计算机系统结构课程考核说明.docx
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计算机系统结构课程考核说明
计算机系统结构课程考核说明
一、考核说明
1．考核对象：
电大计算机科学与技术专业本科生。
2．命题依据：
根据电大计算机科学与技术专业（本科）《计算机系统结构》课的教学大纲的要求。
3．考核要求：
本课程面向电大计算机科学与技术专业本科生，具体考核要求分为3个层次（详见考核具体要求）：
掌握；
理解；
了解。
4．考核方式：
采用形成性考核和期末终结性考核相结合的方式，即期末考试与平时成绩相结合的考核方式，最终总成绩达到或超过60分为通过；平时成绩（作业、教学实验）占20％；期末考试占80％，分别以百分制计分。
期末考试为闭卷笔试考试，时间120分钟。
二、考核内容与要求
以电大计算机科学与技术专业（本科）《计算机系统结构》课的教学大纲的要求为准。
教材每一章节均有教学要求与导学部分，每章后又有作业与思考题。
．考核内容与要求均以教材中的具体规定为准，
在下面给出的试题类型与参考答案将能比较充分地体珥出来。
三、考核具体要求
第一章计算机系统结构的基本概念
掌握：
计算机系统层次结构，系统结构组成、实现的定义以及三者的关系，透明性，Amdahl定律，CPU性能公式，局部性原理，MIPS和MFLOPS定义。
理解:
系统结构分类，冯·诺依曼计算机特征。
了解：
计算机系统结构的发展，价格、应用、VLSI核算法对系统结构的影响。
第二章指令系统
掌握：
RISC的定义与特点，减少指令平均执行周期数的方法。
理解：
延时转移技术指令取消技术，重叠寄存器窗口技术。
了解：
指令流调整技术，RISC优化编译技术。
第三章存储系统
掌握：
存储系统的定义，存储系统的性能参数，地址映象与变换方法，替换算法，Cache存储器工作原理，虚拟存储器工作原理。
理解；低位交叉访问存储器，高位交叉访问存储器。
了解：
Cache分析．Cache写操作，分段存储系统，缓冲对虚拟存储系统性能的影响，替换算法实现方法。
第四章标量处理机
掌握：
流水线工作原理，时空图，线性流水线，输人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，超标量处理机工作原理和性能分析。
理解：
输人任务不连续情况下单功能、线性流水线的性能分析。
了解：
超标量、超流水、超标量超流水处理机的典型结构，流水线计算机的存储器结构，流水线中断的控制方法，流水线技术的开发。
第五章向量处理机
掌握：
向量处理，三种向量处理方式，存储器—存储器结构，寄存器—寄存器结构。
理解：
链接技术。
了解：
向量处理机的数据结构和存取模式，协处理器，向量处理机实例。
第六章互连网络
掌握：
互连网络的作用，静态网络，动态网络。
理解：
存储转发寻径，虫蚀寻径，线路开关寻径，虚拟直通寻径。
了解：
互连函数，虚拟通道，单播，选播，广播，会议，通道流量，网络通信延时。
第七章并行处理机和多处理机
掌握：
共享存储多处理机，分布存储多处理机，多处理机系统的特点，SIMD计算机基本结构及其优缺点。
理解：
SIMD计算机的实例，多处理机实例。
了解：
SIMD计算机的模型，并行算法，虚拟共享存储器，多处理机性能模型，多处理机的Cache一致性，监听协议，基于目录的协，MPP，SMP，机群系统。
四、计算机系统结构试题类型及解答
一、名词解释（15分，每题3分）
1．计算机系统结构
2．计算机组成
3.计算机实现
4.Amdahl定律
5．CPI
二、选择题（45分，每题3分）
1．MIMD是指（）
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．下列那种存储设备需要编址？
A.通用寄存器
B.主存储器
C.输入输出设备
D.堆栈
3．对计算机系统结构，下列（）是透明的。
A、浮点数据表示B、程序性中断
C、访问方式保护D、阵列运算部件
4．下列（）兼容方式对系列机来说是必须做到的。
A、向前兼容B、向后兼容
C、向上兼容D、向下兼容
5．假设一条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每一段的执行时间分别为
、
和
，顺序执行n条指令至少需要花费的时间为：
A.
B.
C.
D.
6．以下关于程序控制输入输出方式的说法哪些是不正确的？
A）灵活性不够好B）外围设备与CPU是异步工作关系
C）用于连接高速外围设备D）处理机可以采用轮流循环测试方式
7．一个二级虚拟存储器,CPU访问主存和辅存的平均时间分别为1μs和1ms.经实测,此虚存平均访问时间为100μs.下面那种方法不能够使得该平均值减小？
A）选择合适的页面大小
B）采用较好的页面替换算法
C）增加主存的容量
D）增加辅存的容量
8．下述几个需要解决的问题中，那个是向量处理机所最需关心的？
A.计算机指令的优化技术
B.设计满足运算器带宽要求的存储器
C.如何提高存储器的利用率，增加存储器系统的容量
D.纵横处理方式的划分问题
9．随着计算机技术的不断发展和对指令系统的合理性的研究，精简指令集计算机（RISC）出现并且逐步取代CISC的重要位置。
下面所述不是CISC的主要缺点的是：
A．20%与80%规律
B．VLSI技术的不断发展引起的一系列问题
C．软硬件功能分配的问题
D．由于指令众多带来的编码困难
10．下面说法那种正确？
A.采用Huffman编码一定不会比其他编码方法效率低
B.采用RISC一定比CISC的效率高
C.在任何情况下，增加标志符一定减少程序所占用的存储空间
D.以上的说法都不正确
11．SIMD是指（）
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
12．下列那种存储设备不需要编址？
A.通用寄存器
B.主存储器
C.输入输出设备
D.堆栈
13．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（）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
14．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：
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
15．下图所示的时空图对应的处理机为：
A.标量处理机
B.超标量处理机
C.超流水处理机
D.超标量超流水处理机
三.计算题（40分）
1.（10分）.一条流水线连接图如下所示，画出200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
）
2.（10分）.主频为400MHz的微处理机，平均每条指令的执行时间为两个机器周期，每个机器周期由两个时钟脉冲组成，则当存储器为“零等待”时，机器运行速度为多少MIPS。
3.（20分）.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。
1）（5分）.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。
2）（5分）.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。
3）（10分）.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。
试题答案
一．解释下列术语或简答以下问题（共45分，每小题3分）
1．计算机系统结构
【答案】系统结构定义为由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性，这里的程序设计者所看到的计算机属性是指为机器语言或编译程序设计者所看到的计算机属性，是硬件子系统的概念性结构及其功能特性，它是计算机系统的软、硬件的界面。
2．计算机组成
【答案】计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
3．计算机实现
【答案】计算机实现是指计算机组成的物理实现。
4．Amdahl定律
【答案】Amdahl定律：
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。
Fe=（改进前可改进部分占用的时间）/（改进前整个任务的执行时间）
Se=（改进前可改进部分的执行时间）/（改进后改进部分的执行时间）
则，改进后整个系统加速比为
。
5．CPI
【答案】每条指令平均时钟周期数
CPI=CPU时钟周期数/IC（指令的条数）=
其中
=指令i在程序中执行的次数。
二、选择题（45分，每题3分）
1．D
2．A,B,C
3．D
4．B
5．C
6．A,C
7．D
8．B
9．D
10．A
11．B
12．D
13．A
14．B
15．C
三.计算题（40分）
1．
解：
顺序执行的时间为T0＝6×200＝1200ns
采用流水方式执行的时间为T1＝3×200＋6－1＝605ns
加速比S＝T0/T1=1200/605=1.98
2．
【答案】100
3.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
计算机系统结构期末复习指导
第一章计算机系统结构的基本概念
1．系统结构的两种定义
定义1：
Amdahl于1964年在推出IBM360系列计算机时提出：
程序员所看到的计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。
指机器语言的程序员编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解到的功能特性（指令系统及其执行模式）；数据表示（硬件能够直接认别和处理的数据类型和格式）；寻址方式（最小寻址单位、寻址方式的种类和地址运算等）；寄存器组织（操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等）；指令系统（机器指令的操作类型、格式，指令间的排序和控制机制）等。
定义2：
计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定。
计算机系统由软件、硬件和固件组成，它们在功能上是同等的。
同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现。
不同的组成只是性能和价格不同。
2．计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现，主要包括：
确定数据通路的宽度；确定各种操作对功能部件的共享程度；确定专用的功能部件；确定功能部件的并行度；设计缓冲和排队策略；设计控制机构；确定采用何种可靠性技术。
3．计算机实现是指计算机组成的物理实现，包括：
处理机、主存储器等部件的物理结构；器件的集成度和速度；专用器件的设计；器件、模块、插件、底版的划分与连接；信号传输技术；电源、冷却及装配技术；相关制造工艺及技术等。
4．计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念，但随着技术、器件和应用的发展，三者之间的界限越来越模糊。
5．透明性，本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在，例如：
浮点数表示、乘法指令对高级语言程序员、应用程序员透明对汇编语言程序员、机器语言程序员不透明。
例如：
数据总线宽度、微程序对汇编语言程序员、机器语言程序员透明，对硬件设计者、训
算机维修人员不透明。
6．Amdahl定律，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。
7．CPI：
每条指令的平均时钟周期数。
8．访问的局部性原理：
程序往往重复使用它刚刚使用过的数据和指令。
实验表明，一个程序用90％的执行时间去执行仅占10％的程序代码。
局部性的实质是：
根据程序的最近情况，可以较精确地预测出最近的将来将要用到哪些指令和数据。
局部性分时间上的局部性
和空间上的局部性两种。
时间上的局部性是指最近访问过的代码是不久将被访问的代码。
空间上的局部性是指那些地址上相邻近的代码可能会被一起访问。
存储器体系的构成就是以访问的局部性原理为基础的。
9．MIPS定义。
MIPS表示每秒百万指令条数。
对于一个给定的程序，它定义为：
MIPS=
10．MFLOPS定义。
MFLOPS即每秒百万次浮点操作次数，它定义为：
MFLOPS=
第二章指令系统
1．指令系统的优化设计有两个截然相反的方向
（1）复杂指令系统计算机CISC（ComplexlnstructionSetComputer）
1）增强指令功能，设置功能复杂的指令
2）面向目标代码、面向高级语言、面向操作系统
3）用一条指令代替一串指令
（2）精简指令系统计算机RISC（ReducedInstructionSetComputer）
1）只保留功能简单的指令
2）功能较复杂的指令用子程序来实现
2．RISC与CISC各自的特点和相互比较
3．RISC的关键技术
（1）旁路技术
（2）延迟转移技术
（3）指令取消技术
（4）重叠寄存器窗口技术：
（5）指令流调整技术
（6）以硬件为主固件为辅
第三章存储系统
一、基本概念
1．存储系统的定义存储系统是指两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件、或软件与硬件相结合的方法连接起来而成的系统。
这个系统对应用程序员透明，并且，从应用程序员看它是一个存储器，这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器,存储容量与容量最大的那个存储器相等或接近，单位容量的价格接近最便宜的那个存储器。
程序访问的局部性原理是层次存储系统构成的基础。
2．存储器的主要性能参数
（1）存取时间
从CPU到第i层存储器的往返时间。
（2）存储器容量
第i层的字节或字的数量。
（3）每字节成本
（4）传输带宽
相邻层之间传输信息的速率。
（5）传输单位
相邻两层之间数据传输的粒度（如字、块、页等）。
3．存储器的主要性能参数
（1）存取时间
从CPU到第i层存储器的往返时间。
（2）存储器容量
第i层的字节或字的数量。
（3）每字节成本
（4）传输带宽
相邻层之间传输信息的速率。
（5）传输单位
相邻两层之间数据传输的粒度（如字、块、页等）。
4．层次存储器性质
（1）包含性
内层的信息必然包含于其外层。
所有的信息最初放在最外层。
在处理过程中，其子集被一步步复制到内层。
（2）一致性
同一个信息项在后继存储器层次上的副本是一致的。
如果在缓存中的一个字被修改过，那么在所有高层上该字的副本
也必须立即或最后加以修改。
维护一致性的两种策略：
写直达和写回。
前者指如果在内层中修
·改了一个字，在外层中必须立即加以修改。
而后者的处理方法是：
在
外层中的修改延迟到内层中被修改的字被替换时才进行。
（3）局部性
时间局部性：
最近的访问项很可能在不久的将来再次被访问。
空间局部性：
一个进程所访问的各项其地址彼此很近。
顺序局部性：
在典型程序中，除转移指令产生不按次序的转移外，指令都是顺序进行的。
5．层次存储系统的设计的目的是使有效存取时间接近于最内层存储器的存取时间，使总体的平均每字成本接近于最外层存储器的每字成本，容量接近于最大存储器的容量。
本章主要论述两个二级层次存储系统cache和虚拟存储器。
要解决的问题主要有：
（1）块／页的定位问题
（2）替换问题
（3）一致性问题（写无效和写更新）
6．虚拟存储器由主存储器和联机工作的外部存储器共同组成。
虚拟存储器有段式、页式、段页式等地址映像与变换方法。
加快内部地址变换的技术主要有目录表、快慢表、散列函数等。
页面替换算法主要有RAND、FIFO、LRU、LFU和OPT等算法。
7．Cache的地址映像与变换方法有全相联、直接相联、组相联和段相联几种。
Cache的替换算法有轮转法、FIFO、LRU、LFU、比较对法和堆栈法。
Cache的实现全部是由硬件完成的。
8．影响主存命中率的主要因素有
（1）程序在执行过程中的页地址流分布情况
（2）所采用的页面替换算法
（3）页面大小
（4）主存储器的容量
（5）所采用的页面调度方法
9．Cache的命中率主要与如下几个因素有关
（1）程序在执行过程中的地址流分布情况
（2）当发生Cache块失效时，所采用的替换算法
（3）Cache的容量
（4）在组相联映象方式中，块的大小和分组的数目
（5）所采用的Cache预取算法等。
10．解决Cache与主存的不一致性问题，首先要选择合适的
Cache更新算法。
一般有两种Cache更新算法，写直达法和写回法。
第四章输入输出系统
一、基本概念
1．输入输出系统
（1）在计算机系统中，通常把处理机和主存储器之外的部分称为输入输出系统，它包括输入输出设备、输入输出接口和输入输出软件等
（2）输入输出系统的特点是异步性、实时性和设备无关性。
（3）基本的输入输出方式有三种：
程序控制输入输出方式、直接存储器访问方式（DMA）和中断输入输出方式。
（4）程序控制输入输出方式完全受CPU控制，数据的输入输出都要经过CPU，用于连接低速外围设备。
（5）直接存储器访问方式（DMA）主要用于连接高速外围设备，它使得存储器既可被CPU访问，也可被外围设备访问。
目前使用的DMA方式主要有三种：
周期窃取方式、直接存取方式和数据块传送方式。
（6）中断输入输出方式使得CPU与外围设备可以并行工作，并可以处理例外事件。
中断方式常用于连接低速外围设备。
2．通道处理机
（1）在大型计算机系统中，为把对外围设备的管理工作从CPU中分离出来，普遍采用通道处理机技术。
采用通道方式组织的输入输出系统，多采用主机一通道一设备控制器IO设备四级连接方式。
通道通过执行通道程序实现对IO系统的统一管理和控制。
在CPU启动通道后，通道自动地去内存取出通道指令并执行指令。
直到数据交换过程结束向CPU发出中断请求，CPU才进行通道结束处理工作。
（2）通道可分为三类：
字节多路通道、选择通道和数组多路通道。
字节多路通道常用于连接低速或中速的设备，选择通道和数据多路通道用于连接高速设备。
（3）对于以上的三种通道，当每个通道上连接有P台外围设备，每台设备都传送n个字节时，总共所需的时间分别为：
其中Ts指设备选择时间，TD指传送一个字节所需的时间。
（4）通道的流量是指一个通道在数据传送期间内，单位时间内能够传送的最大数据量。
一个通道在满负荷工作下的流量称为通道最大流量。
三种通道的最大流量计算公式如下：
（5）字节多路通道的实际流量是指连接在这个通道上的所有设备的数据传输率之和。
而选择通道和数据多路通道的实际流量是指连接在这个通道上的所有设备数据传输率的最大值。
3．输入输出处理机
。
在大型、巨型计算机系统中，常采用输入输出处理机来分担中央处理机的输入输出任务。
输入输出处理机是一台独立的处理机，具有一定的运算功能。
它具有自己的存储器，不必通过主存储器就能完成与外围设备的数据交换，大大提高了系统性能。
第五章标量处理机
一、基本概念
1．先行控制技术（100k-ahead）·
先行控制技术的关键是缓冲和预处理技术。
指令的执行过程可以，被分解为相互独立的几个阶段（取指令，分析指令，执行指令），采用重叠执行方式，使每个功能段相对独立地运行，就能提高运行速度。
为了平衡给功能段之间的由于速度不确定带来的速度差异，在各功能段之间设置了缓冲栈（先行指令缓冲栈，先行操作栈，先行读数栈，后行写数栈），同时为了解决数据相关和控制相关带来的停顿问题，使用了不同的预处理技术。
对数据相关和控制相关的分析和解决办法是整个预处理技术的核心。
2．流水线的原理、特点及其分类
流水线方式是把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程可以和其他的子过程同时进行，即所谓的时间并行性。
流水线的工作可以用时空图来描述。
流水线有以下的特征：
为了提高流水线的效率，应该尽可能的为流水线提供连续的任务；流水线由很多相联的功
能段组成，为了平衡功能段之间的速度差，功能段之间需要设置缓冲寄存器；流水线中每个功能段的时间应该尽量相等，以免形成“瓶颈”，否则应该对功能段再划分或者采用多个功能部件；流水线需要装入和排空时间，只有在流水线完全充满时，它才能充分发挥效率。
根据不同的角度，流水线可以被划分成以下的类别：
线性流水线，非线性流水线，指令流水线。
运算操作流水线，宏流水线；单功能流水线，多功能流水线；静态流水线，动态流水线等。
3．流水线韵性能分析
衡量流水线性能的主要指标有吞吐率，加速比，效率。
流水线的吞吐率TP定义为单位时间内流水线所完成的任务数量或者输出的结果数量，基本公式如下：
n为任务数，Tk是完成n个任务所用的时间。
流水线的加速比S指完成一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比称为流水线的加速比：
其中T0指顺序执行所用的时间，n时使用流水线的执行时间。
流水线的效率E是指流水线的设备利用率，在时空图上，流水线的效率定义为n任务占用的时空区与k功能段总的时空区之比。
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