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1、计算机体系结构复习题一、填空题1. 推动计算机系统结构发展的主要动力是(计算机应用)。2. (器件)的发展是促使计算机系统结构不断发展的最活跃因素。3. 衡量计算机系统性能可采用各种尺度，但最为可靠的衡量尺度是(时间)。4. CPI 表示执行每条指令所需的(平均时钟周期数)。5. 计算机系统中的数据表示是指可由硬件直接辨认的(数据类型)。6. 在向量处理中经常会遇到稀疏向量，为了节省存储空间和处理时间( 压缩向量)的表示方法。7. 在当今的RISC 机的指令系统中，全都是(定字长)指令格式。8. 增强向量流水处理性能的方法主要有：多功能部件并行操作和采用(链接)技术。9. 数组多路通道与设备之
2、间的数据传送的基本单位是(数据块)。10. 数据流系统结构是基于数据驱动和(消息传送)的计算模型。11. 现代计算机系统是由（ 硬件/固件 ）和（ 软件 ）组成的十分复杂的系统。12. 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（ 采用系列机），（仿真和模拟），统一高级语言。13. 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（ RM 结构）、（ RR 结构 ）和存储器-存储器型指令集结构。14. MIPS 指令DADDIU R14，R5，#6 属于（ I ）类型的指令格式； MIPS 指令 SD R4，300（R5）属于（I）类型的指令格式。15.
3、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（ 时间 ），纵坐标代表（ 空间或流水线各段 ）。16. 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：（ Load ）和（ ALU ）指令。17. 存储器的层次结构中，“Cache主存”层次是为了弥补主存（ 速度 ）的不足，“主存辅存”层次是为了弥补主存（ 容量 ）的不足。18. Cache 实现的映像规则有全相联映像、（ 直接 ）和（ 组相联 ）三种。19. 反映存储外设可靠性能的参数有可靠性、（ 可用性 ）和（ 可信性 ）。20. 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，
4、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（ 集中式共享性 ）结构，第二类机器具有（ 分布的物理存储器 ）。二、单项选择题1计算机系统结构的外特性是指(C)所看到的外特性。A.应用程序员B高级语言程序员C.机器语言程序员或编译程序编写者D包括以上各级程序员 2计算机系统的描述：TCRAY-1=1，12*8，64*(1-14)，说明该系统流水段为( D ) 。A.12B.8C.64D.1-14 3计算机系统设计任务之一，在满足功能要求基础上，进行设计优化，优化的主要衡量第 7 页 共 7 页指标是(B)。A.硬件简化程度B.编程开销C.降低成本D.性能价格比 4用软件方法可在一台现有
5、的计算机(甲)上实现另一台计算机(乙)的指令系统，通常把乙机称为(B)。A宿主机B虚拟机C. 目标机D. 系 统 机5统计计算机性能测试结果有多种方法，其中(C)最接近CPU 的实际性能。A. 算术性能平均值B几何性能平均值C. 调和性能平均值D峰值性能指标6.在设计指令系统时应注意：指令中各个不同含义的字段之间，在编码时应互相独立、互不相关。即(A)原则：A正交性B规整性C.对称性D可扩充性7采用先行控制技术需增设一些缓冲部件，这些缓冲部件的深度之间存在的关系是 (A)。AD 指缓D 操作数D 读栈D 写栈BD 操作数D 指缓D 读栈D 写栈CD 读栈D 写栈D 指缓D 操作数DD 读栈D
6、写栈D 操作数D 指缓8用动态再定位形成访存物理地址的方法是在(B)时进行的。 A程序装入B程序执行巳程序编译D程序连接9Cache 存储器地址映象算法中，(C)所需硬件最少。A段相联映象法B组相联映象法C. 直接映象法D全相联映象法10特别适合于打印机等低速设备的总线数据宽度为(D)。A. 可变长块B定长块C. 单字加定长块D.单字（或单字节） 11中断系统采用(C)性能最佳。A. 全硬件实现B全软件实现C. 软硬结合D.并行结构12如果快表采用堆栈替换算法，则(A)，其命中率越高。A. 快表容量大B快表查找速度快C. 快表用全硬件实现D快表用软硬结合实现 13在数据流计算机中，一条指令能否
7、执行的主要依据是(D)。APC 程序计数器所指定B操作数地址形成C. 下一条指令已准备好D操作数全部到达14基于需求驱动和共享数据的计算模型是(B)。A串归约系统结构B图归约系统结构C. 数据流系统结构D传统的系统结构15以下叙述中，错误的是(B)。A采用分布式存储器以MIMD 方式工作的多机系统将成为并行机发展的主流趋向B系列机具有相同系统结构，兼容机具有不同系统结构C. “先读后写”数据相关只会出现在异步流动流水线中D归约机系统结构采取的是种滞后求值策略三、名词解释1、 模拟答：是指用软件的方法在一台现有的计算机（称为宿主机）上实现另一台计算机（虚拟机）的指令集。通常用解释的方法来实现。2
8、、 数据表示答：机器硬件能够直接识别、指令系统可以直接调用的那些结构。确定操作数是软硬件取舍折中的问题。3、 名相关答：名是指令所访问的寄存器或存储器单元名称。如果两条指令使用相同的名，但是它们之间并没有数据流动，则称这两条指令存在名相关。4、 互连网络答：互连网络是一种由开关元件按照一定的拓扑结构和控制方式构成的网络，用来实现计算机系统中结点之间的相互连接。5、 高可用性机群答：当系统某些结点出现故障，仍能继续对外提供服务。当系统中某个结点由于软、硬件故障而失效时，该结点上的任务将在短时间内被迁移到机群内另一个具有相同功 能与结构的结点上继续执行。四、判断题1、 从计算机语言的角度，系统结构
9、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。（ ）7、 失效率和平均访存时间都可评
10、价存储系统的性能，它们都和机器的硬件速度有关。（ ）8、 RAID 的特点有容量大，速度快、可靠性高，同时保存数据无冗余信息。（ ）9、 在多处理机的互连网络中，交叉开关网络属于动态互连网络。（ ）10、机群是一种价格低廉、易于构建、可扩缩性极强的并行计算机系统。（ ）五、简答题1、 简述标志符数据表示与描述符数据表示不同之处。答：(1) 标志符要与每个数据相连，两者存在一个存储器单元中；而描述符则和数据分开存放。(2) 要访问数据集中的元素时必须先访问描述符，这就至少增加一级寻址(3) 描述符可看成是程序的一部分，而不是数据的一部分2、 简述 RISC 采用的主要技术。答：(1) 设置大量寄
11、存器并采用窗口重叠技术。 (2) 采用优化延迟转移技术。 (3) 采用比较转移指令。 (4) 采用优化编译技术。3、 简述提高主存带宽的主要方法。答：（1）增加存储器的数据宽度：即增加单体存储器中同时访问的数据量从而提高吞吐率。（2）采用存储器的多体交叉技术，多个存储体作为存储器的并行模块， 使总的数据吞吐率得到提高。4、 简述向量流水线中，向量指令可以链接的前提条件。答：1）不存在功能部件使用冲突。（2） 共用向量寄存器中的向量长度、起始地址，偏移量等均要相等。（3） 只有在前一指令第一个分量送人结果向量寄存器的那个时钟周期方可链接。（4） 要求有关功能部件的延迟时间相等，即先行的两条指令产
12、生结果的周期相等。 5、 计算机系统结构的Flynn 分类法是按什么来分类的？共分为哪几类？答：Flynn 分类法是按照指令流和数据流的多倍性进行分类的。把计算机系统的结构分为单指令流单数据流(SISD)、单指令流多数据流 (SIMD)、多指令流单数据流(MISD)、多指令流多数据流(MIMD)。6、 指令集应满足哪几个基本要求？答：对指令集的基本要求：完整性、规整性、高效性、兼容性。完整性：在一个有限可用的空间内，对于任何可解的问题，编制计算程序时，指令集所提供的指令足够用。规整性主要包括对称性和均匀性。高效率：指指令的执行速度快、使用频率高。7、 简述流水线技术的特点。答：1）流水线把一个
13、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。8、 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
14、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。通道处理机执行通道程序是与CPU 执行用户程序并行的；（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。六、计算题（一）试比较在不同计算机系统中。计算下列表达式所需时间。其中，加法需要40ns， 乘法需要 90ns。1. 若在具有一个通用PE(处理单元)的SISD 计算机中，数据传送时间忽略不计，计算该表达式所需时间T 是多少?答：(1)进行 8 次乘法、7 次加法，全部顺序进行。所需时间 T8*90ns
15、+7*40ns=loons=1us2. 若在SIMD 计算机中，具有 8 个PE，PE 间以线性圆环方式互连(以单向方式传送数据)，试分析该机计算上述表达式时的具体步骤及用于乘法和加法的时间开销。答：(2)8 次乘法可同时进行；7 次加法中分三步顺序进行：第一步：4 次加法并行；第二步：2 次加法并行；第三步：1 次加法。 时间开销T 运算 90ns+3*40ns=210us所以：TT 运算+T 传递210ns+70ns=280ns3. 在上述具有 8 个 PE 的 SIMD 计算机中，数据由一个PE(处理单元)传送到另一个 PE 需要 10ns，计算该表达式所需全部时间是多少?答：(3)由于
16、 PE 间的以线性圆环互连，且为单向传送数据，乘法时PE 间不需要传送数据，加法时第一次 PE 间相邻，第二次 PE 间隔为 2，第三次 PE 间隔为 4， 即 T 传递0+10ns+2*10ns+4*10ns=70ns。所以：TT 运算+T 传递210ns+70ns=280ns操（二） 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：程序中的数量改进前的执行时间改进后的执行时间作类型（百万条指令）（周期）（周期）操作 11021操作 2302015操作 335103操作 41541（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，
17、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S =1(1-F )+F S 可得如表 14 所示的 4 类操作的加速neee比和程序获得的加速比。4 类操作均改进后整个程序的加速比为 S =1(1 一F )+(F S )215niii解根据 Amdahl 定律 Sn=1(1-Fe)+FeSe可得如表 14 所示的 4 类操作的加速比和程序获得的加速比。4 类操作均改进后,整个程序的加速比为 Sn=1(1 一 Fi)+(FiSi)215(三) 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 2t，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 4( A + B )，画出其时空图，ii并计算其吞吐率、加速比和效率。i = 1加法2ttt12345tt乘法由图可见,它在 18 个t 时间中,给出了 7 个结果。所以吞吐率为TP=718t如果不用流水线,由于一次求积需 3t,一次求和需 5t,则产生上述 7 个结果共需(4 5+33)t=29t。所以加速比为S=29t18t161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 E=(45+33)(518)0322