计算机系统结构期末考试题目

第一章 第一章 1 计算机系统结构的定义 答 由程序设计者看到的一个计算机系统的属性 即概念性结构和功能特性 2 透明性概念 答 在计算机技术中 一种本来是存在的事物或属性 但从某种角度看似乎不存在 称为透明性现象 3 兼容性 向后兼容 兼容性 同一个软件可以不加修改地运行于系统结构相同的各档机器 可获得相同的 结果 差别只在于不同的运行时间 向后兼容 按某个时期投入市场的某种型号机器编制的程序 不加修改就能运行于在 它之后投入市场的机器 4 Amdahl 定律 答 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 5 CPI 答 每条指令的平均时钟周期数 6 MIPS 答 每秒百万条指令数 MIPS 时钟频率 CPI 10 6 7 MFLOPS 答 每秒百万次浮点操作次数 MFLOPS 程序中的浮点操作次数 执行时间 10 6 8 命中率的概念 答 9 Flynn 分类法是按指令流和数据流的多倍性特征进行计算机系统结构的划分 答 单指令流单数据流 SISD 单指令流多数据流 SIMD 多指令流单数据流 MISD 实际不存在 多指令流多数据流 MIMD 10 计算机系统设计的定量原理 四个 答 加快经常性事件的速度 Amdahl 定律 CPU 性能公式 访问的局部性原理 11 CPI 和加速比的计算 答 CPI CPU 时钟周期数 IC CPU 时间 CPU 时钟周期数 频率 CPU 时间 CPU 时钟周期 时钟周期长 加速比 采用改进措施后的性能 没有采用改进措施前的性能 没有采用改进措施前执行某任务的时间 采用改进措施后执行某任务的时间 12 软硬件实现的特点 硬件实现 速度快 成本高 灵活性差 占用内存少 软件实现 速度低 复制费用低 灵活性好 占用内存多 13 系统评价的标准 运算速度 存储器系统 其他性能 成本标准 第二章第二章 指令系统指令系统 1 数据表示和数据类型 答 数据表示是计算机硬件能够直接识别 可以被指令系统直接调用的数据类型 2 浮点数和定点数的区别是浮点数的小数点可以不是固定的 3 浮点数的表示方式 物理空间可以划分为四个部分 答 mf尾数的符号位 ef 阶码的符号位 e 阶码的值 m 尾数的值 4 评价浮点数表示性能的三个指标 答 表数范围 表数精度 表数效率 5 浮点数舍入处理 恒舍法 恒置法 6 警戒位的设置 在规定的尾数字长之外 运算器中的累加器需要另外增加的长度称为警戒位 不设置警戒位 可能出现很大的误差 7 数据描述符的数据表示方法和带标志符的数据表示方法的不同在于前者可以表示一组 数据 8 字节编址的存储器 字长为 64 位 每个字的最低三位二进制数值都为 0 因此造成了 地址空间的浪费 9 零地址空间 对通用寄存器 主存和 I O 设备分别进行编址 那么系统具有 3 个零地 址空间 10 间址寻址和变址寻址的方式 间接寻址方式与变址寻址方式的比较 目的相同 都是为了解决操作数地址的修改 原则上 一种处理机中只需设置间址寻址方式与变址寻址方式中的任何一种即可 有 些处理机两种寻址方式都设置 主要优缺点比较 1 采用变址寻址方式编写的程序简单 易读 2 对于程序员 两种寻址方式的主要差别是 间址寻址 间接地址在主存中 没有偏移量 变址寻址 基地址在变址寄存器中 有偏移量 3 实现的难易程度 间址寻址方式容易实现 4 指令的执行速度 间址寻址方式慢 5 对数组运算的支持 变址寻址方式比较好 11 指令系统中操作码的表示方式 三种 其中最节省存储空间的是哪种 各自的特点是 什么 答 固定长操作码 Huffman 编码 扩展编码 1 固定长度操作码 规整 便于编码 浪费信息量 2Huffman 编码法 节省内存空间 不规整 不便于编码 3 扩展编码法 使操作码的平均长度最短 信息的冗余量最小 12 地址码个数选择的结论是什么 13 计算一段代码的访存次数 程序存储量和执行速度 14 基本指令系统有哪五类 答 数据传送类指令 运算类指令 程序控制类指令 输入输出指令 处理机控制和 调试指令 15 CISC 和 RISC 的特点和区别 RISC 的特点 1 大多数指令在单周期内完成 2 LOAD STORE 结构 3 硬布线控制逻辑 4 减少指令和寻址方式的种类 5 固定的指令格式 6 注重编译的优化 CISC 的特点 处理机的指令平均执行周期都在 4 以上 增强指令系统功能 简化了软件 硬件复杂 了 16 RISC 思想的精华是减少指令平均执行周期 题 2 16 第三章第三章 存储系统存储系统 1 存储系统的定义 性能指标 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 软件或者软件与硬 件相结合的方法连接起来成为一个系统 速度接近最快 容量接近最大的 价格接近 最便宜的 性能指标 存储容量 速度 价格 2 计算机存储系统的层次结构 答 1 层 通用寄存器堆 2 层 指令和数据缓冲栈 3 层 Cache 4 层 主存储器 5 层 联机外部存储器 6 层 脱机外部存储器 3 什么是频带平衡问题 解决它的三个主要方法是什么 答 存储器的访问速度能不能跟得上系统的需求 是影响整个计算机性能的极为重要 的关键问题 这就是存储器的频带平衡问题 解决方法 1 多个存储器并行工作 2 设置各种缓冲存储器 3 采用存储系统 特 别是 Cache 存储系统 4 高位交叉访问和低位交叉访问的目的是什么 答 高位交叉访问 用来扩大存储器的容量 低位交叉访问 提高存储器的访问速度 5 地位交叉访问如何实现快速存取 分时启动 6 采用地位交叉访问 如何实现无访问冲突 答 把主存储器的存储体个数设置为质数个 7 虚拟存储系统由主存和虚拟存储器构成 8 虚拟存储系统分为段式 页式和段页式 各自的特点是什么 答 段式的优点 程序的模块化性能好 便于程序和数据的共享 缺点 地址变换所 花费的时间比较长 主存储器的利用率比较低 页式的优点 主存储器的利用率比较高 页表相对比较简单 地址映像和变换速 度比较快 缺点 程序的模块化性能不好 页表很长 占空间 段页式优点 模块化性能好 利用率高 管理容易 9 通过什么表格进行地址映像和变换 段表 页表 段页表 10 快慢表怎样实现二级存储系统 快表 小容量 几 几十个字 高速硬件实现 采用相联方式访问 慢表 当快表中查不到时 从主存的慢表中查找 慢表按地址访问 用软件实现 快表与慢表也构成一个两级存储系统 主要存在问题 相联访问实现困难 速度低 11 页面替换算法中 LRU 和 FIFO 分别代表什么 如何画调度表 答 LRU 最久未使用算法 FIFO 先进先出算法 调度表 P166 12 Cache 存储系统的组成 主存和虚拟存储器构成 13 地址映像和变换方式 掌握全相联 直接映像及组相联三种 了解各自的特点 答 在 Cache 中 地址映像是指把主存地址空间映像到 Cache 地址空间 地址变换则 是指当程序已经装入到 Cache 之后 在实际运行过程中 把主存地址如何变换成 Cache 地址 全相联优点 块的冲突率最小 利用率也最高 缺点 代价高 访问速度慢 直接映像优点 硬件实现简单 访问速度也比较快 确定 冲突率比较高 Cache 的 命中率很低 组相联优点 Cache 的利用率比较高 缺点 就是实现难度比较大 14 Cache 加速比的计算 P193 题 3 1 3 14 第四章第四章 1 I O 系统的基本输入输出方式及特点 答 基本输入输出方式 程序控制输入输出方式 中断输入输出方式 直接存储器访 问方式 特点 异步性 实时性 设备无关性 2 中断优先级是根据中断硬件排队器决定 中断的紧迫性由四个因素决定 四个因素 中断源的急迫性 设备的工作速度 快 数据恢复的难易程度 难 要 求处理机提供的服务量 少 3 能绘制中断请求图 4 中断的软硬件功能分配主要需要考虑从第一次关 cpu 中断到第一次开 cpu 中断为止的 这段时间 5 中断屏蔽的方法有 设置中断屏蔽码和改变处理机优先级 6 中断屏蔽码的设置方法及判定 7 通道和 IOP 的主要作用是将外围设备的管理工作从 cpu 中分离出来 题 4 4 第五章第五章 1 指令重叠执行方式的执行时间计算 答 顺序执行 T 3nt 一次重叠 T 1 2n t 二次重叠 T 2 n t 2 二次重叠执行必须解决的两个问题 答 1 有独立的取指令部件 指令分析部件和指令执行部件 2 要解决访问主存储器的冲突问题 3 先行控制方式的关键技术 缓冲技术和预处理技术 4 处理机的结构 图 5 3 能了解一个程序指令的执行情况 5 数据相关的种类 答 指令相关 主存操作数相关 通用寄存器相关和变址相关 6 控制相关的种类 答 主要包括 无条件转移 一般条件转移 复合条件转移 中断等 7 转移预测技术 软件猜测法和硬件猜测法的原理和方法 两个先行缓冲栈的理解 软件 猜测法 目标 通过编译器尽量降低转移成功的概率 硬件 猜测法 方法 通过改变硬件结构来降低转移指令对流水线的影响 两个先行指令缓冲栈 向前条件转移 转移成功与不成功各 50 在先行指令缓冲栈中增加一个先行目标缓冲栈 按照转移成功的方向预取指令到先行目标缓冲栈中 先行指令缓冲栈仍然按照转移不成功的方向继续预取指令 如果转移不成功 则继续分析原来先行指令缓冲栈中指令 如果转移成功 则分析新增设的先行目标缓冲栈中的指令 8 流水线工作原理 答 流水线方式是把一个重复的过程分解为若干个子过程 每个子过程可以与其他子 过程同时进行 9 时空图绘制 10 流水线的特点 理解 答 在流水线中处理的必须是连续的同类任务 只有连续不断的提供同类任务才能 充分发挥流水线的效率 在流水线的每一个功能部件的后面都要有一个缓冲寄存器 用于保存本段的执 行结果 流水线的各段时间尽量相等 流水线中需要有 装入时间 和 排空时间 每个子任务由一个专门的功能部件来实现 11 流水线的分类 按是否线性 级别 功能 数据表示 静动态等进行划分 各个流水 线的工作原理 答 是否线性 线性流水线和非线性流水线 级别 处理机级流水线 功能部件级流水线 处理机间流水线 功能 单功能和多功能流水线 数据表示 标量流水线和向量流水线 静动态 静态流水线和动态流水线 1 线性流水线 每一个流水段都流过一次 而且仅流过一次 2 非线性流水线 某些流水段之间有反馈回路或前馈回路 3 单功能流水线 只能完成一种固定功能的流水线 4 多功能流水线 流水线的各段通过不同连接实现不同功能 5 处理机级流水线 部件级流水线 操作流水线 宏流水线 6 按照数据表示方式 标量流水线和向量流水线 7 按照控制方式 同步流水线和异步流水线 12 流水线性能分析指标和计算 结合时空图 吞吐率 效率 加速比 13 非线性流水线的调度目的 避免流水线发生冲突 提高流水线的吞吐率和效率 14 功能部件冲突问题 15 非线性流水线的表示 16 无冲突调度方法 能画出状态图 17 顺序流动和乱序流动的原理和方法 答 顺序流动 一串连续任务在流水线中是一个接一个地在各个功能段中间流过 从 流水线的输出端看 任务流出流水线的顺序与输入端的任务输入顺序完全相同 乱序流动 在发生数据相关时 要允许没有数据相关的后续指令进入相关指令所占 用的功能段执行 并超越相关的指令继续往前流动 18 四种不同类型处理机的性能比较 P321 机器类型K 段流水线 基准标量处 理机 M 度超标量 处理机 N 度超流水 线处理机 M N 度超 标量超流水线 处理机 机器流水线 周期 1 个时钟周期11 N1 N 同时发送指 令条数 1 条M1M 指令发射等 待时间 一个时钟周 期 11 N1 N 指令级并行 度 ILP 1MNM N 19 单发射和多发射 多发射流水线处理机的结构 P324 单发射处理机 在一个时钟周期内只从存储器中取出一条指令 并且只对一条指令进 行译码 只执行一条指令 只写回一个运算结果 多发射处理机 在一个基本时钟周期同时从 Cache 中读出多条指令 同时对多条指令 进行译码 20 多流水线调度的三种方法及时空图绘制 1 顺序发射顺序完成 2 顺序发射乱序完成 3 乱序发射乱序完成 题 5 3 5 11 第六章第六章 向量处理机向量处理机 1 向量表示方式 尤其是稀疏向量的表示和计算方法 2 向量处理机分为两种结构 3 向量三种处理方式 哪两种适合向量计算 分别适合什么结构的向量处理机 答 纵向处理方式和纵横处理方式 前者适合存取器 存取器结构 后者适合寄存器 寄存器结构 4 向量处理机的向量 标量性能平衡问题 答 向量平衡点定义为了使向量硬件设备和标量硬件设备的利用率相等 一个程序中 向量代码所占的百分比 5 向量计算机的功能部件和操作数寄存器的预定判别 6 向量链接技术 能画图 7 向量循环开采技术 8 向量协处理器为什么具有价格低的优点 大批量 为什么大批量就价格便宜 9 向量处理机的向量指令的处理时间计算 编队和链接 题 6 7 第八章第八章 SIMD 处理机处理机 1 SIM