计算机体系结构期末考试试题

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

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

计算机体系结构

什么是存储系统？对于一个由两个存储器M1和M2构成的存储系统，设M1的命中率为h，两个存储系统的存储容量分别为s1和s2，访问速度分别为t1和t2，每千字节的价格分别为c1和c2。

在什么条件下，整个存储系统的每千字节的平均价格会接近于c2？ 写出这个存储系统的等效访问时间ta的表达式。

假设存储系统的访问效率e=t1/ta，两个存储系统的速度比r=t2/t1。试以速度比r和命中率h来表示访问效率e。

如果r=100，为了使访问效率e>0.95,要求命中率h是多少？

对于上一问所要求的命中率实际上很难达到。假设实际的命中率只能达到0.96。现在用一种缓冲技术解决这个问题。当访问M1不命中时，把包括被访问数据在内的一个数据块都从M2中取到M1中，并假设被取到M1中的每个数据平均可以被重复访问5次。请设计缓冲深度（即每次从M2中取到M1中的数据块的大小）

答：

两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件、或软件与硬件相结合的方法连接起来成为一个系统。这个系统对应用程序员透明，并且，从应用程序员看，它是一个存储器，这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器，存储容量与容量最大的那个存储器相等，单位容量的价格接近最便宜的

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

1.CUP性能公式

评价cache性能公式：

? 平均存储访问时间 = 命中时间 + 缺失率×缺失代价 ? 命中时间：缓冲命中需要的时间。

? Cpu性能公式 分析 经典的CPU性能公式

现在我们可以用指令数、CPI和时钟周期时间来写出基本的性能公式： CPU时间=指令数×CPI×时钟周期时间

CPI：每条指令的时钟周期数，表示执行某个程序或者程序片段时每条指令所需的时钟周期平均数。

指令数：执行某程序所需的总指令数量。 或 CPU时间=指令数×CPI/时钟频率

这些公式特别有用，因为它们把性能分解为三个关键因素。我们可用这些公式来比较不同的实现方案或评估某个设计的替代方案。

举例 代码段的比较

一个编译器设计者试图在两个代码序列之间进行选择。硬件设计者给出了如下数据：

对于某行高级语言语句的实现，两个代码序列所需的指令数量如下： 代码序列1共执行2+1+2=5条指令。代码序列2共执行4+1+1=6条指令。所以，代码序列2执行的指令数更多。

基于指令数和CPI，我们可以用CPU时钟周期公式计算出每个代码序列的总时钟周期数为：

因此，代码序列1的CPU时钟周期数=（2×1）+（1×2）+（2×3）=10周期，代码序列2的CPU时

计算机体系结构

什么是存储系统？对于一个由两个存储器M1和M2构成的存储系统，设M1的命中率为h，两个存储系统的存储容量分别为s1和s2，访问速度分别为t1和t2，每千字节的价格分别为c1和c2。

在什么条件下，整个存储系统的每千字节的平均价格会接近于c2？ 写出这个存储系统的等效访问时间ta的表达式。

假设存储系统的访问效率e=t1/ta，两个存储系统的速度比r=t2/t1。试以速度比r和命中率h来表示访问效率e。

如果r=100，为了使访问效率e>0.95,要求命中率h是多少？

对于上一问所要求的命中率实际上很难达到。假设实际的命中率只能达到0.96。现在用一种缓冲技术解决这个问题。当访问M1不命中时，把包括被访问数据在内的一个数据块都从M2中取到M1中，并假设被取到M1中的每个数据平均可以被重复访问5次。请设计缓冲深度（即每次从M2中取到M1中的数据块的大小）

答：

两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件、或软件与硬件相结合的方法连接起来成为一个系统。这个系统对应用程序员透明，并且，从应用程序员看，它是一个存储器，这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器，存储容量与容量最大的那个存储器相等，单位容量的价格接近最便宜的

计算机体系结构

什么是存储系统？对于一个由两个存储器M1和M2构成的存储系统，设M1的命中率为h，两个存储系统的存储容量分别为s1和s2，访问速度分别为t1和t2，每千字节的价格分别为c1和c2。

在什么条件下，整个存储系统的每千字节的平均价格会接近于c2？ 写出这个存储系统的等效访问时间ta的表达式。

假设存储系统的访问效率e=t1/ta，两个存储系统的速度比r=t2/t1。试以速度比r和命中率h来表示访问效率e。

如果r=100，为了使访问效率e>0.95,要求命中率h是多少？

对于上一问所要求的命中率实际上很难达到。假设实际的命中率只能达到0.96。现在用一种缓冲技术解决这个问题。当访问M1不命中时，把包括被访问数据在内的一个数据块都从M2中取到M1中，并假设被取到M1中的每个数据平均可以被重复访问5次。请设计缓冲深度（即每次从M2中取到M1中的数据块的大小）

答：

两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件、或软件与硬件相结合的方法连接起来成为一个系统。这个系统对应用程序员透明，并且，从应用程序员看，它是一个存储器，这个存储器的速度接近速度最快的那个存储器，存储容量与容量最大的那个存储器相等，单位容量的价格接近最便宜的

计算机体系结构考试总结

考试范围：1—6章 题型： 名词翻译 简答题 计算题

一．名词解释

1. 什么是虚拟机：

用软件实现的机器 2. 什么是透明性：

本来存在的事物或属性，从某种角度看似乎不存在 3. 什么是系列机：

在一个厂家生产的具有相同的体系结构，但具有不同的组成和实现的一系列不同型号的机器。系列机必须保证用户看到的机器属性一致。系统的软件必须兼容 4. 什么是模拟？什么是仿真？二者区别：

在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。全部用软件实现的叫模拟，用软件、硬件、固件混合实现的叫仿真 区别：模拟方法速度低，仿真方法速度高

仿真需要较多的硬件（包括控制存储器） 系统结构差别大的机器难于用仿真方法实现

除了指令系统之外，还有存储系统、I/O系统、中断系统、控制台的操作等

5. 什么是并行性？什么是并发？

在同一时刻或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。它包括同时性和并发性两重含义。从执行程序的角度和处理数据的角度看，并行性都有不同的并行等级。

并发性：两个或两个以上的事件在同一时间间隔发生。 6. CISC，RISC，VLIW表示什么？

CISC：复杂指令集计算机（Complex Instruction

高 级 计 算 机 体 系 结 构

题目: 计算机体系结构的发展史

2015年12月

计算机体系结构的发展史

摘要

本文回顾了计算机体系的发展历程，并分析了计算机体系的发展和技术研究的关键: Cell和多核等新型处理结构和可重构计算技术。提出了新的计算机体系结构，为计算机研究和应用提供参考。

关键词： 计算机体系 微处理器 多处理器 可重构 多核

目录

引言................................................................ 1 计算机体系的发展历程................................................ 1 Cell和多核等新型处理器结构带来新的方向 ............................. 3 可重构技术与多核技术的融合.......................................... 6

引言

现代计算机的发展历程可以分为2个时代：串行计算时代和并行计算时代。

并行计算是在串行计算的基础上，由一组处理单元组成，处理单元彼此通过相互之间的通信与协作，共同高速完成一项大规模的计算任务。而每

1.名词解释（每个3分，共15分）

多级层次结构----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、操作系统机器级、汇编语言机器级、高级语言机器级、应用语言机器级等。

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。

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。

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称为透明性。

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。

模拟----用软件的方法在一台现有的计算机（称为宿主机host）上实现另一台计算机（称为虚拟机）的指令系统。

仿真----用一台现有计算机（称为宿主机）上的微程序去解释实现另一台计算机（称为目标机）的指令系统。

指令系统的完整性----