第五章存储层次
知识点汇总
存储器层次结构、存储层次性能参数（平均每位价格、命中率、平均访存时间）、存储层次4个问题、CPU 访存地址分割、全相联映像、直接映像、组相联映像、查找方法、替换算法（随机、先进先出、最近最少使用法）、写直达法、写回法、按写分配、不按写分配、Cache性能分析、3C失效（强制失效、容量失效、冲突失效）、Victim Cache、伪相联映像Cache、硬件预取、编译器优化（数组合并、内外循环交换、循环融合、分块）、写缓冲合并、单字宽存储器、多字宽存储器、多体交叉存储器、存储体、虚拟存储器（页式、段式）、快表（TLB）
简答题
1.单级存储器的主要矛盾是什么？通常采取什么方法来解决？（知识点：多级存储器）
答：主要矛盾：
(1) 速度越快，每位价格就越高。
(2) 容量越大，每位价格就越低。
(3) 容量越大，速度越慢。
采取多级存储层次方法来解决。
2.“Cache-主存”和“主存-辅存”层次的主要区别是什么？（知识点：存储层次）
3.在存储层次中应解决哪四个问题？（知识点：存储层次的四个问题）
答：（1）映像规则：当把一个块调入高一层存储器时，可以放到哪些位置上。
（2）查找算法：当所要访问的块在高一层存储器中时，如何找到该块。
（3）替换算法：当发生失效时，应替换哪一块。
（4）写策略：当进行写访问时，应进行哪些操作。
4.地址映像方法有哪几种？它们各有什么优缺点？（知识点：地址映像）
（1）全相联映像。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）直接映像。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）组相联映像。组相联是直接映像和全相联的一种折中。
5.Cache的3C失效是哪三种失效？针对每种失效给出一种降低失效率的方法。（知识点：3C失效）
答：强制性失效、容量失效、冲突失效。
6.简述Cache的两种写策略（知识点：写直达、写回）
写直达法：执行“写”操作时，不仅写入Cache，而且也写入存储器
写回法：执行“写”操作时，只写入Cache，并将对应Dirty Flag位置1。
当任意一个Cache块将要被替换时，若Dirty Flag位为1，则先将该Cache块写回存储器，再进行替换动作；否则不用写回，直接替换。
7.简述Cache写失效的两种处理方法（知识点：按写分配、不按写分配）
经过cache法(按写分配)：发生写失效时，先把地址对应的内存块调入Cache，再进行写操作。
绕过cache法(不按写分配)：发生写失效时，不把地址对应的内存块调入Cache，而是绕过cache直接将数据写入存储器
选择题
1．虚拟存储器中，可采用如下映像规则：（D ）（知识点：映像规则、虚拟存储器）A．直接映像；
B．组相联映像；
C．全相联映像；
D．上述三者均可。
2．衡量一个存储器性能可从( A )方面考虑。（知识点：存储器层次结构）
A．容量、速度、价格
B．制造工艺、封装、材料
C．容量、速度、功耗
D．Cache-主存存储层次、主存-辅存存储层次、辅存-磁带存储层次
3．当发生Cache写失效时，是否调入相应的块，有哪两种选择？（D ）（知识点：写直达法、写回法、按写分配、不按写分配）
A．按写分配法和写回法
B．按写分配法和写直达法
C．写回法和写直达法
D．按写分配法和不按写分配法
4．虚拟存储器主要是为了解决（ A ）。（知识点：存储器层次结构、虚拟存储器）A．扩大存储系统的容量
B．提高存储系统的速度
C．扩大存储系统的容量和提高存储系统的速度
D．便于程序的访存操作
5．与全相联映像相比，组相联映像的优点是（A ）。（知识点：全相联映像、组相联映像）A．目录表短，实现成本低
B．块冲突概率低
C．C ache命中率高
D．主存利用率高
6．Cache 存储器主要是为了解决（ B ）。（知识点：存储器层次结构）
A．扩大存储系统的容量
B．提高存储系统的速度
C．扩大存储系统的容量和提高存储系统的速度
D．便于程序的访存操作
7．容量和块大小均相同的Cache，块冲突概率由高到低的顺序是（B ）。（知识点：全相联映像、直接映像、组相联映像）
A．全相联映像、直接映像、组相联映像
B．直接映像、组相联映像、全相联映像
C．全相联映像、组相联映像、直接映像
D．组相联映像、直接映像、全相联映像
8．容量和块大小均相同的Cache，主存地址中索引位的位数由少到多的顺序是（C ）。（知识点：全相联映像、直接映像、组相联映像、CPU访存地址分割）
A．全相联映像、直接映像、组相联映像
B．组相联映像、直接映像、全相联映像
C．全相联映像、组相联映像、直接映像
D．直接映像、组相联映像、全相联映像
9．以下（B）的值不能从CPU发出的主存地址中直接获得。（知识点：CPU访存地址分割）A．主存块地址
B．主存物理页号
C．用于选择Cache块/组的索引
D．用于匹配Cache块的标识
填空题
1.存储层次中的写策略主要有两种，它们是：（写直达）和（写回）。（知识点：写策略）
2.在全相联映像、直接映像和组相联映像中，块冲突最小的是（全相联）。Cache存储器的地址映
像规则一般不能用（全相联），否则，主存Cache的地址映像表太大，查表速度太慢，硬件难以实现。（知识点：全相联映像、直接映像、组相联映像）
3.评价存储层次的主要参数有（存储层次的平均每位价格）、（命中率）和（平均访存时
间）。（知识点：平均每位价格、命中率、平均访存时间）
4.Cache存储器采用的组相联映像是指组间是（全相联）映像，组内各块之间是（直接）
映像。（知识点：组相联映像）
5.“主存-辅存”层次的目的主要是为了弥补主存的（容量）的不足。（知识点：存储器层次结构）计算题
1.某机器主存为2KB，采用直接映像方式，指令cache容量为32B，每个块为16B。在该机器上执行如
下循环程序：
FOO：LD F2, 0(R1)
MULTD F4, F2, F0
LD F6, 0(R2)
ADDD F6, F4, F6
SD 0(R2), F6
ADDI R1, R1, #8
ADDI R2, R2, #8
ADDI R3, R1, R2
BEQZ R3, FOO
每条指令长度均为4B，程序执行前，指令cache的内容为空。
（1）假设该程序加载到内存的00000100000地址上，给出该循环退出前每个cache块所对应的标识。（2）如果该循环执行循环体10次，则指令cache的命中率为多少？
（知识点：Cache和主存映像，命中率）
答：Cache块数=32B/16B=2(块)
主存块数=2KB/16B=211B/24B=27=128(块)
Cache块
(1)所以，循环退出前每个Cache块所对应标识如下：
(2)块地址流为0，1，2，0，1，2，0……
所以，循环体执行10次，未命中次数为3＋9×2=21次，命中率=（90－21）／90×100%=76.67%
2.某计算机主存为1KB，采用两路组相联（2-Way）映像，指令Cache容量为32B，每个块为8B。在该
机执行如下循环程序：
OK: LD F2，0(R1)
MULTD F4，F2，F0
LD F6，0(R2)
ADDD F6，F4，F6
SD 0(R2)，F6
ADDI R1，R1，#8
ADDI R2，R2，#8
SGTI R3，R1，DONE
BEQZ R3，OK
每条指令长度均为4B，程序执行前指令Cache的内容为空，Cache采用LRU替换算法。
（1）假设该程序加载道0010100000地址上，试给出该循环推出前每个Cache块所对应的主存区号标识，以及其组内块号；
（2）如果该循环执行20次，则Cache命中率为多少？
（知识点：Cache和主存映像，命中率）
答：（1）
由映像图可见，退出循环前
0组0块 对应主存区号标识为 001 100 0组1块 对应主存区号标识为 001 010 1组0块 对应主存区号标识为 001 010 1组1块
对应主存区号标识为 001 011
（2）循环20次地址分别为0，1，2，3，4，0，1，2，3，4，0，1，2，……
0 1 2 3 4 0 1 2 3 4 0 1 … 0组 0 0 0 0 4 4 4 4 4 4 4 4 … 2 2 2 0 0 2 2 2 0 0 … 1组 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 … 3 3 3 3 3 3 3 3 3 …
装
入 装
入
装入
装入
替换
替换
命中
替换
命中
命中
替换
命
中
…
命中率=(9?20-5-2?19)/(9?20)=137/180≈76%
0 1 0
1
0010100000 主存 Cache I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8
I9
0组
1组 001010 001010 001011 001011 001100
0 1 0 1 0
主存区 号标示 Cache 块号
3.假设某台计算机具有如下特性：（1）cache的命中率为95%；（2）cache块大小为4个字，cache失
效时整块调入；（3）CPU发出访存请求的速率为1MBps；（4）25%的访存为写访存；（5）CPU每次只能读写一个字；（6）采用写直达cache，写失效时采用不按写分配；（7）主存可支持的最大访问流量为1MBps。问在此情况下主存频带的平均使用率为多少？（知识点：平均访存时间、写直达）
答：分析，CPU每次只能读写1个字，说明数据字宽是1个字，也就是CPU每秒钟访存1M次。每次访存需要访问内存字数是5%*75%*4+95*25%*1+5%×25%×1
CPU读时，（1）命中，此时不访存
（2）不命中，整块调入
f CPUR=5%×75%×4×1=0.15MBps
CPU写时，（1）命中，写直达，访存
f CPUW1=95%×25%×1×1=0.2375MBps
（2）不命中，不按写分配，访存
f CPUW2=5%×25%×1×1=0.0125MBps
f CPU=f CPUR＋f CPUW1＋f CPUW2=0.4MBps
所以，主存频带使用率为f CPU／f MEM Max=0.4MBps／1MBps=0.4
4.有三个Cache存储器，每个Cache均由4个块组成，每个块只有一个字。第一个Cache采用全相联
映像，第二个Cache采用2-Way组相联映像，第三个Cache采用直接映像。程序执行过程中访问的
块地址分别为：
0、8、0、6、8
（1）试计算三种结构的未命中次数；
（2）可得到什么样的结论？
（知识点：全相联映像、直接映像、组相联映像）
答：全相联映像缺页次数是：第1、2、4次，共缺失了3次。
2-Way组相联映像，由于0、6、8都映射在组号0，所以相当于一个2块的全相联映像Cache，缺失的次数是第1、2、4、5次，共缺失了4次。
对于直接映像来说，0、6、8对应映射到第0、2、0块，那么缺失的次数是第1、2、3、4、5次，共缺失了5次。
5.给定以下的假设:
（1）理想Cache情况下的CPI为2.0，时钟周期为2ns，平均每条指令访存1.1次；
（2）直接映像和两路组相联映像Cache容量均为128KB，块大小都是32字节；
（3）组相联映像Cache中的多路选择器使CPU的时钟周期增加了10％；
（4）这两种Cache的失效开销都是80ns；
（5）命中时间为1个时钟周期；
（6）128KB直接映像Cache的失效率为0.010，128KB两路组相联映像Cache的失效率为
0.007。
试计算直接映像Cache和两路组相联映像Cache的平均访问时间以及CPU的性能。由计算结果能得出什么结论？
（知识点：直接映像、组相联映像、平均访存时间、CPU性能）
答：平均访问时间＝命中时间＋失效率×失效开销
平均访问时间1-路=2.0+0.010*80=2.8ns
平均访问时间2-路=2.0*(1+10%)+0.007*80=2.76ns
两路组相联的平均访问时间比较低
CPU time=（CPU执行+存储等待周期）*时钟周期
CPU time=IC（CPI执行+总失效次数/指令总数*失效开销）*时钟周期
=IC（（CPI执行*时钟周期）+（每条指令的访存次数*失效率*失效开销*时钟周期））CPU time 1-way=IC(2.0*2+1.1*0.010*80)＝4.88IC
CPU time 2-way=IC(2.2*2+1.1*0.007*80)＝5.016IC
6.给定以下的假设，
（1）理想Cache情况下的CPI为2.0，时钟周期为2ns，平均每条指令访存1.5次；
（2）两种Cache容量均为64KB；
（3）这两种Cache的失效开销都是80ns；
（4）命中时间为1个时钟周期；
（5）64KB直接映象Cache的失效率为1.4％，64KB两路组相联Cache的失效率为1.0％。
（6）组相联Cache中的多路选择器使CPU的时钟周期增加了10％；
问：（1）试比较直接映象Cache和两路组相联Cache的平均访问时间。(5分)
（2）试比较直接映象Cache和两路组相联Cache的CPU时间。(5分)
（知识点：直接映像、组相联映像、平均访存时间、CPU性能）
答：平均访问时间＝命中时间＋失效率×失效开销
平均访问时间1-路=2.0+1.4% *80=3.12ns
平均访问时间2-路=2.0*(1+10%)+1.0% *80=3.0ns
两路组相联的平均访问时间比较低
CPU time=（CPU执行+存储等待周期）*时钟周期
CPU time=IC（CPI执行+总失效次数/指令总数*失效开销）*时钟周期
=IC（（CPI执行*时钟周期）+（每条指令的访存次数*失效率*失效开销*时钟周期））
CPU time 1-way=IC(2.0*2+1.5*0.014*80)＝5.68IC
CPU time 2-way=IC(2.2*2+1.5*0.01*80)＝5.60IC
7.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，64KB的指令Cache的失效率为0.15%，64KB的数据Cache 的失效率为3.77%，128KB的混合Cache的失效率为0.95%。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64KB的分离Cache 和容量为128KB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？
（知识点：直接映像、组相联映像、平均访存时间、CPU性能）
答：（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%×0.15%）＋（25%×3.77%）＝1.055%；
容量为128KB的混合Cache的失效率略低一些，只有0.95%。
（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＋0.15%×50）＋25%×（1＋3.77%×50）
＝（75%×1.075）＋（25%×2.885）＝1.5275
混合Cache的平均访存时间＝75%×（1＋0.95%×50）＋25%×（1＋1＋0.95%×50）
＝（75%×1.475）＋（25%×2.475）＝1.725
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。
8.假设一台计算机具有以下特性：
（1）95％的访存在Cache中命中；
（2）块大小为两个字，且失效时整个块被调入；
（3）CPU发出访存请求的速率为109字/s；
（4）25％的访存为写访问；
（5）存储器的最大流量为109字/s（包括读和写）；
（6）主存每次只能读或写一个字；
（7）在任何时候，Cache中有30％的块被修改过；
（8）写失效时，Cache采用按写分配法。
现欲给该计算机增添一台外设，为此首先想知道主存的频带已用了多少。试对于以下两种情况计算主
存频带的平均使用比例。
（1）写直达Cache；
（2）写回法Cache。
（知识点：直接映像、组相联映像、平均访存时间、CPU性能）
答：采用按写分配
（1）写直达cache访问命中，有两种情况：
读命中，不访问主存；
写命中，更新cache和主存，访问主存一次。
访问失效，有两种情况：
读失效，将主存中的块调入cache中，访问主存两次；
写失效，将要写的块调入cache，访问主存两次，再将修改的数据写入cache和主存，访问主存一次，共三次。上述分析如下表所示。
一次访存请求最后真正的平均访存次数=(71.3%*0)+(23.8%*1)+(3.8%*2)+(1.3%*3)＝0.35
已用带宽=0.35×109/10 9 =35.0%
（2）写回法cache访问命中,有两种情况：
读命中，不访问主存；
写命中，不访问主存。采用写回法，只有当修改的cache块被换出时，才写入主存；
访问失效,有一个块将被换出，这也有两种情况：
如果被替换的块没有修改过，将主存中的块调入cache块中，访问主存两次；
如果被替换的块修改过，则首先将修改的块写入主存，需要访问主存两次；然后将主存中的块调入cache块中，需要访问主存两次，共四次访问主存。
所以：
一次访存请求最后真正的平均访存次数=66.5％*0＋28.5%*0+3.5%*2+1.5%*4=0.13
已用带宽＝0.13×10 9/10 9＝13%
9.假设当按直接映象位置没有发现匹配，而在另一个位置才找到数据（伪命中）时，需要2个额外的周期，
而且不交换两个Cache中的数据。Cache参数如下：
（1）容量128KB。
（2）直接映象情况下命中时间为1个时钟周期，失效开销为50个时钟周期。
（3）直接映象失效率为0.010，两路组相联失效率为0.007。
问：伪相联映象这种组织结构，平均访存时间是多少？
答：①
首先考虑标准的平均访存时间公式：
平均访存时间伪相联＝命中时间伪相联＋失效率伪相联×失效开销伪相联
不管我们对命中的情况做了何种改进，失效开销总是相同的。为了确定失效率，需要知道什么时候会发生失效。只要我们总是通过把索引的最高位变反的方法来寻找另一块，在同一“伪相联”组中的两块就是用同一个索引选择得到的，这与在两路组相联Cache 中所用的方法是一样的，因而它们的失效率相同，即：失效率伪相联＝失效率2路
②
再看命中时间。伪相联Cache 的命中时间等于直接映象Cache 的命中时间加上在伪相联查找过程中命中（即伪命中）的百分比乘以该命中所需的额外时间开销，即：
命中时间伪相联＝命中时间1路＋伪命中率伪相联×2
伪相联查找的命中率等于2路组相联Cache的命中率和直接映象Cache命中率之差。
伪命中率伪相联＝命中率2路－命中率1路
＝（1－失效率2路）－（1－失效率1路）
＝失效率1路－失效率2路
③
平均访存时间伪相联＝命中时间1路＋（失效率1路－失效率2路）×2
＋失效率2路×失效开销1路
平均访存时间伪相联，128 KB＝1＋（0.010－0.007）×2＋（0.007×50）＝1.356
（知识点：直接映像、组相联映像、平均访存时间、CPU性能、伪相联）
10.在伪相联中，给定如下假设：
（1）若在直接映象位置没有发现匹配，而在另一个位置才找到数据（伪命中）时，不对这两个位置的数据进行交换。这时只需要1个额外的周期；
（2）失效开销为50个时钟周期；
（3）128KB直接映象Cache的失效率为1.0%，2路组相联的失效率为0.7%。
计算伪相联的平均访存时间。
答：
不管作了何种改进，失效开销相同。不管是否交换内容，在同一“伪相联”组中的两块都是用同一个索引得到的，因此失效率相同，即：失效率伪相联＝失效率2路。
伪相联cache 的命中时间等于直接映象cache 的命中时间加上伪相联查找过程中的命中时间*该命中所需的额外开销。
命中时间伪相联＝命中时间1路＋伪命中率伪相联×1
交换或不交换内容，伪相联的命中率都是由于在第一次失效时，将地址取反，再在第二次查找带来的。 因此 伪命中率伪相联＝命中率2路－命中率1路＝（1－失效率2路）－（1－失效率1路）
＝失效率1路－失效率2路。交换内容需要增加伪相联的额外开销。
平均访存时间伪相联＝命中时间1路＋（失效率1路－失效率2路）×1
＋失效率2路×失效开销1路
将题设中的数据带入计算，得到：
平均访存时间128Kb =1+(0.010-0.007)*1+(0.007 *50 ) =1.353
（知识点：直接映像、组相联映像、平均访存时间、CPU 性能、伪相联）
11. 设cache 共有8块，每块大小为4B,主存共有64块，请给出直接映像、2路组相联映像、4路组相联
映像和全相联映像时的访存地址格式：
的具体形式并给出分析过程。
答：
3 3 2
直接映像：
4 2 2
2路组相联映像：
5 1 2
4路组相联映像：
6 2
全相联映像：
（知识点：CPU 访存地址分割、全相联映像、直接映像、组相联映像）
第 五 章 5.34 在一个采用组相联映象方式的Cache 存储系统中，主存由B 0～B 7共8块组成，Cache 有2组，每组2块，每块大小为16B 。在一个程序执行过程中，访存的主存块地址流为：B 6，B 2，B 4，B 1，B 4，B 6，B 3，B 0，B 4，B 5，B 7，B 3。 (1)写出主存地址的格式，并标出各字段的长度。 (2)写出Cache 地址的格式，并标出各字段的长度。 (3)指出主存与Cache 之间各个块的映象关系。 (4)若Cache 的4个块号为C 0、C 1、C 2和C 3，列出程序执行过程中的Cache 块地址流。 (5)若采用FIFO 替换算法，计算Cache 的块命中率。 (6)若采用LRU 替换算法，计算Cache 的块命中率。 (7)若改为全相联映象方式，再做(5)和(6)。 (8)若在程序执行过程中，每从主存装入一块到Cache ，平均要对这个块访问16次，计算在这种情况下的Cache 命中率。 解：（1）（2）采用组相联映象时，主存和Cache 地址的格式分别为： 主存按Cache 的大小分区，现主存有8个块，Cache 有2×2=4个块，则主存分为8/4=2 个区，区号E 的长度为1位。又每区有2个组，则组号G 、g 的长度都为1位。而每组有2个块，则块号B 、b 的长度又都为1位。每块大小为16个存储字，故块内地址W 、w 的长度都为4位。 （3）根据组相联映象的规则，主存块0～7与Cache 块0～3之间的映象关系为：主存块0、1、4、5与Cache 块0、1之间全相联，主存块2、3、6、7与Cache 块2、3之间全相联。 （4）根据组相联映象的规则，该主存块地址流相应的一种Cache 块地址流如下表所示（组内替换算法为FIFO ）。 时间： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 主存块地址流： B 6 B 2 B 4 B 1 B 4 B 6 B 3 B 0 B 4 B 5 B 7 B 3 Cache 块地址流： C 2 C 3 C 0 C 1 C 0 C 2 C 2 C 0 C 0 C 0 C 3 C 2 （5）组内替换算法采用FIFO 时，Cache 块0～3的使用过程如下表所示。 时间： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 主存块地址流： B 6 B 2 B 4 B 1 B 4 B 6 B 3 B 0 B 4 B 5 B 7 B 3 Cache 块0 Cache 块1 Cache 块2 Cache 块3 命中 命中 命中 可见命中三次，Cache 块命中率为H i = 3/12 = 0.25。 （6）组内替换算法采用LRU 时，Cache 块0～3的使用过程如下表所示。
吉林大学物理试题（2007~2008学年第二学期） 注意：第一大题和第二大题的答案填写在题后的表格内，否则按零分处理。 玻尔兹曼常数: 1231038.1--??=K J k 普适气体常数：1131.8--??=K mol J R 一、 单选题 1、汽车用不变力制动时，决定其停止下来所通过路程的量是 （A ） 速度 （B ）质量 (C) 动量 (D) 动能 2、一均质细棒绕过其一端和绕过其中心并与棒垂直的轴转动时，角加速度β相等， 则二种情况下棒所受的外力矩之比21:M M 是 （A ）1:1 （B ）2:1 （C ）4:1 （D ）1:4 3、在由两个质点组成的系统中，若此系统所受的外力的矢量和为零，则此系统 （A ）动量、机械能守恒，但角动量是否守恒不能确定 （B ）动量守恒，但机械能和角动量是否守恒不能确定 (C ) 动量和角动量守恒，但机械能是否守恒不能确定 (D) 动量、机械能守恒、角动量均守恒 4、已知一定量的某种理想气体，在温度为T 1与T 2时，分子最可几速率分别为1p υ和 2p υ，分子速率分布函数的最大值分别为)(1p f υ和)(2p f υ。若21T T >，则 （A ）21p p υυ>，)()(21p p f f υυ> (B) 21p p υυ>，)()(21p p f f υυ< （C ）21p p υυ<，)()(21p p f f υυ> （C ）21p p υυ<，)()(21p p f f υυ< 5、两容器内分别盛有氢气和氦气，若它们的温度和摩尔数分别相同，则 （A ）两种气体分子的平均平动动能相同 ( B) 两种气体分子的平均动能相同 （C ）两种气体分子的平均速率相同 （D ）两种气体的内能相同 6、有人设计一台卡诺热机（可逆的），每循环一次可以从400k 的高温热源吸热1800J ， 向300k 的低温热源放热800J 。同时对外作功1000J ，这样的设计是 (A) 可以的，符合热力学第一定律。 (B) 可以的，符合热力学第二定律。 (C) 不行的，卡诺循环所作的功不能大于向低温热源放出的热量。 (D) 不行的，这个热机的效率超过理论值。 7、在下述四种力中，做功与路径有关的力是 (A) 万有引力 (B) 弹性力 (C) 静电场力 (D) 涡旋电场力 8、当一个带电导体达到静电平衡时，则 （A ）表面上电荷密度较大处电势较高 (B) 表面曲率较大处电势较高 (C ) 导体内部的电势比导体表面的电势高 (D) 导体内任一点与其表面上任一点的电势差等于零 9、位移电流的大小取决于 （A ） 电场强度的大小 （B ）电位移矢量的大小
第五章练习 1、描述计算机系统流水线的性能指标有哪些？其定义和定量表达式是什么？ 指标主要有吞吐率、加速比、效率。 (1)吞吐率：在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量。 基本公式：TP=n/Tk，其中，n是任务数，Tk是处理完成n个任务所用的时间。 各个功能段执行时间均相等,输入连续n个任务的一条k段线性流水线的实际吞吐率为：TP=n/[(k+n-1) ?t] (2)加速比：完成一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比。 基本公式：S=T0/Tk，其中，T0为不使用流水线所用的时间，Tk为使用流水 线的执行时间。 各个功能段执行时间均相等的一条K段流水线完成n个连续任务时的实际加速比为：s=k*n*?t/[(k+n-1) ?t]=k*n/( k+n-1). (3)效率：指流水线的设备利用率。 在时空图上，流水线的效率定义为n个任务占用的时空区与k个功能段总的时空区之比。即：E=T0/(k*Tk) 各个功能段执行时间均相等,输入连续n个任务的一条k段线性流水线的效率为：E=n/(k+n-1) 2、假设某个流水线由4个功能部件组成，每个功能部件的执行时间都为?t。当 连续输入10个数据后，停顿5?t，又连续输入10个数据，如此重复。 画出时空图，计算流水线的实际吞吐率，加速比和效率。 总时间：Tk=[（4+10-1）+2] *?t*n =15n*?t 实际吞吐率:TP=N/Tk=10n/(15n*?t)=2/(3?t) 不使用流水线所用的时间为T0=4*N*?t =40n*?t 加速比：S=T0/Tk=2.67 效率：E=T0/(k*Tk)=0.67
计算机组成与设计（2010年机械工业出版社出版的图书）: 《计算机组成与设计》是2010年机械工业出版社出版的图书，作者是帕特森(DavidA.Patterson）。该书讲述的是采用了一个MIPS 处理器来展示计算机硬件技术、流水线、存储器的层次结构以及I/O 等基本功能。此外，该书还包括一些关于x86架构的介绍。 内容简介： 这本最畅销的计算机组成书籍经过全面更新，关注现今发生在计算机体系结构领域的革命性变革：从单处理器发展到多核微处理器。此外，出版这本书的ARM版是为了强调嵌入式系统对于全亚洲计算行业的重要性，并采用ARM处理器来讨论实际计算机的指令集和算术运算。因为ARM是用于嵌入式设备的最流行的指令集架构，而全世界每年约销售40亿个嵌入式设备。 采用ARMv6（ARM 11系列）为主要架构来展示指令系统和计算机算术运算的基本功能。 覆盖从串行计算到并行计算的革命性变革，新增了关于并行化的一章，并且每章中还有一些强调并行硬件和软件主题的小节。 新增一个由NVIDIA的首席科学家和架构主管撰写的附录，介绍了现代GPU的出现和重要性，首次详细描述了这个针对可视计算进行了优化的高度并行化、多线程、多核的处理器。 描述一种度量多核性能的独特方法——“Roofline model”，自带benchmark测试和分析AMD Opteron X4、Intel Xeo 5000、Sun Ultra SPARC T2和IBM Cell的性能。
涵盖了一些关于闪存和虚拟机的新内容。提供了大量富有启发性的练习题，内容达200多页。 将AMD Opteron X4和Intel Nehalem作为贯穿《计算机组成与设计:硬件/软件接口(英文版·第4版·ARM版)》的实例。 用SPEC CPU2006组件更新了所有处理器性能实例。 作者简介： David A.Patterson，加州大学伯克利分校计算机科学系教授。美国国家工程研究院院士。IEEE和ACM会士。曾因成功的启发式教育方法被IEEE授予James H.Mulligan，Jr教育奖章。他因为对RISC 技术的贡献而荣获1 995年IEEE技术成就奖，而在RAID技术方面的成就为他赢得了1999年IEEE Reynold Johnson信息存储奖。2000年他~13John L.Hennessy分享了John von Neumann奖。 John L.Hennessy，斯坦福大学校长，IEEE和ACM会士。美国国家工程研究院院士及美国科学艺术研究院院士。Hennessy教授因为在RISC技术方面做出了突出贡献而荣获2001年的Eckert-Mauchly奖章.他也是2001年Seymour Cray计算机工程奖得主。并且和David A.Patterson分享了2000年John von Neumann奖。
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 9. 下列说法中不正确的是（ D ） A. 硬件的生产费用比软件的生产费用高 B.软件设计费用比软件重复生产费用高 C. 硬件功能只需实现一次而软件功能可能要多次重复实现 D. 硬件实际费用比软件设计费用低
第一章 1- 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1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多少时间？ 答：执行第2、3、4级的一条指令各需KN ns、(N*N)*K ns、(N*N*N)*K ns 的时间。 1- 2操作系统机器级的某些指令就用传统机器级的指令，这些指令可以用微程序直接解释实现，而不必有操作系统自己来实现。更具你对1-1题的回答，你认为这样做有哪些好处？ 答：这样做，可以加快操作系统中操作命令解释的速度，同时也节省了存放解释操作命令这部分解释程序所占的存储空间，简化了操作系统机器级的设计，也有利于减少传统机器级的指令条数。 1- 3有一个计算机系统可按功能分成4级，每级的指令互不相同，每一级的指令都比其下一级的指令在效能上强M倍，即第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。 现若需第i级的N条指令解释第i+1级的一条指令，而有一段第1级的程序需要运行Ks，问在第2、3和4级上一段等效程序各需要运行多长时间？ 答：第2级上等效程序需运行：(N/M)*Ks。第3级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*Ks。 第4级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks。 1- 4硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上又是不等效的？试举例说明。 答：软件和硬件在逻辑功能上是等效的，原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用软件模拟完成。但是实现的性能价格比，实现的难易程序不同。
例如，编译程序、操作系统等许多用机器语言软件子程序实现的功能完全可以用组合电路硬件或微程序固件来解释实现。它们的差别只是软件实现的速度慢，软件的编制复杂，编程工作量大，程序所占的存储空间量较多，这些都是不利的；但是，这样所用硬件少，硬件实现上也就因此而简单容易，硬件的成本低，解题的灵活性和适应性较好，这些都是有利的。 又如，乘除法运算可以经机器专门设计的乘法指令用硬件电路或乘除部件来实现。向量、数组运算在向量处理机中是直接使用向量、数组类指令和流水或陈列等向量运算部件的硬件方式来实现的，但在标量处理机上也可以通过执行用标量指令组成的循环程序的软件方式来完成。 浮点数运算可以直接通过设置浮点运算指令用硬件来实现，也可以用两个定点数分别表示浮点数的阶码和尾数，通过程序方法把浮点数阶码和尾数的运算映像变换成两个定点数的运算，用子程序软件的方式实现。十进制数的运算可以通过专门设置十进制数运算类指令和专门的十进制运算部件硬的方式来完成，或者通过设置BCD数的表示和若干BCD数运算的校正指令来软硬结合地实现，也可以先经十转二的数制转换子程序将十进制数转成二进制数，再用二进制运算类指令运算，所得结果又调用二转十的数制转换子程序转换成十进制数结果，用全软件的方式实现。 1- 5试以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与影响。 答：计算机系统结构、计算机组成、计算机实现互不相同，但又相互影响。 （1）计算机的系统结构相同，但可采用不同的组成。如IBM370系列有115、125、135、158、168等由低档到高档的多种型号机器。从汇编语言、机器语言程序设计者看到的概念性结构相同，均是由中央处理机/主存，通道、设备控制器，外设4级构成。其中，中央处理机都有相同的机器指令和汇编指令系统，只是指令的分析、执行在低档机上采用顺序进行，在高档机上采用重叠、流水或其它并行处理方式。
3. 两根无限长平行直导线载有大小相等方向相反电流I, I以dI/dt的变化率增长,一矩形线圈位于导线平面内(如图,则 A.线圈中无感应电流; B B.线圈中感应电流为顺时针方向; C C.线圈中感应电流为逆时针方向; D D.线圈中感应电流方向不确定。 4. 在通有电流I 无限长直导线所在平面内,有一半经r、电阻R 导线环,环中心 距导线a,且a >> r。当导线电流切断后,导线环流过电量为 5.对位移电流,有下述四种说法,请指出哪一种说法是正确的 A A.位移电流是由变化电场产生的
B B.位移电流是由变化磁场产生的 C C.位移电流的热效应服从焦耳-楞次定律 D D.位移电流的磁效应不服从安培环路定理 6.在感应电场中电磁感应定律可写成 式中E K为感应电场的电场强度,此式表明 A. 闭合曲线C 上E K处处相等 B. 感应电场是保守力场 C.感应电场的电场线不是闭合曲线 D.感应电场不能像静电场那样引入电势概念
1. 长直导线通有电流I ,与长直导线共面、垂直于导线细金属棒AB ,以速度V 平行于导线作匀速运动,问 (1金属棒两端电势U A 和U B 哪个较高?(2若电流I 反向,U A 和U B 哪个较高?(3金属棒与导线平行,结果又如何?二、填空题 U A =U B U A U B
;
三、计算题 1.如图,匀强磁场B 与矩形导线回路法线 n 成60°角 B = B = B = kt kt (k 为大于零的常数。长为L的导体杆AB以匀速 u 向右平动,求回路中 t 时刻感应电动势大小和方向(设t = 0 时,x = 0。解:S B m ρρ?=φLvt kt ?=21dt d m i φε=2 21kLvt =kLvt =方向a →b ,顺时针。 ο 60cos SB =用法拉第电磁感应定律计算电动势,不必 再求动生电动势
第五章存储层次 知识点汇总 存储器层次结构、存储层次性能参数（平均每位价格、命中率、平均访存时间）、存储层次4个问题、CPU 访存地址分割、全相联映像、直接映像、组相联映像、查找方法、替换算法（随机、先进先出、最近最少使用法）、写直达法、写回法、按写分配、不按写分配、Cache性能分析、3C失效（强制失效、容量失效、冲突失效）、Victim Cache、伪相联映像Cache、硬件预取、编译器优化（数组合并、内外循环交换、循环融合、分块）、写缓冲合并、单字宽存储器、多字宽存储器、多体交叉存储器、存储体、虚拟存储器（页式、段式）、快表（TLB） 简答题 1.单级存储器的主要矛盾是什么？通常采取什么方法来解决？（知识点：多级存储器） 答：主要矛盾： (1) 速度越快，每位价格就越高。 (2) 容量越大，每位价格就越低。 (3) 容量越大，速度越慢。 采取多级存储层次方法来解决。 2.“Cache-主存”和“主存-辅存”层次的主要区别是什么？（知识点：存储层次）
3.在存储层次中应解决哪四个问题？（知识点：存储层次的四个问题） 答：（1）映像规则：当把一个块调入高一层存储器时，可以放到哪些位置上。 （2）查找算法：当所要访问的块在高一层存储器中时，如何找到该块。 （3）替换算法：当发生失效时，应替换哪一块。 （4）写策略：当进行写访问时，应进行哪些操作。 4.地址映像方法有哪几种？它们各有什么优缺点？（知识点：地址映像） （1）全相联映像。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）直接映像。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）组相联映像。组相联是直接映像和全相联的一种折中。 5.Cache的3C失效是哪三种失效？针对每种失效给出一种降低失效率的方法。（知识点：3C失效） 答：强制性失效、容量失效、冲突失效。 6.简述Cache的两种写策略（知识点：写直达、写回） 写直达法：执行“写”操作时，不仅写入Cache，而且也写入存储器
第 1 页 共 6页 吉林大学物理试题（2007~2008学年第二学期）（上册） 注意：第一大题和第二大题的答案填写在题后的表格内，否则按零分处理。 玻尔兹曼常数: 1231038.1--??=K J k 普适气体常数：1131.8--??=K mol J R 一、 单选题 1、汽车用不变力制动时，决定其停止下来所通过路程的量是 （A ） 速度 （B ）质量 (C) 动量 (D) 动能 2、一均质细棒绕过其一端和绕过其中心并与棒垂直的轴转动时，角加速度β相等， 则二种情况下棒所受的外力矩之比21:M M 是 （A ）1:1 （B ）2:1 （C ）4:1 （D ）1:4 3、在由两个质点组成的系统中，若此系统所受的外力的矢量和为零，则此系统 （A ）动量、机械能守恒，但角动量是否守恒不能确定 （B ）动量守恒，但机械能和角动量是否守恒不能确定 (C ) 动量和角动量守恒，但机械能是否守恒不能确定 (D) 动量、机械能守恒、角动量均守恒 4、已知一定量的某种理想气体，在温度为T 1与T 2时，分子最可几速率分别为1p υ和 2p υ，分子速率分布函数的最大值分别为)(1p f υ和)(2p f υ。若21T T >，则 （A ）21p p υυ>，)()(21p p f f υυ> (B) 21p p υυ>，)()(21p p f f υυ< （C ）21p p υυ<，)()(21p p f f υυ> （C ）21p p υυ<，)()(21p p f f υυ< 5、两容器内分别盛有氢气和氦气，若它们的温度和摩尔数分别相同，则 （A ）两种气体分子的平均平动动能相同 ( B) 两种气体分子的平均动能相同 （C ）两种气体分子的平均速率相同 （D ）两种气体的内能相同 6、有人设计一台卡诺热机（可逆的），每循环一次可以从400k 的高温热源吸热1800J ， 向300k 的低温热源放热800J 。同时对外作功1000J ，这样的设计是 (A) 可以的，符合热力学第一定律。 (B) 可以的，符合热力学第二定律。 (C) 不行的，卡诺循环所作的功不能大于向低温热源放出的热量。 (D) 不行的，这个热机的效率超过理论值。 7、在下述四种力中，做功与路径有关的力是 (A) 万有引力 (B) 弹性力 (C) 静电场力 (D) 涡旋电场力 8、当一个带电导体达到静电平衡时，则 （A ）表面上电荷密度较大处电势较高 (B) 表面曲率较大处电势较高 (C ) 导体内部的电势比导体表面的电势高 (D) 导体内任一点与其表面上任一点的电势差等于零 9、位移电流的大小取决于 （A ） 电场强度的大小 （B ）电位移矢量的大小 （B ） 电通量的大小 （C ）电场随时间变化率的大小 10、一圆线圈的半径为R ，载有电流I ，置于均匀外磁场B 中。线圈的法线方向与B 的 方向相同。在不考虑载流线圈本身所激发的磁场的情况下，线圈导线上的张力是 （A ）BIR 2 (B) 0 (C ) BIR (D) BIR 2 1 [一题答案填写处] 请按题号将选项填入表格中
1. 向量流水机的工作方式可分为哪两大类？它们的主要特点是什么？ 2. 向量的加工方法有哪几种？各有什么特点？试从加工速度、需用中间变量 等方面加以比较。 3. 在CRAY1机上，V为向量寄存器，设向量长度均为32，s为标量寄存器， 所用浮点功能执行部件的执行时间分别为：加法需6拍，相乘需7拍，从存储器读数需6拍，求倒数近似值需14拍，打入寄存器及启动功能部件（包括寄存器）各需1拍。问下列各指令组中的哪些指令可以链接？哪些指令可以并行执行？试说明其原因并分别计算出各指令组全部完成所需的拍数。 （1）V0←存储器 V1←V2+V3 V4←V5*V6 （2）V2←V0*V1 V3←存储器 V4←V2+V3 （3）V0←存储器 V3←V1+V2 V4←V0*V3 V6←V4+V5 （4）V0←存储器 V1←1/V0 V3←V1+V2 V5←V3*V4 （5）V0←存储器 V1←V2+V3 V4←V5*V6 s0←s1+s2 （6）V3←存储器 V2←V0+V1 s0←s2+s3 V3←V1*V4 （7）V3←存储器 V2←V0+V1 V4←V2*V3 存储器←V4 （8）V0←存储器 V2←V0+V1 V3←V2*V1 V5←V3*V4 4. 在CRAYl机上，按链接方式执行下述4条向量指令（括号中给出相应功能 部件时间），如果向量寄存器和功能部件之间的数据传送需1拍，试求此链
接流水线的流过时间为多少拍？如果向量长度为64，则需多少拍能得到全部结果? V0←存储器（存储器取数：7拍） V2←V0+Vl （向量加：3拍） V3←V2＜A3 （按(A3)左移：4拍） V5←V3∧V4 （向量逻辑乘：2拍） 5. 若某个向量机其向量方式的执行速率Rv＝10MFLOPS，标量方式的执行速 率Rs＝1MFLOPS，设α是程序中可向量化的百分比。要求： ⑴推导该向量机的平均执行速率Ra的公式。 ⑵画出在（0，1）范围内，Ra与α的关系图。 ⑶为使平均执行速率Ra＝7.5MFlOPS，则α应取何值? ⑷假定Rs＝1MFLOPS，α＝0.7，则为使Ra＝2MFLOPS，Rv应取何值?
PART ONE 填空问题 Q01_01_001 原胞中有p 个原子。那么在晶体中有3支声学波和33p ?支光学波？ Q01_01_002 按结构划分，晶体可分为7大晶系, 共14布喇菲格子? Q01_01_004 面心立方原胞的体积为314a ?=；其第一布里渊区的体积为3 3 4(2)*a π?= Q01_01_005 体心立方原胞的体积为32a ?=；第一布里渊区的体积为3 3 2(2)*a π?= Q01_01_006 对于立方晶系，有简单立方、体心立方和面心立方三种布喇菲格子。 Q01_01_007 金刚石晶体是复式格子，由两个面心立方结构的子晶格沿空间对角线位移 1／4 的长度套构而成，晶胞中有8个碳原子。 Q01_01_008 原胞是最小的晶格重复单元。对于布喇菲格子，原胞只包含1个原子； Q01_01_009 晶面有规则、对称配置的固体，具有长程有序特点的固体称为晶体；在凝结过程中不经过结晶（即有序化）的阶段，原子的排列为长程无序的固体称为非晶体。由晶粒组成的固体，称为多晶。 Q01_01_010 由完全相同的一种原子构成的格子，格子中只有一个原子，称为布喇菲格子。满足 ij j i b a πδ2=?G G ???≠===) (0)(2j i j i π 关系的1b G ,2b G ,3b G 为基矢，由322211b h b h b h G h K K K K ++=构成的格子，称作倒格子。 由若干个布喇菲格子相套而成的格子，叫做复式格子。其原胞中有两个以上的原子。 Q01_03_001 由N 个原胞构成的晶体，原胞中有l 个原子，晶体共有3lN 个独立振动的正则频率。 Q01_03_002 声子的角频率为ω，声子的能量和动量表示为ω=和q K =。 Q01_03_003 光学波声子又可以分为纵光学波声子和横光学波声子，它们分别被称为极化声子和电磁声子 Q01_03_004 一维复式原子链振动中，在布里渊区中心和边界，声学波的频率为 ?????→±==0,02,)2(211q a q M πβω；光学波的频率???????±=→=a q m q 2)2(0)2(21212π βμβω Q01_04_001 金属的线度为L ，一维运动的自由电子波函数ikx e L x 1)(=ψ；能量m k E 22 2==；
吉林大学物理试题（2007~2008学年第二学期）（上册） 注意：第一大题和第二大题的答案填写在题后的表格内，否则按零分处理。 玻尔兹曼常数: 1231038.1--??=K J k 普适气体常数：1131.8--??=K mol J R 一、 单选题 1、汽车用不变力制动时，决定其停止下来所通过路程的量是 （A ） 速度 （B ）质量 (C) 动量 (D) 动能 2、一均质细棒绕过其一端和绕过其中心并与棒垂直的轴转动时，角加速度β相等， 则二种情况下棒所受的外力矩之比21:M M 是 （A ）1:1 （B ）2:1 （C ）4:1 （D ）1:4 3、在由两个质点组成的系统中，若此系统所受的外力的矢量和为零，则此系统 （A ）动量、机械能守恒，但角动量是否守恒不能确定 （B ）动量守恒，但机械能和角动量是否守恒不能确定 (C ) 动量和角动量守恒，但机械能是否守恒不能确定 (D) 动量、机械能守恒、角动量均守恒 4、已知一定量的某种理想气体，在温度为T 1与T 2时，分子最可几速率分别为1p υ和 2p υ，分子速率分布函数的最大值分别为)(1p f υ和)(2p f υ。若21T T >，则 （A ）21p p υυ>，)()(21p p f f υυ> (B) 21p p υυ>，)()(21p p f f υυ< （C ）21p p υυ<，)()(21p p f f υυ> （C ）21p p υυ<，)()(21p p f f υυ< 5、两容器内分别盛有氢气和氦气，若它们的温度和摩尔数分别相同，则 （A ）两种气体分子的平均平动动能相同 ( B) 两种气体分子的平均动能相同 （C ）两种气体分子的平均速率相同 （D ）两种气体的内能相同 6、有人设计一台卡诺热机（可逆的），每循环一次可以从400k 的高温热源吸热1800J ， 向300k 的低温热源放热800J 。同时对外作功1000J ，这样的设计是 (A) 可以的，符合热力学第一定律。 (B) 可以的，符合热力学第二定律。 (C) 不行的，卡诺循环所作的功不能大于向低温热源放出的热量。 (D) 不行的，这个热机的效率超过理论值。 7、在下述四种力中，做功与路径有关的力是 (A) 万有引力 (B) 弹性力 (C) 静电场力 (D) 涡旋电场力 8、当一个带电导体达到静电平衡时，则 （A ）表面上电荷密度较大处电势较高 (B) 表面曲率较大处电势较高 (C ) 导体内部的电势比导体表面的电势高 (D) 导体内任一点与其表面上任一点的电势差等于零 9、位移电流的大小取决于 （A ） 电场强度的大小 （B ）电位移矢量的大小 （B ） 电通量的大小 （C ）电场随时间变化率的大小 10、一圆线圈的半径为R ，载有电流I ，置于均匀外磁场B ρ中。线圈的法线方向与B ρ 的 方向相同。在不考虑载流线圈本身所激发的磁场的情况下，线圈导线上的张力是 （A ）BIR 2 (B) 0 (C ) BIR (D) BIR 2 1 [一题答案填写处] 请按题号将选项填入表格中
第五章 标量流水技术 计算机处理器的主要功能是控制指令的解释执行，为了能引入并行处理，目前普遍使用一种经济有效的方法，即流水控制方式。 本章讨论的是有关流水控制的概念、原理、涉及的问题与解决的办法，以及流水控制技术的应用和进一步的发展。 5.1控制流及其改变 按算法要求控制指令序列的先后顺序执行称控制流，通常指令的执行顺序是相继的，但控制流经常会发生间断，破坏顺序性，主要有以下几种情况： 1.转移指令 不转移：PC = K0 + K1T 转移：控制流发生间断，以目标地址为起始点， 再顺序流动。 K (a)(b) 2.过程调用和返回 可嵌套和递归，返回时从原来断点继续执行。 3.协同程序 与调用不同，被调用过程不总是从头开始，如下 图。 协同程序A协同程序B 4.中断和自陷 为使流水控制方式能高效地解释指令，程序执行的控 制流必须是连续的，因此对控制流的改变要采取有效的措施，以保证流水控制的实现。 5.2标量流水工作原理 5.2.1重叠操作方式和先行控制 指令的解释执行有以下几种工作方式： 1. 顺序方式 这种方式指令串行执行，设一条指令的解释分为：取
指、分析、执行三个阶段，指令解释执行如下图所示： 设各阶段执行时间为t ，解释n 条指令的时间是： t n T ??=3 若各阶段执行时间不同，分别为t 取、t 分、t 执，则解释 n 条指令时间为： ∑==n i T 1(t 取i +t 分i +t 执i ) 顺序方式控制简单，但指令串行解释速度慢，设备利用率 低。 2. 重叠方式 这是使相邻指令的解释在一些阶段上的操作在时间上 重叠执行，如： 或 T = ( 2n + 1) t 重叠方式需增设指令缓冲寄存器，在执行k 条指令时存放 k+1条指令。同时还要解决取操作数与取指令都要访问存 储器的冲突。 解决冲突的方法： ? 使用分开的指令存储器和数据存储器，称为哈佛结构， 如Pentium 处理器设置有指令Cache 和数据Cache 。 ? 采用多体交叉存储器 ? 设置指令缓冲寄存器组 这可预取指令，取指阶段时间短，可以合并到分析阶 段，一条指令解释是分析和执行两个阶段。重叠方式如下： 这称为一次重叠。
大学物理试题（2007~2008学年第二学期）（上册） 注意：第一大题和第二大题的答案填写在题后的表格，否则按零分处理。 玻尔兹曼常数: 一、 单选题 1、汽车用不变力制动时，决定其停止下来所通过路程的量是 （A ） 速度 （B ）质量 (C) 动量 (D) 动能 2 （A ）1:1 （B ）2:1 （C ）4:1 （D ）1:4 3、在由两个质点组成的系统中，若此系统所受的外力的矢量和为零，则此系统 （A ）动量、机械能守恒，但角动量是否守恒不能确定 （B ）动量守恒，但机械能和角动量是否守恒不能确定 (C ) 动量和角动量守恒，但机械能是否守恒不能确定 (D) 动量、机械能守恒、角动量均守恒 4、已知一定量的某种理想气体，在温度为T 1与T 2 （A (B) （C （C 5、两容器分别盛有氢气和氦气，若它们的温度和摩尔数分别相同，则 （A ）两种气体分子的平均平动动能相同 ( B) 两种气体分子的平均动能相同 （C ）两种气体分子的平均速率相同 （D ）两种气体的能相同 6、有人设计一台卡诺热机（可逆的），每循环一次可以从400k 的高温热源吸热1800J ， 向300k 的低温热源放热800J 。同时对外作功1000J ，这样的设计是 (A) 可以的，符合热力学第一定律。 (B) 可以的，符合热力学第二定律。 (C) 不行的，卡诺循环所作的功不能大于向低温热源放出的热量。 (D) 不行的，这个热机的效率超过理论值。 7、在下述四种力中，做功与路径有关的力是 (A) 万有引力 (B) 弹性力 (C) 静电场力 (D) 涡旋电场力 8、当一个带电导体达到静电平衡时，则 （A ）表面上电荷密度较大处电势较高 (B) 表面曲率较大处电势较高 (C ) 导体部的电势比导体表面的电势高 (D) 导体任一点与其表面上任一点的电势差等于零 9、位移电流的大小取决于 （A ） 电场强度的大小 （ B ）电位移矢量的大小 （B ） 电通量的大小 （C ）电场随时间变化率的大小 10、一圆线圈的半径为R ，载有电流I ， 方向相同。在不考虑载流线圈本身所激发的磁场的情况下，线圈导线上的力是 （A (B) 0 (C ) [一题答案填写处] 请按题号将选项填入表格中
1.简述计算机系统的组成。 由硬件系统和软件系统组成 2.计算机硬件包括那几个部分？分别说明各部分的作用。 a）主机和外设 b）主机包括中央处理器和内存作用分别是指挥计算机的各部件按照指令的功能要求协调工作和存放预执行的程序和数据。外设包括输入输出设备和外存，作用是接受用户输入的原始数据和程序并将它们转化为计算机可以识别的形式存放在内存中，将存放在内存中由计算机处理的结果转变为人们所能接受的形式。 3.指令和程序有什么区别？试述计算机执行指令的过程。 a)指令是能被计算机识别并执行的二进制代码，程序是计算机指令的有序集合。 b)取指令，分析指令，执行指令。 4.指令的串行执行和并行执行有什么区别？ 串行执行即在任何时刻只能执行一条指令，并行执行可以执行多条指令。 5.什么是流水线技术? 在程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理技术。 6.简述系统软件和应用软件的区别。 系统软件是指控制计算机的运行、管理计算机的各种资源、并为应用软件提供支持和服务。应用软件是利用计算机的软、硬件资源为某一专门目的而开发的软件。 7.简述机器语言、汇编语言、高级语言各自的特点。 机器语言编程工作量大、难学难记难修改；汇编语言编程质量高，站存储空间少、执行速度快；高级语言接近自然语言和数学公式。 8.简述解释和编译的区别。 解释的翻译工作可立即执行，而编译的翻译工作不可立即装入机器执行。 9.简述将资源程序编译成可执行程序的过程。 首先产生一个与资源程序等价的目标程序，然后连接程序将目标程序和有关的程序库组合成一个完整的可执行程序。 10.简述常用各种高级语言的特点。 FORTRAN：用于科学计算。COBOL：面向商业的通用语言。C/C++:功能丰富，灵活，简洁明了。BASIC：非结构化，功能少，速度慢。JAVA：严谨可靠易懂。 11.什么是主板?它主要有哪些部件？各部件是如何连接的？ a)主板（母版）是微型计算机中最大的一块集成电路板，也是其他部件和各种外部设备的连接载体。 b)芯片、插槽和接口。 c)通过接口连接。 12.简述主板构架的作用，并列举常见的主板构架。 作用：对主板的尺寸大小，形状，各元器件的布局、排列方式和所有的电源风格等制定出的通用标准。如ATX,Micro ATX,BTX等。 13.CPU有哪些性能指标？ 主频、外频和前段总线频率字长和位数高速缓冲存储器容量核心数量制造工艺 14简述ROM和RAM的作用和区别。 ROM可读不可写、断电后数据不会丢失；RAM可读可写、断电后数据丢失。 15.简述内存和外存的特点。 内存：容量小，CPU可直接访问。外存：容量大，CPU不能直接访问。 16.什么是SATA硬盘？它有什么优点？ 使用SATA接口的存储设备。结构简单，可靠性高，数据传输率高，支持热插拔。 17.简述Cacha的作用及其原理。 提高计算机性能；在CPU和内存之间放置Cacha，CPU访问它的速度比访问内存的速度快得多。 18什么是总线？列举总线类型。 总线是各部件、设备之间传送数据的公用通道。 类型：ISA，PCI,AGP. 19.简述并行总线和串行总线的优缺点。 并：适用于短距离低总线频率的传输；串：低速数据传输和高速数据传输都适用。
计算机系统结构第5章作业解答 第2题 解： （1）顺序执行需要的时间如下： （2）取指令和执行重叠，即一次重叠执行方式，我们假设第n+1条指令的取指令和第n 条指令的执行同时结束，那么所需要的时间为： （3）取指令、分析和执行重叠 (4)先行控制方式 第4题 解： （1） K 与K+1之间存在寄存器R1先写后读相关（RAW ）； K+1与K+2之间存在寄存器R0写与写相关（W AW ）； K 与K+1之间存在寄存器R0先读后写相关（WAR ）。 （2） 前二种相关会引起流水线的停顿。 （3） 流水线完成这三条指令的时空图如下。共用了9个时钟周期。 t 6n n t)3t 2t (?=??+?+?=T t t n n t t t T ?+?=??+?+?=5)32(t t n t n t t t T ?+?=?-+?+?+?=53)1(3)32(t n t t T ?+?=+=∑=33t n 1 i i 1执行分析
第6题 [分析]为了减少运算过程中的操作数相关，A*B*C*D 应改为采用((A*B)*(C*D)) 的算法步骤进行运算。 [解答]按图(A)组织，实现A*B*C*D 的时空关系如下图(A)所示。 图 (A) 吞吐率TP=3/(13⊿t) 效率E =(3×5⊿t)/(3×13⊿t)=5/13 图（B ） (A)
流水线按图(B)组织时，实现A*B*C*D 的时空关系如图(B) 吞吐率TP=3/(11⊿t) 效率E =(3×5⊿t)/(5×11⊿t)=3/11 第8题 解：（1）流水线时空图如下： % 8.21266)8263(265≈??+?== τ ττE TP 31.126)8263(≈?+?= τ τ p S 第11题 解：禁止表F={1，3，4，8}；原始冲突向量C=（10001101）；状态转移图如下：
1. 试用原子核的统计性质说明原子核是有质子-中子构成的，而不是有质子-电子构成的。 2. 试用β衰变的泡利中微子假说和费米理论的基本思想解释β衰变连续谱以及β衰变放 出电子的来源，试写出3种β衰变的衰变能表达式（用原子质量表示）：试说明原子轨道中的哪个壳层电子俘获概率最大？为什么有的原子核（如205Bi ）没有观察到K 壳层的轨道电子俘获？ 3. 原子核的幻数有哪些？叙述幻数存在的实验依据，请说明原子核独立粒子模型的基本思 想。 4. 原子核的形变是怎么产生的？请简要说明原子核形变大小与核质量数的关系。如何正确 理解原子核的转动和振动？ 5. 试写出原子核β稳定线经验公式。 6. 试说明原子核液滴模型的基本思想，写出原子核结合能半经验公式，并简要描述。 7. 把原子核内转换的衰变过程理解成先发生γ跃迁，再发生光电作用的过程，是否合理？ 如何正确理解原子核的内转换方式？ 8. 放射性系有哪些？简要描述每个放射性系的特点？试回答，在天然放射性系核素中，为 什么大多数成员核只具有β放射性，而没有一个具有β和EC 特性的？ 9. 在核物理中，线面三个英文缩略语符号分别代表什么含义？ ⑴ EC ； ⑵IC ； ⑶IT 10. 简要理解原子核的同位旋概念，并回答什么是原子核的同位旋多重态？ 11. 核反应截面概念及其单位是什么？ 12. 请写出原子核半径的经验公式：根据原子核的基本性质，粗略估计核物质的密度是多 少？（核子数密度、核质量密度）；试求半径为189Os 核的1/3的稳定核。 13. 实验测得某元素的特征K α线的能量为7.88KeV ，试求钙元素的原子序数Z 。 14. 为什么原子核具有自旋？如何正确理解原子核的自旋概念？实验测得241Am 的原子光 谱的超精细结构有六条谱线组成，已知相应原子能级的电子总角动量大于核的自旋，试求该核的自旋。 15. 211 83Bi 通过α衰变到207 81Tl ，放出两组α粒子，其能量分别为E （α0）=6625KeV （分支 比为83.5％），E （α1）=6274KeV （分支比为16.5％），前者相应为母核基态（I π=9/2）衰变至子核基态（I π=1/2），后者相应为母核基态衰变至子核的激发态（I π=3/2）。试求：①两组α衰变的衰变能分别是多少？②子核 207Tl 激发态的能量；③画出此衰变纲图；④说明两组α衰变分支比差异大的原因。 16. 74Be 通过轨道电子俘获衰变到73Li ，衰变能E d =0.87MeV ，试求73Li 的反冲能E R 。 17. 试说明γ跃迁选择定则。对于下列γ跃迁，已知这种跃迁发生时初态和末态的能级自旋 和宇称。试求末态的能级自旋和宇称：⑴1?→?1E ；⑵2??→?+32E M ；⑶4?→?2E ；⑷1??→?+21E M ；⑸0??→?) (43E M ；是否存在纯磁多极γ跃迁？如果存在，请分别以纯M1