02325计算机系统结构复习题参考答案

计算机系统结构（02325）复习题一、填空题。

1.评价存储系统的指标包括每位价格c 、命中率H 和存储层次的等效访问时间TA2.计算机系统设计方法有“由上往下”设计、“由下往上”设计和“由中间开始”向两边设计。

其中软硬件结合较好的是“由中间开始”向两边设计的设计方法。

3.I/O控制方式可分为程序控制I/O方式、直接存储器访问（DMA）方式和I/O处理机方式。

4.在通道方式I/O传输过程中，用户经由输入/输出的访管指令来使用外设，进管后按其提供的入口地址，将管理程序调出来执行要编制通道程序。

CPU在执行完启动I/O 指令后，通道就可以与其并行工作。

5.Cache块的调度算法通常有 FIFO算法和 LRU 算法两种。

6.计算机硬件和软件在逻辑功能上是等效的，在性能、价格、实现的难易程度上是不同的。

7.系列机的软件兼容可分为向上兼容、向下兼容、向前兼容和向后兼容，其中向后兼容是软件兼容的根本特性。

第8—12题重复第1—5题13.有一个“主存—辅存”层次，采用组相联映象。

主存共1024个页面，分为S组。

当S= 1 时，则成为全相联映象，当S= 1024 时，则成为直接映象。

二、解释题1. 冷启动失效率：Cache空到Cache满的失效率。

2. Huffman压缩概念：当各种事件发生的概率不均等时，采用优化技术对发生概率最高的事件用最短的位数（时间）来表示（处理），而对出现概率较低的，允许用较长的位数（时间）来表示（处理），就会导致表示（处理）的平均位数（时间）的缩短。

3. 动态再定位：在硬件上设置基址寄存器和地址加法器。

在程序不作变换直接装入主存的同时，装入主存的起始地址存入对应该道程序使用的基址寄存器中。

程序执行时，只要通过地址加法器将逻辑地址加上基址寄存器的程序基址形成物理（有效）地址后去访存即可。

4.LRU替换算法：LRU替换算法就是近期最少使用替换算法，即选择近期里使用得最少的页，将其替换出去。

一般将近期最少使用法改为近期最久未用过的替换算法，即选择出主存中近期最久未被使用过的页面将其替换出去，我们仍然称其为LRU替换算法。

5.动态再定位：在硬件上设置基址寄存器和地址加法器。

在程序不作变换直接装入主存的同时，装入主存的起始地址存入对应该道程序使用的基址寄存器中。

程序执行时，只要通过地址加法器将逻辑地址加上基址寄存器的程序基址形成物理（有效）地址后去访存即可。

6.单功能流水线：单功能流水线指的是流水线内各段固定连接，只能完成单一的一种功能。

7.MIMD：MIMD指的是多指令流多数据流。

能全面实现作业、任务、指令、数组各级并行的多处理机和多计算机系统，都属于MIMD系统。

8.仿真：用微程序直接解释另一机器的机器指令实现软件移植的方法称为仿真。

仿真可以提高被移植软件的运行速度，但机器结构差异较大时，很难仿真。

三、简答题1. 简述开发并行性的三种技术途径。

答：（1）时间重叠是引入时间因素，让多个处理过程在时间上相互错开，轮流使用同一套硬件设备的各个部分，以加快硬件周转使用来赢得速度。

（2）资源重复是引入空间因素，通过重复设置硬件资源来提高性能。

（3）资源共享是用软件方法让多个用户按一定时间顺序轮流使用同一套资源，来提高其利用率，相应也就提高了系统的性能。

2. 存储层次映象方法有哪三种？简述他们各自的基本特点。

答：(1)全相联映象和变换。

全相联映象是在主存和Cache都机械等分成相同大小的块后，让主存中任何一块均可以映像装入到Cache中任何一块的位置上。

尽管全相联映像方法的Cache块冲突概率是最低的，物理Cache的空间利用率是最高的，但由于地址映像的相联目录表容量太大，成本极高，查表进行地址变换的速度太低，所以无法实用。

(2)直接相联映象及变换。

直接映像是在主存和Cache都机械等分成相同大小的块后，再将主存空间按物理Cache 大小等分成区，让主存中每一区中的各个块均只能按位置一一对应装入Cache中相应的块位置上。

这样，只需要用一个按地址访问的存储器，记录存放Cache中每一块位置上的主存块现在是哪个区的区号。

该表存储器所需的硬件量很少，成本低，易于实现。

采用直接映像时，查表找区号可以与访物理Cache同时进行。

只要Cache命中，就不需要花专门的地址变换时间，所以Cache 的实际访问速度很快。

然而，直接映像方式由于发生Cache块冲突的概率很高，Cache空间利用率很低，所以现在很少使用。

(3)组相联映象及变换。

组相联映像是在主存和Cache都机械等分成相同大小的块，并将主存空间按Cache大小等分成区后，再将Cache空间和主存空间中的每一区都等分成大小相同的组，让主存各区中某组中的任何一块均可直接映像装入到Cache中对应组的任何一块位置上，也就是采用组间直接映像，组内各块全相联映像。

组相联集中了全相联和直接映象的优点，弥补它们的缺点，只要组内块数较多，组相联映像比全相联映像在实现成本上要低得多，所以它获得了广泛的使用。

3. 解决相关问题有哪两种基本思路？他们各有什么特点？答：流水机器中解决相关问题有两种基本思路：一种是解决局部性相关，另一种是解决全局性相关。

局部性相关是指指令相关、访存操作数相关和通用寄存器组相关及基址值或变址值相关。

处理局部相关的方法有两种：一种是推后后续指令对相关单元的读，直至在先的指令写入完成。

另一种是设置相关直接通路，将运算结果经相关直接通路直接送入所需部件。

全局性相关是指转移指令与其后续指令之间的相关。

处理方法有：（1）猜测法：猜选其中一个分支继续流入，待条件码形成后再决定是继续执行，还是作废，按另一条重新流入；（2）提前形成转移所需条件，包括指令内或程序段内条件码的提前生成；（3）加快短循环程序的处理，判断如属于短循环，将循环体各指令一次取入指令缓冲器中，停止预取指令；猜选分支恒选循环分支。

（4）采取延迟转移，不必增加硬件，在编译生成目标指令程序时，将转移指令与其前面不相关的一条或多条指令交换位置，让成功转移总是延迟到在这一条或多条指令执行之后再进行。

4. 试对通用寄存器型机器和堆栈型机器作简单比较。

答：通用寄存器型机器对堆栈数据结构实现的支持是较差的。

表现在：(1)堆栈操作用的机器指令数少，一般只是些简单的压入和弹出之类的指令，功能单一；(2)堆栈被放置在主存内，因此每次访问堆栈都要进行访存，访问堆栈速度低；(3)堆栈一般只用于保存程序调用时的返回地址，只有少量参数经堆栈来传递，大部分参数都是通过寄存器或内存区来传递的。

而堆栈型机器则不同，它主要表现在：(1)有高速寄存器组成的硬件堆栈，并与主存中堆栈区在逻辑上组成整体，使堆栈的访问速度是寄存器的，容量是主存的；(2)丰富的堆栈指令可对堆栈中的数据进行各种运算和处理，且功能很强；(3)有力地支持高级语言的编译，由逆波兰表达式作为编译的中间语言，就可直接生成堆栈指令构成的程序，进行多元素表达式的计算；(4)有力地支持子程序的嵌套和递归调用。

堆栈型机器系统结构有力地支持子程序的嵌套和递归调用。

在程序调用时，不仅用堆栈保存返回地址，还保存条件码等多种状态信息和某些关键寄存器的内容，如全局性参数、局部性参数，以及为被调用的程序在堆栈中建立一个存放局部变量、中间结果等现场信息的工作区。

堆栈机器在程序调用时，将这些内容全部用硬件方式压入堆栈。

当子程序返回时，返回地址、运算结果、返回点现场信息均通过子程序返回指令用硬件方式从堆栈中弹出。

只需修改堆栈指针内容就可删去堆栈中不用的信息。

堆栈机器能及时释放不用的单元，访问堆栈时大量使用零地址指令，省去了地址码字段。

即使访问主存，，也采用相对寻址，使访存的地址位数较少，从而使堆栈型机器上运行的程序较短，程序执行时所用的存储单元数少，存储效率较高。

5. 可以从哪几个方面来改进指令系统的功能？答：可以从两个方面来改进指令系统的功能：一种是如何进一步增强原有指令的功能以及设置更为复杂的新指令取代原先由软件子程序完成的功能，实现软件功能的硬化。

按此方向发展，机器指令系统日益庞大和复杂，因此，称用这种途径设计成CPU的计算机称为复杂指令系统计算机，它可从面向目标程序、面向高级语言、面向操作系统三个方面的优化实现来考虑。

另一种是如何通过减少指令种数和简化指令功能来降低硬件设计的复杂度，提高指令的执行速度。

按此方向发展，使机器指令系统精简，因此，称用这种途径设计成CPU的计算机为精简指令系统计算机。

它主要采用的基本技术有：（1）按照RISC一般原则设计；（2）逻辑实现用硬联和微程序相结合；（3）用重叠寄存器窗口；（4）指令用流水和延迟转移；（5）优化设计编译系统。

6. 存储层次映象方法有哪三种？简述他们各自的基本特点。

答：(1)全相联映象和变换。

全相联映象是在主存和Cache都机械等分成相同大小的块后，让主存中任何一块均可以映像装入到Cache中任何一块的位置上。

尽管全相联映像方法的Cache块冲突概率是最低的，物理Cache的空间空间利用率是最高的，但由于地址映像的相联目录表容量太大，成本极高，查表进行地址变换的速度太低，所以无法实用。

(2)直接相联映象及变换。

直接映像是在主存和Cache都机械等分成相同大小的块后，再将主存空间按物理Cache大小等分成区，让主存中每一区中的各个块均只能按位置一一对应装入Cache 中相应的块位置上。

这样，只需要用一个按地址访问的存储器，记录存放Cache中每一块位置上的主存块现在是哪个区的区号。

该表存储器所需的硬件量很少，成本低，易于实现。

采用直接映像时，查表找区号可以与访物理Cache同时进行。

只要Cache命中，就不需要花专门的地址变换时间，所以Cache 的实际访问速度很快。

然而，直接映像方式由于发生Cache 块冲突的概率很高，Cache 空间利用率很低，所以现在很少使用。

(3)组相联映象及变换。

组相联映像是在主存和Cache 都机械等分成相同大小的块，并将主存空间按Cache 大小等分成区后，再将Cache 空间和主存空间中的每一区都等分成大小相同的组，让主存各区中某组中的任何一块均可直接映像装入到Cache 中对应组的任何一块位置上，也就是采用组间直接映像，组内各块全相联映像。

组相联集中了全相联和直接映象的优点，弥补它们的缺点，只要组内块数较多，组相联映像比全相联映像在实现成本上要低得多，所以它获得了广泛的使用。

7. 解决相关问题有哪两种基本思路？他们各有什么特点？答：流水机器中解决相关问题有两种基本思路：一种是解决局部性相关，另一种是解决全局性相关。

局部性相关是指指令相关、访存操作数相关和通用寄存器组相关及基址值或变址值相关。

处理局部相关的方法有两种：一种是推后后续指令对相关单元的读，直至在先的指令写入完成。