計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)試題及答案

1、僅供個人參考計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)試題及答案12008 年 01 月 23 日 22:211、計(jì)算機(jī)高性能發(fā)展受益于：（1）電路技術(shù)的發(fā)展；（2）計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展。2、層次結(jié)構(gòu)：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可以按語言的功能劃分為多級層次結(jié)構(gòu)，每一層以不同的語言為 特征。第六級：應(yīng)用語言虛擬機(jī)- 第五級：高級語言虛擬機(jī) - 第四級：匯編語言虛擬機(jī)-第三級：操作系統(tǒng)虛擬機(jī)- 第二級：機(jī)器語言（傳統(tǒng)機(jī)器級）- 第一級：微程序機(jī)器級。3、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)：程序員所看到的計(jì)算機(jī)的屬性，即概括性結(jié)構(gòu)與功能特性。For personal use only in study and research; not for comme

2、rcial use4、透明性：在計(jì)算機(jī)技術(shù)中，對本來存在的事物或?qū)傩?，從某一角度來看又好像不存在?概念稱為透明性。5、Amdahl提出的體系結(jié)構(gòu)是指機(jī)器語言級程序員所看見的計(jì)算機(jī)屬性。6、經(jīng)典計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)概念的實(shí)質(zhì)3是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中軟、硬件界面的確定，也就是指令集的設(shè)計(jì)，該界面之上由軟件的功能實(shí)現(xiàn)，界面之下由硬件和固件的功能來實(shí)現(xiàn)。7、計(jì)算機(jī)組織是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的邏輯實(shí)現(xiàn)；計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的物理實(shí)現(xiàn)。8、計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)組織、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的區(qū)別和聯(lián)系？答：一種體系結(jié)構(gòu)可以有多種組成，一種組成可以有多種物理實(shí)現(xiàn)，體系結(jié)構(gòu)包括對組織與實(shí)現(xiàn)的研究。9、系列機(jī)：是指具有相同的體系結(jié)構(gòu)但具有不同

3、組織和實(shí)現(xiàn)的一系列不同型號的機(jī)器。10、軟件兼容：即同一個軟件可以不加修改地運(yùn)行于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相同的各機(jī)器，而且它們所獲得的結(jié)果一樣，差別只在于運(yùn)行時間的不同。11、兼容機(jī)：不同廠家生產(chǎn)的、具有相同體系結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)。12、向后兼容是軟件兼容的根本特征，也是系列機(jī)的根本特征。13、當(dāng)今計(jì)算機(jī)領(lǐng)域市場可劃分為：服務(wù)器、桌面系統(tǒng)、嵌入式計(jì)算三大領(lǐng)域。14、摩爾定律：集成電路密度大約每兩年翻一番。15、定量分析技術(shù)基礎(chǔ)（1）性能的評測：（a）響應(yīng)時間：從事件開始到結(jié)束之間的時間； 計(jì)算機(jī)完成某一任務(wù)所花費(fèi)的全部時間。（b）流量：單位時間內(nèi)所完成的工作量。（c）假定兩臺計(jì)算機(jī) x、y; x比y快意思為：對于

4、給定任務(wù)，x的響應(yīng)時間比y少。x的性能是y的幾倍是指：響應(yīng)時間 x /響應(yīng)時間y = n,響應(yīng)時間與性能成反比。16、大概率事件優(yōu)先原則：（基本思想）對于大概率事件（最常見的事件），賦予它優(yōu)先的處理權(quán)和資源使用權(quán)，以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果。17、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。系統(tǒng)加速比=總執(zhí)行時間（改進(jìn)前）/總執(zhí)行時間（改進(jìn)后）=18、Amdahl定律推論：如果僅僅對計(jì)算機(jī)中的一部分做性能改進(jìn)，則改進(jìn)越多，系統(tǒng)獲得的效果越小。如果只針對整個任務(wù)的一部分進(jìn)行優(yōu)化，那么多獲得的加速比不大于1 / （1-可改進(jìn)比例）。19、cpu性能：Cp

5、u時間=總時鐘周期數(shù) /時鐘頻率Cpi =總時鐘周期數(shù) / ic （cpi:平均每條指令的時鐘周期數(shù)；ic：執(zhí)行過程當(dāng)中的指令條數(shù)。）Cpu性能公式：總cpu時間=cpi ic /時鐘頻率 其中：cpi反映了計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)、計(jì)算 機(jī)指令集的結(jié)構(gòu)和計(jì)算機(jī)組織；Ic反映了計(jì)算機(jī)指令集的結(jié)構(gòu)和編程技術(shù)；時鐘頻率：反映了計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，生產(chǎn)工藝和計(jì)算機(jī)組織。20、并行性：是指在同一時刻或是同一時間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不相同工 作。第二章1、根據(jù) cpu 內(nèi)部存儲單元類型對指令集結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，一般可分為堆棧型指令集結(jié)構(gòu)、累 加器型指令集結(jié)構(gòu)和通用寄存器型指令集結(jié)構(gòu)。2、通用寄存器型指令集機(jī)

6、進(jìn)一步細(xì)分為3 種類型：寄存器-寄存器型（R-R） 、寄存器-存儲器型（R-M） 、存儲器-寄存器型。3、尋址方式：（ 1 ）寄存器尋址：例：ADD R4, R3 含義： RegsR4-RegsR4+RegsR3（ 2）立即值尋址：例：ADD R4, 3 含義： RegsR4-RegsR4+3（ 3）偏移尋址：例：ADD R4, 100（R1） 含義： RegsR4+Mem100+RegsR1（ 4）寄存器間接尋址：例：ADD R4, （R1） 含義： RegsR4-RegsR4+MemRegsR1（ 5） 索引尋址：例： ADD R3, （R1+R2） 含義： RegsR3-RegsR3+M

7、emRegsR1+RegsR2（ 6）直接尋址或絕對尋址：例：ADD R1, （1001） 含義： RegsR1-RegsR1+Mem1001（ 7） 存儲器間接尋址：例： ADD R1, a（R3） 含義： RegsR1-RegsR1+MemMemRegsR3（ 8）自增尋址：例：ADD R1, （R2）+ 含義： RegsR1-RegsR1+MemRegs（ 9）自減尋址（ 10 ）縮放尋址4、指令集結(jié)構(gòu)的功能設(shè)計(jì)：指令集結(jié)構(gòu)中操作的分類操作類型1 ）算術(shù)與邏輯運(yùn)算2）數(shù)據(jù)傳輸3）控制4）系統(tǒng)5）浮點(diǎn)6）十進(jìn)制7）字符串8）圖形實(shí)例整數(shù)的算術(shù)和邏輯運(yùn)算：加、減、與、或等LOAD/STORE

8、 分支、跳轉(zhuǎn)、過程調(diào)用和返回、自陷等 操作系統(tǒng)調(diào)用、虛擬存儲器管理。浮點(diǎn)加、減等操作十進(jìn)制加、十進(jìn)制乘、十進(jìn)制到字符的轉(zhuǎn)換字符串移動、比較 像素操作，壓縮操作5、復(fù)雜指令機(jī)（CISC） ：是指強(qiáng)化指令功能，實(shí)現(xiàn)軟件功能向硬件功能轉(zhuǎn)移，基于這種指令集結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。CISC 指令集存在的缺點(diǎn)：（ 1 ）在這種指令系統(tǒng)中，各種指令的使用頻率相差懸殊。（ 2） CISC 指令集結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性帶來了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，這不僅增加了研制時間和成本，而且還容易造成設(shè)計(jì)錯誤。（ 3） CISC 指令集結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性給VLSI 設(shè)計(jì)帶來了很大負(fù)擔(dān)，不利于單片集成。（ 4） 在 CISC 指令集結(jié)構(gòu)

9、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。（ 5） 在 CISC 指令集結(jié)構(gòu)中，由于各條指令功能的不均衡，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)）來提高系統(tǒng)的性能。（ 6） 世紀(jì) 80 年代發(fā)展起來的精簡指令集計(jì)算機(jī)：其目的是盡可能地降低指令集結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，以達(dá)到簡化實(shí)現(xiàn)，提高性能的目的，也是當(dāng)今指令集結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)的一個主要趨勢。其設(shè)計(jì)時遵循的原則：（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） 每條指令的功能盡可能簡單，并在一個機(jī)器周期內(nèi)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(jìn)

10、行。（5） 以簡單有效的方式支持高級語言。7、操作數(shù)類型：整數(shù)（定點(diǎn)）、浮點(diǎn)、十進(jìn)制、字符、字符串、向量、堆棧等。8、操作數(shù)類型的表示有兩種方法：（ 1）由操作碼的編碼指定。（ 2）數(shù)據(jù)可以附上由硬件解釋的標(biāo)記，由這些標(biāo)記指定操作數(shù)的類型，從而選擇適當(dāng)運(yùn)算。9、操作數(shù)類型大小有：字節(jié)（8） 、半字（16b） 、單字（32b） 、雙字（64b）第三章1、流水線技術(shù)：是指將一個重復(fù)的時序過程，分解為若干個子過程，而每一個子過程都可有效地在其專用功能段上與其它子過程同時執(zhí)行。2、流水線分類：（ 1）按功能的多少來分：單功能流水線、多功能流水線；（ 2）按同一時間內(nèi)各段之間的連接方式來分：靜態(tài)流水線、

11、動態(tài)流水線（ 3）按流水線的級別來分：部件級流水線（運(yùn)算操作流水線）、處理機(jī)級流水線（指令流水線） 、處理機(jī)間流水線（宏流水線）（ 4）按各個流水段之間是否有反饋回路來分：線性流水線、非線性流水線（ 5）按數(shù)據(jù)表示分：標(biāo)量流水處理機(jī)、向量流水處理機(jī)3、先行控制器處理機(jī)結(jié)構(gòu)：包括三個獨(dú)立的控制器和四個緩沖棧。其中三個控制器為：存儲控制器、指令控制器、運(yùn)算控制器。四個緩沖棧：先行指令緩沖棧、線性讀數(shù)緩沖棧、現(xiàn)行操作棧，后行寫數(shù)棧。4、吞吐率：是指單位時間內(nèi)流水線所完成的任務(wù)數(shù)或輸出結(jié)果的數(shù)量。TP = n / Tk實(shí)際吞吐率小于最大吞吐率Tk = （k+n-1） t5、加速比：是指流水線的速度與等

12、功能非流水線的速度之比（s） ；效率：是指流水線的設(shè)備利用率（E） 。6、若流水線各段的時間相等：吞吐率：TP=n/（k+n-1） t TPmax=1/ t若各段執(zhí)行時間不相等時，完成幾個任務(wù)：TP=n /（匯ti + （n-l）max（Atl, At2 tk）7、加速比和使用效率的關(guān)系：E = s/m 或 S = mE8、效率和吞吐率的關(guān)系：E = TP At0或TP = E/At11、效率：E = n個任務(wù)占用的時空區(qū)/ k個流水段的總的時空區(qū)=T0 / K TkE = n/（k+n-1） S = k n /（k+n-1） TP = n / （k+n-1） At12、單功能流水棧：是指只能

13、完成一種固定功能的流水棧。13、多功能流水棧：流水棧的各段通過不同連接實(shí)現(xiàn)不同功能。14、 非線性流水線調(diào)度：任務(wù)時要找出一個最小的循環(huán)周期，按照個周期向流水線輸入新任務(wù)，流水線的各個功能段都不會發(fā)生沖突，而且流水線的吞吐率和效率最高。15、非線性流水線：某些流水段之間有反饋回路或前饋回路。16、啟動距離：連續(xù)輸入連個任務(wù)之間的時間間隔。17、流水線沖突：幾個任務(wù)爭用同一個流水段。18、禁止向量：預(yù)約表中每一行任意兩個“x之間距離的集合。19、沖突向量：C = （Cm Cm-1 C2 其仰m時禁止向量中的最大值20、數(shù)據(jù)相關(guān)：在執(zhí)行本條指令的過程中，如果用到的指令、操作數(shù)、變量等是前面指令的執(zhí)

14、行結(jié)果，這種相關(guān)稱為數(shù)據(jù)相關(guān)。21、控制相關(guān)：由條件分支指令、轉(zhuǎn)子程序指令、中斷等引起的相關(guān)。22、三種數(shù)據(jù)相關(guān)：限度后寫相關(guān)、先寫后讀相關(guān)、寫寫相關(guān)。第五章（存儲系統(tǒng)）1、存儲系統(tǒng)定義：兩個或兩個以上速度、容量和價格各不相同的存儲器用硬件、軟件或軟 件與硬件相結(jié)合的方法連接起來成為一個存儲系統(tǒng)。這個存儲器系統(tǒng)對應(yīng)用程序員時透明 不得用于商業(yè)用途僅供個人參考的，并且，以應(yīng)用程序員看，它是一個存儲器，這個存儲器的速度接近最快的那個存儲器， 存儲容量與容量最大的那個存儲器相等，單位容量的價格接近最便宜的那個存儲器。2、存儲系統(tǒng)分為兩類：（1） Cache存儲系統(tǒng)：由Cache與主存儲器構(gòu)成，目的是

15、提高存儲 器速度。（2）虛擬存儲系統(tǒng)：由主存儲器和硬盤構(gòu)成，目的是擴(kuò)大存儲器容量。3、存儲系統(tǒng)的價格：C = （C1S1+C2s2） / （S1+S2）4、存儲系統(tǒng)的速度：表示方法：訪問周期、存取周期、存儲周期、存取時間等。5、命中率定義：在 M1存儲器中訪問到的概率 u = N1 / （N1+N2） N1是對存儲器 M1的訪問次數(shù)，N2是對M2存儲器的訪問次數(shù)。 6、訪問效率：T11e = T1/T = f （u, T2/T1 ）u T1+（1-u）T2u+（1-u） T2/T17、采用預(yù)取技術(shù)提高命中率.（方法） 不命中時，把 M2存儲器中相鄰多個單元組成的一個數(shù)據(jù)塊取出來送入M1存儲器中.u = （u+n） / n 其中u是采用預(yù)取技術(shù)之后的命中率；u是原來的命中率；n為數(shù)據(jù)塊大小與數(shù)據(jù)重復(fù)使用次數(shù)的乘積。8、加速內(nèi)部地址變換方法：（1）目錄表：用一個小容量高速存儲器存放頁表；（2）快慢表：快表、慢表構(gòu)成一個兩級存儲系統(tǒng)；（3）散列函數(shù)：把相聯(lián)訪問變成接地址訪問。9、頁面替換算法：（1）隨機(jī)算法（RAND）;