计算机体系结构试题库—简答题

计算机体系结构试题库简答题（100题）1．简述CISC结构计算机的缺点。答：在CISC结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。据统计，有20％的指令使用频率最大，占运行时间的80％。也就是说，有80％的指令在20％的运行时间内才会用到。CISC结构指令系统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。CISC结构指令系统的复杂性给VLSI设计增加了很大负担，不利于单片集成。CISC结构的指令系统中，许多复杂指令需要很复杂的操作，因而运行速度慢。在CISC结构的指令系统中，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。2．RISC结构计算机的设计原则。答：A.选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令；B.每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成；C.所有指令长度均相同；D.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；E.以简单有效的方式支持高级语言。3．影响现代微处理器主频提升的主要原因由哪些？答：线延迟、功耗。4．指令集格式设计时，有哪三种设计方法？答：固定长度编码、可变长编和混合编码）三种设计方法。5．简述存储程序计算机（冯·诺依曼结构）的特点。答：（1）机器以运算器为中心。（2）采用存储程序原理。（3）存储器是按地址访问的、线性编址的空间。（4）控制流由指令流产生。（5）指令由操作码和地址码组成。（6）数据以二进制编码表示，采用二进制运算。6．在进行计算机系统设计时，一个设计者应该考虑哪些因素对设计的影响？答：在进行计算机系统设计时，设计者应该考虑到如下三个方面因素的影响：技术的发展趋势；计算机使用的发展趋势；计算机价格的发展趋势。7．简述程序翻译技术的特点。答：翻译技术是先把N+1级程序全部变换成N级程序后，再去执行新产生的N级程序，在执行过程中N+1级程序不再被访问。8．简述程序解释技术的特点。答：解释技术是每当一条N+1级指令被译码后，就直接去执行一串等效的N级指令，然后再去取下一条N+1级的指令，依此重复进行。9．经典体系结构的定义是什么？计算机体系结构是机器级程序员所看到的计算机的属性，即概念性结构与功能特性。10．“线延迟墙”指的是什么？随着集成电路工艺的进步，芯片内晶体管大小不断变小，其逻辑门延迟也随之减小，而走线延迟所占的比重也随之越来越大，导致电路频率不能随着工艺的减小而线性减小。11．Moore定律阐述的是什么？微处理器晶体管数目每18个月翻一倍。它揭示了集成电路工艺发展的规律。12．解释响应时间和吞吐率的差别。响应时间也称执行时间，是指从事件开始到结束之间的时间。吞吐率(Throughput)指在单位时间内所能完成的工作量（任务）。用户以响应时间为标准，多道程序系统以吞吐率为标准。13．简述程序的时间局部性原理的含义。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：程序即将用到的信息很可能就是目前正在使用的信息。14．简述程序的空间局部性原理的含义。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：程序的空间局部性：程序即将用到的信息很可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者临近。15．在指令集结构设计中，应该考虑哪些主要问题，这些问题有哪些主要的设计选择？答：在进行指令机结构设计中，应该考虑如下主要问题：指令集功能设计：主要有RISC和CISC两种技术发展方向；寻址方式的设计：设置寻址方式可以通过对基准程序进行测试统计，察看各种寻址方式的使用频度，根据适用频度设置相应必要的寻址方式；操作数表示和操作数类型：主要的操作数类型和操作数表示的选择有，浮点数据类型（可以采用IEEE754标准）、整型数据类型（8位、16位、32位的表示方法）、字符型（8位）、十进制数据类型（压缩十进制和非压缩十进制数据表示）等等。寻址方式的表示：可以将寻址方式编码与操作码中，也可将寻址方式作为一个单独的域来表示。指令集格式的设计：有固定长度编码方式、可变长编码方式和混合编码方式三种选择。16．程序控制指令有什么功能？答：具有测试、分析、判断能力，控制程序的运行顺序和方向。17．程序控制指令主要包括哪些指令？答：有转移指令、循环控制、子程序、过程调用等。18．请简述指令集结构设计中寻址方式设计的一般方法。答：在寻址方式设计时，首先对一些典型的基准程序进行分析，统计基准程序中使用各种寻址方式的频率，然后根据所要设计的计算机系统所面向的应用领域，确定选择哪些使用频率高的寻址方式予以支持。对于一些特殊的寻址方式（如偏移寻址等），偏移量的确定也必须应用同样的方法加以确定。19．表示寻址方式的主要方法有哪些？答：表示寻址方式有两种常用的方法：一种是将寻址方式编于操作码中，由操作码在描述指令的同时也描述了相应的寻址方式；另一种是为每个操作数设置一个地址描述苻，由该地址描述抚表示相应操作数的寻址方式。20．简述表示寻址方式的两种方法的优缺点。答：将寻址方式编于操作码中的方式译码快，但操作码和寻址方式的结合不仅增加了指令的条数，导致了指令的多样性，而且增加了CPU对指令译码的难度。为每个操作数设置一个地址描述苻的方式译码较慢，但操作码和寻址独立，易于指令扩展。21．简述流水线的特点。（1）流水过程由多个相联系的子过程组成。（2）每个子过程由专用的功能段实现。（3）各个功能段所需时间尽量相等。（4）流水线有“通过时间”（第一个任务流出结果所需的时间）。在此之后流水过程才进入稳定工作状态，一拍流出一个结果。（5）流水技术适合于大量重复的时序过程，只有输入端连续提供任务，流水线效率才可充分发挥。22．在流水线中解决数据相关的技术有哪些？答：(1)定向技术；(2)暂停技术；(3)采用编译器调度。23．DLX流水线分为哪几个功能段？答：取指、译码、执行、访存、写回五个操作功能段。24．在基本DLX流水线基础上，避免控制相关的方法有哪些？答：(1)改进硬件功能，把分支目标地址和条件的计算移到译码段进行；(2)采用预测分支失败机制(3)采用延迟分支机制。25．评述解决数据相关的技术在DLX流水线的应用。答：在DLX中，由于ALU和数据存储器都要接受操作数，设置从寄存器文件EX/MEM和MEM/WB到这两个单元输入的定向路径，还有DLX的零监测单元在EX周期完成分支条件检测操作，也设置到该单元的定向路径，减少了数据相关带来的暂停；但并不是所有数据相关带来的暂停都可通过定向技术来消除，采用暂停技术，设置一个“流水线互锁”的功能部件，一旦流水线互锁检测到数据相关，流水线暂停执行发生数据相关指令后续的所有指令，直到该数据相关解决为止。利用编译器技术，重新组织代码顺序也可消除数据相关带来的必然暂停。26．在存储器层次结构设计中，论述首先要解决的四个问题及其含义。答：A、块的放置策略：块如何放置在存储器层次中？B、块的替换策略：一次失效时，如何替换一个块？C、块的标识策略：一个块在存储器层次中如何找到它？D、写的策略：写的时候将会发生什么？27．降低Cache命中时间的措施有哪些？答：容量小、结构简单的Cache；将写操作流水化以加快写命中28．降低Cache失效率的措施有哪些？答：A、增加Cache块大小B、提高相联度C、采用VictimCacheD、采用伪相联Cache(列相联)E、采用硬件预取技术F、由编译器控制的预取G、编译器优化29．降低Cache失效损失的措施有哪些？答：A、读失效优先于写；B、采用子块放置策略；C、早期启动和关键字优先；D、在Cache失效时，利用非阻塞Cache减少暂停；E、采用二级Cache。5、在单机系统中保持Cache一致性的措施有哪些？答：采用写穿透策略和写回策略可以在单机系统中保持Cache一致性。30．全相联和直接映象相比，各有何优缺点？答：全相联映象的特点：利用率最高，冲突概率最低，实现最复杂。直接映象的特点：利用率最低，冲突概率最高，实现最简单。31．简述“Cache-主存”层次和“主存－辅存”层次的区别。答：“Cache-主存”层次和“主存－辅存”层次的区别见下表比较项目“Cache-主存”层次“主存－辅存”层次目的为了弥补主存速度上的不足为了弥补主存容量的不足存储管理实现主要由专用硬件实现主要由软件实现访问速度的比值（第一级比第二级）几比一几万比一典型的块（页）大小几十个字节几百到几千个字节CPU对第二级的访问方式可直接访问均通过第一级失效时CPU是否切换不切换切换到其它进程32．根据下图中的编号，说明虚拟地址如何经过TLB转换成物理地址。页帧地址页偏移量30位13位1位2位2位30位21位VRWTag物理地址………32:1多路选择器①②③④34位物理地址答：首先以CPU给出的地址中的高30位为虚拟也好，将其和TLB中的32个页表项的Tag相比较，同时检查访问的合法性（由TLB中页表项的高5位确定）。如果某一页表项的Tag预虚拟也好相同，且访问合法，那么由32:1多路选择器读出该页表项的低21位，这21位就是所访问页的真实物理地址的高21位，最后将其和页偏移量合并成34位物理地址。33．虚拟存储器中，为帮助操作系统保护进程不被其他进程破坏，简要说明计算机硬件要完成哪三项工作？答：主要完成如下三项工作：提供至少两种模式，用于区分正在运行的进程是用户进程还是操作系统进程。有时称后者为内核（kernel）进程、超级用户（supervisor）进程或管理（executive）进程。使CPU状态的一部分成为用户进程可读但不可写的。这包括基地址/上界地址寄存器、用户/管理模式位和异常许可/禁止位。用户进程无权修改这些状态，因为如果用户进程能改变地址范围检查、赋给自己管理特权或禁止异常出现，操作系统就无法控制它们了。提供一种机制，使得CPU能从用户模式进入管理模式和从管理模式进入用户模式。前一种模式变换一般是通过系统调用（systemcall）来完成。系统调用由一条特殊指令实现，该指令将控制权传送到管理程序空间中一个特定位置。系统调用点处的PC值会被保存起来，CPU状态将被置为管理模式。调用结束后返回用户模式很像从子程序返回，它将恢复原先的用户/管理模式。34．根据下图，说明分离处理总线工作过程。地址地址1地址2地址3数据数据0数据1等待等待1完成1答：首先某一设备发出读请求，并将地址1提交给总线之后，不再占用总线，这时其它总线主设备也可发出读请求，并将地址信号提交给总线（地址2、地址3）。总线根据所接受的地址进行存储器访问，读出数据，将数据信息放在地址总线上。第一个总线主设备法出第之后，不断“侦听”总线，如果总线上不是其所请求读出的数据，那么该总线主设备必须等待（等待1），只有当总线上出现了该总线主设备所请求读出的数据后（数据1），那么该总线主设备取回数据，完成总线访问（完成1）。由此可以看出，在有多个主设备时，总线就可以通过数据打包来提高总线带宽，这样可以不必在整个传输过程中都占有总线，这种技术叫做“分离处理(splittransaction)”或者“流水处理”或者“包开关总线”等。值得注意的是：读操作分为两部分，一个是包含地址的读请求和一个包含数据的存储器应答，每个操作必须标记清楚，以便CPU和存储器可以识别它们。当从所请求存储器地址处读一个字的时候，分离处理允许其它总线主设备使用总线，因此，CPU必须能够识别总线上发来的数据，存储器必须识别总线上返回的数据。分离处理总线有较高的带宽，但是它的数据传送延迟比独占总线方法要大。35．请叙述设计一个I/O子系统的步骤。答：A、列出将要链接到计算机的I/O设备的类型，或者列出机器将要支持的标准总线。B、列出每种I/O设备的物理要求，包括：容量、电源、连接器、总线槽、扩展机箱等等。C、列出每种I/O设备的开销，包括设备所需要的控制器的开销。D、记录每种I/O设备对CP