高级计算机体系结构

Advanced Computer Architecture

教学大纲

课程编码：M733001

课程学分：32学时，2学分

适用学科/专业：计算机科学与技术、计算机技术

开课学院：计算机学院

一、课程性质

本课程的授课对象为计算机科学与技术、计算机技术的硕士研究生，旨在从提高计算机系统性能的角度分析并行计算机的系统结构，并讨论系统评价的原理及其可扩展性。

二、课程教学目的

通过本课程的学习，希望学生能够从提高计算机系统性能的角度，掌握指令级并行与处理器级并行技术，理解计算机底层设计时所采用的并行思想、影响指令/程序并行执行的关键因素及其处理方式，为并行算法研究和并行程序设计打下坚实的基础。

三、教学基本内容及基本要求

第1章概述

（一）教学基本内容

1.1 计算机体系结构概念

1.2 计算机体系结构的设计技术

1.3 计算机系统性能评价

1.4 计算机体系结构的发展趋势

（二）教学基本要求

掌握：体系结构的定义、层次结构图、计算机系统的定量分析法、CPU性能公式

理解：计算机系统的性能评价/比较标准

了解：体系结构的发展趋势

第2章流水线技术

（一）教学基本内容

2.1 流水线的基本原理

2.2 流水线的性能分析

2.3 非线性流水线的调度

2.4 流水线中的相关

2.5 流水线的实现

（二）教学基本要求

掌握：流水线的时空图与性能分析、非线性流水线调度

理解：流水线的基本思想与分类，流水线中的结构相关、数据相关、控制相关及其基本解决办法

了解：流水线的实现技术

第3章指令级并行

（一）教学基本内容

3.1 指令级并行的概念

3.2 循环展开技术

3.3 动态调度技术

3.4 分支预测技术

3.5 多指令流出技术

（二）教学基本要求

掌握：指令级并行原理

理解：循环展开调度技术、指令的动态调度技术，转移预测缓冲器、相关转移预测器、自适应预测器

了解：超标量处理机、超长指令字处理机的基本原理

第4章分布式存储技术

（一）教学基本内容

4.1 存储系统原理

4.2 Cache一致性协议

4.3 共享存储器一致性

4.4 分布式文件系统原理

（二）教学基本要求

掌握：存储系统的基本原理与性能分析

理解：Cache的逻辑实现、一致性协议、替换算法

了解：分布式存储原理、共享存储器的一致性

第5章并行计算平台

（一）教学基本内容

5.1 并行计算平台概述

5.2 互连网络的概念

5.3 静态互连网络

5.4 动态互连网络

5.5 消息传递机制

（二）基本基本要求

掌握：互联网络的概念、基本的互联函数、互联网络中的消息传递机制

理解：常用的静态/动态互联网络，例如超立方网络、Ω网络等

了解：当前主流的并行计算平台

第6章多核与众核系统

（一）教学基本内容

6.1 多核/众核的概念

6.2 多核/众核处理器的关键技术

6.3 典型多核芯片分析

6.4 多核平台下的并行程序设计基础

（二）教学基本要求

掌握：多核/众核系统的概念、多核平台下的并行程序设计

理解：多核/众核处理器的关键技术，包括片上网络、多核资源管理等

了解：典型的多核芯片的结构

第7章基于消息传递的并行编程环境

（一）教学基本内容

7.1 MPI编程环境概述

7.2 MPI的进程/进程组

7.3 MPI的消息与数据类型

7.4 MPI程序的基本结构与示例

（二）教学基本要求

掌握：基于MPI的程序设计基础

理解：MPI的基本结构

第8章基于共享内存的并行编程环境

（一）教学基本内容

8.1 OpenMP编程环境概述

8.2 OpenMP的并行编程模型

8.3 OpenMP的数据环境与同步结构

8.4 OpenMP程序示例

（二）教学基本要求

掌握：基于OpenMP的程序设计基础

理解：OpenMP的基本结构

四、本课程与其他课程的联系与分工

无

五、实践环节教学内容的安排与要求

要求学生能够分析超级计算机系统，能够运用所学知识构建集群系统，掌握并行计算机的基本方法。

六、本课程课外练习的要求

课外要求查阅超级计算机全球TOP500，了解计算机系统发展趋势，我国超级计算机技术现状与发展，学习MPI、OpenMP并行编程环境，并调试并行程序。

课内外学时比为1：1。

七、本课程的教学方法及使用现代化教学手段方面的要求

教学方法以课堂教学为主，使用PPT和板书相结合的方式讲述课程主要内容，作业完成主要在课后，以撰写读书报告的形式完成指定的作业。

八、本课程成绩的考查方法及评定标准

采用平时作业和期末大作业的形式进行考核，百分制评定成绩，平时成绩占40%（含作业，上机及课堂表现等），大作业部分占60%。

九、教材及参考书

教材：

1．《计算机体系结构：量化研究方法（第五版）》中文版，John L.Hennessy、David A.Patterson主编，贾洪峰译，2013年第1版，人民邮电出版社

参考书：

1．《计算机体系结构：量化研究方法（第五版）》英文版，John L.Hennessy、David A.Patterson主编，2012年第1版，机械工业出版社

2．《计算机系统结构实践教程（第二版）》，张晨曦主编，2015年第2版，清华大学出版社

十、课程各章节学时分配

大纲撰写人：傅颖勋

学科、专业负责人：李晋宏

学院负责人：马礼

制（修）定日期：2017年4月

计算机体系结构解

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第一章计算机组成原理本部分要求掌握计算机方面的基础知识，包括计算机的发展、计算的系统组成、基本组成和工作原理、计算机的数制数据表示以及运算校验、指令系统以及计算机系统的安全等基础性的知识。内容多而且复杂，尤其是有关计算机硬件方面的内容，很细而且灵活性不高，知识量相当大，掌握这部分一定要多下功夫，学会取舍、把握重点、抓住要害。 1.1 考试大纲及历年考题知识点 1.1.1 大纲要求考试要求： 1 掌握数据表示、算术和逻辑运算； 2 掌握计算机体系结构以及各主要部件的性能和基本工作原理考试范围 1 计算机科学基础 1.1 数制及其转换二进制、十进制和十六进制等常用制数制及其相互转换 1.2 数据的表示 ?数的表示（原码、反码、补码、移码表示，整数和实数的机内表示，精度和溢出）?非数值表示（字符和汉字表示、声音表示、图像表示） ?校验方法和校验码（奇偶校验码、海明校验码、循环冗余校验码） 1.3 算术运算和逻辑运算 ?计算机中的二进制数运算方法 ?逻辑代数的基本运算和逻辑表达式的化简 2．计算机系统知识 2.1 计算机系统的组成、体系结构分类及特性 ?CPU 和存储器的组成、性能和基本工作原理 ?常用I/O 设备、通信设备的性能，以及基本工作原理 ?I/O 接口的功能、类型和特性 ?I/O 控制方式（中断系统、DMA、I/O 处理机方式） ?CISC/RISC，流水线操作，多处理机，并行处理 2.2 存储系统 ?主存-Cache 存储系统的工作原理 ?虚拟存储器基本工作原理，多级存储体系的性能价格 ?RAID 类型和特性 2.3 安全性、可靠性与系统性能评测基础知识 ?诊断与容错 ?系统可靠性分析评价 ?计算机系统性能评测方式 1.2 计算机科学基础 1.2.1 数制及其转换 1、R 进制转换成十进制的方法按权展开法:先写成多项式,然后计算十进制结果. 举例： (1101.01)2=1×2^3+1×2^2+0×2^1+1×2^0+ 0×2^-1+1×2^-2 =8+4+1+0.25=13.25 (237)8=2×8^2+3×8^1+7×8^0 =128+24+7=159 (10D)16=1×16^2+13×16^0=256+13=269

计算机体系结构期末复习

计算机体系结构期末复习资料 1.并行性：是指在同一时刻或者是同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不同的工作。 2.CPI：每条指令执行时所花费的平均时钟周期。 3.体系结构：即计算机的属性，即概念性结构与功能特性。 4.Amdahl定理：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。 5.信息存储的整数边界：信息在主存中存放的起始地址必须是该信息（字节数）的整数倍。 6.指令系统的正交性：指在指令中各个不同含义的字段，在编码时应互不相关，相互独立。 7.流水线技术：是指将一个重复的时序过程，分解成为若干子过程，而每个过程都可有效在其专用功能段上与其他子过程同时执行。 8.定向技术：在某条指令产生一个结果之前，其他指令并不直接需要该计算结果，如果能将该计算结果从其他产生的地方直接送到其他指令需要它的地方，那么就可以避免暂停的技术就叫定向技术。 9.相关：衡量两个随机变量之间相关程度的指标。 10.向量流水处理机：是指处理机具有向量数据表示并通过向量指令对向量的各元素进行处理。、

11.定向：将计算结果从其产生的地方直接送到其他指令需要它的地方，或所有需要它的功能单元，避免暂停。 12.指令集的并行：当指令之间不存在相关时，它们在流水线中是可以重叠起来并行执行。 13.记分牌技术：流出和读操作数。在没有结构冲突时,尽可能早地执行没有数据冲突的指令,实现每个时钟周期执行一条指令。如果某条指令被暂停,而后面的指令与流水线中正在执行或被暂停的指令都不相关,是这些指令可以跨越它,继续流出和执行下去。 14.Tomasulo算法：寄存器换名是通过保留站和流出逻辑来共同完成,当指令流出时,如果其操作数还没有计算出来,则该指令中相应的寄存器换名将产生这个操作数的保留站的标识。因此,指令流出到保留站后,其操作数寄存器或者换成了数据本身,或换成了保留站的标识,和寄存器无关。后面指令对该寄存器的写入操作就不会产生WAR冲突。 15.替换算法：由于主存中的块比Cache中的块多，所以当要从主存中调一个块到Cache中时，会出现该块所映象到的一组（或一个）Cache块已全部被占用的情况。这时，需要被迫腾出其中的某一块，以接纳新调入的块。

计算机系统结构考试计算题

3.12 有一指令流水线如下所示（1）求连续输入10条指令，该流水线的实际吞吐率和效率；（2）该流水线的“瓶颈”在哪一段？请采取两种不同的措施消除此“瓶颈”。对于你所给出的两种新的流水线，连续输入10条指令时，其实际吞吐率和效率各是多少？解：（1） 2200(ns)2009200)10050(50t )1n (t T max m 1 i i pipeline =?++++=?-+?=∑= )(ns 220 1 T n T P 1pipeline -== 45.45%11 5 4400T P m t T P E m 1 i i ≈=? =?? =∑= （2）瓶颈在3、4段。 ? 变成八级流水线（细分） 850(ns)509850t 1)(n t T max m 1 i i pipeline =?+?=?-+?=∑= )(ns 85 1 T n T P 1pipeline -== 58.82%17 10 8400T P m ti T P E m 1 i ≈=? =?? =∑= ? 重复设置部件出 50ns 50ns 100ns 200ns

)(ns 85 1 T n T P 1pipeline -== 58.82%17 10885010400E ≈=??= 3.13 4段组成，3段时，一次，然4段。如果需要的时间都是，问：（1）当在流水线的输入端连续地每时间输入任务时，该流水线会发生什么情况？（2）此流水线的最大吞吐率为多少？如果每输入一个任务，连续处理 10个任务时的实际吞吐率和效率是多少？（3）当每段时间不变时，如何提高该流水线的吞吐率？仍连续处理10个任务时，其吞吐率提高多少？（2） t ?t ?2

计算机系统结构有详细答案

(仅供参考，不作为考试标准)，选择题分，每题分)2(30计算机系统结构设计者所关心的是________所看到的的计算机结构。 A)硬件设计人员B)逻辑设计人员 D)高级语言程序员C)机器语言或汇编语言程序员。意________，应当注提系在计算机统设计时，为了高系统性能度的令执行速快A)加经常性使用指大的指令特B)要别精心设计少量功能强数的占减少在数量上很小比例的指令条C)要度D)要加快少量指令的速。的问题统中因________而导致系主重叠寄存器技术要用于解决在RISC 流水线影A)JMP指令响保护令B)CALL指的现场问存储器不便来只C)有LOAD和STORE指令带的访度速器访问D)存储 ________ 效率高计为使流水算机运行要A)各过程段时间不同B)连续处理的任务类型应该不同 D)连续处理的任务数尽可能少C)连续处理的任务类型应该相同栈型替是的________。换算法堆不属于B)近期最少A)近期最使用法久未用法 D)页面失效频率法出进C)先先法象联组，相映的优点。是________象联全与相映相比B)块冲突概率低C)命中率高D)主存利用率小录A)目表高是方好关相指除中叠次一重消令最的法________。B)设相关专用令指改准A)不修通路令指条下析分后推C) 令指条下行执后推D) 流的用采，时关据数到，中作水操遇相________。有法办解决器译编化优A)用办的排新重令指过通，测检序法据数B)向定重技术 C)延迟转移技术 D)加快和提前形成条件码经多级网络串联来实现全排列网络，只能用________。 A)多级立方体网络B)多级PM2I网络 D)上述多级混洗交换网络任何网络C) 序传送的________。是以虫蚀寻径流水方式在各寻径器是顺B)包A)消息C)片节D)字 ________ 处理机超标量作指条令部件个B) 只有一操期A)在一个时钟周内分时发射多多钟C)在一个时周期内同时发射条指令件有只一个取指部D)

系统结构期末考试试题及答案

得分评分人填空题: （20分，每题2 分）单选题：（10分，每题1分） A.任何虚页都可装入主存中任何实页的位置 B. 一个虚页只装进固定的主存实页位置《计算机系统结构》期末考试试卷（A ）得分注：1、共100分，考试时间120分钟。 2、此试卷适用于计算机科学与技术本科专业。 1、."启动I/O"指令是主要的输入输出指令，是属于（ A. 目态指令 B.管态指令 C.目态、管态都能用的指令 D.编译程序只能用的指令 2、输入输出系统硬件的功能对（B ）是透明的 A.操作系统程序员 B.应用程序员 C.系统结构设计人员 D.机器语言程序设计员 3、全相联地址映象是指（A ） C. 组之间固定，组内任何虚页可装入任何实页位置 D.组间可任意装入，组内是固定装入 4、（ C ）属于MIMD 系统结构 A.各处理单元同时受一个控制单元的管理 B.各处理单元同时受同个控制单元送来的指令 C.松耦合多处理机和多计算机系统 D. 阵列处理机 5、多处理机上两个程序段之间若有先写后读的数据相关，则（ B ） A.可以并行执行 B.不可能并行 C.任何情况均可交换串行 D.必须并行执行 6、计算机使用的语言是（B ） A.专属软件范畴，与计算机体系结构无关 B.分属于计算机系统各个层次 C.属于用以建立一个用户的应用环境 D. 属于符号化的机器指令 7、指令执行结果出现异常引起的中断是（ C ） A.输入/输出中断 B.机器校验中断 C.程序性中断 D.外部中断 &块冲突概率最高的 Cache 地址映象方式是（A ） A.直接 B .组相联 C .段相联 D .全相联 9、组相联映象、LRU 替换的Cache 存储器，不影响 Cache 命中率的是（B ） A.增大块的大小 B .增大主存容量 C .增大组的大小 D .增加Cache 中的块数 10、流水处理机对全局性相关的处理不包括（C ） A.猜测法 B.提前形成条件码 C.加快短循环程序的执行 D.设置相关专用通路

计算机系统结构计算题

计算题用一条4段浮点加法器流水线求8个浮点数的和：Z ＝A ＋B ＋C ＋D ＋E ＋F ＋G ＋H 解： Z ＝[(A ＋B)＋(C ＋D)]＋[(E ＋F)＋(G ＋H)] 例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、加周期 1 2 3 规格化尾数加对阶求阶差时间A C E G A+B E+F A+B+C+D 7个浮点加法共用了15个时钟周期。流水线的吞吐率为：TP n T t t k ==?=?7150471?? 流水线的加速比为：S T T t t k ==???=?04715187?? 流水线的效率为：E T k T t t k =?=????=?047415047?? 乘法加减法时间段输入 A 1 B 1 A 2 B 2 A 3 B 3 A 4 B 4 A B C D A ×B C ×D 1 2 3 4

（3）计算性能在18个△t 时间中，给出了7个结果。吞吐率为：不用流水线，由于一次求和需6△t ，一次求积需则产生上述7个结果共需（4×6+3×4）△t = 36△t 加速比为流水线的效率例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，第2段的时间为2△t ，其余各段时间均为△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。 (1) 选择适合于流水线工作的算法应先计算A 1×B 1、A 2×B 2、A 3×B 3和A 4×B 4；再计算(A 1×B 1)＋(A 2×B 2) (A 3×B 3)＋(A 4×B 4)；然后求总的累加结果。 (2) 画出时空图 (3) 计算性能非线性流水线例5.3：一条4功能段的非线性流水线，每个功能段的延迟时间都相等，它的预约表如下： (1)写出流水线的禁止向量和初始冲突向量。乘法加法 t TP ?=18756.11828≈??=t t S 31.018 54344≈??+?=E

计算机体系结构参考1

第一题选择题 1．SIMD是指（B） 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．下列那种存储设备不需要编址？D A. 通用寄存器 B. 主存储器 C. 输入输出设备 D. 堆栈 3．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（A）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 4．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：B 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 7．下面哪个页面替换算法实际上是不能够实现的？D A）随机页面替换算法 B）先进先出替换算法 C）最久没有使用算法 D）最优替换算法

9．指令优化编码方法，就编码的效率来讲，那种方法最好？C A. 固定长度编码 B. 扩展编码法 C. huffman编码法 D. 以上编码都不是 10．在早期冯·诺依曼计算机特征中，机器以（C）为中心。 A、存储器 B、输入输出设备 C、运算器 D、控制器 1.RISC 计算机的指令系统集类型是( C ) 。 A. 堆栈型 B. 累加器型 C. 寄存器—寄存器型 D. 寄存器- 存储器型 2、相联存储器的访问方式是( D )。 A．先进先出顺序访问 B．按地址访问 C．无地址访问 D．按内容访问 3、假设—条指令的执行过程可以分为“取指令”、“分析”和“执行”三段，每—段分别只有—个部件可供使用，并且执行时间分别为Δt、2Δt和3Δt，连续执行n条指令所需要花费的最短时间约为( C )。（假设“取指令”、“分析”和“执行”可重叠，并假设n足够大） A．6 nΔt B．2 nΔt C．3 nΔt D．nΔt 6、下列计算机不属于RISC计算机的是（C ）。 A．SUN：Ultra SPARC

计算机体系结构知识点

目录第一章计算机系统结构基本概念 (2) (一) 概念 (2) (二) 定量分析技术 (3) (三) 计算机系统结构发展 (4) (四) 计算机的并行性 (5) 第二章计算机指令集结构 (7) 一. 指令集结构的分类 (7) 二. 寻址方式 (7) 三. 指令集结构的功能设计 (8) 四. 指令格式的设计 (10) 五. MIPS指令集结构 (10) 第三章流水线技术 (14) 一. 流水线的基本概念 (14) 二. 流水线的性能指标 (14) 三. 流水线的相关与冲突 (16) 四. 流水线的实现 (18) 第四章指令集并行 (18) 付志强

第一章计算机系统结构基本概念 (一)概念什么是计算机系统结构:程序员所看到的计算机属性,即概念性结构与功能特性. 透明性:在计算机技术中,把本来存在的事物或属性,但从某种角度看又好像不存在的概念成为透明性. 常见计算机系统结构分类法冯氏分类法(冯泽云):按最大并行度对计算机进行分类. Flynn分类法:按指令流和数据流多倍性进行分类 ①单指令流单数据流 ②单指令流多数据流 ③多指令流单数据流(不存在) ④多指令流多数据流付志强

(二)定量分析技术 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. 加速比=系统性能改进后系统性能改进前 = 总执行时间改进前总执行时间改进后加速比依赖于以下两个因素 ①可改进比例 ②部件加速比 CPU性能公式 CPU时间 CPU时间=执行程序所需时间的时钟周期数x时钟周期时间(系统频率倒数) CPI(Cycles Per Instruction) CPI =执行程序所需时钟周期数/所执行指令条数 ∴CPU时间= IC x CPI x 时钟周期时间可知CPU性能取决于一下三个方面 ①时钟周期时间:取决于硬件实现技术和计算机组成付志强

计算机系统结构期末考试题目

第一章： 1.计算机系统结构的定义答：由程序设计者看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性。 2.透明性概念答：在计算机技术中，一种本来是存在的事物或属性，但从某种角度看似乎不存在，称为透明性现象。 3.兼容性向后兼容兼容性：同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各档机器，可获得相同的结果，差别只在于不同的运行时间。向后兼容：按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改就能运行于在它之后投入市场的机器。 4.Amdahl定律答：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。 5.CPI 答：每条指令的平均时钟周期数。 6.MIPS 答：每秒百万条指令数！MIPS=时钟频率/(CPI*10^6) 7.MFLOPS 答：每秒百万次浮点操作次数。MFLOPS=程序中的浮点操作次数/(执行时间*10^6) 8.命中率的概念答： 9.Flynn分类法是按指令流和数据流的多倍性特征进行计算机系统结构的划分答：①单指令流单数据流SISD ②单指令流多数据流SIMD ③多指令流单数据流MISD（实际不存在）④多指令流多数据流MIMD 10.计算机系统设计的定量原理（四个）答：①加快经常性事件的速度②Amdahl定律③CPU性能公式④访问的局部性原理11.CPI和加速比的计算答：CPI=CPU时钟周期数/IC CPU时间=CPU时钟周期数/频率 CPU时间=CPU时钟周期*时钟周期长加速比=（采用改进措施后的性能）/（没有采用改进措施前的性能） =(没有采用改进措施前执行某任务的时间)/(采用改进措施后执行某任务的时间) 12.软硬件实现的特点硬件实现：速度快、成本高；灵活性差、占用内存少软件实现：速度低、复制费用低；灵活性好、占用内存多 13.系统评价的标准 ①运算速度②存储器系统③其他性能④成本标准

计算机体系结构复习计算题

1. 将计算机系统中某一功能的处理速度加快10倍，但该功能的处理时间仅为整个系统运行时间的40%，则采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高多少根据Amdahl 定律可知：系统加速比＝＝＝由题可知：可改进比例 = 40% = 部件加速比 = 10 系统加速比 = 采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高倍。 2. 假设一台计算机的I/O 处理占10％，当其CPU 性能改进到原来的10倍时，而I/O 性能仅改进为原来的两倍时，系统总体性能会有什么改进加速比＝1/（10%/2+90%/10）= 本题反映了Amdahl 定律，要改进一个系统的性能要对各方面性能都进行改进，不然系统中最慢的地方就成为新系统的瓶颈。 3. 双输入端的加、乘双功能静态流水线有1、2、3、4四个子部件，延时分别为Δt, Δt, 2Δt, Δt ，“加”由1→2→4组成，“乘”由1 →3→4组成，输出可直接返回输入或锁存。现执行 ∑=*+4 1 ])[(i i i i c b a （1）画出流水时空图，标出流水线输入端数据变化情况。（2）求运算全部完成所需的时间和流水线效率。（3）找出瓶颈子过程并将其细分，重新画出时空图并计算流水时间和效率。（1）（2）由上图可知，全部运算完的时间是23Δt 。 92 37 23437=???= t t η （3）部件 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 结果输入 a 1 a 2 a 3 a 4 a 1+b 1 a 2+b 2 a 3+b 3 a 4+b 4 ① ③ ⑤ b 1 b 2 b 3 b 4 c 1 c 2 c 3 c 4 ② ④ ⑥ Δt 4 3 2 1

完整版计算机体系结构课后习题原版答案_张晨曦著

第1章计算机系统结构的基本概念 (1) 第2章指令集结构的分类 (10) 第3章流水线技术 (15) 第4章指令级并行 (37) 第5章存储层次 (55) 第6章输入输出系统 (70) 第7章互连网络 (41) 第8章多处理机 (45) 第9章机群 (45) 第1章计算机系统结构的基本概念 1.1 解释下列术语层次机构：按照计算机语言从低级到高级的次序，把计算机系统按功能划分成多级层次结构，每一层以一种不同的语言为特征。这些层次依次为：微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级，高级语言机器级，应用语言机器级等。虚拟机：用软件实现的机器。翻译：先用转换程序把高一级机器上的程序转换为低一级机器上等效的程序，然后再在这低一级机器上运行，实现程序的功能。

解释：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。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。在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。计算机组成：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。计算机实现：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。系统加速比：对系统中某部分进行改进时，改进后系统性能提高的倍数。 Amdahl定律：当对一个系统中的某个部件进行改进后，所能获得的整个系统性能的提高，受限于该部件的执行时间占总执行时间的百分比。程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址不是随机分布的，而是相对地簇聚。包括时间局部性和空间局部性。

2020.4《计算机体系结构》期末试卷A含答案

《计算机体系结构》期末考试A卷 (总分：100分，时间：100分钟) 姓名：周元华专业：计算机科学与技术学号： 18260070164016 学习中心：上海弘成一、填空题（每空1分，共14分） 1.高速缓冲存储器的地址映象方式有三种，它们分别是：全向量方式，直接相联方式，组相连方式。 2.虚拟存储器的三种管理方式是段式管理，页式管理和段页式管理。 3.从主存的角度来看，“Cache—主存”层次的目的是为了提高速度，而“主存—辅存”层次的目的是为了扩大容量 4.根据指令间的对同一寄存器读和写操作的先后次序关系，数据相关冲突可分为读与写（RAM）、写与读（WAR）和写与写（WAW）三种类型。 5.当代计算机体系结构的概念包括指令集结构、计算机组成和计算机实现三个方面的内容二、名词解释（每题2分，共16分）计算机体系结构：计算机体系结构是指根据属性和功能不同而划分的计算机理论组成部分及计算机基本工作原理、理论的总称。其中计算机理论组成部分并不单与某一个实际硬件相挂钩，如存储部分就包括寄存器、内存、硬盘等。兼容机：兼容机，就是由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。简单点说，就是非厂家原装，而改由个体装配而成的机器，其中的元件可以是同一厂家出品，但更多的是整合各家之长的计算机。写直达法：写直达法一般指全写法。全写法（write-through）：又称写直达法、写穿法，透写法，Cache使用方式之一。高速缓冲存储器: 高速缓冲存储器（Cache）其原始意义是指存取速度比一般随机存取记忆体（RAM）来得快的一种RAM，一般而言它不像系统主记忆体那样使用DRAM技术，而使用昂贵但较快速的SRAM 技术，也有快取记忆体的名称。高速缓冲存储器是存在于主存与CPU之间的一级存储器，由静态存储芯片(SRAM)组成，容量比较小但速度比主存高得多，接近于CPU的速度。在计算机存储系统的层次结构中，是介于中央处理器和主存储器之间的高速小容量存储器。它和主存储器一起构成一级的存储器。高速缓冲存储器和主存储器之间信息的调度和传送是由硬件自动进行的。高速缓冲存储器最重要的技术指标是它的命中率。延迟转移技术：在转移指令之后插入一条或几条有效的指令。当程序执行时，要等这些插入的指令执行完成之后，才执行转移指令，因此，转移指令好像被延迟执行了，这种技术称为延迟转移技术。线性流水线：线性流水线就是由一整套工艺串联而成的生产线。流水线又称为装配线,一种工业上的生产方式，指每一个生产单位只专注处理某一个片段的工作，以提高工作效率及产量；按照流水线的输送方式大体可以分为：皮带流水装配线、板链线、倍速链、插件线、网带线、悬挂线及滚筒流水线这七类流水线。输送线的传输方式有同步传输的/（强制式），也可以是非同步传输/（柔性式），根据配置的选择，可以实现装配和输送的要求。输送线在企业的批量生产中不可或缺。流水线的吞吐率：流水线的吞吐率是单位时间内流水线处理的任务数。并行性：并行性是指计算机系统具有可以同时进行运算或操作的特性，在同一时间完成两种或两种以上工作。它包括同时性与并发性两种含义。同时性指两个或两个以上事件在同一时刻发生。并发性指两个或两个以上事件在同一时间间隔发生。三、简答题(每题5分，共30分） 1.如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分成4级。每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令解释。若执行第一级的一条指令需K(ns)时间，那么执行第2、3、4级的一条指令各需要用多少时间(ns)? 答：第1级：1条1级指令 K ns 第2级：1条2级指令N条1级指令 1*N*K ns = NK ns 第3级：1条3级指令N条2级指令 1*N*NK ns =N2K ns 第4级：1条4级指令N条3级指令 1*N*NNK ns =N3K ns 2.根据Amdahl定律，系统加速比由哪两个因素决定？答：系统加速比依赖于两个因素：（1）可改进比例：可改进部分在原系统计算时间中所占的比例（2）部件加速比：可改进部分改进以后的性能提高 3.简述组相联映象规则。答：(1)主存与缓存分成相同大小的数据块。(2)主存和Cache 按同样大小划分成组。(3)主存容量是缓存容量的整数倍,将主存空间按缓冲区的大小分成区，主存中每一区的组数与缓存的组数相同 4.引起Cache与主存内容不一致的原因是什么？为了保持Cache 的一致性，在单计算机系统中一般采取哪些措施？答：不一致的原因：（1）由于CPU写Cache，没有立即写主存（2）由于I/O处理机或I/O设备写主存采取措施：（1）全写法，亦称写直达法（WT法-Write through）方法：在对Cache进行写操作的同时，也对主存该内容进行写入（2）写回法（WB法-Write back）方法：在CPU执行写操作时，只写入Cache，不写入主存。 5.按照同一时间内各段之间的连接方式来分，流水线可分为哪两类？答：（1）静态流水线：在同一时间内，流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作。（2）动态流水线：在同一时间内，当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。 6.Flynn分类法是根据什么对计算机进行分类的？将计算机分成哪几类？答：Flynn分类法，根据计算机中指令和数据的并行状况把计算机分成：（1）单指令流单数据流（SISD.；（2）单指令流多数据流（SIMD.；（3）多指令流单数据流（MISD.；（4）多指令流多数据流（MIMD.。四、问答与计算题（第1题10分，第2、3题每题15分共40分） 1.一个有快表和慢表的页式虚拟存储器，最多有64个用户，每个用户最多要用1024个页面，每页4K字节，主存容量8M字节。（1）写出多用户虚地址的格式，并标出各字段的长度。（2）写出主存地址的格式，并标出各字段的长度。

计算机体系结构试题汇总

计算机系统结构姓名：学号：一、简答题（每小题10分，共20分） 1．简述使用物理地址进行DMA存在的问题，及其解决办法。 2．从目的、技术途径、组成、分工方式、工作方式等5个方面对同构型多处理机和异构型多处理机做一比较（列表）。二、（60分）现有如下表达式： Y＝a ×X 其中：X和Y是两个有64个元素的32位的整数的向量，a为32位的整数。假设在存储器中，X和Y的起始地址分别为1000和5000，a的起始地址为6000。 1．请写出实现该表达式的MIPS代码。 2．假设指令的平均执行时钟周期数为5，计算机的主频为500 MHz，请计算上述MIPS 代码（非流水化实现）的执行时间。 3．将上述MIPS代码在MIPS流水线上（有正常的定向路径、分支指令在译码段被解析出来）执行，请以最快执行方式调度该MIPS指令序列。注意：可以改变操作数，但不能改变操作码和指令条数。画出调度前和调度后的MIPS代码序列执行的流水线时空图，计算调度前和调度后的MIPS代码序列执行所需的时钟周期数，以及调度前后的MIPS流水线执行的加速比。 4．根据3的结果说明流水线相关对CPU性能的影响。三、（20分）请分析I/O对于性能的影响有多大？假设： 1．I/O操作按照页面方式进行，每页大小为16 KB，Cache块大小为64 B；且对应新页的地址不在Cache中；而CPU不访问新调入页面中的任何数据。 2．Cache中95%被替换的块将再次被读取，并引起一次失效；Cache使用写回方法，平均50%的块被修改过；I/O系统缓冲能够存储一个完整的Cache块。 3．访问或失效在所有Cache块中均匀分布；在CPU和I/O之间，没有其他访问Cache 的干扰；无I/O时，每1百万个时钟周期中，有15,000次失效；失效开销是30个时钟周期。如果替换块被修改过，则再加上30个周期用于写回主存。计算机平均每1百万个周期处理一页。

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DADDIU R14，R5，#6属于（）类型的指令格式；MIPS指令 SD R4，300（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。

-计算机系统结构(有详细答案)

(仅供参考，不作为考试标准)，选择题(30分，每题2分) 计算机系统结构设计者所关心的是________所看到的的计算机结构。 A)硬件设计人员B)逻辑设计人员 C)机器语言或汇编语言程序员D)高级语言程序员在计算机系统设计时，为了提高系统性能，应当注意________。 A)加快经常性使用指令的执行速度 B)要特别精心设计少量功能强大的指令 C)要减少在数量上占很小比例的指令的条数 D)要加快少量指令的速度重叠寄存器技术主要用于解决在RISC系统中因________而导致的问题。 A)JMP指令影响流水线 B)CALL指令的现场保护 C)只有LOAD和STORE指令带来的访问存储器不便 D)存储器访问速度为使流水计算机运行效率高________ A)各过程段时间要不同B)连续处理的任务类型应该不同 C)连续处理的任务类型应该相同D)连续处理的任务数尽可能少不属于堆栈型替换算法的是________。 A)近期最少使用法B)近期最久未用法 C)先进先出法D)页面失效频率法与全相联映象相比，组相联映象的优点是________。 A)目录表小B)块冲突概率低C)命中率高D)主存利用率高"一次重叠"中消除"指令相关"最好的方法是________。 A)不准修改指令B)设相关专用通路 C)推后分析下条指令D)推后执行下条指令流水操作中，遇到数据相关时，采用的解决办法有________。 A)用优化编译器检测，通过指令重新排序的办法 B)数据重定向技术 C)延迟转移技术 D)加快和提前形成条件码经多级网络串联来实现全排列网络，只能用________。 A)多级立方体网络B)多级PM2I网络 C)多级混洗交换网络D)上述任何网络虫蚀寻径以流水方式在各寻径器是顺序传送的是________。授课：XXX

第一部分计算机系统组成及说明

第一部分：计算机系统组成及说明一、计算机系统组成一个完整的计算机系统通常是由硬件系统和软件系统两大部分组成的。（一）硬件（hardware）硬件是指计算机的物理设备，包括主机及其外部设备。具体地说，硬件系统由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部件组成。 ①存储器。存储器是计算机用来存放程序和原始数据及运算的中间结果和最后结果的记忆部件。 ②运算器。运算器对二进制数码进行算术或逻辑运算。 ③控制器。控制器是计算机的“神经中枢”。它指挥计算机各部件按照指令功能的要求自动协调地进行所需的各种操作。 ④输入/输出设备（简称I/O设备）。计算机和外界进行联系业务要通过输入输出设备才能实现。输入设备用来接受用户输入的原始数据和程序，并将它们转换成计算机所能识别的形式（二进制）存放到内存中。输出设备的主要功能是把计算机处理的结果转变为人们能接受的形式，如数字、字母、符号或图形。（二）软件（software）软件是指系统中的程序以及开发、使用和维护程序所需要的所有文档的集合。包括计算机本身运行所需的系统软件和用户完成特定任务所需的应用软件（三）硬件和软件的关系

硬件是计算机的基础，软件对硬件起辅助支持作用，二者相辅相成，缺一不可，只有有了软件的支持，硬件才能充分发挥自己的作用。二、计算机工作原理（一）冯·诺依曼设计思想计算机问世５０年来，虽然现在的计算机系统从性能指标、运算速度、工作方式、应用领域和价格等方面与当时的计算机有很大的差别，但基本体系结构没有变，都属于冯·诺依曼计算机。冯·诺依曼设计思想可以简要地概括为以下三点： ①计算机应包括运算器、存储器、控制器、输入和输出设备五大基本部件。 ②计算机内部应采用二进制来表示指令和数据。每条指令一般具有一个操作码和一个地址码。其中，操作码表示运算性质，地址码指出操作数在存储器的位置。 ③将编好的程序和原始数据送入内存储器中，然后启动计算机工作，计算机应在不需操作人员干预的情况下，自动逐条取出指令和执行任务。冯·诺依曼设计思想最重要之处在于他明确地提出了“程序存储”的概念。他的全部设计思想，实际上是对“程序存储”要领的具体化。

《计算机体系结构》期末复习题标准答案

《计算机体系结构》期末复习题答案

《计算机体系结构》期末复习题答案系别_________ 班级_________ 姓名__________ 学号__________ 一、填空题（每空1分） 1.按照弗林（Flynn）分类法，计算机系统可以分为4类：SISD计算机、（SIMD计算机）、（MISD计算机）和（MIMD计算机）。 2. 改进之后的冯?诺依曼计算机的只要特点是存储器为中心，总线结构，分散控制。 3. 当前计算机系统中的存储系统是一个层次结构，其各层分别为：（通用寄存器，高速缓存，主存，辅存，脱机大容量存储器）。 4.高速缓冲存储器的地址映象方式有三种，它们分别是：（全向量方式，直接相联方式，组相联方式）。 5.虚拟存储器的三种管理方式是（段式管理，页式管理和段页式管理）。 6.目前计算机中常用数据有（用户定义数据，系统数据和指令数据）三种类型。 7.通常可能出现的流水线的相关性有（资源相关，数据相关和控制相关）。 8.解决中断引起的流水线断流的方法有（不精确断点法和精确断点法）。 9.目前向量处理机的系统结构有两种：（存储器－存储器型和寄存器－寄存器型）。 10.通用计算机基本指令分为5类，它们分别是：（数据传送类，运算类，程序控制类，输入输出类，处理机控制和调试类）。 11．执行指令x1=x2+x3；x4=x1-x5会引起（RAW）类型的数据相关，执行指令x5=x4*x3；x4=x0+x6会引起（W AR）类型的数据相关，执行指令x6=x1+x2；x6=x4*x5会引起（WA W）类型的数据相关。 12．多计算机网络中，通常出现的4种通信模式是（单播模式，选播模式，广播模式和会议模式）。 13.传统的冯?诺依曼计算机是以控制驱动方式工作，以数据驱动方式工作的典型计算机是（数据流计算机），以需求驱动方式工作的典型计算机是（归约机），以模式匹配驱动方式工作的典型计算机是（人工智能计算机）。二、名词解释（每题2分） 1.计算机体系结构：计算机系统结构就是计算机的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性，是硬件子系统的概念结构及其功能特性。 2.系列机：所谓系列机是指同一厂家生产的具有相同的系统结构，但采取了不同的组成和实现的技术方案，形成了不同型号的多种机型。 3.模拟: 模拟是指用软件的方法在一台计算机上，实现另一台计算机的指令系统，被模拟的机器是不存在的，称为虚拟机，执行模拟程序的机器称宿主机。 4.程序的局部性原理: 程序访问局部性原理说明了计算机在程序执行过程中呈现出的一种规律，即程序往往重

计算机体系结构名词解释总汇

集中式共享存储器结构（centralized shared memory architecture）：这类多处理机在目前至多有几十个处理器，可通过大容量的cache和总线互连使各处理器共享一个单独的集中式存储器。物理上分离的多个存储器可作为一个逻辑上共享的存储空间进行编址，每个处理器可以访问任何一个其他的局部存储器。这类机器的结构被称为分布式共享存储器（DSM，distributed shared memory）或可缩放共享存储器（SSM，scalable shared memory）体系结构。整个地址空间由多个独立的地址空间构成，它们在逻辑上也是独立的，远程的处理器不能对其直接寻址。在这种机器的不同处理器中，相同的物理地址指向不同存储器的不同单元，每一个处理器、存储器模块实际上是一个单独的计算机，因而这种机器也称为多计算机（multicomputers）。通讯延迟：发送开销＋跨越时间＋传输延迟＋接收开销。迁移是把远程的共享数据项的拷贝放在一个本处理器局部的cache中使用，从而可降低对远程共享数据的访问延迟。复制是把多个处理器需要同时读取的共享数据项的拷贝放在各自局部cache中使用，复制不仅降低了访存的延迟，也减少了访问共享数据时的产生的冲突。目录（directory）：物理存储器中用来保存共享数据块的状态及相关信息的数据结构。监听（snooping）：每个cache除了包含物理存储器中块的数据拷贝外，也保存着各个块的共享状态信息。Cache通常连在共享存储器的总线上，各个cache控制器通过监听总线来判断它们是否有总线请求的数据块。在一个处理器写某个数据项之前保证它对此数据项有唯一的访问权，对应这种方法的协议称为写作废（write invalidate）协议。cache块拥有唯一的拷贝的处理器通常称为这个cache 块的拥有者（ower）。处理器的写操作使其成为对应cache块的拥有者。原子性（atomic），即操作运行过程中不能被打断，例如将写失效的检测、申请总线连接、接收响应作为一个单独的原子操作。基于目录的相关性协议称为全映射（full map）。原子交换（atomic change）：将一个存储单元的值和一个寄存器的值进行交换。建立一个锁，锁值为0表示开锁，为1表示上锁。旋转锁是指处理器环绕一个锁不停地旋转而试图获得该锁。栅栏（barrier）同步：是一个同步操作，它强制所有到达该栅栏的进程进行等待，直到全部的进程到达栅栏，然后释放全部的进程，从而形成同步。组合树是多个请求在局部结合起来形成树的一种分级结构，它降低冲突的原因是将大冲突化解成为并行的多个小冲突。排队记录等待的进程，当锁释放时送出一个已确定的等待进程，这种机制称为排队锁（queuing lock）。一个处理器对变量的写和另一个处理器对该变量的访问（读或写）由一对同步操作分开，其中一个在写操作后执行，另一个在别的处理机访问之前执行，则称数据访问有序。无同步操作排序变量可能提前被刷新，这种情况称为数据竞争（data race），从而对于同步的程序可称之为无数据竞争（data－race－free）。称与解锁相对应的同步操作为释放（release）与加锁相对应的则称为获取（acquire）。防护（fence）是计算过程中的固定点，用来保证无读或写穿过防护点。预取能返回最新数据值，并且保证对数据实际的存储器访问返回的是最新的数据项，则被称为非绑定的（nonbinding）。互连网络是将集中式系统或分布式系统中的结点连接起来所构成的网络，这些结点可能是处理器、存储模块或其它设备，它们通过互连网络进行信息交换。静态网络由点和点直接相连而成，这种连接方式在程序执行过程中不会改变。动态网络是用开关通道实现的，它可动态地改变结构，使其与用户程序中通信要求匹配。