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1、2 0 23秋期开放教育(本科)计算机系统结构期末复习指导课程责任教师苏海燕第一部份课程考核说明1 .考核目的通过本次考试,了解学生对本课程基本内容和重、难点的掌握限度,以及运用本课程的基本知 识,基本理论和基本方法来分析和解决实际问题的能力,同时还考察计算机系统的基本概念、基本原 理、基本结构和基本计算分析方法,理解和运用相结合。2 .考核方式本课程期末考试为开卷笔试,考试时间为90分钟。3、合用范围、教材本复习指导合用于重庆电大成人教育本科计算机科学与技术专业的限选课程计算机系统结 构。期末复习可参考平时作业,本指导后面的复习题。本课程考试命题依据的教材采用郑纬民专家主编,清华大学出版社出
2、版的计算机系统结构教 材(2023年1月第1版),试卷编号:10 4 8。4 .命题依据本课程的命题依据是计算机系统结构课程的教学大纲、教材、实行意见。5 .考试规定考试重要是考核学生对基本理论和基本问题的理解和应用能力。在能力层次上,从了解、掌握、 重点掌握3个角度来规定。重要考核学生对计算机系统结构的基本概念、基本原理、基本结构、基 本计算分析方法的理解和运用能力。6 .试题类型及结构考题类型及分数比重大体为:填空题(占2 0 %)名词解释(占25$,共5题)简答题(占32%,共4题)分析计算题(占2 3%,共一题)。解:(1)这个C a c h e存储系统的等效访问周期:T=Tc H +
3、 Tm(1-H)=1 0 n s X 0 . 98 + 60nsX (1 -0.98)=1 1ns等效存储容量:S = 64MB等效单位价格:C= (Co S c + Cm Sm) /(Sc + S m)二(100X0. 5+ 1 OX 64) / (0. 5+64)= 10. 7 (元/MB)这个Cache存储系统的访问效率:e=Tc/T=10/11=0. 913、Cache存储系统中,主存有07共8块,Cache为4块,采用组相连映象。 假设Cac he已先后访问并预取进了主存的第5、1、3、7块,现访存的块地址流为1、2、4、1、3、7、 0、1、2、5、4、6 时,(1)画出用LRU替
4、换算法,Cache种各块的替换过程,并标出命中时刻。其中C ache分为 两组。(2)求出在此期间的Cache命中率。4、在一个采用组相连映象方式和F I F0替换算法的Ca c he系统中,发现它的等效访问时间太 长,因此提出卜列建议:(1)增大主存容量;(2) 提高主存的速度;(3)增大Cache的容量;(4) 提高Cache的速度;(5) 增长组数;(6) FIFO 改为LRU。试分析上述建议对等效访问时间的影响。5、一条线性静态多功能流水线由6个功能段组成,加法操作使用其中的1、2、3、6功能段, 乘法操作使用其中的1、4、5、6功能段,每个功能段的延迟时间均相等。流水线的输入端与输
5、出端之间有直接数据通路,并且设立有足够的缓冲寄存器。现在用这条流水线计算:F =6Z(A xg)2。规定获得最佳的性能,画出流水线时空图,井计算流水线的实际吞吐率、加速比和效率。【答案】知识点:。流水线技术,流水线的性能分析(吞吐率,加速比,效率)参考答案:为了取得较高的速度,我们需要一次将乘法作完,设源操作数存放在寄存器A、B中,中间结果 存放在寄存器R中,最后结果存放在寄存器F中,则执行的指令序列如下所示:I 1 : R 1 -A1*B 112:R2-A2*B213: R3-A3*B3R4-A4*B415: R5-A5*B5I 6 : R6-A6* B 6I 7: R 7 - R 1 +R
6、2R8-R3+R418: R9-R5 + R6IIO: RI 0 -R7+R8I 1 l:F-R9+R10这并不是唯一也许的计算方法(本例中档到加法运算所有完毕后才做乘法运算)。假设功能段的延 迟为At。时空图(不完全)如下,图中的数字是指令号:珊敏6 璘缎5 璘缎4珊敏3 璘破2 珊缎1珊敏6 璘缎5 璘缎4珊敏3 璘破2 珊缎1整个计算过程需要22AI,所以吞吐率为:, 11 1Tp =22& 2 母Slx4年一加速比为:- 22& 一尸411x4母1效率为:6x22 3说明:该题一方面使用时空图对流水线的运营状态进行描述,然后再计算流水线的各项指标,从而对流 水线性能进行定量的分析。在使
7、用时空图前,一定要将任务分解流水线能解决的指令序列,这也是 这类题的难点之一。6、在下列不同结构的解决机上运营8x8的矩阵乘法C: A x B,计算所需要的最短时间?(注: 只计算乘法指令和加法指令的执行时间,不计算取操作数、数据传送和程序控制等指令的执行时 间。加法部件和乘法部件的延迟时间都是3个时钟周期,此外,加法指令和乘法指令还要通过 一个“取指令”和“指令译码”的时钟周期,每个时钟周期为20 ns, c的初始值为“0”。备操作 部件的输出端有直接数据通路连接到有关操作部件的输入端,在操作部件的输出端设立有足够 容量的缓冲寄存器。)(1)解决机内只有一个通用操作部件,采用顺序方式执行指令
8、。(2)单流水线标量解决机,有一条两个功能的静态流水线,流水线每个功能段的延迟时间均为一 个时钟周期,加法操作和乘法操作各通过3个功能段。【答案】知识点:。流水线技术,流水线的性能分析参考答案:要完毕上面的矩阵乘法,我们可以计算需要完毕的各种操作的数品(假定A和B都是8X8的矩 阵。C语言代码如下:int k:for (ini i =0; i8;i + +)for(intj=0; j8;j+)(sum=0;for( k = 0 ; k V8;k+)(sum+=A i kXBk j)Cij =sum:)需要完毕的乘法数目为8X8X8=512次;需要完毕的加法数目为8 X8X 7 = 448次;下
9、面分析解决机的结构给性能带来的影响。(I)顺序执行时,每个乘法和加法指令都需要5个时钟周期(取指令、指令分析、指令执行);所以所 需要的时间为:T = (512 + 448)x5x20ms = 96000ms = 96ms(2)单流水线标量解决机,采用两功能静态流水线时;由于有足够的缓冲寄存器,所以我们可以一方 面把所有的乘法计算完,并通过调度使加法流水线不出现停顿,所以所需要的时间为: 7 =7-加令选人设3+4 危+分名=2+(3 + 512-1) + (3 + 448-l)x20yls= 1932 麻说明:该题和上一题类似,仍然是将一个任务分解成指令序列,然后使用时空图工具进行描述。但该
10、题 的重点在于比较顺序执行和单流水线方式,两者所需要的时间,得出一个定量的结论:流水线方式所 需要的执行时间远小于顺序方式所需要的执行时间。7、假设一条指令的执行过程分为取指、分析和执行3步,每步的时间为t双指、t分析、1执行,(1)分别计算下列几种情况K执行完100条指令所需时间的一般关系式:顺序执行方式;一次重叠执行方式;二次重叠执行方式。(2)当t取指二t分析:2, t执行二1及t取布二t执行=5, t分析=2两种情况下,计算出上述各结果。8、假定有一个解决机台数为P的共享存储器多解决机系统。设m为典型解决机每条指令执行 时对全局存储器进行访问的平均次数。设t为共享存储器的平均存取时间,
11、x为使用本地存储 器的单解决机MI PS速率,再假定在多解决机的每台解决机上执行n条指令。(1)根据参数m , t , x , n和p ,拟定多解决机的有效MI PS速率。(2)假设一台多解决机有p =3 2台RISC解决机,m=0. 4, I =lus,要使多解决机的有效性能达成56MIPS,需要每台解决机的MIPS速率是多少(即x =?) ?知识点:MIPS (每秒百万条指令数)的定义、MIPS的计算、共享存储器的概念参考答案:(1)有效M IPS速率=总的指令条数/执行时间,总指令条数=解决据台数*每台解决机执 行的指令数=pn,执行时间=访问共享存储器时间+执行本机指令时间=n*m*t
12、+n/x,所以, 有效 MIPS 速率=pn/(n*m* t+n/x) = px /(1+mtx)。(2)由(1)的结果可知 3 2/ (0. 4 *1+1/x )=5 6 解的 x =35 /6 =5. 8 3 MIPS说明:M I PS (每秒百万条指令数)是衡量计算机机性能的一个重要的评价标准。对某种具体的机型 进行MIPS的计算是一类常见题型,解这类题型的关键是熟悉MIPS的定义和计算公式,并能将题 目中给出的条件转化成MIPS计算公式的形式,这类题目在大多情况下要涉及到其他知识点,综合性 比较强。第二部份期末复习重点范围。加*为非重点章第一章计算机系统结构的基本概念一、重点名词计算机
13、系统结构p 4 ,计算机组成p 5,计算机实现p5,透明性p4 ,局部性原理pl3.Amdah 1定律 p 1 0 ,CPIpll, M I P Spl6,M FLOPSpl 7 P 25,宿主机 p25,仿真 p25,模拟 p25, 冯诺依曼结构p2 2二、重点掌握1、计算机系统层次结构;p2-42、计算机系统结构、组成与实现的三者关系;p53、A md a h 1 定律;pl 04、CPU性能公式;pl 15、局部性原理pl3三、一般掌握1、系统结构分类;p6-92、冯诺依曼计算机特性p23第二章指令系统一、重点名词数据类型,数据表达P 38,数据结构p3 8,指令格式的优化p 6 6,H
14、u f f man编码p67,RISCp 80. C IS C p 79二、重点掌握1、RI SC的定义与特点;P842、减少指令平均执行周期数方法;P85三、一般掌握1、延时转移技术p8 6指令取消技术;p882、重叠寄存器窗口技术;P893、指令流调整技术;p9 1第三章存储系统一、重点名词存储系统P98,直接映象方式pl 30,组相连映象方式p 132,全相连映象方式p 1 28, L R U算法P二、重点掌握1、存储系统的定义p 9 8;2、存储系统的性能参数pl 0 0-1 01;3、地址映象与变换方法,pl 10替换算法;P 1214、Cache存储器工作原理;pl 275、虚拟存
15、储器工作原理三、一般掌握1、低位交叉访问存储器;pl062、高位交叉访问存储器;P 1053、替换算法实现4、缓冲对虚拟存储系统性能的影响第四章输入输出系统一、重点名词中断pl59, DMApl57,通道pl68,输入输出解决机p 17 9二、重点掌握1、三种基本输入输出方式及各自的工作原理;P 1 571 6 12、通道的种类;pl71三、一般掌握1、输入输出系统的特点;P155-1572、输入输出系统的组织方式;3、通道的作用功能;P 1694、通道中的数据传送过程及流量分析P 1 7 5-179第五章标量解决机一、重点名词流水线p 187,时空图pl90,线性流水线,数据相关p207,超
16、标量解决机p 2 2 8,超流水线解决机p239二、重点掌握1、流水线工作原理pl87,时空图p190,线性流水线;2、输入任务连续情况下单功能、线性流水线的吞吐率、加速比和效率;P 191-1 9 73、超标量解决机工作原理p22 8和性能分析;p2394、超流水线解决机工作原理p2 3 9-240和性能分析p24 3三、一般掌握1、超标量解决机的典型结构;p229-2 302、超流水线解决机的典型结构:p24 0 -2 4 33、超流水线超标量解决机的典型结构、工作原理和性能分析第七章互连网络一、重点名词互连网络p29 1 ,动态互连网络p 3 0 5,静态互连网络p2 9 9,互连函数p
17、292,结点度p29 7 ,虫 蚀寻径p3 1 4,存储转发寻径p 3 13,单播p32 3 ,选播p3 2 3,广播,p 3 23会议p 3 2 3 ,通 道流量p32 3 ,网络通信时延p3 13二、重点掌握1、互连网络的作用,静态网络p 2 9 9,动态网络;p30 52、存储转发寻径p3 1 3,虫蚀寻径p 3 14,线路开关寻径p313,虚拟直通寻径p313三、一般掌握1、互连函数p29 2,虚拟通道p 316,通道流量P 323;2、单播, 选播,广播,会议p32 3,网络通信时延p31 3第八、九章SIMD计算机和多解决机一、重点名词时间并行性,空间并行性,s 1 MD,并行解决
18、机,阵列解决机,共享存储器,分布存储器,虚拟共享 存储器,MPP, SMP,机群系统二、重点掌握I、SIMD计算机基本结构、优缺陷;2、并行解决机基本结构,阵列解决机基本结构;3、共享存储多解决机,分布存储多解决机,多解决机系统的特点;三、一般掌握1、SIMD计算机的实例;2、多解决机性能,实例;3、虚拟共享存储器第三部分综合练习题一、填空题(共22题)1、CPU的性能取决于时钟频率 、每条指令所花的时钟周期数、指令条数 .P112、计算机系统的重要设计方法有由下往上、由上往下 、由中间开始 。p 1 53、访问的局部性原理分为 时间上 的局部性和 空间上的局部性两种。P134、从计算机解决数
19、据的并行性看:由低到高的并行性等级,有字串位串、字并位串、字串位并 、字并位并四种。P85、按照Flynn分类法,根据指令流和数据流的不同组织方式,计算机系统的结构可以分为整2 (单指令单数据流)、SIMD (单指令多数据流)_、 MISD(多指令单数据流)和11川)(多指令 流多数据流)。P66、冯诺依曼计算机由控制器_、_存储器、运算器一、输入设备一和一输出设 备.组成p2 37、R I SC思想的精华是一减少指令平均执行周期。d85我们通常用 时空图 来描述流水线的 工作过程。P1 908、RISC的关键技术有:延时转移、指令取消技龙、重叠寄存器一窗口技术、指令流调整技术及硬件为主固件为
20、辅。P879、在CISC中,各种指令的使用频度相差悬殊,大体有以下的结果。大约有_20%_(比例) 的指令使用频度较高,占据了_8 0%_ (比例)的解决机时间。10、C a ch e存储器相应用程序员是 透明的 ,对系统程序员是 透明的 。p9911、虚拟存储器按映象算法不同,存储管理方式由段式、页式和段页式三种。12、在软硬件实现上,虚拟存储器内部的地址变换宜用 硬件 实现,外部地址变换宜用软件实现。P11013、FIFO、OPT、LRU算法中,属于堆栈型的替换算法是OPT 和LRU 。P123输入输出系统的特点是一异步性 、实时性和与设备无关性。pl561 4、通道可分为三类,分别为 字
21、节多路通路 、选择通道、 数组多路通道。P172 15、从不同的角度,我们可以把流水线提成不同的类别。假如根据流水线各功能段是否有反馈 信号来划分,可以分为一线性流水线和_非线性流水线多功能流水线可以分为两种,即根 据它在同一时间内是否能连成多种方式,可以分为静态流水线_和_动态流水线_。16、流水线的表达方法通常有二时空图、预约表 。pl 891 7、在流水线时空图中,横坐标通常表达.时间 ,纵坐标通常表达一空间 。18、衡审流水线性能的重要指标有吞吐率、加速比 、效率。P19119、互连函数的常用表达方法:函数表达法、输入输出相应表达法 。p292互连网络可分为 静态互联网 和动态互联网
22、两大类。P29920、消息寻径方式涉及两种,即线路互换和包互换。其中包互换又涉及虚拟直通寻径,存储转发寻径 和虫蚀寻径等方式。P31321、多计算机网络中的通信模式有四种,分别是 单播、 选播 、 广播 和会议。P32 322、虚拟共享存储器系统的重要优点有:一编程容易;_系统结构灵活;_可扩充性好; 和有较好的软件移植性。p362二、名词解释题(共18题)1、透明性p4 2、M I PS p 1 6 3。、局部性原理pl 34、冯诺依曼结构p 225、Huff man 编码法 p67 6、CISCp79 7、RISC 叩 80 8、存储系统 p999、直接映象方式pl 3 010、组相连映象
23、方式p 13 21 1、LRU算法p 121 12、数据相关p2 0 713、延迟转移技术p87 14、互连网络p29hl5、结点度p2 9 716”、虫蚀寻径p31417、网络传输时延p313,18、机群系统p 3 66。三、简答题(共15题)1、什么是计算机系统结构? P42、什么是虚拟机?什么是宿主机?P2 53、硬件和软件在什么意义上是等效的?在什么意义上是不等效的?【答案】这个题的考核知识点是计算机硬件、软件、固件的定义及各自的特点。在解答这个题目之前,应对计算机硬件、软件、固件的概念有比较清楚的结识。计算机系统由硬件、软件和固件组成,它们在功能上是等效的。同一种功能可以用硬件实现,
24、也 可以用软件或固件实现。在组成、性能和价格上它们是不等效的。实现同样一个功能硬件实现复杂, 成本高,速度快。而软件实现相对简朴、灵活。成本较低,速度较慢。例如压缩解压功能,既可以使用硬件实现,如目前DVD机中的核心芯片,重要是实现了 MP EG2的这一压缩解压的国际标准;也可以用软件方式实现,如目前主流的媒体播放器,只需安装 相应的软解码包,就可以播放相应的压缩格式的视频音频文献。软件、硬件、固件从功能的角度上看没有绝对的分别,因此,选择采用哪种方式实现某个功能应 重要依据功能之外的其他方面的规定,如速度,成本,是否易于实现等等。4、说明什么是仿真,说明什么是模拟?p2 55、什么是Amda
25、hl定律?plO6、什么是计算机组成?什么是计算机实现? p57、数据类型、数据表达和数据结构之间的关系是什么,在设计一个计算机系统时,拟定数据表达的原则重要有那几个? P 388、什么是指令格式的优化?p 6 69、什么是寻址技术?寻址技术研究的重要内容和重要对象是什么? p5 61 0、就指令格式.寻址方式和每条指令的周期数CPI等方面比较RISC和CI SC解决机的指令系 统结构?答:CISC指令格式复杂,不规整,寻址方式较多较全,每条指令的平均周期数CPI高,一般都是4- 8左右。RISC指令格式简朴、规整。寻址方式尽量精简,简朴指令在单周期完毕(CPI为1),复杂 指令由多条简朴指令
26、解释执行,每条指令的平均周期数CP1比CISC要低。11、列举基本输入输出方式,并说明其各自特点?pl 5 7-160什么叫虚拟存储器? P10 812、什么是中断方式? pl 5913、对程序控制、中断和DMA三种输入输出方式,回答下列问题:哪些输入输出方式可认为高速外部设备服务?DMA 假如需要解决例外事件(如电源掉电),应当采用哪些输入输出方式?中断为了使CPU运营用户程序与外部设备的输入输出工作并行进行,可以采用哪儿种输入输出方式?DMA1 4、如指令执行过程采用顺序执行方式,一次重叠方式和流水线方式,它们的重要差别是什么?各有什么优缺陷?这个题的考核知识点涉及指令的顺序执行方式,一次
27、重叠方式,流水线方式,时空图等解答该题除了应当有指令的基本知识外,还应当有指令的一次重叠执行方式,流水线执行方式, 时空图等知识,请参看本书第5章标量解决机的流水线部分。参考答案:顺序方式、一次重叠方式和流水线方式,它们的重要差别是:在正常情况下,解决机中同时有几条 指令在执行。顺序方式为1条;一次重叠方式为2条;流水线方式为3条。a顺序方式的优点是控 制简朴,节省设备。重要缺陷有两个,一是解决机执行指令的速度慢。二是功能部件的运用率很低。一次重叠执行方式的优点重要有两个,一是程序的执行时间缩短了近一倍,二是功能部件的运用 明显提高。主存储器可以基本上处在忙碌状态,其它功能部件的运用率也得到提
28、高。缺陷是需要增 长一些硬件,控制过程也要复杂一些。二次重叠执行方式可以使指令的执行时间缩短近两倍,这是一种抱负的指令执行方式。缺陷是硬件 更加复杂。15、试述静态互连网络和动态互连网络的概念以及各自特点? p299 p 305 p310四、分析计算题(共8题)1、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9 0 %,则采用 Cache后,能使整个存储系统获得多高的加速比S p ?【答案】这个题的考核知识点涉及加速比、加速比公式。在求解这类问题时,应把握题意,对题目做必要的简化和假设,去掉次要因素的干扰.我们一方面对新的存储系统的性能做以下的假设:在Cache不
29、命中的情况下,对Cache的访 问不会额外损失时间,即:一方面,决定Cache是否命中所用的时间可以忽略;另一方面,在从主存 向Cache传输的同时,数据也被传输给使用部件(不需要再从Cache中读取)。这样,新的存储系统 中,采用Ca c he后的平均存取时间分为两个部分:Tfz =口川x0后+xx+ 丫3 x凡&其中,R表达各种情况所占的比例。根据加速比的计算公式,S =二心= 3 57乙中 心二 也可以使用Amdahl定律来求解该题。加速比标准是对计算机系统的改善效果和效率进行评 价的通用方法。2、在一个在c he存储系统中,主存储器的访问周期、存储容量和单位价格分别为60ns、64MB 和1 0元/MB, Ca c he的访问周期、存储容量和单位价格分别为1 0 ns、512KB和1 00元/M B , Cache的命中率为0. 98。(1)计算这个Cache存储系统的等效访问周期、存储容量和单位价格。计算这个C a che存储系统的访问效率。