计算机体系结构真题精选.docx
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计算机体系结构真题精选.docx
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计算机体系结构真题精选
计算机体系结构真题精选
[填空题]
1设一个变量的值为–2147483647,要求分别用32位补码整数和IEEE754单精度浮点格式表示该变量(结果用十六进制表示),并说明哪种表示其值完全精确,哪种表示的是近似值。
参考答案:
[填空题]
2减少流水线处理分支指令时的暂停时钟周期数的技术途径是什么?
其流水线数据通路应如何改进?
参考答案:
在流水线中尽早判断分支转移是否成功;转移成功时,尽早计算出转移目标地址。
两者应同时采用,缺一不可。
(1)把“=0?
”测试移至ID段;
(2)在ID段增设一个加法器,这样可以把分支开销减少一拍。
[填空题]
3假定一个存储器系统支持4体交叉存取,某程序执行过程中访问地址序列为3,9,17,2,51,37,13,4,8,41,67,10,则哪些地址访问会发生体冲突?
参考答案:
对于4体交叉访问的存储系统,每个存储模块的地址分布为:
Bank0:
0、4、8、12、16 … …
Bank1:
1、5、9、13、17 …37 …41…
Bank2:
2、6、10、14、18 … …
Bank3:
3、7、11、15、19…51…67
如果给定的访存地址在相邻的4次访问中出现在同一个Bank内,就会发生访存冲突。
所以,17和9、37和17、13和37、8和4发生冲突。
[填空题]
4DLX流水线中,定向技术的主要思想是什么?
如何实现?
参考答案:
定向技术的实现:
在某一个功能单元的输入端和与某一个功能单元输出端具有数据通路的流水寄存器之间通过多路器建立通路。
当定向硬件检测到前面某条指令的结果寄存器就是当前指令的源寄存器时,控制逻辑会开通前面那条指令的结果目前所在的位置(某个流水寄存器)到当前指令所需的位置(某个功能单元的输入端)的通路。
[填空题]
5常见的导致结构相关的原因有哪些?
为什么流水线设计者有时允许结构相关存在?
参考答案:
常见的导致结构相关的原因有以下两种:
(1)功能部件不是全流水;
(2)重复设置的资源的份数不够。
流水线设计者有时允许结构相关存在的原因:
(1)有的结构并不经常发生,而为了避免结构相关需要增加大量的硬件开销;结构相关存在可降低硬件成本;
(2)可以减少部件的延迟。
可设计出比完全流水化功能单元具有更短延迟时间的非流水化和不完全流水化的功能单元。
[填空题]
6假设地址为1200H的内存单元中的内容为12FCH,地址为12FCH的内存单元的内容为38B8H,而38B8H单元的内容为88F9H。
说明以下各情况下操作数的有效地址和操作数各是多少?
操作数采用一次间接寻址,指令中给出的地址码为1200H。
参考答案:
有效地址EA=(1200H)=12FCH,操作数为38B8H。
[填空题]
7试简要说明流水线中几种相关类型。
参考答案:
流水线中的相关是指相邻或相近的两条指令因存在某种关联,后一条指令不能在原指定的时钟周期开始执行。
(1)结构相关:
当硬件资源满足不了同时重叠执行的指令的要求,而发生资源冲突时,就发生了结构相关。
(2)数据相关:
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)控制相关:
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。
[填空题]
8假定某计算机工程师想设计一个新CPU,一个典型程序的核心模块有一百万条指令,每条指令执行时间为100ps。
在非流水线处理器上执行该程序需要花多长时间?
参考答案:
非流水线处理器上执行该程序的时间为:
100ps×106=100μs.
[填空题]
9Cache中,有哪两种实现并行查找的方法?
参考答案:
(1)用相联存储器实现;
(2)用单体多字存储器和比较器来实现。
[填空题]
10DLX指令集结构有哪几种主要的操作类型?
参考答案:
DLX指令中的操作可分为4种类型。
(1)Load和Store操作。
可对DLX的所有通用寄存器和浮点寄存器进行LOAD(载入或取)和STORE(储存)操作;
(2)ALU操作。
在DLX中,所有的ALU指令都是寄存器-寄存器型指令,其运算包含了简单的算术和逻辑运算,如加、减、AND、OR、XOR和移位。
(3)分支和跳转操作。
对程序流程进行控制,跳转可分为:
简单跳转和跳转并链接(用于过程调用);所有分支指令均是条件分支指令。
(4)浮点操作。
完成浮点数据的加、减、乘、除。
[填空题]
11假定在一个使用RAID5的系统中,采用先更新数据块、再更新校验块的信息更新方式。
如果在更新数据块和更新校验块的操作之间发生了掉电现象,那么会出现什么问题?
采用什么样的信息更新方式可避免这个问题?
参考答案:
对于RAID5来说,如果在写完数据块但未写入校验块时发生断电,则写入的数据和对应的校验信息不匹配,无法正确恢复数据。
这种情况可以避免,因为RAID5是大数据块交叉方式,每个盘独立进行操作,所以,只要同时写数据块所在盘和校验块所在盘即可。
[填空题]
12DLX指令集结构有哪些寻址方式,数据访问有哪些规定。
参考答案:
DLX指令集结构的寻址方式有:
寄存器寻址、立即值寻址、偏移寻址和寄存器间接寻址。
DLX指令集结构中,
(1)对通用寄存器而言,相应的存储器访问数据大小有8位、16位和32位;而对浮点寄存器而言,相应的存储器访问数据大小有32位(单精度浮点数)和64位(双精度浮点数)。
(2)存储器地址采用的是高端字节表示顺序,存储器按字节寻址,其地址宽度为32位。
(3)DLX的所有存储器访问均需对齐。
对字的存放,低位字节都必须在偶地址的单元中,或者都必须存放在奇地址中。
(4)通过寄存器(通用寄存器和浮点寄存器)和存储器之间的数据传送操作完成对存储器的访问。
[填空题]
13解释读后写相关及其在DLX中发生的情况。
参考答案:
两条指令i和j,都会访问同一寄存器R,假设指令i在指令j之前,指令i先读寄存器R而指令j后写寄存器R,称两条指令存在读后写相关。
流水线中如果j在i完成读之前向R中写入数据,将写入错误的结果。
DLX中由于在ID段读寄存器而在WB段写寄存器,ID段在WB段之前,所以前后指令的读后写相关不会发生执行错误。
[填空题]
14可以将当前大多数通用寄存器型指令集结构进一步细分为3种类型,即寄存器-寄存器型、()和()。
参考答案:
寄存器-存储器型;存储器-存储器型
[填空题]
15组相联Cache比相同容量的直接映象Cache的失效率低。
由此是否可以得出结论:
采用组相联Cache一定能带来性能上的提高?
为什么?
参考答案:
不一定。
因为组相联命中率的提高是以增加命中时间为代价的,组相联需要增加多路选择开关。
[填空题]
16什么是DLX指令集结构,其设计思想有哪些?
参考答案:
DLX是一个流水线处理器实例,是Hennessy和Patterson合著一书《ComputerArchitecture-AQuantitativeApproach》中流水线处理器的例子,称为DLX处理器。
DLX指令集结构是工作于DLX处理器上的指令系统。
DLX指令集结构的设计思想:
1.具有一个简单的Load/Store指令集;
2.注重指令流水效率;采用定长指令格式编码;
3.简化指令的译码;
4.高效支持编译器。
[填空题]
17在指令集格式的设计中,有三种指令集编码格式,它们是()、()和混合型编码格式。
参考答案:
变长编码格式;固定长度编码格式
[填空题]
18解释写后写相关及其在DLX中发生的情况。
参考答案:
两条指令i和j,都会访问同一寄存器R,假设指令i在指令j之前,指令i先写寄存器R而指令j后写寄存器R,称两条指令存在写后写相关。
如果j在i之前完成写操作,R中将保存错误的结果。
DLX中由于只在WB段这唯一的一段写寄存器,所以前后指令的写后写相关不会发生执行错误。
[填空题]
19在存储层次中应解决哪四个问题?
参考答案:
(1)映象规则:
当把一个块调入高一层存储器时,可以放到哪些位置上?
(2)查找算法:
当所要访问的块在高一层存储器中时,如何找到该块?
(3)替换算法:
当发生失效时,应替换哪一块?
(4)写策略:
当进行写访问时,应进行哪些操作?
[填空题]
20通常有哪几种指令格式?
简述其适用范围。
参考答案:
(1)变长编码格式。
如果体系结构设计者感兴趣的是程序的目标代码大小,而不是性能,就可以采用变长编码格式。
(2)固定长度编码格式。
如果感兴趣的是性能,而不是程序的目标代码大小,则可以选择固定长度编码格式。
(3)混合型编码格式。
需要兼顾降低目标代码长度和降低译码复杂度时,可以采用混合型编码格式。
[填空题]
21在DLX指令实现的简单数据通路中,IF是指取指令周期,ID指()、EX指()、WB指写回周期。
参考答案:
执行/有效地址计算周期;存储器访问/分支完成周期
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[填空题]
22解释何为流水线中的定向(forwarding)技术?
参考答案:
定向技术是指流水线中将计算结果从其产生的地方直接送到真正需要它的地方,而不是从寄存器文件读出使用,它是一种解决数据相关,避免流水线暂停的方法。
[填空题]
23数据表示引入的标准是什么?
数据表示的方法有哪些?
参考答案:
衡量某种数据表示的引入是否合理和有效,一般从两个方面考虑:
(1)是否提高系统效率,即是否减少数据处理时间和减少所需的存储空间;
(2)看引入的数据表示使用率如何。
操作数类型表示方法有以下两种:
(1)操作数的类型由操作码的编码指定。
(最常见的一种方法)
(2)数据可以附上由硬件解释的标记,由这些标记指定操作数的类型,从而选择适当的运算。
[填空题]
24“Cache—主存”和“主存—辅存”层次的主要区别是什么?
参考答案:
[填空题]
25在向量处理机中,所谓Vi冲突,指的是并行工作的各向量指令的()和()的Vi有相同的。
参考答案:
源向量;结果向量
[填空题]
26何为流水线效率?
为何流水线效率不能达到1?
参考答案:
效率指流水线的设备利用率。
由于流水线有通过时间和排空时间,所以流水线的各段并非一直满负荷工作,所以效率是小于1的数。
[填空题]
27单级存储器的主要矛盾是什么?
通常采取什么方法来解决?
参考答案:
主要矛盾:
(1)速度越快,每位价格就越高;
(2)容量越大,每位价格就越低;
(3)容量越大,速度越慢。
采取多级存储层次方法来解决。
[填空题]
28对于Cache的两种写策略,执行“写”操作时,只写入Cache,仅当Cache中相应的块被替换时,才写回主存,称为()。
执行“写”操作时,不仅写入Cache,而且也写入下一级存储器,称为()。
参考答案:
写回法;写直达法
[填空题]
29操作数类型和操作数表示的关系是什么?
参考答案:
操作数类型:
面向应用、面向软件系统所处理的各种数据结构;
操作数表示:
机器硬件能够直接识别、指令系统可以直接调用的那些结构。
数据表示是数据结构的组成元素,是其子集,数据结构要通过软件映象,变换成机器中所具有的各种数据表示来实现。
操作数类型和操作数表示是软硬件主要界面之一;确定操作数表示是软硬件取舍折衷的问题。
[填空题]
30基本DLX流水线中,IF与Mem两个阶段都要访问存储器,怎样避免访存冲突?
参考答案:
把指令存储器和数据存储器分开,使每个存储器具有独立的读写端口。
[填空题]
31衡量向量处理机性能的主要参数有哪些?
参考答案:
(1)向量指令的处理时间
(2)峰值性能:
向量长度为无穷大时,向量处理机的最高性能。
(3)半性能向量长度:
向量处理机的性能为其峰值性能一半时所需的向量长度。
(4)向量长度临界值:
对同一段程序代码而言,向量方式的处理速度优于标量串行方式处理速度时所需的最小向量长度。
[填空题]
32评价输入输出系统性能的参数主要有连接特性、I/O系统容量、()和()。
参考答案:
响应时间;吞量
[填空题]
33CISC指令集结构功能设计的主要目标是什么,从哪几个方面考虑,如何理解?
参考答案:
CISC结构追求的目标:
进一步增强原有指令的功能,以及设置更为复杂的新指令,来取代原先由软件子程序完成的功能,实现软件功能向硬件功能转移。
强化指令功能,减少程序的指令条数,以达到提高性能的目的。
可从以下几个方面考虑:
1面向目标程序增强指令功能。
对已有机器的机器语言目标程序及其执行情况进行统计,分析各种指令和各种指令串的使用频度。
2面向高级语言和编译程序改进指令系统。
面向高级语言的优化实现来改进就是尽可能缩短高级语言和机器语言之间的语义差距,以利于支持高级语言编译系统,缩短编译程序的长度和编译所需的时间。
3面向操作系统的优化实现改进指令系统。
可以通过设置支持系统工作状态和访问方式转移的指令、支持进程转移的指令,支持进程同步和互斥的指令等措施,来达到优化操作系统的目的。
[填空题]
34基本DLX流水线中四个多路选择器的控制端由哪些信息决定?
参考答案:
ALU输入端的两个MUX由ID/EX.IR所指出的指令类型控制,IF段的MUX由EX/MEM.Cond域的值控制,WB段的MUX由当前指令类型(Load/ALU)控制。
[填空题]
35什么是向量链接技术?
参考答案:
当两条向量指令出现“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。
[填空题]
36简述CISC结构计算机的缺点。
参考答案:
在CISC结构的指令系统中,各种指令的使用频率相差悬殊。
据统计,有20%的指令使用频率最大,占运行时间的80%。
也就是说,有80%的指令在20%的运行时间内才会用到。
CISC结构指令系统的复杂性带来了计算机体系结构的复杂性,这不仅增加了研制时间和成本,而且还容易造成设计错误。
CISC结构指令系统的复杂性给VLSI设计增加了很大负担,不利于单片集成。
CISC结构的指令系统中,许多复杂指令需要很复杂的操作,因而运行速度慢。
在CISC结构的指令系统中,由于各条指令的功能不均衡性,不利于采用先进的计算机体系结构技术(如流水技术)来提高系统的性能。
[填空题]
37叙述堆栈型、累加器型和通用寄存器型指令集结构的特点,并比较它们的优缺点。
参考答案:
堆栈型结构中,操作数被默认存放在栈顶,它的优点是其结构具有表达式求值的简单模型(符合逆波兰表示)以及指令字长较短因而能产生良好的代号码密度。
它的主要缺点是不能随机访问,因此很难生成高效代码,此外堆栈口将成为瓶颈口,使性能受到影响。
累加器结构中,操作数之一总是被默认存放在累加器中,它具有可使机器内部状态减至最小并能形成短指令的特点,但由于累加器是唯一的操作数寄存器,将导致对存储器的频繁访问。
寄存器结构中,所有的操作数都必须加以显式说明,以指明其是存放在哪一个寄存器中或是存储器的哪一个单元,这种结构具有生在代码的最通用形式,但由于要对所有操作数所使用的寄存器加以命名,导致指令长度的增加。
[填空题]
38简述“虚拟索引+物理标识”Cache的优缺点。
参考答案:
优点是既能够得到虚拟Cache的好处,又能够得到物理Cache的优点。
缺点是直接映象Cache的容量不能够超过页的大小。
[填空题]
39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?
参考答案:
(1)水平处理方式:
不适合对向量进行流水处理。
(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M-M型的运算流水线。
(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R-R型运算流水线。
[填空题]
40全相联和直接映象相比,各有何优缺点?
参考答案:
全相联映象的特点:
利用率最高,冲突概率最低,实现最复杂。
直接映象的特点:
利用率最低,冲突概率最高,实现最简单。
[填空题]
41简述计算机体系结构中提高并行性的技术途径。
参考答案:
计算机体系结构中提高并行性的技术途径:
(1)时间重叠:
多个处理过程在时间上相互错开,轮流重迭地使用同一套硬件设备的各个部分,以加快硬件周转而赢得速度。
(2)资源重复:
根据“以数量取胜”的原则,通过重复地设置资源,尤其是硬件资源,以大幅度提高计算机系统的性能。
(3)资源共享:
这是一种软件方法,它使多个任务按一定时间顺序轮流使用同一套硬件设备。
[填空题]
42在有Cache的计算机系统中,进行I/O操作时,会产生哪些数据不一致问题?
如何克服?
参考答案:
(1)存储器中可能不是CPU产生的最新数据,所以I/O系统从存储器中取出来的是陈旧数据。
(2)I/O系统与存储器交换数据之后,在Cache中,被CPU使用的可能就会是陈旧数据。
第一个问题可以用写直达Cache解决。
第二个问题操作系统可以保证I/O操作的数据不在cache中。
如果不能,就作废Cache中相应的数据。
[填空题]
43调度分支延迟指令的三种常用方法的特点和局限性是什么?
参考答案:
[填空题]
44简述通过编译优化降低cache失效率的基本思想。
参考答案:
在编译时,对程序中的指令和数据进行重新组织,是连续访问的指令或数据能够具有根号的时间和空间局部性,以降低Cache失效率。
[填空题]
45计算机系统设计中应遵从哪些定量原理?
分别叙述它们在计算机设计中的指导意义。
参考答案:
计算机系统设计中应遵从以下定量原理:
1.大概率事件优先原则,这是最重要也是最广泛采用的计算机设计准则。
2.阿姆达尔定律。
即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改进程度,取决于这种执行方式被使用的频率或所占总执行时间的比例。
3.程序访问的局部性规律。
其主要反映在时间和空间局部性两个方面,时间局部性是指程序中近期被访问的信息项很可能马上被访问;空间局部性是指那些在访问地址上相邻近的信息项很可能会被一同访问。
[填空题]
46请叙述设计一个I/O子系统的步骤。
参考答案:
A、列出将要链接到计算机的I/O设备的类型,或者列出机器将要支持的标准总线。
B、列出每种I/O设备的物理要求,包括:
容量、电源、连接器、总线槽、扩展机箱等等。
C、列出每种I/O设备的开销,包括设备所需要的控制器的开销。
D、记录每种I/O设备对CPU资源的要求。
E、列出每种I/O设备对存储器和总线资源的要求。
F、按照不同的方法组织I/O设备,并计算其性能和开销。
[填空题]
47为了在分支延迟槽中填入有效指令,一般采用哪三种方法?
参考答案:
从前调度、从目标处调度、从失败处调度
[填空题]
48共享存储器通信的主要优点。
参考答案:
(1)与常用的集中式多处理机使用的通信机制兼容。
(2)当处理器通信方式复杂或程序执行动态变化时易于编程,同时在简化编译器设计方面也占有优势。
(3)当通信数据较小时,通信开销较低,带宽利用较好。
(4)通过硬件控制的Cache减少了远程通信的频度,减少了通信延迟以及对共享数据的访问冲突。
[填空题]
49什么是系列机?
采用系列机的计算机设计方法有何优缺点?
参考答案:
在一个厂家内生产的具有相同的体系结构,但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。
具体而言:
就是在体系结构基本不变的情况下,根据不同的性能和不同的器件,研制出多种性能和价格不同的计算机系统。
采用系列机的主要优点:
(1)系列机之间软件兼容,可移植性好。
(2)使用标准的总线规程,实现接插件和扩展功能卡的兼容,便于实现EM(由各厂家生产功能卡,然后组装成系统);
(3)在统—数据结构和指令系统的基础上,便于组成多机系统和网络;便于实现机间通信。
(4)扩大计算机应用领域,提供用户在同系列的多种机型内选用最合适的机器的可能性
(5)有利于机器的使用、维护和人员培训;
(6)有利于提高产量。
降低成本,促进计算机的发展。
采用系列机的主要缺点:
限制了计算机体系结构的发展。
[填空题]
50一般来说,按照CPU内部操作数的存储方式,可以将机器()分为()、()和()三种类型。
参考答案:
指令集结构;堆栈型;累加器型;通用寄存器型
[填空题]
51虚拟存储器中,为帮助操作系统保护进程不被其他进程破坏,简要说明计算机硬件要完成哪三项工作?
参考答案:
主要完成如下三项工作:
提供至少两种模式,用于区分正在运行的进程是用户进程还是操作系统进程。
有时称后者为内核(kernel)进程、超级用户(supervisor)进程或管理(executivE.进程。
使CPU状态的一部分成为用户进程可读但不可写的。
这包括基地址/上界地址寄存器、用户/管理模式位和异常许可/禁止位。
用户进程无权修改这些状态,因为如果用户进程能改变地址范围检查、赋给自己管理特权或禁止异常出现,操作系统就无法控制它们了。
提供一种机制,使得CPU能从用户模式进入管理模式和从管理模式进入用户模式。
前一种模式变换一般是通过系统调用(systemcall)来完成。
系统调用由一条特殊指令实现,该指令将控制权传送到管理程序空间中一个特定位置。
系统调用点处的PC值会被保存起来,CPU状态将被置为管理模式。
调用结束后返回用户模式很像从子程序返回,它将恢复原先的用户/管理模式。
[填空题]
52在单机系统中保持Cache一致性的措施有哪些?
参考答案:
采用写穿透策略和写回策略可以在单机系统中保持Cache一致性。
[单项选择题]
53、以下说法中,不正确的是()。
软硬件功能是等效的,提高硬件功能的比例会:
A.提高解题速度
B.提高硬件利用率
C.提高硬件成本
D.减少所需要的存贮器用量
参考答案:
B
[填空题]
54“延迟分支”方法的主要思想是什么?
参考答案:
其主要思想是从逻辑上“延长”分支指令的执行时间。
设延迟长度为n的分支指令后面有n个分支延迟槽,选择n条有效和有用的指令放入分支延迟槽中,无论分支成功与否,流水线都会执行这些指令。
处于分支延迟槽中的指令“掩盖”了流水线原来所必须插入的暂停周期。
[填空题]
55基本DLX流水线中,Load指令在MEM段的处理动作可表示为()←Mem[EX/MEM.ALUOutput];
参考答案:
MEM/WB.LMD
[填空题]
56降低Cache失效损失的措施有哪些?
参考答案:
A、读失效优先于写;
B、采用子块放置策略;
C、早期启动和关键字优先;
D、在Cache失效时,利用非阻塞Cache减少暂停;
E、采用二级Cache。
[单项选择题]
57、对机器语言程序员透明的是()。
A.中断字
B.主存地址寄存器
C.通用寄存器
D.条件码
参考答案:
B
[填空
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