2022年大連民族大學計算機科學與技術專業《計算機系統結構》科目期末

2024年2月12日發(作者：一無所為)

2022年大連民族大學計算機科學與技術專業《計算機系統結構》科目期末試卷A（有答案）

一、選擇題

1、計算機系統結構不包括( )。

A.主存速度

B.機器工作狀態

C.信息保護

D.數據

2、從計算機系統結構上講，機器語言程序員所看到的機器屬性是（A.計算機軟件所要完成的功能

B.計算機硬件的全部組成

C.編程要用到的硬件組織

D.計算機各部件的硬件實現。

3、IBM360/91屬于（ ）

A.向量流水機 B.標量流水機 C.陣列流水機 D.并行流水機

4、Cache存貯器常用的地址映象方式是( )。

A.全相聯映象

B.頁表法映象

C.組相聯映象

D.段頁表映象

）

5、1TFLOPS計算機能力，1TBYTE/S的I/O帶寬和（ ）稱為計算機系統的3T性能目標。

A，1TBYTE 硬盤容量

B.1TBYTE 軟盤容量

C.1TBYTE 主存容量

D.A和B

6、CRAY-I的流水線是( )

A.多條單功能流水線B.一條單功能流水線C.多條多功能流水線D.一條多功能流水線

7、下列說法中不正確的是（ ）

A.軟件設計費用比軟件重復生產費用高

B.硬件功能只需實現一次，而軟件功能可能要多次重復實現

C.硬件的生產費用比軟件的生產費用高

D.硬件的設計費用比軟件的設計費用低

8、計算機系統結構不包括（ ）

A.主存速度

B.機器工作狀態

C.信息保護

D.數據表示

9、虛擬存儲器常用的地址映象方式是( )

A.全相聯

B.段相聯

C.組相聯

D.直接

10、對系統程序員不透明的應當是（ ）

存儲器

B.系列機各檔不同的數據通路寬度

C.指令緩沖寄存器

D.虛擬存儲器

11、設16個處理器編號分別為0，1，2，...，15用Cube，互聯函數時，第10號處理機與第（ ）號處理機相聯。

A.11 B.8 C.14 D.2

12、計算機組成設計不考慮（ ）

A.專用部件設置

B.功能部件的集成度

C.控制機構的組成

D.緩沖技術

13、計算機系統的層次結構按照由高到低的順序分別為（ ）。

A.高級語言機器級，匯編語言機器級，傳統機器語言機器級，微程序機器級

B.高級語言機器級，應用語言機器級，匯編語言機器級，微程序機器級

C.應用語言機器級，傳統機器語言機器級，匯編語言機器級，操作系統機器級

D.應用語言機器級，操作系統機器級，微程序機器級，傳統機器語言機器級

14、指令間“一次重疊”說法有錯的是( )

A.僅“執行k”與“分析k+1”重疊

B."分析k”完成后立即開始“執行k”

C.應盡量使“分析k+1”與“執行k”時間相等

D.只需要一套指令分析部件和執行部件

15、在尾數下溢處理方法中，平均誤差最大的是（ ）

A.截斷法

B.舍入法

C.恒置"1"法

查表法

二、填空題

16、存儲器速度可以用________、________、頻寬來描述。

17、層次存儲系統的設計的目的是使有效存取時間接近于________的存取時間，使總體的平均每字成本接近于________的每字成本，容量接近于最大存儲器的容量。

18、Amdahl定律定義了用加速比來衡量改進措施對________提高的程度。加速比S的定義為________

19、基于寄存器-寄存器的向量指令是指________來自________或把操作后的結果寫入向量寄存器。這類指令是向量指令集中最重要的指令。

20、系列機軟件兼容必須做到向________兼容，盡可能爭取向________兼容。

21、所謂鏈接技術是指把________鏈接起來成為________

22、虛擬存貯器按映象算法不同，存貯管理方式有段式、________ 和________式3種。

23、在虛擬存儲器中有三種地址空間，一種是應用程序員用來編寫程序的地址空間，稱為________，第二種是________的地址空間，第三種是輔存地址空間，也就是磁盤存儲器的地址空間。它們對應的三種地址分別是________、________主存地址和________。

24、消息尋徑方式可以分為兩大類：________和________

25、衡量向量處理機性能的主要參數是________和________

三、判斷題

26、主存空間數相關是相間隔的兩條指令之間出現對主存同一單元要求先寫而后讀的關聯。（ ）

27、對操作碼進行優化編碼時，在了解每種指令在程序中出現的概率后，使用Huffman

算法構造Huffman樹，這樣獲得的Huffman編碼是唯一的。（ ）

28、Cache組相聯映象的塊沖突概率比直接映象的高。（ ）

29、經常用的基本單元功能，宜于用軟件實現，以降低實現費用。（ ）

30、能做為評價其它置換算法標準的置換算法是RAND。（ ）

31、OPT是STACK型替換算法。（ ）

32、軟硬功能分配時，提高軟件功能的比例會提高系統靈活性，也會提高解題速度。（ ）

33、異構機群的負載均衡任務優化調度問題可以描述為：尋找一個映射關系，將任務圖TG映射到機群圖PC，使作業時間最短。（ ）

34、計算機仿真用微程序解釋，計算機模擬用機器語言解釋。（ ）

35、低速打印機，在總線上傳送數據時，其"數據寬度"宜用可變長塊。（ ）

四、名詞解釋

36、緊密耦合系統：

37、存儲程序計算機：

38、尋址方式：

39、控制相關：

40、定向：

41、存儲體沖突：

五、簡答題

42、根據CPU性能公式簡述RISC指令集結構計算機和CISC指令集結構計算機的性能特點。

43、表示尋址方式的主要方法有哪些？簡述這些方法的優缺點。

44、 試比較三種通道的優缺點及適用場合。

45、通常有哪幾種指令格式，請簡述其適用范圍。

46、機群系統有什么特點？

六綜合題

47、某向量處理機有16個向量寄存器，其中V0~V5中分別放有向量A、B、C、D、E、F，向量長度均為8，向量各元素均為浮點數；處理部件采用兩條單功能流水線，加法功能部件時間為2拍，乘法功能部件時間為3拍。采用類似于CARY-1的鏈接技術，先計算（A+B）*C，在流水線不停流的情況下，接著計算（D+E）*F。

（1）求此鏈接流水線的通過時間？（設寄存器入、出各需1拍）

（2）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，此處理部件的實際吞吐率為多少MFLOPS？

48、采用排隊鎖和fetch-and-increment重新實現柵欄同步，并將它們分別與采用旋轉鎖實現的柵欄同步進行性能比較。

49、在相同的條件下，如果展開7遍循環，求：

（1）每遍循環的平均時鐘周期；

（2）每個時鐘周期流出指令數；

（3）操作槽（功能部件）的使用效率；

（4）如果展開10遍，會出現哪些問題？

50、設指令流水線由取指令、分析指令和執行指令3個部件構成，每個部件經過的時間為△t，連續流入12條指令。分別畫出標量流水處理機以及ILP均為4的超標量處理機、超長指令字處理機、超流水處理機的時空圖，并分別計算它們相對于標量流水處理機的加速比。

參考答案

一、選擇題

1、【答案】A

2、【答案】C

3、【答案】B

4、【答案】C

5、【答案】C

6、【答案】A

7、【答案】D

8、【答案】A

9、【答案】A

10、【答案】D

11、【答案】D

12、【答案】B

13、【答案】A

14、【答案】B

15、【答案】A

二、填空題

16、【答案】訪問時間 存儲周期

17、【答案】最內層存儲器 最外層存儲器

18、【答案】系統性能，Sn= To/Tn

19、【答案】參加運算操作的向量 向量寄存器

20、【答案】后 上

21、【答案】兩條功能部件流水線 一條功能較強的流水線

22、【答案】頁式 段頁

23、【答案】虛擬地址空間 主存儲器 虛擬地址 輔存地址

24、【答案】線路交換 包交換

25、【答案】向量指令的處理時間 向量長度為無窮量處理機的最大性能

三、判斷題

26、【答案】錯

27、【答案】錯

28、【答案】錯

29、【答案】錯

30、【答案】對

31、【答案】對

32、【答案】錯

33、【答案】對

34、【答案】對

35、【答案】錯

四、名詞解釋

36、答：又稱直接耦合系統。在這種系統中，計算機之間的物理連接的頻帶較高，一般是通過總線或高速開關互連，可以共享主存。

37、答：馮·諾依曼結構計算機。其基本點是指令驅動。程序預先存放在計算機存儲器中，機器一旦啟動，就能按照程序指定的邏輯順序執行這些程序，自動完成由程序所描述的處理工作。

38、答：尋址方式指令系統中如何形成所要訪問的數據的地址。一般來說，尋址方式可以指明指令中的操作數是一個常數、一個寄存器操作數或者是一個存儲器操作數。

39、答：控制相關是指由分支指令引起的相關。它需要根據分支指令的執行結果來確定后面該執行哪個分支上的指令。

40、答：用來解決寫后讀沖突的。在發生寫后讀相關的情況下，在計算結果尚未出來之前，后面等待使用該結果的指令并不見得是馬上就要用該結果。如果能夠將該計算結果從其產生的地方直接送到其它指令需要它的地方，那么就可以避免停頓。

41、答：多個請求要訪問同一個體。

五、簡答題

42、答：CPU性能公式：CPU時間＝IC×CPI×T其中，IC為目標程序被執行的指令條數，CPI為指令平均執行周期數，T是時鐘周期的時間。相同功能的CISC目標程序的指令條數ICCISC 少于RISC的ICRISC，但是CISC的CPICISC和TCISC都大于RISC的CPIRISC和TRISC，因此，CISC目標程序的執行時間比RISC的更長。

43、答：表示尋址方式有兩種常用的方法：

（1）將尋址方式編于操作碼中，由操作碼在描述指令的同時也描述了相應的尋址方式。這種方式譯碼快，但操作碼和尋址方式的結合不僅增加了指令的條數，導致了指令的多樣性，而且增加了CPU對指令譯碼的難度。

（2）為每個操作數設置一個地址描述符，由該地址描述符表示相應操作數的尋址方式。這種方式譯碼較慢，但操作碼和尋址獨立，易于指令擴展。

44、答：（1）字節多路通道。一種簡單的共享通道，主要為多臺低速或中速的外圍設備服務。（2）數組多路通道。適于為高速設備服務。（3）選擇通道。為多臺高速外圍設備（如磁盤存儲器等）服務的。

45、答：

（1）變長編碼格式。如果系統結構設計者感興趣的是程序的目標代碼大小，而不是性能，就可以采用變長編碼格式。

（2）固定長度編碼格式。如果感興趣的是性能，而不是程序的目標代碼大小，則可以選擇固定長度編碼格式。

（3）混合型編碼格式。需要兼顧降低目標代碼長度和降低譯碼復雜度時，可以采用混合型編碼格式。

46、答：（1）系統開發周期短。由于機群系統大多采用商品化的PC機、工作站作為結點，并通過商用網絡連接在一起，系統開發的重點在于通信子系統和并行編程環境上，這大大節省了研制時間。

（2）可靠性高。機群中的每個結點都是獨立的PC機或工作站，某個結點的失效并不會影響其它結點的正常工作，而且它的任務還可以傳遞給其它結點完成，從而有效地避免由于單結點失效引起的系統可靠性降低的問題。

（3）可擴放性強。機群的計算能力隨著結點數量的增加而增大。這主要是得益于機群結構的靈活性，由于結點之間以松耦合方式連接，機群的結點數量可以增加到成百上千。另外，機群系統的硬件容易擴充和替換，可以靈活配置。

（4）性能價格比高。由于生產批量小，傳統并行計算機系統的價格均比較昂貴，往往要幾百萬到上千萬美元。而機群的結點和網絡都是商品化的計算機產品，能夠大批量生產，成本相對較低，因而機群系統的性能價格比更好。與相同性能的傳統并行計算機系統相比，機群的價格要低1～2個數量級。

（5） 用戶編程方便。機群系統中，程序的并行化只是在原有的C、C++或Fortran串行程序中插入相應的通信原語，對原有串行程序的改動有限。用戶仍然使用熟悉的編程環境，無需適用新的環境。

六綜合題

47、解：（1）我們在這里假設A＋B的中間結果放在V6中，（A＋B）×C地最后結果放在V7中，D＋E地中間結果放在V8中，（D＋E）×F的最后結果放在V9中。具體實現參考下圖：

V0AV1BV6V2CV7向量加向量乘V3D

V4EV8V5FV9

通過時間應該為前者（（A＋B）×C）通過的時間：

T通過= (1+2+1)+(1+3+1) =9（拍）

（2）在做完（A＋B）×C之后，作（C＋D）×E就不需要通過時間了。

V6←A＋B

V7←V6×C

V8←D＋E

T?T通過＋（8－1）?8?24（拍）?1200(ns)32TP??26.67MFLOPSTV9←V8×F

48、解：fetch-and-increment(count)；

if (count=total){

count=0；

relea=1；

}

el{

spin(relea=1)；

//還有進程未到達

//等待信號

//進程全部到達

//重置計數器

//釋放進程

}

當有N個處理器時，上述代碼執行fetch-and-increment操作N次，當訪問釋放操作的時候，有N個Cache未命中。當最后一個處理器到達柵欄條件后，relea被置為“1”，此時有N-1個Cache未命中（對于最后一個到達柵欄的處理器，當它讀relea的時候，將在主存中命中）。所以，共有3N-1次總線傳輸操作。如果有10個處理器，則共有29次總線傳輸操作，總共需要2900個時鐘周期。

49、解：展開7遍循環

訪存指令1

L.D F0,0（R1）

訪存指令2

L.D F6,-8（R1）

浮點指令1

浮點指令2

整數/轉移指令

L.D F10,-16（R1） L.D F14,-24（R1）

L.D F18,-32（R1） L.D F22,-40（R1）

L.D F26,-48（R1）

ADD.D F4,F0,F2 ADD.D F8,F6,F2

ADD.D F12,F10,F2 ADD.D F16,F14,F2

ADD.D F20,F18,F2 ADD.D F24,F22,F2

S.D F4,0（R1） S.D F8,-8（R1） ADD.D F28,F26,F2

S.D F12,-16（R1） S.D F16,–24（R1）

S.D F20,-32（R1） S.D F24,–40（R1）

S.D F28,8（R1）

DADDIU R1,R1,# -56

BNE R1,Loop

這段程序的運行時間為9個時鐘周期，每遍循環平均約1.28個時鐘周期。9個時鐘周期內流出了23條指令，每個時鐘周期2.55條。9個時鐘周期共有操作槽9?5=45個，有效槽的比例為51.1%。

50、解：標量流水處理機的時空圖：

執行

分析

取指

14

時間

執行完12條指令需T1＝14△t。

超標量流水處理機與超長指令字處理機的時空圖：

執行

執行

分析

分析

取指

5

時間

取指

超長指令字處理機時空圖

5

時間

超標量處理機時空圖

超標量流水處理機中，每一個時鐘周期同時啟動4條指令。執行完12條指令需T2＝5△t，相對于標量流水處理機的加速比為：

T14?tS2?1??2.8

T25?t超長指令字處理機中，每4條指令組成一條長指令，共形成3條長指令。執行完12條指令需T3＝5△t，相對于標量流水處理機的加速比為：

S3?T114?t??2.8

T35?t

超流水處理機的時空圖：

執行

分析

取指

4

5

5.75

時間

超流水處理機中，每1/4個時鐘周期啟動一條指令。執行完12條指令需T4＝5.75△t，相對于標量流水處理機的加速比為：

S4?T114?t??2.435

T45.75?t