计算机系统结构复习题

1 简答题 传统的存储程序计算机的主要特征是什么 存在的主要问题是什么 目前计算机系统是如何 改进的 正确答案 解 主要特征 1 机器以运算器为中心 2 采用存储程序原理 3 存储器是按地址访问的 线性编址的空间 4 控制流由指令流产生 5 指令由操作码和地址码组成 6 数据以二进制编码表示 采用二进制运算 主要问题和改进 1 问题 以运算器为中心 所有部件的操作都由控制器集中控制 导致慢速输入输出操作占用 快速运算器矛盾 影响运算器效率发挥 改进 各种分布式的I O处理或输入输出方式如程序控制 DMA 直接存储器访问 方式 I O处理机等 2 问题 数据和指令存放在同一存储器中 自我修改程序是难以编制 调试和使用的 不利于 指令执行的重叠和流水 改进 通过存储管理硬件的支持 由操作系统控制在程序执行过程中不准修改程序 3 问题 访问存储器次数较多影响计算机系统性能 改进 按内容访问的相联存储器CAM 大量使用通用寄存器 在CPU和主存之间设置高速缓冲 存储器cache 4 问题 受程序计数器控制 程序执行只能串行 顺序执行 改进 改进CPU的组成 如采用重叠方式 先行控制 多操作部件甚至流水方式把若干条指令的 操作重叠起来 采用向量处理技术 多机并行处理 总之通过并行处理技术进一步提升计算机 系统速度 5 问题 需要指令功能更加丰富 但实现困难 计算机存储器容量大增 采用直接寻址方式指 令中地址码位数不够 改进 出现了CISC和RISC指令系统 CISC用硬件实现大量丰富功能 RISC只包含使用频率高 的少量指令 采用多种灵活的寻址方式 如间接寻址 相对寻址 变址寻址 基址寻址 页式寻 址等 2 简答题 通用寄存器型指令系统结构在灵活性和提高性能方面的优势主要体现在哪几个方面 正确答案 1 寄存器的访问速度比存储器快很多 2 对编译器而言 能更加容易 有效地分配和使用寄存器 在表达式求值方面 通用寄存器型 结构具有更大的灵活性和更高的效率 3 简答题 简述指令系统结构中采用多种寻址方式的优缺点 正确答案 采用多种寻址方式优点是可以显著地减少程序的指令条数 缺点是可能增加计算机的实现复 杂度以及指令的平均执行时钟周期数 4 简答题 根据CPU性能公式简述RISC指令集结构计算机和CISC指令集结构计算机的性能特点 正确答案 1 CISC指令系统计算机特点是指令数量多 功能多样 除了包含基本指令外 往往还提供了很 多功能很强的指令 根据CPU性能公式 只有对于频繁使用的子程序或指令串 用较强功能的 指令取而代之才划得来 CISC指令系统据统计 只有20 的指令使用频度比较高 占运行时间 的80 而其余80 的指令只在20 的运行时间内才会用到 而且使用频度高的指令也是最简 单的指令 CICS指令系统有可能降低系统的性能和效率 2 RISC指令系统指令条数少 指令功能简单 确定指令系统时 只选取使用频度很高的指令 在此基础上补充一些最有用的指令 克服上述CISC的缺点 5 简答题 简述流水线技术特点 正确答案 1 流水过程由多个相联系的子过程组成 2 每个子过程由专用的功能段实现 3 各个功能段所需时间尽量相等 4 流水线有 通过时间 第一个任务流出结果所需的时间 在此之后流水过程才进入稳定工作 状态 一拍流出一个结果 5 流水技术适合于大量重复的时序过程 只有输入端连续提供任务 流水线效率才可充分发 挥 6 简答题 什么是主存块和Cache块的映像规则 主要有几种 试简述之 正确答案 当把一个块从主存调入Cache时 决定主存块在Cache中位置对应关系的规则叫做映像规则 映 像规则主要有三种 1 直接映像 主存块只能被放置到唯一的一个Cache块的位置 2 全相联映像 主存块可以被放置到任意一个Cache块的位置 3 组相联映像 主存块可以被放置到唯一的一个Cache组中的任意一个Cache块的位置 7 简答题 简述 Cache 主存 层次与 主存 辅存 层次的区别 正确答案 8 简答题 请根据以下图片说一说Cache中三种失效与Cache容量的关系 正确答案 1 相联度越高 冲突失效就越少 2 强制性失效不受Cache容量的影响 但容量失效却随着容量的增加而减少 强制性失效和容量 失效不受相联度的影响 3 表中的数据符合2 1的Cache经验规则 即大小为N的直接映象Cache的失效率约等于大小为N 2 的两路组相联Cache的失效率 9 简答题 请简述四种通过降低Cache失效率来改进Cache性能的方法 正确答案 1 调节Cache块大小 是降低失效率最简单的方法 对于给定容量的Cache 当块大小从较小如 16个字节开始增加时 失效率开始下降 当块大小增加较大时 失效率开始上升 Cache容量越 大 使得失效率达到最小的块大小也越大 2 提高相联度 提高相联度会降低失效开销 但却增加了命中时间 因此当Cache容量较小时 可以采用较高的相联度如4路或8路 Cache容量较大时宜采用较低的相联度 3 Victim Cache 在Cache与下一级存储器的数据通路间增加一个全相联的小Cache即Victim Cache放置被替换出的Cache块 当发生失效时 先检查Victim Cache有所需块 如果有调入Cache 此法增加了软硬件开销 4 硬件预取 利用局部性原理 预取指令和数据放入Cache 指令预取已经非常普遍了 此法增 加了硬件开销 5 编译器控制的预取 利用局部性原理 预取指令和数据放入Cache 此法不增加硬件开销 6 编译器优化 编译时对程序中的指令和数据重新组织 如数组合并 内外循环交换 循环融 合 分块等 利用局部性原理降低Cache失效率 此法中指令重排序可能引发数据相关问题 10 名词解释 体系结构 正确答案 程序员所看到的计算机的属性 即概念性结构与功能特性 11 名词解释 软件兼容 正确答案 同一个软件可以不加修改地运行于体系结构相同的各档机器上 而且它们所获得的结果一样 差别只在于运行时间不同 12 名词解释 存储程序计算机 正确答案 冯诺依曼结构计算机 采用存储程序原理 将程序和数据存放在同一存储器中 指令在存储器 中按其执行顺序存储 由指令计数器指明每条指令所在的单元地址 13 名词解释 并行性 正确答案 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 14 名词解释 大概率事件优先 正确答案 计算机体系结构中最重要和最常用的原则 即对最常见事件赋予优先处理权和资源使用权 以 获得全局的最优结果 15 名词解释 系统加速比 正确答案 系统改进前与改进后总执行时间之比 16 名词解释 Amdahl定律 正确答案 加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比 受限于该部件在系统中所占的重要性 17 名词解释 程序局部性原理 正确答案 程序总是趋向于使用最近使用过的数据和指令 包括时间局部性和空间局部性 时间局部性是 指 程序即将用到的信息很可能就是目前正在使用的信息 空间局部性是指 程序即将用到的 信息很可能与目前正在使用的信息在空间上相邻或者相近 18 名词解释 CPI 正确答案 指令时钟数 19 名词解释 平均无故障时间MTTF 正确答案 以小时为单位 用于度量系统可以正常提供服务的量化指标 20 名词解释 通用寄存器型机器 正确答案 CPU中存储操作数的单元是通用寄存器的机器 21 名词解释 寻址方式 正确答案 指令系统中产生所要访问数据地址的方法 22 名词解释 指令系统的完整性 正确答案 对任何一个可解的问题 指令系统提供的指令足够使用 指令系统功能全 使用方便 23 名词解释 数据表示 正确答案 计算机硬件能够直接识别 指令系统可以直接调用的数据类型 24 名词解释 PC相对寻址 正确答案 一种以程序计数器PC作为参考点的寻址方式 主要用于在转移指令中制定目标指令的地址 25 名词解释 流水线技术 正确答案 将一个重复的时序过程 分解为若干个子过程 而每一个子过程都可有效地在其专用功能段上 与其他子过程同时执行 26 名词解释 通过时间 正确答案 流水线第一个任务流出结果所需的时间 27 名词解释 排空时间 正确答案 最后一个任务输入后到完成的时间 28 名词解释 定向技术 正确答案 在某条指令产生一个计算结果之前 其他指令并不真正需要该计算结果 如果能够将该计算结 果从其他产生的地方直接送到其他指令需要它的地方 那么就可以避免因为数据相关引起的 暂停 29 名词解释 静态流水线 正确答案 同一时间内 流水线的各段只能按同一种功能的连接方式工作 30 名词解释 吞吐率 正确答案 衡量流水线速度的重要指标 指在单位时间内流水线所完成的任务数或输出结果的数量 31 名词解释 流水线的效率 正确答案 流水线的设备利用率 32 名词解释 相关 正确答案 流水线中流动的指令极有可能会相互依赖 即它们之间存在着相关关系 相关包括数据相关 结构相关和控制相关三类 33 名词解释 数据相关 正确答案 当指令在流水线中重叠执行时 流水线有可能改变指令读 写操作的顺序 使得读 写操作顺序 不同于它们非流水实现时的顺序 从而导致数据相关 34 名词解释 写后读相关 正确答案 相关两条指令i j i在j前进入流水线 j执行要用到i的结果 但当其在流水线中重叠执行时 j可 能在i写入其结果之前就先行对保存该结果的寄存器进行读操作 得到错误的值 35 名词解释 写直达法 正确答案 不仅把信息写入Cache中相应的块 而且也写入下一级存储器中相应的块 36 名词解释 命中时间 正确答案 访问Cache命中时所用的时间 37 名词解释 强制性失效 正确答案 当第一次访问一个块时 该块一定不在Cache中 必须从下一级存储器中调入Cache 这种失效 叫做强制失效 38 名词解释 非阻塞Cache 正确答案 一种降低Cache失效开销的方法 它允许Cache在处理失效时 能够继续提供后续访问指令和数 据的服务 39 名词解释 平均访存时间 正确答案 命中时间 失效率 失效开销 40 计算题 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 1 设对浮点操作的加速比为 请推导出程序总的加速比S和之间的关系表达式 2 请问程序的最大加速比可达多少 正确答案 41 计算题 假设某应用程序中有4类操作 通过改进 各操作获得不同的性能提高 具体数据如附件所示 1 改进后 各类操作的加速比分别是多少 2 各类操作单独改进后 程序获得的加速比分别是多少 3 4类操作均改进后 整个程序的加速比是多少 正确答案 解 1 改进后 操作1的加速比 2 1 2 操作2的加速比 20 15 1 3 操作3的加速比 10 3 3 3 操作4的加速比 4 1 4 42 计算题 数据中心由成百上千甚至数万台节点计算机构成 通过多种技术 在故障节点数不超过一定数 量时 系统提供的服务都可以得到保障 1 假设某数据中心有10000个节点计算机 每个节点的MTTF为50天 只要故障节点计算机数 不超过3000个 中心就可以正常服务 请计算数据中心的MTTF 2 如果要使中心的MTTF增加一倍的时间 请给出解决方案 正确答案 43 计算题 某机器的指令字长为16位 设有单地址指令和二地址指令 若每个地址字段均为6位 且二地 址指令有A条 问单地址指令最多可以有多少条 正确答案 1 若只考虑单地址指令 地址占6位 则操作码占10位 故最多可以有条单地址指令 2 现在有二地址指令A条 其地址码占12位 操作码占4位 即在刚刚假设的条单地址指令 中还包括了A 条二地址指令 故单地址指令最多有 A 条 44 计算题 一台模型机器共有7条指令 各指令的使用频度分别为35 I1 25 I2 20 I3 10 I4 5 I5 3 I6 2 I7 有8个通用寄存器和2个变址寄存器 若要求设计8位长的寄存器 寄存器型指令3条 16位长的寄存器 存储器型变址寻址指令4条 变址范围为 127至 127 请设计指令格式 并给出指令各字段的长度和操作码编码 正确答案 1 8位长寄存器 寄存器型指令3条 其中操作码占2位 两个寄存器操作数各占3位共6位 2 16位长寄存器 存储器型变址寻址指令4条 操作码占4位 操作数占12位 其中寄存器操作数占3位 存储器操 作数占9位 3 I1 I2和I3的操作码分别是00 01和10 两个寄存器操作数各3位 4 I4 I5 I6和I7的操作码分别是1100 1101 1110 1111 其寄存器操作数编址都是3位 存储 器操作数编址都是9位 其中1位是变址寄存器 8位是偏移地址 编址范围都是 127至 127 45 计算题 设在静态流水线上计算 流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应的流水线寄 存器中 试计算其吞吐率和效率 正确答案 1 选择适合于流水线工作的算法 对本题应先计算 和 再计算 以及 最后求总的累加和 2 画出该计算过程在静态流水线上的时空图 3 计算吞吐率 由图可知在20个时间内 得到7个计算结果 所以吞吐率TP 7 20 4 效率 由图可知非空闲的时空区为4 4 3 6共计34个 8段的总时空区为8 20共计160个 因 此效率E 34 160 0 21 46 计算题 在一条单流水线多操作部件的处理机上执行下面的程序 取指令 指令译码各需要一个时钟周 期 MOVE ADD和MUL操作各需要2个 3个和4个时钟周期 每个操作都在第一个时钟周期 从通用寄存器中读操作数 在最后一个时钟周期把运算结果写到通用寄存器中 K MOVE R1 R0 R1 R0 K 1 MUL R0 R2 R1 R0 R2 R1 K 2 ADD R0 R3 R2 R0 R3 R2 画出指令执行的流水线时空图 并计算执行完三条指令共使用了多少个时钟周期 正确答案 从上图可以看到 计算执行完3条指令共使用了9个时钟周期 47 计算题 假设两级Cache系统 在1000次访存中 L1Cache失效40次 L2Cache失效20次 在这种情况下 该Cache系统的局部失效率和全局失效率各是多少 假设L2 Cache到主存的失效开销为200个周期 L2的命中时间为10个周期 L1的命中时间为1个周期 平均每条指令访存1 5次 则平均访存时间是多少 平均每条指令的存储器停顿周期是多少 正确答案 1 40 1000 4 20 40 50 20 1000 2 或 4