计算机体系结构复习
名词解释
填空 选择 简答 计算
1. 计算机系统的多级层次结构：
2. 系统结构的概念：计算机系统结构指的是计算机系统的软、硬件的界面，即机器语言程
序员或编译程序设计者所能看到的传统机器级所具有的属性。 3. 在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好象不存在的概念称为
透明性。
4. 对于通用寄存器型机器，这些属性主要是指：（选择题）
1) 指令系统（包括机器指令的操作类型和格式、指令间的排序和控制机构等） 2) 数据表示 （硬件能直接辩认和处理的数据类型） 3) 寻址规则 （包括最小寻址单元、寻址方式及其表示） 4) 寄存器定义 （包括各种寄存器的定义、数量和使用方式） 5) 中断系统 （中断的类型和中断响应硬件的功能等） 6) 机器工作状态的定义和切换 （如管态和目态等）
7) 存储系统 （主存容量、程序员可用的最大存储容量等）
8) 信息保护 （包括信息保护方式和硬件对信息保护的支持）
9) I/O 结构（包括I/O 连接方式、处理机/存储器与I/O 设备间数据传送的方式和格式
以及I/O 操作的状态等）
5. 计算机组成指的是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。
6. 计算机实现指的是计算机组成的物理实现。
7. 数据表示是指计算机硬件能够直接识别、指令集可以直接调用的数据类型。 8. 数据类型、数据结构、数据表示之间的关系
第6级
第5级 第4级
第3级
第2级 第1级
9.系列机指由同一厂商生产的具有相同体系结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型
号的机器。
10.常见的计算机系统结构分类法有两种：Flynn分类法和冯氏分类法。冯氏分类法是用系
统的最大并行度对计算机进行分类；Flynn分类法是指按照指令流和数据流的多倍性进行分类。
11.定量分析技术（简答题）：
1)以经常性事件为重点：在计算机系统设计中，经常需要在多种不同的方法之间进行
折中，这时应按照对经常发生的情况采用优化方法的原则进行选择。
2)Amdahl定律：加速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。
3)CPU性能公式：执行一个程序所需的CPU时间=执行程序所需的时钟周期数*时钟
周期时间
4)程序的局部性原理：指程序执行时所访问的存储器地址分布不是随机的，而是相对
簇聚的。分为时间局部性和空间局部性。
12.冯诺依曼结构的特点：以运算器为中心；在存储器中，指令和数据同等对待；存储器是
按地址访问、按顺序线性编址的一维结构，每个存储单元的位数是固定的；指令是按顺序执行的；指令由操作码和地址码组成；指令和数据均以二进制编码表示，采用二进制运算。
13.实现可移植性的常用方法有三种：采用系列机、模拟与仿真、统一高级语言。
14.系列机在兼容方面，向后兼容一定要保证，尽量保证向上兼容
15.模拟是指用软件的方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令集。（软件方法）
16.仿真是指用一台现有计算机上的微程序去解释实现另一台计算机的指令集。（硬件方法）
17.并行性包括同时性和并发性。
18.从执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可分为：（简答）
1)指令内部并行：单条指令中各微操作之间的并行
2)指令级并行：并行执行两条或两条以上的指令
3)线程级并行：并行执行两个或两个以上的线程，通常是以一个进程内派生的多个线
程为调度单位。
4)任务级或过程级并行：并行执行两个或两个以上的过程或任务，以子程序或进程为
调度单位。
5)作业或程序级并行：并行执行两个或两个以上的作业或程序。
19.提高并行性的技术路径（12字）：时间重叠、资源重复、资源共享
20.能够对紧密耦合系统和松散耦合系统进行区分：
紧密耦合系统共享主存，松散耦合系统共享外设
21.CISC指令集结构存在的问题：
1)各种指令的使用频度相差悬殊
2)指令集庞大，指令条数很多，许多指令的功能又很复杂，
3)许多指令由于操作繁杂，其CPI值比较大，执行速度慢。
4)由于指令功能复杂，规整性不好，不利于采用流水技术来提高性能。
22.设计RISC机器遵循的原则
1)指令条数少而简单。只选取使用频度很高的指令，在此基础上补充一些最有用的指
令。
2)采用简单而又统一的指令格式，并减少寻址方式；指令字长都为32位或64位。
3)指令的执行在单个机器周期内完成。(采用流水线机制)
4)只有load和store指令才能访问存储器，其他指令的操作都是在寄存器之间进行。
（即采用load-store结构）
5)大多数指令都采用硬连逻辑来实现。
6)强调优化编译器的作用，为高级语言程序生成优化的代码。
7)充分利用流水技术来提高性能。
23.指令动态调度是在程序的执行过程中，依靠专门硬件对代码进行调度。
静态调度的流水线依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。
24.数据结构指由软件进行处理和实现的各种数据类型。
25.MIPS的数据寻址方式只有立即数寻址和偏移量寻址。
26.流水技术是指：将一个重复的时序过程分解成为若干个子过程，而每个子过程都可有效
地在其专用功能段上与其他子过程同时执行。
流水线的段数称为流水线的深度。
27.流水技术的特点
1)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。
2)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。
3)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。
4)流水技术适合于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。
5)流水线需要有通过时间和排空时间。
28.流水线分类：
1)按流水线所完成的功能分：单功能流水线和多功能流水线
2)按照同一时间段内各段之间的连接方式分：静态流水线和动态流水线
3)按照流水的级别分：部件级流水线、处理机级流水线和处理机间流水线
4)按照流水线中是否有反馈回路分：线性流水线和非线性流水线
5)按照任务流入和流出的顺序分：顺序流水线和乱序流水线
29.解决流水线瓶颈问题的常用方法：细分瓶颈段、重复设置瓶颈段
30.程序中的相关有三种类型：数据相关、名相关（反相关、输出相关）、控制相关
流水线中的相关有：数据相关、结构相关、控制相关
处理机找中的相关：数据相关、控制相关
31.控制相关带来了两个限制：
1)与一条分支指令控制相关的指令不能被移到该分支之前，否则这些指令就不受该分
支控制
2)如果一条指令与某分支指令不存在控制相关，就不能把该指令移到该分支之后。
32.流水线冲突三种类型：结构冲突、数据冲突和控制冲突
33.数据冲突：写后读冲突、写后写冲突、读后写冲突
34.在Tomasulo算法中，Vj，Vk：源操作数的值。对于每一个操作数来说，V或Q字段只
有一个有效。
35.基于硬件的前瞻执行时，执行的结果不是写回到寄存器或存储器，而是放到ROB缓冲
器中。通过保留站重新命名寄存器。
36.多流出处理机有两种基本风格：超标量和超长指令字
37.循环展开技术：多次复制循环体并相应调整展开后的指令和循环结束条件，增加有效操
作时间与控制操作时间比率，也给编译器进行指令调度带来了更大的空间。
38.循环展开和指令调度时要注意以下几个方面（简答题）
1)保证正确性。注意两个地方的正确性：循环控制，操作数偏移量的修改。
2)注意有效性。只有找到不同寻呼台之间的无关性，才能够有效地使用循环展开。
3)使用不同的寄存器。如果使用相同，或较少数量的寄存器，可能导致新的冲突。
4)尽可能减少循环控制中的测试指令和分支指令。
5)注意对存储器数据的相关性分析
6)注意新的相关性。由于原循环不同次的迭代在展开后都到了同一次循环体中，因此
可能带来新的相关性。
39.从用户角度看，存储器的三个主要指标：容量、速度和价格。
40.存储层次的性能参数。P155
1)存储层次的平均每位价格C
2)命中率H
3)平均访存时间Ta
41.映像规则：全相联映像、直接相联映像、组相联映像
42.可以从三个方面改进Cache的性能：（简答题）
1)降低失效率：增加块大小、增加Cache容量、提供相联度、Victim Cache、伪相联
映像Cache、硬件预取指令和数据、编译器控制的预取、用编译技术减少Cache失
效次数。
2)减少失效开销：Victim Cache、硬件预取指令和数据、编译器控制的预取、使读失
效优于写、写缓存归并、尽早重启动和关键字优先、非阻塞Cache、两级Cache
3)减少命中时间：容量小且结构简单的Cache、对Cache进行索引时不必进行地址变
换、流水化Cache访问、Trace Cache
43.按照产生失效的原因不同，可以把失效分为：强制性失效、容量失效和冲突失效
44.2：1的Cache经验规则，即大小为N的直接映像Cache的失效率约等于大小为N/2的
2路组相联Cache的失效率。
45.请求字优先：调块时，从请求字所在的位置读起。这样，第一个读出的字便是请求字，
将之立即发送给CPU。
46.有关虚拟存储器问题：
1)映像规则：全相联映像
2)查找算法：页表、段表、TLB
3)替换算法：LRU
4)写策略：写回法
47.中断响应次序由硬件决定，不可改变，中断处理次序通过中断屏蔽码的设置来改变。
48.反映存储外设可靠性性能参数有：可靠性、可用性和可信性。
49.通道的种类：字节多路通道、选择通道和数组多路通道。
50.在字节多路通道中，实际流量是连接在这个通道上所有设备的数据传输率之和。
51.对于选择通道和数组多路通道，在一段时间内，一个通道只能为一台设备传送数据。此
时通道的实际流量就等于该设备的数据传输率。因此这两种通道的实际流量就是连接在这个通道上所有设备中数据流量最大的那一个。
52.互联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互相连接。
53.交换函数（P254 图7.2）
54.互联网络的主要特性参数：
1)网络规模：网络中结点的个数。
2)结点度：与结点相连接的边数（通道数），包括入度和出度。
3)距离：对于网络中的任意两个结点，从一个结点出发到另一个结点终止所需要跨越
的边数的最小值。
4)网络直径：网络中任意两个结点之间距离的最大值。
5)结点之间的线长：两个结点之间连线的长度，用米、千米等表示。
6)等分宽度：当某一网络被切成相等的两半时，沿切口的边数（通道数）的最小值
称为通道等分宽度，用b表示。
7)对称性：从任何结点看到的拓扑结构都是相同的网络称为对称网络。
55.线性阵列
1)端结点的度：1
2)其余结点的度：2
3)直径：N－1
4)等分宽度b=1
56.环和带弦环
1)对称
2)结点的度：2
3)双向环的直径：N/2
4)单向环的直径：N
57.静态网络有：线性阵列、环、度为3的带弦环、度为4的带弦环。循环移数网络和全网
络
58.动态网络有：总线网络、多级互联网络和交叉开关网络等
59.分布式处理机分为：分布式共享存储器和对称式共享存储器
60.共享存储器通信主要优点（简答题）
1)与常用的对称式多处理机使用的通信机制兼容。
2)易于编程，同时在简化编译器设计方面也占有优势。
3)当通信数据量较小时，通信开销较低，带宽利用较好。
4)通过硬件控制的Cache减少了远程通信的频度，减少了通信延迟以及对共享数据的
访问冲突。
5)消息传递通信机制的主要优点：硬件较简单；通信是显式的，因此更容易搞清楚何
时发生通信以及通信开销是多少，以便编程者和编译程序设法减少通信开销。1.透明性：
在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好象不存在的概念称为透明性。
2.系列机在一个厂家内生产的具有相同的体系结构，但具有不同组成和实现的一系列
不同型号的机器。
3.CPU性能公式：
CPU时间= 执行程序所需的时钟周期数×时钟周期时间= IC ×CPI ×时钟周期时间
其中，时钟周期时间是系统时钟频率的倒数。
每条指令执行的平均时钟周期数CPI
CPI = 执行程序所需的时钟周期数／IC
IC：所执行的指令条数
4.程序的局部性原理（构成存储层次的理论依据）
包括程序的时间局部性，程序的空间局部性
5.冯·诺依曼结构的主要特点
以运算器为中心。
在存储器中，指令和数据同等对待。
存储器是按地址访问、按顺序线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的。
指令的执行是顺序的。
指令由操作码和地址码组成。
指令和数据均以二进制编码表示，采用二进制运算。
6.实现可移植性的常用方法
采用系列机，模拟与仿真，统一高级语言。
7.软件兼容方式：
向前（后）兼容,向上（下）兼容四种。
向后兼容一定要保证，他是系列机的根本特征（填空）
8.模拟：用软件的方法在一台现有的机器（称为宿主机）上实现另一台机器（称为虚拟机）
的指令集。
9.仿真：用一台现有机器（宿主机）上的微程序去解释实现另一台机器（目标机）的指令
集。
10.并行性：计算机系统在同一时刻或者同一时间间隔内进行多种运算或操作。
同时性和并发性（填空）
11.从执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可分为：
指令内部并行
指令级并行
线程级并行
任务级或过程级并行
作业或程序级并行
12.耦合度分为：（了解区别）
紧密耦合系统（直接耦合系统）：在这种系统中，计算机之间的物理连接的频带较高，一般是通过总线或高速开关互连，可以共享主存。
松散耦合系统（间接耦合系统）：一般是通过通道或通信线路实现计算机之间的互连，可以共享外存设备（磁盘、磁带等）。机器之间的相互作用是在文件或数据集一级上进行的。
13.数据表示：
计算机硬件能够直接识别、指令集可以直接调用的数据类型。
14.数据结构：
由软件进行处理和实现的各种数据类型。
15.MIPS的寄存器：
32个64位通用寄存器（GPRs）也被称为整数寄存器，R0的值永远是0
32个64位浮点数寄存器（FPRs）
16.MIPS的数据寻址方式
立即数寻址与偏移量寻址
17.DLX的数据寻址方式
寄存器寻址，寄存器间接寻址，立即数寻址与偏移量寻址
18.流水线技术
把一个重复的过程分解为若干个子过程，每个子过程由专门的功能部件来实现。
把多个处理过程在时间上错开，依次通过各功能段，这样，每个子过程就可以与其他的子过程并行进行。
19.流水技术的特点
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。
流水技术适合于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。
20.从不同的角度和观点，把流水线分成多种不同的种类。
单功能流水线：只能完成一种固定功能的流水线。
多功能流水线：流水线的各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能21.按照同一时间内各段之间的连接方式对多功能流水线做进一步的分类
静态流水线：在同一时间内，多功能流水线中的各段只能按同一种功能的连接方式工作
动态流水线：在同一时间内，多功能流水线中的各段可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能。
22.按照流水的级别来进行分类
部件级流水线（运算操作流水线）：把处理机的算术逻辑运算部件
处理机级流水线（指令流水线）：把指令的解释执行过程按照流水方式处理。
处理机间流水线（宏流水线）：它是由两个或者两个以上的处理机串行连接起来，对同一数据流进行处理，每个处理机完成整个任务中的一部分。23.按照流水线中是否有反馈回路来进行分类
线性流水线：流水线的各段串行连接，没有反馈回路。
非线性流水线：流水线中除了有串行的连接外，还有反馈回路。
24.根据任务流入和流出的顺序是否相同来进行分类
顺序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。
乱序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成（从输出端流出）。
25.流水线的性能指标p61
吞吐率：在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。
26.解决流水线瓶颈问题的常用方法
细分瓶颈段
重复设置瓶颈段
27. 相关有3种类型（填空）
数据相关（也称真数据相关）
名相关（有读后写，写后写两种相关） 控制相关
28. 流水线冲突有3种类型：（填空）
结构冲突，数据冲突，控制冲突
29. 3.12 有一指令流水线如下所示
50ns 50ns 100ns 200ns
（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 851T n
T P 1pipeline
-==
50ns
50ns
50ns
50ns
50ns
58.82%17
10
8400T P m
ti
T P E m
1
i ≈=?
=??
=∑= ? 重复设置
)(ns 85
1
T n
T P 1pipeline
-==
58.82%17
10885010
400E ≈=??=
30. 静态调度技术
依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。它不是在程序执行的过程中、而是在编译期间进行代码调度和优化。静态调度通过把相关的指令拉开距离来减少可能产生的停顿。 31. 动态调度方法
在流水线中出现相关时，通过硬件重新安排指令的执行顺序，来调整相关指令实际执行时的关系，减少处理器空转。
32. 记分牌算法和Tomasulo 算法是两种比较典型的动态调度算法。 33. 动态分支预测技术:
是根据本条指令之前的行为判断本次行为 34. 前瞻执行（speculation ）的基本思想：
对分支指令的结果进行猜测，并假设这个猜测总是对的，然后按这个猜测结果继续取、流出和执行后续的指令。只是执行指令的结果不是写回到寄存器或存储器，而是放到一个称为ROB （ReOrder Buffer ）的缓冲器中。等到相应的指令得到“确认”（commit ）（即确实是应该执行的）之后，才将结果写入寄存器或存储器。 通过保留栈。关键思想：允许指令乱序执行，但必须顺序确认
35. 多指令流出技术基本风格：
超标量；超长指令字；超流水处理机
36. 循环展开和指令调度时要注意以下几个方面
保证正确性。 注意有效性。 使用不同的寄存器。
删除多余的测试指令和分支指令，并对循环结束代码和新的循环体代码进行相应的
修正
注意对存储器数据的相关性分析
段
注意新的相关性
37. 存储层次的性能参数P155
1. 每位价格C
2. 命中率H 和失效率F
3. 平均访问时间T A 38. 映像规则：
直接映象：主存中的每一块只能被放置到Cache 中唯一的一个位置。（空间利用率最低，冲突概率最高，实现最简单） 全相联：主存中的任一块可以被放置到Cache 中的任意一个位置。（空间利用率最高，冲突概率最低，实现最复杂，命中时间最长）是组相连的特例，所以的都是一组 组相联：主存中的每一块可以被放置到Cache 中唯一的一个组中的任何一个位置。组相联是直接映象和全相联的一种折中 39. 替换算法P163 40. 改进Cache 的性能
平均访存时间＝命中时间＋失效率×失效开销 41. 可以从三个方面改进Cache 的性能：（与p201结合）
降低失效率 减少失效开销
减少Cache 命中时间
42. 子块放置技术：
把cache 块进一步划分为更小的块（子块），并给每个子块赋予一位有效位，用于指明该子块中的数据是否有效。 43. 请求字
从下一级存储器调入Cache 的块中，只有一个字是立即需要的。这个字称为请求字。 44. 请求字优先：
调块时，从请求字所在的位置读起。这样，第一个读出的字便是请求字。将之立即发送给CPU 。
45. 映象规则：全相联（填空）
替换算法：LRU 写策略：写回法
46. 反映外设可靠性能的参数有：
1. 可靠性（Reliability ）
2. 可用性（Availability ）
3. 可信性（Dependability ）
47. 根据信息传送方式的不同，将通道分为三种类型
1. 字节多路通道
2. 选择通道
3. 数组多路通道
48. 实际流量是连接在这个通道上的所有设备的数据传输率之和。
∑==
p
1
i i
BY TE f f
f i ：第i 台设备的实际数据传输率
49.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。
50.交换函数：
实现二进制地址编码中第k位互反的输入端与输出端之间的连接。
写出端口对应（入→出）
51.均匀洗牌函数
写出几号端口对应几号端口
52.互连网络的主要特性参数有：
网络规模：网络中结点的个数。
结点度：与结点相连接的边数（通道数），包括入度和出度。
距离：对于网络中的任意两个结点，从一个结点出发到另一个结点终止所需要跨越的边数的最小值。
网络直径：网络中任意两个结点之间距离的最大值。
结点之间的线长：两个结点之间连线的长度，用米、千米等表示。
等分宽度：当某一网络被切成相等的两半时，沿切口的边数（通道数）的最小值称为通道等分宽度，用b表示。
对称性：从任何结点看到的拓扑结构都是相同的网络称为对称网络。
53.线性阵列
一种一维的线性网络，其中N个结点用N-1个链路连成一行。
?端结点的度：1
?其余结点的度：2
?直径：N－1
?等分宽度b=1
54.环和带弦环
?对称
?结点的度：2
?双向环的直径：N/2
?单向环的直径：N
55.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：
集中式共享存储器结构
分布式存储器结构，具有分布的物理存储器，支持规模较大的多处理机系统
56.共享存储器通信的主要优点（简答题）
与常用的对称式多处理机使用的通信机制兼容。
易于编程，同时在简化编译器设计方面也占有优势。
当通信数据量较小时，通信开销较低，带宽利用较好。
通过硬件控制的Cache减少了远程通信的频度，减少了通信延迟以及对共享数据的访问冲突。
57.消息传递通信机制的主要优点
硬件较简单。
通信是显式的，因此更容易搞清楚何时发生通信以及通信开销是多少，以便编程者和编译程序设法减少通信开销。
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？
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
吉林大学 计算机系统结构题库 第二章
第二章计算机指令集结构 知识点汇总： 指令集设计、堆栈型机器、累加器型机器、通用寄存器型机器、CISC、RISC、寻址方式、数据表示 简答题 1.增强CISC机器的指令功能主要从哪几方面着手？（CISC） (1) 面向目标程序增强指令功能。 (2) 面向高级语言和编译程序改进指令系统。 (3) 面向操作系统的优化实现改进指令系统。 2.简述CISC存在的主要问题。（知识点：CISC） 答：（1）CISC结构的指令系统中，各种指令的使用频率相差悬殊。 （2）CISC结构指令系统的复杂性带来了计算机系统结构的复杂性，这不仅增加了研制时间和成本，而且还容易造成设计错误。 （3）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。 （4）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。 （5）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系统结构技术来提高系统的性能。 3.简述RISC的优缺点及设计RISC机器的一般原则。（知识点：RISC） 答：（1）选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令。 （2）每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成。 （3）所有指令长度均相同。 （4）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。 （5）以简单、有效的方式支持高级语言。 4.根据CPU内部存储单元类型，可将指令集结构分为哪几类？（知识点：堆栈型机器、累加器型机器、通用寄存器型机器） 答：堆栈型指令集结构、累加器型指令集结构、通用寄存器型指令集结构。 5.常见的三种通用寄存器型指令集结构是什么？（知识点：通用寄存器型机器） 答：（1）寄存器－寄存器型。 (2)寄存器－存储器型。 (3)存储器－存储器型。
计算机体系结构期末考试试题及答案
填空题 1.从2002年以来，计算机性能的年增长率下降到了约30％。其主要原因是：①大功耗问题； ②可以进一步有效地开发的指令级并行性已经很少；③存储器访问速度的提高缓慢。 2. 可移植性是指一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上运行。实现可移植性的常用方法有3种：系列机，模拟和仿真，统一高级语言。 2.通用寄存器型指令集结构计算机在灵活性和提高性能方面有明显的优势。主要体现在①寄存器的访问 速度比存储器快；②对编译器而言，能更加容易有效地分配和使用寄存器；③寄存器可以用来存放变量。 3.MIPS的数据寻址方式只有立即数寻址和偏移量寻址。 4.向量处理机的结构由所采用的向量处理方式决定。有两种典型的结构；存储器-存储器型结构和寄存器-寄存器型结构。 5.Cache-主存层次的工作由硬件实现，对系统程序员是透明的。 6.降低Cache不命中率最直接的方法是增加Cache的容量。不过，这种方法不但会增加成本，而且还可能增加命中时间，这种方法在片外Cache中用得比较多。 7.大多数磁盘阵列的组成可以由以下两个特征来区分：数据交叉存放的粒度、冗余数据的计算方法以及在磁盘阵列中的存放方式。 8.时延和带宽是用来评估互连网络性能的两个基本指标。时延包括通信时延和网络时延。 9.计算机系统可分为SISD、SIMD、MISD和MIMD四类，许多早期并行处理机是SIMD计算机，近年来，MIMD已经成为通用多处理机系统结构的选择。这是因为MIMD具有灵活性，并且MIMD 能充分利用现有微处理器的性价比优势。 判断题 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。（错） 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。（错） 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。（对） 4.指令条数多，通常超过200条，是设计RISC的原则之一。（错） 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。（对） 6.在多级存储体系中，“主存一辅存”层次的存储管理实现主要由软件实现。（对） 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。(错) 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。(对) 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。（对） 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。（对） 名词解释 1.RISC 精简指令集计算机是一种执行较少类型计算机指令的微处理器 2.请求字优先 调块时，首先向存储器请求CPU所要的请求字。请求字一旦到达，就立即送往CPU，让CPU继续执行，同时从存储器调入该块的其余部分。 3.单一系统映像
计算机系统结构复习题
1 【简答题】 传统的存储程序计算机的主要特征是什么？存在的主要问题是什么？目前计算机系统是如何改进的？ 正确答案： 解： 主要特征： (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。 主要问题和改进： (1)问题：以运算器为中心，所有部件的操作都由控制器集中控制，导致慢速输入输出操作占用快速运算器矛盾，影响运算器效率发挥。 改进：各种分布式的I/O处理或输入输出方式如程序控制、DMA(直接存储器访问)方式、 I/O处理机等。 (2)问题：数据和指令存放在同一存储器中，自我修改程序是难以编制、调试和使用的，不利于指令执行的重叠和流水。 改进：通过存储管理硬件的支持，由操作系统控制在程序执行过程中不准修改程序。 (3)问题：访问存储器次数较多影响计算机系统性能。 改进：按内容访问的相联存储器CAM，大量使用通用寄存器，在CPU和主存之间设置高速缓冲存储器cache。 (4)问题：受程序计数器控制，程序执行只能串行、顺序执行。 改进：改进CPU的组成，如采用重叠方式、先行控制、多操作部件甚至流水方式把若干条指令的操作重叠起来；采用向量处理技术、多机并行处理，总之通过并行处理技术进一步提升计算机系统速度。 (5)问题：需要指令功能更加丰富，但实现困难；计算机存储器容量大增，采用直接寻址方式指令中地址码位数不够。 改进：出现了CISC和RISC指令系统，CISC用硬件实现大量丰富功能，RISC只包含使用频率高的少量指令；采用多种灵活的寻址方式，如间接寻址、相对寻址、变址寻址、基址寻址、页式寻址等。 2 【简答题】 通用寄存器型指令系统结构在灵活性和提高性能方面的优势主要体现在哪几个方面？ 正确答案： (1)寄存器的访问速度比存储器快很多；
事业单位计算机专业技术知识点归纳
中央处理器（运算器、控制器、寄存器） 存储器（只读存储器、随机存储器、匀速缓冲存储器） 主机总线 输入/输出接口 硬件系统外存储器 1、计算机系统外部设备输入设备 输出设备 软件系统系统软件 应用软件 2、OSI参考模型： 应用层为应用程序提供网络服务。 表示层处理在两个通信系统换信息的表达方式。 会话层负责维护两个节点之间会话连接的建立、管理和终止，以及数据的交换。 传输层向用户提供可靠的端对端服务。 网络层通过路由选择算法为分组通过通信子网选择最适当的路径，以及实现拥塞控制、网络互连等功能。 数据链路层在通信的实体间建立数据链路连接，传输以帧为单位的数据包，并采用差错控制与流量控制方法，使有差错的物理线路变成无差错的数据链路。 物理层利用传输介质为通信的网络结点之间的建立、管理和释放物理连接，实现比特流的透明传输，为数据链路层提供数据传输服务。 3、TCP/IP参考模型： 应用层负责处理特定的应用程序细节，专门为用户提高应用服务。 传输层负责在应用进程之间建立端到端通信。 互联层负责将源主机的报文分组发送到目的主机。 主机—网络层负责通过网络发送和接收IP数据报。 4、网络拓扑结构分为星状拓扑结构、环状拓扑结构、树状拓扑结构、网状拓扑结构和总线形拓扑结构。 5、IP地址分类：A类地址：0.0.0.0～127.255.255.255 B类地址：128.0.0.0～191.255.255.255 C类地址：192.0.0.0～223.255.255.255 D类地址：用于组播。 E类地址：暂时保留。 6、计算机的发展史。
7、简述计算机硬件系统组成的5大部分及其功能。 答：计算机硬件系统由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备5大部分组成。 运算器：用来完成算术运算和逻辑运算，并将运算的中间结果暂时存储在运算存储器。 存储器：用来存放数据和程序。 控制器：用来控制、指挥程序和数据的输入，运算以及处理运算结果。 输入设备：将人们熟悉的信息形式转化为机器能识别的信息形式。 输出设备：将运算结果转换为人们熟悉的信息形式。 8、简述计算机网络的分类及特点。 答：按通信围和距离可分为：局域网（LAN）、城域网（MAN）和广域网（WAN）。 LAN：最常见、应用最广。连接围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。 MAN：可看成是一种大型的LAN。 WAN：传输速率比较低，网络结构复杂，传输线路种类比较少。 1、计算机网络分为：资源子网和通信子网。 2、分组交换技术分为：数据报与虚电路。 3、网络协议3要素：语义、语法、时序。 4、通信服务分为：面向连接服务和无连接服务。 5、面向连接服务与无连接服务对数据传输的可靠性有影响，数据传输的可靠性一般通过确认和重传机制保 证。 6、物理连接分为：点对点连接与多点。 按信道数分：串行通信和并行通信。 7、点对点连接的通信方式按数据传送方向和时间分：全双工、半双工与单工。 按同步类型分位同步（外同步法、同步法） 字符同步（同步式、异步式） 8、网络中常用的传输介质：双绞线、同轴电缆、光纤电缆、无线与卫星通信。 双绞线（STP：屏蔽双绞线，UTP：非屏蔽双绞线） 同轴电缆（基带同轴电缆，宽带同轴电缆） 9、数据编码方法模拟数据编码（振幅键控ASK，移频键控FSK，移相键控PSK） 数字数据编码（非归零编码NRZ，曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码）
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。
计算机系统结构总复习题
一、单项选择题 1、直接执行微指令的是( ) A．汇编程序B．编译程序 C．硬件D．微指令程序 2、对系统程序员不透明的应当是( )。 A．Cache存贮器B．系列机各档不同的数据通路宽度C．指令缓冲寄存器D．虚拟存贮器 3、对机器语言程序员透明的是( )。 A．中断字B．主存地址寄存器 C．通用寄存器D．条件码 4、计算机系统结构不包括( )。 A．主存速度B．机器工作状态 C．信息保护D．数据 5、从计算机系统结构上讲，机器语言程序员所看到的机器属性是( )。A．计算机软件所要完成的功能B．计算机硬件的全部组成 C．编程要用到的硬件组织D．计算机各部件的硬件实现 6、计算机组成设计不考虑( )。 A．专用部件设置B．功能部件的集成度 C．控制机构的组成D．缓冲技术 7、以下说法中，不正确的是( )。 软硬件功能是等效的，提高硬件功能的比例会： A．提高解题速度B．提高硬件利用率 C．提高硬件成本D．减少所需要的存贮器用量 8、在系统结构设计中，提高软件功能实现的比例会( )。 A．提高解题速度B．减少需要的存贮容量 C．提高系统的灵活性D．提高系统的性能价格比 9、下列说法中不正确的是( )。 A．软件设计费用比软件重复生产费用高 B．硬件功能只需实现一次，而软件功能可能要多次重复实现 C．硬件的生产费用比软件的生产费用高 D．硬件的设计费用比软件的设计费用低 10、在计算机系统设计中，比较好的方法是( )。 A．从上向下设计B．从下向上设计 C．从两头向中间设计D．从中间开始向上、向下设计11、"从中间开始"设计的"中间"目前多数是在( )。 A．传统机器语言级与操作系统机器级之间 B．传统机器语言级与微程序机器级之间 C．微程序机器级与汇编语言机器级之间 D．操作系统机器级与汇编语言机器级之间 12、系列机软件应做到( )。 A．向前兼容，并向上兼容 B．向后兼容，力争向上兼容
计算机体系结构期末考试知识点与答案
体系结构复习重点.doc 1..诺依蔓计算机的特点 答：·若依曼计算机的主要特点如下： 存储程序方式。指令和数据都是以字的方式存放在同一个存储器中，没有区别，由机器状态来确定从存储器读出的字是指令或数据。 指令串行执行，并由控制器集中加以控制、 单元定长的一维线性空间的存储器 使用低级机器语言，数据以二进制形式表示。 单处理机结构，以运算器作为中心。 其实，他最大的特点就是简单易操作。 2. T（C）＝
计算机系统结构期末考试试题及其答案
计算机系统结构期末考试试题及其答案
《计算机系统结构》期末考试试卷A 卷第 2 页 共 24 页 计算机科学系《计算机系统结构》期末考试试卷（A 卷） 2、此试卷适用于计算机科学与技术本科专业。 一 单选题：(10分，每题1分) 1、 ."启动I/O"指令是主要的输入输出指 令，是属于（ B ） 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 ） 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 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 《计算机系统结构》期末考试试卷A卷第 3 页共 24 页
计算机系统结构试题及答案
计算机系统结构复习题 单选及填空： 计算机系统设计的主要方法 1、由上往下的设计（top-down） 2、由下往上的设计（bottom-up） 3、从中间开始（middle-out） Flynn分类法把计算机系统的结构分为以下四类： （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 (4) 多指令流多数据流 堆栈型机器：CPU 中存储操作数的单元是堆栈的机器。 累加器型机器：CPU 中存储操作数的单元是累加器的机器。 通用寄存器型机器：CPU 中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。 名词解释： 虚拟机：用软件实现的机器叫做虚拟机，但虚拟机不一定完全由软件实现，有些操作可以由硬件或固件（固件是指具有软件功能的固件）实现。 系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。 兼容机：它是指由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。 流水线技术：将一个重复的时序过程，分解成为若干个子过程，而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上与其它子过程同时执行。 单功能流水线：指流水线的各段之间的连接固定不变、只能完成一种固定功能的流水线。 多功能流水线：指各段可以进行不同的连接，以实现不同的功能的流水线。 顺序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序完全相同。 乱序流水线：流水线输出端任务流出的顺序与输入端任务流入的顺序可以不同，允许后进入流水线的任务先完成。这种流水线又称为无序流水线、错序流水线、异步流水线。 吞吐率：在单位时间流水线所完成的任务数量或输出结果的数量。 指令的动态调度：
是指在保持数据流和异常行为的情况下，通过硬件对指令执行顺序进行重新安排，以提高流水线的利用率且减少停顿现象。是由硬件在程序实际运行时实施的。 指令的静态调度： 是指依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。它不是在程序执行的过程中、而是在编译期间进行代码调度和优化的。 超标量： 一种多指令流出技术。它在每个时钟周期流出的指令条数不固定，依代码的具体情况而定，但有个上限。 超流水：在一个时钟周期分时流出多条指令。 多级存储层次： 采用不同的技术实现的存储器，处在离CPU不同距离的层次上，各存储器之间一般满足包容关系，即任何一层存储器中的容都是其下一层（离CPU更远的一层）存储器中容的子集。目标是达到离CPU最近的存储器的速度，最远的存储器的容量。 写直达法： 在执行写操作时，不仅把信息写入Cache中相应的块，而且也写入下一级存储器中相应的块。写回法： 只把信息写入Cache中相应块，该块只有被替换时，才被写回主存。 集中式共享多处理机： 也称为对称式共享存储器多处理SMP。它一般由几十个处理器构成，各处理器共享一个集中式的物理存储器，这个主存相对于各处理器的关系是对称的， 分布式共享多处理机： 它的共享存储器分布在各台处理机中，每台处理机都带有自己的本地存储器，组成一个“处理机-存储器”单元。但是这些分布在各台处理机中的实际存储器又合在一起统一编址，在逻辑上组成一个共享存储器。这些处理机存储器单元通过互连网络连接在一起，每台处理机除了能访问本地存储器外，还能通过互连网络直接访问在其他处理机存储器单元中的“远程存储器”。 多Cache一致性： 多处理机中，当共享数据进入Cache，就可能出现多个处理器的Cache中都有同一存储器块的副本，要保证多个副本数据是一致的。 写作废协议： 在处理器对某个数据项进行写入之前，它拥有对该数据项的唯一的访问权 。 写更新协议： 当一个处理器对某数据项进行写入时，它把该新数据广播给所有其它Cache。这些Cache用该新数据对其中的副本进行更新。 机群：是一种价格低廉、易于构建、可扩放性极强的并行计算机系统。它由多台同构或异构
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
计算机体系结构模拟试题二汇总
模拟试题二 课程名称计算机系统结构适用班级： 考试时间120分钟班级学 号姓名 一、单项选择题(本大题共10小题，每小题2分，共20分。在每小题的四个备选答案中选出一个符合题意的，并将其前面的序号填在题后的括号内。) 1.输入输出系统硬件的功能对（）是透明的。 ①操作系统程序员②应用程序员③系统结构设计人员④机器语言程序设计员 2."启动I/O"指令是主要的输入输出指令，是属于（） ①目态指令②管态指令③目态、管态都能用的指令④编译程序只能用的指令 3.全相联地址映象是指（） ①任何虚页都可装入主存中任何实页的位置 ②一个虚页只装进固定的主存实页位置 ③组之间是固定的，而组内任何虚页可以装入任何实页位置 ④组间可任意装入，组内是固定装入 4.（）属于MIMD系统结构。 ①各处理单元同时受同一个控制单元的管理 ②各处理单元同时接受同一个控制单元送来的指令 ③多处理机和多计算机系统 ④阵列处理机 5.在下列方法中，指令并行度不能大于1的是（）。 ①超级流水②超标量③超长指令字④标量流水线 6.设16个处理器编号分别为0，1，2，…，15用Cube3互联函数时，第10号处理机与第( )
号处理机相连. ①11 ②8 ③l4 ④2 7.若输入流水线的指令既无局部性相关，也不存在全局性相关，则（） ①可获得高的吞吐率和效率②流水线的效率和吞吐率恶化 ③出现瓶颈④可靠性提高 8.对于共享主存的多处理机系统，在各个CPU都带有自己的Cache的情况下，为保证处理机所带Cache的一致性，可采用的方法有（） ①写直达法②写回法③播写法④堆栈法 9.下面哪种相关不是流水线顺序流动方式所具有的（） ①数据相关②指令相关③先读后写④先写后读 10.下面关于Omega网络和多级立方体网络的说法错误的是（） ①Omega网络采用四功能单元 ②Omega网络和多级立方体网络的控制方式是不一样的 ③Omega网络可以实现一个处理单元与多个处理单元的同时连接 ④Omega网络和多级立方体网络的级编号顺序正好相反。 二、填空题(本大题共10小题，每小题1分，共10分。把答案填在题中横线上。) 1.为提高计算机系统的并行性，可通过的技术途径有__________、资源重复和资源共享。 2.按弗林(Michael J.Flynn)的观点，计算机系统可分为SISD、、MISD 和MIMD四大类。 3.为提高访Cache的命中率，Cache的预取算法可以有恒预取法和___________预取法。 4.衡量主存性能的指标是访问时间、存储周期和__________。 5.要实现两条指令在时间上重叠解释，首先是以增加硬件为代价的，其次，还要处理好指令之间可能存在的。 6.互连网络的交换方法主要有线路交换、包交换、线路/包交换，SIMD互连网络多采用交换，多处理机常采用包交换。 7.为同时解释相邻两条或多条指令，常用的控制方式是重叠和____________。 8.数组多路通道与设备之间的数据传送的基本单位是_____。 9.多级互连网络的交换开关控制方式主要有三种，分别是______、单元控制和部分级控制。 10.多处理机系统按照连接的紧密程度主要分两大类，分别是___________和松散耦合多处理
《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
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《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
计算机体系结构知识点汇总
第一章计算机体系结构的基本概念 1.计算机系统结构的经典定义 程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。 2.透明性 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。 3.系列机 由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。 4.常见的计算机系统结构分类法有两种：Flynn分类法、冯氏分类法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) 5. 改进后程序的总执行时间
系统加速比为改进前与改进后总执行时间之比 6.CPI（Cycles Per Instruction）:每条指令执行的平均时钟周期数 CPI = 执行程序所需的时钟周期数／IC 7.存储程序原理的基本点：指令驱动 8.冯·诺依曼结构的主要特点 1.以运算器为中心。 2.在存储器中，指令和数据同等对待。 指令和数据一样可以进行运算，即由指令组成的程序是可以修改的。 3.存储器是按地址访问、按顺序线性编址的一维结构，每个单元的位数是固定的。 4.指令的执行是顺序的 5.指令由操作码和地址码组成。 6.指令和数据均以二进制编码表示，采用二进制运算。 9.软件的可移植性 一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上正确地运行。差别只是执行时间的不同。我们称这两台计算机是软件兼容的。 实现可移植性的常用方法:采用系列机、模拟与仿真、统一高级语言。 软件兼容： 向上（下）兼容：按某档机器编制的程序，不加修改就能运行于比它高（低）档的机器。 向前（后）兼容：按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序，不加修改地就能运行于在它之前（后）投入市场的机器。 向后兼容是系列机的根本特征。 兼容机：由不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机。
计算机体系结构 习题与答案
第二章习题（P69-70） 一、复习题 1．简述冯?诺依曼原理，冯?诺依曼结构计算机包含哪几部分部件，其结构以何部件为中心？ 答：冯?诺依曼理论的要点包括：指令像数据那样存放在存储器中，并可以像数据那样进行处理；指令格式使用二进制机器码表示；用程序存储控制方式工作。这3条合称冯?诺依曼原理 冯?诺依曼计算机由五大部分组成：运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备，整个结构一般以运算器为中心，也可以以控制器为中心。 (P51-P54) 2．简述计算机体系结构与组成、实现之间的关系。 答：计算机体系结构通常是指程序设计人员所见到的计算机系统的属性，是硬件子系统的结构概念及其功能特性。计算机组成（computer organization）是依据计算机体系结构确定并且分配了硬件系统的概念结构和功能特性的基础上，设计计算机各部件的具体组成，它们之间的连接关系，实现机器指令级的各种功能和特性。同时，为实现指令的控制功能，还需要设计相应的软件系统来构成一个完整的运算系统。计算机实现，是计算机组成的物理实现, 就是把完成逻辑设计的计算机组成方案转换为真实的计算机。计算机体系结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念，各自有不同的含义，但是又有着密切的联系，而且随着时间和技术的进步，这些含意也会有所改变。在某些情况下，有时也无须特意地去区分计算机体系结构和计算机组成的不同含义。 (P47-P48) 3．根据指令系统结构划分，现代计算机包含哪两种主要的体系结构？ 答：根据指令系统结构划分，现代计算机主要包含：CISC和RISC两种结构。 (P55) 4．简述RISC技术的特点？ 答：从指令系统结构上看，RISC 体系结构一般具有如下特点： (1) 精简指令系统。可以通过对过去大量的机器语言程序进行指令使用频度的统计，来选取其中常用的基本指令，并根据对操作系统、高级语言和应用环境等的支持增设一些最常用的指令; (2) 减少指令系统可采用的寻址方式种类，一般限制在2或3种; (3) 在指令的功能、格式和编码设计上尽可能地简化和规整，让所有指令尽可能等长; (4) 单机器周期指令，即大多数的指令都可以在一个机器周期内完成，并且允许处理器在同一时间内执行一系列的指令。 (P57-58) 5．有人认为，RISC技术将全面替代CISC，这种观点是否正确，说明理由？ 答：不正确。与CISC 架构相比较，RISC计算机具备结构简单、易于设计和程序执行效率高的特点，但并不能认为RISC 架构就可以取代CISC 架构。事实上，RISC 和CISC 各有优势，CISC计算机功能丰富，指令执行更加灵活，这些时RISC计算机无法比拟的，当今时代，两者正在逐步融合，成为CPU设计的新趋势。 (P55-59) 6．什么是流水线技术？ 答：流水线技术，指的是允许一个机器周期内的计算机各处理步骤重叠进行。特别是，当执行一条指令时，可以读取下一条指令，也就意味着，在任何一个时刻可以有不止一条指令在“流水线”上，每条指令处在不同的执行阶段。这样，即便读取和执行每条指令的时间保持不变，而计算机的总的吞吐量提高了。 (P60-62) 7．多处理器结构包含哪几种主要的体系结构，分别有什么特点？ 答：多处理器系统：主要通过资源共享，让共享输入/输出子系统、数据库资源及共享或不共享存储的一组处理机在统一的操作系统全盘控制下，实现软件和硬件各级上相互作用，达到时间和空间上的异步并行。 SIMD计算机有多个处理单元，由单一的指令部件控制，按照同一指令流的要求为他们
计算机体系结构期末复习题及答案
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
计算机系统结构知识点复习考点归纳总结
0.从（使用语言的）角度可以将系统看成是按（功能）划分的多个机器级组成的层次结构 1、从计算机系统执行程序的角度看，并行性等级由低到高分为（指令内部）、（指令之间）、（任务或进程之间）和（作业或程序之间）四级。 2、从计算机系统中处理数据的并行性看，并行性等级从低到高分为（位串字串）、（位并字串）、（位串字并）和（全并行）。 3、存储器操作并行的典型例子是（并行存储器系统和相联处理机），处理机操作步骤并行的典型例子是（流水线处理机），处理机操作并行的典型例子是（阵列处理机），指令、任务、作业并行的典型例子是（多处理机）。 4、开发并行的途径有（时间重叠），资源重复和资源共享。 5、计算机系统多级层次中，从下层到上层，各级相对顺序正确的应当是（微程序机器级，传统机器语言机器级，汇编语言机器级）。 6、对系统程序员透明的应当是（CACHE存储器、系列机各档不同的数据通路宽度、指令缓冲寄存器） 7、对机器语言程序员透明的是（主存地址寄存器） 8、计算机系统结构包括（机器工作状态、信息保护、数据表示） 9、对汇编语言程序员透明的是（I/O方式中的DMA访问） 10、属计算机系统结构考虑的是（主存容量和编址方式） 11、从计算机系统结构上讲，机器语言程序员所看到的机器属性是（编程要用到的硬件组织） 12、计算机组成设计考虑（专用部件设置、控制机构的组成、缓冲技术） 13、在多用户机器上，应用程序员能使用的指令是（“执行”指令、“访管”指令、“测试与置定”指令） 14、软硬件功能是等效的，提高硬件功能的比例会（提高解题速度、提高硬件成本、减少所需存储器用量） 15、下列说法中正确的是（软件设计费用比软件重复生产费用高、硬件功能只需实现一次，而软件功能可能要多次重复实现、硬件的生产用比软件的生产费用高） 16、在计算机系统设计中，比较好的方法是（从中间开始向上、向下设计）。 17、推出系列机的新机器，不能更改的是（原有指令的寻址方式和操作码）。 18、不同系列的机器之间，实现软件移植的途径包括（用统一的高级语言、模拟、仿真）。 19、在操作系统机器级，一般用（机器语言）程序（解释）作业控制语句。 20、高级语言程序经（编译程序）的（翻译）成汇编语言程序。 21、传统机器语言机器级，是用（微指令程序）来（解释）机器指令。 22、汇编语言程序经（汇编程序）的（解释）成机器语言程序。 23、微指令由（硬件）直接执行。 24、系列机软件必须保证（向后兼容），一般应做到（向上兼容） 25、在计算机系统的层次结构中，机器被定义为（能存储和执行相应语言程序的算法和 数据结构）的集合体 26、优化性能价格比指（在某种价格情况下尽量提高性能）或（在满足性能前提下尽量降低价格）。 27、目前，M0由（硬件）实现，M1用（固件）实现，M2至M5大多用（软件）实现。 28、系列机中（中档机）的性能价格比通常比（低档机、高档机）的要高 29、（计算机组成）着眼于机器级内各事件的排序方式，（计算机体系结构）着眼于对传统机器级界面的确定，（计算机组成）着眼于机器内部各部件的功能，（计算机实现）着眼于微程序设计。 30、计算机系统结构也称（计算机体系结构），指的是（传统机器级）的系统结构。 31、用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法称为（仿真），用机器语言解释