年秋期开放教育本科计算机系统结构期末复习指Word文件下载.docx

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p11

5、局部性原理p13

三、一般掌握

1、系统结构分类；

p6-9

2、冯·

诺依曼计算机特征p23

第二章指令系统

数据类型，数据表示p38，数据结构p38，指令格式的优化p66，Huffman编码p67，RISCp80，CISCp79

1、RISC的定义与特点；

p84

2、减少指令平均执行周期数方法；

p85

1、延时转移技术p86指令取消技术；

p88

2、重叠寄存器窗口技术；

p89

3、指令流调整技术；

p91

第三章存储系统

存储系统p98，直接映象方式p130，组相连映象方式p132，全相连映象方式p128，LRU算法p121

1、存储系统的定义p98；

2、存储系统的性能参数p100-101；

3、地址映象与变换方法,p110替换算法；

p121

4、Cache存储器工作原理；

p127

5、虚拟存储器工作原理

1、低位交叉访问存储器；

p106

2、高位交叉访问存储器；

p105

3、替换算法实现

4、缓冲对虚拟存储系统性能的影响

第四章输入输出系统

中断p159，DMAp157，通道p168，输入输出处理机p179

1、三种基本输入输出方式及各自的工作原理；

p157-161

2、通道的种类；

p171

1、输入输出系统的特点；

p155-157

2、输入输出系统的组织方式；

3、通道的作用功能；

p169

4、通道中的数据传送过程及流量分析p175-179

第五章标量处理机

流水线p187，时空图p190，线性流水线，数据相关p207，超标量处理机p228，超流水线处理机p239

1、流水线工作原理p187，时空图p190，线性流水线；

2、输入任务连续情况下单功能、线性流水线的吞吐率、加速比和效率；

p191-197

3、超标量处理机工作原理p228和性能分析；

p239

4、超流水线处理机工作原理p239-240和性能分析p243

1、超标量处理机的典型结构；

p229-230

2、超流水线处理机的典型结构；

p240-243

3、超流水线超标量处理机的典型结构、工作原理和性能分析

第七章互连网络

互连网络p291，动态互连网络p305，静态互连网络p299，互连函数p292，结点度p297，虫蚀寻径p314，存储转发寻径p313，单播p323,选播p323,广播,p323会议p323，通道流量p323，网络通信时延p313

1、互连网络的作用，静态网络p299,动态网络；

p305

2、存储转发寻径p313,虫蚀寻径p314,线路开关寻径p313,虚拟直通寻径p313

1、互连函数p292,虚拟通道p316，通道流量p323；

2、单播,选播,广播,会议p323，网络通信时延p313

*第八、九章SIMD计算机和多处理机

时间并行性，空间并行性，SIMD，并行处理机，阵列处理机，共享存储器，分布存储器，虚拟共享存储器，MPP,SMP,机群系统

1、SIMD计算机基本结构、优缺点；

2、并行处理机基本结构，阵列处理机基本结构；

3、共享存储多处理机,分布存储多处理机,多处理机系统的特点；

1、SIMD计算机的实例；

2、多处理机性能，实例；

3、虚拟共享存储器

第三部分综合练习题

一、填空题（共22题）

1、CPU的性能取决于时钟频率、每条指令所花的时钟周期数、指令条数。

2、计算机系统的主要设计方法有由下往上、由上往下、由中间开始。

p15

3、访问的局部性原理分为时间上的局部性和空间上的局部性两种。

P13

4、从计算机处理数据的并行性看，由低到高的并行性等级，有字串位串、字并位串、

字串位并、字并位并四种。

P8

5、按照Flynn分类法，根据指令流和数据流的不同组织方式，计算机系统的结构可以分为SISD（单指令单数据流）、SIMD（单指令多数据流）、MISD（多指令单数据流）和MIMD（多指令流多数据流）。

P6

6、冯·

诺依曼计算机由_控制器__、_存储器__、_运算器___、_输入设备___和_输出设备_组成p23

7、RISC思想的精华是减少指令平均执行周期。

p85我们通常用时空图来描述流水线的工作过程。

P190

8、RISC的关键技术有：

延时转移、指令取消技术、重叠寄存器窗口技术、指令流调整技术及硬件为主固件为辅。

P87

9、在CISC中，各种指令的使用频度相差悬殊，大致有以下的结果。

大约有_20％_（比例）的指令使用频度较高，占据了_80％_（比例）的处理机时间。

10、Cache存储器对应用程序员是透明的，对系统程序员是透明的。

p99

11、虚拟存储器按映象算法不同，存储管理方式由段式、页式和段页式三种。

12、在软硬件实现上，虚拟存储器内部的地址变换宜用硬件实现，外部地址变

换宜用软件实现。

P110

13、FIFO、OPT、LRU算法中，属于堆栈型的替换算法是OPT和LRU。

p123

输入输出系统的特点是异步性、实时性和与设备无关性。

p156

14、通道可分为三类，分别为字节多路通路、选择通道、数组多路通道。

p172

15、从不同的角度，我们可以把流水线分成不同的类别。

如果根据流水线各功能段是否有反馈信号来划分，可以分为_线性流水线__和_非线性流水线_；

多功能流水线可以分为两种，即根据它在同一时间内是否能连成多种方式，可以分为__静态流水线_和__动态流水线_。

16、流水线的表示方法通常有连接图、时空图、预约表。

p189

17、在流水线时空图中，横坐标通常表示时间，纵坐标通常表示空间。

18、衡量流水线性能的主要指标有吞吐率、加速比、效率。

p191

19、互连函数的常用表示方法：

函数表示法、输入输出对应表示法。

p292

互连网络可分为静态互联网和动态互联网两大类。

P299

20、消息寻径方式包括两种，即线路交换和包交换。

其中包交换又包括虚拟直通寻径，

存储转发寻径和虫蚀寻径等方式。

P313

21、多计算机网络中的通信模式有四种，分别是单播、选播、广播和会议。

P323

22、虚拟共享存储器系统的主要优点有：

_编程容易_；

_系统结构灵活__；

_可扩充性好；

和__有较好的软件移植性__。

p362

二、名词解释题（共18题）

1、透明性p42、MIPSp163、局部性原理p134、冯·

5、Huffman编码法p676、CISCp797、RISCp808、存储系统p99

9、直接映象方式p13010、组相连映象方式p13211、LRU算法p12112、数据相关p207

13、延迟转移技术p8714、互连网络p29115、结点度p29716、虫蚀寻径p314

17、网络传输时延p31318、机群系统p366

三、简答题（共15题）

1、什么是计算机系统结构？

p4

2、什么是虚拟机？

什么是宿主机？

p25

3、硬件和软件在什么意义上是等效的?

在什么意义上是不等效的?

【答案】

这个题的考核知识点是计算机硬件、软件、固件的定义及各自的特点。

在解答这个题目之前，应对计算机硬件、软件、固件的概念有比较清楚的认识。

计算机系统由硬件、软件和固件组成，它们在功能上是等效的。

同一种功能可以用硬件实现，也可以用软件或固件实现。

在组成、性能和价格上它们是不等效的。

实现同样一个功能硬件实现复杂，成本高，速度快。

而软件实现相对简单、灵活。

成本较低，速度较慢。

例如压缩解压功能，既可以使用硬件实现，如目前DVD机中的核心芯片，主要是实现了MPEG-2的这一压缩解压的国际标准；

也可以用软件方式实现，如目前主流的媒体播放器，只需安装相应的软解码包，就可以播放对应的压缩格式的视频音频文件。

软件、硬件、固件从功能的角度上看没有绝对的分别，因此，选择采用哪种方式实现某个功能应主要依据功能之外的其他方面的要求，如速度，成本，是否易于实现等等。

4、说明什么是仿真，说明什么是模拟？

5、什么是Amdahl定律？

6、什么是计算机组成？

什么是计算机实现？

7、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那几个？

p38

8、什么是指令格式的优化？

p66

9、什么是寻址技术？

寻址技术研究的主要内容和主要对象是什么？

p56

10、就指令格式．寻址方式和每条指令的周期数CPI等方面比较RISC和CISC处理机的指令系统结构？

答：

CISC指令格式复杂，不规整，寻址方式较多较全，每条指令的平均周期数CPI高，一般都是4-8左右。

RISC指令格式简单、规整。

寻址方式尽量精简，简单指令在单周期完成（CPI为1），复杂指令由多条简单指令解释执行，每条指令的平均周期数CPI比CISC要低。

11、列举基本输入输出方式，并说明其各自特点？

p157-160

什么叫虚拟存储器？

p108

12、什么是中断方式？

p159

13、对程序控制、中断和DMA三种输入输出方式，回答下列问题：

①哪些输入输出方式可以为高速外部设备服务？

DMA

②如果需要处理例外事件（如电源掉电），应该采用哪些输入输出方式？

中断

③为了使CPU运行用户程序与外部设备的输入输出工作并行进行，可以采用哪几种输入输出方式？

14、如指令执行过程采用顺序执行方式，一次重叠方式和流水线方式，它们的主要差别是什么?

各有什么优缺点?

这个题的考核知识点包括指令的顺序执行方式，一次重叠方式，流水线方式，时空图等

解答该题除了应该有指令的基本知识外，还应该有指令的一次重叠执行方式，流水线执行方式，时空图等知识，请参看本书第5章标量处理机的流水线部分。

参考答案：

顺序方式、一次重叠方式和流水线方式，它们的主要差别是：

在正常情况下，处理机中同时有几条指令在执行。

顺序方式为1条；

一次重叠方式为2条；

流水线方式为3条。

顺序方式的优点是控制简单，节省设备。

主要缺点有两个，一是处理机执行指令的速度慢。

二是功能部件的利用率很低。

一次重叠执行方式的优点主要有两个，一是程序的执行时间缩短了近一倍，二是功能部件的利用明显提高。

主存储器可以基本上处于忙碌状态，其它功能部件的利用率也得到提高。

缺点是需要增加一些硬件，控制过程也要复杂一些。

二次重叠执行方式能够使指令的执行时间缩短近两倍，这是一种理想的指令执行方式。

缺点是硬件更加复杂。

15、试述静态互连网络和动态互连网络的概念以及各自特点？

p299p305p310

四、分析计算题（共8题）

1、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90%，则采用Cache后，能使整个存储系统获得多高的加速比Sp？

这个题的考核知识点包括加速比、加速比公式。

在求解这类问题时，应把握题意，对题目做必要的简化和假设，去掉次要因素的干扰。

我们首先对新的存储系统的性能做以下的假设：

在Cache不命中的情况下，对Cache的访问不会额外损失时间，即：

首先，决定Cache是否命中所用的时间可以忽略；

其次，在从主存向Cache传输的同时，数据也被传输给使用部件（不需要再从Cache中读取）。

这样，新的存储系统中，

采用Cache后的平均存取时间分为两个部分：

其中，R表示各种情况所占的比例。

根据加速比的计算公式,

也可以使用Amdahl定律来求解该题。

加速比标准是对计算机系统的改进效果和效率进行评价的通用方法。

2、在一个Cache存储系统中，主存储器的访问周期、存储容量和单位价格分别为60ns、64MB和10元/MB，Cache的访问周期、存储容量和单位价格分别为10ns、512KB和100元/MB，Cache的命中率为0.98。

（1）计算这个Cache存储系统的等效访问周期、存储容量和单位价格。

（2）计算这个Cache存储系统的访问效率。

解：

（1）这个Cache存储系统的等效访问周期：

T＝TcH＋Tm（1－H）

＝10ns×

0.98＋60ns×

（1－0.98）

＝11ns

等效存储容量：

S＝64MB

等效单位价格：

C＝（CcSc＋CmSm）/（Sc＋Sm）

＝（100×

0.5＋10×

64）/（0.5＋64）

＝10.7（元/MB）

（2）这个Cache存储系统的访问效率：

e＝Tc/T

＝10/11

＝0.91

3、Cache存储系统中，主存有0～7共8块，Cache为4块，采用组相连映象。

　假设Cache已先后访问并预取进了主存的第5、1、3、7块，现访存的块地址流为1、2、4、1、3、7、0、1、2、5、4、6时，

（1）画出用LRU替换算法，Cache种各块的替换过程，并标出命中时刻。

其中Cache分为两组。

（2）求出在此期间的Cache命中率。

4、在一个采用组相连映象方式和FIFO替换算法的Cache系统中，发现它的等效访问时间太长，因此提出下列建议：

（1）增大主存容量；

（2）提高主存的速度；

（3）增大Cache的容量；

（4）提高Cache的速度；

（5）增加组数；

（6）FIFO改为LRU。

试分析上述建议对等效访问时间的影响。

5、一条线性静态多功能流水线由6个功能段组成，加法操作使用其中的1、2、3、6功能段，乘法操作使用其中的1、4、5、6功能段，每个功能段的延迟时间均相等。

流水线的输入端与输出端之间有直接数据通路，而且设置有足够的缓冲寄存器。

现在用这条流水线计算：

F=

。

要求获得最好的性能。

画出流水线时空图，井计算流水线的实际吞吐率、加速比和效率。

知识点：

流水线技术，流水线的性能分析（吞吐率，加速比，效率）

为了取得较高的速度，我们需要一次将乘法作完，设源操作数存放在寄存器A、B中，中间结果存放在寄存器R中，最后结果存放在寄存器F中，则执行的指令序列如下所示：

I1：

R1←A1*B1

I2：

R2←A2*B2

I3：

R3←A3*B3

I4：

R4←A4*B4

I5：

R5←A5*B5

I6：

R6←A6*B6

I7：

R7←R1+R2

I8：

R8←R3+R4

I9：

R9←R5+R6

I10：

R10←R7+R8

I11：

F←R9+R10

这并不是唯一可能的计算方法（本例中等到加法运算全部完成后才做乘法运算）。

假设功能段的延迟为Δt。

时空图（不完全）如下，图中的数字是指令号：

整个计算过程需要22Δt，所以吞吐率为：

加速比为：

效率为：

说明：

该题首先使用时空图对流水线的运行状态进行描述，然后再计算流水线的各项指标，从而对流水线性能进行定量的分析。

在使用时空图前，一定要将任务分解流水线能处理的指令序列，这也是这类题的难点之一。

6、在下列不同结构的处理机上运行8x8的矩阵乘法C：

AxB，计算所需要的最短时间？

（注：

只计算乘法指令和加法指令的执行时间，不计算取操作数、数据传送和程序控制等指令的执行时间。

加法部件和乘法部件的延迟时间都是3个时钟周期，另外，加法指令和乘法指令还要经过一个“取指令”和“指令译码”的时钟周期，每个时钟周期为20ns，c的初始值为“0”。

备操作部件的输出端有直接数据通路连接到有关操作部件的输入端，在操作部件的输出端设置有足够容量的缓冲寄存器。

）

（1）处理机内只有一个通用操作部件，采用顺序方式执行指令。

（2）单流水线标量处理机，有一条两个功能的静态流水线，流水线每个功能段的延迟时间均为一个时钟周期，加法操作和乘法操作各经过3个功能段。

流水线技术，流水线的性能分析

要完成上面的矩阵乘法，我们可以计算需要完成的各种操作的数量（假定A和B都是8×

8的矩阵。

C语言代码如下：

intk。

for（inti=0。

i<

8。

i++）

for（intj=0。

j<

j++）

{

sum=0。

for（k=0。

k<

k++）

sum+=A[i][k]×

B[k][j]

}

C[i][j]=sum。

需要完成的乘法数目为8×

8×

8=512次；

需要完成的加法数目为8×

7=448次；

下面分析处理机的结构给性能带来的影响。

（1）顺序执行时，每个乘法和加法指令都需要5个时钟周期（取指令、指令分析、指令执行）；

所以所需要的时间为：

（2）单流水线标量处理机，采用两功能静态流水线时；

因为有足够的缓冲寄存器，所以我们可以首先把所有的乘法计算完，并通过调度使加法流水线不出现停顿，所以所需要的时间为：

该题和上一题类似，仍然是将一个任务分解成指令序列，然后使用时空图工具进行描述。

但该题的重点在于比较顺序执行和单流水线方式，两者所需要的时间，得出一个定量的结论：

流水线方式所需要的执行时间远小于顺序方式所需要的执行时间。

7、假设一条指令的执行过程分为取指、分析和执行3步，每步的时间为t取指、t分析、t执行，

（1）分别计算下列几种情况下，执行完100条指令所需时间的一般关系式：

顺序执行方式；

　一次重叠执行方式；

　二次重叠执行方式。

（2）当t取指=t分析=2，t执行=1及t取指=t执行=5，t分析=2两种情况下，计算出上述各结果。

8、假定有一个处理机台数为p的共享存储器多处理机系统。

设m为典型处理机每条指令执行时对全局存储器进行访问的平均次数。

设t为共享存储器的平均存取时间，x为使用本地存储器的单处理机MIPS速率，再假定在多处理机的每台处理机上执行n条指令。

（1）根据参数m,t,x,n和p，确定多处理机的有效MIPS速率。

（2）假设一台多处理机有p=32台RISC处理机，m=0．4，t=1us,要使多处理机的有效性能达到56MIPS,需要每台处理机的MIPS速率是多少（即x=?

）?

MIPS（每秒百万条指令数）的定义、MIPS的计算、共享存储器的概念

（1）有效MIPS速率=总的指令条数/执行时间，总指令条数=处理据台数*每台处理机执行的指令数=pn，执行时间=访问共享存储器时间+　执行本机指令时间=n*m*t+n/x，所以，有效MIPS速率=pn/（n*m*t+n/x）=px/（1+mtx）。

（2）由

（1）的结果可知32/（0.4*1+1/x）=56解的x=35/6=5.83MIPS

MIPS（每秒百万条指令数）是衡量计算机机性能的一个重要的评价标准。

对某种具体的机型进行MIPS的计算是一类常见题型，解这类题型的关键是熟悉MIPS的定义和计算公式，并能将题目中给出的条件转化成MIPS计算公式的形式，这类题目在大多情况下要涉及到其他知识点，综合性比较强。