高等计算机系统结构习题.doc

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】B4、从执行程序的角度看，并行性等级可分为哪些？【答案】指令内部并行、指令级并行、任务级或过程级并行、作业或程序级并行。5、名词解释Amdahl定律、CPI【答案】Amdahl定律：系统中某一部件由于采用某种更快的执行方式后整个系统性能的提高与这种执行方式的使用频率或占总执行时间的比例有关。Fe=（改进前可改进部分占用的时间）/（改进前整个任务的执行时间）Se=（改进前可改进部分的执行时间）/（改进后改进部分的执行时间）则，改进后整个系统加速比为。每条指令平均时钟周期数CPI=CPU时钟周期数/IC（指令的条数）=其中=指令i在程序中执行的次数6、名词解释MIPS、MFLOPS【答案】MIPS=MFLOPS=7、按照计算机系统层次结构，算术运算、逻辑运算和移位等指令应属于（）级机器语言。A、传统机器语言机器B、操作系统机器C、汇编语言机器D、高级语言机器【答案】B8、按照Flynn分类法，多处理机属于（）。A、SISDB、SIMDC、MISDD、MIMD【答案】D9、按照Amdahl定律，假设将某系统的某一部件的处理速度加快到原来的5倍，但该部件的原处理时间仅为整个运行时间的20%，则采用加快措施后能使整个系统的性能提高到原来的（）倍。A、1/0.36B、1/0.24C、1/0.45D、1/0.84【答案】D10、对计算机系统结构，下列（）是透明的。A、浮点数据表示B、程序性中断C、访问方式保护D、阵列运算部件【答案】D11、对汇编语言程序员，下列（）不是透明的。A、中断字寄存器B、乘法器C、移位器D、指令缓冲器【答案】A12、下列（）兼容方式对系列机来说是必须做到的。A、向前兼容B、向后兼容C、向上兼容D、向下兼容【答案】B13、如果某一个计算任务用向量方式求解比用标量方式求解要快10倍，称可用向量方式求解部分所花费时间占总时间的百分比为可向量化百分比。请画出加速比与可向量化比例两者关系的曲线，并回答加速比为2和5时，可向量化百分比分别为多少。【答案】解：设可向量化百分比为x，加速比为y，根据Amdahl定律，有 。图略则，。y=2时，x= y=5时，x=14、用一台433MHz的处理器执行标准测试程序，它包含的各类指令和相应的时钟周期数如下表，求有效CPI、MIPS速率和程序的执行时间。指令类型指令数时钟周期数整数运算50 0001数据传送35 0002浮点运算12 0002控制传送 7 0002【答案】解：=(50000*1+35000*2+12000*2+7000*2)/(50000+35000+12000+7000)=1.52周期/指令=执行时间t=(50000*1+35000*2+12000*2+7000*2)/(433*)=3.649*15、假设对A机器指令系统的每条指令的解释执行可直接由B机器的一段微程序解释执行，则A称为（）。A、仿真机B、宿主机C、虚拟机D、目标机【答案】D16、假设用软件方法在A计算机上实现B计算机的指令系统，则B称为（）。A、仿真机B、宿主机C、虚拟机D、目标机【答案】C17、在计算机系统层次结构图中，下列四个级别机器由下到上应按（）排列：（1）、汇编语言机器（2）、微程序控制机器（3）、传统机器语言机器（4）、操作系统机器A、（2）（3）（4）（1）B、（2）（4）（3）（1）C、（3）（2）（1）（4）D、（1）（2）（3）（4）【答案】A18、在计算机系统设计的方法中，“由中间开始”设计方法通常把“中间”取在（）。A、传统机器级和操作系统机器级之间B、操作系统机器级和汇编语言机器级之间C、传统机器级和汇编语言机器级之间D、微程序控制机器级和传统机器级之间【答案】A19、在系列机的软件兼容中，按某档机器编制的程序，不加修改就能运行于比它高档的机器，叫做（）。A、向下兼容B、向上兼容C、向前兼容D、向后兼容【答案】B20、什么是访问的局部性原理，有哪两种，分别是什么？【答案】局部性原理是指根据程序的最近情况，可以较精确地预测出最近地将来将要用到哪些指令和数据。局部性分为时间上的局部性和空间上的局部性。时间上的局部性是指最近访问过的代码是不久将被访问的代码。空间上的局部性是指那些地址上相邻近的代码可能会被一起访问。21、用于科学计算的计算机中，标志系统性能的主要参数是（）。A、提高CPU主频B、扩大主存容量C、采用非冯.诺依曼结构D、采用并行处理技术【答案】A22、下列体系结构中，最适合多个任务并行执行的体系结构是（）。A、流水线向量机结构B、堆栈处理机结构C、共享存储多处理机结构D、分布存储多计算机结构【答案】C23、对计算机系统结构按照Handler法分类，PEPE表示为t(ILLIAC )= (1，64，64)，则在Flynn分类法中，它属于（）。A、SISDB、SIMDC、MISDD、MIMD【答案】B24、在冯诺依曼计算机特征中，机器以（）为中心。A、存储器B、输入输出设备C、运算器D、控制器【答案】C25、如果有一个经解释实现地计算机，可以按功能划分为3级。每一级为了执行一条指令需要下一级的M条指令解释。若执行第一级的一条指令需要Kns的时间，那么执行第三级的一条指令需要用（）ns时间。A、KMB、KMC、KMD、KM【答案】D26、从用户的观点看，评价计算机系统性能的综合参数是（）。A、指令系统B、吞吐率C、主存容量D、主频率【答案】B27、主频为400MHz的微处理机，平均每条指令的执行时间为两个机器周期，每个机器周期由两个时钟脉冲组成，则当存储器为“零等待”时，机器运行速度为（）MIPS。A、100B、200C、300D、400【答案】A28、为使虚存系统有效地发挥其预期的作用，所运行的程序应具有的特性是（）。A、该程序不应含有过多的I/O操作B、该程序的大小不应该超过实际的内存容量C、该程序应具有较好的局部性D、该程序的指令相关不应过多【答案】C29、下列哪个方法不能提高并行性？A、时间重叠B、资源重复C、资源共享D、分布存储【答案】D30、在采用基准测试程序来测试评价机器的性能时，下列方法按照评价准确性递增的顺序排列是（）。（1）、实际的应用程序方法（2）、核心程序方法（3）、玩具基准测试程序（小测试程序）（4）、综合基准测试程序A、（1）（2）（3）（4）B、（2）（3）（4）（1）C、（3）（4）（1）（2）D、（4）（3）（2）（1）【答案】D31、每秒百万指令条数为（）。A、ICB、CPIC、MIPSD、MFLOPS【答案】C32、软件和硬件在（）意义上是等效的。A、系统结构B、功能C、性能D、价格【答案】B33、机器工作状态的定义和切换对（）来说是透明的。A、操作系统操作员B、机器语言程序员C、逻辑设计员D、硬件维护员设计员【答案】A34、某台计算机只有Load/Store 指令能对存储器进行读/写操作，其它指令只对寄存器进行操作。根据程序跟踪实验结果，已知每种指令所占的比例及CPI数如下： 指令类型 指令所占比例 CPI 算逻指令43 1 Load指令21 2 Store指令12 2 转移指令24 2 (1)求上述情况下的平均CPI。(2)假设程序由M条指令组成。算逻运算中25%的指令的两个操作数中的一个已在寄存器中，另一个必须在算逻指令执行前用Load指令从存储器取到寄存器。因此有人建议增加另一种算逻指令，其特点是一个操作数取自寄存器，另一个操作数取自存储器，即寄存器存储器类型，假设这种指令的CPI等于2。同时，转移指令的CPI变为3。求新指令系统的平均CPI。【答案】（1） CPI旧(0.4310.2120.122+0.242)=1.57（2） 原算逻指令中的25变成了寄存器存储器型指令，所以算逻指令(寄存器寄存器型)少了(0.250.43)M 条，Load指令少了(0.250.43)M 条，而(0.250.43)M 条的新指令为寄存器存储器型指令。指令总数少了(0.2543%)M条。设执行算逻指令(寄存器寄存器型) 、 Load指令、算逻指令(寄存器存储器型) 、 Store指令和转移指令的周期总数分别为C1，C2，C3，C4，C5，所以:C1=(0.43-(0.250.43)M1=0.3225M C2=(0.21-(0.250.43)M2=0.205M C3=(0.250.43)M2=0.215M C4=0.12M2=0.24M C5=0.243M=0.72M 新指令总数N=（1-(0.250.43)）M=0.8925M CPI新=（C1+C2+C3+C4+C5）/ N=1.7025M/0.8925M=1.908 35假设一台计算机可用两种运行方式，即常规方式与提高方式执行一个程序，其概率分布分别为，1-。(a) 假如在a与b之间变动，0ab1，试用调和均值概念推导平均加速比因子表达式。（, n为性能提高的倍数）试计算a0和b1时的加速比因子。【答案】（a）, n为性能提高的倍数（b）36、假设在一台40MHZ处理机上运行200,000条指令的目标代码，程序主要由四种指令组成。根据程序跟踪实验结果，已知指令混合比和每种指令所需的指令数如下：指令类型CPI指令混合比算术和逻辑160%高速缓存命中的加载/存储218%转移412%高速存储缺失的存储器访问810%计算在单处理机上用上述跟踪数据运行程序的平均CPI。根据所得的CPI,计算相应的MIPS速率。【答案】平均=2.2437、假设高速缓存Cache工作速度为主存的5倍，且Cache被访问命中的概率为90%，则采用Cache后，能使整个存储系统获得多高的加速比？【答案】Speedup = =3.5738、假定一个计算机设计者，对高级语言结构的使用进行研究，结果表明过程调用是最常用的操作之一。该设计者已设想了一个优化的设计方案，它能减少过程调用和返回所需的取存指令次数。为了进行验证，对未加优化和已优化的方案进行实验测试，假定所使用的是相同的优化编译器。实验测得结果如下：（1）为优化方案的时钟周期比优化的快5（2）未优化方案中的取存指令数占总指令数的30（3）优化方案中的取存指令数比未优化的少1/3，对于其他指令，两种方案的动态执行数没有变化（4）所有指令，包括取存，均只需1个时钟周期要求定量的判断，哪一个设计方案使计算机工作的速度更快。【答案】由（1）可知，未优化方案的时钟周期t=0.95t1，t1为优化后的时钟周期由（2）（3）可以得到优化方案的指令条数由（4）可知，两种方案的CPI都是1，又因为所以，优化后的方案工作速度更快。39、假定要将某一执行部件改进后速度提高10倍，改进后被改进部件执行时间占系统总运行时间的50。问改进后，获得的加速比是多少？【答案】假设系统在改进前后的执行时间分别为和，则（1）由（1）式，得 （2）由题意 （3）（2）-（3），得 （4）（5）由（4）（5）可得 40、某工作站采用时钟频率f为15MHz，CPI为1.5的处理机来执行一个已知混合程序。假定每次存储器存取为1个周期延迟，问：（1） 此计算机的处理速率为多少MIPS？（2） 假定将处理机的时钟频率f提高到30MHz，但存储器子系统的速率不变。这样，每次存储器存取需要2个时钟周期，如果30指令每条只需要一次存储存取，而另外5每条需要2次存储存取，还假定已知混合程序的指令数不变，并与原工作站兼容，试求改进后的处理机性能。【答案】（1） MIPS=f/(CPI*10)=15*10/(1.5*10)=10MIPS（2） 如题所述，30的指令需要一次存储存取，则这些指令在处理器提高时钟频率之后需要增加1个时钟周期；同样，另外5的指令需要增加2个时钟周期。=(改进前执行混合程序所需的时钟周期数+30*1*指令数+5%*2*指令数)/指令数=+30%*1+5%*2=1.5+0.3+0.1=1.9处理速率MIPS=假设混合程序的指令数为IC，则有可见，改进后工作站性能提高了。41、1台向量计算机1次只能以下述两种执行方式中的一种运行：一种是向量方式，执行速度为10MFLOPS；另一种是标量方式，执行速度为1MFLOPS。设是该计算机的典型程序代码中可向量化部分的百分比。（a）推导出该计算机平均执行速度R的公式（b）要使R达到7.5MFLOPS，问向量化百分比应多大？（c）假设=1MFLOPS，=0.7，要使R达到2MFLOPS，问应为多大？【答案】（a）（b）R=7.5，则，=0.963（c）， 则MFLOPS42、假设我们有一个需要运行100秒的标准程序，其中有90秒是CPU时间而剩下的是I/O占用的时间。如果在以后的五年中，CPU速度每年提高50%且I/O时间保持不变，那么五年后我们的程序要耗费多少时间？【答案】耗费的时间 = CPU时间 +I/O时间100 = 90 + I/O时间I/O时间 = 10 秒下表计算新的处理器时间和剩下的运行时间: 第N年以后 CPU时间 I/O时间 耗费的时间%I/O时间 0 90秒 10秒 100秒 10% 190/1.5=60秒 10秒 70秒 14% 260/1.5=40秒 10秒 50秒 20% 340/1.5=27秒 10秒 37秒 27% 427/1.5=18秒 10秒 28秒 36% 518/1.5=12秒 10秒 22秒 45%43、计算机系统有三个部件可以改进，这三个部件的加速比如下：部件1加速比S1=30；部件2加速比S2=20；部件3加速比S3=10；（1）如果部件1和部件2的可改进比例为30，那么当部件3的可改进比例为多少时，系统的加速比才可以达到10？（2）如果三个部件的可改进比例为30、30和20，三个部件同时改进，那么系统中不可加速部分的执行时间在总执行时间中占的比例是多少？【答案】（1）多个部件可改进情况下Amdahl定理的扩展其中，Fi为可加速部件I在未优化系统中所占的比例，Si是部件I的加速比。F3=0.36=36%（2）44、假设我们考虑条件分支指令的两种不同设计方法如下：CPU1：通过比较指令设置条件码，然后测试条件码进行分支。CPU2：在分支指令中包括比较过程。在两种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CPU1，执行的指令中分支指令占20；由于每个分支指令之前都需要有比较指令，因此比较指令也占20。由于CPU1在分支时不需要比较，因此假设它的时钟周期时间比CPU2快1.25倍。哪一个CPU更快？如果CPU1的时钟周期时间仅仅比CPU2快1.1倍，哪一个CPU更快？【答案】对于CPU1，占用2个时钟周期的分支指令占总指令的20，剩下的指令占用1个时钟周期，所以CPI1=0.2*2+0.8*1=1.2总CPU时间T1=IC*1.2*时钟周期1根据假设，有：时钟周期2=1.5*时钟周期1在CPU2中，没有独立的比较指令，所以CPU2的程序量为CPU1的80%，分支指令的比例为：20%/80%=25%这些分支指令占用2个时钟周期，而剩下的75%的指令占用1个时钟周期，因此：CPI2=0.25*2+0.75*1=1.25IC2=0.8*IC1总CPU时间T2=IC2*CPI2*时钟周期2=0.8*IC1*1.25*1.25*时钟周期1 =1.25*IC1*时钟周期1在这些假设之下，尽管CPU2执行指令条数较少，CPU1因为有着更短的时钟周期，所以比CPU2快。如果CPU1的时钟周期仅仅比CPU2快1.1倍，则时钟周期2=1.1*时钟周期1T2=1.1*IC1*时钟周期1因此，CPU2由于只能更少的指令，比CPU1运行更快。45、从机器（汇编）语言程序员看，以下哪些是透明的？指令地址寄存器；指令缓冲器；时标发生器；条件码寄存器；乘法器；主存地址寄存器；磁盘外设；先行进位链；移位器；通用寄存器；中断字寄存器【答案】透明的有：指令缓冲器、时标发生器、乘法器、磁盘外设、先行进位链、移位器46、实现软件移植的主要途径有哪些？它们存在什么问题？适用于什么场合？【答案】（1） 采用系列机方法，只能在具有相同系统结构的各种机器之间实现软件移植，一般是一个厂家生产的机器。（2） 采用模拟与仿真的方法，可在不同系统结构的机器之间相互移植软件，对于使用频率较高的指令，尽可能用仿真方法以提高运算速度，而对于使用频率低且难于用仿真实现的指令则用模拟方法来实现。（3） 采用统一的高级语言方法，可以解决结构相同或完全不同的各种机器上的软件移植，但是，要统一高级语言，语言的标准化很重要，但难以在短期内解决。47、在SUN SPARC2工作站上，对SPEC Benchmark进行测试，获得了如下所示的速率值，求出其算术、几何及调和平均值（以MFLOPS表示）程序名速率（MFLOPS）GCC10.7Espress08.9Spice2g68.3DODUC5.0NASA78.7Li9.0Eqntott9.7Matrix30011.1FPPPP7.8TOMCATV5.6【答案】算术平均值几何平均值=8.25调和平均值48、某计算机系统采用浮点运算部件后，使浮点运算速度提高到原来的20倍，而系统运行一程序的整体性能提高到原来的5倍，试计算该程序中浮点操作所占的比例。【答案】设该程序中浮点操作所占的比例是x有： x=0.8/0.95=84.2%49、假定我们有一台计算机，如果所有的cache访问都命中的话，它的CPI是2.0。唯一的数据访问指令是store和load，它们占指令总数的40，不命中损失是25个时钟周期，不命中率是2。如果所有的指令访问cache都命中的话，那么机器的速度是存在cache不命中时的多少倍？【答案】首先计算所有cache访问都命中时计算机的性能：CPU执行时间（CPU时钟周期内存停机周期）时钟周期时长 （ICCPI0）时钟周期时长 IC2.0时钟周期时长现在计算考虑cache不命中在内的真实计算机性能，我们先计算内存停机周期：内存停机周期=IC每条指令访问内存的次数不命中率不命中损失 =IC（10.4）0.0225=IC0.7其中（10.4）代表每条指令访问一次内存, 而占指令总数40%的store和load访问两次内存, 所以平均每条指令访问访问(1+0.4)次内存。这样总的性能是：CPU执行时间 =（IC2.0IC0.7）时钟周期时长 = IC2.7时钟周期时长性能提高的比是执行时间之比的倒数：ca