体系结构试题及答案

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1、一名词解释计算机系统结构：传统机器程序员所看到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。在计算机技术中，把这种本来存在的事物或属性，但从某种角度看又好像不存在的概念称为透明性。系列机：由同一厂家生产的具有相同系统结构、但具有不同组成和实现的一系列不同型号的计算机。同构型多处理机系统：由多个同类型或至少担负同等功能的处理机组成，它们同时处理同一作业中能并行执行的多个任务。堆栈型机器：CPU 中存储操作数的单元是堆栈的机器。累加器型机器：CPU 中存储操作数的单元是累加器的机器。通用寄存器型机器：CPU 中存储操作数的单元是通用寄存器的机器。数据相关：考虑两条指令 i 和 j，i 在 j 的前面，如果

2、下述条件之一成立，则称指令 j 与指令i 数据相关： （1）指令 j 使用指令 i 产生的结果；（2）指令 j 与指令 k 数据相关，而指令 k 又与指令 i 数据相关。定向：用来解决写后读冲突的。在发生写后读相关的情况下，在计算结果尚未出来之前，后面等待使用该结果的指令并不见得是马上就要用该结果。如果能够将该计算结果从其产生的地方直接送到其它指令需要它的地方，那么就可以避免停顿。向量处理机：指令级并行：简称 ILP。是指指令之间存在的一种并行性，利用它，计算机可以并行执行两条或两条以上的指令。指令的动态调度：是指在保持数据流和异常行为的情况下，通过硬件对指令执行顺序进行重新安排，以提高流水线

3、的利用率且减少停顿现象。是由硬件在程序实际运行时实施的。指令的静态调度：是指依靠编译器对代码进行静态调度，以减少相关和冲突。它不是在程序执行的过程中、而是在编译期间进行代码调度和优化的。失效率：CPU 访存时，在一级存储器中找不到所需信息的概率。失效开销：CPU 向二级存储器发出访问请求到把这个数据调入一级存储器所需的时间。强制性失效：当第一次访问一个块时，该块不在 Cache 中，需要从下一级存储器中调入Cache，这就是强制性失效。容量失效：如果程序在执行时，所需要的块不能全部调入 Cache 中，则当某些块被替换后又重新被访问，就会产生失效，这种失效就称作容量失效。冲突失效：在组相联或直

4、接映象 Cache 中，若太多的块映象到同一组（块）中，则会出现该组中某个块被别的块替换（即使别的组或块有空闲位置） ，然后又被重新访问的情况。RAID：廉价磁盘冗余阵列或独立磁盘冗余阵列。通道：专门负责整个计算机系统输入/输出工作的专用处理机，能执行有限的一组输入输出指令。通道流量：指一个通道在数据传送期间，单位时间内能够传送的数据量。互连网络：一种由开关元件按照一定的拓扑结构和控制方式构成的网络，用来实现计算机系统中结点之间的相互连接。在拓扑上，互连网络是输入结点到输出结点之间的一组互连或映象。分布式共享多处理机：它的共享存储器分布在各台处理机中，每台处理机都带有自己的本地存储器，组成一个

5、“处理机-存储器”单元。但是这些分布在各台处理机中的实际存储器又合在一起统一编址， 在逻辑上组成一个共享存储器。这些处理机存储器单元通过互连网络连接在一起 ，每台处理机除了能访问本地存储器外，还能通过互连网络直接访问在其他处理机存储器单元中的 “远程存储器”。机群：是一种价格低廉、易于构建、可扩放性极强的并行计算机系统。它由多台同构或异构的独立计算机通过高性能网络或局域网互连在一起，协同完成特定的并行计算任务。从用户的角度来看，机群就是一个单一、集中的计算资源。2、填空1.单机和多机系统中并行性发展的技术途径有：（时间重叠） 、 （资源重复） 、 （资源共享)。2.软件兼容有(向上兼容)、(向

6、下兼容)、( 向前兼容)和(向后兼容)四种其中（向后兼容）是软件兼容的根本特征。3.说出三种对计算机发展非常关键的实现技术（动态随机访问存储器） 、 （磁盘） 、 （网络） 。4.同构型和异构型多处理机所采用的提高并行性的技术分别是5.从处理数据的角度，并行性等级可以分为字串位串、 （字串位并） 、 （字并位串） 、和全并行。6.从执行程序的角度看，并行性等级可以分为：（指令内部并行） 、 （指令级并行） 、 （任务级或过程级并行）和作业或程序级并行。7.计算机系统中提高并行性的技术途径有（时间重叠） 、 （资源重复）和（资源共享）三种。在高性能单处理机的发展中，起主导作用的是（时间重叠原理）

7、 。8.根据 CPU 内部存储单元类型，可将指令集结构分为（堆栈型）指令集结构、 （累加器型）指令结构、 （通用寄存器型）指令集结构。9.在处理机中，若指令序列完成的顺序总是与它们开始执行的顺序保持一致，则只可能出现（名）相关,否则就有可能出现（名相关） 、 （数据相关）和（控制）相关。10.流水线中的相关有（数据）相关、 （名）相关、 （控制）相关三种。11.数据相关有三种，分别是：（写后读） 、 （读后写）和（写后写） 。12.对向量的处理有（水平处理）方式、 （垂直处理）方式、 （分组处理）方式。13.存储器层次结构设计技术的基本依据是程序的（访问的局部性原理） 。14.在存储层次中映像

8、规则有15.在存储层次中，常用的替换算法有（随机法） 、 （先进先出法） 、 （最近最少使用法） 。16.设有一个“Cache-主存”层次，Cache 为 4 块，主存为 8 块；试分析对于以下 2 种情况，计算访存块地址为 5 时的索引（index） 。1）：组相连，每组两块：索引为2）直接映像：索引为17.地址映像方法有（直接映像） 、 （组相连映像）和（全相连映像）等三中，其中（全相连）的冲突率最低。18.按照产生失效的原因不同，Cache 失效可以分为（强制性失效） 、 （容量失效）和（冲突失效）三种。19.2:1Cache 经验规则是指大小为 N 的（直接映像）Cache 的失效率约

9、等于大小为 1/2 的（两路组相连）Cache 的失效率。20.相连度越高， （冲突）失效就越少：（强制性）失效不受 Cache 容量的影响，但（容量）失效却随着容量的增加而减少。 （强制性失效和容量失效不受相连度的影响）21.在虚拟存储器中，一般采用（全相连）地址映像方法和（LRU）更新策略。22.设计 I/O 系统的单个标准()、()和()。23.输入/输出系统包括（外部设备（ I/O 设备，辅助存储器） ）和（其与主机之间的控制部分） 。24.通道分为（字节多路）通道、 （选择）通道和（数组多路）通道三种类型。3简答题1.什么叫软件兼容？软件兼容有哪几种?其中哪一种是软件兼容的根本特征？

10、软件兼容：一个软件可以不经修改或者只需少量修改就可以由一台计算机移植到另一台计算机上运行。差别只是执行时间的不同。向上（下）兼容：按某档计算机编制的程序，不加修改就能运行于比它高（低）档的计算机。向后（前）兼容：按某个时期投入市场的某种型号计算机编制的程序，不加修改地就能运行于在它之后（前）投入市场的计算机。向后兼容是一定要保证的，它是系列机的根本特征。2.计算机体系结构设计和分析中最常使用的三条基本原则是什么？并说出它们的含义。以经常性事件为重点：对经常发生的情况进行优化，使分配更多的资源，达到更高的性能或者分配更多的电能。 Amdahl 定律：加快某部件执行速度所能获得的系统性能加速比，受

11、限于该部件的执行事件占系统中总执行事件的百分比。 程序的局部性原理：程序执行时所访问的存储器地址分布不是随机的，而是相对的簇聚。3.在进行计算机系统设计时，一个设计者应该考虑哪些因素对设计的影响？在进行计算机系统设计时，设计者应该考虑到如下三个方面因素的影响： 技术的发展趋势； 计算机使用的发展趋势； 计算机价格的发展趋势。4.从执行程序的角度看，并行等级从低到高可分为哪几级？从执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可分为：（1）指令内部并行：单条指令中各微操作之间的并行；（2）指令级并行：并行执行两条或两条以上的指令；（3）线程级并行：并行执行两个或两个以上的线程，通常是以一个进程内派生的多

12、个线程为调度单位；（4）任务级或过程级并行：并行执行两个或两个以上的过程或任务（程序段） ，以子程序或进程为调度单元；（5）作业或程序级并行：并行执行两个或两个以上的作业或程序。5.从处理数据的角度，并行性等级从低到高可分为哪几级？从处理数据的角度来看，并行性等级从低到高可分为：（1）字串位串：每次只对一个字的一位进行处理。这是最基本的串行处理方式，不存在并行性；（2）字串位并：同时对一个字的全部位进行处理，不同字之间是串行的。已开始出现并行性；（3）字并位串：同时对许多字的同一位（称为位片）进行处理。这种方式具有较高的并行性；（4）全并行：同时对许多字的全部位或部分位进行处理。这是最高一级的

13、并行。6.试以系列机为例，说明计算机体系结构、计算机组成和计算机实现三者之间的关系。如在设计主存系统时，确定主存容量、编址方式、寻址范围等属于计算机系统结构。确定主存周期、逻辑上是否采用并行主存、逻辑设计等属于计算机组成。选择存储芯片类型、微组装技术、线路设计等属于计算机实现。计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。计算机实现是计算机组成的物理实现。一种体系结构可以有多种组成。一种组成可以有多种实现。7.从目的、技术途径、组成、分工方式、工作方式等 5 个方面对同构型多处理机异构型多处理机做一比较（列表） 。8.指令集结构设计中表示寻址方式的主要方法有哪些？简述这些方法的优缺点。表示寻址方式有两

14、种常用的方法：（1）将寻址方式编于操作码中，由操作码在描述指令的同时也描述了相应的寻址方式。这种方式译码快，但操作码和寻址方式的结合不仅增加了指令的条数，导致了指令的多样性，而且增加了 CPU 对指令译码的难度。 （2）为每个操作数设置一个地址描述符，由该地址描述符表示相应操作数的寻址方式。这种方式译码较慢，但操作码和寻址独立，易于指令扩展。9.在指令集结构设计中，应考虑哪些主要问题？在进行指令机结构设计中，应该考虑如下主要问题： 指令集功能设计：主要有 RISC 和 CISC 两种技术发展方向； 寻址方式的设计：设置寻址方式可以通过对基准程序进行测试统计，察看各种寻址方式的使用频度，根据适用

15、频度设置相应必要的寻址方式； 操作数表示和操作数类型：主要的操作数类型和操作数表示的选择有，浮点数据类型（可以采用 IEEE 754 标准） 、整型数据类型（8 位、16 位、32 位的表示方法） 、字符型（8 位） 、十进制数据类型（压缩十进制和非压缩十进制数据表示）等等。 寻址方式的表示：可以将寻址方式编码与操作码中，也可将寻址方式作为一个单独的域来表示。 指令集格式的设计：有固定长度编码方式、可变长编码方式和混合编码方式三种选择。10.计算机指令集结构设计所涉及的内容有哪些？答： (1) 指令集功能设计：主要有 RISC 和 CISC 两种技术发展方向； (2) 寻址方式的设计：设置寻址

16、方式可以通过对基准程序进行测试统计，察看各种寻址方式的使用频率，根据适用频率设置必要的寻址方式。 (3) 操作数表示和操作数类型：主要的操作数类型和操作数表示的选择有：浮点数据类型、整型数据类型、字符型、十进制数据类型等等。 (4) 寻址方式的表示：可以将寻址方式编码于操作码中，也可以将寻址方式作为一个单独的域来表示。 (5) 指令集格式的设计：有变长编码格式、固定长度编码格式和混合型编码格式3 种。11.RISC 指令集结构的设计原则是什么？答（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。12.表示寻址方式的主要方法有哪些？简述这些方法的优缺点。答：表示寻址方式有两种常用的方法：（1）将寻址方式编于操作码中，由操作码在描述指令的同时也描述了相应的寻址方式。这种方式译码快，但操作码