第一題 選擇題
1． SIMD是指（B）
A、單指令流單數據流 B、單指令流多數據流
C、多指令流單數據流 D、多指令流多數據流
2．下列那種存儲設備不需要編址？D
A. 通用寄存器
B. 主存儲器
C. 輸入輸出設備
D. 堆棧
3．按照計算機系統層次結構，算術運算、邏輯運算和移位等指令應屬於（A）級機器語言。
A、傳統機器語言機器 B、操作系統機器
C、彙編語言機器 D、高級語言機器
4． 早期的計算機系統只有定點數據表示，因此硬件結構可以很簡單。但是這樣的系統有明顯的缺點，下面哪一個不是它的缺點：B
A．數據表示範圍小
B．單個需要的計算時鐘週期多
C．編程困難
D．存儲單元的利用率很低
7．下面哪個頁面替換算法實際上是不能夠實現的？D
A）隨機頁面替換算法
B）先進先出替換算法
C）最久沒有使用算法
D）最優替換算法
9．指令優化編碼方法，就編碼的效率來講，那種方法最好？C
A. 固定長度編碼
B. 擴展編碼法
C. huffman編碼法
D. 以上編碼都不是
10．在早期馮·諾依曼計算機特徵中，機器以（C）爲中心。
A、存儲器 B、輸入輸出設備
C、運算器 D、控制器
1.RISC 計算機的指令系統集類型是 ( C ) 。
A. 堆棧型 B. 累加器型
C. 寄存器—寄存器型 D. 寄存器 - 存儲器型
2、相聯存儲器的訪問方式是( D )。
A．先進先出順序訪問
B．按地址訪問
C．無地址訪問
D．按內容訪問
3、假設—條指令的執行過程可以分爲“取指令”、“分析”和“執行”三段，每—段分別只有—個部件可供使用，並且執行時間分別爲Δt、2Δt和3Δt，連續執行n條指令所需要花費的最短時間約爲( C )。
（假設“取指令”、“分析”和“執行”可重疊，並假設n足夠大）
A．6 nΔt B．2 nΔt C．3 nΔt D．nΔt
6、下列計算機不屬於RISC計算機的是（ C ）。
A．SUN：Ultra SPARC
B．IBM：Power PC620
C．IBM：PC/XT
D．DEC：ALPHA21164
7、哪一點不是RISC的特點？（ D ）
A. 減少指令的平均執行週期數
B. 重視編譯優化技術
C. 減少指令和尋址方式的種類
D. 增加指令的功能
8、哪種兼容方式對系列機來說是必須要求做到的？（ B ）
A. 向前兼容 B. 向後兼容 C. 向上兼容 D. 向下兼容
9、在計算機系統中，表徵系統運行狀態的部件是( D )。
A．程序計數器
B．累加計數器
C．中斷計數器
D．程序狀態字(PSW)
10、存儲器讀寫速率越高，每位的成本也越高，存儲容量也小。解決這一問題的主要方法是採用( C )。
A．Cache
B．並行存儲器
C．多級存儲體系結構
D．緩衝技術
1．計算機系統結構的層次結構按照由高到低的順序是（A ）。
A、高級語言機器級、彙編語言機器級，傳統機器語言機器級、微程序機器級
B、高級語言機器級，應用語言機器級、彙編語言機器級、微程序機器級
C、應用語言機器級、傳統語言機器級，彙編語言機器級，操作系統機器級
D、應用語言機器級，操作語言機器級，微程序機器級、傳統機器語言機器級
2．機器內浮點數都包含階碼和尾數兩部分，其中尾數的位數主要影響（A ）。
A、能表示數的精度 B、能表示數的範圍
C、能表示數的範圍和精度 D、能表示數在數軸上分佈的離散程序
3．RISC的含義是（C ）。
A、 Reduced Instruction System Computer
B、 Reproduced Instruction Set Computer
C、 Reduced Instruction Set Computer
D、Reproduced Instruction System Computer
4．推出系列機的新機器，不能更改的是（A ）。
A、原有指令的尋址方式和操作碼 B、系統總線的組成
C、數據通路寬度 D、存儲芯片的集成度
8．與全相聯映象相比，組相聯映象的優點是（ A ）
Ａ、目錄表小 Ｂ、比較對法
Ｃ、命中率高 Ｄ、主存利用率高
10． 對於線性流水，在每段經過的時間相等的情況下，流水線的效率與（ C ）成正比。
A、 任務數 B、流水線段數 C、吞吐率 D、排空時間
1. 對應用程序員不透明的是(D )。
A．先行進位鏈 B．乘法器
C．指令緩衝器 D．條件碼寄存器
2. 以下說法中，不正確的是(B )。
軟、硬件功能是等效的，提高硬件功能的比例會
A．提高解題速度 B．提高硬件利用率
C．提高硬件成本 D．減少所需的存儲器用量
4. 數據表示的含義是（ D ）。
A．表示數據所採用的數制和碼制 B．數據類型
C．浮點數的表示方式 D．硬件能直接識別的數據類型
6.在不同類中斷事件優先級中，( D )不受中斷屏蔽的控制。
A．中斷按鍵 B．外部中斷
C．I/O中斷 D．訪管中斷
7.與虛擬存儲器的等效訪問速度無關的是（D ）。
A．訪存頁地址流 B．頁面替換算法
C．主存的容量 D．輔存的容量
8. 頁是( )單位，由( )劃分，它的長度( )。D
A．邏輯，系統，定長 B．邏輯，用戶，不定長
C．物理，用戶，不定長 D．物理，系統，定長
1.某個時期投入市場的機器上編制的軟件，不用修改就可運行在比它之後投入市場的機器上，這被稱爲(D)。
A．向上兼容 B．向下兼容 C．向前兼容 D．向後兼容
2.信息按整數邊界存儲的主要優點是（A ）。
A．訪存速度快 B．節約主存單元
C．指令字的規整化 D．指令的優化
4.按Cache地址映像的塊衝突概率從高到低的順序是（C ）。
A.全相聯映像、直接映像、組相聯映像 B.組相聯映像、直接映像、全相聯映像
C.直接映像、組相聯映像、全相聯映像 D.全相聯映像、組相聯映像、直接映像
5.衡量流水線的主要性能指標是(D )。
A.流水線容量 B.流水線長短
C.流水線規模 D.流水線吞吐率和效率
2．並行處理髮展通過( D )途徑形成了分佈處理系統。
A．提高主頻 B．時間重疊 C．資源重複 D．資源共享
3.系列機軟件必須保證（ D ），一般應做到軟件的向上兼容性。
A、向上兼容 B、向下兼容 C、向前兼容 D、向後兼容
1．對機器語言程序員透明的是（ B ）。
A．中斷字 B．主存地址寄存器 C．通用寄存器 D．條件碼
按照Flynn的分類，PⅡ的MMX指令採用的是（31）模型，而當前的高性能服務器與超級計算機則大多屬於（32）類。
（31）、（32）A．SISD B．SIMD C．MISD D．MIMD
例題1分析
按照Flynn的分類，計算機可分爲SISD、SIMD、MISD和MIMD共4類。
PⅡ中開始採用MMX技術，引進了一些新的通用指令，雖然使用了單指令多數據思想，但從整體上說PⅡ仍屬於SISD類。
當前的高性能服務器與超級計算機大多具有多個處理器，多任務處理並行處理，基本上都屬於MIMD。例題1答案（31）A （32）D
第二題 填空題
1、進行仿真工作的機器稱爲宿主機，而被仿真的機器稱爲_____目標機________。
3、Cache存儲器寫保護時，只寫入Cache，僅當需塊替換時，纔將其寫回主存，稱這種修改方法爲______寫回法_________法。
4、一般中斷是在_____每條指令的尾部______時處理的，而頁失效是立即處理的。
1．提高計算機系統並行性的主要技術途徑有時間重疊、 資源重複 和 資源共享 。
4．在Cache存貯器中，CPU每次寫Cache的同時，也寫入主存，稱這種更新主存塊內容的方法爲 寫直達 法。
2．計算機組成是計算機體系結構的 邏輯 實現。計算機實現是計算機組成的 物理 實現。
3．“主存-輔存”層次的目的是爲了彌補主存 容量 的不足；“Cache-主存”層次的目的是爲了彌補主存 速度 的不足。
4．從計算機體系結構的發展來看，早期的計算機是以 運算器 爲中心的系統結構，而近代的是以 存儲器 爲中心的系統結構。
6．計算機體系結構設計和分析中最經常使用的三條基本原則是 大概率原則、阿摩達爾定律 和 局部性原理 。
7．Amdahl定律表明系統的加速比依賴於 部件可改進比例 和加速比 兩個因素。
9．一條DLX指令最多需要5個時鐘週期，它們分別是 取指周
期、 指令譯碼 週期、執行/有效地址計算週期、 存儲器 週期和寫回 週期。
10．吞吐率是流水線在 單位時間內 所完成的任務數或輸出結果的數量。
11．流水線在連續流動達到穩定狀態後所得到的吞吐率叫做 最大吞吐率 。
12．按照同一時間內各段之間的連接方式來分，流水線可分爲 動態流水線
和 靜態流水線 。
13.流水線中的相關有 結構相關、 數據相關 和 控制相關 。
1.並行性包括同時性和 併發 性二重含義。
5. 解決通用寄存器數相關的辦法有 推後法 和 設置相關專用通路 。
2. 計算機系統的3T性能目標是 1TFLOPS計算能力 ， 1TBYTE主存客量和 1TBYTE／S的 I/O帶寬 。
4. 浮點數階碼位數影響數的可表示 範圍 大小，尾數的位數影響數的可表示精度 大小。
5.在滿足系統性能和總線流量的前提下，可以採用總線的功能組合、 並/串-串/並轉換 、 信息編碼 等方式來減少總線的線數。
8. 段頁式虛擬存貯器的內部地址映象表機構有 段 表和 頁 表兩部分。
9.在m段組成的流水線中，設各段經過的時間不同，則在連續完成n個任務時流水線的效率爲
。
10.全局相關指已進入流水線的 轉移指令 和其後續指令之間的相關。
1．中斷響應時間是指_______從發出中斷請求到進入中斷處理程序這段時間_ ______。
3．對於計算機體系結構，計算機組成和計算機實現三個概念來說，_____計算機組成____着眼於機器級內各事件排序方式_____計算機系統結構_______着眼於對傳統機器級界面的確定，______計算機實現______着眼於 微程序設計。
5．中斷系統的軟硬件功能分配實際上就是在 中斷響應硬件 和 中斷處理程序軟件之間的功能分配。
6．數據寬度是指在 期間所傳送的數據總量。
7．評價存貯器性能的基本要求是大容量、 高速度 和低價格。
8．程序的局部性包括 時間 上的局部性和 空間 上的局部性
9．在“一次重疊”解釋時，第K+1條指令需要等第K條指令執行後才能形成，稱此時發生了 指令相關 。
10．中斷屏蔽不能改變中斷響應的優先次序，但是能夠動態改變中斷 處理程序 次序。
一、 判斷題
1．可以說向後兼容是系列機的根本特徵。 （√ ）
3．在數據描述符中，描述符與數據分開存放，主要用於描述單個數據的特徵。 （× ）
6．爲了動態調節中斷處理程序實際執行完的次序，需要在中斷級請求源和中斷響應排隊器的入口端之間加設中斷屏蔽字寄存器和相應的控制門電路。（√ ）
7．頁面失效請求可以在每條指令執行到末尾時檢測，以便在此時看是否調頁。 （× ）
8．Cache存貯器等效訪問速度達不到接近於第一級Cache的，可以增加Cache容量來解決。 （√ ）
9．對於通用寄存器變址相關的情況，有可能會出現“一次相關”，而不會出現“二次相關”。（ × ）
1．( √ )器件的發展是推動計算機系統向前發展的最直接的動力。
3．( × )由於RISC簡化了指令系統，因此，RISC上的目標程序比CISC上的目標程序要短一些，程序運行的時間就會少一些。
5. ( √ )專用總線的總線數多，系統流量大，I/O系統不適宜用專用總線。
8．( √ )存儲器採用單體單字，還是多體交叉並行存取，對系統結構設計應是透明的。
10. ( × )從軟硬功能分配看，靜態流水線把功能負擔較多地加到硬件上，而動態流水線則較多地加到軟件上，以提高流水的效能。
3．( × )在集中式定時查詢方式中，共享總線的部件都有各自的一對"總線請求"和"總線准許"線。
4．( × )頁面失效請求可以在每條指令執行到末尾時檢測，以便在此時看是否調頁。
3、若Cache未命中，應將程序掛起，同時調塊。（ × ）
5、只要將子過程進一步細分，就可以使流水吞吐率進一步提高。（× ）
1．系統是否設浮點運算指令，對計算機系統結構是透明的。（ 錯 ）
2．基址尋址支持程序的動態再定位，變址尋址支持程序的循環。（ 對 ）
存儲轉發尋徑：
在存儲轉發網絡中包是信息流的基本單位，每個結點有一個包緩衝區。包從源結點經過一系列中間結點到達目的結點。當一個包到達一箇中間結點時，它首先被存入緩衝區，當所要求的輸出通道和接收結點的包緩衝區可使用時，然後再將它傳送給下一個結點。
1．系列機
所謂系列機是指在一個廠家內生產的具有相同的系統結構，但具有不同組成和實現的一系列不同型號的機器。系列機方法能夠在具有相同系統結構的各種機器之間實現軟件移植。
5．MIPS
MIPS= =
6．MFLOPS
MFLOPS=
7．命中率存儲器替換策略
命中率是爲存儲器層次結構中任意兩個相鄰層次而定義的一個概念，當在Mi中找到一個信息項時，稱之爲命中，反之稱之爲缺失。在Mi層的命中率就是信息項可在Mi中找到的概率。
11．存儲轉發尋徑
在存儲轉發網絡中包是信息流的基本單位，每個結點有一個包緩衝區。包從源結點經過一系列中間結點到達目的結點。當一個包到達一箇中間結點時，它首先被存入緩衝區，當所要求的輸出通道和接收結點的包緩衝區可使用時，然後再將它傳送給下一個結點。
13． 靜態流水線
在同一時間內，多功能流水線中的各個功能段只能按照一種固定的方式連接，實現一種固定的功能。只有當按照這種連接方式工作的所有任務都流出流水線之後，多功能流水線才能重新連接，以實現其他功能。
14．存儲器帶寬
存儲器帶寬爲存儲器在連續訪問時的數據吞吐速率。帶寬的單位通常是每秒鐘傳送的位數或字節數。
15．Amdahl定律：
系統中對某一部件或某種執行方式取採了改進後，整個系統性能的提高與兩種因素有關（1）改進部分的使用頻率或佔總執行時間的比例有關；（2）與改進部分在採用改進措施後比較有改進措施前性能提高的倍數有關。
：加速比
：改進部分的使用頻率或佔總執行時間的比例
：改進部分在改進前的性能與改進後的性能之比，（也就是改進部分性能提高的倍數）
1. 結構相關——當指令在流水線中重疊執行時，流水線有可能改變指令讀/寫操作的順序（2分），使得讀/寫操作順序不同於它們非流水實現時的順序（2分），將導致數據相關
2. 程序的局部性原理——程序在執行時所訪問的地址不是隨機的，而是相對簇聚（3分）；這種簇聚包括指令和數據兩部分（1分）。
3. CPI——指令時鐘數（Cycles per Instruction）（4分）。
4. 並行性：包含同時性和併發性.是指在同一時刻或同一時間間隔內完成兩種以上性質相同或不同的工作。
5. 組相聯映象：主存中的每一塊只能映象到Cache中唯一一個特定塊的位置,即第i塊映象到Cache中物理地址應爲i mod 2ncb塊的位置上。
6. 模擬:用一種機器語言解釋另一種機器語言的方式.
仿真:用微機解釋機器語言的方式。 （4分）
17、 Flynn分類法：計算機系統結構的一種分類方法．按照同時執行的指令流與數據流在系統中的數目，將系統結構分爲：SISD單指令單數據流，SIMD多指令流多數據流，MISD多指令流單數據流，MIMD多指令流多數據流。
18、 物理地址cache存儲系統：物理地址cache存儲系統是指cache、主存、磁盤這三個存儲器分別構成"cache-主存"和"主存-磁盤"兩個存儲系統
19、非阻塞網絡：
非阻塞網絡：邏輯上的交叉開關網絡，除非存在不同輸入端口向同一輸出端口發送消息，否則消息通信將不會阻塞。
請描述存儲器訪問的時間局部性和空間局部性，並講述其原因。
時間上的局部性指的是最近的將來要用到的信息很可能是現在正在使用的信息，這主要是由程序的循環和堆棧等造成的。
空間上的局部性指的是最近的將來要用到的信息很可能與現在正在使用的信息在空間上是相鄰或相近的，這主要是由於指令通常是順序執行的和數據是集簇存放所造成的。
15、 簡述流水線技術的特點
⑴流水過程由多個相聯繫的子過程組成，每個過程稱爲流水線的"級"或"段"。
⑵流水技術適合於大量重複的時序過程。
13、 簡述SIMD計算機的分佈式存儲器與共享存儲器的異同。
SIMD計算機的分佈式存儲器與共享存儲器的相同點都存在互聯網絡。不同點式在共享內存方案中，共享的多體並行存儲器通過對準網絡與各處理單元相連。在分佈內存方案中，每個處理單元有自己的本地存儲器，處理單元有自己的本地存儲器，處理單元之間的數據通過數據尋徑網絡完成。
15、 程序中有哪兩類相關，分別可以採取什麼方法來解決？
(1) 數據相關
數據相關指在執行本條指令的過程中，如果用到的指令、操作數、變址偏移量等是前面指令的執行結果，則必須等待前面的指令執行完成，並把結果寫到主存或通用寄存器中之後，本條指令才能開始執行。
可以採取設置專用數據通路、延遲執行等方法來解決數據相關。
(2) 控制相關
控制相關指由條件分支指令、轉子程序指令、中斷等引起的相關。可以採取靜態分支預測技術、動態分支預測技術、提前形成條件碼等來解決控制相關。
14、 簡述超標量處理機的特點
超標量處理機一般具有多於一條的流水線，一臺m度的超標量處理機可同時發射m條指令，指令的發射等待時間爲1個時鐘，指令的並行度爲m。
12、 數據類型、數據表示和數據結構之間的關係是什麼？在設計一個計算機系統時，確定數據表示的原則主要有哪幾個？
數據類型有多種多樣，如文件、圖、表、樹、陣列、隊列、鏈表、棧、向量、串、實數、整數、布爾數、字符等。數據表示研究的是計算機硬件能夠直接識別，可以被指令系統直接調用的那些數據類型。數據結構研究的是面向系統軟件，面向應用領域所需要處理的各種數據類型，研究這些數據類型的邏輯結構和物理結構之間的關係，並給出相應的算法。
確定哪些數據類型用數據表示來實現的原則主要有三個，一是縮短程序的運行時間，二是減少CPU與主存儲器之間的通信量，三是這種數據表示的通用性和利用率。
16、 實現軟件移植的主要途徑有哪些？它們存在什麼問題？適用於什麼場合？
（1） 採用系列機方法，只能在具有相同系統結構的各種機器之間實現軟件移植，一般是一個廠家生產的機器
（2） 採用模擬與仿真的方法，可在不同系統結構的機器之間相互移植軟件，對於使用頻率較高的指令，儘可能用仿真方法以提高運算速度，而對於使用頻率低且難於用仿真實現的指令則用模擬方法來實現。
（3） 採用統一的高級語言方法，可以解決結構相同或完全不同的各種機器上的軟件移植，但是，要統一高級語言，語言的標準化很重要，但難以在短期內解決。
1．設計RISC機器可採用的基本技術有哪些？
設計RISC機器的基本技術：按設計RISC機器的一般原則來精選和優化設計指令系統；邏輯上採用硬聯組合電路爲主，適當輔以微程序控制；在CPU內設置大量寄存器，採用重疊寄存器組的窗口；指令採用重疊和流水的方式解釋，採用延遲轉移；優化設計高質量的編譯程序。
19．簡述計算機系統設計中軟硬件取捨3原則。
1） 在現有器件的條件下，系統要有較高的性能價格比；
2） 不要不合理地限制各種組成、實現技術的採用；
3） 硬件的設計要考慮如何爲軟件提供更好的支持。
2. 簡述RISC結構的設計原則。
(1) 選取使用頻率最高的指令，並補充一些最有用的指令；
(2) 每條指令的功能應儘可能簡單，並在一個機器週期內完成；
(3) 所有指令長度均相同；
(4) 只有Load和Store操作指令才訪問存儲器，其它指令操作均在寄存器之間進行
(5) 以簡單有效的方式支持高級語言。
3. 解決流水線結構相關的方法有哪些？
（1） 流水化功能單元
（2） 資源重複
（3） 暫停流水線
4.組相聯Cache比相同容量的之直接映象Cache的失效率低。由此是否可以得出結論：採用組相聯Cache一定能帶來性能上的提高？爲什麼？
答：不一定。因爲組相聯命中率的提高是以增加命中時間爲代價的，組相聯需要增加多路選擇開關。
11、一條流水線連接圖如下所示，畫出100條指令連續通過該流水線的時空圖，並計算該流水線的加速比。（其中 ）
參考答案：
順序執行的時間爲T0＝6×100＝600ns
採用流水方式執行的時間爲T1＝3×99+6=303
加速比S＝T0/T1＝600/303=1.98
12、
13、雙輸入端的加、乘雙功能靜態流水線有1、2、3、4四個子部件，延時分別爲Δt, Δt, 2Δt, Δt，“加”由1→2→4組成，“乘”由1→3→4組成，輸出可直接返回輸入或鎖存。現執行
（1） 畫出流水時空圖，標出流水線入端數據變化情況。
（2） 求運算全部完成所需的時間和流水線效率。
（3） 找出瓶頸子過程並將其細分，重新畫出時空圖並計算流水時間和效率。
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部件
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① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 結果
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輸入
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a1 a2 a3 a4 a1+b1 a2+b2 a3+b3 a4+b4 ① ③ ⑤ b1 b2 b3 b4 c1 c2 c3 c4 ② ④ ⑥
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Δt
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4 3 2 1
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（2）由上圖可知，全部運算完的時間是23Δt。
（3）
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4 3-2 3-1 2 1
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輸入
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a1 a2 a3 a4 a1+b1 a2+b2 a3+b3 a4+b4 ① ③ ⑤ b1 b2 b3 b4 c1 c2 c3 c4 ② ④ ⑥
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① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 結果
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Δt
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部件
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由上圖可知，流水時間爲20Δt。
2．在下列不同類型的處理機上做向量運算：D=(A+B)*C，向量長度均爲4，每個週期的時間爲10ns。分別計算所需的最短時間，寫出簡要計算過程。(15分)
1).SISD單處理機，有一個通用運算部件，每3個週期做完一次加法，或每4個週期做完一次乘法。(5分)
2).流水線處理機，有一條兩功能靜態流水線，加法經過其中的3段，乘法經過其中的4段，每段的延遲時間均爲一個週期。(5分)
3).向量處理機，有獨立的加法器和乘法器，加法器採用3段流水線，乘法器採用4段流水線，每段的延遲時間均爲一個週期，採用向量鏈接方式工作。(5分)
解：
1)10ns×4×（3＋4）＝ 280ns，4次加法和4次乘法串行執行
2)10ns×（6＋7）＝ 130ns，流水線執行4次加法需要6個週期，流水線執行4次乘法需要7個週期
3)10ns×（7＋3）＝ 100ns，得到第1個結果需要7個週期，另外3個結果需要3個週期
9、 在一個Cache存儲系統中，主存儲器的訪問週期、存儲容量和單位價格分別爲60ns、64MB和10元／NB，Cache的訪問週期、存儲容量和單位價格分別爲10ns、512KB和100元／MB，Cache的命中率爲0．98。
計算這個Cache存儲系統的等效訪問週期、存儲容量和單位價格。
這個Cache存儲系統的等效訪問週期：
T=TcH+Tm(1-H)
=10ns×0.98+60ns×(1-0.98)
=11ns
等效存儲容量：
S=64MB
等效單位價格：
C=(CcSc+CmSm)/(Sc+Sm)
=(100×0.5+10×64)/(0.5+64)
=10.7(元/MB)
8、 1臺向量計算機1次只能以下述兩種執行方式中的一種運行：一種是向量方式，執行速度Rv爲10MFLOPS；另一種是標量方式，執行速度Rs爲1MFLOPS。設α是該計算機的典型程序代碼中可向量化部分的百分比。
（a）推導出該計算機平均執行速度R的公式
（b）要使R達到7.5MFLOPS，問向量化百分比α應多大？
（c）假設Rs=1MFLOPS，α=0.7，要使R達到2MFLOPS，問Rv應爲多大？
參考答案：
（a）
（b）R=7.5，則 ，α=0.963
（c） ，
則 MFLOPS