計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

習(xí)題一1、解釋下列術(shù)語(yǔ)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的外特性:通常所講的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的外特性是指機(jī)器語(yǔ)言程序員或編譯程序編寫者所看到的外特性，即由他們所看到的計(jì)算機(jī)的基本屬性(概念性結(jié)構(gòu)和功能特性)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的內(nèi)特性：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員所看到的基本屬性，本質(zhì)上是為了將有關(guān)軟件人員的基本屬性加以邏輯實(shí)現(xiàn)的基本屬性。模擬：模擬方法是指用軟件方法在一臺(tái)現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)另一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)?？梢浦残裕涸谛滦吞?hào)機(jī)出臺(tái)后，原來開發(fā)的軟件仍能繼續(xù)在升級(jí)換代的新型號(hào)機(jī)器上使用，這就要求軟件具有可兼容性，即可移植性。可兼容性是指一個(gè)軟件可不經(jīng)修改或只需少量修改，便可由一臺(tái)機(jī)器移植到另一臺(tái)機(jī)器上運(yùn)行，即同一軟件可應(yīng)用于不同環(huán)境。Amdahl定律：系統(tǒng)中對(duì)于某一部件采用某種更快的執(zhí)行方式所能獲得的系統(tǒng)性能改進(jìn)程度，取決于這種執(zhí)行方式被使用的頻度或占總執(zhí)行時(shí)間的比例。虛擬機(jī)(VirtualMachine)：指通過軟件模擬的具有完整硬件系統(tǒng)功能的、運(yùn)行在一個(gè)完全隔離環(huán)境中的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。6、7、假定求浮點(diǎn)數(shù)平方根的操作在某臺(tái)機(jī)器上的一個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試程序中占總執(zhí)行時(shí)間的20%，為了增強(qiáng)該操作的性能，可采用兩種不同的方法：一種是增加專門的硬件，可使求浮點(diǎn)數(shù)平方根操作的速度提高為原來的20倍；另一種方法是提高所有浮點(diǎn)運(yùn)算指令的速度，使其為原來的2倍，而浮點(diǎn)運(yùn)算指令的執(zhí)行時(shí)間在總執(zhí)行時(shí)間中占30%。試比較這兩種方法哪一種更好些。答：增加硬件的方法的加速比S=1=1.23,P1(1-0.2)+0.2/20另一種方法的加速比Sp2=(]03：03/2=1.176，經(jīng)計(jì)算可知Sp1>Sp2第一種方法更好些。9、假設(shè)高速緩存Cache的工作速度為主存的5倍，且Cache被訪問命中的概率為90%，則采用Cache能使整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)獲得多高的加速比?答：加速比$=L=竺，其中tm=5tc，代入公式，T'tcx90%+(tm+tc)x10%得到加速比S=3.33。11、Flynn分類法的依據(jù)是什么，它與按“并行級(jí)”和“流水級(jí)”的分類方法有什么不同？答：Flynn分類法的依據(jù)是指令流和數(shù)據(jù)流多倍性概念進(jìn)行分類的。而“并行級(jí)"和“流水級(jí)''的分類方法是根據(jù)子系統(tǒng)的并行程度及流水線處理程度進(jìn)行分類的方法。13、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分，通常分為那幾個(gè)層次，這種劃分方法有什么意義？答：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能可劃分成多層次結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)上是操作系統(tǒng)級(jí)、匯編語(yǔ)言級(jí)、高級(jí)語(yǔ)言級(jí)和應(yīng)用語(yǔ)言級(jí)，在下面的是微程序機(jī)器級(jí)以及擴(kuò)展級(jí)電子線路。這種劃分方法的意義是：有助于理解各級(jí)語(yǔ)言的實(shí)質(zhì)及實(shí)現(xiàn)，分層后，處在某一級(jí)虛擬機(jī)的程序員只需知道這一級(jí)的語(yǔ)言及虛擬機(jī)，至于這一級(jí)語(yǔ)言如何層次地經(jīng)翻譯或解釋直到下面的實(shí)際機(jī)器級(jí)，則無(wú)需知道。習(xí)題二1、解釋下列術(shù)語(yǔ)CPIMIPSMFLOPS基準(zhǔn)測(cè)試程序性能算術(shù)平均值性能幾何平均值2、衡量計(jì)算機(jī)性能的主要標(biāo)準(zhǔn)是什么？為什么它是最可靠的衡量標(biāo)準(zhǔn)？答：衡量計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能可采用各種尺度，最常用的是時(shí)間和速率，但最為可靠的衡量尺度是時(shí)間。例如響應(yīng)時(shí)間、CPU時(shí)間等。由于系統(tǒng)CPU時(shí)間很難精確統(tǒng)計(jì)，誤差較大，故采用用戶CPU時(shí)間作為衡量時(shí)間比較妥當(dāng)。但在衡量無(wú)負(fù)載系統(tǒng)時(shí)，采用響應(yīng)時(shí)間比較合適。用時(shí)間來作為計(jì)算機(jī)的衡量標(biāo)準(zhǔn)直觀、準(zhǔn)確，適用于各種情況的衡量，所以時(shí)間是最可靠的衡量標(biāo)準(zhǔn)。4、計(jì)算機(jī)持續(xù)性能的表示常用哪3種平均值表示？列出他們的公式，并比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。答：持續(xù)性能(SustainedPerformance)的表示常用算術(shù)平均(ArithmeticMean)、幾何平均(GeometricMean)和調(diào)和平均(HarmonicMean)3種平均值方法，其計(jì)算公式如下:T.nf111）——+——+...+——31T2TnJ算術(shù)性能平均值A(chǔ)m1V1V''A=一乙R.=一乙minniT.nf111）——+——+...+——31T2TnJ（2）幾何性能平均值Gmfn‘i=1nRi=*i=1Jfn‘i=1如T1+T2+...+T調(diào)和性能平均值Hm￡1i=1Ri以上3個(gè)公式中R.表示由n個(gè)程序組成的工作負(fù)荷中執(zhí)行第i個(gè)程序的速率，Ti表示執(zhí)行第i個(gè)程序所需的時(shí)間，這里Ri=1/TiO三種方法中Am計(jì)算最簡(jiǎn)單，但不能精確地衡量性能。Gm運(yùn)算量大，但它有一個(gè)良好的性能，即它的幾何平均比和比的幾何平均是相等的。在進(jìn)行比較時(shí)是很方便的。Hm值是真正與運(yùn)行所有典型測(cè)試程序所需時(shí)間總和成反比的，從時(shí)間是衡量性能唯一標(biāo)準(zhǔn)來看，用Hm如T1+T2+...+T習(xí)題三1、解釋下列術(shù)語(yǔ)帶標(biāo)志符的數(shù)據(jù)：帶標(biāo)志符數(shù)據(jù)表示(TaggedDataRepresentation)要求對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)都附加標(biāo)志符，由標(biāo)志符來表示后邊數(shù)據(jù)所具有的類型。數(shù)據(jù)描述符：數(shù)據(jù)描述符(DataDescriptors)主要是用來描述復(fù)雜和多維數(shù)據(jù)類型的，例如：向量、矩陣、記錄等。3、將下列數(shù)轉(zhuǎn)換成IEEE單精度浮點(diǎn)格式，以8位十六進(jìn)制數(shù)表示。TOC\o"1-5"\h\z9IEEE單精度浮點(diǎn)格式為0x411000005/32IEEE單精度浮點(diǎn)格式為0x3E200000-5/32IEEE單精度浮點(diǎn)格式為0xBE2000006.125IEEE單精度浮點(diǎn)格式為0x40C400004、9、將下列的IEEE754單精度數(shù)由二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)。11000001111000000000000000000000十進(jìn)制數(shù)為：-7；00111111010100000000000000000000十進(jìn)制數(shù)為：0.812501000000000000000000000000000000十進(jìn)制數(shù)為：110、11、IEEE745浮點(diǎn)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，為什么要設(shè)置非規(guī)格化數(shù)？答：對(duì)于絕對(duì)值較小的數(shù)，為了避免下溢而損失精度，IEEE754標(biāo)準(zhǔn)允許采用比最小規(guī)格化數(shù)還要小的那些數(shù)，稱為非規(guī)格化數(shù)(DenormalNumber)來表示，這是因?yàn)槭褂梅且?guī)格化數(shù)后，就可以表示那些處于0和最小可表示的規(guī)格化數(shù)之間的數(shù)。習(xí)題四1、解釋下列術(shù)語(yǔ)RISCCISC裝載延遲低端排序高端排序延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)重疊窗口技術(shù)4、某計(jì)算機(jī)有10條指令，它們的使用頻率分別為：0.3、0.24、0.16、0.12、0.07、0.04、0.03、0.02、0.01、0.01若用霍夫曼編碼對(duì)它們的操作碼進(jìn)行編碼，其操作碼的平均碼長(zhǎng)(1111111)(1111110)(111110)(11110)(1110)(110)(10)(011)(010)(00)其平均編碼長(zhǎng)度=7*0.01+7*0.01+6*0.02+5*0.03+4*0.04+3*0.07+2*0.24+3*0.12+3*0.16+2*0.3=2.75、6、某模型機(jī)有8條指令，使用頻率分別為：0.3、0.3、0.2、0.1、0.05、0.02、0.02、0.01試分別用霍夫曼編碼和擴(kuò)展碼對(duì)其操作碼進(jìn)行編碼，限定擴(kuò)展編碼只有兩種長(zhǎng)度，則它們的平均編碼長(zhǎng)度各比定長(zhǎng)操作碼的平均編碼長(zhǎng)度減少多少？答：編碼如下表：指令頻率霍夫曼編碼霍夫曼擴(kuò)展編碼定長(zhǎng)編碼10.3000000020.3010100130.2101001040.11101100001150.0511101100110060.02111101101010170.021111101101111080.0111111111100111平均指令長(zhǎng)度2.382.63用霍夫曼編碼要比定長(zhǎng)編碼平均長(zhǎng)度減少0.62,用霍夫曼擴(kuò)展編碼要比定長(zhǎng)編碼平均長(zhǎng)度減少0.4。7、8、試敘述比較-轉(zhuǎn)移指令的功能特點(diǎn)，為什么在有的RISC機(jī)中要設(shè)置這樣的指令？答：將比較指令和轉(zhuǎn)移指令合成一條指令后，該指令將直接對(duì)兩個(gè)對(duì)象進(jìn)行相等或不等的比較，然后根據(jù)比較結(jié)果判別是否執(zhí)行轉(zhuǎn)移，這樣就可以省去一條指令，且不用受條件碼的約束。所以許多典型的RISC機(jī)中都采用這樣的復(fù)合指令。習(xí)題五1、解釋下列術(shù)語(yǔ)：超長(zhǎng)指令字機(jī)：（VLIW：VeryLongInstructionWord）以一條長(zhǎng)指令（或一組指令形式）來實(shí)現(xiàn)每個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)動(dòng)多個(gè)操作的并行執(zhí)行，以減少對(duì)存儲(chǔ)器的訪問。超標(biāo)量機(jī)：借助對(duì)硬件資源重復(fù)設(shè)置來實(shí)現(xiàn)空間的并行操作。超級(jí)流水機(jī)：通過提高流水線的運(yùn)行速度來增強(qiáng)機(jī)器的性能，加深流水深度。2、3、假設(shè)一條指令的解釋分為取指、分析和執(zhí)行3個(gè)階段，每個(gè)階段所需的時(shí)間為七取指、七分析、和七執(zhí)行。寫出用下列幾種方式執(zhí)行100條指令所需的時(shí)間通式：（1）寫出用下列幾種方式執(zhí)行100條指令所需的時(shí)間通式：順序執(zhí)行。T=100（t取指J分析」執(zhí)行）僅“執(zhí)行k”、與“取指k+1”重疊。T=t取指1+100t分析+勇^[maX{t執(zhí)行k，t取指k+1}]k二1僅“執(zhí)行k”、“分析k+1”和“取指k+2”重疊。T=t取指1+t執(zhí)行100+max{t取指2,t分析1}+max{t分析100+t執(zhí)行99}+'[max{t執(zhí)行k，t分析k+1，t取指k+2}]⑵當(dāng)'取指='分析=2七執(zhí)行=3以及'取指=t執(zhí)行=4'分析=2時(shí)，用上述通式計(jì)算所需的時(shí)間。答：（1）①T=100*7=700T=2+100*3+99*3=599T=2+3+2+3+98*3=304（2）①T=10*100=1000T=4+2*100+99*4=600T=4+4+4+4+98*4=4086、17、比較阻塞、交叉和同時(shí)多線程三者各自的優(yōu)缺點(diǎn)。答：在阻塞多線程超標(biāo)量處理器中，長(zhǎng)的阻塞可借助切換到另一線程而得到部分隱藏。雖然這種方式在每個(gè)時(shí)鐘周期能減少完全閑置的時(shí)鐘周期的數(shù)目，但由于有限的指令級(jí)并行性仍將導(dǎo)致閑置周期。對(duì)于交叉多線程的超標(biāo)量處理器，由于各線程的交叉運(yùn)行，從而可消除完全空閑的指令發(fā)射槽。但因?yàn)樵谥付ǖ臅r(shí)鐘周期中，僅有一個(gè)線程發(fā)射指令，所以悠閑地指令級(jí)并行性仍將導(dǎo)致在各個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)會(huì)有一定數(shù)量的閑置發(fā)射槽。在同時(shí)多線程的超標(biāo)量處理器中，線程級(jí)并行性和指令級(jí)并行性被同時(shí)開發(fā)，因此在單個(gè)時(shí)鐘周期中，各個(gè)指令發(fā)射槽可被多個(gè)線程使用。在理想情況下，指令發(fā)射槽的閑置數(shù)主要受多線程間所需的資源及可用資源間的不平衡約束。習(xí)題六1、解釋下列術(shù)語(yǔ)：向量流水處理:允許流水線具有較深的流水深度，每條指令相當(dāng)于一個(gè)標(biāo)量循環(huán)，可以交叉訪問的處理結(jié)構(gòu)。屏蔽向量：通過向量測(cè)試得到的，采用屏蔽控制技術(shù)來控制那些向量元素參加運(yùn)算，使循環(huán)能夠向量化。半性能向量長(zhǎng)度：為達(dá)到向量流水線最大性能值一半時(shí)所需要的向量長(zhǎng)度。2、3、4、向量的加