計算機體系結(jié)構(gòu)試題匯總(共16頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 姓名： 學(xué)號： 一、 簡答題（每小題10分，共20分）1 簡述使用物理地址進行DMA存在的問題，及其解決辦法。2 從目的、技術(shù)途徑、組成、分工方式、工作方式等5個方面對同構(gòu)型多處理機和異構(gòu)型多處理機做一比較（列表）。二、（60分）現(xiàn)有如下表達式：Y a × X其中：X和Y是兩個有64個元素的32位的整數(shù)的向量，a為32位的整數(shù)。假設(shè)在存儲器中，X和Y的起始地址分別為1000和5000，a的起始地址為6000。 1請寫出實現(xiàn)該表達式的MIPS代碼。2假設(shè)指令的平均執(zhí)行時鐘周期數(shù)為5，計算機的主頻為500 MHz，請計算上述MIPS代碼（非流水化

2、實現(xiàn)）的執(zhí)行時間。 3將上述MIPS代碼在MIPS流水線上（有正常的定向路徑、分支指令在譯碼段被解析出來）執(zhí)行，請以最快執(zhí)行方式調(diào)度該MIPS指令序列。注意：可以改變操作數(shù)，但不能改變操作碼和指令條數(shù)。畫出調(diào)度前和調(diào)度后的MIPS代碼序列執(zhí)行的流水線時空圖，計算調(diào)度前和調(diào)度后的MIPS代碼序列執(zhí)行所需的時鐘周期數(shù)，以及調(diào)度前后的MIPS流水線執(zhí)行的加速比。4根據(jù)3的結(jié)果說明流水線相關(guān)對CPU性能的影響。三、（20分）請分析I/O對于性能的影響有多大？假設(shè)：1 I/O操作按照頁面方式進行，每頁大小為16 KB，Cache塊大小為64 B；且對應(yīng)新頁的地址不在Cache中；而CPU不訪問新調(diào)入頁面

3、中的任何數(shù)據(jù)。2 Cache中95%被替換的塊將再次被讀取，并引起一次失效；Cache使用寫回方法，平均50%的塊被修改過；I/O系統(tǒng)緩沖能夠存儲一個完整的Cache塊。3 訪問或失效在所有Cache塊中均勻分布；在CPU和I/O之間，沒有其他訪問Cache的干擾；無I/O時，每1百萬個時鐘周期中，有15,000次失效；失效開銷是30個時鐘周期。如果替換塊被修改過，則再加上30個周期用于寫回主存。計算機平均每1百萬個周期處理一頁。試題二計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 姓名： 學(xué)號： 一、名詞解釋（每題3分，共15分）專心-專注-專業(yè)1. Cache 2:1 經(jīng)驗規(guī)則3. 同構(gòu)型多處理機5. 堆棧型機器2. 計

4、算機體系結(jié)構(gòu)4. 通道處理機二、填空（每空1分，共20分)1. 設(shè)計I/O系統(tǒng)的三個標準是（ ）、（ ）和（ ）。 2. 存儲器層次結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的基本依據(jù)是程序的（ ）。3. 相聯(lián)度越高，（ ）失效就越少；（ ）失效不受Cache容量的影響，但（ ）失效卻隨著容量的增加而減少。4. 在虛擬存儲器中，一般采用（ ）地址映象方法和（ ）更新策略。5. 計算機系統(tǒng)中提高并行性的技術(shù)途徑有（ ）、（ ）和（ ）三種。在高性能單處理機的發(fā)展中，起主導(dǎo)作用的是（）。6. 在處理機中，若指令序列完成的順序總是與它們開始執(zhí)行的順序保持一致，則只可能出現(xiàn)（）相關(guān),否則就有可能出現(xiàn)（）、（）和（）相關(guān)。7. 對向

5、量的處理有（ ）方式、（ ）方式、（ ）方式。三、簡答題（每題6分，共24分）1. 任寫出三種Cache的優(yōu)化技術(shù)，并簡述其基本思想。2. 在指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)該考慮哪些主要問題？3. 數(shù)據(jù)相關(guān)有哪幾種類型？解決數(shù)據(jù)相關(guān)有哪些主要方法？4. 試以系列機為例，說明計算機體系結(jié)構(gòu)、計算機組成和計算機實現(xiàn)三者之間的關(guān)系。四、計算題1. 給定以下的假設(shè)，試計算直接映象Cache和兩路組相聯(lián)Cache的平均訪問時間以及CPU的性能。由計算結(jié)果能得出什么結(jié)論？（1） 理想Cache情況下的CPI為2.0，時鐘周期為2 ns，平均每條指令訪存1.4次。（2） 兩者Cache容量均為128 KB，塊大小都是

6、32字節(jié)。（3） 組相聯(lián)Cache中的多路選擇器使CPU的時鐘周期增加了10%。（4） 這兩種Cache的失效開銷都是80 ns。（5） 命中時間為1個時鐘周期。（6） 128 KB直接映象Cache的失效率為1.0%，128 KB兩路組相聯(lián)Cache的失效率為0.7%。（15分）2. 計算機系統(tǒng)字長64位，包含三個選擇通道和一個多路通道，每個選擇通道上連接了兩臺磁盤機和三臺磁帶機，多路通道上連接了了兩臺行式打印機，兩臺讀卡機、10臺終端，假定各設(shè)備的傳輸率如下：磁盤機：600 KBps，磁帶機：200 KBps，行打機：6.6 KBps，讀卡機：1.2 KBps，終 端：1 KBps。計算該

7、計算機系統(tǒng)的最大I/O數(shù)據(jù)傳輸率。（6分）3. 某計算機系統(tǒng)采用浮點運算部件后使浮點運算速度提高到原來的20倍，而系統(tǒng)運行一程序的整體性能提高到原來的10倍，試計算該程序中浮點操作所占的比例。（5分）4. 動態(tài)多功能流水線由6個功能段組成，如下圖所示：其中，s1、s4、s5、s6組成乘法流水線，s1、s2、s3、s6組成加法流水線，各個功能段時間為：s1、s3、s4、s6為t，s2、s5為2t，假設(shè)該流水線的輸出結(jié)果可以直接返回輸入端，而且設(shè)置有足夠地緩沖寄存器，若以最快的方式用該流水計算：（AiBi）（其中i1.4，為連乘符號）（1）畫出其處理過程的時空圖。（2）計算其實際的吞吐率和效率。（

8、15分）試題三計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 姓名： 學(xué)號： 一、名詞解釋（每題3分，共15分）8. Victim Cache 9. RAID10. 累加器型機器11. 透明性12. 向量處理機二、填空（每空1分，共20分)1. Cache失效可以分為（ ）、（ ）和（ ）三種。2. 說出三種對計算機發(fā)展非常關(guān)鍵的實現(xiàn)技術(shù):( ) 、( )和( ) 。3. 2:1 Cache經(jīng)驗規(guī)則是指大小為N的（ ）Cache的失效率約等于大小為N/2的（ ）Cache的失效率。4. 單機和多機系統(tǒng)中并行性發(fā)展的技術(shù)途徑有：（ ）、（ ）和（ ）。5. 通道分為（ ）通道、（ ）通道和（ ）通道三種類型。6. 在處理機中，

9、若指令序列完成的順序總是與它們開始執(zhí)行的順序保持一致，則只可能出現(xiàn)（）相關(guān)，否則就有可能出現(xiàn)（）、（）和（）相關(guān)。7. 輸入/輸出系統(tǒng)包括（ ）和（ ）。三、簡答題（每題6分，共24分）1. 任寫出三種降低Cache失效開銷的方法，并簡述其基本思想。2. 指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計中表示尋址方式的主要方法有哪些？簡述這些方法的優(yōu)缺點。3. 軟件兼容有幾種？其中哪一種是軟件兼容的根本特征？4. 造成流水線“斷流”的主要原因是哪三種相關(guān)？簡述三種相關(guān)的基本思想。四、計算題1. 在偽相聯(lián)中，假設(shè)在按直接映象找到的位置處沒有發(fā)現(xiàn)匹配，而在另一個位置才找到數(shù)據(jù)（偽命中）需要2個額外的周期；直接映象的命中時間為1個時

10、鐘周期，兩路組相聯(lián)的命中時間為1.2個時鐘周期，直接映象情況下失效開銷為80個時鐘周期，當Cache容量為64 KB時，直接映象的失效率為1.4%，兩路組相聯(lián)的失效率為1%，問：直接映象、兩路組相聯(lián)和偽相聯(lián)這三種組織結(jié)構(gòu)中，哪一種速度最快？ （15分）2. 將計算機系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快15倍，但該功能的處理時間僅為整個系統(tǒng)運行時間的30%，則采用此增強功能方法后，能使整個系統(tǒng)的性能提高多少？（5分）3. 計算機A和計算機B具有相同的指令系統(tǒng)。執(zhí)行同一個程序時，計算機A的時鐘周期為1 ns，CPI為2.0，計算機B的時鐘周期為2 ns，CPI為1.2。請問執(zhí)行這個程序時，哪臺計算機更快？

11、（6分）4. 動態(tài)多功能流水線由6個功能段組成，如下圖：其中，s1、s4、s5、s6組成乘法流水線，s1、s2、s3、s6組成加法流水線，各個功能段時間為：s1、s3、s4、s6為t，s2、s5為2t，假設(shè)該流水線的輸出結(jié)果可以直接返回輸入端，而且設(shè)置有足夠地緩沖寄存器，若以最快的方式用該流水計算： （1） 畫出時空圖。（2） 計算實際的吞吐率、加速比和效率。（15分）試題四計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 姓名： 學(xué)號： 一、名詞解釋（每題3分，共15分）13. 通用寄存器型機器14. 虛擬Cache15. 通道處理機4機群5定向技術(shù)二、填空（每空1分，共20分）1. 流水線中的相關(guān)有（ ）相關(guān)、（ ）相關(guān)和

12、（ ）相關(guān)三種。2. 設(shè)計I/O系統(tǒng)的三個標準是（ ）、（ ）和（ ）。 3. 對向量的處理有（ ）方式、（ ）方式、（ ）方式。4. 同構(gòu)型多處理機和異構(gòu)型多處理機所采用的提高并行性的技術(shù)途徑分別是（）和（）。5. 地址映象方法有( )、( )和( )等三種，其中( )的沖突率最低。6. 軟件兼容有（）、（ ）、（）和（）四種。其中（）是軟件兼容的根本特征。三、簡答題（每題6分，共24分）1. 計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析中最經(jīng)常使用的三條基本原則是什么？并說出它們的含義。2. 任寫出三種降低失效率的方法，并簡述其基本思想。3. 指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)該考慮哪些主要問題？4. 通道分為哪三種類型？

13、它們分別適合為哪種外圍設(shè)備服務(wù)？四、計算題1. 假定Cache的失效開銷為50個時鐘周期，當不考慮存儲器停頓時，所有指令的執(zhí)行時間都是2.0個時鐘周期，訪問Cache失效率為2%，平均每條指令訪存1.33次。求沒有Cache和有Cache兩種情況下的平均指令執(zhí)行時間。（12分）2. 在三級Cache中，第一級Cache、第二級Cache和第三級Cache的局部失效率分別為4%、30%和50%。它們的全局失效率各是多少？（8分）3. 計算機A和計算機B具有相同的指令系統(tǒng)。執(zhí)行同一個程序時，計算機A的時鐘周期為1.1 ns，CPI為2.0，計算機B的時鐘周期為2 ns，CPI為1.3。請問執(zhí)行這個

14、程序時，哪臺計算機更快？（6分）4. 靜態(tài)多功能流水線由6個功能段組成，如下圖所示：其中，s1、s4、s5、s6組成乘法流水線，s1、s2、s3、s6組成加法流水線，各個功能段時間均為t，假設(shè)該流水線的輸出結(jié)果可以直接返回輸入端，而且設(shè)置有足夠地緩沖寄存器，若以最快的方式用該流水計算：（AiBi）（其中i1.4，為連乘符號） （3） 畫出時空圖；（4） 計算實際的吞吐率、加速比和效率。（15分）試題五計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 姓名： 學(xué)號： 一、名詞解釋（每題3分，共15分）16. 系列機3 強制性失效5. 失效率2定向技術(shù)4通道處理機二、填空（每空1分，共20分）1. 數(shù)據(jù)相關(guān)有三種，分別是：（ ）、

15、（ ）和（ ）。 2. 從處理數(shù)據(jù)的角度，并行性等級可以分為字串位串、（ ）、（ ）和全并行。3. 在存儲層次中，映象規(guī)則有（ ）、（ ）和（ ）。4. 計算機系統(tǒng)中提高并行性的技術(shù)途徑有（ ）、（ ）和（ ）三種。在高性能單處理機的發(fā)展中，起主導(dǎo)作用的是（）。5. 設(shè)有一個“Cache-主存”層次，Cache為4塊，主存為8塊；試分別對于以下2種情況，計算訪存塊地址為5時的索引（index）。(1)組相聯(lián)，每組兩塊；索引為（ ）。(2)直接映象；索引為（ ）。6. 對向量的處理有（ ）方式、（ ）方式、（ ）方式。7. 根據(jù)CPU內(nèi)部存儲單元類型，可將指令集結(jié)構(gòu)分為（ ）型指令集結(jié)構(gòu)、（ ）

16、型指令集結(jié)構(gòu)和（ ）型指令集結(jié)構(gòu)。三、簡答題（每題5分，共25分）1. 調(diào)度分支延遲指令有哪三種常用方法？它們各有什么優(yōu)缺點。2. 表示尋址方式的主要方法有哪些？簡述它們的優(yōu)缺點。3. 簡述“Cache主存”層次與“主存輔存”層次的區(qū)別。4. 試舉例說明DLX流水線中存在不能依靠定向技術(shù)解決的數(shù)據(jù)相關(guān)及其解決方法。5. 試從3C失效的關(guān)系分析增加塊大小對Cache性能的影響。四、（20分）有一條靜態(tài)多功能流水線由5段組成（如下圖所示），加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第2段的時間為2t，其余各段時間均為t，而且流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應(yīng)的流水線寄存器中。若在該流水線

17、上計算 f（A1+B1）*（A2+B2）*（A3+B3）*（A4+B4）,（1） 畫出處理過程的時空圖。（2） 計算其吞吐率、加速比和效率。乘法12345加法（3） 該流水線的瓶頸段是哪一段？可用哪幾種方法消除該瓶頸？畫出改進后的流水線。五、（10分）（1） 根據(jù)Amdahl定律寫出系統(tǒng)加速比的公式。（2） 某計算機系統(tǒng)有兩個部件可以改進，這兩個部件的加速比為： 部件加速比130； 部件加速比220； 如果部件1和部件2的可改進比例分別為30和40，求整個系統(tǒng)的加速比。六、（10分）給定以下的假設(shè)，試計算直接映象Cache 和兩路組相聯(lián)Cache的平均訪問時間以及CPU時間。（1）理

18、想Cache（命中率為100%）情況下的CPI為2.0，時鐘周期為2 ns，平均每條指令訪存1.2次。（2）兩種Cache容量均為1 KB，塊大小都是32字節(jié)。（3）組相聯(lián)Cache中的多路選擇器使CPU的時鐘周期增加了10%。（4）這兩種Cache的失效開銷都是40個時鐘周期。（5）命中時間為1個時鐘周期。（6）1 KB直接映象Cache的失效率為13.3%，1 KB兩路組相聯(lián)Cache的失效率為10.5%。試題六計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 姓名： 學(xué)號： 一、名詞解釋（每題3分，共15分）17. 透明性4 堆棧型機器5. 失效開銷2數(shù)據(jù)相關(guān)4通道處理機二、填空（每空1分，共20分）1. 流水線相關(guān)有三

19、種：（ ）、（ ）和（ ）。 2. 從執(zhí)行程序的角度看，并行性等級可以分為：( )、（ ）、（ ）和作業(yè)或程序級并行。3. 在存儲層次中，常用的替換算法有（ ）、（ ）和（ ）。4. 計算機系統(tǒng)中提高并行性的技術(shù)途徑有（ ）、（ ）和（ ）三種。5. 按照產(chǎn)生失效的原因不同，可把失效分為（ ）失效、（ ）失效和（ ）失效三類。6. 通道可分為（ ）通道、（ ）通道和（ ）通道三種類型。7. 設(shè)有一個“Cache-主存”層次，Cache為4塊，主存為8塊；試分別對于以下2種情況，計算訪存塊地址為6時的索引（index）。(1)組相聯(lián)，每組兩塊；索引為（ ）。(2)直接映象；索引為（ ）。三、簡答

20、題（每題5分，共25分）1. 寫出三級Cache的平均訪問時間的公式。2. 軟件兼容有幾種？其中哪一種是軟件兼容的根本特征？3. 試從目的、技術(shù)途徑、組成等3個方面對同構(gòu)型多處理機和異構(gòu)型多處理機作一簡單比較（列表）。4. 有哪幾種向量處理方式？它們對向量處理機的結(jié)構(gòu)要求有何不同？5. 降低Cache失效率有哪幾種方法（至少寫出5種）？ 四、（20分）有一條靜態(tài)多功能流水線由5段組成（如下圖所示），加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第2段的時間為2t，其余各段時間均為t，而且流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應(yīng)的流水線寄存器中。若在該流水線上計算 fA1*B1 + A2*B2

21、+ A3*B3 + A4*B4,（1）畫出處理過程的時空圖；（2）計算其吞吐率、加速比和效率；乘法12345加法（3）該流水線的瓶頸段是哪一段？可用哪幾種方法消除該瓶頸？畫出改進后的流水線。五、（5分）將計算機系統(tǒng)中某一功能的處理速度加快10倍，但該功能的處理時間僅為整個系統(tǒng)運行時間的40%，則采用此增強功能方法后，能使整個系統(tǒng)的性能提高多少？ 六、（15分）假設(shè)當按直接映象位置沒有發(fā)現(xiàn)匹配，而在另一個位置才找到數(shù)據(jù)（偽命中）時，需要2個額外的周期，而且不交換兩個Cache中的數(shù)據(jù)。Cache參數(shù)如下： （1） 容量128KB。（2） 直接映象情況下命中時間為1個時鐘周期，失效開銷為50個時鐘

22、周 期。（3） 時鐘周期2路 1.10×時鐘周期1路。（4） 直接映象失效率為0.010，兩路組相聯(lián)失效率為0.007。問：當直接映象、兩路組相聯(lián)映象和偽相聯(lián)映象這三種組織結(jié)構(gòu)時，速度各是多少？ 試題七一、填空題（20分，每空2分）1在處理機中，若指令序列完成的順序總是與它們開始執(zhí)行的順序保持一致，則只可能出現(xiàn)（）相關(guān)，否則就有可能出現(xiàn)（）、（）和（）相關(guān)。2設(shè)計I/O系統(tǒng)的三個標準是（ ）、（ ）和（ ）。3單機和多機并行性發(fā)展的技術(shù)途徑有（ ）、（ ）和（ ）。二、簡答題（20分，每題10分）1在進行計算機系統(tǒng)設(shè)計時，一個設(shè)計者應(yīng)該考慮哪些因素對設(shè)計的影響？2請簡述I/O系統(tǒng)設(shè)計

23、的步驟。三、（共60分）現(xiàn)有如下C語言源代碼：for （i=0；i<100，i+） Ai=Bi+C；其中，A和B是兩個32位整數(shù)的數(shù)組，C和i均是32位整數(shù)。假設(shè)所有數(shù)據(jù)的值及其地址均保存在存儲器中，A和B的起始地址分別是0和5000，C和i的地址分別是1500和2000。1. 現(xiàn)假設(shè)在程序運行過程中，只要有可能就將i的值和數(shù)組變量的地址一直保存在寄存器中，請寫出該C語言源程序的MIPS實現(xiàn)代碼。MIPS代碼的大小是多少？2. 假設(shè)上述MIPS代碼在MIPS流水線上（有正常的定向路徑、分支指令在譯碼段被解析出來，所有存儲器訪問全部Cache命中）執(zhí)行，請以最快執(zhí)行方式調(diào)度該MIPS指令序

24、列。注意：可以改變操作數(shù)，但不能改變操作碼和指令條數(shù)。計算調(diào)度后的MIPS代碼序列執(zhí)行所需的時鐘周期數(shù)，以及對于上述標準MIPS流水線執(zhí)行的加速比。3. 請寫出該MIPS代碼的存儲器數(shù)據(jù)訪問地址流（十進制表示）。4. 在前面“3”中的實現(xiàn)中，均是假設(shè)存儲器訪問全部Cache命中，且Cache命中訪問時間為1個時鐘周期?，F(xiàn)假設(shè)MIPS流水線沒有Cache，所有存儲器訪問均需50個時鐘周期（失效損失），請問“3”中調(diào)度后的MIPS指令序列在該MIPS（沒有Cache）上執(zhí)行需要多少個時鐘周期數(shù)。5. 現(xiàn)假設(shè)為MIPS流水線設(shè)置一個大小為400 B的一級Cache，Cache塊的大小為200 B，采

25、用全相聯(lián)映射策略和寫回策略，Cache的命中時間為1個時鐘周期，失效損失為50個時鐘周期，失效時每次預(yù)取一個塊，預(yù)取一個塊的時間為50個時鐘周期，請計算該Cache的失效率，以及現(xiàn)在“3”中調(diào)度后的MIPS指令序列在MIPS上執(zhí)行需要多少個時鐘周期數(shù)。試題八計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 姓名： 學(xué)號： 一、名詞解釋（每題3分，共15分）1計算機體系結(jié)構(gòu)32:1Cache經(jīng)驗規(guī)則5通道2容量失效4數(shù)據(jù)相關(guān)二、什么叫軟件兼容？軟件兼容有哪幾種？其中哪一種是軟件兼容的根本特征？（8分）三、有哪幾種向量處理方式？它們對向量處理機的結(jié)構(gòu)要求有何不同？（8分）四、流水線數(shù)據(jù)相關(guān)有哪幾種？簡述定向技術(shù)的基本思想。（15分

26、）五、（20分）有一條靜態(tài)多功能流水線由5段組成（如下圖所示），加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第3段的時間為2t，其余各段時間均為t，而且流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應(yīng)的流水線寄存器中。若在該流水線上計算 fA1*B1+A2*B2+A3*B3*+A4*B4,（1） 畫出處理過程的時空圖。（2） 計算其吞吐率、加速比和效率。乘法12345加法六、（15分）給定以下的假設(shè)，試計算直接映象Cache 和兩路組相聯(lián)Cache的平均訪問時間以及CPU時間。（1）理想Cache（命中率為100%）情況下的CPI為2.0，平均每條指令訪存1.2次。（2）兩種Cache容量均為1 KB，塊大小都是32 B。（3）組相聯(lián)Cache中的多路選擇器使CPU的時鐘周期增加了10%。（4）這兩種Cache的失效開銷都是40個時鐘周期。（5）命中時間