四川大学-计算机系统结构2006-2009年试题与答案(共12页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上四川大学期末考试试题（闭卷）（2006-2009学年）1以下正确的是（ D ）。A） 机箱是计算机的外特性，属系统结构的研究范围B） 集成电路芯片的设计是计算机组成原理的研究范围C） 加法器的设计是计算机实现的研究内容D） 计算机性能评价是计算机系统结构的研究范围1计算机系统结构研究的内容不包括（ C ）A） 指令系统的定义B） 软硬件界面的定义C） 加法器的结构D） 计算机系统性能的评价1计算机系统结构研究的内容包括（ C ）A) 芯片的设计与选择 B) 加法器的设计C) 指令系统的设计D) 电源的设计2通过设置多条流水线，在同一个时钟周期内同时发射多条指令并产生多个结果的流水线称为( A   )A）超标量流水线     B）超流水流水线    C）多流水线      D）超标量超流水流水线2在流水线相关处理中，采用（ C ）会产生“写-写”相关和“先读后写”相关。 A）猜测法 B）顺序流动 C）异步流动D）相关专用通路 3非线性流水线是指（ B）存在分叉连接的流水线 ）存在反向连接的流水线）一个任务使用多个功能段的流水线 ）动态连接的流水线3静态流水线是指（ C ）A）只有一种功能的流水线B）功能不能改变的流水线C）同时只能完成一种功能的流水线D）可同时执行多种功能的流水线3在Cache块替换算法中，下述哪种说法是错误的( D   )A）直接映象产生块失效时，无需进行选择即可直接替换B）全相联映象产生块失效时，可使用随机算法C）组相联映象产生块失效时，组内可使用随机算法D）全相联和组相联解决块失效时都不能采用随机算法4相关专用通路能够（ B ）A）解除数据相关B）减少数据相关引起的流水线停顿C）解除全局（控制）相关D）不能缓解流水线的相关性问题4. 以下两条向量指令只能串行执行的是(  C  )A） V1<-存储器    B）V2<-V0+V1    C） V2<-V0+V1     D） V2<-V0+V1  V3<-V1+V2         V5<-V3*V4       V5<-V3+V4       V5<-V2*V34网络直径与网络的（ C ）有关A）度 B）链路总数C）结点间通信经过的最多链路数 D）通信延迟压缩向量用于（B）对向量元素进行代码压缩）表示稀疏向量中的非零元素）缩短向量指令的长度）描述向量数据5下列关于存储器的描述，哪个是正确的（ B ）A）多体交叉存储器主要解决扩充容量问题B）Cache的功能全由硬件完成C）Cache与主存统一编址，即主存空间的某一部分属于CacheD）“主存外存”的存储层次是为了弥补主存速度的不足5. 若输入流水线的指令既无局部性相关，也不存在全局性相关，则（  A  ）A）可获得高的吞吐率和效率    B）流水线的效率和吞吐率恶化  C) 出现瓶颈               D) 可靠性提高5向量散播指令用于（ B ）A）对向量元素进行代码解压B）恢复非零元素到稀疏向量中C）增加向量指令的长度D）描述向量数据6分支预测的方法主要有（A）两类）静态预测和动态预测）预测永远不转移和预测永远转移）一位预测和两位预测）一级预测和两级预测6虚拟存储器中，（ B ），主存的命中率越高A）页面越大B）主存容量越大C）段越长D）辅存容量越大6在单指令流多数据流计算机中各处理单元必须（ B ）。 A）以同步方式在同一时间内执行不同的指令 B）以同步方式在同一时间内执行相同的指令 C）以异步方式在同一时间内执行相同的指令 D）以异步方式在同一时间内执行不同的指令 7虚拟存储器地址变换是指（ C ）。 A）多用户虚地址与实地址如何一一对应 B）程序的逻辑地址变换成主存实地址 C）程序执行时将虚地址变换成对应的实存地址 D）指令的符号地址变换成二进制地址 7虚拟存储器的块表中设置装入位是为了判断数据是否（ B ） A）有效 B）装入主存 P C）装入Cache D）需要写回7信息可以同时在两个方向上传输的总线称为（ C ）总线A）单工B）半双工C）全双工D) 单双工 7在典型的系统总线中，一个总线工作周期包括（ A ） A）先传送地址，后传输数据 B）先传送数据，后传输地址 C）传输一个数据字，可以不传输地址 D）每个数据字的传输都要传输相应的地址 8在菊花链裁决方式下，（ C ） A）总线设备的优先级可变 B）各设备的优先级相等 C）越靠近控制器的设备，优先级越高 D）各设备获得总线使用权的机会均等8反映网络在理想通信模式下通信带宽的特性是（ D ）A）度 B）直径 C）带宽总和 D）等分带宽8 分支预测的目的是（ D ）A）提高转移指令的执行速度B）提高每条指令的流水执行速度C）提高程序的正确性D）提高指令预取的成功率9根据其设计，可以在计算机系统中广泛使用的总线是（ A ）A）USBB）PCIC）InfiniBandD）PCI Express9依据Michael J.Flynn提出的按指令流和数据流的多倍性对计算机系统分类，Illiac IV计算机属于（ B ）A）SISD B）SIMD C）MISD D）MIMD9延迟转移技术是（ C ）。A) 延长转移指令的执行时间以提高流水效率B) 提前形成条件码以加快转移指令的执行C) 将转移指令与其前面的一条或多条指令对换位置，使预取的指令不作废以节省时间D) 加强转移指令的功能以减少执行时间 10具有16个节点的立方体单级网络共有（ C ）。 A) 16个互连函数 B) 8个互连函数 C) 4个互连函数 D) 3个互连函数10全相联地址映象是指（A ）。 A）任何主存页都可装入Cache中任何页的位置 B) 一个虚页只装进固定的主存实页位置 C ) 组之间是固定的，而组内任何虚页可以装入任何实页位置 D) 组间可任意装入，组内是固定装入10网络直径与网络的（ C ）有关A）度B）链路总数C）结点间通信经过的最多链路数D）通信延迟 10三级STARAN网络对8个输入端实现模8移4 的移数 置换后，输入端端序列0 1 2 3 4 5 6 7置换链接的输入端端口号序列是（ B ）。 A) 0 1 2 3 4 5 6 7 B) 4 5 6 7 0 1 2 3 C) 2 3 4 5 6 7 0 1 D) 1 2 3 0 4 5 6 7二、填空题（本大题共10空，每空1分，共10分 ）1一个系统的运算速度为2 MIPS，表示它的运行速度为每秒 200 万条指令。2先行控制技术采用的两个根本的措施是指令预处理技术和 缓冲 技术。3消除流水线瓶颈主要有两种方法，即： 瓶颈段细分 ，重复设置瓶颈部件。4处理机从指令存储单元（或指令分配单元）取得指令的过程称为“ 发射 ”。5在向量机中，利用向量指令间存在的数据相关性来加快向量指令序列执行速度的技术称为 链接 。6处理器级总线又称系统总线，主要连接处理器和 主存 。7由容量为C的Cache和容量为M的主存储器构成的存储系统的总容量为 M 。8在具有虚拟存储器的系统中，CPU根据程序指令生成的地址是 虚拟 地址。9环形网络中，结点的度是 2 。10具有N个输入端和N个输出端的交叉开关能实现端口间 N！ 种置换连接。1作为一个通常意义上的体系结构设计者，主要任务是界定_机器硬件_与_软件_的界面，也就是说规定系统硬件所能提供的各种功能。2按照Flynn分类法，并行处理机属_单指令流多数据流_系统，实现的是_一条指令内部多个数据_的并行处理。3属于数据相关的主要有四种情况_指令相关_、_主存操作数相关_、通用寄存器数据相关和变址相关。4在向量机中，利用向量指令间存在的数据相关性来加快向量指令序列执行速度的技术称为_链接技术_。 5认为虚拟储存器是透明的程序员是_应用程序员_。6提高存储器速度的方法有使用_并行_访问存储器和_交叉_访问存储器。7指令和数据分开放在不同的Cache中，这种分开的Cache设计称为_哈佛_结构。8USB总线不_直接_占用系统资源，最多可以连接_127_个外部设备。9交叉开关是一种_动_态互联网络，能实现端口间_N!_种置换连接。8用Cache、主存和磁盘组成一个三级存储系统由2种组织方式，分别称为 物理Cache 存储系统和 虚拟Cache 存储系统 。二、名词解释（每个4分）1目录表：用一个小容量高速存储器存放压缩页表。只为已经装入主存的页建立对应关系，加快虚拟存储器的地址变换时间。2阻塞网络：阻塞网络在实现任意端口之间的连接，可能出现端口冲突的网络。3. 写直达法：又称写通过法，WT（Write-through），CPU在执行写操作时，把数据同时写入Cache和主存。4. 乱序流动：流水线的动态调度技术之一，为了缓解数据相关把流入流水线的任务顺序调换的方法。任务流出流水线的顺序与流入流水线的顺序不一样。5. 向量链接技术：当两条指令出现“写后读”相关时，若它们不存在功能部件冲突和向量寄存器(源或目的)冲突，就有可能把它们所用的功能部件头尾相接，形成一个链接流水线，进行流水处理。 1SIMD: 多处理器同时运行相同指令。2先行控制 : 先行控制又称为预测控制，是处理机种实行指令重叠执行技术的基础.3向量指令链接技术 : 把前一条指令的流水线流出的结果作为下一条指令的输入。4程序局部性 : 分别阐述时间局部性和空间局部性。 5网络直径 : 网络中任意两个节点间距离的最大值。1Amdahl定律一个反映部件速度与系统整体性能关系的定律。系统中对某一部件采用某种更快的执行方式所能获得的系统性能的改进程度，取决于这种方式被使用的频度，或所占总执行时间的比例。即系统加速比为：（见P12 （1-3）2延迟转移技术重新排列指令的执行次序，将转移指令与其前一条指令的次序对调，即先执行转移指令，后执行前一条指令。这样既保证了转移指令的执行，又使其前一条指令得以正常执行。3虚拟地址在虚拟存储器中，把程序使用的地址称为虚拟地址，或称为逻辑地址。2单发射如果一个处理机在单个时钟周期中只能取出一条指令供执行，就称为单发射（处理机）。3寄存器窗口重叠嵌套的两个过程分配使用相邻的寄存器窗口中，有一部分寄存器是重叠的，有了这种重叠后，过程之间的参数传递就不需要实际上的数据移动，可以提高速度和减少访存。4交叉访问存储器存储器由N个存储体构成，CPU在一个存储周期中可以访问多个存储体，所谓交叉，是指个存储体之间地址是交叉配置的。5端接电阻非阻塞网络可以实现任意端口之间的连接，不会产生如阻塞网络中出现的那种冲突。3向量指令编队将能够组合在一起并行运行的指令称为一个编队。4LRU算法Cache或VM使用的替换算法，选择最近最少被使用的页面（块）被替换。5非阻塞网络可以实现任意端口之间的连接，不会产生入阻塞网络中出现的那种冲突。三、简答题（本大题共4小题，共25分 ）1.（5分）存储程序计算机(冯氏机)在系统结构上的主要特点是什么？(答对1点给1分，最多给5分)（1）以运算器为中心。（2）采用存储程序原理。程序和数据放在同一存储器中，并且没有对两者加以区分。（3）存储器是按地址访问的、线性编址的空间。（4）控制流由指令流产生。（5）指令由操作码和地址码组成。操作码指明本指令的操作类型，地址码指明操作数和操作结果的地址。（6）数据以二进制编码表示，采用二进制运算。2（5分）在cache容量一定的情况下,增加cache中的块大小能否达到提高cache命中率的效果?为什么? 对于给定的Cache容量，当块大小增加失效率开始是下降，后来反而上升（3分）；失效率下降原因：随着块增大，间局部性开始起作用。 失效率上升原因：块越大，块数越少，冲突失效增加（2分）。3（5分）解释数据相关（局部相关）与控制相关（全局相关）。当一条指令需要用到前面某条指令的结果，从而不能重叠执行时，就发生了数据相关（3分）。当流水线遇到分支指令和其他能够改变 PC值的指令时，就会发生控制相关（2分）4（10分）有哪几种向量处理方式？它们对向量处理机的结构要求有何不同？ (1) 水平处理方式：不适合对向量进行流水处理。（2分） (2) 垂直处理方式：适合对向量进行流水处理，向量运算指令的源/目向量都放在存储器内，使得流水线运算部件的输入、输出端直接与存储器相联，构成MM型的运算流水线。（4分） (3) 分组处理方式：适合流水处理。可设长度为n的向量寄存器，使每组向量运算的源/目向量都在向量寄存器中，流水线的运算部件输入、输出端与向量寄存器相联，构成RR型运算流水线。（4分）1（10分）试阐明计算机体系结构、计算机组成以及实现之间的关系。计算机体系结构研究是计算机系统中软、硬件之间功能的分配以及对传统机器界面的确定。（4分）计算机组成是计算机体系结构的逻辑实现。（3分）计算机的实现是指计算机的物理实现。（3分）2. （10分）向量流水处理方式有哪几种，各有什么特点? 横向处理方式，是标量处理机中常用的思路，即用多个循环完成全部的运算，每次运算只是一个或一对数据，没有体现向量运算的特点和优势。（3分） 纵向处理方式，将语句表达算式中一些基本运算分离出来，作为运算单元，每个运算单元实现对数组的纵深运算。可以在每条向量指令的控制下，每次完成N个数据的运算。3分） 纵横处理方式，将被处理的数组分割为比较小的数组，在这个较小的数组中进行纵向处理，然后在各小数组处理的基础上进行横向处理。（4分）2解释空间并行和时间并行。说明超标量机和超流水线机分别用到了哪种并行，并说明原因。超标量机：空间并行。超流水线机：时间并行。3 (10分) 比较段式虚拟存储器和页式虚拟存储器的优缺点。段式虚拟存储器优点： 适宜于编制相对独立的模块化程序。 便于实现程序和数据的共享。 程序的动态链接和调度比较容易。 便于实现信息保护。段式虚拟存储器缺点： 调入调出时容易产生碎片，使主存储器空间利用不充分。 对磁盘存储器的管理比较困难。 地址变换所花费的开销比较大。（5分）页式虚拟存储器的优点： 主存储器的利用率比较高。 与段表相比，页表相对比较简单。 地址映象和变换的速度比较快。 因为页的大小为磁盘存储器物理块大小的整数倍，对磁盘存储器的管理和操作比较容易。页式虚拟存储器缺点： 程序的模块化性能不好。 页表太大，要占用很大的存储空间。（5分）2假设在一台40MHZ的处理机上运行条指令的目标代码，程序主要由四种类型的指令所组成。根据程序跟踪实验结果，已知指令混合比和每类指令的CPI值如下表所示。 指令类型指令所占比例CPI算术和逻辑60%1高速缓存命中的加载/存储15%2转移15%4高速缓存缺失的存储器访问10%8（1）试计算用上述跟踪数据在单处理机上执行该程序时的平均CPI。（2）根据（1）所得到的 CPI，计算相应的MIPS速率CPI=2.3（3分）,MIPS=17.39（2分）3在乱序指令执行方式中，中断后恢复指令的执行是一种复杂的操作。因为在发生中断的点上，后继指令可能已经执行完毕。程序不能从中断点之后的指令继续执行，这样会使某些指令执行两次。请提出你的解决方法。参考方法：让指令的写回是顺序的，在前一条指令完成之前，后一条指令的结果不能写回，这样在前一条指令发生中断时，后继未执行完的指令全部撤消，在中断返回后重新执行。4为什么Cache内容与主存相应内容会存在不一致性？怎么解决？原因1：处理机对CACHE中的内容进行改写后，没有及时改写主存。 原因2：I/O操作时，由新的数据送入主存中，而CACHE中还是原来装入的内容。（3分） 解决方法：1、写回法 2、写直通法 （2分）四、综合题（本大题共4小题，共35分）1. (5分)某计算机系统采用浮点运算部件后使浮点运算速度提高到原来的20倍，而系统运行一程序的整体性能提高到原来的10倍，试计算该程序中浮点操作所占的比例。根据Amdahl定律S= 1 /（1-Fe） + Fe /Se。其中S=10 Se=30 ；带人得Fe=18/19定律写对给3分，Fe对给2分1（10分）某计算机系统的定点运算部件的运算时间占40%,浮点运算部件的运算时间占20%，如果将定点运算部件的速度提高到原来的2倍，浮点运算部件的速度提高到原来的4倍，其余部件的速度不变，问计算机的加速比是多少？假定之前速度为1，所以 S=1/（1-0.4-0.2+0.4/2+0.2/4）=1/0.65=1.542（5分）（1）使用终端标记法标出网络(见下图)的从2号输入端到6号输出端网络连接以及从6号输入端到4号输出端从的网络连接。（2）上题的网络连接之间是否会产生冲突？如有，请指出冲突所在。 1 0 3 4 5 6 7 1 2 0 3 4 5 6 7输入端输出端C3 C1 C0 C2 K2 K1 K0画出路径给4分，答出冲突给1分。冲突 2 1 0 3 4 5 6 7 1 2 0 3 4 5 6 7输入端输出端C3 C1 C0 C2 K2 K1 K02（10分）Cache主存系统，Cache有4页，主存有8页，采用组相联变换，每组2页，LRU替换算法，根据下列页地址流，画出调页情况，计算命中率。1，2，3，1，3，7，0，1，2，5，4，6，4，7，2 1， 2， 3， 1， 3， 7， 0， 1， 2， 5， 4， 6， 4， 7， 21中中4中0527623中27命中率：4/153(10分)有一个Cache存储器，主存有8块(0-7)，Cache有4块(0-3)，采用组相联映像，组内块数为2块。采用LRU（近期最久未使用）替换算法。 (1)指出主存各块与Cache各块之间的映像关系。(2)某程序运行过程中，访存的主存块地址流为：2， 3， 4， 1， 0， 7， 5， 3， 6， 1， 5， 2， 3， 7， 1说明该程序访存对Cache的块位置的使用情况，计算Cache命中率 。(2)Cache中的地址流为下图所示：2， 3， 4， 1， 0， 7， 5， 3， 6， 1， 5， 2， 3， 7， 144*000*000*55555*11*1*55*5*11*1*1*1*122*2*2*2*777*6666*33*3*33333*3*33*3*3*22*77粗体为命中处。（图对4分）命中率：2/15（1分）4（15分）有一条静态多功能流水线由5段组成（如下图所示），加法用1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，第2段的时间为2t，其余各段时间均为t，而且流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应的流水线寄存器中。若在该流水线上计算 fA1*B1 + A2*B2 + A3*B3 + A4*B4,（1）画出处理过程的时空图；（2）计算其吞吐率、加速比和效率；乘法12345加法（3）该流水线的瓶颈段是哪一段？可用哪几种方法消除该瓶颈？画出改进后的流水线。下图1、2、3、4进程是乘法，5、6、7进程是加法。 时间流水级12345678910111213141516512345674567356721122334411234567完全对5分，大部分对4分，（2）计算其吞吐率、加速比和效率（5分）；吞吐率TP=N/TK=7/16加速比=（3×4+4×3）/16=3/2=1.5效率=（3×4+4×3）/（5×16）=3/10有公式给3分，答案错一个扣1分(3) 该流水线的瓶颈段是哪一段？可用哪几种方法消除该瓶颈？画出改进后的流水线。（5分）瓶颈段是第二段（1分），可用串行和并行两种方法(或说分割瓶颈法)消除瓶颈（1分）。串行方法如下： 时间流水级12345678910111213141516512345674567356722123421123411234567图对给3分1（5分）假设高速缓存Cache工作速度为主存的5倍，且Cache被访问命中的概率为0.9，则采用Cache后，能使整个存储系统获得的加速比是多少？ （5分）Sn=1/（1-Fe）+Fe/Se）=1/（1-0.9）+0.9/5）=1/0.28=3.57 2（10分）假设在一台40MHZ的处理机上运行条指令的目标代码，程序主要由四种类型的指令所组成。根据程序跟踪实验结果，已知指令混合比和每类指令的CPI值如下表所示。 指令类型指令混合比CPI算术和逻辑60%1高速缓存命中的加载/存储18%2转移12%4高速缓存缺失的存储器访问10%8（1）试计算用上述跟踪数据在单处理机上执行该程序时的平均CPI。（2）根据（1）所得到的 CPI，计算相应的MIPS速率及程序的执行时间。（1）CPI = 0.6×1+0.18×2+0.12×4+0.1×8 = 2.24 （4分） （2）MIPS = fc /（CPI×106）= 40×106/2.24×106=17.86 （3分） T = 2.24×(1/(40×106) × = 11.2微秒 （3分）3（15分）在一个具有五个功能级的流水处理机上，每级运行时间相等，每一个任务需经9拍才能完成，其预约表如下图所示。（1）分别写出禁止向量和初始冲突向量（2）画出流水线的调度状态图（3）求出流水线的最小平均启动距离（4）求出此流水线的最大吞吐率（5）若按此调度方案输入六个任务，求实际吞吐率。时间级号123456789S1××S2××S3×××S4××S5××（1）F=（1，3，4，8），C0=5，725，75，766（2）（3）最优为2，5，平均最小启动距离3.5个周期（4）TPmax=n/3.5n=0.29（5）实际TP = 6/（2+5+2+5+2+9）=6/25=0.24专心-专注-专业