计算机系统结构期末复习

计算机系统结构期末复习 考试题型：

? 1简述题（4分* 5） ? 2判断题（3分* 5） ? 3单项选择题 （3分* 5） ? 4计算题(10分* 5) 一 简述题

1什么是计算机系统结构？计算机系统结构按照流分类，可以分为哪些类。 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。流分类：单指令流单数据流（SISD）、单指令流单数据流（SIMD）、多指令流单数据流（MISD）、多指令流多数据流（MIMD）。

2简述计算机系统设计中的重要准则及其对计算计设计的意义。

准则：①只加速使用频率高的部件②阿姆达尔（Amdahl）定律③程序访问的局部性规律。

意义（参考而已）：满足用户对功能的要求，及相应的价格、性能要求。在满足功能的基础上进行合理的设计优化。

3简述用户CPU时间的计算公式及其影响因素。

。CPU的性能取决于3个参数：①时钟周期（速率）：硬件工艺和计算机组成；②每条指令所需的平均时钟周期数：计算机组成和指令系统有关；③程序中的指令总数：机器指令系统和编译技术。

4流水线具有哪些特点？（实现了指令在相同时间内重叠执行的技术，使CPU执行得更快的技术。）

1一条流水线通常由多个流水段组成；2每个流水段有专门的功能部件对指令进行某种加工；3各个流水段所需的时间是相同的；4流水线工作阶段可以分为建立、满载和排空三个阶段；5理想情况下，当流水线充满后，每隔△t时间就会有一个结果流出流水线。

5流水线按照处理级别可以分为哪几种，请分别说明其意义。（不同的分类方式要记住）

①按处理级别分类：操作部件级（是将复杂的算术逻辑运算组成流水工作方式）；指令级（把一条指令解释过程分成多个子过程）；处理机级（是一种宏流水，其中每个处理机完成某一过程）。②按功能分类：单功能流水线；多功能流水线。③按处理的数据类型分类：标量流水线；向量流水线。④按工作方式分类：静态流水线；动态流水线。⑤按连接方式分类：线性流水线；非线性流水线。 6单功能流水线与多功能流水线的区别是什么？线性流水线与非线性流水态流水线的区别是什么？静态流水线与动态流水线的区别是什么？

①单功能流水线只完成一种功能，例如浮点加法流水线。多功能流水线则可以完成多种功能，可以将不同功能段连接起来完成某一功能。②在线性流水线中，从输入到输出，每个功能段只允许经过一次，不存在反馈回路。非线性流水线则存在反馈回路，从而从输入到输出过程中，某些功能段将数次通过流水线。③静态流水线：同一时间只能以一种功能方式工作，从一种工作方式转为另一种工作方式时需要先排空流水线。动态流水线：允许同一时间内将不同的功能段连接成不同的功能子集，以完成不同的运算功能。 7大端和小端方式针对的是？

字节序是针对CPU寻址而言的。大端系统:指的是低地址存低位数据，高地址存高位数据。小段系统：指的低地址存高位数据，高地址存高位数据。 8存储体系的设计，利用了计算机系统结构设计中的什么重要原理？

程序访存局部性原理。该原理可分为：*时间局部性：已被访问过的存储项，可能很快被再次访问。*空间局部性：被访问存储项的相邻存储项，可能很快被访问。

9简述数据表示和数据结构的定义和相互之间的关系。

数据表示是指可由硬件直接辨认的数据类型，对该数据类型的各种运算操作都有相应的实现硬件电路。 数据结构是指结构数据类型的组织方式，硬件不能直接识别它们，需要通过映射变换成存储在一维存储器中的各种数据表示。 10流水操作中的主要障碍是：（1）资源冲突（结构冲突）（2）数据相关冲突；（3）控制转移冲突；

原因：（1）资源冲突是由于有多条指令进入流水线后在同一机器周期争用同一功能部件而引起；（2）数据相关冲突是由于流水线的各条指令的重叠操作使得对操作数的访问次序发生了变化而引起；（3）控制转移是由于当转移发生时，将使流水线的连续流动受到破坏而引起。

解决方法：(1)资源冲突的解决方法是停顿一拍流水线或重复设置一个寄存器使指令和数据分别存放在不同的存储器中;(2)数据冲突的解决方法是停顿流水线或使用旁路技术；(3)控制转移冲突的解决方法是：a.尽早判别转移是否发生，尽早生成转移目标地址；b.预取转移成功或不成功两个控制流方向上的目标指令；c.加快和提前形成条件码；e.加快短循环程序的处理；f.提高转移方向上的猜准率；g.采用延迟转移技术。 二判断题答案：10110 11100

1软、硬件的功能四等效的，在系统结构设计时，用软件实现的功能，用硬件 2浮点数据类型可以表示实数范围内的所有数值

3通常采用瓶颈段进一步细分和重复设置瓶颈流水段消除流水瓶颈。 4无论采用何种方法，只要消除流水线的瓶颈段，就能提高流水的吞吐率 5 Cache的替换策略和更新策略仅仅发生在Cache的读和写不命中的的情况下 6在系统结构设计时，需要根据速度、成本、体积等因素，划分软、硬件 7 IEEE754标准可以表示0和无穷

8通常采用瓶颈段进一步细分和重复设置瓶颈流水段消除流水瓶颈 9无论采用何种方法，只有消除流水线的瓶颈段，就能提高流水线的效率 10多体交叉技术采用增加主存带宽的方法提高主存的性能 三选择题

1下面各项陈述中，（C）不属于计算机系统设计者的主要任务。 A满足系统的功能和性能要求 B优化系统的设计

C尽量使用软件以提高系统灵活性 D符合未来的发展趋势

2下面有关数据类型，数据结构和数据表示的陈述，（）是错误的。 A数据集+操作集=数据类型

B数据表示是可以被计算机硬件直接识别的数据类型 C D【1】

4（D）不属于流水线中的数据相关

A RAW B WAR C WAW D RAR 5（C）不属于向量机中队向量的处理方法 A横向加工 B垂直加工 C对角线加工 D纵横向加工

6（B）不属于存储体系结构中使用的基本原理 A时间局部性原理 B摩尔定律 C D【9】 四计算题

1 已知处理机时钟频率为80MHZ，运行测试程序共有400 000条指令，有4类指令组成，已知各类指令的CPI和各类指令条数的比例如下所示 指令类型 算术和逻辑运算指令 Cache命中的加载/存储指令 转移类指令 Cache未命中的访主存指令 CPI 1 2 4 8 指令条数比例 0.55 0.18 0.2 0.7 求计算处理机运行该测试程序的CPI和MIPS cpi = 7.31 MIPS = 10.94

2 已知计算机系统中的某个部件的处理时间占整个系统运行时间的75%，将该部件加快为原来的15倍后，求

（1） 整个系统的加速度比试多少？

（2） 为了使系统的加速比为0.6，需要将部件C的处理速度加快为原来的多少倍？

(1) 10/3 (2) 9/17

3 给定流水线的段数，及各段的执行时间，求 （1） 计算连续属于n条指令的实际吞吐率和效率

（2） 将瓶颈段细分为m个独立子段，各子段的执行时间为△t,计算改进后的n条指令的实际吞吐率和效率

例：现有一条4段流水线，各段执行时间为△t, △t, 5△t和△t （1）计算连续属于40条指令的实际吞吐率和效率

（2）将瓶颈段细分为5个独立子段，各子段的执行时间为△t,计算改进后的n条指令的实际吞吐率和效率

(1) Tp = 40/[203△t] E = 80 / 203 (2) Tp = 40 / [47△t] E = 40/47

4 标量流水操作中的主要障碍、原因及解决方法是什么？ （1）资源冲突（结构冲突）； （2）数据相关冲突； （3）控制转移冲突；

原因：

（1）资源冲突是由于有多条指令进入流水线后在同一机器周期争用同一功能部件而引起；

（2）数据相关冲突是由于流水线的各条指令的重叠操作使得对操作数的访问次序发生了变化而引起；

（3）控制转移是由于当转移发生时，将使流水线的连续流动受到破坏而引起。 解决方法：

(1)资源冲突的解决方法是停顿一拍流水线或重复设置一个寄存器使指令和数据分别存放在不同的存储器中;

(2)数据冲突的解决方法是停顿流水线或使用旁路技术； (3)控制转移冲突的解决方法是

a.尽早判别转移是否发生，尽早生成转移目标地址；

b.预取转移成功或不成功两个控制流方向上的目标指令； c.加快和提前形成条件码； e.加快短循环程序的处理； f.提高转移方向上的猜准率； g.采用延迟转移技术。

5 给定计算机Cache的失配损失（用时钟周期数表示）。不考虑访存停顿延时所有指令平均访问时间为k个时钟周期。假设Cache的失配率为x，并且每条指令平均访存m次。假设执行程序指令总数IC为N，时钟周期问y ns。计算这种Cacha/主存存储结构下的考虑访存时间为多少？ns

例：Cache的失配率损失为5个时钟周期，不考虑访存停顿延迟时间所所有指令平均访问时间为3个时钟周期。假设Cache的失配率为15%，并且每条指令平均访存3次。执行程序指令总数（IC）为25000，时钟周期为1 ns。计算这种Cache/主存存储器结构下考虑访存停顿的cpu时间多少？ Cpu时间= 1312500

6 二级存储构成的存储系统中CPU访问Cache M1和主存M2的平均时间（ns表示）。给出M1的命中率，求此存储系统平均访问时间，并分析可以用【7】统平均访问时间的方法。

例：二级存储构成的存储系统中CPU访问Cache M1和主存M2的平均时间T1 = 20ns和T2 = 10ns，如果M1的命中率为0.9。此储存系统平均访问时间为多少？试分析【8】进一步降低改存储系统平均访问时间。

平均访问时间= 19

(1)资源冲突的解决方法是停顿一拍流水线或重复设置一个寄存器使指令和数据分别存放在不同的存储器中;

(2)数据冲突的解决方法是停顿流水线或使用旁路技术； (3)控制转移冲突的解决方法是

a.尽早判别转移是否发生，尽早生成转移目标地址；

b.预取转移成功或不成功两个控制流方向上的目标指令； c.加快和提前形成条件码； e.加快短循环程序的处理； f.提高转移方向上的猜准率； g.采用延迟转移技术。

5 给定计算机Cache的失配损失（用时钟周期数表示）。不考虑访存停顿延时所有指令平均访问时间为k个时钟周期。假设Cache的失配率为x，并且每条指令平均访存m次。假设执行程序指令总数IC为N，时钟周期问y ns。计算这种Cacha/主存存储结构下的考虑访存时间为多少？ns

例：Cache的失配率损失为5个时钟周期，不考虑访存停顿延迟时间所所有指令平均访问时间为3个时钟周期。假设Cache的失配率为15%，并且每条指令平均访存3次。执行程序指令总数（IC）为25000，时钟周期为1 ns。计算这种Cache/主存存储器结构下考虑访存停顿的cpu时间多少？ Cpu时间= 1312500

6 二级存储构成的存储系统中CPU访问Cache M1和主存M2的平均时间（ns表示）。给出M1的命中率，求此存储系统平均访问时间，并分析可以用【7】统平均访问时间的方法。

例：二级存储构成的存储系统中CPU访问Cache M1和主存M2的平均时间T1 = 20ns和T2 = 10ns，如果M1的命中率为0.9。此储存系统平均访问时间为多少？试分析【8】进一步降低改存储系统平均访问时间。

平均访问时间= 19

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