自考计算机科学与技术之系统结构简答题.docx

1、自考计算机科学与技术之系统结构简答题简答题(本大题共5小题，每小题 6分，共30分)1.什么是虚拟存储器？它有什么特点和作用？ 答：虚拟存储器是以主存与辅存为根据建立起来的一种存储体系， 它使得程序能 够像访问主存储器一样访问外部存储器。虚拟存储器的地址空间可以大到 CPU 勺最大寻址范围。 为了提高平均访存速度， 将虚拟地址空间中访问最频繁的一小部 分寻址范围映像到主存储器， 其余的地址空间映像到外存储器， 这样使得存储系 统既具有外存的容量，又有接近于主存的访问速度。2.并行处理计算机除分布处理、MPP口机群系统外，还有哪4种基本结构？及他 们各自解决的基本问题？ 答：流水线计算机，阵列处

2、理机，多处理机，数据流计算机。流水线计算机解决 拥塞控制，冲突防止，分支处理，指令和数据的相关处理，流水线重组，中断 处理，流水线调度以及作业顺序的控制等。 阵列处理机解决处理单元灵活、 规律 的互连模式和互联网络设计， 存储器组织， 数据在存储器中的分布算法， 针对具 体应用题目的高效并行算法等问题， 尽可能将标量循环运算转成向量运算以消除 循环，避免相关。 多处理机解决处理机间互连和存储器组织等硬件结构， 存储管 理，资源分配，任务分解，系统死锁的防止，进程间的通讯和同步，多处理机的 调度，系统保护等操作系统， 高效并行算法和并行语言的设计等问题。 数据流计 算机主要研究合适的硬件组织和结

3、构， 数据流程序图， 能高效并行执行数据流语 言以及解决目前数据流机存在的某些问题。3.简述超长指令机系统设计的基本原则。 答：超长指令机系统设计的原则：(1)设立单一的控制流，只有一个控制器，每个时钟周期启动一条长指令；(2)超长指令字被分成多个控制字段，每个字段直接独立地控制每个功能部件；(3)含有大量的数据流通路和功能部件，由于编译器在编译时间已考虑可能出现 的数据相关，故控制硬件简单；(4)在编译阶段完成超长指令中多个可并行操作的调度。4.以IBM37(为例说明为什么把中断分类以及分成几类。 答：为处理一个中断请求，要调出相应的中断处理程序，如果中断源数少，则可 用中断系统硬件直接形成

4、相应中断服务程序入口， 但对中大型多用途机器， 中断 源数目很多，若为每个中断源单独形成入口，不仅硬件实现难，代价大，而且在 中断处理上没有必要，因不少中断源性质比较接近，可归成几类 ，这样可以对 每类给定一个中断服务程序入口， 再由软件分支转入相应中断处理部分， 这样可 以大大简化形成中断处理程序入口地址形成硬件。IBM370各中断分成6类，它们 是机器校验、管理程序调用、程序性、外部、输入 / 输出、重新启动。5.采用重叠方式解决访主存冲突问题。具体的解决办法是什么？答：采用重叠方式要解决好“取指k+1 ”和“分析k ”在时间上重叠时的访主存冲 突问题。具体的解决办法有三种：(1)将操作数

5、与指令分开放在两个各自独立编址，又可同时访问的存储器中。缺 点是主存总线控制及软件设计都比较麻烦。(2)让主存采用多个分体交叉地并行的组成方式。存在的问题有时会发生分体冲 突而无法并行。(3)在采用多分体交叉的并行主存基础上，再增设采用先进先出方式工作的指令缓冲器，让主存能插空将后续的指令预取进指令缓冲器。简答题(本大题共5小题，每小题 6分，共30分)1.不同的用途要求语言的语法、语义结构不同； 第二，人们对语言的基本结构看法不一； 即使同一高级语言在不同厂家的机器上也不能完全通用； ) 人们不愿抛弃惯用的语言， 不愿抛弃长期积累的、 用原有语言编写且已被简述实现软件移植的统一高级语言途径存

6、在的问题。 答案：问题是至今虽然有上百种高级语言，但没有一种是对各种应用通用的。 第一， 第二， 第三， 第四， 实践证明是正确的软件。2.简述设计RISC结构米用的基本技术。 答案：设计RISC吉构用的基本技术有：(1)按RISC一般原则设计；(2)逻辑实现用硬联和微程序吉合；(3)用重叠寄存器窗口；(4)指令用流水和延迟转移；(5)优化设计编译系统。3.设某系统的中断源的中断请求优先级分为 4级，从高到低为 1、2、3、4。设 中断级屏蔽位为“ 1”，对应屏蔽；中断级屏蔽位为“ 0”，对应开放。要求中断 处理次序与中断响应次序相同，请给出各级中断处理程序中断级屏蔽位的设置。( 要求：先进行

7、文字说明，再画出中断级屏蔽 位表 )答案：要求中断处理次序为 1、2、3、4，即要求： 中断处理程序 1应屏蔽其他所有中断请求，包括同级的其他请求，以保证中断处 理程序1能优先执行完；中断处理程序 2屏蔽中断请求 2、 3和 4，并对中断请求 1 开放； 中断处理程序 3屏蔽中断请求 3和4，并对中断请求 l 和2开放； 中断处理程序 4屏蔽中断请求 4，并对中断请求 1 、 2和3开放。 ) 由此可得出各级中断处理程序的中断级屏蔽位，如下表 中断请求中断处理程序级别中断级屏蔽位 123411*1330011440001简答题(本大题共5小题，每小题 6分，共30分)1.设计指令系统时，以乘法

8、运算为例，简述系统吉构设计、计算机组成设计、 计算机实现各应考虑的问题答案：系统吉构设计考虑是否要设置乘法指令； 计算机组成设计考虑是否要配置 高速的乘法器；计算机实现考虑的是组成高速乘法器或加法移位器的器件集成 度、类型、数量以及微组装技术。2.简述设计RISC的一般原则。答案：设计RISC的一般原则：(1)确定指令系统时，只选择使用频度很高的那些指令，再增加少量能有效支 持操作系统、 高级语言实现及其它功能的指令， 大大减少指令条数， 使之一般不减少指令系统所用寻址方式种类，一般不超过两种； 让所有的指令都在一个机器周期内完成； 扩大通用寄存器数，一般不少于 32个，尽量减少访存，只有存取

9、指令访存； 为提高指令执行速度，大多数指令都用硬联控制实现，少数指令才用微程超过100条；(2)(3)(4)(5) 序实现；( 6)通过精简指令和优化设计编译程序， 简单有效地支持高级语言的实现。 (以 上每点 1 分)3.CPU!Cache时，会发生Cache与主存的对应内容不一致的现象，简述解决这 个问题的两种方法及各需要增加什么开销。答案：(1)回写法:CPU只写入Cache,不写入主存,仅当Cache块替换时,才先写回 主存后再替换。这种方法要求对每个Cache块增加一个修改位的资源开销；(2)写直达法：CP每次写Cache的同时，也通过直接通路写入主存。这种方法 要增加写主存的时间开

10、销。4.简述在流水机器中全局性相关的概念及处理全局性相关的方法。 答案：全局性相关是指转移指令与其后续指令之间的相关。 (2分)处理方法有：( 1 )猜测法， 猜选其中一个分支继续流入， 待条件码形成后再决定是继续执行， 还是作废，按另一条重新流入；(2)提前形成转移所需的条件，包括指令内或程序段内条件码的提前生成；( 3)加快短循环程序的处理，判断如属于短循环，将循环体各指令一次取入指 令缓冲器中，停止预取指令；猜选分支恒选循环分支。(4)采取延迟转移，不必增加硬件，在编译生成目标指令程序时，将转移指令与 其前面不相关的一条或多条指令交换位置， 让成功转移总是延迟到在这一条或多 条指令执行之

11、后再进行。1.简述多处理机要解决的主要技术问题 (至少写出 6个)。答案：(1)硬件结构，解决好处理机、存储器模块及I/O子系统间的互连；(2)最大限度开发系统的并行性，以实现多处理机各级的全面并行；(3)任务的粒度选择，使并行度高，辅助开销小；(4)解决好处理机中各并行任务和进程间的同步问题；(5)解决好处理机调度、任务调度和资源分配，防止死锁；(6)一旦某处理机发生故障，如何对系统进行重新组织而不使其瘫痪；(7)多处理机机数增多后，如何能给编程者提供良好的编程环境，减轻程序的复 杂性。3.实现软件移植的途径有哪些 ?各受什么限制 ?答案： (1) 软件移植的途径主要有：统一高级语言，设计系

12、列机，模拟与仿真。(2)统一高级语言，可以解决结构相同或完全不同的机器间的软件移植，从长远 看是方向，但目前难以解决，只能作相对统一。(3)系列机，只能实现同一系列内的软件兼容，虽然允许发展变化，但兼容的约 束反过来会阻碍系统结构取得突破性的进展。(4)模拟与仿真， 模拟灵活， 可实现不同系统间的软件移植， 但结构差异太大时， 效率、速度会急剧下降。仿真在速度上损失小，但不灵活，只能在差别不大的系统之间使用，否则效率也会过低且难以仿真，需与模拟结合才行。4.什么是全排列网络 ?实现全排列网络有哪两种方法 ?答案： （1） 在多级互连网络中，能实现两对或多对入、出端之间勺连接时，都不 会发生数据

13、传送路径勺冲突，具有这类性质勺互连网络称为全排列网络；（2） 实现全排列网络勺两种方法为：1在多级互连网络的输出端设置锁存器，使数据在时间上顺序通行两次。2将两个多级互连网络， 即一个正网络和一个逆网络串接起来， 合并掉中间完全 重复勺一级，级成 2log2N-1 级勺多级网络。5.解决计算机主存与CPU勺速度差对机器性能的影响，可采用哪三种解决方法？ 答案：（1）在CP中设置通用寄存器，让运算直接在 CPU勺通用寄存器中进行，减 少与主存的效。（2） 采用存储器勺多体交叉并行存取来提高主存勺等效速度。采用Cache存储器。1.简要解释提高计算机系统并行性的三个技术途径。答案：（ 1）时间重叠

14、：引入时间因素，是让多个处理过程在时间上相互错开， 轮流使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转使用来赢得速度。（2）资源重复是引入空间因素，通过重复设置硬件资源来提高性能。（ 3）资源共享，是用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源， 来提高其利用率，相应也就提高了系统的性能。2.简述使用多处理机勺目勺和多处理机具备勺特点。答案：使用多处理机勺目勺： 一是用多台处理机进行多任务处理协同求解一个大 而复杂勺问题来提高速度，二是依靠多余勺处理机及其重组来提高系统勺可靠 性、适应性和可用性。处理机具备勺特点：（1）结构灵活性；（2）程序并行性；（3）并行任务派生；（4）进程同步；（

15、5） 资源分配和任务调度。3.简述流水处理机处理全局性相关的各种办法。答案：（ 1）猜测法。猜选其中一个分支继续流入，待条件码形成后再决定是继 续执行，还是作废，按另一分支重新流入。（2）加快和提前形成条件码。加快单条指令内部条件的形成，不等指令执行完 提前形成反映运算结果的条件码；在一段程序内提前形成条件码。（3）采用延迟转移。用软件方法进行静态指令调度的技术。（4）加快短循环程序的处理，判断如属于短循环，将循环体各指令一次取入指 令缓冲器中，停止预取指令；猜选分支恒选循环分支。在程序不作变换直接装入主存的程序执行时， （有效）地5. 简述程序的动态再定位的思想。 答案：在硬件上设置基址寄存

16、器和地址加法器。 同时，装入主存的起始地址存入对应该道程序使用的基址寄存器中。 只要通过地址加法器将逻辑地址加上基址寄存器的程序基址形成物理 址后去访存即可。简答题（本大题共 5小题，每小题 6分，共 30分）1.器件的发展对逻辑设计方法有哪些影响？ 答案：器件的发展对逻辑设计方法的影响：宜于超大（1） 由逻辑化简改成着眼于采用什么组成技术能够规整、批量生产， 规模集成，缩短设计周期，提高系统效能，尽量采用存贮逻辑和通用器件；（2） 由全硬设计改成采用微汇编、微高级语言、计算机辅助设计等手段软硬结 合和自动化设计。2.按CISC方向，面向操作系统的优化实现来改进指令系统有哪些思路？ 答案：按C

17、ISC方向，面向操作系统的优化实现来改进指令系统的思路有：（1） 通过对操作系统中常用指令和指令串的使用频度进行统计分析来改进；（2） 如何增设专用操作系统的新指令（3） 把操作系统中频繁使用的，对速度影响大的某些软件子程序硬化或固化， 改为直接用硬件或微程序解释实现；（4） 发展让操作系统由专门的处理机来执行的功能分布处理系统结构。3.主存实际频宽与模数m的关系是什么？出现这种现象的原因是什么？ 答案：并行主存系统的实际频宽随模数 m勺增加会提高，但不是线性增加，随模 数m增大，其实际频宽的增量越来越小。这是因为程序中的指令和数据并不是完 全顺序放置和被访问的。程序会有转移，数据分布有一定的

18、随机性。4.在“一次重叠”的机器中， “一次重叠”的含义是什么？并指出在这种机器 中会出现哪些相关？ 答案：“一次重叠”是指将指令的解释分为“分析”和“执行”两个阶段，任何 时刻都只是“执行K”与“分析K+1 ”在时间上重叠，也就是让指令分析部件与指 令执行部件同时处理相邻的两条指令。在“一次重叠”机器中，会出现的相关主要有：指令相关；主存空间数相关；通 用寄存器组相关等。5.简述哈夫曼压缩概念的基本思想。 答案：哈夫曼压缩概念的基本思想是， 当各种事件发生的概率不均等时， 采用优 化技术对发生概率最高的事件用最短的位数（时间）来表示（处理），而对出现 概率较低的， 允许用较长的位数 （时间）

19、来表示（处理） ，就会导致表示 （处理） 的平均位数（时间）的缩短。1.简述哈夫曼压缩概念的基本思想。答案：（ 1）当各种事件发生的概率不均等时，采用优化技术对发生概率最高的 事件用最短的位数（时间）来表示（处理）。（2）而对出现概率较低的，允许用较长的位数（时间）来表示（处理），就会 导致表示（处理）的平均位数（时间）的缩短。2.RISC存在不足表现在哪些方面？答案：（ 1）当各种事件发生的概率不均等时，采用优化技术对发生概率最高的 事件用最短的位数（时间）来表示（处理）。（2）而对出现概率较低的，允许用较长的位数（时间）来表示（处理），就会 导致表示（处理）的平均位数（时间）的缩短。3.简

20、述SIMD系统的互连网络的设计目标。答案：（ 1）结构不要过分复杂，以降低成本；（2） 互连要灵活，以满足算法和应用的需要；（3） 处理单元间信息交换所需传送步数要尽可能少，以提高速度性能；（4） 能用规模单一的基本构件组合而成，或者经多次通过或者经多级连接来实 现复杂的互连，使模块性好，以便于用 VLSI实现并满足系统的可扩充性。4.CPU!Cache寸，会发生Cache与主存的对应复本内容不一致的现象，解决这 个问题有哪些方法 ?各需要增加什么开销 ?答案：写回法：CP只写入Cache,不写入主存，仅当Cache块替换时，才先写回 主存后再替换。这种方法要求对每个 Cache块增加一个修改

21、位的资源开销。写直 达法：CP每次写入Cache的同时，也经写直达通路写入主存。这种方法要增加写 主存的时间开销。5.简述计算机系统“由中间开始”设计的基本思想。答案：（ 1）软硬件设计分离和脱节是“由上往下”和“由下往上”设计的主要 缺点，由此提出“由中间开始” 设计。“中间”提的是层次结构中的软硬交界面， 目前多数是在传统机器级与操作系统机器级之间。（2）进行合理的软、硬件功能分配时，既要考虑能拿到的硬、器件，又要考虑 可能的应用所需的算法和数据结构， 先定义好这个交界面。 确定哪些功能由硬件 实现，哪些功能由软件实现， 同时还要考虑好硬件对操作系统、 编译系统的实现 提供些什么支持。然后

22、由这个中间点分别往上、往下进行软件和硬件的设计简答题（本大题共5小题，每小题 6分，共30分）1.流水线的特点是什么？答： （1） 流水线处理的任务必须是连续的；（2） 流水线中子任务应有一个专门的部件来实现；（3） 在流水线的功能部件之后，需要有一个用于保存本功能段执行结果的缓冲寄存器；(4)流水线中各功能段执行时间应尽量相等；(5)流水线需要有装入时间和排空时间。2.每个时钟周期启动一条长指令； 每个字段直接独立地控制每个功能部件； 由于编译在编译时间已考察可能出现的数简述如果要设计一套超长指令机系统，必须遵循的主要准则。 答：如果要设计一套超长指令机系统，则必须遵循的主要准则是：(1)单

23、一的控制液，只有一个控制器，(2)超长指令字被分成多个控制字段，(3)含有大量的数据通路和功能部件， 据相关，故控制硬件较简单；(4)在编译阶段完成超长指令中多个可并行操作的调度。3.当浮点数尾数基值减小时，对机器数的表示会产生哪些影响 ? 答：数的可表示范围变小；可表示数的总个数减少；数在数轴上的分布变密；机 器数的精度提高；运算过程中的精度损失增大；运算速度有所降低。4.简述段页式存储管理的地址变换过程。 答：用户逻辑地址被分成：用户标志、段号、页号、页内偏移四部分。 过程如下：(1)由用户标志找到段表基址寄存器；(2)由段表长与段号作是否越界检查；(3)段表地址 +段号找到段表中相应表项

24、；(4)做装入位，段长的检查；(5)由页表始址 +页号找到页表中相应表项；(6)作装入位等检查；(7)实页号 +页内偏移形成有效地址。5.简述三种面向的寻址方式的关系。 答：三种寻址方式各有特点但又不相互排斥。 面向寄存器的寻址速度最快， 但需增大寄存器的硬件开销。 面向主存的寻址速度 比面向寄存器的寻址速度慢， 但可使用少量的寄存器。 面向堆栈的寻址可减轻编 译的负担， 不用考虑寄存器的优化分配， 很好地支持子程序的调用， 可省去命令 中的地址字段， 但速度慢， 甚至比面向主存的寻址慢。 三种面向的寻址不互相排 斥。在同一系统结构中，应选一种面向的寻址为主，辅以其他面向的寻址，互相 取长补短

25、。例如，在堆栈型机器中，可增设面向寄存器的寻址方式；除直接访问 栈顶外，还能访问栈中任意单元； 可增设硬堆栈或增设栈顶寄存器组来提高运算 速度。1.1)系统有高的性能价格比。 系统的开发周期短。 系统的可扩展性好。 系统的资源利用率高。 用户投资风险小。 用户编程方便。机群系统比起传统的并行处理系统的优点是什么？ 答：(2)(3)(4)(5)(6)2.在有Cache的存储系统中，访存操作是如何进行的？答：有了 Cache之后，访存操作的过程是：当CP要进行存储器访问时，首先察看Cache存储器，如果访问的字在Cache中找到，就从Cache中读取，如果访问的字 在Cache中没有找到，就从主存

26、中访问，并且为了使得以后访问同一个字或者相 邻的字时能够在Cache中找到，需要把存储器中包含这个字的数据块从主存储器 中读出，放入Cache中03.简述RISC技术方法。答：RISC技术方法主要有：(1)在CP中设置了较大量的寄存器，并采用窗口重叠寄存器技术；(2)采用优化延迟转移技术；(3)采用比较转移指令技术；(4)采用优化编译技术04.流水机器的中断处理有哪些方法 ?各有什么优缺点 ? 答：流水机器的中断处理有不精确断点法和精确断点法两种0 不精确断点法 出现中断后， 已流入流水线的指令继续向前流动， 后续指令不再进入流水线0 这 样的优点是处理简单， 但不利于编程和程序排错0 精确断

27、点法某条指令发生 中断，其后已进入流水线的指令要恢复原状， 中断现场准确对应于发生中断的指 令0优点是有利于程序设计，但需配置大量的后援寄存器05.在页式虚拟存储器中， 什么叫页面失效 ?什么叫页面争用 ?什么时候两者同时 发生?什么时候两者不同时发生 ?答：要访问的虚页不在实主存中时，就发生页面失效0当页面调入主存，主存中 的页面位置已全部被其他虚页占用了， 称发生页面争用0 当分配给程序的内存区已被全部占用后，只要发生页面失效，就一定会发生页面争用0反之，发生页面 争用，并不会发生页面失效01.如何评价一个替换算法的好坏？答：要想评价一个替换算法的好坏， 一般可使用典型程序运行时所产生的页

28、地址 流来对该算法进行模拟其页面的替换过程， 通过统计出的页面命中率的高低来分 析。页面命中率的高低与所用的页面替换算法、页地址流、所分配到的实页数、 页面的大小等多种因素有关。2.什么是RISC计算机？RISC结构采用的基本技术有哪些？答：RISC计算机是精简指令系统计算机，即减少指令种数，简化指令功能，使指 令系统规整，指令执行时间尽可能短。采用的技术：按RISC设计的一般原则设计 计算；用硬联逻辑为主，辅以微程序固件实现；在 CP中设大量寄存器，并采用 重叠寄存器窗口技术； 指令执行用流水和延迟转移技术； 精心设计、 优化编译系 统的技术。3.简述采用RISC技术的超级标量机的主要特点。

29、 答：采用RISC技术的超级标量机的主要特点是：(1)配置多个性能不同的处理部件，采用多条流水线并行处理；(2)能同时对若干条指令进行译码，将可并行执行的指令送往不同的执行部件；(3)从而达到在每个时钟周期启动多条指令的目的；(4)在程序运行期间由硬件完成指令调度。4.计算机中的存储器件可分为哪些类型？答：按存储介质分，存储器件有半导体介质、磁表面介质和光记录介质等类型。 按访问方式分， 存储器件有随机访问、 顺序访问和半顺序访问三种类型。 半导体 随机访问存储器可分为SRA和DRAW种。按访问方式分，还可以将存储器分为读 写存储器和只读存储器两种。半导体只读存储器有掩膜式 ROM、PROM、

30、EPRO、MEEPROM。5.简述带标志符数据表示方法，其优点是什么？ 答：带标志符数据表示是让数据字本身带有数据或信息的类型标志。 标志符由编 译程序建立，对高级语言源程序应设计成是透明的。其优点是：(1)可以简化指令系统和程序设计的难度；(2)简化编译程序，提高编译效率；(3)便于实现数据类型的一致性校验；(4)能由硬件自动完成对数据的类型转换，缩短解题的时间；(5)支持数据库系统要求其实现与数据类型无关的要求；(6)为软件调试和应用软件的开发提供了一定的支持。1.什么是Cache?它是如何组织的？答：如果把程序在一段时间内集中访问的部分数据存放在高速的存储器中， 访问 存储器的平均时间就

31、可以大大减少， 从而减少程序的执行时间， 这种高速、 小容 量的存储器就是Cacha Cache放在CP与主存的中间，访问时间通常是主存的1/4 到1/10。在层次化的存储器系统中，它是速度最快的存储器。 Cache的基本思想是把程序执行时最频繁访问的指令和数据存放在速度较高的 Cache存储中，使得访存的平均时间接近于Cache的访问时间，而存储的容量则是主存的容量。Cache 存储器的容量尽管很小， 但是由于访存的局部性规律， 绝大部分对存储器的访问 数据都可以在Cache中发现，实际上不需要到主存中寻找，所以访存的平均时间 可以接近于Cache的访问时间。2.多处理机操作系统有哪 3种类型 ?各适合于哪类机器 ? 答：多处理机操作系统有主从型、各自独立型和浮动型 3种。 主从型适合于工作负荷固定， 且从处理机能力明显低于主处理机， 或由功能差别 很大的处理机组成的异构型多处理机。 独立型适合于松耦合多处理机。 浮动型适 合于紧耦合多处理机，特别是由公用主存和 I/O 子系统的多个相同处理机组成的 同构型多处理机。3.1)结构灵活性。 程序并行性。 并行任务派生。 进程同步。 资源分配和任务调度。多处理机与单指令流多数据流系统的并行处理机有哪些主要差别 ? 答：(2)(3)(4)(5)4.简述INTEL公司采用的RISC技术主要特殊方法。 答：INTEL公司