计算机系统结构(有详细答案)

(仅供参考，不作为考试标准)，
选择题(30分，每题2分)
计算机系统结构设计者所关心的是________所看到的的计算机结构。

A)硬件设计人员B)逻辑设计人员
C)机器语言或汇编语言程序员D)高级语言程序员
在计算机系统设计时，为了提高系统性能，应当注意________。

A)加快经常性使用指令的执行速度
B)要特别精心设计少量功能强大的指令
C)要减少在数量上占很小比例的指令的条数
D)要加快少量指令的速度
重叠寄存器技术主要用于解决在RISC系统中因________而导致的问题。

A)JMP指令影响流水线
B)CALL指令的现场保护
C)只有LOAD和STORE指令带来的访问存储器不便
D)存储器访问速度
为使流水计算机运行效率高________
A)各过程段时间要不同B)连续处理的任务类型应该不同
C)连续处理的任务类型应该相同D)连续处理的任务数尽可能少不属于堆栈型替换算法的是________。

A)近期最少使用法B)近期最久未用法
C)先进先出法D)页面失效频率法
与全相联映象相比，组相联映象的优点是________。

A)目录表小B)块冲突概率低C)命中率高D)主存利用率高"一次重叠"中消除"指令相关"最好的方法是________。

A)不准修改指令B)设相关专用通路
C)推后分析下条指令D)推后执行下条指令
流水操作中，遇到数据相关时，采用的解决办法有________。

A)用优化编译器检测，通过指令重新排序的办法
B)数据重定向技术
C)延迟转移技术
D)加快和提前形成条件码
经多级网络串联来实现全排列网络，只能用________。

A)多级立方体网络B)多级PM2I网络
C)多级混洗交换网络D)上述任何网络
虫蚀寻径以流水方式在各寻径器是顺序传送的是________。

A)消息B)包C)片D)字节
超标量处理机________
A)在一个时钟周期内分时发射多条指令B)只有一个操作部件
C)在一个时钟周期内同时发射多条指令D)只有一个取指部件
流水线的技术指标不包括________
A)响应比B)吞吐率C)加速比D)效率
向量处理机属于________
A)SISD B)SIMD C)MISD D)MIMD
________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)多处理机和多计算机
D)阵列处理机
BSP计算机的并行处理机有16个处理单元，并行存储器的存储体个数为________。

A)16 B)1 C)32 D)17
判断题(正确打√，错误打╳，10分，每题1分)
( ×)对计算机系统中经常使用的基本单元功能，宜于用软件来实现，这样可降低系统的成本。

(√)处理机级流水线又称为指令流水线。

( ×)由于RISC简化了指令系统，因此，RISC上的目标程序比CISC上的目标程序要短一些，程序执行的时间就会少一些。

( ×)在存储体系中，地址的映象与地址的变换没有区别。

( ×)在满足Cache与主存的一致性方面，写回比写直达法好。

( ×)Cache组相联映象的块冲突概率比直接映象的高。

(√)采用LRU替换的Cache存储器，分配给程序的Cache容量一定时，块的大小增加，Cache的命中率将先上升，到一定时候又会逐渐降低。

(×)阵列处理机以多个处理机构成阵列。

( √)SIMD计算机的算法极大地依赖于机器的系统结构。

(× )解决多处理机Cache不一致性问题是基于链式目录的协议优点是限制了共享数据块的拷贝数量。

综合题
(10分)如果某计算机系统有3个部件可以改进，则这三个部件经改进后的加速比分别为：S1=30，S2=20，S3=10。

(1)如果部件1和部件2改进前的执行时间占整个系统执行时间的比例都为30%，那
么，部件3改进前的执行时间占整个系统执行时间的比例为多少，才能使3个部件都改进后的整个系统的加速比Sn达到10？
(2)如果3个部件改进前执行时间占整个系统执行时间的比例分别为30%、30%和
20%，那么，3个部件都改进后系统的加速比是多少？未改进部件执行时间在改进后的系统执行时间中占的比例是多少？
(10分)一台模型机共有7条指令，各指令的使用频率分别为35%，25%，20%，10%，5%，3%和2%。

(1)要求操作码的平均长度最短，请设计操作码的编码，并计算所设计操作码的平均长
度。

(2)设计8字长的寄存器-寄存器型指令3条，16位字长的寄存器-存储器型变址寻址方式指令4条，变址范围不小于±127。

请设计指令格式，并给出各字段的长度和操作码的编码。

解：
解：（1）要使得到的操作码长度最短，应采用Huffman 编码，构造Huffman树如下：
S 1S2S3S4这样，采用Huffman编码法得到的操作码的平均长度为：
H = 2×(0.35+0.25+0.20) + 3×0.10 + 4 ×0.05+ 5×(0.03 + 0.02) =1.6+0.3+0.2+0.25
=2.35
S
1S2S3S4
(10分)有一个4段流水线，如下图所示：
S1S2S3S4
其中，段S1和S3的执行时间均为200ns,段S2和S4的执行时间均为100ns。

若瓶颈段S1可使用细分方法改造，瓶颈段S3可使用并联方法改造，对改造后的流水线，分别使用公式和时空图求连续流入4条指令的实际吞吐率和效率
(10分)设向量长度均为64，在Cray-1机上所用浮点功能部件的执行时间分别为：相加6拍，相乘7拍，求倒数近似值14拍；从存储器读数6拍，打入寄存器及启动功能部件各1拍，问下列各指令组，组内的哪些指令可以链接？哪些指令不可链接？不能链接的原因是什么?
分别计算出各指令组全部完成所需要的拍数。

(1)V0<--存储器 V1<--V2+V3 V4<--V5*V6(2)V2<--V0*V1 V3<--存储器 V4<--V2+V3(3)V0<--存储器 V2<--V0*V1
V3<--V2+V0
V5<--V3+V4
(4)V0<--存储器 V1<--1/V0 V3<--V1*V2 V5<--V3+V4
解：(1)3 条向量指令之间既没有发生源Vi 冲突，也没有Vi 的先写后读相关，又不存在功能部件的使用冲突，所以这 3 条向量指令可以同时并行流水。

向量指令组全部完成需要max{(1+6(访存)+1+64-1),(1+6(浮加)+1+64-1),(1+7(浮乘)+1+64-1)} =72拍。

(2)3 条向量指令之间没有功能部件的使用冲突，但是在第1、2 两条向量指令与第3 条向量指令之间有V2 及V3 的先写后读相关。

只要让第1 条向量指令较第2 条向量指令提前 1 拍启动，则第1,2 两条向量指令的第 1 个结果元素就可以被同时链接到第 3 条向量指令中。

(1+7(浮乘)+1)+(1+6(浮加)+1+64-1)
=80(拍)。

(3)第1 条向量指令与第2 条向量指令之间有V0 的先写后读相关，两者可以链接。

第3 条向量指令与第 2 条向量指令之间有源向量寄存器V0 的冲突，它们之间只能串行。

第3 条向量指令与第4 条向量指令之间有加法功能部件的使用冲突，它们之间也只能串行。

(1+6( 访存)+1+1+7( 浮乘)+1+64-1)+(1+6( 访存)+1+64-1)+(1+6( 浮
加)+1+64-1)=222(拍)。

(4)4 条向量指令均依次有Vi 的先写后读相关，但无源Vi 冲突，也无功能部件的使用冲突，所以，这4 条向量指令可以全部链接在一起，进行流水。

(1+6(访存)+1)+(1+14(求倒数)+1)+(1+(7 浮乘)+1)+(1+6(浮加)+1)+64-1=104 拍
(10分)有一个5段流水线，各段执行时间均为Δt ，其预约表如下表所示。

t7X
S5
段S 时间t
t1
t2
t3
t4
t5
t6
S1S2S3S4X
X
X
X
X
X
X X
X
(1)列出禁止表F和冲突向量C。

(2)画出流水线调度的状态图。

(3)分别求出允许不等时间间隔调度和等时间间隔调度的两种最优调度策略，以及这两
种调度策略的流水线最大呑吐率。

(4)若连续输入10个任务，求这两种调度策略的流水线实际呑吐率和加速比。

解：
(1)禁止向量F=(1,3,6) (1 分)
冲突向量C=(100101) (1 分)
（2）
(3)
最小启动循环(2,2,5) 最小平均延迟(2+2+5)/3=3
TPmax=1/(3Dt) (1 分)
最小恒定循环(4)
TPmax=1/(4Dt) (1 分)
（4）
(10分)阵列机有0～7共8个处理单元互连，要求按(0，5)，(1，4)，(2，7)，(3，6)配对通信。

(1)写出实现此功能的互连函数的一般式。

(2)画出用3级立方网络实现该互连函数的互连网络拓扑结构图，并标出各控制开关
状态。

解：（1）
(2)如下图所示：。