體系結構試題及答案概覽

1、一名詞解釋2:1Cache 經驗規(guī)則 ：大小為 N 的直接印象 Cache 的失效率約等于大小為N/2 的兩路組相聯(lián)Cache 的失效率。通道處理機： 通道的專用處理機，來專門負責整個計算機體系的輸入/輸出工作。通道處理機只能執(zhí)行有限的一組輸入/輸出指令。透明性： 在計算機技術中， 把這種本來存在的事物或屬性，但從某種角度看又好像不存在的概念稱為透明性。向量處理機： 設置了向量數(shù)據(jù)表示和相應的向量指令的流水線處理機稱為向量處理機。虛擬 Cache：直接用虛擬地址進行訪問的Cache計算機系統(tǒng)結構： 傳統(tǒng)機器程序員所看到的計算機屬性，即概念性結構與功能特性。系列機： 由同一廠家生產的具有相同系統(tǒng)

2、結構、但具有不同組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的計算機。同構型多處理機系統(tǒng)： 由多個同類型或至少擔負同等功能的處理機組成，它們同時處理同一作業(yè)中能并行執(zhí)行的多個任務。堆棧型機器： CPU 中存儲操作數(shù)的單元是堆棧的機器。累加器型機器： CPU 中存儲操作數(shù)的單元是累加器的機器。通用寄存器型機器： CPU 中存儲操作數(shù)的單元是通用寄存器的機器。數(shù)據(jù)相關： 考慮兩條指令i 和 j ， i 在 j的前面，如果下述條件之一成立，則稱指令j 與指令i 數(shù)據(jù)相關：（ 1）指令 j 使用指令 i 產生的結果；（ 2）指令 j 與指令 k 數(shù)據(jù)相關，而指令 k 又與指令 i 數(shù)據(jù)相關。定向： 用來解決寫后讀沖突的

3、。 在發(fā)生寫后讀相關的情況下，在計算結果尚未出來之前，后面等待使用該結果的指令并不見得是馬上就要用該結果。如果能夠將該計算結果從其產生的地方直接送到其它指令需要它的地方，那么就可以避免停頓。指令級并行 ：簡稱 ILP 。是指指令之間存在的一種并行性，利用它，計算機可以并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令。指令的動態(tài)調度： 是指在保持數(shù)據(jù)流和異常行為的情況下，通過硬件對指令執(zhí)行順序進行重新安排，以提高流水線的利用率且減少停頓現(xiàn)象。是由硬件在程序實際運行時實施的。指令的靜態(tài)調度： 是指依靠編譯器對代碼進行靜態(tài)調度，以減少相關和沖突。 它不是在程序執(zhí)行的過程中、而是在編譯期間進行代碼調度和優(yōu)化的。失效率：

4、CPU 訪存時，在一級存儲器中找不到所需信息的概率。失效開銷： CPU 向二級存儲器發(fā)出訪問請求到把這個數(shù)據(jù)調入一級存儲器所需的時間。強制性失效： 當?shù)谝淮卧L問一個塊時， 該塊不在 Cache 中，需要從下一級存儲器中調入Cache，這就是強制性失效。容量失效：如果程序在執(zhí)行時，所需要的塊不能全部調入Cache 中，則當某些塊被替換后又重新被訪問，就會產生失效，這種失效就稱作容量失效。沖突失效 ：在組相聯(lián)或直接映象Cache 中，若太多的塊映象到同一組（塊）中，則會出現(xiàn)該組中某個塊被別的塊替換（即使別的組或塊有空閑位置），然后又被重新訪問的情況。RAID ：廉價磁盤冗余陣列或獨立磁盤冗余陣列。

5、通道：專門負責整個計算機系統(tǒng)輸入/輸出工作的專用處理機，能執(zhí)行有限的一組輸入輸出指令。通道流量： 指一個通道在數(shù)據(jù)傳送期間，單位時間內能夠傳送的數(shù)據(jù)量?；ミB網(wǎng)絡： 一種由開關元件按照一定的拓撲結構和控制方式構成的網(wǎng)絡，用來實現(xiàn)計算機系統(tǒng)中結點之間的相互連接。 在拓撲上， 互連網(wǎng)絡是輸入結點到輸出結點之間的一組互連或映象。分布式共享多處理機： 它的共享存儲器分布在各臺處理機中， 每臺處理機都帶有自己的本地存儲器，組成一個“處理機 - 存儲器”單元。但是這些分布在各臺處理機中的實際存儲器又合在一起統(tǒng)一編址， 在邏輯上組成一個共享存儲器。這些處理機存儲器單元通過互連網(wǎng)絡連接在一起 ，每臺處理機除了能

6、訪問本地存儲器外，還能通過互連網(wǎng)絡直接訪問在其他處理機存儲器單元中的 “遠程存儲器 ”。機群：是一種價格低廉、易于構建、可擴放性極強的并行計算機系統(tǒng)。它由多臺同構或異構的獨立計算機通過高性能網(wǎng)絡或局域網(wǎng)互連在一起，協(xié)同完成特定的并行計算任務。從用戶的角度來看，機群就是一個單一、集中的計算資源。二、填空1.單機和多機系統(tǒng)中并行性發(fā)展的技術途徑有：（時間重疊）、（資源重復）、（資源共享 )。2.軟件兼容有 (向上兼容 )、 (向下兼容 ) 、(向前兼容 )和 (向后兼容 )四種其中（向后兼容）是軟件兼容的根本特征。3.說出三種對計算機發(fā)展非常關鍵的實現(xiàn)技術（動態(tài)隨機訪問存儲器） 、（磁盤）、（網(wǎng)絡

7、）。4.同構型和異構型多處理機所采用的提高并行性的技術分別是5.從處理數(shù)據(jù)的角度， 并行性等級可以分為字串位串、（字串位并）、（字并位串） 、和全并行。6.從執(zhí)行程序的角度看，并行性等級可以分為：（指令內部并行） 、（指令級并行） 、（任務級或過程級并行）和作業(yè)或程序級并行。7.計算機系統(tǒng)中提高并行性的技術途徑有（時間重疊）、（資源重復）和（資源共享）三種。在高性能單處理機的發(fā)展中，起主導作用的是（時間重疊原理）。8.根據(jù) CPU 內部存儲單元類型，可將指令集結構分為（堆棧型）指令集結構、（累加器型）指令結構、（通用寄存器型）指令集結構。9.在處理機中，若指令序列完成的順序總是與它們開始執(zhí)行的

8、順序保持一致，則只可能出現(xiàn)（名）相關 ,否則就有可能出現(xiàn)（名相關） 、（數(shù)據(jù)相關）和（控制）相關。10.流水線中的相關有（數(shù)據(jù)）相關、 （名）相關、（控制）相關三種。11.數(shù)據(jù)相關有三種，分別是： （寫后讀）、（讀后寫）和（寫后寫） 。12.對向量的處理有（水平處理）方式、 （垂直處理）方式、 （分組處理）方式。13.存儲器層次結構設計技術的基本依據(jù)是程序的（訪問的局部性原理）。14.在存儲層次中映像規(guī)則有15.在存儲層次中，常用的替換算法有（隨機法）、（先進先出法） 、（最近最少使用法） 。16.設有一個“ Cache-主存”層次， Cache 為 4 塊，主存為8 塊；試分析對于以下 2

9、種情況，計算訪存塊地址為 5 時的索引（ index ）。1）：組相連，每組兩塊：索引為2）直接映像：索引為17.地址映像方法有（直接映像）、（組相連映像）和（全相連映像）等三中，其中（全相連）的沖突率最低。18.按照產生失效的原因不同， Cache 失效可以分為（強制性失效） 、（容量失效）和（沖突失效）三種。19.2:1Cache 經驗規(guī)則是指大小為N 的（直接映像） Cache 的失效率約等于大小為1/2 的（兩路組相連） Cache 的失效率。20.相連度越高，（沖突）失效就越少： （強制性）失效不受Cache 容量的影響，但（容量）失效卻隨著容量的增加而減少。（強制性失效和容量失效不

10、受相連度的影響）21.在虛擬存儲器中，一般采用（全相連）地址映像方法和（LRU ）更新策略。22.設計 I/O 系統(tǒng)的單個標準()、 () 和() 。23.輸入 /輸出系統(tǒng)包括 （外部設備 （ I/O 設備，輔助存儲器）和（其與主機之間的控制部分）。24.通道分為（字節(jié)多路）通道、（選擇）通道和（數(shù)組多路）通道三種類型。三簡答題1. 什么叫軟件兼容？軟件兼容有哪幾種?其中哪一種是軟件兼容的根本特征？軟件兼容：一個軟件可以不經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。向上（下）兼容：按某檔計算機編制的程序，不加修改就能運行于比它高（低）檔的計算機。向

11、后（前） 兼容：按某個時期投入市場的某種型號計算機編制的程序，不加修改地就能運行于在它之后（前）投入市場的計算機。向后兼容是一定要保證的，它是系列機的根本特征。2. 計算機體系結構設計和分析中最常使用的三條基本原則是什么？并說出它們的含義。以經常性事件為重點： 對經常發(fā)生的情況進行優(yōu)化， 使分配更多的資源， 達到更高的性能或者分配更多的電能。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)行事件占系統(tǒng)中總執(zhí)行事件的百分比。程序的局部性原理：程序執(zhí)行時所訪問的存儲器地址分布不是隨機的，而是相對的簇聚。3. 在進行計算機系統(tǒng)設計時，一個設計者應該考慮哪些因素對設計的

12、影響？在進行計算機系統(tǒng)設計時，設計者應該考慮到如下三個方面因素的影響：技術的發(fā)展趨勢；計算機使用的發(fā)展趨勢；計算機價格的發(fā)展趨勢。4. 從執(zhí)行程序的角度看，并行等級從低到高可分為哪幾級？從執(zhí)行程序的角度來看，并行性等級從低到高可分為：（ 1）指令內部并行：單條指令中各微操作之間的并行；（ 2）指令級并行：并行執(zhí)行兩條或兩條以上的指令；（ 3）線程級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的線程，通常是以一個進程內派生的多個線程為調度單位；（ 4）任務級或過程級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的過程或任務（程序段），以子程序或進程為調度單元；（ 5）作業(yè)或程序級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上的作業(yè)或程序。5.從處

13、理數(shù)據(jù)的角度，并行性等級從低到高可分為哪幾級？從處理數(shù)據(jù)的角度來看，并行性等級從低到高可分為：（ 1）字串位串：每次只對一個字的一位進行處理。這是最基本的串行處理方式，不存在并行性；（ 2）字串位并：同時對一個字的全部位進行處理，不同字之間是串行的。已開始出現(xiàn)并行性；（ 3）字并位串：同時對許多字的同一位（稱為位片）進行處理。這種方式具有較高的并行性；（ 4）全并行：同時對許多字的全部位或部分位進行處理。這是最高一級的并行。6.試以系列機為例，說明計算機體系結構、計算機組成和計算機實現(xiàn)三者之間的關系。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)結構。確定主存周期、邏輯

14、上是否采用并行主存、邏輯設計等屬于計算機組成。選擇存儲芯片類型、微組裝技術、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)結構的邏輯實現(xiàn)。計算機實現(xiàn)是計算機組成的物理實現(xiàn)。一種體系結構可以有多種組成。一種組成可以有多種實現(xiàn)。7.從目的、技術途徑、組成、分工方式、工作方式等 5 個方面對同構型多處理機異構型多處理機做一比較（列表） 。8.指令集結構設計中表示尋址方式的主要方法有哪些？簡述這些方法的優(yōu)缺點。表示尋址方式有兩種常用的方法： （ 1）將尋址方式編于操作碼中，由操作碼在描述指令的同時也描述了相應的尋址方式。這種方式譯碼快， 但操作碼和尋址方式的結合不僅增加了指令的條數(shù)，導致了指令的多樣

15、性，而且增加了 CPU對指令譯碼的難度。 （2）為每個操作數(shù)設置一個地址描述符， 由該地址描述符表示相應操作數(shù)的尋址方式。這種方式譯碼較慢，但操作碼和尋址獨立，易于指令擴展。9.在指令集結構設計中，應考慮哪些主要問題？在進行指令機結構設計中，應該考慮如下主要問題：指令集功能設計：主要有RISC 和 CISC 兩種技術發(fā)展方向；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度，根據(jù)適用頻度設置相應必要的尋址方式；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 （可以采用 IEEE 754 標準）、整型數(shù)據(jù)類型（8位、 16 位、

16、32位的表示方法） 、字符型（ 8 位）、十進制數(shù)據(jù)類型（壓縮十進制和非壓縮十進制數(shù)據(jù)表示）等等。尋址方式的表示： 可以將尋址方式編碼與操作碼中，也可將尋址方式作為一個單獨的域來表示。指令集格式的設計：有固定長度編碼方式、可變長編碼方式和混合編碼方式三種選擇。10.計算機指令集結構設計所涉及的內容有哪些？答： (1) 指令集功能設計：主要有RISC 和 CISC 兩種技術發(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，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、

17、 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。11.RISC 指令集結構的設計原則是什么？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完成； （ 3）所有指令長度均相同； （4）只有 Load 和 Store操作指令才訪問存儲器，其它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。12. 表示尋址方式的主要方法有哪些？簡述這些

18、方法的優(yōu)缺點。答：表示尋址方式有兩種常用的方法：（1）將尋址方式編于操作碼中，由操作碼在描述指令的同時也描述了相應的尋址方式。 這種方式譯碼快， 但操作碼和尋址方式的結合不僅增加了指令的條數(shù)，導致了指令的多樣性， 而且增加了 CPU對指令譯碼的難度。 （ 2）為每個操作數(shù)設置一個地址描述符， 由該地址描述符表示相應操作數(shù)的尋址方式。 這種方式譯碼較慢，但操作碼和尋址獨立，易于指令擴展。13. 造成流水線斷流的主要原因是哪三種相關？簡述三種相關的基本思想。數(shù)據(jù)相關，名相關，控制相關數(shù)據(jù)相關：指令j 使用指令 i 產生的結果，或者指令j 與指令 k 數(shù)據(jù)相關，指令 k 又與指令i 書記相關。名相關

19、：兩條指令使用相同的名，但他們之間并沒有數(shù)據(jù)流動?？刂葡嚓P：由分支指令引起的，需要根據(jù)分支指令的執(zhí)行結果來確定后續(xù)指令是否執(zhí)行。14. 數(shù)據(jù)相關有哪幾種類型？解決數(shù)據(jù)相關有哪些主要方法？15.簡述先行控制的基本思想。答：先行控制技術是把緩沖技術和預處理技術相結合。緩沖技術是在工作速度不固定的兩個功能部件之間設置緩沖器，用以平滑它們的工作。預處理技術是指預取指令、 對指令進行加工以及預取操作數(shù)等。采用先行控制方式的處理機內部設置多個緩沖站，用于平滑主存、 指令分析部件、 運算器三者之間的工作。 這樣不僅使它們都能獨立地工作，充分忙碌而不用相互等待， 而且使指令分析部件和運算器分別能快速地取得指令

20、和操作數(shù)，大幅度地提高指令的執(zhí)行速度和部件的效率。 這些緩沖站都按先進先出的方式工作，而且都是由一組若干個能快速訪問的存儲單元和相關的控制邏輯組成。采用先行控制技術可以實現(xiàn)多條指令的重疊解釋執(zhí)行。16.簡述定向技術的基本思想。定向： 用來解決寫后讀沖突的。在發(fā)生寫后讀相關的情況下，在計算結果尚未出來之前，后面等待使用該結果的指令并不見得是馬上就要用該結果。如果能夠將該計算結果從其產生的地方直接送到其它指令需要它的地方，那么就可以避免停頓。17. 試舉例說明 DLX流水線中存在不能依靠定向技術解決的數(shù)據(jù)相關及其解決方法。18.有哪幾種向量處理方式？它們對向量處理機的結構要求有何不同？1) 水平處

21、理方式：不適合對向量進行流水處理。(2) 垂直處理方式：適合對向量進行流水處理，向量運算指令的源使得流水線運算部件的輸入、輸出端直接與存儲器相聯(lián)，構成/目向量都放在存儲器內， MM 型的運算流水線。(3) 分組處理方式：適合流水處理?？稍O長度為n 的向量寄存器，使每組向量運算的源/目向量都在向量寄存器中，流水線的運算部件輸入、輸出端與向量寄存器相聯(lián)，構成流水線。RR 型運算19.簡述 Tomasulo 算法的基本思想。答：核心思想是：記錄和檢測指令相關，操作數(shù)一旦就緒就立即執(zhí)行，把發(fā)生RAW沖突的可能性減小到最少；通過寄存器換名來消除WAR 沖突和 WAW 沖突。寄存器換名是通過保留站來實現(xiàn)，

22、它保存等待流出和正在流出指令所需要的操作數(shù)。基本思想： 只要操作數(shù)有效， 就將其取到保留站，避免指令流出時才到寄存器中取數(shù)據(jù)，這就使得即將執(zhí)行的指令從相應的保留站中取得操作數(shù)， 而不是從寄存器中。 指令的執(zhí)行結果也是直接送到等待數(shù)據(jù)的其它保留站中去。 因而，對于連續(xù)的寄存器寫， 只有最后一個才真正更新寄存器中的內容。 一條指令流出時， 存放操作數(shù)的寄存器名被換成為對應于該寄存器保留站的名稱（編號） 。20.簡述前瞻執(zhí)行的基本思想。對分支指令的結果進行猜測，并假設這個猜測總是對的，然后按這個猜測結果繼續(xù)取、流出和執(zhí)行后續(xù)的指令。只是執(zhí)行指令的結果不是寫回到寄存器或存儲器，而是放到一個稱為ROB

23、的緩沖器中。等到相應的指令得到“確認”（即確實是應該執(zhí)行的）后，才將結果寫入寄存器或存儲器。21.調度分支延遲指令有哪三種常用方法？它們各有什么優(yōu)缺點。從前調度：可以有效提高流水線性能，但分支必須不依賴于被調度的指令。從目標處調度：分支轉移成功時，可以提高流水線性能，但由于復制指令，可能加大程序空間。從失敗處調度：分支轉移失敗時，可以提高流水線性能。但如果分支轉移成功，必須保證被調度的指令對程序的執(zhí)行沒有影響。22.在 Tomasulo 算法中，進入”流出“段的條件是什么？對于浮點操作來說，要進行哪些動作和記錄工作？進入“流出”段的條件：有空閑保留站r 動作和記錄工作：寫出算法或者文字描述均可

24、。要點： （ 1）判斷第一操作數(shù)是否就緒；如果是，就把操作數(shù)讀到保留站，否則就把寄存器狀態(tài)表中的標識送給保留站。（2）判斷第二操作數(shù)是否就緒；如果是，就把操作數(shù)讀到保留站，否則就把寄存器狀態(tài)表中的標識送給保留站。（ 3）把保留站置為忙。（ 4）把操作碼送保留站。 （ 5）把保留站號r 送到與該指令的結果寄存器對應的寄存器狀態(tài)表項。23.簡述 “ Cache 主存 ”層次與 “主存 輔存 ”層次的區(qū)別。存 儲層次“ Cache主存 ”層次“主存 輔存 ”層次比較項目目的為了彌補主存速度的不為了彌補主存容量的不足足存儲管理的實現(xiàn)全部由專用硬件實現(xiàn)主要由軟件實現(xiàn)訪問速度的比值幾比一幾萬比一（第一級比

25、第二級）典型的塊（頁）大小幾十個字節(jié)幾百到幾千個字節(jié)CPU 對第二級的訪問可直接訪問均通過第一級方式不命中時 CPU 是否切不切換切換到其它進程換24.試從 3C 失效的關系分析增加塊大小對Cache 性能的影響。降低失效率最簡單的方法是增加塊大小。（ 1）對于給定的 Cache容量，當塊大小增加 （ 從 16 字節(jié)開始）時，失效率開始是下降， 后來反而上升了。 (2) Cache 容量越大，使失效率達到最低的塊大小就越大。導致上述失效率先下降后上升的原因， 在于增加塊大小會產生雙重作用。 一方面它減少了強制性失效， 因為局部性原理有兩方面的含義： 時間局部性和空間局部性， 增加塊大小利用了空

26、間局部性； 另一方面， 由于增加塊大小會減少 Cache 中塊的數(shù)目， 所以有可能會增加沖突失效。 在 Cache 容量較小時，甚至還會增加容量失效。剛開始增加塊大小時，由于塊大小還不是很大，上述的第一種作用超過第二種作用，從而使失效率下降。但等到塊大小較大時，第二種作用超過第一種作用，使失效率上升。0 簡述減小 Cache 失效開銷的幾種方法答： 讓讀失效優(yōu)先于寫、寫緩沖合并、請求字處理技術、 非阻塞 Cache 或非鎖定 Cache 技術、采用二級 Cache。25.寫出三級 Cache 的平均訪問時間的公式。解：平均訪存時間 命中時間失效率失效開銷只有第 I 層失效時才會訪問第I1。設三

27、級 Cache 的命中率分別為HHl2、HL3，失效率分別為 MMML1、l1、 l2、 L3，第三級 Cache 的失效開銷為 PL3。平均訪問時間T A HL1 Ml1 Hl2 Ml2(HL3 ML3PL3)26.降低 Cache 失效率有哪幾種方法？（至少寫出5 種）（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

28、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。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