计算机体系结构期末试卷及答案

课程测试试题（A卷）----------------------以下为教师填写--------------------I、命题院（部）：信息科学与工程学院II、课程名称：计算机体系结构III、测试学期：2014－2015学年度第2学期IV、测试对象：信息学院计算机、网络专业2012级班V、问卷页数（A4）：3页VI、答卷页数（A4）：4页VII、考试方式：闭卷（开卷、闭卷或课程小论文，请填写清楚）VIII、问卷内容：一、填空题（共30分，20空，每空分）1、现代计算机系统是由（）和（）组成的十分复杂的系统。2、计算机系统应能支持软件可移植，实现可移植性的常用方法有3种，即（），（），统一高级语言。3、可以将当前大多数通用寄存器型指令集结构进一步细分为3种类型，即（）、（）和存储器-存储器型指令集结构。4、MIPS指令DADDIUR14，R5，#6属于（）类型的指令格式；MIPS指令SDR4，300（R5）属于（）类型的指令格式。5、描述流水线的工作，常采用时空图的方法。在时空图中，横坐标表示（），纵坐标代表（）。6、在MIPS指令实现的简单数据通路中，在WB周期中，有两大类指令执行操作：（）和（）指令。7、存储器的层次结构中，“Cache－主存”层次是为了弥补主存（）的不足，“主存－辅存”层次是为了弥补主存（）的不足。8、Cache实现的映像规则有全相联映像、（）和（）三种。9、反映存储外设可靠性能的参数有可靠性、（）和（）。10、根据系统中处理器个数的多少，可把现有的MIMD计算机分为两类，每一类代表了一种存储器的结构和互连策略。第一类机器称为（）结构，第二类机器具有（）。二、判断题（每小题1分，共10分）1、从计算机语言的角度，系统结构把计算机系统按功能划分成多级层次结构，其中，第2级是操作系统虚拟机，第3级是汇编语言虚拟机。（）2、计算机系统中提高并行性的3种途径中，资源重复是在并行性概念中引入时间因素，加快硬件周转而赢得时间。（）3、指令集结构中采用多种寻址方式可能会增加实现的复杂度和使用这些寻址方式的指令的CPI。（）4、指令条数多，通常超过200条，是设计RISC的原则之一。（）5、根据流水线中各功能段之间是否有反馈回路，可把流水线分为线性流水线和非线性流水线。（）6、在多级存储体系中，“cache——主存”层次的存储管理实现主要由软件件实现。（）7、失效率和平均访存时间都可评价存储系统的性能，它们都和机器的硬件速度有关。（）8、RAID的特点有容量大，速度快、可靠性高，同时保存数据无冗余信息。（）9、在多处理机的互连网络中，交叉开关网络属于动态互连网络。（）10、机群是一种价格低廉、易于构建、可扩缩性极强的并行计算机系统。（）二、名词解释（每小题4分，共20分）1、模拟2、数据表示3、名相关4、互连网络5、高可用性机群三、简述题（每小题5分，共20分）1、计算机系统结构的Flynn分类法是按什么来分类的？共分为哪几类？2、指令集应满足哪几个基本要求？3、简述流水线技术的特点。4、简述通道完成一次数据传输的主要过程。四、计算题（每小题10分，共20分）1、假设某应用程序中有4类操作，通过改进，各操作获得不同的性能提高。具体数据如下表所示：操作类型程序中的数量（百万条指令）改进前的执行时间（周期）改进后的执行时间（周期）操作11021操作2302015操作335103操作41541（1）改进后，各类操作的加速比分别是多少？（2）各类操作单独改进后，程序获得的加速比分别是多少？（3）4类操作均改进后，整个程序的加速比是多少？2、有一条静态多功能流水线由5段组成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第3段的时间为2△t，其余各段的时间均为△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。现要在该流水线上计算，画出其时空图，并计算其吞吐率、加速比和效率。12345乘法加法△t△t2△t△t△t)(41iiiBA计算机体系结构期末试卷A卷参考答案一、填空题（共30分，20空，每空分）1、硬件/固件软件2、采用系列机模拟与仿真3、RM结构RR结构4、II5、时间空间或流水线各段6、LoadALU7、速度容量8、直接组相联9、可用性可信性10、集中式共享存储器分布的物理存储器二、判断题（每小题1分，共10分）1—5××√×√6—10×××√√三、名词解释（每小题4分，共20分）1、模拟：是指用软件的方法在一台现有的计算机（称为宿主机）上实现另一台计算机（虚拟机）的指令集。通常用解释的方法来实现。2、数据表示：机器硬件能够直接识别、指令系统可以直接调用的那些结构。确定操作数表示是软硬件取舍折衷的问题。3、名相关：名是指令所访问的寄存器或存储器单元的名称。如果两条指令使用相同的名，但是它们之间并没有数据流动，则称这两条指令存在名相关。4、互连网络：互连网络是一种由开关元件按照一定的拓扑结构和控制方式构成的网络，用来实现计算机系统中结点之间的相互连接。5、高可用性机群：当系统某些结点出现故障，仍能继续对外提供服务。当系统中某个结点由于软、硬件故障而失效时，该结点上的任务将在最短的时间内被迁移到机群内另一个具有相同功能与结构的结点上继续执行。四、简述题（每小题5分，共20分）1、计算机系统结构的Flynn分类法是按什么来分类的？共分为哪几类？答：按照指令流和数据流的多倍性进行分类。Flynn分类法把计算机系统的结构分为4类：单指令流单数据流(SISD)、单指令流多数据流(SIMD)、多指令流单数据流(MISD)、多指令流多数据流(MIMD)。2、指令集应满足哪几个基本要求？答：对指令集的基本要求：完整性、规整性、高效率、兼容性。完整性：在一个有限可用的存储空间内，对于任何可解的问题，编制计算程序时，指令集所提供的指令足够用。规整性主要包括对称性和均匀性。高效率：指指令的执行速度快、使用频度高。3、简述流水线技术的特点。答：流水线把一个处理过程分解为若干个子过程（段），每个子过程由一个专门的功能部件来实现。流水线中各段的时间应尽可能相等，否则将引起流水线堵塞、断流.时间长的段将成为流水线的瓶颈。流水线每一个功能部件的后面都要有一个缓冲寄存器（锁存器），称为流水寄存器。流水技术适合大量重复的时序过程，只有在输入端不断地提供任务，才能充分发挥流水线的效率。流水线需要有通过时间和排空时间。4、简述通道完成一次数据传输的主要过程。答：在用户程序中使用访管指令进入管理程序，由管理程序生成一个通道程序，并启动通道。用户在目标程序中设置一条广义指令，通过调用操作系统的管理程序来实现。管理程序根据广义指令提供的参数来编制通道程序。通道处理机执行通道程序，完成指定的数据输入/输出工作。通道处理机执行通道程序与CPU执行用户程序是并行的。通道程序结束后向CPU发中断请求。五、计算题（10+10分，共20分）1、解：根据Amdahl定律SeFeFeSn)1(1可得操作类型各类操作的指令条数在程序中所占的比例Fi各类操作的加速比Si各类操作单独改进后，程序获得的加速比操作1%2操作2%操作3%操作4%44类操作均改进后，整个程序的加速比：2.16)1(1iiinSFFS2、解:（1）会发生流水线阻塞情况。1分Instr.1stage1stage2stage3stage3stage4instr.2stage1stage2stallstage3stage3stage4instr.3stage1stallstage2stallstage3stage3stage4instr.4stallstage1stallstage2stallstage3stage3stage4（2）解：首先，应选择适合于流水线工作的算法。对于本题，应先计算A1＋B1、A2＋B2、A3＋B3和A4＋B4；再计算(A1＋B1)×(A2＋B2)和(A3＋B3)×(A4＋B4)；然后求总的结果。其次，画出完成该计算的时空图，如图所示，图中阴影部分表示该段在工作。由图可见，它在18个△t时间中，给出了7个结果。所以吞吐率为：时间段12345012345678910111213141516输入A1B1A2B2A3B3A4B4ABCDABCDA×BA×BC×DA×B×C×DA=A1＋B1B=A2＋B2C=A3＋B3D=A4＋B4C×D1718tTP817如果不用流水线，由于一次求积需3△t，一次求和需5△t，则产生上述7个结果共需（4×5+3×3）△t=29△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：61.18192ttS223.01853354E