計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)題(終極版)

1、11,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),一、單項(xiàng)選擇題：（10*2=20分） 二、填空題（ 10*2=20分） 三、名詞解釋（4*3=12分） 四、簡(jiǎn)答題：（3*6=18分） 五、分析計(jì)算題（4*5=20分） 六、綜合應(yīng)用題（1*10=10分）,第一章： 1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的多級(jí)層次結(jié)構(gòu)中微程序機(jī)器級(jí)、傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言是什么？由什么方式實(shí)現(xiàn)？ 答： 微程序機(jī)器級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言是微指令集，微程序一般是直接由硬件解釋實(shí)現(xiàn)的。 傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)的機(jī)器語(yǔ)言是該機(jī)的指令集，程序可以由微程序進(jìn)行解釋（仿真)。,2、什么是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)？什么是計(jì)算機(jī)組成？什么是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)？它們之間有什么關(guān)系？ 答：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)機(jī)器程序員所看到

2、的計(jì)算機(jī)屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。 計(jì)算機(jī)組成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn) 計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)。一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成。一種組成可以有多種實(shí)現(xiàn)。,3、下列哪些屬于計(jì)算機(jī)組成？哪些屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)？ 屬于計(jì)算機(jī)組成的是： a）數(shù)據(jù)通路寬度 b）可靠性技術(shù) c）緩沖和排隊(duì)技術(shù) 屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的是： a）處理器、主存的物理結(jié)構(gòu) b）涉及的專用器件 c）信號(hào)傳輸 d）器件的集成度和速度,4、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的量化設(shè)計(jì)原則有哪些？說(shuō)出它們的含義？ 答：加速經(jīng)常性事件的原則：對(duì)經(jīng)常發(fā)生的情況采用優(yōu)化方法的原則進(jìn)行選擇，

3、以得到更多的總體上的改進(jìn)。 Amdahl定律：加快某部件執(zhí)行速度所能獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件的執(zhí)行時(shí)間占系統(tǒng)中總執(zhí)行時(shí)間的百分比。 CPU性能公式：執(zhí)行一個(gè)程序所需的CPU時(shí)間，CPU時(shí)間 = 執(zhí)行程序所需的時(shí)鐘周期數(shù)時(shí)鐘周期時(shí)間 程序的局部性原理：程序執(zhí)行時(shí)所訪問(wèn)的80%是程序代碼的20%的部分。,5、分別從執(zhí)行程序的角度看，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中并行性等級(jí)從低到高可分為哪幾級(jí)？ 答：從處理數(shù)據(jù)的角度來(lái)看，并行性等級(jí)從低到高可分為： （1）指令內(nèi)部并行：?jiǎn)螚l指令中各微操作之間的并行； （2）指令級(jí)并行：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令；（3）線程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的線程，通常是以一個(gè)

4、進(jìn)程內(nèi)派生的多個(gè)線程為調(diào)度單位； （4）任務(wù)級(jí)或過(guò)程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的過(guò)程或任務(wù)（程序段），以子程序或進(jìn)程為調(diào)度單元； （5）作業(yè)或程序級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上的作業(yè)或程序。,6、分別從處理數(shù)據(jù)的角度來(lái)看，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中并行性等級(jí)從低到高可分為哪幾級(jí)？ 答：從處理數(shù)據(jù)的角度來(lái)看，并行性等級(jí)從低到高可分為： （1）字串位串：每次只對(duì)一個(gè)字的一位進(jìn)行處理。這是最基本的串行處理方式，不存在并行性； （2）字串位并：同時(shí)對(duì)一個(gè)字的全部位進(jìn)行處理，不同字之間是串行的。已開(kāi)始出現(xiàn)并行性； （3）字并位串：同時(shí)對(duì)許多字的同一位（稱為位片）進(jìn)行處理。這種方式具有較高的并行性； （4）全并行：

5、同時(shí)對(duì)許多字的全部位或部分位進(jìn)行處理。這是最高一級(jí)的并行。,7、解釋： （1）Amdahl定律： 答：加快某部件執(zhí)行速度所獲得的系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占的重要性。 （2）計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)： 答：計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn)，包括處理機(jī)、主存等部件的物理結(jié)構(gòu)，器件的集成度和速度，模塊、插件、底板的劃分與連接，信號(hào)傳輸，電源、冷卻及整機(jī)裝配技術(shù)等。,(3)、程序的局部性原理： 答：程序在執(zhí)行時(shí)所訪問(wèn)地址的分布不是隨機(jī)的，而是相對(duì)地簇聚；這種簇聚包括指令和數(shù)據(jù)兩部分。程序局部性包括：程序的時(shí)間局部性和程序的空間局部性。 (4)、計(jì)算機(jī)組成： 答：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實(shí)現(xiàn)，包含物理機(jī)器級(jí)中的數(shù)據(jù)流和

6、控制流的組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。,8、體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展是怎樣的？ 答：包括：分布的IO處理能力、保護(hù)的存儲(chǔ)器空間、存儲(chǔ)器組織結(jié)構(gòu)的發(fā)展、并行處理技術(shù)、指令集發(fā)展。 9、提高并行性的技術(shù)途徑是怎樣的？ 答：包括（1）. 時(shí)間重疊 （2）. 資源重復(fù) （3.） 資源共享 10、并行性概念所包括有哪些？ 答：（1）. 指令級(jí)并行 （2）. 線程級(jí)并行 （3.） 任務(wù)級(jí)/過(guò)程級(jí)并行,11、某檔機(jī)器編制的程序，不加修改的就能運(yùn)行于比它高檔的機(jī)器，屬于何種兼容？ 答：向上兼容 12、某個(gè)時(shí)期投入市場(chǎng)的某種型號(hào)機(jī)器編制的程序，不加修改地就能運(yùn)行于在它之后投入市場(chǎng)的機(jī)器，屬于何種兼容？ 答：向后兼容 13、采用LS

7、I和VLSI、半導(dǎo)體存儲(chǔ)器期間的計(jì)算機(jī)是第幾代計(jì)算機(jī)？ 答：第四代,14、采用SSI和MSI、多層印刷電路、微程序的計(jì)算機(jī)是第幾代計(jì)算機(jī) 答：第三代 15、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的成本中I/O設(shè)備、軟件的占比分別是多少？ 答：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的成本中I/O設(shè)備為37% 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的成本中軟件占20%,16、某臺(tái)主頻為800MHz的計(jì)算機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序，程序中指令類型、執(zhí)行數(shù)量和平均時(shí)鐘周期數(shù)如下： 指令類型 指令執(zhí)行數(shù)量 平均時(shí)鐘周期數(shù) 整數(shù) 40000 2 數(shù)據(jù)傳送 45000 1 浮點(diǎn) 5000 5 分支 2500 3 求該計(jì)算機(jī)的有效CPI、MIPS和程序執(zhí)行時(shí)間。 解：（1）CPI (40000245

8、00015000525003) / 925001.7027 （2）MIPS速率f/ CPI 800/1.7027 469.84MIPS （3）程序執(zhí)行時(shí)間= （4000024500015000525003) 800=196.875s,17、將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一功能的處理速度提高到原來(lái)的40倍，該功能的處理時(shí)間僅占整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的20%，則采用此提高性能的方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高多少？ 解：由題可知，可改進(jìn)比例 = 20% = 0.2 部件加速比 = 40 根據(jù)Amdahl定律可知：總加速比 =1/(1-0.2+0.2/40)=1.2579 采用此提高性能的方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)的性能提高到

9、原來(lái)的1.2579倍。,第二章,1、指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所涉及的內(nèi)容有哪些？ 答： (1) 指令集功能設(shè)計(jì) (2) 尋址方式的設(shè)計(jì) (3) 操作數(shù)表示和操作數(shù)類型 (4) 尋址方式的表示 (5) 指令集格式的設(shè)計(jì) 2、對(duì)指令集的基本要求是怎樣的？ 答：對(duì)指令集的基本要求是完整性、規(guī)整性、高效率和兼容性。,3、指令A(yù)dd R2 , 500(R0)是什么的尋址方式？ 答：尋址方式是偏移尋址； 4、指令A(yù)dd R7 , (R3)是什么的尋址方式？ 答：尋址方式是：寄存器間接尋址。 5、指令A(yù)dd R9 , (R7 + R6)是什么的尋址方式？ 答：尋址方式是：索引尋址； 6、指令A(yù)dd R1 , (100

10、1)是什么的尋址方式？ 答：尋址方式是：直接尋址。,7、 簡(jiǎn)述CISC指令集結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。從當(dāng)前的計(jì)算機(jī)技術(shù)觀點(diǎn)來(lái)看，CISC指令集結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)有什么缺點(diǎn)？ 答：主要目標(biāo)是增強(qiáng)指令功能，把越來(lái)越多的功能交由硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且指令的數(shù)量也是越來(lái)越多。 缺點(diǎn)： (1) CISC結(jié)構(gòu)的指令集中，各種指令的使用頻率相差懸殊。 （2）CISC結(jié)構(gòu)指令的復(fù)雜性帶來(lái)了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這不僅增加了研制時(shí)間和成本，而且還容易造成設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。 （3）CISC結(jié)構(gòu)指令集的復(fù)雜性給VLSI設(shè)計(jì)增加了很大負(fù)擔(dān)，不利于單片集成。,（4）CISC結(jié)構(gòu)的指令集中，許多復(fù)雜指令需要很復(fù)雜的操作，因而運(yùn)行速度慢。

11、(5) 在CISC結(jié)構(gòu)的指令集中，由于各條指令的功能不均衡性，不利于采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)（如流水技術(shù)）來(lái)提高系統(tǒng)的性能。,8、簡(jiǎn)述RISC指令集結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則。 答：（1）選取使用頻率最高的指令，并補(bǔ)充一些最有用的指令； （2）每條指令的功能應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，并在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成； （3）所有指令長(zhǎng)度均相同； （4）只有Load和Store操作指令才訪問(wèn)存儲(chǔ)器，其它指令操作均在寄存器之間進(jìn)行； (5) 以簡(jiǎn)單有效的方式支持高級(jí)語(yǔ)言。,9、CISC、RISC計(jì)算機(jī)各有哪些主要特征？ 答：1） CISC計(jì)算機(jī)的主要特征有： 通用寄存器結(jié)構(gòu) 多周期執(zhí)行 尋址方式多 微碼控制器 2）RISC計(jì)算

12、機(jī)主要特征有： 單周期執(zhí)行 尋址方式少 硬布線控制器 寄存器數(shù)量多,第三章,1、什么是動(dòng)態(tài)流水線？ 答：指在同一時(shí)間內(nèi)，多功能流水線中的各段可以按照不同的方式連接，同時(shí)執(zhí)行多種功能的流水線。它允許在某些段正在實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算時(shí)，另一些段卻在實(shí)現(xiàn)另一種運(yùn)算。 2、什么是靜態(tài)流水線？ 答：指在同一時(shí)間內(nèi)，多功能流水線中的各段只能按同一種功能的連接方式工作的流水線。當(dāng)流水線要切換到另一種功能時(shí)，必須等前面的任務(wù)都流出流水線之后，才能改變連接。,答：吞吐率：在單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)量或輸出結(jié)果的數(shù)量。,3、掌握流水線的性能指標(biāo)的分析方法。,n：任務(wù)數(shù) Tk：處理完成n個(gè)任務(wù)所用的時(shí)間,加速比：完成

13、同樣一批任務(wù)，不使用流水線所用的時(shí)間與使用流水線所用的時(shí)間之比。 假設(shè)：不使用流水線（即順序執(zhí)行）所用的間為Ts，使用流水線后所用的時(shí)間為Tk，則該流水線的加速比為,效率：流水線中的設(shè)備實(shí)際使用時(shí)間與整個(gè)運(yùn)行時(shí)間的比值，即流水線設(shè)備的利用率。 當(dāng)流水線各段時(shí)間相等時(shí)，流水線的效率與吞吐率成正比。 E=TPt 流水線的效率是流水線的實(shí)際加速比S與它的最大加速比k的比值。,4、 設(shè)在下圖所示的靜態(tài)流水線上計(jì)算： 流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應(yīng)的流水寄存器中，試計(jì)算其吞吐率、加速比和效率。,(每段的時(shí)間都為t),解： ： C=(A1+B1)* (A2+B2)* (A3+B3)* (A4+

14、B4) （1）選擇適合于流水線工作的算法 先計(jì)算A1+B1、A2+B2、A3+B3和A4+B4； 再計(jì)算(A1+B1)(A2+B2)和(A3+B3)(A4+B4)； 然后求總的乘積結(jié)果。 （2）畫出時(shí)空?qǐng)D,在18個(gè)t時(shí)間中，給出了7個(gè)結(jié)果。 吞吐率為：,不用流水線，由于一次求和需6t，一次求積需4t， 則產(chǎn)生上述7個(gè)結(jié)果共需（46+34）t = 36t 加速比為：,（3）計(jì)算性能,流水線的效率：,5、有一條動(dòng)態(tài)多功能流水線由5段組成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，各段時(shí)間均為t，而且流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應(yīng)的流水寄存器中。若在該流水線上計(jì)算: 試計(jì)算其吞吐率、加

15、速比和效率。,解: C=(A1B1) (A2B2) (A3B3) (A4B4) (1) 選擇適合于流水線工作的算法應(yīng)先計(jì)算A1+B1、A2+B2、A3+B3和A4+B4； 再計(jì)算(A1+B1) (A2B2) (A3+B3) (A4+B4)； 然后求總的結(jié)果。 (2) 畫出時(shí)空?qǐng)D (3) 計(jì)算性能,由圖可見(jiàn)，它在14個(gè)t時(shí)間中，給出了7個(gè)結(jié)果。所以吞吐率為： TP7(14t) 如果不用流水線，由于一次求積需3t，一次求和需4t，則產(chǎn)生上述7個(gè)結(jié)果共需（44+33）t =25t。所以加速比為： 該流水線的效率可由陰影區(qū)的面積和5個(gè)段總時(shí)空區(qū)的面積的比值求得：,6、流水線可以通過(guò)什么技術(shù)減少數(shù)據(jù)相關(guān)

16、帶來(lái)的暫停？ 答：流水線可以通過(guò)定向技術(shù)減少數(shù)據(jù)相關(guān)帶來(lái)的暫停 7、流水線結(jié)構(gòu)相關(guān)解決方法有哪些？ 答：流水線結(jié)構(gòu)相關(guān)解決方法有插入暫停周期 、將指令存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分離。,8、減少流水線分支損失的方法有哪些？ 答：減少流水線分支損失的方法有： （1）凍結(jié)或排空流水線 （2）預(yù)測(cè)分支轉(zhuǎn)移失敗 （3）預(yù)測(cè)分支轉(zhuǎn)移成功 （4）延遲分支,9:、什么是結(jié)構(gòu)沖突？ 答：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中流水線因一條指令讀取操作數(shù)訪存同時(shí)另一條指令需要執(zhí)行取指令操作而發(fā)生的對(duì)存儲(chǔ)器爭(zhēng)用引起的沖突 。 10、什么是數(shù)據(jù)沖突？ 答：當(dāng)一條指令需要用到前面某條指令的結(jié)果，從而不能重疊執(zhí)行時(shí)，就發(fā)生了數(shù)據(jù)沖突相 11、什么是控制沖突

17、？ 答：當(dāng)流水線遇到分支指令與其后進(jìn)入流水線之間存在的沖突時(shí)，就會(huì)發(fā)生控制沖突。,第五章,1、可以從那幾個(gè)方面改進(jìn)Cache的性能？ 答：可以從三個(gè)方面改進(jìn)Cache的性能： （1）降低失效率 （2）減少失效開(kāi)銷 （3）減少Cache命中時(shí)間。 2、Cache平均訪問(wèn)時(shí)間等于什么？ 答： Cache平均訪問(wèn)時(shí)間命中時(shí)間失效率失效開(kāi)銷,3、 降低Cache減少三種失效的方法是怎樣的？ 答：降低Cache減少三種失效的方法是： 對(duì)強(qiáng)制性失效的方法是：增加塊大小，預(yù)??； 對(duì)容量失效的方法是：增加容量； 對(duì)沖突失效的方法是：提高相聯(lián)度。 4、影響Cache性能的存儲(chǔ)器停頓周期數(shù)等于什么？ 答：影響Ca

18、che性能的存儲(chǔ)器停頓周期數(shù)訪存次數(shù)失效率失效開(kāi)銷,5、Cache有哪幾種映像方式？各是如何映像的？ 直接映象：主存中的每一塊只能被放置到 Cache中唯一的一個(gè)位置。 全相聯(lián)映象全相聯(lián)：主存中的任一塊可以被放置到 Cache中的任意一個(gè)位置。 組相聯(lián)：主存中的每一塊可以被放置到Cache中唯一的一個(gè)組中的任何一個(gè)位置。,6、Cache有哪幾種替換策略？比較實(shí)現(xiàn)代價(jià)和訪問(wèn)命中率的情況？ 答： 1)隨機(jī)策略：隨機(jī)選取某Cache塊。最容易實(shí)現(xiàn)。 2）LRU策略：選取近期最少使用的Cache塊。實(shí)現(xiàn)代價(jià)最高但有助于提高訪問(wèn)命中率。 3）FIFO策略：最先調(diào)入的快最先被替換出去，實(shí)現(xiàn)代價(jià)不高，但最早

19、調(diào)入的快可能是最近經(jīng)常使用得塊，調(diào)出后降低了命中率。,7、什么是虛存、什么是Cache？它們?cè)诖鎯?chǔ)體系中各可以解決主存的什么問(wèn)題？ 虛擬存儲(chǔ)器是以存儲(chǔ)器訪問(wèn)的局部性為基礎(chǔ)，建立在主-輔存體系上的存儲(chǔ)管理技術(shù)。它的基本思想是通過(guò)某種策略，把輔存中的信息一部分一部分地調(diào)入主存，以給用戶提供一個(gè)比實(shí)際主存容量大得多的地址空間來(lái)訪問(wèn)主存，采用虛存的目的是提高CPU 訪問(wèn)主存的容量。 在CPU與主存之間再增加一級(jí)或多級(jí)能與CPU速度匹配的高速緩沖存儲(chǔ)器Cache，來(lái)提高主存儲(chǔ)系統(tǒng)的性能價(jià)格比， 增設(shè)Cache的目的是提高CPU 訪問(wèn)主存的速度。,第六章,1、計(jì)算機(jī)提高系統(tǒng)可靠性的方法有哪些？ 答：計(jì)算機(jī)

20、提高系統(tǒng)可靠性的方法有故障避免技術(shù)、故障容忍技術(shù)、錯(cuò)誤消除技術(shù)、錯(cuò)誤預(yù)報(bào)技術(shù)： 2、計(jì)算機(jī)I/O設(shè)備控制方式有哪些？ 答：計(jì)算機(jī)I/O設(shè)備控制方式有：程序查詢控制方式、中斷控制方式、DMA控制方式、I/O處理機(jī)等,3、分析計(jì)算磁盤讀或?qū)懸粋€(gè)512字節(jié)的扇區(qū)的平均時(shí)間是多少？假設(shè)此時(shí)磁盤空閑，公布的平均尋道時(shí)間是12ms，傳輸速度是4MB/s，轉(zhuǎn)速是7200rpm，控制器的開(kāi)銷是1.5ms。 答：旋轉(zhuǎn)時(shí)間=0.5*60*1000/7200=4.1667ms 傳輸時(shí)間=0.512KB*1000/（4*1024KB/s）=0.125ms 磁盤訪問(wèn)時(shí)間=尋道時(shí)間+旋轉(zhuǎn)時(shí)間+傳輸時(shí)間+控制器時(shí)間 =12

21、ms+4.1667ms+0.125ms+1.5ms =17.79ms,4、什么是RAID?它可以解決什么問(wèn)題？ RAID：用多塊盤構(gòu)成的有一定冗余信息的可以跨越容量和可信性限制的存儲(chǔ)設(shè)備。 使用多個(gè)磁盤（包括驅(qū)動(dòng)器）的組合來(lái)代替一個(gè)大容量的磁盤。 多個(gè)磁盤并行工作，以條帶為單位把數(shù)據(jù)均勻地分布到多個(gè)磁盤上（交叉存放），條帶存放可以使多個(gè)數(shù)據(jù)讀/寫請(qǐng)求并行地被處理，從而提高總的I/O性能。,5、RAID1、RAID 5有何特點(diǎn)？ RAID1：亦稱鏡像盤，使用完全的備份。在信息冗余程度達(dá)到100%。 每當(dāng)把數(shù)據(jù)寫入磁盤時(shí)，將該數(shù)據(jù)也寫入其鏡像盤，形成信息的兩個(gè)副本 RAID5：是信息分布采用塊交叉模式，冗余信息采用奇偶校驗(yàn)方式生成并分布在陣列各塊盤上的磁盤陣列。,6、可實(shí)現(xiàn)塊交叉分布、冗余信息采用奇偶校驗(yàn)方式生成并分布在陣列各塊盤上的磁盤陣列是哪種？ 答： RAID5 7、RAID才信息冗余程度達(dá)到100%，是完全備份的磁盤陣列是哪種？ 答： RAID1,第七章,1、什么是集中式共享多處理機(jī)？