《计算机系统结构》及参考答案.docx

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《计算机系统结构》及参考答案

《计算机系统结构》练习题一

一、单项选择题

1．页式虚拟存储器的地址变换对于D是透明的.

A.操作系统设计者B.任何程序员C.系统结构设计者D.应用程序员

2．以下各类中断中，属于自愿中断的是C.

A.外部中断B.I/O中断C.执行“访管”指令D.机器校验中断

3.高速外部设备磁盘机适合连接于C.

A.选择通道或字节多路通道B.数组多路通道或字节多路通道C.数组多路通道或选择通道D.任意一种通道

4.页式虚拟存储器页表的作用是A.

A.反映虚页在主存的存储情况B.仅反映虚页是否调入主存C.反映主存实页与Cache的对应关系D.反映虚页在辅存的存储情况

5．软件和硬件的功能在逻辑上是C的.

A.固件优于软件B.不等价C.等价D.软件优于固件

6.计算机中最优化的操作码编码方法是D.

A.BCD码B.ASCII码C.扩展操作码D.哈夫曼编码

7.从计算机系统执行程序的角度看，并行性等级由低到高分为四级A.

A．指令内部——指令之间——进程之间——程序之间B．指令之间——指令内部——进程之间——程序之间

C．进程之间——指令之间——指令内部——程序之间D．程序之间——进程之间——指令之间——指令内部

8.计算机系统多级层次结构中，操作系统机器级的直接上层是D.

A．传统机器级B．高级语言机器C．应用语言机器级D．汇编语言机器级

9.全相联地址映像是指A.

  A.任何虚页都可装入主存中任何实页的位置B.一个虚页只装进固定的主存实页位置

  C.组之间是固定的，而组内任何虚页可以装入任何实页位置D.组间可任意装入，组内是固定装入

10．对于同一系列机，必须保证软件能够C.

A．向前兼容，并向上兼容B．向前兼容，并向下兼容C．向后兼容，力争向上兼容D．向后兼容，力争向下兼容

11．设有16个处理单元的并行处理机系统,采用共享主存的方式.若同时存取16个数据,为避免存储器访问冲突,共享主存的多体数量应该为C才合理.

A.15B.16C.17D.19

12.软件兼容的根本特征是C.

A.向前兼容B.向后兼容C.向上兼容D.向下兼容

13.在下列机器中，能够实现软件兼容的机器是B.

A.完全不同种类的机型B.系统结构相同的机器C.宿主机和目标机D.虚拟机

14．输入输出系统硬件的功能对C是透明的。

A. 操作系统程序员         B. 所有类别的程序员C. 应用程序员              D. 系统结构设计师

15.在下列各项选择中，对于机器（汇编）语言程序员透明的是D.

A.通用寄存器B.条件码C.中断字D.主存储器地址寄存器

一、单项选择题

1．在流水机器中，全局性相关是指B.

A.指令相关B.由条件转移指令引起的相关C“先读后写”相关D.“先写后读”相关

2．以下不属于多处理机操作系统类型的是A.

A．Windows操作系统B．主从型操作系C．浮动型操作系统D．各自独立型操作系统

3.下列不是数据流计算特点的是D.

A.设置状态B.没有指令计数器C.没有变量的概念D.操作结果不产生副作用

4．若输入流水线的指令既无局部性相关，也不存在全局性相关，则B.

A.可获得高的吞吐率和效率B.出现瓶颈C.流水线的效率和吞吐率恶化D.可靠性提高

5.消除“一次重叠”中的“指令相关”最好方法是B.

A.不准修改指令B.设置相关专用通路C.推后分析下条指令D.推后执行下条指令

6．流水线的技术指标不包括A.

 A.数据宽度           B.吞吐率         C.加速比              D.效率

7.按照弗林对处理机并行性定义的分类原则，阵列机ILLIACIV属于B.

 A.SISD            B.SIMD           C.MISD            D.MIMD

8．设8个处理器编号分别为0，1，2，…，7用Cube0互联函数时，第7号处理机可以与第D号处理机相联.

A. 0            B. 2              C. 4             D. 6

9．多端口存储器适合于连接B.

A．松耦合多处理机B．紧耦合多处理机C．机数很多的多处理机D．机数可变的多处理机

10.以下不属于堆栈型替换算法的是A.

A．先进先出法B．近期最久未用过法

C．近期最少使用法D．页面失效频率法

11．解决主存空间数相关的办法是C.

A.基址值一次相关直接通路法B.基址值二次相关直接通路法C.通用寄存器组相关专用通路相关法D.推后读法

12.一般来说,以下替换算法中,效果最优的替换算法是C.

A.LRU替换算法B.FIFO替换算法C.OPT替换算法D.RAND替换算法

13.低速外部设备适合连接于B.

A.选择通道B.字节多路通道C.数组多路通道D.任意一种通道

14.通道流量是在某个时期里单位时间内传送的字节数,这个时期是C.

A.通道开始选择设备期B.通道数据传送结束期B.通道数据传送期D.CPU执行访管指令进入管态,运行I/O管理程序的期间

15.ILLIAC

属于B.

A.多处理机B.阵列处理机C.流水线处理机D.指令重叠处理机

16．推后读解决数据相关的最适于C.

A.基址值一次相关B.基址值二次相关C.通用寄存器组相关D.主存空间数相关

17.一般来说,以下替换算法中,效果最差的替换算法是D.

A.LRU替换算法B.FIFO替换算法C.OPT替换算法D.RAND替换算法

18.实现紧耦合多处理机机间通信的是C.

A.共享总线B.消息传送系统C.共享主存D.共享I/O通道

19．解决数据相关的推后读方法最适合于C.

A.基址值一次相关B.基址值二次相关C.通用寄存器组相关D.主存空间数相关

20.以下页式管理替换算法中,不属于堆栈型替换算法的是D.

A.近期最少使用法B.近期最久未用法C.随机替换算法D.优化替换算法

21.一般来说,在以下替换算法中,最好的替换算法的是C.

A.LRU替换算法B.FIFO替换算法C.OPT替换算法D.RAND替换算法

二、填空题

1．并行性指并发性和两重含义.

2．通道程序是由管理程序根据生成的.

3.通道程序由_______________指令构成.

4.机器硬件能够直接识别和引用的数据类型叫做.

5.程序局部性指程序在空间上的局部性和在上的局部性.

6.自定义数据表示包括带标志符数据表示和______数据表示两类.

7．流水线按处理级别可分为__________级、指令级和处理机级三种.

8．数据宽度是I/O设备取得_________后所传数据的总量.

9.主存空间数据相关是指______之间出现对主存同一单元要求______的关联.

10.阵列处理机主要通过______重复实现空间上的并行.

11.开发计算机系统的并行性，一般采用资源重复、__________和资源共享这三种方法.

12.自定义数据的表示形式有两种，它们是__________和数据描述符.

13．就其本质而言，并行性包含着________和________的二重含义。

.

14.程序局部性包括上的局部性和在上的局部性.

15.程序局部性是指程序在上的局部性和在上的局部性.

16.计算机仿真用微程序解释，计算机模拟用_________解释.

17.流水线按处理级别可分为操作部件级、指令级和级三种.

18.局部相关是由于机器要同时解释的多条指令之间出现了对同一或寄存器要求“先写后读”.

19.计算机仿真用解释，计算机模拟用_________解释.

20.程序局部性是指程序在空间上的局部性和在上的局部性.

21.在存储体系中，Cache存储器对应用程序员是___________的，对系统程序员是___________的（本题要选择“透明”或“不透明”）

22.实现程序移植的主要途径有统一高级语言、、模拟与仿真.

23.开发计算机系统的并行性，一般采用资源重复、时间重叠和这三种方法.

1．同时性2．广义指令中提供的参数3．广义4．数据表示5．时间6．数据描述符7．部件8．I/O总线9．相邻两条指令先写后读10．PE11．时间重叠12．标识符数据表示13．并发性同时性14．空间时间15．空间时间16．机器语言程序17．系统18．主存单元19．微程序机器语言程序20．时间21．透明不透明22．采用系列机23资源共享

二、填空题

1.RISC的汉语含义是.

2.Cache的作用是为了提高CPU执行程序的.

3.在ILLIACⅣ中,任意2个处理单元的最短通信路径不会超过.

4.中断级屏蔽位的作用是.

5.在指令执行时才进行虚拟地址到主存物理地址变化的技术叫做.

6．管理程序可以根据“访管指令”生成程序.

7.通道指令可以构成_______________程序.

8.Cache的作用是为了缩小CPU与的速度差异.

9.在ILLIACⅣ中,共包含个处理单元.

10.中断优先权可以通过的方法改变.

11.程序装入带内存就进行虚拟地址到主存物理地址变化的技术叫做.

12．松密耦合多处理机是通过来实现处理机之间通信的.

13.数据表示是指能够直接识别和引用的数据类型.

14.并行处理机是靠资源提高运算速度的.

15.在流水机器中，全局性相关是指由所引起的相关.

16.对于采取堆栈型替换算法的页式管理虚拟存储器,就某一道程序而言,其命中率是随着程序所获得的页面数的增加而.

17．阵列处理机是通过来实现处理机之间通信的.

18．具有同一系统结构的计算机叫做.

19．指令的解释可以分为顺序解释、、流水解释三种.

20．主存空间数相关是指______之间出现对主存同一单元要求______的关联.

21.I/O设备取得系统总线后，所传送的数据总量，称为________.

22.机器硬件能够直接识别和引用的叫做数据表示.

23.数据流机是基于______的计算机模型.

1．精简指令系统计算机2．和内存速度差异3．

-14．改变中断处理次序5．动态重定6．通道7．通道8．内存9．6410．设置中断端屏蔽位11．静态重定位12．共享主存或高速通信网络通信13．由机器硬件直接14．重复15．转移指令和后续指令16．提高17．处理单18．系列机19．重叠解释20．相邻两条指令先读后写21．数据宽度22．数据类型23．数据驱动

三、简答题

1.对于多处理机系统，运用什么运算规律可以降低减少运算的级数（降低树高），这样做的目的是什么？

2.指令格式优化的主要目标是什么?

3.指令格式优化主要包括哪两个方面?

4.简要说明数据描述符的作用.

5.为解决不同系统结构的机器之间的软件移植，通常采用哪两种途径?

并简述其过程.

6.何谓数据驱动,该类计算机叫什么机器,它们与传统机器相比有什么好处?

7.解决计算机软件移植的途径有哪几种途径?

1．答：

利用交换律，结合律和分配律可以降低树高，这样做的好处是提高运行速度，降低多处理机运算的级数。

2．答：

尽量可以用最短的位数来表示指令的操作信息和地址信息，使程序中指令的平均字长最短。

3．答：

指令操作码的优化和指令字格式的优化

4．答：

数据描述符和数据是分开存放的，可描述所要访问的数据的相关信息，可以减少存储空间。

5．答：

模拟和仿真：

在一种机器的系统结构上实现另一种机器的系统结构，用机器语言程序解释实现软件移植的方法是模拟，用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法叫做仿真。

统一高级语言：

设计出一种完全通用的高级语言，为所有程序员所用。

6．答：

只要一条或一组指令所要求的操作数全部准备就绪，就可立即激发相应的指令或指令组执行，这类机器叫做非诺依曼型计算机，和传统机器的好处是只要数据不相关和资源可利用，就可以并行，因而最有利于计算并行性的开发。

7．答：

采用系列机、模拟和仿真、统一高级语言

三、简答题

1.在静态再定位方式下,主存物理地址是什么时候形成的,这样做有什么不足?

2.简述模拟和仿真的作用和区别.

3.数据流机与传统计算机的最主要区别在哪里，该类机器的并行性如何体现?

4.按照弗林（Flynn）分类，阵列处理机属于哪一种，为什么？

5.软件兼容有哪几种，哪一种兼容是必需的，为什么？

6.在动态再定位方式下,主存物理地址是什么时候形成的,这样做有什么好处?

7.自愿中断是什么引起的?

举例说明自愿中断的情况.

8.根据你所掌握的知识，哪一种替换算法命中率最高，为什么？

9.全局性相关是如何产生的，给出至少三种处理全局性相关的方法.

10.自愿中断是什么引起的?

举例说明自愿中断的情况.

11.说明中断级屏蔽字的作用，按照计算机系统结构的观点，它的实质是什么？

12.按照弗林分类方法，ILLIACⅣ属于哪类计算机，它靠什么获得高速度？

13.软件兼容通常有哪几种,其中哪一种最为重要?

1．答：

主存物理地址是在在目的程序装入主存时，有装入程序用软件方法把目的程序的逻辑地址变换成物理地址，程序执行时物理地址不再改变，这样做的不足是作业一旦被装入内存，就不允许再移动。

在多道程序设计环境下，也不可能事先决定把一个程序固定在内存的指定地方。

2．答：

模拟的作用是使虚拟机的应用软件可以在宿主机上运行，仿真的作用是用微程序直接解释另一种机器指令系统。

仿真是用微程序解释，其解释程序存在于控制存储器，模拟使用机器语言程序解释，其解释程序存在于主存中。

3．答：

区别在于数据流机采用的是数据驱动的数据流方式，传统的计算机则采用控制驱动的控制方式，体现在只要数据不相关和资源可利用，就可以并行，因而最有利于计算并行性的开发。

4．答：

阵列处理机属于多单指令流多数据流。

阵列处理机是用简单规整的互联网络来确定处理单元的链接，采用互联网络将各个处理单元高速灵活联系在一起。

尽可能多的pe可以无冲突的访问主存模块。

5．答：

从速度和性能上有向上兼容和向下兼容，向上（下）兼容是只按某档机器编制的软件，不加修改就可运行于比他高（低）档的机器上。

同归系列内的软件一般应做到向上兼容。

同时也会有向前兼容和向后兼容，让现在编制的程序以后都能用，向后兼容是必须的，即按某个时期投入市场的该型号的机器上编制的软件，不加修改就可以应用于他之后投入市场的机器上。

6．答：

在执行每条指令时才形成主存物理地址，这样做的好处是灵活，允许将程序分配在内存的任何地方，且允许程序在内存中移动。

7．答：

当目态程序执行到要求输入/输出的访管指令后，就会产生自愿中断。

8．答：

优化替换算法命中率最高，因为可根据未来实际使用情况将未来的近期不用的页面替换出去，预估未来的页面是用状况。

9．答：

全局相关已进入流水线的转移指令和其后续指令之间的相关，使之不能同时解释。

猜测法、加快和提前形成条件码、采用延迟转移、加快短循环程序的处理

10．答：

当目态程序执行到要求输入/输出的访管指令后，就会产生自愿中断。

11．答：

程序状态字中包含有中断级屏蔽位字段，只要操作系统对每一类中断处理程序的现行程序状态字中的中断级屏蔽位字段，就可以实现所希望的中断处理次序。

操作系统可以用软的方法改变中断处理程序中的中断屏蔽位，即中断处理采用软的方法提高灵活性。

12．答：

是SIMD类型的计算机，采用闭合螺线阵列，任何两个处理单元之间的短距离不超过

-1

13．答：

从速度和性能上有向上兼容和向下兼容，向上（下）兼容是只按某档机器编制的软件，不加修改就可运行于比他高（低）档的机器上。

同归系列内的软件一般应做到向上兼容。

同时也会有向前兼容和向后兼容，让现在编制的程序以后都能用，向后兼容是必须的，即按某个时期投入市场的该型号的机器上编制的软件，不加修改就可以应用于他之后投入市场的机器上。

四、方法题

1.设16个处理单元编号分别为0,1,2,…,15,采用单级互连网络互连.当互连函数分别为

（1）Cube2

（2）Shuffle

（3）PM2+1

时,第10号处理单元分别与哪一个处理单元相连？

要求分别写出函数的计算过程和结果.

因为N=16，所以n=log216=4；

Cube0（10）=Cube0（1010）=1011=11号

Shuffle（Shuffle（1010））=Shuffle（0101）=1010=10号

PM2+2（10）=（10+2*2）mod16=14号

所以第十号处理单元分别与11号，10号，14号处理单元相连。

2.设16个处理单元编号分别为0,1,2,…,15,采用单级互连网络互连.当互连函数分别为

（1）Cube2

（2）Shuffle

（3）PM2-2

时,第8号处理单元分别与哪一个处理单元相连？

要求分别写出函数的计算过程和结果.

Cube2（8）=Cube2（1000）=1100=12号

Shuffle（8）=Shuffle（1000）=0001=1号

PM2-2（8）=（8-2*2）mod16=4号

所以8号处理单元和12号，1号，4号处理单元相连。

四、方法题

1.已知某机器包含12条指令，使用频度分别为：

0.15,0.13,0.12,0.16,0.05,0.06,0.06,0.05,0.03,0.07,0.4,0.8.给出只有两种码长的扩展操作码形式，并分别求出用等长码和你所设计的编码的操作码平均长度。

2.设16个处理单元编号分别为0,1,2,…,15,采用单级互连网络互连.当互连函数分别为

（4）Cube2

（5）Shuffle

（6）PM2+1

时,第13号处理单元分别与哪一个处理单元相连？

要求分别写出函数的计算过程和结果.

3.设16个处理单元编号分别为0,1,2,…,15,采用单级互连网络互连.当互连函数分别为

（7）Cube0

（8）Shuffle（Shuffle）

（9）PM2+2

时,第10号处理单元分别与哪一个处理单元相连？

要求分别写出函数的计算过程和结果.

1．注意：

该题有点问题，0.8和0.4应该换成0.08和0.04.

只有两种码长的扩展操作码形成，根据频度可分成两组：

即

0.160.150.130.12和0.080.070.060.060.050.050.040.03

编码如下0.16000

0.15001

0.13010

0.12011

0.081000

0.071001

0.061010

0.061011

0.051100

0.051101

0.041110

0.031111

所以pi*li=3*（0.16+0.15+0.13+0.12）+4*（0.08+0.07+0.06+0.06+0.05+0.05+0.04+0.03）

=3*0.56+4*0.44

=3.44

等长码的平均长度是「log2N]=「log212]=4位

2．

因为N=16，所以n=log216=4；

Cube2（13）=Cube（1101）=1001=9号

Shuffle（13）=shuffle（1101）=1011=11号

PM2+1（13）=（13+2*1）mod16=15号

所以第13号处理单元分别与9号，11号，15号处理单元相连。

3．

因为N=16，所以n=log216=4；

Cube0（10）=Cube（1011）=1011=11号

Shuffle（shuffle（10））=shuffle（0101）=1010=10号

PM2+2（10）=（10+2*2）mod16=14号

所以第13号处理单元分别与11号，10号，14号处理单元相连

五、综合题

1.某一线性流水线有4个子部件构成加法器,每个部件延时均为△t.现有向量A=（a0,a1,…,a6）,B=（b0,b1,…,b6）,欲求出其向量的加法,即ci=ai+bi,i=0,1,……6.

（1）试画出此流水线完成上述计算的时–空图,并标明流水线输入和输出数据的变化情况;

（2）求出流水线的实际吞吐率和效率.

吞吐率=7/（10△t）效率=7/10

2.某一线性静态多功能流水线有5个子部件,即每个部件延时均为△t，其中1、2、3、5组成加法器，1、4、5组成乘法器；流水线输出可直接返回输入或存于锁存器中.现有向量A=（a0,a1,…,a4）,B=（b0,b1,…,b4）,欲求出其向量C=∑ai*bi,i=0,1,……4.

（1）试画出此流水线完成该计算的时–空图,并标明流水线输入和输出数据的变化情况;

（2）求出流水线的实际吞吐率和效率.

由于1，2，3，5组成加法器；1，4，5组成乘法器。

六、综合题

1.有一个主存–辅存存储层次.主存共有4个页面,辅存共有8个页面,每页由1024个字构成.采用全相联映像方式,替换算法为近期最少使用法（LRU）.

（1）画出主存实地址、辅存虚地址的对应关系，并标明具体位数；

（2）指出页表的行数和每行的最少需要多少位，并说明原因；

（3）对于如下虚页地址流：

1，2，1，3，7，3，5，4，6，3，5，3，试画出随时间变化的主存中各实页的使用情况（假定开始时主存各页为空）

（4）求出命中率.

2.CRAY-1向量流水处理机的流水部件延时分别为：

相加或访存6拍，相乘7拍，存入寄存器、启动访存或启动流水线功能部件各需要1拍.现有下列3条指令组成的指令串，每个向量长度均为64.除V2外,其它源向量均已存放在相应寄存器组中.

①V2←存储器

②V1←V2+V0

③V4←V1*V3

（1）判断这3条指令间的并行、链接或串行关系，并说明理由.

（2）计算完成全部指令所需要的时间（拍数）.

3.CRAY-1向量流水处理机的流水部件延时分别为：

相加或访存6拍，相乘7拍，存入寄存器、启动访存或启动流水线功能部件各需要1拍.现有下列3条指令组成的指令串，每个向量长度均为64.除V2外,其它源向量均已存放在相应寄存器组中.

①V2←存储器

②V1←V0+V3

③V4←V1*V2

（1）判断这3条指令间的并行、链接或串行关系，并说明理由.

（3）计算