計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)題(終極版)市公開課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

人武11計(jì)科復(fù)習(xí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)第1頁一、單項(xiàng)選擇題：（10*2=20分）二、填空題（10*2=20分）三、名詞解釋（4*3=12分）四、簡(jiǎn)答題：（3*6=18分）五、分析計(jì)算題（4*5=20分）六、綜合應(yīng)用題（1*10=10分）第2頁第一章：1、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)多級(jí)層次結(jié)構(gòu)中微程序機(jī)器級(jí)、傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)機(jī)器語言是什么？由什么方式實(shí)現(xiàn)？答：微程序機(jī)器級(jí)機(jī)器語言是微指令集，微程序普通是直接由硬件解釋實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)機(jī)器級(jí)機(jī)器語言是該機(jī)指令集，程序能夠由微程序進(jìn)行解釋（仿真)。第3頁2、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)？它們之間有什么關(guān)系？答：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：傳統(tǒng)機(jī)器程序員所看到計(jì)算機(jī)屬性，即概念性結(jié)構(gòu)與功效特征。計(jì)算機(jī)組成：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)組成物理實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)組成是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯實(shí)現(xiàn)。計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是計(jì)算機(jī)組成物理實(shí)現(xiàn)。一個(gè)體系結(jié)構(gòu)能夠有各種組成。一個(gè)組成能夠有各種實(shí)現(xiàn)。第4頁3、以下哪些屬于計(jì)算機(jī)組成？哪些屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)？屬于計(jì)算機(jī)組成是：a）數(shù)據(jù)通路寬度b）可靠性技術(shù)c）緩沖和排隊(duì)技術(shù)屬于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)是：a）處理器、主存物理結(jié)構(gòu)b）包括專用器件c）信號(hào)傳輸d）器件集成度和速度第5頁4、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)量化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有哪些？說出它們含義？答：加速經(jīng)常性事件標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)經(jīng)常發(fā)生情況采取優(yōu)化方法標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行選擇，以得到更多總體上改進(jìn)。Amdahl定律：加緊某部件執(zhí)行速度所能取得系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件執(zhí)行時(shí)間占系統(tǒng)中總執(zhí)行時(shí)間百分比。CPU性能公式：執(zhí)行一個(gè)程序所需CPU時(shí)間，CPU時(shí)間=執(zhí)行程序所需時(shí)鐘周期數(shù)×?xí)r鐘周期時(shí)間程序局部性原理：程序執(zhí)行時(shí)所訪問80%是程序代碼20%部分。第6頁5、分別從執(zhí)行程序角度看，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中并行性等級(jí)從低到高可分為哪幾級(jí)？答：從處理數(shù)據(jù)角度來看，并行性等級(jí)從低到高可分為：（1）指令內(nèi)部并行：?jiǎn)螚l指令中各微操作之間并行；（2）指令級(jí)并行：并行執(zhí)行兩條或兩條以上指令；（3）線程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上線程，通常是以一個(gè)進(jìn)程內(nèi)派生多個(gè)線程為調(diào)度單位；（4）任務(wù)級(jí)或過程級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上過程或任務(wù)（程序段），以子程序或進(jìn)程為調(diào)度單元；（5）作業(yè)或程序級(jí)并行：并行執(zhí)行兩個(gè)或兩個(gè)以上作業(yè)或程序。第7頁6、分別從處理數(shù)據(jù)角度來看，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中并行性等級(jí)從低到高可分為哪幾級(jí)？答：從處理數(shù)據(jù)角度來看，并行性等級(jí)從低到高可分為：（1）字串位串：每次只對(duì)一個(gè)字一位進(jìn)行處理。這是最基本串行處理方式，不存在并行性；（2）字串位并：同時(shí)對(duì)一個(gè)字全部位進(jìn)行處理，不一樣字之間是串行。已開始出現(xiàn)并行性；（3）字并位串：同時(shí)對(duì)許多字同一位（稱為位片）進(jìn)行處理。這種方式含有較高并行性；（4）全并行：同時(shí)對(duì)許多字全部位或部分位進(jìn)行處理。這是最高一級(jí)并行。第8頁7、解釋：（1）Amdahl定律：答：加緊某部件執(zhí)行速度所取得系統(tǒng)性能加速比，受限于該部件在系統(tǒng)中所占主要性。（2）計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)：答：計(jì)算機(jī)組成物理實(shí)現(xiàn)，包含處理機(jī)、主存等部件物理結(jié)構(gòu)，器件集成度和速度，模塊、插件、底板劃分與連接，信號(hào)傳輸，電源、冷卻及整機(jī)裝配技術(shù)等。第9頁(3)、程序局部性原理：答：程序在執(zhí)行時(shí)所訪問地址分布不是隨機(jī)，而是相對(duì)地簇聚；這種簇聚包含指令和數(shù)據(jù)兩部分。程序局部性包含：程序時(shí)間局部性和程序空間局部性。(4)、計(jì)算機(jī)組成：答：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)邏輯實(shí)現(xiàn)，包含物理機(jī)器級(jí)中數(shù)據(jù)流和控制流組成以及邏輯設(shè)計(jì)等。第10頁8、體系結(jié)構(gòu)發(fā)展是怎樣？答：包含：分布IO處理能力、保護(hù)存放器空間、存放器組織結(jié)構(gòu)發(fā)展、并行處理技術(shù)、指令集發(fā)展。9、提升并行性技術(shù)路徑是怎樣？答：包含（1）.時(shí)間重合 （2）.資源重復(fù) （3.）資源共享10、并行性概念所包含有哪些？答：（1）.指令級(jí)并行 （2）.線程級(jí)并行 （3.）任務(wù)級(jí)/過程級(jí)并行第11頁11、某檔機(jī)器編制程序，不加修改就能運(yùn)行于比它高檔機(jī)器，屬于何種兼容？答：向上兼容12、某個(gè)時(shí)期投入市場(chǎng)某種型號(hào)機(jī)器編制程序，不加修改地就能運(yùn)行于在它之后投入市場(chǎng)機(jī)器，屬于何種兼容？答：向后兼容13、采取LSI和VLSI、半導(dǎo)體存放器期間計(jì)算機(jī)是第幾代計(jì)算機(jī)？答：第四代第12頁14、采取SSI和MSI、多層印刷電路、微程序計(jì)算機(jī)是第幾代計(jì)算機(jī)答：第三代15、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)成本中I/O設(shè)備、軟件占比分別是多少？答：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)成本中I/O設(shè)備為37%計(jì)算機(jī)系統(tǒng)成本中軟件占20%第13頁16、某臺(tái)主頻為800MHz計(jì)算機(jī)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試程序，程序中指令類型、執(zhí)行數(shù)量和平均時(shí)鐘周期數(shù)以下：指令類型指令執(zhí)行數(shù)量平均時(shí)鐘周期數(shù)整數(shù)400002數(shù)據(jù)傳送450001浮點(diǎn)50005分支25003求該計(jì)算機(jī)有效CPI、MIPS和程序執(zhí)行時(shí)間。解：（1）CPI＝(40000×2＋45000×1＋5000×5＋2500×3)/92500＝1.7027（2）MIPS速率＝f/CPI＝800/1.7027＝469.84MIPS（3）程序執(zhí)行時(shí)間=（40000×2＋45000×1＋5000×5＋2500×3)／800=196.875s第14頁17、將計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中某一功效處理速度提升到原來40倍，該功效處理時(shí)間僅占整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間20%，則采取此提升性能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)性能提升多少？解：由題可知，可改進(jìn)百分比=20%=0.2部件加速比=40依據(jù)Amdahl定律可知：總加速比=1/(1-0.2+0.2/40)=1.2579采取此提升性能方法后，能使整個(gè)系統(tǒng)性能提升到原來1.2579倍。第15頁第二章1、指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所包括內(nèi)容有哪些？答：(1)指令集功效設(shè)計(jì)(2)尋址方式設(shè)計(jì)(3)操作數(shù)表示和操作數(shù)類型(4)尋址方式表示(5)指令集格式設(shè)計(jì)2、對(duì)指令集基本要求是怎樣？答：對(duì)指令集基本要求是完整性、規(guī)整性、高效率和兼容性。第16頁3、指令A(yù)ddR2,500(R0)是什么尋址方式？答：尋址方式是偏移尋址；4、指令A(yù)ddR7,(R3)是什么尋址方式？答：尋址方式是：存放器間接尋址。5、指令A(yù)ddR9,(R7+R6)是什么尋址方式？答：尋址方式是：索引尋址；6、指令A(yù)ddR1,(1001)是什么尋址方式？答：尋址方式是：直接尋址。第17頁7、簡(jiǎn)述CISC指令集結(jié)構(gòu)功效設(shè)計(jì)主要目標(biāo)。從當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)觀點(diǎn)來看，CISC指令集結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)有什么缺點(diǎn)？答：主要目標(biāo)是增強(qiáng)指令功效，把越來越多功效交由硬件來實(shí)現(xiàn)，而且指令數(shù)量也是越來越多。缺點(diǎn)：(1)CISC結(jié)構(gòu)指令集中，各種指令使用頻率相差懸殊。（2）CISC結(jié)構(gòu)指令復(fù)雜性帶來了計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，這不但增加了研制時(shí)間和成本，而且還輕易造成設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。（3）CISC結(jié)構(gòu)指令集復(fù)雜性給VLSI設(shè)計(jì)增加了很大負(fù)擔(dān)，不利于單片集成。第18頁（4）CISC結(jié)構(gòu)指令集中，許多復(fù)雜指令需要很復(fù)雜操作，因而運(yùn)行速度慢。(5)在CISC結(jié)構(gòu)指令集中，因?yàn)楦鳁l指令功效不均衡性，不利于采取先進(jìn)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)（如流水技術(shù)）來提升系統(tǒng)性能。第19頁8、簡(jiǎn)述RISC指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。答：（1）選取使用頻率最高指令，并補(bǔ)充一些最有用指令；（2）每條指令功效應(yīng)盡可能簡(jiǎn)單，并在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成；（3）全部指令長(zhǎng)度均相同；（4）只有Load和Store操作指令才訪問存放器，其它指令操作均在存放器之間進(jìn)行；(5)以簡(jiǎn)單有效方式支持高級(jí)語言。第20頁9、CISC、RISC計(jì)算機(jī)各有哪些主要特征？答：1）CISC計(jì)算機(jī)主要特征有：通用存放器結(jié)構(gòu)多周期執(zhí)行尋址方式多微碼控制器2）RISC計(jì)算機(jī)主要特征有：?jiǎn)沃芷趫?zhí)行尋址方式少硬布線控制器存放器數(shù)量多第21頁第三章1、什么是動(dòng)態(tài)流水線？答：指在同一時(shí)間內(nèi)，多功效流水線中各段能夠按照不一樣方式連接，同時(shí)執(zhí)行各種功效流水線。它允許在一些段正在實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算時(shí)，另一些段卻在實(shí)現(xiàn)另一個(gè)運(yùn)算。2、什么是靜態(tài)流水線？答：指在同一時(shí)間內(nèi)，多功效流水線中各段只能按同一個(gè)功效連接方式工作流水線。當(dāng)流水線要切換到另一個(gè)功效時(shí)，必須等前面任務(wù)都流出流水線之后，才能改變連接。第22頁答：吞吐率：在單位時(shí)間內(nèi)流水線所完成任務(wù)數(shù)量或輸出結(jié)果數(shù)量。3、掌握流水線性能指標(biāo)分析方法。n：任務(wù)數(shù)Tk：處理完成n個(gè)任務(wù)所用時(shí)間第23頁加速比：完成一樣一批任務(wù)，不使用流水線所用時(shí)間與使用流水線所用時(shí)間之比。假設(shè)：不使用流水線（即次序執(zhí)行）所用間為Ts，使用流水線后所用時(shí)間為Tk，則該流水線加速比為第24頁效率：流水線中設(shè)備實(shí)際使用時(shí)間與整個(gè)運(yùn)行時(shí)間比值，即流水線設(shè)備利用率。當(dāng)流水線各段時(shí)間相等時(shí)，流水線效率與吞吐率成正比。

E=TP△t

流水線效率是流水線實(shí)際加速比S與它最大加速比k比值。

第25頁4、設(shè)在下列圖所表示靜態(tài)流水線上計(jì)算：

流水線輸出能夠直接返回輸入端或暫存于對(duì)應(yīng)流水存放器中，試計(jì)算其吞吐率、加速比和效率。(每段時(shí)間都為△t)第26頁解：：C=(A1+B1)*(A2+B2)*(A3+B3)*(A4+B4)

（1）選擇適合于流水線工作算法先計(jì)算A1+B1、A2+B2、A3+B3和A4+B4；再計(jì)算(A1+B1)×(A2+B2)和(A3+B3)×(A4+B4)；然后求總乘積結(jié)果。（2）畫出時(shí)空?qǐng)D第27頁第28頁在18個(gè)△t時(shí)間中，給出了7個(gè)結(jié)果。吞吐率為：

不用流水線，因?yàn)橐淮吻蠛托?△t，一次求積需4△t，則產(chǎn)生上述7個(gè)結(jié)果共需（4×6+3×4）△t=36△t

加速比為：（3）計(jì)算性能

流水線效率：

第29頁5、有一條動(dòng)態(tài)多功效流水線由5段組成，加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，各段時(shí)間均為△t，而且流水線輸出能夠直接返回輸入端或暫存于對(duì)應(yīng)流水存放器中。若在該流水線上計(jì)算:

試計(jì)算其吞吐率、加速比和效率。第30頁解:C=(A1＋B1)×(A2＋B2)×(A3＋B3)×(A4＋B4)

(1)選擇適合于流水線工作算法應(yīng)先計(jì)算A1+B1、A2+B2、A3+B3和A4+B4；再計(jì)算(A1+B1)×(A2×B2)(A3+B3)×(A4+B4)；

然后求總結(jié)果。

(2)畫出時(shí)空?qǐng)D(3)計(jì)算性能第31頁第32頁由圖可見，它在14個(gè)△t時(shí)間中，給出了7個(gè)結(jié)果。所以吞吐率為：

TP＝7／(14△t)

假如不用流水線，因?yàn)橐淮吻蠓e需3△t，一次求和需4△t，則產(chǎn)生上述7個(gè)結(jié)果共需（4×4+3×3）△t=25△t。所以加速比為：

該流水線效率可由陰影區(qū)面積和5個(gè)段總時(shí)空區(qū)面積比值求得：

第33頁6、流水線能夠經(jīng)過什么技術(shù)降低數(shù)據(jù)相關(guān)帶來暫停？答：流水線能夠經(jīng)過定向技術(shù)降低數(shù)據(jù)相關(guān)帶來暫停7、流水線結(jié)構(gòu)相關(guān)處理方法有哪些？答：流水線結(jié)構(gòu)相關(guān)處理方法有插入暫停周期、將指令存放器和數(shù)據(jù)存放器分離。第34頁8、降低流水線分支損失方法有哪些？答：降低流水線分支損失方法有：（1）凍結(jié)或排空流水線（2）預(yù)測(cè)分支轉(zhuǎn)移失敗（3）預(yù)測(cè)分支轉(zhuǎn)移成功（4）延遲分支第35頁9:、什么是結(jié)構(gòu)沖突？答：計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中流水線因一條指令讀取操作數(shù)訪存同時(shí)另一條指令需要執(zhí)行取指令操作而發(fā)生對(duì)存放器爭(zhēng)用引發(fā)沖突。10、什么是數(shù)據(jù)沖突？答：當(dāng)一條指令需要用到前面某條指令結(jié)果，從而不能重合執(zhí)行時(shí)，就發(fā)生了數(shù)據(jù)沖突相11、什么是控制沖突？答：當(dāng)流水線碰到分支指令與其后進(jìn)入流水線之間存在沖突時(shí)，就會(huì)發(fā)生控制沖突。第36頁第五章1、能夠從那幾個(gè)方面改進(jìn)Cache性能？答：能夠從三個(gè)方面改進(jìn)Cache性能：（1）降低失效率（2）降低失效開銷（3）降低Cache命中時(shí)間。2、Cache平均訪問時(shí)間等于什么？答：Cache平均訪問時(shí)間＝命中時(shí)間＋失效率×失效開銷第37頁3、降低Cache降低三種失效方法是怎樣？答：降低Cache降低三種失效方法是：對(duì)強(qiáng)制性失效方法是：增加塊大小，預(yù)??；對(duì)容量失效方法是：增加容量；對(duì)沖突失效方法是：提升相聯(lián)度。4、影響Cache性能存放器停頓周期數(shù)等于什么？答：影響Cache性能存放器停頓周期數(shù)＝訪存次數(shù)×失效率×失效開銷第38頁5、Cache有哪幾個(gè)映像方式？各是怎樣映像？直接映象：主存中每一塊只能被放置到

Cache中唯一一個(gè)位置。全相聯(lián)映象

全相聯(lián)：主存中任一塊能夠被放置到

Cache中任意一個(gè)位置。組相聯(lián)：主存中每一塊能夠被放置到Cache中唯一一個(gè)組中任何一個(gè)位置。第39頁6、Cache有哪幾個(gè)替換策略？比較實(shí)當(dāng)代價(jià)和訪問命中率情況？答：1)隨機(jī)策略：隨機(jī)選取某Cache塊。最輕易實(shí)現(xiàn)。2）LRU策略：選取近期最少使用Cache塊。實(shí)當(dāng)代價(jià)最高但有利于提升訪問命中率。3）FIFO策略：最先調(diào)入快最先被替換出去，實(shí)當(dāng)代價(jià)不高，但最早調(diào)入快可能是最近經(jīng)常使用得塊，調(diào)出后降低了命中率。第40頁7、什么是虛存、什么是Cache？它們?cè)诖娣朋w系中各能夠處理主存什么問題？虛擬存放器是以存放器訪問局部性為基礎(chǔ)，建立在主-輔存體系上存放管理技術(shù)。它基本思想是經(jīng)過某種策略，把輔存中信息一部分一部分地調(diào)入主存，以給用戶提供一個(gè)比實(shí)際主存容量大得多地址空間來訪問主存，采取虛存目標(biāo)是提升CPU訪問主存容量。在CPU與主存之間再增加一級(jí)或多級(jí)能與CPU速度匹配高速緩沖存放器Cache，來提升主存放系統(tǒng)性能價(jià)格比，增設(shè)Cache目標(biāo)是提升CPU訪問主存速度。第41頁第六章1、計(jì)算機(jī)提升系統(tǒng)可靠性方法有哪些？答：計(jì)算機(jī)提升系統(tǒng)可靠性方法有故障防止技術(shù)、故障容忍技術(shù)、錯(cuò)誤消除技術(shù)、錯(cuò)誤預(yù)報(bào)技術(shù)：2、計(jì)算機(jī)I/O設(shè)備控制方式有哪些？答：計(jì)算機(jī)I/O設(shè)備控制方式有：程序查詢控制方式、中止控制方式、DMA控制方式、I/O處理機(jī)等第42頁3、分析計(jì)算磁盤讀或?qū)懸粋€(gè)512字節(jié)扇區(qū)平均時(shí)間是多少？假設(shè)此時(shí)磁盤空閑，公布平均尋道時(shí)間是12ms，傳輸速度是4MB/s，轉(zhuǎn)速是7200rpm，控制器開銷是1.5ms。答：旋轉(zhuǎn)時(shí)間=0.5*60*1000/7200=4.1667ms傳輸時(shí)間=0.512KB*1000/（4*1024KB/s）=0.125ms磁盤訪問時(shí)間=尋道時(shí)間+旋轉(zhuǎn)時(shí)間+傳輸時(shí)間+控制器時(shí)間=12ms+4.1667ms+0.125ms+1.5ms=17.79ms第43頁4、什么是RAID?它能夠處理什么問題？RAID：用多塊盤組成有一定冗余信息能夠跨越容量和可信性限制存放設(shè)備。

使用多個(gè)磁盤（包含驅(qū)動(dòng)器）組合來代替一個(gè)大容量磁盤。多個(gè)磁盤并行工作，以條帶為單位把數(shù)據(jù)均勻地分布到多個(gè)磁盤上（交叉存放），條帶存放能夠使多個(gè)數(shù)據(jù)讀/寫請(qǐng)求并行地被處理，從而提升總I/O性能。第44頁5、RAID1、RAID5有何特點(diǎn)？RAID1：亦稱鏡像盤，使用完全備份。在信息冗余程度到達(dá)100%。每當(dāng)把數(shù)據(jù)寫入磁盤時(shí)，將該數(shù)據(jù)也寫入其鏡像盤，形成信息兩個(gè)副本RAID5：是信息分布采取塊交叉模式，冗余信息采取奇偶校驗(yàn)方式生成并分布在陣列各塊盤上磁盤陣列。第45頁6、可實(shí)現(xiàn)塊交叉分布、冗余信息采取奇偶校驗(yàn)方式生成并分布在陣列各塊盤上磁盤陣列是哪種？答：RAID57、RAID才信息冗