《计算机系统结构》练习题A

一. 简要回答下列各题

1．什么是翻译？什么是解释？

2．什么是CISC？什么是RISC？CISC指令集结构功能设计的主要目标是什么？ 3.简述Amdahl定律

4.RISC的设计原则是什么？ 5.流水技术有哪些特点？

6.什么是计算机系统的多级层次结构？ 7.CISC存在的主要问题。 8.简述流水寄存器的作用。

9.简要说明提高计算机系统并行性的3种技术途径，并各举一例。 10.简述“Cache－主存”层次的四个基本问题。

二. 选择题（请选择一个最为准确的答案 ） 1． 关于流水线的下列说法，错误的是： （a）流水线能够提高吞吐率 （b）流水线提高了器件的利用率 （c）流水线提高了单个任务的处理速度

（d）消除流水线瓶颈的方法有“瓶颈段细分方法”和“瓶颈段重复设置方法” 2． 寄存器换名技术可以减少如下相关带来的暂停：

（a）读后写相关 （b）结构相关 （c）写后读相关 （d）控制相关

3． 假设对于DLX流水线，由取指令（IF）、指令译码读寄存器（ID）、执行（EX）、存储器访问（MEM）、

写寄存器（WB）五段组成。在一个时钟周期中对同一个寄存器的读操作和写操作可以通过寄存器文件“定向”，有正常定向路径。转移指令在EX段计算目标地址，在MEM段检测分支条件。指令SUB R4, R3, R2 和 BNEZ R4, LOOP之间应暂停的周期数为： （a）3 （b）2 （c）1 （d）0 4． 虚拟存储器中，可采用如下映像规则：

（a）直接映像 （b）组相联映像 （c）全相联映像 （d）上述三者均可

5． 在页式管理的虚拟存储器中，如果没有快表TLB，一次虚拟存储器访问至少需要几次主存访问来完成？ （a）3

（b）2

（c）1

（d）0

三. 填空题

1．系列机的软件兼容包括（ ）、（ ）、（ ）和（ ）四个方面。

2．大多数RISC机器的CPU中都设有大量寄存器，让每个过程使用一个有限量的寄存器窗口，并让各过程的寄存器窗口（ ）。

3．流水线中的相关主要分为以下3种类型：（ ）、（ ）和数据相关，其中数据相关又分为如下3

类：（ ）、（ ）和（ ）。

4．存储层次中的写策略主要有两种，它们是：（ ）和（ ）。

5．控制外部设备的输入输出方式分为：（ ）、（ ）、（ ）、（ ）和（ ）。、

6、计算机系统结构设计和分析中最经常使用的三条基本原则是（ ）、（ ）

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和（ ）。

7.从执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可分为指令内部并行，（ ），（ ），（ ），（ ）。

8.按照流水的粒度级别，流水线可以分为（ ），（ ），和（ ）。 9.消除流水线的瓶颈段的方法有（ ）和 （ ）2种。

10.能够改变控制流的指令包括：（ ），过程返回，（ ），（ ）。 11.为便于Cache查询和内存访问，CPU发出的访存地址被按位划分为（ ），（ ）和（ ）3个部分。

12.评价I/O系统性能的参数主要有连接特性、I/O系统容量、（ ）和（ ）。四、某计算机主存为1KB，采用两路组相联（2-Way）映像，指令Cache容量为32B，每个块为8B。在该机执行如下循环程序：

OK: LD F2，0(R1)

MULTD F4，F2，F0 LD F6，0(R2) ADDD F6，F4，F6 SD 0(R2)，F6 ADDI R1，R1，#8 ADDI R2，R2，#8 SGTI R3，R1，DONE BEQZ R3，OK

每条指令长度均为4B，程序执行前指令Cache的内容为空，Cache采用LRU替换算法。

（1）假设该程序加载道0010100000地址上，试给出该循环推出前每个Cache块所对应的主存区

号标识，以及其组内块号；

（2）如果该循环执行20次，则Cache命中率为多少？

《计算机系统结构》练习题A答案

一、

1. 翻译：将N＋1级程序全部变换成N级程序，然后执行新产生的N级程序，执行时不再访问N

＋1级程序。

解释：每将一条N＋1级指令译码后，都执行一串等效的N级指令，然后再取下一条N＋1级指

令，如此重复进行。

6． CISC：按增强指令功能，由软件功能向硬件功能转移的原则设计实现的计算机。

RISC：按降低指令集结构复杂性，以简化实现、提高性能为目标的原则设计的计算机。 CISC指令集结构设计的主要目标是尽量增强指令功能，将软件功能向硬件功能转移。 3.简述Amdahl定律

答： Amdahl定律：加快某部件执行速度所获得的系统性能加速比，受限于该部件在系统中所占的比例。

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4.RISC的设计

总分 核分人 负责人 题号 题分 得分 一 二 三 四 五 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。

5.流水技术有哪些特点？

答： （1）流水过程由多个相联系的子过程组成，每个过程称为流水线的“级”或“段”。 （2）每个子过程由专用的功能段实现。 （3）各个功能段所需时间应尽量相等。

（4）流水线需要有“通过时间”，在此之后流水过程才进入稳定工作状态，每一个时钟周期(拍)流出一个结果。

（5）流水技术适合于大量重复的时序过程，只有在输入端能连续地提供任务，流水线的效率才能充分发挥。

6、什么是计算机系统的多级层次结构？

答：从计算机语言的角度，把计算机系统按功能划分成以下多级层次结构：

从下到上分成微程序级、机器语言级、操作系统、汇编语言、高级语言、应用语言。

7、CISC存在的主要问题。

答：1. 部分指令使用频度低，利用率低，因此降低了指令系统的性能价格比；2. 指令系统日趋庞大复杂，不易于VLSI技术的发展和应用，使成本升高，错误增多，可靠性降低；3. 功能复杂的指令使指令系统的指令平均周期数较大，增大了程序的执行时间，降低程序执行速度；4. 高级语言源程序的优化编译困难，编译的时空开销增大。

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8、 简述流水寄存器的作用。

答： 1. 将各段的工作隔开，使其不互相干扰；2. 保存各段处理结果；3. 向后传递后面将要用到的数据或者控制信息。

9、简要说明提高计算机系统并行性的3种技术途径，并各举一例。

答：提高计算机系统并行性的3种技术途径有时间重叠，资源重复和资源共享。时间重叠使多个处理过程在时间上相互错开，重叠轮流使用同一套硬件设备的各个部分，提高硬件利用率，缩短执行时间，如指令流水线处理机；资源重复通过重复设置硬件资源来提高性能，例如，阵列处理机；资源共享利用软件方法让多个用户共享同一套资源，提高系统资源利用率和性能，如多处理机系统、计算机网络、机群系统。

10、简述“Cache－主存”层次的四个基本问题。

答：

映像规则：当把一个块从主存调入cache中，可以放在哪些位置上。包括全相联，直接映像和组相联。

查找方法：当所要访问的块在Cache中，如何找到该块。查找目录表。 替换算法：当发生不命中，且高一层存储器已满时，应替换哪一块。 写策略：当进行写访问时，应该进行哪些操作。

二． 1. C 三．

1. 向上兼容 向下兼容 向前兼容 向后兼容 2. 部分重叠（2分）

3. 结构相关 控制相关 写后读相关 写后写相关 读后写相关

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2. A

3. C

4. C

5. B

4. 写直达法 写回法

5. 程序查询方式 中断方式 DMA方式 通道方式 I/O处理机方式

6、计算机系统结构设计和分析中最经常使用的三条基本原则是（大概率事件优先原则）、（程序的局部性原理）和（Amdahl定律）。

7、从执行程序的角度来看，并行性等级从低到高可分为指令内部并行，（指令级并行），（线程级并行），（过程级并行），（作业级并行）。

8按照流水的粒度级别，流水线可以分为（部件级流水线），（指令级流水线），和（处理机间流水线）。 9消除流水线的瓶颈段的方法有（细分瓶颈段）和 （重复设置瓶颈段）2种。 10能够改变控制流的指令包括：（过程调用），过程返回，（分支指令），（跳转指令）。

11为便于Cache查询和内存访问，CPU发出的访存地址被按位划分为（标识），（索引）和（偏移）3个部分。

12、评价I/O系统性能的参数主要有连接特性、I/O系统容量、（响应时间）和（吞吐量）。

四． 某计算机主存为1KB，采用两路组相联（2-Way）映像，指令Cache容量为32B，每个块为8B。在该机执行如下循环程序：

OK:

LD MULTD LD ADDD SD ADDI ADDI SGTI BEQZ

F2，0(R1) F4，F2，F0 F6，0(R2) F6，F4，F6 0(R2)，F6 R1，R1，#8 R2，R2，#8 R3，R1，DONE R3，OK

每条指令长度均为4B，程序执行前指令Cache的内容为空，Cache采用LRU替换算法。

（1）假设该程序加载道0010100000地址上，试给出该循环推出前每个Cache块所对应的主存区

号标识，以及其组内块号；

（2）如果该循环执行20次，则Cache命中率为多少？ 解答：（1）

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Cache 0 1 0 1组 1 0010100000 0组 主存 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 主存区 号标示 001010 001010 001011 001011 001100

Cache 块号 0 1 0 1 0

由映像图可见，退出循环前

0组0块 0组1块 1组0块 1组1块 对应主存区号标识为 001 100 对应主存区号标识为 001 010 对应主存区号标识为 001 010 对应主存区号标识为 001 011

（2）循环20次地址分别为0，1，2，3，4，0，1，2，3，4，0，1，2，……

0组 1组 0 0 装1 0 1 装2 0 2 1 装3 0 2 1 3 装4 4 2 1 3 替0 4 0 1 3 替1 4 0 1 3 命中 2 4 2 1 3 替换 3 4 2 1 3 命中 4 4 2 1 3 命中 0 4 0 1 3 替换 1 4 0 1 3 命中 … … … … … … 入 入 入 入 换 换 命中率=(920-5-219)/(920)=137/18076%

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