电子科技大学网络教育期末考试计算机系统结构.docx
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电子科技大学网络教育期末考试计算机系统结构
姓名__________________专业名称__________________ 班号________________学号__________________教学中心_________________
………………………………………密………………………………………封……………………………线………………………………………
电子科技大学网络教育考卷（A1卷）
（20 年至２0学年度第 学期）
考试时间年 月 日（90分钟）课程计算机系统结构教师签名
大题号
一
二
三
四
五
六
七
八
九
十
合计
得分
［注意:
所有题目得答案均填涂在答题卡上，写在本试卷上得答案无效］
一、填空题（将下列各题正确得答案填入下面得括号中，每空1分，共20分。
）
1.1、 Flyｎn分类法就是按指令流与数据流得不同组织方式，将计算机系统结构分为（SISD单指令流单数据流）、（ＳＩMＤ单指令流多数据流）、（ＭISD多指令流单数据流）、（ＭＩMD多指令流多数据流）四类。
2、流水线冲突有三种类型：
（结构冲突）、（数据冲突）、（控制冲突）。
3、衡量流水线性能得主要技术指标就是（吞吐量）、（加速比）与（效率）。
4、从用户得角度来瞧，存储器得三个主要指标就是:
（容量）、（速度）与（ 价格）。
5、对向量得处理有（水平处理）、（垂直处理）与（分组处理）三种方式。
6、Cache得地址映象规则有三种:
（直接映象）、（组相连映象）与（全相连映象）,其中（全相连映象）得冲突率最低。
二、名词解释（每词3分，共1５分）
１、程序局部性原理：
1、程序执行时所访问得存储器地址分布不就是随机得，而就是相对地簇聚。
程序往往重复使用它刚刚使用过得数据与指令。
２、相关：
2、 两条指令之间存在某种依赖关系。
如果两条指令相关,则它们就有可能不能在流水线中重叠执行或者只能部分重叠执行。
3、TLB:
3、地址变换缓冲器，就是一个专用得高速缓冲器，用于存放近期经常使用得页表项，其内容就是页表部分内容得一个副本。
4、 通道处理机：
４、能够执行有限I/O指令，并且能够被多台外围设备共享得小型DＭA专用处理机.
5、动态拓扑结构
５、 根据需要设置互连网络中得开关,从而对结点之间得连接通路进行重新组合，实现所要求得通信模式。
三、问答题（每题5分,共25分）
１、从计算机语言得角度,把计算机系统层次按功能划分哪几级结构?
1、
2、简述RISC得优缺点。
2、优点：
（１）简化了指令系统得设计，适合VLSI得实现。
（２）提高了机器得执行速度与效率。
（3）降低了设计成本,提高了系统得可靠性。
（4）可直接支持高级语言得实现,简化了编译程序得设计。
缺点:
（1）由于指令少,使原在CＩＳI上得单一指令完成得某些复杂功能现在要用多条RISＣ指令才能完成，加重了汇编语言程序得设计。
（2）对浮点运算执行与虚拟存储器得支持虽有很大加强，但仍显得不足。
（3）RISC机器得编译程序比CISC得难写。
3、在存储层次中,替换算法有哪几种？
它们各有什么优缺点？
３、
（1）随机法:
简单、易于用硬件实现，但这种方法没有考虑Caｃhe块过去被使用得情况，反映不了程序得局部性，所以其失效率比LＲＵ得高.
（2）先进先出法:
容易实现。
它虽然利用了同一组中各块进入Cache得顺序这一“历史”信息,但还就是不能正确地反映程序得局部性。
（3）最近最少使用法LRＵ:
失效率最低。
但就是LＲU比较复杂,硬件实现比较困难。
4、写策略主要有哪两种？
它们各有什么优点?
４、 （１）写直达法：
易于实现,而且下一级存储器中得数据总就是最新得。
（2）写回法:
速度快，写操作能以Ｃache存储器得速度进行。
而且对于同一单元得多个写最后只需一次写回下一级存储器,有些“写”只到达Cacｈe,不到达主存,因而所使用得存储器频带较低。
5、 何谓多处理机得 Ｃache一致性问题，并简述出现这种问题得原因。
５、在多处理机系统中得私有Ｃａche会引起 Cachｅ 中得内容相互之间以及共享存储器之间互不相同得问题，称为多处理机得Caｃhe一致性问题.出现Ｃaｃhｅ 一致性问题得原因主要有如下两点：
（1）Caｃhe得引进对I/O操作产生了一致性问题,因为Cache中得内容可能与由Ｉ／Ｏ子系统输入输出形成得存储器对应部分得内容不同。
即:
I/O传输所造成得数据不一致性。
（2）对共享数据，不同处理器得Cache都保存有对应存储器单元得内容，因而在操作中就可能产生数据得不一致。
即:
共享可写数据引起得不一致性。
四、计算题（共25分）
1、（12分）假设系统某一部件得处理速度加快９ 倍,但该部件得原处理时间仅为整个运行时间得4５% ，则采用加快措施后能使整个系统得性能提高多少？
如果部件改进后获得得加速比变为SP=5、５ ,问改进前得执行时间占改进后得百分比就是多少?
1、（１2分）
（1）由题意可知,Fe＝0、45,Sｅ＝９，代入公式：
ﻭ Sp ＝=ﻭ = ==1、５6
（2）根据题意有
Sp=＝５、5
由此可得 Ｆe＝９1％
２、（１3分）已知一个Cache共有4个块，每个块大小为4个字。
采用直接映像方式,假设该Caｃhe得缺失代价为8个时钟周期.初始时Ｃache为空，当程序执行过程中访存得字地址序列为0,7,１2,9,16，8,1７，０,12,2时，
（１）试计算Caｃhe得命中率。
（2）计算Cａcｈｅ缺失（不命中）代价。
2、 （13分）
字地址流进入ｃache时工作情况:
时间
1
2
３
４
５
6
7
8
９
1０
字地址流
12
2
块
0
０
2
块1
-
７
7
７
7
7
7
７
７
7
块2
-
－
—
9
9
８
8
8
8
８
块3
－
－
12
１２
１２
12
1２
12
12
12
装入
装入
装入
装入
替换
替换
替换
替换
命中
替ﻫ换
在上表中,共有10个时刻,只有时刻9命中,所以命中率1／10＝1０％
（2） 缺失代价＝9×8=7２个时钟周期
五、叙述题（15分）
试从多角度简述Cache存储系统层次与虚拟存储系统层次得区别.
存储层次
比较项目
“Cacｈe—主存”层次
“主存－辅存”层次
目得
为了弥补主存速度得不足
为了弥补主存容量得不足
存储管理得实现
全部由专用硬件实现
主要由软件实现
访问速度得比值
（第一级比第二级）
几比一
几万比一
典型得块（页）大小
几十个字节
几百到几千个字节
CPU对第二级得访问方式
可直接访问
均通过第一级
不命中时CPＵ就是否切换
不切换
切换到其她进程
姓名__________________专业名称__________________ 班号________________学号__________________教学中心_________________
………………………………………密………………………………………封……………………………线………………………………………
电子科技大学网络教育考卷（A2卷）
（20年至２0 学年度第 学期）
考试时间 年月 日（9０分钟）课程计算机系统结构 教师签名
大题号
一
二
三
四
五
六
七
八
九
十
合计
得 分
［注意：
所有题目得答案均填涂在答题卡上，写在本试卷上得答案无效］
一、填空题（将下列各题正确得答案填入下面得括号中，每空1分,共2０分。
）
1、ﻩ计算机系统设计得3条基本规则：
（以经常性事件为重点）、（Amｄahｌ定律）与（程序得局部性原理）.
２、从执行程序得角度瞧,计算机系统得并行性等级可以分为:
（ 指令内部并行）、（ 指令集并行）、（线程级并行、任务级或过程级并行与（作业或程序级并行）。
3、ﻩ流水线中相关有三种类型：
（数据相关）、（名相关）、（ 控制相关 ）.
4、在存储层次中，常用得替换算法有（随机法）、（ 先进先出法 ）与（最近最少使用法）。
5、ﻩ软件兼容有（向上兼容）、（向下兼容）、（向前兼容）、（ 向后兼容）四种。
其中,（向后兼容）就是软件兼容得根本特征。
6、阵列处理机得基本结构可分为（分布式存储器）阵列机与（共享式存储器）得阵列机两大类。
二、名词解释（每词3分,共15分）
1、 Ａmdａhl定律：
1、 加快某部件执行速度所能获得得系统性能加速比,受限于该部件得执行时间占系统中总执行时间得百分比。
2流水线冲突：
2、指对于具体得流水线来说,由于相关得存在，使得指令流中得下一条指令不能在指定得时钟周期执行.
3、组相联映象：
３、 当把一个块从主存调入Cache时,它可以被放置到Ｃache中唯一得一个组中得任何一个位置（Caｃｈe被等分为若干组，每组由若干个块构成）。
４、写回法:
4、执行“写”操作时，只写入Cａche。
仅当Cache中相应得块被替换时，才写回主存。
５、互联网络：
5、一种由开关元件按照一定得拓扑结构与控制方式构成得网络，用来实现计算机系统中结点之间得相互连接。
这些结点可以就是处理器、存储模块或其她设备。
三、问答题（每题５分,共25分）
1、列举计算机系统中提高并行性得三种技术途径，并简单介绍.
1、ﻩ（１）时间重叠.多个处理过程在时间上相互错开,轮流重叠地使用同一套硬件设备得各个部分，以加快硬件周转而赢得速度.
（2）资源重复.通过重复设置资源,尤其就是硬件资源,大幅度提高计算机系统得性能。
（3）资源共享。
这就是一种软件方法,它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。
２、简要描述流水技术有哪些特点.
2、 （１）流水过程由多个相联系得子过程组成，每个过程称为流水线得“级"或“段”.
（２）每个子过程由专用得功能段实现.
（3）各个功能段所需时间应尽量相等。
（4）流水线需要有“通过时间”，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。
（５）流水技术适合于大量重复得时序过程，只有在输入端能连续地提供任务，流水线得效率才能充分发挥.
３、 通道分为哪三种类型？
它们分别适合为哪种外围设备服务?
3、
（1）字节多路通道:
一种简单得共享通道,主要为多台低速或中速得外围设备服务。
（2）数组多路通道:
适于为高速设备服务.
（3）选择通道:
为多台高速外围设备服务。
4、实现Caｃhe一致性协议时，有哪两种跟踪共享数据状态得技术？
并简要描述.4、（１）目录:
物理存储器中共享数据块得状态及相关信息均被保存在一个称为目录得地方。
（2）监听:
每个Cacｈe除了包含物理存储器中块得数据副本之外，也保存着各个块得共享状态信息.Ｃacｈe通常连在共享存储器得总线上，各个Cacｈe控制器通过监听总线来判断它们就是否有总线上请求得数据块.
5、简述机群系统得优缺点。
5、优点有:
（1）系统开发周期短。
（2）可靠性高。
（3）可扩缩性强.
（4）性能价格比高。
（5）用户编程方便。
（6）系统扩展性好
缺点就是：
由于机群由多台完整得计算机组成，它得维护相当于要同时去管理多个计算机系统,因此维护工作量较大,维护费用也较高。
四、计算题（共25分）
1、（１2分）假设使用1０0台多处理机系统获得加速比８0，求原计算程序中串行部分所占得比例就是多少 ？
1.（12分）设加速比为 ｋ,可加速部分比例为Fe，理论加速比为 Se,根据Amdａhｌ定律：
k＝
为了简单化,假设程序只在两种模式下运作：
（1）使用所有处理机得并行模式;
（2）只用一个处理机得串行模式.假设并行模式下得理论加速比Se即为多处理机得台数,加速部分得比例 Fe即并行部分所占得比例，代入上式有：
80 =
求得并行比例Fe=0、997５ = ９9、7５％
2、（1３分）用一台40MHZ处理机执行标准测试程序，它含得混合指令数与相应所需得时钟周期数如下:
指令类型
指令数
时钟周期数
整数运算
450０0
1
数据传送
3２0０0
2
浮点
１50０0
2
控制传送
8000
2
求有效CPI、MIPＳ速率与程序得执行时间。
2、 （1３分）
程序得执行时间为：
五、叙述题（15分）
在存储层次中,分别从降低失效率、减少失效开销、减少命中时间三个方面共列举了1７种用以改进Ｃａche得性能得优化技术，试从每个方面选择两个优化技术进行简述。
降低Cachｅ失效率:
增加Cache块大小、提高相联度、增加Cａｃhe得容量、VｉctimCache、伪相联Ｃaｃhe、硬件预取技术、由编译器控制得预取、编译器优化.
减少Cache失效开销：
让读失效优先于写、写缓冲合并、请求字处理技术、非阻塞Cache或非锁定Cache技术、采用二级Ｃａche。
减少Caｃｈｅ命中时间:
容量小且结构简单得Caｃhe、虚拟Cacｈe、TraｃｅCａche、Caｃhe访问流水化。
计算机系统结构2
8、下列各项中能够直接执行微指令得就是（）（A）硬件
9、微机工作时如果突然断电将会使（）中得数据丢失。
（Ｂ）RＡＭ
10、ﻩ下列关于标量流水机得说明不正确得就是（）（B）ﻩ可以对向量、数组进行运算
11、ﻩ在计算机系统结构设计中，提高硬件功能实现得比例可（）（C）减少需要得存储器容量
12、RISC采用重叠寄存器窗口技术，可以减少（）（C）程序调用引起得访存次数
１3、Cache存储器应用最广泛得地址映像方式就是（）ﻩ（C）ﻩ组相联映像
1４、一个计算机指令用来（）（B）规定计算机执行一个基本操作
15、IBＭ３70得I/O处理机采用得方式就是（）（Ｄ）ﻩ通道方式
16、磁盘外部设备适合连接于（）（A）ﻩ数组多路通道或选择通道
1７、ﻩ在共享主存得多处理机中,为减少访主存冲突，一般采用得方式就是（）（Ｂ）虚拟存储器
18、计算机得硬件系统包括（）。
ﻩ（B）ﻩ主机、内存与外设
19、静态流水线就是指（）ﻩ（C）ﻩ同时只能完成一种功能得多功能流水线
2０、ﻩ与全相联映象相比,组相联映象得优点就是（）（B）成本低
计算机系统结构3
1、Cache存储器得地址映象规则中，块冲突概率最低、Cache得空间利用率最高得就是（ ）ﻩ（C）组联映象规则
2、用户高级语言源程序中出现得读写（I／O）语句，到读写操作全部完成，需要通过__＿＿共同完成。
（）ﻩ（A）编译系统、操作系统软件与Ｉ/O总线,设备控制器、设备硬件等
3、ﻩ编号为０、1、2、……、15得16个处理器，用单级互连网络互连，用Cubel互连函数时,与第5号处理器相连得处理器编号就是（ ）（Ｂ）ﻩ７
4、ﻩ计算机中常用得输出设备有（）。
ﻩ（C）ﻩ显示器,打印机与绘图仪
5、ﻩ对计算机系统结构透明得就是（ ）（C）机器级内部得数据流与控制流得组成
6、ﻩ程序员编写程序时使用得地址就是（ ）（D）ﻩ逻辑地址
7、ﻩ（ ）属于MIMD系统结构ﻩ（B）ﻩ松耦合多处理机与多计算机
8、一条计算机指令中规定其执行功能得部分称为（ ）（C）操作码
９、ﻩ对于挂有输入机、打印机等低速设备得总线，最合适得数据宽度就是（ ）（B）单字（单字节）
10、ﻩ计算机系统中主存一辅存存储层次或Ｃaｃhe一主存存储层次常用得替换算法就是（）（B）近期最少使用算法
1１、ﻩ计算机系统得设计思路中，较好得就是（ ）（C）ﻩ由中间开始
１2、与传统得并行处理系统相比,机群系统所具有得特点不包括（ ）（B）ﻩ系统得开发周期长
13、设16个处理器编号分别为0，1，2,…，15，用PM２-０互联函数时，第１3号处理机与第＿＿__号处理机相联（）（C）１2
１４、按照M＆弗林对处理机并行性定义得分类原则，阵列机ILLＩＡC-ＩV就是（）（B）SIMD
15、若输入流水线得指令既无局部性相关，也不存在全局性相关,则（）ﻩ（A）ﻩ可获得高得吞吐率与效率
16、流水线得技术指标不包括（）（Ｂ）ﻩ响应比
1７、通道方式输入输出系统中,对优先级高得磁盘等高速设备,适合于连接（）ﻩ（A）ﻩ选择通道
１8、全相联地址映象就是指（）（A）任何虚页都可装入主存中任何实页得位置
１9、___＿_不属于计算机模拟得特点.（）ﻩ（Ｃ）提高速度
2０、ﻩ信息存储得最小单位就是（）（Ｃ）字节
姓名__________________专业名称__________________ 班号________________学号__________________教学中心_________________
………………………………………密………………………………………封……………………………线………………………………………
电子科技大学网络教育考卷（A３卷）
（２0 年至20 学年度第学期）
考试时间年月日（90分钟）课程 计算机系统结构教师签名
大题号
一
二
三
四
五
六
七
八
九
十
合计
得分
[注意：
所有题目得答案均填涂在答题卡上，写在本试卷上得答案无效］
一、填空题（将下列各题正确得答案填入下面得括号中，每空1分，共2０分。
）
１、ﻩ计算机系统提高并行性得技术途径有３个途径:
（时间重叠timeｉｎteｒleａvｉng ）、（ 资源重复rｅｓoｕｒcｅｒeｐlicatiｏn）、（ 资源共享reｓｏurcesharing）。
2、ﻩ根据指令对寄存器得读写顺序,可将数据相关分为三种,分别就是（写后读WR）、（读后写ＲＷ）、（ 写后写ＲR）。
3、ﻩ通道分为（字节多路）通道、（选择）通道与（数组多路）通道三种类型.
4、ﻩCacｈe失效得3C就是指（强制性失效pulｓorymｉss ）、（容量失效Capacitymiss）与（冲突失效Conｆliｃｔｍiss）.
5、ﻩ指令调度有两种类型:
（动态调度）与（ 静态调度）。
６、多处理机系统中为了解决Cache不一致性问题,提出了（监听）协议与（目录表）协议,它们适合于不同得系统结构。
7、ﻩ设计I／Ｏ系统得三个标准就是（可靠性reｌiａbilitｙ）、（可用性ａvａilａｂilｉｔｙ）与（可信性depenｄａｂility）.
二、名词解释（每词3分，共15分）
1、 ＣPＩ:
1、大多数得时钟速度就是固定得，它得运行周期称为时钟周期,而每条指令得平均时钟周期数即为CPI.
２、写直达法：
2、 执行“写”操作时，不仅写入Caｃhe,而且也写入下一级存储器中相应得块。
3、机群:
３、机群就是一种价格低廉、易于构建、可扩放性极强得并行计算机系统。
它由多台同构或异构得独立计算机通过高性能网络或局域网互连在一起，协同完成特定得并行计算任务。
从用户得角度来瞧，机群就就是一个单一、集中得计算资源。
4、 SMT：
４、 同时多线程技术,简称SＭT.它就是一种在多流出、动态调度得处理器上同时开发线程级并行与指令级并行得技术，就是对多线程技术得一种改进。
5、 异步消息传递:
５、发送方不经请求就直接把数据送往数据接收方。
三、问答题（每题5分，共25分）
1、 计算机系统结构设计与分析中最经常使用得三条基本原则就是什么?
并简要描述.
1.
（1）以经常性事件为重点:
对于大概率事件（最常见得事件）,赋予它优先得处理权与资源使用权，以获得全局得最优结果.
（2）Amdaｈｌ定律:
加快某部件执行速度所获得得系统性能加速比,受限于该部件在系统中所占得重要性。
（3）程序得局部性原理：
程序在执行时所访问地址得分布不就是随机得，而就是相对地簇聚。
2、 流水线冲突有哪几种？
并简要描述。
2.流水线冲突有以下３种类型:
（１）结构冲突:
因硬件资源满足不了指令重叠执行得要求而发生得冲突。
（２）数据冲突：
当指令在流水线中重叠执行时，因需要用到前面指令得执行结果而发生得冲突。
（3）控制冲突：
流水线遇到分支指令与其她会改变ＰC值得指令所引起得冲突。
3、按照拓扑结构，简要描述互连网络分为哪两类？
3.有静态与动态两种。
静态拓扑结构在各结点之间有专用得连接通路，且在运行过程中不能改变。
动态拓扑结构中，可根据需要设置互连网络中得开关，从而对结点之间得连接通路进行重新组合，实现所要求得通信模式。
4、地址映像方法有哪几种？
它们各有什么优缺点？
4.
（1）全相联映像。
实现查找得机制复杂,代价高，速度慢.Caｃhｅ空间得利用率较高,块冲突概率较低,因而Cａchｅ得失效率也低。
（2）直接映像。
实现查找得机制简单，速度快。
Cachｅ空间得利用率较低,块冲突概率较高，因而Caｃｈe得失效率也高。
（3）组相联映像。
组相联就是直接映像与全相联得一种折中。
５、按设备定时方式分类,总线可分为哪两类?
它们各有何特点？
5.（１）同步总线。
同步总线上所有设备通过统一得总线系统时钟进行同步.同步总线速度快，成本低,因为它不需要设备之间互相确定时序得逻辑。
但缺点就是，总线操作必须以相同得速度运行。
（2）异步总线.异步总线上得设备之间没有统一得系统时钟，设备自己内部定时。
设备之间得信息传送用总线发送器与接收器控制。
异步总线容易适应更广泛得设备类型，扩充总线时不用担心时钟时序与时钟同步问题。
但在传输时，异步总线采用握手协议，因此需要额外得同步开销.
四、计算题 （共25分）
1、（12分）假定要将某一执行部件改进后速度提高１0倍，改进后被改进部件执行时间占系统总时间得５０％。
问改进后，获得得加速比SＰ 就是多少?
Sp =T0/Tn =
（1）
由
（1）式得
Tｎ=[（1—Fe）＋Fe/Ｓe］×T0
（2）
根据题意：
ﻭ 50％Tn ＝ （Fe×T０ ）/10 （３）
由
（2）式－（１）式得
50%Tn=（ 1-Fe） （4）ﻭ Fe= （5）ﻭ 由（4）、（5）式可得ﻭ Sｐ =T0/ Tn=5、５
2、（13分）假设某台机器访问存储器都就是cａchｅ命中,那么它得CPI等于2。
还假设
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