計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)題

1、【簡(jiǎn)答題】傳統(tǒng)的存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)的主要特征是什么？存在的主要問題是什么？目前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是如何改進(jìn)的？正確答案：解：主要特征：機(jī)器以運(yùn)算器為中心；采用存儲(chǔ)程序原理；存儲(chǔ)器是按地址訪問的、線性編址的空間；控制流由指令流產(chǎn)生；指令由操作碼和地址碼組成；數(shù)據(jù)以二進(jìn)制編碼表示，采用二進(jìn)制運(yùn)算。主要問題和改進(jìn)：?jiǎn)栴}：以運(yùn)算器為中心，所有部件的操作都由控制器集中控制，導(dǎo)致慢速輸入輸出操作占用快速運(yùn)算器矛盾，影響運(yùn)算器效率發(fā)揮。改進(jìn)：各種分布式的I/O處理或輸入輸出方式如程序控制、DMA直接存儲(chǔ)器訪問)方式、I/O處理機(jī)等。問題：數(shù)據(jù)和指令存放在同一存儲(chǔ)器中，自我修改程序是難以編制、調(diào)試和使用的，不利于指令執(zhí)行

2、的重疊和流水。改進(jìn)：通過存儲(chǔ)管理硬件的支持，由操作系統(tǒng)控制在程序執(zhí)行過程中不準(zhǔn)修改程序。問題：訪問存儲(chǔ)器次數(shù)較多影響計(jì)算機(jī)系統(tǒng)性能。改進(jìn)：按內(nèi)容訪問的相聯(lián)存儲(chǔ)器CAM大量使用通用寄存器，在CPU主存之間設(shè)置高速緩沖存儲(chǔ)器cache。問題：受程序計(jì)數(shù)器控制，程序執(zhí)行只能串行、順序執(zhí)行。改進(jìn)：改進(jìn)CPU的組成，如采用重疊方式、先行控制、多操作部件甚至流水方式把若干條指令的操作重疊起來；采用向量處理技術(shù)、多機(jī)并行處理，總之通過并行處理技術(shù)進(jìn)一步提升計(jì)算機(jī)系統(tǒng)速度。問題：需要指令功能更加豐富，但實(shí)現(xiàn)困難；計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器容量大增，采用直接尋址方式指令中地址碼位數(shù)不夠。改進(jìn)：出現(xiàn)了CISC和RISC指令系統(tǒng)

3、，CISC用硬件實(shí)現(xiàn)大量豐富功能，RISC只包含使用頻率高的少量指令；采用多種靈活的尋址方式，如間接尋址、相對(duì)尋址、變址尋址、基址尋址、頁(yè)式尋址等。2【簡(jiǎn)答題】通用寄存器型指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在靈活性和提高性能方面的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在哪幾個(gè)方面？正確答案：寄存器的訪問速度比存儲(chǔ)器快很多；對(duì)編譯器而言，能更加容易、有效地分配和使用寄存器。在表達(dá)式求值方面，通用寄存器型結(jié)構(gòu)具有更大的靈活性和更高的效率。【簡(jiǎn)答題】簡(jiǎn)述指令系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中采用多種尋址方式的優(yōu)缺點(diǎn)。正確答案：采用多種尋址方式優(yōu)點(diǎn)是可以顯著地減少程序的指令條數(shù)，缺點(diǎn)是可能增加計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度以及指令的平均執(zhí)行時(shí)鐘周期數(shù)。4【簡(jiǎn)答題】根據(jù)CPU性能公式簡(jiǎn)

4、述RISC指令集結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)和CISC指令集結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的性能特點(diǎn)。正確答案：1、CISC指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)特點(diǎn)是指令數(shù)量多、功能多樣，除了包含基本指令外，往往還提供了很多功能很強(qiáng)的指令。根據(jù)CPU性能公式，只有對(duì)于頻繁使用的子程序或指令串，用較強(qiáng)功能的指令取而代之才劃得來。CISC指令系統(tǒng)據(jù)統(tǒng)計(jì)，只有20%勺指令使用頻度比較高，占運(yùn)行時(shí)間的80%，而其余80%的指令只在20%的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)才會(huì)用到，而且使用頻度高的指令也是最簡(jiǎn)單的指令。CICS指令系統(tǒng)有可能降低系統(tǒng)的性能和效率。2、RISC指令系統(tǒng)指令條數(shù)少，指令功能簡(jiǎn)單。確定指令系統(tǒng)時(shí)，只選取使用頻度很高的指令，在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充一些最有用的指令，克服

5、上述CISC的缺點(diǎn)。5【簡(jiǎn)答題】簡(jiǎn)述流水線技術(shù)特點(diǎn)。正確答案：流水過程由多個(gè)相聯(lián)系的子過程組成；每個(gè)子過程由專用的功能段實(shí)現(xiàn)；各個(gè)功能段所需時(shí)間盡量相等；流水線有“通過時(shí)間”(第一個(gè)任務(wù)流出結(jié)果所需的時(shí)間)。在此之后流水過程才進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)，一拍流出一個(gè)結(jié)果；流水技術(shù)適合于大量重復(fù)的時(shí)序過程，只有輸入端連續(xù)提供任務(wù)、流水線效率才可充分發(fā)揮。【簡(jiǎn)答題】什么是主存塊和Cache塊的映像規(guī)則，主要有幾種，試簡(jiǎn)述之。正確答案：當(dāng)把一個(gè)塊從主存調(diào)入Cache時(shí)，決定主存塊在Cache中位置對(duì)應(yīng)關(guān)系的規(guī)則叫做映像規(guī)則。映像規(guī)則主要有三種。(1)直接映像：主存塊只能被放置到唯一的一個(gè)Cache塊的位置。全

6、相聯(lián)映像：主存塊可以被放置到任意一個(gè)Cache塊的位置。(3)組相聯(lián)映像：主存塊可以被放置到唯一的一個(gè)Cache組中的任意一個(gè)Cache塊的位置。【簡(jiǎn)答題】簡(jiǎn)述“Cache-主存”層次與“主存-輔存”層次的區(qū)別。正確答案：【簡(jiǎn)答題】請(qǐng)根據(jù)以下圖片說一說Cache中三種失效與Cache容量的關(guān)系。正確答案：相聯(lián)度越高，沖突失效就越少；(2)強(qiáng)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(qiáng)制性失效和容量失效不受相聯(lián)度的影響；(3)表中的數(shù)據(jù)符合2:1的Cache經(jīng)驗(yàn)規(guī)則，即大小為N的直接映象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。9【簡(jiǎn)答題】請(qǐng)簡(jiǎn)

7、述四種通過降低Cache失效率來改進(jìn)Cache性能的方法。正確答案：(1)調(diào)節(jié)Cache塊大小：是降低失效率最簡(jiǎn)單白方法。對(duì)于給定容量的Cache,當(dāng)塊大小從較小如16個(gè)字節(jié)開始增加時(shí)，失效率開始下降，當(dāng)塊大小增加較大時(shí)，失效率開始上升，Cache容量越大，使得失效率達(dá)到最小的塊大小也越大。提高相聯(lián)度：提高相聯(lián)度會(huì)降低失效開銷，但卻增加了命中時(shí)間，因此當(dāng)Cache容量較小時(shí)可以采用較高的相聯(lián)度如4路或8路，Cache容量較大時(shí)宜采用較低的相聯(lián)度。(3)VictimCache:在Cache與下一級(jí)存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)通路間增加一個(gè)全相聯(lián)的小Cache即VictimCache放置被替換出的Cache塊，當(dāng)

8、發(fā)生失效時(shí)，先檢查VictimCache有所需塊，如果有調(diào)入Cache。此法增加了軟硬件開銷。(4)硬件預(yù)?。豪镁植啃栽恚A(yù)取指令和數(shù)據(jù)放入Cache,指令預(yù)取已經(jīng)非常普遍了。此法增加了硬件開銷。(5)編譯器控制的預(yù)?。豪镁植啃栽恚A(yù)取指令和數(shù)據(jù)放入Cache,此法不增加硬件開銷。編譯器優(yōu)化：編譯時(shí)對(duì)程序中的指令和數(shù)據(jù)重新組織，如數(shù)組合并、內(nèi)外循環(huán)交換、循環(huán)融合、分塊等，利用局部性原理降低Cache失效率。此法中指令重排序可能引發(fā)數(shù)據(jù)相關(guān)問題。10【名詞解釋】體系結(jié)構(gòu)正確答案：程序員所看到的計(jì)算機(jī)的屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功能特性。11【名詞解釋】軟件兼容正確答案：同一個(gè)軟件可以不加修改地

9、運(yùn)行于體系結(jié)構(gòu)相同的各檔機(jī)器上，而且它們所獲得的結(jié)果一樣，差別只在于運(yùn)行時(shí)間不同。12【名詞解釋】存儲(chǔ)程序計(jì)算機(jī)正確答案：馮諾依曼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)，采用存儲(chǔ)程序原理，將程序和數(shù)據(jù)存放在同一存儲(chǔ)器中。指令在存儲(chǔ)器中按其執(zhí)行順序存儲(chǔ)，由指令計(jì)數(shù)器指明每條指令所在的單元地址。13【名詞解釋】并行性正確答案：在同一時(shí)刻或同一時(shí)間間隔內(nèi)完成兩種或兩種以上性質(zhì)相同或不同的工作。14【名詞解釋】大概率事件優(yōu)先正確答案：計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)中最重要和最常用的原則，即對(duì)最常見事件賦予優(yōu)先處理權(quán)和資源使用權(quán)，以獲得全局的最優(yōu)結(jié)果。15【名詞解釋】系統(tǒng)加速比正確答案：系統(tǒng)改進(jìn)前與改進(jìn)后總執(zhí)行時(shí)間之比。16【名詞解釋】Amdah

10、l定律正確答案：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。17【名詞解釋】程序局部性原理正確答案：程序總是趨向于使用最近使用過的數(shù)據(jù)和指令，包括時(shí)間局部性和空間局部性。時(shí)間局部性是指：程序即將用到的信息很可能就是目前正在使用的信息?？臻g局部性是指：程序即將用到的信息很可能與目前正在使用的信息在空間上相鄰或者相近。18【名詞解釋】CPI正確答案：指令時(shí)鐘數(shù)。19【名詞解釋】平均無(wú)故障時(shí)間MTTF正確答案：以小時(shí)為單位，用于度量系統(tǒng)可以正常提供服務(wù)的量化指標(biāo)。20【名詞解釋】通用寄存器型機(jī)器正確答案：CPU中存儲(chǔ)操作數(shù)的單元是通用寄存器的機(jī)器21【名詞解釋】尋址方

11、式正確答案：指令系統(tǒng)中產(chǎn)生所要訪問數(shù)據(jù)地址的方法22【名詞解釋】指令系統(tǒng)的完整性正確答案：對(duì)任何一個(gè)可解的問題，指令系統(tǒng)提供的指令足夠使用，指令系統(tǒng)功能全、使用方便。23【名詞解釋】數(shù)據(jù)表示正確答案：計(jì)算機(jī)硬件能夠直接識(shí)別、指令系統(tǒng)可以直接調(diào)用的數(shù)據(jù)類型24【名詞解釋】PC相對(duì)尋址正確答案：一種以程序計(jì)數(shù)器PC作為參考點(diǎn)的尋址方式，主要用于在轉(zhuǎn)移指令中制定目標(biāo)指令的地址。25【名詞解釋】流水線技術(shù)正確答案：將一個(gè)重復(fù)的時(shí)序過程，分解為若干個(gè)子過程，而每一個(gè)子過程都可有效地在其專用功能段上與其他子過程同時(shí)執(zhí)行。26【名詞解釋】通過時(shí)間正確答案：流水線第一個(gè)任務(wù)流出結(jié)果所需的時(shí)間27【名詞解釋】排

12、空時(shí)間正確答案：最后一個(gè)任務(wù)輸入后到完成的時(shí)間28【名詞解釋】定向技術(shù)正確答案：在某條指令產(chǎn)生一個(gè)計(jì)算結(jié)果之前，其他指令并不真正需要該計(jì)算結(jié)果，如果能夠?qū)⒃撚?jì)算結(jié)果從其他產(chǎn)生的地方直接送到其他指令需要它的地方，那么就可以避免因?yàn)閿?shù)據(jù)相關(guān)引起的暫停。29【名詞解釋】靜態(tài)流水線正確答案：同一時(shí)間內(nèi)，流水線的各段只能按同一種功能的連接方式工作。30【名詞解釋】吞吐率正確答案：衡量流水線速度的重要指標(biāo)，指在單位時(shí)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。31【名詞解釋】流水線的效率正確答案：流水線的設(shè)備利用率32【名詞解釋】相關(guān)正確答案：流水線中流動(dòng)的指令極有可能會(huì)相互依賴，即它們之間存在著相關(guān)關(guān)系，

13、相關(guān)包括數(shù)據(jù)相關(guān)、結(jié)構(gòu)相關(guān)和控制相關(guān)三類。33【名詞解釋】數(shù)據(jù)相關(guān)正確答案：當(dāng)指令在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，流水線有可能改變指令讀/寫操作的順序，使得讀/寫操作順序不同于它們非流水實(shí)現(xiàn)時(shí)的順序，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)相關(guān)。34【名詞解釋】寫后讀相關(guān)正確答案：相關(guān)兩條指令i、j，i在j前進(jìn)入流水線，j執(zhí)行要用到i的結(jié)果，但當(dāng)其在流水線中重疊執(zhí)行時(shí)，j可能在i寫入其結(jié)果之前就先行對(duì)保存該結(jié)果的寄存器進(jìn)行讀操作，得到錯(cuò)誤的值。35【名詞解釋】寫直達(dá)法正確答案：不僅把信息寫入Cache中相應(yīng)的塊，而且也寫入下一級(jí)存儲(chǔ)器中相應(yīng)的塊。36【名詞解釋】命中時(shí)間正確答案：訪問Cache命中時(shí)所用的時(shí)間。37【名詞解釋】強(qiáng)制

14、性失效正確答案：當(dāng)?shù)谝淮卧L問一個(gè)塊時(shí)，該塊一定不在Cache中，必須從下一級(jí)存儲(chǔ)器中調(diào)入Cache,這種失效叫做強(qiáng)制失效。38【名詞解釋】非阻塞Cache正確答案：一種降低Cache失效開銷的方法，它允許Cache在處理失效時(shí)，能夠繼續(xù)提供后續(xù)訪問指令和數(shù)據(jù)的服務(wù)。39【名詞解釋】平均訪存時(shí)間正確答案：命中時(shí)間+失效率x失效開銷40【計(jì)算題】假設(shè)在某程序的執(zhí)行過程中，浮點(diǎn)操作時(shí)間占整個(gè)執(zhí)行時(shí)間的10%，現(xiàn)希望對(duì)浮點(diǎn)操作加速。設(shè)對(duì)浮點(diǎn)操作的加速比為，請(qǐng)推導(dǎo)出程序總的加速比S和之間的關(guān)系表達(dá)式；請(qǐng)問程序的最大加速比可達(dá)多少？正確答案：41【計(jì)算題】假設(shè)某應(yīng)用程序中有4類操作，通過改進(jìn)，各操作獲得不

15、同的性能提高，具體數(shù)據(jù)如附件所示改進(jìn)后，各類操作的加速比分別是多少？各類操作單獨(dú)改進(jìn)后，程序獲得的加速比分別是多少？(3)4類操作均改進(jìn)后，整個(gè)程序的加速比是多少？正確答案：解：(1)改進(jìn)后，操作1的加速比=2/1=2操作2的加速比=20/15=操作3的加速比=10/3=操作4的加速比=4/1=442【計(jì)算題】數(shù)據(jù)中心由成百上千甚至數(shù)萬(wàn)臺(tái)節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)構(gòu)成，通過多種技術(shù)，在故障節(jié)點(diǎn)數(shù)不超過一定數(shù)量時(shí)，系統(tǒng)提供的服務(wù)都可以得到保障。(1)假設(shè)某數(shù)據(jù)中心有10000個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的MTT助50天，只要故障節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)數(shù)不超過3000個(gè)，中心就可以正常服務(wù)，請(qǐng)計(jì)算數(shù)據(jù)中心的MTTF。如果要使中心的

16、MTTF曾加一倍的時(shí)間，請(qǐng)給出解決方案。正確答案：43【計(jì)算題】某機(jī)器的指令字長(zhǎng)為16位，設(shè)有單地址指令和二地址指令。若每個(gè)地址字段均為6位，且二地址指令有A條，問單地址指令最多可以有多少條？正確答案：(1)若只考慮單地址指令，地址占6位，則操作碼占10位，故最多可以有條單地址指令。現(xiàn)在有二地址指令A(yù)條，其地址碼占12位，操作碼占4位，即在剛剛假設(shè)的條單地址指令中還包括了AX條二地址指令，故單地址指令最多有-AX條。44【計(jì)算題】一臺(tái)模型機(jī)器共有7條指令，各指令的使用頻度分別為35%(I1)，25%(I2)，20%(I3)，10%(I4)，5%(I5)，3%(I6)，2%(I7)，有8個(gè)通用寄

17、存器和2個(gè)變址寄存器。若要求設(shè)計(jì)8位長(zhǎng)的寄存器-寄存器型指令3條，16位長(zhǎng)的寄存器-存儲(chǔ)器型變址尋址指令4條，變址范圍為-127至+127，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)指令格式，并給出指令各字段的長(zhǎng)度和操作碼編碼。正確答案：(1)8位長(zhǎng)寄存器-寄存器型指令3條，其中操作碼占2位，兩個(gè)寄存器操作數(shù)各占3位共6位。(2)16位長(zhǎng)寄存器-存儲(chǔ)器型變址尋址指令4條，操作碼占4位，操作數(shù)占12位，其中寄存 TOC o 1-5 h z 器操作數(shù)占3位，存儲(chǔ)器操作數(shù)占9位。(3)I1、I2和I3的操作碼分別是00、01和10，兩個(gè)寄存器操作數(shù)各3位。(4)I4、I5、I6和I7的操作碼分別是1100、1101、1110、1111

18、，其寄存器操作數(shù)編址都是3位，存儲(chǔ)器操作數(shù)編址都是9位，其中1位是變址寄存器，8位是偏移地址，編址范圍都是-127至+127。45【計(jì)算題】設(shè)在靜態(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)的流水線寄存器中，試計(jì)算其吞吐率和效率。正確答案：選擇適合于流水線工作的算法。對(duì)本題應(yīng)先計(jì)算、和；再計(jì)算+以及+；最后求總的累加和；畫出該計(jì)算過程在靜態(tài)流水線上的時(shí)空?qǐng)D；計(jì)算吞吐率：由圖可知在20個(gè)時(shí)間內(nèi)，得到7個(gè)計(jì)算結(jié)果，所以吞吐率TP=7/(20)；效率：由圖可知非空閑的時(shí)空區(qū)為44+36共計(jì)34個(gè)，8段的總時(shí)空區(qū)為820共計(jì)160個(gè)，因此效率E=34/46【計(jì)算題】在一條單流水線多操作部

19、件的處理機(jī)上執(zhí)行下面的程序，取指令、指令譯碼各需要一個(gè)時(shí)鐘周期，MOVEAD蹄口MULB作各需要2個(gè)、3個(gè)和4個(gè)時(shí)鐘周期。每個(gè)操作都在第一個(gè)時(shí)鐘周期從通用寄存器中讀操作數(shù)，在最后一個(gè)時(shí)鐘周期把運(yùn)算結(jié)果寫到通用寄存器中。K:MOVER1,R0;R1(R0)K+1:MULR0,R2,R1;R0(R2)*(R1)K+2:ADDR0,R3,R2;R0(R3)+(R2)畫出指令執(zhí)行的流水線時(shí)空?qǐng)D，并計(jì)算執(zhí)行完三條指令共使用了多少個(gè)時(shí)鐘周期。正確答案：從上圖可以看到，計(jì)算執(zhí)行完3條指令共使用了9個(gè)時(shí)鐘周期。47【計(jì)算題】假設(shè)兩級(jí)Cache系統(tǒng)，在1000次訪存中，LICache失效40次，L2Cache失效20次。在這種情況下，該Cache系統(tǒng)的局部失效率和全局失效率各是多少？假設(shè)L2Cache到主存的失效開銷為200個(gè)周期，L2的命中時(shí)間為10個(gè)周期，L1的命中時(shí)間為1個(gè)周期，平均每條指令訪存次，則平均訪存時(shí)間是多少？平均每條