2022年南昌大学计算机科学与技术专业《计算机系统结构》科目期末试卷A(有答案)

2022年南昌大学计算机科学与技术专业《计算机系统结构》科目期末
试卷A（有答案）
一、选择题
1、输入输出系统硬件的功能对（）是透明的。

A.操作系统程序员
B.应用程序员
C.系统结构设计人员
D.机器语言程序设计员
2、（）属于MIMD系统结构。

A.各处理单元同时受同一个控制单元的管理
B.各处理单元同时接受同一个控制单元送来的指令
C.松耦合多处理机和多计算机
D.阵列处理机
3、下列说法中不正确的是（）
A.软件设计费用比软件重复生产费用高
B.硬件功能只需实现一次，而软件功能可能要多次重复实现
C.硬件的生产费用比软件的生产费用高
D.硬件的设计费用比软件的设计费用低
4、下列说法正确的是( )
A.Cache容量一般不大，命中率不会很高
B.Cache芯片速度一般比CPU的速度慢数十倍
C.Cache本身速度很快。

但地址变换的速度很慢
D.Cache存贮器查映象表和访问物理Cache其间可以流水，使速度与CPU匹配
5、从计算机系统结构上讲，机器语言程序员所看到的机器属性是（）
A.计算机软件所要完成的功能
B.计算机硬件的全部组成
C.编程要用到的硬件组织
D.计算机各部件的硬件实现。

6、微指令由（）直接执行。

A.微指令程序
B.硬件
C.汇编程序
D.编译程序
7、若输入流水线的指令既无局部性相关，也不存在全局性相关，则（）。

A.可获得高的吞吐率和效率
B.流水线的效率和吞吐率恶化
C.出现瓶颈
D.可靠性提高
8、最能确保提高虚拟存贮器访主存的命中率的改进途径是( )
A.增大辅存容量
B.采用FIFO替换算法并增大页面
C.改用LRU替换算法并增大页面
D.改用LRU替换算法并增大页面数
9、下列关于标量流水机的说法不正确的是（）
A.可对标量数据进行流水处理
B.没有向量数据表示
C.不能对向量数据进行运算
D.可以对向量、数组进行运算
10、下列说法正确的是（）
A."一次重叠"是一次解释一条指令
B."一次重叠"是同时解释相邻两条指令
C.流水方式是同时只能解释两条指令
D."一次重叠"是同时可解释很多条指令
11、指令间“一次重叠”说法有错的是( )
A.仅“执行k”与“分析k+1”重叠
B."分析k”完成后立即开始“执行k”
C.应尽量使“分析k+1”与“执行k”时间相等
D.只需要一套指令分析部件和执行部件
12、静态流水线是指( )
A.只有一种功能的流水线
B.功能不能改变的流水线
C.同时只能完成一种功能的多功能流水线
D.可同时执行多种功能的流水线
13、IBM360/91对指令中断的处理方法是（）
A.不精确断点法
B.精确断点法
C.指令复执法
D.对流水线重新调度
14、流水机器对全局性相关的处理不包括( )
A.猜测法
B.提前形成条件码
C.加快短循环程序的执行
D.设置相关专用通路
15、在计算机系统设计中，比较好的方法是( )
A.从上向下设计
B.从下向上设计
C.从两头向中间设计
D.从中间开始向上、向下设计
二、填空题
16、动态多级互连网络可分为________和________非阻塞网3种类型。

17、计算任何一个程序的执行时间的公式可表示为P=I•CPI•T，其中I是________ CPU是________T是一个周期的时间长度。

18、存储器速度可以用________、________、频宽来描述。

19、段页式虚拟存储器的内部地址映象表机构有________表和________表两部分。

20、就目前的通用机来说，计算机系统结构的属性主要包括数据表示，________寄存器组织，________，存储系统。

21、寻径的基本原则是：________或________
22、直接网络可分为3类：________和________、超立方体网络。

23、在一般标量流水线处理机中，通常把一条指令的执行过程分解为取指令、________和
________、写回结果4级流水线，每一级的执行时间为个基本时钟周期。

24、Amdah1等人在1964年把系统结构定义为：由程序设计者所看到的一个计算机系
统的属性，即________和________。

25、互连函数通常有的表示方法有________法、输入输出对应表示法、________
三、判断题
26、单功能流水线只能完成一种固定功能。

（）
27、要使线性流水线的实际吞吐率接近于理想的最大吞吐率，应将子过程数分得越多越好。

（）
28、异构机群的负载均衡任务优化调度问题可以描述为：寻找一个映射关系，将任务图TG映射到机群图PC，使作业时间最短。

（）
29、由于Cache存储器的地址变换和块替换算法是全硬件实现的，则Cache存储器对系统程序员是不透明的，Cache对处理机和主存间的信息交换是透明的。

（）
30、磁盘设备在数据传送时，数据宽度宜采用单字或单宇节。

（）
31、重叠寄存器窗口技术是RISC最关键的技术。

（）
32、在存贮体系中，地址的映象与地址的变换没有区别。

（）
33、系列机应用软件应做到向前兼容，力争向下兼容。

（）
34、多处理机中，两个程序段之间若同时有先写后读和先读后写2种相关，以交换数据为目的时，则必须并行执行，读写要完全同步，允许顺序串行和交换串行。

（）
35、延迟转移技术是RISC关键技术之一。

（）
四、名词解释
36、解释：
37、松散耦合系统：
38、分组交换：
39、换名技术：
40、吞吐率：
41、直接映象：
五、简答题
42、组相联Cache的失效率比相同容量直接映象Cache的失效率低。

由此能否得出结论：采用组相联一定能带来性能上的提高？为什么？
43、指令中表示操作数类型的方法有哪几种？
44、减少流水线分支延迟的静态方法有哪些？
45、地址映象方法有哪几种？它们各有什么优缺点？
46、计算机系统设计中经常使用的4个定量原理是什么？并说出它们的含义。

六综合题
47、写出三级Cache的平均访问时间的公式。

48、假设有一条长流水线，仅仅对条件转移指令使用分支目标缓冲。

假设分支预测错误的开销为4个时钟周期，缓冲不命中的开销为3个时钟周期。

假设：命中率为90%，预测精度为90%，分支频率为15%，没有分支的基本CPI为1。

（1）求程序执行的CPI。

（2）相对于采用固定的2个时钟周期延迟的分支处理，哪种方法程序执行速度更快？
49、设指令流水线由取指令、分析指令和执行指令3个部件构成，每个部件经过的时间为△t，连续流入12条指令。

分别画出标量流水处理机以及ILP均为4的超标量处理机、超长指令字处理机、超流水处理机的时空图，并分别计算它们相对于标量流水处理机的加速比。

50、设某个字节多路通道的设备选择时间Ts为9.8μs，传送一个字节的数据所需的时间T D为0.2μs。

若某种低速外设每隔500μs发出一次传送请求，那么，该通道最多可连接多少台这种外设？
参考答案
一、选择题
1、【答案】B
2、【答案】C
3、【答案】D
4、【答案】D
5、【答案】C
6、【答案】B
7、【答案】A
8、【答案】D
9、【答案】C
10、【答案】В
11、【答案】B
12、【答案】C
13、【答案】A
14、【答案】D
15、【答案】D
二、填空题
16、【答案】阻塞网可重排非阻塞网
17、【答案】程序的指令条数每条指令执行的平均周期数
18、【答案】访问时间存储周期
19、【答案】快慢
20、【答案】寻址方式指令系统
21、【答案】不应出现死锁循环等待
22、【答案】网格网络环形网络
23、【答案】译码执行
24、【答案】概念性结构功能特性
25、【答案】函数表示法图形表示法
三、判断题
26、【答案】对
27、【答案】错
28、【答案】对
29、【答案】错
30、【答案】错
31、【答案】错
32、【答案】错
33、【答案】错
34、【答案】错
35、【答案】对
四、名词解释
36、答：对于高一级机器上的程序中的每一条语句或指令，都是转去执行低一级机器上的一段等效程序。

执行完后，再去高一级机器取下一条语句或指令，再进行解释执行，如此反复，直到解释执行完整个程序。

37、答：又称间接耦合系统，一般是通过通道或通信线路实现计算机之间的互连，可以共享外存设备（磁盘、磁带等）。

计算机之间的相互作用是在文件或数据集一级上进行。

38、答：分组交换把信息分割成许多组（又称为包），将它们分别送入互连网络。

这些数据包可以通过不同的路径传送，到目的结点后再拼合出原来的数据，结点之间不存在固定连接的物理通路。

39、答：名相关的两条指令之间并没有数据的传送，只是使用了相同的名。

可以把其中一条指令所使用的名换成别的，以此来消除名相关。

40、答：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。

41、答：主存中的每一块只能被放置到Cache中唯一的一个地方。

五、简答题
42、答：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。

43、答：操作数类型有两种表示方法：
（1）操作数的类型由操作码的编码指定，这是最常见的一种方法；
（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。

44、答：（1）预测分支失败：沿失败的分支继续处理指令，就好象什么都没发生似的。

当确定分支是失败时，说明预测正确，流水线正常流动；当确定分支是成功时，流水线就把在分支指令之后取出的指令转化为空操作，并按分支目标地址重新取指令执行。

（2）预测分支成功：当流水线ID段检测到分支指令后，一旦计算出了分支目标地址，就开始从该目标地址取指令执行。

（3）延迟分支：主要思想是从逻辑上“延长”分支指令的执行时间。

把延迟分支看成是由原来的分支指令和若干个延迟槽构成。

不管分支是否成功，都要按顺序执行延迟槽中的指令。

3种方法的共同特点：它们对分支的处理方法在程序的执行过程中始终是不变的。

它们要么总是预测分支成功，要么总是预测分支失败。

45、答：
(1) 全相联映象。

实现查找的机制复杂，代价高，速度慢。

Cache空间的利用率较高，块冲突概率较低，因而Cache的失效率也低。

（2）直接映象。

实现查找的机制简单，速度快。

Cache空间的利用率较低，块冲突概率较高，因而Cache的失效率也高。

（3）组相联映象。

组相联是直接映象和全相联的一种折衷。

46、答：（1）以经常性事件为重点。

在计算机系统的设计中，对经常发生的情况，赋予它优先的处理权和资源使用权，以得到更多的总体上的改进。

（2）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重要性。

（3）CPU性能公式。

执行一个程序所需的CPU时间= IC ×CPI ×时钟周期时间。

（4）程序的局部性原理。

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。

六综合题
47、解：平均访存时间＝命中时间＋失效率×失效开销
只有第I层失效时才会访问第I＋1。

设三级Cache的命中率分别为H L1、 H l2、 H L3，失效率分别为M l1、M l2、M L3，第三级Cache的失效开销为P L3。

平均访问时间T A ＝H L1＋M l1{H l2＋M l2(H L3＋M L3×P L3)}
48、解：（1）程序执行的CPI = 没有分支的基本CPI（1） + 分支带来的额外开销
分支带来的额外开销是指在分支指令中，缓冲命中但预测错误带来的开销与缓冲没有命中带来的开销之和。

分支带来的额外开销= 15% * (90%命中×10%预测错误×4 + 10％没命中×3)= 0.099所以，程序执行的CPI ＝ 1 ＋ 0.099 = 1.099
（2）采用固定的2 个时钟周期延迟的分支处理CPI = 1 + 15%×2 = 1.3
由（1）（2）可知分支目标缓冲方法执行速度快。

49、解：标量流水处理机的时空图：
执行完12条指令需T 1＝14△t 。

超标量流水处理机与超长指令字处理机的时空图：
超标量流水处理机中，每一个时钟周期同时启动4条指令。

执行完12条指令需T 2＝5△t ，相对于标量流水处理机的加速比为：
8.2514212=∆Λ==t
t T T S
超标量处理机时空图
时间
超长指令字处理机时空图
超长指令字处理机中，每4条指令组成一条长指令，共形成3条长指令。

执行完12条指令需T 3＝5△t ，相对于标量流水处理机的加速比为：
8.2514313=∆Λ==t
t T T S 超流水处理机的时空图：
超流水处理机中，每1/4个时钟周期启动一条指令。

执行完12条指令需T 4＝5.75△t ，相对于标量流水处理机的加速比为：
435.2.75514414=∆Λ==t
t T T S 50、解：字节多路通道的最大流量为：D S byte T T f +=
-1m ax 字节多路通道的实际流量为：∑==p
i i byte f f 1
其中，p 为通道连接的外设台数，f i 为外设i 的数据传输速率。

因为连接的是同样的外设，所以f 1=f 2=…=f p =f ，故有f byte =pf 。

通道流量匹配的要求有：f max-byte ≥f byte
即有：pf T T D S ≥+1；可得：f T T p D S )(1+≤ 已知Ts = 9.8μs ，T D = 0.2μs ，1/f = 500μs ，可求出通道最多可连接的设备台数为：
50)2.08.9(500)(1=+=+≤s s f T T p D S μμ。