计算机体系结构复习题(终极版)PPT课件
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解：由题可知，可改进比例 = 20% = 0.2
部件加速比 = 40
根据Amdahl定律可知：总加速比 =1/(10.2+0.2/40)=1.2579
采用此提高性能的方法后，能使整个系统的 性能提高到原来的1.2579倍。
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15
第二章
1、指令集结构设计所涉及的内容有哪些？ 答： (1) 指令集功能设计 (2) 寻址方式的设计 (3) 操作数表示和操作数类型 (4) 寻址方式的表示 (5) 指令集格式的设计 2、对指令集的基本要求是怎样的？
5
C=A3+B3
4 3
D=A4+B4
2
1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
输 A1 A2 A3 A4
AC
A×B
时间
入 B1 B2 B3 B4
BD
C×D
TP 7 18t
S 36t 2 18t
E46340.25 818
编辑版pppt
28
（3）计算性能
CPU性能公式：执行一个程序所需的CPU时间， CPU时间 = 执行程序所需的时钟周期数×时钟 周期时间
程序的局部性原理：程序执行时所访问的80%是 程序代码的20%的部分。
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6
5、分别从执行程序的角度看，计算机系统中并行 性等级从低到高可分为哪几级？
答：从处理数据的角度来看，并行性等级从低到 高可分为：
（1）指令内部并行：单条指令中各微操作之间的 并行；
（2）指令级并行：并行执行两条或两条以上的指 令；（3）线程级并行：并行执行两个或两个以上 的线程，通常是以一个进程内派生的多个线程为 调度单位；
（4）任务级或过程级并行：并行执行两个或两个 以上的过程或任务（程序段），以子程序或进程 为调度单元；
答：
微程序机器级的机器语言是微指令集，微程序 一般是直接由硬件解释实现的。
传统机器级的机器语言是该机的指令集，程序 可以由微程序进行解释（仿真)。
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3
2、什么是计算机体系结构？什么是计算机组 成？什么是计算机实现？它们之间有什么关 系？
答：计算机系统结构：传统机器程序员所看 到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
（2）CISC结构指令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。
（3）CISC结构指令集的复杂性给VLSI设计增加了很
大负担，不利于单片集成。
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18
（4）CISC结构的指令集中，许多复杂指令 需要很复杂的操作，因而运行速度慢。
(5) 在CISC结构的指令集中，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。
答：对指令集的基本要求是完整性、规整性、 高效率和兼容性。
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16
3、指令Add R2 , 500(R0)是什么的寻址方式？ 答：寻址方式是偏移寻址； 4、指令Add R7 , (R3)是什么的寻址方式？ 答：寻址方式是：寄存器间接寻址。 5、指令Add R9 , (R7 + R6)是什么的寻址方式？ 答：寻址方式是：索引寻址； 6、指令Add R1 , (1001)是什么的寻址方式？ 答：寻址方式是：直接寻址。
间为Ts，使用流水线后所用的时间为Tk，则该
流水线的加速比为
S Ts Tk
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24
效率：流水线中的设备实际使用时间与整个 运行时间的比值，即流水线设备的利用率。
当流水线各段时间相等时，流水线的效率与 吞吐率成正比。
E=TP△t
流水线的效率是流水线的实际加速比S与它 的最大加速比k的比值。
E S k
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25
4、 设在下图所示的静态流水线上计算：
4
( Ai Bi ) i 1
流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应的
流水寄存器中，试计算其吞吐率、加速比和效率。
加 减 法
1
2
3
4
5
6
7
8
乘 法
(每段的时间都为△t)
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26
解： 4
( Ai Bi )
：
C=(A1+B1)* (A2+B2)* (A3+B3)*
1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，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
于相应的流水寄存器中。若在该流水线上计算:
4
( Ai Bi ) i 1
试计算其吞吐率、加速比和效率。
加法
△t
△t
△t
1
2
3
4
5
△t
2△t
乘法
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30
4
解: ( Ai Bi ) i 1
C=(A1＋B1) ×(A2＋B2) ×(A3＋B3) ×(A4＋B4)
(1) 选择适合于流水线工作的算法应先计算A1+B1、 A2+B2、A3+B3和A4+B4； 再计算(A1+B1) ×(A2×B2) (A3+B3) ×(A4+B4)；
（5）作业或程序级并行：并行执行两个或两个以 上的作业或程序。
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7
6、分别从处理数据的角度来看，计算机系统中并 行性等级从低到高可分为哪几级？
答：从处理数据的角度来看，并行性等级从低到 高可分为：
（1）字串位串：每次只对一个字的一位进行处理。 这是最基本的串行处理方式，不存在并行性；
i 1
(A4+B4)
（1）选择适合于流水线工作的算法
先计算A1+B1、A2+B2、A3+B3和A4+B4； 再计算(A1+B1)×(A2+B2)和(A3+B3)×(A4+B4)；
然后求总的乘积结果。
（2）画出时空图
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27
段
ABCD
A×B C×D A×B×C×D
8
7
A=A1+B1
6
B=A2+B2
以按照不同的方式连接，同时执行多种功能的流 水线。它允许在某些段正在实现某种运算时，另 一些段却在实现另一种运算。 2、什么是静态流水线？ 答：指在同一时间内，多功能流水线中的各段只 能按同一种功能的连接方式工作的流水线。当流 水线要切换到另一种功能时，必须等前面的任务 都流出流水线之后，才能改变连接。
答：程序在执行时所访问地址的分布不是 随机的，而是相对地簇聚；这种簇聚包括 指令和数据两部分。程序局部性包括：程 序的时间局部性和程序的空间局部性。
(4)、计算机组成：
答：计算机系统结构的逻辑实现，包含物 理机器级中的数据流和控制流的组成以及 逻辑设计等。
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10
8、体系结构的发展是怎样的？
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20
9、CISC、RISC计算机各有哪些主要特征？ 答：1） CISC计算机的主要特征有： 通用寄存器结构 多周期执行 寻址方式多 微码控制器 2）RISC计算机主要特征有： 单周期执行 寻址方式少 硬布线控制器 寄存器数量多
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21
第三章
1、什么是动态流水线？ 答：指在同一时间内，多功能流水线中的各段可
（2）字串位并：同时对一个字的全部位进行处理， 不同字之间是串行的。已开始出现并行性；
（3）字并位串：同时对许多字的同一位（称为位 片）进行处理。这种方式具有较高的并行性；
（4）全并行：同时对许多字的全部位或部分位进 行处理。这是最高一级的并行。
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8
7、解释： （1）Amdahl定律：
人武11计科复习
计算机系统结构
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1
一、单项选择题：（10*2=20分） 二、填空题（ 10*2=20分） 三、名词解释（4*3=12分） 四、简答题：（3*6=18分） 五、分析计算题（4*5=20分） 六、综合应用题（1*10=10分）
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2
第一章：
1、计算机系统的多级层次结构中微程序机器 级、传统机器级的机器语言是什么？由什么方 式实现？
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19
8、简述RISC指令集结构的设计原则。 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。
（3）程序执行时间= （40000×2＋45000×1＋ 5000×5＋2500×3) ／800=196.875s
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14
17、将计算机系统中某一功能的处理速度提 高到原来的40倍，该功能的处理时间仅占整 个系统运行时间的20%，则采用此提高性能 的方法后，能使整个系统的性能提高多少？
计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现
计算机实现：计算机组成的物理实现
计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。 计算机实现是计算机组成的物理实现。一种 体系结构可以有多种组成。一种组成可以有 多种实现。
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4
3、下列哪些属于计算机组成？哪些属于计算机 实现？
属于计算机组成的是：
a）数据通路宽度 b）可靠性技术 c）缓冲和排队技术 属于计算机实现的是：
a）处理器、主存的物理结构 b）涉及的专用器件 c）信号传输 d）器件的集成度和速度
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5
4、计算机系统设计的量化设计原则有哪些？说 出它们的含义？
答：加速经常性事件的原则：对经常发生的情 况采用优化方法的原则进行选择，以得到更多 的总体上的改进。
Amdahl定律：加快某部件执行速度所能获得的 系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占 系统中总执行时间的百分比。
在18个△t时间中，给出了7个结果。
吞吐率为：
TP
7
1 8t
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
不用流水线，由于一次求和需6△t，一次求积需4△t，
则产生上述7个结果共需（4×6+3×4）△t = 36△t
加速比为： S 36t 2 18t
流水线的效率： 4634
E
0.25
818
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29
5、有一条动态多功能流水线由5段组成，加法用
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17
7、 简述CISC指令集结构功能设计的主要目标。从当 前的计算机技术观点来看，CISC指令集结构的计算机 有什么缺点？
答：主要目标是增强指令功能，把越来越多的功能交 由硬件来实现，并且指令的数量也是越来越多。
缺点：
(1) CISC结构的指令集中，各种指令的使用频率相差悬 殊。
指令类型
指令执行数量 平均时钟周期数
整数
40000
2
数据传送
45000
1
浮点
5000
5
分支
2500
3
求该计算机的有效CPI、MIPS和程序执行时间。
解：（1）CPI ＝(40000×2＋45000×1＋5000×5＋ 2500×3) / 92500＝1.7027
（2）MIPS速率＝f/ CPI ＝800/1.7027 ＝469.84MIPS
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12
14、采用SSI和MSI、多层印刷电路、微程序 的计算机是第几代计算机
答：第三代
15、计算机系统的成本中I/O设备、软件的 占比分别是多少？
答：计算机系统的成本中I/O设备为37% 计算机系统的成本中软件占20%
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13
16、某台主频为800MHz的计算机执行标准测试程 序，程序中指令类型、执行数量和平均时钟周期数 如下：
答：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 重要性。
（2）计算机实现：
答：计算机组成的物理实现，包括处理机、 主存等部件的物理结构，器件的集成度和 速度，模块、插件、底板的划分与连接， 信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。
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9
(3)、程序的局部性原理：
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11
11、某档机器编制的程序，不加修改的就能 运行于比它高档的机器，属于何种兼容？
答：向上兼容 12、某个时期投入市场的某种型号机器编制
的程序，不加修改地就能运行于在它之后 投入市场的机器，属于何种兼容？ 答：向后兼容 13、采用LSI和VLSI、半导体存储器期间的 计算机是第几代计算机？ 答：第四代
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22
3、掌握流水线的性能指标的分析方法。
答：吞吐率：在单位时间内流水线所完成 的任务数量或输出结果的数量。
TP n TK
n：任务数 Tk：处理完成n个任务所用的时间
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23
加速比：完成同样一批任务，不使用流水线所 用的时间与使用流水线所用的时间之比。
假设：不使用流水线（即顺序执行）所用的
答：包括：分布的IO处理能力、保护的存 储器空间、存储器组织结构的发展、并行 处理技术、指令集发展。
9、提高并行性的技术途径是怎样的？
答：包括（1）. 时间重叠 （2）. 资源重 复 （3.） 资源共享
10、并行性概念所包括有哪些？
答：（1）. 指令级并行 （2）. 线程级并行 （3.） 任务级/过程级并行
部件加速比 = 40
根据Amdahl定律可知：总加速比 =1/(10.2+0.2/40)=1.2579
采用此提高性能的方法后，能使整个系统的 性能提高到原来的1.2579倍。
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第二章
1、指令集结构设计所涉及的内容有哪些？ 答： (1) 指令集功能设计 (2) 寻址方式的设计 (3) 操作数表示和操作数类型 (4) 寻址方式的表示 (5) 指令集格式的设计 2、对指令集的基本要求是怎样的？
5
C=A3+B3
4 3
D=A4+B4
2
1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
输 A1 A2 A3 A4
AC
A×B
时间
入 B1 B2 B3 B4
BD
C×D
TP 7 18t
S 36t 2 18t
E46340.25 818
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（3）计算性能
CPU性能公式：执行一个程序所需的CPU时间， CPU时间 = 执行程序所需的时钟周期数×时钟 周期时间
程序的局部性原理：程序执行时所访问的80%是 程序代码的20%的部分。
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6
5、分别从执行程序的角度看，计算机系统中并行 性等级从低到高可分为哪几级？
答：从处理数据的角度来看，并行性等级从低到 高可分为：
（1）指令内部并行：单条指令中各微操作之间的 并行；
（2）指令级并行：并行执行两条或两条以上的指 令；（3）线程级并行：并行执行两个或两个以上 的线程，通常是以一个进程内派生的多个线程为 调度单位；
（4）任务级或过程级并行：并行执行两个或两个 以上的过程或任务（程序段），以子程序或进程 为调度单元；
答：
微程序机器级的机器语言是微指令集，微程序 一般是直接由硬件解释实现的。
传统机器级的机器语言是该机的指令集，程序 可以由微程序进行解释（仿真)。
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3
2、什么是计算机体系结构？什么是计算机组 成？什么是计算机实现？它们之间有什么关 系？
答：计算机系统结构：传统机器程序员所看 到的计算机属性，即概念性结构与功能特性。
（2）CISC结构指令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。
（3）CISC结构指令集的复杂性给VLSI设计增加了很
大负担，不利于单片集成。
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18
（4）CISC结构的指令集中，许多复杂指令 需要很复杂的操作，因而运行速度慢。
(5) 在CISC结构的指令集中，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。
答：对指令集的基本要求是完整性、规整性、 高效率和兼容性。
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16
3、指令Add R2 , 500(R0)是什么的寻址方式？ 答：寻址方式是偏移寻址； 4、指令Add R7 , (R3)是什么的寻址方式？ 答：寻址方式是：寄存器间接寻址。 5、指令Add R9 , (R7 + R6)是什么的寻址方式？ 答：寻址方式是：索引寻址； 6、指令Add R1 , (1001)是什么的寻址方式？ 答：寻址方式是：直接寻址。
间为Ts，使用流水线后所用的时间为Tk，则该
流水线的加速比为
S Ts Tk
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24
效率：流水线中的设备实际使用时间与整个 运行时间的比值，即流水线设备的利用率。
当流水线各段时间相等时，流水线的效率与 吞吐率成正比。
E=TP△t
流水线的效率是流水线的实际加速比S与它 的最大加速比k的比值。
E S k
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25
4、 设在下图所示的静态流水线上计算：
4
( Ai Bi ) i 1
流水线的输出可以直接返回输入端或暂存于相应的
流水寄存器中，试计算其吞吐率、加速比和效率。
加 减 法
1
2
3
4
5
6
7
8
乘 法
(每段的时间都为△t)
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26
解： 4
( Ai Bi )
：
C=(A1+B1)* (A2+B2)* (A3+B3)*
1、3、4、5段，乘法用1、2、5段，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
于相应的流水寄存器中。若在该流水线上计算:
4
( Ai Bi ) i 1
试计算其吞吐率、加速比和效率。
加法
△t
△t
△t
1
2
3
4
5
△t
2△t
乘法
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4
解: ( Ai Bi ) i 1
C=(A1＋B1) ×(A2＋B2) ×(A3＋B3) ×(A4＋B4)
(1) 选择适合于流水线工作的算法应先计算A1+B1、 A2+B2、A3+B3和A4+B4； 再计算(A1+B1) ×(A2×B2) (A3+B3) ×(A4+B4)；
（5）作业或程序级并行：并行执行两个或两个以 上的作业或程序。
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7
6、分别从处理数据的角度来看，计算机系统中并 行性等级从低到高可分为哪几级？
答：从处理数据的角度来看，并行性等级从低到 高可分为：
（1）字串位串：每次只对一个字的一位进行处理。 这是最基本的串行处理方式，不存在并行性；
i 1
(A4+B4)
（1）选择适合于流水线工作的算法
先计算A1+B1、A2+B2、A3+B3和A4+B4； 再计算(A1+B1)×(A2+B2)和(A3+B3)×(A4+B4)；
然后求总的乘积结果。
（2）画出时空图
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段
ABCD
A×B C×D A×B×C×D
8
7
A=A1+B1
6
B=A2+B2
以按照不同的方式连接，同时执行多种功能的流 水线。它允许在某些段正在实现某种运算时，另 一些段却在实现另一种运算。 2、什么是静态流水线？ 答：指在同一时间内，多功能流水线中的各段只 能按同一种功能的连接方式工作的流水线。当流 水线要切换到另一种功能时，必须等前面的任务 都流出流水线之后，才能改变连接。
答：程序在执行时所访问地址的分布不是 随机的，而是相对地簇聚；这种簇聚包括 指令和数据两部分。程序局部性包括：程 序的时间局部性和程序的空间局部性。
(4)、计算机组成：
答：计算机系统结构的逻辑实现，包含物 理机器级中的数据流和控制流的组成以及 逻辑设计等。
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8、体系结构的发展是怎样的？
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20
9、CISC、RISC计算机各有哪些主要特征？ 答：1） CISC计算机的主要特征有： 通用寄存器结构 多周期执行 寻址方式多 微码控制器 2）RISC计算机主要特征有： 单周期执行 寻址方式少 硬布线控制器 寄存器数量多
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21
第三章
1、什么是动态流水线？ 答：指在同一时间内，多功能流水线中的各段可
（2）字串位并：同时对一个字的全部位进行处理， 不同字之间是串行的。已开始出现并行性；
（3）字并位串：同时对许多字的同一位（称为位 片）进行处理。这种方式具有较高的并行性；
（4）全并行：同时对许多字的全部位或部分位进 行处理。这是最高一级的并行。
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8
7、解释： （1）Amdahl定律：
人武11计科复习
计算机系统结构
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1
一、单项选择题：（10*2=20分） 二、填空题（ 10*2=20分） 三、名词解释（4*3=12分） 四、简答题：（3*6=18分） 五、分析计算题（4*5=20分） 六、综合应用题（1*10=10分）
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第一章：
1、计算机系统的多级层次结构中微程序机器 级、传统机器级的机器语言是什么？由什么方 式实现？
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8、简述RISC指令集结构的设计原则。 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。
（3）程序执行时间= （40000×2＋45000×1＋ 5000×5＋2500×3) ／800=196.875s
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17、将计算机系统中某一功能的处理速度提 高到原来的40倍，该功能的处理时间仅占整 个系统运行时间的20%，则采用此提高性能 的方法后，能使整个系统的性能提高多少？
计算机组成：计算机系统结构的逻辑实现
计算机实现：计算机组成的物理实现
计算机组成是计算机系统结构的逻辑实现。 计算机实现是计算机组成的物理实现。一种 体系结构可以有多种组成。一种组成可以有 多种实现。
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4
3、下列哪些属于计算机组成？哪些属于计算机 实现？
属于计算机组成的是：
a）数据通路宽度 b）可靠性技术 c）缓冲和排队技术 属于计算机实现的是：
a）处理器、主存的物理结构 b）涉及的专用器件 c）信号传输 d）器件的集成度和速度
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5
4、计算机系统设计的量化设计原则有哪些？说 出它们的含义？
答：加速经常性事件的原则：对经常发生的情 况采用优化方法的原则进行选择，以得到更多 的总体上的改进。
Amdahl定律：加快某部件执行速度所能获得的 系统性能加速比，受限于该部件的执行时间占 系统中总执行时间的百分比。
在18个△t时间中，给出了7个结果。
吞吐率为：
TP
7
1 8t
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
不用流水线，由于一次求和需6△t，一次求积需4△t，
则产生上述7个结果共需（4×6+3×4）△t = 36△t
加速比为： S 36t 2 18t
流水线的效率： 4634
E
0.25
818
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5、有一条动态多功能流水线由5段组成，加法用
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7、 简述CISC指令集结构功能设计的主要目标。从当 前的计算机技术观点来看，CISC指令集结构的计算机 有什么缺点？
答：主要目标是增强指令功能，把越来越多的功能交 由硬件来实现，并且指令的数量也是越来越多。
缺点：
(1) CISC结构的指令集中，各种指令的使用频率相差悬 殊。
指令类型
指令执行数量 平均时钟周期数
整数
40000
2
数据传送
45000
1
浮点
5000
5
分支
2500
3
求该计算机的有效CPI、MIPS和程序执行时间。
解：（1）CPI ＝(40000×2＋45000×1＋5000×5＋ 2500×3) / 92500＝1.7027
（2）MIPS速率＝f/ CPI ＝800/1.7027 ＝469.84MIPS
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12
14、采用SSI和MSI、多层印刷电路、微程序 的计算机是第几代计算机
答：第三代
15、计算机系统的成本中I/O设备、软件的 占比分别是多少？
答：计算机系统的成本中I/O设备为37% 计算机系统的成本中软件占20%
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16、某台主频为800MHz的计算机执行标准测试程 序，程序中指令类型、执行数量和平均时钟周期数 如下：
答：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 重要性。
（2）计算机实现：
答：计算机组成的物理实现，包括处理机、 主存等部件的物理结构，器件的集成度和 速度，模块、插件、底板的划分与连接， 信号传输，电源、冷却及整机装配技术等。
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(3)、程序的局部性原理：
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11、某档机器编制的程序，不加修改的就能 运行于比它高档的机器，属于何种兼容？
答：向上兼容 12、某个时期投入市场的某种型号机器编制
的程序，不加修改地就能运行于在它之后 投入市场的机器，属于何种兼容？ 答：向后兼容 13、采用LSI和VLSI、半导体存储器期间的 计算机是第几代计算机？ 答：第四代
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3、掌握流水线的性能指标的分析方法。
答：吞吐率：在单位时间内流水线所完成 的任务数量或输出结果的数量。
TP n TK
n：任务数 Tk：处理完成n个任务所用的时间
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加速比：完成同样一批任务，不使用流水线所 用的时间与使用流水线所用的时间之比。
假设：不使用流水线（即顺序执行）所用的
答：包括：分布的IO处理能力、保护的存 储器空间、存储器组织结构的发展、并行 处理技术、指令集发展。
9、提高并行性的技术途径是怎样的？
答：包括（1）. 时间重叠 （2）. 资源重 复 （3.） 资源共享
10、并行性概念所包括有哪些？
答：（1）. 指令级并行 （2）. 线程级并行 （3.） 任务级/过程级并行