计算机体系结构复习题(终极版)

人武11计科复习计算机系统结构一、单项选择题：（10*2=20分）二、填空题（10*2=20分）三、名词解释（4*3=12分）四、简答题：（3*6=18分）五、分析计算题（4*5=20分）六、综合应用题（1*10=10分）第一章：1、计算机系统的多级层次结构中微程序机器级、传统机器级的机器语言是什么？由什么方式实现？答：微程序机器级的机器语言是微指令集，微程序一般是直接由硬件解释实现的。传统机器级的机器语言是该机的指令集，程序可以由微程序进行解释（仿真)。2、什么是计算机体系结构？什么是计算机组成？什么是计算机实现？它们之间有什么关系？答：计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现计算机实现：计算机组成的物理实现计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。计算机实现是计算机组成的物理实现。一种体系结构可以有多种组成。一种组成可以有多种实现。3、下列哪些属于计算机组成？哪些属于计算机实现？属于计算机组成的是：a）数据通路宽度b）可靠性技术c）缓冲和排队技术属于计算机实现的是：a）处理器、主存的物理结构b）涉及的专用器件c）信号传输d）器件的集成度和速度4、计算机系统设计的量化设计原则有哪些？说出它们的含义？答：加速经常性事件的原则：对经常发生的情况采用优化方法的原则进行选择，以得到更多的总体上的改进。Amdahl定律：加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占系统中总执行时间的百分比。CPU性能公式：执行一个程序所需的CPU时间，CPU时间=执行程序所需的时钟周期数×时钟周期时间程序的局部性原理：程序执行时所访问的80%是程序代码的20%的部分。5、分别从执行程序的角度看，计算机系统中并行性等级从低到高可分为哪几级？答：从处理数据的角度来看，并行性等级从低到高可分为：（1）指令内部并行：单条指令中各微操作之间的并行；（2）指令级并行：并行执行两条或两条以上的指令；（3）线程级并行：并行执行两个或两个以上的线程，通常是以一个进程内派生的多个线程为调度单位；（4）任务级或过程级并行：并行执行两个或两个以上的过程或任务（程序段），以子程序或进程为调度单元；（5）作业或程序级并行：并行执行两个或两个以上的作业或程序。6、分别从处理数据的角度来看，计算机系统中并行性等级从低到高可分为哪几级？答：从处理数据的角度来看，并行性等级从低到高可分为：（1）字串位串：每次只对一个字的一位进行处理。这是最基本的串行处理方式，不存在并行性；（2）字串位并：同时对一个字的全部位进行处理，不同字之间是串行的。已开始出现并行性；（3）字并位串：同时对许多字的同一位（称为位片）进行处理。这种方式具有较高的并行性；（4）全并行：同时对许多字的全部位或部分位进行处理。这是最高一级的并行。7、解释：（1）Amdahl定律：答：加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的重要性。（2）计算机实现：答：计算机组成的物理实现，包括处理机、主存等部件的物理结构，器件的集成度和速度，模块、插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。(3)、程序的局部性原理：答：程序在执行时所访问地址的分布不是随机的，而是相对地簇聚；这种簇聚包括指令和数据两部分。程序局部性包括：程序的时间局部性和程序的空间局部性。(4)、计算机组成：答：计算机系统结构的逻辑实现，包含物理机器级中的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。8、体系结构的发展是怎样的？答：包括：分布的IO处理能力、保护的存储器空间、存储器组织结构的发展、并行处理技术、指令集发展。9、提高并行性的技术途径是怎样的？答：包括（1）.时间重叠（2）.资源重复（3.）资源共享10、并行性概念所包括有哪些？答：（1）.指令级并行（2）.线程级并行（3.）任务级/过程级并行11、某档机器编制的程序，不加修改的就能运行于比它高档的机器，属于何种兼容？答：向上兼容12、某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改地就能运行于在它之后投入市场的机器，属于何种兼容？答：向后兼容13、采用LSI和VLSI、半导体存储器期间的计算机是第几代计算机？答：第四代14、采用SSI和MSI、多层印刷电路、微程序的计算机是第几代计算机答：第三代15、计算机系统的成本中I/O设备、软件的占比分别是多少？答：计算机系统的成本中I/O设备为37%计算机系统的成本中软件占20%16、某台主频为800MHz的计算机执行标准测试程序，程序中指令类型、执行数量和平均时钟周期数如下：指令类型指令执行数量平均时钟周期数整数400002数据传送450001浮点50005分支25003求该计算机的有效CPI、MIPS和程序执行时间。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）程序执行时间=（40000×2＋45000×1＋5000×5＋2500×3)／800=196.875s17、将计算机系统中某一功能的处理速度提高到原来的40倍，该功能的处理时间仅占整个系统运行时间的20%，则采用此提高性能的方法后，能使整个系统的性能提高多少？解：由题可知，可改进比例=20%=0.2部件加速比=40根据Amdahl定律可知：总加速比=1/(1-0.2+0.2/40)=1.2579采用此提高性能的方法后，能使整个系统的性能提高到原来的1.2579倍。第二章1、指令集结构设计所涉及的内容有哪些？答：(1)指令集功能设计(2)寻址方式的设计(3)操作数表示和操作数类型(4)寻址方式的表示(5)指令集格式的设计2、对指令集的基本要求是怎样的？答：对指令集的基本要求是完整性、规整性、高效率和兼容性。3、指令AddR2,500(R0)是什么的寻址方式？答：寻址方式是偏移寻址；4、指令AddR7,(R3)是什么的寻址方式？答：寻址方式是：寄存器间接寻址。5、指令AddR9,(R7+R6)是什么的寻址方式？答：寻址方式是：索引寻址；6、指令AddR1,(1001)是什么的寻址方式？答：寻址方式是：直接寻址。7、简述CISC指令集结构功能设计的主要目标。从当前的计算机技术观点来看，CISC指令集结构的计算机有什么缺点？答：主要目标是增强指令功能，把越来越多的功能交由硬件来实现，并且指令的数量也是越来越多。缺点：(1)CISC结构的指令集中，各种指令的使用频率相差悬殊。（2）CISC结构指令的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。（3）CISC结构指令集的复杂性给VLSI设计增加了很大负担，不利于单片集成。（4）CISC结构的指令集中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。(5)在CISC结构的指令集中，由于各条指令的功能不均衡性，不利于采用先进的计算机体系结构技术（如流水技术）来提高系统的性能。8、简述RISC指令集结构的设计原则。答：（1）选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令；（2）每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成；（3）所有指令长度均相同；（4）只有Load和Store操作指令才访问存储器，其它指令操作均在寄存器之间进行；(5)以简单有效的方式支持高级语言。9、CISC、RISC计算机各有哪些主要特征？答：1）CISC计算机的主要特征有：通用寄存器结构多周期执行寻址方式多微码控制器2）RISC计算机主要特征有：单周期执行寻址方式少硬布线控制器寄存器数量多第三章1、什么是动态流水线？答：指在同一时间内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能的流水线。它允许在某些段正在实现某种运算时，另一些段却在实现另一种运算。2、什么是静态流水线？答：指在同一时间内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作的流水线。当流水线要切换到另一种功能时，必须等前面的任务都流出流水线之后，才能改变连接。答：吞吐率：在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。3、掌握流水线的性能指标的分析方法。KTnTPn：任务数Tk：处理完成n个任务所用的时间加速比：完成同样一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比。假设：不使用流水线（即顺序执行）所用的间为Ts，使用流水线后所用的时间为Tk，则该流水线的加速比为ksTTS效率：流水线中的设备实际使用时间与整个运行时间的比值，即流水线设备的利用率。当流水线各段时间相等时，流水线的效率与吞吐率成正比。E=TP△t流水线的效率是流水线的实际加速比S与它的最大加速比k的比值。kSE4、设在下图所示的静态流水线上计算：流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应的流水寄存器中，试计算其吞吐率、加速比和效率。)(41iiiBA12345乘法加减法678(每段的时间都为△t)解：：C=(A1+B1)*(A2+B2)*(A3+B3)*(A4+B4)（1）选择适合于流水线工作的算法先计算A1+B1、A2+B2、A3+B3和A4+B4；再计算(A1+B1)×(A2+B2)和(A3+B3)×(A4+B4)；然后求总的乘积结果。（2）画出时空图)(41iiiBA时间段123456780123456789101112131415161718输入A1B1A2B2A3B3A4B4ABCDABCDA×BC×DA×BC×DA×B×C×DA=A1+B1B=A2+B2C=A3+B3D=A4+B4tTP18721836ttS25.01884364E在18个△t时间中，给出了7个结果。吞吐率为：21836ttStTP187不用流水线，由于一次求和需6△t，一次求积需4△t，则产生上述7个结果共需（4×6+3×4）△t=36△t加速比为：（3）计算性能流水线的效率：25.01884364E5、有一条动态多功能流水线由5段组成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，各段时间均为△t，而且流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应的流水寄存器中。若在该流水线上计算:试计算其吞吐率、加速比和效率。12345乘法加法△t2△t△t△t△t)(41iiiBA解:C=(A1＋B1)×(A2＋B2)×(A3＋B3)×(A4＋B4)(1)选择适合于流水线工作的算法应先计算A1+B1、A2+B2、A3+B3和A4+B4；再计算(A1+B1)×(A2×B2)(A3+B3)×(A4+B4)；然后求总的结果。(2)画出时空图(3)计算性能)(41iiiBA时间段1234501234567891011121314输入A1B1A2B2A3B3A4B4ABCDABCDA×BA×BC×DA×B×C×DA=A1＋B1B=A2＋B2C=A3＋B3D=A4＋B4C×D由图可见，它在14个△t时间中，给出了7个结果。所以吞吐率为：TP＝7／(14△t)如果不用流水线，由于一次求积需3△t，一次求和需4△t，则产生上述7个结果共需（4×4+3×3）△t=25△t。所以加速比为：该流水线的效率可由阴影区的面积和5个段总时空区的面积的比值求得：79.14152ttStTP417573.01453344E6、流水线可以通过什么技术减少数据相关带来的暂停？答：流水线可以通过定向技术减少数据相关带来的暂停7、流水线结构相关解决方法有哪些？答：流水线结构相关解决方法有插入暂停周期、将指令存储器和数据存储器分离。8、减少流水线分支损失的方法有哪些？答：减少流水线分支损失的方法有：（1）冻结或排空流水线（2）预测分支转移