计算机体系结构期末复习题及问题详解.docx

1、计算机体系结构期末复习题及问题详解第一题 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？DA. 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：BA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

2、替换算法实际上是不能够实现的？DA）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？CA. 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“

3、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t、2t和3t，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）A6 nt B2 nt C3 nt Dnt6、下列计算机不属于RISC计算机的是（ C ）。ASUN：Ultra SPARCBIBM：Power PC620CIBM：PC/XTDDEC：ALPHA211647、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

4、？（ 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 )。ACacheB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

5、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3RISC的含义是（C ）。A、 Reduced Instruction System ComputerB、 Reproduced Instruction Set ComputerC、 Reduced Instruction Set ComputerD、Reproduced Instruction System Computer4推出系列机的新机器，不能更改的是（A ）

6、。 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 ）、目录表小 、比较对法、命中率高 、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 ）

7、。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CI/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( )。DA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

8、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

9、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，P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）ASISD BSIMD CMISD DMIMD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。P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P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

10、）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”

11、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 。7Amdahl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

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 1TBYTES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

13、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

14、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

15、。 （ ）8Cache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

16、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

17、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。5MIPSMIPS= =6MFLOPSMFLOPS=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

18、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。15Amdahl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

19、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（Cycles per Instruction）（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

20、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i mod 2ncb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ca

21、che-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。流水技术适合于大量重复的时序过程。13、

22、 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

23、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

24、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

25、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

26、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？

27、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T06100600ns采用流水方式执行的时间为T1399+6=303加速比ST0/T1600/303=1.9812、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t, t, 2t, t，“加”由124组成，“乘”由134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