系统结构试题及答案.docx
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系统结构试题及答案
第一章计算机体系结构的基本概念
一、填空
1.1引论
1、在计算机诞生的头25年中，计算机性能增长相对缓慢。
在这个过程中，制造技术和（）同时发挥着作用。
5、从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，其中，第2级是（），第3级是（）。
6、从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，其中，第1级是（），第4级是（）。
7、从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，其中，第5级是（），第6级是（）。
8、从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，其中，第1级是（），第6级是（）。
9、（）和（）是语言实现的两种基本技术。
10、翻译和解释是语言实现的两种基本技术。
一般说来，（）执行比（）花的时间多，但占用存储空间少。
13、（）是计算机系统的逻辑实现，而（）是计算机系统的物理实现。
14、经典的关于计算机体系结构的定义是1964年Amdahl在介绍IBM360系统时提出的，其具体描述为“计算机体系结构是程序员所看到的计算机的属性，即（）与（）。
15、人们把不同厂家生产的具有（）的计算机称为兼容机。
（）是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征。
16、一个系列机的体系结构设计得好坏、是否有生命力，就看它是否能在保证（）的前提下，不断地改进其（）。
36、性能设计和评测的三条基本原则和方法是（）、Amdahl定律和（）。
38、开发计算机系统的并行性，是计算机体系结构的重要研究内容之一。
并行性包括有（）和并发性二重含义。
39、提高计算机系统并行性的主要技术途径有时间重叠、（）和（）。
41、单机系统中并行性的发展，在发展高性能单处理机过程中，起着主导作用的是（）这个技术途径，其基础是（）。
二、判断
1.1引论
1、在计算机诞生的头25年中，计算机性能增长相对缓慢。
在这个过程中，体系结构发挥着唯一最为重要的作用。
（F）
2、翻译和解释是语言实现的两种基本技术。
解释执行比翻译花的时间多，但占用存储空间较少。
（T）
3、传统机器级所具有的属性是高级语言程序员所看不见的，即对高级语言程序员是透明的
4、对于传统机器语言程序员来讲，字符串运算指令和指令寄存器都是透明的。
（F）
6、计算机系统由硬件和软件组成，从使用语言的角度上将计算机系统看成是功能划分的关系结构（F）
7、计算机系统由硬件和软件组成，从使用语言的角度上将计算机系统看成是功能划分的层次结构。
T
9、从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，其中，第3级是操作系统虚拟机，第4级是汇编语言虚拟机。
T
11、经典计算机体系结构概念的实质是计算机系统中软、硬件界面的确定，其界面之上由软件的功能实现，界面之下由硬件和固件的功能实现。
T
13、计算机组成指的是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器级内的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。
T
14、软硬件功能分配时，提高软件功能的比例会提高系统灵活性，也会提高解题速度。
（F）
15、计算机的硬件和软件在组成上是等效的。
（T）
18、系列机应用软件应做到向后兼容，力争向上兼容。
（T）
19、目前公认的相对可靠的性能评价方法，是使用真实程序的响应时间来衡量。
（T）
20、系统CPU时间表示用户程序运行期间操作系统花费的CPU时间。
（F）
23、程序的时间局部性是指程序即将用到的信息很可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者临近。
（F）
25、CPI是指程序执行过程中所处理的指令条数。
（F）执行计算机指令所需的平均时钟周期数
27、计算机系统中提高并行性的3种途径中，时间重叠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。
（T）
29、并行处理机是依靠操作一级实现并行处理来提高系统速度的，它是属于MIMD类型计算机。
（F）
三、名词解释
1.2计算机体系结构的概念
1.3计算机体系结构的发展
1.4影响计算机体系结构的成本和价格因素
1.5定量分析技术基础计算机系统的评价标准
计算机体系结构中并行性的发展
存储层次计算机由运算器控制器存储器输入设备输出设备组成的计算机
系列机指由同一厂家生产的具有相同系统结构但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机
软件兼容指一个软件可以不经过修改或者少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上执行只是执行时间上不同
兼容机
计算机组成计算机系统结构的逻辑实现包括物理机器级的数据流和控制流的组成以及逻辑设计
计算机实现计算机系统结构的物理实现
系统加速比改进后的机器速度与改进前的速度的倍数
Amdahl定律加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比
程序的局部性原理指程序执行时所访问的存储器地址分布不是随机的，而是相对簇聚的、
CPI指执行指令所需的平均时钟周期数
并行性指计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或者操作，只要在时间上重叠就存在并行性
第二章
一填空题
2.1指令集结构的分类
1、根据CPU内部存储单元类型对指令集结构进行分类，可以分为累加器型、（）和（）指令集结构。
3、CPU中用来存储操作数的存储单元主要有（）、（）或一组寄存器。
7、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（）和存储器-存储器型指令集结构RR。
13、在寻址技术中，通过统计得出，偏移寻址方式和立即值寻址方式的使用频率十分高。
如果要在一种指令集结构中设置偏移寻址方式，那么首先必须知道（）。
和偏移寻址方式一样，立即值寻址方式需要确定（）
23、当控制指令为无条件改变控制流时，称之为（）。
当控制指令是有条件改变控制流时，称之为（）。
24、可按照如下4种操作来区分控制流程的各种改变情况，即条件分支、（）、（）和过程返回。
二判断题
2.1指令集结构的分类
1、计算机体系结构是一门研究计算机硬件结构的学科。
（F）
2、早期的计算机系统结构是以运算器为中心的。
（T）
3、计算机使用的语言是属软件范畴，与计算机体系结构无关
4、各种指令集结构之间最主要的区别是CPU中操作数的存储方法。
（T）
5、各种指令集结构之间最主要的区别是操作数的寻址方式。
（F）
6、CPU中用来存储操作数的存储单元只有一组寄存器和累加器。
（F）
7、CPU中用来存储操作数的存储单元主有堆栈、一组寄存器和累加器。
（t）
8、指令中的操作数可以显式给出，也可以隐式地给出。
（T）
9、对于累加器型指令集结构，由于累加器是唯一的暂存器，这种机器的存储器通信开销最大。
（T）
10、对于堆栈型指令集结构，是一种表示计算的简单模型；指令短小。
（T）
11、对于通用寄存器型指令集结构，减小了机器的内部状态；指令短小。
（F）
12、对于通用寄存器型指令集结构，所有操作数均需命名，且显式表示，因而指令比较长。
（T）
13、对于堆栈型指令集结构，是代码生成最一般的模型。
（F）
14、通用寄存器型指令集结构在表达式求值方面，比其它类型指令集结构具有更大的灵活性。
（T）
15、对于寄存器－寄存器型这种通用寄存器型指令集结构，其主要优点是指令格式简单，指令字长固定，是一种简单的代码生成模型，各种指令的执行时钟周期数相近。
（T）
16、对于存储器－存储器型这种通用寄存器型指令集结构，其主要优点为：
是一种最紧密的编码方式，无需“浪费”寄存器保存变量。
（T）
17、对于寄存器－存储器型这种通用寄存器型指令集结构，其主要优点为：
是一种最紧密的编码方式，无需“浪费”寄存器保存变量。
（F）
18、对于三种通用寄存器指令集结构而言，完成相同功能的程序，指令条数最多的是寄存器－寄存器型指令集结构。
（T）
19、对于三种通用寄存器指令集结构而言，完成相同功能的程序，指令条数最多的是存储器－存储器型指令集结构。
（F）
20、一般说来，指令格式和指令字长越单一，则编译器的工作就越简单。
（T）
21、如果指令集结构的指令格式和指令字长具有多样性，则可以有效降低程序的目标代码大小。
但这种多样性也可能会增加编译器和CPU实现的难度。
（T）
22、一般说来，指令格式和指令字长越单一，则编译器的工作就越复杂。
F）
2.2寻址技术
23、在指令集结构中采用多种寻址方式可以显著地减少程序的指令条数。
（T）
24、在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。
（T）
25、在指令集结构中采用多种寻址方式可以显著地减少程序的指令条数；同时也可能会降低实现的复杂度和减少这些寻址方式的指令的CPI。
（F）
2.3指令集结构的功能设计
27、指令条数多，通常超过200条，是设计RISC的原则之一。
（F）
28、Intel80X86的指令集结构属于累加器型指令集结构。
（F）
29、Intel80X86机器属于CISC。
（T）
30、RISC指令集结构追求的目标是强化指令功能，减少程序的指令条数，以达到提高性能的目的。
（F）
31、CISC指令集结构追求的目标是强化指令功能，减少程序的指令条数，以达到提高性能的目的。
（T）
32、在CISC指令集结构中，由于各条指令功能的不均衡，不利于采用先进的计算机体系结构技术（如流水技术）来提高系统的性能。
（T）
33、每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成，是RISC指令集结构功能设计时所遵循的原则之一。
（T）
34、每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成，是RISC指令集结构功能设计时所遵循的原则之一。
（F）
2.4操作数的类型、表示和大小
35、操作数表示是硬件可以直接识别和处理的数据类型。
（T）
36、计算机即使只具有最简单的操作数表示，如只有整数（定点）表示法，也可以通过软件方法处理各种复杂的操作数类型。
（T）
37、如果各种复杂的操作数类型均包含在操作数表示之中，会降低系统的效率，但是所花费的硬件代价也会降低。
（F）
2.5指令集格式的设计
38、指令集格式的设计就是要确定操作码字段和地址码字段的大小及组合形式，以及各种寻址方式的编码方法。
（T）
第三章
2、对于浮点加法器而言，可以把浮点加法的全过程分解成（）、对阶、尾数相加和（）4个子过程。
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（），纵坐标代表（）。
4、流水线各个功能段所需时间应（），否则，时间长的功能段将成为（）。
5、流水线需要有（），在此之后流水过程才进入稳定工作状态；流水技术适合于（）过程，只有（），流水线的效率才能充分发挥。
6、按照同一时间内各段之间的连接方式来对流水线进行分类，可分为（）流水线和（）流水线。
7、按照流水的级别来对流水线进行分类，可分为（）、（）和处理机间流水线。
9、按照流水线中是否有反馈回路来对流水线进行分类，可分为（）和（）。
15、基于时钟周期时间和CPI的折中取舍考虑，指令的实现有两种方式：
（）实现和（）实现。
16、基于单周期实现提高程序执行速度需要（），而基于多周期实现提高速度可采用（）技术。
17、（）是指单位时间内流水线所完成的任务数或输出结果的数量。
加速比是指流水线的速度与（）的速度之比。
18、效率是指流水线的设备利用率。
由于流水线有（）和（），所以流水线的各段并不是一直满负荷地工作。
故：
效率总是小于1。
19、流水线的额外开销对其性能也有较大影响。
流水线的额外开销包括（）和（）。
这些额外开销加长了流水线的时钟周期时间。
20、一般说来，流水线中的相关主要分为以下3种类型：
结构相关、（）和（）。
22、当硬件资源满足不了同时重叠执行的指令的要求，而发生资源冲突时，就发生了（）冲突。
当一条指令需要用到前面某条指令的结果，从而不能重叠执行时，就发生了（）冲突。
23、有时流水线设计者允许结构相关存在的两个主要原因，一是为了减少（），二是为了减少（）。
24、数据相关可分为3类：
（）相关、（）相关和写后写相关。
在DLX流水线中，可能发生的数据相关是（）相关。
25、考虑两条指令i和j，假设i先进入流水线，由此可能带来数据相关。
j的执行要用到i的计算结果，在i写入之前，j先去读，j读出的内容是错误的，这种数据相关为（）相关。
j可能在i读取某个源寄存器的内容之前就先对该寄存器进行写操作，导致i后来读到的值是错误的，这种数据相关为（）相关。
27、如果一条分支指令将PC值改变为分支转移的（），那么我们称分支转移“成功”，如果（）PC值保持正常，我们称分支转移“失败”。
28、MIPSR4000整型流水线共有（）段，和DLX流水线不同，R4000特别考虑了流水访问（）的操作。
29、MIPSR4000整型流水线是一种（）流水线，共分为（）段。
二判断题（50个）
1、重叠解释不能加快一条指令的实现，但能加快相邻两条以至一段程序的解释。
（T）
3、在流水线系统结构中，取指令、执行等操作是顺序执行的。
（F）
4、流水处理技术可用于部件级、处理机级。
（T）
5、根据流水线中各功能段之间是否有反馈回路，可把流水线分为单功能流水线和功能流水线。
（F）线性/非线性
6、按照同一时间内各段之间的连接方式对流水线进行分类，可分为线性流水线和非线性流水线。
（F）动态/静态
7、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。
（T）
8、按照同一时间内各段之间的连接方式对流水线进行分类，可分为静态流水线和动态流水线。
（T）
9、按照流水的级别进行分类，流水线可分为部件级、处理机级及处理机间流水线。
所谓部件级流水线，又叫运算操作流水线，它是把处理机的算术逻辑部件分段，使得各种数据类型的操作能够进行流水。
（T）
10、按照流水的级别进行分类，流水线可分为部件级、处理机级及处理机间流水线。
所谓处理机级流水线，又叫运算操作流水线，它是把处理机的算术逻辑部件分段，使得各种数据类型的操作能够进行流水。
（F）
11、对于非线性流水线，需要解决流水线调度问题。
（T）
12、对于静态流水线，需要解决流水线调度问题。
（F）
20、基于单周期实现指令提高程序的执行速度需要重复设置指令执行功能部件。
（T）
21、基于多周期实现指令提高程序的执行速度只能通过重复设置指令执行功能部件来达到。
（F）
22、基于多周期实现指令提高程序的执行速度可以采用流水线技术来达到。
（T）
26、效率是指流水线的设备利用率。
效率总是小于1。
（T）
28、吞吐率是衡量流水线速度的重要指标。
它是指单位时间内流水线所完成的任务数或输出结果的数量。
（T）
29、流水线寄存器的延迟和时钟扭曲等这些流水线的额外开销对于流水线的性能也有较大影响。
（T）
30、当线性流水线各段时间相等时，其最大加速比等于流水线的段数。
（T）
31、由于结构相关会降低流水线的性能，所以对于结构相关应完全消除。
（F）
37、流水线寄存器的延迟和时钟扭曲等这些流水线的额外开销对于流水线的性能没有影响。
（F）
38、考虑两条指令i和j，假设i先进入流水线，由此可能带来数据相关。
j的执行要用到i的计算结果，在i写入之前，j先去读，j读出的内容是错误的，这种数据相关为读后写数据相关。
（F）
39、分支指令执行时，PC值有两种可能的变化情况。
（T）
42、优化处理分支指令，减少流水线处理分支指令时的暂停时钟周期数需同时采用以下两种途径，缺一不可：
一在流水线中尽早判断出分支转移是否成功；二是尽早计算出分支转移成功时的目标地址。
（T）
43、优化处理分支指令，减少流水线处理分支指令时的暂停时钟周期数可采用如下两种途径之一：
一在流水线中尽早判断出分支转移是否成功；二是尽早计算出分支转移成功时的目标地址。
（F）两种途径缺一不可
44、过程调用、过程返回和跳转指令属于无条件分支指令。
（T）
45、MIPSR4000整型流水线采用的是8段流水线结构。
（T）
46、MIPSR4000处理器中，对指令存储器和数据存储器的访问在流水线中都是一个时钟周期完成。
（F）
47、MIPSR4000处理器中，对指令存储器和数据存储器的访问在流水线中需要多个时钟周期完成。
（T）多功能
三名词解释（33个）
流水线的基本概念
流水线中的相关
MIPSR4000流水线计算机
1流水线将多个处理过程在时间上错开，一次通过各功能段这样每个子过程就可以与其他子过程并行进行，这就是流水线技术。
2单功能流水线只能完成一种固定功能的流水线
3多功能流水线流水线的各段可以进行不同的连接以实现不同的功能
4静态流水线在同一时间段内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接工作方式。
5动态流水线在同一时间段内多功能流水线中的各段可以按照不同的功能连接同时执行多个功能
6部件级流水线运算操作流水线。
它是把处理机的算数逻辑运算部件分段，使得各种类型的运算操作能够按照流水线方式进行
7处理机级流水线指令流水线是把指令的解释执行过程按照流水线方式处理
8线性流水线流水线的各段串行连接没有反馈回路
9非线性流水线流水线的各段除了串行连接外还有反馈回路、
16吞吐率是指在单位时间内流水线所完成的任务数量或者输出结果。
19流水线的效率是指流水线中的设备实际使用时间与整个运行时间的比值、
四简述题（21个）
流水线的基本概念
1、流水技术的特点有哪些？
（1）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”；每个子过程由专用的功能段实现；2分
（2）各个功能段所需时间应尽量相等，否则，时间长的功能段将成为流水线的瓶颈，会造成流水线的“堵塞”和“断流”；2分
（3）流水线需要有“通过时间”（第一个任务流出结果所需的时间），在此之后流水过程才进入稳定工作状态，每一个时钟周期（拍）流出一个结果；1分
（4）流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端能连续地提供任务，流水线的效率才能充分发挥。
1
MIPSR4000流水线计算机
1、MIPSR4000整型流水线结构是怎样的？
7、若有一静态多功能流水线分为6段，如图所示，其中乘法流水线由1、2、3、6段组成，加法流水线由1、4、5、6段组成，通过每段所需时间如图所示。
使用流水线时，要等某种功能（如加法）操作都处理完毕后才能转换成另种功能（如乘法）。
若要计算：
A×B=（a1+b1）×（a2+b2）×（a3+b3），问：
（1）在上述流水方式下，完成A×B需要多少时间?
画出时空图并计算此流水线的使用效率和吞吐率。
（2）与顺序运算方式相比，加速比为多少?
8、在如下图所示的静态流水线上计算
，流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应于的流水线寄存器中，试计算其吞吐率，加速比，效率。
第五章
一、填空题
1、存储器的层次结构中，“Cache－主存”层次是为了弥补主存（）的不足，“主存－辅存”层次是为了弥补主存（）的不足。
2、从用户的角度来看，存储器的3个主要指标是（）、（）和价格。
3、存储器越靠近CPU，则CPU对它的访问频度越（），这是通过（）原理来完成的。
4、程序的局部性原理指出，绝大多数程序访问的（）和（）是相对簇聚的。
5、主存容量远大于Cache容量。
当要把一个块从主存调入Cache时，可以放置到哪些位置上，这是（）要解决的；当CPU访问Cache时，如何确定Cache中是否有所要访问的块，这是（）要解决的问题。
6、映象规则有3种，即（）映象，（）映象和全相联映象。
8、CPU访问Cache的查找方法是通过查找目录表来实现的。
目录表所包含的项数与（）相同。
9、CPU访问Cache的查找方法是通过查找目录表来实现的。
目录表所包含的项数与CACHE块数相同，目录表的每一项包括（）和（）两部分。
10、在Cache的实现中，只有（）和（）这两种映象规则才需要替换算法。
11、当发生写失效时，是否调入相应的块到Cache中，有两种不同的选择；写回法Cache一般采用（），而写直达法一般采用（）。
12、在Cache实现的两种写策略中，（）的速度快，“写”操作能以Cache存储器速度进行，访存次数少；采用（）总能保持Cache和主存内容的一致。
13、Cache的替换算法有3种：
（）、（）和最近最少使用法。
14、Cache的替换算法有3种：
随机法、（）和（）。
15、替换算法被用到的情况是：
（）和（），两者同时存在。
16、一般说来，Cache实现的3种替换算法中，实现最为简单的是（），失效率最低的是（）。
17、对于Cache的两种写策略，执行“写”操作时，只写入Cache，仅当Cache中相应的块被替换时，才写回主存，称为（）。
执行“写”操作时，不仅写入Cache，而且也写入下一级存储器，称为（）。
18、对于Cache的两种写策略，采用“污染位”标志的是（），采用写缓冲器减少CPU写等待的是（）。
19、Cache中，写回法的主要优点是（）和（）。
20、Cache中，写直达法的主要优点是（）和（）。
21、容量为8KB的直接映象Cache，块大小为32B，则共有（）块。
22、衡量Cache性能的参数中，（）与硬件速度无关。
23、根据（）公式，可从以下3个方面改进Cache性能：
降低失效率、（）和（）。
24、按照产生失效的原因不同，可以把失效分为以下3类：
（）、（）和（）。
25、当第一次访问一个块时，该块不在Cache中，需从下一级存储器中调入Cache，这就是（）失效，也叫（）失效；如果程序执行时所需的块不能全部调入Cache中，则当某些块被替换后，若又重新被访问，就会发生失效，这种失效称为（）失效。
26、冲突失效是指在（）映象或（）映象Cache中，若太多块映象到同一组（块）中，则会出现该组中某个块被别的块替换（即使别的组或块有空闲位置），然后又被重新访问的情况。
冲突失效也叫（）失效。
27、对于容量一定的Cache，相联度越高，则（）失效就越少。
而（）失效和（）失效不受相联度的影响。
28、（）失效不受Cache容量的影响，但（）失效不受相联度的影响。
29、大小为N的直接映象Cache的失效率约等于大小为（）的两路级相联Cache的失效率，这称为（）规则。
30、降低失效率最简单的方法是增加块大小，但增加块大小会产生双重作用，一方面减少了（）失效，另一方面增加了（）失效。
31、在Cache-主存中，改进Cache性能的某一方面是以损失另一方面性能为代价的。
如增加Cache块大小在降低失效率的同时增加（），而提高相联度在降低失效率的同时则是以增加（）为代价的。
32、在降低失效率的方法中，具有两种命中时间的方法是（）；可以减少冲突失效次数，但又不影响时钟频率的方法是（）。
33、对于采用预取技术来降低失效率的方法，目的是要使（），预取优化的主要对象是（）。
34、无需对硬件做任何改进就可以降低失效率的方法是（）。
35、在减少Cache失效开销的方法中，请求字处理技术在以下两种情况下效果不大：
一是（），另一个是（）。
36、在减少Cache失效开销的方法中，Cache失效时仍允许CPU进行其它的命中访问，这种技术称为（）技术。
37、对于两级Cache来说，离CPU近的Cache相比第二级Cache，容量（），速度（）。
38、Cache设计的本质是在（）和（）这两个方面进行权衡。
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