计算机系统结构试题11附答案

1.(30分)解释下列术语

(1)冯·诺依曼结构：冯·诺依曼等人于１９４６年提出了一个完整的现代计算机雏型，它由运算器、控制器、存储器和输入输出设备组成，这种结构称为冯·诺依曼结构。

(2)数据表示：数据表示研究的是计算机硬件能够直接识别，可以被指令系统直接调用的那些数据类型。数据表示是数据类型中最常用，也是相对比较简单，用硬件实现相对比较容易的几种。如定点数（整数）、逻辑数（布尔数）、浮点数（实数）、十进制数、字符、字符串、堆栈和向量等。

(3)CISC：复杂指令系统计算机

(4)存储系统：两个或两个以上速度、容量和价格各不相同的存储器用硬件、软件、或软件与硬件相结合的方法连接起来成为一个系统，这就是存储系统。(5) 时空图：描述流水线的工作，最常用的方法是采用“时空图”。在时空图中，横坐标表示时间，也就是输入到流水线中的各个任务在流水线中所经过的时间。当流水线中的各个功能部件的执行时间都相等时，横坐标被分割成相等长度的时间段。纵坐标表示空间，即流水线的各个子过程。在时空图中，流水线的一个子过程通常称为“功能段”。

(6)多功能流水线：多功能流水线（Multifunction Pipelining）是指流水线的各段可以进行不同的连接。在不同时间内，或在同一时间内，通过不同的连接方式实现不同的功能。

(7)加速比：完成一批任务，不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比称为流水线的加速比（Speedup ratio）。

(8)链接技术：链接是当从一个流水线部件得到的结果直接送入另一个功能流水线的操作数寄存器时所发生的连接过程。换句话说，中间结果不必送回存储器，而且甚至在向量操作完成以前就使用。链接允许当第一个结果一变成可用的操作数时就马上发出相继的操作。

(9)存储转发寻径：存储转发寻径(store and forward) 在存储转发网络中包是信息流的基本单位。每个结点有一个包缓冲区。包从源结点经过一系列中间结点到达目的结点。

(10)虫蚀寻径(wormhole) ：新型的多计算机系统很多采用的是虫蚀寻径方

式，把包进一步分成更小的片。与结点相连的硬件寻径器中有片缓冲区。消息从源结点传送到目的结点要经过一系列寻径器。

2.(20分，每空一分)填空

(1) 衡量流水线性能通常有三种主要指标，它们是吞吐率、加速比和效率。

(2) 按照Flynn分类法,根据指令流和数据流的不同组织方式,计算机系统的结构可以分为SISD(单指令流单数据流)、__ SIMD MISD MIMD或者单指令流多数据流多指令流单数据流多指令流多数据流___。

(3) 三种向量处理方式指___横向处理方式__、_纵向处理方式 ____和___纵横处理方式__。

(4) 在CISC中，各种指令的使用频度相差悬殊，大致有以下的结果。大约有__20%___（比例）的指令使用频度较高，占据了__80%___（比例）的处理机时间。

(5) 从不同的角度，我们可以把流水线分成不同的类别。如果根据流水线各功能段是否有反馈信号来划分，可以分为线性流水线和非线性流水线；多功能流水线可以分为两种，即根据它在同一时间内是否能连成多种方式，可以分为静态流水线和动态流水线____。

(6) 消息寻径方式包括两种，即线路交换和包交换。其中包交换又包括存储转发寻径、虚拟直通寻径和虫蚀寻径等方式。

(7) RISC思想的精华是_减少指令平均执行周期数_____。我们通常用__时空图___来描述流水线的工作过程。

3 (25分) 在一个Cache存储系统中，主存储器的访问周期、存储容量和单位价格分别为60ns、64MB和10元/MB，Cache的访问周期、存储容量和单位价格分别为10ns、512KB和100元/MB，Cache的命中率为0.98。

(1)(15分)计算这个Cache存储系统的等效访问周期、存储容量和单位价格。

(2)(10分)计算这个Cache存储系统的访问效率。

解：(1)这个Cache存储系统的等效访问周期：

T＝Tc H ＋ Tm（1－H）＝10ns×0.98 ＋ 60ns×（1－0.98）＝11ns

等效存储容量：S＝64MB

等效单位价格：C＝（Cc Sc ＋ Cm Sm）/（Sc ＋ Sm）

＝（100×0.5＋10×64）/（0.5＋64）＝10.7(元/MB)

(2)这个Cache存储系统的访问效率：

e＝Tc/T＝10/11＝0.91

4.(25分).一条浮点加法流水线由对阶、尾数加和规格化三个流水段组成，每个流水段的时间均为2ns。流水线的输出端有直接数据通路与输入端相连，并且设置有缓冲寄存器用以保存中间运算结果。用这条流水线计算8个浮点数的和：S＝A1＋A2＋A3＋A4＋A5＋A6＋A7＋A8。画出流水线的时空图，并计算流水线的吞吐率、加速比和效率。

解：S＝A1＋A2＋A3＋A4＋A5＋A6＋A7＋A8

＝[（A1＋A2）＋（A3＋A4）]＋[（A5＋A6）＋（A7＋A8）]

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

规格化 1 2 3 4 5 6 7

尾数加 1 2 3 4 5 6 7

对阶 1 2 3 4 5 6 7

加数 A1 A3 A5 A7 A1+A2 A5+A6 A1+A2+A3+A4

加数 A2 A4 A6 A8 A3+A4 A7+A8 A5+A6+A7+A8

流水线的吞吐率为：

流水线的加速比为：

流水线的效率为：