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計算機體系結構》期末復習題答案

系別班級姓名學號

一、填空題（每空1分）

1.按照弗林（Flynn）分類法，計算機系統可以分為4類：SISD計算機、（SIMD計算

機）、（MISD計算機）和（M1MD計算機）。

2.改進之后的馮？諾依曼計算機的只要特點是存儲器為中心，總線結構，分散控制。

3.當前計算機系統中的存儲系統是一個層次結構，其各層分別為：（通用寄存器，高速緩存，

主存，輔存，脫機大容量存儲器）。

4.高速緩沖存儲器的地址映象方式有三

種，它們分別是：（全向量方式，直接相聯方式，組

相聯方式）。

5.虛擬存儲器的三種管理方式是（段式管理，頁式管理和段頁式管理）。

6.目前計算機中常用數據有（用戶定義數據，系統數據和指令數據）三種類型。

7.通常可能出現的流水線的相關性有（資源相關，數據相關和控制相關）。

8.解決中斷引起的流水線斷流的方法有（不精確斷點法和精確斷點法）。

9.目前向量處理機的系統結構有兩種：（存儲器一存儲器型和寄存器一寄存器型）。

10.通用計算機基本指令分為5類，它們分別是：（數據傳送類，運算類，程序控制類，輸入

輸出類，處理機控制和調試類）。

11.執行指令x1=x2+x3；x4=x1-x5會引起（RAW）類型的數據相關，執行指令x5=x4*x3；

x4=x0+x6會引起（WAR）類型的數據相關，執行指令x6=x1+x2；x6=x4*x5會引起

（WAW）類型的數據相關。

12.多計算機網絡中，通常出現的4種通信模式是（單播模式，選播模式，廣播模式和會議模

式）。

13.傳統的馮？諾依曼計算機是以控制驅動方式工作，以數據驅動方式工作的典型計算機是（數

據流計算機），以需求驅動方式工作的典型計算機是（歸約機），以模式匹配驅動方式工作

的典型計算機是（人工智能計算機）。

、名詞解釋（每題2分）

1.計算機體系名吉構：計算機系統結構就是計算機的機器語言程序員或編譯程序編寫者

所看到的外特性，是硬件子系統的概念結構及其功能特性。

2.系列機：

所謂系列機是指同一廠家生產的具有相同的系統結構，但采取了不同的組成和實現的技術

方案，形成了不同型號的多種機型。

3.模擬：

模擬是指用軟件的方法在一臺計算機上，實現另一臺計算機的指令系統，被模擬的機器

是不存在的，稱為虛擬機，執行模擬程序的機器稱宿主機。

4.程序的局部性原壬里：程序訪問局部性原理說明了計算機在程序執行過程中呈現出

的一種規律，即程序往往重精品文檔

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復使用它剛剛使用過的數據和指令。局部性分為時間上的局部性和空間上的局部性兩種。

謂時間局部性是指近期被訪問的代碼，很可能不久又將再次被訪問；空間局部性是指地址上

相鄰近的代碼可能會被連續地訪問。

5.MIPS：

它表示每秒百萬條指令數。

6.高速緩沖存儲器：高速緩沖存儲器是

存在于主存與CPU之間的一級存儲器，由靜態存儲芯片（SRAM）組成，容量比較小但速度比

主存高得多，接近于CPU的速度。

7.虛擬存儲器：

虛擬存儲器是由主存儲器和輔助存儲器組成，通過必須的軟件和硬件的支持，使得CPU

可以訪問的存儲器具有近似于主存的速度和近似于輔存的容量。

8.快表：

為了提高地址轉換速度，縮短查表時間，采用一個小容量的、高速的相關存儲部件，用

來存放當前最經常用到的那一部分頁表，采取按內容相聯方式進行訪問。這樣，查頁表的時

間就相當于訪問小容量的相關存儲器的時間，從而大大地提高了速度，這個小容量相關存儲

器稱為快表。

9.程序定位：

把一個程序交給處理機運行，必須首先把這個程序的指令和數據裝入到主存儲器中。一

般情況下，程序所分配到的主存物理空間與程序本身的邏輯地址空間是不同的，把指令和數

據中的邏輯地址（相對地址）轉變成主存物理地址（絕對地址）的過程稱為程序定位。

10.延遲車專移技術：為了使指令流水線不斷流，在轉移指令之后插入一條不相關的有效

的指令，而轉移指令被延遲執行，這種技術稱為延遲轉移技術。

11.窗口重疊技術：為了能更簡單、更直接地實現過程與過程之間的參數傳遞，大多數

RISC機器的CPU中都設置有數量較大的寄存器組，讓每個過程使用一個有限數量的寄存器窗

口，并讓各個過程的寄存器窗口部分重疊，這就是窗口重疊技術。

12.流水線技術：

把一個重復的時序過程分成若干個子過程，每個子過程都可以有效地在其專用功能段上

和其他子過程同時執行的一種技術，稱為流水線技術。

13.動態流水線：

動態流水線在同一時間內允許按多種不同運算的聯結方式工作。

14.靜態流水線：

靜態流水線在同一時間內只能按一種運算的聯結方式工作。

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15.線性流水線:

線性流水線中，從輸入到輸出，每個功能段只允許經過一次，不存在反饋回路。

16.非線性流水線：

非線性流水線存在反饋回路，從輸入到輸出過程中，某些功能段將數次通過流水線，這

種流水線適合于進行線性遞歸的運算。

17.流水線的吞吐率：

流水線單位時間完成的任務數。

18.超流水線計算機：超級流水線結構是把每一個流水線(一個周期)分成多個

(例如3個)子流水線，而在每一個子流水線中取出的仍只有一條指令，但總的來看，在

一個周期內取出了三條指令。即在一個時鐘周期內能夠分時發射多條指令的處理機。

19.向量的分段開采技術：

當向量的長度大于向量寄存器的長度時，必須把長向量分成長度固定的段，采用循環結

構處理這個長向量，這種技術稱為向量循環開采技術，也稱為向量分段開采技術。

三、簡答題(每題5分)

1.什么是存儲系統？答：存儲系統是兩個或兩個以上的速度、容量、價格不同的存

儲器采用硬件，軟件或軟、硬件結合的辦法聯結成一個系統，使得整個系統看起來象一個存儲

器，其速度接近其中最快的一個，容量接近其中最大的一個，價格接近其中最便宜的一個。

2.簡述全相聯映象規則。

答：

(D主存與緩存分成相同大小的數據塊。

(2)主存的某一數據塊可以裝入緩存的任意一塊空間中。

3.簡述直接相聯映象規則。

答：

(D主存與緩存分成相同大小的數據塊。

(2)主存容量應是緩存容量的整數倍，將主存空間按緩存的容量分成區，主存中每一區的塊數

與緩存的總塊數相等。

(3)主存中某區的一塊存入緩存時只能存入緩存中塊號相同的位置。

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4.引起Cache與主存

內容不一致的原因是什么？為了保持Cache的一致性，

在單計算機系統中一般采取哪些措施？

答：不一致的原因：

(1)由于CPU寫Cache,沒有立即寫主存

(2)由于I/O處理機或1/0設備寫主存

采取措施：

(1)全寫法，亦稱寫直達法(WT法一Writethrough)方法：在對Cache進行寫操作的同

時，也對主存該內容進行寫入。

(2)寫回法(WB法一Writeback)方法：在CPU執行寫操作時，只寫入Cache,不寫入主

存。

5.影響虛擬存儲器命中率的因素有哪些？它們是如何影響的？

答：(1)頁面大小：當頁面比較小時，隨著頁面的增大，命中率明顯提高，但當頁面增大到一

定值時，命中率不再增大，而隨著頁面的增大而下降。

(2)主存容量：當主存容量增加時，命中率不斷提高；當容量增大到一定程度后，命中率的提

高就不大了。

(3)頁面調度方式：頁面的調度都是發生在產生缺頁中斷時進行，因此在程序剛開始運行時命

中率很低，為此可以采用預取式調度法，提高命中率。

6.模擬與仿真的主要區別和適合場合是什么？答：模擬是指用軟件的方法

在一臺計算機上，實現另一臺計算機的指令系統，被模擬的機器是不存在的，稱為虛擬機，

執行模擬程序的機器稱宿主機。由于模擬采用純軟件解釋執行方法，因此運行速度較慢，實時

性差。因此只適合于移植運行時間短，使用次數少，而且在時間上沒有約束和限制的軟件。

仿真是指用微程序的方法在一臺計算機上實現另一臺計算機的指令系統。執行微程序的

機器為宿主機，被實現的為目標機。仿真的運行速度比模擬快，但仿真計算機的系統結構，因

此對于系統結構差別較大的機器難于用仿真的方法實現軟件移植。

7.什么是程序直接定位方式？什么是程序靜態定位方式？答：⑴

直接定位方式程序員在編寫程序時或編譯程序對源程序進行編譯時，就已經確切知道該程序

應占用的主存物理空間。因此可以直接使用實際主存物理地址來編寫或編譯程序。目前大多不

用這種方式。

(2)靜態定位方式專門用裝入程序來完成并要求程序本身可以重定位。在程序裝入主存的

過程中，把那些帶有標識的指令或數據中的邏輯地址全部變成主存的物理地址，集中一次完

成地址變換，一旦裝入主存就不能再變動了。

8.什么是程序動態定位方式？

答：動態定位方式是利用類似變址尋址方法，有硬件支持完成。程序裝入主存時，指令或數

據地址不作修改，只把主存的起始地址裝入該程序對應的基址寄存器中。在程序運行時，利

用地址加法器，指令中的邏輯地址與已經存放在基址寄存器中的程序起始地址相加，就形成

了主存的物理地址。指令的地址碼不需全部修改。

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9.什么是指令的重疊解釋方式？重疊解釋方式有哪三種？

答：所謂重疊解釋方式，即是在兩條相鄰指令的解釋過程中，某些不同解釋階段在時間上存

在重疊部分。重疊解釋方式分三種：一次重疊、先行控制技術和多操作部件并行。

10.什么是數據相關，數據相關沖突可分為哪三種類型？答：數據相關是

在幾條相近的指令間共用相同的操作數時發生的。例如，指令部件中的某一條指令在進行操

作數地址計算時要用到一個通用寄存器的內容，而這個通用寄存器的內容又要由這條指令前的

另一條指令產生，但前面那條指令還未進入執行部件，還未產生通用寄存器的內容，這時指

令部件中的那條指令只能停下來等待。

數據相關沖突可分為RAW、WAR和WAW三種類型。

11.如有一個經解釋實現的計算機，可以按功能劃分成4級。每一級

為了執行一

條指令需要下一級的N條指令解釋。若執行第一級的一條指令需

K(ns)時間，那

么執行第2、3、4級的一條指令各需要用多少時間(ns)?

解：??,第二級的一條指令需第1級的N條指令解釋

.?.第二級的一條指令執行時間為NKns;

第三級的一條指令執行時間為N2Kns；

第四級的一條指令執行時間為N3Knso

12.假設將某系統的某一部件的處理速度加快到10倍，但該部件的原

處理時間僅

為整個運行時間的40%,則采用加快措施后能使整個系統的性能提高

多少？解：由題意可知fe=0.4,re=10,根據AmdahI定律

Te11

T?11

M?1.M

,T。(10.4)0.4/100.64

13.若某機要求有：三地址指令4條，單地址指令192條，零地址指

令16條。

設指令字長為12位，每個地址碼長3位。問能否以擴展操作碼為其

編碼？

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14.簡述馮。諾依曼計算機的特征。

答：一般認為其主要特征有以下幾點：

⑴機器以運算器為中心。除了完成運算以外，機器內部的數據傳輸都經過運算器。各部件的操

作以及它們之間的協調由控制器集中控制。

⑵存儲器按一維線性編址，順序訪問存儲器地址單元，每個存儲單元的位數固定。

(3)程序存儲，指令和數據無區別存放在存儲器中，指令和數據一樣可以送到運算器中進行

運算，指令與數據的區別主要在于地址區域不同。

(4)指令在存儲器中按其執行順序存放，由一個順序控制器(亦稱程序計數器或指令計數器)

指定即將被執行的指令地址。每讀取一條指令后，計數器自動按順序遞增。

⑸指令由操作碼和地址碼組成，操作碼指明操作類型，地址碼指明操作數的地址和結果地

址。

(6)數據以二進制表示。

15.試述頁式管理虛擬存儲器的工作過程。答：頁式管理是將主存空間與虛存

空間按固定的大小劃分成塊，每塊稱為一頁。頁的大小和劃分與程序的邏輯功能無關，由操

作系統軟件來執行。一般而言，一頁的大小應該是512Bit的整數倍，因為輔助磁盤存儲的

物理塊的大小為512Bito虛頁中的頁稱為虛頁，實存中的各頁稱為實頁，各虛頁與實頁之

間按全相聯方式映象，也就是虛頁中的一頁，可以存入主存中的任意一頁的位置。當CPU給

出所要訪問的虛地址后，根據用戶號訪問基址寄存器，求得用戶的頁表首地址Pa,然后與虛地

址中的虛頁號P相加，得到該頁的表目，由此表目中得到該頁存入主存中的實頁號為P,將該

頁號讀出與頁內地址組裝即可得到主存的實際地址。

16.簡述計算機系統結構用軟件實現和用硬件實現各自的優缺點

答：硬件實現：速度快、成本高；靈活性差、占用內存少。

軟件實現：速度低、復制費用低；靈活性好、占用內存多。

17.簡述字節多路、數組多路和選擇通道的數據傳送方式。

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答：

(1)字節多路通道：用于連接多臺慢速外設，一般采用字節交叉傳送數據的方式，即連接在通

道上的各個設備輪流占用一個很短的時間片(通常小于100微秒)傳輸一個字節。

(2)選擇通道：是指每一個通道連接一臺高速外設，也可以連接多臺相同的高速外設，但通道

只能對各臺外設串行服務。當某一設備工作時，則通道與該設備相連，一直到整個數組傳送

完后，才可能轉向為其他設備服務。

(3)數組多路通道：數組多路通道是字節多路通道與選擇通道工作方式的綜合，是在數組傳送

的基礎上，再分時為多個高速外設服務。它每次選擇一個高速設備后傳送一個數據塊，并輪流

為多臺外圍設備服務。每臺高速外設，如磁盤，其工作時間有尋址時間與傳送時間之分。而

尋址時間很長，在這段時間中并不需要通道的控制，所以是通道空閑時間，那么通道可以為其

他準備好的高速外設服務。

四'問答與計算題(每題15分)

1.某機主存容量為512KB,Cache的容量為32KB,每塊的大小為

16個字(或

字節)。劃出全相聯方式主、緩存的地址格式'目錄表格式及其容

量

答：主存塊數：512K/16=32K=2,5；緩存塊數：32K/16=2K=2"；塊內地址：16=2"

18430

26121110

目錄表主存塊地址緩存塊地址有效位

主存塊號Bi塊內地址

14430

緩存塊號Bi塊內地址

容量:與緩沖塊數量相同即2"=2048(或32K/16=2048)(.

2.主存容量為512KB,Cache的容量為32KB,每塊為64個字(或

字節)，緩

存共分128組。劃出組相聯方式主、緩存的地址格式、目錄表

格式及其容量。答：主存區數：512K/32K=16=2"；緩存組數：128=2'；緩存塊

數：32K/64=512=2，組內塊數：512/128=4=22；塊內地址：64=26

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主存地址區號組號塊號塊內地址

1487650

緩存地址組號緩存塊號塊內地址

8543210

目錄表區號塊號緩存塊號有效位

容量：與緩沖塊數量相同即29=512(或32K/64=512)。

3.什么是方體置換？寫出方體置換函數的表達式，假設互聯網有16

個結點，請畫出4個方體置換函數(即CO,C1,C2,03)的

輸入端與輸出端的連接

答：方體置換是實現二進制地址編號中第k位位值不同的輸入端輸出端之間的連接。其表達

式為：Ck(XnlXn2XklXkXklXo)(XnlXn2XklXkXklXo)

CO立方置換函數：Co(X3X2X1X0)(X3X2X1X°)

0000

0001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

1010

1011

1100

1101

1110

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1111

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C1立方置換函數：G（X3X2X1X。）（X3X2X1X。）

0000--------------S./--------------0000

00010001

00100010

OOH0011

01000100

01010101

OHO0110

0111___________________________________0111

1000-------------X./--------------1000

10011001

10101010

10111011

1100---------------、,----------------1100

1101----------------------------------------------------------1101

mo-------------------------------------------------------------1110

1111_________/1111

C2立方置換函數：C2(X3X2X1X0)(X3X2X1X0)

0000---------------、/---------------0000

0001---------------/--------------------------------0001

0010------------------------------------------------------0010

0011----0006----0011

0100_________/X/X/vx_________0100

01010101

0110_________//^\\__________0110

0111_________/X__________0111

1000-------------------------------------/-----------------1000

1001---------------//--------------------------------1001

1010-------------------------------------------------------1010

1011----dOOC----1011

1100-----------------1100

1101-----------------1101

1110________//\\----------------1110

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1111________/X_________1111

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C3立方置換函數：C2(X3X2X|X0)=(X3X2X|XO)0000

00000001

oooi_______AZ_______ooio

工EE

1101—'::

mo-----------!y-----------1111

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4.在頁式虛擬存儲器中，一個程序由P1-P5共5個頁面組成。在程序

執行過程中依次訪問的頁面如下：P2,P3,P2,P1,P5,P2,P4,P5,

P3,P2,P5,P2

假設系統分配給這個程序的主存有3個頁面，分別采用FIFO、LFU

和OPT三種頁面替換算法對這3頁主存進行調度。

（1）畫出主存頁面調入'替換和命中的情況表

（2）統計三種頁面替換算法的頁命中率。

解：三種替換算法的替換過程：

頁地址流232152453252

222,*55產,?3331*

FIFO333蘆2227*尹55

命中311,*44444*2

調調命調替替替命替命替替

進進中進換換換中換中換換

222152453252

LRU33215245325

命中5>?r*,?苦I*苦1*產

調調命調替命替命替替命命

進進中進換中換中換換中中

2222產?*>*4*222

OPT333333333

命中6，*5555555

調調命調替命替命命替命命

也進市進換市換市中換市市

5.一個有快表和慢表的頁式虛擬存儲器，最多有64個用戶，每個用戶最

多要用1024個頁面，每頁4K字節，主存容量8M字節。

（1）寫出多用戶虛地址的格式，并標出各字段的長度。

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（2）寫出主存地址的格式，并標出各字段的長度。

（3）快表的字長為多少位？分幾個字段？各字段的長度為多少位？

（4）慢表的容量是多少個存儲字？每個存儲字的長度為多少位？答：用戶

號：64=26,虛頁號：1024=210,頁內地址：4K=2",主存頁數：8M/4K=2"（1）多用戶虛地

址：

用戶號（6位）+虛頁號（10位）+頁內地址（12位）共28位

（2）主存地址：

主存實頁號（11位）+頁內地址（12位）共23位

（3）快表字長27位；分3個字段：用戶號6位，虛頁號10位，實頁號11位（4）慢表容

量為2⑻8，每個存儲字長為：主存頁號+1=12位。

6.一個程序由五個虛頁組成，采用LFU替換算法，在程序執行過程中依

次訪

問的地址流如下：

4,5,3,2,5,1,3,2,3,5,1,3

1）可能的最高頁命中率是多少？

2）至少要分配給該程序多少個主存頁面才能獲得最高的命中率

3）如果在程序執行過程中訪問一個頁面，平均要對該頁面內的存儲單

元訪問

1024次，求訪問存儲單元的命中率。

解：（1）由于在頁地址流中互不相同的頁共有5頁，因此最多分配5個主存頁面就可獲

得最高頁中命中率，可能的最高命中率為

,1257

1212

（2）因為LFU替換算法為堆棧型換算法，即隨著分配給該程序的主存頁面數的減少，其命中

率單調遞減，所以為獲得最高命中率H=7/12,可采用逐步減少所分配的主存頁

數的方法來推算，若分配n個主存頁面時可獲得最高命中率，但分配n-1個頁面時命

中率卻減少，則此時我們可以得出這樣的結論：至少要分配給該程序n個主存頁面才能獲得

最高的命中率。

由表可知，至少要分配給該程序4個主存頁面才能獲得最高的命中率。

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頁地址流453251322513

S(1)453251322513

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堆S(2)45325133251

棧S(3)4532511325

內S(4)443255132

容S(5)4444444

S(6)

n=1H

實n=2H

頁n=3HH

數n=4HHHHH

n>=5HHHHHH

HH

H

3）訪問存儲單元的命中率為

1024125

H---------------0.99959

102412

值得說明的是，在此例中，盡管LFU屬于堆棧替換算法，但是分配的實際頁數n也并

不是越多越好，當命中率H達到飽和后，實際頁數n的增加不僅不會提高命中率，反而會使實存的

利用率下降。

8.假設一臺模型計算機共有10種不同的操作碼，如果采用固定長操作碼

?=1='rtih

而支

4位。已知各種操作碼在程序中出現的概率如下表所示，計算采用

Huffman編碼法的操作碼平均長度，并計算固定長操作碼和Huffman操

作碼的信息冗余量（假

設最短平均長度H=3.1位）。

指令序號指令序號指令使用頻度Pi

指令使用頻度Pi

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110.17I60.09

I20.15I70.08

I30.15I80.07

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I40.13I90.03

I50.121100.01

答：構造Huffman樹如下:

Huffman編碼如下表：

0.40

><E><3L><0.08^<^09^>〈0.13

指令使指令使

指令號Huffman碼長指令號Huffman碼長

用頻度Pi編碼用頻度Pi碼

110.17102I60.0901104

I20.150003I70.0801114

I30.150013I80.0711104

I40.130103I90.03111105

I50.1211031100.01111115

Huffman編碼的平均碼長為：

10Pil,0.172(0.150.150.130.12)3(0.090.080.07)4(0.03

0.01)5ii

3.15

冗余量=(3.15-3.10)/3.15=1.59%

固定碼長：Iog2"=4

冗余量=(4-3.10)/4=22.5%

8.一臺模型機的各條指令的頻度如下：

ADD（加）：43%SHR（右移）：1%

SUB（減）：13%CLL（循環左移）：2%

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JOM（按頁轉移）：CLA（累加器清0）：

6%22%

STO（存）：5%

試設計這9條指令的哈夫曼編碼的篇馬表示以及2-4等長擴展操作

1.00

碼表示，并計算這兩種表示的平均操作碼長度。

?10.57

答：構造Huffman樹如下：022

0.09,0

0.09oo

0.04

01010

Huffman編碼如下表:

指令使用Huffman編2-4擴展

指令碼長碼長

頻度Pi碼碼

ADD0.4301002

CLA0.221003012

SUB0/p>

JMP0.071100410014

JOM0.061101410104

STO0