系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)

1、 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢） 計(jì)算機(jī)學(xué)院 吳湘寧 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)習(xí)題及答案第一章 基礎(chǔ)知識(shí) 1名詞解釋 翻譯 解釋 模擬 仿真 透明性 程序訪問(wèn)局部性 答案略  2. 一個(gè)經(jīng)解釋實(shí)現(xiàn)的計(jì)算機(jī)可以按功能劃分為四級(jí). 每一級(jí)為了執(zhí)行一條指令需要下一級(jí)的N條指令. 若執(zhí)行第一級(jí)的一條指令需要的時(shí)間為K ns, 那么執(zhí)行第二、三、四級(jí)的一條指令各需要多少時(shí)間? 3.  計(jì)算機(jī)系統(tǒng)按功能劃分層次結(jié)構(gòu)的好處主要體現(xiàn)

2、在哪些方面? 答案 (1) 有利于理解軟件, 硬件和固件在系統(tǒng)中的地位和作用;  (2) 有利于理解各種語(yǔ)言的實(shí)質(zhì)和實(shí)現(xiàn)途徑; (3) 有利于推動(dòng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展;  (4) 有利于理解計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的定義.  4.  什么是透明性? 對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 下列哪些是透明的? 哪些是不透明的?  1) 存儲(chǔ)器的模m交叉存取; 2) 浮點(diǎn)數(shù)據(jù)表示; 3) I/O系統(tǒng)是采用通道方

3、式還是I/O處理機(jī)方式; 4) 陣列運(yùn)算部件; 5) 數(shù)據(jù)總線寬度; 6) 通道是采用結(jié)合型的還是獨(dú)立型的; 7) 訪問(wèn)方式保護(hù); 8) 程序性中斷; 9) 串行、重疊還是流水控制方式; 10) 堆棧指令; 11) 存儲(chǔ)器的最小編址單位; 12) Cache存儲(chǔ)器. 答案 一種本來(lái)是存在的事務(wù)或?qū)傩? 但從某種角度看卻好像不存在, 稱為透明性.  對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)

4、透明的是: 1), 4), 5), 6), 9), 12)  對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)不透明的是:2), 3), 7), 8), 10), 11)  5. 什么是計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)? 什么是計(jì)算機(jī)組成? 什么是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)? 并說(shuō)明三者的關(guān)系和相互影響? 答案 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟, 硬件分界面, 是機(jī)器語(yǔ)言程序員或是編譯程序員 所需了解的計(jì)算機(jī)屬性;  計(jì)算機(jī)組成是

5、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的邏輯事項(xiàng);  計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成的物理實(shí)現(xiàn). 三者的關(guān)系和互相影響為: (1)  具有相同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)可以采用不同的組成; (2) (2) 一種計(jì)算機(jī)組成可以采用多種不同的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn); (3) 計(jì)算機(jī)組成、計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有著很大的影響; (4) 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)不應(yīng)限制計(jì)算機(jī)組成和實(shí)現(xiàn)技術(shù)，應(yīng)能用于高檔機(jī)，也可用于低擋機(jī); (5) 在不同時(shí)期, 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu),、組成和實(shí)現(xiàn)所包含的內(nèi)容會(huì)有所變化，三者之間的界線常常很模糊.&#

6、160; 6.  從機(jī)器(匯編)語(yǔ)言程序員角度看, 以下哪些是透明的?  1) 指令地址存儲(chǔ)器; 2) 指令緩沖器; 3) 時(shí)標(biāo)發(fā)生器; 4) 條件碼寄存器; 5) 乘法器; 6) 主存地址寄存器; 7) 磁盤(pán)外設(shè); 8) 先行進(jìn)位鏈; 10) 通用寄存器; 11) 中斷字寄存器. 答案 對(duì)機(jī)器(匯編)語(yǔ)言程序員來(lái)說(shuō)透明的有: 

7、2), 3), 5), 6), 8), 9)        對(duì)機(jī)器(匯編)語(yǔ)言程序員來(lái)說(shuō)不透明的有: 1), 4), 7), 10), 11)  7. 假設(shè)在一臺(tái)40 MHz處理機(jī)上運(yùn)行200 000條指令的目標(biāo)代碼, 程序主要由四種類型的指令所組成. 根據(jù)程序跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 各類指令的混合比和每類指令的CPI值如表1.9所示. (1)&

8、#160;試計(jì)算在單處理機(jī)上執(zhí)行上述該程序時(shí)的平均CPI; (2) 根據(jù)(1)所得到的CPI, 計(jì)算相應(yīng)的MIPS速率及程序的執(zhí)行時(shí)間. 答案 (1) 2.24 CPI  (2) 17.86 MPIS; 0.0112 s  8. 某工作站采用時(shí)鐘頻率為15 MHz、處理速率為10 MIPS的處理機(jī)來(lái)執(zhí)行一個(gè)程序，假定每次存儲(chǔ)器存取為1周期延遲, 試問(wèn): (1) 此計(jì)算機(jī)的有效CPI是多少

9、? (2) 假定將處理機(jī)的時(shí)鐘頻率提高到30 MHz, 但存儲(chǔ)器子系統(tǒng)速率不變, 這樣, 每次存儲(chǔ)器存取需要兩個(gè)時(shí)鐘周期. 如果30%的指令每條只需要一次存儲(chǔ)存取, 而另外5%的指令每條需要兩次存儲(chǔ)存取, 還假定已知混合程序的指令數(shù)不變, 并與原工作站兼容, 試求改進(jìn)后的處理機(jī)性能. 答案 (1) 1.5 CPI;  (2) 15.8 MPIS  9. 什么是并行性？它分為哪兩種類型？開(kāi)

10、發(fā)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并行性的主要技術(shù)途徑有哪三個(gè)？沿這些途徑分別發(fā)展出什么類型的計(jì)算機(jī)？ 答案略  10. 實(shí)現(xiàn)軟件移植的途徑有哪些？  答案略  11. 什么是Flynn分類法，按照Flynn分類法可將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)分為哪幾類？ 答案略第二章 指令系統(tǒng) 1. 名詞解釋 數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)表示、規(guī)格化浮點(diǎn)數(shù)、Huffman編碼、擴(kuò)展編碼、RISC 答案略  2. 某模型機(jī)有8條指令I(lǐng)1I8, 它們的使用頻度分別為0.3, 0.3,&

11、#160;0.2, 0.1, 0.05, 0.02, 0.02, 0.01. (1) 試分別用Huffman編碼和平均碼長(zhǎng)最短的等長(zhǎng)擴(kuò)展碼(限定為兩種碼長(zhǎng))對(duì)其操作碼進(jìn)行編碼. (2) 分別計(jì)算Huffman編碼和等長(zhǎng)擴(kuò)展碼編碼的平均長(zhǎng)度. 答案 (1) 操作碼的Huffman編碼和2-4等長(zhǎng)擴(kuò)展碼編碼如下表1所示.  (2) Huffman編碼的平均長(zhǎng)度為2.38位; 等長(zhǎng)擴(kuò)展碼編碼的平均碼長(zhǎng)為2.8位.  3.&

12、#160;某模型機(jī)有10條指令I(lǐng)1I10, 它們的使用頻度分別為0.3, 0.24, 0.16, 0.12, 0.07, 0.04, 0.03, 0.02, 0.01, 0.01. (1) 計(jì)算機(jī)采用等長(zhǎng)操作碼表示時(shí)的信息冗余量. (2) 要求操作碼平均碼長(zhǎng)最短, 試設(shè)計(jì)操作碼的編碼, 并計(jì)算所設(shè)計(jì)操作碼的平均長(zhǎng)度. (3) 設(shè)計(jì)2-5擴(kuò)展操作碼編碼，并計(jì)算平均碼長(zhǎng). (4) 設(shè)計(jì)2-4（2/8）

13、等長(zhǎng)擴(kuò)展碼編碼，并計(jì)算平均碼長(zhǎng). 答案 (1) 采用等長(zhǎng)操作碼表示時(shí)的信息冗余量為33.5%.  (2) 操作碼的Huffman編碼如表2所示, 此種編碼的平均長(zhǎng)度為2.7位. (3) 操作碼的2-5擴(kuò)展碼編碼如表2所示, 此種編碼的平均長(zhǎng)度為2.9位. (4) 操作碼的2-4（2/4）等長(zhǎng)擴(kuò)展碼編碼如表2所示, 此種編碼的平均長(zhǎng)度為2.92位. 4. 何謂指令格式的優(yōu)化? 操作碼和地址碼的優(yōu)化一般采用哪些方法? 答案

14、0;指令格式的優(yōu)化是指通過(guò)采用多種不同的尋址方式, 地址制, 地址形式和地址碼長(zhǎng)度以及多種指令字長(zhǎng), 并將它們與可變長(zhǎng)操作碼的優(yōu)化表示相結(jié)合, 就可以構(gòu)成冗余度盡可能少的指令字.  操作碼的優(yōu)化采用擴(kuò)展操作碼編碼法.  地址碼優(yōu)化有以下四種方法: (1)  在指令中采用不同的尋址方式; (2) (2) 在指令中采用多地址制; (3) 同一種地址制還可以采用多種地址形式和長(zhǎng)度, 也可以考慮利用空白處來(lái)存放直接操作數(shù)或常數(shù)等; (4) &#

15、160;在以上措施的基礎(chǔ)上, 還可以進(jìn)一步考慮采用多種指令字長(zhǎng)度的指令.  5.  若某機(jī)設(shè)計(jì)有如下指令格式的指令:  三地址指令12種, 一地址指令254種, 設(shè)計(jì)指令的長(zhǎng)度為16位, 每個(gè)地址碼字段的位數(shù)均為4位. 若操作碼的編碼采用擴(kuò)展操作碼, 問(wèn)二地址指令最多可以設(shè)計(jì)多少種? 答案 二地址指令最多可以設(shè)計(jì)48種.  6.  一臺(tái)模型機(jī)共有九條指令I(lǐng)1I9, 各指令的使用頻度分別為0.3，0.2，0.2，0.1，0.08

16、，0.6， 0.03, 0.02, 0.01. 該模型機(jī)有8位和16位兩種指令字長(zhǎng). 8位字長(zhǎng)指令為寄存器-寄存器(R-R)二地址類型, 16位字長(zhǎng)指令為寄存器-存儲(chǔ)器(R-M)二地址變址尋址類型. (1) 試設(shè)計(jì)有兩種碼長(zhǎng)的擴(kuò)展操作碼, 使其平均碼長(zhǎng)最短, 并計(jì)算此種編碼的平均碼長(zhǎng). (2) 在(1)的基礎(chǔ)上, 該機(jī)允許使用多少個(gè)可編址的通用寄存器? (3) 若采用通用寄存器作為變址寄存器, 試設(shè)計(jì)該機(jī)的兩種指令格式, 并標(biāo)出各字段的

17、位數(shù). (4)  計(jì)算變址尋址的偏移地址范圍. 答案 (1) 操作碼的2-5擴(kuò)展碼編碼如表3所示, 此種編碼的平均長(zhǎng)度位2.9位.2) 在(1)的基礎(chǔ)上, 該機(jī)允許使用8個(gè)可編址的通用寄存器. (3) 該機(jī)的兩種指令格式及各字段的位數(shù)如下: R-R型: 操作碼OP (2位) | 源寄存器RS (3位) | 目的寄存器Rd (3位) R-M型: 操作碼OP (5位) |

18、 源寄存器RS (3位) | 變址寄存器RX (3位) | 偏移地址 (5位)  (4) 變址尋址的偏移地址范圍為-16+15.  7.  簡(jiǎn)述CISC的特點(diǎn). 答案 CISC的特點(diǎn)如下: (1) 龐大的指令系統(tǒng); (2) 采用了可變長(zhǎng)度的指令格式; (3) 指令使用的尋址方式繁多; (4) CISC指令系統(tǒng)中包括一些用于特殊用途的指令, 各種指令

19、的使用頻度相當(dāng)懸殊.  8.  從指令格式, 尋址方式以及平均CPI三個(gè)方面, 比較經(jīng)典CISC和純RISC體系結(jié)構(gòu). 答案 略  9 簡(jiǎn)述RISC設(shè)計(jì)的一般原則。 答案  1、精簡(jiǎn)指令條數(shù)，保留使用頻度高的指令； 2、簡(jiǎn)化指令格式，采用簡(jiǎn)單尋址方式，絕大多數(shù)指令可以在單周期內(nèi)執(zhí)行完成； 3、采用寄存器間運(yùn)算結(jié)構(gòu)，減少訪存次數(shù)； 4、指令以硬聯(lián)組合電路實(shí)現(xiàn)為主，少量指令可以用微程序解釋方式執(zhí)行； 5、優(yōu)化編譯程序的設(shè)計(jì)。 &#

20、160;10 RISC計(jì)算機(jī)采用了哪些關(guān)鍵技術(shù)？各是什么含義？ 答案 1、遵循按RISC機(jī)器一般原則設(shè)計(jì)的技術(shù)； 2、指令采用交叉和流水的方式解釋執(zhí)行，并采用優(yōu)化延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)； 3、在CPU中設(shè)置大量的寄存器組，并采用重疊寄存器窗口的技術(shù)； 4、在邏輯上采用硬聯(lián)實(shí)現(xiàn)為主，適當(dāng)輔以微程序解釋的技術(shù)； 5、優(yōu)化編譯系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù).。第三章 存儲(chǔ)系統(tǒng) 1. 名詞解釋 低位交叉存儲(chǔ)器、虛擬存儲(chǔ)器、地址映象、地址變換、頁(yè)面失效、頁(yè)面沖突、替換算法、組相聯(lián)映象、寫(xiě)直達(dá)法 答案略 2

21、60;以頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器為例，說(shuō)明什么是內(nèi)部地址變換和外部地址變換？什么時(shí)候發(fā)生外部地址變換？ 答案 程序運(yùn)行時(shí)，虛擬存儲(chǔ)系統(tǒng)按照地址映象方式把虛擬地址轉(zhuǎn)換成主存物理地址的過(guò)程稱為地址變換，又稱為內(nèi)部地址變換。如果要訪問(wèn)的指令或數(shù)據(jù)已經(jīng)在主存中，則命中主存，否則就發(fā)生了頁(yè)面失效，此時(shí)需要進(jìn)行外部地址變換，即將虛擬地址變換成為輔存物理地址，然后再根據(jù)這個(gè)輔存物理地址從輔存上將所需指令或數(shù)據(jù)所在的頁(yè)面調(diào)入主存。可見(jiàn)，當(dāng)發(fā)生頁(yè)面失效的時(shí)候，需要進(jìn)行外部地址變換。  3 什么是堆棧型替換算法？哪些算法屬于堆棧型替換算法？ 答案 堆棧型

22、替換算法是指如果以任意一個(gè)程序的頁(yè)地址流作兩次主存頁(yè)面數(shù)分配，分別分配m個(gè)主存頁(yè)面和n個(gè)主存頁(yè)面，并且有mn。如果在任何時(shí)刻t，主存頁(yè)面數(shù)集合Bt都滿足關(guān)系：Bt(m)Bt(n)，則這類算法稱為堆棧型替換算法。堆棧型算法的基本思想是：隨著分配給程序的主存頁(yè)面數(shù)增加，主存的命中率也提高，至少不下降。LRU、LFU、OPT算法都是堆棧型算法，而RAND和FIFO算法都不是堆棧型算法。  4 Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)中有哪些常用的地址映象方法？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？ 答案 Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)有以下幾種常用的地址映象方法：  全相聯(lián)地址映象：把

23、主存空間和Cache空間都劃分為大小相等的塊，塊的大小一般是一個(gè)主存訪問(wèn)周期內(nèi)對(duì)主存訪問(wèn)的信息量，主存的任意一塊可以裝入到Cache中的任意一塊位置上。優(yōu)點(diǎn)是塊沖突概率最低，缺點(diǎn)是要使用相聯(lián)存儲(chǔ)器，所以檢索過(guò)程昂貴，需要的硬件成本比較高。而且當(dāng)Cache較大時(shí)，相聯(lián)存儲(chǔ)器的表長(zhǎng)也較大，查表速度難以提高。  直接地址映象：把主存空間按照Cache的大小劃分為若干個(gè)區(qū)，主存各個(gè)區(qū)中塊號(hào)相同的主存塊只能夠裝入到Cache中具有同一塊號(hào)的特定塊位置上。直接映象的優(yōu)點(diǎn)是硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，不需要相聯(lián)查找，不需要頁(yè)面替換算法，因而成本較低且地址變換速度快。缺點(diǎn)是塊的沖突的概率高，Cache的

24、利用率低。  組相聯(lián)映象：把主存按照Cache的大小分區(qū)，主存中的各區(qū)和Cache再按照同樣大小劃分成數(shù)量相等的組，組內(nèi)按照同樣大小劃分成塊，主存的組與Cache的組之間采用直接映象，組內(nèi)的塊之間采用全相聯(lián)映象。具有較好的性能價(jià)格比，其優(yōu)缺點(diǎn)介于全相聯(lián)映象和直接映象的優(yōu)缺點(diǎn)之間。與全相聯(lián)映象相比，實(shí)現(xiàn)起來(lái)更加經(jīng)濟(jì)，查表的速度也較快。與直接映象相比，塊的沖突概率顯著降低。  5 什么是Cache的一致性問(wèn)題？說(shuō)明單處理機(jī)中Cache一致性問(wèn)題的產(chǎn)生原因及解決方法。 答案 一般情況下，Cache中存放的是主存的部分副本，因此，C

25、ache塊應(yīng)該與相應(yīng)主存塊的內(nèi)容保持一致。但是在某些情況下，Cache塊與相應(yīng)主存塊的內(nèi)容會(huì)不相同，也就是產(chǎn)生了Cache的一致性問(wèn)題。 在單處理機(jī)中，造成Cache一致性問(wèn)題的原因主要有： 󰂄 CPU修改了Cache中的內(nèi)容，而主存中相應(yīng)內(nèi)容卻沒(méi)有改變； 󰂄 I/O處理機(jī)或I/O設(shè)備讀入數(shù)據(jù)到主存，修改了主存的內(nèi)容，而Cache中對(duì)應(yīng)的內(nèi)容卻沒(méi)有改變。 在單處理機(jī)中，解決Cache一致性問(wèn)題主要有兩種方法：  寫(xiě)直達(dá)法：又稱為全寫(xiě)法、寫(xiě)貫通法，是指當(dāng)Cache寫(xiě)命中時(shí)，必須把數(shù)據(jù)同

26、時(shí)寫(xiě)入Cache和主存中。  寫(xiě)回法：是指當(dāng)Cache寫(xiě)命中時(shí)，只修改Cache的內(nèi)容，而不立即寫(xiě)入主存，只有當(dāng)這一塊將被替換出Cache的時(shí)候，才把已修改的Cache塊寫(xiě)回到主存。  6 假設(shè)二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)兩級(jí)物理存儲(chǔ)器的訪問(wèn)時(shí)間的關(guān)系為T(mén)25T1，在命中率H為0.9和0.99兩種情況下，分別計(jì)算存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問(wèn)效率。  7 要求主存實(shí)際頻寬為4MBs，現(xiàn)設(shè)主存每個(gè)分體的存取周期為2us，寬度為4個(gè)字節(jié)，采用模m多分體交叉存取，但實(shí)際頻寬只能達(dá)到最大頻寬的0.6倍，問(wèn)主存模數(shù)m應(yīng)取多少方能使兩者的速度基本匹配？其中m

27、取2的冪。 8 在一個(gè)Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)中，主存儲(chǔ)器的訪問(wèn)周期、存儲(chǔ)容量和單位價(jià)格分別為60ns、64MB和10元/MB，Cache的訪問(wèn)周期、存儲(chǔ)容量和單位價(jià)格分別為10ns、512KB和100元/MB，Cache的命中率為0.98。 （1） 計(jì)算這個(gè)Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)的等效訪問(wèn)周期、存儲(chǔ)容量和單位價(jià)格。（2）計(jì)算這個(gè)Cache存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問(wèn)效率。 9 一個(gè)由Cache和主存構(gòu)成的二級(jí)存儲(chǔ)系統(tǒng)，已知主存容量為1M字，Cache容量為32K字。采用組相聯(lián)地址映象與變換，Cache共分8組，主存和Cache的塊的大小為64字。 （1）寫(xiě)

28、出主存和Cache的地址格式，要求說(shuō)明各字段名稱和位數(shù)。 （2）如果Cache的存取周期為20ns，命中率為0.95，希望采用Cache后的加速比達(dá)到10，那么要求主存的存取周期應(yīng)該為多少？ 主存容量為字，故主存地址有20位。Cache的容量為32K字，所以Cache的地址有15位。主存按照Cache的容量分區(qū)，所以區(qū)號(hào)E長(zhǎng)度20155位。 采用組相聯(lián)映象，Cache共分8組，所以組號(hào)G和g為3位。主存和Cache的塊的大小為64字，所以塊內(nèi)地址W和w的長(zhǎng)度為6位。塊號(hào)B和b的長(zhǎng)度15366位。     （2）已知

29、Cache的存取周期TC20ns，命中率H0.95，設(shè)主存的存取周期為T(mén)M，有：      得到所要求的主存存取周期為： 380ns  10在頁(yè)式虛擬存儲(chǔ)器中，一個(gè)程序由04共5個(gè)虛頁(yè)組成，在程序執(zhí)行過(guò)程中，訪存虛頁(yè)地址流為： 0, 1, 0, 4, 3, 0, 2, 3, 1, 3 假設(shè)分配給這個(gè)程序的主存空間有3個(gè)實(shí)頁(yè)，分別采用FIFO、LRU、OPT替換算法進(jìn)行替換調(diào)度。 （1）

30、分別畫(huà)出3種替換算法對(duì)主存3個(gè)實(shí)頁(yè)位置的使用情況。 （2）分別計(jì)算3種替換算法的主存命中率。 答案 （1）分別用FIFO、LRU、OPT替換算法對(duì)主存3個(gè)實(shí)頁(yè)使用過(guò)程如下圖所示，其中“*”表示準(zhǔn)備替換出去的頁(yè)。 （2）FIFO替換算法的主存命中率：H  2/10  0.20  LRU 替換算法的主存命中率：H  4/10  0.40  OPT 替換算法的主存命中率：H  5/10  0.50

31、60; 11 設(shè)某程序包含5個(gè)虛頁(yè)，其頁(yè)地址為4，5，3，2，5，1，3，2，2，5，1，3。當(dāng)使用LRU法替換時(shí)，為獲得最高的命中率，至少應(yīng)分配給該程序幾個(gè)實(shí)頁(yè)？其可能的最高命中率為多少？ 答案：由于LRU是堆棧型替換算法，因此，隨著分配給該程序的實(shí)頁(yè)數(shù)的增加，主存命中率會(huì)單調(diào)上升。但是在實(shí)頁(yè)數(shù)增加到一定的程度后，命中率就不再提高，下面使用堆棧處理法，該程序處理過(guò)程如下表所示，其中N為主存頁(yè)面數(shù)。 由上表可以看出，采用LRU替換算法，要達(dá)到最高命中率，只需要分配該該程序4個(gè)實(shí)頁(yè)，最高命中率為：H=7/12=0.58。第四章 輸入輸出系統(tǒng)

32、60;1 名詞解釋 中斷屏蔽碼、中斷響應(yīng)次序、中斷處理次序、通道極限流量、通道實(shí)際最大流量。 答案略  2 從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的角度來(lái)講，I/O系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)有何影響？ 答案 I/O系統(tǒng)的好壞直接影響到整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能，即會(huì)影響系統(tǒng)的處理速度，因?yàn)楦鶕?jù)Amdal定律，系統(tǒng)性能的性能受系統(tǒng)中速度最慢部分制約，因此，不論其他部件如CPU，存儲(chǔ)系統(tǒng)速度再快，但是I/O系統(tǒng)比較慢的話，系統(tǒng)的性能仍然比較低。  3簡(jiǎn)述通道的工作過(guò)程。 答案略  4簡(jiǎn)述字節(jié)多路通道、選

33、擇型通道、數(shù)組通道的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。 答案略  5 設(shè)中斷屏蔽位“1”對(duì)應(yīng)開(kāi)放，為“0”對(duì)應(yīng)屏蔽，各級(jí)中斷處理程序的中斷屏蔽位設(shè)置如下：1）當(dāng)中斷響應(yīng)先后次序?yàn)?234時(shí)，其中斷處理次序是什么？ 2）如果所有的中斷處理都各需3t，若在運(yùn)行用戶程序時(shí)，同時(shí)出現(xiàn)了2、3級(jí)中斷請(qǐng)求，經(jīng)過(guò)2t又同時(shí)出現(xiàn)了1、4級(jí)中斷請(qǐng)求，畫(huà)出程序運(yùn)行過(guò)程示意圖。6若計(jì)算機(jī)共有5級(jí)中斷，中斷響應(yīng)的優(yōu)先次序從高到低依次是12345。 （1）若要將中斷的優(yōu)先次序改為14523，設(shè)計(jì)各級(jí)中斷處理程序的中斷級(jí)屏蔽碼（中斷級(jí)屏蔽位為“1”對(duì)應(yīng)屏蔽，為“0”對(duì)應(yīng)開(kāi)放）。&#

34、160;（2） 若在運(yùn)行用戶程序時(shí)，同時(shí)出現(xiàn)了4、2級(jí)中斷請(qǐng)求，而在處理第2級(jí)中斷未完成時(shí)，又同時(shí)出現(xiàn)了第1，3，5級(jí)中斷請(qǐng)求，請(qǐng)畫(huà)出程序運(yùn)行過(guò)程示意圖。 7 設(shè)某個(gè)字節(jié)多路通道的設(shè)備選擇時(shí)間為T(mén)D9.8üs，傳送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)傳送時(shí)間為T(mén)S0.2üs，若某種低速外設(shè)每隔500üs發(fā)出一次傳送請(qǐng)求，那么，該通道最多可連接多少臺(tái)這樣的設(shè)備？ 答案50臺(tái)（分析過(guò)程略，可參考習(xí)題書(shū)）。  8 設(shè)某個(gè)數(shù)組多路通道的設(shè)備選擇時(shí)間為T(mén)S1üs，傳送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送時(shí)間為T(mén)D1üs，一次傳送定長(zhǎng)數(shù)

35、據(jù)塊的大小k512B，現(xiàn)有8臺(tái)外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸率分別如下表所示，問(wèn)哪些設(shè)備可以連接到通道上正常工作？答案2,3,4,5,6,可連接到通道上正常工作（分析過(guò)程略，可參考習(xí)題書(shū)）。9 一個(gè)通道型I/O系統(tǒng)，由一個(gè)字節(jié)多路通道A（其中包括兩個(gè)子通道A1和A2），兩個(gè)數(shù)組多路通道B1和B2，以及一個(gè)選擇通道C構(gòu)成，各通道所接設(shè)備和設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸速率如下表所示，（1）分別結(jié)算通道A,B1,B2,C的最大流量至少為多少才不會(huì)丟失傳送的數(shù)據(jù)？ （2）若整個(gè)I/O系統(tǒng)的流量占主存頻寬的1/2時(shí)，才認(rèn)為兩者的速度是匹配的，問(wèn)主存的頻寬應(yīng)達(dá)到多少？ 答案 （1）只有當(dāng)A的最大

36、流量為512KB/s， B1的最大流量為512KB/s， B2的最大流量為512KB/s， C的最大流量為1024KB/s,時(shí)，才不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。 （2） 主存的頻寬應(yīng)達(dá)到5MB/S（分析過(guò)程略，可參考習(xí)題書(shū)）。  10 某個(gè)字節(jié)多路通道連接6臺(tái)外設(shè)，它們的數(shù)據(jù)傳輸率分別如下表所示 （1）計(jì)算通道的實(shí)際流量fbyte （2）若通道最大流量fmax.byte = fbyte，求通道的工作周期TS +TD   （3）設(shè)通道對(duì)外設(shè)數(shù)據(jù)傳送請(qǐng)求的響應(yīng)優(yōu)先次

37、序按外設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸速率從高到低排序。若6臺(tái)外設(shè)同時(shí)發(fā)出傳送請(qǐng)求，請(qǐng)畫(huà)出該通道處理這6臺(tái)外設(shè)傳送請(qǐng)求的處理時(shí)間示意圖，并由此指出哪臺(tái)外設(shè)會(huì)局部丟失數(shù)據(jù)？試提出避免數(shù)據(jù)丟失的解決方法。答案 （1）通道的實(shí)際流量fbyte=200B/s （2）通道的工作周期TS +TD =5üs （3）處理時(shí)間示意圖略，避免數(shù)據(jù)丟失的解決方法可參考教材。第五章 流水線技術(shù)  1. 名詞解釋 指令的重疊解釋方式: 在解釋第k條指令的操作完成之前, 就可開(kāi)始解釋第k+1條指令. 一

38、次重疊: 指把一條指令的解釋過(guò)程分為”分析”和”執(zhí)行”兩個(gè)子過(guò)程, 分別由指令分析部件和指令執(zhí)行部件來(lái)完成相應(yīng)的功能. 無(wú)論何時(shí), 在指令分析部件和指令執(zhí)行部件內(nèi)部只有相鄰的兩條指令在重疊執(zhí)行. 操作數(shù)相關(guān): 指在第k條指令和第k+1條指令的數(shù)據(jù)地址之間發(fā)生關(guān)聯(lián)而造成第k條指令和第k+1條指令不能同時(shí)解釋的現(xiàn)象. 指令相關(guān): 指第k條指令的結(jié)果會(huì)影響第k+1條指令內(nèi)容而產(chǎn)生關(guān)聯(lián), 造成第k條指令和第k+1條指令不能同時(shí)解釋的現(xiàn)象. 靜態(tài)流水線: 指在同一時(shí)間內(nèi), 多功能流水線

39、中的各個(gè)功能段只能按一種功能的聯(lián)接方式工作. 動(dòng)態(tài)流水線: 指在同一時(shí)間內(nèi), 多功能流水線中的各個(gè)功能段可按不同功能或運(yùn)算的聯(lián)接方式工作. 線性流水線: 流水線各段串行連接, 沒(méi)有反饋回路, 各個(gè)段只經(jīng)過(guò)一次. 非線性流水線: 流水線中除了由串行連接的通路外, 還有某種反饋回路, 使得一個(gè)任務(wù)流經(jīng)流水線時(shí), 需經(jīng)過(guò)某個(gè)段或越過(guò)某些段. 流水線的實(shí)際吞吐率: 指從啟動(dòng)流水線處理機(jī)開(kāi)始到流水線操作結(jié)束, 單位時(shí)間內(nèi)流出的任務(wù)數(shù). 流水線的加

40、速比: 指流水線工作相對(duì)于等效的非流水線順序串行工作方式, 速度提高的比值. 流水線的效率: 指流水線設(shè)備的利用率. 預(yù)約表: 它用于非線性流水線, 是一張二維的表格, 其橫坐標(biāo)表示流水線工作的時(shí)鐘周期, 縱坐標(biāo)表示流水線的功能段, 中間畫(huà)”表示該功能段在這一時(shí)鐘周期處于工作狀態(tài), 空白的地方表示該功能段在這個(gè)時(shí)刻周期不工作. 沖突向量: 用一個(gè)有N-1位的位向量來(lái)表示后繼新任務(wù)間隔各種不同拍數(shù)流入流水線時(shí), 是否會(huì)發(fā)生功能段使用的沖突, 稱此位

41、向量為沖突向量. 局部性相關(guān): 指令相關(guān), 主存操作數(shù)相關(guān)和通用/變址寄存器組操作數(shù)相關(guān)，只影響相關(guān)的兩條或幾條指令, 或至多影響流水線某些段的推后工作, 并不會(huì)改動(dòng)指令緩沖器中預(yù)取到的指令的內(nèi)容, 影響是局部的. 全局性相關(guān): 轉(zhuǎn)移指令和其后的指令之間存在關(guān)聯(lián), 使不能同時(shí)解釋, 其造成的對(duì)流水機(jī)器的吞吐率和效率下降的影響要比指令相關(guān), 主存操作數(shù)相關(guān)和通用/變址寄存器組操作數(shù)相關(guān)嚴(yán)重得多, 它可能會(huì)造成流水線中很多已被解釋的指令作廢, 需要重新預(yù)取指令進(jìn)入指令緩

42、沖寄存器等, 它將會(huì)影響整個(gè)程序的執(zhí)行順序. 先寫(xiě)后讀相關(guān): 若后一條指令的源操作數(shù)地址與前一條指令的目的操作數(shù)地址相同, 就稱這兩條指令發(fā)生了先寫(xiě)后讀相關(guān). 先讀后寫(xiě)相關(guān): 若后后一條指令的目的操作數(shù)地址與前一條指令的源操作數(shù)地址相同, 就稱這兩條指令發(fā)生了先讀后寫(xiě)相關(guān). 寫(xiě)寫(xiě)相關(guān): 若前后兩條指令使用了相同的目的操作數(shù)地址, 就稱這兩條指令發(fā)生了寫(xiě)寫(xiě)相關(guān). 超標(biāo)量流水線: 指在每個(gè)時(shí)鐘周期同時(shí)并行發(fā)射多條指令，并產(chǎn)生多個(gè)結(jié)果的流水線.超流水線: 指在每個(gè)基本時(shí)鐘

43、周期內(nèi)分時(shí)發(fā)射多條指令, 每一時(shí)刻只發(fā)射一條指令, 并產(chǎn)生多個(gè)結(jié)果的流水線. 超標(biāo)量超流水線: 是超標(biāo)量流水線與超流水流水線的結(jié)合, 指在一個(gè)基本時(shí)鐘周期內(nèi)能分時(shí)發(fā)射多條指令, 且每一時(shí)刻能同時(shí)發(fā)射多條指令, 并產(chǎn)生多個(gè)結(jié)果的流水線. VLIW: 超長(zhǎng)指令字，指在每個(gè)時(shí)鐘周期發(fā)射一條超長(zhǎng)指令，每條超長(zhǎng)指令由多個(gè)短指令構(gòu)成，在流水線的執(zhí)行段，這些短指令被分散到不同的運(yùn)算部件上并行處理，因此該流水線每個(gè)始終周期可并產(chǎn)生多個(gè)短指令運(yùn)行結(jié)果.  2. 試解釋重疊方式中出現(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題和

44、解決辦法. 答 重疊方式中出現(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題主要有指令相關(guān), 主存空間數(shù)相關(guān), 通用寄存器組數(shù)相關(guān)和通用寄存器組基址值或變址值相關(guān)等. 指令相關(guān)可轉(zhuǎn)化成操作數(shù)的相關(guān)來(lái)處理; 主存空間數(shù)相關(guān)的處理辦法一般采用推后相關(guān)單元的讀的方法; 通用寄存器組數(shù)相關(guān)的處理可采用推后相關(guān)單元的讀, 設(shè)置相關(guān)專用通路兩種方法; 通用寄存器組基址值或變址值相關(guān)的處理也可采用推后相關(guān)單元的讀, 設(shè)置相關(guān)專用通路兩種方法.  3. 假設(shè)一條指令的執(zhí)行過(guò)程分為”取指令”, “分析”

45、60;和”執(zhí)行”三個(gè)階段, 每一個(gè)階段的執(zhí)行時(shí)間分別為,在下列各種情況下, 分別寫(xiě)出連續(xù)執(zhí)行n條指令所需要的時(shí)間表達(dá)式. 1) 順序執(zhí)行方式; (2) 僅”取指令”和”執(zhí)行”重疊; (3) 先行控制方式.  4. 一臺(tái)非流水處理器X的時(shí)鐘頻率為26MHz, 平均CPI為4. 處理器Y是對(duì)X機(jī)的改進(jìn), 它有一條5級(jí)流水線, 各級(jí)經(jīng)過(guò)的時(shí)間為一個(gè)時(shí)鐘周期, 但由于鎖定器延遲和時(shí)鐘扭斜效應(yīng), 其時(shí)鐘頻率僅為20MHz. (1) 若有100條指令的程序運(yùn)行在兩臺(tái)處理機(jī)上時(shí), 假設(shè)每條指令之間不發(fā)生任何相關(guān), 求處理機(jī)Y相對(duì)于處理機(jī)X的加速比是多少? (2) 計(jì)算執(zhí)行此程序時(shí)每臺(tái)處理機(jī)的MIPS速率.  5.  某條流水線由四個(gè)功