计算机系统结构-第三章(习题)
解答．
假设 1. 什么是存储系统？对于一个由两个存储器M和M构成的存储系统，21存取时间分别为的命中率为h，两个存储器的存储容量分别为s和s，M121和t，每千字节的成本分别为c和c。t2121 c？⑴在什么条件下，整个存储系统的每千字节平均成本会接近于2
t是多少？⑵该存储系统的等效存取时间a试以/t为存储系统的访问效率。，并令e=t⑶假设两层存储器的速度比r=t/t a121。h来表示访问效率e和命中率r 是多少？e>0.95，要求命中率h⑷如果r=100，为使访问效率。现对于⑷中的命中率实际上很难达到，假设实际的命中率只能达到0.96⑸
把包括被访问当访问M不命中时，在采用一种缓冲技术来解决这个问题。1中的每个数中，并假设被取到M取到数据在内的一个数据块都从MM121中的取到M据平均可以被重复访问5次。请设计缓冲深度（即每次从M12。数据块的大小）答：整个存储系统的每千字节平均成本为：⑴
1s2?c1?c2c2?s1c?s1s?c?1s2ss1?1?2s时，整个存。即：s2>>s1不难看出：当s1/s2非常小的时候，上式的值约等于c2 c2。储器系统的每千字节平均成本会接近于 t为：⑵存储系统的等效存取时间a2??h)ttt?h?1?(1a⑶
tt111??e?th?t?(1?h)?th?(1?h)?r21a⑷将数值代入上式可以算得：h>99.95%
⑸
通过缓冲的方法，我们需要将命中率从0.96提高到0.9995。假设对存储器，列1/5m。那么，不命中率减小到原来的m，缓冲块的大小为5的访问次数为
出等式有：961?0.?0.9995?1m5，即要达到⑷中的访问效率，缓冲的深度应该至少是解这个方程得：m=16 16（个数据单位）。
其容量有三Cache，第一层M是 2. 要求完成一个两层存储系统的容量设计。1；和0.980.7、0.9种选择：64KB、128KB和256KB，它们的命中率分别为。并设两个存储器的存取时间分别是主存储器，其容量为4MB第二层M2。和
t=10tt为t和，每千字节的成本分别为c和c。如果c=20c11211222的条件下，
分别计算三种存储系统的等效存取时间。在t=20ns⑴1美元/KB，分别计算三种存储系统每千字节的平均成本。c⑵如果=0.22对三种存储系统的设计作一
个比较，并分别按平均成本和等效存取时间指⑶
出它们性能的排列次序。⑷根据等效存取时间和平均成本的乘积，选择最优的设计。答：⑴
)(ns?h)200?200?180h(h?t1?1?h)?t2?20h?(1t?∵a三种存储系统的等效存取时间分别
为：∴
ns74200?180?0.7?t?200?180h?1a ns??1800.9?38t?200?180h?200
2a ns.98?23.6?t?200?180h200?180?03a⑵
三种存储系统每千字节的平均成本为：
KB?1024$/KB?4KB4$/?64KB?0.2cc1?s1?2?s2KBc$/?0.?26?
1a KB1024?64KB4?s1?s2KB??41024?0.2$/KB4s1?1?c2?s2$/KB?128KBc??0.?32$c/KB
2a s1?s2128KB?4?1024KBc1?s1?c2?s24$/KB?256KB?0.2$/KB?4?1024KB???0.42$/KBc 3a s1?s2256KB?4?1024KB⑶按照平均成本来说c ⑷t（ns） c（$/KB方案）乘积比较aa19.24 1 0.26 74 最差 12.16 38 2 0.32 中等 9.912 23.6 3 0.42 最优 位。现在要32字节，字长为3. 有16个存储器模块，每个模块的容量为4M 个存储器模块构成一个主存储器，有如下几种组织方式：用这16 1方式：16个存储器模块采用高位交叉方式构成存储器。方式2：个存储器模块构成并行访问存储器。16 个存储器模块采用低位交叉方式构成存储器。：16方式3 路低位交叉构成存储器。24：路高位交叉8方式 4路高位交叉4路低位交叉构成存储器。方式5：路低位交叉构成存储器。路并行访问4方式6：4 写出各种存 储器的地址格式。⑴ 比较各种存储器的优缺点。⑵ 不考虑访问冲突，计算各种存储器的频带宽度。⑶ ⑷画出各种存储器的逻辑示意图。答：各种存储器的地址格式如下：⑴个模块高位交叉16方式1：高 低 4bit字地址2bit 模块号模块内地址20bit 方式2个模块并行访问：16 高 低 20bit多路选择4bit 字地址模块内地址2bit 个模块低位交叉16：3方式 高 低模块号字地址 4bit2bit20bit模块内地址方式4：2路高位交叉8路低位交叉 高模块2bi字地3bi1bi组20bi模块内地 路低位交叉4路高位交叉4方式5： 高 2bi模块2bi字地2bi组20bi模块内地址 4路低位交叉6：4路并行访问方 式高 20bi模块内地多路选2bi组2bi字地2bit ⑵ 这几种存储器都能够并行工作，因此一般而言都可以用来提高内存的吞吐率。但他们也有所区别：并行访问存储器的优点是实现简单、容易，缺点是访问冲突大；高位交叉访问存储器的优点是扩充方便，但是因为访问冲突太大，一般不用于并行存取，缺点是访问效率不高；低位交叉访问存储器可以用分时的方法来提高速度，但扩充不方便。⑶ 各种存储器的频带宽度和他们的并行程度有关，在不考虑冲突的情况下，如果有足够多的独立控制电路和寄存器，那么，他们的频带宽度是相同的。但是，高位交叉访问存储器一般不用于并行存取，因此频带宽度最小。⑷ 个模块高位交叉16：1方式 《计算机系统结构》题库 一．单项选择题（在下列每小题的四个备选答案中，只有一个答案是正确的，请把你认为是正确的答案填入题后的（）内，每小题2分） 第一章： 1.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---高级机器语言机器级---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 答案：B 分数：2 所属章节1—1 2.汇编语言源程序变成机器语言目标程序是经来实现的。 A. 编译程序解释 B. 汇编程序解释 C. 编译程序翻译 D. 汇编程序翻译 答案：D 分数：2 所属章节1—1 3.直接执行微指令的是： A. 汇编程序 B. 编译程序 C. 硬件 D. 微指令程序 答案：C 分数：2 所属章节1—1 4.对系统程序员不透明的是： A. Cache存储器 B. 系列机各档不同的数据通路宽度 C. 指令缓冲寄存器 D. 虚拟存储器 答案：D 分数：2 所属章节1—2 5.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 答案：D 分数：2 所属章节1—2 6.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 答案：B 分数：2 所属章节1—2 7.计算机系统结构不包括： A. 主存速度 B. 机器工作状态 C. 信息保护 D. 数据表示 答案：A 分数：2 所属章节1—2 8.对计算机系统结构透明的是： A. 字符行运算指令 B. 是否使用通道行I/O处理机 C. 虚拟存储器 D. VLSI技术 答案：D 分数：2 所属章节1—2 9.对汇编语言程序员透明的是： A.I/O方式中的DMA访问方式 B. 浮点数据表示 C. 访问方式保护 D 程序性中断. 答案：A 分数：2 所属章节1—2 10.属计算机系统结构考虑的应是： 计算机科学系《计算机系统结构》期末考试试卷（A卷） 2、此试卷适用于计算机科学与技术本科专业。 一单选题：(10分，每题1分) 1、."启动I/O"指令是主要的输入输出指令，是属于（ B ） 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） 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 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 8、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 全国2010年4月自学考试计算机系统结构试题 课程代码：02325 一、单项选择题(本大题共10小题，每小题1分,共10分) 在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其代码填写在题后的括号内。错选、多选或未选均不得分。 1．在计算机系统结构设计中，提高软件功能实现的比例可( ) A．提高解题速度B．减少需要的存储器容量 C．提高系统的灵活性D．提高系统的性能价格比 2．浮点数表示的尾数的基r m=16，尾数长度p=8，可表示的规格化最大正尾数的值是( ) A．1／256 B．1／2 C．15／16 D．255／256 3．下列数据存储空间为隐含寻址方式的是( ) A．CPU中的通用寄存器B．主存储器 C．I／O接口中的寄存器D．堆栈 4．当计算机系统执行通道程序完成输入输出工作时，执行通道程序的是( ) A．CPU B．通道 C．CPU和通道D．指定的外设 5．下列有关中断的叙述正确的是( ) A．中断响应的次序是由硬件决定的B．中断处理的次序是由硬件决定的 C．中断处理的次序是不可改的D．中断响应的次序是可灵活改变的 6．与虚拟存储器的等效访问速度无关 ．．的是( ) A．访存页地址流B．页面替换算法 C．主存的容量D．辅存的容量 7．非线性流水线的特征是( ) A．一次运算中使用流水线中的多个功能段 B．一次运算中多次使用流水线中的某些功能段 C．流水线中某些功能段在各次运算中的作用不同 D．流水线的各功能段在不同的运算中可以有不同的连接 8．属于集中式共享存储器结构的SIMD计算机是( ) A．ILLIAC IV B．BSP C．CM-2 D．MP-1 1 计算机系统结构复习题 单选及填空： 计算机系统设计的主要方法 1、由上往下的设计（top-down） 2、由下往上的设计（bottom-up） 3、从中间开始（middle-out） Flynn分类法把计算机系统的结构分为以下四类： （1）单指令流单数据流 （2）单指令流多数据流 （3）多指令流单数据流 (4) 多指令流多数据流 堆栈型机器：CPU 中存储操作数的单元是堆栈的机器。 累加器型机器：CPU 中存储操作数的单元是累加器的机器。 通用寄存器型机器：CPU 中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。 名词解释： 虚拟机：用软件实现的机器叫做虚拟机，但虚拟机不一定完全由软件实现，有些操作可以由硬件或固件（固件是指具有软件功能的固件）实现。 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。 兼容机：它是指由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。 流水线技术：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。 单功能流水线：指流水线的各段之间的连接固定不变、只能完成一种固定功能的流水线。 多功能流水线：指各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能的流水线。 顺序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。 乱序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成。这种流水线又称为无序流水线、错序流水线、异步流水线。 吞吐率：在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。 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。 超标量： 一种多指令流出技术。它在每个时钟周期流出的指令条数不固定，依代码的具体情况而定，但有个上限。 超流水：在一个时钟周期内分时流出多条指令。 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。 写直达法： 在执行写操作时，不仅把信息写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储器中相应的块。写回法： 只把信息写入Cache中相应块，该块只有被替换时，才被写回主存。 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”。 多Cache一致性： 多处理机中，当共享数据进入Cache，就可能出现多个处理器的Cache中都有同一存储器块的副本，要保证多个副本数据是一致的。 写作废协议： 在处理器对某个数据项进行写入之前，它拥有对该数据项的唯一的访问权 。 写更新协议： 当一个处理器对某数据项进行写入时，它把该新数据广播给所有其它Cache。这些Cache用该新数据对其中的副本进行更新。 机群：是一种价格低廉、易于构建、可扩放性极强的并行计算机系统。它由多台同构或异构 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 计算机系统结构 姓名：学号： 一、简答题（每小题10分，共20分） 1．简述使用物理地址进行DMA存在的问题，及其解决办法。 2．从目的、技术途径、组成、分工方式、工作方式等5个方面对同构型多处理机和异构型多处理机做一比较（列表）。 二、（60分）现有如下表达式： Y＝a ×X 其中：X和Y是两个有64个元素的32位的整数的向量，a为32位的整数。假设在存储器中，X和Y的起始地址分别为1000和5000，a的起始地址为6000。 1．请写出实现该表达式的MIPS代码。 2．假设指令的平均执行时钟周期数为5，计算机的主频为500 MHz，请计算上述MIPS 代码（非流水化实现）的执行时间。 3．将上述MIPS代码在MIPS流水线上（有正常的定向路径、分支指令在译码段被解析出来）执行，请以最快执行方式调度该MIPS指令序列。注意：可以改变操作数，但不能改变操作码和指令条数。画出调度前和调度后的MIPS代码序列执行的流水线时空图，计算调度前和调度后的MIPS代码序列执行所需的时钟周期数，以及调度前后的MIPS流水线执行的加速比。 4．根据3的结果说明流水线相关对CPU性能的影响。 三、（20分）请分析I/O对于性能的影响有多大？假设： 1．I/O操作按照页面方式进行，每页大小为16 KB，Cache块大小为64 B；且对应新页的地址不在Cache中；而CPU不访问新调入页面中的任何数据。 2．Cache中95%被替换的块将再次被读取，并引起一次失效；Cache使用写回方法，平均50%的块被修改过；I/O系统缓冲能够存储一个完整的Cache块。 3．访问或失效在所有Cache块中均匀分布；在CPU和I/O之间，没有其他访问Cache 的干扰；无I/O时，每1百万个时钟周期中，有15,000次失效；失效开销是30个时钟周期。如果替换块被修改过，则再加上30个周期用于写回主存。计算机平均每1百万个周期处理一页。 计算机系统结构试题及答案 一、选择题（50分，每题2分，正确答案可能不只一个，可单选 或复选） 1.（CPU周期、机器周期）是内存读取一条指令字的最短时间。 2.（多线程、多核）技术体现了计算机并行处理中的空间并行。 3.（冯?诺伊曼、存储程序）体系结构的计算机把程序及其操作数 据一同存储在存储器里。 4.（计算机体系结构）是机器语言程序员所看到的传统机器级所具 有的属性，其实质是确定计算机系统中软硬件的界面。 5.（控制器）的基本任务是按照程序所排的指令序列，从存储器取 出指令操作码到控制器中，对指令操作码译码分析，执行指令操作。 6.（流水线）技术体现了计算机并行处理中的时间并行。 7.（数据流）是执行周期中从内存流向运算器的信息流。 8.（指令周期）是取出并执行一条指令的时间。 9.1958年开始出现的第二代计算机，使用（晶体管）作为电子器件。 10.1960年代中期开始出现的第三代计算机，使用（小规模集成电路、 中规模集成电路）作为电子器件。 11.1970年代开始出现的第四代计算机，使用（大规模集成电路、超 大规模集成电路）作为电子器件。 12.Cache存储器在产生替换时，可以采用以下替换算法：（LFU算法、 LRU算法、随机替换）。 13.Cache的功能由（硬件）实现，因而对程序员是透明的。 14.Cache是介于CPU和（主存、内存）之间的小容量存储器，能高 速地向CPU提供指令和数据，从而加快程序的执行速度。 15.Cache由高速的（SRAM）组成。 16.CPU的基本功能包括（程序控制、操作控制、时间控制、数据加 工）。 17.CPU的控制方式通常分为：（同步控制方式、异步控制方式、联合 控制方式）反映了时序信号的定时方式。 18.CPU的联合控制方式的设计思想是：（在功能部件内部采用同步控 制方式、在功能部件之间采用异步控制方式、在硬件实现允许的情况下，尽可能多地采用异步控制方式）。 19.CPU的同步控制方式有时又称为（固定时序控制方式、无应答控 制方式）。 20.CPU的异步控制方式有时又称为（可变时序控制方式、应答控制 方式）。 21.EPROM是指（光擦可编程只读存储器）。 22.MOS半导体存储器中，（DRAM）可大幅度提高集成度，但由于（刷 新）操作，外围电路复杂，速度慢。 23.MOS半导体存储器中，（SRAM）的外围电路简单，速度（快），但 其使用的器件多，集成度不高。 24.RISC的几个要素是（一个有限的简单的指令集、CPU配备大量的 通用寄存器、强调对指令流水线的优化）。 体系结构复习重点.doc 1..诺依蔓计算机的特点 答：·若依曼计算机的主要特点如下： 存储程序方式。指令和数据都是以字的方式存放在同一个存储器中，没有区别，由机器状态来确定从存储器读出的字是指令或数据。 指令串行执行，并由控制器集中加以控制、 单元定长的一维线性空间的存储器 使用低级机器语言，数据以二进制形式表示。 单处理机结构，以运算器作为中心。 其实，他最大的特点就是简单易操作。 2. T（C）＝ 3.1 -3.3为术语解释等解答题。 3.4 设一条指令的执行过程分为取指令，分析指令和执行指令3个阶段，每个阶段所需时间分别为ΔT, ΔT, 2ΔT，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) 4NΔT (2) (3N+1) ΔT (3) 2(N+1) ΔT 3.6 解决流水线瓶颈问题有哪两种常用方法？ 解： (1) 细分瓶颈段 将瓶颈段细分为若干个子瓶颈段 (2) 重复设置瓶颈段 重复设置瓶颈段，使之并行工作，以此错开处理任务 3.9 列举下面循环中的所有相关，包括输出相关，反相关，真数据相关。 for(i = 2; i < 100; i=i+1) { a[i] = b[i] + a[i]; -----(1) c[i+1] = a[i] + d[i]; -----(2) a[i-1] = 2*b[i]; -----(3) b[i+1] = 2*b[i]; -----(4) } 解： 输出相关：第k次循环时(1)与第k+1轮时(3) 反相关：第k次循环时(1)和(2)与第k-1轮时(3) 真数据相关：每次循环(1)与(2)，第k次循环(4)与k+1次循环(1)，(3)，(4) 3.12 有一指令流水线如下所示 50ns 50ns 100ns 200ns (1)求连续如入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）（m表示流水线级数，n 表示任务数） 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 第三章流水线技术 知识点汇总 先行控制、流水线、单功能流水线、多功能流水线、静态流水线、动态流水线、部件级流水线、处理机级流水线、处理机间流水线、线性流水线、非线性流水线、顺序流水线、乱序流水线、时空图、流水线性能评价（吞吐率、加速比、效率）、解决流水线瓶颈问题方法、相关（数据相关、名相关、控制相关）、换名技术、流水线冲突（结构冲突、数据冲突、控制冲突）、流水线互锁机制、定向技术、指令调度、预测分支失败、预测分支成功、延迟分支（从前调度、从失败处调度、从成功处调度）、流水寄存器、3种向量处理方式（横向、纵向、纵横）、链接技术。 简答题 1.流水技术有哪些特点？（答出4个即可）（知识点：流水线） 答：1.将处理过程分解为若干子过程，由专门的功能部件来实现，2各段的时间尽可能相等，3各部件间都有一个缓冲寄存器，4适用于大量重复的时序过程，5需要通过时间和排空时间。 2.什么是静态流水线？什么是动态流水线？（知识点：静态流水线、动态流水线） 答：同一时间段内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作；同一时间段内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接同时执行多种功能。 3.什么是单功能流水线？什么是多功能流水线？（知识点：单功能流水线、多功能流水线） 答：只能完成一种固定功能的流水线。流水线的各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能。 4.什么是线性流水线？什么是非线性流水线？（知识点：线性流水线、非线性流水线） 答：流水线的各段串行连接，没有反馈回路。流水线中除了有串行的连接外，还有反馈回路。 5.列举3种相关。（知识点：相关） 答：数据相关，名相关，控制相关。 6.流水线中有哪三种冲突？各是什么原因造成的？（知识点：流水线冲突） 答：结构冲突，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求；数据冲突，指令在流水线中重叠执行时需要用到前面指令的执行结果；控制冲突，流水线遇到分支指令和其他会改变PC值的指令。 7.选择至少2种解决流水线结构冲突的方法简述。（知识点：结构冲突） 答：流水线停顿一个时钟周期，推迟后面的指令操作。设置相互独立的指令存储器和数据存储器。 8.选择至少2种解决流水线数据冲突的方法简述。（知识点：数据冲突） 答：定向技术，将计算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要的地方。通过编译时让编译器重新组织指令顺序来消除冲突。 计算机系统结构期末考试试题及其答案 《计算机系统结构》期末考试试卷A 卷第 2 页 共 24 页 计算机科学系《计算机系统结构》期末考试试卷（A 卷） 2、此试卷适用于计算机科学与技术本科专业。 一 单选题：(10分，每题1分) 1、 ."启动I/O"指令是主要的输入输出指 令，是属于（ B ） 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 ） 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 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 《计算机系统结构》期末考试试卷A卷第 3 页共 24 页 有一指令流水线如下所示 入 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 85 1 T n TP 1pipeline -== 58.82%17 10 8400TP m ti TP E m 1 i ≈=? =?? =∑= 重复设置部件 1 2 3_1 3_2 4_1 4_4 入 出 )(ns 851T n TP 1pipeline -== 58.82%17 10 8 85010400E ≈=??= 有一 4段组成，其3段时，总次，然后流到第4段。如果 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 （2） 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。 《计算机体系结构》期末复习题答案 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 《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 第一章： 1．试述Flynn 分类的4 种计算机系统结构有何特点。 2．假设高速缓存Cache 工作速度为主存的5 倍，且Cache 被访问命中的概率为90%， 则采用Cache 后，能使整个存储系统获得多高的加速比？ 3．某工作站采用时钟频率为15 MHz、处理速率为10 MIPS 的处理机来执行一个已知混合程序。假定每次存储器存取为1 周期延迟，试问： （1）此计算机的有效CPI 是多少？ （2）假定将处理机的时钟提高到30 MHz，但存储器子系统速率不变。这样，每次存储器存取需要两个时钟周期。如果30%指令每条只需要一次存储存取，而另外5%每条需要两次存储存取，并假定已知混合程序的指令数不变，并与原工作站兼容，试求改进后的处理机性能。 4．处理机的时钟30 MHz （1）计算在单处理机上用上述跟踪数据运行程序的平均CPI。 （2）根据（1）所得CPI，计算相应的MIPS 速率。 1、解释图中各控制信号的作用。 2、各流水级存放控制信号的流水线寄存器有何异同？ 3、设流水线模型机采用load前推和数据前推，按时钟周期画出以下指令序列的时序图，标示出前推示意。 load r2, 12(r3) addi r4, r2, 10 and r1, r2, r4 store r1, 10(r5) 4、给出A.3节PPT中图1.39的BDEPEN控制信号的真值表。 半期： 1、试分析采用哪种设计方案实现求浮点数除法FPMUL对系统性能提高更大。假定FPMUL 操作占整个测试程序执行时间的15%。 一种设计方案是增加专门的FPMUL硬件，可以将FPMUL操作的速度加快到10倍； 另一种设计方案是提高所有FP运算指令的执行速度，使得FP指令的执行速度加快为原来的1.4倍，设FP运算指令在总执行时间中占40%。（3分） 解：对这两种设计方案的加速比分别进行计算。 增加专门FPDIV硬件方案：F e = 15% = 0.15，S e = 10 S FPDIV = 1/((1-0.15)+0.15/10)=1/0.865 = 1.156 提高所有FP运算指令速度方案：F e = 40% = 0.4 ，S e = 1.6 S FP = 1/((1-0.4)+0.4/1.4) = 1/0.886 = 1.13 增加专门FPDIV硬件方案的加速比更高，对系统性能提高更大。 2.设流水线模型机结构如下图所示，采用load前推和数据前推（包括store指令）。假设模型机使用subicc指令，它将根据减法结果设置标志寄存器Z的内容为0或为1；其它的ALU 计算指令不影响Z。指令bne的控制相关处理采用插入nop指令的策略。（7分） 《计算机系统结构》期末考试试卷（A） 2、此试卷适用于计算机科学与技术本科专业。 一单选题：(10分，每题1分) 1、."启动I/O"指令是主要的输入输出指令，是属于（ B ） 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） 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 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 8、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 二填空题：（20分，每题2分） 2009-2010学年度第一学期2007级 《计算机系统结构》期末考试试卷（A）（闭卷） 姓名：学号：专业： （注：①考试时间为120分钟；②所有解答必须写在答题纸上。）一、单项选择题（每小题3分，共30分） 1．在系列机中发展一种新型号机器，你认为下列（）设想是不行的?【A】新增加字符数据类型和若干条字符处理指令 【B】将中断分级由原来的4级增加到5级 【C】在CPU和主存之间增设Cache存贮器 【D】将浮点数的下溢处理法由原来的恒置“1”法，改为查表舍入法 2.对计算机系统结构来说，不透明的是（）。 【A】存储器采用交叉存取还是并行存取 【B】CPU内部的数据通路的宽度是8位还是16位 【C】采用浮点数据表示还是标志符数据表示 【D】指令采用硬联逻辑实现还是微程序实现 3．一个平衡的计算机系统，应该是（）。 【A】1MIPS的CPU速度【B】1MB的主存容量 【C】1Mb/s的I/O吞吐率【D】A、B和C 4、（）设计是现代计算机系统设计所采用的方法。 【A】由上往下【B】由下往上【C】由中间开始【D】上下同时开始5．当今微型机中实现软件移植最好的方法是（）。 【A】系列机【B】兼容机【C】仿真技术【D】统一高级语言 6、不能够对向量数据结构提供直接支持的是（）数据表示。 【A】向量【B】堆栈【C】描述符【D】A和C 7、采用整数边界存储技术，其主要目的是（）。 【A】节约主存空间【B】提高数据的访问速度 【C】一个主存周期可取多条指令【D】一个主存周期至少可取到一条指令 8、在指令的操作码编码方式中，优化实用的编码是（）。 【A】Huffman编码【B】等长编码【C】Huffman扩展编码【D】BCD码 9、流水计算机中将指令Cache和数据Cache分开，主要是为了（）。 【A】提高存储系统的速度【B】增加主存容量 【C】解决功能部件冲突【D】解决访存冲突 10、当N=16时，能描述4组4元交换的函数是（）。 【A】C1+C2 【B】C0+C1 【C】C0+C2 【D】C2+C3 二、（10分）在采用通用寄存器指令集结构的计算机上得到了如下所示的数据： 假若编译器优化后能去掉50%的ALU指令，但不能去掉其它三类指令。求优化后的MIPS 与优化前的MIPS速率比。 三、（10分）设某机器系统指令字长12位，每个操作码和地址均占3位，试提出一种分配 第一题选择题 1． SIMD是指（B） A、单指令流单数据流 B、单指令流多数据流 C、多指令流单数据流 D、多指令流多数据流 2．下列那种存储设备不需要编址？D A. 通用寄存器 B. 主存储器 C. 输入输出设备 D. 堆栈 3．按照计算机系统层次结构，算术运算、逻辑运算和移位等指令应属于（A）级机器语言。 A、传统机器语言机器 B、操作系统机器 C、汇编语言机 器 D、高级语言机器 4．早期的计算机系统只有定点数据表示，因此硬件结构可以很简单。但是这样的系统有明显的缺点，下面哪一个不是它的缺点：B A．数据表示范围小 B．单个需要的计算时钟周期多 C．编程困难 D．存储单元的利用率很低 7．下面哪个页面替换算法实际上是不能够实现的？D A）随机页面替换算法 B）先进先出替换算法 C）最久没有使用算法 D）最优替换算法 9．指令优化编码方法，就编码的效率来讲，那种方法最好？C A. 固定长度编码 B. 扩展编码法 C. huffman编码法 D. 以上编码都不是 10．在早期冯·诺依曼计算机特征中，机器以（C）为中心。 A、存储器 B、输入输出设备 C、运算器 D、控制器 1.RISC 计算机的指令系统集类型是 ( C ) 。 A. 堆栈型 B. 累加器型 C. 寄存器—寄存器型 D. 寄存器 - 存储器型 2、相联存储器的访问方式是( D )。 A．先进先出顺序访问 B．按地址访问 C．无地址访问 D．按内容访问 3、假设—条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每—段分别只有—个部件可供使用，并且执行时间分别为Δt、2Δt和3Δt，连续执行n条指令所需要花费的最短时间约为( C )。 （假设“取指令”、“分析”和“执行”可重叠，并假设n足够大） 第三章练习题（1） 一、单项选择题 在下面各题的4个备选答案中，只有一个答案是正确的，请把正确答案的标号（A~D）填入题后面的括号中。 1．程序员编写程序时使用的访存地址是（）。 A．物理地址 B．有效地址 C．逻辑地址 D．主存地址 2．虚拟存储器通常采用的地址映像是（D ）。 A．全相联、组相联和直接映像 B．直接映像 C．组相联映像 D．全相联映像 3．不属于堆栈型替换算法是（）。 A．近期最少使用替换算法 B．先进先出替换算法 C．最优替换算法 D．近期最久未使用替换算法 4.确保提高虚拟存储器的主存命中率的途径是（）。 A．采用LFU替换算法并增大页面数 B．采用FIFO替换算法并增大页面 C．采用FIFO替换算法并增大页面数 D．采用LRU替换算法并增大页面 5.虚拟存储器主要是为了解决（）问题。 A．便于程序的“访存操作” B．扩大存储系统的容量和提高存储系统的速度 C．提高存储系统的速度 D．扩大存储系统的容量 6.与虚拟存储器的等效访问速度无关的是（）。 A．辅存的容量 B．主存的容量 C．页面替换算法 D．访存页地址流 二、填空题 1．使二级存储系统的等效访问速度接近于第一级存储器访问速度的依据是程序的（局部性原理），它包括（时间局部性）和（空间局部性）两个方面。 2．程序的空间局部性是指程序通常是（顺序）存储和执行的，程序使用的数据通常是（簇聚或集中）存储的。 3．假设T1和T2分别是CPU访问到M1和M2中信息所需要的时间，H为命中M1的概率，则由M1和M2构成的二级存储系统的等效访问时间应当表示为（H*T1+(1-H)*T2）。4．存储器速度性能可以采用存储器的（频宽）衡量，它是存储器单位时间能够访问的信息量。计算机系统结构题库
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