计算机系统结构模拟题
计算机系统结构模拟试题一一．标志符数据表示的主要优点，及它和描述符数据表示有何区别？
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．标志符数据表示的主要优点为：
(1) 简化了指令系统和程序设计。
由于指令通用于多种数据类型，减小了指令种类，简化了程序设计。
(2) 简化了编译程序。
不用验证运算符的类型，只需形成通用的运算指令，编译程序缩短，效率提高。
(3) 便于实现一致性校验。
可由硬件直接检测出程序设计错误，提供类型安全环境。如：操作数和运算符不统一（如用字符串做乘法）；数据不相容（如：浮点数与地址相加），或操作数未定义等错误可直接查出。
(4) 能由硬件自动完成数据类型的变换。
若操作数相容，但长度不同时，硬件可自行转换，再运算。
(5) 支持了数据库系统的实现与数据类型无关的要求。
(6) 为软件调试和应用软件开发提供了支持。
由于可用软件定义的捕捉标志位设置断点，便于程序的跟踪和调试。
2．数据描述符和标志符的差别在于标志符是和每个数据相连的，合存在一个存贮单元中，描述单个数据的类型特征；描述符是和数据分开存放的，专门用来描述所要访问的数据是整块数据还是单个数据，访问该数据块或数据元素所需要的地址以及其他特征信息等。
二．经统计，某机器7条指令（I1～I7）的使用频度分别为：0.01，0.02 0.05，0.10，0.18，
0.3，0.34。分别求出用等长码、哈夫曼码、和只有两种码长的扩展操作码等3种编码方
式的操作码及平均码长。
1.它们的编码分别如表所示。（答案不唯一）
2. 它们的平均码长分别为：
等长编码的平均码长＝371=∑=i i i l p ，哈夫曼编码的平均码长＝29.27
1=∑=i i i l p ，
扩展编码的平均码长＝36.27
1=∑=i i i l p 。
三．中断的概念和分类？以IBM370为例，可把中断分为哪些类？中断的分级？
1．中断的概念和分类
中断：CPU 中止正在执行的程序，转去处理随机请求，待处理完后，再回到原中止的程 中断系统：响应和处理各种中断的软、硬件总称。它是计算机系统不可缺少的重要组成
部分。
中断可分为：内部、外部、和软件中断三类。
内部中断：是由CPU 内的异常引起。
外部中断：由外部中断请求信号引起。又可分为可屏蔽和不可屏蔽中断。
软中断：由自陷指令引起，用于供操作系统服务。
例：IBM370系统就将中断分成6类：机器校验、管理程序调用、程序性、外部、输入/
输出和重新启动。
2.中断的分级
通常机器校验为第一级，程序性和管理程序调用为第二级，外部为第三级，输入/输出为
第四级，重新启动为最低级。
四．虚拟存储器的存储管理方式主要有哪3种方式？分别简述之。
根据映像算法的不同，有不同的存储管理方式的虚拟存储器，主要有：段式，页式，段
页式3种。
1.段式管理
程序（数据）都有模块性，一个复杂的大程序总可以分成多个在逻辑上相对独立的模块。这些模块可以是主程序、子程序或过程，也可以是数据块。
模块的大小各不相同，有的甚至事先无法确定。每个模块都是一个单独的段，都以该段
的起点为0相对编址（段址:偏址）。当某个段由辅存调入主存时，只要系统赋予该段一个基
址(即该段存放在主存中的起始地址)，就可以由此基址和单元在段内的相对位移形成单元在主存中的实际地址(基址＋偏址）。将主存按段分配的存储管理方式称为段式管理。
2．页式存储
页式存储是把主存空间和程序空间都机械等分成固定大小的页(页面大小随机器而异，一般在512B到几KB），按页顺序编号。
3．段页式存储(图4-9)
段页式存储：是把实存机械等分成固定大小的页，程序按模块分段，每个段又分成与主存页面大小相同的页。每道程序通过一个段表和相应的一组页表进行定位。
五．用指令的解释过程来说明流水方式的工作原理。
如果把“分析”子过程再细分成“取指令”、“指令译码”和“取操作数”3个子过程，并改进运算器的结构以加快其“执行”子过程，如图5-15(a)所示，这4个子过程分别由独立的子部件实现，让经过的时间都等于Δt2，则指令解释的时(间)-空(间)关系如图5-15(b)所示。图中的1、2、3、4、5表示处理机所处理的第1、2、3、4、5条指令。
如果完成一条指令需时间T，对分解为：分析、执行2个子过程的T＝2Δt1 ；对于分解成为：取指、指令译码、取操作数、执行4个子过程的T＝4Δt2 。
Δt1＝T/2 提高了1培；Δt2＝T/4 提高了3培。
流水可看成是重叠的引深。差别仅在于，一次流水是把一条指令的解释分为2个子过程，而流水则分为更多的子过程。
流水：若把一条指令分成m个子过程，则每隔Δt＝T/m 就可处理一条指令，则流水的最大吞吐率取决于Δt。实际上，吞吐率是小于最大吞吐率。
图5-15流水处理(a)指令解释的流水处理；(b)流水处理的时(间)-空(间)图
计算机系统结构模拟试题二
一．问答题（每题6分×5）
1．计算机系统结构主要指的是什么？主要研究的是什么？
计算机系统结构：只是系统结构中的一部分，指的是传统机器级的系统结构。其界面之上包括操作系统级、汇编语言级、高级语言级和应用语言级中所有软件的功能，该界面之下包括所有硬件和固件的功能。因此，它是软件和硬件/固件的交界面，是机器语言、汇编语言程序设计者，或编译程序设计者看到的机器物理系统的抽象。
计算机系统结构研究的是：软、硬件之间的功能分配以及对传统机器级界面的确定，提供机器语言、汇编语言程序设计者或编译程序生成系统为使其设计或生成的程序能在机器上正确运行应看到和遵循的计算机属性。
2．阿姆达尔（Amdahl）定律主要表明和告诉了什么？
Amdahl定律表明了性能提高量的递减规律。如果只对系统中的一部分进行性能改进，改进的越多，整体系统性能提高的增量却越小。
Amdahl定律告诉我们，改进好的高性能系统应是一个各部分性能均能平衡地得到提高的系统，不能只是其中某一个功能部件性能的提高。
3．软、硬件取舍有哪几个基本原则？
第一个基本原则是应考虑在现有硬、器件(主要是逻辑器件和存储器件)条件下，系统要有高的性能价格比，主要从实现费用、速度和其他性能要求来综合考虑。
第二个基本原则是要考虑到准备采用和可能采用的组成技术，使它尽可能不要过多或不合理地限制各种组成、实现技术的采用。
第三个基本原则是，不能仅从“硬”的角度考虑如何便于应用组成技术的成果和便于发挥器件技术的进展，还应从“软”的角度把如何为编译和操作系统的实现以及为高级语言程序的设计提供更多更好的硬
件支持放在首位。
4．什么是高速缓冲（Cache）存储器？
高速缓冲(Cache)存储器是为弥补主存速度的不足，在处理机和主存之间设置一个高速、小容量的Cache，构成Cache-主存存储层次，使之从CPU来看，速度接近于Cache，容量却是主存的。
5．什么是顺序、重叠解释方式？
1）顺序解释指的是各条指令之间顺序串行(执行完一条指令后才取下条指令)地进行，每条指令内部的各个微操作也顺序串行地进行。
2）重叠解释：是在解释第k条指令的操作完成之前，就开始解释第k+1条指令。
图5-2(b)是可能的一种重叠方式。显然，重叠指令虽然不能加快一条指令的解释，但可加快整段程序的解释。
二．什么是信息在存储器中存储时按整数边界存储的概念？试以主存宽度64位，采用按字节编址的存储器举例说明。
按整数边界存储：为了让任何时候所需的信息都只用一个存储周期访问到，就要求信息在主存中存放的首地址必须是该信息宽度(字节数)的整数倍。否则，可能发生信息跨主存边界存放，此时应被认为地址有错，不予访问。就是说，信息在存储器中存放的地址必须是：
字节信息地址为×…
半字信息地址为×…××× 0
单字信息地址为×…×× 0 0
双字信息地址为×…× 0 0 0
这就是信息在存储器中按整数边界存储的概念。看图2-13给出的例子。
图 2.13 各种宽度信息的存贮
如图2-13(a)所示，虽然不会有存储空间的浪费，但访问半字、双字和最后的单字均需花费两个主存周期。而采用按整数边界存储，如图2－13(b)所示，虽浪费了7个字节空间，但访问其中的每个信息均只
需一个主存周期。显然这是速度和价格的权衡。
三．分别说明什么是单体单字存储器、单体多字存储器、多体单字交叉访问存储器、多体多字交叉访问存储器。
1.单体单字存储器
此存储器字长W与CPU所要访问字的字长W相同(数据字或指令字，简称CPU字) ，则CPU从主存获得信息的速度就为W/TM。我们称这种主存是单体单字存储器。
2.单体多字存储器
主存在一个存储周期内就可读出4个CPU字，相当于CPU从主存中获得信息的最大速率提高为原来的4倍，即Bm=W×4/TM。我们称这种主存为单体多字存储器。
3. 多体单字交叉访问存储器
一个大容量的半导体主存往往是由许多容量较小、字长较短的存储器片子搭组而成，每个存储片子都有其自己的地址译码、读/写驱动等外围电路。因此，可采用图3-3的多体单字交叉访问存储器。
4．多体多字交叉存储器
它是单体多字存储器与多体单字交叉访问存储器的结合。
四．评价Cache存储器的性能主要看的是什么？讨论命中率与Cache容量，组或块大小的关系。
评价Cache存储器的性能主要看的是命中率Hc。
和虚拟存储器中类似，评价Cache存储器的性能主要是看命中率的高低，而命中率与块的大小、块的总数(即Cache的总容量)、采用组相联时组的大小(组内块数)
不命中率与Cache的容量、组的大小和块的大小的关系如图4-38所示，从图中可看出，块的大小、组的大小及Cache容量增大时都能提高命中率。
图4-38 块的大小、组的大小与Cache容量对Cache命中率的影响
五．流水方式可分为哪些类？并对其进行简要说明。
1）依据向下扩展和向上扩展的思路，可分类出在计算机系统不同等级上使用的流水线。
所谓向下扩展指的是把子过程进一步地细分，让每个子过程经过的时间都同等程度地减少，吞吐率就会进一步提高。
2）流水按处理的级别可分为：部件级、处理机级、和系统级。
部件级流水：指构成部件内的各个子部件间的流水，如：运算器中浮点加的流水、Cache内和多体并行主存内的流水。
处理机级流水：指构成处理机的各部件之间的流水，如：取指，分析、执行间的流水。
系统级流水：指构成计算机系统的多处理机之间的流水。也称为宏流水。
3）按流水线具有的功能多少来分：单、多功能流水线。
单功能流水：只能实现单一功能流水，如只能实现浮点加减的流水线。要实现多个功能，就需要多条单功能流水线。
多功能流水：是同一流水线的各个段之间可以有多种不同的连接方式以实现多种不同的运算或功能。
4）按多功能流水线的各个段能否允许同时用于多种不同功能连接流水，可把流水线分为静态、动态流水线。
5)从机器所具有的数据表示可以把流水线处理机分为标量流水机和向量流水机。
6)从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和非线性流水。
计算机系统机构模拟试题三
一．试叙述指令系统设计的基本原则，设计内容和步骤。
指令系统是程序设计者看机器的主要属性，是软、硬件的主要界面，它在很大程度上决定了计算机具有的基本功能。
1.指令系统设计基本原则
设计和确定指令系统主要应考虑如何有利于满足系统的基本功能；
有利于优化机器的性能价格比；
有利于指令系统今后的发展和改进。
2.指令系统设计内容
指令系统的设计包括：指令的功能(操作类型、寻址方式和具体操作内容)和指令格式的设计。
3.指令系统设计的步骤为
(1)根据应用，初拟出指令的分类和具体的指令；
(2)试编出用该指令系统设计的各种高级语言的编译程序；
(3)对各种算法编写大量测试程序进行模拟测试，看指令系统的操作码和寻址方式效能是否都比较高；
(4)将程序中高频出现的指令串复合改成一条强功能新指令，即改用硬件方式实现；而将频度很低的 指令的操作改成用基本的指令组成的指令串来完成，即用软件方式实现。
二．输入、输出系统包括哪些部分？输入输出系统结构设计的重要性是什么？输入输出系统的发展经历哪
3个阶段？
1. I/O 系统组成
包括：输入/输出设备、设备控制器与输入/输出操作有关的软、硬件。
2. I/O 系统结构设计的重要性
输入/输出系统结构设计的好坏会直接影响计算机系统的性能，不仅影响输入/输出速度，各用户从程
序送入到运算结果输出的时间，CPU 、主存的利用率，还会影响到整个I/O 系统的兼容性、可扩展性、综合处理能力和性能价格比等。
3. 输入/输出系统的发展
其发展经历了3个阶段，相应对应于4种方式，
(1) 程序控制I/O （包括全软的、程序查询等）方式
(2) 中断方式
(3) 直接存储器访问（DMA ）方式
(4) I/O 处理机方式。它们可分别用于不同的计算机系统，也可用于同一系统。对于I/O 处理机方式又可有: 1) 通道(Channel)方式和 2) 外围处理机方式(PPU)。
三．说明存储体系的性能参数：每位价格，命中率，等效访问时间。
1．每位价格：设ci 为Mi 的每位价格，S Mi 为Mi 的以位计算的存储容量，T Ai 为CPU 访问到Mi 中的信息所需的时间。为评价存储层次性能，引入存储层次的每位价格c 、命中率H 和等效访问时间TA 。每位价格为
2．命中率H 的定义：为CPU 产生的逻辑地址能在M1中访问到(命中到)的概率。
命中率获得和表示：可用实验或模拟方法求得，即执行或模拟一组有代表性的程序，若逻辑地址流的
信息能在M1中访问到的次数为R1，当时在M2中还未调到M1的次数为R2，则命中率：H=R1/(R1+R2)。 2
12
121M M M M s s s c s c c +?+?
=
3．等效访问时间TA 和效率e
存储层次的等效访问时间：TA=HTA1+(1-H)TA2。希望TA 越接近于TA1，即存储层次的访问效率：e=TA1/TA 越接近于1越好。
四．流水方式可分为哪些类？并对其进行简要说明。
1）依据向下扩展和向上扩展的思路，可分类出在计算机系统不同等级上使用的流水线。
所谓向下扩展指的是把子过程进一步地细分，让每个子过程经过的时间都同等程度地减少，吞吐率就会进一步提高。
2）流水按处理的级别可分为：部件级、处理机级、和系统级。
部件级流水：指构成部件内的各个子部件间的流水，如：运算器中浮点加的流水、Cache 内和多体并行主存内的流水。
处理机级流水：指构成处理机的各部件之间的流水，如：取指，分析、执行间的流水。
系统级流水：指构成计算机系统的多处理机之间的流水。也称为宏流水。
3）按流水线具有的功能多少来分：单、多功能流水线。
单功能流水：只能实现单一功能流水，如只能实现浮点加减的流水线。要实现多个功能，就需要多条单功能流水线。
多功能流水：是同一流水线的各个段之间可以有多种不同的连接方式以实现多种不同的运算或功能。
4）按多功能流水线的各个段能否允许同时用于多种不同功能连接流水，可把流水线分为静态、动态流水线。
5)从机器所具有的数据表示可以把流水线处理机分为标量流水机和向量流水机。
6)从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和非线性流水。
五．给出标量流水线的主要性能指标的吞吐率和最大吞吐率的定义？并举例进行说明。
吞吐率是流水线单位时间里能流出的任务数或结果数。
如果各个子过程所需的时间分别为Δt1、Δt2 、Δt3、Δt4，时钟周期应当为max{Δt1,Δt2,Δt3,Δt4},最大吞吐率则为，即：流水线的最大吞吐率为
它受限于流水线中最慢子过程经过的时间。流水线中经过时间最长的子过程称为瓶颈子过程。
例如，有一个4段的指令流水线如图5-20(a)所示，其中，1、3、4段的经过时间均为Δt0，只有2段的经过时间为3Δt0 ，因此瓶颈在2段，使整个流水线最大吞吐率只有1/(3Δt0),其时-空图如图5-20(b)}
,,,max {14321max t t t t T p ????=
所示。即使流水线每隔Δt0流入一条指令，也会因来不及处理被堆积于2段，致使流水线仍只能以每隔3Δt0
图5-20最大吞吐率取决于瓶颈段的时间