計算機體系結構考試總結考試范圍：1—6章題型：名詞翻譯簡答題計算題名詞解釋什么是虛擬機：用軟件實現(xiàn)的機器什么是透明性：本來存在的事物或屬性，從某種角度看似乎不存在什么是系列機：在一個廠家生產(chǎn)的具有相同的體系結構，但具有不同的組成和實現(xiàn)的一系列不同型號的機器。系列機必須保證用戶看到的機器屬性一致。系統(tǒng)的軟件必須兼容

什么是模擬？什么是仿真？二者區(qū)別：在一臺現(xiàn)有的計算機上實現(xiàn)另一臺計算機的指令系統(tǒng)。全部用軟件實現(xiàn)的叫模擬，用軟件、硬件、固件混合實現(xiàn)的叫仿真區(qū)別：模擬方法速度低，仿真方法速度高仿真需要較多的硬件（包括控制存儲器）系統(tǒng)結構差別大的機器難于用仿真方法實現(xiàn)除了指令系統(tǒng)之外，還有存儲系統(tǒng)、I/O系統(tǒng)、中斷系統(tǒng)、控制臺的操作等什么是并行性？什么是并發(fā)？在同一時刻或同一時間間隔內完成兩種或兩種以上性質相同或不同的工作。它包括同時性和并發(fā)性兩重含義。從執(zhí)行程序的角度和處理數(shù)據(jù)的角度看，并行性都有不同的并行等級。并發(fā)性：兩個或兩個以上的事件在同一時間間隔發(fā)生。CISC，RISC，VLIW表示什么？CISC：復雜指令集計算機（Complex

Instruction

Set

Computer），

是一種指令集結構（ISA），通過強化指令功能，減少程序的指令條數(shù)，實現(xiàn)軟件功能向硬件功能轉移，以達到提高性能的目的RISC：精簡指令集計算機（Reduced

Instruction

Set

Computer），是一種指令集結構（ISA），通過減少指令總數(shù)和簡化指令的功能來降低硬件設計的復雜度，提高指令的執(zhí)行速度VLIW：超長指令字（一種顯式指令級并行指令系統(tǒng)，二維程序結構，指令級并行度高）什么是程序局部性原理：程序在執(zhí)行時所訪問的地址不是隨機的，而是相對簇聚；這種簇聚包括指令和數(shù)據(jù)兩部分，程序的局部性原理包括程序的時間局部性和程序的空間局部性。什么是快表什么是慢表？快表：即轉換后援緩沖器（TranslationLookasideBuffer），簡稱TLB，存放頁表的小容量高速緩存器慢表：設備無關性：計算機系統(tǒng)的使用者，在需要更換外圍設備時，各種不同型號，不同生產(chǎn)廠家的設備都可以直接通過獨立于具體設備的標準接口與計算機系統(tǒng)連接。處理機采用統(tǒng)一的硬件和軟件對品種繁多的設備進行管理。什么是線性流水，非線性流水，靜態(tài)線性流水，動態(tài)線性流水？線性流水：流水線可以按不同的觀點進行分類。1分

按照是否有反饋回路來分，可分為線性流水線和非線性流水線。1分

線性流水線指流水線的各段串行連接，沒有反饋回路。2分

非線性流水：流水線可以按不同的觀點進行分類。1分

按照是否有反饋回路來分，可分為線性流水線和非線性流水線。1分

非線性流水線指流水線中除有串行連接的通路外，還有反饋回路。2分。靜態(tài)線性流水：同一段時間內，各個功能段只能按照一種方式連接，實現(xiàn)一種固定的功能。流水線可以按不同的觀點進行分類。1分

按同一時間內各段之間的連接方式來分，可分為靜態(tài)流水線和動態(tài)流水線。1分

靜態(tài)流水線是指同一時間內，流水線的各段只能按同一種功能的連接方式工作。2分

動態(tài)線性流水：流水線可以按不同的觀點進行分類。1分

按同一時間內各段之間的連接方式來分，可分為靜態(tài)流水線和動態(tài)流水線。1分

動態(tài)流水線是指同一時間內，當某些段正在實現(xiàn)某種運算時，另一些段卻在實現(xiàn)另一種運算。2分什么是向量循環(huán)開采技術：當向量的長度大于向量寄存器的長度時，必須把長向量分成長度固定的段，采用循環(huán)結構處理這個長向量，這種技術稱為向量循環(huán)開采技術，也稱為向量分段開采技術。簡答題計算機體系結構設計中有哪些常用的定向原理？

1.大概率事件優(yōu)先原則，這是最重要也是最廣泛采用的計算機設計準則。1分

2.阿姆達爾定律。即系統(tǒng)中對某一部件采用某種更快的執(zhí)行方式所能獲得的系統(tǒng)性能改進程度，取決于這種執(zhí)行方式被使用的頻率或所占總執(zhí)行時間的比例。2分

3.程序訪問的局部性規(guī)律。其主要反映在時間和空間局部性兩個方面，時間局部性是指程序中近期被訪問的信息項很可能馬上被訪問；空間局部性是指那些在訪問地址上相鄰近的信息項很可能會被一同訪問。2分2.存儲器層次結構：第1層：RegisterFiles(寄存器堆)第2層：Buffers(Lookahead)(先行緩沖站)第3層：Cache(高速緩沖存儲器)第4層：MainMemory(主存儲器)第5層：OnlineStorage(聯(lián)機存儲器)第6層：Off-lineStorage(脫機存儲器)3.體系結構的佛林（Flynn）分類(1)單指令流單數(shù)據(jù)流SISD(SingleInstructionSingleDatastream)(2)單指令流多數(shù)據(jù)流SIMD(SingleInstructionMultipleDatastream)(3)多指令流單數(shù)據(jù)流MISD(MultipleInstructionSingleDatastream)(4)多指令流多數(shù)據(jù)流MIMS(MultipleInstructionMultipleDatastream)4.通用機指令系統(tǒng)有哪五大類？數(shù)據(jù)傳送類指令運算類指令程序控制指令輸入輸出指令處理機控制調試指令5.解決存儲器頻帶平衡的方法(1)多個存儲器并行工作(2)設置各種緩沖存儲器(3)采用存儲系統(tǒng)6.造成cache與主存不一致的原因？(1)由于CPU寫Cache，沒有立即寫主存(2)由于IO處理機或IO設備寫主存7.通道的類型：字節(jié)多路通道通常用于連接多個慢速或中速的設備,這些設備以傳送字節(jié)為單位。工作方式采用分時方式工作，它與CPU之間的高速數(shù)據(jù)通路分時為多臺設備服務。

1分

選擇通道:以獨占的方式工作,它為一臺外設傳送完數(shù)據(jù)后才轉去處理其他外設的請求.適用于高速外設。1分

數(shù)組多路通道:是上述兩種通道的結合。它允許以塊為單位在若干高速傳輸操作之間進行交叉復用。因此它相當于一個只以猝發(fā)模式工作的高速多路通道。8.開發(fā)并行性的途徑有哪些？

(1)

時間重疊：多個處理過程在時間上相互錯開，輪流重迭地使用同一套硬件設備的各個部分，以加快硬件周轉而贏得速度。

2分

(2)

資源重復：根據(jù)“以數(shù)量取勝”的原則，通過重復地設置資源，尤其是硬件資源，以大幅度提高計算機系統(tǒng)的性能。

2分

(3)

資源共享：這是一種軟件方法，它使多個任務按一定時間順序輪流使用同一套硬件設備。1分9.解決指令相關，數(shù)據(jù)相關，控制相關的方法指令相關：在程序執(zhí)行過程中不允許修改指令。數(shù)據(jù)相關:方法一：把讀操作數(shù)、寫運算結果與指令執(zhí)行合在一個節(jié)拍。方法二：建立相關專用通路(ByPass)控制相關：在流水線中盡早判斷出分支轉移是否成功；盡早計算出分支轉移成功時的PC值（即分支的目標地址）

1分

（2）“凍結”或“排空”流水線的方法

1分

（3）預測分支失敗

1分

（4）預測分支成功

1分

（5）延遲分支

10.什么是向量鏈接技術？當前一條指令的結果寄存器可以作為后繼指令的操作數(shù)寄存器時，多條有數(shù)據(jù)相關的向量指令并行執(zhí)行，這種技術稱為兩條流水線的鏈接技術。先行控制的方式的原理1.采用二次重疊執(zhí)行方式必須解決兩個問題：(1)有獨立的取指令部件、指令分析部件和指令執(zhí)行部件把一個集中的指令控制器，分解成三個獨立的控制器：存儲控制器、指令控制器、運算控制器(2)要解決訪問主存儲器的沖突問題取指令、分析指令、執(zhí)行指令都可能要訪問存儲器計算題Amdahl定理，加速比必考1.已知某商用計算機擬增加字符串操作功能。

若用軟件實現(xiàn)，與無字符串操作相比，速度提高4倍，

CPU成本提高1/5倍；若用硬件實現(xiàn)，則速度是原來的100倍，,CPU成本是原來的5倍。

由實驗測得，字符串操作占總運行時間的50%，

CPU成本約占整機成本的1/3。你選用哪種設計方案?

9、答案內容：

解：采用軟件方法時

根據(jù)阿姆達爾定律，性能提高：存儲器中LRU，F(xiàn)IFO，OPT，頁替換算法，計算命中率有一個"Cache-主存"存儲層次，主存共分8個塊(0～7)，Cache分為4個塊(0～3),采用組相聯(lián)映象，組內塊數(shù)為2塊，替換算法為近期最少使用法(LRU)。

(1)畫出主存、Cache存儲器地址的各字段對應關系；

(2)對于如下主存塊地址流：1、2、4、1、3、7、0、1、2、5、4、6、4、7、2，如主存中內空一開始未裝入Cache中，請列出隨時間變化Cache中各塊的使用情況。；

(3)對于(2)，指出塊失效又發(fā)生塊爭用時刻。

(4)對于(23)，求出此間的Cache命中率。通道中計算流量，工作周期，吞吐量及出現(xiàn)什么問題指令重疊過程中計算效率一個流水線由四段組成，其中每當流經(jīng)第三段時，總要在該段循環(huán)一次才能流到第四段。如果每段經(jīng)過一次的時間都是△t，問：

當在流水線的輸入端每△t時間輸入任務時，該流水線會發(fā)生什么情況？

此流水線的實際吞吐率為多少？如果每2△t輸入一個任務，連續(xù)處理10個任務的實際吞吐率和效率是多少？

當每段時間不變時，如何提高該流水線的吞吐率？仍連續(xù)處理10個任務

時，其吞吐率提高多少？哈夫曼樹指令優(yōu)化流水線的時空圖，計算加速比，吞吐率若有一靜態(tài)多功能流水線分為6段，如圖所示，其中乘法流水線由1、2、3、6段組成，加法流水線由1、4、5、6段組成，通過每段所需時間如圖所示。使用流水線時，要等某種功能(如加法)操作都處理完畢后才能轉換成另種功能(如乘法)。若要計算：A×B=(a1+b1)×(a2+b2)×(a3+b3)，問：

(1)在上述流水方式下，完成A×B需要多少時間?畫出時空圖并計算此流水線的使用效率和吞吐率。

(2)與順序運算方式相比，加速比為多少?給定一個向量計算過程，如何用向量鏈接技術計算完成計算過程的時間（指周期，單位為拍）CRAY-1機器上，按照鏈接方式執(zhí)行下述4條向量指令（括號中給出了相應功能部件的時間），如果向量寄存器和功能部件之間數(shù)據(jù)傳輸需要1拍，試求此鏈接流水線的通過時間是多少拍？如果向量長度為64，則需要多少拍才能得到全部結果。

V0←存儲器

（從存儲器中取數(shù)：7拍）

V2←V0＋V1

（向量加：3拍）

V2←V2

<

A3

（按(A3)左移：4拍）

V5←V3∧V4

（向量邏輯乘：2拍解：通過時間就是每條向量指令的第一個操作數(shù)執(zhí)行完畢需要的時間，也就是各功能流水線由空到滿的時間，具體過程如下圖所示。要得到全部結果，在流水線充滿之后，向量中后繼操作數(shù)繼續(xù)以流水方式執(zhí)行，直到整組向量執(zhí)行完畢。向量處理機有16個向量寄存器，其中V0～V5中分別存放有向量A、B、C、D、E、F，向量長度均為12，向量各元素均為浮點數(shù)；處理部件采用兩個單功能流水線，加法功能部件時間為2拍，乘法功能部件時間為3拍。采用類似CRAY-1的鏈接技術，先計算（A＋B）*C，在流水線不停留的情況下，接著計算（D＋E）*F。

（1）

求此鏈接流水線的通過時間為多少拍？（設寄存器入、出各需1拍）

假如每拍時間為50ns，完成這些計算并把結果存進相應寄存器，此處理部件地實際吞吐率為多少MFLOPS？四、（15分）有一條動態(tài)多功能流水線由5段組成，加法用1、2、3、5段，乘法用1、4、5段，第4段的時間為2△t，其余各段時間均為△t，而且流水線的輸出可以直接返回輸入端或暫存于相應的流水線寄存器中。若在該流水線上計算f=A1*B1+A2*B2+A3*B3+A4*B4,（1）畫出處理過程的時空圖；（2）計算其吞