计算机系统结构复习题
8、 某工作站采用时钟频率f为15MHz，处理速率为10MIPS的处理机来执行一个已知混合程序。假定每次存储器存取为1周期延迟。如果假定将处理机的时钟频率f提高到30MHz，但存储器子系统速率不变。这样，每次存储器存取需要两个时钟周期，如果30%指令每条只需要一次存储存取，而另外5%每条需要两次存储存取，还假定已知混合程序的指令数不变，并与原工作站兼容，试求改进后的处理机性能。 参考答案：
(a) 时钟频率之后需要增加一个时钟周期；同样，另外5％的指令需要增加两个时钟周期。
CPInew= （改进前执行混合程序的所需时钟周期数 + 30%×1×指令数 + 5%×2×指令数） / 指令数 = 改进前有效CPI + 30%×1 + 5%×2= 1.5 +如题所述，30％的指令需要一次存储存取，则这些指令在处理器提高 0.3 + 0.1= 1.9
处理速率MIPS= fnew / (CPInew×106) = 30×106/(1.9×106) = 15.79 MIPS 假设混合程序的指令数为IC, 则有
可见, 改进后工作站性能提高了。
9、 有一台磁盘机，其平均寻道时间为30ms，平均等待时间为10ms，数据传输率为500B/ms，磁盘机上存放着1000件每件3000B的数据，先欲把一件件数据取走，更新后放回原地。另外使用CPU更新信息所需的时间为4ms，并且更新时间同输入输出操作不相重叠。求： (1) 更新磁盘上全部数据需要多长时间？
(2) 若磁盘机转速和数据传输率都提高一倍，更新全部数据需多少时间？ 参考答案： 1）94s 2）80s
10、 超标量机、超流水线机、超标量超流水线机都能开发指令级的并行性。假设这3种机器的流水线都为4段，每段均为1个时钟周期。还假设超标量处理机每个时钟周期可同时启动3条指令，超流水线机每隔1/3个时钟周期启动一条指令，超标量超流水线机每次启动3条指令，每隔1/3个时钟周期启动一次指令。现有9条指令的代码序列，问这3种机器各需要多少个时钟周期才能执行完毕，求各流水线的效率。画出时空图。 参考答案： (1)超标量处理机
每次发射3条指令，3次发射完毕，共需要4＋3－1＝6个时钟周期 效率为9×4/(6×3×4)＝50% 时空图略
(2)超流水线处理机
每次发射1条指令，每个时钟周期发射3条指令，则第9条指令在8/3个时钟周期处发射，共需要8/3+4＝6.67个时钟周期
效率为9×4/(6.67×3×4)＝45% (3)超标量超流水线处理机
每次发射3条指令，每个时钟周期发射3次指令，则最后一次指令在2/3个时钟周期处发射，共需要2/3+4＝4.67个时钟周期
效率为9×4/(4.67×3×4×3)＝21.4%
1、对计算机系统中经常使用的基本单元功能，宜于用软件来实现，这样可降低系统的成本。( ) 2、由于RISC简化了指令系统，因此，RISC上的目标程序比CISC上的目标程序要短一些，程序执行的时间就会少一些。（ ）
3、存储器采用单体单字,还是多体交叉并行存取,对系统结构设计应是透明的。( 4、在存储体系中，地址的映象与地址的变换没有区别。（ ）
5、页面失效请求可以在每条指令执行到末尾时检测，以便在此时看是否调页。（ 6、在满足Cache与主存的一致性方面，写回比写直达法好。（ ）
) ）
7、流水线调度是看如何调度各任务进入流水线的时间，使单功能线性流水线有高的吞吐率和效率。（ ） 8、无论采用什么方法，只要消除流水线的瓶颈段，就能提高流水线的吞吐率和效率。( ) 9、要使线性流水线的实际吞吐率接近于理想的最大吞吐率，应将子过程数分得越多越好。（） 10、在系列机内可以将单总线改为双总线，以减少公共总线的使用冲突。( 名词解释 1. 存储系统： 2. 兼容机： 3. 存储系统： 4. 平均启动距离： 5. 堆栈型替换算法： 6. 直接网络 7. 仿真与模拟
8. Amdahl定律及其计算公式 9. MFLOPS
10. Flynn分类法：计算机系统结构的一种分类方法．按照同时执行的指令流与数据流在系统中的数目，
将系统结构分为：SISD单指令单数据流，SIMD多指令流多数据流，MISD多指令流单数据流，MIMD多指令流多数据流。
11. 动态互连网络：设置有源开关，可以根据需要借助控制信号对连接通路加以重新组合实现所所要求通
信模式的网络
12. 结点度：与节点相连接的边（即链路或通道）数。
13. 间接网络：网络中的结点不是通过直接相连的通道进行消息通信，而是通过网络的开关机构进行。 1． 超标量处理机的特点：超标量处理机一般具有多于一条的流水线，一台m度的超标量处理机可同时发
射m条指令，指令的发射等待时间为1个时钟，指令的并行度为m。
2． 程序中有哪两类相关，分别可以采取什么方法来解决？：程序中可能出现下两类相关
数据相关：数据相关指在执行本条指令的过程中，如果用到的指令、操作数、变址偏移量等是前面指令的执行结果，则必须等待前面的指令执行完成，并把结果写到主存或通用寄存器中之后，本条指令才能开始执行。可以采取设置专用数据通路、延迟执行等方法来解决数据相关。
控制相关：控制相关指由条件分支指令、转子程序指令、中断等引起的相关。可以采取静态分支预测技术、动态分支预测技术、提前形成条件码等来解决控制相关。 1． Cache一致性问题主要由哪些可能的因素有关？
2． 在先行控制方式处理机中，为了保证处理机的最大性能，对于控制相关（包括短循环）采取了哪些应
对措施？
3． 数据类型、数据表示和数据结构之间的关系是什么？在设计一个计算机系统时，确定数据表示的原则
主要有哪几个？
4． 从机器（汇编）语言程序员看，以下哪些是透明的？指令地址寄存器；指令缓冲器；时标发生器；条
件码寄存器；乘法器；主存地址寄存器；磁盘外设；先行进位链；移位器；通用寄存器；中断字寄存器；参考答案：透明的有：指令缓冲器、时标发生器、乘法器、先行进位链、移位器 5． 用具体例子来说明计算机系统结构、计算机组成和计算机实现三个概念。 6． 综述线性流水线和非线性流水线的异同？ 7． 虚拟机
)
8． 程序访问的局部性
9． 简述现代计算机系统的分类方法及其机制：
10．从机器（汇编）语言程序员看，以下哪些是透明的？
11．指令地址寄存器；指令缓冲器；时标发生器；条件码寄存器；乘法器； 12．主存地址寄存器；磁盘外设；先行进位链；移位器；通用寄存器；中断字寄存器 13．直接网络
14．请说明计算机系统结构、计算机组成和计算机实现三个概念。
15．在先行控制技术和流水线处理机中，程序中有哪两类相关，其具体内容是什么？分别可以采取什么方
法来解决？ 16．堆栈型替换算法
1. 浮点数据表示方式要研究的核心内容是 与这种数据表示方式
的 、 、和 之间的关系。
2. 体系结构设计者在决定哪些基本功能用指令来实现时主要考虑的因素有三个，它们是： 、
和 。
3. 确定哪些数据类型用数据表示来实现的原则主要有三个，一个是 ，另一个是 ，第三个是 。
4. 优化目标程序的指标主要有两个：一个是 ，另一个
是 。
5. 是RISC思想的精华。
6. 并行存储器产生访问冲突的根源主要有两个，一个是 ，另一个
是 。
7. 存储器的性能通常用 、 、 三个主要指标来表示。 8. 先行控制技术的关键是 和 。
9. 根据计算机的不同侧面特征可以将计算机作各种不同的分类，课本上介绍的三种分类法分别
是： ， ， 。 10. 虚拟存储器中有三种地址空间，它们分别是：
1. ， ， 。
11. 在采用先行控制方式的处理机中，一般要设置四个先行指令缓冲栈，它们分别
是： 、 、 和 。 12. 在采用先行控制方式的处理机中，数据相关主要有四种，分别是：。
13. 可以从两个方面来开发处理机内部的并行性，一个是所谓的 、即在一个处理机内设置
多个独立的操作部件，并让这些部件并行工作；另一个是 。 14. 衡量流水线性能的主要指标有 、 和 。 15. 提高向量处理机性能的常用技术可以有：
i.
、 、 、 。
16. 软件和硬件的成本各由两部分组成，它们是： 、和 。
17. 浮点数据表示的 、 和 三个主要性质都与
有关。
18. 设计指令系统时，功能方面最基本要求是： 、 、和 。
19. 优化目标程序的指标主要有两个：一个是 ，另一个
是 。
20. 目前在RISC处理机中主要采用如下几种技术，它们是：
21. 、 、 、和 、以及 。 22. 并行存储器产生访问冲突的根源主要有两个，一个是 ，另一个
是 。
23. 先行控制技术的关键是 和 。
24. 根据计算机的不同侧面特征可以将计算机作各种不同的分类，课本上介绍的三种分类法分别
是： ， ， 。 25. 虚拟存储器中有三种地址空间，它们分别是：
26. 设计处理机的基本任务之一是缩短解释指令的时间，通常提高指令执行速度的途径有三种，它们分别
是： 、 、 。
27. 通常把先行控制方式中的 、 、 、和
统称为 。
28. 指令级并行技术又有三种实现的基本方法：第一种是 ，第二种是 ，第三种是 。
29. 短循环程序应该满足的三个条件是：1、 ；2、 ；3、 。 30. 提高向量处理机性能的常用技术可以有：
31. 、 、 、 。
32. 衡量流水线性能的主要指标有 、 和 33. 在下列常用术语后面，写出相应的中文名称：
VLSI MPP RISC DMA 9．外设接口的主要功能是 、 、 。
34. 在由n台计算机构成的并行计算机中，其运行程序的加速比比一般都小于n，其主要原因是
和 。
35. 从计算机系统结构的发展和演变来看，早期的计算机是以、 为中心的系统结构，而近代的计算机是以、 为中心的系统结构。
36. 软件和硬件的成本各由两部分组成，它们是：、 和、 。 37. 从广义上将，计算机中引入并行性有三种基本途径，分别是
、 ，、 ，、 。
38. 浮点数据表示的、 ，、 和、 三个主要性质都与、
有关。
39. 优化目标程序的指标主要有两个：一个是、 ，另一个
是、 。
40. 设计指令系统时，功能方面最基本要求是：、 、、 、、 和、 。 41. 在指令格式中，采用扩展操作码设计方案的目的是。
42. 在多级存储体系中，Cache存储器的主要功能是 ，虚拟存储器的主要功能是。 43. 先行控制技术的关键是19、 和20、 。 44. 目前在RISC处理机中主要采用如下几种技术，它们是：。
45. 并行存储器产生访问冲突的根源主要有两个，一个是 ，另一个
是 。
46. 根据计算机的不同侧面特征可以将计算机作各种不同的分类，课本上介绍的三种分类法分别是：。 47. 浮点数据表示方式要研究的核心内容是 与这种数据表示方式的 、 、和 之间的关系。
48. 体系结构设计者在决定哪些基本功能用指令来实现时主要考虑的因素有三个，它们是： 、
和 。
49. 确定哪些数据类型用数据表示来实现的原则主要有三个，一个是 ，另一个是 ，第三个是 。
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