《计算机体系结构》期末复习题

《计算机体系结构》期末复习题

系别 _________ 班级 _________ 姓名__________ 学号__________

一、 填空题（每空1分）

1.按照弗林（Flynn）分类法，计算机系统可以分为4类：SISD计算机、______计算机、_______计算机和_______计算机。

2. 改进之后的冯?诺依曼计算机的只要特点是__________。

3. 当前计算机系统中的存储系统是一个层次结构，其各层分别为__________。

4.高速缓冲存储器的地址映象方式有三种，它们分别是：__________、__________、__________。 5.虚拟存储器的三种管理方式是__________，__________和__________

6.目前计算机中常用数据有__________，__________和__________三种类型。 7.通常可能出现的流水线的相关性有__________。

8.解决中断引起的流水线断流的方法有_______和________。

9.目前向量处理机的系统结构有两种：__________和__________。 10.通用计算机基本指令分为5类，它们分别是：__________。

11．执行指令x1=x2+x3；x4=x1-x5会引起__________类型的数据相关，执行指令x5=x4*x3；x4=x0+x6会引起__________类型的数据相关，执行指令x6=x1+x2；x6=x4*x5会引起__________类型的数据相关。

12．多计算机网络中，通常出现的4种通信模式是__________。

13.传统的冯?诺依曼计算机是以控制驱动方式工作，以数据驱动方式工作的典型计算机是_______，以需求驱动方式工作的典型计算机是_______，以模式匹配驱动方式工作的典型计算机是_______。

14.多流水线的调度主要有三种方法：_______。 15. 早期冯?诺依曼计算机的主要特点是_______

16.根据指令间的对同一寄存器读和写操作的先后次序关系，数据相关冲突可分为_______三种类型。 17．多流水线的调度主要有三种方法：_______。

18.计算机模型按有关控制机制分类，可将计算机分为_______驱动，_______驱动，_______驱动，_______驱动四种类型。

二、名词解释（每题2分）

1.计算机体系结构： 2.系列机： 3.模拟:

4.程序的局部性原理: 5.MIPS：

6.高速缓冲存储器: 7.虚拟存储器: 8.快表:

9.程序定位：

10.延迟转移技术： 11.窗口重叠技术： 12.流水线技术：

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13.动态流水线： 14.静态流水线： 15.线性流水线： 16.非线性流水线： 17.流水线的吞吐率： 18.超流水线计算机：

19.向量的分段开采技术：

三、简答题（每题5分）

1.什么是存储系统？

2.简述全相联映象规则。 3.简述直接相联映象规则。

4.引起Cache与主存内容不一致的原因是什么？为了保持Cache的一致性，在单计算机系统中一般采取哪些措施？

5.影响虚拟存储器命中率的因素有哪些？它们是如何影响的？ 6.模拟与仿真的主要区别和适合场合是什么？

7.什么是程序直接定位方式？什么是程序静态定位方式？ 8.什么是程序动态定位方式？

9.什么是指令的重叠解释方式？重叠解释方式有哪三种？ 10.什么是数据相关，数据相关冲突可分为哪三种类型？

11.如有一个经解释实现的计算机，可以按功能划分成4级。每一级为了执行一条指令需要下一级的N条指令解释。若执行第一级的一条指令需K(ns)时间，那么执行第2、3、4级的一条指令各需要用多少时间(ns)?

12.假设将某系统的某一部件的处理速度加快到10倍，但该部件的原处理时间仅为整个运行时间的40%，则采用加快措施后能使整个系统的性能提高多少？

13.若某机要求有：三地址指令4条，单地址指令192条，零地址指令16条。设指令字长为12位，每个地址码长3位。问能否以扩展操作码为其编码？ 14.简述冯。诺依曼计算机的特征。

15.试述页式管理虚拟存储器的工作过程。

16.简述计算机系统结构用软件实现和用硬件实现各自的优缺点。 17.简述字节多路、数组多路和选择通道的数据传送方式。

18.在指令编码中，缩短地址码的方法很多，请列出三种缩短地址码的方法，并说明理由。 19.指令流水线的中断处理有哪 2 种方法？各有何优缺点？

20. 流水线按级别分为哪几类？从处理对象对流水线的段的使用要求来看，线性流水线与非线性流水线的

21. 实现软件移植的途径有哪些？各受到什么限制？

22.计算机系统的 Flynn 分类法是按什么来分类的？共分为哪几类？简要说 明各类的特征。

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四、问答与计算题（每题15分）

1.某机主存容量为512KB，Cache的容量为32KB，每块的大小为16个字（或字节）。划出全相联方式主、缓存的地址格式、目录表格式及其容量。

2．主存容量为512KB，Cache的容量为32KB，每块为64个字（或字节），缓存共分128组。划出组相联方式主、缓存的地址格式、目录表格式及其容量。

3.什么是方体臵换？写出方体臵换函数的表达式，假设互联网有16个结点，请画出4个方体臵换函数（即C0，C1，C2，C3）的输入端与输出端的连接关系。

4.在页式虚拟存储器中，一个程序由P1～P5共5个页面组成。在程序执行过程中依次访问的页面如下：P2，P3，P2，P1，P5，P2，P4，P5，P3，P2，P5，P2

假设系统分配给这个程序的主存有3个页面，分别采用FIFO、LFU和OPT三种页面替换算法对这3页主存进行调度。

（1）画出主存页面调入、替换和命中的情况表。 （2）统计三种页面替换算法的页命中率。

5.一个有快表和慢表的页式虚拟存储器，最多有64个用户，每个用户最多要用1024个页面，每页4K字节，主存容量8M字节。

（1）写出多用户虚地址的格式，并标出各字段的长度。 （2）写出主存地址的格式，并标出各字段的长度。

（3）快表的字长为多少位？分几个字段？各字段的长度为多少位？ （4）慢表的容量是多少个存储字？每个存储字的长度为多少位？

6.一个程序由五个虚页组成，采用LFU替换算法，在程序执行过程中依次访问的地址流如下： 4，5，3，2，5，1，3，2，3，5，1，3 （1）可能的最高页命中率是多少？

（2）至少要分配给该程序多少个主存页面才能获得最高的命中率。

（3）如果在程序执行过程中访问一个页面，平均要对该页面内的存储单元访问1024次，求访问存储单元的命中率。

7.假设一台模型计算机共有10种不同的操作码，如果采用固定长操作码需要4位。已知各

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种操作码在程序中出现的概率如下表所示，计算采用Huffman编码法的操作码平均长度，并计算固定长操作码和Huffman操作码的信息冗余量（假设最短平均长度H＝3.1位）。

指令序号 I1 I2 I3 I4 I5

指令使用频度Pi 0.17 0.15 0.15 0.13 0.12 指令序号 I6 I7 I8 I9 I10 指令使用频度Pi 0.09 0.08 0.07 0.03 0.01 8.一台模型机的各条指令的频度如下： ADD（加）：43% SHR（右移）：1% SUB（减）：13% CLL（循环左移）：2% JOM（按页转移）：6% CLA（累加器清0）：22% STO（存）：5% STP（停机）：1% JMP（转移）：7％

试设计这9条指令的哈夫曼编码的操作码表示以及2-4等长扩展操作码表示，并计算这两种表示的平均操作码长度。

9．用一条4段浮点加法器流水线求8个浮点数的和: Z＝A＋B＋C＋D＋E＋F＋G＋H,求流水线的吞吐率、加速比和效率,其中△t1=△t2=△t3=△t4=△t。

输入 S1 △ t 1

S2 △ t 2

S3 △ t 3

输出 S4 △ t 4

10.设有两个向量A，B，各有4个元素，若在如图所示的静态双功能流水线上，计算向量点

积：

其中，1→2→3→5组成加法流水线，1→4→5组成乘法流水线。

又设每

个流水线所经过的时间均为△t，而且流水线的输出结果可以直接返回到输入或暂存于相应的缓冲寄存器中，其延迟时间和功能切换所需的时间都可以忽略不计。请使用合理的算法，能使完成向量点积A*B所用的时间最短，并求出流水线在此期间实际的吞吐率TP和效率E。

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11.什么是均匀洗牌臵换？写出均匀洗牌臵换函数的表达式，假设互联网有16个结点，请画出均匀洗牌臵换的输入端与输出端的连接关系。

答：均匀洗牌置换是将输入端分成数目相等的两半，前一半和后一半按序一个隔一个地从头至尾依次与输出端相连，即将输入端二进制地址循环左移一位即得到对应的输出端二进制地址。其函数关系可表示为： ?(Xn?1Xn?2?Xk?X0)?(Xn?2?X1X0Xn?1)图略

12.什么是PM2I臵换？写出PM2I臵换函数的表达式，假设互联网有16个结点，请画出PM2I

臵换当i＝2时的输入端与输出端的连接关系。

答：PM2I是对输入端编号加减2的i次方后得到输出端的编号。其函数关系可表示为：

?PM2?i(j)?j?2imodN

?i PM2(j)?j?2modN?i?

其中，0?j?N?1，0?i?n?1，n?log2N图略

13.在一个时钟频率 f 为 40MHz 的处理机上执行一个典型测试程序，该程序有 4 种类型指令，每种类型指令在程序中出现的条数和每种指令的 CPI 如表 1.1 所示。计算这个测试程序在该处理机上运行的 CPI 和相应的 MIPS。

表 1.1 指令在程序中出现的条数和每种指令的 CPI

指令类型 ALU 转移指令 访存指令（Cache 不命中时） 指令条数 120 000 CPI 1 2 4 8 加载/存储指令（Cache 命中时） 36 000 24 000 20 000 5

14. 假设高速缓存 Cache 的工作速度为主存的 5 倍，且 Cache 被访问命中的 概率为 90%，那么，采用 Cache 后能使整个存储系统获得多高的加速比？

15.某个流水线由 4 个功能部件组成，每个功能部件的执行时间都为?t。当连续输入 10 个数据后，停顿 5?t，又连续输入 10 个数据，如此重复。画出时空图，计算流水线的实际吞吐率、加速比和效率。

16.某虚拟存储器采用页式管理，主存容量为 4 个页面，使用 LRU 替换算法。若程序访存的虚页地址流为：0，7，0，6，7，1，6，3，0，7，2，7，1，4，0，2

（1）画出该程序使用主存实页位臵的过程。 （2）计算该程序对主存的命中率和缺失率。

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