計算機體系結(jié)構(gòu)題庫

1、1.名詞解釋（每個3分，共15分）多級層次結(jié)構(gòu)-按照計算機語言從低級到高級的次序，把計算機系統(tǒng)按功能劃分成多級層次結(jié)構(gòu)，每一層以一種不同的語言為特征。這些層次依次為微程序機器級、傳統(tǒng)機器語言機器級、操作系統(tǒng)機器級、匯編語言機器級、高級語言機器級、應用語言機器級等。解釋-對于高一級機器上的程序中的每一條語句或指令，都是轉(zhuǎn)去執(zhí)行低一級機器上的一段等效程序。執(zhí)行完后，再去高一級機器取下一條語句或指令，再進行解釋執(zhí)行，如此反復，直到解釋執(zhí)行完整個程序。翻譯-先用轉(zhuǎn)換程序把高一級機器上的程序轉(zhuǎn)換為低一級機器上等效的程序，然后再在這低一級機器上運行，實現(xiàn)程序的功能。透明性-在計算機技術(shù)中，把本來存在的事物

2、或?qū)傩?，但從某種角度看又好像不存在的概念稱為透明性。Amdahl定律-當對一個系統(tǒng)中的某個部件進行改進后，所能獲得的整個系統(tǒng)性能的提高，受限于該部件的執(zhí)行時間占總執(zhí)行時間的百分比。模擬-用軟件的方法在一臺現(xiàn)有的計算機（稱為宿主機host）上實現(xiàn)另一臺計算機（稱為虛擬機）的指令系統(tǒng)。仿真-用一臺現(xiàn)有計算機（稱為宿主機）上的微程序去解釋實現(xiàn)另一臺計算機（稱為目標機）的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)的完整性-在一個有限可用的存儲空間內(nèi)，對于任何可解的問題，編制計算程序時，指令系統(tǒng)所提供的指令足夠使用。指令系統(tǒng)的規(guī)整性-沒有或盡可能減少例外的情況和特殊的應用，所有運算都能對稱，均勻地在存儲器單元或寄存器單元之間進

3、行。靜態(tài)流水線-指在同一時間內(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。當流水線要切換到另一種功能時，必須等前面的任務都流出流水線之后，才能改變連接。動態(tài)流水線-指在同一時間內(nèi)，多功能流水線中的各段可以按照不同的方式連接，同時執(zhí)行多種功能的流水線。它允許在某些段正在實現(xiàn)某種運算時，另一些段卻在實現(xiàn)另一種運算。計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-傳統(tǒng)機器程序員所看到的計算機屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。程序的局部性原理-程序執(zhí)行時所訪問的存儲器地址不是隨機分布的，而是相對地簇聚。包括時間局部性和空間局部性。系列機-由同一廠家生產(chǎn)的具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的計算機。軟

4、件兼容-一個軟件可以不經(jīng)修改或者只需少量修改就可以由一臺計算機移植到另一臺計算機上運行。差別只是執(zhí)行時間的不同。并行性-計算機系統(tǒng)在同一時刻或者同一時間間隔內(nèi)進行多種運算或操作。只要在時間上相互重疊，就存在并行性。它包括同時性與并發(fā)性兩種含義。尋址方式-指令系統(tǒng)中如何形成所要訪問的數(shù)據(jù)的地址。一般來說，尋址方式可以指明指令中的操作數(shù)是一個常數(shù)、一個寄存器操作數(shù)或者是一個存儲器操作數(shù)。數(shù)據(jù)表示-硬件結(jié)構(gòu)能夠識別、指令系統(tǒng)可以直接調(diào)用的那些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)沖突-因硬件資源滿足不了指令重疊執(zhí)行的要求而發(fā)生的沖突。數(shù)據(jù)沖突-當指令在流水線中重疊執(zhí)行時，因需要用到前面指令的執(zhí)行結(jié)果而發(fā)生的沖突。順序流水線

5、-流水線輸出端任務流出的順序與輸入端任務流入的順序完全相同。亂序流水線-流水線輸出端任務流出的順序與輸入端任務流入的順序可以不同，允許后進入流水線的任務先完成。這種流水線又稱為無序流水線、錯序流水線、異步流水線?？煽啃?指系統(tǒng)從某個初始參考點開始一直連續(xù)提供服務的能力，它通常用平均無故障時間來衡量?？捎眯?指系統(tǒng)正常工作的時間在連續(xù)兩次正常服務間隔時間中所占的比率。2選擇題（每個2分 ，共14分）1.對匯編語言程序員不透明的是（）A程序計算器B.主存地址寄存器C.條件碼寄存器D.指令寄存器2.直接執(zhí)行微指令的是（）A匯編程序B編譯程序C硬件D微指令程序3.不同系列的機器之間，實現(xiàn)可移植性的途徑

6、不包括（）A采用統(tǒng)一的高級語言B采用統(tǒng)一的匯編語言C模擬D仿真4.從計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看，機器語言程序員看到的機器屬性是（）A計算機軟件所要完成的功能B計算機硬件的全部組成C編程要用到的硬件組織D計算機各部件的硬件實現(xiàn)5.不需要編址的數(shù)據(jù)存儲空間是（）ACPU中的通用寄存器B主存儲器CI/O接口中的寄存器D堆棧6.信息按整數(shù)邊界存儲的主要優(yōu)點是（）A訪存速度快B節(jié)約主存單元C指令字的規(guī)整化D指令的優(yōu)化7.操作碼優(yōu)化的主要目的是（）A縮短指令字長B減少程序總位數(shù)C增加指令字表示的信息DA、B和C8.平均碼長最短的編碼是（）A定長編碼B哈夫曼編碼C擴展編碼D需要根據(jù)編碼使用的頻度計算平均碼長后確定9

7、.以下說法不正確的是（）A線性流水線是單功能流水線B動態(tài)流水線是多功能流水線C靜態(tài)流水線是多功能流水線D動態(tài)流水線只能是單功能流水線10.與線性流水線最大吞吐率有關(guān)的是（）A各個功能段的執(zhí)行時間B最快的那一段的執(zhí)行時間C最慢的那一段的執(zhí)行時間D最后功能段的執(zhí)行時間11.程序員編寫程序時，使用的訪存地址是（）A主存地址B邏輯地址C物理地址D有效地址12.虛擬存儲器主要是為了（）A擴大存儲系統(tǒng)的容量B提高存儲系統(tǒng)的速度C擴大存儲系統(tǒng)的容量和提高存儲系統(tǒng)的速度D便于程序的訪存操作13.與全相聯(lián)映像相比，組相聯(lián)映像的優(yōu)點是（）A目錄表小B塊沖突概率低C命中率高D主存利用率高14.按cache地址映像的

8、塊沖突概率從高到低的順序是（）A全相聯(lián)映像、直接映像、組相聯(lián)映像B組相聯(lián)映像、全相聯(lián)映像、直接映像C直接映像、組相聯(lián)映像、全相聯(lián)映像D全相聯(lián)映像、組相聯(lián)映像、直接映像15.以下說法不正確的是（）A線性流水線是單功能流水線B.動態(tài)流水線是多功能流水線C靜態(tài)流水線是多功能流水線D.動態(tài)流水線只能是單功能流水線16.在MIPS的指令流水線中，可能發(fā)生的沖突有（）A同一條指令的讀操作與寫操作之間的寫后讀沖突。B先流入的指令的寫操作與后流入的指令的讀操作之間的寫后讀沖突C后流入的指令的寫操作與先流入的指令的讀操作之間的讀后寫沖突D兩條指令的寫操作之間的寫后寫沖突17.對于采用組相聯(lián)映像、LRU替換算法的

9、cache存儲器來說，不影響cache命中率的是（）A增加cache中的塊數(shù)B.增大組的大小C增大主存容量D.增大塊的大小18.下列說法不正確的是（）A單體多字存儲器能提高存儲器頻寬B多體存儲器低位交叉編址能提高存儲器頻寬C多體存儲器高位交叉編址便于擴大存儲器容量D多體存儲器高位交叉編址能提高存儲器頻寬19.輸入輸出數(shù)據(jù)不經(jīng)過CPU內(nèi)部寄存器的輸入輸出方式是（）A程序控制輸入輸出方式B.中斷輸入輸出方式C直接存儲器訪問方式D.上述3種方式20.在配置有通道的計算機系統(tǒng)中，用戶程序需要輸入輸出時，引起的中斷是（）A訪管中斷B.I/O中斷C.程序性中斷D.外部中斷21.當計算機系統(tǒng)通過執(zhí)行通道程序

10、完成輸入輸出工作時，執(zhí)行通道程序的是（）ACPUB.通道C.CPU和通道D.指定的外設22.磁盤存儲器適合于連接到（）A.字節(jié)多路通道或選擇通道B.字節(jié)多路通道或數(shù)組多路通道C.選擇通道或數(shù)組多路通道D.任意一種通道23.在由多個通道組成的I/O系統(tǒng)中，I/O系統(tǒng)的最大流量是（）A.各通道最大流量的最大值B.各通道最大流量之和C.各通道實際流量的最大值D.各通道實際流量之和3.填空題（每空1分，共15分）1.常見的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分類法有3種：Flynn分類法、馮氏分類法、Handler分類法。2.程序的局部性包含程序的 時間 局部性和程序的 空間 局部性。3.從多級層次結(jié)構(gòu)出發(fā)，計算機系統(tǒng)可以

11、有 由上往下設計、由下往上設計、從中間開始設計 3種不同的設計方法。4.廣義來說，并行性即包含 同時 性，又包含 并發(fā) 性。5.CPU中用來存儲操作數(shù)的存儲單元主要有 堆棧、累加器和寄存器。6.指令系統(tǒng)編碼格式有 變長編碼格式、固定長度編碼格式和混合型編碼格式。7.流水線沖突有 結(jié)構(gòu)沖突、數(shù)據(jù)沖突和控制沖突 3種類型。8按照指令讀訪問和寫訪問的先后順序，可以將數(shù)據(jù)沖突分為 寫后讀沖突、寫后寫沖突和讀后寫沖突 3中類型。9.消除流水線瓶頸的方法有 細分瓶頸段 和 重復設置瓶頸段 兩種。10.相關(guān)有3種類型： 數(shù)據(jù)相關(guān) 、 名相關(guān) 和 控制相關(guān) 。11.指令之間的名相關(guān)有 反相關(guān) 和 輸出相關(guān) 兩

12、種。12.存儲層次的性能參數(shù)有 存儲容量、平均每位價格、命中率、平均訪問時間 4個。13.存儲層次要解決的4個問題是 映像規(guī)則、查找方法、替換算法、寫策略 。14.按照產(chǎn)生不命中的原因不同，可以把不命中分為 強制性不命中 、 容量不命中 和 沖突不命中 3類。15.在相同的器件條件下，如果要提高主存的帶寬，可以采用 單體多字存儲器 和 多體交叉存儲器 兩種并行存儲器結(jié)構(gòu)。4.解答題（每個5分，共10分）1.試用實例說明計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計算機組成和計算機實現(xiàn)之間的相互關(guān)系。答：如在設計主存系統(tǒng)時，確定主存容量、編址方式、尋址范圍等屬于計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；確定主存周期、邏輯上是否采用并行主存、邏輯設計

13、等屬于計算機組成；而選擇存儲芯片類型、微組裝技術(shù)、線路設計等屬于計算機實現(xiàn)。計算機組成是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯實現(xiàn)。計算機實現(xiàn)是計算機組成的物理實現(xiàn)。一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以有多種組成。一種組成可以有多種實現(xiàn)。2.計算機系統(tǒng)“由中間開始設計”，其“中間”指的是是么地方？這樣設計的好處是什么？答： “中間”指的是多級層次結(jié)構(gòu)中的軟硬件交界面，即傳統(tǒng)機器級與操作系統(tǒng)機器級之間。這樣設計，能合理地進行軟硬件的功能分配，優(yōu)化軟硬件設計，可為軟件和應用提供更多更好的支持；軟件和硬件并行設計可以縮短設計周期。3.從當前的計算機技術(shù)觀點來看，CICS結(jié)構(gòu)有什么缺點？答：（1）CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，各種指令的使用頻

14、率相差懸殊。（2）CISC結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)的復雜性帶來了計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復雜性，這不僅增加了研制時間和成本，而且還容易造成設計錯誤。（3）CISC結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)的復雜性給VLSI設計增加了很大負擔，不利于單片集成。（4）CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，許多復雜指令需要很復雜的操作，因而運行速度慢。（5）在CISC結(jié)構(gòu)的指令系統(tǒng)中，由于各條指令的功能不均衡性，不利于采用先進的計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)（如流水技術(shù)）來提高系統(tǒng)的性能。4.簡述RISC結(jié)構(gòu)的設計原則。答：（1）選取使用頻率最高的指令，并補充一些最有用的指令。（2）每條指令的功能應盡可能簡單，并在一個機器周期內(nèi)完成。（3）所有指令長度均相同；（4）只有l(wèi)

15、oad和store操作指令才訪問存儲器，其他指令操作均在寄存器之間進行；（5）以簡單有效的方式支持高級語言。5. 計算機系統(tǒng)設計中經(jīng)常使用的4個定量原理是什么？并說出它們的含義。答：（1）以經(jīng)常性事件為重點。在計算機系統(tǒng)的設計中，對經(jīng)常發(fā)生的情況，賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以得到更多的總體上的改進。（2）Amdahl定律。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。（3）CPU性能公式。執(zhí)行一個程序所需的CPU時間 = IC CPI 時鐘周期時間。（4）程序的局部性原理。程序在執(zhí)行時所訪問地址的分布不是隨機的，而是相對地簇聚。6.指令集應滿足哪幾個基本要求

16、？答：對指令集的基本要求是：完整性、規(guī)整性、高效率和兼容性。完整性是指在一個有限可用的存儲空間內(nèi)，對于任何可解的問題，編制計算程序時，指令集所提供的指令足夠使用。規(guī)整性主要包括對稱性和均勻性。對稱性是指所有與指令集有關(guān)的存儲單元的使用、操作碼的設置等都是對稱的。均勻性是指對于各種不同的操作數(shù)類型、字長、操作種類和數(shù)據(jù)存儲單元，指令的設置都要同等對待。高效率是指指令的執(zhí)行速度快、使用頻度高。7.指令集結(jié)構(gòu)設計所涉及的內(nèi)容有哪些？答： (1) 指令集功能設計：主要有RISC和CISC兩種技術(shù)發(fā)展方向； (2) 尋址方式的設計：設置尋址方式可以通過對基準程序進行測試統(tǒng)計，察看各種尋址方式的使用頻率，

17、根據(jù)適用頻率設置必要的尋址方式。 (3) 操作數(shù)表示和操作數(shù)類型：主要的操作數(shù)類型和操作數(shù)表示的選擇有：浮點數(shù)據(jù)類型、整型數(shù)據(jù)類型、字符型、十進制數(shù)據(jù)類型等等。 (4) 尋址方式的表示：可以將尋址方式編碼于操作碼中，也可以將尋址方式作為一個單獨的域來表示。 (5) 指令集格式的設計：有變長編碼格式、固定長度編碼格式和混合型編碼格式3種。8.簡述CISC指令集結(jié)構(gòu)功能設計的主要目標。從當前的計算機技術(shù)觀點來看，CISC指令集結(jié)構(gòu)的計算機有什么缺點？答：主要目標是增強指令功能，把越來越多的功能交由硬件來實現(xiàn)，并且指令的數(shù)量也是越來越多。缺點： (1) CISC結(jié)構(gòu)的指令集中，各種指令的使用頻率相差

18、懸殊。（2）CISC結(jié)構(gòu)指令的復雜性帶來了計算機體系結(jié)構(gòu)的復雜性，這不僅增加了研制時間和成本，而且還容易造成設計錯誤。（3）CISC結(jié)構(gòu)指令集的復雜性給VLSI設計增加了很大負擔，不利于單片集成。（4）CISC結(jié)構(gòu)的指令集中，許多復雜指令需要很復雜的操作，因而運行速度慢。 (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，不利于采用先進的計算機體系結(jié)構(gòu)技術(shù)（如流水技術(shù)）來提高系統(tǒng)的性能。9.簡述流水線技術(shù)的特點。答：流水技術(shù)有以下特點：（1） 流水線把一個處理過程分解為若干個子過程，每個子過程由一個專門的功能部件來實現(xiàn)。因此，流水線實際上是把一個大的處理功能部件分解為多個獨立的功能

19、部件，并依靠它們的并行工作來提高吞吐率。（2） 流水線中各段的時間應盡可能相等，否則將引起流水線堵塞和斷流。（3） 流水線每一個功能部件的前面都要有一個緩沖寄存器，稱為流水寄存器。（4） 流水技術(shù)適合于大量重復的時序過程，只有在輸入端不斷地提供任務，才能充分發(fā)揮流水線的效率。（5） 流水線需要有通過時間和排空時間。在這兩個時間段中，流水線都不是滿負荷工作。10.減少流水線分支延遲的靜態(tài)方法有哪些？答：（1）預測分支失?。貉厥〉姆种Ю^續(xù)處理指令，就好象什么都沒發(fā)生似的。當確定分支是失敗時，說明預測正確，流水線正常流動；當確定分支是成功時，流水線就把在分支指令之后取出的指令轉(zhuǎn)化為空操作，并按分支

20、目標地址重新取指令執(zhí)行。（2）預測分支成功：當流水線ID段檢測到分支指令后，一旦計算出了分支目標地址，就開始從該目標地址取指令執(zhí)行。（3）延遲分支：主要思想是從邏輯上“延長”分支指令的執(zhí)行時間。把延遲分支看成是由原來的分支指令和若干個延遲槽構(gòu)成。不管分支是否成功，都要按順序執(zhí)行延遲槽中的指令。3種方法的共同特點：它們對分支的處理方法在程序的執(zhí)行過程中始終是不變的。它們要么總是預測分支成功，要么總是預測分支失敗。11.簡述延遲分支方法中的三種調(diào)度策略的優(yōu)缺點。調(diào)度策略對調(diào)度的要求對流水線性能改善的影響從前調(diào)度分支必須不依賴于被調(diào)度的指令總是可以有效提高流水線性能從目標處調(diào)度如果分支轉(zhuǎn)移失敗，必須

21、保證被調(diào)度的指令對程序的執(zhí)行沒有影響，可能需要復制被調(diào)度指令分支轉(zhuǎn)移成功時，可以提高流水線性能。但由于復制指令，可能加大程序空間從失敗處調(diào)度如果分支轉(zhuǎn)移成功，必須保證被調(diào)度的指令對程序的執(zhí)行沒有影響分支轉(zhuǎn)移失敗時，可以提高流水線性能12.簡述“Cache主存”層次與“主存輔存”層次的區(qū)別。答： 存儲層次比較項目“Cache主存”層次“主存輔存”層次目的為了彌補主存速度的不足為了彌補主存容量的不足存儲管理的實現(xiàn)全部由專用硬件實現(xiàn)主要由軟件實現(xiàn)訪問速度的比值（第一級比第二級）幾比一幾萬比一典型的塊（頁）大小幾十個字節(jié)幾百到幾千個字節(jié)CPU對第二級的訪問方式可直接訪問均通過第一級不命中時CPU是否切

22、換不切換切換到其它進程13.地址映象方法有哪幾種？它們各有什么優(yōu)缺點？答：(1) 全相聯(lián)映象。實現(xiàn)查找的機制復雜，代價高，速度慢。Cache空間的利用率較高，塊沖突概率較低，因而Cache的失效率也低。（2）直接映象。實現(xiàn)查找的機制簡單，速度快。Cache空間的利用率較低，塊沖突概率較高，因而Cache的失效率也高。（3）組相聯(lián)映象。組相聯(lián)是直接映象和全相聯(lián)的一種折衷。14.降低Cache失效率有哪幾種方法？簡述其基本思想。答：常用的降低Cache失效率的方法有下面幾種：（1） 增加Cache塊大小。增加塊大小利用了程序的空間局部性。（2） 增加Cache的容量。（3） 提高相聯(lián)度，降低沖突失

23、效。（4） 偽相聯(lián)Cache，降低沖突失效。當對偽相聯(lián)Cache進行訪問時，首先是按與直接映象相同的方式進行訪問。如果命中，則從相應的塊中取出所訪問的數(shù)據(jù)，送給CPU，訪問結(jié)束。如果不命中，就將索引字段的最高位取反，然后按照新索引去尋找“偽相聯(lián)組”中的對應塊。如果這一塊的標識匹配，則稱發(fā)生了“偽命中”。否則，就訪問下一級存儲器。（5） 硬件預取技術(shù)。在處理器提出訪問請求前預取指令和數(shù)據(jù)。（6） 由編譯器控制的預取，硬件預取的替代方法，在編譯時加入預取的指令，在數(shù)據(jù)被用到之前發(fā)出預取請求。（7） 編譯器優(yōu)化，通過對軟件的優(yōu)化來降低失效率。（8） “犧牲”Cache。在Cache和其下一級存儲器的

24、數(shù)據(jù)通路之間增設一個全相聯(lián)的小Cache，存放因沖突而被替換出去的那些塊。每當發(fā)生不命中時，在訪問下一級存儲器之前，先檢查“犧牲”Cache中是否含有所需的塊。如果有，就將該塊與Cache中某個塊做交換，把所需的塊從“犧牲”Cache 調(diào)入Cache。15.在“Cache主存”層次中，主存的更新算法有哪兩種？它們各有什么特點？答： （1）寫直達法。易于實現(xiàn)，而且下一級存儲器中的數(shù)據(jù)總是最新的。（2）寫回法。速度快，“寫”操作能以Cache存儲器的速度進行。而且對于同一單元的多個寫最后只需一次寫回下一級存儲器，有些“寫”只到達Cache，不到達主存，因而所使用的存儲器頻帶較低。16.簡述通道完成

25、一次數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕^程。答：（1）在用戶程序中使用訪管指令進入管理程序，由CPU通過管理程序組織一個通道程序，并啟動通道。 (2) 通道處理機執(zhí)行CPU為它組織的通道程序，完成指定的數(shù)據(jù)I/O工作。 (3) 通道程序結(jié)束后向CPU發(fā)中斷請求。CPU響應這個中斷請求后，第二次進入操作系統(tǒng)，調(diào)用管理程序?qū)/O中斷請求進行處理。綜合性大題1.假設處理機的時鐘頻率為40MHz，運行的測試程序共有200 000條指令，由4類指令組成。已知各類指令的CPI和各類指令條數(shù)的比例如下所示。指令類型CPI指令條數(shù)比例算術(shù)邏輯運算指令160%Cache命中的load/store指令218%轉(zhuǎn)移類指令412%Ca

26、che不命中的load/store指令810%計算處理機運行該測試程序的CPI和速率（MIPS）。解：2.某臺主頻為400MHz的計算機執(zhí)行標準測試程序，程序中指令類型、執(zhí)行數(shù)量和平均時鐘周期數(shù)如下：指令類型指令執(zhí)行數(shù)量平均時鐘周期數(shù)整數(shù)450001數(shù)據(jù)傳送750002浮點80004分支15002求該計算機的有效CPI、MIPS和程序執(zhí)行時間。解：（1）CPI (4500017500028000415002) / 1295001.776（2）MIPS速率f/ CPI 400/1.776 225.225MIPS（3）程序執(zhí)行時間= (4500017500028000415002)400=575u

27、s3.用一臺40MHz處理機執(zhí)行標準測試程序，它含的混合指令數(shù)和相應所需的時鐘周期數(shù)如下：指令類型指令執(zhí)行條數(shù)平均時鐘周期數(shù)整數(shù)運算450001數(shù)據(jù)傳送320002浮點運算150002控制傳送80002求有效CPI、MIPS速率和程序的執(zhí)行時間。解：依題意可知 IN=105條，n=44.設有兩臺機器A和B，對條件轉(zhuǎn)移采用不同的方法。CPUA采用比較指令和條件轉(zhuǎn)移指令處理方法，若條件轉(zhuǎn)移指令占總執(zhí)行指令數(shù)的20，比較指令也占20。CPUB采用比較和條件轉(zhuǎn)移指令合一的方法，占執(zhí)行指令數(shù)的20。若規(guī)定兩臺機器執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令需2T，其它指令需1T。CPUB的條件轉(zhuǎn)移指令比CPUA慢25，現(xiàn)比較CPU

28、A合和CPUB哪個工作速度更快？解: CPIA=0.220.811.2CPUA時間ICACPIATA1.2TAICA ICA是CPUA的指令條數(shù)，由于CPUB無比較指令，因此ICB=0.8ICA，若ICA=100，則ICB=80 ，而CPUB的條件轉(zhuǎn)移指令仍是20條，所以占比例為20/800.2525CPIB=0.2520.7511.25 又因為CPUB的TB比CPUA的TA慢25%，所以TB=1.25TACPUB=ICBCPIBTB0.8ICA1.251.25TA 1.25TAICA可見，CPUA時間CPUB時間，CPUA比CPUB工作速度快。5.若在整個測試程序的執(zhí)行時間中，求浮點數(shù)平方根

29、FPSQR的操作占10%，現(xiàn)有兩種改進方案：（1）采用FPSQR硬件，使其速度加快到10倍；（2）使用所有浮點數(shù)指令FP速度加快到4倍，并設FP指令占整個程序執(zhí)行時間的40%。試比較兩種方案的優(yōu)劣。解：（1）Fe=0.1，Se=10，則（2）Fe=0.4，Se=4，則比較結(jié)果得：方案（2）更優(yōu)。6.計算機系統(tǒng)中有三個部件可以改進，這三個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的可改進比例均為30%，那么當部件3的可改進比例為多少時，系統(tǒng)加速比才可以達到10？（2） 如果三個部件的可改進比例分別為30%、30%和20%，三個部件

30、同時改進，那么系統(tǒng)中不可加速部分的執(zhí)行時間在總執(zhí)行時間中占的比例是多少？解：（1）在多個部件可改進情況下，Amdahl定理的擴展：已知S130，S220，S310，Sn10，F(xiàn)10.3，F(xiàn)20.3，得：得F30.36，即部件3的可改進比例為36%。（2）設系統(tǒng)改進前的執(zhí)行時間為T，則3個部件改進前的執(zhí)行時間為：（0.3+0.3+0.2）T = 0.8T，不可改進部分的執(zhí)行時間為0.2T。已知3個部件改進后的加速比分別為S130，S220，S310，因此3個部件改進后的執(zhí)行時間為： 改進后整個系統(tǒng)的執(zhí)行時間為：Tn = 0.045T+0.2T = 0.245T那么系統(tǒng)中不可改進部分的執(zhí)行時間在總

31、執(zhí)行時間中占的比例是：7.假設浮點數(shù)指令FP指令的比例為30%，其中浮點數(shù)平方根FPSQR占全部指令的比例為4%，F(xiàn)P操作的CPI為5，F(xiàn)PSQR操作的CPI為20，其他指令的平均CPI為1.25?，F(xiàn)有兩種改進方案，第一種是把FPSQR操作的是CPI減至3，第二種是把所有的FP操作的CPI減至3，試比較兩種方案對系統(tǒng)性能的提高程度。解：沒有改進之前，每條指令的平均時鐘周期CPI為：（1）采用第一種方案：FPSQR操作的CPI由CPIFPSQR=20減至=3，則整個系統(tǒng)的指令平均時鐘周期數(shù)為：CPI1=CPI-（CPIFPSQR-）4%=2.38-(20-3) 4%=1.7(2)采用第二種方案：

32、所有FP操作的CPI由CPIFP=5減至=3，則整個系統(tǒng)的指令平均時鐘周期數(shù)為：CPI2=CPI-（CPIFP-）30%=2.38-(5-3) 30%=1.78所以，從降低整個系統(tǒng)的指令平均時鐘周期數(shù)的程度來看，第一種方案優(yōu)于第二種方案。8.假設某應用程序中有4類操作，通過改進，各操作獲得不同的性能提高。具體數(shù)據(jù)如下表所示：操作類型程序中的數(shù)量（百萬條指令）改進前的執(zhí)行時間（周期）改進后的執(zhí)行時間（周期）操作11021操作2302015操作335103操作41541（1）改進后，各類操作的加速比分別是多少？（2）各類操作單獨改進后，程序獲得的加速比分別是多少？（3）4類操作均改進后，整個程序的

33、加速比是多少？解：根據(jù)Amdahl定律可得（1、2）操作類型各類操作的指令條數(shù)在程序中所占的比例Fi各類操作的加速比Si各類操作單獨改進后，程序獲得的加速比操作111.1%21.06操作233.3%1.331.09操作338.9%3.331.37操作416.7%41.14（3）4類操作均改進后，整個程序的加速比：9. 若某機要求有：三地址指令4條，單地址指令192條，零地址指令16條。設指令字長為12位，每個地址碼長3位。問能否以擴展操作碼為其編碼？10.流水線由4個功能部件組成，每個功能部件的延遲時間為t。當輸入10個數(shù)據(jù)后，間歇5t ，又輸入10個數(shù)據(jù)，如此周期性地工作，求此時流水線的吞吐

34、率，并畫出其時空圖。分析 所謂輸入10個數(shù)據(jù)后，間歇5t，又輸入10個數(shù)據(jù)的含義應當是以輸入時間為基準，即從第10個數(shù)據(jù)輸入時算起，隔5t后又開始輸入新的一輪數(shù)據(jù)。解答按題意可得4個功能部件流水時的時空關(guān)系如下圖所示所以，按周期性工作時的流水線平均吞吐率為Tp=10/(14t)=5/(7t)11.有一個流水線由4段組成，其中每當流經(jīng)第3段時，總要在該段循環(huán)一次，然后才能流到第4段。如果每段經(jīng)過一次所需要的時間都是，問：（1） 當在流水線的輸入端連續(xù)地每時間輸入任務時，該流水線會發(fā)生什么情況？（2） 此流水線的最大吞吐率為多少？如果每輸入一個任務，連續(xù)處理10個任務時的實際吞吐率和效率是多少？（

35、3） 當每段時間不變時，如何提高該流水線的吞吐率？仍連續(xù)處理10個任務時，其吞吐率提高多少？解：（1）會發(fā)生流水線阻塞情況。第1個任務S1S2S3S3S4第2個任務S1S2stallS3S3S4第3個任務S1stallS2stallS3S3S4第4個任務S1stallS2stallS3S3S4（2）（3）重復設置部件吞吐率提高倍數(shù)1.6412.有一條靜態(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，第3段的時間為2t，其余各段的時間均為t，而且流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應的流水寄存器中?，F(xiàn)要在該流水線上計算 ，畫出其時空圖，并計算其吞吐率、加速比和效率。解：

36、首先，應選擇適合于流水線工作的算法。對于本題，應先計算A1B1、A2B2、A3B3和A4B4；再計算(A1B1) (A2B2)和(A3B3) (A4B4)；然后求總的結(jié)果。其次，畫出完成該計算的時空圖，如圖所示，圖中陰影部分表示該段在工作。由圖可見，它在18個t時間中，給出了7個結(jié)果。所以吞吐率為： 如果不用流水線，由于一次求積需3t，一次求和需5t，則產(chǎn)生上述7個結(jié)果共需（45+33）t =29t。所以加速比為： 該流水線的效率可由陰影區(qū)的面積和5個段總時空區(qū)的面積的比值求得： 13.有一條動態(tài)多功能流水線由5段組成（如圖所示），加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第2段的時間為2，

37、其余各段的時間均為，而且流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應的流水寄存器中。若在該流水線上計算，試計算其吞吐率、加速比和效率。解：首先，應選擇適合流水線工作的算法。對應本題，應先計算、和；在計算；然后求總的累加結(jié)果。其次，畫出完成該計算的時空圖，如圖所示，圖中陰影部分表示該段在工作。由上圖可知，它在18個時間中，給出了7個結(jié)果。所以吞吐率為：如果不用流水線，由于一次求積需4，一次求和需4，則產(chǎn)生上述7個結(jié)果共需。所以加速比為： 該流水線的效率可由陰影區(qū)和5個段總時空區(qū)的比值求得：13.動態(tài)多功能流水線由6個功能段組成，如下圖：其中，S1、S4、S5、S6組成乘法流水線，S1、S2、S3、

38、S6組成加法流水線，各個功能段時間均為50ns，假設該流水線的輸出結(jié)果可以直接返回輸入端，而且設置有足夠的緩沖寄存器，若以最快的方式用該流水計算：（1） 畫出時空圖；（2） 計算實際的吞吐率、加速比和效率。解：機器一共要做10次乘法，4次加法。14.一條線性靜態(tài)多功能流水線由6個功能段組成，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，每個功能段的延遲時間均相等。流水線的輸入端與輸出端之間有直接數(shù)據(jù)通路，而且設置有足夠的緩沖寄存器?，F(xiàn)在用這條流水線計算： 畫出流水線時空圖，并計算流水線的實際吞吐率、加速比和效率。解：流水線時空圖如下：整個計算過程需要22t，所

39、以吞吐率為：加速比為：效率為：15.假設在3000次訪存中，第一級cache不命中110次，第二級cache不命中55次。試問：在這種情況下，該cache系統(tǒng)的局部不命中率和全局不命中率各是多少？解：第一級cache的不命中率（全局和局部）是110/3000,即3.67%；第二級cache的局部不命中率是55/110,即50%，第二級cache的全局不命中率是55/3000，即1.83%。16.在三級cache中，第一級cache、第二級cache和第三級cache的局部不命中率分別為4%、30%和50%。它們的全局不命中率各是多少？解：第一級cache的全局不命中率=它的局部不命中率=4%第

40、二級cache的全局不命中率=第一級cache的全局不命中率第二級cache局部不命中率=4%30%=1.2%第三級cache的全局不命中率=第一級cache的全局不命中率第二級cache局部不命中率第三級cache局部不命中率=4%30%50%=0.6%。17.某計算機的指令字長為16位，設有單地址指令和兩地址指令兩類指令。若每個地址字段均為6位，且兩地址指令有A條，問單地址指令最多可以有多少條？解：根據(jù)題意，兩地址指令格式為：其中，4位操作碼可表示16個（24）段操作碼。兩地址指令共有A條，占用了16個短碼點中的A個，剩余的（16-A）個碼點均可用作擴展標志。單地址指令格式為：即每一個擴展

41、標志都可使用一個6位的地址字段（兩地址指令中的地址碼1）進行擴展，從而得到26個擴展操作碼，所以，單地址指令最多可有（16-A）26。18.一個字節(jié)多路通道連接有6臺設備，它們的數(shù)據(jù)傳輸率如下表所示。設備名稱D1D2D3D4D5D6數(shù)據(jù)傳輸速率（B/ms）505040252510（1） 計算該通道的實際工作流量。（2） 若通道的最大流量等于實際工作流量，求通道的工作周期Ts+TD。解：（1）通道實際流量為（2）由于通道的最大流量等于實際工作流量，即有可得，通道的工作周期Ts+TD = 5s。19.設通道在數(shù)據(jù)傳送期中，選擇設備需4.9S，傳送一個字節(jié)數(shù)據(jù)需0.lS。（1）其低速設備每隔250S

42、發(fā)出一個字節(jié)數(shù)據(jù)傳送請求，問最多可接多少臺這種設備？（2）若有AE共5種高速設備，要求字節(jié)傳送的間隔時間如下表所示，其時間單位為S。若一次通信傳送的字節(jié)數(shù)不少于1024個字節(jié)，問哪些設備可掛在此通道上？哪些則不能？設備ABCDE時間間隔（us）0.130.10.110.20.3解：(1)低速設備應接字節(jié)多路通道 n 250/5=50臺，所以，n50臺，即最多可接50臺這種設備(2)根據(jù)題意，此通道為選擇通道其中，n1024，應使fselect.i fmax.select由此可得出通道工作周期為：T0.1048(us)所以，只有A、C、D、E可掛在此通道上，B則不行。20.設某個字節(jié)多路通道的設備選擇時間Ts為9.8s，傳送一個字節(jié)的數(shù)據(jù)所需的時間TD為0.2s。若某種低速外設每隔500s發(fā)出一次傳送請求，那么，該通道最多可連接多少臺這種外設？ 解：字節(jié)多路通道的最大流量為：字節(jié)多路通道的實際流量為：其中，p為通道連接的外設臺數(shù)，fi為外設i的數(shù)據(jù)傳輸速率。因為連接的是同樣的外設