计算机体系结构期末复习题及答案(3)

送的位数或字节数。 15．Amdahl定律：

系统中对某一部件或某种执行方式取采了改进后，整个系统性能的提高与两种因素有关（1）改进部分的使用频率或占总执行时间的比例有关；（2）与改进部分在采用改进措施后比较有改进措施前性能提高的倍数有关。 ：加速比

：改进部分的使用频率或占总执行时间的比例

：改进部分在改进前的性能与改进后的性能之比，（也就是改进部分性能提高的倍数）

1. 结构相关——当指令在流水线中重叠执行时，流水线有可能改变指令读/写操作的顺序（2分），使得读/写操作顺序不同于它们非流水实现时的顺序（2分），将导致数据相关

2. 程序的局部性原理——程序在执行时所访问的地址不是随机的，而是相对簇聚（3分）；这种簇聚包括指令和数据两部分（1分）。 3. CPI——指令时钟数（Cycles per Instruction）（4分）。

4. 并行性：包含同时性和并发性.是指在同一时刻或同一时间间隔内完成两种以上性质相同或不同的工作。

5. 组相联映象：主存中的每一块只能映象到Cache中唯一一个特定块的位置,即第i块映象到Cache中物理地址应为i mod 2ncb块的位置上。 6. 模拟:用一种机器语言解释另一种机器语言的方式.

仿真:用微机解释机器语言的方

式。 （4分） 17、 Flynn分类法：计算机系统结构的一种分类方法．按照同时执行的指令流与数据流在系统中的数目，将系统结构分为：SISD单指令单数据流，SIMD多指令流多数据流，MISD多指令流单数据流，MIMD多指令流多数据流。

18、 物理地址cache存储系统：物理地址cache存储系统是指cache、主存、磁盘这三个存储器分别构成\主存\和\主存-磁盘\两个存储系统 19、非阻塞网络：

非阻塞网络：逻辑上的交叉开关网络，除非存在不同输入端口向同一输出端口发

送消息，否则消息通信将不会阻塞。

请描述存储器访问的时间局部性和空间局部性，并讲述其原因。

时间上的局部性指的是最近的将来要用到的信息很可能是现在正在使用的信息，这主要是由程序的循环和堆栈等造成的。

空间上的局部性指的是最近的将来要用到的信息很可能与现在正在使用的信息在空间上是相邻或相近的，这主要是由于指令通常是顺序执行的和数据是集簇存放所造成的。 15、 简述流水线技术的特点

⑴流水过程由多个相联系的子过程组成，每个过程称为流水线的\级\或\段\。 ⑵流水技术适合于大量重复的时序过程。

13、 简述SIMD计算机的分布式存储器与共享存储器的异同。

SIMD计算机的分布式存储器与共享存储器的相同点都存在互联网络。不同点式在共享内存方案中，共享的多体并行存储器通过对准网络与各处理单元相连。在分布内存方案中，每个处理单元有自己的本地存储器，处理单元有自己的本地存储器，处理单元之间的数据通过数据寻径网络完成。 15、 程序中有哪两类相关，分别可以采取什么方法来解决？ (1) 数据相关

数据相关指在执行本条指令的过程中，如果用到的指令、操作数、变址偏移量等是前面指令的执行结果，则必须等待前面的指令执行完成，并把结果写到主存或通用寄存器中之后，本条指令才能开始执行。

可以采取设置专用数据通路、延迟执行等方法来解决数据相关。 (2) 控制相关

控制相关指由条件分支指令、转子程序指令、中断等引起的相关。可以采取静态分支预测技术、动态分支预测技术、提前形成条件码等来解决控制相关。 14、 简述超标量处理机的特点

超标量处理机一般具有多于一条的流水线，一台m度的超标量处理机可同时发射m条指令，指令的发射等待时间为1个时钟，指令的并行度为m。

12、 数据类型、数据表示和数据结构之间的关系是什么？在设计一个计算机系

统时，确定数据表示的原则主要有哪几个？

数据类型有多种多样，如文件、图、表、树、阵列、队列、链表、栈、向量、串、实数、整数、布尔数、字符等。数据表示研究的是计算机硬件能够直接识别，可以被指令系统直接调用的那些数据类型。数据结构研究的是面向系统软件，面向应用领域所需要处理的各种数据类型，研究这些数据类型的逻辑结构和物理结构之间的关系，并给出相应的算法。

确定哪些数据类型用数据表示来实现的原则主要有三个，一是缩短程序的运行时间，二是减少CPU与主存储器之间的通信量，三是这种数据表示的通用性和利用率。

16、 实现软件移植的主要途径有哪些？它们存在什么问题？适用于什么场合？ （1） 采用系列机方法，只能在具有相同系统结构的各种机器之间实现软件移植，一般是一个厂家生产的机器

（2） 采用模拟与仿真的方法，可在不同系统结构的机器之间相互移植软件，对于使用频率较高的指令，尽可能用仿真方法以提高运算速度，而对于使用频率低且难于用仿真实现的指令则用模拟方法来实现。

（3） 采用统一的高级语言方法，可以解决结构相同或完全不同的各种机器上的软件移植，但是，要统一高级语言，语言的标准化很重要，但难以在短期内解决。 1．设计RISC机器可采用的基本技术有哪些？

设计RISC机器的基本技术：按设计RISC机器的一般原则来精选和优化设计指令系统；逻辑上采用硬联组合电路为主，适当辅以微程序控制；在CPU内设置大量寄存器，采用重叠寄存器组的窗口；指令采用重叠和流水的方式解释，采用延迟转移；优化设计高质量的编译程序。

19．简述计算机系统设计中软硬件取舍3原则。

1） 在现有器件的条件下，系统要有较高的性能价格比； 2） 不要不合理地限制各种组成、实现技术的采用； 3） 硬件的设计要考虑如何为软件提供更好的支持。 2. 简述RISC结构的设计原则。

(1) 选取使用频率最高的指令，并补充一些最有用的指令； (2) 每条指令的功能应尽可能简单，并在一个机器周期内完成；

(3) 所有指令长度均相同；

(4) 只有Load和Store操作指令才访问存储器，其它指令操作均在寄存器之间进行

(5) 以简单有效的方式支持高级语言。 3. 解决流水线结构相关的方法有哪些？ （1） 流水化功能单元 （2） 资源重复 （3） 暂停流水线

4.组相联Cache比相同容量的之直接映象Cache的失效率低。由此是否可以得出结论：采用组相联Cache一定能带来性能上的提高？为什么？

答：不一定。因为组相联命中率的提高是以增加命中时间为代价的，组相联需要增加多路选择开关。

11、一条流水线连接图如下所示，画出100条指令连续通过该流水线的时空图，并计算该流水线的加速比。（其中 ） 参考答案：

顺序执行的时间为T0＝6×100＝600ns 采用流水方式执行的时间为T1＝3×99+6=303 加速比S＝T0/T1＝600/303=1.98 12、

13、双输入端的加、乘双功能静态流水线有1、2、3、4四个子部件，延时分别为Δt, Δt, 2Δt, Δt，“加”由1→2→4组成，“乘”由1→3→4组成，输出可直接返回输入或锁存。现执行

（1） 画出流水时空图，标出流水线入端数据变化情况。 （2） 求运算全部完成所需的时间和流水线效率。

（3） 找出瓶颈子过程并将其细分，重新画出时空图并计算流水时间和效率。

部件

① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 结果 输入

a1 a2 a3 a4 a1+b1 a2+b2 a3+b3 a4+b4 ① ③ ⑤

b1 b2 b3 b4 c1 c2 c3 c4 ④ ⑥ Δt 4 3 2 1

（1）

（2）由上图可知，全部运算完的时间是23Δt。 （3） 4 3-2 3-1 2 1 输入

②

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