计算机体系结构复习题终极版课件.ppt

1、人武11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、计算机系统的多级层次结构中微程序机器级、传统机器级的机器语言是什么？由什么方式实现？答：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。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)。2、什么是计算机体系结构？什么是计算机组成？什么是计算机实现？它们之间有什么关系？答：计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属

2、性，即概念性结构与功能特性。计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现 计算机实现：计算机组成的物理实现 计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。计算机实现是计算机组成的物理实现。一种体系结构可以有多种组成。一种组成可以有多种实现。3、下列哪些属于计算机组成？哪些属于计算机实现？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 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 4、计算机系统设计的量化设计原则有哪些？说出它们的含义？答：加速经常性事件的原则：对经常发生的情况采用优化方法的原则进行选择，以得到更多的总体上的改

3、进。Amdahl定律：加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。CPU性能公式：执行一个程序所需的CPU时间，CPU时间=执行程序所需的时钟周期数时钟周期时间 程序的局部性原理：程序执行时所访问的80%是程序代码的20%的部分。5、分别从执行程序的角度看，计算机系统中并行性等级从低到高可分为哪几级？答：从处理数据的角度来看，并行性等级从低到高可分为：（1）指令内部并行：单条指令中各微操作之间的并行；（2）指令级并行：并行执行两条或两条以上的指令；（3）线程级并行：并行执行两个或两个以上的线程，通常是以一个进程内派生的多个线程为调度单位；（4）

4、任务级或过程级并行：并行执行两个或两个以上的过程或任务（程序段），以子程序或进程为调度单元；（5）作业或程序级并行：并行执行两个或两个以上的作业或程序。6、分别从处理数据的角度来看，计算机系统中并行性等级从低到高可分为哪几级？答：从处理数据的角度来看，并行性等级从低到高可分为：（1）字串位串：每次只对一个字的一位进行处理。这是最基本的串行处理方式，不存在并行性；（2）字串位并：同时对一个字的全部位进行处理，不同字之间是串行的。已开始出现并行性；（3）字并位串：同时对许多字的同一位（称为位片）进行处理。这种方式具有较高的并行性；（4）全并行：同时对许多字的全部位或部分位进行处理。这是最高一级的并

5、行。7、解释：（1）Amdahl定律：答：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。（2）计算机实现：答：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。(3)、程序的局部性原理：答：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。程序局部性包括：程序的时间局部性和程序的空间局部性。(4)、计算机组成：答：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。8、体系结构的发展是怎样的？答：包括：分布的

6、IO处理能力、保护的存储器空间、存储器组织结构的发展、并行处理技术、指令集发展。9、提高并行性的技术途径是怎样的？答：包括（1）.时间重叠 （2）.资源重复 （3.）资源共享 10、并行性概念所包括有哪些？答：（1）.指令级并行 （2）.线程级并行 （3.）任务级/过程级并行 11、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，属于何种兼容？答：向上兼容 12、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，属于何种兼容？答：向后兼容 13、采用LSI和VLSI、半导体存储器期间的计算机是第几代计算机？答：第四代 14、采用SSI和MSI、多层印

7、刷电路、微程序的计算机是第几代计算机 答：第三代 15、计算机系统的成本中I/O设备、软件的占比分别是多少？答：计算机系统的成本中I/O设备为37%计算机系统的成本中软件占20%16、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：指令类型 指令执行数量 平均时钟周期数 整数 40000 2 数据传送 45000 1 浮点 5000 5 分支 2500 3 求该计算机的有效CPI、MIPS和程序执行时间。解：（1）CPI(4000024500015000525003)/925001.7027（2）MIPS 速 率 f/CPI 800/1.7027

8、 469.84MIPS（3）程序执行时间=（40000245000117、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、指令集结构设计所涉及的内容有哪些？答：(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

9、式的表示 (5)指令集格式的设计 2、对指令集的基本要求是怎样的？答：对指令集的基本要求是完整性、规整性、高效率和兼容性。3、指令Add R2,500(R0)是什么的寻址方式？答：寻址方式是偏移寻址；4、指令Add R7,(R3)是什么的寻址方式？答：寻址方式是：寄存器间接寻址。5、指令Add R9,(R7+R6)是什么的寻址方式？答：寻址方式是：索引寻址；6、指令Add R1,(1001)是什么的寻址方式？答：寻址方式是：直接寻址。7、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

10、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（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。8、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

11、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。9、CISC、RISC计算机各有哪些主要特征？答：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 微码控制器 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 第三章 1、什么是动态流水线？答：指在同一时间内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能的流水线。它允许在某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。2、什么是静态流水线？答：指

12、在同一时间内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作的流水线。当流水线要切换到另一种功能时，必须等前面的任务都流出流水线之后，才能改变连接。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。3、掌握流水线的性能指标的分析方法。KTnTP?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 ksTTS?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

13、水线的效率与吞吐率成正比。E=TPt 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。kSE?4 4、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。)(41iiiBA?1 2 3 4 5 乘法 加减法 6 7 8(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 )(41iiiBA?

14、时间 段 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 输 入 A1 B1 A2 B2 A3 B3 A4 B4 A B C D A B C D A B C D A B C D A B C D A=A1+B1 B=A2+B2 C=A3+B3 D=A4+B4 tTP?18721836?ttS25.01884364?E在18个t时间中，给出了7个结果。吞吐率为：21836?ttStTP?187不用流水线，由于一次求和需 6t，一次求积需4t，则产生上述7个结果共需（46+34）t=36t 加速比为：（3）计算性能?流水线

15、的效率：25.01884364?E 5 5、有一条动态多功能流水线由 5 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 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。1 2 3 4 5 乘法 加法 t 2 t t t t)(41iiiBA?解:C=(A1B1)(A2B2)(A3B3)(A4B4)(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)(A2B2)(A3+B3)(A4+B4)；然后求总的结果。(2)画出时空图 (3)计算性能)(41i

16、iiBA?时间 段 1 2 3 4 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 输 入 A1 B1 A2 B2 A3 B3 A4 B4 A B C D A B C D A B A B C D A B CD A=A1 B1 B=A2 B2 C=A3B3 D=A4B4 C D 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：TP7(14t)如果不用流水线，由于一次求积需 3t，一次求和需4t，则产生上述7个结果共需（44+33）t=25t。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：79.14152?ttStTP?417

17、573.01453344?E6、流水线可以通过什么技术减少数据相关带来的暂停？答：流水线可以通过定向技术减少数据相关带来的暂停 7、流水线结构相关解决方法有哪些？答：流水线结构相关解决方法有插入暂停周期、将指令存储器和数据存储器分离。8、减少流水线分支损失的方法有哪些？答：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 9:、什么是结构冲突？答：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对存储器争用引起的冲突。10、什么是数据冲突？答：当一条指令需要用到前面某条指令的结果，从而不能重叠执行时，

18、就发生了数据冲突相 11、什么是控制冲突？答：当流水线遇到分支指令与其后进入流水线之间存在的冲突时，就会发生控制冲突。第五章 1、可以从那几个方面改进Cache的性能？答：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。2、Cache平均访问时间等于什么？答：Cache平均访问时间命中时间失效率失效开销 3、降低Cache减少三种失效的方法是怎样的？答：降低Cache减少三种失效的方法是：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。4、影响Cache性能的存储器停顿周期数等于什么？答：

19、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 5、Cache有哪几种映像方式？各是如何映像的？直 接 映 象：主 存 中 的 每 一 块 只 能 被 放 置 到 Cache 中 唯 一 的 一 个 位 置。全 相 联 映 象 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。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。6、Cache有哪几种替换策略？比较实现代价和访问命中率的情况？答：1)随机策略：随机选取某Cache块。最容易实现。2）LRU策略：选取近期最少使用的Cache块。实现代价最高但有助于提高

20、访问命中率。3）FIFO策略：最先调入的快最先被替换出去，实现代价不高，但最早调入的快可能是最近经常使用得块，调出后降低了命中率。7、什么是虚存、什么是Cache？它们在存储体系中各可以解决主存的什么问题？虚拟存储器是以存储器访问的局部性为基础，建立在主-辅存体系上的存储管理技术。它的基本思想是通过某种策略，把辅存中的信息一部分一部分地调入主存，以给用户提供一个比实际主存容量大得多的地址空间来访问主存，采用虚存的目的是提高CPU 访问主存的容量。在CPU与主存之间再增加一级或多级能与 CPU速度匹配的高速缓冲存储器 Cache，来提高主存储系统的性能价格比，增设Cache的目的是提高CPU 访

21、问主存的速度。第六章 1、计算机提高系统可靠性的方法有哪些？答：计算机提高系统可靠性的方法有故障避免技术、故障容忍技术、错误消除技术、错误预报技术：2、计算机I/O设备控制方式有哪些？答：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 3、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 12ms，传 输 速 度 是 4MB/s，转 速 是7200rpm，控制器的开销是1.5ms。答：旋转时间=0.5*60*1000/7200=4.1667ms 传 输 时 间=0.512KB*1000/（4*10

22、24KB/s）=0.125ms 磁盘访问时间=寻道时间+旋转时间+传输时间+控制器时间=12ms+4.1667ms+0.125ms+1.5ms=17.79ms 4、什么是RAID?它可以解决什么问题？RAID：用多块盘构成的有一定冗余信息的可以跨越容量和可信性限制的存储设备。使用多个磁盘（包括驱动器）的组合来代替一个大容量的磁盘。多个磁盘并行工作，以条带为单位把数据均匀地分布到多个磁盘上（交叉存放），条带存放可以使多个数据读/写请求并行地被处理，从而提高总的I/O性能。5、RAID1、RAID 5有何特点？RAID1：亦称镜像盘，使用完全的备份。在信息冗余程度达到100%。每当把数据写入磁盘时

23、，将该数据也写入其镜像盘，形成信息的两个副本 RAID5：是信息分布采用块交叉模式，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。6、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哪种？答：RAID5 7、RAID才信息冗余程度达到100%，是完全备份的磁盘阵列是哪种？答：RAID1 第七章 1、什么是集中式共享多处理机？答：集中式共享多处理机也称为对称式共享存储器多处理 SMP。它一般由几十个处理器构成，各处理器共享一个集中式的物理存储器，这个主存相对于各处理器的关系是对称的，2、什么是多Cache一致性？答：多处理机中，当共享数据进入 Cach

24、e，就可能出现多个处理器的 Cache中都有同一存储器块的副本，要保证多个副本数据是一致的。2、Flynn分类法把计算机系统的结构分为哪几类？什么是 SISD、SIMD、MISD、MIMD?答：Flynn分类法把计算机系统的结构分为4类：?单指令流单数据流(SISD)?单指令流多数据流(SIMD)?多指令流单数据流(MISD)?多指令流多数据流(MIMD)CU PU MM IS CS PU1 PU2 PUn PU1 PU2 PUn CU1 CU2 CUn CS1 CS2 CSn PU1 PU2 PUn CU1 CU2 CUn CS1 CS2 CSn MM1 MM2 MMm DS IS1 IS2

25、 ISn SM DS（c）MISD 计算机 DS1 DS2 DSn MM1 MM2 MMm SM IS1 IS2 ISn （d）MIMD计算机 （a）SISD 计算机 MM1 MM2 MMm SM CU DS1 DS2 DSn IS（b）SIMD 计算机 CS DS 3、一个具有 16台处理机的系统，对远程存储器访问时间是2500ns。除了通信以外，假设计算中的访问均命中局部存储器。当发出一个远程请求时，本地处理机挂起。处理机的时钟周期时间是10ns，假设指令基本的 CPI为1.0（设所有访存均命中Cache）。对于下述两种情况：(1)没有远程访问；(2)0.4%的指令需要远程访问。求前者比后者快多少？解：已知远程访问率 p=0.4%，远程访问时间 t=2500ns，时钟周期 T=10ns 远程访问开销 C=t/T=2500ns/10ns=250（时钟周期数）有 0.4%远程访问的机器的实际 CPI2 为：CPI2=CPI1+pC=1.0+0.4%250=2.0 只有局部访问的机器的基本 CPI1=1.0 CPI2/CPI1=2.0/1.0=2（倍）因此，没有远程访问状态下的机器速度是有 0.4%远程访问的机器速度的2 倍。