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2014年4月份考试作业计算机系统结构第三次作业（答案）一、填空题（20分，共5 题，每小题 4 分）1. 相联比较的功能；全下移；部分下移；从堆栈中间取出一项。
2. 时间重叠，资源重复，资源共享3. 数据反相关、数据相关4. 15/165. 0.01、0.10、0.01二、基本应用题（30分，共 3 题，每小题10 分）1. 答：由于PentiumII 450处理机的CPI＝0.5，Fz＝450MHz，因此，MIPS＝Fz/CPIx106＝450/0.5=900（MIPS）。
2. 答：每页4KB，则页内地址12位。
主存4MB，则主存共1K页，页号10位。
虚存1GB，则虚存共256K页，虚页号18位，页内地址12位，共30位。
页表长度256K行。
3. 答：四路组相联意味着每组有4块，每个块8个字，每个字32位（4个字节），则每块32个字节，cache每组128个字节，共128组。
Cache16KB共14位地址，主存2MB共21位地址。
主存地址划分为：主存高位地址 7位组号7位块号 2位块内地址 3位块内字节 2位cache地址划分为：组号 7位块号 2位块内地址 3位块内字节 2位三、简答题（30分，共5 题，每小题 6 分）1. 答：其主要特点为：（1）结构简单、规整，模块化强；（2）数据流和控制流的设计简单规整；（3）具有极高的计算并行性；（4）脉动阵列结构的构形与特定计算任务和算法密切相关。
2. 答：主要有三种途径：（1）时间重叠多个处理过程在时间上相互错开，轮流重迭地使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。
如流水线是典型的时间重叠的例子。
（2）资源重复通过重复设置硬件资源来提高可靠性或性能。
早期的资源重复以提高可靠性为主，现在则被大量用于提高系统的速度性能。
多处理机是典型的资源重复例子。
（3）资源共享利用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一资源，以提高利用率，因而提高整个系统的性能。
计算机系统结构(第2版)郑伟明汤志忠课后习题答案以及例题收录片上地址模块内部体号模式5: 4高阶交叉4低阶交叉16存储器模块每4个形成一个大模块:片上地址模块内部体号模式6: 4并行访问4低阶交叉31 0模块片上地址模块号输出选择(1)所有这些存储器可以并行工作，因此带宽可以增加一般来说，并行内存访问的优点是简单且易于实现，缺点是访问冲突大。
高阶交错存储器具有扩展方便、存取效率低的优点。
低阶交叉存取存储器可以分时方式提高速度46，但扩展不方便。
(2)各种存储器的带宽与其工作频率有关。
不考虑冲突，如果有足够多的独立控制电路和寄存器，那么它们的带宽是相同的。
(3)存储器原理图注意，并行存取存储器非常类似于低阶交叉存取存储器，除了并行存取存储器使用存储器模块号(存储体号)来选择输出结果，而低阶交叉存取存储器用于为存储器模块(存储体)生成芯片选择信号，这通过流水线操作提高了存取速度。
3.14在页面虚拟内存中，一个程序由从P1到P5的5个虚拟页面组成程序执行过程中依次访问的页面如下:P2、P3、P2、P1、P5、P2、P4、P5、P3、P2、P5、P2假设系统为该程序的主存储器分配三个页面，主存储器的三个页面分别由先进先出、先进先出和优化调度(1)绘制主内存页面条目、替换和命中的表(2)计算三种页面替换算法的页面命中率3.15(1)当分配的主内存页的数量大于或等于5时，可以达到最高的页命中率，除了第一次调入未命中，所有访问都在47: 7实际命中之后，因此可以达到的最高页命中率是H？7？0.5833 12(2)由于当页面数大于或等于5时肯定可以达到最高的命中率，让我们看看当页面数小于5时是否可以达到命中率:当由分配的主存储器页面数等于4时，调度过程如下:489 LFU算法4调用中4 5 4 5 3 4 5* 3 2调用中4 5 3 2命中1 5 3* 2调用中1 5 3 2*命中1 5 3* 2命中1 5* 3 2命中1 5 3 2命中1 5 3* 2命中1 5 3 * 2命中1 5 3 2命中1 5 3 2命中1 5 3 2命中7调用中此时也能达到最高命中率。
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。
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。
计算机系统结构复习总结计算机系统结构复习总结一、计算机系统结构概念1.1 计算机系统结构：程序员所看到的计算机的基本属性，即概念性结构与功能特性。
*注意：对不同层次上的程序员来说，由于使用的程序设计语言不同，可能看到的概念性结构和功能特性会有所不同。
1.2 计算机系统的层次结构现代计算机是一种包括机器硬件、指令系统、系统软件、应用程序和用户接口的集成系统。
现代计算机结构图*注意：计算机结构的层次模型依据计算机语言广义的理解，可将计算机系统看成由多级“虚拟”计算机所组成。
从语言层次上画分可得下图：计算机结构的层次模型1.3计算机系统结构组成与实现计算机系统结构：是计算机系统的软件与硬件直接的界面计算机组成：是指计算机系统结构的逻辑实现计算机实现：是指计算机组成的物理实现*计算机系统结构、组成与实现三者间的关系：计算机系统结构不同会影响到可用的计算机组成技术不同，而不同的计算机组成又会反过来影响到系统结构的设计。
因此，计算机系统结构的设计必须结合应用来考虑，要为软件和算法的实现提供更多更好的硬件支持，同时要考虑可能采用和准备采用哪些计算机组成技术，不能过多或不合理地限制各种计算机组成、实现技术的采用与发展。
计算机组成与计算机实现可以折衷，它主要取决于器件的来源、厂家的技术特长和性能价格比能否优化。
应当在当时的器件技术条件下，使价格不增或只增很少的情况下尽可能提高系统的性能。
1.4 计算机系统结构的分类计算机结构分类方式主要有三种：（1）按“流”分类按“流”分类法是Flynn教授在1966年提出的一种分类方法，它是按照计算机中指令流（Instruction Stream）和数据流（Data Stream）的多倍性进行分类。
指令流是指机器执行的指令序列，数据流是指指令流调用的数据序列。
多倍性是指在计算机中最受限制（瓶颈最严重）的部件上，在同一时间单位中，最多可并行执行的指令条数或处理的数据个数。
*注意：按“流”分类法，即Flynn分类法的逻辑结构类型：①SISD计算机②SIMD计算机③MISD计算机④MIMD计算机（2）按“并行性”和“流水线”分类（3）按计算机系统结构的最大并行度进行分类1.5计算机系统的设计与实现随着大规模集成电路技术的发展和软件硬化的趋势，计算机系统软、硬件间界限已经变得模糊了。
计算机系统结构(第2版)郑伟明汤志忠课后习题答案以及例题收录片上地址模块内部体号模式5: 4高阶交叉4低阶交叉16存储器模块每4个形成一个大模块:片上地址模块内部体号模式6: 4并行访问4低阶交叉31 0模块片上地址模块号输出选择(1)所有这些存储器可以并行工作，因此带宽可以增加一般来说，并行内存访问的优点是简单且易于实现，缺点是访问冲突大。
高阶交错存储器具有扩展方便、存取效率低的优点。
低阶交叉存取存储器可以分时方式提高速度46，但扩展不方便。
(2)各种存储器的带宽与其工作频率有关。
不考虑冲突，如果有足够多的独立控制电路和寄存器，那么它们的带宽是相同的。
(3)存储器原理图注意，并行存取存储器非常类似于低阶交叉存取存储器，除了并行存取存储器使用存储器模块号(存储体号)来选择输出结果，而低阶交叉存取存储器用于为存储器模块(存储体)生成芯片选择信号，这通过流水线操作提高了存取速度。
3.14在页面虚拟内存中，一个程序由从P1到P5的5个虚拟页面组成程序执行过程中依次访问的页面如下:P2、P3、P2、P1、P5、P2、P4、P5、P3、P2、P5、P2假设系统为该程序的主存储器分配三个页面，主存储器的三个页面分别由先进先出、先进先出和优化调度(1)绘制主内存页面条目、替换和命中的表(2)计算三种页面替换算法的页面命中率3.15(1)当分配的主内存页的数量大于或等于5时，可以达到最高的页命中率，除了第一次调入未命中，所有访问都在47: 7实际命中之后，因此可以达到的最高页命中率是H？7？0.5833 12(2)由于当页面数大于或等于5时肯定可以达到最高的命中率，让我们看看当页面数小于5时是否可以达到命中率:当由分配的主存储器页面数等于4时，调度过程如下:489 LFU算法4调用中4 5 4 5 3 4 5* 3 2调用中4 5 3 2命中1 5 3* 2调用中1 5 3 2*命中1 5 3* 2命中1 5* 3 2命中1 5 3 2命中1 5 3* 2命中1 5 3 * 2命中1 5 3 2命中1 5 3 2命中1 5 3 2命中7调用中此时也能达到最高命中率。
第3次作业
一、填空题（本大题共30分，共 10 小题，每小题 3 分）
1.
DEC 21064属于_________。
2. 字编址是指每个________与访问的________（如读/写一次寄存器、主存单元）相一致。
3.
__________
4.
反映外设可靠性能的参数有：_______、_______和_______。
5.
指令乱序结束带来的最大问题是___________。
6.
__________ 。
7.
通过维护数据和控制相关所保证的是对程序正确执行起关键作用的两个特征：_______和_______ 。
8.
_________是衡量流水线最高性能的一个指标。
9.
提高写直达Cache性能最重要的方法是设置一个容量适中的写缓存。
然而写缓存中可能包含读失效时所需单元的最新值，这个值尚未写入存储器，导致了存储器访问的复杂化。
解决方法是_______。
10.
OGSA架构由四个主要的层构成，从下到上依次为：__________、__________、__________、__________。
二、简答题（本大题共30分，共 5 小题，每小题 6 分）
1.
字节多路通道连接P 台设备，每台设备都传送n 个字节，TS：设备选择时间。
TD：传送一个字节的时间。
Ti：第i个数据的传输，i=1，2，…，n。
总共所需要的时间：
2. .虚拟存储空间大小Nv＝4GB，页的大小Np＝1KB，每个页表存储字占用4个字节。
计算得到页表的级数
3.
MPP系统一般指的是？
4.
传统机器级系统结构的属性主要是由该机器的指令系统来表征的，具体属性是哪些？
5. 描述网格必须同时满足的三个条件。
三、问答题（本大题共40分，共 4 小题，每小题 10 分）
1.
浮点数尾数m用原码、小数表示，阶码e用移码、整数表示，尾数基值，阶码基值。
要求浮点数表示范围N为，表示浮点数表示精度不低于，试设计一种浮点数的格式。
2. 简述设计者使用人机交互来处理相互冲突的折中方法。
3.
简述分支目标缓冲。
4.
假设磁盘子系统的组成部件及下那个硬的MTTF如下：
（1）磁盘子系统由20个磁盘构成，每个磁盘的MTTF为2000 000h。
（2） 1个SCSI控制器，其MTTF为500 000h。
（3） 1个不间断电源，其MTTF为200 000h。
（4） 1个风扇，其MTTF为200 000h。
（5） 1根SCSI连线，其MTTF为1000 000h。
假定每个部件的生存周期服从指数分布，同时假定各部件的故障是相互独立的，为整个系统的MTTF。
答案：
一、填空题（30分，共 10 题，每小题 3 分）
1.
参考答案：
超标量处理机
解题方案：
评分标准：
2.
参考答案：
编址单位、数据存储单元
解题方案：
评分标准：
3.
参考答案：
解题方案：
评分标准：
4.
参考答案：
可靠性（reliability）、可用性（availability）、可信性（dependability）解题方案：
评分标准：
5.
参考答案：
异常处理比较复杂
解题方案：
评分标准：
6.
参考答案：
解题方案：
评分标准：
7.
参考答案：
异常行为、数据流
解题方案：
评分标准：
8.
参考答案：
理想CPI
解题方案：
评分标准：
9.
参考答案：
让读失效等待，直至写缓存为空
解题方案：
评分标准：
10.
参考答案：
资源层、Web服务层、基于OGSA架构的网格服务层、网格应用程序层解题方案：
评分标准：
二、简答题（30分，共 5 题，每小题 6 分）
1.
参考答案：
TBYTE =（TS+TD）•P•n
解题方案：
评分标准：
2.
参考答案：
解题方案：
评分标准：
3.
参考答案：
使用大量的，同构的处理单元（PE，Processing Element），并以一种高带宽，低时延的专有网络互联而成的计算机系统。
MPP系统节点之间的消息传送相对于集群系统具有更短的延迟，系统性能更强。
解题方案：
评分标准：
4.
参考答案：
（1）数据表示：硬件能直接识别和处理的数据类型；
（2）寄存器定义：包括各种寄存器的定义、数量和使用方式；
（3）指令系统：寻址规则、机器指令的操作类型和格式等；
（4）中断系统：中断的类型和中断响应硬件的功能等；
（5）机器工作状态的定义和切换：如管态和目态等；
（6）存储系统：主存最小编址单位、编址方式、可编程最大存储容量等；
（7）输入/输出结构：输入/输出连接方式、处理机存储器与输入/输
出设备间数据传送的方式和格式、输入/输出操作的状态等。
（8）信息保护：信息保护方式和硬件对信息保护的支持。
解题方案：
评分标准：
5.
参考答案：
协调非集中控制资源：网格整合各种资源，协调各种使用者，这些资源和使用者在不同控制域中；网格还解决在这种分布式环境中出现的安全、策略、使用费用、成员权限等问题。
使用标准、开放、通用的协议和界面：网格建立在多功能的协议和界面之上，这些协议和界面解决认证、授权、资源发现和资源存取等基本问题
得到非平凡的服务质量：网格允许协调使用它的资源，以得到多种服务质量，满足不同使用者需求，如系统响应时间、流通量、有效性、安全性及资源重定位，使得联合系统的功效比其各部分的功效总和要大得多。
解题方案：
评分标准：
三、问答题（40分，共 4 题，每小题 10 分）
1.
参考答案：
根据浮点数表示范围的要求，用式计算阶码的长度q为：
根据浮点数表示精度要求，用式（2-5）计算尾数长度n为：
q+n+1位尾数符号位+1位阶码符号位=63，距离机器字字长的整数边界要求还差1位。
可加到尾数n或是阶码长度q上。
解题方案：
评分标准：
2.
参考答案：
进入系统时间：即用户输入命令所需时间。
系统响应时间：输入到显示结果所需的时间。
用户反应时间：接收结果到开始输入下一条命令的时间。
解题方案：
评分标准：
3.
参考答案：
转移成功的分支指令地址和它的分支目标地址都放到一个缓冲区中保存起来，缓冲区以分支指令的地址作为标示；取指令阶段，所有指令地址都与保存的标示作比较，一旦相同，我们就认为本指令是分支指令，且认为它转移成功，并且它的分支目标(下一条指令)地址就是保存在缓冲区中的分支目标地址。
这个缓冲区就是分支目标缓冲区(Branch-TargetBuffer，BTB，或者Branch-TargetCache，BTC)。
解题方案：
评分标准：
4.
参考答案：
解：整个系统的失效率为：
系统失效率=20×1/(2000 000)+1/(500 000)+1/(200 000)+1/(200
000)+1/(1000 000)=23/(1000 000)
系统的MTTF为系统失效率的倒数MTTF=(1 000 000)/23=43 500h，约5年。
解题方案：
评分标准：
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