计算机系统结构课程考核说明

计算机系统结构课程考核说明一、考核说明1．考核对象：电大计算机科学与技术专业本科生。2．命题依据：根据电大计算机科学与技术专业(本科)《计算机系统结构》课的教学大纲的要求。3．考核要求：本课程面向电大计算机科学与技术专业本科生，具体考核要求分为3个层次(详见考核具体要求)：掌握；理解；了解。4．考核方式：采用形成性考核和期末终结性考核相结合的方式，即期末考试与平时成绩相结合的考核方式，最终总成绩达到或超过60分为通过；平时成绩(作业、教学实验)占20％；期末考试占80％，分别以百分制计分。期末考试为闭卷笔试考试，时间120分钟。二、考核内容与要求以电大计算机科学与技术专业(本科)《计算机系统结构》课的教学大纲的要求为准。教材每一章节均有教学要求与导学部分，每章后又有作业与思考题。．考核内容与要求均以教材中的具体规定为准，在下面给出的试题类型与参考答案将能比较充分地体珥出来。三、考核具体要求第一章计算机系统结构的基本概念掌握：计算机系统层次结构，系统结构组成、实现的定义以及三者的关系，透明性，Amdahl定律，CPU性能公式，局部性原理，MIPS和MFLOPS定义。理解:系统结构分类，冯·诺依曼计算机特征。了解：计算机系统结构的发展，价格、应用、VLSI核算法对系统结构的影响。第二章指令系统掌握：RISC的定义与特点，减少指令平均执行周期数的方法。理解：延时转移技术指令取消技术，重叠寄存器窗口技术。了解：指令流调整技术，RISC优化编译技术。第三章存储系统掌握：存储系统的定义，存储系统的性能参数，地址映象与变换方法，替换算法，Cache存储器工作原理，虚拟存储器工作原理。理解；低位交叉访问存储器，高位交叉访问存储器。了解：Cache分析．Cache写操作，分段存储系统，缓冲对虚拟存储系统性能的影响，替换算法实现方法。第四章标量处理机掌握：流水线工作原理，时空图，线性流水线，输人任务连续情况下单功能、线性流水线的吞吐率、。加速比和效率，超标量处理机工作原理和性能分析。理解：输人任务不连续情况下单功能、线性流水线的性能分析。了解：超标量、超流水、超标量超流水处理机的典型结构，流水线计算机的存储器结构，流水线中断的控制方法，流水线技术的开发。第五章向量处理机掌握：向量处理，三种向量处理方式，存储器—存储器结构，寄存器—寄存器结构。理解：链接技术。了解：向量处理机的数据结构和存取模式，协处理器，向量处理机实例。第六章互连网络掌握：互连网络的作用，静态网络，动态网络。理解：存储转发寻径，虫蚀寻径，线路开关寻径，虚拟直通寻径。了解：互连函数，虚拟通道，单播，选播，广播，会议，通道流量，网络通信延时。第七章并行处理机和多处理机掌握：共享存储多处理机，分布存储多处理机，多处理机系统的特点，SIMD计算机基本结构及其优缺点。理解：SIMD计算机的实例，多处理机实例。了解：SIMD计算机的模型，并行算法，虚拟共享存储器，多处理机性能模型，多处理机的Cache一致性，监听协议，基于目录的协，MPP，SMP，机群系统。四、计算机系统结构试题类型及解答一、名词解释(15分，每题3分)1．计算机系统结构2．计算机组成3.计算机实现4.Amdahl定律5．CPI二、选择题(45分，每题3分)1．MIMD是指（）A、单指令流单数据流B、单指令流多数据流C、多指令流单数据流D、多指令流多数据流2．下列那种存储设备需要编址？A.通用寄存器B.主存储器C.输入输出设备D.堆栈3．对计算机系统结构，下列（）是透明的。A、浮点数据表示B、程序性中断C、访问方式保护D、阵列运算部件4．下列（）兼容方式对系列机来说是必须做到的。A、向前兼容B、向后兼容C、向上兼容D、向下兼容5．假设一条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每一段的执行时间分别为t、t2和t3，顺序执行n条指令至少需要花费的时间为：A.tn3B.tn2C.tn6D.tn6．以下关于程序控制输入输出方式的说法哪些是不正确的？A）灵活性不够好B）外围设备与CPU是异步工作关系C）用于连接高速外围设备D）处理机可以采用轮流循环测试方式7．一个二级虚拟存储器,CPU访问主存和辅存的平均时间分别为1μs和1ms.经实测,此虚存平均访问时间为100μs.下面那种方法不能够使得该平均值减小？A）选择合适的页面大小B）采用较好的页面替换算法C）增加主存的容量D）增加辅存的容量8．下述几个需要解决的问题中，那个是向量处理机所最需关心的？A.计算机指令的优化技术B.设计满足运算器带宽要求的存储器C.如何提高存储器的利用率，增加存储器系统的容量D.纵横处理方式的划分问题9．随着计算机技术的不断发展和对指令系统的合理性的研究，精简指令集计算机(RISC)出现并且逐步取代CISC的重要位置。下面所述不是CISC的主要缺点的是：A．20%与80%规律B．VLSI技术的不断发展引起的一系列问题C．软硬件功能分配的问题D．由于指令众多带来的编码困难10．下面说法那种正确？A.采用Huffman编码一定不会比其他编码方法效率低B.采用RISC一定比CISC的效率高C.在任何情况下，增加标志符一定减少程序所占用的存储空间D.以上的说法都不正确11．SIMD是指（）A、单指令流单数据流B、单指令流多数据流C、多指令流单数据流D、多指令流多数据流12．下列那种存储设备不需要编址？A.通用寄存器B.主存储器C.输入输出设备D.堆栈13．按照计算机系统层次结构，算术运算、逻辑运算和移位等指令应属于（）级机器语言。A、传统机器语言机器B、操作系统机器C、汇编语言机器D、高级语言机器14．早期的计算机系统只有定点数据表示，因此硬件结构可以很简单。但是这样的系统有明显的缺点，下面哪一个不是它的缺点：A．数据表示范围小B．单个需要的计算时钟周期多C．编程困难D．存储单元的利用率很低15．下图所示的时空图对应的处理机为：A.标量处理机B.超标量处理机C.超流水处理机D.超标量超流水处理机三.计算题(40分)1.(10分).一条流水线连接图如下所示，画出200条指令连续通过该流水线的时空图，并计算该流水线的加速比。（其中ns1t）输入S1S2S3S4输出t=Δtt=Δ3tt=Δtt=Δt12341234123412341234时钟周期指令I1I2I3I5I612342.(10分).主频为400MHz的微处理机，平均每条指令的执行时间为两个机器周期，每个机器周期由两个时钟脉冲组成，则当存储器为“零等待”时，机器运行速度为多少MIPS。3.(20分).在下列不同类型的处理机上做向量运算：D=(A+B)*C，向量长度均为4，每个周期的时间为10ns。分别计算所需的最短时间，写出简要计算过程。1)(5分).SISD单处理机，有一个通用运算部件，每3个周期做完一次加法，或每4个周期做完一次乘法。2)(5分).流水线处理机，有一条两功能静态流水线，加法经过其中的3段，乘法经过其中的4段，每段的延迟时间均为一个周期。3)(10分).向量处理机，有独立的加法器和乘法器，加法器采用3段流水线，乘法器采用4段流水线，每段的延迟时间均为一个周期，采用向量链接方式工作。试题答案一．解释下列术语或简答以下问题(共45分，每小题3分)1．计算机系统结构【答案】系统结构定义为由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性，这里的程序设计者所看到的计算机属性是指为机器语言或编译程序设计者所看到的计算机属性，是硬件子系统的概念性结构及其功能特性，它是计算机系统的软、硬件的界面。2．计算机组成【答案】计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。3．计算机实现【答案】计算机实现是指计算机组成的物理实现。4．Amdahl定律【答案】Amdahl定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。Fe=（改进前可改进部分占用的时间）/（改进前整个任务的执行时间）Se=（改进前可改进部分的执行时间）/（改进后改进部分的执行时间）则，改进后整个系统加速比为eeenSFFs/)1(1。5．CPI【答案】每条指令平均时钟周期数CPI=CPU时钟周期数/IC（指令的条数）=niiiICICPI1)*(其中iI=指令i在程序中执行的次数。二、选择题(45分，每题3分)1．D2．A,B,C3．D4．B5．C6．A,C7．D8．B9．D10．A11．B12．D13．A14．B15．C三.计算题(40分)1．解：顺序执行的时间为T0＝6×200＝1200ns采用流水方式执行的时间为T1＝3×200＋6－1＝605ns加速比S＝T0/T1=1200/605=1.982．【答案】1003.解：1)10ns×4×（3＋4）＝280ns，4次加法和4次乘法串行执行123n123……n……123n……123n……时间(ns)空间12345602)10ns×（6＋7）＝130ns，流水线执行4次加法需要6个周期，流水线执行4次乘法需要7个周期3)10ns×（7＋3）＝100ns，得到第1个结果需要7个周期，另外3个结果需要3个周期计算机系统结构期末复习指导第一章计算机系统结构的基本概念1．系统结构的两种定义定义1：Amdahl于1964年在推出IBM360系列计算机时提出：程序员所看到的计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。指机器语言的程序员编写出能够在机器上正确运行的程序所必须了解到的功能特性(指令系统及其执行模式)；数据表示(硬件能够直接认别和处理的数据类型和格式)；寻址方式(最小寻址单位、寻址方式的种类和地址运算等)；寄存器组织(操作数寄存器、变址寄存器、控制寄存器及专用寄存器的定义、数量和使用规则等)；指令系统(机器指令的操作类型、格式，指令间的排序和控制机制)等。定义2：计算机系统结构主要研究软硬件功能分配和对软硬件界面的确定。计算机系统由软件、硬件和固件组成，它们在功能上是同等的。同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现。不同的组成只是性能和价格不同。2．计算机组成是指计算机系统结构的逻辑实现，主要包括：确定数据通路的宽度；确定各种操作对功能部件的共享程度；确定专用的功能部件；确定功能部件的并行度；设计缓冲和排队策略；设计控制机构；确定采用何种可靠性技术。3．计算机实现是指计算机组成的物理实现，包括：处理机、主存储器等部件的物理结构；器件的集成度和速度；专用器件的设计；器件、模块、插件、底版的划分与连接；信号传输技术；电源、冷却及装配技术；相关制造工艺及技术等。4．计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念，但随着技术、器件和应用的发展，三者之间的界限越来越模糊。5．透明性，本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在，例如：浮点数表示、乘法指令对高级语言程序员、应用程序员透明对汇编语言程序员、机器语言程序员不透明。例如：数据总线宽度、微程序对汇编语言程序员、机器语言程序员透明，对硬件设计者、训算机维修人员不透明。6．Amdahl定律，系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。7．CPI：每条指令的平均时钟周期数。8．访问的局部性原理：程序往往重复使用它刚刚使用过的数据和指令。实验表明，一个程序用90％的执行时间去执行仅占10％的程序代码。局部性的实质是：根据程序的最近情况，可以较精确地预测出最近的将来将要用到哪些指令和数据。局部性分时间上的局部性和空间上的局部性两种。时间上的局部性是指最近访问过的代码是不久将被访问的代码。空间上的局部性是指那些地址上相邻近的代码可能会被一起访问。存储器体系的构成就是以访问的局部性原理为基础的。9．MIPS定义。MIPS表示每秒百万指令条数。对于一个给定的程序，它定义为：MIPS=6610CPI10时钟频率＝执行时间指令条数10．MFLOPS定义。MFLOPS即每秒百万次浮点操作次数，它定义为：MFLOP