计算机系统结构前沿技术

一、单项选择题（本大题共10小题，每小题1分，共10分）

在下列每小题的四个备选答案中选出一个正确答案，并将其字母标号填入题干的括号内。错选、多选或未选均无分。 1. 对计算机系统结构透明的是（ ） A．VLSI技术 C．字符行运算指令

B．虚拟存储器

D．是否使用通道型I/O处理机

2.“从中间开始”设计的“中间”目前多数在（ ） A.传统机器语言机器级与操作系统机器级之间 B.传统机器语言机器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

3.计算机中优化使用的操作码编码方法是（ ） A.哈夫曼编码 B.ASCII码 C.BCD码 D.扩展操作码 4.指令执行结果出现异常引起的中断是（ ）

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 5.以下不属于堆栈型替换算法的是（ ）

A.近期最少使用算法 B.近期最久未用过算法 C.先进先出算法 D.页面失效频率算法 6.以下与虚拟存储器的等效访问速度无关的是（ ） A.页地址流 B.页面调度策略

第三、四章习题 一、选择题

1．对真值0表示形式唯一的机器数是__B_______。 A．原码 Ｂ．补码和移码

Ｃ．反码 Ｄ．以上都不对

2．某机字长8位，采用补码形式（其中1位为符号位），则机器数所能表示的范围是 ______ _C_____。 A．－127~127

B．－128~128 C．－128~＋127 D. 0~255

3．用ｎ＋１位字长表示定点数（其中1位为符号位），它所能表示的整数范围是_A____，它所能表示的小数范围是____D___。

A．0≤｜Ｎ｜≤２－１ C．0≤｜Ｎ｜≤1－２

4. 设机器数采用补码形式（含1位符号位），若寄存器内容为9BH，则对应的十进制数为 C 。 A. -27 B. -97 C. -101 D. 155

5. 若9BH表示移码（含1位符号位），其对应的十进制数是 A 移码符号位用1表示正数，用0表示负数 。 A. 27 B. -27 C. -

★★

1、解释下列术语 计算机系统结构 计算机组成 计算机实现

【答案】计算机系统结构、计算机组成和计算机实现是三个不同的概念。系统结构定义为由程序设计者所看到的一个计算机系统的属性，即概念性结构和功能特性，这里的程序设计者是指为机器语言或编译程序设计者所看到的计算机属性，是硬件子系统的概念结构及其功能特性，它是计算机系统的软、硬件的界面。计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现，包括机器内部的数据流和控制流的组成以及逻辑设计等。计算机实现是指计算机组成的物理实现。 ★★

2、解释下列术语 系列机 兼容机 模拟 仿真 【答案】所谓系列机是指在一个厂家内生产的具有相同的系统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。不同公司厂家生产的具有相同系统结构的计算机成为兼容机。

系列机方法能够在具有相同系统结构的各种机器之间实现软件移植，为了实现软件在不同系统结构的机器之间的相互移植，可以采用模拟和仿真。模拟方法是指用软件方法在一台现有的计算机上实现另一台计算机的指令系统。仿真是指用微程序直接解释另一种机器指令系统的方法。 ★

3、SIMD是指（）

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 【答案

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

计算机系统结构实验报告

班级 姓名 实验名称 实 验 目 的 、 要 求 实 验 内 容 、 步 骤 及 结 果 实验日期 学号 4-10 实验成绩 实验三、指令调度和延迟分支 实验目的： 1、 加深对指令调度技术的理解； 2、 加深对延迟分支技术的理解； 3、 熟练掌握用指令调度技术解决流水线中的数据冲突的方法； 4、 进一步理解指令调度技术对CPU性能的改进； 5、 进一步理解延迟分支技术对CPU性能的改进。 实验步骤： 1、 启动MIPSsim。 2、 根据2.5节相关内容关于流水线的描述，进一步理解流水线窗口中各段的功能； 3、 选择“配置”--“流水方式”选项； 4、 用指令调度解决流水线中的数据冲突 （1） 启动MIPSsim； （2） 用MIPSsim的“文件”—“载入程序”选项加载schedule.s； （3） 关闭定向功能，“配置”—“定向”； （4） 执行载入程序，通过查看统计数据与始终周期图，找出并记录程序执行过程中各种冲突的次数没发生冲突的指令组合以及程序执行的总周期数； 程序执行的总周期数：33 程序冲突的组合： ADDIU $r1,$r0,A LW $r2,0($r1)与上条写后读冲突

计算机系统结构课后习题答案

第一章 计算机系统结构的基本概念

1.有一个计算机系统可按功能分成4级，每级的指令互不相同，每一级的指令都比其下一级的指令在效能上强M倍，即第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。现若需第i级的N条指令解释第i+1级的一条指令，而有一段第1级的程序需要运行Ks，问在第2、3和4级上一段等效程序各需要运行多长时间？

答： 第2级上等效程序需运行：(N/M)*Ks。第3级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*Ks。第4级上等效程序需运行：(N/M)*(N/M)*(N/M)*Ks。

note: 由题意可知：第i级的一条指令能完成第i-1级的M条指令的计算量。而现在第i级有N条指令解释第i+1级的一条指令，那么，我们就可以用N/M来表示N/M 表示第i+1级需(N/M)条指令来完成第i级的计算量。所以，当有一段第1级的程序需要运行Ks时，在第2级就需要(N/M)Ks，以此类推

2.硬件和软件在什么意义上是等效的？在什么意义上又是不等效的？试举例说明。

答： 软件和硬件在逻辑功能上是等效的，原理上，软件的功能可用硬件或固件完成，硬件的功能也可用软件模拟完成。但是实现的性能价格比，实现的

1：计算机系统的层次结构：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。

2：微程序机器级：微指令系统，微程序直接由硬件实现。传统机器语言机器级：机器指令系统，由微程序解释执行。操作系统机器级：传统机器级指令和操作系统级指令，由第3级和第2级共同执行。汇编语言机器级：汇编语言，汇编语言程序翻译成第3级或第2级，然后执行。高级语言机器级：高级语言程序由编译器翻译到第4级或第3级。应用语言机器级：有应用程序翻译成第5级机器上的语言 3：翻译就是先用转换器把高一级机器上的程序转换成低一级机器上等效程序，然后再低一级机器上运行，实现功能。解释就是对于高一级机器上的程序中的每条语句或指令都转成低一级机器上的等效程序。解释消耗时间多，但是空间少。6层结构中，下3层解释实现，上3层翻译实现，下2层是物理机，上4层是虚拟机。

4：计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现，定义各部件的功能和各部件的联系。计算机实现：是指计算机组成的物理实现。计算机系统结构定义了应有什么功能，计算机组成定义了怎么实现这些功能，计算机实现定义了实现这些功能的具

计算题(共75分，每题必须有计算或设计过程才计分)

1、(12分)假定利用增加向量处理模块来提高计算机的运算速度。计算机处理向量的速度比其通常的运算要快20倍。将可用向量处理部分所花费的时间占总时间的百分比称为可向量化百分比。

(a)求出加速比S和可向量化百分比F之间的关系式。(5分) (b)当要得到加速比为2时的可向量化百分比F为多少？(3分) (c)为了获得在向量模式所得到的最大加速比的一半，可向量化百分比F为多少？(4分)

2、(12分)某RISC处理机各类指令使用频率和理想CPI(指令和数据访问Cache命中率为100%时的CPI)如表1所示。而实际测得的指令访问Cache缺失率(miss rate)为5%，数据访问的Cache缺失率为10%，而Cache的缺失损失(miss penalty)为40个时钟周期。

(a)该机器在无Cache缺失(理想情况)时的CPI是多少？(5分)

(b)该机器在无Cache缺失(理想情况)时的加速比有Cache缺失时快多少倍？(7分)

表1 无Cache缺失时不同类型指令的行为 指令类型 频率 CPIideal 指令访问 数据访问 ALU 43% 1 1 0 LOAD 21% 2 1 1 STORE

sdg

计算机系统结构复习要点

第一章 计算机系统结构的基本概念 1、 计算机系统的层次结构

第1级：微程序机器；第2级：机器语言；第3级：操作系统虚拟机；第4级：汇编语言虚拟机；第5级：高级语言虚拟机；第6级：应用语言虚拟机。

2、 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等。

它着眼于物理机器级内各事件的排序方式与控制方式、各部件的功能以及各部件之间的联系。

3、 计算机实现指的是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，模块、

插件、底板的划分与连接，信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。它着眼于器件技术和微组装技术，其中器件技术在实现技术中起主导作用。

4、 CPU性能公式 CPU时间=IC×CPI×时钟周期时间

其中，IC为所执行的指令条数；CPI为每条指令的平均时钟周期数 例1.3 考虑条件分支指令的两种不同设计方法：

（1）CPUA：通过比较指令设置条件码，然后测试条件码进行分支。 （2）CPUB：在分支指令中包括比较过程。

在这两种CPU中，条件分支指令都占用2个时钟周期，而所有其他指令占用1个时钟周期。对于CPUA，执行的指令中分支指令

计算机系统结构复习题

参考书目：《计算机体系结构》，张晨曦等编著，高等教育出版社。

第一章：

基本概念：层次结构、计算机体系结构的概念、透明性、计算机组成和计算机实现技术、翻译和解释技术、系列机概念、兼容性、程序的局部性原理。

1.1 对于一台400MHz计算机执行标准测试程序,程序中指令类型、执行数量和平均时钟周期数如表所示。 指令类型 整数 数据传送 浮点 分支 指令执行数量 45000 75000 8000 1500 平均时钟周期数 1 2 4 2 求该计算机的有效CPI、MIPS（即计算机每秒执行的百万条指令数）和程序执行时间。 1.2 假设在某程序的执行过程中,浮点操作时间占整个执行时间的10%,现希望对浮点操作加速,则

(1) 设对浮点操作的加速比为Sf。画出程序总加速比SP和Sf之间的关系曲线。 （2）程序的最大加速比可达多少？

1.3 计算机系统中有3个部件可以改进方法,这3个部件的部件加速比如下: 部件加速比1=30 部件加速比2=20 部件加速比3=10

(1) 如果部件1和部件2的可改进比例均为30%,那么当部件3 可改进比例为多少时,系统加

速比才可以达到10?

(2) 如果3个部件的可改进比例分别为30%、30%和2