計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)期末考試試題及答案

1、填空題1. 從2002年以來(lái)，計(jì)算機(jī)性能的年增長(zhǎng)率下降到了約30。其主要原因是：大功耗問(wèn)題；可以進(jìn)一步有效地開(kāi)發(fā)的指令級(jí)并行性已經(jīng)很少；存儲(chǔ)器訪問(wèn)速度的提高緩慢。2. 可移植性是指一個(gè)軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺(tái)計(jì)算機(jī)移植到另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行。實(shí)現(xiàn)可移植性的常用方法有3種：系列機(jī)，模擬和仿真，統(tǒng)一高級(jí)語(yǔ)言。2. 通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)在靈活性和提高性能方面有明顯的優(yōu)勢(shì)。主要體現(xiàn)在寄存器的訪問(wèn) 速度比存儲(chǔ)器快；對(duì)編譯器而言，能更加容易有效地分配和使用寄存器；寄存器可以用來(lái)存放變量。3. MIPS的數(shù)據(jù)尋址方式只有立即數(shù)尋址和偏移量尋址。4. 向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)由所采用的向量處

2、理方式?jīng)Q定。有兩種典型的結(jié)構(gòu)；存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器型結(jié)構(gòu)和寄存器-寄存器型結(jié)構(gòu)。5. Cache-主存層次的工作由硬件實(shí)現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)程序員是透明的。6. 降低Cache不命中率最直接的方法是增加Cache的容量。不過(guò)，這種方法不但會(huì)增加成本，而且還可能增加命中時(shí)間，這種方法在片外Cache中用得比較多。7. 大多數(shù)磁盤陣列的組成可以由以下兩個(gè)特征來(lái)區(qū)分：數(shù)據(jù)交叉存放的粒度、冗余數(shù)據(jù)的計(jì)算方法以及在磁盤陣列中的存放方式。8. 時(shí)延和帶寬是用來(lái)評(píng)估互連網(wǎng)絡(luò)性能的兩個(gè)基本指標(biāo)。時(shí)延包括通信時(shí)延和網(wǎng)絡(luò)時(shí)延。9. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可分為SISD、SIMD、MISD和MIMD四類，許多早期并行處理機(jī)是SIMD計(jì)算機(jī)，近

3、年來(lái)，MIMD已經(jīng)成為通用多處理機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的選擇。這是因?yàn)镸IMD具有靈活性，并且MIMD能充分利用現(xiàn)有微處理器的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)。判斷題1. 從計(jì)算機(jī)語(yǔ)言的角度，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)把計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分成多級(jí)層次結(jié)構(gòu)，其中，第2級(jí)是操作系統(tǒng)虛擬機(jī)，第級(jí)是匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)。（錯(cuò)）2. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中提高并行性的3種途徑中，資源重復(fù)是在并行性概念中引入時(shí)間因素，加快硬件周轉(zhuǎn)而贏得時(shí)間。（錯(cuò)）3. 指令集結(jié)構(gòu)中采用多種尋址方式可能會(huì)增加實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度和使用這些尋址方式的指令的CPI。（對(duì)）4. 指令條數(shù)多，通常超過(guò)200條，是設(shè)計(jì)RISC的原則之一。（錯(cuò)）5. 根據(jù)流水線中各功能段之間是否有反饋回路，可把流水線分為線性

4、流水線和非線性流水線。（對(duì)）6. 在多級(jí)存儲(chǔ)體系中，“主存一輔存”層次的存儲(chǔ)管理實(shí)現(xiàn)主要由軟件實(shí)現(xiàn)。（對(duì)）7. 失效率和平均訪存時(shí)間都可評(píng)價(jià)存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能，它們都和機(jī)器的硬件速度有關(guān)。(錯(cuò))8. RAID的特點(diǎn)有容量大，速度快、可靠性高，同時(shí)保存數(shù)據(jù)無(wú)冗余信息。(對(duì))9. 在多處理機(jī)的互連網(wǎng)絡(luò)中，交叉開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)屬于動(dòng)態(tài)互連網(wǎng)絡(luò)。（對(duì)）10. 機(jī)群是一種價(jià)格低廉、易于構(gòu)建、可擴(kuò)縮性極強(qiáng)的并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。（對(duì)）名詞解釋1. RISC精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)是一種執(zhí)行較少類型計(jì)算機(jī)指令的微處理器2. 請(qǐng)求字優(yōu)先調(diào)塊時(shí)，首先向存儲(chǔ)器請(qǐng)求CPU所要的請(qǐng)求字。請(qǐng)求字一旦到達(dá)，就立即送往CPU，讓CPU繼續(xù)執(zhí)行，同時(shí)

5、從存儲(chǔ)器調(diào)入該塊的其余部分。3. 單一系統(tǒng)映像包含四重含義。（1）單一系統(tǒng)。盡管系統(tǒng)中有多個(gè)處理器，用戶仍然把整個(gè)機(jī)群視為一個(gè)單一的計(jì)算系統(tǒng)來(lái)使用。（2）單一控制。邏輯上，最終用戶或系統(tǒng)用戶使用的服務(wù)都來(lái)自機(jī)群中唯一一個(gè)位置。（3）對(duì)稱性。用戶可以從任一個(gè)結(jié)點(diǎn)上獲得機(jī)群服務(wù)，也就是說(shuō)，對(duì)于所有結(jié)點(diǎn)和所有用戶，除了那些具有特定訪問(wèn)權(quán)限的服務(wù)與功能外，所有機(jī)群服務(wù)與功能都是對(duì)稱的。（4）位置透明。用戶不必了解真正提供服務(wù)的物理設(shè)備的具體位置。4. 陣列處理機(jī)陣列處理機(jī)也稱并行處理機(jī)(Parallel Processor)通過(guò)重復(fù)設(shè)置大量相同的處理單元PE，將它們按一定方式互連成陣列,在單一控制部件

6、CU控制下，對(duì)各自所分配的不同數(shù)據(jù)并行執(zhí)行同一組指令規(guī)定的操作，操作級(jí)并行的SIMD計(jì)算機(jī)，它適用于矩陣運(yùn)算。5. 數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)計(jì)算一種提前計(jì)算的策略 只在當(dāng)某一個(gè)函數(shù)需要用到某一個(gè)自變量時(shí)才驅(qū)動(dòng) 對(duì)該自變量的求值操作。 按需求值，是一種滯后計(jì)算的策略。數(shù)據(jù)流計(jì)算機(jī)中驅(qū)動(dòng)方式的一種.簡(jiǎn)述題1. MIPS指令實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)通路中，操作分成了哪5個(gè)時(shí)鐘周期？對(duì)MIPS的寄存器一寄存器ALU指令和store指令請(qǐng)各寫出一條具體指令，并列出它們?cè)谠诟鱾€(gè)時(shí)鐘周期的具體操作。答：5個(gè)時(shí)鐘周期：取指令指令譯碼/讀寄存器執(zhí)行/有效地址計(jì)算存儲(chǔ)器訪問(wèn)/分支完成寫回2. 簡(jiǎn)述降低Cache失效率的方祛和原理。計(jì)算題1

7、. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中有三個(gè)部件可以改進(jìn)，這三個(gè)部件的部件加速比為：部件加速比1=30； 部件加速比2=20； 部件加速比3=10（1） 如果部件1和部件2的可改進(jìn)比例均為30%，那么當(dāng)部件3的可改進(jìn)比例為多少時(shí)，系統(tǒng)加速比才可以達(dá)到10？（2） 如果三個(gè)部件的可改進(jìn)比例分別為30%、30%和20%，三個(gè)部件同時(shí)改進(jìn)，那么系統(tǒng)中不可加速部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是多少？解：（1）在多個(gè)部件可改進(jìn)情況下，Amdahl定理的擴(kuò)展：已知S130，S220，S310，Sn10，F(xiàn)10.3，F(xiàn)20.3，得：得F30.36，即部件3的可改進(jìn)比例為36%。（2）設(shè)系統(tǒng)改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間為T，則3個(gè)部件改進(jìn)

8、前的執(zhí)行時(shí)間為：（0.3+0.3+0.2）T = 0.8T，不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間為0.2T。已知3個(gè)部件改進(jìn)后的加速比分別為S130，S220，S310，因此3個(gè)部件改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間為： 改進(jìn)后整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間為：Tn = 0.045T+0.2T = 0.245T那么系統(tǒng)中不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占的比例是：2. 有一個(gè)5段流水線，各段執(zhí)行時(shí)間均為t.其預(yù)約表如下(1)畫出流水線任務(wù)調(diào)度的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。(2)分別求出允許不等時(shí)間間隔調(diào)度和等時(shí)間間隔調(diào)度的兩種最優(yōu)調(diào)度策略，以及這兩種調(diào)度策略的流水線最大吞吐率。(3)若連續(xù)輸入10個(gè)任務(wù)，求這兩種調(diào)度策略的流水線實(shí)際吞吐率和加速比。

9、解：（1）根據(jù)初始沖突向量的構(gòu)成方法，對(duì)預(yù)約表各行中打“×”的拍數(shù)求出差值，除去重復(fù)的后匯集在一起，即得到延遲禁止表為F =1，3，6。由F可得到初始沖突向量為： C0 =（100101） 根據(jù)后繼沖突向量的遞推規(guī)則Cj = SHR（k）（Ci）C0則可得出所有的后繼狀態(tài)，具體有：100101 C0C0三個(gè)后繼狀態(tài)：C1 =SHR（2）（C0）C0 = 101101 5 C2 =SHR（4）（C0）C0 = 100111 C3 =SHR（5）（C0）C0 = 100101= C0 4 2 5 5101101 C1100111 C2C1二個(gè)后繼狀態(tài)：C4 =SHR（2）（C1）C0 =

10、 101111 C5 =SHR（5）（C1）C0 = 100101=C0 5C2二個(gè)后繼狀態(tài)：C6 =SHR（4）（C2）C0 = 100111=C2 4 2 101111 C4C7 =SHR（5）（C2）C0 = 100101=C0C4一個(gè)后繼狀態(tài)：C8 =SHR（5）（C4）C0 = 100101=C0 由后繼狀態(tài)和引起狀態(tài)轉(zhuǎn)移的時(shí)間間隔可得到狀態(tài)有向圖如上圖所示。 （2） 由狀態(tài)轉(zhuǎn)移有向圖可得到無(wú)沖突的任務(wù)調(diào)度策略及其平均延遲時(shí)間，如下表所示。調(diào)度策略 平均延遲時(shí)間 特別地，從C0出發(fā)的4，（4）也是一個(gè)任務(wù)（2，5） （2+5）t/2 = 3.5t 調(diào)度策略，除第一條有向弧外，第二條有向弧是一 （4，5） （4+5）t/2 = 4.5t 個(gè)環(huán)路，該調(diào)度策略為（4）。從表中可以得到平均 （5） 5t 延遲時(shí)間最小的等間隔和不等間隔的調(diào)度策略為 （2，2，5） （2+2+5）t/3 = 3t 4，（4）和（2，2，5），相應(yīng)的最小平均延遲時(shí) 4，（4） 4t 間為4t和3t，所以流水線的最大吞吐率為： TPAmax = 1/（4t）= 0.25/t TPBmax = 1/（3t）= 0.33/t（3）按等間隔最優(yōu)調(diào)度策略4，（4）連續(xù)輸入10個(gè)