计算机体系结构期末复习题及答案.docx
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计算机体系结构期末复习题及答案
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）
A．6nΔtB．2nΔtC．3nΔtD．nΔt
6、下列计算机不属于RISC计算机的是（C）。
A．SUN：
UltraSPARC
B．IBM：
PowerPC620
C．IBM：
PC/XT
D．DEC：
ALPHA21164
7、哪一点不是RISC的特点？
（D）
A.减少指令的平均执行周期数
B.重视编译优化技术
C.减少指令和寻址方式的种类
D.增加指令的功能
8、哪种兼容方式对系列机来说是必须要求做到的？
（B）
A.向前兼容B.向后兼容C.向上兼容D.向下兼容
9、在计算机系统中，表征系统运行状态的部件是（D）。
A．程序计数器
B．累加计数器
C．中断计数器
D．程序状态字（PSW）
10、存储器读写速率越高，每位的成本也越高，存储容量也小。
解决这一问题的主要方法是采用（C）。
A．Cache
B．并行存储器
C．多级存储体系结构
D．缓冲技术
1．计算机系统结构的层次结构按照由高到低的顺序是（A）。
A、高级语言机器级、汇编语言机器级，传统机器语言机器级、微程序机器级
B、高级语言机器级，应用语言机器级、汇编语言机器级、微程序机器级C、应用语言机器级、传统语言机器级，汇编语言机器级，操作系统机器级D、应用语言机器级，操作语言机器级，微程序机器级、传统机器语言机器级2．机器内浮点数都包含阶码和尾数两部分，其中尾数的位数主要影响（A）。
A、能表示数的精度B、能表示数的范围
C、能表示数的范围和精度D、能表示数在数轴上分布的离散程序
3．RISC的含义是（C）。
A、ReducedInstructionSystemComputer
B、ReproducedInstructionSetComputer
C、ReducedInstructionSetComputer
D、ReproducedInstructionSystemComputer
4．推出系列机的新机器，不能更改的是（A）。
A、原有指令的寻址方式和操作码B、系统总线的组成
C、数据通路宽度D、存储芯片的集成度
8．与全相联映象相比，组相联映象的优点是（A）
Ａ、目录表小Ｂ、比较对法
Ｃ、命中率高Ｄ、主存利用率高
10．对于线性流水，在每段经过的时间相等的情况下，流水线的效率与（C）成正比。
A、任务数B、流水线段数C、吞吐率D、排空时间
1.对应用程序员不透明的是（D）。
A．先行进位链B．乘法器
C．指令缓冲器D．条件码寄存器
2.以下说法中，不正确的是（B）。
软、硬件功能是等效的，提高硬件功能的比例会
A．提高解题速度B．提高硬件利用率
C．提高硬件成本D．减少所需的存储器用量
4.数据表示的含义是（D）。
A．表示数据所采用的数制和码制B．数据类型
C．浮点数的表示方式D．硬件能直接识别的数据类型
6.在不同类中断事件优先级中，（D）不受中断屏蔽的控制。
A．中断按键B．外部中断
C．I/O中断D．访管中断
7.与虚拟存储器的等效访问速度无关的是（D）。
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
8.页是（）单位，由（）划分，它的长度（）。
D
A．逻辑，系统，定长B．逻辑，用户，不定长
C．物理，用户，不定长D．物理，系统，定长
1.某个时期投入市场的机器上编制的软件，不用修改就可运行在比它之后投入市场的机器上，这被称为（D）。
A．向上兼容B．向下兼容C．向前兼容D．向后兼容
2.信息按整数边界存储的主要优点是（A）。
A．访存速度快B．节约主存单元
C．指令字的规整化D．指令的优化
4.按Cache地址映像的块冲突概率从高到低的顺序是（C）。
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.直接映像、组相联映像、全相联映像D.全相联映像、组相联映像、直接映像
5.衡量流水线的主要性能指标是（D）。
A.流水线容量B.流水线长短
C.流水线规模D.流水线吞吐率和效率
2．并行处理发展通过（D）途径形成了分布处理系统。
A．提高主频B．时间重叠C．资源重复D．资源共享
3.系列机软件必须保证（D），一般应做到软件的向上兼容性。
A、向上兼容B、向下兼容C、向前兼容D、向后兼容
1．对机器语言程序员透明的是（B）。
A．中断字B．主存地址寄存器C．通用寄存器D．条件码
按照Flynn的分类，PⅡ的MMX指令采用的是（31）模型，而当前的高性能服务器与超级计算机则大多属于（32）类。
（31）、（32）A．SISDB．SIMDC．MISDD．MIMD
例题1分析
按照Flynn的分类，计算机可分为SISD、SIMD、MISD和MIMD共4类。
PⅡ中开始采用MMX技术，引进了一些新的通用指令，虽然使用了单指令多数据思想，但从整体上说PⅡ仍属于SISD类。
当前的高性能服务器与超级计算机大多具有多个处理器，多任务处理并行处理，基本上都属于MIMD。
例题1答案（31）A（32）D
第二题填空题
1、进行仿真工作的机器称为宿主机，而被仿真的机器称为_____目标机________。
3、Cache存储器写保护时，只写入Cache，仅当需块替换时，才将其写回主存，称这种修改方法为______写回法_________法。
4、一般中断是在_____每条指令的尾部______时处理的，而页失效是立即处理的。
1．提高计算机系统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．在Cache存贮器中，CPU每次写Cache的同时，也写入主存，称这种更新主存块内容的方法为写直达法。
2．计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现。
计算机实现是计算机组成的物理实现。
3．“主存-辅存”层次的目的是为了弥补主存容量的不足；“Cache-主存”层次的目的是为了弥补主存速度的不足。
4．从计算机体系结构的发展来看，早期的计算机是以运算器为中心的系统结构，而近代的是以存储器为中心的系统结构。
6．计算机体系结构设计和分析中最经常使用的三条基本原则是大概率原则、阿摩达尔定律和局部性原理。
7．Amdahl定律表明系统的加速比依赖于部件可改进比例和加速比两个因素。
9．一条DLX指令最多需要5个时钟周期，它们分别是取指周
期、指令译码周期、执行/有效地址计算周期、存储器周期和写回周期。
10．吞吐率是流水线在单位时间内所完成的任务数或输出结果的数量。
11．流水线在连续流动达到稳定状态后所得到的吞吐率叫做最大吞吐率。
12．按照同一时间内各段之间的连接方式来分，流水线可分为动态流水线
和静态流水线。
13.流水线中的相关有结构相关、数据相关和控制相关。
1.并行性包括同时性和并发性二重含义。
5.解决通用寄存器数相关的办法有推后法和设置相关专用通路。
2.计算机系统的3T性能目标是1TFLOPS计算能力，1TBYTE主存客量和1TBYTE／S的I/O带宽。
4.浮点数阶码位数影响数的可表示范围大小，尾数的位数影响数的可表示精度大小。
5.在满足系统性能和总线流量的前提下，可以采用总线的功能组合、并/串-串/并转换、信息编码等方式来减少总线的线数。
8.段页式虚拟存贮器的内部地址映象表机构有段表
和页表两部分。
9.在m段组成的流水线中，设各段经过的时间不同，则在连续完成n个任务时流水线的效率为
。
10.全局相关指已进入流水线的转移指令和其后续指令之间的相关。
1．中断响应时间是指_______从发出中断请求到进入中断处理程序这段时间_______。
3．对于计算机体系结构，计算机组成和计算机实现三个概念来说，_____计算机组成____着眼于机器级内各事件排序方式_____计算机系统结构_______着眼于对传统机器级界面的确定，______计算机实现______着眼于微程序设计。
5．中断系统的软硬件功能分配实际上就是在中断响应硬
件和中断处理程序软件之间的功能分配。
6．数据宽度是指在期间所传送的数据总量。
7．评价存贮器性能的基本要求是大容量、高速度和低价格。
8．程序的局部性包括时间上的局部性和空
间上的局部性
9．在“一次重叠”解释时，第K+1条指令需要等第K条指令执行后才能形成，称此时发生了指令相关。
10．中断屏蔽不能改变中断响应的优先次序，但是能够动态改变中断处理程序次序。
一、判断题
1．可以说向后兼容是系列机的根本特
征。
（√）
3．在数据描述符中，描述符与数据分开存放，主要用于描述单个数据的特征。
（×）
6．为了动态调节中断处理程序实际执行完的次序，需要在中断级请求源和中断响应排队器的入口端之间加设中断屏蔽字寄存器和相应的控制门电路。
（√）7．页面失效请求可以在每条指令执行到末尾时检测，以便在此时看是否调页。
（×）
8．Cache存贮器等效访问速度达不到接近于第一级Cache的，可以增加Cache容量来解决。
（√）
9．对于通用寄存器变址相关的情况，有可能会出现“一次相关”，而不会出现“二次相关”。
（×）
1．（√）器件的发展是推动计算机系统向前发展的最直接的动力。
3．（×）由于RISC简化了指令系统，因此，RISC上的目标程序比CISC上的目标程序要短一些，程序运行的时间就会少一些。
5.（√）专用总线的总线数多，系统流量大，I/O系统不适宜用专用总线。
8．（√）存储器采用单体单字，还是多体交叉并行存取，对系统结构设计应是透明的。
10.（×）从软硬功能分配看，静态流水线把功能负担较多地加到硬件上，而动态流水线则较多地加到软件上，以提高流水的效能。
3．（×）在集中式定时查询方式中，共享总线的部件都有各自的一对"总线请求"和"总线准许"线。
4．（×）页面失效请求可以在每条指令执行到末尾时检测，以便在此时看是否调页。
3、若Cache未命中，应将程序挂起，同时调块。
（×）
5、只要将子过程进一步细分，就可以使流水吞吐率进一步提高。
（×）1．系统是否设浮点运算指令，对计算机系统结构是透明的。
（错）
2．基址寻址支持程序的动态再定位，变址寻址支持程序的循环。
（对）存储转发寻径：
在存储转发网络中包是信息流的基本单位，每个结点有一个包缓冲区。
包从源结点经过一系列中间结点到达目的结点。
当一个包到达一个中间结点时，它首先被存入缓冲区，当所要求的输出通道和接收结点的包缓冲区可使用时，然后再将它传送给下一个结点。
1．系列机
所谓系列机是指在一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。
系列机方法能够在具有相同系统结构的各种机器之间实现软件移植。
5．MIPS
MIPS==
6．MFLOPS
MFLOPS=
7．命中率存储器替换策略
命中率是为存储器层次结构中任意两个相邻层次而定义的一个概念，当在Mi中找到一个信息项时，称之为命中，反之称之为缺失。
在Mi层的命中率就是信息项可在Mi中找到的概率。
11．存储转发寻径
在存储转发网络中包是信息流的基本单位，每个结点有一个包缓冲区。
包从源结点经过一系列中间结点到达目的结点。
当一个包到达一个中间结点时，它首先被存入缓冲区，当所要求的输出通道和接收结点的包缓冲区可使用时，然后再将它传送给下一个结点。
13．静态流水线
在同一时间内，多功能流水线中的各个功能段只能按照一种固定的方式连接，实现一种固定的功能。
只有当按照这种连接方式工作的所有任务都流出流水线之后，多功能流水线才能重新连接，以实现其他功能。
14．存储器带宽
存储器带宽为存储器在连续访问时的数据吞吐速率。
带宽的单位通常是每秒钟传
送的位数或字节数。
15．Amdahl定律：
系统中对某一部件或某种执行方式取采了改进后，整个系统性能的提高与两种因素有关
（1）改进部分的使用频率或占总执行时间的比例有关；
（2）与改进部分在采用改进措施后比较有改进措施前性能提高的倍数有关。
：
加速比
：
改进部分的使用频率或占总执行时间的比例
：
改进部分在改进前的性能与改进后的性能之比，（也就是改进部分性能提高的倍数）
1.结构相关——当指令在流水线中重叠执行时，流水线有可能改变指令读/写操作的顺序（2分），使得读/写操作顺序不同于它们非流水实现时的顺序（2分），将导致数据相关
2.程序的局部性原理——程序在执行时所访问的地址不是随机的，而是相对簇聚（3分）；这种簇聚包括指令和数据两部分（1分）。
3.CPI——指令时钟数（CyclesperInstruction）（4分）。
4.并行性：
包含同时性和并发性.是指在同一时刻或同一时间间隔内完成两种以上性质相同或不同的工作。
5.组相联映象：
主存中的每一块只能映象到Cache中唯一一个特定块的位置,即第i块映象到Cache中物理地址应为imod2ncb块的位置上。
6.模拟:
用一种机器语言解释另一种机器语言的方式.
仿真:
用微机解释机器语言的方
式。
（4分）17、Flynn分类法：
计算机系统结构的一种分类方法．按照同时执行的指令流与数据流在系统中的数目，将系统结构分为：
SISD单指令单数据流，SIMD多指令流多数据流，MISD多指令流单数据流，MIMD多指令流多数据流。
18、物理地址cache存储系统：
物理地址cache存储系统是指cache、主存、磁盘这三个存储器分别构成"cache-主存"和"主存-磁盘"两个存储系统19、非阻塞网络：
非阻塞网络：
逻辑上的交叉开关网络，除非存在不同输入端口向同一输出端口发
送消息，否则消息通信将不会阻塞。
请描述存储器访问的时间局部性和空间局部性，并讲述其原因。
时间上的局部性指的是最近的将来要用到的信息很可能是现在正在使用的信息，这主要是由程序的循环和堆栈等造成的。
空间上的局部性指的是最近的将来要用到的信息很可能与现在正在使用的信息在空间上是相邻或相近的，这主要是由于指令通常是顺序执行的和数据是集簇存放所造成的。
15、简述流水线技术的特点
⑴流水过程由多个相联系的子过程组成，每个过程称为流水线的"级"或"段"。
⑵流水技术适合于大量重复的时序过程。
13、简述SIMD计算机的分布式存储器与共享存储器的异同。
SIMD计算机的分布式存储器与共享存储器的相同点都存在互联网络。
不同点式在共享内存方案中，共享的多体并行存储器通过对准网络与各处理单元相连。
在分布内存方案中，每个处理单元有自己的本地存储器，处理单元有自己的本地存储器，处理单元之间的数据通过数据寻径网络完成。
15、程序中有哪两类相关，分别可以采取什么方法来解决？
（1）数据相关
数据相关指在执行本条指令的过程中，如果用到的指令、操作数、变址偏移量等是前面指令的执行结果，则必须等待前面的指令执行完成，并把结果写到主存或通用寄存器中之后，本条指令才能开始执行。
可以采取设置专用数据通路、延迟执行等方法来解决数据相关。
（2）控制相关
控制相关指由条件分支指令、转子程序指令、中断等引起的相关。
可以采取静态分支预测技术、动态分支预测技术、提前形成条件码等来解决控制相关。
14、简述超标量处理机的特点
超标量处理机一般具有多于一条的流水线，一台m度的超标量处理机可同时发射m条指令，指令的发射等待时间为1个时钟，指令的并行度为m。
12、数据类型、数据表示和数据结构之间的关系是什么？
在设计一个计算机系
统时，确定数据表示的原则主要有哪几个？
数据类型有多种多样，如文件、图、表、树、阵列、队列、链表、栈、向量、串、实数、整数、布尔数、字符等。
数据表示研究的是计算机硬件能够直接识别，可以被指令系统直接调用的那些数据类型。
数据结构研究的是面向系统软件，面向应用领域所需要处理的各种数据类型，研究这些数据类型的逻辑结构和物理结构之间的关系，并给出相应的算法。
确定哪些数据类型用数据表示来实现的原则主要有三个，一是缩短程序的运行时间，二是减少CPU与主存储器之间的通信量，三是这种数据表示的通用性和利用率。
16、实现软件移植的主要途径有哪些？
它们存在什么问题？
适用于什么场合？
（1）采用系列机方法，只能在具有相同系统结构的各种机器之间实现软件移植，一般是一个厂家生产的机器
（2）采用模拟与仿真的方法，可在不同系统结构的机器之间相互移植软件，对于使用频率较高的指令，尽可能用仿真方法以提高运算速度，而对于使用频率低且难于用仿真实现的指令则用模拟方法来实现。
（3）采用统一的高级语言方法，可以解决结构相同或完全不同的各种机器上的软件移植，但是，要统一高级语言，语言的标准化很重要，但难以在短期内解决。
1．设计RISC机器可采用的基本技术有哪些？
设计RISC机器的基本技术：
按设计RISC机器的一般原则来精选和优化设计指令系统；逻辑上采用硬联组合电路为主，适当辅以微程序控制；在CPU内设置大量寄存器，采用重叠寄存器组的窗口；指令采用重叠和流水的方式解释，采用延迟转移；优化设计高质量的编译程序。
19．简述计算机系统设计中软硬件取舍3原则。
1）在现有器件的条件下，系统要有较高的性能价格比；
2）不要不合理地限制各种组成、实现技术的采用；
3）硬件的设计要考虑如何为软件提供更好的支持。
2.简述RISC结构的设计原则。
（1）选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令；
（2）每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成；
（3）所有指令长度均相同；
（4）只有Load和Store操作指令才访问存储器，其它指令操作均在寄存器之间进行
（5）以简单有效的方式支持高级语言。
3.解决流水线结构相关的方法有哪些？
（1）流水化功能单元
（2）资源重复
（3）暂停流水线
4.组相联Cache比相同容量的之直接映象Cache的失效率低。
由此是否可以得出结论：
采用组相联Cache一定能带来性能上的提高？
为什么？
答：
不一定。
因为组相联命中率的提高是以增加命中时间为代价的，组相联需要增加多路选择开关。
11、一条流水线连接图如下所示，画出100条指令连续通过该流水线的时空图，并计算该流水线的加速比。
（其中）
参考答案：
顺序执行的时间为T0＝6×100＝600ns
采用流水方式执行的时间为T1＝3×99+6=303
加速比S＝T0/T1＝600/303=1.98
12、
13、双输入端的加、乘双功能静态流水线有1、2、3、4四个子部件，延时分别为Δt,Δt,2Δt,Δt，“加”由1→2→4组成，“乘”由1→3→4组成，输出可直接返回输入或锁存。
现执行
（1）画出流水时空图，标出流水线入端数据变化情况。
（2）求运算全部完成所需的时间和流水线效率。
（3）找出瓶颈子过程并将其细分，重新画出时空图并计算流水时间和效率。
部件
①②③④⑤⑥结果
输入
a1a2a3a4a1+b1a2+b2a3+b3a4+b4①
③⑤
b1b2b3b4c1c2c3c4
④⑥
Δt
4
3
2
1
（1）
（2）由上图可知，全部运算完的时间是23Δt。
（3）
4
3-2
3-1
2
1
输入②
a1a2a3a4a1+b1a2+b2a3+b3a4+b4①③⑤b1b2b3b4c1c2c3c4②④⑥
①②③④⑤⑥结果
Δt
部件
由上图可知，流水时间为20Δt。
2．在下列不同类型的处理机上做向量运算：
D=（A+B）*C，向量长度均为4，每个周期的时间为10ns。
分别计算所需的最短时间，写出简要计算过程。
（15分）1）.SISD单处理机，有一个通用运算部件，每3个周期做完一次加法，或每4个周期做完一次乘法。
（5分）
2）.流水线处理机，有一条两功能静态流水线，加法经过其中的3段，乘法经过其中的4段，每段的延迟时间均为一个周期。
（5分）
3）.向量处理机，有独立的加法器和乘法器，加法器采用3段流水线，乘法器采用4段流水线，每段的延迟时间均为一个周期，采用向量链接方式工作。
（5分）解：
1）10ns×4×（3＋4）＝280ns，4次加法和4次乘法串行执行
2）10ns×（6＋7）＝130ns，流水线执行4次加法需要6个周期，流水线执行4次乘法需要7个周期
3）10ns×（7＋3）＝100ns，得到第1个结果需要7个周期，另外3个结果需要3个周期
9、在一个Cache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10元／NB，Cache的访问周期、存储容量和单位价格分别为10ns、512KB和100元／MB，Cache的命中率为0．98。
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。
这个Cache存储系统的等效访问周期：
T=TcH+Tm（1-H）
=10ns×0.98+60ns×（1-0.98）
=11ns
等效存储容量：
S=64MB
等效单位价格：
C=（CcSc+CmSm）/（Sc+Sm）
=（100×0.5+10×64）/（0.5+64）
=10.7（元/MB）
8、1台向量计算机1次只能以下述两种执行方式中的一种运行：
一种是向量方式，执行速度Rv为10MFLOPS；另一种是标量方式，执行速度Rs为1MFLOPS。
设α是该计算机的典型程序代码中可向量化部分的百分比。
（a）推导出该计算机平均执行速度R的公式
（b）要使R达到7.5MFLOPS，问向量化百分比α应多大？
（c）假设Rs=1MFLOPS，α=0.7，要使R达到2MFLOPS，问Rv应为多大？
参考答案：
（a）
（b）R=7.5，则，α=0.963
（c），
则MFLOPS
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