计算机体系结构复习指南

计算机体系构造考试总结

考试范围：1—6章

题型：

名词翻译

简答题

计算题

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：

在一种厂家生产的具有相似的体系构造，但具有不同样"勺构成和实现的一系列不同

样型号的机器。系列机必须保证顾客看到11勺机岩属性一致。系统的软件必须兼容

4.什么是模拟？什么是仿真？两者区别：

在一台既有"勺计算机上实现另一台计算机的指令系统。所有用软件实现U勺叫模拟,

用软件、硬件、固件混合实现时叫仿真

区别：模拟措施速度低，仿真措施速度高

仿真需要较多的硬件（包括控制存储器）

系统构造差异大的机器难于用仿真措施实现

除了指令系统之外，尚有存储系统、I/。系统、中断系统、控制台口勺操作等

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毕两种或两种以上性质相似或不同样的工作。它包

括同步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，并行性均有

不同样的并行等级。

并发性：两个或两个以上日勺事件在同•时间间隔发生。

6.CISC,RISC,VLIW体现什么？

CISC：复杂指令集计算机(ComplexInstructionSetComputer),是一种指令集构

造(ISA),通过强化指令功能，减少程序的指令条数，实现软件功能向硬件功能转

移，以抵达提高性能H勺目的

RISC：精简指令集计算机(ReducedInstructionSetComputer),是一种指令集构

造(ISA),通过减少指令总数和简化指令的功能来减少硬件设计的复杂度，提高指

令的执行速度

VLIW：超长指令字(一种显式指令级并行指令系统，二维程序构造，指令级并

行度高)

7.什么是程序局部性原理：

程序在执行时所访问11勺地址不是随机的，而是相对簇聚；这种簇聚包括指令和数据

两部分，程序的局部性原理包括程序的时间局部性和程序"勺空间局部性。

8.什么是快表什么是慢表？

快表:即转换后援缓冲器(TranslationlookasideBuffer),简称TLB,寄存页表的I小

容量高速缓存器

慢表:

9.设备无关性:

计算机系统的使用者，在需要更换外国设备时，多种不同样型号，不同样生产厂家

的设备都可以直接通过独立于详细设备的原则接口与计算机系统连接。

处理机采用统•的硬件和软件对品种繁多日勺设备进行管理。

10.什么是线性流水，非线性流水，静态线性流水，动态线性流水？

线性流水：流水线可以按不同样的观点进行分类。1分

按照与否有反馈回路来分，可分为线性流水线和非线性流水线。1分线性流水线指

流水线的各段串行连接，没有反馈回路。2分

非线性流水：流水线可以按不同样的观点进行分类。1分

按照与否有反馈回路来分，可分为线性流水线和非线性流水线。1分非线性流水线

指流水线中除有串行连接U勺通路外，尚有反馈回路。2分。

静态线性流水：同一段时间内，各个功能段只能按照一种方式连接，实现一种

固定U勺功能。流水线可以按不同样的观点进行分类。1分

按同一时间内各段之间的连接方式来分，可分为静态流水线和动态流水线。1

分

静态流水线是指同一时间内，流水线"勺各段只能按同一种功能的连接方式工作。2

分

动态线性流水：流水线可以按不同样口勺观点进行分类。1分

按同一时间内各段之间的连接方式来分，可分为静态流水线和动态流水线。1

分

动态流水线是指同一时间内，当某些段正在实现某种运算时，另某此段却在实现另

一种运算。2分

什么是向量循环开采技术：

当向量的长度不不大于向量寄存器的长度时，必须把长向量提成长度固定I向段，采

用循环构造处理这个长向量，这种技术称为向量循环开采技术，也称为向量分段开

采技术。

二.简答题

1.计算机体系构造设计中有哪些常用的定向原理？

1.大概率事件优先原则，这是最重要也是最广泛采用的计算机设计准则。1分

2.阿姆达尔定律。即系统中对某一部件采用杲种更快的执行方式所能获得的系统性

能改善程度，取决于这种执行方式被使用H勺频率或所占总执行时间的比例。2分

3.程序访问的局部性规律。其重要反应在时间和空间局部性两个方面，时间局部性

是指程序中近期被访问11勺信息项很也许立即被访问；空间局部性是指那些在访问地

址上相邻近的信息项很也许会被一同访问。2分

2.存储器层次构造：

第1层：RegisterFiles（寄存器堆）

第2层：Buffers（Lookahead）（先行缓冲站）

第3层：Cache（高速缓冲存储器）

第4层：MainMemory（主存储器）

第5层：OnlineStorage（联机存储器）

第6层：Off-lineStorage（脱机存储器）

3.体系构造I内佛林（Flynn）分类

⑴单指令流单数据流SISD(SingleInstructionSingleDatastream)

(2)单指令流多数据流SIMD(SingleInstructionMultipleDatastream)

(3)多指令流单数据流MISD(MultipleInstructionSingleDatastream)

⑷多指令流多数据流MIMS(MultipleInstructionMultipleDatastream)

4.通用机指令系统有哪五大类？

数据传送类指令运算类指令

程序控制指令

输入输出指令

处埋机控制

调试指令

5.处理存储器频带平衡的措施

(1)多种存储器并行工作

(2)设置多种缓冲存储器

(3)采用存储系统

6.导致cache与主存不一致的原因？

(1)由于CPU写Cache,没有立即写主存

(2)由于10处理机或10设备写主存

7.通道的类型：

字节多路通道一般用于连接多种慢速或中速的设备，这些设备以传送字节为单位。

工作方式采用分时方式工作，它与CPU之间的高速数据通路分时为多台设备服

务。1分

选择通道:以独占日勺方式工作，它为一台外设传送完数据后才转去处理其他外设时

祈求.合用于高速外设。1分

数组多路通道:是上述两种通道口勺结合。它容许以块为单位在若干高速传播操作之

间进行交叉复用，因此它相称于•种只以猝发模式工作的高速多路通道。8.开发并

行性日勺途径有哪些？

(1)时间重叠：多种处理过程在时间上互相错开，轮番重迭地使用同一套硬件设备

的各个部分，以加紧硬件周转而赢得速度。2分

(2)资源反复：根据“以数量取胜”的原则，通过反复地设置资源，尤其是硬件资

源，以大幅度提高计算机系统的性能。2分

(3)资源共享：这是一种软件措施，它使多种任务按一定期间次序轮番使用同一套

硬件设备。1分

9.处理指令有关，数据有关，控制有关的措施

指令有关：在程序执行过程中不容许修改指令.

数据有关：措施一：把读操作数、写运算成果与指令执行合在一种节拍。

措施二：建立有关专用通路(ByPass)

控制有关：

在流水线中尽早判断出分支转移与否成功;尽早计算出分支转移成功时的PC值(即

分支的目的地址)1分

(2)“冻结”或“排空”流水线的措施1分(3)预测分支失败1分(4)

预测分支成功1分(5)延迟分支

10.什么是向量链接技术？

目前一条指令口勺成果寄存器可以作为后继指令的操作数寄存器时，多条有数据有

关口勺向量指令并行执行，这种技术称为两条流水线的链接技术。

11.先行控制的方式的原理

1.采用二次重叠执行方式必须处理两个问题：

(1)有独立的取指令部件、指令分析部件和指令执行部件

把一种集中的指令控制器，分解成三个独立的控制器：

存储控制器、指令控制器、运算控制器

(2)要处理访问主存储器的冲突问题

取指令、分析指令、执行指令都也许要访问存储器

答：先行控制技术是把缓冲技术和预处理技术相结合•缓冲技术是在工作速度不固定的

两个功能部件之间设置缓冲器，用以平滑它们的工作。预处理技术是指预取指令、对指令进

行加工以及预取操作数等.

采用先行控制方式的处理机内部设置多个缓”站，用于平滑主存、指令分析部件、运。

器三者之间的工作.这样不仅使它们都能独地!-(■.充分忙碌而不用相互等待,而且使指

令分析部件和运算器分别能快速地取得指令和操作缸大幅度地捉而指令的执行速度和部件

的效率。这些援冲站都按先进先出的方式工作,而且都是由一组若干个能快速访问的ff储单

元和相关的捽制造粗组成.

采用先行控制技术可以实现多条指令的用冷解鞋执行。

三.计算题

1.Amdahl定理，加速比必考

1.已知某商用计算机拟增长字符串操作功能。若用软件实现，与无字符串

操作相比，速度提高4倍，CPU成木提高1/5倍；若用硬件实现，则速度是木

来I向100倍，，CPU成本是本来的5倍。由试验测得，字符串操作占总运行时间

1ft50%,CPU成本约占整机成本H勺1/3。你选用哪种设计方案？9、答案内容：

解：采月软件措施时

根据阿姆达尔定律，性能提高:

(1-50%)+争n・66分2

硬件成本提高到C=2/3+1/3*(1+1/5)=1.07分1

价格性能比为：C/S=1.07/1.66=0.64分1

采用硬件方法时：

S=l/[(1-50%)+50%/100]=1.98分2

硬件成本提高到02/3+1/3*5=2.33分1

价格性能比为：C/S=2.33/1.98=1.18分1

如果仅考虑性能提高，则可选择硬件方法，而考虑性能提高和成本因素，则应

选择软件方法。分2

2.存储器中LRU,FIFO,OPT,页替代算法，计算命中率

有一种“Cache•主存”存储层次，主存共分8个块(0〜7),Cache分为4个块

(0〜3),采用组相联映象，组内块数为2块，替代算法为近期至少使使用措施

(LRU)o⑴画出主存、Cache存储器地址的各字段对应关系；

(2)对于如下主存块地址流：1、2、4、1、3、1、0、1、2、5、4、6、4,7、

2,如主存中内空一开始未装入Cache中，请列出随时间变化Cache中各块的使

用状况。；

⑶对于(2),指出块失效又发生块争用时刻。(4)对于(23),求出此间的Cache命

中率。

X-**/I6、•/JV/

nd区号T组号s'块号

1位1位1位nmr(块内地址)

11

1位1位ncr(块内地址)

QS

（2如下表：分3

访问顺序123456789101112131415

一,—

地址块号1241301254642

Cache41

111111111144444

块分配情况

——4444000□55505

—22227777776662

—一一—33332999277

调调调命调替替命替替替替命替替

操作状态

进进进中进换换中换换换换中换换

（3）在第14和15次访问块时产生块失效乂发生块争用现象。分2

（4）命中率：Hc=3/15=20%分2

3.通道中计算流量，工作周期，吞吐量及出现什么问题

6.8一个子»多路地道连搔有6台设备，它们的数据传瑜率如下表所小。

设备名称54Ds

D2D4DA

数据传输速率（B/ms）505040252510

（1）计算该通道的实际工作流量。

（2）若通道的最大流岸等于实际工作流量，求通道的.1：作周期TS+TD。

钾（1）通道实际流量为

6

Aw,=Zh=50+50+40+25+25+10=200B/my

r-l

（2）由于通道的母人流量等于实际工作流量，印仃

/max-Mfr=7[=2008/皿

TS+丁。

可得.通道的工作周期TS+TD=5US.

4.指令重叠过程中计算效率

一种流水线由四段构成，其中每当流经第三段时，总要在该段循环一次才

能流到第四段。假如每段通过一次的时间都是△1,问：

当在流水线H勺输入端每at时间输入任务时，该流水线会发生什么状况？

此流水线的I实际吞吐率为多少？假如每2At输入一种任务，持续处理10

个任务的实际吞吐率和效率是多少？

当每段时间不变时，怎样提高该流水线的吞吐率？仍持续处理10个任务时,

其吞吐率提高多少？

解：（1）公发生流水线阻塞情况。2分

Instr.lstagelstage]stage3stage?stage4

：

mstr.2stagelstagestallstase3stage3staVg*

：

instr.3stagelstallstage]<7ilstagwesstage?stage4

instr.4stallstalls

stagelstaVaeltallstaGge?stawge?stage」

(2)分4

OtIt2t3t4t5t6t8t

Instr.lstaVselstageZ$tase3staVae3stawse4

instr.2stagelstagedstaseJstaae3staae4

GJCG

instr.3stawselstage!stage]stasSstaVae4

231/

1

TL

2"

T.

pipeline=23△/

-10/

Tp=一/23A/

AE=TP-5%=5%2x54.35%

（3）重复设置部件分4

1生

TP=^Tpipehne=^4.A/=^7.A/

吞吐率提高倍数=与工=1.64

%*

115动态多功能流水线由6个功能段组成,如5图:

加法

乘法

其中，SkS*S5、S6组成乘法流水战，SKS2、S3、S6组成加法流水线，各个功能

段时间均为50ns,假设该流水线的输出结果可以直接返回输入端，而且设置彳j足够的援冲

寄存招,若以最快的方式用该流水计算：£x*Z,

i-1

（1）画出时空图:

（2）计兑实际的吞叶率、加速比和效率，

解：机器一共要做10次乘法，4次加法.

5.哈夫曼树指令优化

6.流水线的时空图，计算加速比，吞吐率

若有一静态多功能流水线分为6段，如图所示，其中乘法流水线由1、2、

3、6段构成，加法流水线由1、4、5、6段构成，通过每段所需时间如图所示。

使用流水线时，要等某种功能(如加法)操作都处理完毕后才能转换成另种功能

(如乘法)。若要计算：AXB=(al+bl)X(a2+b2)X(a3+b3),IRJ：

(1)在上达流水方式下，完毕AXB需要多少时间?画出时空图并计算此流水

线的使用效率和吞吐率。

⑵与次序运算方式相比，加速比为多少?

aRbla2H2a3*b3(*Hbl)«(a2*b2)(«1^1)»(«2^2)»(*3^3)

rnI2Ii3i

24681012141618?n2224261(T)

•1«2«3(aHbl)(«1^1)>(«2^2)

blb2b3(a2+b2)(a3+b3)

■'ID祐------4-----------------tifc-

(1)T=26T

吞吐率：TP=5/26T

效率：E=(2*17)/(26*6)=21.79%分3

(2)加速比：Sp=Tl/Tk=(6T*3+8T*2)/26T=1.31分1

在如下图所示的静态流水线上计兑十A3,,流水线的输出可以直接返回输入端或

笆存于相应下的流水线寄存器中,试计算其吞叶率，加速比,效率。

(1)确定适合于流水处理的计算过程为：3分

2AiBi的计算及程

i-t

（例3.1）

4

£AIBLA1B1+A2B2♦A3B3+A4B4

L1

AiBiA2B2A3B3A4B4

+十

十

(2)根据所确定的计算过程，而出时空图分4

(3)根据时空图和流水线性能公式，计算性能分3

故：吞吐率TP=1/(2040

加速比S=(34/8/(20Zlt)=l.7

效率5=(4X4+3X6)/(8X20)=0.21

7.给定一种向量计算过程，怎样用向量链接技术计算完毕计算过程日勺时间(指周

期，单位为拍)

CRAY-1机器上，按照链接方式执行下述4条向量指令(括号中给出了对应

功能部件的时间)，假如向量寄存器和功能部件之间数据传播需要1拍，试求此

链接流水线的通过时间是多少拍？假如向量长度为64,则需要多少拍才能得到

所有成果。

V0-存储器（从存储器中取数：7拍）V2-V0+V1（向量加：3拍）V2

-V2VA3(按(A3)左移：4拍)

V5-V3八V4（向量逻辑乘：2拍

解：通过时间就是每条向量指令的第一种操作数执行完毕需要II勺时间，也就是

各功能流水线由空到满口勺时间，详细过程如下图所示。要得到所有成果，在流

水线充斥之后，向量中后继操作数继续以流水方式执行，直到整组向量执行完

毕

VI

।L।

T刈过=(7+1)+(1+3+1)+(H-4+1)+(1+2+1)=23(拍)

分6

工工共二工通过+(64-1)=23+63=86(拍)

向量处理机有16个向量寄存器,其中V0〜V5中分别寄存有向量A、B、C,D、

E、F,向量长度均为12,向量各元素均为浮点数；处理部件采用两个单功能流

水线，加法功能部件时间为2拍，乘法功能部件时间为3拍。采用类似CRAY-1

的链接技术，先计算（A+B）*C,在流水线不停留的状况下，接着计算（D+E）

*Fo（1）求此链接流水线的）通过时间为多少拍？（设寄存器入、出各需1拍）假

如每拍时间为50ns,完毕这些计算并把成果存进对应寄存器，此处理部件地实

际在吐率为多少MFLOPS?

解：（1）我们在这里假设A+B的中间结果放在V6中，（A+B）*C地最后结果放在

V7DIE地中间结果放在V8中，（D4E）*F的最后结果放在V9中。具体实现

参考卜.图:

T通过二（1+2+1）+（1+3+1）=9柏）箔

（2）在做完（A+B）*C之后，作（C+D）*£就不需要通过时间了。4分

V6=A+B;

V7=V6*C:

V8=D+E：

V9=V8*F:

丁二丁通过十(8-1)+8=24(JO)=1200(ns)

分4

TP=—=26.67MFLOB

T

四、（15分）有一条动态多功能流水线由5段构成，加法用1、2、3、5段，乘法

用1、4、5段，第4段的时间为2Z\t,其他各段时间均为At,并且流.水线为输

出可以直接返回输入端或暂存于对应日勺流水线寄存器中。若在该流水线上计算

f=Al*B1+/\2*B2+A3*B3-A4*B4,

（1）画出处理过程的时空图;

由图可见，它在14个△，时间中,给出了7个结果。所以作吐率为：

77』7/(14ZV)

如果不用流水线，由于一次求枳需34人一次求和需4Az,则产生上述7

个结果共需(4X443X3)N=25At.所以加速比为：

$=257=179

14△/

■该流水线的效率可由阴影区的面积和5个段总时空区的面积的比值求得:

4x4+3x3

=0.357

5x14

六、(4分)将计算机系统中某一功能的处理速度加紧10倍，但该功能的处理时

间仅为整个系统运行时间日勺90%,则采用此增强功能措施后，能使整个系统的性

能提高多少？

七、(6分)假设有一种长流水线，仅仅对条件转移指令使用分支目的缓冲。假设

分支预测错误日勺开销为4个时钟周期，缓冲不命中的开销为3个时钟周期。假

设：命中率为92乐预测精度为90%,分支频率为15%,没有分支的基本CPI为

lo

(1)求程序执行的CPI；

(2)相对于采用固定的2个时钟周期延迟的分支处理，哪种措施程序执行速度

更快？

78.程序局部性原理：实验统计表明：一个程序用90%的执行时间去执行仅占10%

的程序代码。这一规律称为程序访存的局部性原理。

22：提高并行性的技术途径有哪3种？各是如何实现提高并行性的？

答：(1)时间重叠：多个处冲过程在时间上相互错开，轮流重叠地使用同

套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转而赢得速度。

(2)资源重复：根据“以数吊取胜”的原则.通过重复地设置资源，尤其

是硬件资源.以大幅度提高计算机系统的性能。

(3)资源共享：这是种软件方法,它使多个任务按定时间顺件轮流使用

1、CISC计算机的主要特征有:

通用寄存器结构、多周期执行、寻址方式多、微程序控制器

2、RISC计算机主要特征有:

单周期执行、寻址方式少、硬布线控制器、客存器数量多

2.模拟和仿真能在结构不同的机器之间实现机器语言程序的移植.模拟是用机器语言程序

解科另•机器的机器指令实现软件移植的方法。桢拟方法在机器指令系统差异比较大时.会

使程序运行速度严重卜降，仿真是用微程序直接解科另一机器的机器指令实现软件移植的方

法。仿真可以提高被移植软件运行速度.但及其结构差芹较大时.很难实现。

区别是模拟用机俎语言册群.其解糅件序在中存中：仿直用微郛序解程.其薪杼和序存

控制存储器中。

4.CRAY.I机后动存储器、流水部件及寄存器写入各语一拍•“加”6拍.“乘”7拍,“访

存”6拍.现TT向量指令串：

V36存储器

V4<-VO+V1

V2«-V4*V3

向量长度均为N,计霓指令串最短的执行时间。（给H；必要的步爨和说明）

（I）三条指令串行执行:

<2）前两条并行执行后，再执行第三条指令；

《3）采用械接技术；

3.单独流水：V36存储器：I（启动访存）+6（访存）+1（打入V3）+N-i=7+N

V4RV0+V1：1（启动加）+6（加）+1（打入V4）+N-1=7+N

V2€V4»V3SI（后动乘）+7（乘）+1（打入V2）+N-l=8+N

（I）（7+N）+<7+N）+（8+N）=22+3N（拍）

（2）（7+N）H8+N）=l5+2N（拍）

（3）（7+lH8+N）=16+N（拍）

七.一个具有32台处理机的系统，对远程存储器的访问时间是2000ns。

除了通信以外，假设计算中的访问均命中局部存储器.当发出一个远程请求时,

本处理机挂起。处理机的时钟周期时间是10ns,假设指令基本的CPI为1.0

（设所有访存均命中Cache）。

求在没有远程访问的状态下，与有0.5%的指令需要远程访问的状态下，

前者比后者快多少？

解:

已知远程访问率p=0.5%,远程访问时间t=2000ns.时钟周期T=10ns

远程访问开销C-t/T-2000ns/l0ns200（时钟周期数）

有0.5%远程访仙的机器的实际CPI2为：

CPI2=CPIi+pXC=1.0+0.5%X200=2.0

只有局部访问的机器的基本CPI]=1.0

CPl2/CPIi=2.0/L0=2（倍）

因此，没有远程访问状态下的机器速度是有0.5%远程访问的机器速度的2

侪。

八.假设系统某一部件的处理速度加快9倍，但该部件的原处理时间仅为整个运行

时间的45%,则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少？如果部件改进后

获得的加速比变为SP=5.5,向改进前的执行时间占改进后的百分比是多少？

<1）由题意可知，Fc=0.45,Sc=9,代入公式：

=--------------------=---------=1.56

0.55+0.45/90.64

（2）根据题意有

Sp=-------------------=5.5

（l-Fc）+Fc/10

由此可得匕=91%

I•四.图3.1所示为一个4段的流水线连接图“

（1）设n=4,画出它的流水线时空图。

（2）求流水线的P、Pm.、、S、E值。

At3AtAt&t

图3.1流水线连接图

图3.2流水线时空图

(2)由时空图看出,n=4,Tk=ti5=15At

e

T0=n*kAt=4(1+1+3+1)△t=24At

S=%=竺2=1.6

Tk1幺］

时空图有效而积=3X(1XAtX4)+(lX3At)X4=24At

4个流水段所围总面积=4Xt15=4X15At=60At

十七.设a为一个计算机系统中n台处理机可以同时执行的程序代码的百分比，

其余代码必须用单台处理机顺序执行。每台处理机的执行速率为xMIPS,并假设

所有处理机的处理能力相同。

(1)试用参数n、a、x推导出系统专门执行该程序时的有效MIPS速率表达式。

(2)假设n=32,x=8MIPS,要求得到的系统性能为64MIPS,试求a值。

(1)设总指令数为m,并行代码数为m(p),顺序代码数为m(s),则总执

行时间T为：

m(P)上〃?($)

1=--------+---------

nxx

有效MIPS表达式为:

Tw(l-a)4-a

(2)由表达式(3.1),代入已知条件，求得a=0.96

三十三.浮点加法器流水线如图所示。用此线性流水线计算8个浮点数的和，即Z

+

=«i+a2+a3+a4+a5+a6a7+a«=

(1)而出求8个数之和的流水线时空图；

(2)计算流水线的吞吐率、加速比和效率。

输入一»|求阶4—丽—[—数加>规格化|—►输出

图7.1

解：

为了避免数据相关，令A=ai+a2>B=a3+a4,C=a5+a6,D=a?+a8，将表达式做如

下变换：

Z=[(a]+a2)+(ar*~a4)]+[(a$+a6)+(27+画)]=[A+B]+[C+D]

小括号内的4个加法操作之间没有数据相关，可以连续输入到流水线中。只要

前两个加法的结果出来之后，第