計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)期末考試試題及答案

填空題從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：①大功耗問(wèn)題；②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；③存儲(chǔ)器訪問(wèn)速度的提高緩慢?？梢浦残允侵敢粋€(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。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①寄存器的訪問(wèn)速度比存儲(chǔ)器快；②對(duì)編譯器而言，能更加容易有效地分配和使用寄存器；③寄存器可以用來(lái)存放變量MIPS的數(shù)據(jù)尋址方式只有立即數(shù)尋址和偏移量尋址。向量處理機(jī)的結(jié)構(gòu)由所采用的向量處理方式?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)。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。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。大多數(shù)磁盤(pán)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(pán)陣列中的存放方式。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。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3級(jí)是匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)。（錯(cuò)）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)）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)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)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流水線和非線性流水線。（對(duì)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)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)）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)）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)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)從存儲(chǔ)器調(diào)入該塊的其余部分。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。302010302010陣列處理機(jī)陣列處理機(jī)也稱并行處理機(jī)（ParallelProcessor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。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(xiě)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：①取指令②指令譯碼/讀寄存器③執(zhí)行/有效地址計(jì)算④存儲(chǔ)器訪問(wèn)/分支完成⑤寫(xiě)回簡(jiǎn)述降低Cache失效率的方祛和原理。降｛韌価c失效.率有哪幾種方站簾j述其基木思艇常閉的降低CiwM失效率的右法有下廚JL和：増加GdK戰(zhàn)人小"増加抉大小利用了程序的空間局部性.提皚和聯(lián)度，降低沖突失敬?弓VicrtiiriCauhc7降低沖兗?jí)g□偽相聯(lián)Ci渝⑺降低沖握矢效「鎖件偵取技術(shù)?指燈利數(shù)掘都可以在處理胖腥出訪問(wèn)請(qǐng)我:前珀行獨(dú)取.fi由編謙器控例的淞取，碩杵傾取的轎代方法，在編誹時(shí)加入煩取的鉗令，在數(shù)據(jù)彼用到之前瑕出狽取諸求亠7編詳器優(yōu)化，通過(guò)對(duì)敕件的優(yōu)牝來(lái)降低失效癡「計(jì)算題1.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：Sn10已知S1=30,S2=20,S3=10,Sn=10,F1=,F2=，得:101-(0.3+0.3+F3)+(0.3/30+0.3/20+F3/10)得F3=，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(mén),則3個(gè)部件改進(jìn)前的執(zhí)行時(shí)間為：（++）T=，不可改進(jìn)部分的執(zhí)行時(shí)間為。已知3個(gè)部件改進(jìn)后的加速比分別為S1=30,S2=20,S3=10，因此3個(gè)部件改進(jìn)后的執(zhí)行時(shí)間為:0.3T0.3T0.2T竺+沁+鳴=0.045T改進(jìn)后整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間為：Tn=+=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0.245T2.有一個(gè)5段流水線，各段執(zhí)行時(shí)間均為At.其預(yù)約表如下7**時(shí)間濟(jì)「慮卜、123-4567StXXXXXX罠XXXX畫(huà)出流水線任務(wù)調(diào)度的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。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。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。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“X”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)VCO則可得出所有的后繼狀態(tài)，具體有:2CO三個(gè)后繼狀態(tài)：C1=SHR(2)(C0)VC0=1011012C2=SHR(4)(C0)VC0=100111C3=SHR(5)(C0)VC0=100101=C0C1二個(gè)后繼狀態(tài)：C4=SHR(2)(C1)VC0=101111C5=SHR(5)(C1)VC0=100101=C0C2二個(gè)后繼狀態(tài)：C6=SHR(4)(C2)VC0=100111=C2C7=SHR(5)(C2)VC0=100101=C0C4一個(gè)后繼狀態(tài)：C8=SHR(5)(C4)VC0=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)At/2=At調(diào)度策略，除第一條有向弧外，第二條有向弧是A7545z(\zl\均(4+5)At/2=At個(gè)環(huán)路，該調(diào)度策略為(4)。從表中可以得到平5At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)At/3=3At[4,(4)]和(2,2,5),相應(yīng)的最小平均延遲時(shí)(4)4At間為4At和3At，所以流水線的最大吞吐率為：TPAmax=1/(4^t)=△tTPB