計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作業(yè)1第1章計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基本概念一、解釋下列術(shù)語：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；計(jì)算 機(jī)組成；計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)；透明性；系列機(jī)；軟件兼 容；兼容機(jī)；模擬；仿真；虛擬機(jī)；宿主機(jī)；指 令流；數(shù)據(jù)流；Amdahl定律；CPI ； MIPS ； MFLOPS。二、硬件和軟件在什么意義上是等效的 ？在什 么意義上是不等效的？試舉例說明。三、假設(shè)高速緩存Cache工作速度為主存的5 倍，且Cache樁訪問命中的概率為90%,則采 用Cache后，能便整個(gè)存儲系統(tǒng)獲得多高的加速 比SP?第2章指令系統(tǒng)一、一臺計(jì)算機(jī)系統(tǒng)要求浮點(diǎn)數(shù)的精度不低于10 -7.2，表數(shù)范圍正數(shù)不小于10 3

2、8，且正、負(fù)數(shù) 對尾數(shù)用原碼、純小數(shù)表示，階碼用移碼、整數(shù) 表示。設(shè)計(jì)這種浮點(diǎn)數(shù)的格式。計(jì)算(1)所設(shè)計(jì)浮點(diǎn)數(shù)格式實(shí)際上能夠表示 的最大正數(shù)、最大負(fù)數(shù)、表數(shù)精度和表數(shù)效率。二、一臺處理機(jī)具有如下的指令格式13位XOP寄存器地址1 每個(gè)指令字中專門分出3位來指明選 用哪一個(gè)通用寄存器(12位);最高位用來指明它選定的那個(gè)通用寄 存器將用作變址寄存器(X=1時(shí));主存容量最大為16384字。問：假如我們不用通用寄存器也能直接訪 問主存中的每一個(gè)操作數(shù)，同時(shí)假設(shè)有用的操作 碼位數(shù)至少有7位，試問：在此情況下，地址碼 域應(yīng)分配多少位？ OP碼應(yīng)分配多少位？指令字 應(yīng)有多少位？假設(shè)條件位X=0，且指令中

3、也指明要 使用某個(gè)通用寄存器，此種情況表明指定的那個(gè) 通用寄存器將用基值寄存器。請?zhí)岢鲆粋€(gè)硬件設(shè) 計(jì)規(guī)則，使得被指定的通用寄存器能訪問主存中 的每一個(gè)位置。(3)假設(shè)主存容量擴(kuò)充到 32768字，且假定 硬件結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定不變，問采用什么實(shí)際方法 可解決這個(gè)問題？三、試回答有關(guān) RISC、CISC以及超標(biāo) 量的結(jié)構(gòu)問題就指令格式尋址方式和每條指令的 周期數(shù)CPI等方面比較RISC和CISC處理機(jī)的 指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。就指令發(fā)射，流水線和處理機(jī)性能等 方面說明標(biāo)量 RISC和超標(biāo)量 RISC之間的區(qū) 別。四、在某個(gè)程序中，簡單指令占80%,復(fù)雜指令占20%。在CISC機(jī)中簡單指令執(zhí)行需 4個(gè)機(jī)器周期，

4、復(fù)雜指令執(zhí)行需 8個(gè)周期。在 RISC機(jī)中簡單指令執(zhí)行只需1個(gè)周期，而復(fù)雜 指令要通過一串指令來實(shí)現(xiàn)。假定每條復(fù)雜指令 平均需要14條簡單指令，即需要14個(gè)周期，若 該程序中需執(zhí)行的總指令數(shù)為 1000000, TC為 100ns，那么：RISC機(jī)需執(zhí)行的指令數(shù)為多少？CISC和RISC機(jī)的CPU時(shí)間分別為多 少？RISC機(jī)對CISC機(jī)的加速比為多少？五、如指令執(zhí)行過程采用順序執(zhí)行方式，一 次重疊方式和流水線方式，它們的主要差別是什 么？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作業(yè) 2第3章存儲系統(tǒng)一、試解釋以下與高速緩存結(jié)構(gòu)有關(guān)的術(shù)語:低位存儲器交叉存?。晃锢淼刂放c虛擬地址高速緩存的比較；原子與非原子

5、存儲器存取的比較；存儲器帶寬與容錯(cuò)。二、試比較四種高速緩存組織的優(yōu)缺點(diǎn)1 直接映射高速緩存；全聯(lián)想高速緩存；組聯(lián)想高速緩存；區(qū)段映射高速緩存。三、設(shè)有一個(gè)主存儲器，它包含4個(gè)存儲器模 塊，每個(gè)模塊有256個(gè)字。再假定每個(gè)高速緩存 塊中有16個(gè)字，高速緩存的總?cè)萘渴?56個(gè)字。 使用組聯(lián)想映射將高速緩存塊定位到塊框中。高 速緩存被分成4組。說明在主存儲器的4路低位交叉存取結(jié)構(gòu) 中全部1024個(gè)字的地址分配。2 存儲器有多少塊，高速緩存有多少塊框。說明在兩層存儲器系統(tǒng)中對每個(gè)字進(jìn)行尋 址所需的位字段。表示出從主存儲器的塊到高速緩存的組的 映射關(guān)系，并解釋如何利用標(biāo)記字段在每組范圍 內(nèi)定位一個(gè)塊框。

6、四、假定有一個(gè)處理機(jī)臺數(shù)為 p的共享存儲 器多處理機(jī)系統(tǒng)。設(shè)m為典型處理機(jī)每條指令 執(zhí)行時(shí)對全局存儲器進(jìn)行訪問的平均次數(shù)。設(shè)t為共享存儲器的平均存取時(shí)間，x為使用本地存 儲器的單處理機(jī)MIPS速率，再假定在多處理機(jī) 的每臺處理機(jī)上執(zhí)行n條指令。1.根據(jù)參數(shù)m , t , x , n和p，確定多處理機(jī)的有效MIPS速率2.假設(shè)一臺多處理機(jī)有 p =32臺RISC 處理機(jī)，m =0. 4, t =1us,要使多處理機(jī)的有效 性能達(dá)到56MIPS,需要每臺處理機(jī)的MIPS速率 是多少（即x =?）?第4章輸入輸出系統(tǒng)一、某磁盤存儲器轉(zhuǎn)速為 3000轉(zhuǎn)/ min，共 有4個(gè)記錄面，每道記錄信息為 12

7、288B,最小 磁道直徑為230mm，共有275道。問：磁盤存儲器的存儲容量是多少？2最高位密度是多少？3.磁盤數(shù)據(jù)傳輸率是多少？二、已知某磁盤存儲器的轉(zhuǎn)速為 2400轉(zhuǎn)/ min，每個(gè)記錄面道數(shù)為200道，平均查找時(shí)間 為60ms，每遭存儲容量為96Kbit，求磁盤的平 均存取時(shí)間與數(shù)據(jù)傳輸串。三、在用于數(shù)據(jù)庫事務(wù)處理的計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 中，有以下兩種IO系統(tǒng)：1 系統(tǒng)A每秒鐘支持1000個(gè)IO操作。2.系統(tǒng)B每秒鐘支持750個(gè)IO操作。 以上兩種系統(tǒng)使用同樣的 CPU，其處理速 度為50MIPS，假定每次事務(wù)處理需 5個(gè)IO操 作，每個(gè)10操作需10000條指令。忽略其他的 延遲，問以上兩種系統(tǒng)

8、的最高事務(wù)處理速度是多 少？四、常用的直接存儲器訪問方式（DMA）有哪幾 種？它們的工作原理和主要優(yōu)缺點(diǎn)各是什么？五、有5個(gè)中斷源 D1、D2、D3、D4、和 D5,它們的中斷優(yōu)先級從高到低分別是 1級、2 級、3級、4級和5級，這些中斷源的中斷優(yōu)先 級、正常情況下的中斷屏蔽碼和改變后的中斷屏 蔽碼見表4. 5所示。每個(gè)中斷源有5位中斷屏 蔽碼，“O ”表示該中斷開放，“ T表示該中斷 被屏蔽。表4. 5 5個(gè)中斷源的中斷優(yōu)先級和屏蔽碼中中正常中斷屏蔽碼改變后的中斷屏蔽斷斷碼源優(yōu)D1D2D3D4 D5D1D2D3D4D5名先稱級D111111 110000D220111 101000D3300

9、11 110100D440001111011D550000111101當(dāng)使用正常的中斷屏蔽碼時(shí)，處理機(jī)響 應(yīng)各中斷源的中斷服務(wù)請求的順序是什么 ？實(shí)際 的中斷處理次序是什么？當(dāng)使用改變后的中斷屏蔽碼時(shí)，處理機(jī)響應(yīng)各中斷源的中斷服務(wù)請求的順序是什么 ？實(shí) 際的中斷處理次序是什么？計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作業(yè) 3第5章標(biāo)量處理機(jī)與流水線一、在一臺單流水線多操作部件的處理機(jī)上 執(zhí)行下面的程序，取指令、指令譯碼各需要一個(gè) 時(shí)鐘周期，MOVE、ADD和MUL操作分別需 要2個(gè)、3個(gè)和4個(gè)時(shí)鐘周期。每個(gè)操作都在第 一個(gè)周期從通用寄存器中讀操作數(shù)，在最后一個(gè) 時(shí)鐘周期把運(yùn)算結(jié)果寫到通用寄存器中。k:MOVER1 ,

10、RO; RI (RO )k+l:MULRO , R2 , R1 ; RO (R2 ) x ( R1 )k+2:ADDRO, R2 , R3 ; RO (R2 ) + ( R3 )1 就程序本身而言，可能有哪幾種數(shù)據(jù)相 關(guān)？在程序?qū)嶋H執(zhí)行過程中，有哪幾種數(shù)據(jù) 相關(guān)會引起流水線停頓？畫出指令執(zhí)行過程的流水線時(shí)空圖，并 計(jì)算執(zhí)行完這三條指令共使用了多少個(gè)時(shí)鐘周 期。二、一條線性靜態(tài)多功能流水線由6個(gè)功能 段組成，加法操作使用其中的1、2、3、6功能 段，乘法操作使用其中的1、4、5、6功能段， 每個(gè)功能段的延遲時(shí)間均相等。流水線的輸入端 與輸出端之間有直接數(shù)據(jù)通路，而且設(shè)置有足夠 的緩沖寄存器?，F(xiàn)在

11、用這條流水線計(jì)算：F =6(A Bi)。i 1要求獲得最好的性能。畫出流水線時(shí)空圖，井計(jì)算流水線韻實(shí)際吞吐率、加速比和效率三、在下列不同結(jié)構(gòu)的處理機(jī)上運(yùn)行 8x8的 矩陣乘法C: A x B，計(jì)算所需要的最短時(shí)間。 只計(jì)算乘法指令和加法指令的執(zhí)行時(shí)間，不計(jì)算 取操作數(shù)、數(shù)據(jù)傳送和程序控制等指令的執(zhí)行時(shí) 間。加法部件和乘法部件的延遲時(shí)間都是 3個(gè)時(shí) 鐘周期，另外，加法指令和乘法指令還要經(jīng)過一 個(gè)“取指令”和“指令譯碼”的時(shí)鐘周期，每個(gè) 時(shí)鐘周期為20 ns, c的初始值為“ 0”。備操作部 件的輸出端有直接數(shù)據(jù)通路連接到有關(guān)操作部 件的輸入端，在操作部件的輸出端設(shè)置有足夠容 量的緩沖寄存器。處理

12、機(jī)內(nèi)只有一個(gè)通用操作部件，采用 順序方式執(zhí)行指令。單流水線標(biāo)量處理機(jī)，有一條兩個(gè)功能 的靜態(tài)流水線，流水線每個(gè)功能段的延遲時(shí)間均 為一個(gè)時(shí)鐘周期，加法操作和乘法操作各經(jīng)過 3 個(gè)功能段。第6章向量處理機(jī)一、試解釋下列與向量處理有關(guān)的術(shù)語向量和標(biāo)量的平衡點(diǎn)；用戶代碼的向量化比例；向量化編譯器或量化器；向量歸約指令；收集和散播指令；稀疏矩陣和屏蔽指令。二、在下列的處理機(jī)上計(jì)算 S = 7 (Xi a)，求i 01最短執(zhí)行時(shí)間。向量 X和標(biāo)量a在內(nèi)存中，從 內(nèi)存讀一個(gè)數(shù)據(jù)到寄存器需要10ns，做一次乘法需要20ns,做一次加法需要15ns,取指令、 譯碼、讀寄存器、寫寄存器的時(shí)間忽略不計(jì)。寫 出主要

13、計(jì)算步驟。(1)向量處理機(jī)，有訪問存儲器、乘法、加法 三個(gè)獨(dú)立的操作部件，三個(gè)操作部件均采用流水 線結(jié)構(gòu)，流水線周期為5nso (求最后4個(gè)數(shù)的乘 積可以用標(biāo)量流水線方法計(jì)算)三、解釋下列術(shù)語：向量流水處理；分段開采； 鏈接技術(shù)：向量和標(biāo)量的平衡點(diǎn)；向量循環(huán)；向 量遞歸；向量流水線流過時(shí)間；半性能向量長度； 最大性能。四、敘述向量流水處理的主要特點(diǎn)，它與標(biāo)量 流水相比有何不同之處?五、向量流水機(jī)的工作方式可分為哪兩大類 ?它們的主要特點(diǎn)是什么?計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作業(yè) 4第7章互連網(wǎng)絡(luò)一、解釋下列術(shù)語：互連網(wǎng)絡(luò)；靜態(tài)網(wǎng)絡(luò)； 動態(tài)網(wǎng)絡(luò)；結(jié)點(diǎn)度；網(wǎng)絡(luò)直徑；選播；廣播；通 道流量；網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延。二、解釋下列與網(wǎng)絡(luò)通信模式有關(guān)的術(shù)語1 單播與選播；廣播與會議；通道流量或網(wǎng)絡(luò)流量；4 網(wǎng)絡(luò)通信時(shí)延。第8章SIMD計(jì)算機(jī)一、解釋下列概念：空間并行性；時(shí)間并行性; 共享存儲器結(jié)構(gòu)；分布式存儲器結(jié)構(gòu)；標(biāo)量處理 機(jī)；尋徑功能。二、區(qū)別與比較以下幾個(gè)術(shù)語：并行處理機(jī)； SIMD計(jì)算機(jī)；陣列處理機(jī)。三、簡述SIMD計(jì)算機(jī)的分布式存儲器結(jié)構(gòu)與