2015计算机体系结构复习题带答案

1、1、计算机系统结构设计者所关心的是（A.硬件设计人员C.机器语言或汇编语言程序员2、计算机系统结构研究的内容不包括（A.指令系统的定义C.加法器的结构3、计算机系统结构研究的内容包括（A.芯片的设计与选择C.指令系统的设计4、以下对系统程序员不透明的是（A.先行进位链C.指令缓冲寄存器5、以下对汇编语言程序员不透明的是（计算机体系结构复习题及答案一、单项选择题（每小题2分，共20分）所看到的计算机结构。逻辑设计人员D.高级语言程序员）软硬件界面的定义D.计算机系统性能的评价加法器的设计D.电源的设计）O虚拟存储器D.时标发生器）中断字寄存器B.乘法器C.移位器D.指令缓冲器6、以下对系统程序员

2、不透明，仅对应用程序员透明的是（）。先行进位链B.程序状态字指令缓冲寄存器D.时标发生器7、RISC执行程序的速度比CISC要快的关键原因是（）。RISC的指令系统的指令数较少程序在RISC上编译生成的目标程序较短RISC的指令平均周期数较少RISC只允许Load指令和store指令访存8、延迟转移技术是（）。A）延长转移指令的执行时间以提高流水效率B）提前形成条件码以加快转移指令的执行C）通过重排指令序列，使成功转移时预取的指令也不作废以节省时间D）加强转移指令的功能以减少执行时间9、RISC釆用重叠寄存器窗口技术，可以减少（）o绝大多数指令的执行时间E.目标程序的指令条数子程序调用引起的访

3、存次数D.CPU访存的访问周期10、在浮点数表示中，尾数的位数多少主要影响（）。B.表数精度表数范围C.表数效率D.运算实现的难易程度11、在浮点数表示中，阶码的位数多少主要影响（）。表数范围B.表数精度表数效率D.运算实现的难易程度12、浮点数的尾数基值取2,并采用隐含位表数方法，则这种浮点数的表数效率为（）o50%B.75%C.94%D.100%13、（）是一种按内容访问的存储器。虚拟存储器B.相联存储器CCacheD.随机访问存储器14、虚拟存储器中，（）,主存的命中率越高。页面越大B.主存容量越大段越长D.辅存容量越大15、虚拟存储器地址变换是指（）。多用户虚地址与实地址如何一一对应程

4、序的逻辑地址变换成主存实地址程序执行时将虚地址变换成对应的实存地址指令的符号地址变换成二进制地址16、想在系列机中发展一种新型号机器，下列设想中（）是行不通的。新增加字符数据类型和若干字符处理指令，以支持事务处理程序的编译为增强中断处理功能，增加一个中断级别，并重新调整中断响应的优先次序将CPU与主存间的数据通路宽度由16位扩到32位，以加快主机内部信息的传送为了减少使用公用总线的冲突，将单总线改为双总线17、想在系列机中发展一种新型号机器，下列设想中（）是行不通的。新增加字符数据类型和若干字符处理指令，以支持事务处理程序的编译把原来的0号通用寄存器改作为专用的堆栈指示器将CPU与主存间的数据

5、通路宽度由16位扩到32位，以加快主机内部信息的传送为了减少使用公用总线的冲突，将单总线改为双总线18、想在系列机中发展一种新型号机器，下列设想中（）是行不通的。新增加字符数据类型和若干字符处理指令，以支持事务处理程序的编译为减少平均指令字长，将指令的操作码由原來的等长码改成3类不等长操作码将CPU与主存间的数据通路宽度由16位扩到32位，以加快主机内部信息的传送为了减少使用公用总线的冲突，将单总线改为双总线19、低位交叉访问存储器的特点是（）。地址相邻的信息一定存放在同一存储体中主要用于提高存储器的访问速度主要用于扩大存储器的容量能够使用单一的控制电路对存储系统进行存取操作20、（）,既能提

6、高访存速度乂能提高性能价格比。A.引入cache存储器B.主存釆用SRAM制造C.引入虚拟存储器D.主存采用多体结构21、全相联地址映象是指（）。任何主存块都可装入Cache中任何块的位置一个虚页只装进固定的主存实页位置组之间是固定的，而组内任何虚页可以装入任何实页位置组间可任意装入，组内是固定装入22、在识别中断源的串行排队链法中，（）。A.总线设备的优先级可变B.越靠近控制器的设备，优先级越高C.各设备的优先级相等D.各设备获得总线使用权的机会均等23、在中断处理过程中，必须由硬件來实现的功能是（）oA.保存中断点识别中断源保存将被中断服务程序破坏的通用寄存器中的内容返回中断点24、设置中

7、断屏蔽码可以改变（）。A.多个中断源的中断请求优先级B.多个中断服务程序被开始执行的次序C.CPU对多个中断响应的优先次序D.多个中断服务程序执行完的次序25、在流水线相关处理中，釆用（）会产生“写写”相关和“先读后写”相关。A.猜测法E.顺序流动C.异步流动D.相关专用通路26、输入流水线的全局性相关处理不包括（）。A.采取猜测法B.加快和提前形成条件码C.设置相关专用道路D.加快短循环程序的处理27、在顺序流动的指令流水线中，可能发生的相关有（）。同一条指令的读操作和写操作之间的先写后读相关先流入的指令的写操作与后流入的指令的读操作之间的先写后读相关后流入的指令的写操作与先流入的指令的读操

8、作之间的先读后写相关两条指令的写操作之间的写写相关28、分支预测的目的是（）B.提高每条指令的流水执行速度D.提高指令预取的成功率B.功能不能改变的流水线D.可同时执行多种功能的流水线A.提高转移指令的执行速度C.提高程序的正确性29、静态流水线是指（）oA.只有一种功能的流水线C.同时只能完成一种功能的流水线30、非线性流水线的特征是（）A.一个任务只使用流水线中的部分功能段一个任务要多次使用流水线中的某些功能段流水线中某些功能段在各个任务中的作用不同流水线的各功能段在不同的任务中可以有不同的连接15：CCCBA1620：BBBBA610：BCCCB2125：ABADC1115：ADBBC2

9、630：CBDCB填空题（每空1分，共15分）1、按照Flyim分类法，计算机系统结构可以分为四类：（SISD、SIMD、MISD和MIMD）。2、某处理机的指令字长为16位，有双地址指令、单地址指令和零地址指令三类，并假设每个地址字段的长度均为6位。如果双地址指令有15条，单地址指令和零地址指令的条数基本相同，则零地址指令有（64）条，单地址指令有（63）条。3、浮点数尾数基值rm=16,除尾符之外的尾数字长为2时，可表示的规格化最大尾数数值为（255/256）,最小正尾数数值为（1/16）o4、加快内部地址变换的技术主要有：（目录表、快慢表、散列函数）等。5、假设Cache的工作速度是主存

10、的6倍，且Cache被访问的命中率为90%。则釆用Cache后，能使整个存储系统获得的加速比是（4）。6、虚拟存储器的三种管理方式是：（段式管理，页式管理和段页式管理）。7、评价一个页面替换算法好坏的标准主要有两个：（一是命中率要高，二是算法要容易实现）。8、Cache存储器釆用组相联的映象规则是组间（直接）映象，组内各块间（全相联）映象。9、在单处理机系统中，解决Cache与主存的不一致问题的Cache写回策略有：（写直达法和写回法）。10、输入输出系统的特点集中反映在（实时性、异步性和设备无关性）三项基本要求上。11、根据信息传送方式的不同，可将通道分为三类：（字节多路通道，选择通道和数组

11、多路通道）。12、常用的三种基本输入输出方式是：（程序控制输入输出方式、中断输入输出方式和直接存储器访问（DMA）方式）。13、解决中断引起的流水线断流的方法有（不精确断点法和精确断点法）。14、解决流水线“瓶颈”问题通常有两种方法：（一是将“瓶颈”部分再细分，二是并联设置多个“瓶颈”功能段）。15、目前向量处理机的系统结构有两种：（存储器存储器结构和寄存器寄存器结构）。三、术语解释（每小题3分，共15分）1、计算机体系结构：计算机系统结构就是计算机的机器语言程序员或编译程序设计者所看到的计算机系统的属性，即硬件子系统的概念结构及其功能特性。2、系列机：所谓系列机是指同一厂家生产的具有相同的系

12、统结构，但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。3、访问的局部性原理：程序访问局部性原理说明了计算机在程序执行过程中呈现出的一种规律，即程序往往重复使用它刚刚使用过的数据和指令。局部性分为时间上的局部性和空间上的局部性两种。4、警戒位：为了保证浮点数在运算和转换过程中的精度，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。5、MFLOPS：它表示每秒百万次浮点操作次数，可以用来衡量机器浮点操作的性能。6、Cache:Cache是位于主存与CPU内核之间的高速缓冲存储器，用静态存储器(SRAM)实现。其容量比较小，价格比较贵，但速度比主存快得多，接近于CPU的速度。Cac

13、he的功能是用来存放那些近期需要运行的指令与数据，目的是提高CPU对主存的访问速度。7、虚拟存储器：由主存储器和联机工作的辅助存储器(通常为磁盘存储器)共同组成，这两个存储器在硬件和系统软件的共同管理下工作，对于应用程序员，可以把它们看作是一个单一的存储器，是一个存储容量非常大的主存储器。8、延迟转移技术：为了使指令流水线不断流，在转移指令之后插入一条或多条无数据相关和控制相关的有效的指令，而转移指令好像被延迟执行了，这种技术称为延迟转移技术。9、窗口重叠技术：为了能更简单、更直接地实现过程与过程之间的参数传递，大多数RISC机器的CPU中都设置有数量较大的寄存器组，让每个过程使用一个有限数量

14、的寄存器窗口，并让各个过程的寄存器窗口部分重叠，这就是窗口重叠技术。10、流水线方式：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的一种工作方式。11、动态流水线：是指在同一段时间内，多功能流水线中的各个功能段可以按照不同的方式连接，同时执行多种功能的流水线。12、静态流水线：是指在同一段时间内，多功能流水线中的各个功能段只能按照一种固定的方式连接，实现一种固定的功能。13、线性流水线：是将流水线的各段逐个串接起來，不存在反馈回路。输入数据从流水线的一端进入，从另一端输出。数据在流水线中的各个流水段流过时，每一个流水段都流过一次，而且仅仅流过一次。这种流水线被广泛用于

15、指令执行过程、算术运算操作、存储器访问操作等。14、非线性流水线：非线性流水线是指流水线中除有串行连接的通路外，还有反馈回路，从输入到输出过程中，某些功能段要被多次调用。这种流水线经常用于递归调用或构成多功能流水线。15、向量分段开釆技术：当向量的长度大于向量寄存器的长度时，必须把长向量分成长度固定的段，采用循环结构处理这个长向量，这种技术称为向量分段开釆技术，也称为向量循环开采技术。四、简答题(每小题10分，共20分)1、把计算机系统按功能划分成多级层次结构的作用是什么？答：首先有利于正确地理解计算机系统的工作，明确软件、硬件和固件在计算机系统中的地位相作用。其次有利于理解各种语言的实质及其

16、实现。最后还有利于探索虚拟机器新的实现方法，设计新的计算机系统。2、90年代初，IEEE的MichaelSlater给出的RISC处理机的特征有哪些？答：RISC处理机为使流水线高效率执行，应具有下列特征：(1)简单而统一格式的指令译码；(2)大部分指令可以单周期执行完成；(3)只有LOAD和STORE指令可以访问存储器；（4）简单的寻址方式；（5）釆用延迟转移技术；（6）采用LOAD延迟技术。RISC处理机为使优化编译器便于生成优化代码，应具有下列特征：（1）三地址指令格式；（2）较多的寄存器；（3）对称的指令格式。3、警戒位的来源有哪些？答：（1）做加减法时，因对阶从有效字长内移出的部分；

17、（2）做乘法时，双倍字长乘积的低字长部分；（3）做除法时，因没有除尽而多上商的儿位；（4）右规格化时移出的有效字长部分；（5）从十进制实数转换为二进制浮点数时，尾数超出有效字长的部分。4、解决存储器频带平衡问题的途径有哪些？目前提高存储器访问速度最有效的方法是什么？答：解决存储器频带平衡问题的途径有：（1）多个存储器并行工作。（2）设置各种缓冲存储器。（3）釆用存储系统，特别是Cache存储系统。目前提高存储器访问速度最有效的方法是：设置Cache存储系统。5、影响主存命中率的因素有哪些？答：（1）程序在执行过程中的页地址流分布情况。（2）所釆用的页面替换算法。（3）页面大小。（4）主存容量。

18、（5）页面调度方式。6、什么是相关？什么是数据相关？什么是控制相关？答：（1）相关：是指在一段程序的相近的指令间有某种关系，这种关系可能影响指令的重叠执行。（2）数据相关：在执行本条指令的过程中，如果用到的指令、操作数、变址偏移量等正好是前面指令的执行结果，则必须等待前面的指令执行完成，并把结果写到主存或通用寄存器中之后，本条指令才能开始执行，这种相关称为数据相关。（3）控制相关：是指由条件分支指令、转子程序指令和中断等引起的相关。四、应用题（第1小题6分，第2、3小题各10分，共26分）1、用一台40MHz处理机执行标准测试程序，该程序有4种类型的指令，每种类型指令在程序中出现的条数和每种指

19、令的CPI如下表所示：指令类型指令条数CPI整数运算450001数据传送350002浮点运算150002控制传送50002（1）计算这个测试程序在该处理机上运行的平均CPI；（2）计算这个测试程序在该处理机上的MIPS；（3）计算这个测试程序在该处理机上的执行时间Teo解：由各种指令条数可以得到总的指令数：=105,进而有:4TC（1）平均CPI=Y（莎厶X）二1X0.45+2X0.35+2X0.15+2X0.05二1.55ICMIPSx10640 x1()61.55x106a25.8061.55L55loo0.003876(秒)3.876(毫秒)2、在一个时钟频率f为900MHZ的处理机上执

20、行一个标准测试程序，该程序有4种类型的指令，每种类型指令评分在程序中岀现的条数和每种指令的CPI如下表所示:指令类型指令条数时钟周期数ALU1600001加载/存储（cache命中时）700002转移400003访存300004（1）计算这个测试程序在该处理机上运行的CPI；（2）计算这个测试程序在该处理机上的MIPS；（3）计算这个测试程序在该处理机上的执行时间Teo解：方法同lo3、一台模型机共有7条指令，各指令的使用频率分别为35%，25%,20%,10%,5%,3%和2%。要求操作码的平均长度最短，请设计操作码的编码，并计算所设计操作码的平由Huffinan树可以得到7条指令的编码分别

21、如下:指令号1234567出现的频率35%25%20%10%5%3%2%编码00011011011101111011111这样，Huffhian编码法得到的操作码的平均长度为:H=2x(0.35+0.25+0.20)+3x0.10+4x0.05+5x(0.03+0.02)=1.6+0.3+0.2+0.25=2.354、用一条5个功能段的浮点加法器流水线计算：F=ZiAjo假设每个功能段的延迟时间均为,流水线的输出端与输入端之间有直接的数据通路，而且设置有足够的缓冲寄存器。要求用尽可能短的时间完成计算。（1）画出流水线时空图。（2）计算流水线的实际吞吐率、加速比和效率。解：（1）我们可以发现，加

22、法的次数是不能减少的，必须9次。于是我们要尽可能快的完成任务，就只有考虑如何让流水线尽可能充满，这需要消除前后指令之间的相关。由于加法满足交换律和结合律，我们可以调整运算次序。设中间结果存放在寄存器R中，最后结果存放在寄存器F中，则执行的指令序列为：II:R1A1+A2；12：R2A3+A4；13：R3A5+A6；14：R4A7+A8；15：R5A9+A10；16：R6R1+R2；17：R7R3+R4；18：R8R5+R6；19：FR7+R8。这并不是唯一可能的计算方法。根据执行的指令序列，画出时空图如下（图中的数字是指令号）。空间（2）由时空图可知整个计算过程共需时长21At,所以吞吐率为：

23、Tp=9/（21At）=0.43仏t加速比为：S=T0/Tk=9x5At/（21At）=2.14效率为:E=T0/（kTQ=5x9At/（5x21At）=0.435、用一条4个功能段的浮点加法器流水线计算：F=ZiAi，假设每个功能段的延迟时间均为t,流水线的输出端与输入端之间有直接的数据通路，而且设置有足够的缓冲寄存器。要求用尽可能短的时间完成计算。（1）画出流水线时空图。（2）计算流水线的实际吞吐率、加速比和效率。解：方法同4。6、下面是一段数据块搬家程序。在RISC处理机中，为了提高指令流水线的执行效率，通常要采用指令取消技术。START：MOTEAS,R1;把源数组的起始地址送入变址寄

24、存器RlMOVENUM,R2;把传送的数据个数送入R2LOOP：MOAT(Rl),AD-AS(Rl)；ADAS为地址偏移量，汇编时计算INCR1;增量变址寄存器DECR2;剩余数据个数减1BGTLOOP;测试N个数据是否传送完成HALT;停机NUM：N;需要传送的数据总数（1）如果一条指令的执行过程分解为“取指令”和“分析”两个阶段，并采用两级流水线。为了采用指令取消技术，请修改上面的程序。（2）当N=100时，采用指令取消技术前和后，在程序执行过程中，分别要取消儿次预取的指令？解：（1）为了采用指令取消技术，程序应修改为：START：MOVEAS,R1MOVENUM,R2MOVE（Rl）,A

25、D-AS（Rl）LOOP：INCR1DECR2BGTLOOPMOVE（Rl）,AD-AS（Rl）HALTNUM：N（2）釆用指令取消技术前，要取消99次预取的指令。釆用指令取消技术后，要取消1次预取的指令。7、在页式虚拟存储器中，一个程序由P1P5共5个页面组成。在程序执行过程中依次访问的页面如下：P2,P3,P2,Pl,P5,P2,P4,P5,P3,P2,P5,P2。假设系统分配给这个程序的主存有3个页面，分别采用FIFO、LFU和OPT（最长时间不会使用）3种页面替换算法对这3页主存进行调度。（1）画出主存页面调入、替换和命中的情况表。（2）计算3种页面替换算法的页命中率。解：(1)主存页

26、面调入、替换和命中的情况表如下:页地址流23215245322FIFO命中3次2222*555*5*3333*3333*2222*2*55111*44444*2调进调进命中调进替换替换替换命中替换命中替换替换LFU命中5次22222*222*333*3333*555*555*55111*444*222调进调进命中调进替换命中替换命中替换替换命中命中OPT命中6次222222*4*4*4*2223333*33333*3*31*55555555调进调进命1调进替换命中替换命中命中替换命中命中(2)FIFO命中率二3/12二25%LFU命中率二5/12二41.67%OPT命中率=6/12=50%8、假设在一个釆用组相联映像方式的Cache中，主存由B0-B7共8块组成，Cache有2组，每组2块，每块的大小为16个字节，采用LFU块替换算法。在一个程序执行过程中依次访问这个Cache的主存块地址流如下:B6,B2,B4,Bl,B4,B6,B3,BO,E4,B5,B7,B3O设计主存地址格式。设计Cache地址格式。列出程序执行过程中各Ca