人武11計科復習計算機系統結構1編輯版pppt一、單項選擇題：（10*2=20分）二、填空題（10*2=20分）三、名詞解釋（4*3=12分）四、簡答題：（3*6=18分）五、分析計算題（4*5=20分）六、綜合應用題（1*10=10分）2編輯版pppt第一章：1、計算機系統的多級層次結構中微程序機器級、傳統機器級的機器語言是什么？由什么方式實現？答：微程序機器級的機器語言是微指令集，微程序一般是直接由硬件解釋實現的。傳統機器級的機器語言是該機的指令集，程序可以由微程序進行解釋（仿真)。3編輯版pppt2、什么是計算機體系結構？什么是計算機組成？什么是計算機實現？它們之間有什么關系？答：計算機系統結構：傳統機器程序員所看到的計算機屬性，即概念性結構與功能特性。計算機組成：計算機系統結構的邏輯實現計算機實現：計算機組成的物理實現計算機組成是計算機系統結構的邏輯實現。計算機實現是計算機組成的物理實現。一種體系結構可以有多種組成。一種組成可以有多種實現。4編輯版pppt3、下列哪些屬于計算機組成？哪些屬于計算機實現？屬于計算機組成的是：a）數據通路寬度b）可靠性技術c）緩沖和排隊技術屬于計算機實現的是：a）處理器、主存的物理結構b）涉及的專用器件c）信號傳輸d）器件的集成度和速度5編輯版pppt4、計算機系統設計的量化設計原則有哪些？說出它們的含義？答：加速經常性事件的原則：對經常發生的情況采用優化方法的原則進行選擇，以得到更多的總體上的改進。Amdahl定律：加快某部件執行速度所能獲得的系統性能加速比，受限于該部件的執行時間占系統中總執行時間的百分比。CPU性能公式：執行一個程序所需的CPU時間，CPU時間=執行程序所需的時鐘周期數×時鐘周期時間程序的局部性原理：程序執行時所訪問的80%是程序代碼的20%的部分。6編輯版pppt5、分別從執行程序的角度看，計算機系統中并行性等級從低到高可分為哪幾級？答：從處理數據的角度來看，并行性等級從低到高可分為：（1）指令內部并行：單條指令中各微操作之間的并行；（2）指令級并行：并行執行兩條或兩條以上的指令；（3）線程級并行：并行執行兩個或兩個以上的線程，通常是以一個進程內派生的多個線程為調度單位；（4）任務級或過程級并行：并行執行兩個或兩個以上的過程或任務（程序段），以子程序或進程為調度單元；（5）作業或程序級并行：并行執行兩個或兩個以上的作業或程序。7編輯版pppt6、分別從處理數據的角度來看，計算機系統中并行性等級從低到高可分為哪幾級？答：從處理數據的角度來看，并行性等級從低到高可分為：（1）字串位串：每次只對一個字的一位進行處理。這是最基本的串行處理方式，不存在并行性；（2）字串位并：同時對一個字的全部位進行處理，不同字之間是串行的。已開始出現并行性；（3）字并位串：同時對許多字的同一位（稱為位片）進行處理。這種方式具有較高的并行性；（4）全并行：同時對許多字的全部位或部分位進行處理。這是最高一級的并行。8編輯版pppt7、解釋：（1）Amdahl定律：答：加快某部件執行速度所獲得的系統性能加速比，受限于該部件在系統中所占的重要性。（2）計算機實現：答：計算機組成的物理實現，包括處理機、主存等部件的物理結構，器件的集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號傳輸，電源、冷卻及整機裝配技術等。9編輯版pppt(3)、程序的局部性原理：答：程序在執行時所訪問地址的分布不是隨機的，而是相對地簇聚；這種簇聚包括指令和數據兩部分。程序局部性包括：程序的時間局部性和程序的空間局部性。(4)、計算機組成：答：計算機系統結構的邏輯實現，包含物理機器級中的數據流和控制流的組成以及邏輯設計等。10編輯版pppt8、體系結構的發展是怎樣的？答：包括：分布的IO處理能力、保護的存儲器空間、存儲器組織結構的發展、并行處理技術、指令集發展。9、提高并行性的技術途徑是怎樣的？答：包括（1）.時間重疊 （2）.資源重復 （3.）資源共享10、并行性概念所包括有哪些？答：（1）.指令級并行 （2）.線程級并行 （3.）任務級/過程級并行11編輯版pppt11、某檔機器編制的程序，不加修改的就能運行于比它高檔的機器，屬于何種兼容？答：向上兼容12、某個時期投入市場的某種型號機器編制的程序，不加修改地就能運行于在它之后投入市場的機器，屬于何種兼容？答：向后兼容13、采用LSI和VLSI、半導體存儲器期間的計算機是第幾代計算機？答：第四代12編輯版pppt14、采用SSI和MSI、多層印刷電路、微程序的計算機是第幾代計算機答：第三代15、計算機系統的成本中I/O設備、軟件的占比分別是多少？答：計算機系統的成本中I/O設備為37%計算機系統的成本中軟件占20%13編輯版pppt16、某臺主頻為800MHz的計算機執行標準測試程序，程序中指令類型、執行數量和平均時鐘周期數如下：指令類型指令執行數量平均時鐘周期數整數400002數據傳送450001浮點50005分支25003求該計算機的有效CPI、MIPS和程序執行時間。解：（1）CPI＝(40000×2＋45000×1＋5000×5＋2500×3)/92500＝1.7027（2）MIPS速率＝f/CPI＝800/1.7027＝469.84MIPS（3）程序執行時間=（40000×2＋45000×1＋5000×5＋2500×3)／800=196.875s14編輯版pppt17、將計算機系統中某一功能的處理速度提高到原來的40倍，該功能的處理時間僅占整個系統運行時間的20%，則采用此提高性能的方法后，能使整個系統的性能提高多少？解：由題可知，可改進比例=20%=0.2部件加速比=40根據Amdahl定律可知：總加速比=1/(1-0.2+0.2/40)=1.2579采用此提高性能的方法后，能使整個系統的性能提高到原來的1.2579倍。15編輯版pppt第二章1、指令集結構設計所涉及的內容有哪些？答：(1)指令集功能設計(2)尋址方式的設計(3)操作數表示和操作數類型(4)尋址方式的表示(5)指令集格式的設計2、對指令集的基本要求是怎樣的？答：對指令集的基本要求是完整性、規整性、高效率和兼容性。16編輯版pppt3、指令AddR2,500(R0)是什么的尋址方式？答：尋址方式是偏移尋址；4、指令AddR7,(R3)是什么的尋址方式？答：尋址方式是：寄存器間接尋址。5、指令AddR9,(R7+R6)是什么的尋址方式？答：尋址方式是：索引尋址；6、指令AddR1,(1001)是什么的尋址方式？答：尋址方式是：直接尋址。17編輯版pppt7、簡述CISC指令集結構功能設計的主要目標。從當前的計算機技術觀點來看，CISC指令集結構的計算機有什么缺點？答：主要目標是增強指令功能，把越來越多的功能交由硬件來實現，并且指令的數量也是越來越多。缺點：(1)CISC結構的指令集中，各種指令的使用頻率相差懸殊。（2）CISC結構指令的復雜性帶來了計算機體系結構的復雜性，這不僅增加了研制時間和成本，而且還容易造成設計錯誤。（3）CISC結構指令集的復雜性給VLSI設計增加了很大負擔，不利于單片集成。18編輯版pppt（4）CISC結構的指令集中，許多復雜指令需要很復雜的操作，因而運行速度慢。(5)在CISC結構的指令集中，由于各條指令的功能不均衡性，不利于采用先進的計算機體系結構技術（如流水技術）來提高系統的性能。19編輯版pppt8、簡述RISC指令集結構的設計原則。答：（1）選取使用頻率最高的指令，并補充一些最有用的指令；（2）每條指令的功能應盡可能簡單，并在一個機器周期內完成；（3）所有指令長度均相同；（4）只有Load和Store操作指令才訪問存儲器，其它指令操作均在寄存器之間進行；(5)以簡單有效的方式支持高級語言。20編輯版pppt9、CISC、RISC計算機各有哪些主要特征？答：1）CISC計算機的主要特征有：通用寄存器結構多周期執行尋址方式多微碼控制器2）RISC計算機主要特征有：單周期執行尋址方式少硬布線控制器寄存器數量多21編輯版pppt第三章1、什么是動態流水線？答：指在同一時間內，多功能流水線中的各段可以按照不同的方式連接，同時執行多種功能的流水線。它允許在某些段正在實現某種運算時，另一些段卻在實現另一種運算。2、什么是靜態流水線？答：指在同一時間內，多功能流水線中的各段只能按同一種功能的連接方式工作的流水線。當流水線要切換到另一種功能時，必須等前面的任務都流出流水線之后，才能改變連接。22編輯版pppt答：吞吐率：在單位時間內流水線所完成的任務數量或輸出結果的數量。3、掌握流水線的性能指標的分析方法。n：任務數Tk：處理完成n個任務所用的時間23編輯版pppt加速比：完成同樣一批任務，不使用流水線所用的時間與使用流水線所用的時間之比。假設：不使用流水線（即順序執行）所用的間為Ts，使用流水線后所用的時間為Tk，則該流水線的加速比為24編輯版pppt效率：流水線中的設備實際使用時間與整個運行時間的比值，即流水線設備的利用率。當流水線各段時間相等時，流水線的效率與吞吐率成正比。

E=TP△t

流水線的效率是流水線的實際加速比S與它的最大加速比k的比值。

25編輯版pppt4、設在下圖所示的靜態流水線上計算：

流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應的流水寄存器中，試計算其吞吐率、加速比和效率。(每段的時間都為△t)26編輯版pppt解：：C=(A1+B1)*(A2+B2)*(A3+B3)*(A4+B4)

（1）選擇適合于流水線工作的算法先計算A1+B1、A2+B2、A3+B3和A4+B4；再計算(A1+B1)×(A2+B2)和(A3+B3)×(A4+B4)；然后求總的乘積結果。（2）畫出時空圖27編輯版pppt28編輯版pppt在18個△t時間中，給出了7個結果。吞吐率為：

不用流水線，由于一次求和需6△t，一次求積需4△t，則產生上述7個結果共需（4×6+3×4）△t=36△t

加速比為：（3）計算性能

流水線的效率：

29編輯版pppt5、有一條動態多功能流水線由5段組成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，各段時間均為△t，而且流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應的流水寄存器中。若在該流水線上計算:

試計算其吞吐率、加速比和效率。30編輯版pppt解:C=(A1＋B1)×(A2＋B2)×(A3＋B3)×(A4＋B4)

(1)選擇適合于流水線工作的算法應先計算A1+B1、A2+B2、A3+B3和A4+B4；再計算(A1+B1)×(A2×B2)(A3+B3)×(A4+B4)；

然后求總的結果。

(2)畫出時空圖(3)計算性能31編輯版pppt32編輯版pppt由圖可見，它在14個△t時間中，給出了7個結果。所以吞吐率為：

TP＝7／(14△t)

如果不用流水線，由于一次求積需3△t，一次求和需4△t，則產生上述7個結果共需（4×4+3×3）△t=25△t。所以加速比為：

該流水線的效率可由陰影區的面積和5個段總時空區的面積的比值求得：

33編輯版pppt6、流水線可以通過什么技術減少數據相關帶來的暫停？答：流水線可以通過定向技術減少數據相關帶來的暫停7、流水線結構相關解決方法有哪些？答：流水線結構相關解決方法有插入暫停周期、將指令存儲器和數據存儲器分離。34編輯版pppt8、減少流水線分支損失的方法有哪些？答：減少流水線分支損失的方法有：（1）凍結或排空流水線（2）預測分支轉移失敗（3）預測分支轉移成功（4）延遲分支35編輯版pppt9:、什么是結構沖突？答：計算機系統中流水線因一條指令讀取操作數訪存同時另一條指令需要執行取指令操作而發生的對存儲器爭用引起的沖突。10、什么是數據沖突？答：當一條指令需要用到前面某條指令的結果，從而不能重疊執行時，就發生了數據沖突相11、什么是控制沖突？答：當流水線遇到分支指令與其后進入流水線之間存在的沖突時，就會發生控制沖突。36編輯版pppt第五章1、可以從那幾個方面改進Cache的性能？答：可以從三個方面改進Cache的性能：（1）降低失效率（2）減少失效開銷（3）減少Cache命中時間。2、Cache平均訪問時間等于什么？答：Cache平均訪問時間＝命中時間＋失效率×失效開銷37編輯版pppt3、降低Cache減少三種失效的方法是怎樣的？答：降低Cache減少三種失效的方法是：對強制性失效的方法是：增加塊大小，預??；對容量失效的方法是：增加容量；對沖突失效的方法是：提高相聯度。4、影響Cache性能的存儲器停頓周期數等于什么？答：影響Cache性能的存儲器停頓周期數＝訪存次數×失效率×失效開銷38編輯版pppt5、Cache有哪幾種映像方式？各是如何映像的？直接映象：主存中的每一塊只能被放置到

Cache中唯一的一個位置。全相聯映象

全相聯：主存中的任一塊可以被放置到

Cache中的任意一個位置。組相聯：主存中的每一塊可以被放置到Cache中唯一的一個組中的任何一個位置。39編輯版pppt6、Cache有哪幾種替換策略？比較實現代價和訪問命中率的情況？答：1)隨機策略：隨機選取某Cache塊。最容易實現。2）LRU策略：選取近期最少使用的Cache塊。實現代價最高但有助于提高訪問命中率。3）FIFO策略：最先調入的快最先被替換出去，實現代價不高，但最早調入的快可能是最近經常使用得塊，調出后降低了命中率。40編輯版pppt7、什么是虛存、什么是Cache？它們在存儲體系中各可以解決主存的什么問題？虛擬存儲器是以存儲器訪問的局部性為基礎，建立在主-輔存體系上的存儲管理技術。它的基本思想是通過某種策略，把輔存中的信息一部分一部分地調入主存，以給用戶提供一個比實際主存容量大得多的地址空間來訪問主存，采用虛存的目的是提高CPU訪問主存的容量。在CPU與主存之間再增加一級或多級能與CPU速度匹配的高速緩沖存儲器Cache，來提高主存儲系統的性能價格比，增設Cache的目的是提高CPU訪問主存的速度。41編輯版pppt第六章1、計算機提高系統可靠性的方法有哪些？答：計算機提高系統可靠性的方法有故障避免技術、故障容忍技術、錯誤消除技術、錯誤預報技術：2、計算機I/O設備控制方式有哪些？答：計算機I/O設備控制方式有：程序查詢控制方式、中斷控制方式、DMA控制方式、I/O處理機等42編輯版pppt3、分析計算磁盤讀或寫一個512字節的扇區的平均時間是多少？假設此時磁盤空閑，公布的平均尋道時間是12ms，傳輸速度是4MB/s，轉速是7200rpm，控制器的開銷是1.5ms。答：旋轉時間=0.5*60*1000/7200=4.1667ms傳輸時間=0.512KB*1000/（4*1024KB/s）=0.125ms磁盤訪問時間=尋道時間+旋轉時間+傳輸時間+控制器時間=12ms+4.1667ms+0.125ms+1.5ms=17.79ms43編輯版pppt4、什么是RAID?它可以解決什么問題？RAID：用多塊盤構成的有一定冗余信息的可以跨越容量和可信性限制的存儲設備。

使用多個磁盤（包括驅動器）的組合來代替一個大容量的磁盤。多個磁盤并行工作，以條帶為單位把數據均勻地分布到多個磁盤上（交叉存放），條帶存放可以使多個數據讀/寫請求并行地被處理，從而提高總的I/O性能。44編輯版pppt5、RAID1、RAID5有何特點？RAID1：亦稱鏡像盤，使用完全的備份。在信息冗余程度達到100%。每當把數據寫入磁盤時，將該數據也寫入其鏡像盤，形成信息的兩個副本RAID5：是信息分布采用塊交叉模式，冗余信息采用奇偶校驗方式生成并分布在陣列各塊盤上的磁盤陣列。45編輯版pppt6、可實現塊交叉分布、冗余信息采用奇偶校驗方式生成并分布在陣列各塊盤上的磁盤陣列是哪種？答：RAID57、RAID才信息冗余程度