計算機體系結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)題(終極版)市公開課金獎市賽課一等獎?wù)n件

人武11計科復(fù)習(xí)計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1頁一、單項選擇題：（10*2=20分）二、填空題（10*2=20分）三、名詞解釋（4*3=12分）四、簡答題：（3*6=18分）五、分析計算題（4*5=20分）六、綜合應(yīng)用題（1*10=10分）第2頁第一章：1、計算機系統(tǒng)多級層次結(jié)構(gòu)中微程序機器級、傳統(tǒng)機器級機器語言是什么？由什么方式實現(xiàn)？答：微程序機器級機器語言是微指令集，微程序普通是直接由硬件解釋實現(xiàn)。傳統(tǒng)機器級機器語言是該機指令集，程序能夠由微程序進行解釋（仿真)。第3頁2、什么是計算機體系結(jié)構(gòu)？什么是計算機組成？什么是計算機實現(xiàn)？它們之間有什么關(guān)系？答：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)機器程序員所看到計算機屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功效特征。計算機組成：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯實現(xiàn)計算機實現(xiàn)：計算機組成物理實現(xiàn)計算機組成是計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯實現(xiàn)。計算機實現(xiàn)是計算機組成物理實現(xiàn)。一個體系結(jié)構(gòu)能夠有各種組成。一個組成能夠有各種實現(xiàn)。第4頁3、以下哪些屬于計算機組成？哪些屬于計算機實現(xiàn)？屬于計算機組成是：a）數(shù)據(jù)通路寬度b）可靠性技術(shù)c）緩沖和排隊技術(shù)屬于計算機實現(xiàn)是：a）處理器、主存物理結(jié)構(gòu)b）包括專用器件c）信號傳輸d）器件集成度和速度第5頁4、計算機系統(tǒng)設(shè)計量化設(shè)計標(biāo)準有哪些？說出它們含義？答：加速經(jīng)常性事件標(biāo)準：對經(jīng)常發(fā)生情況采取優(yōu)化方法標(biāo)準進行選擇，以得到更多總體上改進。Amdahl定律：加緊某部件執(zhí)行速度所能取得系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件執(zhí)行時間占系統(tǒng)中總執(zhí)行時間百分比。CPU性能公式：執(zhí)行一個程序所需CPU時間，CPU時間=執(zhí)行程序所需時鐘周期數(shù)×?xí)r鐘周期時間程序局部性原理：程序執(zhí)行時所訪問80%是程序代碼20%部分。第6頁5、分別從執(zhí)行程序角度看，計算機系統(tǒng)中并行性等級從低到高可分為哪幾級？答：從處理數(shù)據(jù)角度來看，并行性等級從低到高可分為：（1）指令內(nèi)部并行：單條指令中各微操作之間并行；（2）指令級并行：并行執(zhí)行兩條或兩條以上指令；（3）線程級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上線程，通常是以一個進程內(nèi)派生多個線程為調(diào)度單位；（4）任務(wù)級或過程級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上過程或任務(wù)（程序段），以子程序或進程為調(diào)度單元；（5）作業(yè)或程序級并行：并行執(zhí)行兩個或兩個以上作業(yè)或程序。第7頁6、分別從處理數(shù)據(jù)角度來看，計算機系統(tǒng)中并行性等級從低到高可分為哪幾級？答：從處理數(shù)據(jù)角度來看，并行性等級從低到高可分為：（1）字串位串：每次只對一個字一位進行處理。這是最基本串行處理方式，不存在并行性；（2）字串位并：同時對一個字全部位進行處理，不一樣字之間是串行。已開始出現(xiàn)并行性；（3）字并位串：同時對許多字同一位（稱為位片）進行處理。這種方式含有較高并行性；（4）全并行：同時對許多字全部位或部分位進行處理。這是最高一級并行。第8頁7、解釋：（1）Amdahl定律：答：加緊某部件執(zhí)行速度所取得系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占主要性。（2）計算機實現(xiàn)：答：計算機組成物理實現(xiàn)，包含處理機、主存等部件物理結(jié)構(gòu)，器件集成度和速度，模塊、插件、底板劃分與連接，信號傳輸，電源、冷卻及整機裝配技術(shù)等。第9頁(3)、程序局部性原理：答：程序在執(zhí)行時所訪問地址分布不是隨機，而是相對地簇聚；這種簇聚包含指令和數(shù)據(jù)兩部分。程序局部性包含：程序時間局部性和程序空間局部性。(4)、計算機組成：答：計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯實現(xiàn)，包含物理機器級中數(shù)據(jù)流和控制流組成以及邏輯設(shè)計等。第10頁8、體系結(jié)構(gòu)發(fā)展是怎樣？答：包含：分布IO處理能力、保護存放器空間、存放器組織結(jié)構(gòu)發(fā)展、并行處理技術(shù)、指令集發(fā)展。9、提升并行性技術(shù)路徑是怎樣？答：包含（1）.時間重合 （2）.資源重復(fù) （3.）資源共享10、并行性概念所包含有哪些？答：（1）.指令級并行 （2）.線程級并行 （3.）任務(wù)級/過程級并行第11頁11、某檔機器編制程序，不加修改就能運行于比它高檔機器，屬于何種兼容？答：向上兼容12、某個時期投入市場某種型號機器編制程序，不加修改地就能運行于在它之后投入市場機器，屬于何種兼容？答：向后兼容13、采取LSI和VLSI、半導(dǎo)體存放器期間計算機是第幾代計算機？答：第四代第12頁14、采取SSI和MSI、多層印刷電路、微程序計算機是第幾代計算機答：第三代15、計算機系統(tǒng)成本中I/O設(shè)備、軟件占比分別是多少？答：計算機系統(tǒng)成本中I/O設(shè)備為37%計算機系統(tǒng)成本中軟件占20%第13頁16、某臺主頻為800MHz計算機執(zhí)行標(biāo)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)以下：指令類型指令執(zhí)行數(shù)量平均時鐘周期數(shù)整數(shù)400002數(shù)據(jù)傳送450001浮點50005分支25003求該計算機有效CPI、MIPS和程序執(zhí)行時間。解：（1）CPI＝(40000×2＋45000×1＋5000×5＋2500×3)/92500＝1.7027（2）MIPS速率＝f/CPI＝800/1.7027＝469.84MIPS（3）程序執(zhí)行時間=（40000×2＋45000×1＋5000×5＋2500×3)／800=196.875s第14頁17、將計算機系統(tǒng)中某一功效處理速度提升到原來40倍，該功效處理時間僅占整個系統(tǒng)運行時間20%，則采取此提升性能方法后，能使整個系統(tǒng)性能提升多少？解：由題可知，可改進百分比=20%=0.2部件加速比=40依據(jù)Amdahl定律可知：總加速比=1/(1-0.2+0.2/40)=1.2579采取此提升性能方法后，能使整個系統(tǒng)性能提升到原來1.2579倍。第15頁第二章1、指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計所包括內(nèi)容有哪些？答：(1)指令集功效設(shè)計(2)尋址方式設(shè)計(3)操作數(shù)表示和操作數(shù)類型(4)尋址方式表示(5)指令集格式設(shè)計2、對指令集基本要求是怎樣？答：對指令集基本要求是完整性、規(guī)整性、高效率和兼容性。第16頁3、指令A(yù)ddR2,500(R0)是什么尋址方式？答：尋址方式是偏移尋址；4、指令A(yù)ddR7,(R3)是什么尋址方式？答：尋址方式是：存放器間接尋址。5、指令A(yù)ddR9,(R7+R6)是什么尋址方式？答：尋址方式是：索引尋址；6、指令A(yù)ddR1,(1001)是什么尋址方式？答：尋址方式是：直接尋址。第17頁7、簡述CISC指令集結(jié)構(gòu)功效設(shè)計主要目標(biāo)。從當(dāng)前計算機技術(shù)觀點來看，CISC指令集結(jié)構(gòu)計算機有什么缺點？答：主要目標(biāo)是增強指令功效，把越來越多功效交由硬件來實現(xiàn)，而且指令數(shù)量也是越來越多。缺點：(1)CISC結(jié)構(gòu)指令集中，各種指令使用頻率相差懸殊。（2）CISC結(jié)構(gòu)指令復(fù)雜性帶來了計算機體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，這不但增加了研制時間和成本，而且還輕易造成設(shè)計錯誤。（3）CISC結(jié)構(gòu)指令集復(fù)雜性給VLSI設(shè)計增加了很大負擔(dān)，不利于單片集成。第18頁（4）CISC結(jié)構(gòu)指令集中，許多復(fù)雜指令需要很復(fù)雜操作，因而運行速度慢。(5)在CISC結(jié)構(gòu)指令集中，因為各條指令功效不均衡性，不利于采取先進計算機體系結(jié)構(gòu)技術(shù)（如流水技術(shù)）來提升系統(tǒng)性能。第19頁8、簡述RISC指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準。答：（1）選取使用頻率最高指令，并補充一些最有用指令；（2）每條指令功效應(yīng)盡可能簡單，并在一個機器周期內(nèi)完成；（3）全部指令長度均相同；（4）只有Load和Store操作指令才訪問存放器，其它指令操作均在存放器之間進行；(5)以簡單有效方式支持高級語言。第20頁9、CISC、RISC計算機各有哪些主要特征？答：1）CISC計算機主要特征有：通用存放器結(jié)構(gòu)多周期執(zhí)行尋址方式多微碼控制器2）RISC計算機主要特征有：單周期執(zhí)行尋址方式少硬布線控制器存放器數(shù)量多第21頁第三章1、什么是動態(tài)流水線？答：指在同一時間內(nèi)，多功效流水線中各段能夠按照不一樣方式連接，同時執(zhí)行各種功效流水線。它允許在一些段正在實現(xiàn)某種運算時，另一些段卻在實現(xiàn)另一個運算。2、什么是靜態(tài)流水線？答：指在同一時間內(nèi)，多功效流水線中各段只能按同一個功效連接方式工作流水線。當(dāng)流水線要切換到另一個功效時，必須等前面任務(wù)都流出流水線之后，才能改變連接。第22頁答：吞吐率：在單位時間內(nèi)流水線所完成任務(wù)數(shù)量或輸出結(jié)果數(shù)量。3、掌握流水線性能指標(biāo)分析方法。n：任務(wù)數(shù)Tk：處理完成n個任務(wù)所用時間第23頁加速比：完成一樣一批任務(wù)，不使用流水線所用時間與使用流水線所用時間之比。假設(shè)：不使用流水線（即次序執(zhí)行）所用間為Ts，使用流水線后所用時間為Tk，則該流水線加速比為第24頁效率：流水線中設(shè)備實際使用時間與整個運行時間比值，即流水線設(shè)備利用率。當(dāng)流水線各段時間相等時，流水線效率與吞吐率成正比。

E=TP△t

流水線效率是流水線實際加速比S與它最大加速比k比值。

第25頁4、設(shè)在下列圖所表示靜態(tài)流水線上計算：

流水線輸出能夠直接返回輸入端或暫存于對應(yīng)流水存放器中，試計算其吞吐率、加速比和效率。(每段時間都為△t)第26頁解：：C=(A1+B1)*(A2+B2)*(A3+B3)*(A4+B4)

（1）選擇適合于流水線工作算法先計算A1+B1、A2+B2、A3+B3和A4+B4；再計算(A1+B1)×(A2+B2)和(A3+B3)×(A4+B4)；然后求總乘積結(jié)果。（2）畫出時空圖第27頁第28頁在18個△t時間中，給出了7個結(jié)果。吞吐率為：

不用流水線，因為一次求和需6△t，一次求積需4△t，則產(chǎn)生上述7個結(jié)果共需（4×6+3×4）△t=36△t

加速比為：（3）計算性能

流水線效率：

第29頁5、有一條動態(tài)多功效流水線由5段組成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，各段時間均為△t，而且流水線輸出能夠直接返回輸入端或暫存于對應(yīng)流水存放器中。若在該流水線上計算:

試計算其吞吐率、加速比和效率。第30頁解:C=(A1＋B1)×(A2＋B2)×(A3＋B3)×(A4＋B4)

(1)選擇適合于流水線工作算法應(yīng)先計算A1+B1、A2+B2、A3+B3和A4+B4；再計算(A1+B1)×(A2×B2)(A3+B3)×(A4+B4)；

然后求總結(jié)果。

(2)畫出時空圖(3)計算性能第31頁第32頁由圖可見，它在14個△t時間中，給出了7個結(jié)果。所以吞吐率為：

TP＝7／(14△t)

假如不用流水線，因為一次求積需3△t，一次求和需4△t，則產(chǎn)生上述7個結(jié)果共需（4×4+3×3）△t=25△t。所以加速比為：

該流水線效率可由陰影區(qū)面積和5個段總時空區(qū)面積比值求得：

第33頁6、流水線能夠經(jīng)過什么技術(shù)降低數(shù)據(jù)相關(guān)帶來暫停？答：流水線能夠經(jīng)過定向技術(shù)降低數(shù)據(jù)相關(guān)帶來暫停7、流水線結(jié)構(gòu)相關(guān)處理方法有哪些？答：流水線結(jié)構(gòu)相關(guān)處理方法有插入暫停周期、將指令存放器和數(shù)據(jù)存放器分離。第34頁8、降低流水線分支損失方法有哪些？答：降低流水線分支損失方法有：（1）凍結(jié)或排空流水線（2）預(yù)測分支轉(zhuǎn)移失?。?）預(yù)測分支轉(zhuǎn)移成功（4）延遲分支第35頁9:、什么是結(jié)構(gòu)沖突？答：計算機系統(tǒng)中流水線因一條指令讀取操作數(shù)訪存同時另一條指令需要執(zhí)行取指令操作而發(fā)生對存放器爭用引發(fā)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結(jié)果，從而不能重合執(zhí)行時，就發(fā)生了數(shù)據(jù)沖突相11、什么是控制沖突？答：當(dāng)流水線碰到分支指令與其后進入流水線之間存在沖突時，就會發(fā)生控制沖突。第36頁第五章1、能夠從那幾個方面改進Cache性能？答：能夠從三個方面改進Cache性能：（1）降低失效率（2）降低失效開銷（3）降低Cache命中時間。2、Cache平均訪問時間等于什么？答：Cache平均訪問時間＝命中時間＋失效率×失效開銷第37頁3、降低Cache降低三種失效方法是怎樣？答：降低Cache降低三種失效方法是：對強制性失效方法是：增加塊大小，預(yù)??；對容量失效方法是：增加容量；對沖突失效方法是：提升相聯(lián)度。4、影響Cache性能存放器停頓周期數(shù)等于什么？答：影響Cache性能存放器停頓周期數(shù)＝訪存次數(shù)×失效率×失效開銷第38頁5、Cache有哪幾個映像方式？各是怎樣映像？直接映象：主存中每一塊只能被放置到

Cache中唯一一個位置。全相聯(lián)映象

全相聯(lián)：主存中任一塊能夠被放置到

Cache中任意一個位置。組相聯(lián)：主存中每一塊能夠被放置到Cache中唯一一個組中任何一個位置。第39頁6、Cache有哪幾個替換策略？比較實當(dāng)代價和訪問命中率情況？答：1)隨機策略：隨機選取某Cache塊。最輕易實現(xiàn)。2）LRU策略：選取近期最少使用Cache塊。實當(dāng)代價最高但有利于提升訪問命中率。3）FIFO策略：最先調(diào)入快最先被替換出去，實當(dāng)代價不高，但最早調(diào)入快可能是最近經(jīng)常使用得塊，調(diào)出后降低了命中率。第40頁7、什么是虛存、什么是Cache？它們在存放體系中各能夠處理主存什么問題？虛擬存放器是以存放器訪問局部性為基礎(chǔ)，建立在主-輔存體系上存放管理技術(shù)。它基本思想是經(jīng)過某種策略，把輔存中信息一部分一部分地調(diào)入主存，以給用戶提供一個比實際主存容量大得多地址空間來訪問主存，采取虛存目標(biāo)是提升CPU訪問主存容量。在CPU與主存之間再增加一級或多級能與CPU速度匹配高速緩沖存放器Cache，來提升主存放系統(tǒng)性能價格比，增設(shè)Cache目標(biāo)是提升CPU訪問主存速度。第41頁第六章1、計算機提升系統(tǒng)可靠性方法有哪些？答：計算機提升系統(tǒng)可靠性方法有故障防止技術(shù)、故障容忍技術(shù)、錯誤消除技術(shù)、錯誤預(yù)報技術(shù)：2、計算機I/O設(shè)備控制方式有哪些？答：計算機I/O設(shè)備控制方式有：程序查詢控制方式、中止控制方式、DMA控制方式、I/O處理機等第42頁3、分析計算磁盤讀或?qū)懸粋€512字節(jié)扇區(qū)平均時間是多少？假設(shè)此時磁盤空閑，公布平均尋道時間是12ms，傳輸速度是4MB/s，轉(zhuǎn)速是7200rpm，控制器開銷是1.5ms。答：旋轉(zhuǎn)時間=0.5*60*1000/7200=4.1667ms傳輸時間=0.512KB*1000/（4*1024KB/s）=0.125ms磁盤訪問時間=尋道時間+旋轉(zhuǎn)時間+傳輸時間+控制器時間=12ms+4.1667ms+0.125ms+1.5ms=17.79ms第43頁4、什么是RAID?它能夠處理什么問題？RAID：用多塊盤組成有一定冗余信息能夠跨越容量和可信性限制存放設(shè)備。

使用多個磁盤（包含驅(qū)動器）組合來代替一個大容量磁盤。多個磁盤并行工作，以條帶為單位把數(shù)據(jù)均勻地分布到多個磁盤上（交叉存放），條帶存放能夠使多個數(shù)據(jù)讀/寫請求并行地被處理，從而提升總I/O性能。第44頁5、RAID1、RAID5有何特點？RAID1：亦稱鏡像盤，使用完全備份。在信息冗余程度到達100%。每當(dāng)把數(shù)據(jù)寫入磁盤時，將該數(shù)據(jù)也寫入其鏡像盤，形成信息兩個副本RAID5：是信息分布采取塊交叉模式，冗余信息采取奇偶校驗方式生成并分布在陣列各塊盤上磁盤陣列。第45頁6、可實現(xiàn)塊交叉分布、冗余信息采取奇偶校驗方式生成并分布在陣列各塊盤上磁盤陣列是哪種？答：RAID57、RAID才信息冗