2160286计算机系统结构-天津大学计算机学院
天津大学《计算机系统结构》课程教学大纲
课程编号：2160286 课程名称：计算机系统结构
学 时： 40 学 分： 2
学时分配： 授课：28 上机： 实验：12 实践： 实践（周）：
授课学院： 计算机学院
适用专业： 计算机工程
先修课程： 数字逻辑
一．课程的性质与目的
该课程介绍计算机的组织与结构，课程目的是向学生展示计算机系统的特性与结构。通过该课程的学习，使同学掌握计算机体系结构的基本概念，基本理论，包括CPU结构和功能、精简指令集计算机、指令级并行性和超标量处理器、并行处理等内容。为同学继续深造和就业奠定重要的理论基础。
二．教学基本要求
该课程重点讲解计算机的主要结构部件，包括CPU结构和功能、精简指令集计算机、指令级并行性和超标量处理器、并行处理等。要求学生了解这些部件的基本结构和功能。并结合在教学、科研中取得的新成果及最新发展，进行讲授。
三．教学内容
第1章 导论
1.1 计算机组织与体系结构
1.2 结构和功能
1.3 本书概要
1.4 网络资源
第2章 计算机的演变和性能
2.1 计算机简史
2.2 性能设计
2.3 Pentium和PowerPC的演变
2.4 参考文献和Web站点
2.5 复习题和习题
第7章操作系统支持
7.1 操作系统概述
7.2 调度
7.3 存储器管理
7.4 Pentium II和PowerPC存储器管理 7.5 参考文献和Web站点
7.6 复习题和习题
第11章CPU的结构和功能
11.1 处理器组织
11.2 寄存器组织
11.3 指令周期
11.4 指令流水线技术
11.5 Pentium处理器
11.6 PowerPC处理器
11.7 参考文献
11.8 复习题和习题
第12章 精简指令集计算机
12.1 指令执行特征
12.2 大寄存器文件的使用
12.3 基于编译器的寄存器优化
12.4 精简指令集结构
123.5 RISC流水线技术
12.5 MIPS4000
12.6 SPARC
12.7 RISe与CISC的争论
12.8 参考文献
12.9 复习题和习题
第13章 超标量处理器
13.1 概述
13.2 设计问题
13.3 Pentium4
13.4 PowerPC
13.5 MIPS R10000
13.6 UltraSPARC
13.7 IA-64/Pentium
13.8 参考文献
13.9 复习题和习题
第16章并行处理
16.1 多处理器组织
16.2 对称多处理器
16.3 高速缓存一致性和MESI协议
16.4 机群系统
16.5 非对称存储器存取
16.6 向量计算
16.7 参考文献
16.8 复习题和习题
四．学时分配
教学内容 授课 上机 实验 实践 实践(周)
第1章 导论 1
第2章 计算机的演变和性
2
能
第7章操作系统支持 4
第11章CPU的结构和功能 5
第12章 精简指令集计算
4 4
机
第13章 超标量处理器 6
第16章 并行处理 6 8
总计： 28 12
五．评价与考核方式
平时成绩20%，期末试卷80%
六．教材与主要参考资料
教材：William Stallings, “Computer Organization and Architecture: Designing for Performance”，Pearson Education, Fifth Edition，2002
参考教材：Patterson & Hennessy, "Computer Organization and Design -- The Hardware/Software Interface", Morgan Kaufmann, Fourth Edition,2004
制定人：
审核人：
批准人：
批准日期：年月日
TU Syllabus for Computer Architecture
Code:
2160286 Title: Computer Architecture Semester Hours: 40
Credits:
2
Semester Hour Structure Lecture ：28 Computer Lab ： Experiment ：12 Practice ：
Practice (Week)：
Offered by: School of Computer Science and Technology
for: Computer Engineering Prerequisite: Digital logic
1. Objective
This course is about computer organization and architecture. Its purpose is to present the nature and characteristics of modern-day computer systems. In this course, students will learn the basic theory and concepts of computer architecture, including CPU structure and function, reduced instruction set computers, instruction-level parallelism and superscalar processors, parallel processing etc.
2. Course Description
Computer architecture deals with the functionality of all the major components of a computer: ALU, control and data paths, cache and main memory, I/O, interconnections etc. The programmer's view of the instruction set and user interface will be considered along with CPU structure and function, instruction-level parallelism and superscalar processors, parallel processing and a multitude of performance issues and trade-offs. The main focus will be on the following topics: performance measures of computer systems, CPU design, pipelining, RISC computers and parallel programming. 3. Topics
Chapter 1 Introduction
1.1 Organization and Architecture 1.2 Structure and Function 1.3 Outline of the Book 1.4 Internet and Web Resources
Chapter 2 Computer Evolution and Performance
2.1 A Brief History of Computers
2.2 Designing for Performance
2.3 Pentium and PowerPC Evolution
2.4 Recommended Reading and Web Sites
2.5 Problems
Chapter 7 Operating System Support
7.1 Operating System Overview
7.2 Scheduling
7.3 Memory Management
7.4 Pentium II and PowerPC Memory Management
7.5 Recommended Reading and Web Sites
7.6 Problems
Chapter 11 CPU Structure and Function
11.1 Processor Organization
11.2 Register Organization
11.3 The Instruction Cycle
11.4 Instruction Pipelining
11.5 The Pentium Processor
11.6 The PowerPC Processor
11.7 Recommended Reading
11.8 Problems
Chapter 12 Reduced Instruction Set Computers (RISCs)
12.1 Instruction Execution Characteristics
12.2 The Use of a Large Register File
12.3 Compiler-Based Register Optimization
12.4 Reduced Instruction Set Architecture
12.5 RISC Pipelining
12.6 MIPS R4000
12.7 SPARC
12.8 The RISC versus CISC Controversy
12.9 Recommended Reading
12.10 Problems
Chapter 13 Instruction-Level Parallelism and Superscalar Processors
13.1 Overview
13.2 Design Issues
13.3 Pentium II
13.4 PowerPC
13.5 MIPS R10000
13.6 UltraSPARC-II
13.7 IA-64/Merced
13.8 Recommended Reading
13.9 Problems
Chapter 16 Parallel Processing
16.1 Multiple Processor Organizations
16.2 Symmetric Multiprocessors
16.3 Cache Coherence and the MESI Protocol 16.4 Clusters
16.5 Nonuniform Memory Access
16.6 Vector Computation
16.7 Recommended Reading and Web Sites 16.8 Problems
4. Semester Hour Structure
Topics Lecture Computer
Lab.
Experiment
Practice
Practice (Week)
Chapter 1 Introduction 1
Chapter 2 Computer Evolution and Performance 2 Chapter 7 Operating System
Support
4 Chapter 11 CPU Structure
and Function 5
Chapter 12 Reduced Instruction Set Computers
(RISCs)
4 4
Chapter 13 Instruction-Level Parallelism and Superscalar
Processors 6
Chapter 16 Parallel
Processing
6 8
Sum: 28 12
5. Grading
Coursework will be weighted as follows: 1. Final exam: 80% 2. Homework: 20%
6. Text-Book & Additional Readings
Textbook: William Stallings, “Computer Organization and Architecture: Designing for Performance”， Pearson Education, Fifth Edition, 2002
Additional reading: Patterson & Hennessy, "Computer Organization and Design -- The Hardware/Software Interface", Morgan Kaufmann, Fourth Edition, 2004
Constitutor: Reviewer: Authorizor: Date:
北邮高级计算机系统结构实验二三四五
实验二指令流水线相关性分析 ·实验目的 通过使用WINDLX模拟器，对程序中的三种相关现象进行观察，并对使用专用通路，增加运算部件等技术对性能的影响进行考察，加深对流水线和RISC处理器的特点的理解。 ·实验原理： 指令流水线中主要有结构相关、数据相关、控制相关。相关影响流水线性能。·实验步骤 一．使用WinDLX模拟器，对做如下分析： （1）观察程序中出现的数据/控制/结构相关。指出程序中出现上述现象的指令组合。 （2）考察增加浮点运算部件对性能的影响。 （3）考察增加forward部件对性能的影响。 （4）观察转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销。 ·实验过程 一．使用WinDLX模拟器，对做如下分析： } 浮点加、乘、除部件都设置为1，浮点数运算部件的延时都设置为4，如图1： 图1 初始设置 将和加载至WinDLX中，如图2示。
图2 加载程序 1.观察程序中出现的数据/控制/结构相关；指出程序中出现上述现象的指令组合。 1）数据相关 点击F7，使程序单步执行，当出现R-Stall时停止，运行过程中出现下图3所示，输入整数6。 图3 输入整数6 @ 打开Clock Diagram，可以清楚的看到指令执行的流水线如图4所示。 图4 指令流水线 双击第一次出现R-Stall的指令行，如图5所示。
图5 指令详细信息 对以上出现的情况分析如下： 程序发生了数据相关，R-Stall（R-暂停）表示引起暂停的原因是RAW。 lbu r3,0×0(r2) 要在WB周期写回r3中的数据；而下一条指令 & seqi r5,r3,0×a 要在intEX周期中读取r3中的数据。 上述过程发生了WR冲突，即写读相关。为了避免此类冲突， seq r5,r4,0×a的intEX指令延迟了一个周期进行。 由此，相关指令为： 2）控制相关 由图6可以看出，在第4时钟周期：第一条指令处于MEM段，第二条命令处于intEX段，第三条指令出于aborted状态，第四条命令处于IF段。 图 6 指令流水线 }
计算机体系结构第五章练习题参考解答
第 五 章 5.34 在一个采用组相联映象方式的Cache 存储系统中，主存由B 0～B 7共8块组成，Cache 有2组，每组2块，每块大小为16B 。在一个程序执行过程中，访存的主存块地址流为：B 6，B 2，B 4，B 1，B 4，B 6，B 3，B 0，B 4，B 5，B 7，B 3。 (1)写出主存地址的格式，并标出各字段的长度。 (2)写出Cache 地址的格式，并标出各字段的长度。 (3)指出主存与Cache 之间各个块的映象关系。 (4)若Cache 的4个块号为C 0、C 1、C 2和C 3，列出程序执行过程中的Cache 块地址流。 (5)若采用FIFO 替换算法，计算Cache 的块命中率。 (6)若采用LRU 替换算法，计算Cache 的块命中率。 (7)若改为全相联映象方式，再做(5)和(6)。 (8)若在程序执行过程中，每从主存装入一块到Cache ，平均要对这个块访问16次，计算在这种情况下的Cache 命中率。 解：（1）（2）采用组相联映象时，主存和Cache 地址的格式分别为： 主存按Cache 的大小分区，现主存有8个块，Cache 有2×2=4个块，则主存分为8/4=2 个区，区号E 的长度为1位。又每区有2个组，则组号G 、g 的长度都为1位。而每组有2个块，则块号B 、b 的长度又都为1位。每块大小为16个存储字，故块内地址W 、w 的长度都为4位。 （3）根据组相联映象的规则，主存块0～7与Cache 块0～3之间的映象关系为：主存块0、1、4、5与Cache 块0、1之间全相联，主存块2、3、6、7与Cache 块2、3之间全相联。 （4）根据组相联映象的规则，该主存块地址流相应的一种Cache 块地址流如下表所示（组内替换算法为FIFO ）。 时间： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 主存块地址流： B 6 B 2 B 4 B 1 B 4 B 6 B 3 B 0 B 4 B 5 B 7 B 3 Cache 块地址流： C 2 C 3 C 0 C 1 C 0 C 2 C 2 C 0 C 0 C 0 C 3 C 2 （5）组内替换算法采用FIFO 时，Cache 块0～3的使用过程如下表所示。 时间： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 主存块地址流： B 6 B 2 B 4 B 1 B 4 B 6 B 3 B 0 B 4 B 5 B 7 B 3 Cache 块0 Cache 块1 Cache 块2 Cache 块3 命中 命中 命中 可见命中三次，Cache 块命中率为H i = 3/12 = 0.25。 （6）组内替换算法采用LRU 时，Cache 块0～3的使用过程如下表所示。
北邮研究生 高级计算机系统结构
计算机系统结构的发展历程 课程：高级计算机系统结构 姓名： 学号： 班级：
2015年12月 一、计算机系统结构 随着当今社会和科技的飞速发展，自四十年代计算机问世以来，计算机科学更是发展迅速，应用领域不断扩展计算机的普及和广泛应用，现代社会正朝着高度信息化，自动化方向发展。计算机逐渐成为社会必不可少的支柱力量。 计算机系统是按人的要求接收和存储信息，自动进行数据处理和计算，并输出结果信息的机器系统。计算机是脑力的延伸和扩充，是近代科学的重大成就之一。计算机系统由硬件系统和软件系统组成。前者是借助电、磁、光、机械等原理构成的各种物理部件的有机组合，是系统赖以工作的实体。后者是各种程序和文件，用于指挥全系统按指定的要求进行工作。 而计算机系统结构是计算机的的机器语言程序员或编译程序编写者所看到的外特性。所谓外特性，就是计算机的概念性结构和功能特性，主要研究计算机系统的基本工作原理，以及在硬件、软件界面划分的权衡策略，建立完整的、系统的计算机软硬件整体概念。其也称为计算机体系结构，它是由计算机结构外特性，内特性，微外特性组成的。经典的计算机系统结构的定义是指计算机系统多级层次结构中机器语言机器级的结构，它是软件和硬件/固件的主要交界面，是由机器语言程序、汇编语言源程序和高级语言源程序翻译生成的机器语言目标程序能在机器上正确运行所应具有的界面结构和功能。 以最常见的冯诺依曼计算机为例，计算机系统结构包含了以下几个方面： 1.指令集架构（Instruction set architecture；简称ISA）：被视为一种机器语言， 包含了许多相关的指令集（存储器定址、处理器控制，寄存器控制等等……）。 2.微体系结构/微架构（Microarchitecture）或称计算机组织（Computer
计算机体系结构实验报告二
实验二结构相关 一、实验目得: 通过本实验,加深对结构相关得理解,了解结构相关对CPU性能得影响。 二、实验内容: 1、用WinDLX模拟器运行程序structure_d、s 。 2、通过模拟,找出存在结构相关得指令对以及导致结构相关得部件。 3、记录由结构相关引起得暂停时钟周期数,计算暂停时钟周期数占总执行 周期数得百分比。 4、论述结构相关对CPU性能得影响,讨论解决结构相关得方法。 三、实验程序structure_d、s LHI R2, (A>>16)&0xFFFF 数据相关 ADDUI R2, R2, A&0xFFFF LHI R3, (B>>16)&0xFFFF ADDUI R3, R3, B&0xFFFF ADDU R4, R0, R3 loop: LD F0, 0(R2) LD F4, 0(R3) ADDD F0, F0, F4 ;浮点运算,两个周期,结构相关 ADDD F2, F0, F2 ; < A stall is found (an example of how to answer your questions) ADDI R2, R2, #8 ADDI R3, R3, #8 SUB R5, R4, R2 BNEZ R5, loop ;条件跳转 TRAP #0 ;; Exit < this is a ment !! A: 、double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 B: 、double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 四、实验过程 打开软件,load structure_d、s文件,进行单步运行。经过分析,此程序一 次循环中共有五次结构相关。(Rstall 数据相关Stall 结构相关) 1)第一个结构相关:addd f2,,f0,f2 由于前面得数据相关,导致上一条指令addd f0,f0,f4暂停在ID阶段,所以下一条指令addd f2,,f0,f2发生结构相关,导致相关得部件:译码部件。
2014.04 计算机系统结构 02325 真题和答案
2014年4月高等教育自学考试全国统一命题考试 计算机系统结构试题 课程代码：02325 选择题部分 一、单项选择题（本大题共10小题，每小题1分，共10分） 在每小题列出的四个备选项中只有一个是符合题目要求的，请将其选出并将“答题纸” 的相应代码涂黑。错涂、多涂或未涂均不得分。 1.以下能够直接执行微指令的是 A.汇编程序 B.编译程序 C.硬件 D.固件 2.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 C.向下兼容，并向前兼容 D.向后兼容，力争向下兼容 3.在浮点数尾数下溢处理时，最大误差最大，但下溢处理不需要时间，平均误差又趋于0的方法是 A.截断法 B.舍入法 C.ROM查表法 D.恒置“l”法 4.在IBM370系统中，支持操作系统实现多进程公用区管理最有效的指令是 A.“测试与置定”指令 B.“比较与交换”指令 C.“执行”指令 D.“程序调用”指令 5.采用组相联映像、LRU替换算法的Cache存储器，不．影响Cache命中率的方法是 A.增加Cache中的块数 B.增大组的大小 C.增大主存容量 D.增大块的大小 6.采用组相联映像的Cache存储器，可用于地址变换的方法是 A.目录表法 B.比较对法 C.页表法 D.堆栈法 7.ILLIAC-IV阵列处理机中，PE之间所用的互连函数是 A.PM2±0和PM2±3 B.Cube0和Cube l C.Shuffle D.PM2±2 8.并行处理机有16个处理单元，编号为0～l5，采用shuffle单级网络互连，与13号处理单元相连的处理单元的编号是 A.15 B.11 C.9 D.7 9.间接二进制n方体网络是一种 A.多级混洗交换网络 B.单级立方体网络 C.多级全排列网络 D.多级立方体网络 10.多处理机程序段的指令之间存在数据反相关时，下列说法正确的是 A.不能并行 B.适当同步控制，可以并行 C.可以交换串行 D.若指令满足交换律，可以交换串行 非选择题部分 注意事项： 用黑色字迹的签字笔或钢笔将答案写在答题纸上，不能答在试题卷上。
计算机系统结构_第五章练习 答案
第五章练习 1、描述计算机系统流水线的性能指标有哪些？其定义和定量表达式是什么？ 指标主要有吞吐率、加速比、效率。 (1)吞吐率：在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量。 基本公式：TP=n/Tk，其中，n是任务数，Tk是处理完成n个任务所用的时间。 各个功能段执行时间均相等,输入连续n个任务的一条k段线性流水线的实际吞吐率为：TP=n/[(k+n-1) ?t] (2)加速比：完成一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比。 基本公式：S=T0/Tk，其中，T0为不使用流水线所用的时间，Tk为使用流水 线的执行时间。 各个功能段执行时间均相等的一条K段流水线完成n个连续任务时的实际加速比为：s=k*n*?t/[(k+n-1) ?t]=k*n/( k+n-1). (3)效率：指流水线的设备利用率。 在时空图上，流水线的效率定义为n个任务占用的时空区与k个功能段总的时空区之比。即：E=T0/(k*Tk) 各个功能段执行时间均相等,输入连续n个任务的一条k段线性流水线的效率为：E=n/(k+n-1) 2、假设某个流水线由4个功能部件组成，每个功能部件的执行时间都为?t。当 连续输入10个数据后，停顿5?t，又连续输入10个数据，如此重复。 画出时空图，计算流水线的实际吞吐率，加速比和效率。 总时间：Tk=[（4+10-1）+2] *?t*n =15n*?t 实际吞吐率:TP=N/Tk=10n/(15n*?t)=2/(3?t) 不使用流水线所用的时间为T0=4*N*?t =40n*?t 加速比：S=T0/Tk=2.67 效率：E=T0/(k*Tk)=0.67
02325计算机系统结构复习资料
02325计算机系统结构复习资料
第一章计算机系统结构的基本概念 从处理数据的角度看，并行级别有位串字串，位并字串，位片串字并，全并行。位串字串和位并字串基本上构成了SIMD。位片串字并的例子有：相联处理机STARAN，MPP。全并行的例子有：阵列处理机ILLIAC IV。 从加工信息的角度看，并行级别有存储器操作并行，处理器操作步骤并行，处理器操作并行，指令、任务、作业并行。 存储器操作并行是指可以在一个存储周期内并行读出多个CPU字的，采用单体多字、多体单字或多体多字的交叉访 问主存系统，进而采用按 内容访问方式，位片串字 并或全并行方式，在一个 主存周期内实现对存储器 中大量字的高速并行操 作。例子有并行存储器系 统，以相联存储器为核心 构成的相联处理机。 处理器操作步骤并 行是指在并行性概念中引 入时间因素，让多个处理 过程在时间上错开，轮流 重复地执行使用同一套设 备的各个部分，加快硬件 周转来赢得速度。例子有 流水线处理机。 处理器操作并行是 指一个指令部件同时控制 多个处理单元，实现一条 指令对多个数据的操作。 擅长对向量、数组进行处 理。例子有阵列处理机。 指令、任务、作业 并行是指多个独立的处理 机分别执行各自的指令、 任务、作业。例子有多处 理机，计算机网络，分布 处理系统。 并行性的开发途径 有时间重叠(Time Interleaving)，资源 重复(Resource Replication)，资源 共享(Resource Sharing)。 时间重叠是指在并 行性概念中引入时间因 素，让多个处理过程在时 间上错开，轮流重复地执 行使用同一套设备的各个 部分，加快硬件周转来赢 页脚内容37
计算机系统结构发展历程及未来展望
计算机系统结构发展历程及未来展望 一、计算机体系结构 什么是体系结构 经典的关于“计算机体系结构（computer A 按照计算机系统的多级层次结构，不同级程序员所看到的计算机具有不同的属性。一般来说，低级机器的属性对于高层机器程序员基本是透明的，通常所说的计算机体 系结构主要指机器语言级机器的系统结构。计算机体系结构就是适当地组织在一起的 一系列系统元素的集合，这些系统元素互相配合、相互协作，通过对信息的处理而完 成预先定义的目标。通常包含的系统元素有：计算机软件、计算机硬件、人员、数据库、文档和过程。其中，软件是程序、数据库和相关文档的集合，用于实现所需要的 逻辑方法、过程或控制；硬件是提供计算能力的电子设备和提供外部世界功能的电子 机械设备(例如传感器、马达、水泵等)；人员是硬件和软件的用户和操作者；数据库 是通过软件访问的大型的、有组织的信息集合；文档是描述系统使用方法的手册、表格、图形及其他描述性信息；过程是一系列步骤，它们定义了每个系统元素的特定使 用方法或系统驻留的过程性语境。 体系结构原理 计算机体系结构解决的是计算机系统在总体上、功能上需要解决的问题，它和计 算机组成、计算机实现是不同的概念。一种体系结构可能有多种组成，一种组成也可 能有多种物理实现。 计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。其目标是合理地把各种部件、设备组成计算机，以实现特定的系统结构，同时满足所 希望达到的性能价格比。一般而言，计算机组成研究的范围包括：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、设计控制机构和确定采用何种可靠技术等。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，器件、模块、插件、底板的划分与连接，专用器件的设计，信号传输技术，电源、冷却及装配 等技术以及相关的制造工艺和技术。 主要研究内容 1·机内数据表示：硬件能直接辨识和操作的数据类型和格式 2·寻址方式：最小可寻址单位、寻址方式的种类、地址运算 3·寄存器组织：操作寄存器、变址寄存器、及专用寄存器的定义、数量和使用规则 4·：指令的操作类型、格式、指令间排序和控制机构 5·：最小编址单位、编址方式、容量、最大可编址空间 6·中断机构：中断类型、中断级别，以及中断响应方式等
(自考02325李学干版)计算机系统结构课后习题
第二章 数据表示与指令系统 1.数据结构和机器的数据表示之间是什么关系？确定和引入数据表示的基本原则是什么？ 答： 数据表示是能由硬件直接识别和引用的数据类型。数据结构反映各种数据元素或信息单元之间的结构关系。 数据结构要通过软件映象变换成机器所具有的各种数据表示实现，所以数据表示是数据结构的组成元素。不同的数据表示可为数据结构的实现提供不同的支持，表现在实现效率和方便性不同。数据表示和数据结构是软件、硬件的交界面。 除基本数据表示不可少外，高级数据表示的引入遵循以下原则： （1）看系统的效率有否提高，是否养活了实现时间和存储空间。 （2）看引入这种数据表示后，其通用性和利用率是否高。 2.标志符数据表示与描述符数据表示有何区别？描述符数据表示与向量数据表示对向量数据结构所提供的支持有什么不同？ 答： 标志符数据表示与描述符数据表示的差别是标志符与每个数据相连，合存于同一存储单元，描述单个数据的类型特性;描述符是与数据分开存放，用于描述向量、数组等成块数据的特征。 描述符数据表示为向量、数组的的实现提供了支持，有利于简化高级语言程序编译中的代码生成，可以比变址法更快地形成数据元素的地址。但描述符数据表示并不支持向量、数组数据结构的高效实现。而在有向量、数组数据表示的向量处理机上，硬件上设置有丰富的赂量或阵列运算指令，配有流水或阵列方式处理的高速运算器，不仅能快速形成向量、数组的元素地 址，更重要的是便于实现把向量各元素成块预取到中央处理机，用一条向量、数组指令流水或同时对整个向量、数组高速处理．如让硬件越界判断与元素 运算并行。这些比起用与向量、阵列无关的机器语言和数据表示串行实现要 高效的多。 3.堆栈型机器与通用寄存器型机器的主要区别是什么？堆栈型机器系统结构为程序调用哪些操作提供了支持？ 答： 通用寄存器型机器对堆栈数据结构实现的支持是较差的。表现在： (1)堆栈操作的指令少，功能单一；(2)堆栈在存储器内，访问堆栈速度低；(3)堆栈通常只用于保存于程序调用时的返回地址，少量用堆栈实现程序间的参数传递。 而堆栈型机器则不同，表现在：(1)有高速寄存器组成的硬件堆栈，并与主存中堆栈区在逻辑上组成整体，使堆栈的访问速度是寄存器的，容量是主存的；(2)丰富的堆栈指令可对堆栈中的数据进行各种运算和处理；(3)有力地支持高级语言的编译；(4)有力地支持子程序的嵌套和递归调用。 堆栈型机器系统结构有力地支持子程序的嵌套和递归调用。在程序调用时将返回地址、条件码、关键寄存器的内容等全部压入堆栈，待子程序返回时，再从堆栈中弹出。 4.设某机阶值6位、尾数48位，阶符和数符不在其内，当尾数分别以2、8、16为基时，在非负阶、正尾数、规格化数情况下，求出其最小阶、最大阶、阶的个数、最小尾数值、最大尾数值、可表示的最小值和最大值及可表示的规格化数的总个数。 解： 依题意知：p=6 m=48 rm=2, 8, 16，m'=m/log2(rm)，列下表： note: 可表示的最 小值=rm^(最小阶)*最小尾数值 =rm^0*rm^(-1)=rm^(-1); 可表示的最大值=rm^(最大阶)*最大尾数值 =rm^(2^p-1)*(1-rm^(-m')); 可表示的尾数的个数=rm^m'*(rm-1)/rm; 可表示的规格化数的个数=阶的个数*尾数的个数 =2^p*rm^m'*(rm-1)/rm 。 5.（1）浮点数系统使用的阶基rp=2,阶值位数p=2,尾数基值rm=10，以 rm 为基的尾数位数m''=1,按照使用的倍数来说，等价于m=4, 试计算在 非负阶、正尾数、规格化情况下的最小尾数值、最大尾数值、最大阶值、可表示的最小值和最大值及可表示数的个数。 （2）对于rp=2,p=2,rm=4,m'=2,重复以上计算。 解： 依题意列下表： 题中“按照使用的倍数来说，等价于m=4,” 这个m=4,因为2^3<10<2^4,等价为实际要4个二进制位，表示RM=10为基的一位 由4位数（其中最低位为下溢附加位）经ROM 查表舍入法，下溢处理成位结果，设计使下溢处理平均误差接近于零的ROM 表，列出ROM 编码表
计算机体系结构试题及答案版本
计算机体系结构试题及答案 1、计算机高性能发展受益于：(1) 电路技术的发展；(2) 计算机体系结构技术的发展。 2、层次结构：计算机系统可以按语言的功能划分为多级层次结构，每一层以不同的语言为特征。第六级：应用语言虚拟机-> 第五级：高级语言虚拟机-> 第四级：汇编语言虚拟机-> 第三级：操作系统虚拟机->第二级：机器语言(传统机器级) -> 第一级：微程序机器级。 3、计算机体系结构：程序员所看到的计算机的属性，即概括性结构与功能特性。 4、透明性：在计算机技术中，对本来存在的事物或属性，从某一角度来看又好像不存在的概念称为透明性。 5、Amdahl 提出的体系结构是指机器语言级程序员所看见的计算机属性。 6、经典计算机体系结构概念的实质3是计算机系统中软、硬件界面的确定，也就是指令集的设计，该界面之上由软件的功能实现，界面之下由硬件和固件的功能来实现。 7、计算机组织是计算机系统的逻辑实现；计算机实现是计算机系统的物理实现。
8、计算机体系结构、计算机组织、计算机实现的区别和联系？ 答：一种体系结构可以有多种组成，一种组成可以有多种物理实现，体系结构包括对组织与实现的研究。 9、系列机：是指具有相同的体系结构但具有不同组织和实现的一系列不同型号的机器。 10、软件兼容：即同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的 各机器，而且它们所获得的结果一样，差别只在于运行时间的不同。 11、兼容机：不同厂家生产的、具有相同体系结构的计算机。 12、向后兼容是软件兼容的根本特征，也是系列机的根本特征。 13、当今计算机领域市场可划分为：服务器、桌面系统、嵌入式计算三大领域。 14、摩尔定律：集成电路密度大约每两年翻一番。 15、定量分析技术基础（1）性能的评测：（a）响应时间：从事件开始到结束之间的时间；计算机完成某一任务所花费的全部时间。（b）流量：单位时间内所完成的工作量。（c ）假定两台计算机x 、y；x 比y 快意思为：对于给定任务，x 的响应时间比y少。x的性能是y的几倍是指：响应时间x / 响应时间y = n ，响应时间与性能成反比。
北邮计算机系统结构实验报告-实验一到五-WINDLX模拟器
北京邮电大学 实验报告 课程名称计算机系统结构 计算机学院03班 王陈(11)
目录 实验一WINDLX模拟器安装及使用......................................... 错误!未定义书签。 ·实验准备................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验内容及要求.................................................................... 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验总结............................................................................. 错误!未定义书签。实验二指令流水线相关性分析 ............................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验总结............................................................................. 错误!未定义书签。实验三DLX处理器程序设计 .................................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 A.向量加法代码及性能分析 ................................................... 错误!未定义书签。 B.双精度浮点加法求和代码及结果分析 .............................. 错误!未定义书签。 ·实验总结............................................................................. 错误!未定义书签。实验四代码优化 ....................................................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验原理................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验总结+实习体会........................................................... 错误!未定义书签。实验五循环展开 ....................................................................... 错误!未定义书签。 ·实验目的............................................................................. 错误!未定义书签。 ·实验环境................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验原理................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验步骤................................................................................ 错误!未定义书签。 ·实验过程............................................................................. 错误!未定义书签。 矩阵乘程序代码清单及注释说明........................................... 错误!未定义书签。 相关性分析结果........................................................................... 错误!未定义书签。 增加浮点运算部件对性能的影响........................................... 错误!未定义书签。 增加forward部件对性能的影响 ............................................ 错误!未定义书签。 转移指令在转移成功和转移不成功时候的流水线开销 .. 错误!未定义书签。 ·实验总结+实习体会+课程建议......................................... 错误!未定义书签。
计算机系统结构 第一章自考练习题答案教学内容
第一章计算机系统结构的基本概念 历年真题精选 1. 下列对系统程序员不透明的是（）。 A. 乘法器 B. 先行进位链 C. 指令缓冲器 D. 条件码寄存器2．“从中间开始”设计的“中间”目前多数是在（ D ）。 A. 微程序机器级与汇编语言机器级之间 B. 操作系统机器级与汇编语言机器级之间 C. 传统机器语言机器级与微程序机器级之间 D. 传统机器语言机器级与操作系统机器级之间 3. 开发计算机系统结构并行性的主要技术途径有时间重叠、（资源重复）和（资源 共享）。 4. 计算机系统弗林分类法，把计算机系统分成单指令流单数据流（SISD）、单指令流多数 据流（SIMD）、（多指令流单数据流（MISD））和（多指令流多数据流（MIMD））四大类。 5. 设计指令系统时，以乘法运算为例，简述系统结构设计、计算机组成设计、计算机实现 各应考虑的问题。（P4） 6. 实现软件移植的途径有哪些？各受什么限制？（P14） 同步强化练习 一．单项选择题。 1. 实现汇编语言源程序变换成机器语言目标程序是由（ C ）。 A. 编译程序翻译 B. 编译程序解释 C. 汇编程序翻译 D. 汇编程序解释
2. 系列机软件应做到（ B ） A. 向前兼容，并向下兼容 B. 向后兼容，力争向上兼容 C. 向前兼容，并向上兼容 D. 向后兼容，力争向下兼容 3. 在计算机系统多级层次结构中，机器级由低到高，相对顺序正确的应当是（ B ）。 A. 传统机器语言、汇编语言、操作系统 B. 微程序、传统机器语言、高级语言 C. 高级语言、汇编语言、传统机器语言 D. 传统机器语言、应用语言、高级语言 4. 可以直接执行微指令的是（ C ）。 A. 编译程序 B. 微程序 C. 硬件 D. 汇编程序 5. 计算机系统结构不包括（ A ）。 A. 主存速度 B. 数据表示 C. 机器工作状态 D. 信息保护 6. 对计算机系统结构透明的是（）。 A. 是否使用通道型I/0处理机 B. 虚拟存储器 C. 字符行运算指令 D. VLSI技术 7. 在主存设计上，属计算机系统结构考虑的应是（ C ）。 A. 频宽的确定 B. 多体交叉还是单体 C. 容量和编址单位 D. 用MOS还是TTL 8. 计算机组成设计不考虑（ B ）。 A. 缓冲技术 B. 功能部件的集成度 C. 专用部件设置 D. 控制机构的组成 9. 下列说法中不正确的是（ D ） A. 硬件的生产费用比软件的生产费用高 B.软件设计费用比软件重复生产费用高 C. 硬件功能只需实现一次而软件功能可能要多次重复实现 D. 硬件实际费用比软件设计费用低
计算机系统结构实验报告
计算机系统结构实验报告 一．流水线中的相关 实验目的： 1. 熟练掌握WinDLX模拟器的操作和使用，熟悉DLX指令集结构及其特点； 2. 加深对计算机流水线基本概念的理解； 3. 进一步了解DLX基本流水线各段的功能以及基本操作； 4. 加深对数据相关、结构相关的理解，了解这两类相关对CPU性能的影响； 5. 了解解决数据相关的方法，掌握如何使用定向技术来减少数据相关带来的暂停。 实验平台： WinDLX模拟器 实验内容和步骤： 1.用WinDLX模拟器执行下列三个程序： 求阶乘程序fact.s 求最大公倍数程序gcm.s 求素数程序prim.s 分别以步进、连续、设置断点的方式运行程序，观察程序在流水线中的执行情况，观察 CPU中寄存器和存储器的内容。熟练掌握WinDLX的操作和使用。 2. 用WinDLX运行程序structure_d.s，通过模拟找出存在资源相关的指令对以及导致资源相 关的部件；记录由资源相关引起的暂停时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的 百分比；论述资源相关对CPU性能的影响，讨论解决资源相关的方法。 3. 在不采用定向技术的情况下（去掉Configuration菜单中Enable Forwarding选项前的勾选符），用WinDLX运行程序data_d.s。记录数据相关引起的暂停时钟周期数以及程序执行的 总时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行周期数的百分比。 在采用定向技术的情况下（勾选Enable Forwarding），用WinDLX再次运行程序data_d.s。重复上述3中的工作，并计算采用定向技术后性能提高的倍数。 1. 求阶乘程序 用WinDLX模拟器执行求阶乘程序fact.s。这个程序说明浮点指令的使用。该程序从标准 输入读入一个整数，求其阶乘，然后将结果输出。 该程序中调用了input.s中的输入子程序，这个子程序用于读入正整数。 实验结果： 在载入fact.s和input.s之后，不设置任何断点运行。 a.不采用重新定向技术，我们得到的结果
计算机系统结构自考2002-2015真题及答案(02325 历年试题全带答案)
全国2002年4月高等教育自学考试 一、单项选择题(每小题1分，共10分)在每小题的四个备答案中有一个正确的答案，将正确答案的序号写 在题干后的括号内) 1.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 2.动态数据流机最突出的特点是使( C) A.数据流令牌无标号 B.需要程序记数器来实现 C.令牌带上标号 D.同步由门(Latch)寄存器来实现 3.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 4.多处理机的各自独立型操作系统( D ) A.要求管理程序不必是可再入的 B.适合于紧耦合多处理机 C.工作负荷较平衡 D.有较高的可靠性 5.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 6.“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 7.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.组之间是固定的，而组内任何虚页可以装入任何实页位置 D.组间可任意装入，组内是固定装入 8.( C )属于MIMD系统结构。 A.各处理单元同时受同一个控制单元的管理 B.各处理单元同时接受同一个控制单元送来的指令 C.松耦合多处理机和多计算机 D.阵列处理机 9.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( D)号处理机 相联。 A.11 B.8 C.14 D.2 10.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( A) A.可获得高的吞吐率和效率 B.流水线的效率和吞吐率恶化 C.出现瓶颈 D.可靠性提高 二、填空题(每空1分，共20分) 11.标志符与每个数据相连，合存于__同一存储单元_____，用于描述单个数据的___类型特征____。 12.总线仲裁算法有：静态优先级算法、固定时间片算法、__动态优先级_____算法和___先来先服务____算法。 13.计算机仿真用___微程序____解释，计算机模拟用___机器语言____解释。 14.按弗林(Michael J.Flynn)的观点，计算机系统可分为单指令流单数据流、__单指令流多数据流_____、多 指令流单数据流和___多指令流多数据流____四大类。 15.要实现两条指令在时间上重叠解释，首先需要付出___空间代价____，其次，要处理好指令之间可能存 在的__关联_____。 16.与重叠机器一样，流水机器在遇到___转移____指令，尤其是___条件转移____指令时，效率也会显著下 降。 17.超长指令字(VLIW)结构是将___水平型微码____和__超标量处理_____两者相结合。 18.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___线路____交换， 多处理机常采用___包____交换。 19.数据流机采用___数据驱动____，执行的操作序列取决于输入数据的可用性；归约机则采用___需求驱动 ____，执行的操作序列取决于对数据的要求，对数据的需求又来源于函数式程序设计语言对表达式的归纳。 20.输入输出系统包括输入输出设备、设备___控制器____及与输入输出操作有关的__软硬_____件。
计算机体系结构实验报告二
实验二结构相关 一、实验目的： 通过本实验，加深对结构相关的理解，了解结构相关对CPU性能的影响。 二、实验内容： 1. 用WinDLX模拟器运行程序structure_d.s 。 2. 通过模拟，找出存在结构相关的指令对以及导致结构相关的部件。 3. 记录由结构相关引起的暂停时钟周期数，计算暂停时钟周期数占总执行 周期数的百分比。 4. 论述结构相关对CPU性能的影响，讨论解决结构相关的方法。 三、实验程序structure_d.s LHI R2, (A>>16)&0xFFFF 数据相关 ADDUI R2, R2, A&0xFFFF LHI R3, (B>>16)&0xFFFF ADDUI R3, R3, B&0xFFFF ADDU R4, R0, R3 loop: LD F0, 0(R2) LD F4, 0(R3) ADDD F0, F0, F4 ；浮点运算，两个周期，结构相关 ADDD F2, F0, F2 ; <- A stall is found (an example of how to answer your questions) ADDI R2, R2, #8 ADDI R3, R3, #8 SUB R5, R4, R2 BNEZ R5, loop ；条件跳转 TRAP #0 ;; Exit <- this is a comment !! A: .double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 B: .double 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10
四、实验过程 打开软件，load structure_d.s文件，进行单步运行。经过分析，此程序一 次循环中共有五次结构相关。（R-stall 数据相关Stall- 结构相关） 1)第一个结构相关：addd f2,,f0,f2 由于前面的数据相关，导致上一条指令addd f0,f0,f4暂停在ID阶段，所以下一条指令addd f2,,f0,f2发生结构相关，导致相关的部件：译码部件。 2)第二个结构相关：ADDI R2, R2, #8，与第一个结构相关类似。由于数据相关， 上一条指令暂停在ID阶段，所以导致下一条指令发生结构相关。
02325自考计算机系统结构题库及答案
02325计算机系统结构自考题库及答案计算机系统结构单选题 1.对应用程序员不透明的是( ) A A.条件码寄存器 B.乘法器 C.指令缓冲器 D.先行进位链 2.汇编语言源程序变换成机器语言目标程序是经____来实现的( ) B A.编译程序解释 B.汇编程序翻译 C.汇编程序解释 D.编译程序翻译 3.属计算机系统结构考虑的应是( ) D A.主存采用多体交叉还是单体 B.主存频宽的确定 C.主存采用MOS 还是TTL D.主存容量和编址方式
4."从中间开始设计的""中间""目前多数是在( )" C A.传统机器语言机器级与微程序机器级之间 B.微程序机器级与汇编语言机器级之间 C.传统机器语言机器级与操作系统机器级之间 D.操作系统机器级与汇编语言机器级之间5.多处理机主要实现的是( ) D A.操作步骤的并行 B.指令级并行 C.操作级并行 D.任务级并行 6.直接执行微指令的是( ) B A.编译程序 B.硬件 C.微指令程序 D.汇编程序 7.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 A.编程要用到的硬件组织 B.计算机各部件的硬件实现
C.计算机硬件的全部组成 D.计算机软件所要完成的功能 8.尾数下溢处理平均误差可调整到零的方法是( ) D " A.恒置""1""法" B.舍入法 C.截断法 D.ROM 查表法 9.变址寻址的主要作用是( ) A A.支持向量、数组的运算寻址 B.支持操作系统中的进程调度 C.支持访存地址的越界检查 D.支持程序的动态再定位 10.在IBM370 系统中,支持操作系统实现多进程共用公用区管理最有效的指令是( ) B A.程序调用楷令 B.比较与交换指令 C.测试与置定指令