计算机体系结构复习题

1人武12计科复习计算机系统结构一、单项选择题：（10*2=20分）二、填空题（10*2=20分）三、名词解释（4*3=12分）四、简答题：（3*6=18分）五、分析计算题（4*5=20分）六、综合应用题（1*10=10分）第一章：1、计算机中属于计算机实现的有哪些？答：属于计算机实现的是：a）处理器、主存的物理结构b）涉及的专用器件c）信号传输d）器件的集成度和速度2、计算机中属于计算机组成的有哪些？答：属于计算机组成的是：a）数据通路宽度b）可靠性技术c）缓冲和排队技术3、某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改地就能运行于在它之后投入市场的机器，称为向后兼容的机器。4、某档机器编制的程序，不加修改的就能运行于比它高档的机器称为向上兼容的机器。5、计算机系统部件加速比指可改进部分改进以后的性能提高一般情况下它是大于１的。6、计算机系统部件可改进比例：可改进部分在原系统计算时间中所占的比例小于等于１7、计算机系统所有的性能评测均是针对时间长短进行的。8、一个具有高性能价格比的计算机系统是一个带宽平衡的系统。9、传统机器级的机器语言是该机的指令集，程序可以由微程序进行解释（仿真)。10、微程序机器级的机器语言是微指令集，微程序一般是直接由硬件解释实现的。11、Amdahl定律有什么作用？答：Amdahl定律既可以用来确定系统中对性能限制最大的部件，也可以用来计算通过改进某些部件所获得的系统性能的提高。12、IC：程序执行过程中所处理的指令数，记为IC。13、CPI：程序执行过程中每条指令执行所需要的平均时钟周期数称为CPI。14、兼容机的优势：由于采用新的计算机组成和实现技术，因此具有较高的性能价格比；15、兼容机：不同厂家生产的具有相同指令集结构的计算机称为兼容机。16、系列机：在一个厂家内生产的具有相同的体系结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器称为系列机。17、软件兼容：同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相同的各档机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于有不同的运行时间。18、程序的时间局部性：程序即将用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。19、程序的空间局部性：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。20、简述计算机体系结构、计算机组成、计算机实现三者的关系和相互影响是怎样的？答：计算机系统结构是计算机系统的软、硬件分界面，是机器语言程序设计者或是编译程序生成系统为使其设计或生成的程序能在机器上运行所看到的计算机属性；计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，具有相同系统结构的计算机可以有多种计算机组成。计算机实现是计算机组成的物理实现，一种计算机组成可以采用多种不同的计算机实现。21、性能设计和评价的三条基本原则和方法是怎样的？答：大概率事件优先的原则：对于大概率事件（最常见的事件），赋予它优先的处理权和资源使用权，以获得全局的最优结果。（Amdahl定律：加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。程序的局部性原理：程序在执行时所访问地址的分布不是随机的，而是相对地簇聚；这种簇聚包括指令和数据两部分.222、提高并行性的技术途径有哪3种？各是如何实现提高并行性的？答：（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的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。（2）资源重复：根据“以数量取胜”的原则，通过重复地设置资源，尤其是硬件资源，以大幅度提高计算机系统的性能。（3）资源共享：这是一种软件方法，它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。23、从执行程序的角度看，并行性等级从低到高可可分为哪几级？答：从处理数据的角度来看，并行性等级从低到高可分为：指令内部并行：指令内部的微操作之间的并行。指令级并行：并行执行两条或多条指令。线程级并行：并行执行两个或两个以上的线程。任务级或过程级并行：并行执行两个或多个过程或任务(程序段)。作业或程序级并行：在多个作业或程序间的并行。24、某台主频为800MHz的计算机执行标准测试程序，程序中指令类型、执行数量和平均时钟周期数如下：求该计算机的有效CPI、MIPS和程序执行时间。解：（1）CPI＝(65000×1＋60000×2＋8000×5＋4500×2)/137500＝1.7018（2）MIPS速率＝f/CPI＝800/1.7018＝470.0905MIPS（3）程序执行时间=（65000×1＋60000×2＋8000×5＋4500×2)／800=292.5s25、将计算机系统中某一功能的处理速度提高到原来的40倍，该功能的处理时间仅占整个系统运行时间的20%，则采用此提高性能的方法后，能使整个系统的性能提高多少？解：由题可知，可改进比例=20%=0.2部件加速比=40根据Amdahl定律可知：总加速比=1/(1-0.2+0.2/40)=1.2579采用此提高性能的方法后，能使整个系统的性能提高到原来的1.2579倍。第二章1、CISC计算机的主要特征有：通用寄存器结构、多周期执行、寻址方式多、微程序控制器2、RISC计算机主要特征有：单周期执行、寻址方式少、硬布线控制器、寄存器数量多3、指令集结构设计所涉及的内容有：(1)指令集功能设计(2)寻址方式的设计(3)操作数表示和操作数类型(4)寻址方式的表示(5)指令集格式的设计34、对指令集的基本要求是：完整性、规整性、高效率和兼容性。5、指令AddR3,(R1+R2)的寻址方式是：索引寻址；6、指令AddR1,(1001)的寻址方式是：直接寻址。7、指令AddR4,100(R1)的寻址方式是：偏移寻址；8、指令AddR4,(R1)的寻址方式是：寄存器间接寻址。9、简述CISC指令集结构功能设计的主要目标。从当前的计算机技术观点来看，CISC指令集结构的计算机有什么缺点？答：主要目标是增强指令功能，把越来越多的功能交由硬件来实现，并且指令的数量也是越来越多。缺点：(1)CISC结构的指令集中，各种指令的使用频率相差悬殊。（2）CISC结构指令的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。（3）CISC结构指令集的复杂性给VLSI设计增加了很大负担，不利于单片集成。（4）CISC结构的指令集中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。(5)在CISC结构的指令集中，由于各条指令的功能不均衡性，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。10、简述RISC指令集结构的设计原则。答：（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。第三章1、计算机系统中流水线因分支指令和其他进入流水线指令所引起的冲突是控制冲突。2、计算机系统中流水线因一条指令读取操作数访存同时另一条指令需要执行取指令操作而发生的冲突是结构冲突。3、减少流水线分支损失的方法有：(1)冻结或排空流水线(2)预测分支转移失败(3)预测分支转移成功（4）延迟分支4、流水线可以通过定向技术减少数据相关带来的暂停.5、结构相关解决方法：插入暂停周期、将指令存储器和数据存储器分离。6、结构相关：当指令在重叠执行过程中，硬件资源满足不了指令重叠执行的要求，发生资源冲突时将产生“结构相关”。7、数据相关：因一条指令需要用到前面指令的结果，而无法与产生结果的指令重叠执行时，就发生了数据相关。8、掌握流水线的性能指标的分析方法。答：吞吐率：在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。n：任务数Tk：处理完成n个任务所用的时间加速比：完成同样一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比。假设：不使用流水线（即顺序执行）所用的间为Ts，使用流水线后所用的时间为Tk，则该流水线的加速比为4效率：流水线中的设备实际使用时间与整个运行时间的比值，即流水线设备的利用率。当流水线各段时间相等时，流水线的效率与吞吐率成正比。E=TP△t流水线的效率是流水线的实际加速比S与它的最大加速比k的比值。9、设在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的流水寄存器中，试计算其吞吐率、加速比和效率(每段的时间都为△t)解：：C=(A1+B1)*(A2+B2)*(A3+B3)*(A4+B4)（1）选择适合于流水线工作的算法先计算A1+B1、A2+B2、A3+B3和A4+B4；再计算(A1+B1)×(A2+B2)和(A3+B3)×(A4+B4)；然后求总的乘积结果。（2）画出时空图3）计算性能在18个△t时间中，给出了7个结果。吞吐率为：不用流水线，由于一次求和需6△t，一次求积需4△t，则产生上述7个结果共需（4×6+3×4）△t=36△t加速比为：5流水线的效率：10、有一条动态多功能流水线由5段组成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，各段时间均为△t，而且流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应的流水寄存器中。若在该流水线上计算:试计算其吞吐率、加速比和效率。解:C=(A1＋B1)×(A2＋B2)×(A3＋B3)×(A4＋B4)(1)选择适合于流水线工作的算法应先计算A1+B1、A2+B2、A3+B3和A4+B4；再计算(A1+B1)×(A2×B2)(A3+B3)×(A4+B4)；然后求总的结果。(2)画出时空图(3)计算性能由图可见，它在14个△t时间中，给出了7个结果。所以吞吐率为：TP＝7／(14△t)如果不用流水线，由于一次求积需3△t，一次求和需4△t，则产生上述7个结果共需（4×4+3×3）△t=25△t。所以加速比为：该流水线的效率可由阴影区的面积和5个段总时空区的面积的比值求得：第五章1、主存块可以映像在cache任意位置的映像方式是全相联映像。2、主存块只能唯一映像在cache某一固定位置的映像方式是直接映像。3、Cache替换策略实现代价最高但有助于提高访问命中率的是LRU策略。4、Cache替换策略实现最容易的是随机策略方式.65、采用虚存的目的是提高CPU访问主存的容量。6、增设Cache的目的是提高CPU访问主存的速度。7、可以从三个方面改进Cache的性能：(1)降低失效率、(2)减少失效开销、(3)减少Cache命中时间。8、降低Cache减少三种失效的方法有：对强制性失效的方法是：增加块大小，预取；对容量失效的方法是：增加容量；对冲突失效的方法是：提高相联度。9、Cache平均访问时间＝命中时间＋失效率×失效开销10、影响Cache性能的存储器停顿周期数＝访存次数×失效率×失效开销11、组相联：主存中的每一块可以被放置到Cache中唯一的一个组中的任何一个位置的地址映像方式。12、全相联：主存中的任一块可以被放置到Cache中的任意一个位置的地址映像方式。第六章I/O1、可实现块交叉分布、冗余信息采用奇偶校验方式生成并分布在阵列各块盘上的磁盘阵列是RAID5。2、RAID信息冗余程度达到100%，是完全备份的磁盘阵列是RAID1。3、计算机提高系统可靠性的方法：故障避免技术、故障容忍技术、错误消除技术、错误预报技术：4、计算机I/O设备控制方式有：程序查询控制方式、中断控制方式、DMA控制方式、I/O处理机等5、分析计算磁盘读或写一个512字节的扇区的平均时间是多少？假设此时磁盘空闲，公布的平均寻道时间是10ms，传输速度是2MB/s，转速是7200rpm，控制器的开销是1.3ms。答：旋转时间=0.5*60*1000/7200=4.1667ms传输时间=0.512KB*1000/（2*1024KB）=0.25ms磁盘访问时间=寻道时间+旋转时间+传输时间+控制器时间=10ms+4.1667ms+0.25ms+1.3ms=15.72ms第七章1、按照Flynn分类法，可把计算机分成哪几类？答：Flynn分类法把计算机