《計算機體系結構》期末復習題答案

1、計算機體系結構期末復習答案2222222222200000652一、填補問題(每空一分鐘)根據(jù)弗林分類法，計算機系統(tǒng)可分為SISD計算機、(SIMD計算機)、(MISD計算機)和(MIMD計算機)四種。2 .改進的馮諾伊曼計算機的特征是以存儲器為中心的總線結構、分散控制。3 .當前計算機系統(tǒng)的存儲系統(tǒng)是分層結構，其各層分別為(通用寄存器、高速緩沖存儲器、主存儲、輔助存儲、離線大容量存儲器)。4 .高速緩沖存儲器的地址映射方式有(全矢量方式、直接連接方式、組連接方式) 3種。5 .虛擬存儲器的三種管理方式(段管理、頁管理和段管理)。6 .目前計算機上常用的數(shù)據(jù)有三種(用戶定義數(shù)據(jù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)和命令

2、數(shù)據(jù))。7 .通?？赡馨l(fā)生的管線具有相關性(資源相關性、數(shù)據(jù)相關性和控制相關性)。8 .解決中斷造成的管線切斷的方法有(不正確斷開點法和精密斷開點法)。9 .目前向量處理器的系統(tǒng)結構有以下兩種：(內存-內存型和寄存器-寄存器型)。10 .通用計算機的基本指令分為5種，分別為(數(shù)據(jù)傳送類、運算類、程序控制類、輸入輸出類、處理器控制和調試類)。11 .執(zhí)行命令x1=x2 x3； x4=x1-x5引起(原始)類型的數(shù)據(jù)關聯(lián)，執(zhí)行指令x5=x4*x3的x4=x0 x6引起(WAR )類型的數(shù)據(jù)關聯(lián)，指令x6=x1 x2； x6=x4*x5會引起(WAW )類型的數(shù)據(jù)關聯(lián)。12 .在多計算機網(wǎng)絡中，通常

3、出現(xiàn)的四種通信模式是(單播模式、無線電模式、廣播模式和會議模式)。13 .傳統(tǒng)的電話諾伊曼計算機以控制驅動方式操作，并且以數(shù)據(jù)流計算機操作的典型的計算機是(數(shù)據(jù)流計算機)，以需求驅動方式操作的典型的計算機是(簽約機)，而以模式匹配驅動方式操作的典型的計算機是(人工智能計算機)。二、名詞解釋(每個問題2分)1 .計算機架構：計算機系統(tǒng)的結構是計算機的機器語言程序員和編譯器作者所看到的外部特性，是硬件子系統(tǒng)的概念結構及其功能特性。2 .系列機：所謂系列機，雖然是同一制造商生產(chǎn)的相同系統(tǒng)結構，但采用不同的結構和實現(xiàn)的技術方案，形成不同型號的多個機型。3 .模擬：模擬是指，通過在作為軟件的方法的計算機

4、上實現(xiàn)其他計算機的指令系統(tǒng)，不存在模擬的設備，被稱為虛擬機，執(zhí)行模擬程序的設備被稱為宿主機。4 .程序的局部原理：程序訪問的局部原理說明了計算機在程序運行中顯示的規(guī)則。 也就是說，程序多將剛使用過的數(shù)據(jù)和指令再利用。 局部性有時間上的局部性和空間上的局部性兩種。 時間局部性是指在最近訪問的代碼中很可能很快再次被訪問的空間局部性是指在地址上的相鄰代碼能被連續(xù)訪問。5.MIPS :這表示每秒一百萬的命令數(shù)。6 .高速緩沖存儲器：高速緩沖存儲器是主存儲器和CPU之間存在的一級存儲器，由靜態(tài)存儲器芯片(SRAM )構成，容量比較小，但比主存儲器高速得多，接近CPU的速度。7 .虛擬存儲器：虛擬存儲器由

5、主存儲器和輔助存儲器構成，通過必要的軟件和硬件支持，CPU可以訪問的存儲器具有接近主存儲器的速度和接近輔助存儲器的容量。8 .速查表：為了提高地址轉換速度、縮短檢查表時間，為了存儲當前最頻繁使用的頁表的一部分，可以采用小容量、高速的相關存儲手段，并根據(jù)內容進行訪問。 這樣，調查頁表的時間相當于訪問小容量的相關存儲器的時間，被大幅高速化，該小容量相關存儲器被稱為快速表。9 .方案定位：要把一個程序交給處理器來執(zhí)行，首先必須把這個程序的指令和數(shù)據(jù)加載到主存儲器中。 一般來說，被分配了程序的主存儲物理空間和程序自身的邏輯地址空間不同，將命令和數(shù)據(jù)的邏輯地址(相對地址)變換為主存儲物理地址(絕對地址)

6、的過程被稱為程序的定位。10 .延遲轉移技術：為了使指令管線持續(xù)流動，將在傳輸指令之后插入無關的有效指令并且延遲執(zhí)行傳輸指令的技術稱為延遲傳輸技術。11 .窗口疊加技術：許多RISC機器的CPU具有多個寄存器組，以更簡單、更直接地實現(xiàn)進程和進程之間的參數(shù)傳送，每個進程都使用有限數(shù)目的寄存器窗口來部分地超出每個進程的寄存器窗口12 .管線技術：將一個重復的時間序列過程分成多個子進程，并且每個子進程可以在其專用功能段上與其他子進程同時執(zhí)行的技術被稱為流水線技術。13 .動態(tài)管線：動態(tài)管線允許以多個不同運算的連結方式動作。14 .靜態(tài)管線：靜態(tài)管線一次只能以一種運算的連接方式工作。15 .線性管線：

7、在線性管線中，從輸入到輸出，每個功能段只能通過一次，不存在反饋環(huán)路。16 .非線性管線：非線性管線具有反饋電路，從輸入到輸出的過程中，幾個功能段多次通過線，這種線適合線性遞歸運算。17 .管線的吞吐量率：在管線單位時間內完成的任務數(shù)。18 .超流水線計算機：超管線結構將一條管線(一個周期)分割成多個(例如三個)子管線，但在一個子管線中提取的指令還只有一個，但總體上，在一個周期中提取了三個指令。 也就是說，是能夠以一個時鐘周期時分地發(fā)送多個指令的處理器。19 .矢量分段開采技術：在向量的長度比向量寄存器的長度長的情況下，將長度向量分割成一定長度的段，并以循環(huán)結構來處理該長度向量的技術稱為向量循環(huán)

8、開采技術，也稱為向量段開采技術。三、簡單的答案(每個問題5分)1 .什么是存儲系統(tǒng)？a :存儲系統(tǒng)的兩個以上速度、容量、價格不同的存儲設備采用硬件，以軟件或軟件、硬件的組合方式連接到系統(tǒng)上，因此整個系統(tǒng)看起來像一個存儲設備，其速度是其中最快的2 .簡述全相關映射規(guī)則。答案：(1)主存儲器被分割成與高速緩存相同大小的數(shù)據(jù)塊。(2)有主記憶的塊可以加載到高速緩存的任意塊空間中。3 .簡述直接相關映射規(guī)則。答案：(1)主存儲器被分割成與高速緩存相同大小的數(shù)據(jù)塊。(2)主存儲容量必須是高速緩存容量的整數(shù)倍，將主存儲容量按高速緩存的容量區(qū)分，主存儲中的每區(qū)的塊數(shù)等于高速緩存的總塊數(shù)。(3)主存儲中的某一

9、塊的塊被高速緩存存儲時，高速緩存中的塊編號只能被保存在相同位置。Cache和主記憶內容不一致的原因是什么？ 為了保持Cache的完整性，單計算機系統(tǒng)一般采取了什么措施？a :不一致的原因：(1)因為CPU寫Cache，所以不能馬上寫主記憶。(2)I/O處理器或i/o設備寫入主存儲采取措施：(1)也被稱為全書、書直法(WT法Write through )方法：在向Cache寫入的同時，將其內容寫入主記憶。(2)回寫法(WB法Write back )如何： CPU正在寫入時，只寫入Cache，而不寫入主內存。5 .影響虛擬存儲命中率的因素是什么？ 是如何影響的呢？答案：(1)頁面大?。喉撁孑^小的情

10、況下，命中率隨著頁面變大而顯著提高，但頁面變大到某個值則命中率不變大，隨著頁面變大而降低。(2)主記憶容量：主記憶容量增加的話，命中率上升的容量在某種程度上增大的話，命中率的上升不會變大。(3)頁調度方式：頁的調度都是在發(fā)生斷頁時進行的，因此在程序的執(zhí)行開始后命中率很低，所以能夠采用預取方式的調度法來提高命中率。6 .模擬和模擬的主要區(qū)別和適當?shù)那闆r是什么？a :所謂模擬，是指在一臺計算機上以軟件的方式實現(xiàn)另一臺計算機的指令系統(tǒng)，從而不存在模擬機器，稱為虛擬機，執(zhí)行模擬程序的機器稱為信宿主機。 因為仿真用單純的軟件解釋執(zhí)行方法，所以執(zhí)行速度慢，實時性差。 因此，移植的執(zhí)行時間短，使用次數(shù)少，只

11、適用于沒有時間制約和限制的軟件。所謂模擬，是指在作為微程序的方法的計算機上實現(xiàn)其他計算機的指令系統(tǒng)。 執(zhí)行微程序的設備是宿主機，實現(xiàn)的是目標機器。 雖然模擬的執(zhí)行速度比模擬快，但由于對計算機的系統(tǒng)結構進行了模擬，所以對于系統(tǒng)結構差異大的設備，用模擬的方法很難實現(xiàn)軟件移植。7 .什么是程序直接定位方式？ 什么是程序的靜態(tài)定位？a:(1)直接定位方式的程序員在編制程序時，或者編譯程序并編譯源程序時，正確地知道該程序應占用的主存儲物理空間。 因此，可以使用實際的主機物理地址來創(chuàng)建或編譯程序。 目前，這種方法很少使用。(2)靜態(tài)定位方式專用加載程序完成，要求程序本身可以重新定位。 在程序加載到主存儲器

12、中的過程中，將這些標記的指令和數(shù)據(jù)中的邏輯地址全部更改為主存儲器的物理地址，統(tǒng)一完成地址轉換，加載到主存儲器中后就不能再變更了。8 .什么是程序的動態(tài)定位方式？a :動態(tài)定位方式與索引修飾方式相似，硬件支持完成。 在程序被載入主存儲器中的情況下，指令和數(shù)據(jù)地址不變更，只有主存儲器的開頭地址被載入到與該程序對應的基本地址寄存器中。 在程序執(zhí)行時，利用地址加法器將指令中的邏輯地址和已經(jīng)存儲在基地址寄存器中的程序的開頭地址相加，從而形成主存儲部的物理地址。 命令的所有地址代碼都不需要修改。9 .什么是命令的重疊解釋方式？ 重復說明方式有哪三種？a :重疊解釋方案是指，在兩個相鄰命令的解釋過程中，存在

13、不同的解釋階段在時間上重疊的部分。 重疊解釋方式一次重疊，分為先行控制技術和多操作部件并行三種。10 .什么是數(shù)據(jù)相關，數(shù)據(jù)相關沖突分為三種類型？a :數(shù)據(jù)相關是在幾個接近的指令之間共享同一操作數(shù)時發(fā)生的。 例如，指令部件中的一個指令在計算操作數(shù)地址時使用了通用寄存器的內容，該通用寄存器的內容是由該指令之前的其他指令產(chǎn)生的，但是，前一指令還沒有進入執(zhí)行部件中，在沒有產(chǎn)生通用寄存器的內容的情況下，只能停止等待指令部件中的指令數(shù)據(jù)相關的沖突可以分為RAW、WAR、WAW三種。11 .如果有解釋實現(xiàn)的計算機，可以按功能分為4個階段。 每個級別都需要下一級的n個指令解釋來執(zhí)行一個指令。 如果執(zhí)行一級指

14、令需要K(ns )時間，那么執(zhí)行二級、三級和四級指令需要多長時間(ns )？解： HHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHHH第二級的命令執(zhí)行時間為NKns；第三級的命令執(zhí)行時間是N2Kns第四級命令執(zhí)行時間為N3Kns。12 .假設某個系統(tǒng)中某個部件的處理速度提高了10倍，但該部件的原始處理時間只是整體運行時間的40%，那么采用加速措施能夠提高整體性能多少？解：從問題意義上可以看出fe=0.4，re=10，根據(jù)Amdahl法則13 .某機要求時：三地址命令4條、單地址命令192條、零地址命令16條。 設指令字長為12位，地址代碼長為3位。 可以對擴展操作碼進行編碼嗎？14 .簡述風水。

15、諾伊曼計算機的特征。a :主要特征被認為有以下幾點(1)機器以運算器為中心。 除了運算完成之外，設備內部的數(shù)據(jù)傳送通過運算器進行。 各零件的操作及其協(xié)調由控制器集中控制。(2)存儲器是一維的線性地址，依次訪問存儲器地址的單元，每個存儲器單元的位數(shù)是固定的。(3)程序被存儲，命令和數(shù)據(jù)無區(qū)別地存儲在存儲器中，命令和數(shù)據(jù)可以和數(shù)據(jù)一樣被發(fā)送到運算器進行運算，但命令和數(shù)據(jù)的不同主要是地址區(qū)域不同。(4)指令按執(zhí)行順序存儲在存儲器中，并指定在一個序列控制器(也稱為程序計數(shù)器或指令計數(shù)器)中執(zhí)行的指令地址。 每次讀入命令時，計數(shù)器都會自動按順序遞增。(5)指令由操作碼和地址代碼構成，操作碼指定操作數(shù)的地

16、址和結果地址。(6)數(shù)據(jù)用二進制表示。15 .嘗試基于頁面管理虛擬內存的過程。a :頁基礎的管理把主存儲區(qū)域和虛存儲區(qū)域以一定的大小分塊，把各塊稱為1頁。 無論程序的邏輯功能如何，頁面的大小和分隔都由操作系統(tǒng)軟件執(zhí)行。 一般而言，一頁的大小應該是512位的整數(shù)倍。 因為輔助磁盤中存儲的物理塊的大小為512位。 虛頁中的頁稱為虛頁，實存儲器中的各頁稱為實頁，在各虛頁與實頁之間完全關聯(lián)的圖像，即虛頁中的一頁可以存儲在主存儲器中的任意頁的位置。 CPU賦予了想訪問的偽地址后，根據(jù)用戶編號訪問基地址寄存器，求出用戶的頁表開頭地址Pa，與偽地址中的偽頁編號p相加，得到該頁的表條目，從而， 通過將表條目中

17、該頁存儲在主存儲器中的實際頁碼設為p，將該頁碼讀取到頁內地址中，可以得到主存儲器的實際地址。16 .用軟件簡單地實現(xiàn)計算機系統(tǒng)的結構，用硬件實現(xiàn)各自的優(yōu)點和缺點。答：硬件速度快，成本高，靈活性差，內存消耗少。軟件的速度很低，復印費用低，靈活性高，使用了很多內存。17 .簡要描述字節(jié)復用、陣列復用和選擇信道的數(shù)據(jù)傳輸方案。答案：(1)字節(jié)復用信道：為了連接多個低速外圍設備，通常采用字節(jié)交叉數(shù)據(jù)方案，連接到該信道的每個設備按順序以短的時間片(通常不到100微秒)傳輸字節(jié)。(2)選擇頻道：每個頻道可以連接一臺高速外圍設備，也可以連接多臺相同的高速外圍設備，但是頻道只能為各外圍設備提供串行服務。 如果一個設備正在運行，則通道將連接到該設備，并且在整個陣列被傳輸之前，可能無法遷移到另一個設備服務。(3)排列復用信道：排列復用信道是字節(jié)復用信道和選擇信道的動作方式的綜合，根據(jù)排列傳輸，以時分方式向多個高速外圍設備提供服務。 每次選擇高速設備時都傳輸塊，并依次為多個外圍設備提供服務。 磁盤等高速外圍設備的工作時間在地址