少？如果每t ?2输入一个任务，连续处理10个任务
时的实际吞吐率和效率是多少？ （3） 当每段时间不变时，如何提高该流水线的吞吐率？仍连续处理10个任务时，其
吞吐率提高多少？
解：（1）会发生流水线阻塞情况。
第1个任务 S1 S2 S3 S3 S4 第2个任务 S1 S2 stall S3 S3 S4 第3个任务 S1 stall S2 stall S3 S3 S4 第4个任务
S1
stall
S2
stall
S3
S3
S4
（2）
1 2 3-1
3-2 4-1
4-2
4-3
4-4
1 2
3_1 3_2 4_1 4_2 4_3 4_4 1 1 1 1
2 2 2 2
3 3 3 3
4 4 4
4
5 5 5 5
6 6 6 6
7 7 7 7
8 8 9 9 10
10
8 9
10 8
9 10
850ns
时间
段
时间
1 1 1 1 1
2 2 2 2 2
3 3 3 3 3
4 4 4 4 4
5 5 5 5 5
6 6 6 6 6
7 7 7 7 7
8 8 8 8 8
9 9 9 9 9 10
10
10 10 10
54.35%
92
5045TP E 2310
T n
Tp 23T 21TP pipeline
pipeline max ≈=??=??==?=?=t t
t t
（3）重复设置部件
t t
??=??==75
1410
T n
TP pipeline
吞吐率提高倍数＝
t
t ??2310
75
＝
有一条静态多功能流水线由5段组成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第3段的时间为2△t ，其余各段的时间均为△t ，而且流水线的输出可以直接返回输入端或 暂存于相应的流水寄存器中。现要在该流水线上计算
，画出其时空图，并计算其吞吐率、加速比和效率。
1
2
3
4 5
乘法
加法
△t
△t
2△t △t △t
)(4
1
i i i B A +∏
=1
2
3_1
3_2
4
Δt
Δt Δt
Δt
段 时间
1
1
2 3_1 3_2 4 1
1 1
1
2
2 2 2 2
3
3 3
3
3
4
4 4
4
4
5
5 5
5
5
6
6 6
6
6
7
7 7
7
7
8
8 8
8
8
9
9
9
9
9
10
10
10
10
10
t
? 14
解：首先，应选择适合于流水线工作的算法。对于本题，应先计算A 1＋B 1、A 2＋B 2、A 3＋B 3和A 4＋B 4；再计算(A 1＋B 1) ×(A 2＋B 2)和(A 3＋B 3) ×(A 4＋B 4)；然后求总的结果。
其次，画出完成该计算的时空图，如图所示，图中阴影部分表示该段在工作。
由图可见，它在18个△t 时间中，给出了7个结果。所以吞吐率为：
t
TP ?=817
如果不用流水线，由于一次求积需3△t ，一次求和需5△t ，则产生上述7个结果共需（4×5+3×3）△t =29△t 。所以加速比为：
该流水线的效率可由阴影区的面积和5个段总时空区的面积的比值求得：
动态多功能流水线由6个功能段组成，如下图：
其中，S1、S4、S5、S6组成乘法流水线，S1、S2、S3、S6组成加法流水线，各个功能段时间均为50ns ，假设该流水线的输出结果可以直接返回输入端，而且设置有足够的缓冲寄存器，若以最快的方式用该流水计算：
∑=5
1
i i
i
i z
y x
（1） 画出时空图； （2） 计算实际的吞吐率、加速比和效率。 解：机器一共要做10次乘法，4次加法。
S1
S2
S3
S4 S5
乘法
加法
S6
时间
段1
2 3 4 5 0 1 2 3
4 5 6 7 8 9
10 11 12 13 14 15 16 输 入
A 1
B 1 A 2 B 2 A 3 B 3 A 4 B 4
A
B
C
D
A B C
D
A ×
B A ×B
C ×
D A ×B ×C ×D
A=A 1＋B 1 B=A 2＋B 2 C=A 3＋B 3 D=A 4＋B 4
C ×D
17 18
61
.18192=??=t
t S 22
3.01853
354=??+?=E
第4章指令级并行
解释下列术语
指令级并行：简称ILP。是指指令之间存在的一种并行性，利用它，计算机可以并行执行两条或两条以上的指令。
指令调度：通过在编译时让编译器重新组织指令顺序或通过硬件在执行时调整指令顺序来消除冲突。
指令的动态调度：是指在保持数据流和异常行为的情况下，通过硬件对指令执行顺序进行重新安排，以提高流水线的利用率且减少停顿现象。是由硬件在程序实际运行时实施的。
指令的静态调度：是指依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。它不是在程序执行的过程中、而是在编译期间进行代码调度和优化的。
简述Tomasulo算法的基本思想。
答：核心思想是：①记录和检测指令相关，操作数一旦就绪就立即执行，把发生RAW 冲突的可能性减小到最少；②通过寄存器换名来消除W AR冲突和W AW冲突。寄存器换名是通过保留站来实现，它保存等待流出和正在流出指令所需要的操作数。
基本思想：只要操作数有效，就将其取到保留站，避免指令流出时才到寄存器中取数据，这就使得即将执行的指令从相应的保留站中取得操作数，而不是从寄存器中。指令的执行结果也是直接送到等待数据的其它保留站中去。因而，对于连续的寄存器写，只有最后一个才真正更新寄存器中的内容。一条指令流出时，存放操作数的寄存器名被换成为对应于该寄存器保留站的名称（编号）。
假设有一条长流水线，仅仅对条件转移指令使用分支目标缓冲。假设分支预测错误的
开销为4个时钟周期，缓冲不命中的开销为3个时钟周期。假设：命中率为90%，预测精度为90%，分支频率为15%，没有分支的基本CPI为1。
（1）求程序执行的CPI。
（2）相对于采用固定的2个时钟周期延迟的分支处理，哪种方法程序执行速度更快？
解：（1）程序执行的CPI = 没有分支的基本CPI（1）+ 分支带来的额外开销
分支带来的额外开销是指在分支指令中，缓冲命中但预测错误带来的开销与缓冲没有命中带来的开销之和。
分支带来的额外开销= 15% * (90%命中×10%预测错误×4 + 10％没命中×3)=
所以，程序执行的CPI ＝1 ＋=
（2）采用固定的2 个时钟周期延迟的分支处理CPI = 1 + 15%×2 =
由（1）（2）可知分支目标缓冲方法执行速度快。
假设分支目标缓冲的命中率为90%，程序中无条件转移指令的比例为5%，没有无条件转移指令的程序CPI值为1。假设分支目标缓冲中包含分支目标指令，允许无条件转移指令进入分支目标缓冲，则程序的CPI值为多少？
解：设每条无条件转移指令的延迟为x，则有：
1＋5%×x＝
x＝2
当分支目标缓冲命中时，无条件转移指令的延迟为0。
所以程序的CPI ＝1 ＋2 ×5% ×(1 －90%) ＝
第5章存储层次
解释下列术语
多级存储层次：采用不同的技术实现的存储器，处在离CPU不同距离的层次上，各存储器之间一般满足包容关系，即任何一层存储器中的内容都是其下一层（离CPU更远的一层）存储器中内容的子集。目标是达到离CPU最近的存储器的速度，最远的存储器的容量。
全相联映象：主存中的任一块可以被放置到Cache中任意一个地方。
直接映象：主存中的每一块只能被放置到Cache中唯一的一个地方。
组相联映象：主存中的每一块可以放置到Cache中唯一的一组中任何一个地方（Cache分成若干组，每组由若干块构成）。
替换算法：由于主存中的块比Cache中的块多，所以当要从主存中调一个块到Cache中时，会出现该块所映象到的一组（或一个）Cache块已全部被占用的情况。这时，需要被迫腾出其中的某一块，以接纳新调入的块。
5.2简述“Cache—主存”层次与“主存—辅存”层次的区别。
存储层次
“Cache—主存”层次“主存—辅存”层次比较项目
目的为了弥补主存速度的不足为了弥补主存容量的不足存储管理的实现全部由专用硬件实现主要由软件实现
访问速度的比值
几比一几万比一
（第一级比第二级）
典型的块（页）大小几十个字节几百到几千个字节CPU对第二级的访问方式可直接访问均通过第一级
不命中时CPU是否切换不切换切换到其它进程
5.3地址映象方法有哪几种？它们各有什么优缺点？
答：(1) 全相联映象。实现查找的机制复杂，代价高，速度慢。Cache空间的利用率较高，块冲突概率较低，因而Cache的失效率也低。（2）直接映象。实现查找的机制简单，速度快。Cache空间的利用率较低，块冲突概率较高，因而Cache的失效率也高。（3）组相联映象。组相联是直接映象和全相联的一种折衷。
在“Cache—主存”层次中，主存的更新算法有哪两种？它们各有什么特点？
答：（1）写直达法。易于实现，而且下一级存储器中的数据总是最新的。
（2）写回法。速度快，“写”操作能以Cache存储器的速度进行。而且对于同一单元的多个写最后只需一次写回下一级存储器，有些“写”只到达Cache，不到达主存，因而所使用的存储器频带较低。
组相联Cache的失效率比相同容量直接映象Cache的失效率低。由此能否得出结论：采用组相联一定能带来性能上的提高？为什么？
答：不一定。因为组相联命中率的提高是以增加命中时间为代价的，组相联需要增加多路选择开关。
写出三级Cache的平均访问时间的公式。
解：平均访存时间＝命中时间＋失效率×失效开销
只有第I层失效时才会访问第I＋1。
设三级Cache的命中率分别为H L1、 H l2、 H L3，失效率分别为M l1、M l2、M L3，第三级Cache的失效开销为P L3。
平均访问时间T A ＝H L1＋M l1{H l2＋M l2(H L3＋M L3×P L3)}
假设对指令Cache的访问占全部访问的75%；而对数据Cache的访问占全部访问的25%。Cache的命中时间为1个时钟周期，失效开销为50 个时钟周期，在混合Cache中一次load或store操作访问Cache的命中时间都要增加一个时钟周期，32KB的指令Cache的失效率为%，32KB的数据Cache的失效率为%，64KB的混合Cache的失效率为%。又假设采用写直达策略，且有一个写缓冲器，并且忽略写缓冲器引起的等待。试问指令Cache和数据Cache容量均为32KB的分离Cache和容量为64KB的混合Cache相比，哪种Cache的失效率更低？两种情况下平均访存时间各是多少？
解：（1）根据题意，约75%的访存为取指令。
因此，分离Cache的总体失效率为：（75%×%）＋（25%×%）＝%；
容量为128KB的混合Cache的失效率略低一些，只有%。
（2）平均访存时间公式可以分为指令访问和数据访问两部分：
平均访存时间＝指令所占的百分比×（读命中时间＋读失效率×失效开销）＋
数据所占的百分比×（数据命中时间＋数据失效率×失效开销）
所以，两种结构的平均访存时间分别为：
分离Cache 的平均访存时间＝75%×（1＋%×50）＋25%×（1＋%×50） ＝（75%×）＋（25%×）＝
混合Cache 的平均访存时间＝75%×（1＋%×50）＋25%×（1＋1＋%×50） ＝（75%×）＋（25%×）＝
因此，尽管分离Cache 的实际失效率比混合Cache 的高，但其平均访存时间反而较低。分离Cache 提供了两个端口，消除了结构相关。
第6章输入输出系统
解释以下术语
响应时间：从用户键入命令开始，到得到结果所花的时间。
通道：专门负责整个计算机系统输入/输出工作的专用处理机，能执行有限的一组输入输出指令。
通道流量：指一个通道在数据传送期间，单位时间内能够传送的数据量。
虚拟DMA ：它允许DMA 设备直接使用虚拟地址，并在DMA 传送的过程中由硬件将虚拟地址转换为物理地址。
异步I/O ：允许进程在发出I/O 请求后继续执行，直到该进程真正访问这些数据而它们又尚未就绪时，才被挂起。
假设一台计算机的I/O 处理时间占10%，当其CPU 性能改进为原来的100倍，而I/O 性能仅改进为原来的2倍时，系统总体性能会有什么样的变化？
解：94.1690%/100
10%/21
=+=
加速比
同步总线和异步总线各有什么优缺点？
答：(1) 同步总线。同步总线上所有设备通过统一的总线系统时钟进行同步。同步总线成本低，因为它不需要设备之间互相确定时序的逻辑。但是其缺点是总线操作必须以相同的速度运行。 (2) 异步总线。异步总线上的设备之间没有统一的系统时钟，设备自己内部定时。设备之间的信息传送用总线发送器和接收器控制。异步总线容易适应更广泛的设备类型，扩充总线时不用担心时钟时序和时钟同步问题。但在传输时，异步总线需要额外的同步开销。
计算机系统字长32位，包含两个选择通道和一个多路通道，每个选择通道上连接了两台磁盘机和两台磁带机，多路通道上连接了了两台行式打印机，两台读卡机，10台终端，假定各设备的传输率如下：
磁盘机：800KBps 磁带机：200KBps 行打机： 读卡机：
终 端：1KBps
计算该计算机系统的最大I/O 数据传输率。
解：本题要求计算通道的吞吐率，而且机器有一个多路通道，这就有两种可能：字节多路通道和数组多路通道。因为如果将多路通道组织成数组多路通道，某个时刻通道只能为一台设备传送数据，所以它的传输率是所有设备的传输率的最大值，而如果将它组织成字节多路通道，该通道的最大传输率就是所有设备的传输率之和。 所以在本题中，从性能上考虑，应组织成字节多路通道形式。 所以此类通道的最大传输率为：
（1）f BYTE ＝∑fi ＝f 打印机传输率×2＋f 读卡机传输率×2＋f 终端传输率×10＝ （i ＝1..14）
（2）两个选择通道连接的设备相同，所以只要计算其中一个通道的传输率既可。因为磁盘机的传输率大于磁带机。所以此类通道的传输率为：
max{800，200}＝800KBps
所以本系统的最大数据传输率为： f 系统＝2×800＋＝。
简述通道完成一次数据传输的主要过程。 答：（1）在用户程序中使用访管指令进入管理程序，由CPU 通过管理程序组织一个通道程序，并启动通道。 (2) 通道处理机执行CPU 为它组织的通道程序，完成指定的数据I/O 工作。 (3) 通道程序结束后向CPU 发中断请求。CPU 响应这个中断请求后，第二次进入操作系统，调用管理程序对I/O 中断请求进行处理。
试比较三种通道的优缺点及适用场合。 答：（1）字节多路通道。一种简单的共享通道，主要为多台低速或中速的外围设备服务。（2）数组多路通道。适于为高速设备服务。（3）选择通道。为多台高速外围设备（如磁盘存储器等）服务的。
一个字节多路通道连接有6台设备，它们的数据传输率如下表所示。
设备名称
D 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D 6
数据传输速率（B/ms ） 50 50 40 25 25 10
（1） （2） 若通道的最大流量等于实际工作流量，求通道的工作周期Ts+T D 。 解：（1）通道实际流量为
ms B f f i i byte /2001025254050506
1
=+++++==
∑=
（2）由于通道的最大流量等于实际工作流量，即有
ms B T T f D
S byte /2001
m ax =+=-
可得，通道的工作周期Ts+T D = 5μs 。
设某个字节多路通道的设备选择时间Ts 为μs ，传送一个字节的数据所需的时间T D 为μs 。若某种低速外设每隔500μs 发出一次传送请求，那么，该通道最多可连接多少台这种外设？
解：字节多路通道的最大流量为：D
S byte T T f +=-1
m ax
字节多路通道的实际流量为：∑==p
i i byte f f 1
其中，p 为通道连接的外设台数，f i 为外设i 的数据传输速率。因为连接的是同样的外设，所以f 1=f 2=…=f p =f ，故有f byte =pf 。
通道流量匹配的要求有：f max-byte ≥f byte
即有：pf T T D S ≥+1；可得：f
T T p D S )(1
+≤
已知Ts = μs ，T D = μs ，1/f = 500μs ，可求出通道最多可连接的设备台数为：
50)2.08.9(500)(1
=+=+≤s s f T T p D S μμ
在有Cache 的计算机系统中，进行I/O 操作时，会产生哪些数据不一致问题？如何克服？
答：（1）存储器中可能不是CPU 产生的最新数据 ，所以I/O 系统从存储器中取出来的是陈旧数据。
（2）I/O 系统与存储器交换数据之后，在Cache 中，被CPU 使用的可能就会是陈旧数据。
第一个问题可以用写直达Cache 解决。
第二个问题操作系统可以保证I/O 操作的数据不在cache 中。如果不能，就作废Cache 中相应的数据。
假设在一个计算机系统中：
（1） 每页为32KB ，Cache 块大小为128字节；
（2） 对应新页的地址不在Cache 中，CPU 不访问新页中的任何数据； （3） Cache 中95%的被替换块将再次被读取，并引起一次失效； （4） Cache 使用写回方法，平均60%的块被修改过； （5） I/O 系统缓冲能够存储一个完整的Cache 块； （6） 访问或失效在所有Cache 块中均匀分布；
（7） 在CPU 和I/O 之间，没有其它访问Cache 的干扰； （8） 无I/O 时，每100万个时钟周期内有18000次失效；
（9） 失效开销是40个时钟周期。如果被替换的块被修改过，则再加上30个周期用
于写回主存；
（10） 假设计算机平均每200万个周期处理一页。 试分析I/O 对于性能的影响有多大？ 解：每个主存页有32K/128＝256块。
因为是按块传输，所以I/O 传输本身并不引起Cache 失效。但是它可能要替换Cache 中的有效块。如果这些被替换块中有60％是被修改过的，将需要（256×60％）×30＝4608个时钟周期将这些被修改过的块写回主存。
这些被替换出去的块中，有95％的后继需要访问，从而产生95％×256＝244次失效，将再次发生替换。由于这次被替换的244块中数据是从I/O 直接写入Cache 的，因此所有块都为被修改块，需要写回主存（因为CPU 不会直接访问从I/O 来的新页中的数
据，所以它们不会立即从主存中调入Cache），需要时间是244×（40＋30）＝17080个时钟周期。
没有I/O时，每一页平均使用200万个时钟周期，Cache失效36000次，其中60％被修改过，所需的处理时间为：
（36000×40％）×40＋（36000×60％）×（40＋30）＝2088000（时钟周期）时钟I/O造成的额外性能损失比例为
（4608＋17080）÷（2000000＋2088000）＝％
即大约产生％的性能损失。
第7章互连网络
解释以下术语
线路交换：在线路交换中，源结点和目的结点之间的物理通路在整个数据传送期间一直保持连接。
分组交换：把信息分割成许多组（又称为包），将它们分别送入互连网络。这些数据包可以通过不同的路径传送，到目的结点后再拼合出原来的数据，结点之间不存在固定连接的物理通路。
静态互连网络：各结点之间有固定的连接通路、且在运行中不能改变的网络。
动态互连网络：由交换开关构成、可按运行程序的要求动态地改变连接状态的网络。
第8章多处理机
解释以下术语
集中式共享多处理机：也称为对称式共享存储器多处理SMP。它一般由几十个处理器构成，各处理器共享一个集中式的物理存储器，这个主存相对于各处理器的关系是对称的，
分布式共享多处理机：它的共享存储器分布在各台处理机中，每台处理机都带有自己的本地存储器，组成一个“处理机-存储器”单元。但是这些分布在各台处理机中的实际存储器又合在一起统一编址，在逻辑上组成一个共享存储器。这些处理机存储器单元通过互连网络连接在一起，每台处理机除了能访问本地存储器外，还能通过互连网络直接访问在其他处理机存储器单元中的“远程存储器”。
3.1 简述流水线技术的特点。（1） 流水线把一个处理过程分解为若干个子过程，每个子过程由一个专门的功能部件来实现。因此，流水线实际上是把一个大的处理功能部件分解为多个独立的功能部件，并依靠它们的并行工作来提高吞吐率。（2） 流水线中各段的时间应尽可能相等，否则将引起流水线堵塞和断流。（3） 流水线每一个功能部件的前面都要有一个缓冲寄存器，称为流水寄存器。（4） 流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端不断地提供任务，才能充分发挥流水线的效率。（5） 流水线需要有通过时间和排空时间。在这两个时间段中，流水线都不是满负荷工作。 3.2 解决流水线瓶颈问题有哪两种常用方法？答：细分瓶颈段与重复设置瓶颈段 3.3 有一条指令流水线如下所示： （1 用两给出条指 （1） （24? 变八级流水线（细分） ? 重复设置部件 )(ns 85 1 T n TP 1pipeline -== 3.4 有一个流水线由4段组成，其中每当流过第三段时，总要在该段循环一次，然后才能流到第4段。如果每段经过一次所需的时间都是△t ，问： （1）当在流水线的输入端连续地每△t 时间输入一个任务时，该流水线会发生什么情况？ （2）此流水线的最大吞吐率为多少？如果每2△t 输入一个任务，连续处理10个任务时，其实际吞吐率和效率是多少？ （3）当每段时间不变时，如何提高流水线的吞吐率？人连续处理10个任务时，其吞吐率提高多少？ 解：（1）会发生流水线阻塞情况。
（2） （3）重复设置部件 吞吐率提高倍数＝ t t ??2310 75 ＝1.64 3.5 有一条动态多功能流水线由5段组成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第2段的时间为2△t ，其余各段的时间均为△t ，而且流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应的流水线寄存器中。现在该流水线上计算 ∏=+4 1 )(i i i B A ，画出时空图，并计算其吞吐率、加速比和效率。 ＋B 4；再计算由图可见，它在18个△t 时间中，给出了7个结果。所以吞吐率为： 如果不用流水线，由于一次求积需3△t ，一次求和需5△t ，则产生上述7个结果共需（4×5+3×3）△t =29△t 。所以加速比为： 该流水线的效率可由阴影区的面积和5个段总时空区的面积的比值求得： 3.6 在一个5段流水线处理机上,各段执行时间均为△t,需经9△t 才能完成一个任务,其预约表如下所示。 段23 时间 入 A 1 B 1 A 2 B 2 A 3 B 3 A 4 B 4 A B C D A × B C ×D
计算机体系结构期末复习资料 1.并行性：是指在同一时刻或者是同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作。 2.CPI：每条指令执行时所花费的平均时钟周期。 3.体系结构：即计算机的属性，即概念性结构与功能特性。 4.Amdahl定理：加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。 5.信息存储的整数边界：信息在主存中存放的起始地址必须是该信息（字节数）的整数倍。 6.指令系统的正交性：指在指令中各个不同含义的字段，在编码时应互不相关，相互独立。 7.流水线技术：是指将一个重复的时序过程，分解成为若干子过程，而每个过程都可有效在其专用功能段上与其他子过程同时执行。 8.定向技术：在某条指令产生一个结果之前，其他指令并不直接需要该计算结果，如果能将该计算结果从其他产生的地方直接送到其他指令需要它的地方，那么就可以避免暂停的技术就叫定向技术。 9.相关：衡量两个随机变量之间相关程度的指标。 10.向量流水处理机：是指处理机具有向量数据表示并通过向量指令对向量的各元素进行处理。、
11.定向：将计算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要它的地方，或所有需要它的功能单元，避免暂停。 12.指令集的并行：当指令之间不存在相关时，它们在流水线中是可以重叠起来并行执行。 13.记分牌技术：流出和读操作数。在没有结构冲突时,尽可能早地执行没有数据冲突的指令,实现每个时钟周期执行一条指令。如果某条指令被暂停,而后面的指令与流水线中正在执行或被暂停的指令都不相关,是这些指令可以跨越它,继续流出和执行下去。 14.Tomasulo算法：寄存器换名是通过保留站和流出逻辑来共同完成,当指令流出时,如果其操作数还没有计算出来,则该指令中相应的寄存器换名将产生这个操作数的保留站的标识。因此,指令流出到保留站后,其操作数寄存器或者换成了数据本身,或换成了保留站的标识,和寄存器无关。后面指令对该寄存器的写入操作就不会产生WAR冲突。 15.替换算法：由于主存中的块比Cache中的块多，所以当要从主存中调一个块到Cache中时，会出现该块所映象到的一组（或一个）Cache块已全部被占用的情况。这时，需要被迫腾出其中的某一块，以接纳新调入的块。
（答案仅供参考如有不对请自己加以思考） 第一章计算机网络体系结构 一、习题 1．比特的传播时延与链路带宽的关系（）。 A．没有关系 B. 反比关系 C. 正比关系 D. 无法确定 2.计算机网络中可以没有的是（）。 A. 客服机 B. 操作系统 C. 服务器 D.无法确定 3.在OSI参考模型中，提供流量控制的层是第（1）层；提供建立、维护和拆除端到端连接的层是（2）；为数据分组提供在网络中路由功能的是（3）；传输层提供（4）的数据传送；为网络层实体提供数据发送和接收功能和过程的是（5）。 （1）A. 1、2、3 B. 2、3、4 C. 3、4、5 D. 4、5、6 （2）A. 物理层 B. 数据链路层 C. 会话层 D. 传输层 （3）A. 物理层 B. 数据链路层 C. 网络层 D.传输层 （4）A. 主机进程之间 B. 网络之间 C. 数据链路层 D. 物理线路层 （5）A. 物理层 B. 数据链路层 C. 会话层 D. 传输层 4.计算机网络的基本分类方法主要有两种：一种是根据网络所使用的传输技术；另一种是根据（）。 A. 网络协议 B. 网络操作系统 C. 覆盖范围与规模 D. 网络服务器类型与规模 5.计算机网络从逻辑功能上可分为（）。 Ⅰ.资源子网Ⅱ.局域网Ⅲ.通信子网Ⅳ.广域网 A.Ⅱ、Ⅳ B.Ⅰ、Ⅲ B. Ⅰ、Ⅳ D. Ⅲ、Ⅳ 6. 计算机网络最基本的功能是（）。 Ⅰ. 流量控制Ⅱ.路由选择 Ⅲ. 分布式处理Ⅳ. 传输控制 A. Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ B.Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ C. Ⅰ、Ⅳ D. Ⅲ、Ⅳ 7.世界上第一个计算机网络是（）。 A.ARPANET B. 因特网 C. NSFnet D. CERNET 8. 物理层、数据链路层、网络层、传输层的传输单位（或PDU）分别是（）。 Ⅰ.帧Ⅱ. 比特Ⅲ.报文段Ⅳ.数据报 A.Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅲ B. Ⅱ、Ⅰ、Ⅳ、Ⅲ C. Ⅰ、Ⅳ、Ⅱ、Ⅲ D. Ⅲ、Ⅳ、Ⅱ、Ⅰ 9.设某段电路的传播时延是10ms，带宽为10Mbit/s，则该段电路的时延带宽积为（）。 A.2×105 bit B.4×105 bit C.1×105 bit D. 8×105 bit
计算机系统结构作业参考答案 一、 1、试述现代计算机系统的多级层次结构。 计算机系统具有层次性，它由多级层次结构组成。从功能上计算机系统可分为五个层次级别：第一级是设计级。这是一个硬件级，它由机器硬件直接执行。 第二级是一般机器级，也称为机器语言级。它由微程序解释系统.这一级是硬件级。 第三级是操作系统级，它由操作系统程序实现。这些操作系统由机器指令和广义指令组成，这些广义指令是操作系统定义和解释的软件指令。这一级也称混合级。 第四级是汇编语言级。它给程序人员提供一种符号形式的语言，以减少程序编写的复杂性。这一级由汇编程序支持执行。 第五级是高级语言级。这是面向用户为编写应用程序而设置的。这一级由各种高级语言支持。 2、试述RISC设计的基本原则和采用的技术。 答：一般原则： (1)确定指令系统时，只选择使用频度很高的指令及少量有效支持操作系统，高级语言及其它功能 的指令，大大减少指令条数，一般使之不超过100条； (2)减少寻址方式种类，一般不超过两种； (3)让所有指令在一个机器周期内完成； (4)扩大通用寄存器个数，一般不少于32个，尽量减少访存次数； (5)大多数指令用硬联实现，少数用微程序实现； (6)优化编译程序，简单有效地支持高级语言实现。
基本技术： (1)按RISC一般原则设计，即确定指令系统时，选最常用基本指令，附以少数对操作系统等支持最有用的指令，使指令精简。编码规整，寻址方式种类减少到1、2种。 (2)逻辑实现用硬联和微程序相结合。即大多数简单指令用硬联方式实现，功能复杂的指令用微程序实现。 (3)用重叠寄存器窗口。即：为了减少访存，减化寻址方式和指令格式，简有效地支持高级语言中的过程调用，在RISC机器中设有大量寄存嚣，井让各过程的寄存器窗口部分重叠。 (4)用流水和延迟转移实现指令，即可让本条指令执行与下条指令预取在时间上重叠。另外，将转移指令与其前面的一条指令对换位置，让成功转移总是在紧跟的指令执行之后发生，使预取指令不作废，节省一个机器周期。 (5)优化设计编译系统。即尽力优化寄存器分配，减少访存次数。不仅要利用常规手段优化编译，还可调整指令执行顺序，以尽量减少机器周期等。 3、试述全相联映像与直接映像的含义及区别 （1）全相连映像 主存中任何一个块均可以映像装入到Cache中的任何一个块的位置上。主存地址分为块号和块内地址两部分，Cache地址也分为块号和块内地址。Cache的块内地址部分直接取自主存地址的块内地址段。主存块号和Cache块号不相同，Cache块号根据主存块号从块表中查找。Cache保存的各数据块互不相关，Cache必须对每个块和块自身的地址加以存储。当请求数据时，Cache控制器要把请求地址同所有的地址加以比较，进行确认。 （2）直接映像 把主存分成若干区，每区与Cache大小相同。区内分块，主存每个区中块的大小和Cache 中块的大小相等，主存中每个区包含的块的个数与Cache中块的个数相等。任意一个主存块只能映像到Cache中唯一指定的块中，即相同块号的位置。主存地址分为三部分：区号、块号和块内地址，Cache地址分为：块号和块内地址。直接映像方式下，数据块只能映像到Cache中唯一指定的位置，故不存在替换算法的问题。它不同于全相连Cache，地址仅需比较一次。 （3）区别： 全相连映像比较灵活，块冲突率低，只有在Cache中的块全部装满后才会出现冲突，Cache 利用率高。但地址变换机构复杂，地址变换速度慢，成本高。 直接映像的地址变换简单、速度快，可直接由主存地址提取出Cache地址。但不灵活，块冲突率较高，Cache空间得不到充分利用。 4. 画出冯?诺依曼机的结构组成？
得分 评分人 填空题: （20分，每题2 分） 单选题：（10分，每题1分） A.任何虚页都可装入主存中任何实页的位置 B. 一个虚页只装进固定的主存实页位置 《计算机系统结构》期末考试试卷（A ） 得分 注：1、共100分，考试时间120分钟。 2、此试卷适用于计算机科学与技术本科专业。 1、."启动I/O"指令是主要的输入输出指令，是属于（ A. 目态指令 B.管态指令 C.目态、管态都能用的指令 D.编译程序只能用的指令 2、 输入输出系统硬件的功能对 （B ）是透明的 A.操作系统程序员 B.应用程序员 C.系统结构设计人员 D.机器语言程序设计员 3、 全相联地址映象是指（A ） C. 组之间固定，组内任何虚页可装入任何实页位置 D.组间可任意装入，组内是固定装入 4、（ C ） 属于MIMD 系统结构 A.各处理单元同时受一个控制单元的管理 B.各处理单元同时受同个控制单元送来的指令 C.松耦合多处理机和多计算机系统 D. 阵列处理机 5、多处理机上两个程序段之间若有先写后读的数据相关，则（ B ） A.可以并行执行 B.不可能并行 C.任何情况均可交换串行 D.必须并行执行 6、 计算机使用的语言是（B ） A.专属软件范畴，与计算机体系结构无关 B.分属于计算机系统各个层次 C.属于用以建立一个用户的应用环境 D. 属于符号化的机器指令 7、 指令执行结果出现异常引起的中断是（ C ） A.输入/输出中断 B.机器校验中断 C.程序性中断 D.外部中断 &块冲突概率最高的 Cache 地址映象方式是（A ） A.直接 B .组相联 C .段相联 D .全相联 9、 组相联映象、LRU 替换的Cache 存储器，不影响 Cache 命中率的是（B ） A.增大块的大小 B .增大主存容量 C .增大组的大小 D .增加Cache 中的块数 10、 流水处理机对全局性相关的处理不 包括（C ） A.猜测法 B.提前形成条件码 C.加快短循环程序的执行 D.设置相关专用通路
第一章计算机系统结构的基本概念 历年真题精选 1. 下列对系统程序员不透明的是（）。 A. 乘法器 B. 先行进位链 C. 指令缓冲器 D. 条件码寄存器2．“从中间开始”设计的“中间”目前多数是在（ D ）。 A. 微程序机器级与汇编语言机器级之间 B. 操作系统机器级与汇编语言机器级之间 C. 传统机器语言机器级与微程序机器级之间 D. 传统机器语言机器级与操作系统机器级之间 3. 开发计算机系统结构并行性的主要技术途径有时间重叠、（资源重复）和（资源 共享）。 4. 计算机系统弗林分类法，把计算机系统分成单指令流单数据流（SISD）、单指令流多数 据流（SIMD）、（多指令流单数据流（MISD））和（多指令流多数据流（MIMD））四大类。 5. 设计指令系统时，以乘法运算为例，简述系统结构设计、计算机组成设计、计算机实现 各应考虑的问题。（ P4） 6. 实现软件移植的途径有哪些各受什么限制（ P14） 同步强化练习 一．单项选择题。 1. 实现汇编语言源程序变换成机器语言目标程序是由（ C ）。 A. 编译程序翻译 B. 编译程序解释 C. 汇编程序翻译 D. 汇编程序解释 2. 系列机软件应做到（ B ） A. 向前兼容，并向下兼容 B. 向后兼容，力争向上兼容 C. 向前兼容，并向上兼容 D. 向后兼容，力争向下兼容 3. 在计算机系统多级层次结构中，机器级由低到高，相对顺序正确的应当是（ B ）。 A. 传统机器语言、汇编语言、操作系统 B. 微程序、传统机器语言、高级语言 C. 高级语言、汇编语言、传统机器语言 D. 传统机器语言、应用语言、高级语言 4. 可以直接执行微指令的是（ C ）。 A. 编译程序 B. 微程序 C. 硬件 D. 汇编程序 5. 计算机系统结构不包括（ A ）。 A. 主存速度 B. 数据表示 C. 机器工作状态 D. 信息保护 6. 对计算机系统结构透明的是（）。 A. 是否使用通道型I/0处理机 B. 虚拟存储器 C. 字符行运算指令 D. VLSI技术 7. 在主存设计上，属计算机系统结构考虑的应是（ C ）。 A. 频宽的确定 B. 多体交叉还是单体 C. 容量和编址单位 D. 用MOS还是TTL 8. 计算机组成设计不考虑（ B ）。 A. 缓冲技术 B. 功能部件的集成度 C. 专用部件设置 D. 控制机构的组成
1.Explain the Concepts Computer Architecture 系统结构 由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性。即计算机系统的软硬件界面。 Advanced CA 高级系统结构 新型计算机系统结构。基于串行计算机结构，研究多指令多数据计算机系统，具有并发、可扩展和可编程性。为非冯式系统结构。 Amdahl law Amdahl定律 系统中某部件由于采用某种方式时系统性能改进后，整个系统性能的提高与该方式的使用频率或占的执行时间的比例有关。 SCALAR PROCESSING 标量处理机 在同一时间内只处理一条数据。 LOOK-AHEAD 先行技术 通过缓冲技术和预处理技术，解决存储器冲突，使运算器能够专心与数据的运算，从而大幅提高程序的执行速度。 PVP 向量型并行计算处理机 以流水线结构为主的并行处理器。 SMP 对称多处理机系统 任意处理器可直接访问任意内存地址,使用共享存储器，访问延迟、带宽、机率都是等价的。MPP 大规模并行计算机系统 物理和逻辑上均是分布内存，能扩展至成百上千处理器，采用专门设计和定制的高通信带宽和低延迟的互联网络。 DSM 分布式共享存储系统 内存模块物理上局部于各个处理器内部,但逻辑上是共享存储的。 COW 机群系统 每个节点都是一个完整的计算机，各个节点通过高性能网络相互连接，网络接口和I/O总线松耦合连接，每个节点有完整的操作系统。 GCE 网格计算环境 利用互联网上的计算机的处理器闲置处理能力来解决大型计算问题的一种科学计算。 CISC 复杂指令集计算机
通过设置一些复杂的指令，把一些原来由软件实现的常用功能改用硬件实现的指令系统实现，以此来提高计算机的执行速度。 RISC 精简指令集计算机 尽量简化计算机指令功能，只保留那些功能简单，能在一个节拍内执行完的指令，而把复杂指令用段子程序来实现。 VMM 虚拟机监视器 作为软硬件的中间层，在应用和操作系统所见的执行环境之间。 SUPERCOMPUTER 超级计算机 数百数千甚至更多的处理器组成的能计算普通计算机不能完成的大型复杂问题的计算机。SVM 共享虚拟存储器 存储器虚拟化为一个共享的存储器，并提供单一的地址空间。 MAINFRAME 大型计算机 作为大型商业服务器，一般用于大型事务处理系统，特别是过去完成的且不值得重新编写的数据库应用系统方面。 COMPUTER SYSTEM ON CHIP 片上计算机系统 在单个芯片上集成的一个完整系统。 PARALLEL ARCHITECTURE INTO SINGLE CHIP 单片并行结构 在单个芯片上采用的并行体系结构 MOORE law Moore定律 当价格不变时，集成电路上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。 UMA 一致存储访问 采用集中式存储的模式，提供均匀的存储访问。 NUMA 非一致存储访问 内存模块局部在各个结点内部，所有局部内存模块构成并行机的全局内存模块。 COMA 全高速缓存存储访问 采用分布式存储模式，通过高速缓存提供快速存储访问。 CC-NUMA 全高速缓存非一致性均匀访问 存在专用硬件设备保证在任意时刻，各结点Cache中数据与全局内存数据的一致性。NORMA 非远程存储访问
第一章： 1.计算机系统结构的定义 答：由程序设计者看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。 2.透明性概念 答：在计算机技术中，一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，称为透明性现象。 3.兼容性向后兼容 兼容性：同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各档机器，可获得相同的结果，差别只在于不同的运行时间。 向后兼容：按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改就能运行于在它之后投入市场的机器。 4.Amdahl定律 答：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。 5.CPI 答：每条指令的平均时钟周期数。 6.MIPS 答：每秒百万条指令数！MIPS=时钟频率/(CPI*10^6) 7.MFLOPS 答：每秒百万次浮点操作次数。MFLOPS=程序中的浮点操作次数/(执行时间*10^6) 8.命中率的概念 答： 9.Flynn分类法是按指令流和数据流的多倍性特征进行计算机系统结构的划分 答：①单指令流单数据流SISD ②单指令流多数据流SIMD ③多指令流单数据流MISD（实际不存在）④多指令流多数据流MIMD 10.计算机系统设计的定量原理（四个） 答：①加快经常性事件的速度②Amdahl定律③CPU性能公式④访问的局部性原理11.CPI和加速比的计算 答：CPI=CPU时钟周期数/IC CPU时间=CPU时钟周期数/频率 CPU时间=CPU时钟周期*时钟周期长 加速比=（采用改进措施后的性能）/（没有采用改进措施前的性能） =(没有采用改进措施前执行某任务的时间)/(采用改进措施后执行某任务的时间) 12.软硬件实现的特点 硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少 软件实现：速度低、复制费用低；灵活性好、占用内存多 13.系统评价的标准 ①运算速度②存储器系统③其他性能④成本标准
第一章计算机网络体系结构 【例 1.1】计算机网络可以被理解为（） A．执行计算机数据处理的软件模块 B．由自主计算机互连起来的集合体 C．多个处理器通过共享内存实现的紧耦合系统 D．用于共同完成一项任务的分布式系统 【例 1.2】广域网中广泛采用的拓扑结构是（） A．树型 B.网状 C星型 D.环型 【例 1.3】局域网与广域网之间的差异不仅仅在于它们所能覆盖的地理范围不同，而且还在于（） A.所使用的传输介质不同 B.所提供的服务不同 C.所能支持的通信量不同 D.所使用的协议不同 【例 1.4】OSI参考模型中，网络层、数据链路层和物理层传输的协议数据单元（PDU）分别称为（） A. 报文（message）、帧（frame）、比特（bit） B. 分组（packet）、报文（message）、比特（bit） C. 分组（packet）、帧（frame）、比特（bit） D. 数据报（datagram）、帧（frame）、比特（bit） 【例 1.5】在TCP/IP协议簇的层次中，解决计算机之间通信问题的是（） A．网络接口层 B.网络层 C.运输层 D.应用层 【例 1.6】在OSI参考模型中，服务原语可划分为4类，包括请求、指示、响应和（） A.答复 B.确认 C.应答 D.接收 【例 1.7】一个系统的协议结构有N层，应用程序产生M字节长的报文，
网络软件在每层加上h字节的协议头，网络带宽中有多大比率用于协议头信息的传输？ 【例 1.8】请描述OSI模型中数据流动的过程。 精选试题练习 【题 1.1】计算机网络可以被看成是自治的计算机系统的集合，其中“自治的计算机”主要指（） A.可以独立运行的计算机 B.网络计算机 C.裸机 D.网络终端 【题 1.2】将计算机与计算机之间连接起来实现资源共享和数据通信，属于计算机网络发展的（） A.联机系统阶段 B.计算机网络阶段 C.标准化网络阶段 D.网络互连和高速网络阶段 【题 1.3】计算机网络中可以共享的资源包括（） A.客户机和服务器 B.硬件、软件和数据 C.主机、CPU、内存和外部设备 D.计算机和传输介质 【题 1.4】一下不属于协议的三要素的是（） A.语法 B.语义Ｃ．时序 Ｄ．异步 【题1.５】通信协议包括了对通信过程的说明，规定了应当发出哪些控制信息，完成哪些动作以及做出哪些应答，并对发布请求、执行动作以及返回应答予以解释。这些说明描述了协议的（） A.语法 B.语义Ｃ．时序 Ｄ．异步 【题 1.６】下列不是网络模型进行分层的目标的是（） Ａ．提供标准语言 Ｂ．定义标准界面
计算机体系结构 第一章 1.11 Availability is the most important consideration for designing servers, followed closely by scalability and throughput. a. We have a single processor with a failures in time(FIT) of 100. What is the mean time to failure (MTTF) for this system? b. If it takes 1 day to get the system running again, what is the availability of the system? c. Imagine that the government, to cut costs, is going to build a supercomputer out of inexpensive computers rather than expensive, reliable computers. What is the MTTF for a system with 1000 processors? Assume that if one fails, they all fail. 答： a. 平均故障时间(MTTF)是一个可靠性度量方法，MTTF的倒数是故 障率，一般以每10亿小时运行中的故障时间计算(FIT)。因此由该定义可知1/MTTF=FIT/10＾9，所以MTTF=10^9/100=10^7。b. 系统可用性=MTTF/(MTTF+MTTR)，其中MTTR为平均修复时间， 在该题目中表示为系统重启时间。计算10^7/(10^7+24)约等于1. c. 由于一个处理器发生故障，其他处理器也不能使用，所以故障率 为原来的1000倍，所以MTTF值为单个处理器MTTF的1/1000即10^7/1000=10^4。 1.14 In this exercise, assume that we are considering enhancing
第1章计算机系统结构的基本概念 1.1 解释下列术语 层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。这些层次依次为：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：用软件实现的机器。 翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。 解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。 计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。 透明性：在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。 计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，包含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：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、冷却及整机装配技术等。 系统加速比：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：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：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。包括时间局部性和空间局部性。 CPI：每条指令执行的平均时钟周期数。 测试程序套件：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：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：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：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。差别只是执行时间的不同。 向上（下）兼容：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：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
《计算机体系结构》期末考试A卷 (总分：100分，时间：100分钟) 姓名：周元华 专业：计算机科学与技术 学号： 18260070164016 学习中心：上海弘成 一、填空题（每空1分，共14分） 1.高速缓冲存储器的地址映象方式有三种，它们分别是：全向量方式，直接相联方式，组相连方式。 2.虚拟存储器的三种管理方式是段式管理，页式管理和 段页式管理。 3.从主存的角度来看，“Cache—主存”层次的目的是为了提高速度，而“主存—辅存”层次的目的是为了扩大容量 4.根据指令间的对同一寄存器读和写操作的先后次序关系，数据相关冲突可分为读与写（RAM）、写与读（WAR）和写与写（WAW）三种类型。 5.当代计算机体系结构的概念包括指令集结构、计算机组成和计算机实现三个方面的内容 二、名词解释（每题2分，共16分） 计算机体系结构： 计算机体系结构是指根据属性和功能不同而划分的计算机理论组成部分及计算机基本工作原理、理论的总称。其中计算机理论组成部分并不单与某一个实际硬件相挂钩，如存储部分就包括寄存器、内存、硬盘等。 兼容机： 兼容机，就是由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。简单点说，就是非厂家原装，而改由个体装配而成的机器，其中的元件可以是同一厂家出品，但更多的是整合各家之长的 计算机。 写直达法： 写直达法一般指全写法。全写法（write-through）：又称写直达法、写穿法，透写法，Cache使 用方式之一。 高速缓冲存储器: 高速缓冲存储器（Cache）其原始意义是指存取速度比一般随机存取记忆体（RAM）来得快 的一种RAM，一般而言它不像系统主记忆体那样使用DRAM技术，而使用昂贵但较快速的SRAM 技术，也有快取记忆体的名称。 高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器，由静态存储芯片(SRAM)组成， 容量比较小但速度比主存高得多，接近于CPU的速度。在计算机存储系统的层次结构中，是介 于中央处理器和主存储器之间的高速小容量存储器。它和主存储器一起构成一级的存储器。高速 缓冲存储器和主存储器之间信息的调度和传送是由硬件自动进行的。 高速缓冲存储器最重要的技术指标是它的命中率。 延迟转移技术： 在转移指令之后插入一条或几条有效的指令。当程序执行时，要等这些插入的指令执行完成 之后，才执行转移指令，因此，转移指令好像被延迟执行了，这种技术称为延迟转移技术。 线性流水线： 线性流水线就是由一整套工艺串联而成的生产线。 流水线又称为装配线,一种工业上的生产方式，指每一个生产单位只专注处理某一个片段的工 作，以提高工作效率及产量；按照流水线的输送方式大体可以分为：皮带流水装配线、板链线、 倍速链、插件线、网带线、悬挂线及滚筒流水线这七类流水线。 输送线的传输方式有同步传输的/（强制式），也可以是非同步传输/（柔性式），根据配置的 选择，可以实现装配和输送的要求。输送线在企业的批量生产中不可或缺。 流水线的吞吐率： 流水线的吞吐率是单位时间内流水线处理的任务数。 并行性： 并行性是指计算机系统具有可以同时进行运算或操作的特性，在同一时间完成两种或两种以 上工作。它包括同时性与并发性两种含义。同时性指两个或两个以上事件在同一时刻发生。并发 性指两个或两个以上事件在同一时间间隔发生。 三、简答题(每题5分，共30分） 1.如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分成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K(ns)时间，那么执行第2、3、4级的一条指 令各需要用多少时间(ns)? 答：第1级：1条1级指令 K ns 第2级：1条2级指令N条1级指令 1*N*K ns = NK ns 第3级：1条3级指令N条2级指令 1*N*NK ns =N2K ns 第4级：1条4级指令N条3级指令 1*N*NNK ns =N3K ns 2.根据Amdahl定律，系统加速比由哪两个因素决定？ 答：系统加速比依赖于两个因素： （1）可改进比例：可改进部分在原系统计算时间中所占的比例 （2）部件加速比：可改进部分改进以后的性能提高 3.简述组相联映象规则。 答：(1)主存与缓存分成相同大小的数据块。(2)主存和Cache 按同样大小划分成组。(3)主存容量 是缓存容量的整数倍,将主存空间按缓冲区的大小分成区，主存中每一区的组数与缓存的组数相同 4.引起Cache与主存内容不一致的原因是什么？为了保持Cache 的一致性，在单计算机系统中一般采取哪些措施？ 答：不一致的原因：（1）由于CPU写Cache，没有立即写主存 （2）由于I/O处理机或I/O设备写主存 采取措施： （1）全写法，亦称写直达法（WT法-Write through） 方法：在对Cache进行写操作的同时，也对主存该内容进行写入 （2）写回法（WB法-Write back） 方法：在CPU执行写操作时，只写入Cache，不写入主存。 5.按照同一时间内各段之间的连接方式来分，流水线可分为哪两 类？ 答：（1）静态流水线：在同一时间内，流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。 （2）动态流水线：在同一时间内，当某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。 6.Flynn分类法是根据什么对计算机进行分类的？将计算机分 成哪几类？ 答：Flynn分类法，根据计算机中指令和数据的并行状况把计算机分成： （1）单指令流单数据流（SISD.； （2）单指令流多数据流（SIMD.； （3）多指令流单数据流（MISD.； （4）多指令流多数据流（MIMD.。 四、问答与计算题（第1题10分，第2、3题每题15分共40分） 1.一个有快表和慢表的页式虚拟存储器，最多有64个用户，每 个用户最多要用1024个页面，每页4K字节，主存容量8M字节。 （1）写出多用户虚地址的格式，并标出各字段的长度。 （2）写出主存地址的格式，并标出各字段的长度。
计算机系统结构第1-8章部分作业答案
第一章 1.6 某台主频为400MHz 的计算机执行标准测试程序，程序中指令类型、执行数量和平均时钟周期数如下： 求该计算机的有效CPI 、MIPS 和程序执行时间。 解：（1）CPI ＝(45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2) / 129500＝1.776 (或 259 460 ) （2）MIPS 速率＝f/ CPI ＝400/1.776 ＝225.225MIPS (或 259 5180 MIPS) （3）程序执行时间= (45000×1＋75000×2＋8000×4＋1500×2)／ 400=575μs 1.9 假设某应用程序中有4类操作，通过改进，各操作获得不同的性能提高。具体数据如下表所示： （1）改进后，各类操作的加速比分别是多少？ （2）各类操作单独改进后，程序获得的加速比分别是多少？ （3）4类操作均改进后，整个程序的加速比是多少？ 解：根据Amdahl 定律Se Fe Fe S n + -= )1(1可得
4类操作均改进后，整个程序的加速比： 2.16)1(1 ≈+-=∑∑i i i n S F F S 1.10 第二章 变长编码，哈夫曼编码 第三章 3.12 有一条指令流水线如下所示： （1）求连续输入10条指令的情况下，该流水线的实际吞吐率和效率。 （2）该流水线的瓶颈在哪一段？请采用两种不同的措施消除此瓶颈。对于你所给出的两种新的流水线，连续输入10条指令时，其实际吞吐率和效率各是多少？ 解： （1）本题主要考察对各功能段用时不等的线性流水线的性能计算公式的掌握情况。 2200(ns) 2009200)10050(50t n t T max k i i =?++++=?-+?=∑=)1(1 流水 )(ns 220 1 T n TP 1-==流水
课程测试试题（ A 卷） ----------------------以下为教师填写-------------------- I、命题院（部）：信息科学与工程学院 II、课程名称：计算机体系结构 III、测试学期：2014－2015学年度第2学期 IV、测试对象：信息学院计算机、网络专业 2012 级班 V、问卷页数（A4）： 3 页 VI、答卷页数（A4）： 4 页 VII、考试方式：闭卷（开卷、闭卷或课程小论文，请填写清楚） VIII、问卷内容： 一、填空题（共30分，20空，每空分） 1、现代计算机系统是由（）和（）组成的十分复杂的系统。 2、计算机系统应能支持软件可移植，实现可移植性的常用方法有3种，即（），（）， 统一高级语言。 3、可以将当前大多数通用寄存器型指令集结构进一步细分为3种类型，即（）、（） 和存储器-存储器型指令集结构。 4、MIPS指令DADDIU R14，R5，#6属于（）类型的指令格式；MIPS指令 SD R4，300（R5）属于（）类型的指令格式。 5、描述流水线的工作，常采用时空图的方法。在时空图中，横坐标表示（），纵坐 标代表（）。 6、在MIPS指令实现的简单数据通路中，在WB周期中，有两大类指令执行操作：（） 和（）指令。 7、存储器的层次结构中，“Cache－主存”层次是为了弥补主存（）的不足，“主 存－辅存”层次是为了弥补主存（）的不足。 8、Cache实现的映像规则有全相联映像、（）和（）三种。 9、反映存储外设可靠性能的参数有可靠性、（）和（）。 10、根据系统中处理器个数的多少，可把现有的MIMD计算机分为两类，每一类代表 了一种存储器的结构和互连策略。第一类机器称为（）结构，第二类机器具有（）。 二、判断题（每小题1分，共10分） 1、从计算机语言的角度，系统结构把计算机系统按功能划分成多级层次结构，其中， 第2级是操作系统虚拟机，第3级是汇编语言虚拟机。（） 2、计算机系统中提高并行性的3种途径中，资源重复是在并行性概念中引入时间因 素，加快硬件周转而赢得时间。（） 3、指令集结构中采用多种寻址方式可能会增加实现的复杂度和使用这些寻址方式的 指令的CPI。（） 4、指令条数多，通常超过200条，是设计RISC的原则之一。（） 5、根据流水线中各功能段之间是否有反馈回路，可把流水线分为线性流水线和非线 性流水线。（） 6、在多级存储体系中，“cache——主存”层次的存储管理实现主要由软件件实现。
北交《计算机体系结构》在线作业二 一、单选题（共20 道试题，共60 分。） 1. 按照M ·弗林对处理机并行性定义的分类原则，阵列机ILLIAC —IV 是( )。 A. SISD B. SIMD C. MISD D. MIMD 正确答案： 2. 输入输出系统硬件的功能对( )是透明的。 A. 操作系统程序员 B. 应用程序员 C. 系统结构设计人员 D. 机器语言程序设计员 正确答案： 3. 浮点数尾数基值rm=8，尾数数值部分长6位，可表示规格化正尾数的个数是（）。 A. 56个 B. 63个 C. 64个 D. 84个 正确答案： 4. 从计算机系统结构上讲，机器语言程序员所看到的机器属性是( )。 A. 计算机软件所要完成的功能 B. 计算机硬件的全部组成 C. 编程要用到的硬件组织 D. 计算机各部件的硬件实现 正确答案： 5. 对机器语言程序员透明的是( )。 A. 中断字 B. 主存地址寄存器 C. 通用寄存器 D. 条件码 正确答案： 6. 通道方式输入输出系统中，对优先级高的磁盘等高速设备，适合于连接( )。 A. 字节多路通道 B. 选择通道 C. 数组多路通道
D. 字节及数组多路通道 正确答案： 7. 设16 个处理器编号分别为0 ，1 ，2 ，…，15 ，用PM 2-0 互联函数时，第13 号处理机与第( ) 号处理机相联。 A. 12 B. 9 C. 11 D. 5 正确答案： 8. 对系统程序员不透明的应当是( )。 A. Cache存贮器 B. 系列机各档不同的数据通路宽度 C. 指令缓冲寄存器 D. 虚拟存贮器 正确答案： 9. 对应用程序员不透明的是( )。 A. 先行进位链 B. 乘法器 C. 指令缓冲器 D. 条件码寄存器 正确答案： 10. 系列机软件应做到( )。 A. 向前兼容，并向上兼容 B. 向后兼容，力争向上兼容 C. 向前兼容，并向下兼容 D. 向后兼容，力争向下兼容 正确答案： 11. 动态数据流机最突出的特点是使( )。 A. 数据流令牌无标号 B. 需要程序记数器来实现 C. 令牌带上标号 D. 同步由门(Latch)寄存器来实现 正确答案： 12. 计算机系统多级层次中，从下层到上层，各级相对顺序正确的应当是( )。 A. 汇编语言机器级――操作系统机器级――高级语言机器级 B. 微程序机器级――传统机器语言机器级――汇编语言机器级 C. 传统机器语言机器级――高级语言机器级――汇编语言机器级 D. 汇编语言机器级――应用语言机器级――高级语言机器级 正确答案： 13. 用户高级语言源程序中出现的读写(I/O) 语句，到读写操作全部完成，需要通过( )共同完成。 A. 编译系统和操作系统 B. I/O 总线、设备控制器和设备 C. 操作系统和I/O 设备硬件
《计算机体系结构》期末复习题答案
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《计算机体系结构》期末复习题答案 系别_________ 班级_________ 姓名__________ 学号__________ 一、填空题（每空1分） 1.按照弗林（Flynn）分类法，计算机系统可以分为4类：SISD计算机、（SIMD计算机）、（MISD计算机）和（MIMD计算机）。 2. 改进之后的冯?诺依曼计算机的只要特点是存储器为中心，总线结构，分散控制。 3. 当前计算机系统中的存储系统是一个层次结构，其各层分别为：（通用寄存器，高速缓存，主存，辅存，脱机大容量存储器）。 4.高速缓冲存储器的地址映象方式有三种，它们分别是：（全向量方式，直接相联方式，组相联方式）。 5.虚拟存储器的三种管理方式是（段式管理，页式管理和段页式管理）。 6.目前计算机中常用数据有（用户定义数据，系统数据和指令数据）三种类型。 7.通常可能出现的流水线的相关性有（资源相关，数据相关和控制相关）。 8.解决中断引起的流水线断流的方法有（不精确断点法和精确断点法）。 9.目前向量处理机的系统结构有两种：（存储器－存储器型和寄存器－寄存器型）。 10.通用计算机基本指令分为5类，它们分别是：（数据传送类，运算类，程序控制类，输入输出类，处理机控制和调试类）。 11．执行指令x1=x2+x3；x4=x1-x5会引起（RAW）类型的数据相关，执行指令x5=x4*x3；x4=x0+x6会引起（W AR）类型的数据相关，执行指令x6=x1+x2；x6=x4*x5会引起（WA W）类型的数据相关。 12．多计算机网络中，通常出现的4种通信模式是（单播模式，选播模式，广播模式和会议模式）。 13.传统的冯?诺依曼计算机是以控制驱动方式工作，以数据驱动方式工作的典型计算机是（数据流计算机），以需求驱动方式工作的典型计算机是（归约机），以模式匹配驱动方式工作的典型计算机是（人工智能计算机）。 二、名词解释（每题2分） 1.计算机体系结构： 计算机系统结构就是计算机的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性，是硬件子系统的概念结构及其功能特性。 2.系列机： 所谓系列机是指同一厂家生产的具有相同的系统结构，但采取了不同的组成和实现的技术方案，形成了不同型号的多种机型。 3.模拟: 模拟是指用软件的方法在一台计算机上，实现另一台计算机的指令系统，被模拟的机器是不存在的，称为虚拟机，执行模拟程序的机器称宿主机。 4.程序的局部性原理: 程序访问局部性原理说明了计算机在程序执行过程中呈现出的一种规律，即程序往往重