河北大学计算机体系结构2007参考答案及评分标准A费.doc

河北大学课程考核参考答案及评分标准（ 2006 2007 学年第 二 学期）考核科目 计算机系统结构 课程类别 必修课 考核方式 闭卷 卷别 A 一、填空题：（每空1分，共20分）1. 进程迁移 I/O处理 2. 时间重叠 资源重复 时间重叠 部件功能专用化 3. 流水化功能单元 资源重复 4. 写后读5. N/26. 冲突 时钟频率 7. 直接映象 全相联 8. 容量 速度 9. 属性 功能特性 10. M11. 通信二、名词解释：（每题3分，共15分）1. 存储系统：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、或软件与硬件相结合的方法连接起来成为一个系统，这就是存储系统。2. Amdahl定律：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。3. 并行性：在同一时刻或是同一时间间隔内完成两种或两种以上性质相同或不相同的工作。4. 耦合度：反映多机系统各机器之间物理连接的紧密程度和交互作用能力的强弱。5. 互连网络：是将集中式系统或分布式系统中的结点连接起来所构成的网络。三、简答题：（每题6分，共30分）1. 试以系列机为例，说明计算机体系结构、计算机组成和计算机实现三者之间的关系。 答：计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现（1分）。计算机实现是计算机组成的物理实现（1分）。 一种体系结构可以有多种组成（1分）。一种组成可以有多种实现（1分）。同一系列机中各种型号的机器具有相同的体系结构，但采用不同的组成和实现技术，因而具有不同的性能和价格（2分）。2. 造成流水线“断流”的主要原因是哪三种相关？是什么原因造成的？答：(1) 结构相关（1分）当硬件资源满足不了指令重叠执行的要求,而发生资源冲突时,就发生了结构相关。（1分）(2) 数据相关 （1分）当一条指令需要用到前面指令的执行结果，而这些指令均在流水线中重叠执行时，就可能引起数据相关。（1分）(3) 控制相关 （1分）当流水线遇到分支指令和其它能够改变PC值的指令时，就会发生控制相关。（1分）3. 实现Cache一致性协议有哪两类？简述其含义。答：(1) 写作废协议（2分）在一个处理器写某个数据项之前保证它对该数据项有唯一的访问权。（1分） (2) 写更新协议（2分） 当一个处理器写某数据项时，通过广播使其它Cache中所有对应的该数据项拷贝进行更新。（1分）4. 在存储层次中应解决哪四个问题？答：(1) 映象规则（1分）当把一个块调入高一层存储器时，可以放到哪些位置上? （1分）(2) 查找算法当所要访问的块在高一层存储器中时，如何找到该块? （1分） (3) 替换算法 当发生失效时，应替换哪一块? （2分）(4) 写策略 当进行写访问时，应进行哪些操作? （1分）5. 单级存储器的主要矛盾是什么？通常采取什么方法来解决？ 答：(1) 速度越快，每位价格就越高；（2分）(2) 容量越大，每位价格就越低；（1分）(3) 容量越大，速度越慢。（1分）采取多级存储层次方法来解决。（2分）四、计算题（35分）1. 将计算机系统中某一功能的处理速度加快10倍，但该功能的处理时间仅为整个系统运行时间的40%，则采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高多少？（7分）解： 根据Amdahl定律可知： 系统加速比 （4分）由题可知： 可改进比例 = 40% = 0.4部件加速比 = 10 系统加速比 = 1.56 （3分）采用此增强功能方法后，能使整个系统的性能提高1.56倍。2. 双输入端的加、乘双功能静态流水线有1、2、3、4四个子部件，延时分别为t, t, 2t, t，“加”由124组成，“乘”由134组成，输出可直接返回输入或锁存。现执行（1） 画出流水时空图，标出流水线入端数据变化情况。（3分）（2） 求运算全部完成所需的时间和流水线效率。（2分）（3） 找出瓶颈子过程并将其细分，重新画出时空图并计算流水时间和效率。（5分）答：（1） 部件 结果输入a1 a2 a3 a4 a1+b1 a2+b2 a3+b3 a4+b4 b1 b2 b3 b4 c1 c2 c3 c4 t4321（3分）（2）由上图可知，全部运算完的时间是23t。 （2分） （3） 43-23-1 2 1输入a1 a2 a3 a4 a1+b1 a2+b2 a3+b3 a4+b4 b1 b2 b3 b4 c1 c2 c3 c4 结果t部件（3分） 由上图可知，流水时间为20t（1分）。 （1分）3. 我们考虑某一个机器。假设Cache读失效开销为30个时钟周期，写失效开销为60个时钟周期，当不考虑存储器停顿时，所有指令的执行时间都是2.0个时钟周期， Cache的读失效率和写失效率均为5%，平均每条指令读存储器0.8次，写存储器0.5次。试分析考虑Cache的失效后，Cache对性能的影响。（8分）解：平均每条指令存储器停顿时钟周期数“读”的次数读失效率读失效开销“写”的次数写失效率写失效开销 0.85%300.55%602.7 （4分）（2分）考虑Cache的失效后，性能为 CPU时间有CacheIC（2.02.7）时钟周期时间IC4.7时钟周期时间当考虑了Cache的失效影响后，CPI从理想计算机的2.0增加到4.7，是原来的2.35倍。（2分）4. 设某计算机主存容量为64K字，Cache存储器的容量为512字，字块长128字，采用直接映象方式和LRU替换算法。（1） 求出主存空间块数。（2分）（2） 画出主存储器和Cache存储器字块对应关系图和主存地址字段划分图，标出名段位数。（3分）（3） 假设Cache存储器起始为空，求出运行下列程序段（地址用十进制表示）时的命中率，并写出分析过程。（5分）开始： 001700230165内循环重复20次 外循环重复10次0